KR20020056133A - High efficiency generation system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명은 공급되는 혼합 연료와 산소가 전기화학반응을 일으키면서 전기와 반응열을 포함하는 부산물을 발생시키는 연료전지와 상기 연료전지에서 발생되는 반응열을 전달받아 운동에너지를 발생시키는 마이크로 터빈과 상기 마이크로 터빈에서 발생되는 운동에너지로 전기에너지를 발생시키는 발전기를 포함하도록 구성하여 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시켜 전기에너지를 발생시키게 될 뿐만 아니라 상기 전기화학반응에서 발생되는 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시킴으로써 전기에너지로의 에너지 변환 효율을 높여 에너지 사용량을 줄이고 환경 오염을 방지할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency power generation system, the present invention provides a fuel cell and the reaction heat generated from the fuel cell to generate the by-products including electricity and reaction heat while the mixed fuel and oxygen is supplied electrochemical reaction It is configured to include a micro turbine for generating energy and a generator for generating electrical energy from the kinetic energy generated from the micro turbine to convert the chemical energy of the fuel directly into the electrical energy through the electrochemical reaction of the continuously supplied fuel and air Electricity is generated by generating electricity as well as generating electrical energy by using waste heat generated in the electrochemical reaction to increase energy conversion efficiency into electrical energy, thereby reducing energy usage and preventing environmental pollution.
Description
본 발명은 고효율 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 연료를 공급하여 전기에너지로 전환시키는 에너지의 효율을 높일 수 있도록 한 고효율 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency power generation system, and more particularly, to a high efficiency power generation system capable of increasing the efficiency of energy supplied by supplying fuel to electrical energy.
현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생되는 것이다. 그리고 상기 발전소에서 발전된 전기에너지는 송전선을 통해 각 지역의 건물, 즉 가정으로 공급되며 그 공급되는 전기에너지로 텔레비젼, 형광등, 냉장고, 에어컨 등을 작동하여 생활을 편리하고 유익하게 하고 있다.The electric energy currently used in buildings is generated by power generation at thermal power plants or by hydroelectric power. In addition, the electric energy generated in the power plant is supplied to buildings of each region through the power transmission line, that is, the home, and the electric energy supplied to operate the TV, fluorescent lamps, refrigerators, air conditioners, etc. to make life convenient and beneficial.
그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮고, 또한 그 발전소에서 발전된 전기에너지를 각 지역의 건물에 송전선을 통해 공급하는 과정에서 손실이 크게 발생되어 연료 에너지의 소모에 비해 각 건물에서 사용되는 전기에너지의 효율이 매우 낮다. 즉, 각 건물에서 사용하는 전기에너지를 얻기 위해 과다하게 많은 연료 에너지가 소모된다. 또한, 이로 인하여 많은 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 되는 문제점이 있다.However, in order to obtain the electric energy currently used in the power plant, the oil or coal is burned in the power plant to convert the thermal energy into electric energy to obtain the electric energy. In the process of supplying energy to buildings in each region through transmission lines, losses are large, and the efficiency of electric energy used in each building is very low compared to the consumption of fuel energy. That is, excessive amount of fuel energy is consumed to obtain the electric energy used in each building. In addition, there is a problem that causes environmental pollution by pollutants generated while burning a lot of fuel energy, such as oil or coal.
따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다.Therefore, in recent years, fuel cells which are excellent in energy efficiency and environmentally friendly to generate electric energy have been developed. Such a fuel cell is a device for directly generating chemical energy of fuel directly into electrical energy through an electrochemical reaction between fuel and air continuously supplied from the outside.
도 1은 상기 연료전지 시스템의 일예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 일정량의 연료를 공급하는 연료 공급부(10)와 상기 연료 공급부(10)의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 부산물을 발생시키는 개질기부(20)와 상기 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)를 포함하여 구성된다.FIG. 1 illustrates an example of the fuel cell system. As shown in FIG. 1, the fuel cell system receives a fuel supply unit 10 supplying a predetermined amount of fuel and a fuel supplied from the fuel supply unit 10. It includes a reformer 20 for generating a by-product including heat and a stack 30 for generating electricity and heat by the electrochemical reaction of oxygen supplied separately from the hydrogen gas generated from the reformer 20 do.
상기 개질기부(20)는 내부에 반응로(21)와 버너(22)를 포함하여 구성되며, 상기 스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어진다.The reformer 20 includes a reactor 21 and a burner 22 therein, and the stack 30 includes a fuel electrode 31, an electrolyte membrane 32, and an air electrode 33. A plurality of unit cells constituted are stacked.
상기한 바와 같은 연료전지의 작동은 다음과 같다.The operation of the fuel cell as described above is as follows.
먼저, 상기 연료 공급부(10)에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 상기 개질기부(20)에 공급하게 되면 그 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 기타 부산물을 발생시키게 된다. 그리고 상기 스택부(30)에서는 상기 개질기부(20)에서 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. 상기 스택부(30)를 구성하는 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 보다 상세하게 설명하면, 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 상기 수소가스(H2)가 연료극(Anode; 일명, 산화전극)(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+과 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 전해질막(32)을 통해 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(33)으로 이동한 수소이온은 공기극(33)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.First, when the fuel supply unit 10 supplies fuel and water such as methanol, natural liquefied gas (aka LNG) or gasoline to the reformer unit 20, steam reforming reaction is performed in the reformer unit 20. ) And Partial Oxidation in combination produce hydrogen gas, heat of reaction, and other by-products including water. In the stack 30, oxygen supplied separately from the hydrogen gas supplied from the reformer 20 generates an electrochemical reaction to generate electricity, heat, and water. Referring to the electrochemical reaction generated in the unit cell constituting the stack portion 30 in more detail, as shown in FIG. 2, first, the hydrogen gas (H 2 ) is the anode (aka, anode). It is supplied to the (31) side and undergoes an electrochemical oxidation reaction, which is oxidized by ionizing hydrogen ions H + and electrons e − . The ionized hydrogen ions move toward the cathode 33 through the electrolyte membrane 32 and electrons move through the anode 31. The hydrogen ions moved to the cathode 33 generate heat and water of the reaction while generating an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode 33, and electrical energy is generated by the movement of electrons.
상기 스택부(30)에서 발생되는 전기에너지는 트랜스(40)에 의해 변환되면서 전기 제품을 가동시키게 된다.Electrical energy generated by the stack unit 30 is converted by the transformer 40 to operate the electric product.
그러나 상기한 바와 같은 종래 연료전지 발전 시스템은 기존 연료를 연소시켜 전기를 발전시키는 시스템보다 에너지 효율이 좋으나, 연료가 산소와 함께 전기화학반응을 일으키면서 함께 발생되는 반응열이 손실되므로 연료의 전기에너지로의 전환 효율이 저하되는 단점이 있었다.However, although the conventional fuel cell power generation system as described above is more energy efficient than the system for generating electricity by burning the existing fuel, the heat of reaction generated while the fuel causes an electrochemical reaction with oxygen is lost to the electrical energy of the fuel. There was a disadvantage that the conversion efficiency of.
상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 연료를 공급하여 전기에너지로 전환시키는 에너지의 효율을 높일 수 있도록 한 고효율 발전 시스템을 제공함에 있다.An object of the present invention devised in view of the above point is to provide a high-efficiency power generation system to increase the efficiency of the energy to supply the fuel to convert into electrical energy.
도 1은 종래 연료전지 발전 시스템을 개략적으로 도시한 배관도,1 is a piping diagram schematically showing a conventional fuel cell power generation system,
도 2는 상기 연료전지 발전 시스템을 구성하는 스택부의 단위 전지 단면도,2 is a cross-sectional view of a unit cell of a stack unit constituting the fuel cell power generation system;
도 3은 본 발명의 고효율 발전 시스템을 도시한 구성도.Figure 3 is a block diagram showing a high efficiency power generation system of the present invention.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
40 ; 트랜스 100 ; 연료전지40; Trans 100; Fuel cell
200 ; 마이크로 터빈 300 ; 발전기200; Micro turbine 300; generator
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 공급되는 혼합 연료와 산소가전기화학반응을 일으키면서 전기와 반응열을 포함하는 부산물을 발생시키는 연료전지와, 상기 연료전지에서 발생되는 반응열을 전달받아 운동에너지를 발생시키는 마이크로 터빈과 상기 마이크로 터빈에서 발생되는 운동에너지로 전기에너지를 발생시키는 발전기를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 고효율 발전 시스템이 제공된다.In order to achieve the object of the present invention as described above, a fuel cell and a fuel cell which generate by-products including electricity and heat of reaction while generating a mixed fuel and oxygen generate an electrochemical reaction, and receive and receive the reaction heat generated from the fuel cell. Provided is a high efficiency power generation system comprising a micro turbine for generating energy and a generator for generating electrical energy from the kinetic energy generated in the micro turbine.
이하, 본 발명의 고효율 발전 시스템을 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the high efficiency power generation system of the present invention will be described according to the embodiment shown in the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 고효율 발전 시스템의 일실시예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 상기 고효율 발전 시스템은 공급되는 혼합 연료와 산소가 전기화학반응을 일으키면서 전기와 반응열을 포함하는 부산물을 발생시키는 연료전지(100)에 이어 그 연료전지(100)에서 발생되는 반응열로 운동에너지를 발생시키는 마이크로 터빈(200)이 열 공급관(50)에 의해 연결된다. 상기 연료전지(100)는 일정량의 연료를 공급하는 연료 공급부(10)와 상기 연료 공급부(10)의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 부산물을 발생시키는 개질기부(20)와 상기 개질기부(20)에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부(30)를 포함하여 구성된다. 상기 개질기부(20)는 내부에 반응로(21)와 버너(22)를 포함하여 구성되며, 상기 스택부(30)는 연료극(31)과 전해질막(32) 그리고 공기극(33)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어진다.Figure 3 illustrates an embodiment of the high efficiency power generation system of the present invention, as shown in the above, the high efficiency power generation system is a by-product containing electricity and heat of reaction while the mixed fuel and oxygen is supplied to cause an electrochemical reaction After the fuel cell 100 to be generated, the micro turbine 200 for generating kinetic energy by the reaction heat generated in the fuel cell 100 is connected by the heat supply pipe 50. The fuel cell 100 includes a fuel supply unit 10 for supplying a predetermined amount of fuel, a reformer unit 20 for generating a by-product including hydrogen gas and heat by receiving fuel from the fuel supply unit 10, and the reformer unit It comprises a stack 30 for generating electricity and heat by the electrochemical reaction of oxygen supplied separately from the hydrogen gas generated in 20. The reformer 20 includes a reactor 21 and a burner 22 therein, and the stack 30 includes a fuel electrode 31, an electrolyte membrane 32, and an air electrode 33. A plurality of unit cells constituted are stacked.
상기 연료전지(100)에서 발생되는 전기를 다른 시스템에 전달하는 메인 전기공급(60)라인이 상기 연료전지(100)에 연결된다.The main electricity supply line 60 which transfers electricity generated from the fuel cell 100 to another system is connected to the fuel cell 100.
그리고 상기 마이크로 터빈(200)에 이어 그 마이크로 터빈(200)에서 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기(300)가 연결되며 상기 발전기(300)에 이어 그 발전기(300)에서 발생되는 전기에너지를 상기 메인 전기공급라인(60)에 전달하는 보조 전기공급라인(70)이 상기 발전기(300)와 메인 전기공급라인(60)에 연결된다.And after the micro turbine 200, the generator 300 for converting the kinetic energy generated in the micro turbine 200 into electrical energy is connected and the electrical energy generated in the generator 300 following the generator 300 An auxiliary electricity supply line 70 for transmitting a to the main electricity supply line 60 is connected to the generator 300 and the main electricity supply line 60.
그리고 메인 전기공급라인(60)은 가정에서 사용되는 전기 제품 등에 연결되며, 상기 보조 전기공급라인(70)과 상기 메인 전기공급라인(60)의 접점 이후에 위치하는 메인 전기공급라인(60)에 트랜스(40)가 연결된다.The main electricity supply line 60 is connected to an electrical appliance used in a home, and is connected to the main electricity supply line 60 located after the contact between the auxiliary electricity supply line 70 and the main electricity supply line 60. The transformer 40 is connected.
이하, 본 발명의 고효율 발전 시스템의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operational effects of the high efficiency power generation system of the present invention will be described.
먼저, 상기 연료 공급부에서 메탄올이나 천연액화가스(일명; LNG) 또는 가솔린 등의 연료와 물을 상기 개질기부(20)에 공급하게 되면 그 개질기부(20)에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 부분 산화 반응(Partial Oxidation)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 기타 부산물을 발생시키게 된다. 그리고 상기 스택부(30)에서는 상기 개질기부(20)에서 공급되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. 상기 스택부를 구성하는 단위 전지에서 일어나는 전기화학반응은 먼저 상기 수소가스(H2)가 연료극(31)측에 공급되어 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+과 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 전해질막(32)을 통해 공기극(33)측으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(31)을통해 이동하게 된다. 상기 공기극(33)으로 이동한 수소이온은 공기극(33)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이와 같이 연료전지(100)의 스택부(30)에서 발생되는 전기에너지는 메인 전기공급라인(60)을 통해 전달된다.First, when the fuel supply unit supplies fuel and water such as methanol, natural liquefied gas (aka LNG) or gasoline to the reformer unit 20, steam reforming and partial reforming of the reformer unit 20 is performed. Partial oxidation results in a combination of hydrogen gas, heat of reaction, and other by-products including water. In the stack 30, oxygen supplied separately from the hydrogen gas supplied from the reformer 20 generates an electrochemical reaction to generate electricity, heat, and water. The electrochemical reaction occurring in the unit cell constituting the stack portion is first oxidized while the hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the anode 31 and ionized to hydrogen ions H + and electrons e − as an electrochemical oxidation reaction occurs. . The ionized hydrogen ions move to the cathode 33 side through the electrolyte membrane 32 and electrons move through the fuel electrode 31. The hydrogen ions moved to the cathode 33 generate heat and water of the reaction while generating an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode 33, and electrical energy is generated by the movement of electrons. As such, the electrical energy generated in the stack unit 30 of the fuel cell 100 is transferred through the main electricity supply line 60.
그리고 상기 연료전지(100)에서 발생되는 반응열은 상기 열 공급라인(50)을 통해 마이크로 터빈(200)에 공급되면서 그 마이크로 터빈(200)을 가동시켜 운동에너지를 발생시키게 된다. 그리고 상기 마이크로 터빈(200)에서 발생되는 운동에너지에 의해 상기 발전기(300)가 작동하면서 전기에너지를 발생시키게 된다. 상기 발전기(300)에서 발생되는 전기에너지는 보조 전기공급라인(70)을 통해 상기 메인 전기공급라인(60)으로 전달되면서 상기 연료전지(100)에서 발생되는 전기에너지와 함께 상기 트랜스(40)에 의해 가정 및 기타 전기 제품에 적합한 상태로 변환되어 공급된다.The reaction heat generated by the fuel cell 100 is supplied to the micro turbine 200 through the heat supply line 50 to operate the micro turbine 200 to generate kinetic energy. In addition, the generator 300 operates by the kinetic energy generated by the micro turbine 200 to generate electric energy. The electric energy generated by the generator 300 is transferred to the main electric supply line 60 through the auxiliary electric supply line 70, and to the transformer 40 together with the electric energy generated by the fuel cell 100. It is supplied by being converted into a state suitable for homes and other electrical appliances.
본 발명은 연료전지(100)에서 연료 에너지 및 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으키면서 전기에너지를 발생시키게 되므로 연료 에너지가 전기에너지로 변환되는 효율이 높을 뿐만 아니라 상기 연료전지(100)에서 전기화학반응을 일으키면서 발생되는 반응열 즉, 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키게 되므로 연료 에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율이 매우 높게 된다. 아울러 상기 과정에서 공해 물질의 발생이 없어 환경 친화적이다.In the present invention, since the fuel energy and oxygen are supplied from the fuel cell 100 to generate the electrical energy while generating an electrochemical reaction, the fuel energy is not only converted to electrical energy but also high in efficiency. Reaction heat generated during the reaction, that is, waste heat is used to generate electrical energy, so the efficiency of converting fuel energy into electrical energy becomes very high. In addition, there is no pollution in the process is environmentally friendly.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 고효율 발전 시스템은 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시켜 전기에너지를 발생시키게 될 뿐만 아니라 상기 전기화학반응에서 발생되는 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키게 되어 전기에너지로의 에너지 변환 효율이 높게 됨으로써 적은 에너지의 소모로 필요로 하는 전기에너지를 발생시키게 되어 에너지 사용량을 줄이고 환경 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.As described above, the high-efficiency power generation system according to the present invention not only generates electric energy by directly generating the chemical energy of the fuel into the electrical energy through the electrochemical reaction of the continuously supplied fuel and the air, but also the electrochemical Electric energy is generated by using waste heat generated in the reaction, and the energy conversion efficiency to electric energy becomes high, thereby generating the required electric energy with little energy consumption, thereby reducing energy consumption and preventing environmental pollution. There is.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1857640A3 (en) * | 2006-05-10 | 2010-05-05 | Silicon Fire AG | New cascaded power plant process and method for the provision of reversibly usable hydrogen carriers in such a power plant process |
| WO2008052951A3 (en) * | 2006-10-29 | 2010-10-21 | Sincono Ag | Sand, shale and other silicon dioxide solid compounds as starting substances for providing silicon solid compounds, and corresponding processes for operating power stations |
| EP1857168A3 (en) * | 2006-05-10 | 2011-06-22 | Sincono Ag | Oil-bearing sands and shales, their mixtures as raw materials for fixing or dissociating carbon dioxide and NOx, and for producing cristalline silicium, hydrogen, silicon nitride, silicium carbide and silanes |
-
2000
- 2000-12-29 KR KR1020000085441A patent/KR20020056133A/en not_active Ceased
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1857640A3 (en) * | 2006-05-10 | 2010-05-05 | Silicon Fire AG | New cascaded power plant process and method for the provision of reversibly usable hydrogen carriers in such a power plant process |
| EP1857168A3 (en) * | 2006-05-10 | 2011-06-22 | Sincono Ag | Oil-bearing sands and shales, their mixtures as raw materials for fixing or dissociating carbon dioxide and NOx, and for producing cristalline silicium, hydrogen, silicon nitride, silicium carbide and silanes |
| US8043592B2 (en) | 2006-05-10 | 2011-10-25 | Silicon Fire Ag | Cascaded power plant process and method for providing reversibly usable hydrogen carriers in such a power plant process |
| WO2008052951A3 (en) * | 2006-10-29 | 2010-10-21 | Sincono Ag | Sand, shale and other silicon dioxide solid compounds as starting substances for providing silicon solid compounds, and corresponding processes for operating power stations |
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Legal Events
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20001229 |
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Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20050308 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20001229 Comment text: Patent Application |
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| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20060621 Patent event code: PE09021S01D |
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| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20061218 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20060621 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |