JP2005276742A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 改質部内が負圧状態となっても十分な閉止性を持つ燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料供給源12と分岐点22aとの間の燃料供給管21に設けられた第1電磁開閉弁31と、分岐点22aと改質部13との間の燃料供給管21に設けられた第2電磁開閉弁32と、分岐点22aと燃焼部14との間の燃焼用燃料供給管22に設けられた第3電磁開閉弁33とを備えている。各電磁開閉弁31〜33は2ポート式の常閉直動式開閉弁であり、第1電磁開閉弁31はその入力ポート31aを燃料供給源12に連通するように取り付けられ、第2電磁開閉弁32はその出力ポート32bを改質部13に連通するように取り付けられ、第3電磁開閉弁33はその入力ポート33aを燃焼部14に連通するように取り付けられている。
【選択図】 図1
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料供給源12と分岐点22aとの間の燃料供給管21に設けられた第1電磁開閉弁31と、分岐点22aと改質部13との間の燃料供給管21に設けられた第2電磁開閉弁32と、分岐点22aと燃焼部14との間の燃焼用燃料供給管22に設けられた第3電磁開閉弁33とを備えている。各電磁開閉弁31〜33は2ポート式の常閉直動式開閉弁であり、第1電磁開閉弁31はその入力ポート31aを燃料供給源12に連通するように取り付けられ、第2電磁開閉弁32はその出力ポート32bを改質部13に連通するように取り付けられ、第3電磁開閉弁33はその入力ポート33aを燃焼部14に連通するように取り付けられている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、改質部に供給される燃料を改質して生成した改質ガスと空気を燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。
燃料電池システムとして、燃料供給源(都市ガスライン)5から供給される燃料を改質して改質ガスを生成して燃料電池1に供給する改質部(改質室)Reと、燃料供給源5から供給される燃焼用燃料を燃焼しその燃焼ガスを改質部Reの加熱に利用した後で外部に排出する燃焼部Coと、燃料供給源5と改質部Reを連通する燃料供給管(燃料供給ライン)6と、この燃料供給管6から分岐して燃焼部Coと連通する燃焼用燃料供給管(改質器燃料昇温ライン)7と、分岐点と改質部Reとの間の燃料供給管6に設けられた第1および第3電磁開閉弁(第1および第3燃料遮断弁)12,14と、分岐点と燃焼部Coとの間の燃焼用燃料供給管7に設けられた第2および第4電磁開閉弁(第2および第4燃料遮断弁)13,15とを備えたものが知られている(特許文献1)。
燃料電池システムにおいては、一般的に運転終了直後に、改質部Re内に残留する燃料、水蒸気、改質ガスなどのガスによる改質部Re内に充填された触媒の劣化を防止するために、不活性ガス(例えば窒素ガス)を改質部Reに供給して改質部Re内からそれらガスを排除するパージ処理が実施されている。このパージ処理は、運転終了直後の高温状態(600℃〜650℃)の改質部Reに実施されている。そしてパージ処理後、改質部Re内は不活性ガスが充填された状態で密閉される。時間を置いて運転を再開する際には、改質部Reは密閉された状態で冷却されて常温になるので、改質部Re内の圧力は負圧状態(例えば−数十KPa)となっている。
特開平07−057757号公報(第2,3頁、図1)
上述した特許文献1に記載の燃料電池システムにおいて、改質部Reは燃料供給管6を介して燃料供給源5に連通するとともに燃料供給管6および燃焼用燃料供給管7を介して外部(大気)に連通している。したがって、改質部Re内が負圧状態である場合で、第1および第3電磁開閉弁12,14の閉止性が不十分である場合には、燃料が改質部Reに漏洩するおそれがあり、さらに第2および第4電磁開閉弁13,15の閉止性が不十分である場合には、空気が燃焼部Coを通ってシステム内に流入しひいては改質部Reに漏洩するおそれがある。したがって、改質部Re内が負圧状態となってもシステムとして十分な閉止性を持つことが要求されている。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、改質部内が負圧状態となっても十分な閉止性を持つ燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、燃料供給源から供給される燃料を改質して改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、燃料供給源から供給される燃焼用燃料を燃焼しその燃焼ガスを改質部の加熱に利用した後で外部に排出する燃焼部と、燃料供給源と改質部を連通する燃料供給管と、この燃料供給管から分岐して燃焼部と連通する燃焼用燃料供給管と、燃料供給源と分岐点との間の燃料供給管に設けられた第1電磁開閉弁と、分岐点と改質部との間の燃料供給管に設けられた第2電磁開閉弁と、分岐点と燃焼部との間の燃焼用燃料供給管に設けられた第3電磁開閉弁とを備えてなり、各電磁開閉弁は2ポート式の常閉直動式開閉弁であり、第1電磁開閉弁はその入力ポートを燃料供給源に連通するように取り付けられ、第2電磁開閉弁はその出力ポートを改質部に連通するように取り付けられ、第3電磁開閉弁はその入力ポートを燃焼部に連通するように取り付けられたことである。
また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、各電磁開閉弁の弁座のオリフィスの径は、電磁開閉弁を通過する流体の流量、出力ポート側の圧力、および入出力ポートの差圧に基づいて流体の流量を確保できる最小値に設定されていることである。
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、改質部と燃料供給源との間には分岐点を介して2つの常閉直動式開閉弁が設置され、これら開閉弁は負圧に対して閉止性を向上させるような配置となっているので、燃料電池システムの運転終了後にパージ処理を実施した後に改質部内が負圧状態となっても、改質部の燃料供給源に対する十分な閉止性を維持することができる。また、改質部と燃焼部(すなわち外部である大気)との間にも分岐点を介して2つの常閉直動式開閉弁が設置され、これら開閉弁も改質部の負圧に対して閉止性を向上させるような配置となっているので、燃料電池システムの運転終了後にパージ処理を実施した後に改質部内が負圧状態となっても、改質部の外部である大気に対する十分な閉止性を維持することができる。
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、各電磁開閉弁を構成する弁体が当接する弁座のオリフィスの径は、電磁開閉弁を通過する流体の流量、出力ポート側の圧力、および入出力ポートの差圧に基づいて流体の流量を確保できる最小値に設定されているので、オリフィスの有効断面積を低減してその面積に受ける出力側からの負圧に起因する吸引力を低減することができ、これにより、閉状態の電磁開閉弁を開く際の開弁力を低減することができる。したがって、十分な閉止性を維持する一方で開弁性を向上させることができる。
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、燃料電池11と、燃料供給源12(例えば都市ガス管)から供給される燃料(例えば、天然ガス、LPG、灯油、アルコール)を内部に充填された触媒によって改質して改質ガスを生成して燃料電池11に供給する改質部13と、燃料供給源12から供給される燃料(燃焼用燃料)を燃焼しその燃焼ガスを改質部13の加熱に利用した後で外部(大気)に排出する燃焼部14とを備えている。なお、図1においては、改質部13から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素シフト反応部と、このシフト反応部から導出された水素ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去する一酸化炭素選択酸化部は省略されている。
燃料電池システムには、燃料供給源12と改質部13とを連通する燃料供給管21と、この燃料供給管21から分岐して燃焼部と連通する燃焼用燃料供給管22とが備えられている。燃料供給源12と分岐点22aとの間の燃料供給管21には第1電磁開閉弁31が設けられている。第1電磁開閉弁31は制御装置(図示省略)の指令によって燃料供給管21を開閉するものである。第1電磁開閉弁31は入出力ポート31a,31bを備えており、入力ポート31aは燃料供給源12に連通するように取り付けられている。
分岐点22aと改質部13との間の燃料供給管21には、上流から順番に燃料ポンプ15、脱硫器16および第2電磁開閉弁32が設けられている。燃料ポンプ15は制御装置の指令によって燃料供給源12から供給される燃料を吸い込み改質部13に吐出するものである。脱硫器16は内部に充填されている触媒によって燃料中のイオウ分を除去するものである。第2電磁開閉弁32は制御装置の指令によって燃料供給管21を開閉するものである。第2電磁開閉弁32は入出力ポート32a,32bを備えており、出力ポート32bは改質部13に連通するように取り付けられている。
脱硫器16と第2電磁開閉弁32との間の燃料供給管21には、基端が窒素供給源18に連通する窒素供給管23の先端が連通されている。窒素供給管23には、制御装置の指令によって窒素供給管23を開閉する窒素バルブ34が設けられている。また、第2電磁開閉弁32と改質部13の間の燃料供給管21には、基端が改質水供給源(図示省略)に連通する改質水供給管24の先端が連通されている。改質水供給管24には、制御装置の指令によって改質水供給管24を開閉する改質水バルブ35が設けられている。
分岐点22aと燃焼部14との間の燃焼用燃料供給管22には、上流から順番に燃焼用燃料ポンプ17および第3電磁開閉弁33が設けられている。燃焼用燃料ポンプ17は制御装置の指令によって燃料供給源12から供給される燃料を吸い込み燃焼部14に吐出するものである。第3電磁開閉弁33は制御装置の指令によって燃焼用燃料供給管22を開閉するものである。第3電磁開閉弁33は入出力ポート33a,33bを備えており、入力ポート33aは燃焼部14に連通するように取り付けられている。
燃料電池11の燃料極11aの導入口には改質ガス供給管25を介して改質部13が接続されており、燃料極11aに改質ガスが供給されるようになっている。燃料極11aの導出口にはオフガス供給管26介して燃焼部14が接続されており、燃料電池11にて反応に使われなかった水素ガス(オフガス)を燃焼部14に供給するようになっている。バイパス管27は燃料電池11をバイパスして改質ガス供給管25およびオフガス供給管26を直結するものである。
改質ガス供給管25にはバイパス管27との分岐点と燃料電池11との間に第1改質ガスバルブ36が設けられている。オフガス供給管26にはバイパス管27との合流点と燃料電池11との間にオフガスバルブ37が設けられている。バイパス管27には第2改質ガスバルブ38が設けられている。第1および第2改質ガスバルブ36,38およびオフガスバルブ37はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置により制御されている。
燃焼部14が制御装置の指令によって着火されると、燃焼部14に供給された燃焼用燃料またはオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスによって改質部13が加熱される。改質部13を加熱した燃焼ガスは排気管28を通って排気ガスとして外部に排気される。
上述した第1〜第3電磁開閉弁31〜33は、図2に示すように、常閉直動式開閉弁40である。常閉直動式開閉弁40はハウジング41を備えている。ハウジング41には流路42が形成されており、この流路42は流体を導入する入力ポート42a、流路42内を通過した流体を導出する出力ポート42bを備えている。この流路42の途中には隔壁部42cが設けられており、その隔壁部42cに弁座43が形成されている。弁座43のオリフィス43aの径は、常閉直動式開閉弁40を通過する流体の流量、出力ポート42b側の圧力、および入出力ポート42a,42bの差圧に基づいて流体の流量を確保できる最小値に設定されている。流体の流量は、燃料電池11の出力電圧によって決定されるのが好ましい。入出力ポート42a,42bの差圧は、弁の上流に配置されているポンプの性能を考慮して決定されるのが好ましい。
オリフィス43aの有効径Rは次のように算出される。まず、オリフィス43aの有効断面積Sを下記数1から算出する。これは、本実施の形態の場合においては、(P2+0.1)/(P1+0.1)>0.5であるので、亜音速流れの公式を適用するからである。
ここで、Qはオリフィス43aを通過する流体の流量であり、P1は入力ポート42a側の圧力であり、P2は出力ポート42b側の圧力であり、Tは温度である。
そして、算出された有効断面積Sに基づいて下記数2より有効径Rを算出する。
オリフィス43aの有効径Rは次のように算出される。まず、オリフィス43aの有効断面積Sを下記数1から算出する。これは、本実施の形態の場合においては、(P2+0.1)/(P1+0.1)>0.5であるので、亜音速流れの公式を適用するからである。
そして、算出された有効断面積Sに基づいて下記数2より有効径Rを算出する。
ハウジング41には軸孔44が形成されており、この軸孔44には可動子45が軸線方向に摺動可能に挿入されている。可動子45の突出端には弁座43とともに弁を構成する弁体46が固定されている。可動子45は圧縮スプリング47によって弁体46が弁座43に当接する方向(図2においては下向き)に付勢されており、電磁コイル48が非通電である場合には、弁体46が弁座43に圧接しオリフィス43aを閉鎖することにより常閉直動式開閉弁40は閉状態となる。また、ハウジング41には可動子45を取り巻くように電磁コイル48が配設されている。電磁コイル48が通電により励磁されると、可動子45は圧縮スプリング47の付勢力に抗して弁体46が弁座43から離れる方向(図2においては上向き)に移動し、弁体46が弁座43から離間してオリフィス43aを開放することにより常閉直動式開閉弁40は開状態となる(図2に示す状態)。
第1〜第3電磁開閉弁31〜33の各有効径R1,R2,R3は、上述のように設定されるが、特に第3電磁開閉弁33が最小径となるように設定するのが好ましい。これは第3電磁開閉弁33の流量は改質部13への流量より少なく設定され、かつ脱硫器16を空気の流入による劣化から保護するため第3電磁開閉弁33の有効径はできるだけ小さいほうが好ましいからである。
次に、上述のように構成された燃料電池システムの作動について説明する。起動運転時には、第1および第3電磁開閉弁31,33が開状態とされ燃焼用燃料ポンプ17が作動されるとともに、燃焼用空気ポンプ(図示省略)が作動されて、燃焼用燃料および燃焼用空気が燃焼部14に供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部13が所定温度になると、第2電磁開閉弁32および改質水バルブ35が開状態とされ、燃料ポンプ15および水ポンプ(図示省略)が作動されて、燃料および改質水が改質部13に供給される。このとき、第1改質ガスバルブ36およびオフガスバルブ37が閉状態とされ、第2改質ガスバルブ38が開状態とされており、改質部13から導出される改質ガスは、燃料電池11に供給されないでバイパス管27を通って燃焼部14に供給される。この改質ガスは燃焼部14で燃焼される。その改質ガス分だけ燃焼用燃料の供給量を減少させる。
そして、改質ガス中の一酸化炭素が所定量以下となると、燃料電池システムは定常運転を開始する。第1改質ガスバルブ36およびオフガスバルブ37が開状態とされ、第2改質ガスバルブ38が閉状態とされ、改質部13から導出される一酸化炭素の含有率の低い改質ガスは燃料電池11に供給される。燃料電池11で未反応の改質ガス(オフガス)は燃焼部14に供給されて燃焼される。そのオフガス分だけ燃焼用燃料の供給量を減少させる。
定常運転を停止する際には、燃料電池システムにおいてはパージ処理が実行される。第1電磁開閉弁31、第2改質ガスバルブ38および改質水バルブ35が閉状態とされて燃料の供給が停止される。第2および第3電磁開閉弁32,33、窒素バルブ34、第1改質ガスバルブ36およびオフガスバルブ37が開状態とされる。窒素供給源18から供給される窒素ガスは、窒素供給管23、燃料供給管21、燃焼用燃料供給管22および排気管28を通って外部に排出される。このとき、燃料供給管21および燃焼用燃料供給管22の各配管内、ならびにこれら配管途中に設けられた部品(脱硫器16、ポンプ15,17)内に残留する燃料が排出される。また、窒素供給源18から供給される窒素ガスは、窒素供給管23、燃料供給管21、改質ガス供給管25、オフガス供給管26および排気管28を通って外部に排出される。このとき、燃料供給管21、改質ガス供給管25およびオフガス供給管26の各配管内、ならびにこれら配管途中に設けられた部品(改質部13、燃料電池11)内に残留する燃料、改質水、改質ガスが排出される。この際、窒素供給源18の圧力に対しても、第1電磁開閉弁31は十分な閉止性を持つことから、窒素ガスが燃焼用燃料供給管22を通り燃料供給部12へ逆流しない。このパージ処理の終了後、第2および第3電磁開閉弁32,33、窒素バルブ34、第1改質ガスバルブ36およびオフガスバルブ37が閉状態とされ、全てのバルブが閉状態となり、燃料電池システムは閉塞される。
このように燃料電池システムが閉塞された後放置され、高熱状態であった改質部13が自然冷却すると、気密状態である改質部13は負圧状態(−数十KPa)になる。また、この負圧状態の改質部13に電磁開閉弁32を介して接する気密部分(第1〜第3電磁開閉弁31〜33によって区画される部分)も、電磁開閉弁32の若干の漏洩により改質部13の負圧状態に引きずられて改質部13の3〜4割程度の負圧状態になる。
このとき、改質部13と燃料供給源12との間には第2電磁開閉弁32および第1電磁開閉弁31が設置され、これら電磁開閉弁32,31は改質部13が負圧状態となった場合にその各出力ポート32b,31bが低圧側となりその各入力ポート32a,31aが高圧側となるように取り付けられている。これにより、各電磁開閉弁32,31においては弁体46が負圧による吸引力に合わせて圧縮スプリング47による付勢力によって弁座43に圧接される。したがって、負圧に対して閉止性を向上させることができ、改質部13の燃料供給源12に対する十分な閉止性を維持することができる。また、改質部13と燃焼部14との間には第2電磁開閉弁32および第3電磁開閉弁33が設置され、これら電磁開閉弁32,33は改質部13が負圧状態となった場合にその出力ポート32b,33bが低圧側となりその各入力ポート32a,33aが高圧側となるように取り付けられている。これにより、各電磁開閉弁32,33においては弁体46が負圧による吸引力に合わせて圧縮スプリング47による付勢力によって弁座43に圧接される。したがって、負圧に対して閉止性を向上させることができ、改質部13の燃焼部14ひいては外部である大気に対する十分な閉止性を維持することができる。
そして、再び燃料電池システムを起動させる際には、上述のように起動運転が実行される。このとき、第1〜第3電磁開閉弁31〜33を閉状態から開状態とする際に、各電磁開閉弁31〜33を構成する弁体46が当接する弁座43のオリフィス43aの径Rは、電磁開閉弁31〜33を通過する流体の流量Q、出力ポート側の圧力P2、および入出力ポートの差圧P2−P1に基づいて流体の流量を確保できる最小値に設定されているので、オリフィス43aの有効断面積Sを低減してその面積に受ける出力側からの負圧に起因する吸引力を低減することができ、これにより、閉状態の電磁開閉弁を開く際の開弁力を低減することができる。したがって、十分な閉止性を維持する一方で開弁性を向上させることができる。
また、第1〜第3電磁開閉弁31〜33のうち最小の有効径を有するため最も開弁しやすい第3電磁開閉弁33を最初に開状態とする。これにより、第1電磁開閉弁31の入出力ポート間の差圧が小さくなりその開弁性を向上させることができ、第1電磁開閉弁31を容易に開くことができる。その後、燃焼部14が燃焼されて、改質部13が加熱され内部圧力も上昇し第2電磁開閉弁32が開きやすくなる。そして、最後に第2電磁開閉弁32を開状態とする。
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、改質部13と燃料供給源12との間には分岐点を介して2つの常閉直動式開閉弁32,31が設置され、これら開閉弁32,31は負圧に対して閉止性を向上させるような配置となっているので、燃料電池システムの運転終了後にパージ処理を実施した後に改質部13内が負圧状態となっても、改質部13の燃料供給源12に対する十分な閉止性を維持することができる。また、改質部13と燃焼部14との間にも分岐点を介して2つの常閉直動式開閉弁32,33が設置され、これら開閉弁32,33も改質部13の負圧に対して閉止性を向上させるような配置となっているので、燃料電池システムの運転終了後にパージ処理を実施した後に改質部13内が負圧状態となっても、改質部13の外部である大気に対する十分な閉止性を維持することができる。
また、各電磁開閉弁31〜33を構成する弁体46が当接する弁座43のオリフィス43aの径は、電磁開閉弁を通過する流体の流量、出力ポート側の圧力、および入出力ポートの差圧に基づいて流体の流量を確保できる最小値に設定されているので、オリフィス43aの有効断面積を低減してその面積に受ける出力側からの負圧に起因する吸引力を低減することができ、これにより、閉状態の電磁開閉弁を開く際の開弁力を低減することができる。したがって、十分な閉止性を維持する一方で開弁性を向上させることができる。
また、燃料電池システムの停止時に不活性ガスを充填してパージ処理をする場合、第1および第3電磁開閉弁31,33においては、充填時における不活性ガスの圧力が大きいと出力側(OUT側)から正圧がかかるが、第1および第3電磁開閉弁31,33を構成する弁体46が当接する弁座43のオリフィス43aの径は、電磁開閉弁を通過する流体の流量、出力ポート側の圧力、および入出力ポートの差圧に基づいて流体の流量を確保できる最小値に設定されているので、オリフィス43aの有効断面積を低減してその面積に受ける出力側からの正圧に起因する開弁方向への推力を低減することができ、逆圧に対する閉止性も向上させることができる。したがって、特許文献1のように改質部Re内に不活性ガスを充填する場合、充填時における不活性ガスの圧力が大きいと、この圧力によって第1および第3燃料遮断弁12,14から不活性ガスが逆流するおそれがあるが、本実施の形態においてはそのような逆圧に対する十分な閉止性を得ることができる。
なお、上述した実施の形態においては、第1〜第3電磁開閉弁31〜33を常閉直動式開閉弁で構成するようにしたが、バルブ36〜38を常閉直動式開閉弁で構成するようにしてもよい。
11…燃料電池、11a…燃料極、12…燃料供給源、13…改質部、14…燃焼部、15…燃料ポンプ、16…脱硫器、17…燃焼用燃料ポンプ、18…窒素供給源、21…燃料供給管、22…燃焼用燃料供給管、23…窒素供給管、24…改質水供給管、25…改質ガス供給管、26…オフガス供給管、27…バイパス管、28…排気管、31〜33…第1〜第3電磁開閉弁、34…窒素バルブ、35…改質水バルブ、36…第1改質ガスバルブ、37…オフガスバルブ、38…第2改質ガスバルブ、40…電磁開閉弁、41…ハウジング、42…流路、42a…入力ポート、42b…出力ポート、43…弁座、43a…オリフィス、44…軸孔、45…可動子、46…弁体、47…圧縮スプリング、48…電磁コイル。
Claims (2)
- 燃料供給源から供給される燃料を改質して改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、
前記燃料供給源から供給される燃焼用燃料を燃焼しその燃焼ガスを前記改質部の加熱に利用した後で外部に排出する燃焼部と、
前記燃料供給源と前記改質部を連通する燃料供給管と、
該燃料供給管から分岐して前記燃焼部と連通する燃焼用燃料供給管と、
前記燃料供給源と分岐点との間の前記燃料供給管に設けられた第1電磁開閉弁と、
前記分岐点と前記改質部との間の前記燃料供給管に設けられた第2電磁開閉弁と、
前記分岐点と前記燃焼部との間の前記燃焼用燃料供給管に設けられた第3電磁開閉弁とを備えてなり、
前記各電磁開閉弁は2ポート式の常閉直動式開閉弁であり、
前記第1電磁開閉弁はその入力ポートを前記燃料供給源に連通するように取り付けられ、
前記第2電磁開閉弁はその出力ポートを前記改質部に連通するように取り付けられ、
前記第3電磁開閉弁はその入力ポートを前記燃焼部に連通するように取り付けられたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1において、前記各電磁開閉弁の弁座のオリフィスの径は、前記電磁開閉弁を通過する流体の流量、前記出力ポート側の圧力、および入出力ポートの差圧に基づいて前記流体の流量を確保できる最小値に設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
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---|---|---|---|
JP2004091507A Pending JP2005276742A (ja) | 2004-03-26 | 2004-03-26 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2005276742A (ja) |
-
2004
- 2004-03-26 JP JP2004091507A patent/JP2005276742A/ja active Pending
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