JP2006097526A - Temperature increasing device for on-vehicle type hydrogen production system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両積載型水素製造システムのための昇温装置に関する。 The present invention relates to a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system.
水素分離型リフォーマを用いた水素製造システムでは、メタンやメタノールなどの炭化水素や炭化水素骨格に酸素を含む置換基を有する化合物にスチームを添加した原料ガスを、改質触媒の存在下で水蒸気改質反応とCOシフト反応させることによって、主に水素と二酸化炭素に分解し、発生した水素のみを水素分離型リフォーマに内蔵された水素分離膜を通して選択的に分離することにより水素を得ることとしている。 In a hydrogen production system using a hydrogen separation reformer, a raw material gas obtained by adding steam to a hydrocarbon such as methane or methanol or a compound having a substituent containing oxygen in the hydrocarbon skeleton is steam-reformed in the presence of a reforming catalyst. It is supposed that hydrogen is obtained by selectively decomposing into hydrogen and carbon dioxide, and selectively separating only the generated hydrogen through a hydrogen separation membrane built in the hydrogen separation reformer. .
このような水素分離型リフォーマは、改質触媒を充填した複数の反応管で構成され、水素分離膜で区切られた水素透過部を備えた多管式反応管部、反応熱を得るための燃焼部を備えている。このような水素分離型リフォーマでは、多管式反応管部の反応管の表面に燃焼ガスを供給し、ホットスポットの発生を防ぐために、対流伝熱によって反応に必要な熱を反応管に加えている。 Such a hydrogen separation type reformer is composed of a plurality of reaction tubes filled with a reforming catalyst, a multi-tube reaction tube portion having a hydrogen permeation portion separated by a hydrogen separation membrane, and combustion for obtaining reaction heat. Department. In such a hydrogen separation reformer, combustion gas is supplied to the surface of the reaction tube of the multi-tube reaction tube part, and heat necessary for the reaction is applied to the reaction tube by convection heat transfer in order to prevent the generation of hot spots. Yes.
しかし、このタイプの水素分離型リフォーマは、対流伝熱を利用しているために、いったん停止すると昇温時間に6時間程度を要し、速やかに再起動することができない。
したがって、車両積載型水素製造システム(特許文献1)に応用した場合には、移動先ごとの再起動時間の分だけ稼動効率が悪いこととなってしまうといった欠点があった。
移動中に燃料を供給し、燃焼ガスを発生させて予熱するといった方法も考えられる。しかし、そのような方法は、法規上の制限等があって実施をすることが事実上不可能であった。
Therefore, when applied to a vehicle-mounted hydrogen production system (Patent Document 1), there is a drawback that the operation efficiency is poor by the restart time for each destination.
A method of supplying fuel during movement, generating combustion gas, and preheating is also conceivable. However, such a method was practically impossible to implement due to legal restrictions.
本発明は、移動中においても水素分離型リフォーマの反応管の温度を維持し、移動先ごとの時間のロスを解消するようにした車両積載型水素製造システムのための昇温装置を提供することを目的とする。 The present invention provides a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system that maintains the temperature of a reaction tube of a hydrogen separation reformer even during movement and eliminates time loss for each movement destination. With the goal.
上記目的を達成するため、本発明は、車両積載型水素製造システムのための昇温装置であって、車両エンジン動力を駆動させることによって起動するヒータを備え、上記車両積載型水素製造システムが、水素分離型リフォーマを備え、該水素分離型リフォーマが、反応管部を有し、該反応管部が、改質触媒を充填した反応管で構成され、水素分離膜で区切られた水素透過部と、上記反応管を加熱するために燃焼ガス通路とを備え、さらに、上記水素分離型リフォーマが、上記反応管部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部を有し、上記ヒータで得られる熱を利用して上記反応管を予熱する手段を設けたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system, comprising a heater that is activated by driving vehicle engine power, and the vehicle-mounted hydrogen production system comprises: A hydrogen separation reformer, wherein the hydrogen separation reformer has a reaction tube portion, the reaction tube portion is constituted by a reaction tube filled with a reforming catalyst, and a hydrogen permeation portion partitioned by a hydrogen separation membrane; A combustion gas passage for heating the reaction tube, and the hydrogen separation reformer has a combustion part for generating combustion gas for heating the reaction tube part, and the heat obtained by the heater is obtained. A means for preheating the reaction tube is provided.
本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、その一実施の形態で、上記水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの少なくとも一部を、送風手段を介して循環させて燃焼排ガス導入口から当該リフォーマに戻すための燃焼排ガス循環ラインを備え、循環される燃焼排ガスを上記ヒータにより加熱し、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする。 In one embodiment, a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system according to the present invention circulates at least a part of the combustion exhaust gas emitted from the hydrogen separation reformer via a blower means, and thus the combustion exhaust gas. A combustion exhaust gas circulation line for returning from the introduction port to the reformer is provided, and the circulating combustion exhaust gas is heated by the heater to preheat the reaction tube.
さらに、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、他の実施の形態で、上記ヒータを用いた熱風発生器を設け、該熱風発生器で発生した熱風を燃焼部から供給するための送風手段を供え、燃焼部から供給される熱風によって、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system according to the present invention is provided with a hot air generator using the heater, and the hot air generated by the hot air generator is supplied from a combustion unit. The present invention is characterized in that the reaction tube is preheated by hot air supplied from a combustion section, provided with a blowing means for supplying.
またさらに、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、他の実施の形態で、上記ヒータを用いた熱風発生器を設け、該熱風発生器で発生した熱風を燃焼排ガスの出口から供給するための送風手段を供え、供給される熱風によって、上記反応管を予熱するようにしたことを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, a temperature raising apparatus for a vehicle-mounted hydrogen production system according to the present invention is provided with a hot air generator using the heater, and the hot air generated by the hot air generator is used as combustion exhaust gas. The reaction tube is preheated by the supplied hot air and provided with a blowing means for supplying from the outlet.
またさらに、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置は、他の実施の形態で、上記ヒータによって上記反応管を直接予熱するようにしたことを特徴とする。 Furthermore, the temperature raising apparatus for a vehicle-mounted hydrogen production system according to the present invention is characterized in that, in another embodiment, the reaction tube is directly preheated by the heater.
本発明によれば、移動中においても水素分離型リフォーマの反応管の温度を維持し、移動先ごとの時間のロスを解消するようにした車両積載型水素製造システムのための昇温装置が提供される。 According to the present invention, there is provided a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system that maintains the temperature of the reaction tube of the hydrogen separation reformer even during movement and eliminates time loss for each movement destination. Is done.
以下に、本発明を、図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明は、都市ガスなどの炭化水素と水蒸気を原料として、水蒸気改質反応によって水素を製造するとともに、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を用いて、高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマを用いた車両積載型水素製造システムのための昇温装置を提供するものである。原料ガスとしては、都市ガス、メタン、プロパン、灯油、ジメチルエーテル等の炭化水素を原料とする。
本発明の適用の対象となる水素製造システムは、水素分離型リフォーマと、水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの一部を、送風手段を介して循環させて当該リフォーマに戻すための燃焼排ガス循環ラインとを組み合わせた水素製造システムである。
The present invention produces hydrogen by a steam reforming reaction using hydrocarbons such as city gas and steam as raw materials, and also produces high-purity hydrogen using a hydrogen separation membrane that selectively permeates only hydrogen. A temperature raising apparatus for a vehicle-mounted hydrogen production system using a separate reformer is provided. As the raw material gas, hydrocarbons such as city gas, methane, propane, kerosene and dimethyl ether are used as raw materials.
A hydrogen production system to which the present invention is applied includes a hydrogen separation reformer and a combustion exhaust gas circulation line for circulating a part of the combustion exhaust gas emitted from the hydrogen separation reformer through the blower means and returning it to the reformer. Is a hydrogen production system.
図1に、本発明に係る昇温装置を含む車両積載型水素製造システムを模式的に示す。
1は水素分離型リフォーマであり、多管式反応管部を構成する各反応管は、改質触媒層11および水素分離膜12を有する。リフォーマ1の原料である炭化水素には、スチームを混合して混合ガスとする。混合ガスは、熱交換器16で予熱されて反応温度付近まで加熱される。予熱した混合ガスは、プロセスガスとして水素分離型リフォーマ1の触媒層11に導入される。
FIG. 1 schematically shows a vehicle-mounted hydrogen production system including a temperature raising device according to the present invention.
改質触媒層11では水蒸気改質反応によって、混合ガスから水素、一酸化炭素及び二酸化炭素が生成する。例えば、原料としてメタンを用いる場合には、以下の反応式によって、水蒸気改質反応が行われる。
CH4+H2O → 3H2+CO (吸熱反応) (1)
CO+H2O → CO2+H2(発熱反応) (2)
通常、この反応は500℃以上で行われ、水とメタンの炭素Cとのモル比であるS/C(steam/carbon比)が2以上のスチームリッチの条件で行われる。上記(1)の反応は吸熱反応であるため、温度が高いほど、反応が促進される。
一方、上述したように水素分離膜12は、使用温度を600℃以下、好ましくは550℃以下に抑える必要がある。よって、通常500〜600℃の範囲内で触媒反応が行われる。
In the reforming
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (endothermic reaction) (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (exothermic reaction) (2)
Usually, this reaction is performed at 500 ° C. or higher, and is performed under steam rich conditions in which the S / C (steam / carbon ratio), which is the molar ratio of water to carbon C of methane, is 2 or more. Since the reaction (1) is an endothermic reaction, the higher the temperature, the more accelerated the reaction.
On the other hand, as described above, the use temperature of the
リフォーマ1で生成したガスのうち、水素ガスだけはパラジウムやパラジウム合金等からなる水素分離膜12を通して透過部14に分離される。透過部14にまった水素ガスは、高純度の水素ガスとして系外に取り出される。
水素を取り出した残りの主に二酸化炭素からなるガスは、オフガスとして回収され、冷却水等で冷却されてから空気とともに燃焼部13に導入して燃焼させ、水素分離型リフォーマ1の燃料とする。燃焼部13より水素分離型リフォーマ1に導入される燃焼ガスは、反応管近傍の燃焼排ガス通路15を通って、触媒層11へ反応するための熱エネルギーを供給する。
Of the gas generated by the
The remaining gas mainly composed of carbon dioxide from which hydrogen has been taken out is recovered as off-gas, cooled with cooling water or the like, and then introduced into the
その後、燃焼排ガスはリフォーマ1から出た後に、一部が燃焼排ガスa循環ラインに送られ、残りの排ガスが熱交換器16を通してから排出される。循環ラインには、送風手段としてのブロワ17を設けることで燃焼排ガスを循環させる。循環ラインに送られる燃焼排ガスの割合は、運転条件に合わせて任意に定めることができるが、通常50容量%以上、好ましくは60容量%以上、さらに好ましくは70容量%以上であり、燃焼排ガスの割合を高くするほど後流の熱交換器16を経た燃焼排ガスの温度は低下する。
燃焼ガスと燃焼排ガスの熱エネルギーによって、多管式反応管部は通常500〜600℃の範囲に反応管の全体が加熱されることが好ましい。
Thereafter, after the combustion exhaust gas leaves the
It is preferable that the multi-tube reaction tube section is generally heated within a range of 500 to 600 ° C. by the heat energy of the combustion gas and the combustion exhaust gas.
循環ラインに送られた燃焼排ガスは、リフォーマの導入口(導入ライン)から再びリフォーマ1に戻る。この際、リフォーマ1の燃焼部13から導入される燃焼ガスと、循環再利用する燃焼排ガスとの割合は、運転条件やシステムの構成によって任意に定めることができるが、燃焼部13の極めて近傍に排ガス導入口を設けている場合には、一次空気による燃焼ガス:燃焼排ガス=1:1〜10、好ましくは1:2〜8、例えば1:5で用いることができる。
図1のシステムでは、燃焼部13であるバーナで燃焼させた高温の燃焼ガスを、リフォーマ1を出た燃焼排ガスの一部を用いて希釈し、温度を下げてから多管式反応管部(11、12)に供給するため、リフォーマ1内の温度分布が均一化して安定する。
The combustion exhaust gas sent to the circulation line returns to the
In the system of FIG. 1, the high-temperature combustion gas burned by the burner that is the
ここでさらに、図1の実施の形態は、加熱器2を備える。加熱器2は、本発明の特徴部分を構成し、図1の実施の形態における昇温装置を構成する。加熱器2は、ヒータ3によって燃焼排ガスを加熱する作用を発揮することができる。また、図1の実施の形態は、ダンパ4を備えている。
図1の実施の形態では、リフォーマ1が本来の水素製造を中止し、車両が移動状態にあるときに、昇温装置が稼動する。
車両が移動中においては、原料の炭化水素の供給、スチームの供給は行われない。ダンパ4が閉成され、ブロワ17が燃焼排ガス循環ラインを通して燃焼排ガスを循環させる。ここで、加熱器3のヒータ3が燃焼排ガスを加熱し、500℃以上(ただし、600℃以下)に保つ。燃焼排ガスは、燃焼排ガス通路15を通って反応管を加熱する。これによって、車両が移動中であっても反応管を予熱することができる。したがって、起動時の時間のロスを避けることができる。ヒータ3は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。
Here, the embodiment of FIG. 1 further includes a
In the embodiment of FIG. 1, when the
While the vehicle is moving, the raw material hydrocarbons and steam are not supplied. The damper 4 is closed, and the
次に、図2に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置が好適に適用される水素分離型リフォーマ1をより詳細に示す。図2(a)は、側面からみた断面図であり、(b)は、同じリフォーマを前面からみた断面を示す図である。
Next, FIG. 2 shows in more detail the
本リフォーマ1では、複数の反応管20に、改質触媒が充填されるとともに水素分離膜で区切られた水素透過部が設けられており、多管式反応管部を形成している。反応管20の近傍には、反応管を加熱するための燃焼ガス通路24が備えられている。リフォーマ1の下部に設けられたラインバーナ22(燃焼部)からは、その上部の多管式反応管部内の反応管に燃焼ガスが送られる。同時に、リフォーマ1下部には、ラインバーナ22の近傍に、一列おきに燃焼排ガス導入口を有する二次空気導入ライン21が備えられている。なお、燃焼部13に設置するバーナはラインバーナに限定されるものではなく、例えば高流速バーナやフラットフレームバーナなどの各種バーナを使用することができる。
In the
図1について説明したように、二次空気導入ライン21から図1の加熱器2で加熱された燃焼排ガスが導入され、車両が移動中の場合には、図1のダンパ4のようなダンパを閉成することにより、高温(500℃以上)の燃焼排ガスが循環し、反応管20が予熱される。
As described with reference to FIG. 1, when the flue gas heated by the
一方、図2のリフォーマでは、多管式反応管部の下部に仕切板25が設けられている。
この仕切板25の下部は、燃焼排ガス混合部となる。この燃焼排ガス混合部では、燃焼部(ラインバーナ)22から出る燃焼ガスが、多管式反応管部に至る前に、燃焼排ガス導入口21から供給される燃焼排ガスと混合される。これによって、上部の反応管を通る混合ガス温度は均一化され、高温の燃焼ガスが直接反応管20に到達するのを確実に回避することができる。そして、触媒層を満遍なく、反応温度に加熱して、反応管20全体で反応を進行させることができる。
On the other hand, in the reformer of FIG.
The lower part of this
なお、図1について説明した昇温装置は、この図2の水素分離型リフォーマ1に限られるものではなく、要するに燃焼排ガスの循環ラインを備えるものであれば、適用の対象となる。
The temperature raising apparatus described with reference to FIG. 1 is not limited to the
次に、図3に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置の他の実施の形態を示す。
この形態で、水素分離型リフォーマ1は、図2よりもより、概念的に図示されている。図1、図2と同一番号を付した要素は、実質的に同一の構成・作用を果たすので、説明を一部省略する。
この水素分離型リフォーマ1でも、水素製造中は、バーナ31で燃料を燃焼させ、燃焼排ガスによって反応管20を加熱することができる。また、反応管20の過度の温度上昇を避けるために、燃焼排ガスを適宜燃焼部13に導入できるような構成となっている。
この実施の形態は、ブロア32を備え、外気を、加熱器33を経て燃焼部13に、外気(燃焼排ガス)導入口34から導入することができるように構成されている。
Next, FIG. 3 shows another embodiment of a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system according to the present invention.
In this form, the
Also in this hydrogen
This embodiment includes a blower 32 and is configured so that outside air can be introduced into the
水素を製造せず、車両が移動しているときには、ブロワ32で外気が加熱器33を経由して供給される。加熱器33のヒータ35は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。外気は、500℃以上(ただし、600℃以下)に加熱され、燃焼部13から上昇し、燃焼ガス通路24を通りながら反応管20を加熱し、燃焼排ガス流路36を通って、燃焼排ガス出口37から排出される。これによって、反応管20が予熱され、水素製造を行う場所での昇温時間を大幅に削減する。なお、燃焼ガス通路24は、ここでは、反応管20同士の間の通路を示している。
さらに、燃焼排ガス出口37から排出される外気をブロワ32へ供給し再循環させることで、加熱器33の負荷を軽減でき、効率的に反応管20を予熱させることができる。また、本実施の形態を図1に示す燃焼排ガス循環ラインと組み合わせることもできる。すなわち、図1に示す燃焼排ガス循環ラインのブロワ17と加熱器2の間に外気を供給するブロワ32を組み込んだもの、あるいは単にブロワ17に外気を取り込めるようにしたものでもよい。そうすれば、ブロワ32、加熱器33、ヒータ35が省略でき、さらに効率よく反応管20を予熱できる好ましい形態となる。
When hydrogen is not produced and the vehicle is moving, outside air is supplied from the blower 32 via the
Furthermore, by supplying the outside air discharged from the combustion
さらに、図4に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置の他の実施の形態を示す。
この形態で、水素分離型リフォーマ1は、図2よりもより、概念的に図示されている。図1、図2と同一番号を付した要素は、実質的に同一の構成・作用を果たすので、説明を一部省略する。
この水素分離型リフォーマ1でも、水素製造中は、バーナ31で燃料を燃焼させ、燃焼排ガスによって反応管20を加熱することができる。また、反応管20の過度の温度上昇を避けるために、燃焼排ガスを適宜燃焼部13に導入できるような構成となっている。
この実施の形態は、ブロア42を備え、外気を、加熱器43を経て、本来の燃焼排ガス出口44から導入することができるように構成されている。
Further, FIG. 4 shows another embodiment of a temperature raising apparatus for a vehicle-mounted hydrogen production system according to the present invention.
In this form, the
Also in this hydrogen
This embodiment includes a blower 42 and is configured so that outside air can be introduced from an original combustion
水素を製造せず、車両が移動しているときには、ブロワ42で外気が加熱器33を経由して供給される。加熱器43のヒータ45は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。外気は、500℃以上(ただし、600℃以下)に加熱され、燃焼排ガス出口44から導入され、燃焼排ガス流路36を通って、燃焼ガス通路24を通りながら反応管20を加熱しながら下降する。そして、燃焼排ガス流路36を通って、燃焼排ガス導入口34から排出される。これによって、反応管20が予熱され、水素製造を行う場所での昇温時間を大幅に削減する。さらに、燃焼排ガス導入口34から排出される外気をブロワ42へ供給し再循環させることで、加熱器43の負荷を軽減でき、効率的に反応管20を予熱させることができる。
When hydrogen is not produced and the vehicle is moving, outside air is supplied from the blower 42 via the
またさらに、図5に、本発明に係る車両積載型水素製造システムのための昇温装置の他の実施の形態を示す。
この形態で、水素分離型リフォーマ1は、図2と同様な構成である。図1、図2と同一番号を付した要素は、実質的に同一の構成・作用を果たすので、説明を一部省略する。
この水素分離型リフォーマ1でも、水素製造中は、ラインバーナ22で燃料を燃焼させ、燃焼排ガスによって反応管20を加熱することができる。また、反応管20の過度の温度上昇を避けるために、燃焼排ガスを適宜燃焼部13に導入できるような構成となっている。
この実施の形態では、各反応管20を加熱するためのヒータ51が各反応管20に巻回されている。
Furthermore, FIG. 5 shows another embodiment of a temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system according to the present invention.
In this form, the
Also in this hydrogen
In this embodiment, a heater 51 for heating each
水素を製造せず、車両が移動しているときには、ヒータ51によって直接反応管20を加熱し、反応管20を500℃以上(ただし、600℃以下)に加熱する。ヒータ51は、車両エンジン動力を駆動させることによって発電を行い、得られる電気で発熱される。これによって、反応管20が予熱され、水素製造を行う場所での昇温時間を大幅に削減する。
When the vehicle is moving without producing hydrogen, the
なお、図1、図3、図4、図5について説明した実施の形態では、車両移動中の走行エンジンによって得られる余剰電力をもっぱら活用でき、発電にあたって特段の追加施設伴わない利点を備えている。 In addition, in embodiment described about FIG.1, FIG.3, FIG.4, FIG.5, the surplus electric power obtained by the traveling engine in movement of a vehicle can be utilized exclusively, and it has the advantage which does not accompany a special additional facility in power generation. .
1 水素分離型リフォーマ
2 加熱器
3 ヒータ
4 ダンパ
11 改質触媒層
12 水素分離膜
13 燃焼部
14 透過部
15 燃焼排ガス通路
16 熱交換器
17 ブロワ
20 反応管
21 二次空気導入ライン
22 ラインバーナ
24 燃焼排ガス通路
31 バーナ
32 ブロア
33 加熱器
34 外気(燃焼排ガス)導入口
35 ヒータ
36 燃焼排ガス流路
37 燃焼排ガス出口
42 ブロア
43 加熱器
44 燃焼排ガス出口
45、51 ヒータ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
車両エンジン動力を駆動させることによって起動するヒータを備え、
上記車両積載型水素製造システムが、水素分離型リフォーマを備え、
該水素分離型リフォーマが、反応管部を有し、
該反応管部が、改質触媒を充填した反応管で構成され、水素分離膜で区切られた水素透過部と、上記反応管を加熱するために燃焼ガス通路とを備え、
さらに、上記水素分離型リフォーマが、上記反応管部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部を有し、
上記ヒータで得られる熱を利用して上記反応管を予熱する手段を設けたことを特徴とする車両積載型水素製造システムのための昇温装置。 A temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system,
A heater that is activated by driving vehicle engine power;
The vehicle-mounted hydrogen production system includes a hydrogen separation reformer,
The hydrogen separation reformer has a reaction tube part,
The reaction tube portion is composed of a reaction tube filled with a reforming catalyst, and includes a hydrogen permeation portion partitioned by a hydrogen separation membrane, and a combustion gas passage for heating the reaction tube,
Further, the hydrogen separation reformer has a combustion part that generates combustion gas for heating the reaction tube part,
A temperature raising device for a vehicle-mounted hydrogen production system, comprising means for preheating the reaction tube using heat obtained by the heater.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20071204 |