JP2008186782A - Operation method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の運転方法に関し、詳しくは、電解質膜を挟んでアノード側とカソード側との間に温度差を生じさせることが可能な燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell operation method, and more particularly to a fuel cell operation method capable of generating a temperature difference between an anode side and a cathode side with an electrolyte membrane interposed therebetween.
燃料電池で用いられる電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、水素イオンの導電性の低下に伴い燃料電池の発電性能は大きく低下してしまう。逆に、電解質膜近傍に余剰の水分が存在する場合、反応ガスの供給が水によって妨げられるため、やはり燃料電池の発電性能は低下してしまう。特にカソードでは水素と酸素との反応によって水が生成されるため、カソード近傍には余剰の水分が発生しやすい。 Electrolyte membranes used in fuel cells require water molecules for the movement of hydrogen ions in the interior thereof, and show high hydrogen ion conductivity only in a state containing moisture. For this reason, if the water in the fuel cell is insufficient and the electrolyte membrane is dried, the power generation performance of the fuel cell is greatly reduced as the conductivity of hydrogen ions is reduced. On the contrary, when surplus moisture exists in the vicinity of the electrolyte membrane, the supply of the reaction gas is hindered by the water, so that the power generation performance of the fuel cell is also lowered. In particular, since water is generated by the reaction between hydrogen and oxygen at the cathode, excess water is likely to be generated near the cathode.
したがって、燃料電池において高い発電性能を維持するためには、燃料電池内の余剰水の排水と電解質膜の保湿とを両立させることが重要である。その手段としては、燃料電池内部での水輸送、具体的には、電解質膜中の水分のカソード側からアノード側への輸送を促進してカソード側とアノード側との水バランスを是正することが有効と考えられる。 Therefore, in order to maintain high power generation performance in the fuel cell, it is important to satisfy both the drainage of excess water in the fuel cell and the moisture retention of the electrolyte membrane. As a means for this, water transportation inside the fuel cell, specifically, the transportation of moisture from the cathode side to the anode side in the electrolyte membrane is promoted to correct the water balance between the cathode side and the anode side. It is considered effective.
燃料電池内の水バランスを是正するための技術として、従来、特許文献1に開示された技術が知られている。この従来技術は、電解質膜は高温ほど多くの水を含水できるという電解質膜の特徴を利用している。具体的には、カソードの温度をアノードの温度よりも高くすることによって電解質膜内に水の濃度勾配を生じさせることで、カソードからアノードへの水の拡散を容易にして燃料電池内の水バランスを均一化するようにしている。
しかしながら、燃料電池の発電性能を高めるためには、単にカソードの温度をアノードの温度よりも高くすればよいというのではなく、所望の効果を得るためには適切な温度差の範囲が存在するものと考えられる。その一方で、各電極の温度を精度良く管理することは実際には容易ではない。金属やカーボンを材料とするセパレータは熱伝導率が高く、セパレータを介して電極の熱が拡散するからである。 However, in order to improve the power generation performance of the fuel cell, it is not necessary to simply set the cathode temperature higher than the anode temperature, but there is an appropriate temperature difference range to obtain the desired effect. it is conceivable that. On the other hand, it is actually not easy to accurately manage the temperature of each electrode. This is because a separator made of metal or carbon has high thermal conductivity, and the heat of the electrode diffuses through the separator.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水バランスの均一化に必要な温度差を電極間に確実に生じさせることが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a fuel cell operating method capable of reliably generating a temperature difference necessary for uniform water balance between electrodes. With the goal.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜を挟んでアノード側とカソード側との間に温度差を生じさせる手段を備えた燃料電池において、
前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くして運転を行うことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell including means for generating a temperature difference between an anode side and a cathode side with an electrolyte membrane interposed therebetween.
The operation is performed with the temperature of the separator adjacent to the anode being 5 ° C. or more lower than the temperature of the separator adjacent to the cathode.
第2の発明は、第1の発明において、
前記の温度差を生じさせる手段は、前記アノードに供給されるアノードガスの温度と前記カソードに供給されるカソードガスの温度との間に差を設けることであり、
アノードガスの温度をカソードガスの温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くすることを特徴としている。
According to a second invention, in the first invention,
The means for generating the temperature difference is to provide a difference between the temperature of the anode gas supplied to the anode and the temperature of the cathode gas supplied to the cathode,
By making the temperature of the anode gas lower than the temperature of the cathode gas, the temperature of the separator adjacent to the anode is lowered by 5 ° C. or more than the temperature of the separator adjacent to the cathode.
第3の発明は、第1の発明において、
前記の温度差を生じさせる手段は、前記アノードを冷却する冷媒と前記カソードを冷却する冷媒とを別々の流路で流し、前記アノードを冷却する冷媒の温度と前記カソードを冷却する冷媒の温度との間に差を設けることであり、
前記アノードを冷却する冷媒の温度を前記カソードを冷却する冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くすることを特徴としている。
According to a third invention, in the first invention,
The means for causing the temperature difference includes flowing a refrigerant for cooling the anode and a refrigerant for cooling the cathode through separate flow paths, and the temperature of the refrigerant for cooling the anode and the temperature of the refrigerant for cooling the cathode. Is to make a difference between
By making the temperature of the refrigerant for cooling the anode lower than the temperature of the refrigerant for cooling the cathode, the temperature of the separator adjacent to the anode is lowered by 5 ° C. or more than the temperature of the separator adjacent to the cathode. It is a feature.
また、第4の発明は、電解質膜の両側をアノードとカソードで挟み、さらにその両側をセパレータで挟んでなる燃料電池を複数積層してなり、積層された各燃料電池は隣り合う燃料電池と絶縁体及び冷媒流路を挟んで同極同士が対面するように配置され、各燃料電池のセパレータは他の燃料電池のセパレータに外部回路で直列に接続されている燃料電池スタックにおいて、
前記アノードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度を前記カソードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くして運転を行うことを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, a plurality of fuel cells, each having both sides of an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode and sandwiched between both sides by a separator, are stacked, and each stacked fuel cell is insulated from adjacent fuel cells. In the fuel cell stack in which the same poles face each other across the body and the refrigerant flow path, and the separator of each fuel cell is connected in series with an external circuit to the separator of another fuel cell,
By making the temperature of the refrigerant flowing between the separators adjacent to the anode lower than the temperature of the refrigerant flowing between the separators adjacent to the cathode, the temperature of the separator adjacent to the anode is made lower than the temperature of the separator adjacent to the cathode. Is characterized by operating at a temperature lower than 5 ° C.
本発明によれば、アノードに隣接するセパレータの温度をカソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くすることで、水バランスの均一化に必要な温度差を電極間に確実に生じさせることができ、燃料電池の発電性能を高めることができる。 According to the present invention, by making the temperature of the separator adjacent to the anode 5 ° C. or more lower than the temperature of the separator adjacent to the cathode, the temperature difference necessary for uniform water balance can be reliably generated between the electrodes. The power generation performance of the fuel cell can be improved.
以下、図を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[本実施の形態の特徴]
図1は、本発明が適用される燃料電池の概略構成を示す図である。燃料電池8は、膜電極接合体2をその両側から導電性のセパレータ4、6で挟むことによって構成されている。膜電極接合体2は、図示は省略するが、固体高分子電解質膜の一方の面にアノードが接合され、もう一方の面にカソードが接合された構造を有している。各電極の表面には、さらに、多孔質体からなるガス拡散層が積層されている。膜電極接合体2とそのアノードに隣接するセパレータ4との間には、水素ガスが流れるガス流路4aが形成されている。膜電極接合体2とそのカソードに隣接するセパレータ6との間には、空気が流れるガス流路6aが形成されている。なお、図1では、セパレータ4、6を加工してガス流路4a、6aを形成しているが、膜電極接合体2と各セパレータ4、6との間に多孔質体の層を設けてそれをガス流路としてもよい。また、各セパレータ4、6の外側面には冷媒流路が設けられている。燃料電池8は、冷媒流路を流れる冷媒によってその外側面から冷却されるようになっている。
[Features of this embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell to which the present invention is applied. The
本実施の形態の燃料電池の運転方法は、燃料電池8の運転時、アノード側のセパレータ4の温度をカソード側のセパレータ6の温度よりも5℃以上低くすることに特徴がある。セパレータ4、6は金属やカーボンを材料とするために熱伝導率が高い。このため、複数の燃料電池8を積層して燃料電池スタックとして使用する場合、隣接する燃料電池8間においてセパレータ4、6を介してカソード側からアノード側への熱拡散が発生する。したがって、各電極の温度を精度良く管理することは容易ではないが、温度管理の対象をセパレータ4、6とし、アノード側のセパレータ4の温度をカソード側のセパレータ6の温度よりも5℃以上低くすれば、水バランスの均一化に必要な温度差を電極間に確実に生じさせることができる。
The operation method of the fuel cell according to the present embodiment is characterized in that the temperature of the
図2は、電極間の温度差が燃料電池8の発電性能に与える影響を調べた実験の結果を示す図である。実験では、燃料電池8の負荷、すなわち、電流密度(A/cm2)を運転域内で複数値選択し、選択した電流密度(A/cm2)の各値においてセル電圧(V)及びセル抵抗(Ohm・cm2)を計測している。
FIG. 2 is a diagram showing the results of an experiment in which the influence of the temperature difference between the electrodes on the power generation performance of the
図2に示す実験では、カソード側のセパレータ6の温度は80℃に固定し、アノード側のセパレータ4の温度を80℃(比較例1)、75℃(実施例1)、70℃(実施例2)、60℃(実施例3)と異ならせて各データを取っている。実験では、アノード側の冷媒の温度をカソード側の冷媒の温度よりも低くすることで、セパレータ4、6間に温度差を生じさせている。なお、アノードに供給する水素ガスは、燃料電池8の入口において温度53℃で相対湿度100%になるように調整されている。カソードに供給する空気も、燃料電池8の入口において温度53℃で相対湿度100%になるように調整されている。
In the experiment shown in FIG. 2, the temperature of the cathode-
図2に示す実験結果によれば、比較例1よりも実施例1乃至3のほうが明らかに高い発電性能を得られている。また、実験では、セパレータ4、6間の温度差を0〜5℃の範囲で調整しようともした。しかし、そのような微小な温度差を実現するように各冷媒の温度調整を行うことは容易ではなく、実質的に比較例1と同じ結果になってしまった。これらの結果から、アノード側のセパレータ4の温度をカソード側6のセパレータの温度よりも5℃以上低くすることで、高い発電性能を得られることが確認できた。
According to the experimental results shown in FIG. 2, the power generation performance of Examples 1 to 3 is clearly higher than that of Comparative Example 1. In the experiment, an attempt was made to adjust the temperature difference between the
さらに、運転温度80℃での実験に加え、運転温度90℃の高温条件での実験も行った。この実験でも、燃料電池8の負荷、すなわち、電流密度(A/cm2)を運転域内で複数値選択し、選択した電流密度(A/cm2)の各値においてセル電圧(V)及びセル抵抗(Ohm・cm2)を計測した。図3は、高温条件において電極間の温度差が燃料電池8の発電性能に与える影響を調べた実験の結果を示す図である。
Furthermore, in addition to the experiment at the operating temperature of 80 ° C., the experiment was also performed under the high temperature condition of the operating temperature of 90 ° C. Also in this experiment, the load of the
図3に示す実験では、カソード側のセパレータ6の温度は90℃に固定し、アノード側のセパレータ4の温度を90℃(比較例2)、80℃(実施例4)、70℃(実施例5)と異ならせて各データを取っている。実験では、アノード側の冷媒の温度をカソード側の冷媒の温度よりも低くすることで、セパレータ4、6間に温度差を生じさせている。なお、アノードに供給する水素ガスは、燃料電池8の入口において温度53℃で相対湿度100%になるように調整されている。カソードに供給する空気も、燃料電池8の入口において温度53℃で相対湿度100%になるように調整されている。
In the experiment shown in FIG. 3, the temperature of the cathode-
図3に示す実験結果によれば、比較例2よりも実施例4及び5のほうが明らかに高い発電性能を得られている。つまり、高温条件であっても、セパレータ4、6間に明確な温度差をつけることで高い発電性能を得られることが確認できた。なお、実験では、セパレータ4、6間の温度差を10℃にしているが、前述のように、この温度差は5℃以上であればよい。ただし、運転温度が高ければそれに応じてセパレータ4、6間の温度差も大きくすることで、電極間により明確に温度差を生じさせることができる。
According to the experimental results shown in FIG. 3, the power generation performance is clearly higher in Examples 4 and 5 than in Comparative Example 2. That is, it was confirmed that high power generation performance can be obtained by providing a clear temperature difference between the
[燃料電池スタックの具体的な構成例]
以下では、アノード側のセパレータの温度をカソード側のセパレータの温度よりも5℃以上低くすることを容易にするための燃料電池スタックの構成について具体的に説明する。図4は、本発明を適用する上で好適な燃料電池スタックの構成を示す分解図である。図4では、燃料電池スタックを構成する各部材がそれらの積層方向に分解して示されている。ただし、図4に示す燃料電池スタックの構成は、本発明を適用しうる燃料電池スタックの一構成例であって、本発明の適用がこのような構成のものに限定されることはない。
[Specific configuration example of fuel cell stack]
Hereinafter, the configuration of the fuel cell stack for facilitating the temperature of the anode-side separator to be lower by 5 ° C. or more than the temperature of the cathode-side separator will be specifically described. FIG. 4 is an exploded view showing a configuration of a fuel cell stack suitable for applying the present invention. In FIG. 4, each member constituting the fuel cell stack is shown exploded in the stacking direction. However, the configuration of the fuel cell stack shown in FIG. 4 is one configuration example of the fuel cell stack to which the present invention can be applied, and the application of the present invention is not limited to the configuration of such a configuration.
燃料電池スタックは、複数の燃料電池(以下、セルという)8が積層されて構成されている。図4に示す構成は、セル8の並びに特徴がある。各セル8は隣り合うセル8と同極同士が対面するように配置されている。つまり、この燃料電池スタックは、積層方向にアノード側セパレータ4を向けて配置されたセル8Aと、積層方向にカソード側セパレータ6を向けて配置されたセル8Bとが交互に積層されて構成されている。以下、これら向きの異なるセルを区別する場合には符号8A、8Bを用いて表記し、区別しない場合には符号8を用いて表記するものとする。
The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells (hereinafter referred to as cells) 8. The configuration shown in FIG. 4 has the characteristics of the
隣り合うセル8A、8Bの間には、絶縁体10或いは20が配置されている。隣り合うセル8A、8Bを直接に積層すると、アノード極同士或いはカソード極同士を接続することになるためである。セル8A、8Bのアノード側セパレータ4間に配置される絶縁体10の内部には、冷媒が流れる冷媒流路12が形成されている。セル8A、8Bのカソード側セパレータ6間に配置される絶縁体20の内部にも、冷媒が流れる冷媒流路22が形成されている。このように冷媒流路12、22を絶縁体10、20内に形成することによって、セパレータ4、6の形状を単純化することができ、また、冷媒のシールのための構造を簡略化することができる。
An
間に絶縁体10、12が配置されることで、積層された複数のセル8はそれぞれがばらばらの存在になる。しかし、これらのセル8の集合体が燃料電池スタックとして機能するためには、各セル8が直列に接続されている必要がある。そこで、この燃料電池スタックは、各セル8を直列接続するための手段として外部回路30を備えている。外部回路30は、セル8Bのアノード側セパレータ4をセル8Aのカソード側セパレータ6に外部から電気的に接続し、セル8Bのカソード側セパレータ6を逆側のセル8Aのアノード側セパレータ4に外部から電気的に接続している。
Since the
図4に示す構成によれば、各セル8は隣り合うセル8と同極同士が対面するように積層されているので、アノードとカソードとがセパレータ4、6を挟んで隣り合うことがない。両電極はセパレータ4、6よりも熱伝導率が格段に低い電解質膜を挟んで隣り合うのみとなる。このような構成によれば、電極間の熱拡散を抑えることができ、電極間の温度差の管理が容易になる。また、隣り合うセル8A、8Bの間に絶縁体10或いは12を配置することで、隣り合うセル8A、8Bの同極同士を電気的に絶縁しつつ、温度管理は一体的に行うことができる。
According to the configuration shown in FIG. 4, each
なお、図4に示す構成において、アノード側セパレータ4とカソード側セパレータ6との間に5℃以上の温度差をつける方法としては、例えば、次のような方法が考えられる。その方法は、アノード側の冷媒流路12に流れる冷媒とカソード側の冷媒流路22に流れる冷媒との間に温度差をつけることである。図4に示す構成によれば電極間の熱拡散を抑えることができるので、冷媒の温度差を略そのままセパレータ4、6の温度差とすることができるからである。
In the configuration shown in FIG. 4, for example, the following method can be considered as a method of providing a temperature difference of 5 ° C. or more between the
アノード側の冷媒流路12に流れる冷媒と、カソード側の冷媒流路22に流れる冷媒とが別々の系統であれば、各冷媒流路12、22に流れる冷媒の温度を個別に設定することができる。その場合は、燃料電池スタックの運転温度に応じて冷媒の温度差を制御する。例えば、運転温度が80℃のときには5℃以上の度差がセパレータ4、6間に生じるように冷媒の温度差を制御し、運転温度が90℃のときには10℃以上の温度差がセパレータ4、6間に生じるように冷媒の温度差を制御する。これによれば、燃料電池スタックの運転温度が変化した場合であっても、燃料電池の発電性能を常に最も高い状態に維持することが可能になる。
If the refrigerant flowing in the anode-side
アノードに供給される水素ガスと、カソードに供給される空気との間に温度差をつけることも、セパレータ4、6間に5℃以上の温度差をつける上では有効である。カソードに供給される空気よりも低温の水素ガスを空気に供給すれば、その分、アノード側セパレータ4の温度をカソード側セパレータ6の温度よりも低くする上で有利に作用する。
Establishing a temperature difference between the hydrogen gas supplied to the anode and the air supplied to the cathode is also effective in providing a temperature difference of 5 ° C. or more between the
また、カソード側セパレータ6の厚さをアノード側セパレータ4の厚さよりも厚くすることも、セパレータ4、6間に5℃以上の温度差をつける上では有効である。これによれば、カソード側の熱容量はアノード側の熱容量よりも大きくなるので、カソード側はアノード側よりも冷媒によって冷却され難くなり、その結果、セパレータ4、6間に明確な温度差が生じることになる。カソード側絶縁体20の厚さとアノード側絶縁体10の厚さとの間に差をつけることでも、同様の効果を得ることができる。
It is also effective to make the cathode-
カソード側セパレータ6とアノード側セパレータ4とを熱伝導率の異なる別の材料で作成することも、セパレータ4、6間に5℃以上の温度差をつける上では有効である。カソード側セパレータ6の熱伝導率をアノード側セパレータ4の熱伝導率よりも小さくすれば、カソード側はアノード側よりも冷媒によって冷却され難くなるので、結果としてセパレータ4、6間に温度差を生じさせることができる。カソード側絶縁体20とアノード側絶縁体10とを熱伝導率の異なる別の材料で作成することでも、同様の効果を得ることができる。
Making the cathode-
カソード側の拡散層の厚さをアノード側の拡散層の厚さよりも厚くすることも、セパレータ4、6間に5℃以上の温度差をつける上では有効である。拡散層の厚さが厚くなれば、その分、熱容量が大きくなるので内部に熱が篭りやすくなるからである。また、内部抵抗が大きくなる結果、抵抗で発生する熱が大きくなることも、セパレータ4、6間に温度差を生じさせる上で有利に作用する。
Making the cathode-side diffusion layer thicker than the anode-side diffusion layer is also effective in providing a temperature difference of 5 ° C. or more between the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
2 膜電極接合体
4 アノード側セパレータ
4a ガス流路
6 カソード側セパレータ
6a ガス流路
8、8A,8B 燃料電池(セル)
10 アノード側絶縁体
12 アノード側冷媒流路
20 カソード側絶縁体
22 カソード側冷媒流路
30 外部回路
2
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くして運転を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。 In a fuel cell comprising means for causing a temperature difference between the anode side and the cathode side across the electrolyte membrane,
The fuel cell operating method is characterized in that the operation is performed by lowering the temperature of the separator adjacent to the anode by 5 ° C. or more than the temperature of the separator adjacent to the cathode.
アノードガスの温度をカソードガスの温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くすることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の運転方法。 The means for generating the temperature difference is to provide a difference between the temperature of the anode gas supplied to the anode and the temperature of the cathode gas supplied to the cathode,
The temperature of the separator adjacent to the anode is lowered by 5 ° C. or more than the temperature of the separator adjacent to the cathode by lowering the temperature of the anode gas than the temperature of the cathode gas. How to operate a fuel cell.
前記アノードを冷却する冷媒の温度を前記カソードを冷却する冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くすることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の運転方法。 The means for causing the temperature difference includes flowing a refrigerant for cooling the anode and a refrigerant for cooling the cathode through separate flow paths, and the temperature of the refrigerant for cooling the anode and the temperature of the refrigerant for cooling the cathode. Is to make a difference between
By making the temperature of the refrigerant for cooling the anode lower than the temperature of the refrigerant for cooling the cathode, the temperature of the separator adjacent to the anode is lowered by 5 ° C. or more than the temperature of the separator adjacent to the cathode. 2. A method of operating a fuel cell according to claim 1, wherein
前記アノードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度を前記カソードに隣接するセパレータ間を流れる冷媒の温度よりも低くすることによって、前記アノードに隣接するセパレータの温度を前記カソードに隣接するセパレータの温度よりも5℃以上低くして運転を行うことを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。 A plurality of fuel cells are formed by sandwiching both sides of an electrolyte membrane between an anode and a cathode and sandwiching both sides with a separator. Each stacked fuel cell sandwiches an adjacent fuel cell, an insulator, and a coolant channel. In the fuel cell stack that is arranged so that the same poles face each other, and the separator of each fuel cell is connected in series with an external circuit to the separator of another fuel cell,
By making the temperature of the refrigerant flowing between the separators adjacent to the anode lower than the temperature of the refrigerant flowing between the separators adjacent to the cathode, the temperature of the separator adjacent to the anode is made lower than the temperature of the separator adjacent to the cathode. And operating at a temperature lower than 5 ° C.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091106 |
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