JP2009269789A - System for generating hydrogen and method for producing hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素を発生させる水素発生装置および該装置を用いた水素発生方法に関し、特に燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための装置および該装置を用いた方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen generation apparatus that generates hydrogen and a hydrogen generation method using the apparatus, and more particularly to an apparatus for generating hydrogen gas to be supplied to a fuel cell and a method using the apparatus.
水素吸蔵合金を使用した水素タンクや水素ガスを燃料とする小型燃料電池が実用化されようとしている、小型燃料電池に用いられる水素ガスを如何に安価にかつ安全に製造するかが重要な技術的課題となっている。 Hydrogen tanks using hydrogen storage alloys and small fuel cells that use hydrogen gas as fuel are about to be put into practical use. How to manufacture hydrogen gas used in small fuel cells at low cost and safely is important. It has become a challenge.
従来、水中でアルミニウム合金を粉砕することにより得られたアルミニウム微粒子に活性化処理を施すことによって、低温反応性を増強させたアルミニウム微粒子を用いた水素ガス発生方法が開示されている(特許文献1参照)。
また、駆動機構によって反応液を反応容器に供給し、供給の開始操作や供給量の調節を行なうことができる水素発生装置が開示されている(特許文献2参照)。
Conventionally, a hydrogen gas generation method using aluminum fine particles with enhanced low-temperature reactivity by applying an activation treatment to aluminum fine particles obtained by pulverizing an aluminum alloy in water has been disclosed (Patent Document 1). reference).
Also disclosed is a hydrogen generator that can supply a reaction liquid to a reaction vessel by a driving mechanism and perform a supply start operation and a supply amount adjustment (see Patent Document 2).
しかしながら、水素発生の制御が困難で急激に反応が進行したり、あるいは従来の水素発生装置および方法では、水素発生の開始後にまもなく反応が停止してしまい、効率よく水素ガスを取り出すことが困難であるという問題があった。また、水素発生反応の終点を確認できないため、残留した未反応の水素発生剤が後になって再び反応をおこす場合などの問題があった。
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、水素ガスを効率よく安全に取り出すことのできる水素発生装置および該装置を用いた水素発生方法の提供を目的とする。 The present invention has been made to cope with such problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen generation apparatus that can efficiently and safely extract hydrogen gas and a hydrogen generation method using the apparatus.
水素発生反応について、反応液を一度に多量投入すると急激に反応が進行して水素発生の制御ができずに反応容器が破損する問題が発生することが確認されている。そのため、少量ずつを投入すると初期は水素発生が起こるが、水素発生剤が未反応にも拘らず、まもなく反応が停止してしまうことが確認された。そこで、水素発生の開始後にまもなく反応が停止してしまう問題について研究したところ、アルミニウム粉末などの水素発生剤の上方より水などの反応液を滴下して反応させ、水素ガスを発生させると、水素発生剤表面付近に副生成物である酸化アルミニウム層が形成されて、さらに反応液が未反応の水素発生剤へと滲み込むことができず、滴下開始後まもなく反応が停止してしまうことが分かった。また、充填した水素発生剤の表層から反応を進めさせるため、水素発生剤と反応液との反応の終了が確認できないことが分かった。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、本発明の水素発生装置は、容器内に水素発生剤を収容するカートリッジと、該カートリッジに反応液を供給する反応液供給部および反応液供給手段とを備える水素発生装置であって、上記反応液供給手段は、上記カートリッジ容器の底部より上記水素発生剤と反応液とを反応させる手段であることを特徴とする。
Regarding the hydrogen generation reaction, it has been confirmed that when a large amount of reaction solution is added at once, the reaction rapidly proceeds and the hydrogen generation cannot be controlled and the reaction vessel is damaged. Therefore, it was confirmed that hydrogen was generated at an initial stage when a small amount was added, but the reaction would soon stop even though the hydrogen generator was unreacted. Therefore, when we studied the problem that the reaction would stop soon after the start of hydrogen generation, when a reaction liquid such as water was dropped from above the hydrogen generator such as aluminum powder to react and generate hydrogen gas, It turns out that an aluminum oxide layer, which is a by-product, is formed near the surface of the generator, and the reaction solution cannot penetrate into the unreacted hydrogen generator, and the reaction stops shortly after the start of dropping. It was. Moreover, since reaction was advanced from the surface layer of the filled hydrogen generating agent, it turned out that completion | finish of reaction with a hydrogen generating agent and a reaction liquid cannot be confirmed.
The present invention has been made based on such knowledge, and the hydrogen generator of the present invention includes a cartridge that contains a hydrogen generating agent in a container, a reaction liquid supply unit that supplies a reaction liquid to the cartridge, and a reaction liquid supply. Means for reacting the hydrogen generating agent with the reaction liquid from the bottom of the cartridge container.
上記反応液供給手段は、カートリッジ底部から水素発生剤と反応液とを反応させることができれば何れの方法でもよく、底部から直接反応液を送液して供給する、中空部材とこの中空部材の一端に中空内部と連通する空隙を有して嵌合されたピンとを有する棒状体であり、上記カートリッジ容器の底部付近まで上記ピンの先端部を挿入し、上記空隙よりピン外周面に沿って反応液を伝わらせて供給する手段を好例としてあげることができる。
また、上記カートリッジ容器は、該容器の周囲またはその一部を熱伝導性に優れた材質で形成することにより、水素発生時の過剰反応を防止することを特徴とする。
本発明の水素発生装置は、燃料電池装置に用いることを特徴とする。
The reaction liquid supply means may be any method as long as the hydrogen generating agent and the reaction liquid can be reacted from the bottom of the cartridge, and a hollow member and one end of the hollow member that supply and supply the reaction liquid directly from the bottom. And a pin-like body having a pin fitted with a gap communicating with the hollow interior, the tip of the pin being inserted to the vicinity of the bottom of the cartridge container, and the reaction liquid extending along the outer peripheral surface of the pin from the gap As a good example, a means for supplying the information can be given.
Further, the cartridge container is characterized in that an excessive reaction at the time of hydrogen generation is prevented by forming the periphery of the container or a part thereof with a material having excellent thermal conductivity.
The hydrogen generator of the present invention is used for a fuel cell device.
本発明の水素発生方法は、上記水素発生装置を用いた水素発生方法であって、
水素発生装置内に水素発生剤が収容されているカートリッジを装着する工程と、カートリッジ容器の底部付近まで棒状体を挿入する工程と、反応液供給部により供給された反応液を該棒状体を介して供給する工程と、カートリッジ底部より水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる工程とを備えることを特徴とする。
また、上記反応液が水であることを特徴とする。
The hydrogen generation method of the present invention is a hydrogen generation method using the hydrogen generation apparatus,
A step of mounting a cartridge containing a hydrogen generating agent in the hydrogen generator; a step of inserting a rod-like body to the vicinity of the bottom of the cartridge container; and a reaction solution supplied by a reaction solution supply unit through the rod-like body. And a step of generating hydrogen by reacting the hydrogen generating agent with the reaction liquid from the bottom of the cartridge.
The reaction solution is water.
本発明の水素発生装置は、カートリッジ容器の底部より水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させるものである。容器底部より水素発生剤が反応液に浸漬され、水素発生剤と反応液との反応が進むので、未反応の水素発生剤を残すことなく反応液の供給に応じて定量的な水素を発生させることができ、水素ガスを効率よく取り出すことができる。
また、容器底部より水素発生剤が反応液に浸漬され、収納されている水素発生剤の表面まで反応液に浸漬され、反応の終了を確認することができる。このため、未反応の水素発生剤が残留せず、安全性の高い水素発生装置を得ることができる。
また、水素発生剤をカートリッジ容器に収容し、この容器内で反応液と反応させるので、反応中に使用者が誤って反応部に触れるおそれがない。
The hydrogen generator of the present invention generates hydrogen by reacting a hydrogen generating agent with a reaction solution from the bottom of a cartridge container. Since the hydrogen generator is immersed in the reaction solution from the bottom of the container and the reaction between the hydrogen generator and the reaction solution proceeds, quantitative hydrogen is generated according to the supply of the reaction solution without leaving an unreacted hydrogen generator. Hydrogen gas can be taken out efficiently.
Further, the hydrogen generating agent is immersed in the reaction solution from the bottom of the container, and the surface of the stored hydrogen generating agent is immersed in the reaction solution, so that the completion of the reaction can be confirmed. For this reason, an unreacted hydrogen generating agent does not remain, and a highly safe hydrogen generating apparatus can be obtained.
Further, since the hydrogen generating agent is accommodated in the cartridge container and reacted with the reaction liquid in the container, there is no possibility that the user accidentally touches the reaction part during the reaction.
また、本発明の水素発生方法は、上記水素発生装置を用いるため、水素ガスを効率よく安全に取り出すことができる。 Moreover, since the hydrogen generation method of the present invention uses the hydrogen generation apparatus, hydrogen gas can be efficiently and safely taken out.
本発明の水素発生装置を図に基づいて説明する。図1は本発明の水素発生装置の実施形態の一例を示す斜視図であり、図2は図1におけるA−A線断面図である。 The hydrogen generator of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of the hydrogen generator of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
図1および図2に示すように、本発明の水素発生装置1は、容器3内に水素発生剤4を収容するカートリッジ2と、このカートリッジ2に反応液を供給する反応液供給部5および反応液供給手段とを備えるものである。反応液供給部5は、反応液を収納する収納部6と、シリンジポンプやスポイトなどの供給機構7と、反応液供給経路8とからなる。カートリッジ2および反応液供給部5は、カートリッジ2を覆う蓋カバー9などに固定された固定板15に反応液収納部6が固定ねじ16などで固定されるなどして、反応液供給経路8により連結される。収納部6に収納された反応液は供給機構7により供給経路8を通り、さらに反応液供給手段によりカートリッジ容器3内部に供給される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、カートリッジ2は、樹脂製で円筒状に成形され密閉された容器3内部に、反応液と反応して水素を発生する水素発生剤4を収容するものであり、本発明の水素発生装置1において、1回の使用毎に樹脂製容器3ごと交換して使用されるものである。またカートリッジ2は、容器3内部で水素発生剤と反応液との発熱反応がおこるため、該容器3の周囲またはその一部を熱伝導性に優れた材質で形成することにより、水素発生時の過剰反応を防止することが好ましい。熱伝導性に優れた材質としては、金属製などのカバー12で覆ったり、上部を真鍮板14や熱伝導性に優れた樹脂製などの蓋カバー9で覆うなどすることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the
本発明に用いることができる水素発生剤4としては、水等の反応液と反応して水素を発生する金属、例えばFe、Al、Mg、Zn、Siなどから選ばれる1種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。水素発生剤は、粉末状であってもよく、粒状またはタブレット化したものであってもよい。
好ましい水素発生剤4は、活性アルミニウム微粒子である。
Examples of the
A
上記反応液供給手段は、水素発生剤4が収納されたカートリッジの容器3底部より、この水素発生剤と反応液とを反応させる手段である。
カートリッジの容器3底部に反応液を供給する反応液供給手段の好ましい例として、反応液収納部6から供給経路8を通って供給された反応液を、挿入した棒状体10を伝わらせて、容器3内部に収容された水素発生剤4に供給する方法が挙げられる。
The reaction liquid supply means is a means for reacting the hydrogen generating agent and the reaction liquid from the bottom of the
As a preferred example of the reaction liquid supply means for supplying the reaction liquid to the bottom of the
具体例としては、図2に示すように、密閉されたカートリッジ容器3上部より棒状体10を挿入してこの棒状体に沿って反応液を供給する。
棒状体10の一例としては、図2に示すように、中空部材10aとこの中空部材10aの一端に中空内部と連通する空隙10cを有して嵌合されたピン10bとを有する構造のものが挙げられる。このピン10bは、その先端部がカートリッジ容器3底部付近に到達する長さのものであることが好ましい。この構造の棒状体10の場合、供給経路8より供給された反応液は、中空部材10aに連結する連結部材8aを経て、この中空部材10a内部を通り、空隙10cよりピン10bの外側に滲み出し、ピン10bの外周面に沿って反応液が伝って供給される。
また、棒状体10を挿入することで穴3aが形成され、発生した水素ガスがこの穴3aより水素供給経路11を介して放出される。
As a specific example, as shown in FIG. 2, a rod-
As an example of the rod-
Further, the hole 3 a is formed by inserting the rod-
上記構造の棒状体10の場合、ピン10bの外周面に沿って反応液が伝わると、ピン10bに接する水素発生剤4としての活性アルミニウム微粒子と反応液とが反応して活性アルミニウム微粒子が多孔質の酸化アルミニウムに変化する。その結果、反応液の流通経路が形成され、反応液はピン10bの周囲に拡散することなく、重力によりカートリッジ容器3の底部に到達する。カートリッジ容器3底部に到達した反応液は、容器3の底部よりアルミニウム微粒子を浸漬していく。
In the case of the rod-
他の棒状体10の例としては、上記中空部材10aおよびピン10bが一体型で、かつ全体が中空で、底部に反応液吐出孔を有する部材などでもよい。この場合、反応液は棒状体10の中空内部を通って容器3底部より供給される。
また、水素発生剤4が収納されたカートリッジの容器3底部より、この水素発生剤と反応液とを反応させる機構であればよく、反応液供給経路8がカートリッジの容器3底部に連結し、容器3底部から反応液を送液する構造などであってもよい。
As another example of the rod-
Further, any mechanism that reacts the hydrogen generating agent and the reaction liquid from the bottom of the
カートリッジ容器3内部で発生した水素は、棒状体10が挿入した際に形成されるカートリッジの穴3aを経て水素供給経路11から放出され、タンク等に貯蔵されたり、燃料電池装置に直接供給される。
Hydrogen generated inside the
さらに、本発明の水素発生装置1には安全弁13が取り付けられ、カートリッジ2内部で水素発生により圧力が異常に上昇した場合には、安全弁13が動作して、カートリッジ2内部の圧力を低下させる
Further, a
本発明で使用できる活性アルミニウム微粒子は、アルミニウム微粒子の表面および内部にミクロの亀裂を有し、この亀裂内に水素化アルミニウムを含有する50μm以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金である。このような活性アルミニウム微粒子として、具体的には、特開2008−24590号公報に開示されているようなアルミニウムまたはアルミニウム合金が挙げられる。これは、アルミニウムまたはアルミニウム合金材料の水中での摩擦、粉砕加工により、その表面からある程度の深さまで結晶格子の歪みやミクロな亀裂を形成し、さらに温度または超音波の衝撃を加えることにより、ナノクラックを生成させ、これにより水素ガスの精生成量を増大させたものであり、生成された水素に起因する体積膨張により材料内部の亀裂および破壊を継続させることで、亀裂を自己増殖させて水素の生成を自律的に継続させることができる。 The active aluminum fine particles that can be used in the present invention are aluminum or aluminum alloy having a thickness of 50 μm or less, which has micro cracks on the surface and inside of the aluminum fine particles and contains aluminum hydride in the cracks. Specific examples of such active aluminum fine particles include aluminum and aluminum alloys as disclosed in JP 2008-24590 A. This is due to the fact that aluminum or aluminum alloy materials are rubbed and crushed in water to form crystal lattice distortion and micro cracks to a certain depth from the surface, and by applying temperature or ultrasonic shock, Cracks are generated, and the amount of hydrogen gas produced is increased, and by continuing the cracks and destruction inside the material due to the volume expansion caused by the generated hydrogen, the cracks are self-proliferated to generate hydrogen. Can be autonomously continued.
本発明で使用できる反応液は、水素発生剤と反応して水素を発生させるものであればよく、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、水などが挙げられる。この中で好ましい反応液は、上記活性アルミニウム微粒子と反応して水素を発生させるとともに、取り扱いの容易さから水である。 The reaction solution that can be used in the present invention may be any one that reacts with a hydrogen generator to generate hydrogen, and examples thereof include acidic aqueous solutions, alkaline aqueous solutions, and water. Among these, a preferable reaction solution is water because it reacts with the active aluminum fine particles to generate hydrogen and is easy to handle.
反応液を供給する供給機構7としては、シリンジポンプやスポイトを使用するなどして反応液を定量的にカートリッジ2に供給できる手段であれば用いることができるが、定量的に連続供給できることから、シリンジポンプを用いることが好ましい。
As the
カートリッジの容器3を構成する樹脂材料同士の接着方法としては、特に制限はないが、接着剤を使用しない方法により接着できる方法であればより好ましい。このような接着方法として例えば、超音波溶着、レーザー溶着、熱溶着、拡散溶着、インパルス溶着、高周波溶着等の樹脂接着手段を用いることができる。接着剤等を使用せず、溶着により樹脂材料同士を接着すると、カートリッジ内部への接着剤の混入を防止できる。
上記樹脂材料接着手段の中で、樹脂材料同士の接合強度、気密性等に優れるとともに、寸法精度および外観形状にも優れ、多種の樹脂材料において溶着が可能であり樹脂材料が相互に強固に溶着されることから、超音波溶着または熱溶着を用いることが好ましい。
The method for adhering the resin materials constituting the
Among the above-mentioned resin material bonding means, it has excellent bonding strength and airtightness between resin materials, as well as excellent dimensional accuracy and external shape. It can be welded in various resin materials, and the resin materials are firmly bonded to each other. Therefore, it is preferable to use ultrasonic welding or heat welding.
超音波溶着は、樹脂材料、カートリッジの大きさ等によって異なるが、超音波振動ホーンの振幅は、上下方向に 25〜50μm、周波数は、15〜40 kHz で行なうのが溶着強度および気密度を高めるので好ましい。特に振幅が上下方向に 50μm、周波数が 40 kHz の超音波溶着条件が好ましい。また、熱溶着の場合は、樹脂材料、カートリッジの大きさによって異なるが、温度幅 80〜150 ℃、溶着時間 5 秒以内で行うのが好ましい。 Ultrasonic welding varies depending on the resin material, cartridge size, etc., but the ultrasonic vibration horn amplitude is 25-50 μm in the vertical direction and the frequency is 15-40 kHz to increase the welding strength and air density. Therefore, it is preferable. In particular, ultrasonic welding conditions with an amplitude of 50 μm in the vertical direction and a frequency of 40 kHz are preferable. In the case of thermal welding, although it varies depending on the size of the resin material and the cartridge, it is preferable that the temperature range is 80 to 150 ° C. and the welding time is within 5 seconds.
本発明の水素発生方法は、上述の水素発生装置1を用いて水素を発生させるものである。まず、水素発生装置1内に活性アルミニウム微粒子などの水素発生剤4が収容されているカートリッジ2を装着する。具体例としては、樹脂製や金属製のカバー12内にカートリッジ2を設置し、安全弁13や水素供給経路11が取り付けられた真鍮板14および蓋カバー9で覆う。次いで、蓋カバー9およびカートリッジ容器3に設けられた穴3aよりカートリッジ容器3の底部付近まで棒状体10を挿入する。棒状体10の中空部材10aは反応液供給経路8の連結部材8aとつながり、さらに反応供給部5と連結する。
この装置1により、水などの反応液は反応液供給部5の供給手段7により収納部6より供給され、供給経路8を経て、上述のように棒状体10を伝わらせてカートリッジ容器3底部に供給され、カートリッジ底部より水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる。
The hydrogen generation method of the present invention is to generate hydrogen using the
By this
実施例1
図1に示す水素発生装置1において、反応液供給機構7としてシリンジポンプを用いたものを用意した。カートリッジ容器3内に活性アルミニウム微粒子 HD−14(株式会社ハイドロデバイス社製) 10 gを収納したものを装置に取り付け、水素供給経路11より排気管を通して水槽に用意したメスシリンダーで発生した水素量を定量できるよう準備した。棒状体10をカートリッジ容器3内に挿入した。反応液として水をシリンジポンプで 1.0 ml送液後、水素発生量が 9.0 ml/分以下になったとき、シリンジポンプで 0.1 ml/分で 300 分間送液し、水供給に応じた 1 分ごとの水素発生量を測定した。結果を図3に示す。なお、反応終了後、カートリッジ容器3内の活性アルミニウム微粒子は、完全に水に浸漬していた。
Example 1
In the
実施例2
図1に示す水素発生装置1において、反応液供給機構7としてスポイトを用いたものを用意した。カートリッジ容器3内に活性アルミニウム微粒子 HD−14(株式会社ハイドロデバイス社製) 10 gを収納したものを装置に取り付け、水素供給経路11より排気管を通して水槽に用意したメスシリンダーで発生した水素量を定量できるよう準備した。反応液として水をスポイトで 1.0 ml送液後、水素発生量が 9.0 ml/分以下になったとき、スポイトで 1.0 ml送液を繰返し、水供給に応じた 1 分ごとの水素発生量を測定した。結果を図4に示す。なお、反応終了後、カートリッジ容器3内の活性アルミニウム微粒子は、完全に水に浸漬していた。
Example 2
In the
図3および図4に示すように、反応液供給機構7としてシリンジポンプまたはスポイトのどちらを用いても、発生する水素の総量はほぼ同じであることが確認されたが、実施例1の結果より、特にシリンジポンプを使用して反応液である水を定量的に連続して送液することで、ほぼ定量的な水素発生を安定して供給できることが確認された。
As shown in FIG. 3 and FIG. 4, it was confirmed that the total amount of generated hydrogen was almost the same regardless of whether the reaction
比較例1
実施例1で用いた水素発生装置において、棒状体10をカートリッジ容器3内に挿入することなく、カートリッジ容器3の上部に穴を設け、この穴より水を送液した。送液直後に水素発生量が見られたが、約 150 分後に水素発生が停止した。
Comparative Example 1
In the hydrogen generator used in Example 1, a hole was provided in the upper part of the
本発明の水素発生装置は、活性アルミニウム微粒子等の水素発生剤と反応液とをすべて反応させて水素を発生させることができるので、この水素発生装置を用いた燃料電池装置は、家電製品、パソコン、携帯電子機器等に用いられる燃料電池装置として好適に用いることができる。 Since the hydrogen generator of the present invention can generate hydrogen by reacting all of the hydrogen generator such as active aluminum fine particles and the reaction liquid, the fuel cell device using this hydrogen generator is used for home appliances, personal computers. It can be suitably used as a fuel cell device used in portable electronic devices and the like.
1 水素発生装置
2 カートリッジ
3 容器
4 水素発生剤
5 反応液供給部
6 反応液収納部
7 反応液供給機構
8 反応液供給経路
9 蓋カバー
10 棒状体
11 水素供給経路
12 カバー
13 安全弁
14 真鍮板
15 固定板
16 固定ねじ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記反応液供給手段は、前記カートリッジ容器の底部より前記水素発生剤と反応液とを反応させる手段であることを特徴とする水素発生装置。 A hydrogen generator comprising a cartridge that contains a hydrogen generating agent in a container, a reaction liquid supply unit that supplies a reaction liquid to the cartridge, and a reaction liquid supply means,
The hydrogen generating apparatus according to claim 1, wherein the reaction liquid supply means is a means for reacting the hydrogen generating agent and the reaction liquid from the bottom of the cartridge container.
水素発生装置内に水素発生剤が収容されている前記カートリッジを装着する工程と、
前記カートリッジ容器の底部付近まで前記棒状体を挿入する工程と、
前記反応液供給部により供給された反応液を該棒状体を介して供給する工程と、
前記カートリッジ底部より前記水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる工程とを備えることを特徴とする水素発生方法。 A hydrogen generation method using the hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4,
Mounting the cartridge containing the hydrogen generating agent in the hydrogen generating device;
Inserting the rod-like body to the vicinity of the bottom of the cartridge container;
Supplying the reaction solution supplied by the reaction solution supply unit via the rod-shaped body;
And a step of generating hydrogen by reacting the hydrogen generating agent with a reaction solution from the bottom of the cartridge.
6. The method for generating hydrogen according to claim 5, wherein the reaction solution is water.
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2008
- 2008-05-07 JP JP2008121498A patent/JP2009269789A/en active Pending
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