JP2019182711A - Hydrogen generator, and method of operating the same - Google Patents

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田口 清
Kiyoshi Taguchi
清 田口
貴広 楠山
Takahiro Kusuyama
貴広 楠山
千絵 原田
Chie Harada
千絵 原田
武田憲有
Kenyu Takeda
憲有 武田
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Abstract

To provide a hydrogen generator capable of operating stably by preventing a product material flow path connected to a reactor from being clogged with a deposited product material.SOLUTION: The hydrogen generator 100 includes: a reactor 5 for generating hydrogen and a product material by reacting metal hydride with water; a raw material feeder 2 for feeding metal hydride to the reactor 5; a water feeder 4 for feeding water to the reactor 5; a product material flow path 6 for discharging the product material and water generated by the reactor 5 from the reactor 5; a temperature detector 9 for detecting a temperature of at least any one of the reactor 5 and the product material flow path 6; and a controller 50 for controlling a ratio W/F of a feeding flow of water by the water feeder 4 to a feeding flow of metal hydride by the raw material feeder 2 so that a deposition temperature of the product material is lower than a temperature detected by the temperature detector 9.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、金属水素化物を水と反応させて、水素を生成する水素生成装置に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen generator that reacts a metal hydride with water to generate hydrogen.

近年、二酸化炭素の排出による地球の温暖化等の環境問題や、石油資源の枯渇等のエネルギー問題から、クリーンな代替エネルギーとして水素エネルギーが注目されている。しかし、水素ガスは、未だ一般的なインフラガスとして整備されておらず、水素を安全に貯蔵、輸送し、供給する技術の開発が重要となる。   In recent years, hydrogen energy has attracted attention as a clean alternative energy because of environmental problems such as global warming caused by carbon dioxide emissions and energy problems such as the depletion of petroleum resources. However, hydrogen gas has not yet been developed as a general infrastructure gas, and it is important to develop technology for safely storing, transporting and supplying hydrogen.

水素の貯蔵方法には、いくつかの候補があるが、中でも可逆的に水素を貯蔵・放出することのできる水素化物として、金属水素化物を用い、水と反応させて水素を生成する水素生成装置が知られている。   There are several candidates for hydrogen storage methods. Among them, a hydrogen generator that uses metal hydride as a hydride capable of reversibly storing and releasing hydrogen and reacts with water to generate hydrogen. It has been known.

従来のこの種の水素生成装置に用いる金属水素化物としては、NaH、NaBH、NaAlH、LiALH、LiBH、LiH、CaH、AlH、MgH、などが知られている。例えば、NaBHは、水と反応して(化1)に示す加水分解反応により水素および生成物であるNaBOを生成することが知られている。 Known metal hydrides used in this type of conventional hydrogen generator include NaH, NaBH 4 , NaAlH 4 , LiALH 4 , LiBH 4 , LiH, CaH 2 , AlH 3 , MgH 2 , and the like. For example, it is known that NaBH 4 reacts with water to produce hydrogen and NaBO 2 as a product by the hydrolysis reaction shown in (Chemical Formula 1).

Figure 2019182711
従来のこの種の水素生成装置は、金属水素化物と水とを混合したものを、触媒が担持された反応器に供給して、水素を生成している。そして、生成された水素と、生成物と、反応に供されなかった水とは、混合物として反応器に接続された生成物流路を経て、分離器に供給され、水素は、分離器から排出されるように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
Figure 2019182711
In this type of conventional hydrogen generator, a mixture of a metal hydride and water is supplied to a reactor on which a catalyst is supported to generate hydrogen. The produced hydrogen, the product, and the water that has not been subjected to the reaction are supplied as a mixture to the separator through the product flow path connected to the reactor, and the hydrogen is discharged from the separator. (For example, refer patent document 1).

特許第4792632号公報Japanese Patent No. 4792632

しかしながら、従来の構成では、反応器に接続された生成物流路の温度が低下することにより、水に溶けている生成物の溶解度が低下して生成物が析出する場合がある。その場合に、析出した生成物によって生成物流路が詰まり、生成物を反応器から排出することができなくなり、水素生成装置の運転が継続できなくなるという課題を有していた。   However, in the conventional configuration, when the temperature of the product flow path connected to the reactor is lowered, the solubility of the product dissolved in water is lowered and the product may be precipitated. In that case, the product flow path is clogged by the precipitated product, and the product cannot be discharged from the reactor, and the operation of the hydrogen generator cannot be continued.

本発明は、従来の課題を解決するもので、反応器に接続された生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制して、安定に運転できる水素生成装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the conventional problems, and to provide a hydrogen generator that can be stably operated by suppressing clogging of a product flow path connected to a reactor with a deposited product. .

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器と、反応器に金属水素化物を供給する原料供給器と、反応器に水を供給する水供給器と、反応器で生成された生成物と水とを反応器か
ら排出する生成物流路と、反応器と生成物流路との少なくとも一方の温度を検知する温度検知器と、制御器とを備え、制御器は、生成物の析出温度が温度検知器により検知した温度より低くなるように、原料供給器による金属水素化物の供給流量に対する水供給器による水の供給流量の比率W/Fを制御するものである。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the hydrogen generator of the present invention includes a reactor for reacting a metal hydride and water to produce hydrogen and a product, and a raw material for supplying the metal hydride to the reactor. Temperature of at least one of the supply, the water supply for supplying water to the reactor, the product flow path for discharging the product and water produced in the reactor, and the reaction flow path A temperature detector for detecting the water supply, and the controller supplies water to the supply flow rate of the metal hydride by the raw material supplier so that the precipitation temperature of the product is lower than the temperature detected by the temperature detector. The ratio W / F of the water supply flow rate by the vessel is controlled.

これにより、反応に供されなかった水の量は、生成物を全て溶解可能な量となるため、生成物流路での水に溶けている生成物の析出を抑制することができ、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制し、水素生成装置を安定に運転することができる。   As a result, the amount of water that has not been subjected to the reaction is an amount that can dissolve all of the product, so that precipitation of the product dissolved in water in the product channel can be suppressed. It is possible to suppress clogging with the deposited product and to stably operate the hydrogen generator.

本発明の水素生成装置は、生成物の析出温度が温度検知器により検知した温度より低くなるように、金属水素化物の供給流量に対する水の供給流量の比率W/Fを制御することで、生成物流路での水に溶けている生成物の析出を抑制することができ、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制し、水素生成装置を安定に運転することができる。   The hydrogen generation apparatus of the present invention generates a product by controlling the ratio W / F of the water supply flow rate to the metal hydride supply flow rate so that the product precipitation temperature is lower than the temperature detected by the temperature detector. Precipitation of the product dissolved in water in the product channel can be suppressed, the product channel can be prevented from being clogged with the deposited product, and the hydrogen generator can be operated stably.

また、生成物による詰まりを除去するメンテナンスを不要とすることができる。   Moreover, the maintenance which removes the clogging with a product can be made unnecessary.

本発明の実施の形態1における水素生成装置のブロック図Block diagram of the hydrogen generator in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態1における水素生成装置のメタホウ酸ナトリウムの溶解度と温度の関係を示す特性図The characteristic view which shows the relationship between the solubility of sodium metaborate of the hydrogen generator in Embodiment 1 of this invention, and temperature 本発明の実施の形態1における水素生成装置のメタホウ酸ナトリウムが析出する温度とW/Fの関係を示す特性図The characteristic view which shows the temperature and the relationship of W / F which the sodium metaborate of the hydrogen generator in Embodiment 1 of this invention precipitates

第1の発明の水素生成装置は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器と、反応器に金属水素化物を供給する原料供給器と、反応器に水を供給する水供給器と、反応器で生成された生成物と水とを反応器から排出する生成物流路と、反応器と生成物流路との少なくとも一方の温度を検知する温度検知器と、制御器とを備え、制御器は、生成物の析出温度が温度検知器により検知した温度より低くなるように、原料供給器による金属水素化物の供給流量に対する水供給器による水の供給流量の比率W/Fを制御するものである。   A hydrogen generation apparatus according to a first aspect of the present invention includes a reactor for reacting a metal hydride and water to produce hydrogen and a product, a raw material supplier for supplying the metal hydride to the reactor, and a water supply for the reactor. A water supply for supplying the product, a product flow path for discharging the product and water generated in the reactor from the reactor, a temperature detector for detecting the temperature of at least one of the reactor and the product flow path, A ratio of the water supply flow rate of the water supply to the metal hydride supply flow rate of the raw material supplier so that the product precipitation temperature is lower than the temperature detected by the temperature detector. W / F is controlled.

これにより、反応に供されなかった水の量は、生成物を全て溶解可能な量となるため、生成物流路での水に溶けている生成物の析出を抑制することができ、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制し、水素生成装置を安定に運転することができる。   As a result, the amount of water that has not been subjected to the reaction is an amount that can dissolve all of the product, so that precipitation of the product dissolved in water in the product channel can be suppressed. It is possible to suppress clogging with the deposited product and to stably operate the hydrogen generator.

第2の発明の水素生成装置の運転方法は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器と、反応器に金属水素化物を供給する原料供給器と、反応器に水を供給する水供給器と、反応器で生成された生成物と水とを反応器から排出する生成物流路と、反応器と生成物流路との少なくとも一方の温度を検知する温度検知器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、生成物の析出温度が温度検知器により検知した温度より低くなるように、原料供給器による金属水素化物の供給流量に対する水供給器による水の供給流量の比率W/Fを調節するものである。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an operation method of a hydrogen generator, a reactor for reacting a metal hydride and water to produce hydrogen and a product, a raw material supplier for supplying the metal hydride to the reactor, A water supply for supplying water to the reactor, a product flow path for discharging the product and water produced in the reactor from the reactor, and temperature detection for detecting the temperature of at least one of the reactor and the product flow path And a water supply device with respect to the supply flow rate of the metal hydride by the raw material supply device so that the precipitation temperature of the product is lower than the temperature detected by the temperature detector. The ratio W / F of the water supply flow rate is adjusted.

これにより、反応に供されなかった水の量は、生成物を全て溶解可能な量となるため、生成物流路での水に溶けている生成物の析出を抑制することができ、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制し、水素生成装置を安定に運転することができる。   As a result, the amount of water that has not been subjected to the reaction is an amount that can dissolve all of the product, so that precipitation of the product dissolved in water in the product channel can be suppressed. It is possible to suppress clogging with the deposited product and to stably operate the hydrogen generator.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形
態によって本発明が限定されるものではない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における水素生成装置のブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen generator according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、本実施の形態の水素生成装置100には、原料の金属水素化物である水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)が充填された原料容器1と、原料容器1の水素化ホウ素ナトリウムを反応器5に供給する原料供給器2と、水が充填された水容器3と、水容器3の水を反応器5に供給する水供給器4と、反応器5の温度を検知する温度検知器9と、制御器50とが設けられている。 As shown in FIG. 1, the hydrogen generator 100 of the present embodiment includes a raw material container 1 filled with sodium borohydride (NaBH 4 ), which is a raw material metal hydride, and a borohydride in the raw material container 1. A raw material supplier 2 for supplying sodium to the reactor 5, a water container 3 filled with water, a water supplier 4 for supplying water from the water container 3 to the reactor 5, and the temperature of the reactor 5 are detected. A temperature detector 9 and a controller 50 are provided.

反応器5には生成された生成物のメタホウ酸ナトリウム(NaBO)と水素を排出する生成物流路6が接続される。また、生成物流路6には生成物容器8が接続されている。生成物流路6を流れる水素は、生成物流路6から分岐された水素流路7を流通して、外部の燃料電池200に供給される。 The reactor 5 is connected to a product flow path 6 for discharging the produced product sodium metaborate (NaBO 2 ) and hydrogen. A product container 8 is connected to the product flow path 6. The hydrogen flowing through the product flow path 6 flows through the hydrogen flow path 7 branched from the product flow path 6 and is supplied to the external fuel cell 200.

燃料電池200は、水素流路7を流通して供給される水素と、空気中の酸素から、電気化学反応によって発電する。制御器50は、MPUおよびメモリから構成され、演算機能および記憶機能を有し、制御プログラムを記憶し、実行することにより、水素生成装置100の各種の動作を制御する。   The fuel cell 200 generates electricity by electrochemical reaction from hydrogen supplied through the hydrogen flow path 7 and oxygen in the air. The controller 50 includes an MPU and a memory, has an arithmetic function and a storage function, stores various control programs, and controls various operations of the hydrogen generator 100.

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置100において、以下、その動作と作用を説明する。   In the hydrogen generator 100 of the present embodiment configured as described above, the operation and action will be described below.

原料容器1に充填された水素化ホウ素ナトリウムは、原料供給器2から反応器5に供給される。水容器3に充填された水は、水供給器4から反応器5に供給される。   The sodium borohydride filled in the raw material container 1 is supplied from the raw material supplier 2 to the reactor 5. The water filled in the water container 3 is supplied from the water supply device 4 to the reactor 5.

反応器5では、水素化ホウ素ナトリウムと水とが、(化2)に示す加水分解反応が進行し、水素とメタホウ酸ナトリウムを生成する。   In the reactor 5, sodium borohydride and water undergo the hydrolysis reaction shown in (Chemical Formula 2) to generate hydrogen and sodium metaborate.

Figure 2019182711
生成した水素とメタホウ酸ナトリウムには、水供給器4から供給された水のうち反応に用いられなかった余剰の水(以下、残存水と記載する)も混在している。メタホウ酸ナトリウムは、残存水に溶解しており、メタホウ酸ナトリウム水溶液の状態となっている。
Figure 2019182711
The generated hydrogen and sodium metaborate also contain excess water (hereinafter referred to as residual water) that was not used for the reaction among the water supplied from the water supplier 4. Sodium metaborate is dissolved in the remaining water and is in the form of an aqueous sodium metaborate solution.

反応器5で生成された水素は、水素流路7を流通し、燃料電池200に供給される。反応器5で生成されたメタホウ酸ナトリウム水溶液は、生成物流路6を流通し、生成物容器8に貯えられる。   Hydrogen produced in the reactor 5 flows through the hydrogen flow path 7 and is supplied to the fuel cell 200. The aqueous sodium metaborate solution generated in the reactor 5 flows through the product flow path 6 and is stored in the product container 8.

また、反応器5の温度は温度検知器9で検知される。また、温度検知器9で検知された温度が、メタホウ酸ナトリウムの析出温度よりも高くなるように、金属水素化物である水素化ホウ素ナトリウムの供給流量に対する水の供給流量の重量比であるW/Fを15に設定し、原料供給器2と水供給器4を制御している。   Further, the temperature of the reactor 5 is detected by a temperature detector 9. Further, W / is the weight ratio of the water supply flow rate to the supply flow rate of sodium borohydride, which is a metal hydride, so that the temperature detected by the temperature detector 9 becomes higher than the precipitation temperature of sodium metaborate. F is set to 15, and the raw material supplier 2 and the water supplier 4 are controlled.

図2は、本発明の実施の形態1における水素生成装置100のメタホウ酸ナトリウムの溶解度と温度の関係を示す特性図である。   FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the solubility of sodium metaborate and the temperature of the hydrogen generator 100 according to Embodiment 1 of the present invention.

図2に示すように、メタホウ酸ナトリウムは、温度が低いほど水への溶解度が下がり、
析出が生じやすくなる。例えば、22重量%のメタホウ酸ナトリウム水溶液は、25℃以下になると、メタホウ酸ナトリウムの析出が生じる。
As shown in FIG. 2, the lower the temperature, the lower the solubility of sodium metaborate in water,
Precipitation tends to occur. For example, when a 22% by weight aqueous sodium metaborate solution is 25 ° C. or lower, precipitation of sodium metaborate occurs.

図3は、本発明の実施の形態1における水素生成装置100のメタホウ酸ナトリウムが析出する温度とW/Fの関係を示す特性図である。   FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature at which sodium metaborate is deposited and W / F in the hydrogen generator 100 according to Embodiment 1 of the present invention.

図3に示すように、温度が低いほど、メタホウ酸ナトリウムの析出を抑制するためのW/Fの設定下限値は高くなる関係にある。これは、W/Fを高くするほど、メタホウ酸ナトリウム水溶液中のメタホウ酸ナトリウムの濃度を低くすることができ、メタホウ酸ナトリウムの析出温度を低くすることができるためである。   As shown in FIG. 3, the lower the temperature is, the higher the set lower limit value of W / F for suppressing the precipitation of sodium metaborate. This is because the higher the W / F, the lower the concentration of sodium metaborate in the aqueous sodium metaborate solution, and the lower the precipitation temperature of sodium metaborate.

より具体的には、20℃ではW/Fは10以上、10℃ではW/Fは12以上の値で、メタホウ酸ナトリウムの析出を抑制することができる。   More specifically, W / F is 10 or more at 20 ° C., and W / F is 12 or more at 10 ° C., so that precipitation of sodium metaborate can be suppressed.

本実施の形態では、温度検知器9で検知される反応器5の温度は30℃となるように構成し、W/Fの設定値を15とした。このとき、メタホウ酸ナトリウム水溶液中のメタホウ酸ナトリウムの濃度は14重量%で、析出温度は0℃であり、反応器5の温度30℃に対してメタホウ酸ナトリウムの析出温度が低くなっているため、メタホウ酸ナトリウムの析出を抑制することができる。   In the present embodiment, the temperature of the reactor 5 detected by the temperature detector 9 is configured to be 30 ° C., and the set value of W / F is 15. At this time, the concentration of sodium metaborate in the aqueous solution of sodium metaborate is 14% by weight, the precipitation temperature is 0 ° C., and the precipitation temperature of sodium metaborate is lower than the temperature of 30 ° C. in the reactor 5. , Precipitation of sodium metaborate can be suppressed.

以上のように、本実施の形態においては、温度検知器9により検知した温度が、メタホウ酸ナトリウムの析出温度よりも高くなるように金属水素化物の供給流量に対する水の供給流量の比率W/Fを制御することにより、反応に供されなかった水の量はメタホウ酸ナトリウムを全て溶解可能な量となるため、生成物流路6での水に溶けているメタホウ酸ナトリウムの析出を抑制することができ、生成物流路6が析出したメタホウ酸ナトリウムで詰まることを抑制し、水素生成装置を安定に運転することができる。また、メタホウ酸ナトリウムによる詰まりを除去するメンテナンスを不要とすることができる。   As described above, in the present embodiment, the ratio W / F of the water supply flow rate to the metal hydride supply flow rate so that the temperature detected by the temperature detector 9 is higher than the precipitation temperature of sodium metaborate. By controlling the amount of water, the amount of water that has not been subjected to the reaction is an amount that can dissolve all of the sodium metaborate, so that the precipitation of sodium metaborate dissolved in water in the product flow path 6 can be suppressed. It is possible to suppress the clogging of the product channel 6 with the precipitated sodium metaborate, and to stably operate the hydrogen generator. Moreover, the maintenance which removes the clogging with sodium metaborate can be made unnecessary.

なお、本実施の形態では、W/Fを15に設定したが、メタホウ酸ナトリウム水溶液中のメタホウ酸ナトリウムの濃度と溶解度の関係をもとに、メタホウ酸ナトリウムが析出しない温度となるようにW/Fを設定すればよく、W/Fを低く設定するほど無駄な水が抑制できる。   In this embodiment, W / F is set to 15. However, based on the relationship between the concentration and solubility of sodium metaborate in the sodium metaborate aqueous solution, W / F is set to a temperature at which sodium metaborate does not precipitate. / F may be set, and wasteful water can be suppressed as W / F is set lower.

また、温度検知器9によって検出された反応器5の温度が運転中に変化する場合は、メタホウ酸ナトリウムが析出しない温度となるようにW/Fを変化させてもよい。   Moreover, when the temperature of the reactor 5 detected by the temperature detector 9 changes during operation, the W / F may be changed so that the sodium metaborate does not precipitate.

以上のように、本発明にかかる水素生成装置およびその運転方法は、反応器に接続された生成物流路の詰まりを抑制することで水素生成装置の安定運転を可能とするため、金属水素化物を水と反応させて、水素を生成する水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに応用できる。   As described above, the hydrogen generator and the operation method thereof according to the present invention enable stable operation of the hydrogen generator by suppressing clogging of the product flow path connected to the reactor. The present invention can be applied to a hydrogen generator that reacts with water to generate hydrogen and a fuel cell system using the hydrogen generator.

1 原料容器
2 原料供給器
3 水容器
4 水供給器
5 反応器
6 生成物流路
7 水素流路
8 生成物容器
9 温度検知器
50 制御器
100 水素生成装置
200 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material container 2 Raw material supply device 3 Water container 4 Water supply device 5 Reactor 6 Product flow path 7 Hydrogen flow path 8 Product container 9 Temperature detector 50 Controller 100 Hydrogen generator 200 Fuel cell

Claims (2)

金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器と、
前記反応器に前記金属水素化物を供給する原料供給器と、
前記反応器に水を供給する水供給器と、
前記反応器で生成された前記生成物と前記水とを前記反応器から排出する生成物流路と、前記反応器と前記生成物流路との少なくとも一方の温度を検知する温度検知器と、
制御器とを備え、
前記制御器は、前記生成物の析出温度が前記温度検知器により検知した温度より低くなるように、前記原料供給器による前記金属水素化物の供給流量に対する前記水供給器による前記水の供給流量の比率W/Fを制御すること特徴とする水素生成装置。
A reactor for reacting a metal hydride with water to produce hydrogen and a product;
A raw material supplier for supplying the metal hydride to the reactor;
A water supply for supplying water to the reactor;
A product flow path for discharging the product and water generated in the reactor from the reactor; a temperature detector for detecting a temperature of at least one of the reactor and the product flow path;
With a controller,
The controller controls the supply flow rate of the water by the water supply device with respect to the supply flow rate of the metal hydride by the raw material supply device so that the precipitation temperature of the product is lower than the temperature detected by the temperature detector. A hydrogen generator characterized by controlling the ratio W / F.
金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器と、
前記反応器に前記金属水素化物を供給する原料供給器と、
前記反応器に水を供給する水供給器と、
前記反応器で生成された前記生成物と前記水とを排出する生成物流路と、
前記反応器と前記生成物流路との少なくとも一方の温度を検知する温度検知器と、
を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記生成物の析出温度が前記温度検知器により検知した温度より低くなるように、前記原料供給器による前記金属水素化物の供給流量に対する前記水供給器による前記水の供給流量の比率W/Fを調節する水素生成装置の運転方法。
A reactor for reacting a metal hydride with water to produce hydrogen and a product;
A raw material supplier for supplying the metal hydride to the reactor;
A water supply for supplying water to the reactor;
A product flow path for discharging the product and water produced in the reactor;
A temperature detector for detecting the temperature of at least one of the reactor and the product flow path;
A method of operating a hydrogen generator comprising:
The ratio W / F of the water supply flow rate by the water supply device to the metal hydride supply flow rate by the raw material supply device is set so that the precipitation temperature of the product is lower than the temperature detected by the temperature detector. The operation method of the hydrogen generator to be adjusted.
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JP2021058268A (en) * 2019-10-03 2021-04-15 株式会社三洋物産 Game machine
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