JP2894378B2 - 電気化学素子及びその製造方法 - Google Patents
電気化学素子及びその製造方法Info
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- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
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- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
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- H01M2300/0082—Organic polymers
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体高分子電解質膜を用
いた電気化学素子の構成及びその製造方法に関するもの
である。
いた電気化学素子の構成及びその製造方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】図４は例えば特開昭６３−２２６４号公
報に示された従来の電気化学素子の構成を示す断面図で
ある。図において、１は電解質層、２は絶縁基板、３は
燃料電極、４は酸化剤電極、５は燃料室、６は酸化剤
室、７は電流端子、８は単電池である。この電気化学素
子は電気絶縁性の基板に多数の電極を配置して小型軽量
でコンパクトな燃料電池としたもので、同様の電気化学
素子は特開昭６２−２００６６６号公報にも開示されて
いる。
報に示された従来の電気化学素子の構成を示す断面図で
ある。図において、１は電解質層、２は絶縁基板、３は
燃料電極、４は酸化剤電極、５は燃料室、６は酸化剤
室、７は電流端子、８は単電池である。この電気化学素
子は電気絶縁性の基板に多数の電極を配置して小型軽量
でコンパクトな燃料電池としたもので、同様の電気化学
素子は特開昭６２−２００６６６号公報にも開示されて
いる。
【０００３】従来の電気化学素子において、電解質層１
として固体高分子電解質膜を用いる場合、単電池の数だ
け絶縁基板２に設けられた孔に電解質層となる固体高分
子電解質膜をはめ込んでいた。しかしながら、固体高分
子電解質膜は水分によって伸び縮みするので、絶縁基板
２に設けられた孔にはめ込んで電極３，４で挟んだ後、
燃料質５と酸化剤室６の間のガスシール性を維持するこ
とが難しかった。
として固体高分子電解質膜を用いる場合、単電池の数だ
け絶縁基板２に設けられた孔に電解質層となる固体高分
子電解質膜をはめ込んでいた。しかしながら、固体高分
子電解質膜は水分によって伸び縮みするので、絶縁基板
２に設けられた孔にはめ込んで電極３，４で挟んだ後、
燃料質５と酸化剤室６の間のガスシール性を維持するこ
とが難しかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の電気化学素子は
以上のように構成されており、水分によって伸び縮みす
る固体高分子電解質膜を多数絶縁基板に設けられた孔に
はめ込む必要があり、ガスシール性を維持することが難
しいという問題点があった。
以上のように構成されており、水分によって伸び縮みす
る固体高分子電解質膜を多数絶縁基板に設けられた孔に
はめ込む必要があり、ガスシール性を維持することが難
しいという問題点があった。
【０００５】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、ガスシール性が良好で信頼性が高
く高密度化が図れる電気化学素子を提供するとともに、
簡便に製造できる方法を提供することを目的とする。
めになされたもので、ガスシール性が良好で信頼性が高
く高密度化が図れる電気化学素子を提供するとともに、
簡便に製造できる方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の電気化学素子
は、固体高分子電解質膜に電子は伝導できないがプロト
ンは伝導し得る複数のプロトン伝導部と、これらプロト
ン伝導部の周囲に電子もプロトンも電導できないプロト
ン絶縁部を形成し、上記プロトン伝導部の表裏にそれぞ
れ電極を配設してなるものである。
は、固体高分子電解質膜に電子は伝導できないがプロト
ンは伝導し得る複数のプロトン伝導部と、これらプロト
ン伝導部の周囲に電子もプロトンも電導できないプロト
ン絶縁部を形成し、上記プロトン伝導部の表裏にそれぞ
れ電極を配設してなるものである。
【０００７】そして、上記の電気化学素子の製造方法
は、側鎖に −ＳＯ3Ｍ（Ｍは金属）基を有する固体高分
子電解質膜の表裏を各露出部が表裏で相対応する複数の
露出部を残してそれぞれマスキングし、酸処理を施し露
出した上記固体高分子電解質膜の側鎖のＭイオンをプロ
トンに置換してプロトン伝導部を形成し、残りの部分を
プロトン絶縁部とするものである。
は、側鎖に −ＳＯ3Ｍ（Ｍは金属）基を有する固体高分
子電解質膜の表裏を各露出部が表裏で相対応する複数の
露出部を残してそれぞれマスキングし、酸処理を施し露
出した上記固体高分子電解質膜の側鎖のＭイオンをプロ
トンに置換してプロトン伝導部を形成し、残りの部分を
プロトン絶縁部とするものである。
【０００８】また、側鎖に −ＳＯ3Ｈ基を有する固体高
分子電解質膜の表裏を各露出部が表裏で相対応する露出
部を残してそれぞれマスキングし、金属イオンを有する
溶液またはアンモニアで処理し露出した上記固体高分子
電解質膜の側鎖のプロトンを金属イオンに置換してプロ
トン絶縁部を形成し、残りの部分をプロトン伝導部とす
るものである。
分子電解質膜の表裏を各露出部が表裏で相対応する露出
部を残してそれぞれマスキングし、金属イオンを有する
溶液またはアンモニアで処理し露出した上記固体高分子
電解質膜の側鎖のプロトンを金属イオンに置換してプロ
トン絶縁部を形成し、残りの部分をプロトン伝導部とす
るものである。
【０００９】
【作用】本発明における固体高分子電解質膜は物理的に
切断、分割されていないので優れたガスシール性を維持
する。また、複数個の単電池間の電気絶縁性をプロトン
絶縁部により保っている。従来のように絶縁基板に固体
高分子電解質膜を小さく切ってはめ込む必要がなくな
り、製造及びパターンの形成が容易となり高密度化が図
れる。
切断、分割されていないので優れたガスシール性を維持
する。また、複数個の単電池間の電気絶縁性をプロトン
絶縁部により保っている。従来のように絶縁基板に固体
高分子電解質膜を小さく切ってはめ込む必要がなくな
り、製造及びパターンの形成が容易となり高密度化が図
れる。
【００１０】また、固体高分子電解質膜に例えば電極部
のみに孔をあけたパッキングを密着させて電極部のみを
プロトン置換してプロトン伝導部とし、残りをプロトン
絶縁部として製造すればよく簡便である。
のみに孔をあけたパッキングを密着させて電極部のみを
プロトン置換してプロトン伝導部とし、残りをプロトン
絶縁部として製造すればよく簡便である。
【００１１】
【実施例】実施例１．以下、本発明の一実施例を図につ
いて説明する。図１は本発明の一実施例の電気化学素子
を構成する複数のプロトン伝導部とプロトン絶縁部とが
形成された固体高分子電解質膜を示す平面図である。図
において、１０は１枚の固体高分子電解質膜、１１はこ
の固体高分子電解質膜１０に複数形成された電子は伝導
できないがプロトンは伝導し得るプロトン伝導部、１２
はプロトン伝導部周囲の電子もプロトンも電導できない
プロトン絶縁部である。プロトン伝導部は図中ａ〜ｆｆ
まで合計３２個配設されており、この表裏にそれぞれ電
極が配設され電気化学素子を形成している。
いて説明する。図１は本発明の一実施例の電気化学素子
を構成する複数のプロトン伝導部とプロトン絶縁部とが
形成された固体高分子電解質膜を示す平面図である。図
において、１０は１枚の固体高分子電解質膜、１１はこ
の固体高分子電解質膜１０に複数形成された電子は伝導
できないがプロトンは伝導し得るプロトン伝導部、１２
はプロトン伝導部周囲の電子もプロトンも電導できない
プロトン絶縁部である。プロトン伝導部は図中ａ〜ｆｆ
まで合計３２個配設されており、この表裏にそれぞれ電
極が配設され電気化学素子を形成している。
【００１２】固体高分子電解質膜１０としてはナフィオ
ン（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社商品名）や特公昭６２−５００７
５９号公報に開示された膜を用いることができる。スル
ホン酸基をもつフッ素樹脂系イオン交換膜は側鎖に −
ＳＯ3Ｍ（Ｍ：金属）の基があり、このＭイオンをプロ
トンに置換して −ＳＯ3Ｈにした場合にのみプロトン伝
導性が得られる。市販のものでは−ＳＯ3Ｍ，−ＳＯ3Ｈ
の両方のものが入手できる。ＭはＫ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｐ
ｂ，Ｍｇ，Ｃａなどの金属である。−ＳＯ3Ｍ から−Ｓ
Ｏ3Ｈ の形へのプロトン置換は例えば塩酸、硝酸、硫酸
中に浸漬することにより行うことが出来る。逆に−ＳＯ
3Ｈから−ＳＯ3ＭへはＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓ
ｏｃ．，１３３，Ｐ８８〜Ｐ９２（１９８６）に開示さ
れたような技術により上記いずれの金属イオンにも容易
に置換することができる。
ン（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社商品名）や特公昭６２−５００７
５９号公報に開示された膜を用いることができる。スル
ホン酸基をもつフッ素樹脂系イオン交換膜は側鎖に −
ＳＯ3Ｍ（Ｍ：金属）の基があり、このＭイオンをプロ
トンに置換して −ＳＯ3Ｈにした場合にのみプロトン伝
導性が得られる。市販のものでは−ＳＯ3Ｍ，−ＳＯ3Ｈ
の両方のものが入手できる。ＭはＫ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｐ
ｂ，Ｍｇ，Ｃａなどの金属である。−ＳＯ3Ｍ から−Ｓ
Ｏ3Ｈ の形へのプロトン置換は例えば塩酸、硝酸、硫酸
中に浸漬することにより行うことが出来る。逆に−ＳＯ
3Ｈから−ＳＯ3ＭへはＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓ
ｏｃ．，１３３，Ｐ８８〜Ｐ９２（１９８６）に開示さ
れたような技術により上記いずれの金属イオンにも容易
に置換することができる。
【００１３】次に、本発明の電気化学素子の製造方法に
ついてついて説明する。図２は固体高分子電解質膜１０
にプロトン伝導部とプロトン絶縁部を形成した状態を示
す断面図であり、１３は図１に示すパターン状にプロト
ン伝導部１１に相当する位置に複数の孔をあけたフッ素
系のゴム（バイトン；Ｄｕ Ｐｏｎｔ社商品名）パッキ
ングである。まず、固体高分子電解質膜１０、この実施例
では側鎖に −ＳＯ3Ｍ基を有するナフィオン１１７カリ
ウム塩型（Ｍ：Ｋ）をフッ素系のゴムパッキングで挟ん
で２４重量パーセントで９０℃の熱硫酸溶液中に３分間
浸して孔部分にプロトン伝導部１１を形成した。なお、
この際熱硫酸溶液への浸漬時間が長すぎるとプロトン絶
縁部１２として残したい部分も徐々にプロトンに置換さ
れる。プロトン絶縁部１１の層が１ｍｍ以下になると電
気絶縁性が悪くなるので温度、硫酸の濃度及び浸漬時間
について適正化をする必要がある。固体高分子電解質膜
の種類や厚さ、プロトン伝導部１１の大きさなどによっ
て適正値が変化する。次いで、脱イオン水で水洗いした
後、特開昭５７−１３４５８６号公報に開示された如き
技術を用いて高濃度白金層をプロトン伝導部１１に形成
した後、この上に白金、固体高分子電解質及びポリテト
ラフルオロエチレン樹脂を多孔質カーボンペーパーに塗
布した電極をそれぞれ配設し、１２０℃で１分間ホット
プレスして電気化学素子を作成した。各単電池を直列に
接続し、燃料室に水素、酸化剤室に酸素を供給して３２
Ｖ以上の直流電圧が得られ、各プロトン伝導部１１とプ
ロトン絶縁部１２が正常に動作していることを確認し
た。もし、この時１単電池あたり１Ｖ未満の低い電圧
（合計３２Ｖ未満）しか得られていなければ、プロトン
絶縁部１２で絶縁不良があると考えられる。実際に硫酸
への浸漬時間を１時間にした場合には低い電圧しか得ら
れなかった。
ついてついて説明する。図２は固体高分子電解質膜１０
にプロトン伝導部とプロトン絶縁部を形成した状態を示
す断面図であり、１３は図１に示すパターン状にプロト
ン伝導部１１に相当する位置に複数の孔をあけたフッ素
系のゴム（バイトン；Ｄｕ Ｐｏｎｔ社商品名）パッキ
ングである。まず、固体高分子電解質膜１０、この実施例
では側鎖に −ＳＯ3Ｍ基を有するナフィオン１１７カリ
ウム塩型（Ｍ：Ｋ）をフッ素系のゴムパッキングで挟ん
で２４重量パーセントで９０℃の熱硫酸溶液中に３分間
浸して孔部分にプロトン伝導部１１を形成した。なお、
この際熱硫酸溶液への浸漬時間が長すぎるとプロトン絶
縁部１２として残したい部分も徐々にプロトンに置換さ
れる。プロトン絶縁部１１の層が１ｍｍ以下になると電
気絶縁性が悪くなるので温度、硫酸の濃度及び浸漬時間
について適正化をする必要がある。固体高分子電解質膜
の種類や厚さ、プロトン伝導部１１の大きさなどによっ
て適正値が変化する。次いで、脱イオン水で水洗いした
後、特開昭５７−１３４５８６号公報に開示された如き
技術を用いて高濃度白金層をプロトン伝導部１１に形成
した後、この上に白金、固体高分子電解質及びポリテト
ラフルオロエチレン樹脂を多孔質カーボンペーパーに塗
布した電極をそれぞれ配設し、１２０℃で１分間ホット
プレスして電気化学素子を作成した。各単電池を直列に
接続し、燃料室に水素、酸化剤室に酸素を供給して３２
Ｖ以上の直流電圧が得られ、各プロトン伝導部１１とプ
ロトン絶縁部１２が正常に動作していることを確認し
た。もし、この時１単電池あたり１Ｖ未満の低い電圧
（合計３２Ｖ未満）しか得られていなければ、プロトン
絶縁部１２で絶縁不良があると考えられる。実際に硫酸
への浸漬時間を１時間にした場合には低い電圧しか得ら
れなかった。
【００１４】この実施例の電気化学素子は、１枚の物理
的に切断、分割されていない固体高分子電解質膜１０を
用いているので優れたガスシール性を維持できる。そし
て、複数個の単電池間の電気絶縁性をプロトン絶縁部１
２により保っている。従来のように絶縁基板に固体高分
子電解質膜を小さく切ってはめ込む必要がなく、電極部
としたい部分に孔をあけたパッキング１３を密着させて
電極部のみをプロトン置換してプロトン伝導部１１と
し、残りをプロトン絶縁部１２として残し、簡便に製造
できるとともに、パターンの形成が容易となり高密度化
が図れる。
的に切断、分割されていない固体高分子電解質膜１０を
用いているので優れたガスシール性を維持できる。そし
て、複数個の単電池間の電気絶縁性をプロトン絶縁部１
２により保っている。従来のように絶縁基板に固体高分
子電解質膜を小さく切ってはめ込む必要がなく、電極部
としたい部分に孔をあけたパッキング１３を密着させて
電極部のみをプロトン置換してプロトン伝導部１１と
し、残りをプロトン絶縁部１２として残し、簡便に製造
できるとともに、パターンの形成が容易となり高密度化
が図れる。
【００１５】なお、上記実施例では硫酸を用いたが、塩
酸、硝酸などの酸を用いてもよい。
酸、硝酸などの酸を用いてもよい。
【００１６】実施例２．図３は本発明の電気化学素子の
製造方法の他の実施例を示すもので、固体高分子電解質
膜にプロトン伝導部とプロトン絶縁部を形成した状態を
示す断面図である。１４は図１に示すようなパターンに
プロトン絶縁部１２に相当する部分を切り欠き、溝１５
を形成したフッ素系のゴムパッキングである。この実施
例では固体高分子電解質膜１０として側鎖に −ＳＯ3Ｈ
基を有するナフィオン１１７のプロトン置換膜を用い、
これをゴムパッキング１４で挟んでＫＯＨ水溶液に浸
漬、溝１５部分に形成される空間にＫＯＨ水溶液を満た
して５０℃で１時間保持し、プロトンをカリウムに置換
してプロトン絶縁部１２とし、残りの部分をプロトン伝
導部１１とした。水洗いの後、今度は図２に示すパッキ
ング１３に取り換えて、上記実施例と同様に電極を配設
し電気化学素子を作成した。そして、各単電池を直列に
接続し、燃料室に水素、酸化剤室に酸素を供給して３２
Ｖ以上の開回路電圧が得られることを確認した。この実
施例においても上記実施例と同様の効果を奏する。
製造方法の他の実施例を示すもので、固体高分子電解質
膜にプロトン伝導部とプロトン絶縁部を形成した状態を
示す断面図である。１４は図１に示すようなパターンに
プロトン絶縁部１２に相当する部分を切り欠き、溝１５
を形成したフッ素系のゴムパッキングである。この実施
例では固体高分子電解質膜１０として側鎖に −ＳＯ3Ｈ
基を有するナフィオン１１７のプロトン置換膜を用い、
これをゴムパッキング１４で挟んでＫＯＨ水溶液に浸
漬、溝１５部分に形成される空間にＫＯＨ水溶液を満た
して５０℃で１時間保持し、プロトンをカリウムに置換
してプロトン絶縁部１２とし、残りの部分をプロトン伝
導部１１とした。水洗いの後、今度は図２に示すパッキ
ング１３に取り換えて、上記実施例と同様に電極を配設
し電気化学素子を作成した。そして、各単電池を直列に
接続し、燃料室に水素、酸化剤室に酸素を供給して３２
Ｖ以上の開回路電圧が得られることを確認した。この実
施例においても上記実施例と同様の効果を奏する。
【００１７】なお、上記実施例２では金属イオンとして
カリウムを用いたが、他のものでもよく、Ｎａ、Ｍｇ、
Ｃａ、Ｐｂなど大部分の金属イオンを用いることができ
る。
カリウムを用いたが、他のものでもよく、Ｎａ、Ｍｇ、
Ｃａ、Ｐｂなど大部分の金属イオンを用いることができ
る。
【００１８】なお、上記実施例ではフッ素系のゴムパッ
キングを用いたが、フッ素系のゴムパッキングの代わり
にガラス、耐酸性の金属板やフッ素系樹脂板等を用いて
もよい。
キングを用いたが、フッ素系のゴムパッキングの代わり
にガラス、耐酸性の金属板やフッ素系樹脂板等を用いて
もよい。
【００１９】また、上記実施例では電気化学素子を燃料
電池として用いた場合について示したが、ガスセンサー
や湿度センサー、電解、オゾン発生器、除湿素子などの
様々な役割の電気化学素子であってもよく、同様の効果
を奏する。
電池として用いた場合について示したが、ガスセンサー
や湿度センサー、電解、オゾン発生器、除湿素子などの
様々な役割の電気化学素子であってもよく、同様の効果
を奏する。
【００２０】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば電気化学
素子を固体高分子電解質膜に電子は伝導できないがプロ
トンは伝導し得る複数のプロトン伝導部と、これらプロ
トン伝導部の周囲に電子もプロトンも電導できないプロ
トン絶縁部を形成し、上記プロトン伝導部の表裏にそれ
ぞれ電極を配設してなるものとしたので、ガスシール性
が改善され信頼性を向上できるとともに、生産が容易
で、高密度化が図れるという効果がある。
素子を固体高分子電解質膜に電子は伝導できないがプロ
トンは伝導し得る複数のプロトン伝導部と、これらプロ
トン伝導部の周囲に電子もプロトンも電導できないプロ
トン絶縁部を形成し、上記プロトン伝導部の表裏にそれ
ぞれ電極を配設してなるものとしたので、ガスシール性
が改善され信頼性を向上できるとともに、生産が容易
で、高密度化が図れるという効果がある。
【００２１】また、側鎖に −ＳＯ3Ｍ（Ｍは金属）基を
有する固体高分子電解質膜の電極部分に相当する側鎖の
Ｍイオンを酸で処理してプロトンに置換してプロトン伝
導部を形成し、残りの部分をプロトン絶縁部とする、あ
るいは側鎖に −ＳＯ3Ｈ基を有する固体高分子電解質膜
を金属イオンを有する溶液またはアンモニアで処理し、
絶縁部分に相当する側鎖のプロトンを金属イオンに置換
してプロトン絶縁部を形成し、残りの部分をプロトン伝
導部とすればよく簡便に製造できる。
有する固体高分子電解質膜の電極部分に相当する側鎖の
Ｍイオンを酸で処理してプロトンに置換してプロトン伝
導部を形成し、残りの部分をプロトン絶縁部とする、あ
るいは側鎖に −ＳＯ3Ｈ基を有する固体高分子電解質膜
を金属イオンを有する溶液またはアンモニアで処理し、
絶縁部分に相当する側鎖のプロトンを金属イオンに置換
してプロトン絶縁部を形成し、残りの部分をプロトン伝
導部とすればよく簡便に製造できる。
【図１】本発明の一実施例の電気化学素子を構成する固
体高分子電解質膜を示す平面図である。
体高分子電解質膜を示す平面図である。
【図２】本発明の電気化学素子の製造方法の一実施例を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図３】本発明の電気化学素子の製造方法の他の実施例
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図４】従来の電気化学素子の構成を示す断面図であ
る。
る。
１０ 固体高分子電解質膜 １１ プロトン伝導部 １２ プロトン絶縁部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜に電子は伝導できな
いがプロトンは伝導し得る複数のプロトン伝導部と、こ
れらプロトン伝導部の周囲に電子もプロトンも電導でき
ないプロトン絶縁部を形成し、上記プロトン伝導部の表
裏にそれぞれ電極を配設してなる電気化学素子。 - 【請求項２】 側鎖に −ＳＯ3Ｍ（Ｍは金属）基を有す
る固体高分子電解質膜の表裏を各露出部が表裏で相対応
する複数の露出部を残してそれぞれマスキングし、酸処
理を施し露出した上記固体高分子電解質膜の側鎖のＭイ
オンをプロトンに置換してプロトン伝導部を形成し、残
りの部分をプロトン絶縁部とした請求項１記載の電気化
学素子の製造方法。 - 【請求項３】 側鎖に −ＳＯ3Ｈ基を有する固体高分子
電解質膜の表裏を各露出部が表裏で相対応する露出部を
残してそれぞれマスキングし、金属イオンを有する溶液
またはアンモニアで処理し露出した上記固体高分子電解
質膜の側鎖のプロトンを金属イオンに置換してプロトン
絶縁部を形成し、残りの部分をプロトン伝導部とした請
求項１記載の電気化学素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3145159A JP2894378B2 (ja) | 1991-06-18 | 1991-06-18 | 電気化学素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3145159A JP2894378B2 (ja) | 1991-06-18 | 1991-06-18 | 電気化学素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH056773A JPH056773A (ja) | 1993-01-14 |
| JP2894378B2 true JP2894378B2 (ja) | 1999-05-24 |
Family
ID=15378794
Family Applications (1)
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