JP2932533B2 - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、新規な構成より成る燃料電池及びその製造
方法に関する。
方法に関する。
従来、燃料電池としては、特公昭62−4833号公報や特
公昭62−4834号公報に示されるような、マニホールド型
の燃料電池が知られており、これらは、集電と燃料と空
気の隔離を兼ねるセパレータを有している。このセパレ
ータは通常、カーボンブロックを切削して作成され、燃
料極や空気極との接触抵抗を下げて集電性を高めるため
に、加圧してある。
公昭62−4834号公報に示されるような、マニホールド型
の燃料電池が知られており、これらは、集電と燃料と空
気の隔離を兼ねるセパレータを有している。このセパレ
ータは通常、カーボンブロックを切削して作成され、燃
料極や空気極との接触抵抗を下げて集電性を高めるため
に、加圧してある。
しかし、このセパレータは重くて割れやすいという問
題点を有していた。
題点を有していた。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、集電構
成を簡素化することを目的としている。
成を簡素化することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明においては、互い
に対向する一方の面と他方の面とを有したイオン交換膜
と、該イオン交換膜の前記一方の面に設けられ、該面で
燃料と接触する燃料極と、前記イオン交換膜の前記他方
の面に設けられ、該面で酸素と接触する酸化剤極と、を
具備し、前記燃料極及び前記酸化剤極は、繊維方向が一
方向に揃えられたカーボン長繊維と少なくとも触媒とを
含むものから構成されており、前記燃料極及び前記酸化
剤極の前記カーボン長繊維の繊維方向が一方向に揃えら
れた端部に出力端子を接続することを特徴とした。
に対向する一方の面と他方の面とを有したイオン交換膜
と、該イオン交換膜の前記一方の面に設けられ、該面で
燃料と接触する燃料極と、前記イオン交換膜の前記他方
の面に設けられ、該面で酸素と接触する酸化剤極と、を
具備し、前記燃料極及び前記酸化剤極は、繊維方向が一
方向に揃えられたカーボン長繊維と少なくとも触媒とを
含むものから構成されており、前記燃料極及び前記酸化
剤極の前記カーボン長繊維の繊維方向が一方向に揃えら
れた端部に出力端子を接続することを特徴とした。
〔作用〕 上記構成とした本発明においては、燃料極及び酸化剤
極の抵抗値が繊維方向を不規則に配置した場合に比べて
相対的に小さくできる。
極の抵抗値が繊維方向を不規則に配置した場合に比べて
相対的に小さくできる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
第1図は本実施例の発電セルの製造工程を示す図であ
る。第1図(a)に示すように、イオン交換膜1として
全フッ素イオノマーであるナフィオンN−117(デュポ
ン社の商品名,化学式は m=5〜13.5,n1000,z=1,2,3,…)を用意した後、第
1図(b)に示す工程では、空気圧3〜5kg/cm2のエア
ガンを用いてガラスビーズ(新東ブレータ製GB−AD)に
より、片面約20〜30秒,サンドブラスト処理を行なう。
その後、イオン交換水にて水洗浄を行ない、イオン交換
膜1の表面に残ったガラス片を落とした後、イソプロピ
ルアルコールを用いて乾燥時の大きさの約1.3倍になる
まで膨潤させる。一方、第1図(c)に示す工程では、
ケッチェンブラック等の多孔質炭素粉を担体として白金
等の触媒を担持したカーボン粉3と、ナフィオンN−11
7が5wt%のナフィオン溶液5とを、ナフィオンN−117
とカーボン考案3との重量比を約1:2として混練し、ペ
ースト7とする。また、第1図(d)に示す工程では、
酸化剤極又は燃料極として使用する繊維方向が一方向に
揃えられたカーボン長繊維(黒鉛質)9を99%硫酸中で
2時間以上浸せき処理の後、第1図(e)に示す工程で
は、発電セルの出力端子11を形成するために導電性のカ
ーボン長繊維9の一端にニッケルメッキ(無電解メッ
キ)を施す。次に、第1図(f)に示す工程では、第1
図(b)の工程で得られたイオン交換膜1の周囲を、作
業性を良くするために、プラスチック製の枠13で固定し
た後、第1図(c)の工程で得られたペースト7を1.5m
g/cm2の割合で、イオン交換膜1の両面に均一に塗布す
る。また、第1図(g)に示す工程では、第1図(e)
に示す工程で得られたカーボン長繊維9に、第1図
(c)の工程で得られたペースト7を3.3mg/cm2の割合
で、ヘラを用いて浸透するように均一に塗布する。この
とき、カーボン長繊維9は、線径約10μmのものを幅/c
mにつき38000本±30%に並べる。第1図(h)に示す工
程では、第1図(f)に示す工程で得られたものと、第
1図(g)に示す工程で得られたものとを、ペースト7
を介して接合した後、室温中で乾燥させて、枠13を取り
除き、発電部を約60℃の3mol/の硫酸水中に約4時間
浸透させると、第1図(i)に示す発電セル15が完成す
る。
る。第1図(a)に示すように、イオン交換膜1として
全フッ素イオノマーであるナフィオンN−117(デュポ
ン社の商品名,化学式は m=5〜13.5,n1000,z=1,2,3,…)を用意した後、第
1図(b)に示す工程では、空気圧3〜5kg/cm2のエア
ガンを用いてガラスビーズ(新東ブレータ製GB−AD)に
より、片面約20〜30秒,サンドブラスト処理を行なう。
その後、イオン交換水にて水洗浄を行ない、イオン交換
膜1の表面に残ったガラス片を落とした後、イソプロピ
ルアルコールを用いて乾燥時の大きさの約1.3倍になる
まで膨潤させる。一方、第1図(c)に示す工程では、
ケッチェンブラック等の多孔質炭素粉を担体として白金
等の触媒を担持したカーボン粉3と、ナフィオンN−11
7が5wt%のナフィオン溶液5とを、ナフィオンN−117
とカーボン考案3との重量比を約1:2として混練し、ペ
ースト7とする。また、第1図(d)に示す工程では、
酸化剤極又は燃料極として使用する繊維方向が一方向に
揃えられたカーボン長繊維(黒鉛質)9を99%硫酸中で
2時間以上浸せき処理の後、第1図(e)に示す工程で
は、発電セルの出力端子11を形成するために導電性のカ
ーボン長繊維9の一端にニッケルメッキ(無電解メッ
キ)を施す。次に、第1図(f)に示す工程では、第1
図(b)の工程で得られたイオン交換膜1の周囲を、作
業性を良くするために、プラスチック製の枠13で固定し
た後、第1図(c)の工程で得られたペースト7を1.5m
g/cm2の割合で、イオン交換膜1の両面に均一に塗布す
る。また、第1図(g)に示す工程では、第1図(e)
に示す工程で得られたカーボン長繊維9に、第1図
(c)の工程で得られたペースト7を3.3mg/cm2の割合
で、ヘラを用いて浸透するように均一に塗布する。この
とき、カーボン長繊維9は、線径約10μmのものを幅/c
mにつき38000本±30%に並べる。第1図(h)に示す工
程では、第1図(f)に示す工程で得られたものと、第
1図(g)に示す工程で得られたものとを、ペースト7
を介して接合した後、室温中で乾燥させて、枠13を取り
除き、発電部を約60℃の3mol/の硫酸水中に約4時間
浸透させると、第1図(i)に示す発電セル15が完成す
る。
尚、本実施例において、第1図(c)に示す工程でペ
ースト7を作製する際には、カーボン粉3とナフィオン
溶液5に加えてポリフロン(ダイキン工業株式会社製,
登録商標)を混合してもよい。また、第1図(h)に示
す工程において、室温中で乾燥させた後、圧力30〜40kg
f/cm2,温度90〜120℃,20分の条件でホットプレスを行
ない密着性を向上させた後で60℃の3mol/の硫酸水中
に約4時間浸透させるようにしてもよい。
ースト7を作製する際には、カーボン粉3とナフィオン
溶液5に加えてポリフロン(ダイキン工業株式会社製,
登録商標)を混合してもよい。また、第1図(h)に示
す工程において、室温中で乾燥させた後、圧力30〜40kg
f/cm2,温度90〜120℃,20分の条件でホットプレスを行
ない密着性を向上させた後で60℃の3mol/の硫酸水中
に約4時間浸透させるようにしてもよい。
本実施例によって得られた燃料極又は酸化剤極での斜
視断面図を第8図に示す。第18図中、矢印で示す繊維方
向と集電方向が一致するように出力端子11を設けてあ
り、この結果、集電方向に対して繊維の向きが不規則な
もの(比較例と呼ぶ)と較べて集電性が向上する。これ
を示したものが第19図であり、点線は比較例を、実線は
本実施例によるものの特性を示す。尚、本実施例の燃料
極又は酸化剤極9の抵抗値は10-4(Ω・cm)であり、比
較例のほぼ1/10の値である。
視断面図を第8図に示す。第18図中、矢印で示す繊維方
向と集電方向が一致するように出力端子11を設けてあ
り、この結果、集電方向に対して繊維の向きが不規則な
もの(比較例と呼ぶ)と較べて集電性が向上する。これ
を示したものが第19図であり、点線は比較例を、実線は
本実施例によるものの特性を示す。尚、本実施例の燃料
極又は酸化剤極9の抵抗値は10-4(Ω・cm)であり、比
較例のほぼ1/10の値である。
また、カーボン長繊維を一方向に並べると、発電セル
15に供給及び排出されるガスのガス交換性も向上する。
すなわち、本実施例の燃料極及び酸化剤極9の断面は第
20図に示すように山と谷があり、繊維方向(集電方向)
と直角な方向(第20図における矢印F)にガスが流れる
ように配置するとガスの乱流が発生してガス交換が容易
となり、出力が向上する。これを示したものが第21図で
あり、点線は山と谷を有しない平坦な比較例を、実線は
本実施例によるものの特性を示す。
15に供給及び排出されるガスのガス交換性も向上する。
すなわち、本実施例の燃料極及び酸化剤極9の断面は第
20図に示すように山と谷があり、繊維方向(集電方向)
と直角な方向(第20図における矢印F)にガスが流れる
ように配置するとガスの乱流が発生してガス交換が容易
となり、出力が向上する。これを示したものが第21図で
あり、点線は山と谷を有しない平坦な比較例を、実線は
本実施例によるものの特性を示す。
尚、本実施例においては、触媒として白金を使用した
が、これに限らず、チトクロムC3等の酵素を代りに使用
してもよい。
が、これに限らず、チトクロムC3等の酵素を代りに使用
してもよい。
以上説明したように、本実施例によれば、燃料極と酸
化剤極にカーボン長繊維を使用し、その繊維方向を集電
方向に揃えて出力端子を設けているため、セパレータ
(カーボンブロック等)による加圧固定がなくても効率
よく集電できる。
化剤極にカーボン長繊維を使用し、その繊維方向を集電
方向に揃えて出力端子を設けているため、セパレータ
(カーボンブロック等)による加圧固定がなくても効率
よく集電できる。
次に、上記発電セルの製造工程の結果得られた発電セ
ル15を用いた燃料電池を第2図乃至第10図を用いて説明
する。第2図は、上記発電セルの製造工程の結果得られ
た発電セル15を樹脂製の枠17に4個接着固定した発電パ
ネル19の平面図である。21は銅等の導電線金属よりなる
円柱状のスタッドであり、出力端子11と半田付けにより
電気的に接続されている。23,24はスタッド21な電気的
に接続するための金属板であり、銅線25により金属板23
は負極側出力端子27に、金属板24は正極側出力端子29に
接続されていて、負極側出力端子27と正極側出力端子29
間は電気的に直列に接続されている。第3図は第2図の
左側面図、第4図は第2図の正面図、第5図は第2図の
右側面図、第6図は第4図のA部の詳細な断面図、第7
図は発電パネル19の構成を示す部分断面図である。31
は、燃料極としてのカーボン長繊維9を有するイオン導
電性基体であり、前記発電セルの製造工程において、カ
ーボン長繊維9とともにペースト7を乾燥させたもので
ある。33は、酸化剤極としてのカーボン長繊維9を有す
るイオン導電性基体であり、前記発電セルの製造工程に
おいてカーボン長繊維9とともにペースト7を乾燥させ
たものである。第6図において、35は半田であり、出力
端子11とスタッド21を電気的に接続している。第8図
は、発電パネル19を使用した燃料電池の全体を示す部分
破断斜視図であり、第9図は第8図のB−B断面図であ
る。樹脂製のケース37は、枠17と一体的に形成されてお
り、隔離板39が挿入固定されている。この隔離板39は樹
脂製であるが、燃料とするメタノールガスを漏れないよ
うにするためのものであるため、繊維強化ゴムシート
等、他のものでもよい。ガス透過膜41は発電に必要な空
気中の酸素を燃料電池内部に取り入れるための小孔を有
する膜であり、ミクロテックス(日東電工製,登録商
標)等のフッ素繊維よりなる不織布である。ガス透過膜
41の内側には、第10図に示すように形状を保つための構
造材としてのプラスチック網43が図示しないネジによっ
てネジ穴44で固定されている。樹脂製の固定用ネット45
には燃料としての固形メタノール47が取り付けられてお
り、固定用ネット45の上部は軟質プラスチック製のカセ
ット蓋49に挿入固定されている。カセット蓋49は凹状の
溝51と取手53を有していて、固定用ネット45と固形メタ
ノール47と共に、ケース37の上部開口部からケース37内
に挿入して、溝51とケース37が嵌合して固定される。固
形メタノール47は、燃料空間55内がメタノールの蒸気分
圧に達するまで蒸発し、このメタノール蒸気はイオン導
電性基体31中に含まれる触媒金属によって、 CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2 という反応を起こす。この6H+はイオン交換膜1を透過
して、イオン導電性基体33へ移動し、6e-は負極出力端
子27から図示しない外部負荷を通じて正極側出力端子29
へ移動し、イオン導電性基体33内のカーボン長繊維9に
達すると空気中の酸素と触媒金属によってイオン導電性
基体33内では、 という反応が起き、発電が行われる。
ル15を用いた燃料電池を第2図乃至第10図を用いて説明
する。第2図は、上記発電セルの製造工程の結果得られ
た発電セル15を樹脂製の枠17に4個接着固定した発電パ
ネル19の平面図である。21は銅等の導電線金属よりなる
円柱状のスタッドであり、出力端子11と半田付けにより
電気的に接続されている。23,24はスタッド21な電気的
に接続するための金属板であり、銅線25により金属板23
は負極側出力端子27に、金属板24は正極側出力端子29に
接続されていて、負極側出力端子27と正極側出力端子29
間は電気的に直列に接続されている。第3図は第2図の
左側面図、第4図は第2図の正面図、第5図は第2図の
右側面図、第6図は第4図のA部の詳細な断面図、第7
図は発電パネル19の構成を示す部分断面図である。31
は、燃料極としてのカーボン長繊維9を有するイオン導
電性基体であり、前記発電セルの製造工程において、カ
ーボン長繊維9とともにペースト7を乾燥させたもので
ある。33は、酸化剤極としてのカーボン長繊維9を有す
るイオン導電性基体であり、前記発電セルの製造工程に
おいてカーボン長繊維9とともにペースト7を乾燥させ
たものである。第6図において、35は半田であり、出力
端子11とスタッド21を電気的に接続している。第8図
は、発電パネル19を使用した燃料電池の全体を示す部分
破断斜視図であり、第9図は第8図のB−B断面図であ
る。樹脂製のケース37は、枠17と一体的に形成されてお
り、隔離板39が挿入固定されている。この隔離板39は樹
脂製であるが、燃料とするメタノールガスを漏れないよ
うにするためのものであるため、繊維強化ゴムシート
等、他のものでもよい。ガス透過膜41は発電に必要な空
気中の酸素を燃料電池内部に取り入れるための小孔を有
する膜であり、ミクロテックス(日東電工製,登録商
標)等のフッ素繊維よりなる不織布である。ガス透過膜
41の内側には、第10図に示すように形状を保つための構
造材としてのプラスチック網43が図示しないネジによっ
てネジ穴44で固定されている。樹脂製の固定用ネット45
には燃料としての固形メタノール47が取り付けられてお
り、固定用ネット45の上部は軟質プラスチック製のカセ
ット蓋49に挿入固定されている。カセット蓋49は凹状の
溝51と取手53を有していて、固定用ネット45と固形メタ
ノール47と共に、ケース37の上部開口部からケース37内
に挿入して、溝51とケース37が嵌合して固定される。固
形メタノール47は、燃料空間55内がメタノールの蒸気分
圧に達するまで蒸発し、このメタノール蒸気はイオン導
電性基体31中に含まれる触媒金属によって、 CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2 という反応を起こす。この6H+はイオン交換膜1を透過
して、イオン導電性基体33へ移動し、6e-は負極出力端
子27から図示しない外部負荷を通じて正極側出力端子29
へ移動し、イオン導電性基体33内のカーボン長繊維9に
達すると空気中の酸素と触媒金属によってイオン導電性
基体33内では、 という反応が起き、発電が行われる。
尚、本実施例においては、第2図に示すようにカーボ
ン長繊維9の端部におけるニッケルメッキ11の部分は束
ねてスタッド21に半田付けしたが、これに限られず、第
11図に示すようにカーボン長繊維9の両端は束ねずに棒
状のスタッド60に半田35により接続するようにしてもよ
い。また、第12図に示すようにスタッド62は発電セル15
の全周にわたるようにしてもよい。また、第11図,第12
図に示したものにおいて、カーボン長繊維9を縦と横に
公差させたものを用いた例を第13図と第14図に示す。
ン長繊維9の端部におけるニッケルメッキ11の部分は束
ねてスタッド21に半田付けしたが、これに限られず、第
11図に示すようにカーボン長繊維9の両端は束ねずに棒
状のスタッド60に半田35により接続するようにしてもよ
い。また、第12図に示すようにスタッド62は発電セル15
の全周にわたるようにしてもよい。また、第11図,第12
図に示したものにおいて、カーボン長繊維9を縦と横に
公差させたものを用いた例を第13図と第14図に示す。
また、発電パネル19の変形例を第15図乃至第17図に示
す。第15図は本変形例の平面図、第16図は第15図のC−
C断面図、第17図は第16図のE部詳細図であり、64は出
力端子に集電するための金属製のスタッドで、66は負極
側出力端子、68は正極側出力端子であり、燃料ガスが酸
化剤極側に侵入しないようにするためのシール材70の内
部をカーボン長繊維9を通して電気的に接続している。
す。第15図は本変形例の平面図、第16図は第15図のC−
C断面図、第17図は第16図のE部詳細図であり、64は出
力端子に集電するための金属製のスタッドで、66は負極
側出力端子、68は正極側出力端子であり、燃料ガスが酸
化剤極側に侵入しないようにするためのシール材70の内
部をカーボン長繊維9を通して電気的に接続している。
以上説明したように、本発明によれば燃料極及び酸化
剤極の抵抗値が繊維方向を不規則に配置した場合に比べ
て相対的に小さくでき、その結果集電性が向上するもの
であり、従って従来のセパレータのように各極との接触
抵抗を下げて集電性を高めるために該セパレータを各極
に加圧配置するという手法を採用する必要がないという
優れた効果を奏する。
剤極の抵抗値が繊維方向を不規則に配置した場合に比べ
て相対的に小さくでき、その結果集電性が向上するもの
であり、従って従来のセパレータのように各極との接触
抵抗を下げて集電性を高めるために該セパレータを各極
に加圧配置するという手法を採用する必要がないという
優れた効果を奏する。
第1図(a)〜(i)は本発明に係る発電セルの製造工
程を示す工程図、第2図は発電パネルを示す平面図、第
3図は第2図の左側面図、第4図は第2図の正面図、第
5図は第2図の右側面図、第6図は第4図のA部詳細
図、第7図は蒸気発電パネルの構成を示す部分断面図、
第8図は燃料電池全体を示す部分破断斜視図、第9図は
第8図のB−B断面図、第10図は上記実施例におけるプ
ラスチック網の斜視図、第11図乃至第14図は他の実施例
を示す平面図、第15図は前記上記実施例の発電パネルの
変形例を示す平面図、第16図は第15図のC−C断面図、
第17図は第16図のE部詳細図、第18図は上記実施例の燃
料極又は酸化剤極の斜視断面図、第19図は正を一方向に
揃えた効果を示す特性図、第20図は上記実施例の燃料極
又は酸化剤極の断面図、第21図は繊維方向と直角な方向
にガスを流した際の効果を示す特性図である。 1……イオン交換膜,7……ペースト,9……酸化剤極,燃
料極,19……発電セル,31,33……イオン導電正基体,37…
…ケース,41……ガス透過膜,47……燃料。
程を示す工程図、第2図は発電パネルを示す平面図、第
3図は第2図の左側面図、第4図は第2図の正面図、第
5図は第2図の右側面図、第6図は第4図のA部詳細
図、第7図は蒸気発電パネルの構成を示す部分断面図、
第8図は燃料電池全体を示す部分破断斜視図、第9図は
第8図のB−B断面図、第10図は上記実施例におけるプ
ラスチック網の斜視図、第11図乃至第14図は他の実施例
を示す平面図、第15図は前記上記実施例の発電パネルの
変形例を示す平面図、第16図は第15図のC−C断面図、
第17図は第16図のE部詳細図、第18図は上記実施例の燃
料極又は酸化剤極の斜視断面図、第19図は正を一方向に
揃えた効果を示す特性図、第20図は上記実施例の燃料極
又は酸化剤極の断面図、第21図は繊維方向と直角な方向
にガスを流した際の効果を示す特性図である。 1……イオン交換膜,7……ペースト,9……酸化剤極,燃
料極,19……発電セル,31,33……イオン導電正基体,37…
…ケース,41……ガス透過膜,47……燃料。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金原 賢治 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 西川 佳弘 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−170161(JP,A) 特公 昭45−14219(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/86 - 4/98 H01M 8/00 - 8/24
Claims (1)
- 【請求項1】互いに対向する一方の面と他方の面とを有
したイオン交換膜と、該イオン交換膜の前記一方の面に
設けられ、該面で燃料と接触する燃料極と、前記イオン
交換膜の前記他方の面に設けられ、該面で酸素と接触す
る酸化剤極と、を具備し、前記燃料極及び前記酸化剤極
は、繊維方向が一方向に揃えられたカーボン長繊維と少
なくとも触媒とを含むものから構成されており、前記燃
料極及び前記酸化剤極の前記カーボン長繊維の繊維方向
が一方向に揃えられた端部に出力端子を接続することを
特徴とした燃料電池。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP1282395A JP2932533B2 (ja) | 1989-10-30 | 1989-10-30 | 燃料電池及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1282395A JP2932533B2 (ja) | 1989-10-30 | 1989-10-30 | 燃料電池及びその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03145062A JPH03145062A (ja) | 1991-06-20 |
JP2932533B2 true JP2932533B2 (ja) | 1999-08-09 |
Family
ID=17651850
Family Applications (1)
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JP1282395A Expired - Fee Related JP2932533B2 (ja) | 1989-10-30 | 1989-10-30 | 燃料電池及びその製造方法 |
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JP (1) | JP2932533B2 (ja) |
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WO2008044682A1 (fr) * | 2006-10-11 | 2008-04-17 | Kurita Water Industries Ltd. | Système de batterie de pile à combustible de type méthanol direct et équipement électronique portable |
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-
1989
- 1989-10-30 JP JP1282395A patent/JP2932533B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH03145062A (ja) | 1991-06-20 |
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