JP2823217B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はリン酸を電解質とする燃料電池に係り、特
に、排ガス中に含まれるリン酸による配管、装置類の腐
食、劣化を防止できるように改良を施した燃料電池に関
するものである。The present invention relates to a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte, and particularly relates to the corrosion of pipes and devices caused by phosphoric acid contained in exhaust gas. The present invention relates to a fuel cell improved so that deterioration can be prevented.
（従来の技術） 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気
的エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られて
いる。この燃料電池は、通常、電解質を含浸したマトリ
ックス層を挟んで、燃料極及び酸化剤極の一対の多孔質
電極を配置すると共に、一方の電極背面に水素等の燃料
ガスを、また、他方の電極の背面に酸化剤ガスをそれぞ
れ供給し、この時に起こる電気化学的反応を利用して上
記電極間から電気エネルギーを取り出すようにしたもの
であり、上記燃料ガスと酸化剤ガスが供給されている限
り、高い変換効率で電気エネルギーを取り出すことがで
きるものである。(Prior Art) Conventionally, a fuel cell has been known as a device for directly converting chemical energy of fuel into electric energy. In this fuel cell, usually, a pair of porous electrodes of a fuel electrode and an oxidant electrode are arranged with a matrix layer impregnated with an electrolyte interposed therebetween, and a fuel gas such as hydrogen is provided on one electrode back surface, and the other is provided with a fuel gas such as hydrogen. An oxidizing gas is supplied to the back surface of each electrode, and electric energy is extracted from between the electrodes by utilizing an electrochemical reaction occurring at this time. The fuel gas and the oxidizing gas are supplied. As long as electrical energy can be extracted with high conversion efficiency.
第３図は、リン酸を電解質とした燃料電池の素電子を
複数個積層することによって、素電池積層体を構成した
燃料電池の斜視図を示したものである。即ち、電解質で
あるリン酸を含浸したマトリックス１を挟んで、両側に
多孔質体で形成され、また触媒が付加されている一対の
リブ付き電極2a,2b（通常炭素材から成る）を配置して
単位セルが構成されている。また、この一対のリブ付き
電極2a,2bには、触媒付加面の反対側すなわち反マトリ
ックス面に、ぞれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの流通路
4a,4bが形成され、さらに、この単位セルをガス分離板
３を介して交互に複数個積層して燃料電池積層体が構成
されている。FIG. 3 is a perspective view of a fuel cell in which a unit cell stack is formed by stacking a plurality of element electrons of a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte. That is, a pair of ribbed electrodes 2a and 2b (usually made of carbon material) formed of a porous body and having a catalyst added thereto are arranged on both sides of a matrix 1 impregnated with phosphoric acid as an electrolyte. To form a unit cell. In addition, the pair of ribbed electrodes 2a and 2b have flow paths for fuel gas and oxidizing gas, respectively, on the opposite side of the catalyst-added surface, that is, on the anti-matrix surface.
4a and 4b are formed, and a plurality of the unit cells are alternately stacked via the gas separation plate 3 to form a fuel cell stack.
ところで、通常燃料電池は200℃前後で運転されてお
り、長時間にわたて運転を継続すると、電池本体から電
解質であるリン酸が気散し、その一部が配管内に付着す
る。付着したリン酸は、電池の運転停止により冷却、濃
縮されて高濃度のリン酸溶液となる。一方、配管、装置
類は、一般に軟鋼あるいはステンレス鋼等の材料で構成
されており、高温、高濃度のリン酸によって、配管、装
置類が徐々に腐食・劣化する。そこで、この様な腐食・
劣化を防止するために、電池本体から排出される排ガス
中のリン酸を除去するために、金属製ウールを充填した
リン酸除除去装置が用いられている。By the way, a fuel cell is usually operated at about 200 ° C., and if the operation is continued for a long time, phosphoric acid as an electrolyte is diffused from the cell body, and a part of the phosphoric acid adheres to the piping. The attached phosphoric acid is cooled and concentrated by stopping the operation of the battery to become a high-concentration phosphoric acid solution. On the other hand, pipes and devices are generally made of a material such as mild steel or stainless steel, and the pipes and devices gradually corrode and deteriorate due to high temperature and high concentration of phosphoric acid. Therefore, such corrosion
In order to prevent the deterioration, the phosphoric acid removing and removing apparatus filled with metal wool is used to remove the phosphoric acid in the exhaust gas discharged from the battery body.
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来から用いられているリン酸除去装
置においては、電池から排出されるリン酸を完全に除去
することは困難で、一部のリン酸はそのまま排出され、
長時間の運転によって、徐々に配管・装置類が腐食する
という欠点があった。(Problems to be Solved by the Invention) However, it is difficult to completely remove the phosphoric acid discharged from the battery with the conventionally used phosphoric acid removing device, and a part of the phosphoric acid is discharged as it is. ,
There is a drawback that piping and equipment gradually corrode due to long-term operation.
本発明は、以下の欠点を解消するために提案されたも
ので、その目的は、電池から排出される排ガス中のリン
酸を効果的に除去し、配管・装置類の腐食、劣化を確実
に防止することのできる、信頼性の高い燃料電池を提供
することにある。The present invention has been proposed in order to solve the following disadvantages. The purpose of the present invention is to effectively remove phosphoric acid in exhaust gas discharged from a battery and to surely prevent corrosion and deterioration of piping and equipment. It is to provide a highly reliable fuel cell that can be prevented.
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、電解質を含浸したマトリックスを挟んで、
燃料ガスと酸化剤ガスの流通路が形成された一対のリブ
付き電極を配置して成る単位セルを複数個積層して構成
された燃料電池において、前記燃料電池から排出される
排ガス中のリン酸を除去するリン酸除去装置と、前記リ
ン酸除去装置に設けられて前記排ガスを加湿する加湿部
と、前記リン酸除去装置内に充填されて前記加湿された
排ガスと反応可能な金属製ウールとを備えることを特徴
とする。[Configuration of the Invention] (Means for Solving the Problems) The present invention provides an electrolyte-impregnated matrix,
In a fuel cell configured by stacking a plurality of unit cells each including a pair of ribbed electrodes in which a flow path for a fuel gas and an oxidizing gas is formed, phosphoric acid contained in exhaust gas discharged from the fuel cell is used. A phosphoric acid removing device that removes, a humidifying unit provided in the phosphoric acid removing device and humidifying the exhaust gas, and a metal wool that is filled in the phosphoric acid removing device and can react with the humidified exhaust gas. It is characterized by having.
（作用） 本発明の燃料電池によれば、電池本体から排出された
排ガスを、リン酸除去装置に設けた加湿部で加湿するこ
とにより、排ガス中のガス状リン酸を、反応性の良いミ
スト状のリン酸に変化させ、金属製ウールと完全に反応
させて、除去することができる。(Function) According to the fuel cell of the present invention, the exhaust gas discharged from the cell body is humidified by the humidifying unit provided in the phosphoric acid removing device, whereby gaseous phosphoric acid in the exhaust gas is converted into mist with good reactivity. It can be changed to phosphoric acid in a form and completely reacted with metal wool to be removed.
（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図に基づい
て具体的に説明する。(Embodiment) An embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to FIGS. 1 and 2.
本実施例においては、第１図に示した様に、素電池積
層体（図示せず）の反応ガス出口側に設けられるリン酸
除去装置10には、ガス入口配管11、ガス出口配管12が接
続され、内部には金属製ウール14が充填されている。ま
た、ガス入口配管11には加湿部15が設けられ、この加湿
部15には、配管16を介して加湿装置17が接続されてい
る。In this embodiment, as shown in FIG. 1, a gas inlet pipe 11 and a gas outlet pipe 12 are provided in a phosphoric acid removing device 10 provided on a reaction gas outlet side of a unit cell stack (not shown). It is connected, and the inside is filled with metal wool 14. Further, a humidifier 15 is provided in the gas inlet pipe 11, and a humidifier 17 is connected to the humidifier 15 via a pipe 16.
なお、前記加湿装置17は、加湿するための流体を作る
装置で、例えば耐圧性の金属製容器とヒータあるいはバ
ーナ等の加熱手段から成り、水を加熱して高温・高圧の
飽和水蒸気を作るものである。また、加湿部15は、加湿
装置17で作られた飽和水蒸気と電池本体から排出された
リン酸を含む排ガスとを混合し、任意の加湿を行うもの
で、例えばエゼクター等が用いられる また、加湿量は、排ガス中の水分を20〜60％程度にす
ることが望ましく、20％以下では効果は少なく、また、
60％以上になると水分が過剰となり、例えば、金属製ウ
ールとして鉄ウールを用いた場合、ウール表面が酸化さ
れリン酸との反応性が低下する恐れがある。The humidifying device 17 is a device for producing a fluid for humidifying, for example, comprising a pressure-resistant metal container and heating means such as a heater or a burner, and heating water to produce high-temperature, high-pressure saturated steam. It is. Further, the humidifying unit 15 performs an optional humidification by mixing the saturated steam generated by the humidifying device 17 and the exhaust gas containing phosphoric acid discharged from the battery body, and for example, an ejector is used. It is desirable that the amount of water in the exhaust gas be about 20 to 60%.
If it exceeds 60%, the water content becomes excessive. For example, when iron wool is used as the metal wool, the surface of the wool may be oxidized and the reactivity with phosphoric acid may be reduced.
さらに、リン酸除去装置10内に充填される金属製ウー
ル14としては、リン酸と反応性の良い、例えば、鉄、
銅、アルミニウム、亜鉛等の金属製ウールを単独で、ま
たは数種類組合せて使用ことができる。また、金属製ウ
ール14の径は、0.01〜3mm程度のものが使用される。こ
れは、金属製ウール14の径が0.01mmより小さくなると、
高温の酸素の存在下で、金属製ウール自身が燃焼する危
険性があるためである。また、径が3mm以上になると、
金属製ウール全体の表面積が減少し、リン酸との接触面
積が減少するので、リン酸除去容量が少なくなるためで
ある。さらに、金属製ウール14の形状としては、いかな
る形状のものでも使用できるが、シート状の金属製ウー
ルが最も充填しやすく、取扱いやすい。また、これらの
充填率は、１〜10％程度が好ましい。これは、充填率が
１％以下であると、リン酸とウールとの接触が不十分と
なり、そのままリン酸が透過してしまう恐れがあり、ま
た、10％以上になると、ガスの圧力損失が大きくなり、
電池本体に悪影響を与えるためである。Further, as the metal wool 14 filled in the phosphoric acid removing device 10, good reactivity with phosphoric acid, for example, iron,
Metallic wool such as copper, aluminum, and zinc can be used alone or in combination of several kinds. The diameter of the metal wool 14 is about 0.01 to 3 mm. This is because when the diameter of the metal wool 14 becomes smaller than 0.01 mm,
This is because there is a risk that the metal wool itself will burn in the presence of high-temperature oxygen. Also, when the diameter is 3 mm or more,
This is because the surface area of the entire metal wool decreases and the contact area with phosphoric acid decreases, so that the phosphoric acid removal capacity decreases. Further, any shape can be used as the shape of the metal wool 14, but sheet-shaped metal wool is most easily filled and easy to handle. The filling ratio of these is preferably about 1 to 10%. This is because if the filling rate is 1% or less, the contact between phosphoric acid and wool becomes insufficient, and the phosphoric acid may permeate as it is. Get bigger,
This is because the battery body is adversely affected.
この様な構成を有する本実施例の燃料電池において
は、以下に述べるようにしてリン酸が除去される。即
ち、素電池積層体から排出される200℃前後のリン酸を
含む排ガスは、素電池積層体のガス出口側に配設された
リン酸除去装置10に接続されたガス入口配管11に入る。
一方、加湿装置17で作られた加湿するための流体、例え
ば、180℃、圧力約10Kg/cm2の飽和水蒸気は、配管16を
通ってガス入口配管11に設けられた加湿部15に供給され
る。ここで、例えばエゼクター等によりリン酸を含む排
ガスと飽和水蒸気とを混合することにより、加湿された
ガス状リン酸は、ミスト状リン酸に変化する。In the fuel cell of this embodiment having such a configuration, phosphoric acid is removed as described below. That is, the exhaust gas containing phosphoric acid at about 200 ° C. discharged from the unit cell stack enters the gas inlet pipe 11 connected to the phosphoric acid removing device 10 provided on the gas outlet side of the unit cell stack.
On the other hand, a fluid for humidification created by the humidifier 17, for example, saturated steam at 180 ° C. and a pressure of about 10 kg / cm 2 is supplied to the humidifier 15 provided in the gas inlet pipe 11 through the pipe 16. You. Here, for example, by mixing an exhaust gas containing phosphoric acid and saturated steam with an ejector or the like, the humidified gaseous phosphoric acid changes into mist-like phosphoric acid.
次に、加湿部15でミスト状リン酸に変化した排ガス
は、リン酸除去装置10に充填された金属製ウール14と接
触する。そして、金属製ウール14と排ガス中に含まれる
ミスト状リン酸は、高温であるために瞬間的に反応し、
リン酸はリン酸塩となって金属製ウール14の表面に蓄積
される。この様にしてリン酸が除去された排ガスは、ガ
ス出口配管12から外部に排出される。Next, the exhaust gas changed to mist-like phosphoric acid in the humidifying section 15 comes into contact with the metal wool 14 filled in the phosphoric acid removing device 10. And the mist-like phosphoric acid contained in the metal wool 14 and the exhaust gas reacts instantaneously due to the high temperature,
Phosphoric acid is stored as phosphate on the surface of the metal wool 14. The exhaust gas from which phosphoric acid has been removed in this way is discharged from the gas outlet pipe 12 to the outside.
ここで、本発明によるリン酸除去装置におけるリン酸
除去特性についての実験結果を第２図に示した。即ち、
内径100mm、長さ400mmの円筒型ステンレス容器に鉄ウー
ル（ウール径150μ）を充填率約３％となるように充填
し、電池本体から排ガスの一部を分岐し、リン酸除去装
置を通して排ガス中のリン酸除去実験を行った。なお、
リン酸除去装置は加湿したものと加湿しないもので比較
実験を行った。また、加湿は排ガス中に水分を約40％含
むように行った。Here, FIG. 2 shows the experimental results on the phosphoric acid removal characteristics of the phosphoric acid removal device according to the present invention. That is,
A cylindrical stainless steel container with an inner diameter of 100 mm and a length of 400 mm is filled with iron wool (wool diameter 150 μ) so as to have a filling rate of about 3%. Was performed. In addition,
Comparative experiments were conducted using a humidified and a non-humidified phosphoric acid removing device. Humidification was performed so that the exhaust gas contained about 40% of water.
実験終了後、鉄ウールと反応したリン酸量の分析を行
った結果、第２図（Ａ）に示した様に、加湿した場合に
は、リン酸除去装置の排ガス入口付近で、ほとんどのリ
ン酸が除去され、出口側に向かって急激に減少し、ガス
出口においては、リン酸は完全に除去されている。一
方、第２図（Ｂ）に示した加湿をしなかった場合には、
排ガス入口側で多くのリン酸が除去されているものの、
ガス出口側においてもリン酸が吸着除去されていること
がわかる。これは、従来の加湿を行わない場合には、比
較的反応の遅いガス状リン酸の影響により、ガス出口側
においてもリン酸が吸着除去されており、一部のリン酸
は除去されず、そのまま通過するものと考えられる。一
方、本発明の加湿を行った場合には、ガス状リン酸は加
湿処理によりミスト状リン酸に変化しているため、金属
製ウールと反応しやすくなり、ガス入口側で大部分が除
去されるものと考えられる。After the experiment was completed, the amount of phosphoric acid reacted with iron wool was analyzed. As shown in FIG. 2 (A), when humidified, almost all phosphorus was discharged near the exhaust gas inlet of the phosphoric acid removal device. The acid is removed and decreases sharply towards the outlet, and at the gas outlet, the phosphoric acid is completely removed. On the other hand, when the humidification shown in FIG.
Although a lot of phosphoric acid has been removed at the exhaust gas inlet side,
It can be seen that phosphoric acid is adsorbed and removed also on the gas outlet side. This is because when conventional humidification is not performed, phosphoric acid is adsorbed and removed even at the gas outlet side due to the effect of gaseous phosphoric acid that reacts relatively slowly, and some phosphoric acid is not removed, It is thought that it passes as it is. On the other hand, when the humidification of the present invention is performed, since the gaseous phosphoric acid has been changed to mist-like phosphoric acid by the humidification treatment, the gaseous phosphoric acid easily reacts with the metal wool, and most of the gaseous phosphoric acid is removed at the gas inlet side. It is considered to be.
次に、金属製ウールとして鉄ウールを用いた具体例を
示す。即ち、リン酸除去装置に、厚さ30mmのシート状の
鉄ウール（ウール径約0.2mm）を充填率約３％となるよ
うに充填した後、素電池積層体の両電極のガス出口側に
それぞれ装着した。また、加湿は200℃の飽和水蒸気で
排ガス中の水分が約40％になるように行い、約1000時間
連続運転を行った。その結果、ウールと接触後の排ガス
には、約1000時間後でも両電極共リン酸は検出されなか
った。また、圧損も数10mmAq以下で、電池には影響しな
いことが確認された。さらに、リン酸除去装置のウール
の状態を観察すると、ウール表面にリン酸鉄が白色粉末
状に生成し、ウール表面全体が均一に反応していること
が明らかであった。一方、マニホールド及びそれ以後の
排ガスの通過する配管（軟鋼製）の腐食状態を調べる
と、わずかに褐色の鉄さびが見られる程度で、リン酸に
よる腐食は見られなかった。Next, a specific example using iron wool as the metal wool will be described. That is, a sheet-like iron wool (thickness of about 0.2 mm) having a thickness of 30 mm is filled in a phosphoric acid removing device so as to have a filling rate of about 3%. Each was attached. Humidification was performed with saturated steam at 200 ° C. so that the moisture in the exhaust gas became about 40%, and continuous operation was performed for about 1000 hours. As a result, no phosphoric acid was detected in the exhaust gas after contact with the wool even after about 1000 hours. Further, it was confirmed that the pressure loss was several tens of mmAq or less, and did not affect the battery. Further, when observing the state of the wool in the phosphoric acid removing device, it was clear that iron phosphate was generated in the form of a white powder on the surface of the wool, and the entire surface of the wool was uniformly reacted. On the other hand, when examining the corrosion state of the manifold and the pipe (made of mild steel) through which the exhaust gas passes thereafter, a slight brown rust was observed, but no corrosion by phosphoric acid was observed.
この様に本実施例によれば、素電池積層体から排出さ
れるリン酸を含む排ガスを、素電池積層体のガス出口側
に配設した、加湿部を設けたリン酸除去装置と接触させ
ることにより、ガス状のリン酸を金属製ウールとの反応
性に優れたミスト状のリン酸に変化させ、リン酸の除去
効率を向上させて、マニホールド、配管、装置類の腐
食、劣化を防止することがきる。As described above, according to the present embodiment, the exhaust gas containing phosphoric acid discharged from the unit cell stack is brought into contact with the phosphoric acid removal device provided with the humidifying unit provided on the gas outlet side of the unit cell stack. This converts gaseous phosphoric acid into mist-like phosphoric acid with excellent reactivity with metal wool, improving the efficiency of phosphoric acid removal and preventing corrosion and deterioration of manifolds, piping, and equipment I can do it.
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
なく、加湿部の設置場所は、リン酸除去装置の入口側あ
るいは金属製ウール中でも良い。Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the humidifying unit may be installed at the inlet side of the phosphoric acid removing device or in metal wool.
［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、燃料電池から排出
される排ガス中のリン酸を除去するために設けられたリ
ン酸除去装置に、加湿部を設けるという簡単な手段によ
って、排ガス中のリン酸を効果的に除去し、配管・装置
類の腐食、劣化を確実に防止することのできる、信頼性
の高い燃料電池を提供することができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a simple means of providing a humidifying unit in a phosphoric acid removal device provided for removing phosphoric acid in exhaust gas discharged from a fuel cell. Accordingly, it is possible to provide a highly reliable fuel cell that can effectively remove phosphoric acid in exhaust gas and reliably prevent corrosion and deterioration of piping and devices.
第１図は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図、第
２図（Ａ）は本発明に用いられるリン酸除去装置におけ
るリン酸除去特性図、（Ｂ）は従来のリン酸除去装置に
おけるリン酸除去特性図、第３図は一般的な燃料電池積
層体の構造を示す斜視図である。 １……マトリックス、2a,2b……リブ付き電極、３……
ガス分離板、4a,4b……反応ガス流通路、10……リン酸
除去装置、11……ガス入口配管、12……ガス出口配管、
14……金属製ウール、15……加湿部、16……配管、17…
…加湿装置。FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of the fuel cell of the present invention, FIG. 2 (A) is a diagram of a phosphoric acid removal characteristic in a phosphoric acid removing device used in the present invention, and FIG. FIG. 3 is a perspective view showing the structure of a general fuel cell stack, and FIG. 1 ... Matrix, 2a, 2b ... Ribbed electrode, 3 ...
Gas separation plate, 4a, 4b… Reaction gas flow passage, 10… Phosphoric acid removal device, 11… Gas inlet piping, 12… Gas outlet piping,
14 Metal wool, 15 Humidifier, 16 Piping, 17
... humidifier.
───────────────────────────────────────────────────── 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 B01D 53/00 - 53/96──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01M 8/00-8/24 B01D 53/00-53/96
Claims (1)
燃料ガスと酸化剤ガスの流通路が形成された一対のリブ
付き電極を配置して成る単位セルを複数個積層して構成
された燃料電池において、 前記燃料電池から排出される排ガス中のリン酸を除去す
るリン酸除去装置と、 前記リン酸除去装置に設けられて前記排ガスを加湿する
加湿部と、 前記リン酸除去装置内に充填されて前記加湿された排ガ
スと反応可能な金属製ウールと、 を備えることを特徴とする燃料電池。(1) sandwiching a matrix impregnated with an electrolyte,
In a fuel cell configured by stacking a plurality of unit cells each including a pair of ribbed electrodes in which a flow path for a fuel gas and an oxidizing gas is formed, phosphoric acid contained in exhaust gas discharged from the fuel cell A phosphoric acid removing device that removes water, a humidifying unit that is provided in the phosphoric acid removing device and humidifies the exhaust gas, and a metal wool that is filled in the phosphoric acid removing device and that can react with the humidified exhaust gas. A fuel cell, comprising:
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1034908A JP2823217B2 (en) | 1989-02-16 | 1989-02-16 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1034908A JP2823217B2 (en) | 1989-02-16 | 1989-02-16 | Fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02215054A JPH02215054A (en) | 1990-08-28 |
| JP2823217B2 true JP2823217B2 (en) | 1998-11-11 |
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ID=12427298
Family Applications (1)
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| JP1034908A Expired - Lifetime JP2823217B2 (en) | 1989-02-16 | 1989-02-16 | Fuel cell |
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|---|---|---|---|---|
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-
1989
- 1989-02-16 JP JP1034908A patent/JP2823217B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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| JPH02215054A (en) | 1990-08-28 |
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