JP3236686B2 - ガス電極とその製造方法 - Google Patents
ガス電極とその製造方法Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、長寿命を有する電解用
又は電池用ガス電極とその製造方法に関し、より詳細に
は酸化雰囲気及び還元雰囲気の両雰囲気で安定して電解
を継続できる触媒金属を担持した水素ガスにより減極さ
せながら使用するガス電極及びその製造方法に関する。
又は電池用ガス電極とその製造方法に関し、より詳細に
は酸化雰囲気及び還元雰囲気の両雰囲気で安定して電解
を継続できる触媒金属を担持した水素ガスにより減極さ
せながら使用するガス電極及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】高分子固体電解質型燃料電池
や省エネルギー型電解槽の発達に伴って、これらの用途
に使用されるガス電極の開発が進められている。これら
の電極を燃料電池用として使用する場合には、カソード
における酸素還元とアノードにおける水素酸化の両者に
ガス電極が使用され，一方前記ガス電極を電解系で使用
する場合にはその殆どが酸素還元用であった。これは電
解系では陰極還元プロセスが少なく主体が陽極側の酸化
を意図したためであり、又前記酸素還元の酸素源である
酸素ガスや空気が容易に得られかつ使用できるからと推
測できる。
や省エネルギー型電解槽の発達に伴って、これらの用途
に使用されるガス電極の開発が進められている。これら
の電極を燃料電池用として使用する場合には、カソード
における酸素還元とアノードにおける水素酸化の両者に
ガス電極が使用され，一方前記ガス電極を電解系で使用
する場合にはその殆どが酸素還元用であった。これは電
解系では陰極還元プロセスが少なく主体が陽極側の酸化
を意図したためであり、又前記酸素還元の酸素源である
酸素ガスや空気が容易に得られかつ使用できるからと推
測できる。
【０００３】高分子固体電解質型燃料電池は比較的新し
い研究分野であり、常温下又は水溶液中で使用する水素
ガス酸化電極の開発はさほど進んでいない。そのため前
記水素ガス酸化電極は通常酸素ガス還元電極と共通に使
用されている。即ち白金や白金黒を導電性炭素担体上に
担持して調製した電極を使用していた。白金や白金黒の
水素酸化触媒としての能力は極めて優秀であり、高分子
固体電解質型燃料電池用に使用した場合、担持量にも影
響されるが、温度90〜100 ℃で100 A/dm2 の大電流密度
でも過電圧は200 mV程度であり、又通常の電解に使用す
る30A/dm2 程度の電流密度では過電圧は約100 mVと非常
に低い値となり、電極特性そのものは十分満足できるも
のである。
い研究分野であり、常温下又は水溶液中で使用する水素
ガス酸化電極の開発はさほど進んでいない。そのため前
記水素ガス酸化電極は通常酸素ガス還元電極と共通に使
用されている。即ち白金や白金黒を導電性炭素担体上に
担持して調製した電極を使用していた。白金や白金黒の
水素酸化触媒としての能力は極めて優秀であり、高分子
固体電解質型燃料電池用に使用した場合、担持量にも影
響されるが、温度90〜100 ℃で100 A/dm2 の大電流密度
でも過電圧は200 mV程度であり、又通常の電解に使用す
る30A/dm2 程度の電流密度では過電圧は約100 mVと非常
に低い値となり、電極特性そのものは十分満足できるも
のである。
【０００４】しかし長期の安定性の面からは必ずしも満
足できるものではない。即ち白金は前述の通り水素酸化
には有効に機能するが、還元雰囲気での安定性に欠ける
という特性があり、例えば白金るつぼを還元炎中で焼く
と極めて迅速に消耗しかつ結晶成長が促進されて粒界に
割れが生ずることは広く知られていることである。従っ
て白金に水素を供給しながら水素酸化を起こさせること
は白金が還元雰囲気に置かれることを意味し、更に白金
が還元剤として機能しやすい炭素に担持されている場合
にはその消耗が更に早くなる。このような水素酸化電極
として長期に渡り安定した状態で使用するためには、触
媒晶を多くして表面積を大きくすることが望ましいが、
表面積増大にも限度がありかつ経済性の面からも問題が
あり満足できる結果は得られていない。
足できるものではない。即ち白金は前述の通り水素酸化
には有効に機能するが、還元雰囲気での安定性に欠ける
という特性があり、例えば白金るつぼを還元炎中で焼く
と極めて迅速に消耗しかつ結晶成長が促進されて粒界に
割れが生ずることは広く知られていることである。従っ
て白金に水素を供給しながら水素酸化を起こさせること
は白金が還元雰囲気に置かれることを意味し、更に白金
が還元剤として機能しやすい炭素に担持されている場合
にはその消耗が更に早くなる。このような水素酸化電極
として長期に渡り安定した状態で使用するためには、触
媒晶を多くして表面積を大きくすることが望ましいが、
表面積増大にも限度がありかつ経済性の面からも問題が
あり満足できる結果は得られていない。
【０００５】
【発明の目的】本発明は、上述の電極の有する欠点を解
消し、長期間に渡って安定した状態で使用できる電極特
に水素ガス電極とその製造方法を提供することを目的と
する。
消し、長期間に渡って安定した状態で使用できる電極特
に水素ガス電極とその製造方法を提供することを目的と
する。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】本発明は、導電性酸化
物担体及び該担体上に分散して担持された触媒である金
粒子を含んで成ることを特徴とするガス電極であり、本
発明方法は、チタン化合物と金化合物の混合溶液に塩基
を加えて水酸化チタン及び水酸化金を共沈させてゲルを
生成し、該ゲルを成長させさた後、焼結して水酸化チタ
ン及び水酸化金を多孔質酸化チタン及び金属金に変換し
かつ該金属金を前記多孔質酸化チタン上に分散させるこ
とを特徴とするガス電極の製造方法である。以下本発明
を詳細に説明する。
物担体及び該担体上に分散して担持された触媒である金
粒子を含んで成ることを特徴とするガス電極であり、本
発明方法は、チタン化合物と金化合物の混合溶液に塩基
を加えて水酸化チタン及び水酸化金を共沈させてゲルを
生成し、該ゲルを成長させさた後、焼結して水酸化チタ
ン及び水酸化金を多孔質酸化チタン及び金属金に変換し
かつ該金属金を前記多孔質酸化チタン上に分散させるこ
とを特徴とするガス電極の製造方法である。以下本発明
を詳細に説明する。
【０００７】本発明の特徴は、従来の電極特にガス電極
の電極触媒金属として広く使用されてきた白金に代えて
金を電極触媒金属として使用した点にある。水素酸化反
応は、Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- であり、電極触媒表面は還
元雰囲気になると共に水素ガスが存在する。従来のガス
電極等の触媒金属である白金は前述の通り水素酸化能は
十分であるのに対し、還元雰囲気における安定性に欠け
ていた。本発明者らは水素酸化能と還元雰囲気における
安定性の両者を兼ね備える触媒金属を各種検討した結
果、金を見出し本発明に至ったものである。金は前記両
性能を有する反面、高価でありかつ白金黒のように少量
で高表面積状態に容易に分散させる方法が確立されてい
ない。本発明者らは、種々検討した結果、担体として酸
化チタン等の導電性酸化物セラミックスを使用しかつ金
を該酸化物上に析出させることにより高表面積の金触媒
を得ることができることを見出した。
の電極触媒金属として広く使用されてきた白金に代えて
金を電極触媒金属として使用した点にある。水素酸化反
応は、Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- であり、電極触媒表面は還
元雰囲気になると共に水素ガスが存在する。従来のガス
電極等の触媒金属である白金は前述の通り水素酸化能は
十分であるのに対し、還元雰囲気における安定性に欠け
ていた。本発明者らは水素酸化能と還元雰囲気における
安定性の両者を兼ね備える触媒金属を各種検討した結
果、金を見出し本発明に至ったものである。金は前記両
性能を有する反面、高価でありかつ白金黒のように少量
で高表面積状態に容易に分散させる方法が確立されてい
ない。本発明者らは、種々検討した結果、担体として酸
化チタン等の導電性酸化物セラミックスを使用しかつ金
を該酸化物上に析出させることにより高表面積の金触媒
を得ることができることを見出した。
【０００８】酸化チタン特にルチル型酸化チタンは酸素
の欠陥構造を作ることによりいわゆるマグネリ相酸化チ
タンを形成することができ、該マグネリ相酸化チタンは
10-2Ωcm程度の導電性を示し、更に該酸化チタンに価数
の異なるタンタルやニオブをドープすると更に高導電性
を示す。前記マグネリ相をはじめとする酸化チタンは電
気化学的に酸化雰囲気でも還元雰囲気でも極めて安定で
あり最も望ましい触媒担体の１種である。本発明の触媒
担体として使用できる導電性酸化物として酸化スズがあ
るが、この酸化スズは単独では酸化チタンより導電性が
劣り、酸化チタンを使用することが望ましい。又他の担
体として炭素があるが、高温で酸化されやすく触媒調製
や反応時の加熱を酸化又は還元雰囲気で行う必要があ
り、耐久性に劣るため本発明では使用できない。
の欠陥構造を作ることによりいわゆるマグネリ相酸化チ
タンを形成することができ、該マグネリ相酸化チタンは
10-2Ωcm程度の導電性を示し、更に該酸化チタンに価数
の異なるタンタルやニオブをドープすると更に高導電性
を示す。前記マグネリ相をはじめとする酸化チタンは電
気化学的に酸化雰囲気でも還元雰囲気でも極めて安定で
あり最も望ましい触媒担体の１種である。本発明の触媒
担体として使用できる導電性酸化物として酸化スズがあ
るが、この酸化スズは単独では酸化チタンより導電性が
劣り、酸化チタンを使用することが望ましい。又他の担
体として炭素があるが、高温で酸化されやすく触媒調製
や反応時の加熱を酸化又は還元雰囲気で行う必要があ
り、耐久性に劣るため本発明では使用できない。
【０００９】これらの導電性酸化物担体に金粒子を担持
させて本発明の高寿命電極を製造する。本発明の電極を
製造する方法は特に限定されず担体表面積に金が微細に
分散した状態で担持できる任意の方法を採用することが
できる。しかし前述の本発明方法に従って前記電極を製
造することが好ましい。次にこの本発明方法を導電性酸
化物を酸化チタンとして説明する。
させて本発明の高寿命電極を製造する。本発明の電極を
製造する方法は特に限定されず担体表面積に金が微細に
分散した状態で担持できる任意の方法を採用することが
できる。しかし前述の本発明方法に従って前記電極を製
造することが好ましい。次にこの本発明方法を導電性酸
化物を酸化チタンとして説明する。
【００１０】まず塩化チタン等のチタン化合物と塩化金
等の金化合物の混合水溶液中にアンモニア等の塩基を加
えて中和共沈させると、水酸化金を含む水酸化チタンが
当初ゾルとして最終的にはゲルとして沈降する（ゾルゲ
ル法）。この沈降物を数時間放置すると粒度が10μｍ前
後まで成長する。この成長した沈降物を焼結するとチタ
ン成分は酸化チタンに酸化され金は金属金として析出す
る。前記ゾルゲル法で生成するチタンはTiO2.nH2O 又は
Ti(OH)4.mH2O等の式で示されるように揮発成分（水分）
を多く含み、焼結によって水分が除去され多孔質にな
る。金とチタンが焼結されるこの過程で金は多孔質とな
った酸化チタン表面に微細な粒子として析出する。従っ
て極めて大きな表面積を有する担体上に微細な金粒子が
分散したものを得ることができる。
等の金化合物の混合水溶液中にアンモニア等の塩基を加
えて中和共沈させると、水酸化金を含む水酸化チタンが
当初ゾルとして最終的にはゲルとして沈降する（ゾルゲ
ル法）。この沈降物を数時間放置すると粒度が10μｍ前
後まで成長する。この成長した沈降物を焼結するとチタ
ン成分は酸化チタンに酸化され金は金属金として析出す
る。前記ゾルゲル法で生成するチタンはTiO2.nH2O 又は
Ti(OH)4.mH2O等の式で示されるように揮発成分（水分）
を多く含み、焼結によって水分が除去され多孔質にな
る。金とチタンが焼結されるこの過程で金は多孔質とな
った酸化チタン表面に微細な粒子として析出する。従っ
て極めて大きな表面積を有する担体上に微細な金粒子が
分散したものを得ることができる。
【００１１】この本発明方法の他に、予め酸化チタン単
独又は酸化チタンに酸化ニオブ及び／又は酸化タンタル
をドープした多孔質粉末を例えば前記ゾルゲル法により
調製し、この粉末に物理蒸着法や熱分解法等の既知の方
法により金を担持させてもよい。このように調製した触
媒物質は通常の電解用電極や燃料電池の電極等として使
用することができるが、燃料電池用等のガス電極として
使用することが最も好ましい。この触媒物質を使用して
ガス電極を構成するためには、導電性炭素粉末を撥水性
を与えるためのフッ素樹脂と混練してシート状に成形
し、その表面に前記触媒物質を塗布等の適宜の方法で付
着させればよい。又前記シートの代わりにイオン交換膜
を使用し、該イオン交換膜に直接前記触媒物質を焼き付
けてもよい。
独又は酸化チタンに酸化ニオブ及び／又は酸化タンタル
をドープした多孔質粉末を例えば前記ゾルゲル法により
調製し、この粉末に物理蒸着法や熱分解法等の既知の方
法により金を担持させてもよい。このように調製した触
媒物質は通常の電解用電極や燃料電池の電極等として使
用することができるが、燃料電池用等のガス電極として
使用することが最も好ましい。この触媒物質を使用して
ガス電極を構成するためには、導電性炭素粉末を撥水性
を与えるためのフッ素樹脂と混練してシート状に成形
し、その表面に前記触媒物質を塗布等の適宜の方法で付
着させればよい。又前記シートの代わりにイオン交換膜
を使用し、該イオン交換膜に直接前記触媒物質を焼き付
けてもよい。
【００１２】
【実施例】次に本発明の電解用電極の製造方法を例示す
る実施例を記載するが、本発明はこれらに限定されるも
のではない。
る実施例を記載するが、本発明はこれらに限定されるも
のではない。
【実施例１】四塩化チタンと五塩化タンタルをモル比で
10：１に混合した10％塩酸水溶液に、その10モル％に相
当する塩化金を加えた。これを攪拌しながらアンモニア
水を滴下し中和した。過剰のアンモニア水により十分沈
澱を生成した後、４時間放置した。この沈澱をガラスフ
ィルター上に取り脱イオン水で洗浄した後、空気中500
℃で１時間焼成した。これを粉砕し組成を調べたとこ
ろ、表面に微細な金の析出物を有するルチル型酸化物
（Ti-Ta) O2-x であることが判った。電気抵抗は10-2Ω
cm程度であった。
10：１に混合した10％塩酸水溶液に、その10モル％に相
当する塩化金を加えた。これを攪拌しながらアンモニア
水を滴下し中和した。過剰のアンモニア水により十分沈
澱を生成した後、４時間放置した。この沈澱をガラスフ
ィルター上に取り脱イオン水で洗浄した後、空気中500
℃で１時間焼成した。これを粉砕し組成を調べたとこ
ろ、表面に微細な金の析出物を有するルチル型酸化物
（Ti-Ta) O2-x であることが判った。電気抵抗は10-2Ω
cm程度であった。
【００１３】商品名ナフィオン117 上に予めグラファイ
ト粉末をフッ素樹脂と共に焼き付けて層を形成した陽イ
オン交換膜の前記層の表面にフッ素樹脂をバインダーと
して前記ルチル型酸化物から成る焼成体を焼き付けた。
グラファイト製の集電体を使用しかつ電解液として15％
硫酸水溶液を使用し、前記焼成体を焼き付けた陽イオン
交換膜を接液側において陽極として該イオン交換膜の焼
成体を焼き付けた側に湿潤水素を流しながら電解を行っ
た。温度60℃、電流密度100 A/dm2 における過電圧に相
当する電位は150 mVであった。又150 日電解を継続した
後の電位は160 mVであり、殆ど変化が見られなかった。
ト粉末をフッ素樹脂と共に焼き付けて層を形成した陽イ
オン交換膜の前記層の表面にフッ素樹脂をバインダーと
して前記ルチル型酸化物から成る焼成体を焼き付けた。
グラファイト製の集電体を使用しかつ電解液として15％
硫酸水溶液を使用し、前記焼成体を焼き付けた陽イオン
交換膜を接液側において陽極として該イオン交換膜の焼
成体を焼き付けた側に湿潤水素を流しながら電解を行っ
た。温度60℃、電流密度100 A/dm2 における過電圧に相
当する電位は150 mVであった。又150 日電解を継続した
後の電位は160 mVであり、殆ど変化が見られなかった。
【００１４】
【比較例１】塩化金を加えなかったこと以外は実施例１
と同一条件で陽極を調製し、同一条件で電解を行った
が、10A/dm2 程度の電流しか流すことができず、又その
電位は300 mVを示した。
と同一条件で陽極を調製し、同一条件で電解を行った
が、10A/dm2 程度の電流しか流すことができず、又その
電位は300 mVを示した。
【００１５】
【比較例２】塩化金の代わりに塩化白金酸を使用したこ
と以外は実施例１と同一条件で陽極を調製し、同一条件
で電解を行ったところ電位は200 mVであった。又150 日
電解を継続した後の電位は260 mVであり、60mVの上昇が
観察された。
と以外は実施例１と同一条件で陽極を調製し、同一条件
で電解を行ったところ電位は200 mVであった。又150 日
電解を継続した後の電位は260 mVであり、60mVの上昇が
観察された。
【００１６】
【発明の効果】本発明は、導電性酸化物担体及び該担体
上に分散して担持された触媒である金粒子を含んで成る
ことを特徴とするガス電極である。金は白金と比較して
還元雰囲気下における耐久性に優れ、水素ガス電極等の
還元雰囲気で長期間使用しても電極活性が殆ど低下する
ことがない。電極活性自体も従来の白金ガス電極とほぼ
同等であり、製造コスト自体も白金ガス電極と同等又は
それ以下に抑えることができる。
上に分散して担持された触媒である金粒子を含んで成る
ことを特徴とするガス電極である。金は白金と比較して
還元雰囲気下における耐久性に優れ、水素ガス電極等の
還元雰囲気で長期間使用しても電極活性が殆ど低下する
ことがない。電極活性自体も従来の白金ガス電極とほぼ
同等であり、製造コスト自体も白金ガス電極と同等又は
それ以下に抑えることができる。
【００１７】又導電性酸化物担体としては酸化スズ等の
他の酸化物を使用することもできるが、酸化チタンを使
用すると担体自体の耐久性が向上し、より安定な電極を
提供することができる。更に酸化チタンにタンタル、ニ
オブ及びシリコン等をドープさせると導電性が向上する
とともに耐久性も向上する。
他の酸化物を使用することもできるが、酸化チタンを使
用すると担体自体の耐久性が向上し、より安定な電極を
提供することができる。更に酸化チタンにタンタル、ニ
オブ及びシリコン等をドープさせると導電性が向上する
とともに耐久性も向上する。
【００１８】又本発明方法は、チタン化合物と金化合物
の混合溶液に塩基を加えて水酸化チタン及び水酸化金を
共沈させてゲルを生成し、該ゲルを成長させさた後、焼
結して水酸化チタン及び水酸化金を多孔質酸化チタン及
び金属金に変換しかつ該金属金を前記多孔質酸化チタン
上に分散させることを特徴とするガス電極の製造方法で
あり、本発明方法によると、水酸化チタンの焼結により
水分が除去されて多孔質酸化チタンが形成され、かつ微
細な金属金が該多孔質酸化チタン上に分散するため、高
活性で長寿命の電極を提供することができる。
の混合溶液に塩基を加えて水酸化チタン及び水酸化金を
共沈させてゲルを生成し、該ゲルを成長させさた後、焼
結して水酸化チタン及び水酸化金を多孔質酸化チタン及
び金属金に変換しかつ該金属金を前記多孔質酸化チタン
上に分散させることを特徴とするガス電極の製造方法で
あり、本発明方法によると、水酸化チタンの焼結により
水分が除去されて多孔質酸化チタンが形成され、かつ微
細な金属金が該多孔質酸化チタン上に分散するため、高
活性で長寿命の電極を提供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−129684（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−301877（ＪＰ，Ａ) 特開 昭46−3409（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−95985（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−33180（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08 C04B 41/88 H01M 4/86 H01M 4/88
Claims (4)
- 【請求項１】 導電性酸化物担体及び該担体上に分散し
て担持された触媒である金粒子を含んで成ることを特徴
とするガス電極。 - 【請求項２】 導電性酸化物担体の主成分が酸化チタン
粉末である請求項１に記載のガス電極。 - 【請求項３】 導電性酸化物担体が、タンタル、ニオブ
及びシリコンから成る群から選択される少なくとも１種
類の金属をドープした酸化チタンである請求項１に記載
のガス電極。 - 【請求項４】 チタン化合物と金化合物の混合溶液に塩
基を加えて水酸化チタン及び水酸化金を共沈させてゲル
を生成し、該ゲルを成長させさた後、焼結して水酸化チ
タン及び水酸化金を多孔質酸化チタン及び金属金に変換
しかつ該金属金を前記多孔質酸化チタン上に分散させる
ことを特徴とするガス電極の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35907792A JP3236686B2 (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | ガス電極とその製造方法 |
| CA002111882A CA2111882A1 (en) | 1992-12-25 | 1993-12-20 | Gas electrode, catalyst for gas electrode, and process for production thereof |
| FI935774A FI935774A (fi) | 1992-12-25 | 1993-12-21 | Kaasuelektrodi, katalyytti kaasuelektrodia varten ja menetelmä niiden valmistamiseksi |
| EP93830517A EP0606051A1 (en) | 1992-12-25 | 1993-12-22 | Gas electrode, catalyst for gas electrode, and process for production thereof |
| NO934754A NO934754L (no) | 1992-12-25 | 1993-12-22 | Gasselektrode og katalysator for gasselektrode samt fremgangsmåte for fremstillng av disse |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35907792A JP3236686B2 (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | ガス電極とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06192873A JPH06192873A (ja) | 1994-07-12 |
| JP3236686B2 true JP3236686B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=18462625
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35907792A Expired - Fee Related JP3236686B2 (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | ガス電極とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3236686B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3312921A4 (en) * | 2015-06-16 | 2018-05-16 | Panasonic Corporation | Cell, fuel cell stack, fuel cell system and membrane-electrode joined body |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1489200A1 (en) * | 2003-06-19 | 2004-12-22 | Akzo Nobel N.V. | Electrode |
| JP2006322056A (ja) * | 2005-05-20 | 2006-11-30 | Furuya Kinzoku:Kk | 電解用電極及びその製造方法 |
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