(57)【要約】【課題】ラジエータを持たない燃料電池発電システムであっても、貯湯タンクが満蓄熱になった後に発電停止を可能とする。【解決手段】燃料電池発電システムに、改質器２から燃料電池５までの流路を通過する気体を冷却する冷却熱交換器４と、貯湯タンク８の下部から冷却熱交換器４の低温側を経由して貯湯タンク８に戻る循環配管５２の途中に設けられた温水循環ポンプ９と、外部の水源を貯湯タンク８よりも下流側かつ冷却熱交換器４よりも上流側で循環配管５２に接続する給水配管５１と、冷却熱交換器４よりも下流側かつ貯湯タンク８よりも上流側で循環配管５２から分岐して排水制御弁１６が設けられた排水配管５３と、制御装置１１とを備える。制御装置は、燃料電池５の発電停止後のクールダウン中に、貯湯タンク８から冷却熱交換器４に供給可能な水の温度が所定温度より高いときに、排水制御弁を開いている状態に保持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原燃料から水素を生成する改質器と、
前記改質器から水素を供給されて発電する燃料電池と、
前記改質器から前記燃料電池までの流路を通過する気体を冷却する冷却熱交換器と、
外部の水源から給水される貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの下部から前記冷却熱交換器の低温側を経由して前記貯湯タンクに戻る循環配管と、
前記循環配管の途中に設けられた温水循環ポンプと、
前記冷却熱交換器よりも下流側かつ前記貯湯タンクよりも上流側で前記循環配管から分岐した排水配管と、
前記排水配管に設けられた排水制御弁と、
前記燃料電池の発電停止後のクールダウン中に前記貯湯タンクから前記冷却熱交換器に供給可能な水の温度が所定温度より高いときに前記排水制御弁を開いている状態に保持する制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記冷却熱交換器よりも下流側かつ前記貯湯タンクよりも上流側に設けられた排熱回収温度検出器をさらに有し、
前記制御装置は、前記排熱回収温度検出器が測定した温度が前記所定温度より高い基準値以上のときに前記排水制御弁を開動作させるように構成されていること特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記熱交換器の高温側の温度を検出する動作温度検出器をさらに有し、
前記制御装置は、前記動作温度検出器が測定した温度が前記所定温度より高い基準値以上のときに前記排水制御弁を開動作させるように構成されていること特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記循環配管の前記冷却熱交換器よりも下流側かつ前記貯湯タンクよりも上流側と前記循環配管の前記貯湯タンクの下流側かつ前記熱交換器よりも上流側とをバイパスさせるバイパス弁をさらに有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記循環配管の前記排水配管と前記貯湯タンクとの間に設けられた逆止機構をさらに有し、
前記制御装置は、前記排水制御弁が開いているときに前記温水循環ポンプを停止させるように構成されていること特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
炭化水素系の原燃料から水素を生成する改質器と、前記改質器から水素を供給されて発電する燃料電池と、前記改質器から前記燃料電池までの流路を通過する気体を冷却する冷却熱交換器と、外部の水源から給水される貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から前記冷却熱交換器の低温側を経由して前記貯湯タンクに戻る循環配管と、前記循環配管の途中に設けられた温水循環ポンプと、前記冷却熱交換器よりも下流側かつ前記貯湯タンクよりも上流側で前記循環配管から分岐した排水配管と、前記排水配管に設けられた排水制御弁と、を持つ燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料電池の発電停止後のクールダウン中に前記貯湯タンクから前記冷却熱交換器に供給可能な水の温度が所定温度より高いときに前記排水制御弁を開いている状態に保持する工程、
を有することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、発電停止の過程で燃料改質装置内の改質ガスを水蒸気で置換する場合がある。置換に用いた水蒸気が反応器中で凝縮すると、次回の起動時に反応触媒の割れや粉化を引き起こす可能性がある。そこで、燃料改質装置内や燃料改質装置の下流で、この水蒸気を冷却水によって積極的に凝縮させ、水を回収する。
【０００３】
ラジエータを持たない燃料電池発電システムでは、水蒸気の冷却源に、温水タンクの下部に残った冷水を用いている。このため、貯湯タンクが満蓄熱に近づいた場合には、システムの降温に必要な冷水を貯湯タンク内に確保できている範囲で発電を停止するのが一般的である。
【０００４】
たとえば特許文献１には、給湯需要が生じるまで貯湯タンクが満蓄熱になるのを遅延させるために、蓄熱温度を変化させる方法が開示されている。この方法では、貯湯タンクの満蓄熱を遅延させても熱需要が発生せず、満蓄熱が避けられないと判断した場合、貯湯タンクが完全に満蓄熱になる前に発電を停止し、貯湯タンクに残った冷水でシステムの降温を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１３３６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ラジエータを持たない燃料電池発電システムでは、貯湯タンクが完全に満蓄熱になる前に発電を停止し、貯湯タンクに残った冷水でシステムの降温を行うと、貯湯タンクの蓄熱容量を十分に活用できない。
【０００７】
そこで、本発明は、ラジエータを持たない燃料電池発電システムであっても、貯湯タンクが満蓄熱になった後に発電停止を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、炭化水素系の原燃料から水素を生成する改質器と、前記改質器から水素を供給されて発電する燃料電池と、前記改質器から前記燃料電池までの流路を通過する気体を冷却する冷却熱交換器と、外部の水源から給水される貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から前記冷却熱交換器の低温側を経由して前記貯湯タンクに戻る循環配管と、前記循環配管の途中に設けられた温水循環ポンプと、前記冷却熱交換器よりも下流側かつ前記貯湯タンクよりも上流側で前記循環配管から分岐した排水配管と、前記排水配管に設けられた排水制御弁と、前記燃料電池の発電停止後のクールダウン中に前記貯湯タンクから前記冷却熱交換器に供給可能な水の温度が第１の所定温度より高いときに前記排水制御弁を開いている状態に保持する制御装置と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、炭化水素系の原燃料から水素を生成する改質器と、前記改質器から水素を供給されて発電する燃料電池と、前記改質器から前記燃料電池までの流路を通過する気体を冷却する冷却熱交換器と、外部の水源から給水される貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から前記冷却熱交換器の低温側を経由して前記貯湯タンクに戻る循環配管と、前記循環配管の途中に設けられた温水循環ポンプと、前記冷却熱交換器よりも下流側かつ前記貯湯タンクよりも上流側で前記循環配管から分岐した排水配管と、前記排水配管に設けられた排水制御弁と、を持つ燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池の発電停止後のクールダウン中に前記貯湯タンクから前記冷却熱交換器に供給可能な水の温度が第１の所定温度より高いときに前記排水制御弁を開いている状態に保持する工程、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ラジエータを持たない燃料電池発電システムであっても、貯湯タンクが満蓄熱になった後に発電停止が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの第３の実施の形態におけるブロック図である。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムの第３の実施の形態におけるブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【００１４】
本実施の形態の燃料電池システムは、改質器２と、燃料電池５と、冷却熱交換器４と、貯湯タンク８と、循環配管５２と、温水循環ポンプ９と、給水配管５１と、排水配管５３と、制御装置１１とを有している。貯湯タンク８は、温水を貯える。
【００１５】
循環配管５２は、貯湯タンク８の下部から延びて、冷却熱交換器４の低温側を経由し、貯湯タンク８に戻る。温水循環ポンプ９は、循環配管５２の途中に設けられている。給水配管５１は、外部の水源を貯湯タンク８よりも下流側かつ冷却熱交換器４よりも上流側で循環配管５２に接続する。給水配管５１は、貯湯タンク８のたとえば下部に直接接続されていてもよい。排水配管５３は、冷却熱交換器４よりも下流側かつ貯湯タンク８よりも上流側で循環配管５２から分岐して、開放端まで延びている。排水制御弁１６は、排水配管に設けられている。
【００１６】
燃料電池５は、アノード極２４、カソード極２５を備えている。アノード極２４とカソード極２５とは、固体高分子電解質膜（図示せず）を挟んで設けられる。改質器２と燃料電池５のアノード極２４との間には、水素を含有する気体が通過する流路２６が形成されている。この流路３０は、冷却熱交換器４の高温側を通過している。
【００１７】
改質器２は、外部の燃料供給源２１と接続されている。都市ガスやプロパンなどの炭化水素系の原燃料は、ブロワ３１によって、燃料供給源２１から弁４１、脱硫器１、弁４２および熱交換器２７の低温側を通過して改質器２に送られる。脱硫器１の内部では、都市ガスなどの燃料から硫黄分が取り除かれる。
【００１８】
また、改質器２には、改質用の水蒸気が供給される。この水蒸気は、凝縮熱交換器１０に形成された液相から改質用水ポンプ３５で送出された水を蒸発器６の低温側を通過させて気化させたものである。脱硫された原燃料と水蒸気とは、たとえば熱交換器２７の上流側で混合される。
【００１９】
改質器２の内部では、触媒により原燃料と水蒸気とを用いた水蒸気改質反応が起きる。この水蒸気改質反応によって、水素リッチな改質ガスが生成される。この改質ガスは、流路３０を通過して、改質器２から燃料電池５のアノード極２４に送られる。
【００２０】
水蒸気改質反応では、水素とともに一酸化炭素が生成される。改質ガス中のＣＯ濃度は、改質ガスの流路３０の途中に設けられ、ブロワ３３で空気が供給された複合ＣＯ変成・除去器３で低減される。
【００２１】
また、改質ガスの流路３０は、複合ＣＯ変成・除去器３の上流側、内部、下流側にそれぞれ設けられた熱交換器２７，２８，２９の高温側を通過している。冷却熱交換器４は、複合ＣＯ変成・除去器３の内部に設けられている。
【００２２】
改質ガスの流路３０の複合ＣＯ変成・除去器３の上流側に設けられた熱交換器２７の低温側には原燃料と水蒸気の混合ガスが流れ、この混合ガスはこの熱交換器２７で加熱される。改質ガスの流路３０の複合ＣＯ変成・除去器３の内部に設けられた熱交換器２８の低温側には、蒸発器６で発生した水蒸気が通過し、この水蒸気はこの熱交換器２８で加熱される。改質ガスの流路３０の複合ＣＯ変成・除去器３の下流側に設けられた熱交換器２９の低温側には改質水が流れ、この改質水はこの熱交換器２９で加熱される。
【００２３】
燃料電池５では、このようにしてアノード極２４に供給された水素と、カソード極用空気ブロア３４でカソード極２５に供給された空気中の酸素とを用いて発電する。アノード極２４に送り込まれた水素ガスは、触媒層を経てプロトンＨ＋が電解質膜を通過し、カソード極用空気ブロア３４によってカソード極２５を通過する空気中の酸素および電子と結びついて水が生成される。したがって、アノード極２４は−極、カソード極２５は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷が接続されれば、本システムは電源としての機能を持つことになる。
【００２４】
また、燃料電池５には、燃料電池５を冷却するための冷却流路２６が形成されている。この冷却流路２６には、凝縮熱交換器１０の液相から冷却水ポンプ３６によって冷却水が供給される。燃料電池５は、この冷却水によって冷却される。
【００２５】
カソード極２５からの排気は凝縮熱交換器１０に送られ、電池反応で生じた水分などが凝縮される。発電に用いられずに残った水素を含有するアノード極２４の排気は、改質器２に送られる。さらに、改質器２には、ブロワ３２によって空気が供給され、アノード極２４の排気に含まれる水素は改質器２の加熱用燃料ガスとして用いられる。また、必要に応じて原燃料の一部は、弁４３を介して改質器２に送られる。この改質器６の内部での加熱によって、吸熱反応である水蒸気改質反応が維持されている。改質器２の排気は、蒸発器６の高温側を通って低温側を流れる水を蒸発させた後、凝縮熱交換器１０に送られる。
【００２６】
貯湯タンク８の下部の冷水は、温水循環ポンプ９によって送出される。温水循環ポンプ９によって送出されて循環配管５２を流れる水は、冷却熱交換器４および凝縮熱交換器１０で加熱された後、再び貯湯タンク８に貯えられる。貯湯タンク８に貯えられた温水は、外部で熱利用される。この熱利用によって貯湯タンク８から減少した量に相当する水は、外部の水源から給水配管５１を介して供給される。
【００２７】
燃料電池５が発電を停止した際には、クールダウンが行われる。このクールダウンでは、改質器２および複合ＣＯ変成・除去器３から改質ガスを蒸気でパージする。この蒸気は、改質器２から燃料電池５までの流路３０を通過する気体を冷却する冷却熱交換器４によって凝縮される。
【００２８】
貯湯タンク８が満蓄熱の場合など、貯湯タンク８から冷却熱交換器４に所定の温度以下の冷水を供給できない場合がある。そこで、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、このような場合に、排水制御弁１６を開いている状態に保持して、外部の水源から水を冷却熱交換器４に供給する。尚、ここで所定の温度以下とは貯湯タンク８に蓄えられるお湯の温度よりは低く、４３℃（例えば夏場の最も暑い時間帯に外気温で水道水からの水が配管が温められ、それが貯湯タンク８に供給された場合の温度）以下であれば良いが、水温は低いほど望ましい。
【００２９】
具体的には、制御装置１１は、燃料電池５の発電停止後のクールダウン中、排水制御弁を開いている状態に保持する。これにより冷却熱交換器４で加温された水は、排水制御弁１６から系外に排水される。これに伴って、排水制御弁１６から排出された量に相当する水は、外部の水源から給水配管５１を介して供給される。この結果、たとえば水道水など、外部の水源から供給される冷水が冷却熱交換器４に供給される。
【００３０】
これにより、冷却熱交換器４は、パージ蒸気を凝縮させることができる。この結果、改質器２や複合ＣＯ変成・除去器３内の触媒層で、パージ蒸気が凝縮することが抑制される。
【００３１】
このとき、貯湯タンク８には、水あるいは空気などは流入しないため、貯湯タンク８に貯えられた水は、循環配管５２を流れない。したがって、貯湯タンク８が満蓄熱の状態、すなわち、貯湯タンク８から冷水を供給できない状態であっても、パージ蒸気を冷却熱交換器４で凝縮させることができる。
【００３２】
このように本実施の形態では、システムのクールダウン中の冷熱源が水道水から供給されることになる。その結果、ラジエータを持たない燃料電池発電システムであるにもかかわらず、貯湯タンク８が満蓄熱になった後でもクールダウンが可能となる。
【００３３】
改質器２および複合ＣＯ変成・除去器３から改質ガスをパージしてクールダウンが終了したら、排水制御弁１６を閉じる。これにより、排水制御弁１６からの排水は停止し、外部の水源からの水の供給も停止する。排水制御弁１６からの排水量は、２００ｃｃ／ｍｉｎ〜６００ｃｃ／ｍｉｎ程度で運用される。そこで、オリフィスなどの流路絞りを排水制御弁１６に併用してもよい。
【００３４】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池発電システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【００３５】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、凝縮熱交換器１０の下流側に設けられた排熱回収温度検出器１７を有している。システムのクールダウン中に貯湯タンク８から冷たい水が供給される間は、排水制御弁１６は閉じたまま、貯湯タンク８に貯えられた水が冷却熱交換器４に供給される。冷却熱交換器４で熱を回収することによって、貯湯タンク８と冷却熱交換器４との間を循環する水の温度は上昇する。この循環する水の温度は、排熱回収温度検出器１７で測定される。
【００３６】
貯湯タンク８から冷却熱交換器４に供給可能な水の温度が上昇すると、排熱回収温度検出器１７が測定する温度が上昇する。このため、貯湯タンク８から冷却熱交換器４に供給可能な水の温度が所定温度より高くなったことは、排熱回収温度検出器１７が測定する温度がある基準値を超えたことによって把握することができる。そこで、この燃料電池発電システムでは、排熱回収温度検出器１７が測定した温度がある基準値以上となったときに、排水制御弁１６を開動作させる。この基準値は、第１の実施の形態における所定の温度よりも高い温度である。
【００３７】
これにより、貯湯タンク８から冷却熱交換器に供給可能な水の温度が所定の温度より高くなって、排熱回収温度検出器１７が測定した温度が基準値以上となったときに排水制御弁１６を開いている状態に保持する。制御装置１１が排水制御弁１６を閉動作させる温度は、基準値以下であればよいが、頻繁な排水制御弁の開閉を抑制するためには、その基準値よりある程度低い値を設定するとよい。
【００３８】
このようにして、本実施の形態では、システムのクールダウン中に必要に応じて外部の水源から冷水が供給されることになる。その結果、ラジエータを持たない燃料電池発電システムであるにもかかわらず、貯湯タンク８が満蓄熱になった後でもクールダウンが可能となる。また、システムのクールダウン中の排水制御弁１６からの排水流量を抑制できる。
【００３９】
さらに、この燃料電池発電システムでは、貯湯タンク８をバイパスさせる温水流路切替弁７およびバイパス配管５４を設けている。システムのクールダウン中に温水流路切替弁７で貯湯タンク８をバイパスし、温水循環ポンプ９により冷水を循環させる。これにより、循環配管５２およびバイパス配管５４を循環する水の温度が、冷却熱交換器４で蒸気を凝縮できる程度に低い場合には、排水制御弁１６を閉じて排水流量を抑制することができる。
【００４０】
［第３の実施の形態］
図３は、本発明に係る燃料電池発電システムの第３の実施の形態におけるブロック図である。
【００４１】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、冷却熱交換器４の作動温度を検出する動作温度検出器１８を有している。システムのクールダウン中に貯湯タンク８から冷たい水が供給される間は、排水制御弁１６は閉じたまま、貯湯タンク８に貯えられた水が冷却熱交換器４に供給される。冷却熱交換器４で熱を回収することによって、貯湯タンク８と冷却熱交換器４との間を循環する水の温度は上昇する。この循環する水の温度は、動作温度検出器１８で測定される。
【００４２】
貯湯タンク８から冷却熱交換器４に供給可能な水の温度が上昇すると、排熱回収温度検出器１７が測定する温度が上昇する。このため、貯湯タンク８から冷却熱交換器４に供給可能な水の温度が所定温度より高くなったことは、動作温度検出器１８が測定する温度がある基準値を超えたことによって把握することができる。そこで、この燃料電池発電システムでは、動作温度検出器１８が測定した温度がある基準値以上となったときに、排水制御弁１６を開動作させる。この基準値は、第１の実施の形態における所定の温度よりも高い温度である。
【００４３】
これにより、貯湯タンク８から冷却熱交換器に供給可能な水の温度が所定の温度より高くなって、動作温度検出器１８が測定した温度が基準値以上となったときに排水制御弁１６を開いている状態に保持する。制御装置１１が排水制御弁１６を閉動作させる温度は、基準値以下であればよいが、頻繁な排水制御弁の開閉を抑制するためには、基準値よりある程度低い値を設定するとよい。
【００４４】
このようにして、本実施の形態では、システムのクールダウン中に必要に応じて外部の水源から冷水が供給されることになる。その結果、ラジエータを持たない燃料電池発電システムであるにもかかわらず、貯湯タンク８が満蓄熱になった後でもクールダウンが可能となる。また、システムのクールダウン中の排水制御弁１６からの排水流量を抑制できる。
【００４５】
さらに、この燃料電池発電システムでは、貯湯タンク８をバイパスさせる温水流路切替弁７およびバイパス配管５４を設けている。システムのクールダウン中に温水流路切替弁７で貯湯タンク８をバイパスし、温水循環ポンプ９により冷水を循環させる。これにより、循環配管５２およびバイパス配管５４を循環する水の温度が、冷却熱交換器４で蒸気を凝縮できる程度に低い場合には、排水制御弁１６を閉じて排水流量を抑制することができる。
【００４６】
［第４の実施の形態］
図４は、本発明に係る燃料電池発電システムの第３の実施の形態におけるブロック図である。
【００４７】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、凝縮熱交換器１０の下流側に排熱回収温度検出器１７を設けている。この燃料電池発電システムでは、排熱回収温度検出器１７が測定した温度が第２の所定の温度以上となったときに、排水制御弁１６を開動作させる。これにより、貯湯タンク８から冷却熱交換器に供給可能な水の温度が第１の所定温度より高くなって、排熱回収温度検出器１７が測定した温度が第２の所定温度以上となったときに排水制御弁１６を開いている状態に保持する。制御装置１１が排水制御弁１６を閉動作させる温度は、第２の所定温度以下であればよいが、頻繁な排水制御弁の開閉を抑制するためには、第２の所定温度よりある程度低い値を設定するとよい。
【００４８】
本実施の形態では、システムのクールダウン中に必要に応じて外部の水源から冷水が供給されることになる。その結果、ラジエータを持たない燃料電池発電システムであるにもかかわらず、貯湯タンク８が満蓄熱になった後でもクールダウンが可能となる。また、システムのクールダウン中の排水制御弁１６からの排水流量を抑制できる。
【００４９】
さらに、本実施の形態の燃料電池発電システムは、排水配管５３と貯湯タンク８との間に設けられた逆止機構１９を有している。このため、貯湯タンク８と循環配管５２との間の系に、外部の水源の水圧がかかっても、水が逆流することがない。このため、システムのクールダウン中に排水制御弁１６を開動作させると、温水循環ポンプ９を動作させなくても冷水が冷却熱交換器４に導入される。これにより、システムのクールダウン中に温水循環ポンプ９を動作させる必要がなくなり、エネルギーの消費が抑制される。
【００５０】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００５１】
１…脱硫器、２…改質器、３…複合ＣＯ変成・除去器、４…冷却熱交換器、５…燃料電池、６…蒸発器、７…温水流路切替弁、８…貯湯タンク、９…温水循環ポンプ、１０…凝縮熱交換器、１１…制御装置、１６…排水制御弁、１７…排熱回収温度検出器、１８…動作温度検出器、１９…逆止機構、２１…燃料供給源、２４…アノード極、２５…カソード極、２６…冷却流路、２７…熱交換器、２８…熱交換器、２９…熱交換器、３１…ブロワ、３２…ブロワ、３３…ブロワ、３４…カソード極用空気ブロア、３５…改質用水ポンプ、３６…冷却水ポンプ、４１…弁、４２…弁、４３…弁、５１…給水配管、５２…循環配管、５３…排水配管、５４…バイパス配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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