(57)【要約】【課題】セパレータの同一の位置に電流取り出し端子を設けることができ、前記セパレータの種類が増加することを阻止するとともに、コネクタ同士を可及的に近接して配設することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層されるとともに、積層方向両端に第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂが配設される。燃料電池１２を構成する第２セパレータ２４には、電圧測定端子４８が設けられるとともに、前記電圧測定端子４８には、上下に２つの接続部５０ａ、５０ｂが設けられる。互いに隣接する電圧測定端子４８には、コネクタ５６が接続部５０ａと５０ｂとに交互に接続されることにより、前記コネクタ５６は、積層方向に沿って互いに千鳥状に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、複数積層される燃料電池スタックであって、
前記セパレータには、外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられるとともに、
単一の前記電流取り出し端子には、複数のコネクタが、前記単位セルの積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続可能な複数の接続部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記電流取り出し端子は、前記セパレータの側部から外方に突出して形成されるとともに、
前記電流取り出し端子には、前記側部に沿う幅方向に複数の前記接続部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記電流取り出し端子は、前記セパレータの側部から外方に突出して形成されるとともに、
前記電流取り出し端子には、突出方向に沿う長さ方向に複数の前記接続部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、互いに隣接する前記電流取り出し端子には、前記コネクタが、前記積層方向に沿って互いに千鳥状に接続されることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、複数積層される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池は、例えば、車載用として所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的には、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図１３に示すように、複数のセパレータ１、２及び３が積層されるとともに、積層方向両端には、端子板４ａ、４ｂ、絶縁板５ａ、５ｂ及びプレッシャプレート６ａ、６ｂが配設されている。セパレータ１には、電圧測定用端子７ａが設けられる一方、セパレータ２には、電圧測定用端子７ｂが設けられている。
【０００５】
セパレータ２の電圧測定用端子７ｂは、セパレータ１の電圧測定用端子７ａと同じ端部に且つ下方にずれて設けられている。すなわち、隣接している電圧測定用端子７ａ、７ｂが接触してショートしないように、燃料電池スタックに組み立てられたときに、互いに上下に離れるようになっている。さらに、電圧測定用端子７ａ、７ｂには、電圧測定用コード８の一端が接続されるとともに、前記電圧測定用コード８の他端は、ワンタッチコネクタ９に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２２３１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の燃料電池スタックでは、セパレータ１、２及び３の厚さを肉薄化することが望まれており、電圧測定用端子７ａ、７ｂ同士の隙間が相当に狭くなり易い。従って、電圧測定用端子７ａ、７ｂを互いにオフセットして配置する必要があり、セパレータ１、２では、それぞれの構成が異なっている。これにより、セパレータの種類が増加してしまい、経済的ではないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の課題を解決するものであり、セパレータの同一の位置に電流取り出し端子を設けることができ、前記セパレータの種類が増加することを阻止するとともに、前記電流取り出し端子に接続されるコネクタ同士を可及的に近接して配設することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、複数積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１０】
セパレータには、外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられるとともに、単一の前記電流取り出し端子には、複数のコネクタが、単位セルの積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続可能な複数の接続部が設けられている。
【００１１】
また、電流取り出し端子は、セパレータの側部から外方に突出して形成されるとともに、前記電流取り出し端子には、前記側部に沿う幅方向に複数の接続部が設けられることが好ましい。
【００１２】
さらに、電流取り出し端子は、セパレータの側部から外方に突出して形成されるとともに、前記電流取り出し端子には、突出方向に沿う長さ方向に複数の接続部が設けられることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、この燃料電池スタックは、互いに隣接する電流取り出し端子には、コネクタが、積層方向に沿って互いに千鳥状に接続されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、単一の電流取り出し端子が、複数のコネクタを接続可能な複数の接続部を設けているため、互いに隣接する前記コネクタを、単位セルの積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして、すなわち、千鳥状に配設させることができる。従って、コネクタの配置スペースを良好に確保することが可能になり、前記コネクタ同士を可及的に近接して配設することができる。
【００１５】
しかも、セパレータの同一の位置に電流取り出し端子を設けるだけでよく、前記セパレータの種類が増加することを有効に阻止し、燃料電池スタックを経済的に構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する電圧測定端子及びコネクタの接続状態の説明図である。
【図４】前記電圧測定端子及び前記コネクタの側面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する電圧測定端子及びコネクタの接続状態の説明図である。
【図７】前記電圧測定端子及び前記コネクタの側面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池モジュールとバイパス回路の説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池モジュールとディスチャージ回路の説明図である。
【図１３】特許文献１の燃料電池スタックの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池（単位セル）１２が矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層される。燃料電池１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向他端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。
【００１８】
第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとは、複数のタイロッド１９を介して積層方向に締め付け荷重が付与される。なお、タイロッド１９に代えて、箱状のケーシング等を用いることができる。
【００１９】
図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００２０】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、重力方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。
【００２３】
第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。
【００２４】
第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。
【００２５】
互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。
【００２６】
第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０が、一体的に又は個別に設けられる。
【００２７】
第１及び第２シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２８】
電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４５とを備える。
【００２９】
カソード側電極４４及びアノード側電極４５は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。
【００３０】
燃料電池１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一側部には、凹部４６が形成されるとともに、例えば、第２セパレータ２４には、前記凹部４６に突出して電圧測定端子（電流取り出し端子）４８が設けられる。電圧測定端子４８には、後述する複数、例えば、２つのコネクタ５６が同時に接続可能な２つの接続部５０ａ、５０ｂが上下に設定される（図２及び図３参照）。
【００３１】
図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの上部側には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド５２ａと、燃料ガス入口連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド５４ａとが設けられる。第１エンドプレート１８ａの下部側には、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド５２ｂと、燃料ガス出口連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド５４ｂとが設けられる。
【００３２】
第２エンドプレート１８ｂには、図示しないが、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口マニホールドと、冷却媒体出口連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールドとが設けられる。
【００３３】
各燃料電池１２を構成する第２セパレータ２４の電圧測定端子４８には、コネクタ５６が前記燃料電池１２の積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続される。コネクタ５６は、ケーブル５８を介して電圧測定装置（ＥＣＵ）６０に接続される。
【００３４】
図３及び図４に示すように、コネクタ５６は、電圧測定端子４８の接続部５０ａ、５０ｂに交互に接続される接続端子部６２を有する。互いに隣接する電圧測定端子４８には、接続部５０ａと接続部５０ｂとにコネクタ５６が交互に接続されることにより、前記コネクタ５６は、矢印Ａ方向に千鳥状に配設される。
【００３５】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
先ず、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス入口マニホールド５２ａから酸化剤ガス入口連通孔２６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド５４ａから燃料ガス入口連通孔２８ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、第２エンドプレート１８ｂの冷却媒体入口マニホールドから冷却媒体入口連通孔３０ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３７】
このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。
【００３８】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４５に供給される。
【００３９】
従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４５に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４０】
次いで、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出され、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス出口マニホールド５２ｂに排出される（図１参照）。
【００４１】
一方、アノード側電極４５に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出され、第１エンドプレート１８ａの燃料ガス出口マニホールド５４ｂに排出される。
【００４２】
また、冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３０ｂから第２エンドプレート１８ｂに排出される。
【００４３】
この場合、第１の実施形態では、単一の電圧測定端子４８が、複数の、例えば、２つのコネクタ５６を接続可能な２つの接続部５０ａ、５０ｂを幅方向（矢印Ｃ方向）に設けている。このため、互いに隣接するコネクタ５６は、燃料電池１２の積層方向に交差する方向（矢印Ｃ方向）に互いに位置をずらして、すなわち、千鳥状に配設させることができる（図３参照）。
【００４４】
従って、コネクタ５６の配置スペースを良好に確保することが可能になり、特に、燃料電池１２が薄肉状に構成される際にも、前記コネクタ５６同士を可及的に近接して配設することができる。
【００４５】
しかも、第２セパレータ２４の同一の位置に、同一の形状の電圧測定端子４８を設けるだけでよい。これにより、互いに隣接する燃料電池１２の各第２セパレータ２４同士は、電圧測定端子４８の接続部５０ａ又は５０ｂに接続されるコネクタ５６を介して電気的に接続される。このため、第２セパレータ２４の種類が増加することを有効に阻止し、燃料電池スタック１０を経済的に構成することが可能になるという効果が得られる。
【００４６】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の斜視説明図である。
【００４７】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
燃料電池スタック８０は、電圧測定端子８２を設けるとともに、前記電圧測定端子８２は、突出方向（矢印Ｂ方向）に沿う長さ方向に複数、例えば、２つの接続部８４ａ、８４ｂを設ける。互いに隣接する電圧測定端子８２には、コネクタ５６が接続部８４ａと８４ｂとに交互に接続されており、前記コネクタ５６は、積層方向に沿って互いに千鳥状に接続される（図６及び図７参照）。
【００４９】
従って、第２の実施形態では、単一の電圧測定端子８２に、２つのコネクタ５６を接続可能な２つの接続部８４ａ、８４ｂが設けられている。これにより、セパレータの種類が増加することがなく、燃料電池スタック８０を経済的に構成することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５０】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０の斜視説明図である。
【００５１】
燃料電池スタック９０は、複数の燃料電池１２を重力方向に沿って積層するとともに、積層方向両端には、第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとが配設される。第２エンドプレート１８ｂは、上端部に配置されており、図示していないが、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の出入口は、第１エンドプレート１８ａ側に集中して設けられる。
【００５２】
第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとは、複数本の金属製連結部材９２にねじ９４を介して固定される。各燃料電池１２の一方の短辺側（又は長辺側）には、電圧測定端子４８（又は８２）が形成され、前記電圧測定端子４８には、コネクタ５６が鉛直方向に向かって千鳥状に配設される。
【００５３】
これにより、第３の実施形態では、燃料電池１２の薄肉化が容易に図られるとともに、セパレータの種類が増加することを有効に阻止し、燃料電池スタック９０を小型且つ経済的に構成することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５４】
第１〜第３の実施形態では、電流取り出し端子として電圧測定端子４８、８２を用いて説明したが、これに限定されるものではない。
【００５５】
図９に示す本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層されるとともに、所定数の前記燃料電池１２が直列に接続された燃料電池モジュール１０２を構成する。なお、燃料電池モジュール１０２は、単一の燃料電池１２であってもよい。
【００５６】
各燃料電池モジュール１０２の積層方向両端には、電流取り出し端子１０４ａ、１０４ｂが設けられ、前記電流取り出し端子１０４ａ、１０４ｂにバイパス回路１０６のコネクタ（図示せず）が接続される。各バイパス回路１０６は、第１〜第３の実施形態と同様に、燃料電池１２の積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続される。
【００５７】
バイパス回路１０６には、ダイオード１０８が設けられる。このダイオード１０８は、図１０に示すように、アノード側がアノード側電極４５に接続されるとともに、カソード側がカソード側電極４４に接続される。ダイオード１０８は、燃料電池モジュール１０２が正常である際に逆方向バイアス状態になる一方、前記燃料電池モジュール１０２に異常が発生した際に順方向バイアス状態になるように設定される。
【００５８】
このように構成される第４の実施形態では、燃料電池１２のいずれかに故障が発生した場合、この燃料電池１２を含む燃料電池モジュール１０２に並列接続されたダイオード１０８が順バイアス状態になり、前記ダイオード１０８に電流が流れる（図１０参照）。
【００５９】
図１１に示す本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層されるとともに、所定数の前記燃料電池１２が直列に接続された燃料電池モジュール１１２を構成する。なお、燃料電池モジュール１１２は、単一の燃料電池１２であってもよい。
【００６０】
各燃料電池モジュール１１２の積層方向両端には、電流取り出し端子１１４ａ、１１４ｂが設けられ、前記電流取り出し端子１１４ａ、１１４ｂにディスチャージ回路１１６のコネクタ（図示せず）が接続される。各ディスチャージ回路１１６は、第１〜第４の実施形態と同様に、燃料電池１２の積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続される。
【００６１】
ディスチャージ回路１１６には、ダイオード１１８が設けられる。このダイオード１１８は、図１２に示すように、アノード側がカソード側電極に接続されるとともに、カソード側がアノード側電極４５に接続される。
【００６２】
このように構成される第５の実施形態では、燃料電池スタック１１０の停止時に、燃料電池１２内に残存するガス（特に燃料ガス）を消費させるために、ダイオード１１８が設けられている。従って、運転停止時には、図１２に示すように、各ディスチャージ回路１１６内で、矢印に示すようにダイオード１１８に電流が流れる。これにより、燃料電池モジュール１１２のディスチャージが遂行され、前記燃料電池モジュール１１２に残存するガスが消費される。
【符号の説明】
【００６３】
１０、８０、９０、１００、１１０…燃料電池スタック
１２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート      ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ              ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔          ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔          ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路                  ３６…冷却媒体流路
４２…固体高分子電解質膜            ４４…カソード側電極
４５…アノード側電極                ４８、８２…電圧測定端子
５０ａ、５０ｂ、８４ａ、８４ｂ…接続部
５６…コネクタ                      ５８…ケーブル
６０…電圧測定装置                  ６２…接続端子部
１０２、１１２…燃料電池モジュール
１０４ａ、１０４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…電流取り出し端子
１０６…バイパス回路                １０８、１１８…ダイオード
１１６…ディスチャージ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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