(57)【要約】【課題】  燃料電池の上流側において、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路に設けられた開閉弁の作動状態を検出できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  アノード１２に水素ガスが、カソード１３に加湿空気が、それぞれ供給されることで発電する燃料電池１０と、アノード１２に供給される水素ガスが流通する水素ガス供給流路と、カソード１３に供給される加湿空気が流通する加湿空気供給流路と、水素ガス供給流路と加湿空気供給流路とを連結する連結流路と、連結流路に設けられた開閉弁４２と、水素センサ３２と、を備え、水素センサ３２は、開閉弁４２からカソード１３側であって燃料電池１０の上流側の配管３１ａに位置し、その対極であるアノード１２に供給される水素ガスを検出可能な種類のセンサである燃料電池システム１Ａである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料ガスが、カソードに酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記アノードに供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、
前記カソードに供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路と前記酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路と、
前記連結流路に設けられた開閉弁と、
ガス検出手段と、を備え、
前記ガス検出手段は、前記開閉弁から、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方側に位置し、その対極に供給されるガスを検出可能な種類のセンサであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス検出手段は、前記燃料電池より上流側に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池自動車などの電源として、単セルが複数積層してなる燃料電池スタック（燃料電池）の開発が盛んである。燃料電池は発電すると、主としてカソード（空気極）側で水が生成する。生成した水の一部は単セルを構成する固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）内を拡散し、アノード（燃料極）側に透過する。また、前記電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿した空気（酸化剤ガス）をカソード側に供給する方法などが一般に採用されている。
【０００３】
このように、発電により生成した水や加湿により、燃料電池内を流通するガスの含水量は高くなっている。したがって、ガスの温度が低下すると、ガスに含まれていた水が凝縮する。ゆえに、燃料電池が冬季や寒冷地で使用された場合などであって、燃料電池を停止した後に氷点下に曝されると、燃料電池内が凍結してしまう場合がある。
【０００４】
そこで、燃料電池内の凍結を防止するために、燃料電池の上流側において、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路を設けると共に、この連結流路に開閉弁を設け、燃料電池の停止時などに開閉弁を開き、コンプレッサから燃料電池のアノードおよびカソードの両方に掃気ガス（非加湿の空気）を供給することで、燃料電池内を掃気する技術が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、燃料電池の掃気とは、掃気ガスにより、発電により生成した水などを燃料電池外に押し出すことであり、空気パージとも称されている。
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（段落番号００１２〜００３３、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池の通常発電時において、前記開閉弁が閉まっていない等により、例えば、水素ガスが燃料電池のカソードに供給されてしまうと、燃料電池の出力が低下するため、前記開閉弁が良好に作動しているか否かを検出する要望がある。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池の上流側において、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路に設けられた開閉弁の作動状態を検出できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、アノードに燃料ガスが、カソードに酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記アノードに供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、前記カソードに供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路と前記酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路と、前記連結流路に設けられた開閉弁と、ガス検出手段と、を備え、前記ガス検出手段は、前記開閉弁から、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方側に位置し、その対極に供給されるガスを検出可能な種類のセンサであることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
このような燃料電池システムによれば、例えば、後記する実施形態に記載にするように、ガス検出手段が水素センサであって、この水素センサが開閉弁からカソード側に位置し、カソードと対極であるアノードに供給される水素ガスを検出するセンサである場合において（図１参照）、開閉弁に弁を閉じるように閉指令が送られているにも関わらず、水素センサによって、水素ガスが検出された場合、開閉弁が良好に作動していない、つまり、良好に閉まっておらず、開閉弁は故障していると作動状態を検出することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記ガス検出手段は、前記燃料電池より上流側（燃料ガス、酸化剤ガスの供給側）に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、開閉弁を通り抜けたガスが燃料電池によって希釈等されない前に、ガス検出手段によって検出することができる。これにより、開閉弁の作動状態を良好に検出することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の上流側において、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路に設けられた開閉弁の作動状態を検出できる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について、図１および図２を適宜参照して説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムに設定されたフローチャートである。
【００１３】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであって、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード１２に水素ガス（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０のカソード１３に加湿空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系３０と、燃料電池１０の上流側でアノード系２０とカソード系３０とを連結し、燃料電池１０の掃気時に掃気ガス（非加湿の空気）をカソード系３０からアノード系２０のアノード側に導入する掃気ガス導入系４０（連結系）と、これらを制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、制御装置）と、を主に備えている。なお、燃料電池１０の掃気時とは、燃料電池１０の発電停止時や発電開始時である。すなわち、燃料電池自動車の場合、燃料電池１０の掃気時とは、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）のＯＮ時やＯＦＦ時である。
【００１４】
＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜１１の両面をアノード１２（燃料極）およびカソード１３（空気極）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）と、ＭＥＡを挟持するセパレータとからなる単セルが、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜１１の全面に水素ガス、加湿空気をそれぞれ供給するための溝や、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されている。そして、アノード１２に水素ガスが、カソード１３に加湿空気が供給されると、前記膜電極接合体において電位差が発生し、燃料電池１０の出力端子に接続した走行モータなどの外部負荷からの電力要求に応じて、燃料電池１０が発電するようになっている。
【００１５】
＜アノード系＞
アノード系２０は、燃料電池１０のアノード１２に水素ガスを供給・排出する系である。以下、アノード系２０の水素ガス供給側、水素ガス排出側の順で説明する。
【００１６】
＜アノード系−水素供給側＞
アノード系２０の水素供給側は、下流側（燃料電池１０側）に向かって、水素ガスが貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３とを主に備えている。水素タンク２１は、配管２１ａを介して遮断弁２２に接続しており、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続している。そして、エゼクタ２３は、配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード１２に通じる燃料供給口１２ａに接続している。配管２２ａには、図示しない減圧弁が設けられている。遮断弁２２は、後記するＥＣＵ５０の制御部５１と電気的に接続しており、制御部５１は遮断弁２２を所望に開／閉するようになっている。
したがって、遮断弁２２を開くと、水素タンク２１から、水素ガスが所定に減圧された後、燃料電池１０のアノード１２に供給されるようになっている。
なお、本実施形態において、アノード１２に供給される水素ガスが流通する水素ガス供給流路（燃料ガス供給流路）は、配管２１ａと、遮断弁２２と、配管２２ａと、エゼクタ２３と、配管２３ａとによって構成されている（燃料ガス供給流路手段）。
【００１７】
＜アノード系−水素排出側＞
アノード系２０の水素排出側は、気液分離器２４と、水素パージ弁２５（掃気弁）と、未反応の水素ガスを希釈する希釈器２６とを主に備えている。
【００１８】
気液分離器２４（キャッチタンク）は、燃料電池１０のアノード１２から排出されたガス（以下、アノードオフガス）を気液分離し、アノードオフガス中の水を除去するための機器である。気液分離器２４は、燃料電池１０のアノード１２に通じる燃料排出口１２ｂの下流側に、配管２４ａを介して接続している。
また、気液分離器２４は、冷媒が流通する冷媒配管（図示しない）などを備えており、配管２４ａを介して、内部に導入されたアノードオフガスを所定に冷却し、未反応の水素ガスと水とに気液分離するようになっている。ただし、気液分離器２４の気液分離方式はこれに限定されず、例えば遠心力により分離する方式であってもよい。
【００１９】
気液分離器２４の下流側は、配管２４ｂを介してエゼクタ２３と、配管２４ｃを介して希釈器２６とに、それぞれ接続している。配管２４ｂは、分離された未反応の水素ガスをエゼクタ２３に戻し、水素ガスが循環するように、気液分離器２４の適所（上壁など）に設けられている。配管２４ｃは、分離された水（液体）が排出されるように、気液分離器２４の適所（底壁など）に設けられている。配管２４ｃには、開閉弁２８が設けられており、開閉弁２８を適宜に開閉することで、気液分離器２４に溜まった水がドレン水として希釈器２６に送られるようになっている。
【００２０】
水素パージ弁２５は開閉弁であり、その上流側は、配管２５ａを介して、配管２４ｂの途中位置に接続している。水素パージ弁２５の下流側は、配管２５ｂを介して、希釈器２６に接続している。水素パージ弁２５は、循環する水素ガス中の不純物（水や窒素ガス）の量が高くなった時（水素パージ時）や、カソード系３０からアノード系２０に掃気ガスを導入し燃料電池１０内を掃気する掃気時に、開かれる。
【００２１】
希釈器２６（希釈ボックス）は、内部に希釈空間を有する機器であり、水素パージ弁２５が開かれる水素パージ時などに、配管２５ｂから供給される未反応の水素ガスを含むアノードオフガスを希釈するようになっている。希釈器２６の上流側は、配管２５ｂの他、配管２４ｃと、配管３１ｂとに接続している。
希釈器２６の下流側には、希釈された水素ガスや、気液分離器２４により分離され希釈器２６に導入された水を含むドレン水を、外部に排出する配管２６ａが、適所に設けられている。
【００２２】
＜カソード系＞
カソード系３０は、燃料電池１０のカソード１３に加湿空気（掃気時は非加湿空気）を供給・排出する系であり、コンプレッサ３１（ポンプ）と、水素センサ３２（ガス検出手段）と、を主に備えている。
【００２３】
＜カソード系−空気供給側＞
カソード系３０の空気供給側について説明すると、コンプレッサ３１は、外気を取り込み、圧縮し、カソード１３に送る機器である。コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、燃料電池１０のカソード１３に通じる空気供給口１３ａに接続している。また、配管３１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池１０の通常発電時は、空気を加湿可能となっている。
なお、本実施形態において、カソード１３に供給される加湿空気（酸化剤ガス）が流通する加湿空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）は、配管３１ａによって構成されている（酸化剤ガス供給流路手段）。
【００２４】
水素センサ３２は、アノード１２（対極）に供給される水素ガスを検出する種類のセンサである。水素センサ３２は、開閉弁４２から見て、カソード１３側の配管３１ａ上に設けられており、配管３１ａ内の実際の水素ガス濃度（以下、実測水素ガス濃度）を検出するようになっている。また、水素センサ３２は、配管３１ａと後記する掃気ガス導入系４０の配管４１との連結点Ｊより下流側であって、燃料電池１０より上流側に位置している。
これにより、水素センサ３２が、開閉弁４２を通り抜け、燃料電池１０に流れ込む前の水素ガスを検出するようになっている。すなわち、開閉弁４２を通過した直後の水素ガスが速やかに検出される。
【００２５】
＜カソード系−空気排出側＞
カソード系３０の空気排出側について説明すると、燃料電池１０のカソード１３に連通する空気排出口１３ｂは、配管３１ｂを介して、希釈器２６に接続している。これにより、空気排出口１３ｂから排出されたカソードオフガス（通常発電時は加湿空気＋生成した水、掃気時は掃気ガス＋押し出された水）が、配管３１ｂを介して希釈器２６に供給されるようになっている。
また、配管３１ｂには、背圧弁（図示しない）が設けられており、その背圧を調整することで、燃料電池１０におけるアノード１２側の水素ガスの圧力と、カソード１３側の空気の圧力とをバランスさせるようになっている。これにより、電解質膜１１の寿命は延ばされる。
【００２６】
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系４０（連結系）は、配管２３ａと配管３１ａとを接続する配管４１（燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路）と、配管４１に設けられた開閉弁４２とを備えている（掃気ガス導入手段）。そして、開閉弁４２は、制御部５１と電気的に接続しており、制御部５１は開閉弁４２を開／閉するようになっている。なお、燃料電池１０の通常発電時、開閉弁４２は閉じられ、配管４１内のガスの流通が遮断される。一方、燃料電池１０の掃気時、開閉弁４２は開かれ、カソード系３０からアノード系２０に掃気ガス（非加湿の空気）が導入される。
【００２７】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、制御部５１（制御手段、故障判定部）と、制御データ記憶部５２（故障判定データ記憶部）とを備えており、これらはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路、各種記憶媒体などから構成されている。
【００２８】
［制御部］
制御部５１は、遮断弁２２と、コンプレッサ３１と、開閉弁４２と電気的に接続しており、これらを所望に制御するようになっている。制御部５１は、水素センサ３２と電気的に接続しており、水素センサ３２による実測水素ガス濃度を監視している。また、制御部５１は、後記する警告ランプ６１と電気的に接続しており、警告ランプ６１を適宜にＯＮ／ＯＦＦするようなっている。さらに、制御部５１は、燃料電池自動車のＩＧＳＷと接続しており、ＩＧＳＷのＯＮ／ＯＦＦに連動するようになっている。
【００２９】
［制御部−故障判定機能］
制御部５１は、開閉弁４２が故障しているか否かを判定する故障判定機能を有している（図２、Ｓ１０１）。具体的に説明すると、燃料電池１０の通常発電時において、開閉弁４２に閉指令を発している場合において、水素センサ３２による実測水素ガス濃度と、制御データ記憶部５２の所定水素ガス濃度とを比較して、「実測水素ガス濃度＞所定水素ガス濃度」のとき、開閉弁４２を通り抜けて、アノード系２０からカソード系３０に水素ガスが流れており、開閉弁４２が故障していると判定するようになっている（図２、Ｓ１０１・Ｙｅｓ）。
【００３０】
［制御データ記憶部］
制御データ記憶部５２には、予備実験などにより求められた所定水素ガス濃度が記憶されている。所定水素ガス濃度とは、開閉弁４２に閉指令が送られている場合において、開閉弁４２が故障しているか否かと判定するため、基準となる水素ガス濃度である。制御データ記憶部５２は、制御部５１と電気的に接続しており、制御部５１は、所定水素ガス濃度を適宜参照可能となっている。
【００３１】
＜その他＞
その他、燃料電池システム１Ａは、インストルメントパネルに設けられた警告ランプ６１を備えている。警告ランプ６１は、制御部５１と電気的に接続しており、制御部５１は警告ランプ６１を適宜にＯＮ／ＯＦＦするようになっている。
【００３２】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図１に加えて図２を参照して、制御部５１に設定されたフローチャートと共に、燃料電池システム１Ａの燃料電池１０の通常発電時における動作について説明する。なお、制御部５１は、図２に示すフローチャートの各ステップの処理を繰り返して行っている。
ここで、燃料電池１０の通常発電時、燃料電池自動車のＩＧＳＷはＯＮされ、燃料電池システム１Ａは起動している。また、この通常発電時において、遮断弁２２は開かれ、水素タンク２１からアノード１２に水素ガスが送られると共に、コンプレッサ３１は作動し、この作動するコンプレッサ３１からカソード１３に加湿空気が送られている。一方、制御部５１は、開閉弁４２に閉指令を送っている。さらに、ここでは、通常発電時において、アノード１２に供給される水素ガスの圧力が、カソード１３に供給される加湿空気の圧力より高い場合について説明する。
【００３３】
ステップＳ１０１において、制御部５１は、開閉弁４２が故障しているか否かを判定する。
具体的には、制御部５１は、水素センサ３２が検出した実測水素濃度と、制御データ記憶部５２に記憶された所定水素濃度とを比較して、「実測水素ガス濃度＞所定水素ガス濃度」の場合、開閉弁４２が故障していると判定し（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。
一方、「実測水素ガス濃度≦所定水素ガス濃度」の場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、処理はリターンに進んだ後、スタートに戻る。
【００３４】
＜開閉弁の故障による処理＞
ステップＳ１０２において、制御部５１は、警告ランプ６１をＯＮする。これにより、燃料電池自動車の運転者が、開閉弁４２が故障していることを視認することができる。
これと共に、制御部５１は、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１をＯＦＦし、燃料電池システム１Ａを停止させる。これにより、開閉弁４２を通り抜けた水素ガスがカソード１３に供給された状態での燃料電池１０の発電が停止する。すなわち、電解質膜１１の両側に水素ガスが存在する状況下での燃料電池１０の発電は停止され、電解質膜１１などの劣化は防止される。
【００３５】
その後、処理はリターンに進み、スタートに戻る。この後、例えば、開閉弁４２がメンテナンスされ正常となった場合、ステップＳ１０１の判定はＮｏとなり、燃料電池１０は良好に発電し続ける。
【００３６】
このように本実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池１０の通常発電時において、開閉弁４２の故障を検出できると共に、故障が検出された場合、燃料電池１０を発電停止させることにより、電解質膜１１などのデバイスを保護することができる。
【００３７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００３８】
前記した実施形態では、燃料電池１０の通常発電時に、アノード１２に供給される水素ガスの圧力が、カソード１３に供給される加湿空気の圧力より高い燃料電池システム１Ａの場合について説明したが、カソード１３に供給される加湿空気の圧力が、アノード１２に供給される水素ガスの圧力より高い燃料電池システム１Ｂの場合、水素センサ３２に代えて、図３に示すように、開閉弁４２から見てアノード１２側の配管２３ａに酸素センサ２７（ガス検出手段）を設け、カソード系３０から開閉弁４２を通り抜けて、アノード系２０に流れ込んだ空気中の実際の酸素ガス濃度（以下、実測酸素ガス濃度）を検出する構成とする。なお、酸素ガスは、言うまでもなくアノード１２の対極であるカソード１３に供給されるべきガスであり、酸素センサ２７は、酸素ガスを検出する種類のセンサである。
【００３９】
この場合において、制御データ記憶部５２には、前記した所定水素ガス濃度に代えて、所定酸素ガス濃度を記憶させる。そして、制御部５１には、図４に示すように、通常発電時において、実測酸素ガス濃度と所定酸素ガス濃度とを比較し、「実測酸素ガス濃度＞所定酸素ガス濃度」の場合（図４、Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、開閉弁４２が故障していると判定するように設定する。
【００４０】
また、このように開閉弁４２からアノード１２側の配管２３ａに酸素センサ２７を設けた場合、燃料電池１０の掃気時に、制御部５１は開閉弁４２に開指令を送っているにも関わらず、酸素センサ２７により酸素ガスが検出されないとき、制御部５１は開閉弁４２が故障していると判定できる。これにより、燃料電池１０のアノード１２の未掃気を防止することができる。
【００４１】
この他、酸素センサ２７と水素センサ３２を両方設けると共に、アノード系２０の配管２３ａとカソード系３０の配管３１ａとに圧力センサをそれぞれ設け、「アノード系２０の圧力＞カソード系３０の圧力」の場合に水素センサ３２に基づく判定を優先させ、「アノード系２０の圧力＜カソード系３０の圧力」の場合に酸素センサ２７に基づく判定を優先させる構成としてもよい。
【００４２】
前記した実施形態では、水素センサ３２が燃料電池１０の上流側の配管３１ａに配置された構成としたが、水素センサ３２は燃料電池１０の下流側の配管３１ｂに配置されてもよい。その他、水素センサ３２は、連結点Ｊと開閉弁４２との間の配管４１に配置されてもよいし、連結点Ｊとコンプレッサ３１との間の配管３１ａに配置されてもよい。すなわち、このような位置に水素センサ３２が位置しても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。なお、これらのことは、前記した酸素センサ２７についても同様である。
【００４３】
前記した実施形態では、制御データ記憶部５２に、所定水素ガス濃度のみが記憶されたとしたが、例えば、開閉弁４２に内蔵されたＯリング（シール部材）などが劣化したレベル（燃料電池１０の発電継続可能なレベル）に対応する第１所定水素ガス濃度や、開閉弁４２が完全に閉じていないレベルに対応する第２所定水素ガス濃度など、複数の所定水素ガス濃度を記憶させてもよい。そして、制御部５１は、「第２所定水素ガス濃度＞実測水素ガス濃度＞第１所定水素ガス濃度」の場合、燃料電池システム１Ａを直ちに停止させず、燃料電池自動車をメンテナンス可能な場所まで走行できるように構成し、一方、「実測水素ガス濃度＞第２所定水素ガス濃度」の場合、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１を停止させ、燃料電池システム１Ａを停止させる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムに設定されたフローチャートである。
【図３】変形例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】変形例に係る燃料電池システムに設定されたフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１Ａ、１Ｂ  燃料電池システム
１０    燃料電池
１１    電解質膜
１２    アノード
１３    カソード
２０    アノード系
２２    遮断弁
２７    酸素センサ（ガス検出手段）
３０    カソード系
３１    コンプレッサ
３２    水素センサ（ガス検出手段）
４０    掃気ガス導入系
４２    開閉弁
５０    ＥＣＵ
５１    制御部
５２    制御データ記憶部
６１    警告ランプ
【図１】
2006302742.tif 000003
【図２】
2006302742.tif 000004
【図３】
2006302742.tif 000005
【図４】
2006302742.tif 000006