(57)【要約】入口燃料分配器（１０〜１０ｄ）は、燃料供給パイプ（１１、８３）と燃料入口マニホールド（１２、５３、５３ａ、６３）との間に透過性バッフル（３９、５４、５４ａ、６０）を有し、燃料を燃料入口マニホールドの長さに沿って均一に分配する。表面（５３、６８）によって、衝突燃料が方向を変え、実質的に全方向的に流れて、その均一性が向上する。再循環燃料は、燃料入口分配器の下流にある流れの中へと供給（２５、７１）される。起動時に、入口燃料分配器および燃料入口マニホールド内の燃料または不活性ガスは、制御装置（５８、７９）に応答する弁（５７、８６）を通して排出され、燃料流区域（５８）の入口へ均一な燃料最前部を提供できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池（１３）であって、各燃料電池が少なくとも一つの燃料流区域を有し、各燃料流区域が燃料入口および燃料出口を有する燃料電池（１３）と、
燃料供給パイプ（１１）と、
前記燃料流区域入口の全てと流体連通する燃料入口マニホールド（１２、５３、５３ａ、６３）と、
燃料供給パイプと相互接続されかつ透過性バッフル（３９、５４、５５ａ、６０）を含む燃料入口室（４１、５４、５４ａ、６１）であって、この室からの燃料が透過性バッフルを通って燃料入口マニホールド内へ流入する燃料入口室（４１、５４、５４ａ、６１）と、
燃料入口室と流体連通する排出弁（３０、５７）であって、燃料供給パイプとの燃料入口室の相互接続部から所定の距離に配置されている排出弁（３０、５７）と、
燃料供給パイプから燃料入口室内への燃料の流れの起動時に前記弁を開にし、それによって、水素の流れの前に燃料入口室内にある燃料入口ガスをパージするための制御装置と、
透過性バッフルの下流にある燃料入口マニホールド内へ前記燃料出口からの再循環燃料を提供するための燃料再循環システム（２０〜２５；  ７６〜８０）と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置（９）。
【請求項２】
複数の燃料電池（１３）であって、各燃料電池が少なくとも一つの燃料流区域を有し、各燃料流区域が燃料入口を有する燃料電池（１３）と、
燃料供給パイプ（１１）と、
前記燃料流区域入口の全てと流体連通する燃料入口マニホールド（１２、５３、６３）と、
燃料供給パイプと相互接続された燃料入口室（４１、５４、５４ａ、６１）を有する入口燃料分配器（１０）であって、燃料入口室が透過性バッフル（３９、５４、５５ａ、６０）を含み、この室からの燃料が透過性バッフルを通って燃料入口マニホールド内へ流入する入口燃料分配器（１０）と、    
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置（１２）。
【請求項３】
前記透過性バッフル（３９）は多孔質材料で作成されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記透過性バッフル（５４、６０）は、中実であり、それを通過する複数の小さな孔（５５、６６）を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記透過性バッフルは、管（５４）であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記透過性バッフルは、スクリーンを備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記透過性バッフルは、メッシュを備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記透過性バッフルは、ハニカムを備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記燃料入口マニホールドは、透過性バッフル（５４、６０）を通る燃料の流れに実質的に垂直な表面（５３、６８）を含み、透過性バッフルを通って流れる燃料がこの表面に衝突し、それによって、燃料の流れの方向を変え、燃料の流れを実質的に均一にすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記燃料供給パイプ（１１）により近い透過性バッフル（３９）の部分が、燃料供給パイプから所定の距離にある透過性バッフルの部分より、燃料入口マニホールド（１２）から遠くに離れていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項１１】
前記入口燃料分配器（１０ｃ）は、透過性バッフルを含む燃料入口室（５４）を備えており、燃料は、燃料入口室の一方の端部内で受け取られ、燃料入口室は、テーパ付きであり、前記一方の端部からより遠くの距離において、より小さくなっていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項１２】
前記燃料入口分配器は、燃料供給パイプから燃料を受け取る第一の内部燃料マニホールド（５４ａ）と、前記燃料入口に燃料を提供しかつ第一の内部燃料マニホールドから透過性バッフル（５５ａ）を通して燃料を受け取る第二の内部燃料マニホールド（５３ａ）とを備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項１３】
複数の燃料電池（１３）であって、各燃料電池が少なくとも一つの燃料流区域を有し、各燃料流区域が燃料入口を有する燃料電池（１３）と、
燃料供給パイプ（１１）と、
前記燃料流区域入口の全てと流体連通する燃料入口マニホールド（１２、５３、５３ａ、６３）と、
入口燃料分配器（１０）と、
燃料供給パイプと相互接続されかつ燃料入口マニホールドと流体連通する入口燃料入口室（４１、５４、５４ａ、６１）と、
燃料入口室と流体連通する排出弁（３０、５７）であって、燃料供給パイプとの燃料入口室の相互接続部から所定の距離に配置されている排出弁（３０、５７）と、
燃料供給パイプから燃料入口室内への燃料の流れの起動時に前記弁を開にし、それによって、水素の流れの前に燃料入口室内にある燃料入口ガスをパージするための制御装置（２１、５８、７９）と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置（９）。
【請求項１４】
複数の燃料電池（１３）であって、各燃料電池が少なくとも一つの燃料流区域を有し、各燃料流区域が燃料入口および燃料出口を有する燃料電池（１３）と、
燃料供給パイプ（１１）と、
前記燃料流区域入口の全てと流体連通する燃料入口マニホールド（１２、６３）と、
燃料供給パイプと相互接続されかつ透過性バッフル（３７、６０）を含む燃料入口室（４１、６１）であって、この室からの燃料が透過性バッフルを通って燃料入口マニホールド内へ流入する燃料入口室（４１、６１）と、
透過性バッフルの下流にある燃料入口マニホールド内へ前記燃料出口からの再循環燃料を提供するための燃料再循環システム（２０〜２５；  ７６〜８０）と、
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置（９）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料入口マニホールドの長さに亘って実質的に同時に実質的に均一な燃料を供給するように一つまたは複数の透過性バッフルを有する燃料電池入口燃料ガス分配器に関し、また、起動時に空気または不活性ガスをパージする排出口付き燃料入口室に関する。
【背景技術】
【０００２】
起動時に異なる燃料電池へ燃料を不均一に分配すると、個々の燃料電池の燃料枯渇、電圧反転および炭素腐食をもたらすことがあり、結果として最終的に深刻な性能損失が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
２００２年１０月１０日に出願された同時係属中の米国特許出願第１０／２６９，６５４号においては、燃料電池の燃料入口流制御装置が燃料流をカスケード様式で連続的に数回分割して多数の別々の流れを提供し、次いでその流れを分散させて、燃料電池スタック内の全ての燃料流区域の入口に亘って実質的に均一に燃料を分配する。過渡的な燃料流は、起動時およびその他の過渡的な燃料流条件において実質的に同時にかつ実質的に同じ流量でスタック内の全ての燃料電池の燃料流区域に接近する。開示された実施態様においては、流れを連続的に四回分割し、次いでカスケード領域から全ての出口通路を通る流れは、平らな表面に衝突し、この表面が流れを均一に分散させる。カスケード燃料分配器は燃料を極めて均一に分配するとはいえ、それによって消費される容積は特定の用途には大き過ぎる。特定の用途では形状寸法の制約によって最適な設計が妨げられることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の態様は、ＰＥＭ型燃料電池スタックの燃料入口における燃料分配の簡素化と、燃料電池スタック内の全ての燃料電池の流れ区域への実質的に均一な流れの燃料の提供と、燃料電池スタック内の各流れ区域への実質的に等しい量の燃料の実質的に同時の供給と、燃料電池スタックの耐久性の向上と、起動およびその他の燃料電池スタック内の過渡的な燃料入力の改善と、起動時の燃料電池燃料流区域内の空気／燃料混合の低減と、燃料電池スタック内の燃料分配の向上、簡素化とを含む。
【０００５】
本発明によれば、燃料電池スタック用の入口燃料分配器は、少なくとも一つの透過性バッフルを備えており、それによって、燃料入口マニホールドの全長に亘って同時にかつ均一に燃料を供給する。
【０００６】
本発明によれば、入口燃料が通過するはずの多孔質材料、穿孔シート、フィルター材料、スクリーンおよびハニカムから選択された一つまたは複数の透過性壁により形成された傾斜室を燃料供給パイプから設け、それによって、燃料入口マニホールドの各部分を通る流れであって残りの各部分における流れと同じ流れを提供し、起動時に燃料最前部を燃料入口マニホールドの全長に同時に到達させることによって、燃料電池スタックの入口燃料は、燃料電池スタック内の全ての燃料電池の燃料流区域へ均一に分配される。透過性壁の透過性は、焼締め（ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）などといった既知の方法で調整できる。
【０００７】
さらに本発明によれば、透過性管の全長に沿った圧力降下が透過性管の壁を通る圧力降下よりかなりきわめて小さくなるような大きさおよび長さの透過性管内において、燃料電池スタックの入口燃料は、全ての燃料電池の燃料流区域へ均一に分配される。本発明のこの形態においては、透過性管は、多孔質、穿孔、細かなメッシュのスクリーンとすることができる。
【０００８】
本発明によれば、燃料電池スタックの入口燃料は、室内へ提供され、この室の反対側の端部は排出口付きであり、それによって、燃料電池スタックの燃料流区域内へ燃料より先に流れることなく空気または不活性ガス（適用可能ならば）を室から容易に排出する。室は、燃料電池の燃料流区域に流入する前に室が流入させる流れの体積に比較して大きいものとすることができる。
【０００９】
さらに本発明によれば、二重マニホールドが、より高圧の未処理燃料入口マニホールドを含み、この燃料入口マニホールドは、透過性バッフルによってより低圧の燃料入口マニホールドから分離されている。透過性バッフルは、直交マニホールド配置で壁を備えることができるか、またはそれは、透過性管を備えることができ、再循環燃料は、あるとしても、燃料電池スタックが通常負荷と共に通常作動になった後で、より低圧のマニホールド内へ導入される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、燃料電池スタック９は、小型の入口燃料分配器１０を含み、入口燃料分配器１０は、燃料供給パイプ１１から燃料を受け取り、それを燃料入口マニホールド１２に提供する。燃料入口マニホールド１２は、燃料を全ての燃料電池１３に提供する。図１に示す二経路構成においては、燃料は、燃料入口マニホールド１２から図１に示すように左へと燃料電池１３の上半分に亘って流れ、次いでそれは、燃料反転マニホールド１６内で向きを変えて下方へと流れ、そして右を向いて、その後それは、図１に示すように右へと燃料電池１３の下半分に亘って、燃料出口マニホールド１６へと流れる。次いでそれは、燃料排出パイプ１８を通過して、通常は、制御装置２１により制御される弁２０と、燃料再循環ポンプ２２と、制御装置２１により制御される別の弁２３とを含む燃料再循環ループへと流れ、最終的には、再循環燃料ガス入口パイプ２４および再循環ガス入口マニホールド２５へと至り、再循環ガス入口マニホールド２５は、ガスを燃料入口マニホールド１２の長さ全体に亘って分配する。燃料電池の燃料ガス室をパージするために弁２７を設けることができる。
【００１１】
図１において、再循環ガスは、入口燃料分配器の下流にある燃料入口マニホールドに流入するので、供給源から流入する純粋な水素の圧力まで再循環ガスを加圧する必要がなく、再循環ポンプ２２は、単に送風機とすることができる。
【００１２】
図１に簡潔に例示される本発明の別の態様は、制御装置２１に応答する弁３０の制御下にある排気パイプ２８による入口燃料分配器１０の排出を備える。これによって、燃料電池スタックの起動時に燃料が最初に供給されるときに入口燃料分配器１０の全長に亘って燃料が確実に存在することになり、それによって、以下に説明するように、さまざまな電池の間で燃料分配が不均一となる困難が回避される。これは、図６および図１０〜図１２を参照して以下により詳細に説明する。
【００１３】
図２を参照すると、本発明による入口燃料分配器１０は、透過性バッフル３９を備えており、透過性バッフル３９は、くさび形の非透過性外側壁４０と共に、燃料入口４２から通じかつ覆い４３により閉じられる燃料入口室４１を形成する。透過性バッフル３９から燃料入口マニホールド１２（図１）内への入口への燃料出口室４５に亘る距離は、燃料入口室４１の反対側の端部においてそれがあるよりは、燃料入口４２の近くで、より長くなっている。従って、招来し得る流量差、および起動時の燃料最前部の時間差は、透過性バッフル３９から燃料入口マニホールド１２内への燃料出口室４５に亘る異なる流れ経路長によって補償される。透過性バッフル３９は、焼結金属、多孔質ブラスチック、炭素または黒鉛、金属またはプラスチックの穿孔シートなどといった多孔質とすることができ、または、それは、図１３〜図１５に例示するようにスクリーン、メッシュまたはハニカムとすることができる。
【００１４】
燃料は、特に純粋な水素（改質物でない）を使用するときは、一般に加圧供給源からとすることができるので、燃料入口供給室４１内の燃料は、燃料出口室４５内の燃料より実質的に高い圧力となる。入口供給室４１に沿った圧力降下は、透過性バッフル３９を通る圧力降下の１０分の１から２０分の１程度となり得る。流れは、燃料出口室４５内で、よりかなり大きな断面（透過性壁３９の長さおよび高さ）に亘るので、流れの速度は、燃料出口室４５内において供給経路４１内での流れの速度よりかなり遅くなる。従って、燃料最前部を燃料出口室４５の縁部全体に、従って、燃料入口マニホールド１２（図１）の全長に同時に到達させるためには、近くの壁４８に隣接する燃料出口室の端部に比較して、遠くの壁４７近くにある燃料出口室の遠い端部においては、わずかな距離の低減が必要となるだけである。
【００１５】
図３を参照すると、入口燃料分配器１０ａは、二つの燃料入口４２ａ、４２ｂを有する。図３において、一対の透過性壁３９ａ、３９ｂが、両端におけるより中心において厚くなっている外側壁４０ａと共に、Ｖ字形の燃料入口燃料室４０ａおよび出口室４５ａを提供しており、出口室４５ａは、その両端のいずれよりも燃料入口マニホールドに近いその中心を有する。燃料を分配器１０ａの両端内に供給することにより、燃料入口マニホールド内へのいっそうほぼ同時の均一な燃料の流れが存在する。
【００１６】
図４において、入口燃料分配器１０ｂは、覆い４３ａを通過する中心燃料入口４２ｃを有する。外側壁４０ｂは、その中央におけるよりその両端において厚く、透過性バッフル３９ｃ、３９ｄは、傾斜しており、それによって、外側室４５ｂに亘る流れの距離は、それが分配器１０ｂの両端にあるよりは、分配器１０ｂの中心において、より長くなっている。これによって、中心供給からの流れの均一性が維持される。
【００１７】
図５および図６において、本発明の実施態様は、燃料電池１３内に形成された内部マニホールド５３内に入口燃料分配器１０ｃを提供する。燃料再循環ガスは、図５において白抜きの矢印で示すように、マニホールド５３内へ導入される。燃料入口管５４は、図６において中実の矢印で示すように、純粋な燃料を受け取る。燃料入口管５４は、複数の小さな孔５５を有しており、これらの孔５５は、燃料電池１３の燃料流区域５８への入口に対して燃料入口管５４の反対側にある内部マニホールド５３の位置において、内部マニホールド５３の壁の方へと燃料を導くように配置されている。孔５５を通過する燃料は、これらの小さな孔を通る燃料流の方向に実質的に垂直な内部マニホールド５３の壁に衝突して、方向を変え、実質的に全方向的に分散し、それによって、燃料流区域５８への入口の方への燃料入口管５４周りの燃料の均一な流れが生じる。孔は、電池に流入する前にマニホールド内において燃料再循環物と流入燃料が混合する限りは、他の方向に配置されることができる。
【００１８】
燃料入口管５４の直径と、燃料が燃料入口管５４に流入するときの燃料の圧力とに対比して、小さな孔５５を適切な大きさとすることにより、燃料入口管５４に沿った圧力降下は非常に小さなものとなり、それによって、管５４の全長に沿った小さな孔５５のそれぞれを通って実質的に同じ燃料が供給される。これらの状況のもとで、所望ならば、燃料再循環流は、内部マニホールド５３内へ直接導入されて、それを加圧する必要を回避できるが、その理由は、孔を通る圧力降下によって結果として、マニホールド５３内の圧力が、燃料入口管５４内の圧力のおよそ２分の１の圧力となり得るからである。
【００１９】
本発明の任意の利用において望ましいと見出される場合、管５４は、わずかにテーパ付きとし、出口端部５４ｂにおけるよりは、入口端部５４ａにおいて、より大きくすることができる。
【００２０】
燃料入口管５４は、水素検出器５９に応答する制御装置５６により作動されるパージ弁５７を有することができる。このようにして、起動時に燃料が管５４内へ最初に導入されるとき、管５４内に存在する空気または不活性ガスは、空気出口マニホールド（例えば、図７の９０）内へ排出されることができる。これによって、制御装置が補助負荷などといった起動を補助する負荷を接続する前に、燃料は確実に、全ての燃料電池１３の燃料流区域５８全てに同時に流入することになり、起動時に異なる燃料電池に燃料を不均一に分配する際には生じ得るであろう個々の燃料電池の燃料枯渇、電圧反転および炭素腐食がなくなる。弁５７をいつ閉にすることができるかを決定するのに水素検出器を利用する代わりに、制御装置５６は、予め決められた適切な長さの時間、弁５７を開にして保持することができ、その後、弁５７は閉にすることができ、補助負荷は、燃料電池内の水素が開回路電圧を生成するときに接続される。空気出口マニホールドへ排出する代わりに、パージガスは、空気を用いた希釈のために燃料電池発電装置全体を取り囲む正圧安全密閉容器へ排出されることができ、あるいは、パージされた空気は、カソード内へ排出されることができ、そこで、パージされた空気中のどのような小量の燃料も、問題とならない仕方で空気と反応できる。
【００２１】
穿孔燃料入口管５４は、長方形である内部マニホールド内で用いることができ、また、図６を見ることから簡単に明らかとなるように、外部マニホールド内で用いることができる。燃料入口管は、多孔質材料、スクリーンの層、その他から形成することもできるが、しかしながら、燃料流区域への入口とは反対にある表面に燃料を衝突させる孔が好ましい。
【００２２】
図５および図６に示す実施態様の変形物を図７および図８に例示する。そこでは、内部マニホールド５３内の管５４を有する代わりに、一対の隣接する内部マニホールド５４ａ、５３ａが、通路５５ａを有しており、この通路５５は、内部マニホールド５４ａ、５３ａ間の慎重なポートあるいは多孔質分離を備えることができる。
【００２３】
図５および図６の実施態様においては、管５５は、透過性バッフルを備えており、図７および図８では、透過性バッフルは、ポート５５ａにより、または二つのマニホールド５４ａ、５３ａ間の多孔質媒体により設けられる。
【００２４】
図９を参照すると、本発明の別の実施態様は、一次燃料供給マニホールド６１と燃料入口マニホールド６３の燃料入口室６２との間にある透過性バッフル６０により形成された入口燃料分配器１０ｄを含む。図９に例示するように、バッフル６０には、一次燃料供給マニホールド６１の長さに延在する複数の小さな孔６６が設けられる。図５および図６の実施態様でのように、小さな孔６６を通過する燃料は、燃料出口室６９から燃料入口室６２を分離する中実のバッフル６８の表面に衝突する。孔６６を通る流れは、バッフル６８に垂直なので、これによって、流れは方向を変え、ほぼ全方向的にかつ上方へと室６２を通り、バッフル６８の頂部を越え、そして燃料出口室６９内へと流れる。これによって、燃料の流れは、燃料流区域５８に流入する前に実質的に均一になり、また燃料は、全ての流れ区域５８の入口に実質的に同時に到達する。
【００２５】
室６２は、小さな孔６６より大きな孔７２を通して一次再循環マニホールド７１から再循環燃料ガスの供給も受ける。燃料再循環ガスは、燃料出口マニホールド（図示せず）、燃料出口パイプ７６、燃料再循環ポンプ７７、および制御装置７９により制御される弁７８を通過し、再循環パイプ８０内へ流入する。小さな孔６６は、孔７２より小さいので、燃料供給パイプ８３から室６１に流入する燃料は、燃料再循環ポンプ７７からの再循環燃料ガスより実質的に高い圧力になることができる。これによって、燃料再循環ガスを加圧する必要が低減され、それによって、システム内の寄生損失が低減され、従って、ポンプ７７は、単に送風機とすることができる。再循環ガスは、燃料入口マニホールド６３の全長に沿って孔７２を通って流入する。全方向的な燃料の流れは。それがバッフル６８に衝突する際に、一次入口燃料の再循環燃料ガスとの完全な混合を助け、燃料出力室６９へ均一な燃料流を提供する。
【００２６】
図１０を参照すると、燃料入口４２とは反対にある燃料流室４１の端部にパージ弁５７および検出器５９を設けることにより図２の実施態様にパージ装置５７〜５９を用いることができる。
【００２７】
同様に図１１においては、燃料流室４１ａの中心近くに弁５７および水素検出器５９を設けることにより図３の実施態様と共にパージ装置５７〜５９を用いることができる。
【００２８】
図１２においては、いずれかの端部近くに取り付けられた水素検出器５９と共に図４の実施態様の両端４７、４８にパージ装置を接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による入口燃料分配器を有する燃料電池スタックの斜視図。
【図２】本発明による入口燃料分配器の第一の実施態様の簡略様式斜視図。
【図３】二重供給を有する入口燃料分配器の代替の形態の簡略様式斜視図。
【図４】中心供給を有する入口燃料分配器の代替の形態の簡略様式斜視図。
【図５】本発明による入口燃料分配器が内部に配置された内部燃料マニホールドを有する燃料電池の部分側立面図。
【図６】図５の複数の燃料電池の一部断面一部上面立面図。
【図７】間にある透過性バッフルが本発明による入口燃料分配器を形成する一対の内部燃料マニホールドを有する燃料電池の一部側立面図。
【図８】図７の複数の燃料電池の一部断面一部上面立面図。
【図９】本発明の別の実施態様の一部断面一部切欠き部分簡略斜視図。
【図１０】パージ弁を有する図２の入口燃料分配器の上面図。
【図１１】パージ弁を有する図３の入口燃料分配器の上面図。
【図１２】パージ弁を有する図４の入口燃料分配器の上面図。
【図１３】スクリーンの平面図。
【図１４】メッシュの平面図。
【図１５】ハニカムの平面図。
【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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【図１４】
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【図１５】
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