(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動電解液電池の隔離体を形成する方法であって、
隔離体は、
第１の表面、及び、該第１の表面とは反対側の第２の表面を有するシート、
前記第１の表面上の第１のスペーサ要素、並びに
前記第２の表面上の第２のスペーサ要素であって、前記第１のスペーサ要素は該第２のスペーサ要素とは反対側にある、第２のスペーサ要素を備え、
前記第１のスペーサ要素は、前記第１の表面及び前記第２の表面に対して平行であるとともに、前記第１のスペーサ要素及び前記第２のスペーサ要素の長手方向軸に対して垂直な方向において、前記第２のスペーサ要素よりも広く、
前記第１のスペーサ要素は第１のスペーサリブを備え、前記第２のスペーサ要素は第２のスペーサリブを備え、
前記第１のスペーサリブ及び前記第２のスペーサリブは、前記シートからの高さにおいて異なっており、
当該方法は、
第１の複数のリブをシートの第１の表面に当接させて位置決めすること、
第２の複数のリブをシートの第２の表面に当接させて位置決めすることであって、前記第１の複数のリブは該第２の複数のリブとは反対側にある、位置決めすること、並びに
超音波振動を前記シートの前記第１の表面及び前記第２の表面のうちの少なくとも一方に印加し、前記第１の複数のリブ及び前記第２の複数のリブを前記シートに結合することを含む、方法。
【請求項２】
真空を、前記シート、前記第１の複数のリブ及び前記第２の複数のリブのうちの少なくとも１つに印加し、該シート、該第１の複数のリブ及び該第２の複数のリブのうちの１つが、該シート、該第１の複数のリブ及び該第２の複数のリブの別のものに対して移動することを防止することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
流動電解液電池の隔離体を形成する方法であって、
クランプ装置の第１の部分の複数のチャネルに第１の複数の離間リブを位置決めすること、
前記クランプ装置の第２の部分の複数のチャネルに第２の複数の離間リブを位置決めすることであって、前記第１の複数の離間リブのリブは、前記第２の複数の離間リブのリブとは異なる幅を有している、位置決めすること、
前記クランプ装置の第１の部分と第２の部分との間に隔離体シートを位置決めすること、
前記クランプ装置の第１の部分と第２の部分を共にクランプすることであって、それにより、前記第１の複数の離間リブは前記隔離体シートの第１の側にあり、且つ、前記隔離体シートの第２の側にある前記第２の複数の離間リブのフットプリントの中央に位置する、クランプすること、
前記クランプ装置の第１の部分において複数のスロットを介して超音波溶接装置を延在させることであって、前記超音波溶接装置が前記第１の複数の離間リブに接触するように前記複数のスロットは前記第１の部分の複数のチャネルに重なり合う、延在させること、並びに
前記第１及び第２の複数の離間リブの両方を前記隔離体シートに同時に接合するために前記超音波溶接装置に超音波振動を加えることを含む、方法。
【請求項４】
前記複数のスロットが、前記第１の部分のチャネルに対して直交する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記クランプ装置の第１の部分及び第２の部分が蝶着される、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
楔形状のチャネルが前記クランプ装置の外面から延在し、前記楔形状のチャネルの端部が前記複数のスロットを画定する、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記クランプ装置が、前記離間リブ及び隔離体シートがクランプ中及び超音波振動の印加中に移動するのを防止するために、複数の真空チャネルを含む、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動電解液電池に関する。特に、排他的ではないが、本発明は、流動電解液電池の隔離体に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛臭素電池、亜鉛塩素電池及びバナジウムフロー電池等の流動電解液電池は、鉛蓄電池に勝る重要な改良を提供する。典型的な鉛蓄電池は多くの場合に、高温の気象条件において、特に時々完全に放電したときに、寿命が非常に短くなる。鉛蓄電池は、その主要な成分が鉛であり、製造及び廃棄中に深刻な環境問題を引き起こす可能性があるため、環境的に危険でもある。他方で、流動電解液電池の有用な寿命は、深放電用途によって影響を受けず、流動電解液電池のエネルギー対重量比は、鉛蓄電池のエネルギー対重量比よりも最高で６倍高い。
【０００３】
図１は、従来技術による基本的な亜鉛臭素流動電解液電池１００を示している。亜鉛臭素電池１００は、負の電解液循環路１０５、及び、独立した正の電解液循環路１１０を含む。負の電解液循環路１０５は、活性化学物質として亜鉛イオンを収容し、正の電解液循環路１１０は、活性化学物質として臭素イオンを収容する。亜鉛臭素電池１００は、負の電解液ポンプ１１５、正の電解液ポンプ１２０、負の亜鉛電解液（陽極液）タンク１２５、及び、正の臭素電解液（陰極液）タンク１３０も備える。
【０００４】
高い電圧を得るために、亜鉛臭素電池１００は、両極構成で接続されるセルのスタック１３５を更に備え、セルのスタック１３５は、個々のセルの電圧よりも高い総電圧を生成する。
【０００５】
例えば、セル１３５は、両極電極板１５５及び細孔隔離板１６５を含むハーフセル１４０、１４５を含む。細孔隔離板１６５は多くの場合に、両極電極板１５５及び細孔隔離板１６５の表面を隔離する複数の離間リブを含む。そのような離間リブがなければ、細孔隔離板１６５は、電極板１５５に近づきすぎて、電解液の流れを制限する可能性がある。
【０００６】
亜鉛臭素電池１００はこの場合、コレクタ電極板１６０に正極端を、及び、別のコレクタ電極板１５０に負極端を有する。
充電中の、ハーフセル１４５等の正のハーフセルにおける化学反応は、以下の式に従って記載することができる。
【０００７】
２Ｂｒ−→Ｂｒ２＋２ｅ−                式１
したがって、正の電解液循環路１１０と水圧連通するハーフセルにおいて臭素が形成され、次に正の臭素電解液タンク１３０に保管される。充電中の、ハーフセル１４０等の負のハーフセルにおける化学反応は、以下の式に従って記載することができる。
【０００８】
Ｚｎ２＋＋２ｅ−→Ｚｎ                  式２
したがって、金属亜鉛層１７０が、負の電解液循環路１０５と接触するコレクタ電極板１５０に形成される。放電中のハーフセル１４０、１４５における化学反応はこの場合、式１及び式２を逆にしたものである。
【０００９】
しかし、従来技術の亜鉛臭素流動電解液電池１００に関連する問題は、離間リブが電極板１５５の有効表面積を減らし、幾つかの場合に、電極板１５５の流れ表面の１０パーセント以上を妨げる可能性があることである。これはさらに、亜鉛臭素流動電解液電池１００の効率を低下させる。
【００１０】
従来技術の基本的な亜鉛臭素流動電解液電池１００に関連する更なる問題は、デンドライトが電極板１５５の表面に形成される可能性があり、これがさらに、細孔隔離板１６５を穿孔する可能性があることである。細孔隔離板１６５の穿孔は、正及び負の電解液の混合を可能にすることができ、したがって、電池を化学的に放電させるか、又は、最も重大には短絡を引き起こす。さらに、穿孔された細孔隔離板１６５を取り替えることは実現困難である。
【００１１】
従来技術の基本的な亜鉛臭素流動電解液電池１００に関連するまた更なる問題は、亜鉛板の剥離が生じる可能性があることである。そのような場合、めっきされた亜鉛が電極板１５５の表面から分離し、これはさらに、亜鉛臭素流動電解液電池１００に損傷を与える可能性がある。これは、高充電状態において大きい温度変化が生じる場合に特に問題となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、従来技術の流動電解液電池に関連する上記で説明した問題の多くを克服するか又は軽減する必要がある。
本発明の幾つかの実施形態の目的は、消費者に、上記で記載した従来技術に勝る改良及び利点を提供すること、並びに／又は、従来技術の上記で記載した不都合点のうちの１つ又は複数を克服及び軽減すること、並びに／又は、有用な商業的な選択肢を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
１つの態様によると、本発明は、流動電解液電池の隔離体であって、
第１の表面、及び、第１の表面とは反対側の第２の表面を有するシート、
第１の表面上の第１のスペーサ要素、並びに
第２の表面上の第２のスペーサ要素
を備え、
第１のスペーサ要素は、第１の表面及び第２の表面に対して平行であるとともに、第１のスペーサ要素及び第２のスペーサ要素の長手方向軸に対して垂直な方向において、第２のスペーサ要素よりも広い、隔離体にある。
【００１４】
好ましくは、第１のスペーサ要素は第２のスペーサ要素とは反対側にある。
好ましくは、第１のスペーサ要素は、シートに垂直な方向において第２のスペーサ要素と位置合わせされる。
【００１５】
好ましくは、第２のスペーサ要素は、少なくとも部分的に第１のスペーサ要素のフットプリントにある。
好ましくは、第２のスペーサ要素は、全体的に第１のスペーサ要素のフットプリントにある。
【００１６】
好ましくは、第２のスペーサ要素は、少なくとも１つの方向において中央が第１のスペーサ要素のフットプリントにある。
好ましくは、第１のスペーサ要素は第１のスペーサリブを備え、第２のスペーサ要素は第２のスペーサリブを備える。
【００１７】
好ましくは、隔離体は、
第１の表面上の第１の複数のスペーサリブ、及び
第２の表面上の第２の複数のスペーサリブ
を備え、第１の複数のスペーサリブの各リブは、第２の複数のスペーサリブの各リブよりも薄い。
【００１８】
好ましくは、第１の複数のスペーサリブ及び第２の複数のスペーサリブは互いに対して平行である。
好ましくは、第１の複数のスペーサリブ及び第２の複数のスペーサリブは、シートに垂直な方向において位置合わせされる。
【００１９】
好ましくは、第１のスペーサ要素は細長く、矩形の断面を有し、第２のスペーサ要素は細長く、矩形ではない断面を有する。
好ましくは、第２のスペーサ要素は湾曲した断面を有する。
【００２０】
好ましくは、隔離体は、亜鉛臭素流動電解液電池の隔離体を含む。
好ましくは、第１のスペーサ要素は臭素スペーサ要素であり、第２のスペーサ要素は亜鉛スペーサ要素である。
【００２１】
第２の態様によると、本発明は、第１の態様の隔離体を形成する方法であって、
第１の複数のリブをシートの第１の表面に当接させて位置決めすること、
第２の複数のリブをシートの第２の表面に当接させて位置決めすること、並びに
超音波振動をシートの第１の表面及び第２の表面のうちの少なくとも一方に印加し、第１の複数のリブ及び第２の複数のリブをシートに結合することを含む、方法にある。
【００２２】
好ましくは、方法は、真空を、シート、第１の複数のリブ及び第２の複数のリブのうちの少なくとも１つに印加し、シート、第１の複数のリブ及び第２の複数のリブのうちの１つが、シート、第１の複数のリブ及び第２の複数のリブの別のものに対して移動することを防止することを更に含む。
【００２３】
本発明の理解を助けるとともに当業者が本発明の実務上の効果を発揮することを可能にするために、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して専ら例として以下で記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術による基本的な亜鉛臭素流動電解液電池を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、電極板に重なって示されている流動電解液電池の隔離体の上面斜視図である。
【図３】図２の隔離体の上面切り欠き図である。
【図４】図２の隔離体の底面切り欠き図である。
【図５】図２の隔離体の一部の断面図である。
【図６】本発明の代替的な実施形態による、隔離体の一部の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による、隔離体を製造する装置を開形態で示す図である。
【図８】図７の装置を閉形態で示す図である。
【図９】閉形態の図７の装置を、超音波溶接装置とともに示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
当業者であれば、図面に示されるような構成要素のレイアウトからわずかに逸脱しても、本発明の開示される実施形態の適切な機能を損なわないことを認識するであろう。
本発明の実施形態は、流動電解液電池の隔離体及び隔離体を製造する方法を含む。本発明の要素は、図面中、簡潔に概略化して示すことで、本発明の実施形態を理解するのに必要である具体的な細部のみを示し、本明細書に鑑み当業者にとって自明となる余分な細部により本開示を混乱させるのを防ぐ。
【００２６】
本特許明細書では、第１及び第２、左及び右、前及び後、上及び下等のような形容詞は、必ずしもその形容詞によって記載される特定の相対的位置又は順序を必須とせずに、或る要素又は方法ステップを別の要素又は方法ステップから区別するためだけに使用される。「備える」又は「含む」といった表現は、排他的な要素又は方法ステップのセットを規定するために使用されるのではない。むしろ、そのような表現は、本発明の特定の実施形態に含まれる最小限の要素又は方法ステップのセットを規定するに過ぎない。
【００２７】
本明細書におけるいずれかの従来技術への言及は、従来技術が共通一般知識の一部をなすという認識又は何らかの形の示唆ではなく、そのように解釈されるべきではない。
１つの態様によると、本発明は、流動電解液電池の隔離体であって、第１の表面、及び、第１の表面とは反対側の第２の表面を有するシート、第１の表面上の第１のスペーサ要素、並びに、第２の表面上の第２のスペーサ要素を備え、第１のスペーサ要素は、第１の表面及び第２の表面に対して平行な方向に第２のスペーサ要素よりも広い、隔離体にある。
【００２８】
本発明の特定の実施形態の利点は、流動電解液電池におけるデンドライト成長を防止する能力を有し、これはさらに、流動電解液電池の信頼性を高めるとともに動作コストを低減することができる。
【００２９】
本発明の特定の実施形態の更なる利点は、電極の表面への亜鉛の機械的なロックを提供することによって、亜鉛板の剥離が生じることを防止する能力を有する。
本発明の特定の実施形態の更なる利点は、電極板の安定性を犠牲にすることなく、電極板の増大した有効表面積を提供する能力を有する。
【００３０】
図２は、本発明の一実施形態による、電極板に重なって示されている流動電解液電池の隔離体２００の上面斜視図を示しており、図３は、隔離体２００の上面切り欠き図を示しており、図４は、隔離体２００の底面切り欠き図を示している。隔離体２００は例えば、図１の亜鉛臭素流動電解液電池１００と同様の流動電解液電池とともに用いることができる。
【００３１】
隔離体２００は、隔離体２００の上側面２１０が流動電解液電池の上側電極板の表面に対して押し当てられることを防止する複数の上側離間リブ２０５、及び、隔離体２００の下側面２２０が流動電解液電池の下側電極板の表面に対して押し当てられることを防止する複数の下側離間リブ２１５の形態のスペーサ要素を含む。
【００３２】
隔離体２００は、隔離体２００を電池電極と効率的に積み重ねることを可能にするシート状形態を有する。特に、以下で説明するように、隔離体２００は、シート、並びに、複数の上側リブ要素及び下側リブ要素から形成することができる。
【００３３】
隔離体２００は、細孔又はイオン選択膜であるものとすることができる。当業者には理解されるように、リブ２０５、２１５の材料は、リブ２０５、２１５を隔離体２００に具合良く溶接することができるように、隔離体２００の材料と適合する。亜鉛臭素電池に用いられるリブ及び隔離体の材料は、例えば、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、フルオロカーボン又は他の適合するポリマーであり得る。
【００３４】
上側離間リブ２０５は互いに対して平行であり、下側離間リブ２１５は、互いに及び上側離間リブ２０５の双方に対して平行である。しかし、当業者は、平行ではないリブを用いてもよいことを容易に認識するであろう。例えば、上側離間リブ２０５及び下側離間リブ２１５は、上側面２１０及び下側面２２０に規則的な又は不規則的なパターンを形成することができる。
【００３５】
使用時に、正の電解液が、地点２２５において流動電解液電池のハーフセルに入り、次に、隔離体２００の第１の端２３０から上側面２１０を横切って均一に方向付けられる。電解液は次に、隔離体の第２の端２３５において集められる。同様に、負の電解液が、流動電解液電池の対応するハーフセルに入る。
【００３６】
上側離間リブ２０５及び下側離間リブ２１５はしたがって、隔離体２００の流れ面２１０、２２０をそれぞれ隣接する電極の対応する流れ面から分離する。
図５は、本発明の一実施形態による、隔離体２００の一部の断面図を示している。
【００３７】
図示のように、上側離間リブ２０５は、下側離間リブ２１５とは反対側にあり、また、断面が下側離間リブ２１５よりも広い。したがって、上側離間リブ２０５は、上側面２１０及び下側面２２０に対して平行であるとともに、上側離間リブ２０５及び下側離間リブ２１５の長手方向軸に対して垂直である方向において、下側離間リブ２１５よりも広い。
【００３８】
上側離間リブ２０５及び下側離間リブ２１５の位置、並びに、上側離間リブ２０５と下側離間リブ２１５との寸法差によって、下側離間リブ２１５の縁２１５ｅにおいて電流密度が低下する。下側離間リブ２１５の縁２１５ｅにおける電流密度の低下は、縁において形成されるデンドライトの可能性を低減する。
【００３９】
亜鉛臭素流動電解液電池の場合、上側離間リブ２０５は臭素リブであり、下側離間リブ２１５は亜鉛リブである。したがって、隔離体２００は亜鉛デンドライトの成長を防止することができる。
【００４０】
上側離間リブ２０５は、上側面２１０及び下側面２２０の表面垂直方向２２５に下側離間リブ２１５と位置合わせされる。特に、上側離間リブ２０５は、表面垂直方向２２５に沿ってフットプリント２３０を画定する。下側離間リブ２１５は、中央が上側離間リブ２０５のフットプリント２３０にある。
【００４１】
しかし、当業者は、本発明の教示から逸脱することなく、下側離間リブ２１５が完全に又は部分的にフットプリント２３０にあり得ることを容易に認識するであろう。
上記で説明したように、下側離間リブ２１５は上側離間リブ２０５よりも薄い。特定の実施形態によると、下側離間リブ２１５はまた、上側離間リブ２０５よりも（表面垂直方向２２５に沿って）より短い。これが、下側離間リブ２１５の端においてデンドライトが形成される可能性を低減する上で役立ち得る。
【００４２】
上側離間リブ２０５及び下側離間リブ２１５は全て矩形の断面を有する。しかし、図６に示されているように、上側離間リブ２０５及び下側離間リブ２１５のうちの１つ又は複数は、他の形状を形成することができる。
【００４３】
図６は、本発明の代替的な実施形態による、隔離体６００の一部の断面図を示している。隔離体６００は図２の隔離体２００と同様であるものとすることができる。
隔離体６００は、図２の隔離体２００の上側離間リブ２０５、上側面２１０、下側離間リブ２１５及び下側面２２０とそれぞれ同様の上側離間リブ６０５、上側面６１０、下側離間リブ６１５及び下側面６２０を含む。
【００４４】
上側離間リブ６０５は矩形の断面を有し、下側離間リブ６１５は湾曲した断面を有する。下側離間リブ６１５の湾曲した断面は、下側面６２０に隣接して生じるめっきが、隔離体６００を対応する電極に機械的に「ロックする」ことを可能にする。特に、亜鉛臭素電池の場合、亜鉛が下側離間リブ６１５の下及び周りに形成され、したがって、電極面への亜鉛及び下側離間リブ６１５の機械的なロックを提供する。
【００４５】
下側離間リブ６１５の円形の断面は、下側離間リブ６１５に隣接する対応する電極の使用可能な表面積を増大させるという利点を更に提供し、これはさらに、電池の効率を高めることができる。
【００４６】
当業者は、下側離間リブ６１５が、電極への隔離体６００のロックを提供する種々の矩形ではない断面を代替的に有することができ、及び／又は、対応する電極の大きい表面積の効果的な使用を可能にすることを容易に認識するであろう。
【００４７】
図７は、本発明の一実施形態による、隔離体を製造するクランプ装置７００を開形態で示している。クランプ装置７００は、例えば、図５の隔離体２００又は図６の隔離体６００を製造するのに用いることができる。
【００４８】
クランプ装置７００は、複数の下側離間リブ（図示せず）を受け入れる第１の複数のチャネル７０５、及び、複数の上側離間リブ（図示せず）を受け入れる第２の複数のチャネル７１０を含む。上側離間リブ及び下側離間リブは、図２の上側離間リブ２０５及び下側離間リブ２１５と同様のリブを含むことができる。
【００４９】
第１の複数のチャネル７０５は、クランプ装置７００の第１の部分７１５に設けられ、第２の複数のチャネル７１０は、クランプ装置７００の第２の部分７２０に設けられる。クランプ装置７００の第２の部分７２０は、チャネル７１０に直交する複数の幅狭のスロット７２５も含む。第１の部分７１５及び第２の部分７２０は、図８によって示されているように蝶着される（ｈｉｎｇｅｄｌｙ  ａｔｔａｃｈｅｄ）。
【００５０】
使用時に、複数の下側離間リブは第１の複数のチャネル７０５に配置され、複数の上側離間リブは第２の複数のチャネル７１０に配置される。隔離体シートが次に、クランプ装置７００の第１の部分７１５と第２の部分７２０との間に配置され、次に装置７００が閉じられる。
【００５１】
図８は、図７のクランプ装置７００を閉形態で示している。クランプ装置７００は、複数の楔形状のチャネル８０５を含み、複数の楔形状のチャネル８０５は、クランプ装置７００の外側面から、第２の部分７２０を通って延び、ここで、チャネル８０５の端が幅狭のスロット７２５を画定する。チャネル８０５は、図９に示されているように、超音波溶接装置を受け入れる。
【００５２】
図９は、閉形態の図７のクランプ装置７００、及び、超音波溶接装置９０５を示している。
超音波溶接装置９０５は、複数のチャネル８０５のうちの１つのチャネルを通って延び、上側離間リブに接触する。超音波溶接装置９０５は超音波によって振動し、これによって上側離間リブ及び下側離間リブをシートに溶接する。
【００５３】
超音波溶接装置９０５は、シートの一部及び離間リブを一度に溶接するように構成されている。したがって、超音波溶接装置９０５は、複数のチャネル８０５に沿って自動的に移動するように構成することができる。代替的に、超音波溶接装置９０５は手動で移動させることができる。
【００５４】
特定の実施形態によると、クランプ装置７００は、真空をリブ及び／又はシートに提供する複数の真空チャネルを含む。これは、リブ及び隔離体の装填中に、超音波溶接装置９０５が用いられるときに、リブ及びシートが移動することを防止する。
【００５５】
クランプ装置７００は、上側離間リブ及び下側離間リブが、互いに対してシート上に正確に配置されることを可能にし、これは、上側離間リブ及び下側離間リブの双方が同時に溶接されるためである。隔離体の何らかの後の収縮又は歪みは、上側離間リブ及び下側離間リブの相対的位置に影響を与えない。さらに、上側離間リブ及び下側離間リブの正確な相対的位置は、隔離体に対する外的な圧縮負荷によって、ずれたリブが互いを越えて滑らないことを確実にする。
【００５６】
要するに、本発明の特定の実施形態の利点は、流動電解液電池におけるデンドライト成長を防止する能力を有し、これはさらに、流動電解液電池の信頼性を高めるとともに動作コストを低減することができる。
【００５７】
本発明の特定の実施形態の更なる利点は、電極の表面への亜鉛の機械的なロックを提供することによって、亜鉛板の剥離が生じることを防止する能力を有する。
本発明の特定の実施形態のまた更なる利点は、表面板の安定性を犠牲にすることなく、電極板の増大した有効表面積を提供する能力を有する。
【００５８】
本発明の種々の実施形態の上記の説明は、当業者への説明のために提供される。これは、網羅的であるか、又は、本発明を単一の開示される実施形態に限定することを意図しない。上述したように、本発明に対する多くの代替形態及び変形形態が、上記教示の当業者には明らかであろう。したがって、幾つかの代替的な実施形態を具体的に説明したが、他の実施形態が、当業者に明らかであるか又は当業者によって比較的容易に発展されるであろう。したがって、本特許明細書は、本明細書において説明されている本発明の全ての代替形態、変更形態及び変形形態、並びに、上記で記載した本発明の主旨及び範囲内に入る他の実施形態を包含することが意図される。
【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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