(57)【要約】【課題】簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することを可能にする。【解決手段】燃料改質装置１０は、改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構１２と、前記改質ガスを冷却する熱交換機構１４と、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための変成機構１６と、前記改質ガスに含まれる水分を除去するための気液分離機構１８とを備える。燃料改質装置１０のケーシング２０は、全体として縦長に構成されるとともに、前記ケーシング２０内には、上方から下方に向かって、改質機構１２、熱交換機構１４、変成機構１６及び気液分離機構１８が一列に配設される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素又はアルコールを含む改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置であって、
前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構と、
前記改質ガスを冷却する熱交換機構と、
前記改質ガスに含まれる水分を除去するための気液分離機構と、
を備え、
前記気液分離機構の上方に前記熱交換機構が配置されるとともに、該熱交換機構の上方に前記改質機構が配置されることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質装置において、前記改質機構と前記気液分離機構との間には、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための変成機構、又は該改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去するための一酸化炭素選択酸化機構の少なくとも一方が配設されることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料改質装置において、前記改質機構乃至前記気液分離機構は、鉛直方向に沿って一列に配設されるとともに、
前記改質機構から前記気液分離機構に連なる壁部は、鉛直方向に、又は水平方向から傾斜する方向に、連続的に延在することにより、液溜まりを阻止することを特徴とする燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素又はアルコールを含む改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜の両側に、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・電極構造体を備え、この電解質膜・電極構造体をセパレータにより挟持して単位セルを構成している。通常、複数の単位セルを積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用等の種々の用途に採用されている。
【０００３】
この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
そこで、一般的に、メタノールやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素燃料から改質原料ガスを生成し、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、オートサーマル改質等を施して改質ガス（水素含有ガス）を生成した後、この改質ガスを燃料電池スタックに供給する方式が採用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料改質装置は、図８に示すように、下方から上方に向かって、燃焼部１と気化部２と改質・変成部３と酸化除去部４とが一体的に連設して構成されている。燃焼部１は、例えば、液体メタノールを燃料として熱源ガスを発生するものであり、気化部２は、改質原料、例えば、液体メタノールと水との混合液体原料を前記燃焼部１からの熱源ガスによって加熱気化させることにより、改質原料ガスを生成する。
【０００６】
改質・変成部３は、燃焼部１からの熱源ガスで加熱された改質触媒によって、気化部２からの改質原料ガスを、水素を主成分とする改質ガスに変換するとともに、その改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。酸化除去部４は、改質・変成部３からの改質ガス中の一酸化炭素濃度を、一酸化炭素選択酸化触媒によって酸化除去させて改質ガスを生成し、この改質ガスを図示しない燃料電池に供給する。
【０００７】
上記の特許文献１では、燃焼部１の上部に気化部２、改質・変成部３及び酸化除去部４が一体的に連設されるため、燃料改質装置全体として占有床面積が大幅に削減され、容易に小型化を図ることができる、としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−１２６００１号公報（段落［００２２］〜［００２６］、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の燃料改質装置では、起動時や停止時等において、それぞれの触媒温度が低下している。このため、反応により発生した水蒸気は、触媒表面や配管内に凝縮し易く、下方に配置されている燃焼部１内で凝縮水が滞留してしまう。特に、起動時には、暖機に要するエネルギの一部が燃焼部１内に残留する凝縮水の気化熱として消費され、燃料改質装置の起動時間が長くなるとともに、効率が低下するという問題がある。
【００１０】
しかも、起動時に燃料改質装置内に凝縮水が存在していると、この燃料改質装置内に存在している気体（例えば、ＨＣやＣＯ２）が前記凝縮水に溶存し易い。
この溶存気体は、起動時に未燃のまま気化部２に送られて改質原料に混在してしまい、安定化した改質原料ガスを生成するまでに相当な時間がかかるという問題がある。一方、停止時に燃料改質装置内に凝縮水が残存していると、この凝縮水に、例えば、二酸化炭素や炭化水素が溶存してしまい、前記燃料改質装置を構成する金属部品の腐食の原因となり易い。
【００１１】
さらにまた、特許文献１では、最高温部である気化部２が下方に配置されて、この気化部２上に改質・変成部３及び酸化除去部４が積層されている。このため、起動時において、気化部２で発生する水蒸気が上昇すると、この水蒸気は改質・変成部３や酸化除去部４で冷却されて液状化し、前記気化部２に滴下してしまう。その際、相当に高温の気化部２に液状水が接触することにより、前記気化部２に損傷を与えるおそれがある。さらに、水蒸気として上昇した水分が液化して再度気化部２で加熱されるため、この液状水の気化に熱が奪われてしまい、効率的ではないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料改質装置では、改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構と、前記改質ガスを冷却する熱交換機構と、前記改質ガスに含まれる水分を除去するための気液分離機構とを備えている。そして、気液分離機構の上方に熱交換機構が配置されるとともに、前記熱交換機構の上方に改質機構が配置されている。
【００１４】
このため、燃料改質装置内で凝縮する水分は、重力によって下方に、すなわち、最下位の気液分離機構に移動して、この気液分離機構により確実に捕集される。従って、熱交換機構や改質機構に凝縮水が残存することがなく、例えば、凝縮水にＨＣやＣＯ２が溶存することによる金属部品の腐食を抑制することができる。
【００１５】
しかも、起動時に凝縮水が残存しないため、この凝縮水を気化させる気化熱が不要になり、起動エネルギが低減されて効率的な暖機が遂行可能になる。さらに、凝縮水に気体が溶存することがないため、起動時に改質ガスの組成安定化が短時間で行われる。
【００１６】
また、燃料改質装置内では、最も高温となる改質機構が最上位に配置されている。これにより、起動時に燃料改質装置内に水蒸気が発生しても、この水蒸気が前記燃料改質装置内を上昇して冷却されることがない。このため、水蒸気が液化して高温部に接触することがなく、この高温部の損傷を回避するとともに、凝縮水を再度加熱することによる熱損失を防止することが可能になる。従って、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００１７】
さらにまた、本発明の請求項２に係る燃料改質装置では、改質機構と気液分離機構との間には、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための変成機構、又は前記改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去するための一酸化炭素選択酸化機構の少なくとも一方が配設されている。これにより、最も高温となる改質機構が最上位に配置され、凝縮水を容易且つ確実に除去することができるとともに、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料改質装置では、改質機構乃至気液分離機構は、鉛直方向に沿って一列に配設されるとともに、前記改質機構から前記気液分離機構に連なる壁部は、鉛直方向に、又は水平方向から傾斜する方向に、連続的に延在して構成される。このため、燃料改質装置内に液溜まりが発生することを確実に阻止し、凝縮水を気液分離機構に円滑に供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置１０の概略構成図である。
【００２０】
燃料改質装置１０は、例えば、メタン等の炭化水素やアルコール等を含む改質用燃料を改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成して、前記燃料ガスを燃料電池（図示せず）に供給する。この燃料改質装置１０は、改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質機構１２と、前記改質ガスを冷却する熱交換機構１４と、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための変成機構１６と、前記改質ガスに含まれる水分を除去するための気液分離機構１８とを備える。
【００２１】
燃料改質装置１０のケーシング２０は、全体として縦長の円筒形状に構成されるとともに、前記ケーシング２０内には、上方から下方に向かって、改質機構１２、熱交換機構１４、変成機構１６及び気液分離機構１８が一列に配設される。ケーシング２０の上部には、蒸発機構２２及び始動燃焼機構２４が装着される。
【００２２】
蒸発機構２２には、水供給管２６、燃料供給管２８及び空気供給管３０が接続されており、前記蒸発機構２２は、水を蒸発させて水蒸気を発生させるとともに、この水蒸気と改質用燃料及び空気とを供給配管３２を介して改質機構１２に供給する。始動燃焼機構２４には、燃料供給管３４と空気供給管３６とが接続されており、始動時にのみ燃焼エアを改質機構１２に供給する。
【００２３】
改質機構１２は、図２に示すように、波板状の改質触媒４０を渦巻き状に巻回し、いわゆる、ハニカム形状に構成して容器４２に収容している。変成機構１６は、上記の改質機構１２と同様に構成されるとともに、図１に示すように、この変成機構１６を構成する容器４３には、水供給管４５が接続される。燃料改質装置１０には、必要に応じて図示しない一酸化炭素選択酸化機構（ＰＲＯＸ）を組み込むことができ、この一酸化炭素選択酸化機構も、上記の改質機構１２と同様に構成される。
【００２４】
熱交換機構１４は、図１に示すように、改質機構１２から変成機構１６に延在する複数の配管４４を備え、この配管４４が容器４６内に配置される。改質ガスは、配管４４内を下方に向かって移動するとともに、この配管４４の周囲には、熱交換室４８が設けられる。熱交換室４８には、冷却媒体供給管５０ａと冷却媒体排出管５０ｂとが連通する。
【００２５】
気液分離機構１８は、容器５２内に凝縮水貯留部５４を備え、この凝縮水貯留部５４の下部には、ドレン管５６が取り付けられる。容器５２の側部には、改質ガス（水素リッチな燃料ガス）を図示しない燃料電池に供給するための改質ガス供給管５８が設けられる。
【００２６】
改質機構１２、熱交換機構１４、変成機構１６及び気液分離機構１８の各連結部位には、例えば、圧損を発生させる等の必要に応じて、仕切り板６０を介装してもよい。各容器４２、４６、４３及び５２によりケーシング２０が構成されるとともに、前記ケーシング２０は、鉛直方向に向かって連続的に延在して構成される。
【００２７】
このように構成される燃料改質装置１０の動作について、以下に説明する。
【００２８】
先ず、燃料改質装置１０を始動する際には、始動燃焼機構２４を駆動して燃焼エアを改質機構１２に供給する。そして、改質機構１２内の改質触媒４０が所定の温度まで昇温した後、蒸発機構２２を駆動する一方、始動燃焼機構２４が停止する。蒸発機構２２には、水供給管２６、燃料供給管２８及び空気供給管３０からそれぞれ水、メタン等を含む改質用燃料及び空気が供給され、改質機構１２には、供給配管３２を介して水蒸気が混在した前記改質用燃料及び前記空気が供給される。
【００２９】
この改質機構１２では、改質用燃料中のメタン、空気中の酸素及び水蒸気によって、酸化反応であるＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ（発熱反応）と、燃料改質反応であるＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２（吸熱反応）とが同時に行われる。このため、二酸化炭素と水素とを含む改質ガスが生成され、この改質ガスは、熱交換機構１４を構成する複数の配管４４内に供給される。
【００３０】
この熱交換機構１４では、冷却媒体供給管５０ａを介して熱交換室４８に冷却媒体が導入され、各配管４４内を鉛直下方向に移動する改質ガスとの間で熱交換が行われる。従って、配管４４内の改質ガスが冷却される一方、熱交換室４８に導入された冷却媒体が昇温し、この冷却媒体は冷却媒体排出管５０ｂから排出される。熱交換機構１４によって冷却された改質ガスは、変成機構１６に送られる。この変成機構１６では、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値まで低減される。
【００３１】
さらに、改質ガスは、気液分離機構１８に送られ、この改質ガス中に混在する水蒸気が凝縮される。このため、凝縮水が凝縮水貯留部５４に貯留される一方、改質ガスは改質ガス供給管５８を介して図示しない燃料電池に供給される。
【００３２】
この場合、第１の実施形態では、ケーシング２０内に、上方から下方に向かって改質機構１２、熱交換機構１４、変成機構１６及び気液分離機構１８が一列に配設されている。このため、燃料改質装置１０内で凝縮する水分は、重力によって下方に、すなわち、最下位の気液分離機構１８に移動し、この気液分離機構１８を構成する凝縮水貯留部５４により確実に捕集される。従って、熱交換機構１４や改質機構１２に凝縮水が存在することがなく、例えば、この凝縮水に二酸化炭素や炭化水素等が溶存して金属部品の腐食が発生することを有効に阻止することができる。
【００３３】
しかも、起動時において、燃料改質装置１０内に凝縮水が存在しないため、この凝縮水を気化させる気化熱が不要になる。これにより、燃料改質装置１０の起動エネルギが低減され、前記燃料改質装置１０を効率的に暖機することが可能になるという効果が得られる。
【００３４】
さらに、凝縮水に二酸化炭素や炭化水素等の気体が溶存することがない。従って、起動時において、溶存気体は未燃のまま改質ガス中に混在することがなく、この改質ガスの組成安定化が短時間で良好に行われるという利点がある。
【００３５】
さらにまた、燃料改質装置１０内では、最も高温となる改質機構１２が最上位に配置され、この改質機構１２の下方に熱交換機構１４、変成機構１６及び気液分離機構１８が配置されている。このため、起動時には、先ず、改質機構１２が昇温され、この改質機構１２内に水蒸気が発生しても、この水蒸気が前記燃料改質装置１０内を上昇して冷却されることはない。
【００３６】
これにより、燃料改質装置１０内では、水蒸気が液化して高温部である改質機構１２に接触することがなく、この改質機構１２の損傷を回避するとともに、凝縮水を再度加熱することによる熱損失を確実に防止することが可能になる。従って、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００３７】
さらに、改質機構１２、熱交換機構１４、変成機構１６及び気液分離機構１８を上方から下方に向かって一列に配設するケーシング２０は、鉛直方向に向かって連続的に延在している。このため、ケーシング２０の内壁部は、鉛直方向に向かって連続的に延在し、この内壁部に液溜まりが発生することはない。これにより、凝縮水は、ケーシング２０の内壁部に沿って気液分離機構１８に円滑に移動し、この凝縮水が前記内壁部に残存することを可及的に阻止することが可能になる。
【００３８】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料改質装置８０の要部斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料改質装置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〜第６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。
【００３９】
燃料改質装置８０のケーシング８２は、全体として縦長の角筒形状に形成されるとともに、前記ケーシング８２内には、上方から下方に向かって改質機構８４、熱交換機構１４、変成機構１６及び気液分離機構１８が一列に配設される。改質機構８４は、波板状の複数の改質触媒８６を備え、前記改質触媒８６が矩形状の容器８８内に配列して構成される。変成機構１６は、上記の改質機構８４と同様に構成してもよい。
【００４０】
第２の実施形態では、全体として縦長の角筒形状に構成されるケーシング８２を採用しているものの、第１の実施形態に係る燃料改質装置１０と同様の効果が得られる。
【００４１】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料改質装置１００の概略構成図である。
【００４２】
燃料改質装置１００は、上方から下方に向かって、改質機構１２、熱交換機構１４、変成機構１０２及び気液分離機構１８が、一列に配設される。変成機構１０２は、屈曲する容器１０４を備え、この容器１０４が矢印Ａ方向にオフセットすることにより、前記容器１０４の一方の側部には、スペース１０６が形成される。このスペース１０６には、障害物、例えば、エアコンプレッサやポンプ等が配置され、燃料改質装置１００を狭小なスペース内に良好に配置することが可能になる。
【００４３】
容器１０４は、熱交換機構１４との連結部分に水平方向から傾斜する傾斜壁面１０４ａ、１０４ｂと、気液分離機構１８との連結部分に水平方向から傾斜する傾斜壁面１０４ｃ、１０４ｄとを備えている。このため、容器１０４内には、水平方向に延在する部分、すなわち、液溜まり部分が発生することがなく、凝縮水が前記容器１０４内に残存することを確実に阻止することが可能になる。
【００４４】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る燃料改質装置１２０の要部斜視説明図である。
【００４５】
燃料改質装置１２０は、改質機構１２２、熱交換機構１２４、変成機構１６及び気液分離機構１８を、上方から下方に向かって一列に配設する。改質機構１２２は、容器１２６内に複数の金属触媒ペレット１２８を収容しており、この金属触媒ペレット１２８は、金属触媒をプレスによって円板状乃至円柱状に構成される。容器１２６の底部には、例えば、ステンレス製のメッシュ板１２９が配設される。
【００４６】
熱交換機構１２４は、容器１３０内に水平方向に延在する複数の配管１３２を備え、この配管１３２に冷却媒体供給管１３４ａ及び冷却媒体排出管１３４ｂが接続される。容器１３０内には、熱交換室１３６が設けられ、この熱交換室１３６には、改質機構１２２から改質ガスが供給される。
【００４７】
このように構成される第４の実施形態では、改質機構１２２が複数の金属触媒ペレット１２８を容器１２６内に収容しており、この改質機構１２２を経済的に製造することができる。また、熱交換機構１２４では、複数の配管１３２内に冷却媒体が供給され、容器１３０の熱交換室１３６に供給される改質ガスと熱交換を行うことにより、この改質ガスを冷却しており、前述した熱交換機構１４と同様の機能を有している。
【００４８】
図６は、本発明の第５の実施形態に係る燃料改質装置１４０の概略構成図である。
【００４９】
燃料改質装置１４０を構成する熱交換機構１４２は、容器１４４内に配設される複数の流路部材１４６を備える。流路部材１４６は、板材を折曲して構成されるとともに、改質機構１２側に突出する傾斜端部１４８を有し、各流路部材１４６内には、冷却媒体流路１５０が形成される。容器１４４内には、各流路部材１４６の間に熱交換室１５２が設けられる。
【００５０】
このように構成される第５の実施形態では、改質機構１２により生成された改質ガスは、各流路部材１４６の上端に設けられている傾斜端部１４８の傾斜に沿って熱交換室１５２に送られ、この熱交換室１５２を前記流路部材１４６の外表面に沿って変成機構１６側に移動する。
【００５１】
その際、各流路部材１４６内に形成される冷却媒体流路１５０には、冷却媒体が供給されており、この冷却媒体と改質ガスとの間で熱交換が行われる。このため、改質ガスは所定の温度に冷却された後、変成機構１６に供給される。
【００５２】
図７は、本発明の第６の実施形態に係る燃料改質装置１６０の概略構成図である。
【００５３】
燃料改質装置１６０は、上方から下方に向かって、改質機構１２、変成機構１６、熱交換機構１４、一酸化炭素選択酸化機構１６２及び気液分離機構１８が一列に配設される。一酸化炭素選択酸化機構１６２は、改質機構１２又は変成機構１６の少なくとも一方と同一に構成されており、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化除去する機能を有する。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、気液分離機構の上方に熱交換機構が配置されるとともに、前記熱交換機構の上方に改質機構が配置されるため、燃料改質装置内で凝縮する水分は、重力によって下方に、すなわち、最下位の気液分離機構に移動して、この気液分離機構により確実に捕集される。従って、熱交換機構や改質機構に凝縮水が残存することがなく、例えば、凝縮水にＨＣやＣＯ２が溶存することによる金属部品の腐食を抑制することができる。
【００５５】
しかも、起動時において、凝縮水が存在しないため、この凝縮水を気化させる気化熱が不要になり、起動エネルギが低減されて効率的な暖機が遂行可能になる。さらに、凝縮水に気体が溶存することがないため、起動時に改質ガスの組成安定化が短時間で行われる。
【００５６】
さらにまた、燃料改質装置内では、最も高温となる改質機構が最上位に配置されている。これにより、起動時に燃料改質装置内に水蒸気が発生しても、この水蒸気が前記燃料改質装置内を上昇して冷却されることがない。このため、水蒸気が液化して高温部に接触することがなく、この高温部の損傷を回避するとともに、凝縮水を再度加熱することによる熱損失を防止することが可能になる。従って、簡単な構成で、凝縮水を容易且つ確実に除去することができ、水素リッチな燃料ガスを効率的に生成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図２】前記燃料改質装置を構成する改質機構の分解斜視説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料改質装置の要部斜視説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る燃料改質装置の要部斜視説明図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る燃料改質装置の概略構成図である。
【図８】特許文献１の燃料改質装置の概略斜視説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００、１２０、１４０、１６０…燃料改質装置
１２、８４、１２２…改質機構    １４、１２４、１４２…熱交換機構
１６、１０２…変性機構          １８…気液分離機構
２０、８２…ケーシング          ２２…蒸発機構
２４…始動燃焼機構              ４０、８６…改質触媒
４２、４３、４６、５２、８８、１０４、１２６、１３０、１４４…容器
４４、１３２…配管              ４８、１３６、１５２…熱交換室
５４…凝縮水貯留部              ５６…ドレン管
５８…改質ガス供給管            ６０…仕切り板
１２８…金属触媒ペレット        １４６…流路部材
１５０…冷却媒体流路            １６２…一酸化炭素選択酸化機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004345935.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004345935.tif 000007
【図６】
2004345935.tif 000008
【図７】
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【図８】
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