(57)【要約】【課題】積層される単位セルの面圧を均一に維持するとともに、構成の簡素化を図ることを可能にする。【解決手段】複数の単位セル１２が積層された積層体１４は、ケース部材２６内に収容されるとともに、前記積層体１４内に所定数の単位セル１２に対応して中間プレート２８が配設される。中間プレート２８は、支持機構３０を介しケース部材２６に対して単位セル１２の積層方向に進退可能に、かつ積層方向に平行度を維持して支持されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体がケース部材内に収容された燃料電池スタックであって、
前記積層体内に、積層方向の所定の位置に対応して配設される中間プレートと、
前記中間プレートを、前記ケース部材に対して前記単位セルの積層方向に進退可能にかつ前記積層方向に平行度を維持して支持する支持機構と、
を備え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、前記支持機構は、前記中間プレートに固定されるガイド部材と、
前記ケース部材に設けられ、前記ガイド部材を前記積層方向に案内するガイド溝と、
を備え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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータを介して複数積層された燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池が知られている。この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）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）をセパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより、単位セルが構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池（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ることにより、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、例えば、ケース内に収容されており、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士が加圧機構によって加圧保持されている。
【０００５】
上記の燃料電池スタックとして、例えば、特許文献１の燃料電池が知られている。この特許文献１では、図８に示すように、ケース１内にスタック２が収容されている。このスタック２の一端に燃料等給排部３が配置されるとともに、前記スタック２の他端にプレッシャプレート４が配置されている。プレッシャプレート４には、プレートガイド５が設けられており、このプレートガイド５は、ケース１の内壁面に積層方向に延在して設けられるレール部６に係合している。プレッシャプレート４は、加圧機構７を介して燃料等給排部３に向かって加圧されている。
【０００６】
このような構成において、加圧機構７を介してプレッシャプレート４が加圧される際、このプレッシャプレート４に設けられたプレートガイド５と、ケース１の内壁面に設けられたレール部６との案内作用下に、前記プレッシャプレート４が傾くことがなく、スタック２を確実に加圧することができる、としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１８９０２５号公報（段落［００９２］、［００９３］、図１６）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、加圧機構７の作用下に、スタック２の端部からプレッシャプレート４を介して前記スタック２に加圧力を付与する際、前記スタック２を構成する各単位セル毎に平行度を維持することは困難である。
【０００９】
例えば、各単位セルを構成するセパレータが、薄板状の金属セパレータで構成される際には、このセパレータの平行度を出すことは極めて難しい。従って、複数の単位セルが積層されたスタック２では、少なくとも一部の単位セルに作用する面圧を均一に維持することができない。これにより、スタック２内の接触抵抗が上昇するとともに、セパレータに所望のシール性を確保することができないという問題が指摘されている。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、積層される各単位セルの面圧を均一に維持するとともに、構成の簡素化を図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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層されて積層体が構成されるとともに、前記積層体がケース部材内に収容されている。
【００１２】
そして、積層体内には、積層方向の所定の位置、すなわち、所定数の単位セルに対応して中間プレートが配設されるとともに、前記中間プレートは、支持機構を介しケース部材に対して前記単位セルの積層方向に進退可能にかつ前記積層方向に平行度を維持して支持されている。
【００１３】
このように、積層体内は、中間プレートを介して所定数の単位セル毎に分割されているため、各単位セルの形状誤差が累積されて前記積層体が積層方向に傾くおそれがない。しかも、中間プレートは、支持機構の作用下に、積層方向に平行度を維持して進退可能である。従って、中間プレートは、積層体の膨潤や熱応力等による伸縮にも良好に追随するとともに、前記積層体が積層方向に傾くことを確実に阻止することができる。これにより、積層体の真直度を向上させて前記積層体全体の寸法の安定化を図ることが可能になる。さらに、積層体内の面圧を均一に維持することができ、簡単な構成で、積層体内の接触抵抗の低減を図るとともに、所望のシール性を確保して発電性能の向上が容易に可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、支持機構が、中間プレートに固定されるガイド部材と、ケース部材に設けられ、前記ガイド部材を積層方向に案内するガイド溝とを備えている。このため、支持機構の構造が有効に簡素化され、前記支持構造を、小型に、しかも経済的に構成することができる。
【００１５】
【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電池スタック１０の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂと、インシュレータ板１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが外方に向かって、順次、配設される。ターミナル端子板１６ａ、１６ｂの中央部には、積層方向に突出して柱状の端子部２２ａ、２２ｂが形成されるとともに、前記端子部２２ａ、２２ｂは、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの中央部から積層方向に突出する円筒部２４ａ、２４ｂに挿入される。
【００１７】
エンドプレート２０ａ、２０ｂは、ケース部材２６を介して一体的に結合される。積層体１４内には、積層方向の所定の位置に対応して、例えば、２枚の中間プレート２８が配設される。中間プレート２８は、支持機構３０を介しケース部材２６に対して単位セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）に進退可能にかつ平行度を維持して支持される。
【００１８】
図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３４と、前記電解質膜・電極構造体３４を挟持する第１および第２セパレータ３６、３８とを備える。第１および第２セパレータ３６、３８は、例えば、金属製の板材により構成されている。なお、第１および第２セパレータ３６、３８をカーボン材等により構成してもよい。
【００１９】
電解質膜・電極構造体３４と第１および第２セパレータ３６、３８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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供給連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４ｂが設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体３４と第１および第２セパレータ３６、３８の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体３４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４６と、該固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える。
【００２２】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０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た電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４６の両面に接合されている。
【００２３】
第１セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３４に向かう面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部を設ける。第１セパレータ３６の面３６ｂには、冷却媒体供給連通孔４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部を設ける。
【００２４】
第２セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３４に向かう面３８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部からなる酸化剤ガス流路５６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５６は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとに連通する。
【００２５】
図２に示すように、中間プレート２８は、第１および第２セパレータ３６、３８と同様に金属製の板材（例えば、ＳＵＳ材）で形成されている。この中間プレート２８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の両端部および／または短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端部に、第１の実施形態では、短辺方向の両端部に、それぞれ２つのガイド部材６０が所定の位置に設けられる。ガイド部材６０は、矢印Ａ方向に長尺な長方形状の板材で構成されており、中間プレート２８に溶接、接着またはねじ止め等により固定される。
【００２６】
中間プレート２８は、積層体１４内において所定数の単位セル１２を仕切るようにして配設されており、この単位セル１２の数は、使用状態や各種構成部材の寸法および材質等によって設定されている。
【００２７】
ケース部材２６は、図４に示すように、下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄを備えており、これらがボルト６６を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに固定される。下板６４ａおよび上板６４ｂの内面には、２枚の中間プレート２８に設けられている各ガイド部材６０に対応して、それぞれ４つのガイド溝６８が設けられる。ガイド溝６８は、矢印Ａ方向に所定の長さにわたって設けられるとともに、矢印Ｂ方向（幅方向）の寸法がガイド部材６０の幅寸法と略同一に設定される。ガイド部材６０およびガイド溝６８により、支持機構３０が構成される。
【００２８】
図１に示すように、エンドプレート２０ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａおよび燃料ガス排出連通孔４４ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス供給口８０ａ、冷却媒体供給口８２ａおよび燃料ガス排出口８４ｂが設けられる。エンドプレート２０ａの長辺方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂおよび酸化剤ガス排出連通孔４０ｂにそれぞれ連通する燃料ガス供給口８４ａ、冷却媒体排出口８２ｂおよび酸化剤ガス排出口８０ｂが設けられる。
【００２９】
このように構成される燃料電池スタック１０を組み立てる作業について、以下に説明する。
【００３０】
まず、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層されるとともに、所定数、例えば、２つの中間プレート２８が介装されて積層体１４が得られる。この積層体１４の積層方向両端には、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂ、インシュレータ板１８ａ、１８ｂおよびエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。その際、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂの端子部２２ａ、２２ｂは、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの円筒部２４ａ、２４ｂに挿入されている。
【００３１】
そこで、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間に所定の押圧荷重が付与された状態で、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂにケース部材２６が取り付けられる。このケース部材２６では、下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄがボルト６６を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂの側部にねじ止め固定される。このため、積層体１４には、ケース部材２６を介して所定の締め付け荷重が付与されている。
【００３２】
この場合、支持機構３０では、各中間プレート２８に固定されているガイド部材６０が、下板６４ａおよび上板６４ｂに設けられているガイド溝６８に挿入される。ガイド溝６８は、幅方向の寸法がガイド部材６０の幅方向と略同一に設定されるとともに、前記ガイド溝６８が矢印Ａ方向に所定の長さを有している。従って、中間プレート２８は、積層方向（矢印Ａ方向）に進退可能に、かつ平行度を維持して支持機構３０により支持される。
【００３３】
次いで、上記のように組み立てられた燃料電池スタック１０の動作について、説明する。
【００３４】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給口８４ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口８０ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口８２ａから純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が矢印Ａ１方向に直列的に供給される。
【００３５】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから第２セパレータ３８の酸化剤ガス流路５６に導入され、電解質膜・電極構造体３４のカソード側電極５０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第１セパレータ３６の燃料ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３４のアノード側電極４８に沿って移動する。
【００３６】
従って、各電解質膜・電極構造体３４では、カソード側電極５０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４８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。
【００３７】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４ｂに排出されて矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの燃料ガス排出口８４ｂから排出される。同様に、カソード側電極５０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出口８０ｂから排出される。
【００３８】
また、冷却媒体供給口８２ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４２ａから第１セパレータ３６の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４２ｂを矢印Ａ２方向に移動し、エンドプレート２０ａの冷却媒体排出口８２ｂから排出される。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、積層体１４内には、所定数の単位セル１２に対応して中間プレート２８が配設されるとともに、前記中間プレート２８は、支持機構３０を介しケース部材２６に対して前記単位セル１２の積層方向に進退可能に、かつ平行度を維持して支持されている。
【００４０】
このように、積層体１４内は、中間プレート２８を介して所定数の単位セル１２毎に分割されているため、各単位セル１２の形状誤差が累積されて、前記積層体１４が積層方向に傾くおそれがない。しかも、中間プレート２８は、支持機構３０の作用下に、積層方向に平行度を維持して進退可能である。従って、中間プレート２８は、積層体１４の膨潤や熱応力等による伸縮に良好に追随するとともに、前記積層体１４が積層方向に傾くことを確実に阻止することができる。このため、積層体１４の真直度を向上させて前記積層体１４全体の寸法の安定性を良好に向上させることが可能になる。
【００４１】
特に、各単位セル１２を構成する第１および第２セパレータ３６、３８を金属製の薄板で構成する際には、この第１および第２セパレータ３６、３８の平行度を出すことは極めて難しい。その際、第１の実施形態では、中間プレート２８が平行度を維持することにより、各単位セル１２の平行度を有効に維持することができ、積層体１４内を均一な面圧に確保することが可能になる。これにより、簡単な構成で、積層体１４内の接触抵抗の低減を図るとともに、所望のシール性を確保することができ、発電性能の向上が容易に可能になるという効果が得られる。
【００４２】
さらに、支持機構３０は、中間プレート２８に固定される板状のガイド部材６０と、ケース部材２６に設けられるガイド溝６８とを備えている。このため、支持機構３０の構造が有効に簡素化され、前記支持機構３０を小型に、しかも経済的に構成することができる。
【００４３】
なお、第１の実施形態では、中間プレート２８の短辺方向の両端部にそれぞれ２つのガイド部材６０が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、この中間プレート２８の短辺方向一端である下端に２つのガイド部材６０を設ける一方、短辺方向他端である上端に１つの前記ガイド部材６０を設けてもよい。また、支持機構３０は、ケース部材２６の上下に設けられているが、このケース部材２６の左右両側に設けてもよい。
【００４４】
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９０の概略斜視図である。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。なお、以下に示す第３および第４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。
【００４５】
燃料電池スタック９０は、支持機構９２を備える。この支持機構９２は、中間プレート２８の長辺方向の両端部および／短辺方向の両端部に、それぞれ所定数、例えば、２つずつ設けられる円板状のガイド部材９４と、ケース部材２６の内面に前記ガイド部材９４に対応して積層方向（矢印Ａ方向）に長尺に設けられるガイド溝９６とを備える。ガイド溝９６は、ガイド部材９４の直径と略同一の幅寸法に設定されており、前記ガイド部材９４が前記ガイド溝９６に嵌合した状態で、該ガイド部材９４の矢印Ｂ方向への移動が規制される。
【００４６】
このように構成される第２の実施形態では、中間プレート２８は、支持機構９２の作用下に積層方向に平行度を維持して進退可能である。このため、積層体１４内の面圧を均一に維持し、簡単な構成で、接触抵抗の低減を図るとともに、所望のシール性を確保することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略斜視図である。
【００４８】
この燃料電池スタック１００は、支持機構１０２を備える。支持機構１０２を構成するガイド部材１０４は、中間プレート２８に固定される軸部１０６ａを有し、この軸部１０６ａに円板部１０６ｂが設けられて前記ガイド部材１０４が構成される。ケース部材１６には、軸部１０６ａを矢印Ａ方向に案内するための開口部（ガイド溝）１０８が形成される。ガイド部材１０４の円板部１０６ｂは、ケース部材２６の外部に突出しており、軸部１０６ａは、開口部１０８に挿入された状態で、中間プレート２８に、例えば、ねじ止め等によって固定される。
【００４９】
このように構成される第３の実施形態では、ガイド部材１０４は、軸部１０６ａと開口部１０８との案内作用下に、積層方向に進退可能とするとともに、中間プレート２８の平行度を維持することができる。従って、第３の実施形態では、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、ケース部材２６には、開口部１０８を設けるだけでよい。これにより、ケース部材２６の厚さを有効に薄肉化することができ、燃料電池スタック１００全体の小型化が容易に図られるという利点が得られる。
【００５０】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の概略斜視図である。
【００５１】
この燃料電池スタック１１０は、支持機構１１２を備える。この支持機構１１２を構成する長方形状のガイド部材１１４は、中間プレート２８に固定される。ケース部材２６には、矢印Ａ方向に延在して開口部１１６が形成され、この開口部１１６の幅寸法は、ガイド部材１１４の幅寸法と略同一寸法に設定される。ケース部材２６の外面には、ガイド部材１１４の幅方向両端部を支持して、矢印Ａ方向に延在するガイドバー１１８ａ、１１８ｂが固定される。
【００５２】
このように構成される第４の実施形態では、中間プレート２８に固定されたガイド部材１１４は、２本のガイドバー１１８ａ、１１８ｂの案内作用下に、矢印Ａ方向に進退可能であるとともに、この中間プレート２８は平面度を維持することができる。これにより、積層体１４内の接触抵抗の低減を図り、かつ所望のシール性を確保するとともに、ケース部材２６全体の薄肉化が容易に図られるという効果が得られる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックは、積層体内で中間プレートを介して所定数の単位セル毎に分割されているため、各単位セルの形状誤差が累積されて前記積層体が積層方向に傾くおそれがない。しかも、中間プレートは、支持機構の作用下に、積層方向に平行度を維持して進退可能である。従って、中間プレートは、積層体の膨潤や熱応力等による伸縮に良好に追随するとともに、前記積層体が積層方向に傾くことを確実に阻止することができ、前記積層体内の面圧を均一に維持することが可能になる。これにより、簡単な構成で、積層体内の接触抵抗の低減を図るとともに、所望のシール性を確保して発電性能の向上が容易に可能になる。
【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電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する中間プレート、支持機構およびケース部材の斜視説明図である。
【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概略斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図８】特許文献１の燃料電池の内部概略説明図である。
【符号の説明】
１０、９０、１００、１１０…燃料電池スタック
１２…単位セル                  １４…積層体
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート  ２６…ケース部材
２８…中間プレート              ３０、９２、１０２、１１２…支持機構
３４…電解質膜・電極構造体      ３６、３８…セパレータ
６０、９４、１０４、１１４…ガイド部材
６４ａ…下板                    ６４ｂ…上板
６４ｃ、６４ｄ…側板            ６８、９６…ガイド溝
１０６ａ…軸部                  １０６ｂ…円板部
１０８、１１６…開口部          １１８ａ、１１８ｂ…ガイドバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004207054.tif 000006
【図５】
2004207054.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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