(57)【要約】【課題】燃料電池システムの水タンクへの水の逆流を阻止する。【解決手段】純水を貯留する水タンクを備えた燃料電池システムにおいて、水タンクから純水を流出する流路５、６に、水タンク１からの水の流出を許可し、前記流路を通じて水タンク１へ水が逆流することを禁止する弁手段８、９を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純水を貯留する水タンクを備えた燃料電池システムにおいて、
水タンクから純水を外部へ流出する流路に、水タンクからの水の流出を許可し、前記流路を通じて水タンクへ水が逆流することを禁止する弁手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記弁手段は、水の圧力に応動する逆止弁であ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。
【請求項３】
前記水タンク外部の水位を検出する外部水位検出手段を備え、
前記弁手段は、検出された外部水位に応じて前記流路の純水の出入を制御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。
【請求項４】
前記水タンク外部の水位を検出する外部水位検出手段と、
検出された外部水位に応じて前記弁手段の開閉を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、前記検出された外部水位が所定水位以下の時に前記弁手段を開き、純水を流出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。
【請求項５】
前記水タンク内部の水位を検出する内部水位検出手段と、
検出された内部水位に応じて前記弁手段の開閉を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記検出された内部水位が所定水位以上の時に前記弁手段を開き、純水を流出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。
【請求項６】
前記水タンク内の圧力を上昇させる圧力上昇手段を備え、
前記弁手段を開いて純水を流出するときに、水タンク内の圧力を上昇させておくことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水タンク内の圧力を上昇させる圧力上昇手段と、
前記水タンク内の圧力を検出する内部圧力検出手段と、
検出された水タンク内部圧力に応じて前記弁手段の開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記圧力上昇手段によって上昇した水タンク内圧力が所定圧力以上の時に前記弁手段を開き、純水を流出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。
【請求項８】
前記水タンク内の圧力を上昇させる圧力上昇手段を備え、
前記弁手段は、前記水タンクの内部圧力に応じて開閉するリリーフ弁であり、前記水タンク内の圧力が所定圧力以上の時に前記リリーフ弁が開き、純水が流出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。
【請求項９】
前記水タンク内の圧力を上昇させる圧力上昇手段と、
前記水タンク内の圧力を検出する内部圧力検出手段と、
前記水タンク外の圧力を検出する外部圧力検出手段と、
検出された水タンク内部圧力と外部圧力との差圧に応じて前記弁手段の開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記水タンク内外圧力の差圧が所定差圧以上の時に前記弁手段を開き、純水を流出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。
【請求項１０】
前記水タンクの水位を検出する水位検出手段を備え、
前記水タンクからの純水の流出は、水タンクの水位が所定水位以上の時に流出することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記純水が流出する流路は、ドレン流路とオーバーフロー流路とからなり、これら流路の出口高さは同一であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記純水が流出する流路は、ドレン流路とオーバーフロー流路とからなり、これら流路の出口は共通であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、純水を貯留する水タンクを備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいては、燃料電池の高分子膜の湿潤状態を維持するために、空気や水素を加湿し、高分子膜に純水を供給する必要がある。また、燃料電池の冷却のための冷却水として純水を使用する場合がある。このために燃料電池システムに純水を保持する純水タンクを設置する（特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１９６７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の純水タンクにおいては、余剰水を流出するために、オーバーフロー配管が設置される場合が多く、車両の床下に燃料電池システムを設置した場合では、車両が冠水した道路を走行した際に、オーバーフロー配管から外部の導電率の悪い液体がタンクに浸入する恐れがある。
【０００５】
また、冠水時にオーバーフロー配管から逆流しない場合でも、タンクの排水を行うためのドレンよりタンク内に逆流し、水タンク内の純水の導電率を悪化させる恐れがある。
【０００６】
しかし、これらのオーバーフローやドレンを設ける純水タンクが冠水する場合に、オーバーフロー流路やドレン流路からの外部の水の浸入を防止できない。この結果、燃料電池の性能や信頼性、寿命を劣化させることに繋がる。
【０００７】
したがって、本発明においては、上記の技術的課題を鑑みて、ドレンやオーバーフロー流路からタンク内に逆流することを防止する水タンクを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、純水を貯留する水タンクを備えた燃料電池システムにおいて、水タンクから純水を流出する流路に、水タンクからの水の流出を許可し、前記流路を通じて水タンクへ水が逆流することを禁止する弁手段、又は、圧力調整手段を備える。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、水タンクからの水の流出を可能とするとともに、水タンクへの外部からの水の逆流を弁手段により確実に遮断することができる。これにより水タンク内の純水の導電率の悪化を防止し、燃料電池の性能や信頼性、寿命を劣化させることを防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の水タンクと水タンクに接続される流路とを説明する構成図である。水タンク１には、例えば、図示しない燃料電池を冷却した水が戻る戻り流路２と、燃料電池を冷却する水が送られる送り流路３と、送り流路３に設置された冷却水を循環させるためのポンプ４とから構成される。さらに水タンク１には純水をドレンするためのドレン流路５と、所定水量を越えた場合に純水や水タンク内のガスを流出するためのオーバーフロー流路６が接続される。
【００１１】
ドレン流路５には、後述するコントローラ１５によって開閉制御される第一遮断弁７と、その下流に、水の圧力に応動し、水タンク１からドレンされる水を流通させる一方、外部から水タンク１への外部からの水の逆流を遮断する第一逆止弁８が設置される。またオーバーフロー流路６には、水の圧力に応動し、水タンク１からオーバーフローされる水を流通させる一方、外部から水タンク１への水の逆流を遮断する第二逆止弁９が設置される。
【００１２】
このような水タンク１の構成により、水タンク１のドレン及びオーバーフロー時の水の流出を可能とするとともに、ドレン流路５あるいはオーバーフロー流路６を逆流する外部からの水を逆止弁８、９により確実に遮断することができる。これにより水タンク内の純水の導電率の悪化を防止し、燃料電池の性能や信頼性、寿命を劣化させることを防止できる。
【００１３】
図２は、本発明の第２の実施形態の構成を説明する構成図である。この実施形態は、第１の実施形態の第一、第二逆止弁８、９に代えて、外部の水位に応じてドレン流路５とオーバーフロー流路６とをそれぞれ遮断する遮断弁１１、１２を設置した実施形態である。遮断弁１１、１２は、それぞれのフロートの上下位置に応じてドレン流路５とオーバーフロー流路６とをそれぞれ遮断するフロート弁である。
【００１４】
この実施形態では、外部の水位が所定水位以上に上昇した時にドレン流路５とオーバーフロー流路６とを、例えばフロートの作用により遮断する遮断弁１１、１２を設けたので、冠水時のような外部水位が高いときに、外部から水タンク１へ浸入する水を遮断できるとともに、通常時においては遮断弁１１、１２は開放されており、これら流路５、６を水が通過するときの通過圧損を低減することができる。
【００１５】
図３は、本発明の第３の実施形態の構成を説明する構成図である。この実施形態は、第１の実施形態の第一、第二逆止弁８、９に削除するとともに、タンク外部の水位を検出する手段１０と、水タンク１内の水位を検出する手段１３と、オーバーフロー流路６に第二遮断弁１４を設置した実施形態である。ここで、第一遮断弁７と第二遮断弁１４は、外部水位と水タンク１の水位に応じて、その開閉をコントローラ１５によって制御される弁である。
【００１６】
図４は、第３の実施形態の遮断弁７の制御内容を説明するフローチャート図である。この制御はコントローラ１５によって行われるものである。
【００１７】
まずステップ１で、水位検出手段１３を用いて水タンク内の水位を検出し、水タンク１内の水位が所定水位を超えたかどうかを判定し、超えていればステップ２に進み、越えていなければステップ１の水位判定を繰り返す。なお、水タンク１内の所定水位とは、例えば、車両が傾斜地に停止時に、他の部品からの水の流出が生じないことや、燃料電池システム停止時に水流路から水タンク１内に水が逆流し、水タンク１のオーバーフロー流路６から水が流出されることを防止することを考慮して、水タンク容量と形状を応じて設定する水位である。以下の説明に用いる所定水位についても同様である。
【００１８】
ステップ２では、水タンク１外部の水位を外部水位検出手段１０を用いて検出し、この検出した外部水位が、ステップ１で検出した水タンク１内の水位以下かどうかを判定する。外部水位が水タンク１内の水位より高い場合には、ドレン流路５から外部の水が水タンク１内に逆流する恐れがあるため、ステップ３で第一遮断弁７を閉じ、ステップ２に戻る。
【００１９】
外部水位が水タンク１内の水位以下の場合には、ステップ４に進み、外部の水が水タンク１内に逆流する恐れがないとして第一遮断弁７を開いて、水タンク１内の純水を外部にドレンし、水タンク１内の水量を減少させる。続くステップ５で、水タンク１内の水位が所定水位以下まで減ったかどうかを判定する。減っていない場合にはステップ２に戻り、減っていればステップ６に進み、第一遮断弁７を閉じてドレンを終了する。
【００２０】
図５は、第３の実施形態の第二遮断弁１４の制御内容を説明するフローチャート図である。この制御はコントローラ１５によって行われるものである。
【００２１】
まずステップ１１で第二遮断弁１４を開放して水タンク１内の圧力を大気圧とする。続くステップ１２で、外部水位が水タンク１内の水位以下かどうかを判定し、外部水位が水タンク１内の水位より高い場合にはステップ１３に進み、オーバーフロー流路６から外部の水が水タンク内に逆流する恐れがあるとして第二遮断弁１４を閉じ、ステップ１２に戻る。外部水位が水タンク１内の水位以下の場合には、逆流する恐れがないとして、第二遮断弁１４を開放して、制御を終了する。
【００２２】
この実施形態にでは、水タンク１内の水位と外部の水位とを比較し、外部水位が水タンク１内の水位より高い場合に、各流路を遮断する遮断弁７、１４を閉じるので、確実に外部からの水タンクへの逆流を防止できるとともに、逆止弁を設ける必要がないため、水が流路５、６を通過するときの圧力損失を低減できる。
【００２３】
図６は、本発明の第４の実施形態の構成を説明する構成図である。この実施形態は、第３の実施形態に対して水タンク１内の圧力を上昇させる手段１６、例えば水タンク１内に空気を導入するコンプレッサ、を追加した構成である。
【００２４】
図７は第４の実施形態の制御内容を説明するためのフローチャートである。
【００２５】
まずステップ２１で、水位検出手段１３の検出値を読み込んで水タンク１内の水位が所定水位を超えたかどうかを判定する。水位が所定水位を超えていればステップ２２に進み、オーバーフロー時に用いる第二遮断弁１４を閉じる。第二遮断弁１４を閉じることで水タンク内は密封状態となり、この状態で圧力上昇手段１６を運転することで水タンク１内の圧力は上昇する。水タンク１内の圧力を上昇させた後、第一遮断弁７を開き、純水を排水する。
【００２６】
そしてステップ２３で、水タンク１内の水位が所定水位以下となったかどうかを判定し、所定水位以下であればステップ２４で第一遮断弁７を閉じて制御を終了し、所定水位を超えていればステップ２５で第一遮断弁７の開状態を維持して排水を継続し、ステップ２２に戻り、水位判定を繰り返す。
【００２７】
このように水タンク１内の圧力を上昇させる手段１６を設けたことにより、水タンク内の水位調整時（第一遮断弁７が開いた状態）に、外部から水が逆流するような場合でも水タンク１内の圧力が高いため、水の逆流を防止することができる。
【００２８】
図８は、本発明の第５の実施形態の構成を説明する構成図である。この実施形態は、第４の実施形態の構成に水タンク１内の圧力を検出する手段１７を追加した構成である。
【００２９】
図９は第５の実施形態の制御内容を説明するためのフローチャートである。
【００３０】
これについて説明すると、ステップ３１で、水位検出手段１３の検出結果に基づいて水タンク１内の水位が所定水位を超えたかどうかを判定する。水位が所定水位を超えていればステップ３２に進み、第二遮断弁１４を閉じて圧力上昇手段１６の作用により水タンク１内の圧力を上昇させる。続くステップ３３で上昇した水タンク１内の圧力を圧力検出手段１７により検出し、検出値を読み込み、水タンク１内の圧力が所定圧以上かどうかを判定する。所定圧以上であればステップ３４に進み、所定圧に達していなければステップ３５に進む。ここで所定圧とは、水タンク内１の水位が外部水位より低い場合でも、外部の水が水タンク１内に逆流を阻止できる圧力である。
【００３１】
ステップ３５では、水タンク１内の圧力が上昇しているかどうかを判定し、上昇していれば、ステップ３３に戻り、上昇していなければ圧力上昇が確認できるまで判定を繰り返す。
【００３２】
一方、ステップ３４では、第一遮断弁７を開いてドレンし、ステップ３６で水タンク１内の水位が所定水位以下かどうかを判定する。所定水位以下であればステップ３７に進み、第一遮断弁７を閉じてドレンを終了し、所定水位を超えていればステップ３８に進み、第一遮断弁７の開状態を維持し、ステップ３６に戻る。
【００３３】
この実施形態においては、水タンク１内の圧力を検出する手段１７を設けたので、第４の実施形態よりもより精度良く水タンク１内の圧力を把握でき、外部からの水の逆流を確実に防止できる。
【００３４】
図１０に示す第６の実施形態は、第５の実施形態に対して、第一遮断弁７を削除し、作用する圧力に応じて開閉する圧力応動式のリリーフ弁１８、１９をドレン流路５とオーバーフロー流路６に設置した構成である。このリリーフ弁１８、１９を用いることで、水タンク１内外の圧力差に応じてリリーフ弁１８、１９が開閉し、所定差圧以上の時にリリーフ弁１８、１９が開き、純水を流出でき、また外部からの水の浸入を防止することができる。
【００３５】
この実施形態に対してコントローラ１５が実施する制御についてのフローチャートを図１１に示す。
【００３６】
ステップ４１では、水位検出手段１３の検出結果に基づいて水タンク１内の水位が所定水位を超えたかどうかを判定する。所定水位を超えていれば、続くステップ４２で、第２遮断弁１４を閉じて、圧力上昇手段１６を用いて水タンク１内の圧力を上昇させる。所定水位を越えていなければ、水位判定を繰り返す。
【００３７】
ステップ４３において水タンク１内の圧力が上昇して水タンク１内外の圧力差が所定差圧に達すると、リリーフ弁１８が開き、純水が流出される。ステップ４４で、水タンク１内水位を水位検出手段１３で検出し、水位が所定水位以下かどうかを判定する。所定水位以下であれば、ステップ４５に進み、第二遮断弁１４を開き、排水を終了する。一方、所定水位を越えている場合にはステップ４６に進み、第二遮断弁１４の閉状態を維持し、水タンク１内圧力を上昇させて、ステップ４４に戻る。
【００３８】
したがって、所定差圧に達することで弁が開くリリーフ弁をドレン流路５とオーバーフロー流路６に設けることで、圧力上昇手段１６により水タンク１内の圧力を上昇させて、外部の圧力との差圧が所定差圧のときにリリーフ弁が開くので、水タンク１内の純水を外部に排出できるとともに、外部から水が逆流することがない。
【００３９】
図１２に示す第７の実施形態は、第６に実施形態に対して、水タンク１内の圧力を検出する手段２０を追加した構成である。
【００４０】
水タンク１内の圧力を検出し、タンク内圧力が所定圧力に達したことを検出することで、リリーフ弁１８、１９の開閉状態を把握でき、確実に純水の排水を認識できる。
【００４１】
図１３は本実施形態でのコントローラ１５が行う制御内容を説明するフローチャートである。
【００４２】
ステップ５１では、水位検出手段１３の検出結果に基づいて水タンク１内の水位が所定水位を超えたかどうかを判定する。所定水位を超えていれば、続くステップ５２で、第２遮断弁１４を閉じて、圧力上昇手段１６を用いて水タンク１内の圧力を上昇させる。
【００４３】
ステップ５３で、水タンク１内の圧力を検出する圧力検出手段２０の検出値を読み込み、水タンク１内の圧力が所定圧力以上かどうかを判定する。水タンク１内圧力が所定圧力以上であれば、ステップ５４に進み、水タンク１内外での圧力差が、リリーフ弁１８が開く圧力差となり、リリーフ弁１８が開き、水タンク１内の純水が流出される。一方、所定圧力に達していなければ、ステップ５５に進み、第二遮断弁１４の閉状態を維持し、水タンク１内圧力を上昇させて、ステップ５３に戻る。
【００４４】
ステップ５４に続くステップ５６で、水タンク１内水位を水位検出手段１３で検出し、水位が所定水位以下かどうかを判定する。所定水位以下であれば、ステップ５７に進み、第二遮断弁１４を開き、排水を終了する。一方、所定水位を越えている場合にはステップ５８に進み、第二遮断弁１４の閉状態を維持し、水タンク１内圧力を上昇させて、排水を促進し、ステップ５６に戻る。
【００４５】
このような水タンク１内の圧力を検出する手段１３を備えた構成とすることで、水タンク１内の圧力を正確に検知でき、リリーフ弁の作動状態を確認できる。
【００４６】
図１４は、本発明の第８の実施形態の構成を説明する構成図である。この実施形態は、第５の実施形態の構成に第一遮断弁７の下流にドレン流路５の圧力を検出する手段２１を追加した構成である。
【００４７】
この実施形態では、水タンク１の内外の圧力を検出する手段１７、２１を備え、水タンク１の外部の圧力が高い場合、つまり、ドレン流路５が水に浸るような状態では、水タンク内に外部から水が逆流する恐れがあるため、第一遮断弁７を閉じて水タンク１への水の逆流を防止する。
【００４８】
図１５は、第８の実施形態のコントローラ１５が行う制御内容を説明するフローチャートである。
【００４９】
これについて説明すると、ステップ６１では、水位検出手段１３の検出結果に基づいて水タンク１内の水位が所定水位を超えたかどうかを判定する。所定水位を超えていれば、続くステップ６２に進み、越えていなければ、水位判定を繰り返す。
【００５０】
ステップ６２では、第２遮断弁１４を閉じて圧力上昇手段を作動させて水タンク１内の圧力を上昇させる。そしてステップ６３で、圧力検出手段１７、２１の検出値を読み込んで、水タンク１内の圧力が、外部の圧力以上かどうかを判定する。
【００５１】
水タンク１内の圧力が外部圧力以上であれば、ステップ６４に進み、第一遮断弁７を開いて純水を外部に流出し、外部圧力が高ければステップ６５に進み、水タンク１内の圧力上昇状態を維持し（第一遮断弁７は閉じたまま）、ステップ６３に戻り、圧力判定を繰り返す。
【００５２】
ステップ６４に続くステップ６６では、水タンク１内の水位検出手段１３の検出値を読み込んで、所定水位以下かどうかを判定する。所定水位以下であれば、ステップ６７に進み、水タンク１内の純水量が適正量に回復したとして第一遮断弁７を閉じて排水を終了させる。一方、所定水位を超えていれば、ステップ６８に進み、第一遮断弁７の開状態を維持し、ステップ６６に戻り、水位判定を繰り返す。
【００５３】
図１６は第９の実施形態の構成を示しており、この実施形態は、第８の実施形態に対して、ドレン流路５とオーバーフロー流路６の出口を下向きにかつ同一高さとした構成である。道路の冠水等により、水タンク１からの流出口のすべてが塞がれるので、水タンク１内の圧力が上昇し、外部の圧力より高い状態となり、水タンク１内に外部からの水が逆流することを防止できる。
【００５４】
図１７は第１０の実施形態の構成を示しており、この実施形態は、第９の実施形態に対して、水タンク１内の圧力を検出する手段２２を追加した構成である。圧力検出手段２２を備えたので、冠水時等水タンク内の圧力上昇を検知でき、水タンク内の圧力が上昇して外部からの逆流が確認できるだけでなく、外部の水位を検出するためのセンサ等を用いることなく、流路出口が冠水したことやその水位を検知できる。
【００５５】
図１８は第１１の実施形態の構成を示しており、この実施形態は、第９の実施形態に対して、ドレン流路５とオーバーフロー流路６の出口を共通として１つの出口とした構成である。出口を１つに集約したことで、第９の実施形態のような複数の出口間に生じるわずかな圧力差に基づく水の逆流を抑制し、冠水時にも水タンク１への逆流を確実に阻止できる。
【００５６】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの水タンクの構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図３】第３の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図４】第３実施形態の遮断弁の制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】第３実施形態の第二遮断弁の制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】第４の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図７】第４実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図８】第５の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図９】第５実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１０】第６の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図１１】第６実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１２】第７の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図１３】第７実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１４】第８の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図１５】第８実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１６】第９の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図１７】第１０の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【図１８】第１１の実施形態の水タンクの構成を示す図である。
【符号の説明】
１  水タンク
２  戻り流路
３  送り流路
４  ポンプ
５  ドレン流路
６  オーバーフロー流路
７  第一遮断弁
８  第一逆止弁
９  第二逆止弁
１１  遮断弁
１２  遮断弁
１３  水位検出手段
１４  第二遮断弁
１５  コントローラ
１６  圧力上昇手段
１７  圧力検出手段
１８、１９  リリーフ弁
２０、２１、２２  圧力検出手段
【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】
2004259468.tif 000015
【図１４】
2004259468.tif 000016
【図１５】
2004259468.tif 000017
【図１６】
2004259468.tif 000018
【図１７】
2004259468.tif 000019
【図１８】
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