(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と燃料電池用金属セパレータとが積層される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜と加湿器用金属セパレータとが積層される平膜型加湿器とを、積層方向に積層して構成される燃料電池システムであって、
前記固体高分子型燃料電池及び前記平膜型加湿器は、前記積層方向に一体的に締め付けられるとともに、
前記平膜型加湿器全体の前記積層方向に対するばね定数は、前記固体高分子型燃料電池全体の前記積層方向に対するばね定数よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿器用金属セパレータに設けられる流路溝は、前記燃料電池用金属セパレータに設けられる流路溝よりも深さ方向の寸法が大きく設定されることにより、前記平膜型加湿器全体の前記積層方向に対するばね定数は、前記固体高分子型燃料電池全体の前記積層方向に対するばね定数よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記平膜型加湿器には、前記積層方向に対するばね定数を調整するためのばね機構が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する平膜型加湿器とが、積層方向に積層される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子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、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている。
【０００４】
ところで、燃料電池内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく電極面に付与される面圧が均一になるように、燃料電池スタック全体に所望の締め付け力を付与する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図９に示すように、電解質膜・電極構造体１を一対のセパレータ２で挟持したセル３を備えており、このセル３は、集電板４を介装して端板５で締め付け保持されている。端板５には、ピストン６が設けられるとともに、前記ピストン６と前記端板５との間には、パック封入水７が収容されている。端板５には、熱媒体であるパック封入水７を加熱するためのヒータ８が固着されている。
【０００６】
このような構成において、図示しない空気圧力源からの空気によりパック封入水７のパック材の外周部が加圧されるとともに、ヒータ８の作用下に熱媒体である前記パック封入水７のパック水が加熱されて、セル３を所定の締め付け圧に制御している。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１２３８５４号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、ヒータ８を用いてセル加熱制御を行うため、構成及び制御が複雑化する。従って、燃料電池と加湿器とが連結された燃料電池システムは、全体構成が大型化するとともに、コストが相当に高騰するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池全体に所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と燃料電池用金属セパレータとが積層される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜と加湿器用金属セパレータとが積層される平膜型加湿器とを、積層方向に積層して構成される燃料電池システムに関するものである。
【００１１】
そして、固体高分子型燃料電池及び平膜型加湿器は、積層方向に一体的に締め付けられるとともに、前記平膜型加湿器全体の積層方向に対するばね定数は、前記固体高分子型燃料電池全体の前記積層方向に対するばね定数よりも小さく設定されている。
【００１２】
また、加湿器用金属セパレータに設けられる流路溝は、燃料電池用金属セパレータに設けられる流路溝よりも深さ方向の寸法が大きく設定されることにより、平膜型加湿器全体の積層方向に対するばね定数は、固体高分子型燃料電池全体の前記積層方向に対するばね定数よりも小さく設定されることが好ましい。さらに、平膜型加湿器には、積層方向に対するばね定数を調整するためのばね機構が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、平膜型加湿器全体のばね定数が、固体高分子型燃料電池全体のばね定数よりも小さく設定されるため、前記平膜型加湿器自体のばね性が良好に向上する。従って、温度変化や固体高分子電解質膜の含水量等により燃料電池の積層方向の寸法が変化する際、平膜型加湿器が前記積層方向に容易に伸縮することができる。
【００１４】
これにより、燃料電池の積層方向の寸法変化を有効に吸収することができ、簡単且つコンパクトな構成で、前記燃料電池全体に所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の一部断面説明図である。
【００１６】
燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池１２と、平膜型加湿器１４とを積層方向（矢印Ａ方向）に積層して構成される。燃料電池１２は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層されるとともに、積層方向両端にターミナルプレート１７ａ、１７ｂ及び絶縁プレート１９ａ、１９ｂを介装して第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂが配置される。
【００１７】
第２エンドプレート１８ｂには、加湿器１４が直接積層される。加湿器１４を構成する第３エンドプレート１８ｃは、第１エンドプレート１８ａに対し、第２エンドプレート１８ｂを介装して複数の締め付けボルト２１により積層方向に締め付けられる（図２及び図３参照）。
【００１８】
図２及び図４に示すように、発電セル１６は、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２、２４とを備える。セパレータ２２、２４は、金属プレートを波板状に成形して構成される。
【００１９】
図４に示すように、発電セル１６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２６ａ、及び燃料ガス、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３０ｂが設けられる。
【００２０】
発電セル１６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３０ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。
【００２１】
発電セル１６の短手方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２８ａが設けられるとともに、前記発電セル１６の短手方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２８ｂが設けられる。
【００２２】
セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３２が形成される。セパレータ２２の反対側の面には、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３４が形成される。
【００２３】
セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。セパレータ２４の反対側の面には、セパレータ２２と重なり合って冷却媒体流路３４が一体的に形成される。
【００２４】
図５及び図６に示すように、加湿器１４は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに配設される第１セパレータ４２と、前記水透過性膜４０の他方の面４０ｂに配設される第２セパレータ４４とを備える。第１及び第２セパレータ４２、４４は、水透過性膜４０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体４６を構成する。第１及び第２セパレータ４２、４４は、金属プレートを波形状に成形して構成される。
【００２５】
図５に示すように、積層体４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気（一方の反応ガス）を導入する空気入口連通孔４８ａと、加湿された反応前の空気を燃料電池１２に供給する空気出口連通孔４８ｂとが矢印Ｃ方向に配列して形成される。
【００２６】
積層体４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、空気オフガスが供給される空気オフガス入口連通孔５０ａと、反応前の空気を加湿した後の前記空気オフガスを排出する空気オフガス出口連通孔５０ｂとが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
第１セパレータ４２は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに向かう第１面４２ａ側に、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する複数の溝部を有する第１流路５２を設ける。
【００２８】
第１セパレータ４２の第１面４２ａとは反対の面４２ｂ側には、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状の複数の溝部を有する第２流路５４が設けられる。この第２流路５４は、第１流路５２と交互に形成され、全体として波形状を有している（図６参照）。
【００２９】
図５に示すように、第２セパレータ４４は、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに向かう面４４ａ側に、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部を有する第３流路５６を設ける。
【００３０】
第２セパレータ４４は、面４４ａとは反対の面４４ｂ側に、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部を有する第４流路５８を設ける。この第４流路５８は、第３流路５６と交互に配設され、全体として波形状を有している（図６参照）。
【００３１】
第１の実施形態では、加湿器１４全体の積層方向（矢印Ａ方向）に対するばね定数が、燃料電池１２全体の前記積層方向に対するばね定数よりも小さく設定される。加湿器１４では、積層方向に対するばね性を向上させるために、すなわち、ばね定数を低く設定するために、以下に示す構成が採用される。
【００３２】
図２に示すように、燃料電池１２では、セパレータ２２、２４の燃料ガス流路３２及び酸化剤ガス流路３６を構成する流路溝深さＨ１に対し、加湿器１４を構成する第１セパレータ４２の第１及び第２流路５２、５４と第２セパレータ４４の第３及び第４流路５６、５８の流路溝深さＨ２が大きく設定される。なお、ばね定数は、加湿器１４と燃料電池１２のセパレータ板厚とを変えることにより設定することも可能である。
【００３３】
第２及び第３エンドプレート１８ｂ、１８ｃ間には、締め付けボルト２１に外嵌してばね機構、例えば、樹脂製又はやゴム製等の弾性円筒体６０が必要に応じて配設される。この弾性円筒体６０は、加湿器１４全体のばね定数を調整するためのものであり、第１及び第２セパレータ４２、４４の形状によって所望のばね定数が得られる際には不要になる一方、前記第１及び第２セパレータ４２、４４が所定のばね定数よりも低い場合に用いられる。
【００３４】
なお、ばね機構としては、弾性円筒体６０に代えて、コイルスプリングや皿ばね等、種々の部材を採用することができる。
【００３５】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、加湿器１４側に設けられる酸化剤ガス供給系７０と、燃料電池１２側に設けられる燃料ガス供給系７２及び冷却媒体供給系７４とを備える。
【００３６】
酸化剤ガス供給系７０は、第３エンドプレート１８ｃに接続されて加湿器１４の空気入口連通孔４８ａに空気を供給する空気供給流路７６と、前記加湿器１４の空気オフガス出口連通孔５０ｂから排出される空気オフガスを、外部に排気するための空気排出流路７８とを備える。空気供給流路７６には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）８０が設けられる。
【００３７】
燃料ガス供給系７２は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに水素ガスを供給するための水素供給流路８２と、前記燃料電池１２の燃料ガス排出連通孔３０ｂから排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路８２の途上に戻して該燃料電池１２に供給するための水素循環流路８４とを備える。
【００３８】
水素供給流路８２には、高圧水素を貯留する水素タンク８６と、前記水素タンク８６から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ８８と、減圧された前記水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路８４から排ガスを吸引して前記燃料電池１２に戻すためのエゼクタ９０とが配設される。
【００３９】
冷却媒体供給系７４は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路９２と、前記燃料電池１２の冷却媒体排出連通孔２８ｂから排出される冷却媒体を冷却媒体タンク９４に戻す冷却媒体循環流路９６と、前記冷却媒体タンク９４内の前記冷却媒体を循環させるポンプ９８とを備える。
【００４０】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４１】
図１に示すように、水素タンク８６から水素供給流路８２に供給される水素ガスは、レギュレータ８８を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ９０を通って燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに供給される。
【００４２】
図４に示すように、水素ガスは、各発電セル１６を構成する燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、アノード側電極２０ｂに供給された後、未使用の水素を含む燃料オフガスが、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出される。この燃料オフガスは、図１に示すように、水素循環流路８４に排出されてエゼクタ９０の吸引作用下に水素供給流路８２に途上に戻された後、再度、燃料電池１２に燃料ガスとして供給される。
【００４３】
一方、スーパーチャージャ８０を介して、空気供給流路７６に空気が供給される。この空気は、第３エンドプレート１８ｃから加湿器１４を構成する積層体４６の空気入口連通孔４８ａに供給される。
【００４４】
図５に示すように、加湿器１４では、第１セパレータ４２の第１及び第２流路５２、５４が空気入口連通孔４８ａに連通している。この空気入口連通孔４８ａに導入された空気は、略Ｕ字状の第１及び第２流路５２、５４に沿って移動する。第１流路５２を流れる空気は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触するとともに、第２流路５４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触する（図６参照）。
【００４５】
加湿器１４では、燃料電池１２の発電に使用された反応済みの空気である空気オフガスが、空気オフガス入口連通孔５０ａに供給される。この空気オフガスは、第２セパレータ４４の空気オフガス入口連通孔５０ａに連通する第３及び第４流路５６、５８に導入される。第３流路５６を移動する空気オフガスは、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触する一方、第４流路５８に沿って移動する空気オフガスは、他の水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触する（図６参照）。
【００４６】
従って、第２セパレータ４４の第３流路５６に沿って移動する空気オフガス中の水分は、水透過性膜４０を透過し第１流路５２に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第２流路５４に沿って移動する反応前の空気は、第４流路５８に沿って移動する空気オフガス中の水分により加湿される。そして、加湿された空気は、第１及び第２流路５２、５４に連通する空気出口連通孔４８ｂから燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される。
【００４７】
図４に示すように、加湿された空気は、各発電セル１６のセパレータ２４に形成される酸化剤ガス流路３６を流れることによって、カソード側電極２０ｃに供給される。未使用の空気を含む空気オフガスは、上記のように、加湿器１４内で加湿処理に用いられた後、空気オフガス出口連通孔５０ｂに排出される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００４８】
また、図１に示すように、冷却媒体供給系７４では、ポンプ９８の作用下に冷却媒体タンク９４内の冷却媒体が、冷却媒体供給流路９２から燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに供給される。この冷却媒体は、図４に示すように、セパレータ２２、２４間に形成される冷却媒体流路３４を通ることによって各発電セル１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂから冷却媒体循環流路９６に排出され、冷却媒体タンク９４に戻される。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、加湿器１４を構成する第１及び第２セパレータ４２、４４の流路溝深さＨ２が、燃料電池１２を構成するセパレータ２２、２４の流路溝深さＨ１よりも大きく構成されている。これにより、加湿器１４全体の積層方向に対するばね定数は、燃料電池１２全体の前記積層方向に対するばね定数よりも小さく設定されている。
【００５０】
このため、加湿器１４全体のばね性が有効に向上し、温度変化や固体高分子電解質膜２０ａの含水量等により燃料電池１２の積層方向の寸法が変化する際、前記加湿器１４が前記積層方向に容易に伸縮することができる。従って、加湿器１４のばね性を介し燃料電池１２の積層方向の寸法変化を有効に吸収することが可能になり、簡単且つコンパクトな構成で、前記燃料電池１２全体に所望の締め付け荷重を確実に付与することができるという効果が得られる。
【００５１】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム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。
【００５２】
燃料電池システム１００は、燃料電池１２と平膜型加湿器１０２とを積層して構成される。加湿器１０２は、燃料電池１２よりも小さな外形寸法に設定され、前記加湿器１０２の外方に締め付けボルト２１が配設される。
【００５３】
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、加湿器１０２を構成する第１及び第２セパレータ４２、４４には、ボルト用の貫通孔が不要になり、前記第１及び第２セパレータ４２、４４の構造が簡素化される。
【００５４】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１１０の一部断面説明図である。
【００５５】
燃料電池システム１１０は、燃料電池１２と平膜型加湿器１１２とを積層して構成される。加湿器１１２は、水透過性膜４０を挟持する第１及び第２セパレータ１１４、１１６を備える。第１セパレータ１１４は、第１及び第２流路５２、５４を仕切る傾斜壁面１１４ａ、１１４ｂを有する一方、第２セパレータ１１６は、第３及び第４流路５６、５８を仕切る傾斜壁面１１６ａ、１１６ｂを有する。
【００５６】
このように構成される第３の実施形態では、加湿器１１２を構成する第１及び第２セパレータ１１４、１１６が、燃料電池１２を構成するセパレータ２２、２４に比べて抜き角の大きな傾斜壁面１１４ａ、１１４ｂ及び１１６ａ、１１６ｂを設けている。このため、第１及び第２セパレータ１１４、１１６のばね性がセパレータ２２、２４のばね性よりも大きくなり、すなわち、ばね定数が低くなり、前記加湿器１１２自体が所望のばね機能を有している。これにより、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
なお、加湿器１４、１０２及び１１２のばね性を向上させるために、上記の第１〜第３の実施形態の他、例えば、水透過性膜４０の厚さを固体高分子電解質膜２０ａの厚さよりも厚肉にしたり、前記水透過性膜４０の反力を前記固体高分子電解質膜２０ａの反力よりも大きくしたりする構成を採用してもよい。
【００５８】
また、第１〜第３の実施形態では、反応前の空気を空気オフガスで加湿する構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、反応前の空気を燃料オフガス（反応後の燃料ガス）で加湿する構成、反応前の燃料ガスを空気オフガスで加湿する構成、又は反応前の燃料ガスを燃料オフガスで加湿する構成等を採用してもよい。さらに、流路形状は、サーペインタインに限定されず、種々の形状が採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池システムを構成する発電セルの要部分解斜視図である。
【図５】前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部断面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図９】特許文献１の固体高分子電解質型燃料電池の概略構成説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０、１００、１１０…燃料電池システム
１２…燃料電池                      １４、１０２、１１２…加湿器
１６…発電セル                      １８ａ〜１８ｃ…エンドプレート
２０ａ…固体高分子電解質膜          ２０ｂ…アノード側電極
２０ｃ…カソード側電極
２２、２４、４２、４４、１１４、１１６…セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…冷却媒体供給連通孔          ２８ｂ…冷却媒体排出連通孔
３０ａ…燃料ガス供給連通孔          ３０ｂ…燃料ガス排出連通孔
３２…燃料ガス流路                  ３４…冷却媒体流路
３６…酸化剤ガス流路                ４０…水透過性膜
４８ａ…空気入口連通孔              ４８ｂ…空気出口連通孔
５０ａ…空気オフガス入口連通孔      ５０ｂ…空気オフガス出口連通孔
５２、５４、５６、５８…流路        ６０…弾性円筒体
７０…酸化剤ガス供給系              ７２…燃料ガス供給系
７４…冷却媒体供給系
【図１】
0004695997.tif 000002
【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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