(57)【要約】【課題】  燃料容器から電池部への燃料の供給を良好に安定して行うことができる小型携帯電気機器用燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料側電極、酸素側電極および電解質膜を有する電池部２と、燃料容器４とが接続部３を介して接続されている燃料電池であって、前記燃料容器４から電池部２へ燃料を移動して供給する多孔質体５ａ〜５ｃを有し、前記多孔質体５ｂが電池部２の燃料側電極７および電解質膜９の少なくとも一方を覆うように配置されている小型携帯電気機器用燃料電池。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料側電極、酸素側電極および電解質膜を有する電池部と、燃料容器とが接続部を介して接続されている燃料電池であって、前記燃料容器から電池部へ燃料を供給する多孔質体を有し、前記多孔質体は電池部の燃料側電極および電解質膜の少なくとも一方の全面を覆うように配置されていることを特徴とする小型携帯電気機器用燃料電池。
【請求項２】
前記多孔質体は燃料容器と電池部に設けられ、接続部を介して前記燃料容器の多孔質と電池部の多孔質体とが接続されている請求項１記載の小型携帯電気機器用燃料電池。
【請求項３】
前記電池部の多孔質体の細孔の孔径は、燃料容器の多孔質体の細孔の孔径よりも小さい請求項１または２記載の小型携帯電気機器用燃料電池。
【請求項４】
前記燃料容器の多孔質体は、燃料容器の燃料供給口から底部まで通して設けられている請求項１乃至３のいずれかの項に記載の小型携帯電気機器用燃料電池。
【請求項５】
前記燃料容器と電池部を接続する接続部には開口部が設けられ、前記開口部の開口面積は、燃料側電極、酸素側電極および電解質膜の少なくとも一つの断面積よりも大きい請求項１乃至４のいずれかの項に記載の小型携帯電気機器用燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の小型携帯電気機器用燃料電池を有することを特徴とする小型携帯電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に小型携帯電気機器に適した小型燃料電池及びそれを用いた小型携帯電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電装置として効率が良いことから近年注目を集めている。特に最近ではビデオカメラ、ノートパソコン（ノートＰＣ）等の機器への燃料電池の応用が期待されている。
【０００３】
燃料電池はリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、直接水素型燃料電池（ＤＨＦＣ）等様々な種類の電池が挙げられるが、特に小型機器に適した燃料電池は固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）で、直接水素型燃料電池（ＤＨＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が挙げられる。
【０００４】
直接メタノール型燃料電池の小型機器への応用例としては、特許文献１および特許文献２などが挙げられる。特許文献１に開示されている直接メタノール型電池（ＤＭＦＣ）の例を図８〜図１０に示す。図中、燃料であるメタノールは燃料収納スペース４０より燃料拡散室３４を通じて燃料電池本体３２に供給される。燃料カートリッジ３３は水収納スペース４１、燃料収納スペース４０の２室に分離されており、燃料電池本体３２の水回収室３５からの水を水収納スペース４１に収納する。また、この燃料電池は酸化剤ガスをスタック１０１に対し垂直方向に流すように構成され、燃料となるメタノールは電極膜接続体を囲む多孔質体によってスタックの外周面より起電部１０２に供給するように構成されており、酸化剤ガスの流れを阻害することなく、毛管力により起電部１０２に円滑にメタノールの供給を行うことができる。
【０００５】
また、特許文献２には、図１２に示すように、デバイスＤＶＣに対して相対的に左右に燃料容器と電池部とが配置され、装着されるようになっている。
しかしながら、デジタルカメラ、ＰＤＡなどのモバイル機器など携帯機器に用いる燃料電池は、できるだけ小さく軽量に構成することが携帯機器用電池としては重要である。また本発明で述べる小型携帯電気機器は、ノートＰＣのように通常、机の上で使用する機器ではなく、基本的にカメラ、ビデオカメラ、ＰＤＡなど、主にその使用方法において手で持ちながら使用する機器である。それらの機器は、その使用時において、必ずしも平坦な場所に置くことなく使用され、傾斜させた状態で使用される場合があるので、それらの機器に適した燃料電池はその小型携帯電気機器の使用形態を考慮しなければならない。
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池ではそこまでは考慮されておらず、小型携帯電気機器用の燃料電池としては十分ではなく、使用状態によっては、触媒膜、電解質に部分的に燃料供給が不足する領域が発生し、電池性能劣化を早める要因となる。例えば、特許文献１の図８〜図１０に示すような従来の燃料電池においては、燃料は燃料カートリッジ３３から燃料拡散室３４との接続点３６を通じて燃料が供給されが、この場合、液体燃料導入路１１０の隙間の大きさを調整することにより生じる毛管力により燃料は導入される。しかし、燃料拡散室３４の燃料は通常であれば、毛管力により満たされるが、電池が傾いた時には、燃料の自重などにより十分には満たされない場合がある。その状態で燃料拡散室３４から多孔質体の端面よりメタノール燃料を燃料極１０４へ供給した場合、燃料は多孔質体の一部端面より供給されるようになるため、多孔質体全域に渡り、燃料が均一に供給できなくなる場合があり、十分な発電が出来なくなるとともに、場所によっては電池性能劣化も進む。また燃料カートリッジ３３から燃料拡散室３４との接続点３６も電池の最上部より下方にあるため、最後まで、有効に燃料を供給することが困難である。
【０００７】
また図１１に示すような形の左右に燃料容器５４、電池部５２が配置されている燃料電池５１では、電池本体の中心部に燃料供給部がある場合、小型携帯電気機器の使用時において、機器の向きや使用方法などによっては、燃料容器中のメタノール溶液が最後まで十分に安定に燃料供給が行われなくなる可能性があり、機器の動作に不具合を及ぼす場合がある。
【特許文献１】特開平６−１８８００８号公報
【特許文献２】特開２００２−２５２０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、電池部と、燃料容器とが接続部を介して接続されている小型携帯電気機器用の燃料電池において、小型携帯電気機器の使用状態による燃料電池の傾斜や動作にかかわらず、燃料容器から電池部への燃料の供給を良好に安定して行うことができる小型携帯電気機器用燃料電池、およびその燃料電池を用いた小型携帯電気機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は、燃料側電極、酸素側電極および電解質膜を有する電池部と、燃料容器とが接続部を介して接続されている燃料電池であって、前記燃料容器から電池部へ燃料を供給する多孔質体を有し、前記多孔質体は電池部の燃料側電極および電解質膜の少なくとも一方の全面を覆うように配置されていることを特徴とする小型携帯電気機器用燃料電池である。
【００１０】
前記多孔質体は燃料容器と電池部に設けられ、接続部を介して前記燃料容器の多孔質と電池部の多孔質体とが接続されているのが好ましい。
前記電池部の多孔質体の細孔の孔径は、燃料容器の多孔質体の細孔の孔径よりも小さいのが好ましい。
【００１１】
前記燃料容器の多孔質体は、燃料容器の燃料供給口から底部まで通して設けられているのが好ましい。
前記燃料容器と電池部を接続する接続部には開口部が設けられ、前記開口部の開口面積は、燃料側電極、酸素側電極および電解質膜の少なくとも一つの断面積よりも大きいのが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、上記の小型携帯電気機器用燃料電池を有することを特徴とする小型携帯電気機器である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の小型携帯電気機器用燃料電池は、使用状態による燃料電池の傾斜や動作にかかわらず、燃料容器から電池部への燃料の供給を良好に安定して行うことができる。
また、本発明の小型携帯電気機器は、燃料容器から電池部への燃料の供給を良好に安定して行うことができる燃料電池を収納しているために、電力の供給に変動がなく安定して使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の小型携帯電気機器用燃料電池（以下、燃料電池と略記する）は、燃料側電極、酸素側電極および電解質膜を有する電池部と、燃料容器と、及び燃料容器と電池部を接続する接続部とを有し、接続部を介して電池部と燃料容器が隣接配置されている燃料電池であって、前記燃料容器から電池部へ燃料を供給する多孔質体を有し、前記多孔質体が電池部の燃料側電極および電解質膜の少なくとも一方の全面を覆うように配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の小型携帯電気機器は、上記の燃料電池を有する小型携帯電気機器である。
また、本発明の小型携帯電気機器は、燃料電池の燃料容器は電池部の下に配置され、燃料容器内に多孔質体を有し、多孔質体は燃料容器の燃料供給口から底部まで通して設けられており、小型携帯電気機器への燃料電池の装着は、燃料電池の電池部及び燃料容器が小型携帯電気機器に対して左右または上下になる様に配置されているのが好ましい。また、燃料容器に設けられた多孔質体は接続部の開口部を覆うように配置されているのが好ましい。
【００１６】
このような構成の燃料電池および小型携帯電気機器によれば、通常の小型携帯電気機器の使用時において、燃料容器が電池部の上方にある場合はもちろんのこと、電池部の下方あるいは左右に燃料容器が配置されている場合においても、燃料溶液が多孔質体の毛管力により移動することができる。特に、その多孔質体の細孔の孔径の大きさを、燃料溶液を流したい方向に向かって小さくすることにより、燃料溶液は孔径の小さい細孔の方向に流れるようになり、多孔質体の隅々にまで行き渡るようになる。
【００１７】
このようにして全面に燃料溶液が行き渡った多孔質体を、発電部の電極の触媒膜あるいは電解質膜を覆うように配置させることにより、安定に燃料が発電部に供給され、発電が支障なく行われるようになる。
【００１８】
さらには、燃料容器から電極の触媒膜、電解質膜へ燃料を供給するための接続部に設けられた開口部の開口面積を、多孔質体の幅と等しいかあるいは大きくすることにより、燃料溶液が、多孔質材中の幅方向の端部へも十分に供給されるようになり、多孔質体全面が燃料溶液、例えばメタノール溶液により良好に浸された状態となる。
【００１９】
そして、このメタノール溶液に浸された多孔質体が、電極膜接合体（燃料側電極、酸素側電極、高分子固体電解質の全体を示す）全面を覆うようにカバーされていれば、メタノール溶液が定常的に電極膜接合体に均一に供給されることとなり、電池劣化が抑制される。
【００２０】
また、小型携帯電気機器用の燃料電池においては、安全性が重要である。特にメタノールなど有害な燃料を用いる場合の燃料漏洩対策は重要である。特に高濃度のメタノール溶液を用いる場合など、加温によるメタノール蒸気の発生に伴い、発火の危険性、メタノール蒸気の吸入の危険性など生じることもあるので、それらの危険性を回避できるよう対策を施す必要がある。少なくとも燃料容器を電池部の下部に配置できれば、電池部と燃料容器をつなぐ接続部は燃料容器の上方に位置させることができ、接続部破損時においても、燃料溶液が漏洩することを抑止でき、新たな防止策をとらずに安全対策を施すことが可能であり、好ましい。
【００２１】
本発明の燃料電池を小型携帯電気機器に装着した際、燃料が下部の燃料容器から上部の電池部に、多孔質体の細孔の孔径、体積を調整することにより、多孔質体の毛管力で供給される。また、燃料容器内の多孔質体を燃料容器の底部にまで、配置させることにより、簡単な構造で安定に燃料容器内の燃料を無駄なく最後まで供給できるようになり、燃料電池から小型携帯電気機器への電力供給を長時間安定に行うことが可能になる。
【００２２】
また、仮に強い衝撃が燃料電池に加わり電池部と燃料容器がはずれるような状況になった場合においても、燃料容器は小型携帯電気機器に対して下部に配置されているので、燃料であるメタノールの漏洩は最低限に抑えられ、また機器へ燃料のかぶりを低減できる。このように燃料を有効に使えることができるようになるとともに安全性を高めることができるようになる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
図１は本発明の第一の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器の接続前の状態を示す概略図であり、図１（ａ）は概略断面図、図１（ｂ）は概略平面図を示す。
【００２４】
図２は本発明の第一の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器を接続した状態を示す概略図であり、図２（ａ）は概略断面図、図２（ｂ）は概略正面図、図２（ｃ）は接続前の斜視図を示す。
【００２５】
図１および図２は、燃料にメタノールを用いる本発明の燃料電池である。図２（ｃ）は電池部、燃料容器の接続前の燃料電池の全体概観斜視図である。本発明の燃料電池１は電池部２、燃料容器４、電池部２と燃料容器４とを接続する接続部３および隔壁１１を有する。
【００２６】
燃料容器４は燃料電池１の燃料となるメタノール燃料を格納するが、燃料容器４の上部には接続部３が設けられている。燃料容器４の内部には、電池部に燃料を供給する領域２１と、電池部から燃料を回収する領域２２とに二分するように隔壁１１ａが設けられ、燃料溶液が循環できるように構成されている。隔壁１１ａには多孔質体５ａが形成されている。多孔質体５ａは燃料容器４の底部１２まで全面に形成しておくと，最後まで燃料を有効に利用できるので好ましい。
【００２７】
電池部２は、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー（商品名；Ｎａｆｉｏｎ、デュポン社製）を高分子固体電解質９に用い、Ｐｔ粒子、Ｐｔ／ＲｕＯ2 粒子を分散させたカーボン膜を酸素側電極８、燃料側電極７とし、高分子固体電解質９を両電極で挟持したものを電極膜接合体（ＭＥＡ）として用い、これを電池部２に固定し、それぞれの電極をメタノール溶液および空気に接するように構成した。電池はそのセルの発電電圧値が低い場合はリチウム電池などの二次電池と併用することにより、それぞれの機器を駆動できる所定の電圧に設定することもできるが、特開平２００２−５６８５５に開示されているように複数個のセルを同極が同じ平面上に並ぶようにしたセルを用いることも可能である。
【００２８】
また電池部２内には隔壁１１ｂが、燃料容器４内の領域を二分するように配置した隔壁と対応して設けられている。多孔質体５ｂを燃料側電極７よりも大きくし、燃料側電極７の全面を覆うようにを形成し（図１（ａ））、それと接続するように別の多孔質体５ｃを燃料側電極以外の領域に形成する。
【００２９】
多孔質体は、木綿、ガラス繊維等の有機または無機繊維、アクリル、ナイロン等の合成繊維などの材料からなり、多孔質体の緻密度を、多孔質体５ａ＜多孔質体５ｂ＜多孔質体５ｃの順で大きくなるよう調整する。緻密度とは、多孔質体中における空孔の占める割合を示し、空孔の割合が小さいほど緻密度は高くなる。また、多孔質体の細孔の孔径、多孔質体を構成する材料の充填密度などを調整して制御ができる。
【００３０】
具体的には、必要な毛管力を発生させるためには、多孔質体の細孔の孔径、細孔の体積率等を考慮する必要がある。細孔の孔径については、メタノール溶液の濃度にもよるが、大きすぎると毛管力が小さくなり、十分に多孔質材に燃料溶液が供給されにくくなり、また小さすぎると、多孔質体中の液体流を阻害するために燃料供給が間に合わなくなるなどし、適度な細孔の孔径が存在し、例えば１μｍから２５０μｍ程度が良好である。また同様に細孔の体積も大きすぎれば、膜の強度が弱くなり、体積率を小さくすると燃料溶液の流通に不具合を生じるようになるので、細孔の体積率は多孔質体の体積に対して４０〜７０％程度が好ましい。また、上部に行くに従い孔径を小さくすることにより、下部の孔径が大きい部分にある燃料溶液を上部の孔径の小さい部分に移送することができる。孔径は１μｍから２５０μｍの間で適宜調整することにより、達成できる。
【００３１】
このように細孔の孔径に傾斜をつけることにより、メタノール燃料は多孔質体の細孔の孔径が小さくなる方向に流れるようになるため、燃料容器内に設けた細孔の孔径が大きい多孔質体５ａと、電池部の細孔の孔径が小さい多孔質体５ｂとを接続することにより、燃料容器からメタノール燃料が燃料側電極に供給されるようになる。さらに傾いた状態になっても、多孔質体５ａ，５ｂが接続された状態になっており、細孔の孔径に傾斜がついた一枚の多孔質体の様になっているため、燃料が途絶えることなく燃料側電極に供給されるようになる。
【００３２】
また燃料容器、電池部内部の隔壁１１ａ，１１ｂも接続され、隔壁が接続されることによって、燃料電池全体として、その中に燃料の循環系が形成され、未使用のメタノール燃料が燃料側電極に供給されやすくなる。
【００３３】
更には、燃料容器４から燃料を電池部２に供給するための開口部の開口面積を、セル部（電極または電解質膜）の断面積より大きくし、多孔質体の断面積を燃料極側電極あるいは電解質膜の断面積より大きくすることにより、より均一性良く燃料を電極に供給できる。
【００３４】
このような構成の燃料電池にすることにより、燃料が少なくなっても、小型携帯電気機器を傾けた状態で使用したときであっても、燃料供給不足を抑制することができる。また電池部の燃料容器４の上部には図示していないが、ガス抜きの孔を設けてもよい。孔は一定の圧力に達した場合、弁が開くようになっており、通常は塞がれた状態となっている。
【００３５】
図６は、本発明の燃料電池を小型携帯電気機器に、上部に電池部２、下部に燃料容器４となるように燃料電池装着部１０に装着した模式図である。図６においては、ビデオカメラを例として挙げているが他の小型携帯電気機器でも同様に用いることができる。小型携帯電気機器であるビデオカメラの燃料電池装着部に装着後、電気機器の電源を入れることにより不図示の燃料電池に設けられた端子より燃料電池装着部に設けられた端子を通じて電力が機器に供給され、撮影など所定の動作を行うことができる。
【００３６】
実施例２
図３は本発明の第二の実施態様の燃料電池を示す概略図である。
図４は図３の第二の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器の接続前の状態を示す概略図である。
【００３７】
図５は図３の第二の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器の接続前の状態を示す概略図である。
図３〜図５はそれぞれ、燃料にメタノールを用いる本発明の第二の燃料電池を示し、実施例１の燃料電池との相違点は燃料容器と電池部の位置関係を上下から左右に、その配置位置を変えたものである。電池部２、燃料容器４、燃料容器と電池部を繋ぐ接続部３から構成される。燃料容器と電池部は分離することが可能であり、燃料容器を取り外し、交換することによって連続して発電することが可能であり、長時間の機器使用に耐えることができる。
【００３８】
また、電池部２はパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー（商品名；Ｎａｆｉｏｎ、デュポン社製）を高分子固体電解質に用い、Ｐｔ粒子、Ｐｔ／ＲｕＯ2 粒子を分散させたカーボンを酸素側電極、燃料側電極とし、高分子固体電解質を両電極で挟持したものを電極膜接合体（ＭＥＡ）として用い、それぞれの電極をメタノール、空気に接するように構成した。電池はそのセルの発電電圧値が低い場合はリチウム電池などの二次電池と併用することにより、それぞれの機器を駆動できる所定の電圧に設定することもできるが、特開平２００２−５６８５５に開示されているように複数個のセルを同極が同じ平面上に並ぶようにしたセルを用いることも可能である。
【００３９】
また図示していないが、水回収部は木綿、ガラス繊維等の有機または無機繊維、アクリル、ナイロン等の合成繊維などの多孔質体を形成する材料が、電池部の酸素側電極容器内面の周囲全面に接するように、且つ酸化剤ガスの酸素側電極への供給が妨げられないよう配置されている。
【００４０】
燃料側電極は、燃料となるメタノール溶液が供給される電池部内の燃料側電極には木綿、ガラス繊維等の有機、無機繊維、アクリル、ナイロン等の合成繊維などの多孔質体を形成する材料により充たされ、燃料容器と電池部とを接続することにより、燃料が燃料側電極に均一に供給される。電池側の多孔質体と燃料容器の多孔質体を燃料容器、電池部接続時に接するようにすれば、機器の動きに左右されることなく燃料極側に安定に、均一性良く燃料側電極にメタノール燃料が供給されるようになる。
【００４１】
また、燃料容器から燃料を電池部に供給するための開口部をセル部（触媒電極または電解質膜）の幅より大きくし、多孔質体１２の断面積を燃料側電極あるいは電解質膜の幅よりも広くすることにより、より均一性良く燃料を電極に供給できる。
【００４２】
また燃料容器内上部に多孔質体を配置させ、電池部と接続するようにしておく。この時、電池部の燃料極側の多孔質体の充填密度を上部に行くに従い緻密となるようにすることにより、上部にまで燃料が毛管現象により、より良く供給されるようになる。
【００４３】
さらには接続部の開口部を触媒膜、電解質膜よりも大きく取ることにより、更に均一性良くメタノール燃料を燃料側電極に供給することができる。また電池部の容器上部には図示していないが、ガス抜きの孔が設けられている。孔は一定の圧力に達した場合、弁が開くようになっており、通常は塞がれた状態となっており、燃料の漏洩が防止できる。
【００４４】
図７はこの燃料電池を小型携帯電気機器に左右にそれぞれ燃料容器、電池部となるように配置させ、燃料電池装着部に装着した模式図であり、図においてはビデオカメラを例として挙げているが他の小型携帯電気機器でも同様に用いることができる。小型携帯電気機器であるビデオカメラの燃料電池装着部に装着後、電気機器の電源を入れることにより不図示の燃料電池に設けられた端子より電力が機器に供給され、撮影などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の燃料電池は、使用状態による燃料電池の傾斜や動作にかかわらず、燃料容器から電池部への燃料の供給を良好に安定して行うことができるので、小型携帯電気機器用燃料電池として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第一の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器の接続前の状態を示す概略図である。
【図２】本発明の第一の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器を接続した状態を示す概略図である。
【図３】本発明の第二の実施態様の燃料電池を示す概略図である。
【図４】図３の第二の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器の接続前の状態を示す概略図である。
【図５】図３の第二の実施態様の燃料電池の電池部と燃料容器の接続前の状態を示す概略図である。
【図６】本発明の燃料電池を小型携帯電気機器に装着した模式図である。
【図７】本発明の燃料電池を小型携帯電気機器に装着した模式図である。
【図８】従来の燃料電池を示す概略図である。
【図９】従来の燃料電池を示す概略図である。
【図１０】従来の燃料電池を示す概略図である。
【図１１】燃料電池を小型携帯電気機器に装着した模式図である。
【図１２】燃料電池を小型携帯電気機器に装着した模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  燃料電池
２  電池部
３  接続部
４  燃料容器
５ａ，５ｂ，５ｃ  多孔質体
６  電極膜接合体
７  燃料側電極
８  酸素側電極
９  高分子固体電解質
１０  燃料電池装着部
１１ａ，１１ｂ  隔壁
１２  底部
１４  多孔質体
１５  燃料拡散機構
１６  小型携帯電気機器
２１，２２  領域
３２  燃料電池本体
３３  燃料カートリッジ
３４  燃料拡散室
３５  水回収室
３６  接続点
４０  燃料収納スペース
４１  水収納スペース
【図１】
2005346975.tif 000003
【図２】
2005346975.tif 000004
【図３】
2005346975.tif 000005
【図４】
2005346975.tif 000006
【図５】
2005346975.tif 000007
【図６】
2005346975.tif 000008
【図７】
2005346975.tif 000009
【図８】
2005346975.tif 000010
【図９】
2005346975.tif 000011
【図１０】
2005346975.tif 000012
【図１１】
2005346975.tif 000013
【図１２】
2005346975.tif 000014