(57)【要約】【課題】加湿装置全体を容易に小型化するとともに、流路溝内で良好な乱流を発生させることができ、所望の加湿機能を確実に保持することを可能にする。【解決手段】水透過性膜５０を挟んで配設される第１及び第２セパレータ５２、５４を備える。第１セパレータ５２は、反応前の空気を流すための複数の第１流路溝６２ａ、６４ａを備え、前記第１流路溝６２ａ、６４ａは、溝高さ方向の寸法が溝幅方向の寸法よりも大きく設定される。第１流路溝６２ａ、６４ａ内には、溝高さ方向全長にわたって空気の乱流を惹起させるためのコイル状線材６５が配設される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ための反応ガス用加湿装置であって、
水透過性膜と交互に配設されるセパレータを備え、
前記セパレータは、前記水透過性膜に前記反応ガス又は前記加湿流体を流通させる流路溝を有し、
前記流路溝は、前記水透過性膜から離間する溝高さ方向の寸法が、溝幅方向の寸法よりも大きく設定されており、
前記流路溝内には、前記溝高さ方向全長にわたって前記反応ガス又は前記加湿流体の流れに乱れを惹起させるための邪魔部材が配設されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項２】
請求項１記載の反応ガス用加湿装置において、前記邪魔部材は、コイル状線材で構成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項３】
請求項１記載の反応ガス用加湿装置において、前記邪魔部材は、湾曲板形状のフィン部材で構成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項４】
請求項１記載の反応ガス用加湿装置において、前記邪魔部材は、前記流路溝を構成する凹面の少なくとも側部に固着される複数のガイド部材で構成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の反応ガス用加湿装置において、前記セパレータは、金属プレートで構成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【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ための反応ガス用加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、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】
この場合、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（以下、水素含有ガスともいう）や酸化剤ガス（以下、酸素含有ガスともいう）を、予め水により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ものが知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池用加湿器は、図８に示すように、加湿板に用いられているセパレータ１を備えており、このセパレータ１に設けられるガス流通溝２は、リブ３を介して蛇行流路に構成されている。ガス流通溝２の一端には、ガス入口マニホールド４が連通するとともに、前記ガス流通溝２の他端には、ガス出口マニホールド５が連通している。
【０００５】
ガス流通溝２の底部には、反応ガスの流れに対向して多数の突起６が備えられている。反応ガスは、突起６により撹拌されて乱流状に流れることにより、加湿効率が向上することとなる、としている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８５７７７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、ガス流路溝２の溝高さ方向の寸法が溝幅方向の寸法に比べて小さいため、前記ガス流通溝２を流れる反応ガスの流量が制限されている。従って、所定量の反応ガスを効率的に加湿するためには、セパレータ１を有する多数の加湿板を用いる必要があり、加湿器全体が大型化するとともに、部品数が増加するという問題がある。
【０００８】
そこで、ガス流通溝２の溝高さを大きく設定することが考えられる。ところが、ガス流路溝２の底部にリブ３が設けられる構成では、前記リブ３と加湿膜との距離が相当に大きくなってしまい、反応ガスの撹拌効果が低下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、加湿装置全体を容易に小型化するとともに、流路溝内で良好な乱流や二次流れ（主流方向とは異なる方向の流れ）を発生させることができ、所望の加湿機能を確実に保持することが可能な反応ガス用加湿装置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ための反応ガス用加湿装置に関するものである。加湿装置は、水透過性膜と交互に配設されるセパレータを備えている。
【００１１】
セパレータは、水透過性膜に反応ガス又は加湿流体を流通させる流路溝を有し、前記流路溝は、前記水透過性膜から離間する溝高さ方向の寸法が、溝幅方向の寸法よりも大きく設定されている。そして、流路溝内には、溝高さ方向全長にわたって反応ガス又は加湿流体の流れに乱れを惹起させるための邪魔部材が配設されている。
【００１２】
また、邪魔部材は、コイル状線材で構成されることが好ましく、さらに、前記邪魔部材は、湾曲板形状のフィン部材で構成されることが好ましい。さらにまた、邪魔部材は、流路溝を構成する凹面の少なくとも側部に固着される複数のガイド部材で構成されることが好ましい。また、セパレータは、金属プレートで構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、流路溝の溝高さ方向の寸法が、溝幅方向の寸法よりも大きく設定されるため、セパレータ枚数を削減しても、前記流路溝を流通する反応ガス又は加湿流体は、所望の流量を確保することができる。従って、加湿装置全体の小型化が容易に図られる。
【００１４】
しかも、流路溝内には、邪魔部材が配設されており、この邪魔部材を介して前記流路溝内の溝高さ方向全長にわたって反応ガス又は加湿流体の流れに乱れが惹起されている。これにより、特に溝高さが大きな流路溝内においても、溝高さ方向に偏った水蒸気濃度分布が発生することを確実に阻止することが可能になる。このため、水透過性膜近傍の水蒸気分圧差を大きくすることができ、加湿性能を良好に向上させ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の実施形態に係る加湿装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。
【００１６】
燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１８ａ、１８ｂが配置されており、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【００１７】
発電セル１６は、例えば、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。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【００１８】
エンドプレート１８ａには、発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口２６ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１４の外部に排出するための水素排出口２６ｂとが設けられる。エンドプレート１８ｂには、発電セル１６に空気を供給するための空気供給口２８ａと、前記発電セル１６から排出される空気（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４の外部に排出するための空気排出口２８ｂとが設けられる。
【００１９】
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に水素ガスを供給する水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１４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３０の途上に戻して該燃料電池スタック１４に供給するための水素循環流路３２とを備える。
【００２０】
水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４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３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１４に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１４に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。
【００２１】
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に空気を供給する空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを、外部に排気するための空気排出流路４２とを備える。空気供給流路４０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）４４が設けられる。燃料電池スタック１４には、エンドプレート１８ｂに連結されて加湿装置１０が装着される。
【００２２】
図２及び図３に示すように、加湿装置１０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ５２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ５４とを備える。第１及び第２セパレータ５２、５４は、水透過性膜５０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体５６を構成する。
【００２３】
積層体５６の矢印Ａ方向両端には、エンドプレート５７ａ、５７ｂが配置され、前記エンドプレート５７ａ、５７ｂ間は、複数の締め付けロッド５９を介して締め付け保持される（図２参照）。第１及び第２セパレータ５２、５４は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第１及び第２セパレータ５２、５４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して波板形状に構成してもよい。
【００２４】
図４に示すように、積層体５６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）を供給する空気供給連通孔５８ａと、反応前の空気を加湿した後のオフガスを排出するオフガス排出連通孔６０ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。
【００２５】
積層体５６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、オフガスが供給されるオフガス供給連通孔６０ａと、加湿された反応前の空気を排出する空気排出連通孔５８ｂとが上下方向に配列されて設けられる。
【００２６】
図１に示すように、空気供給連通孔５８ａは、空気供給流路４０に連通し、空気排出連通孔５８ｂは、燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに連通する。オフガス供給連通孔６０ａは、燃料電池スタック１４の空気排出口２８ｂに連通し、オフガス排出連通孔６０ｂは、空気排出流路４２に連通する。
【００２７】
図４に示すように、第１セパレータ５２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面５２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１流路溝６２ａと、複数の第１凸部６２ｂとを交互に設ける（図３参照）。
【００２８】
第１セパレータ５２の第１面５２ａとは反対の第２面５２ｂ側には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１流路溝６４ａと、複数の第１凸部６４ｂとが交互に設けられる。第１流路溝６４ａは、第１流路溝６２ａと交互に形成され、全体として波形状を有している。
【００２９】
図３に示すように、第１流路溝６２ａ、６４ａは、水透過性膜５０から離間する溝高さ方向の寸法Ｈが、溝幅方向の寸法Ｗよりも大きく設定される（Ｈ＞Ｗ）。第１流路溝６２ａ、６４ａ内には、溝高さ方向全長にわたって反応前の空気の流れに乱れを惹起させるための邪魔部材、例えば、コイル状線材６５が配設される。コイル状線材６５は、例えば、ステンレススチール等で構成されており、各第１流路溝６２ａ、６４ａに対応してサーペンタイン形状を有する（図４参照）。
【００３０】
第２セパレータ５４は、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面５４ａ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２流路溝６６ａと、複数の第２凸部６６ｂとを交互に設ける（図３参照）。
【００３１】
第２セパレータ５４は、第３面５４ａとは反対の第４面５４ｂ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２流路溝６８ａと、複数の第２凸部６８ｂとを交互に設ける。第２流路溝６８ａは、第２流路溝６６ａと交互に形成され、全体として波形状を有している。
【００３２】
図３に示すように、第２流路溝６６ａ、６８ａは、水透過性膜５０から離間する溝高さ方向の寸法Ｈが、溝幅方向の寸法Ｗよりも大きく設定される（Ｈ＞Ｗ）。第２流路溝６６ａ、６８ａ内には、溝高さ方向全長にわたって反応前の空気の流れに乱れを惹起させるための邪魔部材、例えば、コイル状線材６９が配設される（図５参照）。コイル状線材６９は、コイル状線材６５と同様に構成されており、各第２流路溝６６ａ、６８ａに対応してサーペンタイン形状を有する（図４参照）。なお、コイル状線材６５、６９のいずれか一方のみを用いてもよい。
【００３３】
図４に示すように、第１セパレータ５２には、第１シール７０が一体成形される一方、第２セパレータ５４には、第２シール７２が一体成形される。第１セパレータ５２には、第１流路溝６２ａ、６４ａと空気供給連通孔５８ａとの連結部位に対応して板状部材７４ａ、７４ｂが配設されるとともに、前記第１流路溝６２ａ、６４ａと空気排出連通孔５８ｂとの連結部位に対応して板状部材７６ａ、７６ｂが配設される。板状部材７４ａ、７４ｂ、７６ａ及び７６ｂは、金属プレート又は樹脂プレートで構成される。
【００３４】
第２セパレータ５４には、同様に、第２流路溝６６ａ、６８ａとオフガス供給連通孔６０ａとの連結部位に対応して金属製又は樹脂製の板状部材７８ａ、７８ｂが配設されるとともに、前記第２流路溝６６ａ、６８ａとオフガス排出連通孔６０ｂとの連結部位に対応して金属製又は樹脂製の板状部材８０ａ、８０ｂが配設される。
【００３５】
このように構成される燃料電池システム１２の動作について、加湿装置１０との関連で以下に説明する。
【００３６】
図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１４の水素供給口２６ａに供給される。水素供給口２６ａに供給された水素は、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２６ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１４内に燃料ガスとして供給される。
【００３７】
一方、スーパーチャージャ４４を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿装置１０を構成するエンドプレート５７ｂから積層体５６の空気供給連通孔５８ａに供給される。
【００３８】
図４に示すように、第１セパレータ５２では、空気供給連通孔５８ａに供給された反応前の空気は、サーペンタイン形状の複数の第１流路溝６２ａ、６４ａに沿って移動する。第１流路溝６２ａを流れる空気は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触するとともに、第１流路溝６４ａに沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触する（図３参照）。
【００３９】
加湿装置１０では、燃料電池スタック１４の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給連通孔６０ａに供給される。このオフガスは、第２セパレータ５４のオフガス供給連通孔６０ａに連通する第２流路溝６６ａ、６８ａに導入される。
【００４０】
図４に示すように、オフガス供給連通孔６０ａに供給されたオフガスは、サーペンタイン形状の複数の第２流路溝６６ａ、６８ａに沿って移動する。このため、第２流路溝６６ａを移動するオフガスは、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触するとともに、第２流路溝６８ａに沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する（図３参照）。
【００４１】
従って、第２セパレータ５４の第２流路溝６６ａに沿って移動するオフガス中の水分は、水透過性膜５０を透過し第１流路溝６２ａ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１流路溝６４ａに沿って移動する反応前の空気は、第２流路溝６８ａに沿って移動するオフガスにより加湿される。そして、加湿された空気は、空気排出連通孔５８ｂから燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに供給される。
【００４２】
この加湿された空気は、図１に示すように、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給され、未使用の空気を含むオフガスが、上記のように空気排出口２８ｂから加湿装置１０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。
【００４３】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、第１流路溝６２ａ、６４ａは、溝高さ方向の寸法Ｈが溝幅方向の寸法Ｗよりも大きく設定されるとともに、第２流路溝６６ａ、６８ａは、同様に溝高さ方向の寸法Ｈが溝幅方向の寸法Ｗよりも大きく設定されている。このため、第１流路溝６２ａ、６４ａを流れる空気の流量及び第２流路溝６６ａ、６８ａを流れるオフガスの流量を良好に確保することができる。従って、第１及び第２セパレータ５２、５４の枚数を削減することが可能になり、加湿装置１０全体の小型化が容易に図られる。
【００４４】
しかも、第１流路溝６２ａ、６４ａには、邪魔部材としてコイル状線材６５が配設されている。このコイル状線材６５を介して、第１流路溝６２ａ、６４ａの溝高さ方向の全長にわたって空気の流れに乱れが惹起されている。一方、第２流路溝６６ａ、６８ａには、同様に邪魔部材としてコイル状線材６９が配設されており、前記第２流路溝６６ａ、６８ａ内の溝高さ方向全長にわたってオフガスの流れに乱れが惹起されている。
【００４５】
これにより、特に溝高さの大きな第１流路溝６２ａ、６４ａ及び第２流路溝６６ａ、６８ａ内においても、溝高さ方向に偏った水蒸気の温度分布が発生することを確実に阻止することが可能になる。このため、水透過性膜５０の近傍における水蒸気分圧差を大きくすることができ、加湿性能を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００４６】
また、第１及び第２セパレータ５２、５４は、金属プレートで構成されるとともに、第１凸部６２ｂ、６４ｂと第２凸部６６ｂ、６８ｂとは、高さ方向（矢印Ａ方向）に比較的大きな寸法に設定されている。従って、第１及び第２セパレータ５２、５４自体に、矢印Ａ方向に伸縮可能なばね機能を付与することができる。その際、ばね性を一層向上させるために、第１及び第２セパレータ５２、５４に傾斜を設けてもよい。
【００４７】
なお、第１の実施形態では、第１流路溝６２ａ、６４ａ及び第２流路溝６６ａ、６８ａにコイル状線材６５、６９が配設されているが、これに限定されるものではない。例えば、第１流路溝６２ａのみにコイル状線材６５を配設してもよく、また、第２流路溝６６ａのみにコイル状線材６９を配設してもよい。
【００４８】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置９０を構成する第１セパレータ５２の一部拡大斜視図である。なお、図示しないが、第２セパレータは、必要に応じて第１セパレータ５２と同様に構成されており、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。
【００４９】
第１流路溝６２ａ、６４ａには、邪魔部材、例えば、スタティックミキサー形の湾曲板形状を有するフィン部材９２が配設される。フィン部材９２は、第１エレメント９４ａと第２エレメント９４ｂとを交互に設けており、前記第１及び第２エレメント９４ａ、９４ｂは、プレートをそれぞれ異なる方向に曲げ成形されることにより一体に構成される。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、第１流路溝６２ａ、６４ａに供給される空気は、フィン部材９２を構成する第１及び第２エレメント９４ａ、９４ｂの湾曲面に沿って移動することにより、前記第１流路溝６２ａ、６４ａ内に前記空気の流れに乱れが惹起される。
【００５１】
これにより、特に溝高さの大きな第１流路溝６２ａ、６４ａ内においても、空気を良好に撹拌することが可能になり、加湿性能を良好に向上させることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る加湿装置１００の一部拡大斜視図である。
【００５３】
加湿装置１００では、第１流路溝６２ａ、６４ａを構成する凹面の少なくとも側部１０２ａ、１０２ｂに、邪魔部材、例えば、複数のガイド部材１０４が固着される。ガイド部材１０４は、断面略三角形状の棒状部材で構成されており、樹脂材、あるいは、ゴム材等で形成される。
【００５４】
ガイド部材１０４は、側部１０２ａ、１０２ｂにそれぞれ所定の方向且つ所定の位置に設けられることによって、第１流路溝６２ａ、６４ａ内で溝高さ方向全長にわたって空気の流れに乱れを惹起させる。なお、第１流路溝６２ａ、６４ａを構成する凹面の底部には、必要に応じてガイド部材１０４を設けることができる。
【００５５】
このように、第３の実施形態では、第１流路溝６２ａ、６４ａの側部１０２ａ、１０２ｂに複数のガイド部材１０４を固着することによって、この第１流路溝６２ａ、６４ａの溝高さ方向全長にわって空気の乱流が惹起される。これにより、加湿性能の向上を図ることができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加湿装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記加湿装置の概略斜視説明図である。
【図３】前記加湿装置の一部断面側面図である。
【図４】前記加湿装置の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記加湿装置を構成する第１セパレータの一部拡大斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る加湿装置を構成する第１セパレータの一部拡大斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る加湿装置の一部拡大斜視図である。
【図８】特許文献１の加湿器を構成するセパレータの説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０、９０、１００…加湿装置    １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック          ２０…電解質膜・電極構造体
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、５２、５４…セパレータ
５０…水透過性膜                ５６…積層体
５８ａ…空気供給連通孔          ５８ｂ…空気排出連通孔
６０ａ…オフガス供給連通孔      ６０ｂ…オフガス排出連通孔
６２ａ、６４ａ、６６ａ、６８ａ…流路溝
６２ｂ、６４ｂ、６６ｂ、６８ｂ…凸部
６５、６９…コイル状線材        ９２…フィン部材
９４ａ、９４ｂ…エレメント      １０２ａ、１０２ｂ…側部
１０４…ガイド部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007234313.tif 000005
【図４】
2007234313.tif 000006
【図５】
2007234313.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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