(57)【要約】【課題】漏洩検知機能を備えたガスメーターを介しても、燃料電池へガスを継続的に供給することが可能なシステムを提供する。【解決手段】燃料電池ユニット１と、ガスの供給源から燃料電池ユニット１に至るガスの流路２と、流路２の途中に設けられる漏洩検知機能を備えたガスメーター３と、流路２のガスメーター３よりも下流側の部分に設けられるバルブ４と、を備える。流路２のバルブ４よりも下流側の部分にバッファタンク５を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池ユニットと、ガスの供給源から前記燃料電池ユニットに至るガスの流路と、前記流路の途中に設けられる漏洩検知機能を備えたガスメーターと、前記流路の前記ガスメーターよりも下流側の部分に設けられるバルブと、を備え、
前記流路の前記バルブよりも下流側の部分にバッファタンクを設けることを特徴とする燃料電池へのガスの継続供給システム。
【請求項２】
前記流路の前記バルブよりも下流側で且つ前記バッファタンクよりも上流側の部分にコンプレッサーを設けることを特徴とする請求項１記載の燃料電池へのガスの継続供給システム。
【請求項３】
前記燃料電池ユニットは、ガスの流量を調整する流量調整部と、前記流量調整部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記バルブが閉となる時にガスの流量を使用状態における最小流量となるように前記流量調整部を制御することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池へのガスの継続供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、漏洩検知機能を備えたガスメーターを介してガスを燃料電池へ継続的に供給するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりガスの需要家等において、供給源からガスメーターを介して都市ガス等の燃料ガス（単にガスという）が供給されており、このガスを使用してガス使用機器を利用している。ガスメーターは通常、漏洩検知機能を備えており、本発明におけるガスメーターも漏洩検知機能を備えたものが対象となる。漏洩検知機能は一般的に、所定計測期間（例えば３０日等）において、単位時間当たりの流量が所定流量（例えば１．５［Ｌ／ｈ］）を下回ることが一度も無いかまたは所定回数に達しない場合に、「漏洩有り」と判定して漏洩を検知するものである。なおガスメーターは、超音波式メーターや膜式メーター等、計測方式は特に限定されない。
【０００３】
このような従来のガスメーターは、ガス使用機器として、ガスコンロや湯沸し器等のようにガスを継続的に（例えば数時間、数日に亘って）使用しないものを想定して設計されている。この想定下では、所定計測期間（例えば３０日等）中にガスが所定流量（例えば１．５［Ｌ／ｈ］）を下回ることが無いのは漏洩以外に有り得ないため、この場合に「漏洩有り」と判定することで漏洩を精度よく検知することができていた。
【０００４】
ところで近年、ガスを継続的に使用する燃料電池を用いた発電システムが利用されるようになってきている。ガスを継続的に使用する燃料電池を使用する場合、ガスの漏洩が無い場合でも、所定計測期間中にガスの流量が所定流量を下回ることが無くなるため、「漏洩有り」と判定されて漏洩が誤検知されてしまうものであった。
【０００５】
そこで、ガスメーターによる漏洩の誤検知を回避する方法として、発電システム側でガスの流量を調整するものが多数考案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
漏洩の誤検知を回避する一般的な方法は、ガスの流量を一時的に所定流量未満にまで下げることで、「漏洩有り」と判定されるのを回避するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１８５９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この場合、燃料電池へのガスの供給が一時的にせよ停止されるため、燃料電池への継続的な使用ができなくなるものであった。燃料電池においては、停止と起動が繰り返されると、劣化が促進されてしまうとともに省エネ性が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、漏洩検知機能を備えたガスメーターを介しても、燃料電池へガスを継続的に供給することが可能なシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る燃料電池へのガスの継続供給システムは、
燃料電池ユニット１と、ガスの供給源から前記燃料電池ユニット１に至るガスの流路２と、前記流路２の途中に設けられる漏洩検知機能を備えたガスメーター３と、前記流路２の前記ガスメーター３よりも下流側の部分に設けられるバルブ４と、を備え、
前記流路２の前記バルブ４よりも下流側の部分にバッファタンク５を設けることを特徴とする。
【００１１】
これにより、ガスメーター３による漏洩の誤検知を回避するため、供給源からのガスの供給を一時的に停止した場合でも、バッファタンク５に充填されたガスを使用することで、燃料電池ユニット１にガスを継続的に供給することが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、
前記流路２の前記バルブ４よりも下流側で且つ前記バッファタンク５よりも上流側の部分にコンプレッサー６を設けることを特徴とする。
【００１３】
これにより、バッファタンク５に（重量比で）より多くのガスを充填することができ、バッファタンク５の小型化と設置スペースの省スペース化を図ることができる。
【００１４】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、
前記燃料電池ユニット１は、ガスの流量を調整する流量調整部１９と、前記流量調整部１９を制御する制御部１８とを備え、
前記制御部１８は、前記バルブ４が閉となる時にガスの流量を使用状態における最小流量となるように前記流量調整部１９を制御することを特徴とする。
【００１５】
これにより、ガスの流量を最小に抑えることができて、より一層バッファタンク５の小型化と設置スペースの省スペース化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、燃料電池ユニットの停止と起動を繰り返すことにより劣化が促進されるのを抑えるとともに、起動に要する大きなエネルギーが不要となって省エネ性が低下するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の燃料電池へのガスの継続供給システムの一実施形態の概略構成図である。
【図２】同上における燃料電池ユニットの概略構成図である。
【図３】同上におけるガスメーターの概略構成図である。
【図４】他の実施形態の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について図１乃至図３に基いて説明する。本発明は漏洩検知機能を備えたガスメーターを介してガスを燃料電池へ継続的に供給するシステムに関し、図１に示すように、燃料電池ユニット１と、燃料電池ユニット１にガスを供給するための流路２と、流路２の途中に設けられるガスメーター３とバルブ４とを備えている。
【００１９】
ガスの供給源は、ガスボンベやその他でもよく特に限定されない。本実施形態では、ガスは都市ガスであり、ガスの供給源から燃料電池ユニット１に至るガスの流路２は、本実施形態ではガスの本管から分岐する支管とする。燃料電池ユニット１については後述する。
【００２０】
ガスメーター３は、漏洩検知機能を備えたもので、流路２の途中に設けられる。また、ガスメーター３の流量計測方式は、超音波式の他、膜式等、特に限定されない。本実施形態におけるガスメーター３は、超音波式のガスメーター３であり、後述する。
【００２１】
バルブ４は、流路２のガスメーター３よりも下流側の部分に設けられるもので、本実施形態では電磁バルブであるが、特に電磁バルブに限定されない。
【００２２】
燃料電池ユニット１について概略説明するが、燃料電池ユニット１は特に下記の形態に限定されないものである。
【００２３】
燃料電池ユニット１は、図２の概略構成図に示すように、燃料改質部１ａと燃料電池部１ｂとで主体が構成される。
【００２４】
燃料改質部１ａは、ガスから水素を製造するためのもので、上流側から順に脱硫器１１、改質器１２、ＣＯ変成器１３、ＣＯ除去器１４を備えている。脱硫器１１はガスを脱硫するためのもので、脱硫器１１で脱硫されたガスには、水蒸気を混合するようになっており、脱硫され且つ水蒸気が混合されたガスは改質器１２に送られる。改質器１２は、バーナ１２ａを有しており、バーナ１２ａを燃焼させることで、改質触媒を加熱しながら水蒸気が混合されたガスを水蒸気改質反応により改質するようになっている。そして、改質器１２で改質されたガスはＣＯ変成器１３でＣＯ変成を行い、ＣＯ変成器１３でＣＯ変成を行ったＣＯ変成ガスはＣＯ除去器１４に送られ、ＣＯ除去器１４でＣＯ選択酸化を行って一酸化炭素を除去してＣＯ濃度の低い水素リッチの改質ガスを製造するようになっている。
【００２５】
燃料電池部１ｂは、アノード（燃料極）１５と電解質１６とカソード（空気極）１７が層となって構成されるセルを、セパレータを介して多数積層して構成してある。そして、燃料改質部１ａで製造した水素リッチの改質ガスをアノード１５に供給し、カソード１７にブロアから空気（酸素）を供給することで、水素と酸素が電気化学的反応をして発電される。また、この発電の際の発熱を回収する熱交換部が燃料電池部１ｂに設けられている。また、発電により生じた直流を交流にするインバーターが設けられている。
【００２６】
また、脱硫器１１内の温度を検出する温度センサと、ＣＯ変成器１３内の温度を検出する温度センサが設けられており、これらの温度センサによる脱硫器１１内の検出温度又は／及びＣＯ変成器１３内の検出温度の情報に基づいて、マイクロコンピュータからなる制御部１８がバーナ１２ａを制御して、改質器１２の温度を制御するようになっている。また、脱硫器１１とバーナ１２ａへのガスの供給路の流量を調整する流量調整部１９としての調整弁１９ａ，１９ｂが設けられており、制御部１８が調整弁１９ａ，１９ｂを調整することでガスの流量を調整し、発電量を調整するようになっている。
【００２７】
次に、本実施形態におけるガスメーター３について説明する。
【００２８】
ガスメーター３は、図３に示すように、ガスの流路３１の適宜箇所に配置され、遮断弁３２と流量計測部３３とを備えている。流量計測部３３は、流路３１の上流側と下流側とにそれぞれ超音波の送受波を行う超音波センサ３３ａ，３３ｂを配置した構成を有する。２個の超音波センサ３３ａ，３３ｂは、互いに対向するとともに、超音波センサ３３ａ，３３ｂの間で送受される超音波の進行方向とガスが流路３１を通過する方向とが角度θをなして交差するように配置される。両超音波センサ３３ａ，３３ｂは、メーター制御部３４に接続される。メーター制御部３４は、マイクロコンピュータからなり、レジスタやタイマー機能を備え、流量計測部３３の動作の制御、流量計測部３３の出力によるガスの流量の計測（後述する）、流量計測部３３の出力に基づく遮断弁２の制御などを行う。ガスの使用量は流量計測部３３でのガスの流量の計測結果に基づいてメーター制御部３４で求められメーター制御部３４に接続した液晶表示器からなる表示部３５に表示される。
【００２９】
メーター制御部３４にはＥＥＰＲＯＭのような書換可能な不揮発性のメモリ３６が接続される。また、メーター制御部３４には制御信号によって遮断弁３２を駆動する遮断弁駆動回路３７、超音波センサ３３ａ，３３ｂの各一方を駆動して超音波パルスを送波させるとともに他方で受波した超音波パルスの波形整形を行う超音波センサ駆動回路３８も接続される。メーター制御部３４では超音波センサ駆動回路８を介して超音波センサ３３ａ，３３ｂの送波タイミングを制御しており、送波を指示してから超音波センサ駆動回路３８により受波に対応する出力が得られるまでの時間を超音波の伝播時間として求める。
【００３０】
図３に示すガスメーター３を用いて流量を計測するには、上流側の超音波センサ３３ａから下流側の超音波センサ３３ｂに向かって超音波を送波したときの超音波の伝播時間ｔ１と、下流側の超音波センサ３３ｂから上流側の超音波センサ３３ａに向かって超音波を送波したときの超音波の伝播時間ｔ２とを用いる。いま、両超音波センサ３３ａ，３３ｂの間の距離をｄ、ガスの流速をｖ、音速をｃとすると、以下の関係が得られる。
（ｃ＋ｖ・ｃｏｓθ）ｔ１＝ｄ
（ｃ−ｖ・ｃｏｓθ）ｔ２＝ｄ
従って、流速ｖは、
ｖ＝（ｄ／２ｃｏｓθ）｛（１／ｔ１）−（１／ｔ２）｝
のように表すことができる。ここで、一般に超音波センサ３３ａ，３３ｂの間の距離ｄは８〜１０［ｃｍ］程度に設定され、流路３１内での音速ｃは約４００［ｍ／ｓｅｃ］であるから、伝播時間ｔ１，ｔ２は２００〜２５０［μｓｅｃ］程度になる。
【００３１】
このように求めた流速ｖに流路３１の断面積Ｓを乗じた値が瞬時流量ｑになる。つまり、瞬時流量ｑは次式で表される。
ｑ＝ｖ・Ｓ
ガスメーター３では各超音波センサ３３ａ，３３ｂをそれぞれ送波側として超音波パルスを１回ずつ送受波する動作が１組の動作になり、少なくとも１組の動作を行えば瞬時流量ｑを求めることができる。また、瞬時流量ｑは間欠的に計測され、瞬時流量ｑを求めた時間間隔（例えば２〜３［ｓｅｃ］）を瞬時流量ｑに乗じることによって積算流量Ｑが求められる。このようにして求めた各時間間隔毎の積算流量Ｑを積算した値は流路３１を通過したガスの総量（ガスの使用量）に相当する。
【００３２】
ここで、上記のように１個の超音波パルスのみで流速ｖを決定すると十分な計測精度が得られないため、計測精度を高めるためにシングアラウンド法と称される方法により計測処理を行う。すなわち、シングアラウンド法においては、両超音波センサ３３ａ，３３ｂのうちの一方から複数個の超音波パルスを繰り返して発生させた後、遅延時間をおいて他方から複数個の超音波パルスを繰り返して発生させ、複数個の平均をとるものである。例えば、一方の超音波センサ３３ａから１００個の超音波パルスを繰り返して発生させて計測した合計伝播時間を個数の１００で除した値が、平均された伝播時間ｔ１となり、その後に他方の超音波センサ３３ｂから１００個の超音波パルスを繰り返して発生させて計測した合計伝播時間を個数の１００で除した値が、平均された伝播時間ｔ２となる。各合計伝播時間は２００〜２５０［μｓｅｃ］×１００＝２０〜２５［ｍｓｅｃ］程度であり、両合計伝播時間を合わせても４０〜５０［ｍｓｅｃ］程度であり、瞬時流量ｑを求めるための上記時間間隔（例えば２〜３［ｓｅｃ］）内に充分に収まるものである。
【００３３】
ガスメーター３の漏洩検知機能について説明する。
【００３４】
本実施形態では、ガスメーター３は、所定計測時間（例えば２［ｍｉｎ］）における単位時間当たりの流量の計測を間欠的に行う。更に説明すると、所定計測時間の２［ｍｉｎ］の間、上記のように２［ｓｅｃ］の時間間隔で６０個の瞬時流量ｑを計測し、その平均値ｑａｖｅ，最大値ｑｍａｘ，最小値ｑｍｉｎを求めて記憶する。
【００３５】
次に、求めた平均値ｑａｖｅ，最大値ｑｍａｘ，最小値ｑｍｉｎから漏洩判定を行う。漏洩判定は、「所定計測時間における流量の平均値ｑａｖｅが所定流量（例えば１．５［Ｌ／ｈ］）を下回っており、かつ、所定計測時間における流量のばらつき（最大値ｑｍａｘ−最小値ｑｍｉｎ）が所定範囲（例えば１０［Ｌ／ｈ］）に収まっている」場合に「漏洩無し（暫定）」と判定され、「漏洩無し（暫定）」と判定された回数がカウントされていく。このため、ガスの漏洩時やガスの使用中には「漏洩無し（暫定）」と判定されることはない。
【００３６】
そして、所定計測期間（例えば２７日）に亘って「漏洩判定」が行われ、「漏洩無し（暫定）」と判定された回数が所定回数（例えば１０回）に達した場合に「漏洩無し」と判定され、所定回数に達しなかった場合に「漏洩有り」と判定される。
【００３７】
「漏洩無し」と判定された場合には、所定計測期間の途中であっても、「漏洩無し（暫定）」の判定回数をリセットすると共にタイマーをリセットして当該漏洩検知を終了し、改めてタイマーを開始させるとともに「漏洩無し（暫定）」の判定回数のカウントを開始して、次の漏洩検知を行う。
【００３８】
「漏洩有り」と判定された場合には、表示部３５において「漏洩有り」の旨の表示を行うものである。なお、上述した所定計測時間、所定流量、所定範囲、所定計測期間、所定回数は特に限定されるものではない。
【００３９】
そして、燃料電池ユニット１を利用し継続的にガスを使用する場合に「漏洩有り」と判定されるのを回避するため、所定計測期間内に、ガスメーター３を通過するガスの所定計測時間における流量の平均値ｑａｖｅが所定流量を下回り、かつ、所定計測時間における流量のばらつきが所定範囲に収まる状態を、実際に所定回数作り出すものである。すなわち、少なくとも所定計測時間、バルブ４を閉じて供給源からのガスの供給を停止する「漏洩有り判定回避処理」を、所定計測期間内に所定回数行うものである。
【００４０】
ところが、燃料電池ユニット１は、停止と起動を繰り返すと、温度変化のサイクルが生じて劣化が促進されてしまうとともに、起動時に大きなエネルギーが必要で省エネ性が低下してしまうため、停止と起動は好ましくない。
【００４１】
そこで本発明においては、供給源からのガスの供給を停止して漏洩有り判定回避処理を行う場合でも、燃料電池ユニット１において好ましくない停止と起動を行わず、燃料電池ユニット１へガスを継続的に供給することを可能にしている。
【００４２】
具体的には、流路２のバルブ４よりも下流側の部分に、バッファタンク５を設けるものである。
【００４３】
バッファタンク５の容量は、供給源からのガスの供給が停止される間（少なくとも所定計測時間より長い時間）に、燃料電池ユニット１で消費されるガスの量に設定される。例えば、一般的な燃料電池ユニット１でのガスの消費量は２００［Ｌ／ｈ］であり、供給源からのガスの供給が停止される時間を５［ｍｉｎ］とすると、この間のガスの消費量は約１７［Ｌ］となる。なお、バッファタンク５の容量は適宜設定されるもので、前記容量に限定されるものではない。
【００４４】
バッファタンク５は、開閉弁（図示せず）を備えており、通常は開閉弁を閉じてバッファタンク５にはガスが充填されない状態とし、バルブ４を閉じて漏洩有り判定回避処理を行う前に、開閉弁を開いてバッファタンク５にガスを充填する。その後、バルブ４を閉じて漏洩有り判定回避処理を行う間、バッファタンク５に充填されたガスを使用して燃料電池ユニット１を駆動するものである。また、バッファタンク５の開閉弁は、特に設けなくてもよい。本実施形態では、電磁バルブ４の開閉は所定の操作部を手動で操作して行うものとする。漏洩有り判定回避処理においてバルブ４を閉じておく時間は、所定計測時間の２倍よりも短いと、ガスメーター３での２回分の所定計測時間にまたがってしまい、所定計測時間全体に亘って漏洩有り判定回避処理が行われない場合がある。この場合、「漏洩無し（暫定）」の判定は行われない。このため、漏洩有り判定回避処理を継続する時間（「回避処理継続時間」とする）は、所定計測時間の２倍以上とするのが好ましい。
【００４５】
以上のようなシステムにおいては、供給源からのガスの供給を停止して漏洩有り判定回避処理を行う間も、バッファタンク５に充填されたガスを使用して燃料電池ユニット１を駆動することが可能となり、燃料電池ユニット１へのガスの供給を停止することなく継続して行うことができる。これにより、燃料電池ユニット１の停止と起動を繰り返すことによる劣化の促進を抑えるとともに、起動に要する大きなエネルギーが不要となって、省エネ性が低下するのを防止することができる。
【００４６】
また本実施形態では、流路２のバルブ４よりも下流側で且つバッファタンク５よりも上流側の部分にコンプレッサー６を設けてある。コンプレッサー６を設ける場合には、バッファタンク５は耐圧性を備えるものとする。これにより、コンプレッサー６を設けない場合に比べ、バッファタンク５に（重量比で）より多くのガスを充填することができ、バッファタンク５の小型化と設置スペースの省スペース化を図ることができる。
【００４７】
次に、他の実施形態について図４に基いて説明する。本実施形態は、図１乃至図３に示す上記実施形態と大部分において同じであるため、同じ構成については同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。
【００４８】
本実施形態においては、燃料電池ユニット１の制御部１８とガスメーター３のメーター制御部３４とが有線または無線による通信回線で接続されると共に、制御部１８はバルブ４とコンプレッサー６とバッファタンク５の開閉弁を制御するものである。そして、上記実施形態においては、バルブ４を手動で開閉して漏洩有り判定回避処理を行っていたが、本実施形態においては、制御部１８により、自動で漏洩有り判定回避処理を行う「漏洩有り判定回避処理モード」が実行可能である。
【００４９】
制御部１８は、前回の漏洩有り判定回避処理モード終了時からの時間を、内部に備えるタイマー機能により計測し、所定期間（例えば２０日等、所定計測期間より短い期間）が経過すると、漏洩有り判定回避処理モードを自動的に開始する。
【００５０】
漏洩有り判定回避処理モードが開始すると、制御部１８は、まず、燃料電池部１ｂでの発電量を最小の発電量に抑え、ガスの流量（消費量）を最小流量（最小消費量）に抑えるように制御する（これを「ミニマム抑制」とする）。
【００５１】
次に、バッファタンク５の開閉弁を開き、コンプレッサー６を駆動して、バッファタンク５に所定の圧力でガスを充填する。なお、本実施形態ではコンプレッサー６が設けてあるが、コンプレッサー６は特に設けなくてもよく、また、バッファタンク５の開閉弁も特になくてもよい。
【００５２】
そして、バルブ４を閉じ、回避処理継続時間バルブ４を閉じた状態を継続する。回避処理継続時間が経過すると、ガスメーター３にて「漏洩無し（暫定）」判定がなされて１回カウントされる。回避処理継続時間が経過するまでの間、バッファタンク５に充填されたガスを使用して燃料電池ユニット１を駆動する。その後、バルブ４を開くとともに、ミニマム抑制を解除する。このサイクルを上記所定回数繰り返した後、漏洩有り判定回避処理モードを終了する。
【００５３】
本実施形態においては、自動で漏洩有り判定回避処理を行うことが可能である。また、ミニマム抑制を行ってガスの消費量を最小に抑えるため、より一層バッファタンク５の小型化と設置スペースの省スペース化を図ることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、バルブ４を閉じ、回避処理継続時間バルブ４を閉じた状態を継続した後、バルブ４を開き、ミニマム抑制を解除して１サイクルを終了しているが、バルブ４を開いてミニマム抑制を解除するサイクルの終了動作を、回避処理継続時間が経過した時点で行うのではなく、ガスメーター３が「漏洩無し（暫定）」判定を行ったことを制御部１８が通信回線を介して認識した時点で行うようにしてもよい。
【００５５】
また、制御部１８が漏洩有り判定回避処理モードを開始する時にこの開始情報をメーター制御部３４に通信回線を介して送信し、メーター制御部３４は開始情報を受けて、漏洩判定における所定計測時間の計測を開始してもよい。これにより、回避処理継続時間を、所定計測時間と略同じにすることができ、回避処理継続時間の短縮化を図ることができる。これにより、回避処理継続時間におけるガスの消費量を抑えることが可能となり、より一層バッファタンク５の小型化と設置スペースの省スペース化を図ることができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、継続的にガスを使用する機器として燃料電池ユニット１を例に挙げて説明したが、床暖房装置や、ガスエンジンやガスタービンを駆動源とする発電装置等、燃料電池ユニット１以外のガス使用機器の場合でも、本発明のガスの継続供給システムを適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１    燃料電池ユニット
１ａ  燃料改質部
１ｂ  燃料電池部
１８  制御部
１９  流量調整部
２    流路
３    ガスメーター
３４  メーター制御部
４    バルブ
５    バッファタンク
６    コンプレッサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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