(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の負極側拡散層上に、燃料電池を構成する、炭素の表面に白金−ルテニウム合金が担持された触媒を混合した負極用の溶液を塗布して負極層を形成する工程と、
この負極層が未乾燥のうちに、この負極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成する工程と、
このイオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に、炭素の表面に白金が担持された触媒を混合した正極用の溶液を塗布して正極層を形成する工程と、
この正極層の未乾燥のうちに、この正極層上に正極側拡散層を設ける工程と、
これら負・正極層及びイオン交換膜のそれぞれの溶液を乾燥することにより固化する固化工程と、からなる燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正・負極間にイオン交換膜を配置し、負極の触媒に水素を接触させるとともに正極の触媒に酸素を接触させることにより発電する燃料電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の燃料電池を説明する説明図である。燃料電池１００は、負極層（水素極）１０１と正極層（酸素極）１０２との間にイオン交換膜１０３を配置し、負極層１０１に含む触媒に水素分子（Ｈ２）を接触させるとともに、正極層１０２に含む触媒に酸素分子（Ｏ２）を接触させることにより、電子ｅ−を矢印の如く流すことにより、電流を発生させるものである。電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とから生成水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
この燃料電池１０の負極層１０１、正極層１０２、イオン交換膜１０３を主要構成部材とする電極構造を次図で詳しく説明する。
【０００３】
図９は従来の燃料電池を構成する電極構造を示す説明図である。
電極構造は、一対の拡散層１０４，１０５の内側にそれぞれバインダー層１０６及びバインダー層１０７を備え、これらバインダー層１０６及びバインダー層１０７の内側にそれぞれ負極層１０１及び正極層１０２を備え、これら負極層１０１及び正極層１０２の間にイオン交換膜１０３を備える。
【０００４】
この電極構造を製造する際には、先ず拡散層１０４にバインダー層１０６用の溶液を塗布するとともに、拡散層１０５にバインダー層１０７用の溶液を塗布し、塗布したバインダー層１０６，１０７を焼成することによりバインダー層１０６，１０７を固化する。
【０００５】
次に、固化したバインダー層１０６に負極層１０１の溶液を塗布するとともに、固化したバインダー層１０７に正極層１０２の溶液を塗布し、塗布した負・正極層１０１，１０２を乾燥することにより負・正極層１０１，１０２を固化する。
次いで、固化した負極層１０１にシート状のイオン交換膜１０３を載せ、続いてイオン交換膜１０３に正極層１０２が固化された拡散層１０５を載せて７層の多層構造を形成する。
次に、この多層構造を矢印の如く加熱圧着することにより電極構造を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、電極構造はイオン交換膜１０３としてシートを使用しており、加えてバインダー層１０６、負極層１０１、正極層１０２、バインダー層１０７のそれぞれの層を固化した状態で加熱圧着するので、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生する虞がある。
電極構造の各層に密着不良部分が発生すると、電流を効率よく発生することが難しくなり、製造ラインの検査の段階において、これらの電極構造が廃棄処分や修復処分になり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００７】
さらに、電極構造のイオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、電極構造を加熱圧着の際に、イオン交換膜１０３を加熱状態で加圧することになり、イオン交換膜１０３の性能が低下する虞がある。これにより、検査の段階で廃棄処分や修復処分の対象となる部品が一層多くなり、そのことが生産性を高める妨げになっている。
【０００８】
加えて、イオン交換膜１０３としてシートを使用しているので、イオン交換膜１０３のハンドリング性を考慮するとイオン交換膜１０３をある程度厚くする必要がある。このため、電極構造を薄くすることが難しく、そのことが電極構造の小型化を図る妨げになる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、それぞれの層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができ、さらにイオン交換膜の性能低下を防ぐことができ、加えてイオン交換膜を薄くすることができる燃料電池の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、それぞれの層間に密着不良部分が発生するのは、先の塗膜が固化した後に、次の溶液を塗布して、この溶液が先の塗膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
そこで、先の塗膜が乾かないうちに、次の溶液を重ねたところ、溶液が先の塗膜に滲み込み、密着性が著しく高まることが分かった。
同様に、シート状のイオン交換膜に溶液を塗布した場合にも、溶液がシート状のイオン交換膜に滲み込まず、結果として密着不良が発生することが、その原因であることを突き止めた。
【００１１】
そこで、請求項１は、シート状の負極側拡散層上に、燃料電池を構成する、炭素の表面に白金−ルテニウム合金が担持された触媒を混合した負極用の溶液を塗布して負極層を形成する工程と、この負極層が未乾燥のうちに、この負極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布してイオン交換膜を形成する工程と、このイオン交換膜が未乾燥のうちに、このイオン交換膜上に、炭素の表面に白金が担持された触媒を混合した正極用の溶液を塗布して正極層を形成する工程と、この正極層の未乾燥のうちに、この正極層上に正極側拡散層を設ける工程と、これら負・正極層及びイオン交換膜のそれぞれの溶液を乾燥することにより固化する固化工程とから燃料電池の製造方法を構成した。
【００１２】
イオン交換膜を溶液とすることで、イオン交換膜を溶液の状態でハンドリングできる。さらに、イオン交換膜を溶液とすることで、ハンドリングの際にイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、電極構造を薄くすることができる。
【００１３】
ここで、燃料電池を使用して電流を発生させる際に、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とが反応して燃料電池内に生成水（Ｈ２Ｏ）を生成する。この生成水は、主に正極側拡散層（カーボンペーパー）を透過させて燃料電池の外部に排出する。
しかし、未乾燥の電極層上にイオン交換膜用の溶液を塗布すると、イオン交換膜用の溶液が重力の影響で下方に流れ電極層に浸透する虞がある。
イオン交換膜用の溶液が電極層に浸透すると、浸透した溶液で電極層の空隙が減少してしまう虞がある。
【００１４】
このため、燃料電池を製造する際に、正・負の電極層のうちの正極層をイオン交換膜の下方に配置すると、正極層の空隙がイオン交換膜用の溶液で減少してしまい、発電により生成した生成水を正極側拡散層から燃料電池の外部に効率よく排出できないことが懸念される。
【００１５】
生成水を効率よく排出することができないと、水素や酸素の反応ガスを好適に供給することが妨げられるので、濃度過電圧が高くなり、燃料電池の発電性能を良好に保つことが難しくなる。
なお、「濃度過電圧」とは、電極における反応物質及び反応生成物の補給及び除去の速度が遅く、電極の反応が妨害されるときに現れる電圧低下をいう。すなわち、濃度過電圧が高くなるということは電圧低下量が増すということである。
【００１６】
そこで、請求項１において、イオン交換膜の上方に正極層を設けるようにした。正極層をイオン交換膜の上方に配置することで、イオン交換膜用の溶液が重力の影響で負極層に浸透することを防ぐことができ、正極層の空隙がイオン交換膜用の溶液で減少することを防止できる。
これにより、発電により生成した生成水を正極層から正極側拡散層に導いて、正極側拡散層の空隙から好適に排出することができ、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る電極構造（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池ユニット１０は複数（２個）の燃料電池１１，１１で構成したものである。燃料電池１１は、燃料電池用電極構造（電極構造）１２を構成する負極側拡散層（シート）１３の外側に負極側流路基板３１を配置し、電極構造１２を構成する正極側拡散層１４の外側に正極側流路基板３４を配置したものである。
【００２２】
負極側拡散層１３に負極側流路基板３１を積層することで、負極側流路基板３１の流路溝３１ａを負極側拡散層１３で覆うことにより、水素ガス流路３２を形成する。また、正極側拡散層１４に正極側流路基板３４を積層することで、正極側流路基板３４の流路溝３４ａを正極側拡散層１４で覆うことにより、酸素ガス流路３５を形成する。
【００２３】
電極構造１２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれバインダーを介して一方の電極層としての負極層１７及び他方の電極層としての正極層１８を備え、これら負極層１７及び正極層１８の間にイオン交換膜１９を備える。
このように、構成した燃料電池１１をセパレータ３６を介して複数個（図１では２個のみを示す）備えることで、燃料電池ユニット１０を構成する。
なお、電極構造１２については図２で詳しく説明する。
【００２４】
燃料電池ユニット１０によれば、水素ガス流路３２に水素ガスを供給することで、負極層１７に含む触媒に水素分子（Ｈ２）を吸着させるとともに、酸素ガス流路３５に酸素ガスを供給することで、正極１８に含む触媒に酸素分子（Ｏ２）を吸着させる。これにより、電子（ｅ−）を矢印の如く流して電流を発生させることができる。
なお、電流を発生させる際には、水素分子（Ｈ２）と酸素分子（Ｏ２）とから生成水（Ｈ２Ｏ）が発生する。
【００２５】
図２は本発明に係る燃料電池用の電極構造（第１実施形態）を示す説明図である。
電極構造１２は、負極側拡散層１３及び正極側拡散層１４の内側にそれぞれ負極層１７及び正極層１８を備え、これら負極層１７及び正極層１８の間にイオン交換膜１９を備える。
負極側拡散層１３は、負極側のカーボンペーパー１３ａ及び負極側のバインダー層１５ａからなるシート材（シート）である。
また、正極側拡散層１４は、正極側のカーボンペーパー１４ａ及び正極側のバインダー層１６ａからなるシート材（シート）である。
【００２６】
負極側のバインダー層１５ａを構成するバインダーは、カーボンフッ素樹脂である。また、正極側のバインダー層１６ａを構成するバインダーは、撥水性を備えたカーボンポリマーであり、カーボンポリマーはポリテトラフルオロエチレンの骨格にスルホン酸を導入したものが該当する。
【００２７】
負極層１７は、負極用の溶液に触媒２１を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。負極層１７の触媒２１は、炭素２２の表面に触媒として（白金−ルテニウム合金）２３を担持したものであり、（白金−ルテニウム合金）２３に水素分子（Ｈ２）を吸着させるものである。
【００２８】
正極層１８は、正極用の溶液に触媒２４を混合し、溶液を塗布後に乾燥することで固化したものである。正極層１８の触媒２４は、炭素２５の表面に触媒として白金２６を担持したものであり、白金２６に酸素分子（Ｏ２）を吸着させるものである。
イオン交換膜１９は、負極層１７及び正極層１８間に溶液の状態で塗布した後、負極の溶液及び正極の溶液とともに一緒に乾燥することにより負極層１７及び正極層１８と一体に固化したものである。
【００２９】
次に、電極構造１２の製造方法を図３〜図５に基づいて説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第１実施形態）を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の負極側拡散層１３を配置する。すなわち、負極側拡散層１３のカーボンペーパー１３ａをセットした後、このカーボンペーパー１３ａ上にバインダー層１５ａ用の溶液を塗布する。
【００３０】
（ｂ）において、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１５ａ上に、負極用の溶液を塗布して負極層１７を形成する。
（ｃ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
【００３１】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第１実施形態）を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９上に正極層１８用の溶液を塗布して正極層１８を形成する。
（ｂ）において、正極層１８が未乾燥のうちに、正極層１８上に、正極側拡散層１４（図２参照）を構成するバインダー層１６ａの溶液を塗布する。
【００３２】
図５（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第１実施形態）を示す第３工程説明図である。
（ａ）において、バインダー層１６ａに正極側のカーボンペーパー１４ａを載せることにより、バインダー層１６ａ及びカーボンペーパー１４ａでシート状の正極側拡散層１４を形成する。
【００３３】
次に、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、それぞれの層１５ａ，１７，１８，１６ａ及び膜１９に荷重をかけないで、それぞれの層１５ａ，１７，１８，１６ａ及び膜１９を一緒に乾燥する。
【００３４】
（ｂ）において、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａを固化することで、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａを固化した状態で積層する。
これにより、第１実施形態の電極構造１２の製造工程が完了する。
【００３５】
このように、第１実施形態によれば、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａが未乾燥の状態で、それぞれの上面に溶液を塗布することで、それぞれの境界において隣接する溶液同士を好適に混合させることができる。
【００３６】
よって、バインダー層１５ａと負極層１７との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。また、負極層１７とイオン交換膜１９との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。さらに、イオン交換膜１９と正極層１８との間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。加えて、正極層１８とバインダー層１６ａとの間の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができる。
これにより、電極構造１２における反応効率を良好に保つことができる。
【００３７】
また、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａが未乾燥の状態で、それぞれの溶液を塗布し、それぞれの溶液を塗布後に荷重をかけないで乾燥する。
これにより、イオン交換膜１９を固化する際に、イオン交換膜１９に荷重をかける必要がないので、イオン交換膜１９の性能が荷重の影響で低下することを防ぐことができる。
【００３８】
加えて、イオン交換膜１９を溶液とすることで、イオン交換膜１９を溶液の状態でハンドリングすることができるので、ハンドリング性の観点からイオン交換膜１９の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜１９を薄くすることが可能になり、電極構造１２を薄くすることができる。
【００３９】
次に、燃料電池用電極構造の製造方法を第２実施形態でより具体的に説明する。なお、第１実施形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。
図６（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第２実施形態）を示す第１工程説明図である。
（ａ）において、シート状の負極側拡散層１３を配置する。すなわち、負極側拡散層１３のカーボンペーパー１３ａをセットした後、このカーボンペーパー１３ａ上にバインダー層１５ａ用の溶液を塗布する。
【００４０】
（ｂ）において、バインダー層１５ａが未乾燥のうちに、バインダー層１５ａの上面に沿ってスプレー５５を矢印の如く移動しながら噴射口５６から負極層１７用の溶液を噴霧状に噴射することにより、バインダー層１５ａ上に負極層１７用の溶液を塗布して負極層１７を形成する。
【００４１】
（ｃ）において、負極層１７が未乾燥のうちに、負極層１７の上面に沿ってコーター５７を矢印の如く移動しながら、負極層１７上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布してイオン交換膜１９を形成する。
具体的には、コーター５７のブレード５７ａを負極層１７の上面から上方に所定間隔離して上面に平行に配置し、このブレード５７ａを負極層１７の上面に沿って矢印の如く移動しながら、ブレード５７ａでイオン交換膜１９のペースト（溶液）を一定の厚さにならすことによりイオン交換膜１９を形成する。
【００４２】
負極層１７上にイオン交換膜１９用の溶液を塗布することにより、イオン交換膜１９用の溶液が重力の影響で矢印の如く下方に流れ、負極層１７に浸透する虞がある。これにより、負極層１７の空隙が減少する虞があるが、負極層１７の空隙はある程度減少しても燃料電池の性能に影響を与える虞はない。
【００４３】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第２実施形態）を示す第２工程説明図である。
（ａ）において、イオン交換膜１９が未乾燥のうちに、イオン交換膜１９の上面に沿ってスプレー５８を矢印の如く移動しながら噴射口５９から正極層１８用の溶液を噴霧状に噴射することにより、イオン交換膜１９上に正極層１８用の溶液を塗布して正極層１８を形成する。
なお、イオン交換膜１９の上面に正極層１８用の溶液をスプレー５８を用いて塗布した理由については後述する。
【００４４】
（ｂ）において、正極層１８が未乾燥のうちに、正極層１８上に、正極側拡散層１４（図２参照）を構成するバインダー層１６ａの溶液を塗布してバインダー層１６ａを形成する。
【００４５】
次に、図５（ａ）と同様に、バインダー層１６ａに正極側のカーボンペーパー１４ａを載せることにより、バインダー層１６ａ及びカーボンペーパー１４ａでシート状の正極側拡散層１４を形成する。
次に、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａが未乾燥のうちに、それぞれの層１５ａ，１７，１８，１６ａ及び膜１９に荷重をかけないで、それぞれの層１５ａ，１７，１８，１６ａ及び膜１９を一緒に乾燥する。
【００４６】
次いで、図５（ｂ）と同様に、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａを固化することで、バインダー層１５ａ、負極層１７、イオン交換膜１９、正極層１８、バインダー層１６ａを固化した状態で一体に積層する。
これにより、第２実施形態の製造工程が完了する。
【００４７】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第１、第２実施形態によれば、イオン交換膜１９の上方に正極層１８を設けることで、正極層１８をイオン交換膜１９の上方に配置することができる。よって、イオン交換膜１９用の溶液が正極層１８に浸透することを防ぐことができ、正極層１８の空隙がイオン交換膜１９用の溶液で減少することを防止できる。
【００４８】
これにより、発電により生成した生成水を、正極層１８の空隙を通して正極側拡散層１４まで導き、正極側拡散層１４から好適に排出することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【００４９】
加えて、第２実施形態によれば、正極層１８を形成する際に、正極層１８用の溶液をスプレー法で塗布することで、イオン交換膜１９や正極層１８に余分な塗布圧をかけることなく、すなわち正極層１８用の溶液を最小の塗布圧で塗布することができる。
このように、イオン交換膜１９や正極層１８に余分な塗布圧をかけないで正極層１８用の溶液を塗布することで、イオン交換膜１９用の溶液が正極層１８に浸透することを防ぐことができる。
【００５０】
よって、イオン交換膜１９用の溶液で正極層１８の空隙が減少することを防いで、正極層１８の空隙をより一層好適に確保することができる。
これにより、発電により生成した生成水を、正極層１８の空隙を通して正極側拡散層１４まで導き、正極側拡散層１４の空隙からより一層好適に排出することができるので、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えることができる。
【００５１】
なお、前記第２実施形態では、イオン交換膜１９の上面に正極層１８用の溶液をスプレー５８を用いて塗布したが、正極層１８用の溶液の塗布はスプレー５８に限らないで、インクジェット方式を採用することも可能である。要は、正極層１８用の溶液を噴霧状に塗布できる方式であればよい。
【００５２】
ここで、スプレー及びインクジェットは溶液を噴霧状に塗布する点で同じである。スプレーは噴霧範囲が比較的広く塗布時間を短くできるが、未塗布部分を確保するためにマスキング処理が必要になる。一般に、マスキング処理部に付着した溶液は回収が難しい。
【００５３】
一方、インクジェットは塗布範囲を正確に絞り込むことができるので、未塗布部分にマスキング処理を施す必要がなく、溶液を有効に使用することができる。但し、インクジェットは、塗布範囲が狭いのでスプレーと比較して塗布スピードが劣る。
【００５４】
また、前記第２実施形態では、負極側のバインダー層１５ａの上面にスプレー５５を用いて負極層１７用の溶液を塗布する例について説明したが、その他の塗布手段で負極層１７用の溶液を塗布することも可能である。
さらに、前記第２実施形態では、負極層１７の上面にコーター５７を用いてイオン交換膜１９用の溶液を塗布する例について説明したが、その他の塗布手段でイオン交換膜１９用の溶液を塗布することも可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、イオン交換膜に溶液を採用し、負極用の溶液、正極用の溶液及びイオン交換膜用の溶液をそれぞれ未乾燥の状態で塗布すれば、境界で混合が発生する。これにより、一対の電極及びイオン交換膜の各層の境界に密着不良部分が発生することを防ぐことができるので、イオン交換膜における反応効率を良好に保つことができる。
この結果、負極層、正極層及びイオン交換膜を備えた電極構造の品質を安定させることができるので、生産性を高めることができる。
【００５７】
さらに、請求項１は、イオン交換膜を溶液とすることで、イオン交換膜を溶液の状態でハンドリングできる。さらに、イオン交換膜を溶液とすることで、ハンドリングの際にイオン交換膜の厚さを規制する必要はない。このため、イオン交換膜を薄くすることが可能になり、電極構造を薄くすることができる。
【００５８】
さらに、請求項１は、イオン交換膜の上方に正極層を設けることで、イオン交換膜用の溶液が重力の影響で正極層に浸透することを防ぐことができ、正極層の空隙がイオン交換膜用の溶液で減少することを防止できる。
従って、発電により生成した生成水を正極層から正極側拡散層に導いて、正極側拡散層の空隙から好適に排出することができ、燃料電池に生じる濃度過電圧を低く抑えて、燃料電池の発電性能を良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電極構造（第１実施形態）を備えた燃料電池を示す分解斜視図
【図２】  本発明に係る燃料電池用の電極構造（第１実施形態）を示す説明図
【図３】  本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第１実施形態）を示す第１工程説明図
【図４】  本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第１実施形態）を示す第２工程説明図
【図５】  本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第１実施形態）を示す第３工程説明図
【図６】  本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第２実施形態）を示す第１工程説明図
【図７】  本発明に係る燃料電池用の電極構造の製造方法（第２実施形態）を示す第２工程説明図
【図８】  従来の燃料電池を説明する説明図
【図９】  従来の燃料電池を構成する電極構造を示す説明図
【符号の説明】
１１…燃料電池、１２…電極構造（燃料電池用電極構造）、１３…負極側拡散層、１４…正極側拡散層、１７…負極層（一方の電極層）、１８…正極層（他方の電極層）、１９…イオン交換膜。
【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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