(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列した複数の燃料電池セル間に板状集電部材をそれぞれ配置し、対向する前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるとともに、前記板状集電部材が、ガス流通方向から見てＺ型形状であり、かつその両端部を前記対向する燃料電池セルの外面にそれぞれ当接せしめ、さらに、前記板状集電部材の前記燃料電池セル外面との当接部には凹凸が形成され、前記板状集電部材の当接部の凹部と前記燃料電池セル外面との間には、ガスが通過する空間が形成されていることを特徴とするセルスタック。
【請求項２】
前記燃料電池セルは扁平状であり、対向する前記燃料電池セルの外面は平坦であることを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
【請求項３】
前記板状集電部材の前記燃料電池セル外面との前記当接部には波形の凹凸が形成されており、前記板状集電部材の前記当接部に形成された凹部と前記燃料電池セル外面との間の空間がガス流通方向に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のセルスタック。
【請求項４】
前記板状集電部材は、対向する前記燃料電池セル間に複数配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセルスタック。
【請求項５】
前記燃料電池セルは、軸長方向にガス通過孔が形成された内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成し、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない内側電極の表面にインターコネクタを形成してなり、一方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタと他方の前記燃料電池セルの前記外側電極に、前記板状集電部材の両端部が当接していることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載のセルスタック。
【請求項６】
前記燃料電池セルは、酸素含有ガスに曝される外側電極を有しており、前記板状集電部材が、導電性を有する金属又は合金の表面を耐酸化性物質で被覆して構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセルスタック。
【請求項７】
前記板状集電部材の両端部は、導電性ペーストにより対向する前記燃料電池セルの外面に接合されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載のセルスタック。
【請求項８】
収納容器内に、請求項１乃至７のうちいずれかに記載のセルスタックを収納してなることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルスタック及び燃料電池に関するもので、特に複数の燃料電池セルの集電特性が良好なセルスタック及び燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
従来の固体電解質型燃料電池は、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納し、燃料電池セル同士を集電部材により電気的に直列又は並列に接続して構成されており、発電は燃料電池セルに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して６００〜１０００℃程度の高温で行われていた。
【０００４】
そして、燃料電池セル間の電気的な接続を行う集電部材は、従来、繊維状の金属が集合した金属フェルト状のものが用いられている。このようなフェルト状の集電部材を用いた燃料電池は、複数の燃料電池セルを配列集合させ、例えば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極との間に、フェルト状の集電部材を詰め込み燃料電池セルを直列に接続してセルスタックを形成し、このセルスタックを収納容器内に収納して構成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料電池では、フェルト状の集電部材は繊維状の金属から構成されているため、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極とは点接触となり、集電特性が未だ低いという問題があった。
【０００６】
また、燃料電池セル間に集電部材を詰め込んだとしても、振動や集電部材の弾性低下等の原因で燃料電池セルとの接触が十分に行われなくなり、発電当初は集電特性はある程度良好であったとしても経時的に低下する可能性があった。
【０００７】
さらに、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスが導入されて発電する場合には、繊維状金属の表面から酸化し、集電特性が低下し、また金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特性が低下するという問題もあった。
【０００８】
また、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極との間に集電部材を詰め込む際に、集電部材がフェルト状であることに起因して、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの外側電極同士が導通してしまうという危険性もあった。
【０００９】
本発明は、燃料電池セル間の集電特性を向上できるセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のセルスタックは、配列した複数の燃料電池セル間に板状集電部材をそれぞれ配置し、対向する前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるとともに、前記板状集電部材が、ガス流通方向から見てＺ型形状であり、かつその両端部を前記対向する燃料電池セルの外面にそれぞれ当接せしめ、さらに、前記板状集電部材の前記燃料電池セル外面との当接部には凹凸が形成され、前記板状集電部材の当接部の凹部と前記燃料電池セル外面との間には、ガスが通過する空間が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
このようなセルスタックでは、板状集電部材がＺ型形状であり、その両端部が対向する燃料電池セルの外面にそれぞれ当接しており、燃料電池セルの外面と面接触し、従来のようなフェルト状の集電部材よりも燃料電池セルに当接する面積が大きくなり、集電特性を向上できる。
【００１２】
また、金属又は合金を主とする板状集電部材がバネ性を有するため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保できる。さらに、集電部材は板状であるため、収納容器内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保できる。
【００１３】
さらに、集電部材が板状であるため、例えば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極との間に集電部材を詰め込む際にも、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの外側電極同士の導通を確実に防止できる。また、本発明のセルスタックでは、凹凸が形成されている板状集電部材の当接部が、対向する燃料電池セルの外面に当接することになるが、燃料電池セル外面には板状集電部材の当接部の凸部が当接し、燃料電池セル外面と当接部の凸部間との間には空間が形成されており、この空間をガスが通過することになるため、ガスの外側電極表面への供給を増加して、多孔質な外側電極を介して固体電解質まで供給されるガス量を増加でき、発電性能を向上できる。
【００１４】
また、本発明のセルスタックでは、燃料電池セルは扁平状であり、対向する燃料電池セルの外面は略平坦であることが望ましい。このように、対向する燃料電池セルの外面が略平坦である場合には、板状集電部材の両端部が燃料電池セル外面の平坦部に確実に当接するため、集電特性を向上できる。
【００１６】
特に、前記板状集電部材の前記燃料電池セル外面との前記当接部には波形の凹凸が形成されており、前記板状集電部材の前記当接部に形成された凹部と前記燃料電池セル外面との間の空間がガス流通方向に形成されていることが望ましい。この場合には、ガスは板状集電部材の当接部に形成された凹部と外側電極外面との間を通過し、ガスの外側電極表面への供給を増加でき、発電性能を向上できる。
【００１７】
さらに、本発明のセルスタックでは、燃料電池セルは、軸長方向にガス通過孔が形成された内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成し、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない内側電極の表面にインターコネクタを形成してなり、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極に、板状集電部材の両端部が当接していることを特徴とする。このように燃料電池セルを電気的に直列に接続する場合に好適に用いられる。
【００１８】
また、本発明のセルスタックでは、燃料電池セルは、酸素含有ガスに曝される外側電極を有しており、板状集電部材が、導電性を有する金属又は合金の表面を耐酸化性物質で被覆して構成されていることが望ましい。板状集電部材が耐酸化性を有するため、板状集電部材が酸素含有ガスに曝されたとしても良好な電気伝導性を有することができる。
【００１９】
さらに、本発明のセルスタックでは、板状集電部材の両端部は、導電性ペーストにより対向する燃料電池セルの外面に接合されていることが望ましい。これにより、板状集電部材と燃料電池セル間の電気的接続を確実に行うことができる。板状集電部材の両端部に凹凸が形成されている場合には、凸部が導電性ペーストにより燃料電池セルの外面に接合されることになる。
【００２０】
本発明の燃料電池は、収納容器内に、上記したセルスタックを収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタックが良好な集電特性を有するため、優れた発電特性を発揮できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、セルスタック３５の上方に形成された燃焼室３７と、この燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９と、燃焼室３７の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００２２】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００２３】
収納容器３１内のセルスタック３５は、図２に示すように、燃料電池セル３３を３列に整列して構成されており、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４２で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。尚、図１では４列として記載している。
【００２４】
具体的に説明すると、燃料電池セル３３は断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔３４が形成されている。この燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極（内側電極）３３ａの外面に、緻密質な固体電解質３３ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極（外側電極）３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側の燃料側電極３３ａの外面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００２５】
即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部は、燃料側電極３３ａの平坦部にインターコネクタ３３ｄ、又は固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。
【００２６】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には板状集電部材４３が介在され、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａを、該燃料側電極３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、板状集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接続されている。尚、図２では、板状集電部材４３は簡略化して記載した。
【００２７】
板状集電部材４３は、図３に示すように、矩形状板をＺ型形状に折曲して構成され、その両端部は略平行とされている。即ち、板状集電部材４３は、中央部に形成されバネを付与するための連結部４３ａと、この連結部４３ａの両側に形成された略平行の当接部４３ｂとから構成されており、板状集電部材４３の両端部に形成された当接部４３ｂが、対向する燃料電池セル３３の外面にそれぞれ当接している。
【００２８】
板状集電部材４３の当接部４３ｂには波形の凹凸が形成されており、当接部４３ｂに形成された凹部４３ｂ１がガス流通方向に形成されている。図３（ｂ）では、紙面に向かって垂直方向がガス流通方向となる。ガスは、板状集電部材４３の当接部４３ｂに形成された凹部４３ｂ１と酸素側電極３３ｃ外面との間を通過し、ガスの酸素側電極３３ｃ表面への供給を増加でき、発電性能を向上できる。
【００２９】
板状集電部材４３は、対向する燃料電池セル３３間に複数配置されている。複数配置することにより、燃料電池セル３３間の集電特性を向上できる。
【００３０】
板状集電部材４３は、対向する燃料電池セル３３の平坦部であるインターコネクタ３３ｄと、酸素側電極３３ｃとの間に配置され、燃料電池セル３３同士が直列に接続されている。平坦部に板状集電部材４３の当接部４３ｂが当接しているため確実に当接し、電気的接続を確実に行うことができる。
【００３１】
また、当接部４３ｂの燃料電池セル側に突出した部分が、Ａｇペーストを介在して燃料電池セル３３に接合している。このＡｇペーストは発電時に焼き付けられ、当接部４３ｂが、燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄと酸素側電極３３ｃに接合し、これにより、板状集電部材４３と燃料電池セル３３との電気的接続を十分にとることができる。
【００３２】
図３（ｃ）は板状集電部材４４の当接部４４ｂに複数の凸部４４ｂ１を点在して形成したもので、このような板状集電部材４４でも同様な効果を得ることができる。
【００３３】
尚、当接部４３ｂ、４４ｂは全面がインターコネクタ３３ｄに当接し、酸素側電極３３ｃには、上記したように、当接部４３ｂ、４４ｂの酸素側電極３３ｃ側に突出した部分を当接させても良い。この場合には、当接部４３ｂ、４４ｂの接続固定をさらに確実に行うことができる。また、当接部に複数のスリットを形成し、この部分から燃料ガスを酸素側電極に供給することもできる。
【００３４】
これらの板状集電部材４３、４４は、対向する燃料電池セル３３間に複数介在されており、これらの板状集電部材４３、４４は、導電性を有するＣｒ、Ｆｅを主成分とするフェライト系ステンレスの表面をＡｇからなる耐酸化性物質で被覆して構成されている。尚、板状集電部材４３、４４は導電性を有する金属又は合金を主成分とするものの表面を耐酸化性物質で被覆したものであれば、上記したものに限定されるものではない。
【００３５】
セルスタック３５の下方には、図１に示したように、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するための燃料ガスタンク４５が設けられ、この燃料ガスタンク４５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００３６】
燃料ガスタンク４５には、燃料電池セル３３の下端部に取り付けられた取付治具５３が螺着しており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。即ち、取付治具５３は、燃料電池セル３３の端部に取り付けられたセル端部側取付治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着する連結部材５３ｂとから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成されている。
【００３７】
セル端部側取付治具５３ａ、連結部材５３ｂには、燃料ガスタンク４５と燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４に連通するように貫通孔が形成されている。
【００３８】
また、図１に示したように、燃焼室３７を挿通する酸素含有ガス供給管３９は、その先端部が燃料電池セル３３間に位置している。この酸素含有ガス供給管３９から供給される酸素含有ガスは、燃料ガスタンク４５側に向けて噴出した後、熱交換部４１側に流れることになる。従って、発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃料電池セル３３間を通って燃料電池セル３３の上方に流れ、発電で用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４を通って燃料電池セル３３の上方から吹き出し、燃料電池セル２２の上端近傍において、燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼するように構成されている。
【００３９】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼室３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００４０】
熱交換器４１ａは、図４に示すように、平板６１と波板６３を交互に積層したプレートフィン型構造とされており、酸素含有ガス収容室４１ｂと連通する通路を形成する波板６３ａは、図４（ｂ）に示すように形成され、また、燃焼ガスの排出用の通路を形成する波板６３ｂは、図４（ｃ）に示すように形成されている。
【００４１】
燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００４２】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、図５に示すように、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側の端面、即ちセルスタック側端面に設けられており、波板６３ａの各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。
【００４３】
酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００４４】
また、図１に示したように、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼室３７中の燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板６３ｂの通路へ導出される。
【００４５】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を、酸素含有ガス管７３を介して熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して燃料電池セル３３間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管５１を介して燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４内に供給し発電させる。
【００４６】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは燃焼室３７内に流れ、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。
【００４７】
そして、本発明の燃料電池では、板状集電部材４３、４４がバネ性を有し、当接部４３ｂ、４４ｂが燃料電池セル３３の外面と面接触するため、従来のようなフェルト状の集電部材よりも燃料電池セル３３に当接する面積が大きくなり、集電特性を向上できる。また、板状集電部材４３、４４は板状であるため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。特に、当接部４３ｂ、４４ｂに凹凸を形成し、板状集電部材４３、４４と燃料電池セル３３外面との間を燃料ガスが通過することにより、燃料ガスを固体電解質３３ｂへ十分に供給でき、発電特性を向上できる。
【００４８】
さらに、板状集電部材４３は板状であるため、収納容器３１内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。さらに、集電部材４３が板状であるため、一方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄと他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃとの間に板状集電部材４３を介装する際にも、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃ同士の導通を確実に防止できる。
【００４９】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼室３７内に導入され、この燃焼室３７中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼室３７を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００５０】
さらに、セルスタック３５の上部に燃焼室３７、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼室３７で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００５１】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００５２】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを発電室４９内に確実に供給できる。
【００５３】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような扁平状で複数の燃料ガス通過孔３４を有する燃料電池セル３３を用いて説明したが、燃料電池セルは燃料ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定されるものではない。
【００５４】
また、熱交換器４１ａとしてプレートフィン型を用いたが、本発明ではこれに限定されるものではなく、それ以外の熱交換器を用いても良いことは勿論である。
【００５５】
さらに、上記例では、燃料電池セル３３を直列に接続した例について説明したが、並列接続しても良いことは勿論である。また、燃料側電極３３ａを内側電極としたが、酸素側電極を内側電極としても良い。
【００５６】
さらに、一つの燃料ガスタンク４５を用いて燃料電池セルに燃料ガスを供給する場合について説明したが、本発明では、セル列毎に燃料ガスタンクを設け、これらの間に、燃料電池セルを直接加熱するバーナを設けることもできる。この場合には、起動時にバーナにより燃料電池セルを直接加熱し、起動を迅速に行うことができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明のセルスタックでは、板状集電部材がＺ型形状であり、その両端部が対向する燃料電池セルの外面にそれぞれ当接しており、板状集電部材がバネ性を有するため、燃料電池セルの外面と面接触し、集電特性を向上できるとともに、集電部材は板状であるため弾性力も大きく、燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保でき、さらに、集電部材は板状であるため焼結しにくく、燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保でき、また集電部材が板状であるため、製造時に絶縁すべきところを誤って導通させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】板状集電部材を用いて燃料電池セルを接続した状態を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は当接部に凸部を点在して形成した板状集電部材を示す斜視図である。
【図４】図１の熱交換器の概念を説明するための図であり、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は酸素含有ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図、（ｃ）は燃焼ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図である。
【図５】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・燃料側電極（内側電極）
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）
３３ｄ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス通過孔
４３、４４・・・板状集電部材
４３ｂ、４４ｂ・・・当接部（両端部）
４３ｂ１・・・当接部の凹部
【図１】
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【図２】
0003898541.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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