(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にアノード側電極とカソード側電極とを対設した単位燃料電池セルをセパレータを介して複数個積層して、その両端面に出力電力を取り出すための一対の電力端子板を設けた燃料電池スタックであって、単位燃料電池セルの積層方向に向かって冷却液給排路又はガス給排路を貫通して設け、前記電力端子板に形成された冷却液給排路又はガス給排路の周囲を絶縁性のあるグロメットで被覆し、前記グロメットは、前記冷却液給排路又はガス給排路の周囲に形成された係止部に着脱可能に取り付けられる係合部を有していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記グロメットは、電力端子板に隣接する板材との接触部分にシールリップを有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、積層された単位燃料電池セルを貫通して冷却液の給排路を設けた燃料電池スタックに係るものであり、特に、電池内部において冷却液を通した電気的短絡を防止できる燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極とカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されており、通常、この単位燃料電池セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ここで燃料電池スタックには、積層された各単位燃料電池セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガス及び燃料電池スタック冷却用の冷却液を供給するために、内部マニホールド構造が採用される場合が多い。この内部マニホールドは、具体的には、積層された各燃料電池セル及びセパレータに一体的に連通して設けられた複数の連通孔を備えており、供給用の連通孔に反応ガスが供給されると、前記反応ガスが各単位燃料電池セル毎に分散供給される一方、使用済みの反応ガスが排出用の連通孔に排出される。また、同様に冷却液も供給用の連通孔から供給され、熱交換に供されたのちに、排出用の連通孔から排出される（この種の技術としては、例えば、特開平９−６３６２７号公報に記載したものがある）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池スタックは、積層された各燃料電池セルを直列に接続して高電圧を確保しているため、積層方向の端部に導電性の高い金属からなる電力取り出し用の電力端子板を設けるのが一般的である。そして、前記内部マニホールド構造を採用した場合は、前述した単位燃料電池セル及びセパレータと同様に前記電力端子板に反応ガス用の連通孔及び冷却液の連通孔を設ける必要がある。
ところが、金属製の電力端子板を使用した場合に、冷却液の連通孔の周囲が冷却液に晒されるため腐食してしまうという問題がある。また、その性質上導電性の高い金属、例えば銅を使用している関係で、冷却液を通じて電気が短絡する液絡の問題が生ずる。これに対して絶縁性の高い純水を使ってこれを防止することも考えられるが、今度は寒冷地において凍結の問題が発生してしまう。そして、同様に反応ガス中に含まれる水分により反応ガス用の連通孔も腐食の虞がある。また、腐食に強いステンレススチール製の電力端子板を用いると電気抵抗が大きいため、電力損失が増えてしまう。
そこで、この発明は、電力端子板の冷却液等による腐食を防止し、液絡等の問題をなくし、冷却液の選択の自由度を高めることができる燃料電池スタックを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜５）の両側にアノード側電極（例えば、実施形態におけるアノード側電極７）とカソード側電極（例えば、実施形態におけるカソード側電極６）とを対設した単位燃料電池セル（例えば、実施形態における単位燃料電池セル２）をセパレータ（例えば、実施形態における第１、第２セパレータ３，４）を介して複数個積層して、その両端面に出力電力を取り出すための一対の電力端子板（例えば、実施形態における端子板２６）を設けた燃料電池スタックであって、単位燃料電池セルの積層方向に向かって冷却液給排路（例えば、実施形態における冷却液供給側の連通孔１８、冷却液排出側の連通孔１９）又はガス給排路（例えば、実施形態における酸化剤ガス供給側、排出側の連通孔１４，１６、燃料ガス供給側、排出側の連通孔１５，１７）を貫通して設け、前記電力端子板に形成された冷却液給排路又はガス給排路の周囲を絶縁性のあるグロメット（例えば、実施形態におけるグロメット４６，５０）で被覆し、前記グロメットは、前記冷却液給排路又はガス給排路の周囲に形成された係止部（例えば、実施形態における係止部４７）に着脱可能に取り付けられる係合部（例えば、実施形態における係合部４８）を有していることを特徴とする。
このように構成することで、冷却液給排路を流れる冷却液が電力端子板の冷却液給排路に直接接触するのを防止することができる。また、ガス給排路を流れる反応ガス中に含まれる水分が電力端子板のガス給排路に直接接触するのを防止できる。更に、グロメットの係合部を冷却液給排路又はガス給排路の周囲に形成された係止部に取り付けるだけで、グロメットを取り付けることができる。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、前記グロメットは、電力端子板に隣接する板材と（例えば、実施形態における第１セパレータ３、第２セパレータ４及び絶縁板２７）の接触部分にシールリップ（例えば、実施形態におけるシールリップ４９）を有していることを特徴とする。
このように構成することで、隣接する板材に形成された冷却液給排路又はガス給排路の周囲のシールをも行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の実施形態の燃料電池スタックの概略縦断面図である。図２は単位燃料電池セルの分解状態を第１、第２セパレータとともに示す斜視図である。燃料電池スタック１は、図１、図２に示すように、単位燃料電池セル２と、この単位燃料電池セル２を挟持する第１及び第２セパレータ３，４とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。燃料電池スタック１は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置されている。
【００１０】
単位燃料電池セル２は、固体高分子電解質膜（電解質）５と、この固体高分子電解質膜５を挟んで配設されるカソード側電極６及びアノード側電極７とを有するとともに、前記カソード側電極６及び前記アノード側電極７には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１及び第２ガス拡散層８、９が配設されている。
【００１１】
単位燃料電池セル２の両側には、第１及び第２ガスケット１０，１１が設けられ、前記第１ガスケット１０は、カソード側電極６及び第１ガス拡散層８を収納するための大きな開口部１２を有する−方、前記第２ガスケット１１は、アノード側電極７及び第２ガス拡散層９を収納するための大きな開口部１３を有する。単位燃料電池セル２と第１及び第２ガスケット１０，１１とが、第１及び第２セパレータ３，４によって扶持されている。
【００１２】
第１セパレータ３は、カソード側電極６に対向する面３ａ及び反対側の面３ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺が水平方向に指向するとともに、短辺が重力方向に指向して配置されている。
【００１３】
第１セパレータ３の短辺側の両端縁部上部側には、酸素含有ガス又は空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス供給側の連通孔（ガス給排路）１４と、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給側の連通孔（ガス給排路）１５とが、上下方向に長尺形状を有して設けられている。第１セパレータ３の短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス排出側の連通孔（ガス給排路）１６と燃料ガス排出側の連通孔（ガス給排路）１７とが、酸化剤ガス供給側の連通孔１４及び燃料ガス供給側の連通孔１５と対角位置になるようにかつ上下方向に長尺形状を有して設けられている。
【００１４】
第１セパレータ３の長辺の下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却液供給側の連通孔（冷却液給排路）１８〜１８が設けられるとともに、この第１セパレータ３の長辺側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒件排出側の連通孔（冷却液給排路）１９〜１９が設けられている。冷却液供給側の連通孔１８〜１８には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却液が供給される。第１セパレータ３の面３ａには、酸化剤ガス供給側の連通孔１４に連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝２０が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられている。第１酸化剤ガス流路溝２０は、５本の第２酸化剤ガス流路溝２１に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝２１が酸化剤ガス排出側の連通孔１６に連通している。第１セパレータ３には、後述するタイロツド挿通用の孔部２２が６箇所に形成されている。
【００１５】
第２セパレータ４は長方形状に形成されており、この第２セパレータ４の短辺側の両端緑部上部側には、酸化剤ガス供給側の連通孔１４及び燃料ガス供給側の連通孔１５が貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス排出側の連通孔１６及び燃料ガス排出側の連通孔１７が、前記酸化剤ガス供給側の連通孔１４及び前記燃料ガス供給側の連通孔１５と対角位置になるように貫通形成されている。
【００１６】
第２セパレータ４の長辺側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却液供給側の連通孔１８〜１８が貫通形成され、この長辺側の上部には、冷却液排出側の連通孔１９〜１９が、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成されている。
【００１７】
図３に示すように、第２セパレータ４の面４ａには、燃料ガス供給側の連通孔１５に連通して１０本の第１燃料ガス流路溝２４が形成されている。この第１燃料ガス流路溝２４が５本の第２燃料ガス流路溝２５に合流し、前記第２燃料ガス流路溝２５が燃料ガス排出側の連通孔１７に連通している。
【００１８】
図１に示すように、第２セパレータ４の面４ａとは反対側の面４ｂには、冷却液供給側の連通孔１８〜１８と冷却液排出側の連通孔１９〜１９にそれぞれ個別に連通する冷却液流路２３〜２３が重力方向に向かって設けられている。また、第２セパレータ４には、第１セパレータ３と同様に、タイロツド挿通用の孔部２２が６箇所に設けられている。
【００１９】
図１に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル２の積層方向両端には、電力を取り出すための例えば、銅製、ステンレススチール製の端子板（電力端子板）２６が設けられている。端子板２６には、絶縁板２７を介して第１、第２エンドプレート２８、４０が積層されるとともに、この端子板２６に電力取り出し端子２９が装着されている。尚、この電力取り出し端子２９は、各端子板２６に対して勝手反対の位置に取り付けられている。ここで、第２エンドプレート側４０の絶縁板２７には前記各セパレータ３，４と同様に連通孔１４〜１７、連通孔１８，１９及び孔部２２が形成されているが、第１エンドプレート２８側の絶縁板２７には、孔部２２を除いて連通孔１４〜１７、連通孔１８，１９は形成されていない。
【００２０】
図５は第２エンドプレート４０側の電力取り出し端子２９付近の断面図である。図５に示すように、電力取り出し端子２９は、円柱状の大径部３０の両端に小径なねじ部３１ａ，３１ｂを設けている。このねじ部３１ａは、端子板２６に形成された孔部３２を通って第２セパレータ４の空間部分に突出し、前記ねじ部３１ａにナット部材３３が螺着されている。大径部３０の肩部には、端子板２６との間のシール性を向上させるために前記絶縁板２７が介装されるとともに、前記大径部３０の外周と第２エンドプレート４０に形成された孔部３５との間に絶縁リング３６が介装されている。尚、第１エンドプレート２８側においても同様の構成である。
【００２１】
図４に示すように、第２エンドプレート４０側の端子板２６は、第２セパレータ４とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス供給側の連通孔１４、燃料ガス供給側の連通孔１５及び酸化剤ガス排出側の連通孔１６、燃料ガス排出側の連通孔１７が互いに対角位置に設けられている。端子板２６の長辺側下部及び上部には、それぞれ４つの冷却液供給側の連通孔１８〜１８と冷却液排出側の連通孔１９〜１９が設けられるとともに、タイロツド挿通用の孔部２２が６箇所に形成されている。そして、この端子板２６に前記電力取り出し端子２９が取り付けられている。尚、前述したように第１エンドプレート２８側の端子板２６も、電力取り出し端子２９が勝手反対に取り付けられている点以外は第２エンドプレート４０側の端子板２６と同様であるので説明は省略する。
【００２２】
そして、図１に示すように、燃料電池スタック１は、締め付け機溝３７を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定されている。締め付け機溝３７は、第１エンドプレート２８の外面側に設けられる液体チャンバ３８と、この液体チャンバ３８内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイルと、第２エンドプレート４０の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート４０を前記第１エンドプレート２８側に押圧するために水平方向に所定間隔づつ離間して配置される３つの皿ばね４１〜４１とを備えている。
【００２３】
液体チャンバ３８を挟んで第１エンドプレート２８に対向してバックアッププレート４２が配設され、このバックアッププレート４２とアルミニウム又はステンレススチール製の薄板４３との間に前記液体チャンバ３８が形成されている。前記皿ばね４１〜４１は、第２エンドプレート４０の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板４３により支持されている。取り付け板４３から燃料電池スタック１を貫通してバックアッププレート４２に６本のタイロツド４４が挿入され、タイロツド４４の端部にナット４５を締め付けて燃料電池スタック１が一体的に組み付けられている。
【００２４】
ここで、図４に示すように端子板２６の冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９には、絶縁性のある部材、例えばゴムから成形されたグロメット４６が着脱可能に取り付けられ、グロメット４６により冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９の周囲が被覆されるようになっている。
また、端子板２６の酸化剤ガス供給側の連通孔１４、燃料ガス供給側の連通孔１５及び酸化剤ガス排出側の連通孔１６、燃料ガス排出側の連通孔１７にも、同様の構成のグロメット５０が取り付けられている。ここで、前記グロメット５０はグロメット４６と形は違うが断面形状は同じであるので、以下の説明はグロメット４６についてのみ行う。
【００２５】
図６はグロメット４６の平面図、図７は第２エンドプレート４０側のグロメット４６付近の断面図、図８は第２エンドプレート４０側のグロメット４６付近の斜視図である。図６〜図８に示すように、冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９の周囲には、先端部が拡大形成された係止部４７が全周に亘って形成され、グロメット４６の外周部分には前記係止部４７に着脱可能に取り付けられる係合部４８が形成されている。そして、この係止部４７に前記グロメット４６の係合部４８を嵌着して、グロメット４６が冷却液供給側の連通孔１８と冷却液排出側の連通孔１９に取り付けられるようになっている。また、グロメット４６は前記端子板２６の幅寸法にほぼ等しい幅を有しており、隣接する各板材との接触部分にシールリップ４９を有している。尚、ここで板材とは絶縁板２７と第２セパレータ４を意味している。
【００２６】
ここで、グロメット４６の内周縁の寸法は前記隣接する板材の冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９の内周縁に一致するように形成されている。尚、前記端子板２６のうちの一方、つまり、第１エンドプレート２８側の端子板２６には、冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９に、内周部分が閉塞されたグロメット４６に対応するグロメット（図示せず）が使用されている。
【００２７】
上記実施形態によれば、燃料電池スタック１の第２エンドプレート４０の燃料ガス供給側の連通孔１５から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給側の連通孔１４から酸化剤ガスとして空気又は酸素含有ガスが供給される。さらに、冷却液供給側の連通孔１８に冷却液が供給される。
【００２８】
燃料ガスは、各第２セパレータ４の図４に示す第１燃料ガス流路溝２４に供給される。第１燃料ガス流路溝２４に供給された燃料ガスは、各第２セパレータ４の面４ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層９を通って単位燃料電池セル２のアノード側電極７に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝２４に沿って移動しながらアノード側電極７に供給される一方、第２燃料ガス流路溝２５を介して第２エンドプレート４０の燃料ガス排出側の連通孔１７から排出される。
【００２９】
一方、酸化剤ガス供給側の連通孔１４に供給された空気は、図１に示す第１セパレータ３の面３ａ内の第１酸化剤ガス流路溝２０に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝２０に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層８からカソード側電極６に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝２１を介して酸化剤ガス排出側の連通孔１６から排出される。この酸化剤ガス排出側の連通孔１６に排出された空気は、第２エンドプレート４０に設けられた酸化剤ガス排出側の連通孔１６から排出される。
これにより、燃料電池スタック１で発電が行われ、各電力取り出し端子２９間に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００３０】
また、燃料電池スタック１内は、冷却液により有効に冷却される。すなわち、冷却液は、第２エンドプレート４０の各冷却液供給側の連通孔１８に導入され、各セパレータ３，４間の冷却液流路２３に送られる。そして、この冷却液は、この冷却液流路２３下方から上方に向かって移動する。この間に各単位燃料電池セル２を冷却した冷却液は、各冷却液排出側の連通孔１９を経て第２エンドプレート４０の冷却液排出側の連通孔１９から排出される。
【００３１】
ここで、図６〜図８に示すように、前記端子板２６の冷却液供給側の連通孔１８と冷却液排出側の連通孔１９の周囲は絶縁性のあるグロメット４６で覆われているため、冷却液が端子板２６の冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９に直接接触するのを防止することができる。したがって、導電性の高い金属製、例えば銅製の端子板２６を使用した場合でも、腐食が原因で電気抵抗が増大し発電効率が低下するのを防止することができる。よって、冷却液の選択の自由度が高くなる。また、グロメット４６が絶縁性のある材料で形成されているため、冷却液を通じて電気が短絡する液絡の問題が生ずることはない。
同様に酸化剤ガス供給側、排出側の連通孔１４，１６、燃料ガス供給側、排出側の連通孔１５，１７に取り付けられたグロメット５０によって、酸化剤ガス、燃料ガス中の水分により各連通孔１４〜１７の周囲が腐食するのを防止できる。
【００３２】
また、グロメット４６，５０を設けることにより以下に述べる効果がある。尚、以下の説明ではグロメット４６を例にして説明しているが、グロメット５０についてもグロメット４６と同等の効果がある。
隣接する各板材との接触部分に設けられたシールリップ４９により、とりわけ第２エンドプレート４０側における隣接する板材の冷却液供給側の連通孔１８と冷却液排出側の連通孔１９の周囲のシールをも行うことができるため、隣接する板材の冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９の周囲のシール部材を廃止でき、部品点数組み付け工数を削減できる。
そして、グロメット４６の係合部４８を冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９の周囲に形成された係止部４７に取り付けるだけで、グロメット４６を冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９の周囲に取り付けることができるため、グロメット４６の取り付け作業をワンタッチで位置ズレを起こすことなく行えると共に、グロメット４６の交換作業の際にこれを簡単に取り外すことができる。
【００３３】
そして、前記冷却液供給側の連通孔１８及び冷却液排出側の連通孔１９を囲むようにそれそれの面にシール部材を設けた場合に比較して、大きな部材であるグロメット４６単体でシールできるため部品点数が減少し、つぶし代を多く確保でき、取り扱いが簡単であるメリットがある。
尚、端子板２６の連通孔１８，１９にグロメット４６を、連通孔１４〜１７にグロメット５０を設けることにより、端子板２６は隣接する板材に対して均一な面圧を確保することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、冷却液給排路を流れる冷却液が電力端子板の冷却液給排路に直接接触するのを防止することができるため、導電性の高い金属製、例えば銅製の電力端子板を使用した場合でも腐食が原因で電気抵抗が増大し発電効率が低下するのを防止できる効果がある。
また、ガス給排路においては、ガス給排路を流れる反応ガス中に含まれる水分が電力端子板のガス給排路に直接接触するのを防止できるため、上述と同様の効果がある。また、グロメットが絶縁性のある材料で形成されているため、冷却液を通じて電気が短絡する液絡の問題が生ずることはないという効果がある。
そして、グロメットの係合部を冷却液給排路又はガス給排路の周囲に形成された係止部に取り付けるだけで、グロメットを冷却液給排路又はガス給排路の周囲に取り付けることができるため、グロメットの取り付け作業をワンタッチで位置ズレを起こすことなく行えると共に、グロメットの交換作業の際にこれを簡単に取り外すことができる効果がある。
【００３５】
請求項２に記載した発明によれば、請求項１の効果に加え、隣接する板材に形成された冷却液給排路又はガス給排路の周囲のシールをも行うことができるため、隣接する板材の冷却液給排路又はガス給排路の周囲のシールを廃止でき、部品点数組み付け工数を削減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施形態の燃料電池スタックの概略縦断面図である。
【図２】  図１の要部の分解斜視図である。
【図３】  この発明の実施形態の第２セパレータの平面図である。
【図４】  この発明の実施形態の端子板の平面図である。
【図５】  この発明の実施形態の電力取り出し端子の断面図である。
【図６】  この発明の実施形態のグロメットの平面図である。
【図７】  図８のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【図８】  この発明の実施形態のグロメット取付状況を示す斜視図である。
【符号の説明】
２  単位燃料電池セル
３  第１セパレータ（板材）
４  第２セパレータ（板材）
５  固体高分子電解質膜（電解質）
６  カソード側電極
７  アノード側電極
１４  酸化剤ガス供給側の連通孔（ガス給排路）
１５  燃料ガス供給側の連通孔（ガス給排路）
１６  酸化剤ガス排出側の連通孔（ガス給排路）
１７  燃料ガス排出側の連通孔（ガス給排路）
１８  冷却液供給側の連通孔（冷却液給排路）
１９  冷却液排出側の連通孔（冷却液給排路）
２６  端子板（電力端子板）
２７  絶縁板（板材）
４６，５０  グロメット
４７  係止部
４８  係合部
４９  シールリップ
【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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