(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜とその両面に接合した一対のガス拡散電極とで構成される膜−電極接合体の両側を一対のセパレータで挟み、前記一対のセパレータの少なくとも一方の固体高分子電解質膜と接する面に環状溝を設け、前記環状溝の内側領域と外側領域は溝底部より高い部分が存在し、前記環状溝にはガスケットを備え、前記環状溝の内側領域に表面から裏面へ貫通する孔を備え、前記固体高分子電解質膜の前記セパレータの孔に対応する位置に孔を備え、前記セパレータの孔および固体高分子電解質膜の孔をマニホールドとし、前記環状溝の内側領域に固体高分子電解質膜が存在する固体高分子電解質形燃料電池の単セルを複数積層した固体高分子電解質形燃料電池において、前記一対のセパレータの、前記環状溝の内側領域の間隔の方が、前記環状溝の外側領域の間隔よりも広いことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記一対のセパレータの少なくとも一方において、前記環状溝の内側領域の溝底部からの高さが、前記環状溝の外側領域の溝底部からの高さよりも低いことを特徴とする請求項1記載の固体高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な構造のセパレータを備えた固体高分子形燃料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜とその両面に接合した一対のガス拡散電極とで構成される膜−電極接合体の両側を、一対のセパレータで挟んだ単セルを、複数直列に積層した構造の発電装置である。この装置の発電は、アノードに燃料を、カソ−ドに酸化剤を供給することによっておこなわれる。燃料として水素ガス、酸化剤として酸素ガスを供給することによってこの装置を作動させた場合、つぎのような電気化学反応が進行する。
【０００３】
アノ−ド：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソ−ド：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→Ｈ２Ｏ
ここで、従来の燃料電池スタック内におけるこれらのガスの流通経路を、図１を用いて説明する。図１は燃料電池スタックの構造の一例であり、図１において、１１は固体高分子電解質膜、１２はアノード、１３はカソード、１４はアノード側セパレータ、１５はカソード側セパレータ、１６は燃料ガスを供給するためのマニホールド、１７は燃料ガスを排出するためのマニホールド、１８は環状溝、１９はガスケットを示す。
【０００４】
燃料電池スタックは、図１のように、固体高分子電解質膜１１とアノード１２とカソード１３とで構成される単セルを、一対のセパレータ１４および１５を用いて積層したものである。
【０００５】
外部から供給される燃料ガスは、マニホールド１６を経てアノード１２に供給され、アノード電極上で消費される。そして、余剰の燃料ガスまたは水蒸気などの不純物は、マニホールド１７を経て外部に排出される。酸化剤ガスも同様の経路を経て供給、排出される。
【０００６】
このような構造の燃料電池スタックに使用されるセパレータには、セパレータ−単セル間のガスや水などの漏洩を防ぐためにシール部分を設ける必要がある。すなわち、従来のセパレータの電極に接する面には、環状のガスケットを配するための溝が設けられており、ガスケットがマニホールド（流体の流通経路）をとり囲むように配置される。この構造により、ガスや水等の流体の漏洩や混合が防止される。
【０００７】
例えば、図１に示したの従来のアノード側セパレータ１４には、環状溝１８がマニホールド１６および１７をとり囲むように設けられており、この環状溝１８には、環状溝と同じ形状のガスケット１９が備えられる。
【０００８】
ここで、従来のセパレータのシール部分の構造を、図２を用いて詳細に説明する。図２は従来のセパレータのシール部分の構造を示す図であって、セパレータの固体高分子電解質膜に接する面の正面図とその断面図とを表している。図２において、２０はマニホールド、２１は環状溝、Ａは環状溝の内側領域、Ｂは環状溝の外側領域である。
【０００９】
環状溝２１はセパレータの固体高分子電解質膜に接する面に設けられ、閉じた環状である。従来のセパレータの固体高分子電解質膜に接する面は、環状溝２１によってその溝で囲まれる内側領域Ａと外側領域Ｂとに分割されている。このような従来のセパレータでは、図２の断面図のように、内側領域Ａの溝底部からの高さと外側領域Ｂの溝底部からの高さは同じになるように形成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセパレータを備えた燃料電池スタックでは、単セルを挟んでいる一対のセパレータが互いに接触することによって、短絡が発生するという問題があった。この問題は、主に単セルの固体高分子電解質膜が所定の位置からずれることに起因する。このことを図３および図４を用いて説明する。
【００１１】
図３および図４は、単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータの、マニホールド付近の断面を示したもので、図３はセパレータ間の短絡が発生していない状態を示し、図４はセパレータ間の短絡が発生する可能性が高い状態を示している。図３および図４において、記号１１〜１９は図１と同じものを示し、ＸおよびＹは、セパレータ同士が接触する可能性の高い部分である。
【００１２】
図３のように、固体高分子電解質膜１１が所定の位置にある場合、一対のセパレータ１４および１５は、固体高分子電解質膜１１によって隔離されて、セパレータ１４と１５は短絡することはない。しかし、図４のように、固体高分子電解質膜１１が収縮するなどしてずれた場合、一対のセパレータ１４および１５は、固体高分子電解質膜を挟まずに直接対向するようになり、その結果、図４のＸとＹの部分で、セパレータ１４と１５とが接触する可能性が高くなる。
【００１３】
図４に示した固体高分子電解質膜のずれは、固体高分子電解質膜の中でも特にセパレータの環状溝の内側領域（図２の領域Ａ）で頻繁に生じる。なぜなら、この部分の固体高分子電解質膜は、マニホールド内を流通するガスや水などの流体に常にさらされているために、収縮や膨張などの寸法変化が著しいからである。特に、燃料電池スタックを長期間作動させた場合、内側領域Ａ付近の電解質膜は著しく劣化するので、短絡の頻度が極端に高くなる。
【００１４】
本発明は、従来のセパレータを備えた固体高分子電解質形燃料電池で生じる短絡が、主にセパレータの内側領域Ａの付近で生じていることを見いだした結果なされたもので、その目的は、新規な構造のセパレータを用いることにより、セパレータ間の短絡を防止し、優れた特性を示す固体高分子電解質形燃料電池を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、固体高分子電解質膜とその両面に接合した一対のガス拡散電極とで構成される膜−電極接合体の両側を一対のセパレータで挟み、前記一対のセパレータの少なくとも一方の固体高分子電解質膜と接する面に環状溝を設け、前記環状溝の内側領域と外側領域は溝底部より高い部分が存在し、前記環状溝にはガスケットを備え、前記環状溝の内側領域に表面から裏面へ貫通する孔を備え、前記固体高分子電解質膜の前記セパレータの孔に対応する位置に孔を備え、前記セパレータの孔および固体高分子電解質膜の孔をマニホールドとし、前記環状溝の内側領域に固体高分子電解質膜が存在する固体高分子電解質形燃料電池の単セルを複数積層した固体高分子電解質形燃料電池において、前記一対のセパレータの、前記環状溝の内側領域の間隔の方が、前記環状溝の外側領域の間隔よりも広いことを特徴とする
【００１６】
請求項１の発明によれば、固体高分子電解質膜が、セパレータの環状溝の内側領域で収縮した場合でも、アノード側セパレータとカソード側セパレータ間の短絡を防止することができ、優れた特性を示す固体高分子電解質形燃料電池を得ることができる。また、環状溝にガスケットを備えることにより、セパレータと単セル間のガスや水の漏れを防止することができる。
【００１７】
請求項２の発明は、上記固体高分子電解質形燃料電池において、一対のセバレータの少なくとも一方において、前記環状溝の内側領域の溝底部からの高さが、前記環状溝の外側領域の溝底部からの高さよりも低いことを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明によれば、アノード側セパレータとカソード側セパレータ間の短絡をより確実に防止することができる。
【００２１】
本発明は、固体高分子電解質膜とその両面に接合した一対のガス拡散電極とで構成される膜−電極接合体の両側を一対のセパレータで挟み、前記一対のセパレータの少なくとも一方の固体高分子電解質膜と接する面に環状溝を設け、前記環状溝の内側領域と外側領域は溝底部より高い部分が存在し、前記環状溝にはガスケットを備え、前記環状溝の内側領域に表面から裏面へ貫通する孔を備え、前記固体高分子電解質膜の前記セパレータの孔に対応する位置に孔を備え、前記セパレータの孔および固体高分子電解質膜の孔をマニホールドとし、前記環状溝の内側領域に固体高分子電解質膜が存在する固体高分子電解質形燃料電池の単セルを複数積層した固体高分子電解質形燃料電池において、前記一対のセパレータの、前記環状溝の内側領域の間隔の方が、前記環状溝の外側領域の間隔よりも広い構造とするものである。
【００２２】
本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シール部分の構造の断面のいくつかの例を図５〜図８に示す。図５〜図８における記号１１〜１９は図１と同じものを示し、２２はアノード側セパレータに設けたテーパ、２３はカソード側セパレータに設けたテーパ、２４はカソード側セパレータに設けた環状の凹部、Ｄはセパレータの環状溝の内側領域の間隔、Ｅはセパレータの環状溝の外側領域の間隔である。
【００２３】
図５は、アノード側セパレータ１４の環状溝１８の内側にテーパ２２を設けた構造である。図６は、カソード側セパレータ１５のマニホールド１６側にテーパ２３を設けた構造である。図７は、アノード側セパレータ１４の環状溝１８の内側にテーパ２２を設け、同時に、カソード側セパレータ１５のマニホールド１６側にテーパ２３を設けた構造である。図８は、カソード側セパレータ１５のマニホールド１６側に環状の凹部２４を設けた構造である。
【００２４】
図５〜図８においては、いずれも、セパレータの環状溝の内側領域の間隔Ｄが環状溝の外側領域の間隔Ｅよりも広い構造となっている。このような構造とすることにより、図４で示したような固体高分子電解質膜のずれが生じた場合においても、一対のセパレータ間の短絡を防止することができるものである。
【００２５】
なお、図５〜図８においては、ガスケット１９はアノード側セパレータ１４にのみ取り付けた例を示したが、環状溝１８およびガスケット１９は、カソード側セパレータ１５にのみ取り付けてもよいし、また、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１５の両方に取り付けてもよい。
【００２６】
また、図５〜図８で示したテーパ２１および２２、環状の凹部２４の形状は特に限定されるものではなく、また、アノード側セパレータ１４またはカソード側セパレータ１５の少なくとも一方に取り付ければよい。
【００２７】
さらに本発明は、固体高分子電解質形燃料電池の一対のセバレータの少なくとも一方において、前記環状溝の内側領域の溝底部からの高さが、前記環状溝の外側領域の溝底部からの高さよりも低い構造とするものである。
【００２８】
そのような本発明のセパレータの、シール部分の構造の正面図と断面図を図９に示す。図９において、記号２０、２１、ＡおよびＢは図２と同じものを示し、Ｃは環状溝の断面積を示す。
【００２９】
図９に示すように、本発明のセパレータの固体高分子電解質膜と接する面は、環状溝２８によって内側領域Ａと環状溝の外側領域Ｂとに分割されている。本発明のセパレータは、図９の断面図に示すように、環状溝の内側領域Ａの溝底部からの高さが、環状溝の外側領域Ｂの溝底部からの高さよりも低くなっている。
【００３０】
図１０に、本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質形燃料電池スタックの一例を示す。図１０において、記号１１〜１９は図１と同じものを示している。本発明のセパレータ１４および１５は、固体高分子電解質膜１１とアノード１２とカソード１３とで構成される単セルに、ガスケット１９を介して積層される。
【００３１】
図１１は、図１０に示した本発明のセパレータを備えた燃料電池スタックの、単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータの、マニホールド付近の断面を示す図である。図１１における記号１１〜１９は図１と同じものを示し、記号ＡおよびＢは図２と同じものを示している。
【００３２】
図１１に示したように、本発明のセパレータでは、環状溝の外側領域Ｂが単セルの固体高分子電解質膜１１と接しているが、環状溝の内側領域Ａは電解質膜にほとんど接していない。そのため、固体高分子電解質膜が収縮した場合でも、本発明のアノード側セパレータ１４の環状溝の内側領域Ａは、カソード側セパレータ１５に接触することがない。
【００３３】
本発明のセパレータは、環状溝の内側領域Ａに表面から裏面へ貫通する孔を備えている。この孔は、特にマニホールドとして使用されるものである。なぜなら、マニホールドの付近はセパレータ間の短絡が頻繁に発生する部分であり、その部分を環状溝の内側領域Ａに備えることによって、セパレータ間の短絡の回避が効率よくなされるからである。また、環状溝の内側領域Ａと環状溝の外側領域Ｂとは、セパレータの少なくとも一方に備えられていればよく、両面に備えられていてもよい。
【００３４】
本発明の燃料電池用セパレータにおいて、環状溝の内側領域Ａの溝底部からの高さと環状溝の外側領域Ｂの溝底部からの高さの差は、効果的に短絡を防止できることから、０．０１０ｍｍ以上であることが好ましく、燃料電池スタックの小形化のために５．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、環状溝の内側領域Ａの表面の粗さは、どのようなものでも本発明の効果はある。そのためラップ仕上げやつや出しなどの高度な表面加工をとくに必要としないので、セパレータ製作の費用を低減することがきる。
【００３５】
本発明の燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜とその両面に接合した一対の電極とで構成される燃料電池単セルとその単セルの両側に配置されるセパレータとを含む燃料電池スタックであって、燃料電池スタックに含まれる少なくとも一方のセパレータが本発明のセパレータであることが好ましく、そのことにより、短絡による出力電圧の低下が抑制される。特に、燃料電池スタックの各単セルの両側に配置されるアノード側またはカソード側のセパレータの少なくとも一方が本発明のセパレータであることが好ましい。
【００３６】
本発明のセパレータに設けられた環状溝には、ガスケットが備えられる。そして、本発明の燃料電池スタックに備えられる本発明のセパレータの電極と接する面に設けられた環状溝においては、環状溝の外側領域Ｂの溝底部からの高さが、ガスケットの厚みよりも小さい値であればよい。これは、ガスケットに圧迫を加えることができるようにするためである。
【００３７】
ここで、環状溝の内側領域Ａの溝底部からの高さが、環状溝の外側領域Ｂの溝底部からの高さと同じと仮定した場合の環状溝の断面積（図９で示したＣ）に対するガスケットの断面積の割合は、どのようなものでも本発明の効果がある。特にその割合は、ガスケットの移動を防ぐために、５％以上であることが好ましい。また、その割合が１５０％以上の場合、ガスケットが溝の壁面におよぼす圧力が著しく高くなり、その結果、セパレータが損傷することがある。すなわち、ガスケットの断面積の割合は、環状溝の断面積の５〜１５０％であることが好ましい。また、特に本発明の効果が高くなることから、５〜９５％であることがさらに好ましい。
【００３８】
さらに、本発明に使用するガスケットの材料は、これらに限るものではないが、合成ゴム、天然ゴム、金属、炭素、石綿、コルク、フェルト、合成樹脂、皮革などを使用することができる。それらの中でも特に、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ケイ素ゴム、多硫化ゴム、フッ素ゴム、水素化ニトリルゴム、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂などの高分子化合物が好ましい。また、ガスケットの形状は、気密性を向上させるために、断面の形状が厚み方向に凸となっていることが好ましく、とくにＯリングが好ましい。
【００３９】
なお、本発明の燃料電池に用いられる電極には、触媒を備えたガス拡散電極を用いることができる。ここで、触媒としては、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、オスニウム、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、銀、タングステンおよび金からなる群より選ばれた少なくともひとつ以上の元素を含む粒子またはそれをカーボン粒子などの担体に担持したものを用いることができる。また、本発明の燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜には、パーフルオロカーボンスルフォン酸形またはスチレン−ジビニルベンゼン系のスルフォン酸形陽イオン交換樹脂が好ましい。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
［実施例１］
カーボン製の板を以下のような形状に加工することによって、本発明のセパレータを製作した。このセパレータの寸法は、縦２００ｍｍ、横１６０ｍｍ、厚み５．０ｍｍである。その正面図、背面図および断面図の一部を図１２に示す。
【００４１】
図１２において、６６および６７はガス用マニホールド、６８は環状溝、６００および６０４はセパレータ背面の流路、６０１および６０３は貫通孔、６０２は電極面にガスを供給するための流路、６０６および６０７は対極用のガス用マニホールドである。
【００４２】
ガス用のマニホールド６６と６７、対極用のガス用マニホールド６０６と６０７は、すべて長円形で、直線部分の長さが１５．０ｍｍ、幅が１０．０ｍｍ、円形部分は半径５．０ｍｍの半円形で、面に対して垂直に貫通している。環状溝６８は、幅は２．７ｍｍ、環状溝６８の溝底部からの高さは、環状溝の外側領域が１．５ｍｍ、環状溝の内側領域が１．０ｍｍとした。すなわち、環状溝の内側領域の高さが、環状溝の外側領域の高さよりも低い構造である。
【００４３】
電極面にガスを供給するための流路６０２は、貫通孔６０１を始点、貫通孔６０３を終点とする幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝である。またこの流路は、セパレータ背面の流路６００と６０４とを介してマニホールド６６および６７と連通している。なお、この貫通孔は直径１．０ｍｍの円形で面に垂直に形成されており、背面の流路の形状は幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝である。
【００４４】
［比較例１］
比較例のセパレータをつぎのように製作した。このセパレータの寸法は、縦２００ｍｍ、横１６０ｍｍ、厚み５．０ｍｍである。その正面図、背面図および断面図の一部を図１３に示す。図１３における記号は、すべて図１２と同じものを示している。
【００４５】
６６、６７はガス用のマニホールド、６０６と６０７とは対極用のガスのマニホールドであり、すべて長円形で、直線部分の長さが１５．０ｍｍ、幅が１０．０ｍｍ、円形部分は半径５．０ｍｍの半円形で、面に対して垂直に貫通している。６８は環状溝であり、幅は２．７ｍｍ、環状溝の高さは、環状溝の底部から１．５ｍｍとした。すなわち、環状溝の内側領域の高さが、環状溝の外側領域の高さと同じである。
【００４６】
６０２は電極面にガスを供給するための流路であり、貫通孔６０１を始点、貫通孔６０３を終点とする幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝である。またこの流路は、セパレータ背面の流路６００と６０４とを介してマニホールド６６、６７と連通している。なお、この貫通孔は直径１．０ｍｍの円形で面に垂直に形成されており、背面の流路の形状は幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝である。
【００４７】
実施例および比較例のセパレータを備えた燃料電池スタックをつぎのように製作した。まず、固体高分子電解質膜（デュポン社製、ナフィオン、膜厚約５０μｍ）の両面にアノードとカソード（ともに１．０ｍｇ・ｃｍ−２の白金を担持した有効面積１００ｃｍ２のガス拡散電極）とを接合することによって単セルを製作した。
【００４８】
つぎに、単セルのカソード側に実施例１のセパレータ、アノード側に比較例１のセパレータを配して、それを３組積層したのち、さらにそれを一対のエンドプレートで固定することによって本発明の燃料電池スタックを製作した。一方、単セルの両面に比較例のセパレータを配してそれを３組積層し、さらに一対のエンドプレートで固定することによって比較例の燃料電池スタックとした。各セパレータの環状溝６８には、ガスケットとして線径１．５ｍｍのＯリングを配置した。
【００４９】
製作した燃料電池に酸素と水素とをそれぞれ０．１Ｌ・ｍｉｎ−１、０．２Ｌ・ｍｉｎ−１となるように供給した。エンドプレートを種々の圧力で締め付けたときの燃料電池スタックの開回路電圧を図１４に示す。図１４において、記号○は実施例の燃料電池スタックの特性、記号△は比較例の燃料電池スタックの特性を示す。ここで圧力は、外力をセパレータの面積（３２０ｃｍ２）で除した値で表記した。
【００５０】
本発明の燃料電池スタックの開回路電圧は、締め付け圧力が１００．０〜１０００ｋｇ・ｃｍ−２の範囲でほぼ一定の値を示した。これに対して、従来の燃料電池スタックの開回路電圧は、１００．０〜５００．０ｋｇ・ｃｍ−２の範囲でほぼ一定であったが、１０００ｋｇ・ｃｍ−２で締め付けたときに著しく低下した。これらの結果から、本発明のセパレータを使用することによって、短絡が抑制されることが明らかとなった。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の固体高分子電解質形燃料電池においては、セパレータを新しい構造とするもので、一対のセパレータの、環状溝の内側領域の間隔の方が記環状溝の外側領域の間隔よりも広くすることにより、固体高分子電解質膜が、セパレータの環状溝の内側領域で収縮した場合でも、アノード側セパレータとカソード側セパレータ間の短絡を防止することができ、出力電圧が高く、優れた特性を示す固体高分子電解質形燃料電池を提供することができる。また、本発明によれば、エネルギー効率の高い固体高分子電解質形燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の燃料電池スタックの構造の一例を示す図。
【図２】従来のセパレータのシール部分の構造を示す図。
【図３】単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータの、マニホールド付近の断面で、セパレータ間の短絡が発生していない状態を示す図。
【図４】単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータの、マニホールド付近の断面で、セパレータ間の短絡の可能性の高い状態を示す図。
【図５】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シール部分の断面構造の一例を示す図。
【図６】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シール部分の断面構造の一例を示す図。
【図７】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シール部分の断面構造の一例を示す図。
【図８】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シール部分の断面構造の一例を示す図。
【図９】本発明のセパレータの、シール部分の構造を示す図。
【図１０】本発明のセパレータを備えた燃料電池スタックの一例を示す図。
【図１１】本発明のセパレータを備えた燃料電池スタックの、単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータの、マニホールド付近の断面を示す図。
【図１２】実施例１のセパレータの概略を示す図。
【図１３】比較例１のセパレータの概略を示す図。
【図１４】種々の圧力で締め付けたときの燃料電池スタックの開回路電圧を示す図。
【符号の説明】
１１  固体高分子電解質
１４  アノード側セパレータ
１５  カソード側セパレータ
１６、１７、２０  マニホールド
１８、２１  環状溝
６００、６０２  ガスの流路
６０１、６０３  貫通孔
Ａ  環状溝の内側領域
Ｂ  環状溝の外側領域
【図１】
0003906975.tif 000002
【図２】
0003906975.tif 000003
【図３】
0003906975.tif 000004
【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】
0003906975.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003906975.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0003906975.tif 000013
【図１３】
0003906975.tif 000014
【図１４】
0003906975.tif 000015