(57)【要約】【課題】加熱対象部材を十分に加熱することのできる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、燃料マニホールド１と、燃料電池セル２と、多孔質部材３と、を備えている。燃料電池セル２は、燃料マニホールド１から上方に延びている。燃料電池セル２は、支持基板、支持基板内を上下方向に延びるガス流路２２、及び支持基板上に配置される発電素子部を有している。多孔質部材３は、ガス流路２２の排出側端部を覆うように燃料電池セル２の上方に配置されている。多孔質部材３は、側面部が内部よりも緻密である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料マニホールドと、
支持基板、前記支持基板内を上下方向に延びるガス流路、及び前記支持基板上に配置される発電素子部、を有し、前記燃料マニホールドから上方に延びる燃料電池セルと、
前記ガス流路の排出側端部を覆うように前記燃料電池セルの上方に配置された多孔質部材と、
を備え、
前記多孔質部材は、側面部が内部よりも緻密である、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記多孔質部材は、上下方向に延びる複数の流路と、前記各流路を仕切る多孔質の隔壁と、一部の前記流路内に配置されて上方に流れるガスの流れの抵抗となる抵抗部と、を有する、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記抵抗部の気孔率は、前記隔壁の気孔率よりも低い、
請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記多孔質部材は、前記多孔質部材の内部を上方に流れるガスの流れの抵抗となる抵抗部を有する、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記抵抗部の気孔率は、前記多孔質部材の他の部分の気孔率よりも低い、
請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記多孔質部材は、加熱対象部材の下方に配置され、
前記多孔質部材の上面は、前記加熱対象部材と対向する対向領域と、前記対向領域の外側に配置される外側領域とを有し、
前記外側領域は、前記対向領域よりも緻密である、
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記多孔質部材は、前記燃料電池セルの上面に載置される、
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記多孔質部材は、前記燃料電池セルの上面と間隔をあけて配置される、
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記多孔質部材は、下方に開口する凹部を有しており、
前記燃料電池セルの上端部は、前記多孔質部材の凹部に嵌合する、
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、燃料マニホールドと、燃料マニホールドから上方に延びる複数の燃料電池セルとを備えている（特許文献１参照）。燃料マニホールドは、各燃料電池セルに燃料ガスを分配する。
【０００３】
各燃料電池セルに供給された燃料ガスの一部は、各燃料電池セルから未反応の状態で排出される。この排出された燃料ガスを燃焼させることによって、例えば、改質器や、周りを流れる空気などのような加熱対象部材を加熱することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように構成された燃料電池スタックにおいて、燃料ガスの利用効率を向上させると、各燃料電池セルの上端部から排出される燃料ガスが少なくなり、加熱対象部材を十分に加熱できなくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、加熱対象部材を十分に加熱することのできる燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、燃料マニホールドと、燃料電池セルと、多孔質部材と、を備えている。燃料電池セルは、燃料マニホールドから上方に延びている。燃料電池セルは、支持基板、支持基板内を上下方向に延びるガス流路、及び支持基板上に配置される発電素子部を有している。多孔質部材は、ガス流路の排出側端部を覆うように燃料電池セルの上方に配置されている。多孔質部材は、側面部が内部よりも緻密である。
【０００８】
この構成によれば、燃料電池セルのガス流路から排出された燃料ガスと、各燃料電池セルの外側面を流れる空気とが多孔質部材内に供給される。そして、この燃料ガスと空気とが、多孔質部材内において混合されるため、燃料ガスの燃焼は予混合燃焼となる。このため、本発明に係る燃料電池スタックは、従来の拡散燃焼に比べて燃焼の安定性が向上し、加熱対象部材を十分に加熱することができる。また、多孔質部材の側面部が内部よりも緻密であるため、多孔質部材内に供給された燃料ガス及び空気が多孔質部材の側方へと漏れることを防止できる。このため、より効率的に加熱対象部材を加熱することができる。
【０００９】
好ましくは、多孔質部材は、上下方向に延びる複数の流路と、各流路を仕切る多孔質の隔壁と、一部の流路内に配置されて上方に流れるガスの流れの抵抗となる抵抗部と、を有する。この構成によれば、多孔質部材の流路に供給されたガスが抵抗部に到達すると、隔壁を介して隣の流路へと流れる。この結果、多孔質部材内での燃料ガスと空気との混合が促進され、より安定した燃焼とすることができる。
【００１０】
例えば、上述した抵抗部の気孔率は、隔壁の気孔率よりも低いような構成とすることができる。
【００１１】
好ましくは、多孔質部材は、多孔質部材の内部を上方に流れるガスの流れの抵抗となる抵抗部を有する。この構成によれば、多孔質部材内を上方に流れる燃料ガス又は空気が抵抗部に到達すると、抵抗部を避けるように燃料ガス又は空気の流れ方向が変更される。この結果、燃料ガスと空気との混合が促進され、より安定した燃焼とすることができる。
【００１２】
例えば、抵抗部の気孔率は、多孔質部材の他の部分の気孔率よりも低いような構成とすることができる。
【００１３】
好ましくは、多孔質部材は、加熱対象部材の下方に配置される。多孔質部材の上面は、加熱対象部材と対向する対向領域と、対向領域の外側に配置される外側領域とを有する。外側領域は、対向領域よりも緻密とすることが好ましい。この構成によれば、より効率的に加熱対象部材を加熱することができる。
【００１４】
多孔質部材は、燃料電池セルの上面に載置されていてもよい。
【００１５】
多孔質部材は、燃料電池セルの上面と間隔をあけて配置されていてもよい。
【００１６】
多孔質部材は下方に開口する凹部を有しており、燃料電池セルの上端部は多孔質部材の凹部に嵌合していてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、加熱対象部材を十分に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池スタックの斜視図。
【図２】燃料マニホールドの斜視図。
【図３】燃料電池セルの斜視図。
【図４】燃料電池セルの作動状態を説明するための斜視図。
【図５】燃料電池スタックの断面図。
【図６】燃料電池スタックを含むシステムの概略図。
【図７】多孔質部材の断面図。
【図８】多孔質部材の平面図。
【図９】変形例に係る多孔質部材の断面図。
【図１０】変形例に係る多孔質部材の断面図。
【図１１】変形例に係る燃料電池スタックを含むシステムの概略図。
【図１２】変形例に係る燃料電池スタックを含むシステムの概略図。
【図１３】変形例に係る燃料電池スタックを含むシステムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［燃料電池スタック］
本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
［燃料電池スタック］
図１に示すように、燃料電池スタック１００は、燃料マニホールド１と、複数の燃料電池セル２と、多孔質部材３とを備えている。この燃料電池スタック１００の上方には、改質器（図示省略）が配置される。
【００２１】
［燃料マニホールド］
図２に示すように、燃料マニホールド１は、各燃料電池セル２に燃料ガスを供給するように構成されている。燃料マニホールド１は、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。燃料マニホールド１は、マニホールド本体１１と、支持板１２とを有している。また、燃料マニホールド１は、外部から燃料マニホールド１の内部空間に燃料ガスを導入するための導入管１３を有している。
【００２２】
マニホールド本体１１は、底板と側板とを備え、上方に開口している。支持板１２は、マニホールド本体１１上に配置され、マニホールド本体１１の上面を塞ぐように構成されている。支持板１２は、複数の燃料電池セル２を支持するように構成されている。支持板１２は、複数の挿入孔１４を有している。各挿入孔１４は互いに間隔をあけて支持板１２の長手方向（ｚ軸方向）に沿って配置されている。マニホールド本体１１、及び支持板１２は、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。
【００２３】
導入管１３は、支持板１２に対して接合されている。導入管１３も、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。この導入管１３は、例えば、支持板１２に形成された貫通孔に挿入された状態にて溶接されることによって、支持板１２に接合されている。
【００２４】
［燃料電池セル］
図１に示すように、各燃料電池セル２は、燃料マニホールド１から上方に延びている。図３に示すように、各燃料電池セル２は、支持基板２０、及び複数の発電素子部２１を有している。各発電素子部２１は、燃料電池セル２の長手方向（ｘ軸方向）に沿って互いに間隔をあけて配置されている。各燃料電池セル２は、いわゆる横縞型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００２５】
支持基板２０は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状である。支持基板２０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料で構成される。支持基板２０の内部には、長手方向に延びる複数の燃料ガス流路２２が形成されている。各燃料ガス流路２２は、互いに幅方向（ｙ軸方向）に間隔をおいて配置されている。支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成される。
【００２６】
各発電素子部２１は、支持基板２０の主面のそれぞれに配置されている。各発電素子部２１は、燃料極、固体電解質膜、及び空気極がこの順に積層された積層焼成体である。燃料極は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とで構成される。固体電解質膜は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）で構成される。空気極は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）で構成される。以下、燃料電池セル２が起電力を発生し得る最低温度を、起電力発生温度ＴＡと呼ぶ。起電力発生温度ＴＡは、例えば、３５０〜４００℃である。
【００２７】
図４に示すように、支持基板２０の燃料ガス流路２２内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２０の各主面に沿って酸素を含むガス（空気等）を流すと、各発電素子部２１において、固体電解質膜の表裏面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する（非発電状態）。このように起電力が発生している燃料電池セル２を、外部の負荷を含む電気回路（閉回路）に電気的に接続すると、下記（１）、（２）式に示す発電反応が起こり、燃料電池セル２内にて電流が流れる(発電状態)。この発電状態にて、燃料電池セル２から電力が取り出される。なお、この発電反応は発熱反応である。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （於：燃料極）  …（２）
【００２８】
なお、燃料電池セル２の温度が起電力発生温度ＴＡ近傍である場合、燃料電池セル２は起電力を発生し得るものの、燃料電池セル２の内部電気抵抗が大きい。従って、燃料電池セル２から十分な出力を取り出すことができない。燃料電池セル２の内部電気抵抗は、燃料電池セル２の温度の上昇に応じて小さくなっていく。また、燃料電池セル２が発生する起電力は、温度に応じてほとんど変化しない。したがって、燃料電池セル２の温度が起電力発生温度ＴＡから上昇するにつれて、燃料電池セル２から取り出せる出力が大きくなっていく。燃料電池セル２から十分な出力を取り出せる燃料電池セル２の温度を作動温度Ｔ１と呼ぶ。作動温度Ｔ１は、例えば、６００〜８００℃である。燃料電池セル２の運転状態では、燃料電池セル２の温度は、作動温度Ｔ１近傍に維持されるように制御される。これにより、燃料電池セル２から所望の出力を安定して取り出すことができる。以上、燃料電池セルとして、平板状の燃料電池セルについて述べたが、燃料電池セルが円筒状などの他のタイプの燃料電池セルであってもよい。
【００２９】
図５に示すように、各燃料電池セル２の下端部は、支持板１２の挿入孔１４に挿入されている。すなわち、各燃料電池セル２は、支持板１２から上方（ｘ軸正方向）に延びている。各燃料電池セル２は、燃料マニホールド１の長手方向（ｚ軸方向）に沿って互いに間隔をあけて配置されている。各燃料電池セル２の上端部は、自由端となっている。
【００３０】
各燃料電池セル２は、第１接合材４によって支持板１２に接合されている。第１接合材４は、燃料電池セル２の根元部に沿って環状に延びている。第１接合材４は、ガスシール機能を有している。すなわち、燃料電池セル２と支持板１２との隙間から、燃料マニホールド１内の燃料ガスが漏れないように第１接合材４がシールしている。なお、燃料電池セル２の燃料ガス流路２２は、燃料マニホールド１内と連通している。
【００３１】
第１接合材４は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３系が採用され得るが、ＳｉＯ２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。
【００３２】
隣り合う燃料電池セル２の間には、集電部材５が配置されている。詳細には、集電部材５は、燃料電池セル２の下端部に配置されている。集電部材５は、隣り合う燃料電池セル２を電気的に接続している。詳細には、集電部材５は、一方の燃料電池セル２の燃料極と他方の燃料電池セル２の空気極とを電気的に接続している。集電部材５は、各燃料電池セル２と第２接合材６を介して接合されている。
【００３３】
集電部材５は、導電性であり、例えば、酸化物セラミックスの焼成体で構成されている。このような酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物、又はスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、又は（Ｍｎ，Ｆｅ）３Ｏ４等が挙げられる。この集電部材３０２は、例えば、可撓性を有していない。なお、集電部材５は、例えば、金属メッシュ等で構成されていてもよい。
【００３４】
第２接合材６は、例えば、導電性であり、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４系の導電性セラミックス、または貴金属によって形成される。具体的には、第２接合材６は、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、Ｐｔ及びＡｇ等よりなる群から選ばれる少なくとも１種によって形成される。
【００３５】
各発電素子部２１は、電気的接続部（図示省略）によって互いに電気的に接続されている。また、燃料電池セル２の上端部側において、支持基板２０の一方面に形成された発電素子部２１と他方面に形成された発電素子部２１とが第２集電部材７によって電気的に接続されている。なお、各発電素子部２１は、直列に接続されている。
【００３６】
［多孔質部材］
図６に示すように、多孔質部材３は、各燃料電池セル２の上端部を覆うように配置されている。詳細には、多孔質部材３は、各燃料電池セル２の燃料ガス流路２２の排出側端部を覆うように配置されている。
【００３７】
多孔質部材３は、各燃料電池セル２の上方に配置されている。多孔質部材３は、例えば、各燃料電池セル２の上面に載置されている。多孔質部材３は、各燃料電池セル２の上面に対して固定されていても、固定されていなくてもよい。この多孔質部材３の上方には、改質器１０１が配置される。また、この改質器１０１と燃料電池スタック１００は、図示しない耐熱容器内に収容されている。
【００３８】
図７及び図８に示すように、多孔質部材３は、上下方向に延びる複数の流路３１と、各流路３１を仕切る多孔質の隔壁３２とを有している。例えば、多孔質部材３は、ハニカム構造を有している。各流路３１の流路面積は、燃料電池セル２の各ガス流路２２の流路面積よりも小さい。例えば、多孔質部材３の各流路３１の流路面積は、１〜２５ｍｍ２程度であり、隣接する流路３１の間隔（ピッチ）は、１〜１０ｍｍ程度である。多孔質部材３の厚さ（ｘ軸方向の寸法）は、例えば、５〜１００ｍｍ程度であり、好ましくは、３〜３０ｍｍ程度である
【００３９】
隔壁３２は、例えば、多孔質のセラミックス材料で構成されている。多孔質のセラミックス材料としては、例えば、炭化ケイ素、ジルコニア、アルミナ、又はコージェライト等が挙げられる。が挙げられる。この場合の多孔質のセラミックス材料の気孔率は、２０〜８０体積％である。
【００４０】
多孔質部材３の側面部３３は、内部よりも緻密である。詳細には、多孔質部材３の側面部３３は、隔壁３２よりも緻密である。例えば、側面部３３は、隔壁３２と同じ材料で構成してもよい。この場合、側面部３３の気孔率は、隔壁３２の気孔率よりも低くなるように形成される。例えば、側面部３３の気孔率は、５〜７０体積％とすることができる。また、側面部３３は、ガラス材料によって構成することもできる。ガラス材料としては、ＳｉＯ２-ＭｇＯ系等の結晶化ガラスなどを例示することができる。
【００４１】
［作動方法］
図６に示すように、改質器１０１は、入口管１０２と、出口管１０３とを備える。出口管１０３は、燃料マニホールド１の導入管１３と接続されている。改質器１０１、入口管１０２、及び、出口管１０３は、耐熱性金属で構成されている。改質器１０１の内部には、都市ガスなどのガスを改質する反応を促進させるための貴金属触媒、及び、卑金属触媒等が収容されている。
【００４２】
上記貴金属触媒等の存在によって、改質器１０１内では、具体的には、下記の（３）式のように、メタンの水蒸気改質反応が発生する。この反応によって、改質器１０１内にて、燃料電池セル２の燃料として使用される燃料ガス（水素ガスＨ２）が生成され得る。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  …(３)
【００４３】
以下、水蒸気改質反応が発生し得る最低温度を改質温度Ｔ２と呼ぶ。改質器１０１の温度が改質温度Ｔ２以上になると、改質器１０１内にて水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は吸熱反応である。したがって、水蒸気改質反応が発生すると、改質器１０１が吸熱される。
【００４４】
燃料電池スタック１００が運転状態（すなわち、燃料電池スタック１００の温度が作動温度Ｔ１近傍に維持される状態）では、改質器１０１は、改質温度Ｔ２より高く作動温度Ｔ１より低い温度Ｔ３（以下、「作動温度Ｔ３」と呼ぶ）の近傍に維持されるように制御される。これにより、改質器１０１が水蒸気改質反応を安定して発生することができる。
【００４５】
改質器１０１によって生成された燃料ガスは、導入管１３及び燃料マニホールド１を経て、各燃料電池セル２のガス流路２２に供給され、各発電素子部２１の発電に利用される。そして、各発電素子部２１において利用されなかった未反応の燃料ガスは、各ガス流路２２の上端から排出される。
【００４６】
各燃料電池セル２のガス流路２２から排出された燃料ガスは、多孔質部材３の各流路３１に導入される。また、各燃料電池セル２の間に供給された空気も多孔質部材３の各流路３１に導入される。そして、各流路３１内に導入された燃料ガス及び空気は、隔壁３２を介して混合される。このため、燃料ガスの燃焼形態は予混合燃焼となり、安定した燃焼とすることができる。この結果、改質器１０１を十分に加熱することができる。
【００４７】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００４８】
変形例１
上記実施形態では、多孔質部材３の各流路３１は上下方向に貫通していたが、特にこれに限定されない。例えば、図９に示すように、多孔質部材３は、複数の抵抗部３４を有していてもよい。抵抗部３４は、複数の流路３１のうち一部の流路３１内に配置されている。抵抗部３４は、流路３１内を上方に流れる燃料ガスの流れの抵抗となるように構成されている。例えば、抵抗部３４は、コージェライト、窒化珪素、又は結晶化ガラスなどによって構成されている。抵抗部３４の気孔率は、隔壁３２の気孔率よりも低い。この構成によれば、抵抗部３４が配置された流路３１内を流れる燃料ガス又は空気は、抵抗部３４に到達すると、隔壁３２を介して隣の流路３１へと流れる。この結果、燃料ガスと空気との混合をより促進することができる。
【００４９】
変形例２
上記実施形態では、多孔質部材３はハニカム構造を有していたが、多孔質部材３の構成はこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、多孔質部材３は、スポンジ状であってもよい。この場合、燃料ガスは多孔質部材３内を上方に向かって流れる。多孔質部材３は、この上方に向かって流れる燃料ガスの抵抗となる抵抗部３４を有していてもよい。例えば、多孔質部材３内の一部の気孔率を他の部分の気孔率よりも低くすることによって、燃料ガスの抵抗部３４を構成してもよい。この構成によれば、抵抗部３４が配置された流路３１内を流れる燃料ガス又は空気は、抵抗部３４に到達すると、流れ方向を変える。この結果、燃料ガスと空気との混合をより促進することができる。
【００５０】
変形例３
図１１に示すように、多孔質部材３の上面は、改質器１０１と対向する対向領域３５と、対向領域３５の外側に配置される外側領域３６と、を有していてもよい。外側領域３６は、改質器１０１と対向していない。この外側領域３６は、対向領域３５よりも緻密である。例えば、外側領域３６において、緻密膜が形成されており、各流路３１が塞がれている。この結果、外側領域３６からは燃料ガスや空気が排出されず、対向領域３５のみから燃料ガスや空気が排出される。したがって、より効率的に改質器１０１を加熱することができる。
【００５１】
変形例４
また、上記実施形態において、多孔質部材３は各燃料電池セル２上に載置されているが、多孔質部材３の配置方法はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、多孔質部材３は、複数の凹部３７を有していてもよい。各凹部３７は、下方に開口している。この各凹部３７に、各燃料電池セル２の上端部が嵌合する。
【００５２】
また、図１３に示すように、多孔質部材３は、燃料電池セル２の上面と間隔をあけて配置されていてもよい。この場合、図示しない支持部材などによって、多孔質部材３が支持されている。
【００５３】
変形例５
上記実施形態では、燃料電池スタック１００は加熱対象部材として改質器１０１を加熱しているが、燃料電池スタック１００の加熱対象部材は改質器１０１に限定されない。例えば、周囲を流れる空気が燃料電池スタック１００の加熱対象部材であってもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１        ：燃料マニホールド
１１      ：ガス流路
１２      ：支持基板
２        ：燃料電池セル
２０      ：支持基板
２１      ：発電素子部
２２      ：ガス流路
３        ：多孔質部材
３１      ：流路
３２      ：隔壁
３３      ：側面部
３４      ：抵抗部
３５      ：対向領域
３６      ：外側領域
１００    ：燃料電池スタック
１０１    ：改質器
【図１】
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【図２】
2017224597.tif 000004
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2017224597.tif 000014
【図１３】
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