(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを水平方向に重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する燃料電池スタックであって、
前記単位セルは、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを発電面に沿って平行な方向に流す反応ガス流路を有するとともに、
前記セルアセンブリ内には、上流側の単位セルの前記反応ガス流路と下流側の単位セルの前記反応ガス流路とを直列的に連通する中間連通孔が設けられ、
上流側の単位セルは、前記単位セルの積層方向に貫通し、上流側の前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス入口と、
前記中間連通孔を構成するとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し、上流側の前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出する中間反応ガス出口と、
を有し、
下流側の単位セルは、前記中間連通孔を構成するとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し、前記中間反応ガス出口に連通して前記反応ガスを該中間反応ガス出口から下流側の前記反応ガス流路に供給する中間反応ガス入口と、
前記単位セルの積層方向に貫通し、下流側の前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出する反応ガス出口と、
を有するとともに、
前記反応ガス入口は、前記反応ガス出口よりも上方に配置され、かつ、前記反応ガス出口は、少なくとも一部が全ての単位セルの前記発電面よりも下方に配置され、
前記中間反応ガス出口は、前記中間反応ガス入口よりも下方に配置され、かつ、少なくとも一部が全ての単位セルの発電面よりも下方に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する矩形状の単位セルを備え、複数個の前記単位セルを水平方向に重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する燃料電池スタックであって、
前記単位セルは、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを発電面に沿って平行な方向に流す反応ガス流路を有するとともに、
前記セルアセンブリ内には、上流側の単位セルの前記反応ガス流路と下流側の単位セルの前記反応ガス流路とを直列的に連通する中間連通孔が設けられ、
上流側の単位セルは、前記単位セルの積層方向に貫通し、上流側の前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス入口と、
前記中間連通孔を構成するとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し、上流側の前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出する中間反応ガス出口と、
を有し、
下流側の単位セルは、前記中間連通孔を構成するとともに、前記単位セルの積層方向に貫通し、前記中間反応ガス出口に連通して前記反応ガスを該中間反応ガス出口から下流側の前記反応ガス流路に供給する中間反応ガス入口と、
前記単位セルの積層方向に貫通し、下流側の前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出する反応ガス出口と、
を有するとともに、
前記単位セルの矩形状面内において、一方の対角位置に対応して前記反応ガス入口と前記中間反応ガス出口とが配設されるとともに、他方の対角位置に対応して前記中間反応ガス入口と前記反応ガス出口とが配設され、かつ、前記反応ガス出口および前記中間反応ガス出口は、少なくとも一部が前記単位セルの発電面よりも下方に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位セルの重力方向に延在する一方の辺側には、前記中間反応ガス出口と前記中間反応ガス入口とが配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）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（固体高分子電解質膜）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質膜・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備え、この単位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している。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。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として利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスのガス流量、湿度または温度等の運転条件に起因して、単位セル内部で前記反応ガスに含まれている水分が結露する場合がある。その際、単位セル内部の反応ガス流路や接合体の内部で結露が惹起されると、反応ガスの供給や生成水の排出が滞ってしまい、濃度過電圧が増大して発電性能が低下するという問題が指摘されている。
【０００５】
特に、複数個の単位セルを重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する燃料電池スタックでは、各単位セル内部の結露水を有効に排出する技術が開発されておらず、前記結露水の排出性を向上させることが望まれている。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、各単位セル内部の結露水を有効に排出することができ、前記単位セルの発電性能を有効に向上させることが可能なセルアセンブリを備えた燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタックでは、複数個の単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路が、各単位セルにわたって直列的に連通するとともに、前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス入口は、該反応ガス流路から該反応ガスを排出する反応ガス出口よりも上方に配置され、かつ、前記反応ガス出口は、少なくとも一部が前記単位セルの発電面よりも下方に配置されている。
【０００８】
ここで、上流側の単位セルの反応ガス流路と下流側の単位セルの反応ガス流路とは、中間連通孔を介して連通している。この中間連通孔は、上流側の単位セルの反応ガス流路から反応ガスを排出する中間反応ガス出口と、下流側の単位セルの反応ガス流路に前記反応ガスを供給する中間反応ガス入口とを有しており、この中間反応ガス出口は、前記中間反応ガス入口よりも下方に配置され、かつ、少なくとも一部が単位セルの発電面よりも下方に配置されている。
【０００９】
より具体的には、単位セルの矩形状面内において、一方の対角位置に対応して反応ガス入口と中間反応ガス出口とが配設されるとともに、他方の対角位置に対応して中間反応ガス入口と反応ガス出口とが配設され、かつ、前記反応ガス出口および前記中間反応ガス出口は、少なくとも一部が前記単位セルの発電面よりも下方に配置されている。
【００１０】
上記のように、全ての単位セルにおいて、必ず、反応ガス入口（中間反応ガス入口を含む）が反応ガス出口（中間反応ガス出口を含む）よりも上方に配置され、かつ、前記反応ガス出口の少なくとも一部が、前記単位セルの発電面よりも下方に配置されている。これにより、重力を利用して結露水を発電面から確実に排出することができ、簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に向上させることが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセルアセンブリ１０の要部分解斜視図であり、図２は、複数組の前記セルアセンブリ１０が重ね合わされて（積層されて）構成される燃料電池スタック１２の概略斜視図である。
【００１２】
図１に示すように、セルアセンブリ１０は、第１単位セル１４と第２単位セル１６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル１４、１６は、第１および第２接合体１８、２０を備える。第１および第２単位セル１４、１６は、矩形状を有しており、発電面が鉛直方向に向かうように立位姿勢に配置された状態で、水平方向に積層される。
【００１３】
第１および第２接合体１８、２０は、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンとから構成されている。
【００１４】
図１および図３に示すように、第１接合体１８のカソード側電極２４ａ側に第１セパレータ２８が配設され、前記第１接合体１８のアノード側電極２６ａ側と第２接合体２０のカソード側電極２４ｂ側との間に第２セパレータ３０が配設されるとともに、前記第２接合体２０のアノード側電極２６ｂ側に第３セパレータ３２が配設される。第１および第３セパレータ２８、３２の外側の面に対向して、薄板状の壁板（隔壁部材）３４が設けられる。
【００１５】
図１に示すように、第１および第２接合体１８、２０並びに第１乃至第３セパレータ２８、３０および３２の長辺（矢印Ｃ方向）側の一端縁部には、第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス入口３６と、冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口３８と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１４で反応に供与された空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス（反応ガス）を排出する中間酸化剤ガス出口４０と、前記中間酸化剤ガス出口４０に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル１６に前記酸化剤ガスを導入させる中間酸化剤ガス入口４２とが設けられる。中間酸化剤ガス出口４０と中間酸化剤ガス入口４２とにより、中間酸化剤ガス連通孔（中間連通孔）４４が構成される。
【００１６】
第１および第２接合体１８、２０並びに第１乃至第３セパレータ２８、３０および３２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口４６と、ガス流れ方向上流側の第１単位セル１４で反応に供与された燃料ガスを排出する中間燃料ガス出口４８と、前記中間燃料ガス出口４８に連通し、ガス流れ方向下流側の第２単位セル１６に前記燃料ガスを導入させる第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂとが設けられる。中間燃料ガス出口４８と第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂとにより、中間燃料ガス連通孔（中間連通孔）５２が構成される。
【００１７】
第１および第２接合体１８、２０並びに第１乃至第３セパレータ２８、３０および３２の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス出口５４、冷却媒体入口５６および燃料ガス出口５８が設けられる。
【００１８】
図４に示すように、燃料ガス入口３６と第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂとは、燃料ガス出口５８および中間燃料ガス出口４８よりも上方に配置されるとともに、酸化剤ガス入口４６および中間酸化剤ガス入口４２は、酸化剤ガス出口５４および中間酸化剤ガス出口４０よりも上方に配置される。中間酸化剤ガス出口４０、中間燃料ガス出口４８、酸化剤ガス出口５４および燃料ガス出口５８は、少なくとも一部がカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂの発電面下端位置Ｐよりも下方に配置される。
【００１９】
図１に示すように、第１セパレータ２８は、金属薄板で構成され、中央部側には、矢印Ｃ方向（長辺方向）に沿って所定の長さだけ延在する直線溝部６０が設けられるとともに、前記直線溝部６０の矢印Ｃ方向両端には、バッファ用空間部を構成するエンボス部６２が形成される。直線溝部６０およびエンボス部６２は、第１セパレータ２８の両面から交互に設けられており、図３および図５に示すように、第１セパレータ２８は、第１接合体１８のカソード側電極２４ａに対向する側に酸化剤ガス流路（反応ガス流路）６４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路６４の両端が酸化剤ガス入口４６と中間酸化剤ガス出口４０とに連通する。
【００２０】
第１セパレータ２８は、壁板３４の一方の面に対向する側に直線溝部６０およびエンボス部６２を介して冷却媒体流路６６を設ける（図３および図５参照）。冷却媒体流路６６は、図１に示すように、一端が冷却媒体出口３８に連通するとともに、他端側が壁板３４の端部を折り返して前記壁板３４の他方の面側から冷却媒体入口５６に連通する。
【００２１】
第２セパレータ３０は、上記の第１セパレータ２８と略同様に構成されており、第１接合体１８のアノード側電極２６ａに対向する側に直線溝部６０およびエンボス部６２を介して燃料ガス流路（反応ガス流路）６８を設けるとともに、前記燃料ガス流路６８は、燃料ガス入口３６と、中間燃料ガス出口４８とに連通する（図６参照）。第２セパレータ３０は、図７に示すように、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに対向する側に酸化剤ガス流路（反応ガス流路）７０を設け、この酸化剤ガス流路７０の一端が中間酸化剤ガス入口４２を介して中間酸化剤ガス出口４０に連通するとともに、他端が酸化剤ガス出口５４に連通する。
【００２２】
第３セパレータ３２は、上記の第１および第２セパレータ２８、３０と略同様に構成されており、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂに対向する側に燃料ガス流路（反応ガス流路）７２を設ける（図３および図５参照）。この燃料ガス流路７２は、図８に示すように、一端側を第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂを介して中間燃料ガス出口４８に連通する一方、他端側を燃料ガス出口５８に連通する。第３セパレータ３２は、壁板３４に対向する側に冷却媒体流路７４を設ける。図５に示すように、この冷却媒体流路７４は、一端を冷却媒体入口５６に連通するとともに、他端を壁板３４で折り返して冷却媒体出口３８に連通する。
【００２３】
このように構成されるセルアセンブリ１０は、図示しない固定手段を介して一体的に保持された状態で、図２に示すように、所定の組数だけ矢印Ａ方向に重ね合わされる。セルアセンブリ１０の矢印Ａ方向両端には、集電用電極８０ａ、８０ｂを介してエンドプレート８２ａ、８２ｂが配置され、前記エンドプレート８２ａ、８２ｂが図示しないタイロッド等によって一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が構成される。
【００２４】
エンドプレート８２ａ、８２ｂの長辺側の一端縁部には、酸化剤ガス入口４６に連通する酸化剤ガス供給口８４が形成され、前記エンドプレート８２ａ、８２ｂの長辺側の他端縁部には、燃料ガス入口３６および冷却媒体出口３８に連通する燃料ガス供給口８６および冷却媒体排出口８８が形成される。エンドプレート８２ａ、８２ｂの下端縁部には、酸化剤ガス出口５４、冷却媒体入口５６および燃料ガス出口５８に連通する酸化剤ガス排出口９０、冷却媒体供給口９２および燃料ガス排出口９４が形成される。
【００２５】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００２６】
燃料電池スタック１２内には、燃料ガス供給口８６から水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口８４から空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口９２から純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ１０に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００２７】
矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口４６に供給された酸化剤ガスは、図３および図５に示すように、第１セパレータ２８に設けられている酸化剤ガス流路６４に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口３６に供給された燃料ガスは、図６に示すように、第２セパレータ３０に設けられている燃料ガス流路６８に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動する。従って、第１接合体１８では、カソード側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６ａに供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００２８】
第１接合体１８に一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路６４から中間酸化剤ガス連通孔４４を構成する中間酸化剤ガス出口４０に導入され、この中間酸化剤ガス出口４０に沿って矢印Ａ方向に移動する。この酸化剤ガスは、図７に示すように、中間酸化剤ガス入口４２から第２セパレータ３０に設けられている酸化剤ガス流路７０に導入された後、前記酸化剤ガス流路７０を介して第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動する。
【００２９】
同様に、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａで一部が消費された燃料ガスは、図５に示すように、中間燃料ガス連通孔５２を構成する中間燃料ガス出口４８に導入されて矢印Ａ方向に移動する。この燃料ガスは、第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂを介して第３セパレータ３２に設けられている燃料ガス流路７２に導入される（図８参照）。
【００３０】
そして、燃料ガスは、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って移動するため、前記第２接合体２０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口５４に排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口５８に排出される（図５参照）。
【００３１】
一方、冷却媒体入口５６に供給された冷却媒体は、第３セパレータ３２に設けられている冷却媒体流路７４に沿って移動した後、壁板３４で折り返して第１セパレータ２８に設けられている冷却媒体流路６６に沿って移動し、冷却媒体出口３８に排出される。
【００３２】
この場合、本実施形態では、図４に示すように、燃料ガス入口３６と第１および第２中間燃料ガス入口５０ａ、５０ｂとが、燃料ガス出口５８および中間燃料ガス出口４８よりも上方（発電面の上部側）に配置されるとともに、酸化剤ガス入口４６および中間酸化剤ガス入口４２が、酸化剤ガス出口５４および中間酸化剤ガス出口４０よりも上方に配置されている。さらに、中間酸化剤ガス出口４０、中間燃料ガス出口４８、酸化剤ガス出口５４および燃料ガス出口５８が、少なくとも一部をカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂの発電面下端位置Ｐよりも下方に配置されている。
【００３３】
このため、酸化剤ガスや燃料ガスのガス流量、湿度または温度等の運転条件に起因して、セルアセンブリ１０の内部で前記酸化剤ガスや前記燃料ガスに含まれる水分が結露しても、前記結露水を全ての発電面から確実に排出することができる。
【００３４】
例えば、酸化剤ガスを用いて説明すると、この酸化剤ガスは、第１セパレータ２８の酸化剤ガス流路６４に導入され、カソード側電極２４ａに沿って移動した後、中間酸化剤ガス出口４０に排出される（図５参照）。その際、中間酸化剤ガス出口４０の下部側位置は、カソード側電極２４ａの発電面下端位置Ｐよりも下方に配置されており、前記カソード側電極２４ａの発電面に発生している結露水を、重力を利用して確実かつ円滑に中間酸化剤ガス出口４０に排出することができる。
【００３５】
次いで、中間酸化剤ガス出口４０に排出された酸化剤ガスは、第２セパレータ３０と第２接合体２０との間で上方に移動して中間酸化剤ガス入口４２に流入した後、この中間酸化剤ガス入口４２から前記第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路７０に導入される（図５および図７参照）。その際、中間酸化剤ガス入口４２は、中間酸化剤ガス出口４０よりも上方に配置されており、この中間酸化剤ガス入口４２内で結露が発生しても、重力を利用して前記中間酸化剤ガス出口４０内に結露水を落下排出することができる。
【００３６】
一方、酸化剤ガス流路７０に導入された酸化剤ガスは、カソード側電極２４ｂに沿って移動し、このカソード側電極２４ｂの発電面下端位置Ｐよりも下方に配置されている酸化剤ガス出口５４に排出される。従って、重力を利用して、カソード側電極２４ｂの発電面から酸化剤ガス出口５４に結露水を容易かつ確実に排出することが可能になる。
【００３７】
これにより、第１および第２単位セル１４、１６に酸化剤ガスを直列的に供給するセルアセンブリ１０において、重力の作用下に、前記第１および第２単位セル１４、１６の各発電面から結露水を確実に排出することができ、簡単な構成で、前記セルアセンブリ１０全体の発電性能を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００３８】
なお、上記では、酸化剤ガスについてのみ説明したが、燃料ガスにおいても同様の効果が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セルアセンブリを構成する全ての単位セルにおいて、必ず、反応ガス入口が反応ガス出口よりも上方に配置され、かつ、前記反応ガス出口の少なくとも一部が、前記単位セルの発電面よりも下方に配置されている。これにより、重力を利用して結露水を発電面から確実に排出することができ、簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】前記セルアセンブリを構成する第１および第２接合体の正面説明図である。
【図５】前記セルアセンブリ内における酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の流れ説明図である。
【図６】前記セルアセンブリを構成する第２セパレータの燃料ガス流路側の正面図である。
【図７】前記第２セパレータの酸化剤ガス流路側の正面図である。
【図８】前記セルアセンブリを構成する第３セパレータの前記燃料ガス流路側の正面図である。
【符号の説明】
１０…セルアセンブリ              １２…燃料電池スタック
１４、１６…単位セル              １８、２０…接合体
２２ａ、２２ｂ…電解質膜          ２４ａ、２４ｂ…カソード側電極
２６ａ、２６ｂ…アノード側電極    ２８、３０、３２…セパレータ
３４…壁板                        ３６…燃料ガス入口
３８…冷却媒体出口                ４０…中間酸化剤ガス出口
４２…中間酸化剤ガス入口          ４４…中間酸化剤ガス連通孔
４６…酸化剤ガス入口              ４８…中間燃料ガス出口
５０ａ、５０ｂ…中間燃料ガス入口  ５２…中間燃料ガス連通孔
５４…酸化剤ガス出口              ５６…冷却媒体入口
５８…燃料ガス出口                ６０…直線溝部
６２…エンボス部                  ６４、７０…酸化剤ガス流路
６６、７４…冷却媒体流路          ６８、７２…燃料ガス流路
８０ａ、８０ｂ…集電用電極        ８２ａ、８２ｂ…エンドプレート
【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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