(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１０００において、燃料電池スタック１００は、水素供給マニホールド４０ｈｉｍと、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍと、空気供給マニホールド４０ａｉｍと、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍと、を備える。そして、燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００から排出されたカソードオフガスを、アノードオフガスに対して不活性な不活性ガスとして、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に循環させて供給するための循環配管６４等を備える。燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックの外部から供給された前記燃料ガスを、複数の前記単セルのアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、前記複数の単セルのアノードから排出された排出ガスであるアノードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドと、を備える燃料電池スタックと、
前記アノードオフガス排出マニホールドの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に、前記アノードオフガスに対して不活性な不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、さらに、前記複数の単セルのカソードから排出された排出ガスであるカソードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドを備えており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記カソードオフガス排出マニホールドから、前記カソードオフガスを排出するカソードオフガス排出部を備えており、
前記不活性ガス供給部は、
前記不活性ガスとして、前記カソードオフガスを、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部に循環させるための循環配管と、
前記カソードオフガス排出部から、前記カソードオフガスの少なくとも一部を、前記循環配管に流すためのバルブと、
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、さらに、前記燃料電池スタックの外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記複数の単セルのカソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドを備えており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記燃料ガス供給マニホールドに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガスを排出するアノードオフガス排出部と、
前記酸化剤ガス供給マニホールドに、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記各部を制御する制御部と、を備えており、
前記制御部による前記各部の制御によって、前記燃料電池スタックによる発電中に、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止するとともに、前記アノードに、発電に寄与しない不純物ガスが所定量以上充満したときに、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスの排出を行う燃料電池システムであり、
前記制御部は、前記アノードに、前記不純物ガスが所定量以上充満し、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスを排出するときに、前記不活性ガス供給部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部に、前記不活性ガスを供給する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池スタックの電圧を測定する電圧計を備え、
前記制御部は、さらに、前記電圧計によって測定された前記燃料電池スタックの電圧が、所定の下限値未満になったときに、前記アノードに前記不純物ガスが所定量以上充満したものと判断する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部への前記不活性ガスの供給中、前記電圧計によって測定された前記燃料電池スタックの電圧が所定値以上となったときに、前記不活性ガス供給部を制御して、前記不活性ガスの供給を中止するとともに、前記アノードオフガス排出部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノードオフガスの排出が禁止されてからの前記燃料電池スタックによる発電時間を計測するタイマを備え、
前記制御部は、前記タイマによって計測された前記発電時間が、第１の所定時間以上経過したときに、前記アノードに前記不純物ガスが所定量以上充満したものと判断する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記タイマは、さらに、前記不活性ガスの供給時間を計測し、
前記制御部は、さらに、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部への前記不活性ガスの供給中、前記タイマによって計測された前記不活性ガスの供給時間が第２の所定時間以上経過したときに、前記不活性ガス供給部を制御して、前記不活性ガスの供給を中止するとともに、前記アノードオフガス排出部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止する、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項３ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給部、および、前記酸化剤ガス供給部を制御して、前記燃料ガス供給マニホールド、および、前記酸化剤ガス供給マニホールドに、前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスをそれぞれ供給し、前記不活性ガス供給部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部に、前記不活性ガスを供給するとともに、前記アノードオフガス排出部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガスを排出する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池には、単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。この燃料電池スタックにおいて、各単セルは、電解質膜、および、この電解質膜の両面にそれぞれ接合された燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを備えている。
【０００３】
燃料電池スタックには、一般に、燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスを、各単セルのアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドや、各単セルのアノードから排出された排出ガスであるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドや、燃料電池スタックの外部から供給された酸化剤ガスを、各単セルのカソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドや、各単セルのカソードから排出された排出ガスであるカソードオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドが備えられる。
【０００４】
このような燃料電池スタックにおいて、各単セルのカソードに供給される酸化剤ガスとしては、一般に、酸素を含む空気が用いられる。そして、この場合、空気中に含まれる発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過する。このため、燃料電池スタックによる発電を長時間停止した場合には、不純物ガスが各単セルのアノード側に充満することになる。また、アノードオフガス排出マニホールドからのアノードオフガスの排出を禁止した状態で発電を行う場合や、アノードオフガス排出マニホールドから排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給マニホールドに循環させ、アノードオフガス中に残留する燃料ガスを再利用して発電を行う場合にも、不純物ガスが燃料電池システムの外部に排出されないため、各単セルのアノード側において、時間の経過とともに、不純物ガスの量が増加していく。そこで、燃料電池スタックにおいて、各単セルのアノードに十分な燃料ガスを供給して発電を行うために、各単セルのアノード側に充満した不純物ガスを、燃料ガスによって掃気、置換する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−２１７５９３号公報
【特許文献２】特開２００４−２２４８７号公報
【特許文献３】特表２００７−５０６２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給マニホールド、および、アノードオフガス排出マニホールドは、各単セルのアノードに供給される燃料ガスの単位時間当たりの流量が均一になるように、すなわち、燃料ガス供給マニホールドにおける静圧と、アノードオフガス排出マニホールドにおける静圧との差が、各単セルにおいて一定になるように設計されている。このため、各単セルのアノード側に充満した不純物ガスを燃料ガスに置換する際には、燃料電池スタックにおける各単セルの配置位置によって、置換に要する時間が異なっている。すなわち、燃料ガス供給マニホールドの燃料ガス供給口から近い位置に配置された単セルほど、燃料ガスが早く到達するので、置換に要する時間が短く、燃料ガス供給口から遠い位置に配置された単セルほど、燃料ガスが遅く到達するので、置換に要する時間が長かった。
【０００７】
したがって、燃料ガス供給口から遠い位置に配置された単セル内の不純物ガスが燃料ガスによって置換されるまでの期間に、燃料ガス供給口から近い位置に配置された単セルからは、燃料ガスが燃料電池システムの外部に無駄に排出されてしまい、燃費の低下を招いていた。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックの外部から供給された前記燃料ガスを、複数の前記単セルのアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、前記複数の単セルのアノードから排出された排出ガスであるアノードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドを備える燃料電池スタックと、前記アノードオフガス排出マニホールドの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に、前記アノードオフガスに対して不活性な不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、を備える燃料電池システム。
【００１１】
適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックが備えるアノードオフガス排出マニホールドの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に、アノードオフガスに対して不活性な不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を備えている。したがって、この不活性ガス供給部によって、アノードオフガス排出マニホールドの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に不活性ガスを供給することによって、アノードオフガス排出マニホールドの主流路におけるガスの流速、特に、上記最上流部におけるガスの流速を速くし、いわゆるジェットポンプ効果（ベルヌーイ効果）を高めることができる。そして、燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給マニホールドにおける静圧と、アノードオフガス排出マニホールドにおける静圧との差が、単セルごとに互いに異なるようにし、各単セルのアノードに供給される燃料ガスの流量が、不均一になるようにすることができる。
【００１２】
したがって、本適用例の燃料電池システムでは、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、単セルごとの置換に要する時間を均一化し、燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制することができる。この結果、燃料電池システムの燃費を向上させることができる。
【００１３】
また、燃料電池システムにおいて、各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスに置換し、不純物ガス、および、燃料ガスを燃料電池システムの外部に排出するに際し、安全性を考慮して、一般に、燃料ガスを燃焼させたり、燃料ガスを希釈器によって希釈したりすることがなされていた。これに対して、本適用例の燃料電池システムでは、不活性ガスによって、アノードオフガス排出マニホールド内で、燃料ガスの希釈を行うことができるので、燃焼器や、希釈器を小型化、あるいは、省略することができる。この結果、燃料電池システムの小型化を図ることもできる。
【００１４】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、さらに、前記複数の単セルのカソードから排出された排出ガスであるカソードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドを備えており、前記燃料電池システムは、さらに、前記カソードオフガス排出マニホールドから、前記カソードオフガスを排出するカソードオフガス排出部を備えており、前記不活性ガス供給部は、前記不活性ガスとして、前記カソードオフガスを、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部に循環させるための循環配管と、前記カソードオフガス排出部から、前記カソードオフガスの少なくとも一部を、前記循環配管に流すためのバルブと、を備える燃料電池システム。
【００１５】
適用例２の燃料電池システムでは、不活性ガス供給部は、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスの少なくとも一部を、上記不活性ガスとして有効利用することができる。したがって、不活性ガス供給部が、例えば、別途用意されたボンベに貯蔵された窒素等の不活性ガスを用いる場合と比較して、燃料電池システムを簡略化することができる。
【００１６】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、さらに、前記燃料電池スタックの外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記複数の単セルのカソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドを備えており、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料ガス供給マニホールドに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガスを排出するアノードオフガス排出部と、前記酸化剤ガス供給マニホールドに、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記各部を制御する制御部と、を備えており、前記制御部による前記各部の制御によって、前記燃料電池スタックによる発電中に、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止するとともに、前記アノードに、発電に寄与しない不純物ガスが所定量以上充満したときに、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスの排出を行う燃料電池システムであり、前記制御部は、前記アノードに、前記不純物ガスが所定量以上充満し、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスを排出するときに、前記不活性ガス供給部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部に、前記不活性ガスを供給する、燃料電池システム。
【００１７】
適用例３の燃料電池システムは、燃料電池スタックによる発電中に、燃料電池スタックに備えられたアノードオフガス排出マニホールドからのアノードオフガスの排出を禁止した状態で、すなわち、アノードオフガス排出部を閉塞して、燃料ガス供給部から燃料電池スタックに供給された燃料ガスのほぼすべてを発電に利用するタイプの燃料電池システムである（以下、このような燃料電池システムを、「アノードデッドエンド型燃料電池システム」と呼ぶ）。そして、アノードデッドエンド型燃料電池システムでは、発電中に、各単セルのアノードに発電に寄与しない不純物ガスが所定量以上充満したときには、各単セルのアノードに、発電に十分な燃料ガスが供給されるように、アノードオフガス排出マニホールドから、アノードオフガス、および、不純物ガスの排出が行われる。
【００１８】
本適用例の燃料電池システムでは、アノードデッドエンド型燃料電池システムにおいて、制御部が、各単セルのアノードに不純物ガスが所定量以上充満し、アノードオフガス排出マニホールドから、アノードオフガス、および、不純物ガスを排出するときに、不活性ガス供給部を制御して、アノードオフガス排出マニホールドの上記最上流部に、不活性ガスを供給する。したがって、燃料電池スタックによる発電中に、燃料電池システムからの燃料ガスの無駄な排出を抑制しつつ、各単セルに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換することができる。
【００１９】
［適用例４］適用例３記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池スタックの電圧を測定する電圧計を備え、前記制御部は、さらに、前記電圧計によって測定された前記燃料電池スタックの電圧が、所定の下限値未満になったときに、前記アノードに前記不純物ガスが所定量以上充満したものと判断する、燃料電池システム。
【００２０】
先に説明したアノードデッドエンド型燃料電池システムでは、発電中に、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに不純物ガスが充満するにつれて、発電に必要な燃料ガスが不足してくるため、燃料電池スタックの電圧（スタック電圧）が徐々に低下する。
【００２１】
適用例４の燃料電池システムでは、スタック電圧を計測する電圧計を備えるので、制御部は、この電圧計の計測値を監視し、スタック電圧が所定の下限値以下になったときに、各単セルのアノードに不純物ガスが所定量以上充満したものと判断して、各単セルのアノードにおける不純物ガスの燃料ガスによる置換を開始することができる。
【００２２】
［適用例５］適用例４記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、さらに、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部への前記不活性ガスの供給中、前記電圧計によって測定された前記燃料電池スタックの電圧が所定値以上となったときに、前記不活性ガス供給部を制御して、前記不活性ガスの供給を中止するとともに、前記アノードオフガス排出部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止する、燃料電池システム。
【００２３】
適用例５の燃料電池システムでは、制御部は、各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換しているときに、スタック電圧を計測する電圧計の計測値を監視し、スタック電圧が所定値以上に回復したときに、各単セルのアノードにおける不純物ガスが燃料ガスによって置換されたものと判断して、各単セルのアノードにおける不純物ガスの燃料ガスによる置換を終了することができる。
【００２４】
［適用例６］適用例３記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノードオフガスの排出が禁止されてからの前記燃料電池スタックによる発電時間を計測するタイマを備え、前記制御部は、前記タイマによって計測された前記発電時間が、第１の所定時間以上経過したときに、前記アノードに前記不純物ガスが所定量以上充満したものと判断する、燃料電池システム。
【００２５】
先に説明したアノードデッドエンド型燃料電池システムでは、発電中に、時間の経過とともに、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに不純物ガスが充満する。
【００２６】
適用例６の燃料電池システムでは、アノードオフガスの排出が禁止されてからの燃料電池スタックによる発電時間を計測するタイマを備えるので、制御部は、この発電時間を監視し、発電時間が第１の所定時間以上経過したときに、各単セルのアノードに不純物ガスが所定量以上充満したものと判断して、各単セルのアノードにおける不純物ガスの燃料ガスによる置換を開始することができる。なお、第１の所定時間は、実験的、あるいは、解析的に、任意に設定可能である。
【００２７】
［適用例７］適用例６記載の燃料電池システムであって、前記タイマは、さらに、前記不活性ガスの供給時間を計測し、前記制御部は、さらに、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部への前記不活性ガスの供給中、前記タイマによって計測された前記不活性ガスの供給時間が第２の所定時間以上経過したときに、前記不活性ガス供給部を制御して、前記不活性ガスの供給を中止するとともに、前記アノードオフガス排出部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止する、燃料電池システム。
【００２８】
適用例７の燃料電池システムでは、制御部は、各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換しているときに、不活性ガスの供給時間、すなわち、置換開始からの経過時間を監視し、不活性ガスの供給時間が第２の所定値以上経過したときに、各単セルのアノードにおける不純物ガスが燃料ガスによって置換されたものと判断して、各単セルのアノードにおける不純物ガスの燃料ガスによる置換を終了することができる。なお、第２の所定時間は、実験的、あるいは、解析的に、任意に設定可能である。
【００２９】
［適用例８］適用例３ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給部、および、前記酸化剤ガス供給部を制御して、前記燃料ガス供給マニホールド、および、前記酸化剤ガス供給マニホールドに、前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスをそれぞれ供給し、前記不活性ガス供給部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドの前記最上流部に、前記不活性ガスを供給するとともに、前記アノードオフガス排出部を制御して、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガスを排出する、燃料電池システム。
【００３０】
酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気を用いる場合、燃料電池システムの停止時には、各単セルにおいて、空気中に含まれる発電に寄与しない窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過し、不純物ガスが各単セルのアノード側に充満することになる。したがって、燃料電池システムの起動時には、各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する必要がある。
【００３１】
適用例８の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、単セルごとの置換に要する時間を均一化し、燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制することができる。なお、上述した燃料電池システムの起動時の制御は、燃料電池システムが、アノードデッドエンド型燃料電池システムであるか否かに関わらず適用可能である。
【００３２】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００３３】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００３５】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００３６】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の単セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド４０ｈｉｍ、空気供給マニホールド４０ａｉｍ、冷却水供給マニホールド（図示省略））や、各単セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍ、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍ、冷却水排出マニホールド（図示省略））が形成されている。
【００３７】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。また、集電板３０ａ，３０ｂには、燃料電池スタック１００全体の電圧であるスタック電圧を測定するための電圧計Ｖｓが接続されている。
【００３８】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、所定の締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。
【００３９】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３、および、水素供給マニホールド４０ｈｉｍを介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００４０】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールド４０ｈｉｍを介して、各単セル４０のアノードに供給される。各単セル４０のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍに接続された排出配管５４を介して、希釈器７０に導入されて希釈された後、燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、配管５３、および、排出配管５４には、それぞれ、圧力計Ｐ４、および、圧力計Ｐ５が配設されている。また、排出配管５４には、排出配管５４の連通状態を切り換えるバルブ５５が配設されている。水素タンク５０や、シャットバルブ５１や、レギュレータ５２や、配管５３は、本発明における燃料ガス供給部に相当する。また、排出配管５４や、バルブ５５は、本発明におけるアノードオフガス排出部に相当する。
【００４１】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールド４０ａｉｍを介して、各単セル４０のカソードに供給される。各単セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍに接続された排出配管６２を介して、希釈器７０に導入された後、燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、配管６１、および、排出配管６２には、それぞれ、圧力計Ｐ１、および、圧力計Ｐ２が接続されている。また、排出配管６２には、６２の連通状態を切り換えるバルブ６３が配設されている。コンプレッサ６０や、配管６１は、本発明における酸化剤ガス供給部に相当する。また、排出配管６２や、バルブ６３は、本発明におけるカソードオフガス排出部に相当する。
【００４２】
また、本実施例の燃料電池システム１０００では、図示するように、排出配管６２には、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍから排出されたカソードオフガスを、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に、循環させて流すための循環配管６４が接続されている。そして、この循環配管６４には、循環配管６４の連通状態を切り換えるバルブ６５、および、圧力計Ｐ３が配設されている。排出配管６２に配設されたバルブ６３、および、循環配管６４に配設されたバルブ６５の開閉状態を連動して切り換えることによって、燃料電池スタック１００における各単セル４０から排出されたカソードオフガスを、排出配管６２を介して、燃料電池システム１０００の外部に排出するか、循環配管６４に循環させるかを切り換えることができる。本実施例の燃料電池システム１０００において、カソードオフガスは、アノードオフガスに対して不活性な不活性ガスであり、循環配管６４や、バルブ６５は、本発明における不活性ガス供給部に相当する。
【００４３】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するためのラジエータや、循環ポンプ等の冷却系も接続されている（図示省略）。
【００４４】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、燃料電池スタック１００への要求出力や、圧力計Ｐ１〜Ｐ５や、電圧計Ｖｓの出力等に応じて、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。なお、本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００による発電中に、燃料電池スタック１００に備えられたアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍからのアノードオフガスの排出を禁止した状態で、すなわち、排出配管５４に配設されたバルブ５５を閉弁した状態で、水素タンク５０から燃料電池スタック１００に供給された水素のほぼすべてを発電に利用するアノードデッドエンド型燃料電池システムであるものとした。以下、本発明の特徴である燃料電池システム１０００の起動制御処理、および、運転制御処理について説明する。
【００４５】
Ｂ．起動制御処理：
図２は、燃料電池システム１０００の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。燃料電池システム１０００の起動時には、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに、酸化剤ガスとしての空気に含まれる発電に寄与しない窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過し、充満している。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、以下に説明する起動制御処理によって、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを、水素によって掃気、置換する。この処理は、燃料電池システム１０００の起動時に、制御ユニット８０のＣＰＵが実行する処理である。
【００４６】
まず、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノード、および、カソードに、それぞれ、水素、および、空気を供給する（ステップＳ１００）。このとき、ＣＰＵは、シャットバルブ５１の開弁、レギュレータ５２の開弁、バルブ５５の開弁、コンプレッサ６０の始動、バルブ６３の閉弁、バルブ６５の開弁等を行い、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍから、各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを水素によって掃気するとともに、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスを、循環配管６４を介して、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの最上流部に循環させる。
【００４７】
次に、ＣＰＵは、電圧計Ｖｓによって、燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定値以上になったか否かを判断する（ステップＳ１１０）。そして、燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定値以上になった場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスが水素によって置換されたものと判断し、バルブ６５の閉弁、バルブ６３の開弁、バルブ５５の閉弁を行い（ステップＳ１２０）、起動制御処理を終了する。そして、起動制御処理の終了後、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００に対する要求出力に応じた発電時の運転制御を行う。なお、燃料電池スタック１００のスタック電圧に関する所定値は、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスが水素によって置換されたものと判断可能な範囲内で、任意に設定可能である。
【００４８】
ステップＳ１１０において、燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定値未満である場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、タイマを参照して、起動制御処理開始から所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。そして、起動制御処理開始から所定時間が経過していない場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ステップＳ１１０に戻る。
【００４９】
一方、ステップＳ１３０において、起動制御処理開始から所定時間が経過した場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池システム１０００における水素、および、空気の供給系、および、排出系、または、燃料電池スタック１００に異常があるものと判断して、異常終了する。このとき、異常終了したことをユーザに報知するために、図示しない警報ランプを点灯、あるいは、点滅させたり、ブザーを鳴らしたりする。
【００５０】
Ｃ．運転制御処理：
図３は、燃料電池システム１０００の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、先に説明した起動制御処理が終了した後、制御ユニット８０のＣＰＵが実行する処理である。
【００５１】
まず、ＣＰＵは、電圧計Ｖｓによって測定された燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定の下限値未満になったか否か、あるいは、タイマを参照して、通常運転時間、すなわち、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードの水素による置換（水素置換処理）が終了した後の発電時間が所定時間Ｔ１以上経過したか否かを判断する（ステップＳ２００）。スタック電圧についての下限値、および、所定時間Ｔ１は、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに不純物ガスが充満したものと判断可能な範囲内で、任意に設定可能である。
【００５２】
そして、燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定の下限値未満になった場合、あるいは、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードの水素置換が終了した後の発電時間が所定時間Ｔ１以上経過した場合には（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに不純物ガスが充満したと判断し、水素置換処理を開始する（ステップＳ２１０）。このとき、ＣＰＵは、バルブ５５の開弁、バルブ６３の閉弁、バルブ６５の開弁等を行う。
【００５３】
次に、ＣＰＵは、電圧計Ｖｓによって測定された燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定以上になったか否か、あるいは、タイマを参照して、水素置換処理開始後、所定時間Ｔ２以上経過したか否かを判断する（ステップＳ２２０）。スタック電圧についての所定値、および、所定時間Ｔ２は、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスが水素によって置換されたもの判断可能な範囲内で、任意に設定可能である。
【００５４】
そして、燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定以上になった場合、あるいは、水素置換処理開始後、所定時間Ｔ２以上経過した場合には（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスが水素によって置換されたもの判断し、水素置換処理を終了する（ステップＳ２３０）。このとき、ＣＰＵは、バルブ６３の開弁、バルブ６５の閉弁、バルブ５５の閉弁等を行う。一方、燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定以上になっておらず、また、水素置換処理開始後、所定時間Ｔ２以上経過していない場合には（ステップＳ２２０：ＮＯ）、水素置換処理を継続する。
【００５５】
次に、ＣＰＵは、燃料電池システム１０００の運転停止指示が入力されたか否かを判断する（ステップＳ２４０）。燃料電池システム１０００の運転停止指示が入力されていない場合には（ステップＳ２４０：ＮＯ）、ステップＳ２００に戻る。一方、燃料電池システム１０００の運転停止指示が入力された場合には（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池システム１０００の運転を停止し、運転制御処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ２００において、燃料電池スタック１００のスタック電圧が所定の下限値未満になっておらず、また、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードの水素置換が終了した後の発電時間が所定時間Ｔ１以上経過していない場合には（ステップＳ２００：ＮＯ）、ステップＳ２４０に進む。
【００５７】
Ｄ．比較例、および、実施例の作用・効果：
図４は、比較例としての燃料電池システム１０００Ｒの概略構成を示す説明図である。図１との比較から分かるように、比較例の燃料電池システム１０００Ｒの構成は、本実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。ただし、比較例の燃料電池システム１０００Ｒは、本実施例の燃料電池システム１０００と異なり、燃料電池スタック１００Ｒにおける各単セル４０のカソードから排出されたカソードオフガスを、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に、循環させて流すための循環配管６４等を備えていない。このため、図示、および、詳細な説明は省略するが、燃料電池システム１０００Ｒの起動制御処理、および、運転制御処理では、燃料電池スタック１００Ｒにおける各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを水素置換する際に、アノードオフガスを排出するための排出配管５４に配設されたバルブ５５が開弁され、水素タンク５０から供給された水素の流れのみによって、上記水素置換が行われる。また、希釈器７０Ｒは、本実施例の燃料電池システム１０００が備える希釈器７０よりも大型で、希釈性能の高いものである。これは、後述するように、比較例の燃料電池システム１０００Ｒでは、水素置換時に、希釈器７０Ｒに、高濃度の水素が導入されるからである。
【００５８】
図５は、本実施例の燃料電池システム１０００の作用・効果を示す説明図である。図５（ａ）に、比較例の燃料電池システム１０００Ｒにおいて、先に説明した燃料電池スタック１００Ｒにおける各単セル４０に充満した不純物ガスを水素置換する際の、水素、および、アノードオフガス（不純物ガスを含む）の流れを模式的に示した。また、図５（ｄ）に、本実施例の燃料電池スタック１００において、先に説明した燃料電池スタック１００における各単セル４０に充満した不純物ガスを水素置換する際の、水素、アノードオフガス（不純物ガスを含む）、および、循環されたカソードオフガスの流れを模式的に示した。ここで、燃料電池スタック１００Ｒ，１００における水素の供給口に近い側をＩＮ側と呼び、水素の供給口から遠い側をＥＮＤ側と呼ぶ。
【００５９】
また、図５（ｂ）に、比較例の燃料電池スタック１００Ｒにおける水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧分布と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧分布とを示した。また、図５（ｅ）に、本実施例の燃料電池スタック１００における水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧分布と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧分布とを示した。実線で示した曲線は、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧分布であり、破線で示した曲線は、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧分布である。
【００６０】
図５（ｂ）に示したように、比較例の燃料電池スタック１００Ｒでは、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧との差は、ＩＮ側からＥＮＤ側に亘って一定である。
【００６１】
これに対し、図５（ｅ）に示したように、本実施例の燃料電池スタック１００では、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧との差が、ＩＮ側で小さく、ＥＮＤ側で大きくなる。これは、燃料電池スタック１００では、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部からカソードオフガスを供給することによって、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路におけるガスの流速が速くなり、いわゆるジェットポンプ効果（ベルヌーイ効果）が高まり、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧がＩＮ側からＥＮＤ側に亘って減少するからである。
【００６２】
図５（ｃ）、および、図５（ｆ）に、それぞれ、比較例の燃料電池スタック１００Ｒ、および、本実施例の燃料電池スタック１００における水素置換の様子を模式的に示した。比較例の燃料電池スタック１００Ｒでは、先に説明したように、燃料ガス供給マニホールドにおける静圧と、アノードオフガス排出マニホールドにおける静圧との差が、各単セル４０において一定になっている（図５（ｂ）参照）。このため、図５（ｃ）に示したように、燃料電池スタック１００Ｒにおいて、ＩＮ側に配置された単セル４０ほど、水素が早く到達するので、水素置換に要する時間が短く、ＥＮＤ側に配置された単セル４０ほど、水素が遅く到達するので、水素置換に要する時間が長くなる。したがって、ＥＮＤ側に配置された単セル４０内の不純物ガスが水素置換されるまでの期間に、ＩＮ側に配置された単セル４０からは、水素が燃料電池システム１０００Ｒの外部に無駄に排出されてしまい、燃費の低下を招いていた。
【００６３】
これに対し、本実施例の燃料電池スタック１００では、先に説明したように、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧との差が、ＩＮ側で小さく、ＥＮＤ側で大きくなる（図５（ｅ）参照）。つまり、単セル４０ごとに、内部を流れるガスの単位時間当たりの流量が異なり、燃料電池スタック１００において、ＩＮ側に配置された単セル４０ほど、内部を流れるガスの単位時間当たりの流量が少なくなり、ＥＮＤ側に配置された単セル４０ほど、内部を流れるガスの単位時間当たりの流量が多くなる。このため、燃料電池スタック１００において、ＩＮ側に配置された単セル４０における水素置換に要する時間を、比較例の燃料電池スタック１００Ｒよりも長くし、また、ＥＮＤ側に配置された単セル４０における水素置換に要する時間を、比較例の燃料電池スタック１００Ｒよりも短くすることができる。そして、図５（ｆ）に示したように、ＩＮ側からＥＮＤ側に亘って、各単セル４０における水素置換に要する時間を均一化し、燃料電池システム１０００の外部への水素の無駄な排出を抑制することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００が備えるアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガス流れ方向の最上流部に、燃料電池スタック１００から排出されたカソードオフガスを循環させて供給するための循環配管６４等を備えるので、燃料電池スタック１００を構成する各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを水素置換する際に、燃料電池システム１０００の外部への水素の無駄な排出を抑制することができる。この結果、燃料電池システム１０００の燃費を向上させることができる。
【００６５】
また、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソードオフガスによって、燃料電池スタック１００が備えるアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍ内で、アノードオフガスに含まれる水素の希釈を行うことができるので、希釈器７０を、比較例の燃料電池システム１０００Ｒが備える希釈器７０Ｒよりも小型化することができる。この結果、燃料電池システム１０００の小型化を図ることもできる。
【００６６】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６７】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００が備えるアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガス流れ方向の最上流部に、燃料電池スタック１００から排出されたカソードオフガスを循環させて供給するための循環配管６４等を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、燃料電池スタック１００が備えるアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に、アノードオフガスに対して不活性な不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を備えるようにすればよく、例えば、窒素等の不活性ガスを貯蔵したボンベを用意し、その不活性ガスを、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの主流路を流れるガスの流れ方向の最上流部に供給するようにしてもよい。ただし、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、不活性ガスを供給するためのボンベ等を別途用意する必要がないので、燃料電池システムを簡略化することができる。
【００６８】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、図３に示した運転制御処理のステップＳ２００において、スタック電圧、または、発電時間に基づいて、水素置換処理を開始するか否かを判断するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、排出配管５４に、水素濃度を検出する濃度センサを配設し、この濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、水素置換処理を開始するか否かを判断するようにしてもよい。ステップＳ２２０における水素置換処理の終了の判断についても同様である。
【００６９】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、燃料電池システム１０００は、アノードデッドエンド型燃料電池システムであるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明を、燃料電池スタック１００が備えるアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍから排出されたアノードオフガスを水素供給マニホールド４０ｈｉｍに循環させ、アノードオフガス中に残留する水素を再利用して発電を行うタイプの燃料電池システムに適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システム１０００の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】燃料電池システム１０００の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】比較例としての燃料電池システム１０００Ｒの概略構成を示す説明図である。
【図５】本実施例の燃料電池システム１０００の作用・効果を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０００，１０００Ｒ…燃料電池システム
１００，１００Ｒ…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…単セル
４０ｈｉｍ…水素供給マニホールド
４０ｈｏｍ…アノードオフガス排出マニホールド
４０ａｉｍ…空気供給マニホールド
４０ａｏｍ…カソードオフガス排出マニホールド
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
５５…バルブ
６０…コンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
６３…バルブ
６４…循環配管
６５…バルブ
７０，７０Ｒ…希釈器
８０…制御ユニット
Ｐ１〜Ｐ５…圧力計
Ｖｓ…電圧計
【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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