(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質装置に備えられる触媒燃焼器であって、前記燃料改質装置の起動時に液体燃料を供給する燃料噴射弁と、燃焼触媒とを有する触媒燃焼器において、
前記液体燃料の噴射量が、燃料噴射開始後の所定時間内においては第１の噴射量に設定され、所定時間以降においては前記第１の噴射量よりも大きな第２の噴射量に設定されていることを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
燃料改質装置に備えられる触媒燃焼器であって、前記燃料改質装置の起動時に液体燃料を供給する燃料噴射弁と、燃焼触媒とを有する触媒燃焼器において、
前記燃焼触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を備え、前記液体燃料の噴射量が、触媒温度が所定の温度以下であるときには第１の噴射量に設定され、触媒温度が所定温度を超過した温度域では前記第１の噴射量よりも大きな第２の噴射量に設定されていることを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項３】
前記触媒燃焼器に供給される酸素含有ガス量が、燃料噴射量に応じて、空気過剰率一定となるように制御される請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼器。
【請求項４】
前記触媒燃焼器に供給される酸素含有ガス量が、燃料噴射開始後の所定時間内においては第１の空気過剰率となり、所定時間以降においては前記第１の空気過剰率より高い第２の空気過剰率となるように設定されている請求項１に記載の触媒燃焼器。
【請求項５】
前記触媒燃焼器に供給される酸素含有ガス量が、触媒温度が所定の温度以下であるときに第１の空気過剰率となり、触媒温度が所定温度を超えた温度領域では前記第１の空気過剰率より高い第２の空気過剰率となるように設定されている請求項２に記載の触媒燃焼器。
【請求項６】
前記燃料噴射弁と前記燃焼触媒との間にグロープラグが設けられている請求項１から請求項５の何れかに記載の触媒燃焼器。
【請求項７】
前記第１の噴射量は触媒において着火が可能な最小限の噴射量に設定され、前記第２の噴射量は定常状態において所定の触媒温度となる噴射量に設定される請求項１または請求項２に記載の触媒燃焼器。
【請求項８】
前記第１の空気過剰率は窒素酸化物生成量が許容量以下となる限度内で低く設定され、前記第２の空気過剰率は定常状態において所定の触媒温度となるように設定される請求項４または請求項５に記載の触媒燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムの改質装置に用いられる触媒燃焼器に関し、特に起動時の未燃燃料の排出量を低減するための燃料と酸素含有ガスの供給に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池に供給する燃料ガスを得るために、メタノールのような常温において液体である炭化水素系燃料から水素含有ガスを生成する改質反応を行わせる場合、液体状燃料と水とを予め気化させた状態で供給する必要がある。このために、一般に燃料電池システム内には液状燃料および水を気化させるための熱交換器または蒸発器が設けられている。また、燃料電池や燃料改質器内の触媒は、発電や改質の効率、耐久性の観点から運転中に適切な温度に制御する必要がある。このために、燃料電池システム内には起動時にこれらが流通する冷媒を加熱するための熱交換器も設けられている。
【０００３】
これらの蒸発器あるいは熱交換器に必要とされる熱は、多くの場合、燃料電池からの排水素ガスと排空気とを、あるいは改質ガスと空気とを燃焼させる触媒燃焼器（排水素燃焼器）からの燃焼ガスによりまかなわれる。しかしながら、燃料電池システムを起動する際には燃焼器で燃焼させる含燃料ガス、すなわち改質ガスあるいは排水素ガスが得られないか、あるいはその発生量が不十分であるために、燃料ガスを生成する起動時のみを対象とした電気ヒータやボイラ等の付加的な熱源を設ける必要があり、システムの大型化や重量の増加を招くという問題点がある。
【０００４】
この様な課題に対し、例えば特開2001−52730号公報に記載のように、燃料電池システム起動時に、蒸発器に導入する液体燃料の一部もしくは異なる液体燃料と燃焼用空気とを排水素燃焼器に導入して予備燃焼させ、この燃焼ガスを蒸発器に流入させることで燃料改質器内へ供給する気化燃料を生成し、部品点数の削減とシステムの小型軽量化を図るようにしたものが知られている。しかしながら、前記従来技術は、起動直後であって排水素燃焼器の触媒の温度が低い期間、すなわち触媒活性が低い期間は、排水素燃焼器内で噴霧された燃料の一部が未燃となって排出されてしまうという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、このような従来の問題点を解消し、燃料電池システムに用いられる蒸発器や燃料改質器などの種々の機器を急速に昇温させることが可能で、燃料電池システム全体の起動時間を短縮することができる触媒燃焼器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料改質装置に備えられる触媒燃焼器であって、前記燃料改質装置の起動時に液体燃料を供給する燃料噴射弁と、燃焼触媒とを有する触媒燃焼器において、前記液体燃料の噴射量が、燃料噴射開始後の所定時間内においては第１の噴射量に設定され、所定時間以降においては前記第１の噴射量よりも大きな第２の噴射量に設定されていることを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、燃料改質装置に備えられる触媒燃焼器であって、前記燃料改質装置の起動時に液体燃料を供給する燃料噴射弁と、燃焼触媒とを有する触媒燃焼器において、前記燃焼触媒の温度を検出する触媒温度検出手段を備え、前記液体燃料の噴射量が、触媒温度が所定の温度以下であるときには第１の噴射量に設定され、触媒温度が所定温度を超過した温度域では前記第１の噴射量よりも大きな第２の噴射量に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、前記各発明において、触媒燃焼器に供給される酸素含有ガス量が、燃料噴射量に応じて、空気過剰率一定となるように制御されるものとした。
【０００９】
第４の発明は、前記第１の発明において、触媒燃焼器に供給される酸素含有ガス量が、燃料噴射開始後の所定時間内においては第１の空気過剰率となり、所定時間以降においては前記第１の空気過剰率より高い第２の空気過剰率となるように設定されているものとした。
【００１０】
第５の発明は、前記第２の発明において、触媒燃焼器に供給される酸素含有ガス量が、触媒温度が所定の温度以下であるときに第１の空気過剰率となり、触媒温度が所定温度を超えた温度領域では前記第１の空気過剰率より高い第２の空気過剰率となるように設定されているものとした。
【００１１】
第６の発明は、前記各発明において、燃料噴射弁と燃焼触媒との間にグロープラグが設けられているものとした。
【００１２】
第７の発明は、前記第１の噴射量が触媒において着火が可能な最小限の噴射量に設定され、前記第２の噴射量が定常状態において所定の触媒温度となる噴射量に設定されるものとした。
【００１３】
第８の発明は、前記第１の空気過剰率が窒素酸化物生成量が許容量以下となる限度内で低く設定され、前記第２の空気過剰率が定常状態において所定の触媒温度となるように設定されるものとした。
【００１４】
【作用・効果】
前記第１の発明によれば、燃料電池システムないし燃料改質装置の起動直後で燃焼触媒温度が低く触媒の活性が不十分であり、供給された燃料の一部が未燃のまま排出される期間内においては、触媒燃焼器に供給される液体燃料の噴射量を第１の噴射量、例えば燃焼触媒において着火が可能な最小限の噴射量に設定することで未燃燃料の排出量を低減することができる。続いて、この期間での燃焼により触媒が昇温活性化され、燃料がほぼ全量燃焼される所定時間経過後においては、燃料噴射量を第２の噴射量、例えば定常状態において所定の触媒温度となる噴射量に増量することで発熱量を増大し、触媒およびその下流に設けられた熱交換器の急速な昇温を実現することができる。
【００１５】
前記第２の発明によれば、起動直後の、燃焼触媒温度が所定の温度より低いと判断される場合には,触媒燃焼器に供給される液体燃料の噴射量を前述と同様の第１の噴射量に設定することで未燃燃料の排出量を低減することができる。続いてこの期間での燃焼により触媒が所定温度まで昇温されたと判断された以降は、燃料噴射量を第２の噴射量に増量することで触媒およびその下流に設けられた熱交換器の急速な昇温を実現することができる。第２の発明では燃焼触媒の実温度を検出して燃料噴射量の制御を行うため、劣化等による触媒特性の変化の影響を補償することができる。
【００１６】
前記第３の発明によれば、触媒燃焼器に供給される酸素含有ガス量を燃料噴射量の変化に応じて空気過剰率一定となるように制御することで次のような効果が得られる。すなわち、空気が過剰な範囲では空気過剰率増大に応じて燃焼温度は低下するが、空気過剰率が一定となるように制御することで燃焼温度の低下を防止して、起動時間の増大を防止することができる。
【００１７】
前記第４または第５の発明によれば、起動直後の所定時間内または低温条件下では空気過剰率を窒素酸化物生成量が許容量以下となる限度内で低く、例えば空気過剰率約2〜3となる第１の空気過剰率に設定することで燃焼温度を高めて、より速やかに触媒を昇温することができる。所定時間経過以降または温度上昇後は、定常状態において所定の触媒温度となる第２の所定の空気過剰率となるように制御することで、触媒温度の過度な上昇を抑えて触媒の劣化を防止できる。すなわち未燃燃料の排出量を低減しつつ、より急速な触媒および蒸発器の昇温を実現することができる。
【００１８】
第６の発明によれば、燃料噴射弁と燃焼触媒との間に設けられたグローブラグにより強制的に着火を行えることから、より空気過剰率の高い状態での燃料着火を実現でき、これにより起動初期における第１の噴射量をより低く設定することが可能となる。すなわち、触媒温度が低くて十分な活性が得られない期間における未燃燃料の排出量をより低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず図１により本発明に係る触媒燃焼器を適用しうる燃料電池システムの概要を説明する。この燃料電池システムは、電気化学反応により起電力を得る燃料電池2と、酸素含有ガスとして圧縮空気を供給するコンプレッサ5と、改質反応より水素含有ガスを生成する改質器6と、熱交換の熱源となる触媒燃焼器9とを備える。
【００２０】
この場合、改質原料はメタノールと水であり、それぞれメタノールタンク１３、水タンク１５に収容されており、メタノールポンプ１４、水ポンプ１６によって蒸発器8へと送られる。蒸発器８で気化されたメタノール蒸気と水蒸気は改質器6に送られる。
【００２１】
改質器6は、蒸発器8から供給されるメタノール蒸気および水蒸気と、コンプレッサ5から配管２０を介して供給される空気とを混合して、メタノールの水蒸気改質反応と酸化反応とによって水素リッチガスとする。この改質器６は、水蒸気反応(吸熱反応)で必要とされる熱量を酸化反応(発熱反応)により生じた熱量で賄うことで別途の加熱器を省略あるいは省能力化できるＡＴＲ（オートサーマル型）である。この改質器6と燃料電池2との間には、燃料極３へ供給される改質ガス中に含まれる一酸化炭素による燃料電池2の被毒を防ぐために、一酸化炭素低減装置7が設けられている。
【００２２】
燃料電池2の空気極4側には配管２４を介してコンプレッサ5からの圧縮空気が供給され、燃料極３側には一酸化炭素低減装置7からの改質ガスが供給され、電気化学反応を利用して発電が行われる。
【００２３】
燃料電池2において発電に利用されなかった排水素および排空気は、それぞれ配管２６、２７により触媒燃焼器9に送られ、燃焼触媒１０で燃焼される。燃焼によって生成される高温の排ガスは、燃焼触媒１０の下流側に接続された蒸発器(熱交換器)８にて原燃料の気化に利用されたのち、配管２８から排出される。
【００２４】
一方、少なくとも燃料電池システムないし改質装置の起動時には、触媒燃焼器9に、コンプレッサ5および配管２９を介して空気が導入されると共に、メタノールポンプ１４、配管１９、燃料噴射弁１１を介して液体燃料が供給される。これら空気とメタノールとを混合して得られるメタノール−空気混合ガスは燃焼触媒１０に導入され燃焼される。この実施形態では、触媒燃焼器９の燃料噴射弁１１と燃焼触媒１０との間にグロープラグ１２を設け、前記メタノール−空気混合気への強制着火を行うようにしている。燃焼触媒１０での燃焼により生成される高温の燃焼ガスは、発電時同様、蒸発器8にて原燃料の気化に利用されたのち配管２８から排出される。
【００２５】
図中の３１は前記起動時の燃料量等を制御する機能を備えたコントローラであり、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータで構成されている。コントローラ３１には、改質器温度センサ３２、一酸化炭素低減装置温度センサ３３、および燃焼触媒温度センサ３４からの温度信号が入力する。コントローラ３１は、これらの入力信号に基づいてコンプレッサ５、燃料噴射弁１１、グロープラグ１２、空気制御弁２１、２５、３０、改質ガス制御弁２３の作動を制御する。
【００２６】
次に、前記構成下での起動時の触媒燃焼器９への燃料と空気の供給制御手法について説明する。前述したように、燃料電池システムの発電時には燃料電池２の発電に利用されなかった排水素および排空気が触媒燃焼器９にて燃焼させて高温の排ガスを生成し、これを蒸発器８での原燃料気化の熱源として用いる。一方、燃料電池システムの起動時には燃料電池２からの排水素および排空気が得られないので、燃料噴射弁１１から液体燃料を供給し、コンプレッサ５から供給される空気との混合ガスを燃焼させる。図２は、従来技術におけるこのときの触媒燃焼器９への燃料供給量、触媒温度および触媒燃焼器９からの未燃燃料排出量の関係を示している。起動信号により所定量の燃料噴射が開始されるが、起動直後には触媒温度が低くてその活性が不十分であるため、供給された燃料の一部が未燃のまま排出される。これに対して本発明では、図３に示すように低温で燃焼触媒１０の活性が不十分であり供給された燃料の一部が未燃のまま排出される所定時間ｔ１以内においては、触媒燃焼器９に供給する液体燃料の噴射量を第１の噴射量、すなわち概略触媒において着火が可能な最小限の噴射量Ｑｆ１に設定することで未燃燃料の排出量を低減する。続いて、この期間での燃焼により触媒１０が昇温して活性化され、燃料のほぼ全量が燃焼可能となる所定時間ｔ１以降においては、燃料噴射量を前記Ｑｆ１よりも増量して、定常状態において所定の触媒温度となる第２の噴射量Ｑｆ２に設定することで発熱量を増大し、触媒およびその下流に設けられた熱交換器８の急速な昇温を実現する。
【００２７】
この実施形態では触媒燃焼器９にグロープラグ１２を設けているので、起動からの所定時間ｔ１以内においてこのグロープラグ１２に通電して混合気に強制着火することができ、これにより前記第１の噴射量Ｑｆ１をより小さく設定することが可能となり、未燃燃料の排出量をさらに低減することができる。また、触媒燃焼器９に供給される空気量が燃料噴射量の変化に応じて空気過剰率一定となるように制御することで、燃料噴射量変化によらず空気量は一定とした場合に燃料噴射量がＱｆ１である期間に生ずる燃焼温度の低下を防止して起動時間の増大を防止できる。
【００２８】
図4は、コントローラ３１により実行される前述したような起動時の燃料供給量の制御ルーチンを示す流れ図であり、この制御ルーチンは所定時間毎に周期的に実行される。なお以下の説明および流れ図において符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号である。以下、図４につき順を追って説明する。
Ｓ１０１では、燃料電池システム起動からの経過時間ｔを検出する.
Ｓ１０２では、起動からの経過時間ｔが所定値ｔ１以内であるかを判断する。ｔ≦ｔ１であったときには、次にＳ１０３に進み、燃料噴射量Ｑｆを第1の噴射量Ｑｆ１に設定する。
Ｓ１０４では、空気量Qaを、前記第１の噴射量Ｑｆ１に対して所定の空気過剰率となる空気量Ｑａ１に設定したのちＳ１０７に進む。
Ｓ１０２にてｔ＞ｔ１つまり起動からの経過時間ｔが所定値ｔ１を越えたと判断された場合は、Ｓ１０５にて燃料噴射量Ｑｆを第２の噴射量Ｑｆ２に設定する。ただしＱｆ２＞Ｑｆ１である。
Ｓ１０６では、空気量Ｑａを、前記第２の噴射量Ｑｆ２に対し所定の空気過剰率となる空気量Ｑａ２に設定したのちＳ１０７に進む。
Ｓ１０７では、設定された空気量Ｑａとなるように、コンプレッサ５の回転速度および空気制御弁３０の開度を制御する。この制御は、例えば空気量Ｑａをパラメータとしてコンプレッサ５の回転速度と空気制御弁３の開度の組み合わせを与えるテーブルを事前に実験的に設定しておき、これを参照することで実行する。
Ｓ１０８では、Ｓ１０３またはＳ１０５で設定された噴射量Ｑｆに基づき燃料噴射弁１１の制御を行う。
【００２９】
次に、起動時の燃料と空気の供給手法に関する第２の実施形態について説明する。この実施形態では、燃焼触媒１０の温度を温度センサ３４により検出し、図３に示したように、燃焼触媒１０の活性が不十分であり供給された燃料の一部が未燃のまま排出される触媒温度Ｔｃ１より低い温度条件下では触媒燃焼器９に供給する液体燃料の噴射量を第１の噴射量、すなわち概略触媒において着火が可能な最小限の噴射量Ｑｆ１に設定することで未燃燃料の排出量を低減する。続いて、この状態での燃焼により触媒が昇温、活性化され、その温度が供給燃料をほぼ全量燃焼可能なＴｃ１以上の温度領域となったときには、燃料噴射量をＱｆ１よりも増量して、定常状態において所定の触媒温度となる第２の噴射量Ｑｆ２に設定することで発熱量を増大し、燃焼触媒１０およびその下流に設けられた熱交換器８の急速な昇温を実現する。また、このようにして実際の触媒温度を検出し燃料噴射量の制御を行うことにより、劣化等による触媒特性の変化の影響を補償して、より的確な制御を行うことができる。
【００３０】
この場合も、触媒温度がＴｃ１以下の条件下ではグロープラグ１２に通電して混合気に強制着火することにより、Ｑｆ１をより小さく設定して未燃燃料の排出量をさらに低減することができる。また、触媒燃焼器９に供給される空気量が燃料噴射量の変化に応じて空気過剰率一定となるように制御することで、燃料噴射量変化によらず空気量は一定とした場合に燃料噴射量がＱｆ１である期間に生ずる燃焼温度の低下を防止して起動時間の増大を防止できる。
【００３１】
図５は、コントローラ３１により実行される前記第２の実施形態による起動時の燃料供給量の制御ルーチンを示す流れ図であり、所定時間毎に周期的に実行される。
Ｓ２０１では、燃焼触媒１０の温度Ｔｃを検出する。
Ｓ２０２では、触媒温度Ｔｃが所定値Ｔｃ１以下であるかを判断する。Ｔｃ≦Ｔｃ１であったときには、次にＳ２０３に進み、燃料噴射量Ｑｆを第1の噴射量Ｑｆ１に設定する。
Ｓ２０４では、空気量Qaを、前記第１の噴射量Ｑｆ１に対して所定の空気過剰率となる空気量Ｑａ１に設定したのちＳ２０７に進む。
Ｓ２０２にてＴｃ＞Ｔｃ１と判断された場合は、Ｓ２０５にて燃料噴射量Ｑｆを第２の噴射量Ｑｆ２に設定する。ただしＱｆ２＞Ｑｆ１である。
Ｓ２０６では、空気量Ｑａを、前記第２の噴射量Ｑｆ２に対し所定の空気過剰率となる空気量Ｑａ２に設定したのちＳ２０７に進む。
Ｓ２０７では、設定された空気量Ｑａとなるように、コンプレッサ５の回転速度および空気制御弁３０の開度を制御し、次いでＳ２０８では、Ｓ２０３またはＳ２０５で設定された噴射量Ｑｆに基づき燃料噴射弁１１の制御を行う。
【００３２】
次に、起動時の燃料と空気の供給手法に関する第３の実施形態について説明する。この実施形態では、前述の第１、第２の実施形態に対し、燃料噴射量制御は同一であり、空気量を以下の様に設定する点で異なる。
【００３３】
図６は、空気過剰率に対する燃焼温度および窒素酸化物生成量の特性を示す。燃焼温度および窒素酸化物生成量共にある空気過剰率で最大となる特性を有する。前記触媒燃焼器９における空気過剰率は全て、両者が最大値となる値より高い側の空気過剰率範囲で設定されている。燃焼触媒１０の特性から耐久性を考慮した触媒上限温度が定まり、これに対応する空気過剰率をλ２とする。一方、窒素酸化物の生成量の許容範囲において、λ２より低く設定された空気過剰率をλ１とする。
【００３４】
この実施形態では、前記の空気過剰率λ１、λ２を用いて、図７に示すように空気量の制御を行う。燃料電池システム起動直後の、触媒温度が所定の温度Ｔｃ１より低いと判断される場合においては燃料噴射量Ｑｆ１に対し第１の空気過剰率λ１となる空気量に設定する。これにより燃焼温度を高め、より速やかに触媒を昇温することができる。すなわち時間ｔ１はｔ１'に短縮される。触媒が所定の温度Ｔｃ１以上に昇温されたと判断される場合には、燃料噴射量Ｑｆ２に対して第２の空気過剰率λ２となる空気量に設定する。これにより触媒温度を過度に上昇させず、触媒の劣化を防止することができる。これにより、未燃燃料の排出量を低減しつつ、より急速に燃焼触媒１０および蒸発器８を昇温させることが可能となる。
【００３５】
なお、前記各実施形態では、液体原燃料の蒸発器８への燃焼ガスの供給源として触媒燃焼器９を適用した例であるが、本発明はこのような構成に限られるものではなく、起動時に改質触媒や燃料電池スタックを流通する冷媒を加熱するためのその他の熱交換器への熱供給源としても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの一実施形態の概略構成図。
【図２】従来技術による、起動からの経過時間と燃料噴射量、触媒温度およびＨＣ排出量との関係を示す特性図。
【図３】本発明の実施形態による、起動からの経過時間と燃料噴射量、触媒温度およびＨＣ排出量との関係を示す特性図。
【図４】本発明の制御に係る第１の実施形態の内容を表す流れ図。
【図５】本発明の制御に係る第２の実施形態の内容を表す流れ図。
【図６】触媒燃焼器における、空気過剰率と燃焼温度、窒素酸化物生成量との関係を示す特性図。
【図７】本発明の第3の実施形態の制御による、起動からの経過時間と燃料噴射量、空気過剰率および触媒温度との関係を示す特性図。
【符号の説明】
２    燃料電池
３    燃料極
４    空気極
５    コンプレッサ
６    改質器
７    一酸化炭素低減装置
８    蒸発器
９    触媒燃焼器
１０    燃焼触媒
１１    燃料噴射弁
１２    グロープラグ
１３    メタノールタンク
１４    メタノールポンプ
１５    水タンク
１６    水ポンプ
１７    メタノールポンプから蒸発器への燃料配管
１８    水ポンプから蒸発器への燃料配管
１９    メタノールポンプから燃料噴射弁への燃料配管
２０    コンプレッサから改質器へのガス配管
２１    空気制御弁
２２    改質器から燃料電池燃料極へのガス配管
２３    燃料制御弁
２４    コンプレッサから燃料電池空気極へのガス配管
２５    空気制御弁
２６    燃料電池燃料極から触媒燃焼器へのガス配管
２７    燃料電池空気極から触媒燃焼器へのガス配管
２８    触媒燃焼器排ガス配管
２９    コンプレッサから触媒燃焼器へのガス配管
３０    空気制御弁
３１    コントローラ
３２    改質器温度センサ
３３    一酸化炭素低減装置温度センサ
３４    燃焼触媒温度センサ
【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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