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KR20070038648A - Fuel cell system - Google Patents

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KR20070038648A
KR20070038648A KR1020050093821A KR20050093821A KR20070038648A KR 20070038648 A KR20070038648 A KR 20070038648A KR 1020050093821 A KR1020050093821 A KR 1020050093821A KR 20050093821 A KR20050093821 A KR 20050093821A KR 20070038648 A KR20070038648 A KR 20070038648A
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KR
South Korea
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fuel
fuel cell
air
flow path
cell body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020050093821A
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Korean (ko)
Inventor
이찬호
김주용
이성철
김진광
안진구
이동욱
서동명
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크를 가지면서 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원과, 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기 펌프와, 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기는 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 유로부와, 상기 유로부와 상기 연료 탱크 사이에 설치되어 공기에 의해 상기 연료 탱크를 가열하면서 상기 공기를 상기 유로부로 송풍시키는 송풍팬을 포함한다.A fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a fuel cell body that generates electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen, and a reformed gas containing hydrogen by reforming a liquefied gas fuel mainly containing butane. A fuel supply source for supplying the fuel to the reformer having a reformer for generating a gas and supplying the reformed gas to the fuel cell body, a fuel tank for storing the fuel, and an air pump for supplying air to the fuel cell body. And a heat exchanger installed to be connected to the fuel cell main body to condense the water vapor discharged from the fuel cell main body, wherein the heat exchanger includes a flow path part enabling the flow of the steam, and between the flow path part and the fuel tank. Is installed in the air to heat the fuel tank and send the air to the flow path portion. Includes a blowing fan.

연료전지, 본체, 스택, 개질기, 연료공급원, 연료탱크, 액화가스연료, 기화, 수증기, 응축, 열교환기, 케이스부재, 유로부, 송풍팬 Fuel cell, main body, stack, reformer, fuel supply source, fuel tank, liquefied gas fuel, vaporization, water vapor, condensation, heat exchanger, case member, flow path part, blowing fan

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}Fuel Cell System {FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell body shown in FIG. 1.

도 3은 도 1에 도시한 열교환기의 구성을 나타내 보인 사시도이다.3 is a perspective view showing the configuration of the heat exchanger shown in FIG.

도 4는 도 3의 개략적인 평단면 구성도이다.4 is a schematic cross-sectional configuration diagram of FIG. 3.

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부탄과 같이 액화 가스 연료를 사용하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system using liquefied gas fuel such as butane.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화 수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소, 및 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.As is known, a fuel cell is configured as a power generation system that generates the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based fuel directly into electrical energy.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Membrane Fuel Cell)로 구분될 수 있다.Such fuel cells may be broadly classified into polymer electrolyte fuel cells and direct oxidation fuel cells.

이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성으로 인해 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell has excellent output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, and fast start-up and response characteristics, so that the mobile power source such as automobiles, as well as the distributed power source and electronics such as houses and public buildings Its application range is wide, such as small power supplies for appliances.

이와 같은 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템은 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체와, 열 에너지를 이용하여 연료를 개질함으로써 이 연료로부터 수소를 발생시키고 이 수소를 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 산소를 연료전지 본체로 공급하기 위한 공기 펌프 또는 팬을 구비하고 있다. 따라서, 연료전지 본체에서는 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell system employing such a polymer electrolyte fuel cell system generates a hydrogen from this fuel by supplying a fuel cell body called a stack and thermal energy to reform the fuel and supply the hydrogen to the fuel cell body. A reformer and an air pump or fan for supplying oxygen to the fuel cell body. Therefore, in the fuel cell body, electrical energy is generated by the electrochemical reaction of hydrogen supplied from the reformer and oxygen supplied by the operation of the air pump or the fan.

한편, 최근 들어서는 부탄과 같이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 가스 연료를 사용하여 개질기에 의한 가스 연료의 개질 반응을 통해 수소를 발생시키는 연료 전지 시스템이 개시된 바 있다. 이러한 가스 연료는 비점이 낮고 비교적 작은 압력에도 쉽게 액화되기 때문에, 통상적으로 소정의 압력을 가하여 액화된 상태로 연료 탱크에 담겨져 개질기에 공급된다.On the other hand, recently, a fuel cell system for generating hydrogen through a reforming reaction of a gas fuel by a reformer using gas fuel, which is readily available on the market such as butane, has been disclosed. Since such gaseous fuel has a low boiling point and is easily liquefied even at a relatively small pressure, it is usually contained in a fuel tank and supplied to a reformer in a liquefied state under a predetermined pressure.

그런데, 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템에 있어, 연료 탱크는 액화 가스 연료가 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에, 탱크 내부의 온도가 저하되면서 연료 탱크의 표면 온도가 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경 우, 연료 탱크의 표면에 결로(結露) 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 탱크 내부의 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다. 따라서, 연료 탱크는 실질적으로 기화되는 액화 가스 연료의 양이 줄어 듦에 따라 개질기로 연료를 원활하게 공급하지 못하게 된다.However, in such a conventional fuel cell system, since the fuel tank is discharged while the liquefied gas fuel is taken away from the surrounding heat and vaporized into gas, the temperature inside the tank is lowered and the surface temperature of the fuel tank is lower than the boiling point of the gas fuel. If it is lowered, condensation will occur on the surface of the fuel tank, and as a result, the pressure inside the tank is lowered, thereby lowering the gas fuel's vaporization capacity. Thus, the fuel tank is not able to smoothly supply fuel to the reformer as the amount of liquefied gas fuel vaporized substantially decreases.

또한, 종래의 연료 전지 시스템은 연료전지 본체의 작용시, 산소의 환원 반응에 의해 비교적 고온의 수증기를 배출시키게 되는 바, 이 수증기를 비교적 낮은 온도를 유지하는 대기 중으로 직접 방출할 경우, 상기한 수증기와 대기가 접촉하면서 응축이 일어나게 된다. 이로 인해 시스템의 외관을 이루는 케이스를 통해 상기 응축된 수분이 흘러 나와 사용자에게 불쾌감을 끼치게 하는 문제점이 있다.In addition, the conventional fuel cell system discharges relatively high temperature water vapor by the reduction reaction of oxygen when the fuel cell body operates, and when the water vapor is directly discharged into the atmosphere maintaining a relatively low temperature, the water vapor described above Condensation occurs as the air contacts the atmosphere. As a result, the condensed water flows out through the case forming the exterior of the system, causing inconvenience to the user.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 대기 중의 공기를 이용하여 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시킴과 동시에 연료 탱크에 저장된 액화 가스 연료를 기화시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of condensing water vapor discharged from a fuel cell body using air in the atmosphere and vaporizing liquefied gas fuel stored in a fuel tank. .

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체와, 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기와, 상기 연료를 저장하는 연료 탱크를 가지면서 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원과, 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기 펌프와, 상기 연 료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환기를 포함하며, 상기 열교환기는 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 유로부와, 상기 유로부와 상기 연료 탱크 사이에 설치되어 공기에 의해 상기 연료 탱크를 가열하면서 상기 공기를 상기 유로부로 송풍시키는 송풍팬을 포함한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, a fuel cell body for generating electrical energy by the reaction of hydrogen and oxygen, and a liquefied gas fuel containing butane as a main component A fuel supply source for supplying the fuel to the reformer while generating a reformed gas containing hydrogen and supplying the reformed gas to the fuel cell body, a fuel tank for storing the fuel, and air. An air pump for supplying a fuel cell main body, and a heat exchanger installed to be connected to the fuel cell main body to condense water vapor discharged from the fuel cell main body, wherein the heat exchanger includes a flow path unit for allowing the flow of the steam; And installed between the flow path portion and the fuel tank to apply the fuel tank by air. And it includes a blower fan for blowing the air as part the flow path.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환기는 상기 유로부를 내장시키는 케이스부재를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 연료 전지 시스템은 상기 송풍팬이 상기 케이스부재에 일체로서 장착되어 구성될 수 있다.In the fuel cell system, the heat exchanger may include a case member having the flow path part therein. In this case, the fuel cell system may be configured such that the blowing fan is integrally mounted to the case member.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 송풍팬은 상기 연료 탱크와 상기 유로부 사이에서 상기 공기가 상기 연료 탱크를 경유하도록 상기 공기를 흡입하면서 상기 공기를 상기 유로부로 송풍시키는 구조로 이루어질 수 있다.In the fuel cell system, the blower fan may be configured to blow the air to the flow path part while sucking the air such that the air passes through the fuel tank between the fuel tank and the flow path part.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로부는 상기 수증기를 유통시키는 금속 소재의 파이프 라인으로서 구성될 수 있다. 이 경우 상기 파이프 라인은 지그재그 형태로서 절곡되게 형성될 수 있다.In the fuel cell system, the flow path portion may be configured as a metal material pipeline through which the water vapor flows. In this case, the pipeline may be formed to be bent in a zigzag form.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 본체는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 연료전지 본체는, 상기 유로부와 연결되게 설치되어 상기 전기 발생부에서 생성되는 상기 수증기를 상기 유로부로 배출시키기 위한 수증기 배출부를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the fuel cell body may include at least one electricity generating unit configured by placing a separator on both sides of a membrane-electrode assembly (MEA). In this case, the fuel cell main body may include a water vapor discharge part installed to be connected to the flow path part to discharge the water vapor generated by the electricity generator to the flow path part.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료전지 본체가 고분자 전해질형 연료 전지 (Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel)로서 구성될 수 있다.In the fuel cell system, the fuel cell body may be configured as a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel).

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은 연료, 및 산화제 가스를 이용하여 노트북 PC, PDA, 이동통신 단말기기 등과 같은 소형 전자기기에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.Referring to the fuel cell system 100 according to the present invention with reference to the drawings, the fuel cell system 100 is a small electronic device such as a notebook PC, PDA, mobile communication terminal device using the fuel and oxidant gas It is configured as a power generation system for providing electrical energy.

구체적으로, 본 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성된다.Specifically, the system 100 reforms a fuel to generate a reformed gas containing hydrogen, and generates a polymer electrolyte fuel cell that generates electrical energy through an oxidation reaction of the reformed gas and a reduction reaction of an oxidant gas. It is configured as a Membrane Fuel Cell) method.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 탄화수소 계열의 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 그러나, 이하에서 설명하는 연료는 LPG 또는 LNG와 같은 기체 연료, 바람직하게는 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 의미하며, 본 발명의 실시예에서는 이 액화 가스 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 예 를 설명한다.The fuel used in the fuel cell system 100 may include a hydrocarbon-based liquid or gaseous fuel containing hydrogen such as methanol, ethanol, LPG, LNG, gasoline, and the like. However, the fuel described below means a gaseous fuel such as LPG or LNG, preferably a liquefied gas fuel mainly composed of butane, and in the embodiment of the present invention, the reformed gas containing hydrogen by reforming the liquefied gas fuel is reformed. Explain the example of generating.

그리고 본 시스템(100)은 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자를 예로 하여 설명한다.The system 100 may use oxygen gas stored in a separate storage means as an oxidant gas, and may use air containing oxygen as it is. However, hereinafter, the latter will be described as an example.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)은, 고분자 전해질형 연료 전지로서 구성되는 연료전지 본체(10)와, 연료를 개질하여 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)로 공급하는 개질기(30)와, 이 개질기(30)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)과, 공기를 연료전지 본체(10)로 공급하기 위한 공기 공급원(70)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 includes a fuel cell body 10 configured as a polymer electrolyte fuel cell and a reformed gas containing hydrogen by reforming the fuel, and converting the reformed gas into the fuel cell body 10. And a reformer 30 to supply, a fuel supply source 50 for supplying fuel to the reformer 30, and an air supply source 70 for supplying air to the fuel cell body 10.

연료전지 본체(10)는 개질기(30)와 공기 공급원(70)에 연결되게 설치되며, 이 개질기(30)로부터 개질 가스를 공급받고 공기 공급원(70)으로부터 공기를 제공받아 개질 가스 중에 함유된 수소, 및 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 발생부(11)를 구비한다.The fuel cell body 10 is installed to be connected to the reformer 30 and the air source 70, and receives the reformed gas from the reformer 30 and receives air from the air source 70 to contain hydrogen contained in the reformed gas. And an electric generator 11 in a cell unit for generating electrical energy by an electrochemical reaction of oxygen contained in the air.

따라서, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 이와 같은 전기 발생부(11)를 복수로 구비하고, 이들 전기 발생부(11)를 연속적으로 배치함으로써 전기 발생부들(11)의 집합체 구조에 의한 스택(stack)으로 구성될 수 있다.Therefore, the fuel cell main body 10 according to the present embodiment includes a plurality of such electric generators 11, and by arranging these electricity generators 11 successively, the fuel cell body 10 is arranged in the aggregate structure of the electricity generators 11. It can be configured as a stack (stack) by.

도 2는 도 1에 도시한 연료전지 본체의 구성을 나타내 보인 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell body shown in FIG. 1.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료전지 본체(10)는 언급한 바와 같이 전기 발생부들(11)의 집합체 구조로서 이루어지는 바, 이 전기 발생부(11)는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(13)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.Referring to the drawings, the fuel cell main body 10 according to the present embodiment is formed as an aggregate structure of the electricity generating units 11 as mentioned above, and the electricity generating unit 11 is a membrane-electrode assembly (Membrane-Electrode). Assembly (MEA) 12 can be configured to be in close contact with the separator (Separator) 13 on both sides thereof.

여기서, 막-전극 어셈블리(12)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하고 있다. 애노드 전극은 개질 가스 중에 함유된 수소를 산화 반응시켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 비교적 고온의 수증기를 생성하는 기능을 하게 된다.Here, the membrane-electrode assembly 12 forms an anode electrode on one surface, a cathode electrode on the other surface, and forms an electrolyte membrane between these two electrodes. The anode electrode oxidizes hydrogen contained in the reforming gas to separate the hydrogen into electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane transfers hydrogen ions to the cathode electrode, and the cathode electrode provides electrons, hydrogen ions, and separately provided from the anode electrode. Reducing the oxygen in the air is a reaction to generate a relatively high temperature water vapor.

그리고 세퍼레이터(13)는 개질 가스를 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극으로 공급하고, 공기를 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 개질 가스 및 공기 이동 채널을 형성하며, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.And the separator 13 forms a reformed gas and an air movement channel for supplying the reformed gas to the anode electrode of the membrane-electrode assembly 12, and for supplying air to the cathode electrode of the membrane-electrode assembly 12. It functions as a conductor connecting the anode electrode and the cathode electrode of the electrode assembly 12 in series.

이와 같은 연료전지 본체(10)는 개질 가스를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 개질 가스 주입부(15)(이하, "제1 주입부" 라고 한다.)와, 공기를 전기 발생부들(11)로 주입시키기 위한 공기 주입부(16)(이하, "제2 주입부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(11)에서 반응하고 남은 개질 가스를 배출시키기 위한 미반응 개질 가스 배출부(17)(이하, "제1 배출부" 라고 한다.)와, 전기 발생부들(11)에서 환원 반응에 의해 생성되는 수증기를 배출시키기 위한 수증기 배출부(18)(이하, "제2 배출부" 라고 한다.)를 형성하고 있다(도 1 참조).The fuel cell body 10 includes a reformed gas injector 15 (hereinafter, referred to as a “first injector”) for injecting reformed gas into the electricity generators 11, and air into electricity generators ( 11, an air injection unit 16 (hereinafter referred to as a "second injection unit") for injection, and an unreacted reformed gas discharge unit for discharging the reformed gas remaining after reacting in the electricity generating units 11 ( 17) (hereinafter referred to as " first outlet ") and steam outlet 18 (hereinafter, " second outlet ") for discharging water vapor generated by the reduction reaction in the electricity generating units 11; (See Fig. 1).

본 실시예에서, 개질기(30)는 도 1에 도시한 바와 같이, 연료의 개질 반응 예컨대, 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다. 이 때, 개질기(30)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)와 연결되게 설치될 수 있다. 이러한 개질기(30)는 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.In this embodiment, the reformer 30 has a structure that generates a reformed gas containing hydrogen through a catalytic reaction such as steam reforming, steam reforming, partial oxidation or autothermal reaction, as shown in FIG. 1. . In this case, the reformer 30 may be installed to be connected to the first injection unit 15 of the fuel cell body 10 by a conventional pipeline or the like. Since the reformer 30 is made of a conventional reformer that is employed in a polymer electrolyte fuel cell system, a detailed description thereof will be omitted.

상기한 개질기(30)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원(50)은 도 1에 도시한 바와 같이, 액화 가스 연료를 압축 저장하는 연료 탱크(51)를 포함하고 있다. 이 때, 연료 탱크(51)는 가스 연료 자체의 압력에 의해 이 연료를 배출시키기 위한 배출부(도면에 도시하지 않음)를 가지면서 통상적인 파이프 라인 등에 의해 개질기(30)와 연결되게 설치될 수 있다.The fuel supply source 50 for supplying fuel to the reformer 30 includes a fuel tank 51 for compressing and storing liquefied gas fuel, as shown in FIG. 1. At this time, the fuel tank 51 may be installed to be connected to the reformer 30 by a conventional pipeline or the like having a discharge portion (not shown) for discharging the fuel by the pressure of the gaseous fuel itself. have.

그리고, 상기한 연료전지 본체(10)로 공기를 공급하기 위한 공기 공급원(70)은 도 1에 도시한 바와 같이, 공기를 흡입하는 통상적인 공기 펌프(71)로서 구비된다. 이 때, 공기 펌프(71)는 통상적인 파이프 라인 등에 의해 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)와 연결되게 설치될 수 있다.An air supply source 70 for supplying air to the fuel cell body 10 is provided as a conventional air pump 71 that sucks air as shown in FIG. 1. In this case, the air pump 71 may be installed to be connected to the second injection unit 16 of the fuel cell body 10 by a conventional pipeline or the like.

상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 공기의 환원 반응을 통해 비교적 고온의 수증기를 발생시키게 되는 바, 이 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다(도 1 참조).When the fuel cell system 10 is configured as described above, the fuel cell body 10 generates relatively high temperature water vapor through a reduction reaction of air by the electricity generating units 11. It is discharged through the discharge portion 18 (see Fig. 1).

또한, 연료 전지 시스템(100)의 작용시 연료 탱크(51)는 이 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료가 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에(통상적으로 "기화 잠열" 이라고 한다.), 탱크 내부의 온도가 저하되는 바, 연료 탱크(51) 표면의 온도가 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우 연료 탱크(51)의 표면에 결로(結露) 현상이 발생하게 되고, 탱크 내부의 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다. 이로 인해 연료 탱크(51)는 실질적으로 기화되는 가스 연료의 양이 줄어 듦에 따라 개질기(30)로 연료를 원활하게 공급하지 못하게 된다(도 1 참조).In addition, when the fuel cell system 100 operates, the fuel tank 51 is discharged as the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51 is discharged as it takes away the surrounding heat and vaporizes into a gas (commonly referred to as "latent heat of vaporization"). When the temperature inside the tank is lowered, condensation occurs on the surface of the fuel tank 51 when the temperature of the surface of the fuel tank 51 falls below the boiling point of the gaseous fuel. As the pressure of the gas is lowered, the gaseous fuel vaporization capacity is lowered. This prevents the fuel tank 51 from smoothly supplying fuel to the reformer 30 as the amount of gaseous fuel vaporized substantially decreases (see FIG. 1).

이에, 본 발명의 실시예에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 고온의 수증기를 비교적 온도가 낮은 대기 중의 공기에 의하여 응축시킴과 동시에, 상기 공기를 통해 연료 탱크(51)에 열을 가하여 이 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료를 기화시키기 위한 열교환기(90)를 구비하고 있다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the high temperature water vapor discharged through the second discharge unit 18 of the fuel cell body 10 is condensed by air in a relatively low temperature atmosphere. At the same time, a heat exchanger 90 is provided to heat the fuel tank 51 through the air to vaporize the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51.

도 3은 도 1에 도시한 열교환기의 구성을 나타내 보인 사시도이고, 도 4는 도 3의 개략적인 평단면 구성도이다.3 is a perspective view illustrating the configuration of the heat exchanger illustrated in FIG. 1, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional configuration diagram of FIG. 3.

도 1 및 도 3, 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 열교환기(90)는 비교적 온도가 낮은 대기 중의 공기가 연료 탱크(51)를 경유토록 하여 연료 탱크(51)에 열을 가함으로써 이 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료를 기화시키는 구조로 이루어진다. 이에 더하여, 본 실시예에 의한 열교환기(90)는 연료 탱크(51)를 거치면서 이 연료 탱크(51)에 열을 빼앗긴 상기 공기를 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기의 유동 경로 상에 제공하여 이 배출 경로를 따라 유동하 는 수증기를 수분으로 응축시키는 구조로 이루어진다.1, 3, and 4, the heat exchanger 90 according to the present embodiment heats the fuel tank 51 by allowing the air in the atmosphere having a relatively low temperature to pass through the fuel tank 51. It consists of a structure which vaporizes the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51. In addition, the heat exchanger 90 according to the present embodiment passes through the fuel tank 51 to the second discharge part 18 of the fuel cell body 10 through the air deprived of heat from the fuel tank 51. It is provided on the flow path of the water vapor discharged through the condensation structure to the water vapor flowing along the discharge path.

구체적으로, 열교환기(90)는 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기를 유통시키기 위한 유로부(91)와, 대기 중의 공기를 흡입하면서 이 공기를 통해 연료 탱크(51)에 열을 가하면서 상기 공기를 유로부(91)로 송풍시키기 위한 송풍부(93)을 포함하여 구성된다.Specifically, the heat exchanger 90 is a fuel passage 91 for circulating water vapor discharged through the second discharge portion 18 of the fuel cell body 10 and fuel through the air while inhaling air in the atmosphere. It comprises a blower 93 for blowing the air to the flow path portion 91 while applying heat to the tank (51).

유로부(91)는 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)와 실질적으로 연결되게 설치되는 금속 소재의 파이프 라인(92)을 구비하는 바, 이 파이프 라인(92)은 코일 형태 또는 지그재그 형태로서 밴딩된 구조, 바람직하게는 도면에서와 같이 지그재그 형태로 밴딩된 구조로서 이루어진다. 이와 같이 파이프 라인(92)을 지그재그 형태로서 형성한 이유는, 연료전지 본체(10)의 제2 배출부(18)를 통해 배출되는 수증기의 유동 경로를 더욱 연장시키기 위함이다.The flow path portion 91 includes a metal pipe line 92 which is installed to be substantially connected to the second discharge portion 18 of the fuel cell body 10. The pipe line 92 is in the form of a coil or It is made of a structure banded in a zigzag form, preferably a structure banded in a zigzag form as shown in the figure. The reason why the pipeline 92 is formed in a zigzag form is to further extend the flow path of the water vapor discharged through the second discharge portion 18 of the fuel cell body 10.

본 실시예에서, 송풍부(93)는 유로부(91)를 내장시키는 케이스부재(94)와, 연료 탱크(51)와 유로부(91) 사이에 배치되도록 이 케이스부재(94)에 일체로서 장착되어 대기 중의 공기를 흡입하면서 이 공기를 유로부(91)로 송풍시키는 송풍팬(99)을 포함하여 구성된다.In this embodiment, the blower portion 93 is integrally formed with the case member 94 in which the flow path portion 91 is embedded, and the case member 94 so as to be disposed between the fuel tank 51 and the flow path portion 91. And a blowing fan 99 which blows the air to the flow path portion 91 while sucking the air in the atmosphere.

이 케이스부재(94)는 유로부(91)를 내장시키는 수용 공간(95), 및 송풍팬(99)을 장착시키기 위한 장착부(96)를 형성하고 있다. 이 때, 케이스부재(94)는 수용 공간(95) 내에서 유로부(91)를 거친 공기를 외부로 배출시키기 위한 배출구(94a)를 형성하고 있다.The case member 94 forms an accommodating space 95 in which the flow path portion 91 is incorporated, and a mounting portion 96 for mounting the blower fan 99. At this time, the case member 94 forms a discharge port 94a for discharging the air having passed through the flow path portion 91 to the outside in the accommodation space 95.

본 실시예에서, 송풍팬(99)은 케이스부재(94)의 장착부(96)에 장착되는 바, 연료 탱크(51)와 유로부(91) 사이에 배치된다. 즉, 송풍팬(99)을 기준으로 할 때, 연료 탱크(51)는 송풍팬(99)에 의해 흡입되어 유동하는 공기의 흡입 경로 상에 배치되며, 유로부(91)는 이 송풍팬(99)에 의해 송풍되어 유동하는 공기의 송풍 경로 상에 배치된다. 이러한 송풍팬(99)은 모터의 구동에 의하여 팬을 구동시킴으로써 대기 중의 공기를 흡입하고, 이 공기를 케이스부재(94)의 수용 공간(95)으로 송풍시키는 통상적인 구조의 송풍팬으로서 구비된다.In this embodiment, the blower fan 99 is mounted to the mounting portion 96 of the case member 94, and is disposed between the fuel tank 51 and the flow path portion 91. That is, based on the blowing fan 99, the fuel tank 51 is disposed on the suction path of the air sucked by the blowing fan 99 and flows, and the flow path portion 91 is the blowing fan 99. It is disposed on the blowing path of the air flowing and flows by). The blower fan 99 is provided as a blower fan having a conventional structure in which air in the atmosphere is sucked by driving the fan by driving the motor, and the air is blown into the accommodation space 95 of the case member 94.

이와 같이 송풍팬(99)을 연료 탱크(51)와 유로부(91) 사이에 배치하는 이유는, 송풍팬(99)에 의해 흡입되는 대기 중의 공기를 연료 탱크(51)를 경유토록 하여 결로 현상이 발생된 연료 탱크(51)에 공기 중의 열을 가함으로써 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료를 기화시키기 위함이다. 또한, 연료 탱크(51)를 거치면서 이 연료 탱크(51)에 열을 빼앗긴 비교적 낮은 온도의 공기를 유로부(91)에 송풍시킴으로써 이 유로부(91)를 따라 유동하는 수증기를 수분으로 응축시키기 위함이다.The reason why the blower fan 99 is disposed between the fuel tank 51 and the flow path part 91 is that the air in the air sucked by the blower fan 99 passes through the fuel tank 51 and causes condensation. This is to vaporize the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51 by applying heat in the air to the generated fuel tank 51. In addition, by passing the air having a relatively low temperature from which the heat is lost to the fuel tank 51 while passing through the fuel tank 51 to the flow path 91, condensation of water vapor flowing along the flow path 91 with moisture is achieved. For sake.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell system 100 according to the present embodiment configured as described above in detail as follows.

우선, 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료는 자체의 압력에 의해 연료 탱크(51)로부터 배출되면서 개질기(30)로 공급된다. 그러면, 개질기(30)는 연료의 개질 반응이 진행되면서 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 연료전지 본체(10)의 제1 주입부(15)로 공급한다.First, the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51 is supplied to the reformer 30 while being discharged from the fuel tank 51 by its pressure. Then, the reformer 30 generates a reformed gas containing hydrogen as the reforming reaction of the fuel proceeds, and supplies the reformed gas to the first injection unit 15 of the fuel cell body 10.

이와 동시에, 공기 펌프(71)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 연료전지 본체(10)의 제2 주입부(16)로 공급한다.At the same time, the air pump 71 sucks air and supplies this air to the second injection portion 16 of the fuel cell body 10.

따라서, 연료전지 본체(10)는 전기 발생부들(11)에 의한 개질 가스의 산화 반응, 및 공기의 환원 반응을 통해 기설정된 용량의 전기 에너지를 출력시키게 되고, 전기 발생부들(11)에 의한 공기의 환원 반응에 의해 생성되는 비교적 고온의 수증기를 제2 배출부(18)를 통해 배출시키게 된다.Therefore, the fuel cell body 10 outputs electric energy of a predetermined capacity through oxidation reaction of reformed gas by the electricity generating units 11 and reduction reaction of air, and the air by the electricity generating units 11. The relatively high temperature water vapor generated by the reduction reaction of is discharged through the second discharge unit 18.

이러한 과정을 거치면서, 상기 수증기는 유로부(91)의 파이프 라인(92)으로 공급된다. 이 때, 파이프 라인(92)은 고온의 수증기가 이의 유로를 따라 유통됨에 따라 소정 온도로 가열된 상태를 유지하게 된다. 이에 더하여, 연료 탱크(51)는 이 연료 탱크(51)에 저장된 액화 가스 연료가 주위의 열을 빼앗아 기체로 기화되면서 배출되기 때문에, 연료 탱크(51) 표면의 온도가 가스 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 연료 탱크(51)의 표면에 결로(結露) 현상이 발생하게 되고, 탱크 내부의 압력이 저하되면서 가스 연료의 기화 능력이 떨어지게 된다. 이 때, 연료 탱크(51)의 표면 온도는 대기 중의 공기 보다 낮은 온도를 유지하고 있다.Through this process, the water vapor is supplied to the pipeline 92 of the flow path portion 91. At this time, the pipeline 92 is maintained heated to a predetermined temperature as the hot water vapor flows along its flow path. In addition, since the fuel tank 51 is discharged while the liquefied gas fuel stored in the fuel tank 51 is taken away by vaporizing gas into the gas, the temperature of the surface of the fuel tank 51 is lower than the boiling point of the gas fuel. If it falls, condensation occurs on the surface of the fuel tank 51, and as the pressure inside the tank decreases, the gaseous fuel vaporization capacity is lowered. At this time, the surface temperature of the fuel tank 51 maintains the temperature lower than air | atmosphere in air | atmosphere.

이 상태에서, 송풍팬(99)이 대기 중의 공기를 흡입하게 되는 바, 연료 탱크(51)가 공기의 흡입 경로 상에 배치되고 있기 때문에, 대기 중의 공기는 도 4에 도시한 점선 화살표 방향을 따라 상기 결로 현상이 발생된 연료 탱크(51)를 거치면서 이 연료 탱크(51)에 열을 가함으로써 액화 가스 연료를 기화시키게 된다. 따라서, 연료 탱크(51)는 내부 압력이 상승하면서 가스 연료의 기화 능력이 향상됨에 따라, 이 가스 연료를 개질기(30)로 원활하게 공급할 수 있게 된다.In this state, since the blower fan 99 sucks air in the atmosphere, since the fuel tank 51 is disposed on the air intake path, the air in the atmosphere follows the dotted arrow direction shown in FIG. The liquefied gas fuel is vaporized by applying heat to the fuel tank 51 while passing through the fuel tank 51 in which the condensation occurs. Therefore, the fuel tank 51 can smoothly supply this gas fuel to the reformer 30 as the internal pressure rises and the vaporization capability of the gas fuel improves.

이 후, 연료 탱크(51)를 거치면서 열을 빼앗긴 공기는 송풍팬(99)에 의해 도 4에 도시한 실선 화살표 방향을 따라 케이스부재(94)의 수용 공간(95)으로 송풍되 는 바, 유로부(91)가 케이스부재(94)의 수용 공간(95) 내에서 공기의 송풍 경로 상에 배치되고 있기 때문에, 소정 온도로 가열된 파이프 라인(92)을 냉각시킴으로써 이 파이프 라인(92)의 유로를 따라 유통되는 수증기를 수분으로 응축시키게 된다. 그러면, 이 파이프 라인(92)에서 응축된 수분은 별도의 저장공간(도시하지 않음)으로 포집되게 된다.Thereafter, the air deprived of heat while passing through the fuel tank 51 is blown by the blower fan 99 into the accommodation space 95 of the case member 94 along the direction of the solid arrow shown in FIG. 4. Since the flow path part 91 is arrange | positioned on the air blower path | route in the accommodating space 95 of the case member 94, by cooling the pipeline 92 heated to predetermined temperature, Water vapor flowing along the flow path is condensed with moisture. Then, the water condensed in the pipeline 92 is collected into a separate storage space (not shown).

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 대기 중의 공기를 이용하여 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시킴과 동시에 연료 탱크에 저장된 액화 가스 연료를 기화시키기 위한 열교환기를 구비함에 따라, 액화 가스 연료를 개질기로 신뢰성 있게 공급함으로써 시스템의 지속적인 가동이 가능하고, 시스템의 고효율 운전이 가능하다.According to the present invention as described above, by providing a heat exchanger for vaporizing liquefied gas fuel stored in the fuel tank while condensing water vapor discharged from the fuel cell body using air in the atmosphere, the liquefied gas fuel is converted into a reformer. Reliably supplied, the system can be operated continuously and the system can be operated with high efficiency.

또한, 본 발명에 의하면, 열교환기에 의해 응축된 수분을 별도로 관리할 수 있으므로, 전체 시스템의 성능 효율 및 사용자에 대한 시스템의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, since the moisture condensed by the heat exchanger can be separately managed, the performance efficiency of the entire system and the reliability of the system for the user can be further improved.

Claims (9)

수소, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체;A fuel cell body generating electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen; 부탄을 주성분으로 하는 액화 가스 연료를 개질하여 상기 수소를 함유한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 개질기;A reformer for reforming a liquefied gas fuel mainly composed of butane to generate the reformed gas containing hydrogen, and supplying the reformed gas to the fuel cell body; 상기 연료를 저장하는 연료 탱크를 가지면서 상기 연료를 상기 개질기로 공급하는 연료 공급원;A fuel supply source having a fuel tank for storing the fuel and supplying the fuel to the reformer; 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기 펌프; 및An air pump supplying air to the fuel cell body; And 상기 연료전지 본체와 연결되게 설치되어 상기 연료전지 본체로부터 배출되는 수증기를 응축시키기 위한 열교환기Heat exchanger is installed to be connected to the fuel cell body to condense the water vapor discharged from the fuel cell body 를 포함하며,Including; 상기 열교환기는,The heat exchanger, 상기 수증기의 흐름을 가능케 하는 유로부와, 상기 유로부와 상기 연료 탱크 사이에 설치되어 공기에 의해 상기 연료 탱크를 가열하면서 상기 공기를 상기 유로부로 송풍시키는 송풍팬을 포함하는 연료 전지 시스템.And a flow path unit configured to enable the flow of the water vapor, and a blowing fan installed between the flow path unit and the fuel tank to blow the air to the flow path unit while heating the fuel tank by air. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 열교환기는 상기 유로부를 내장시키는 케이스부재를 포함하는 연료 전지 시스템.And the heat exchanger includes a case member having the flow path unit therein. 제2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 송풍팬이 상기 케이스부재에 일체로서 장착되어 구성되는 연료 전지 시스템.And the blower fan is integrally mounted to the case member. 제3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 송풍팬은 상기 연료 탱크와 상기 유로부 사이에서 상기 공기가 상기 연료 탱크를 경유하도록 상기 공기를 흡입하면서 상기 공기를 상기 유로부로 송풍시키는 구조로 이루어진 연료 전지 시스템.And the blower fan is configured to blow the air to the flow path part while sucking the air between the fuel tank and the flow path part so that the air passes through the fuel tank. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 유로부는 상기 수증기를 유통시키는 금속 소재의 파이프 라인으로서 구성되는 연료 전지 시스템.And the flow path portion is configured as a metal material pipeline through which the water vapor flows. 제5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 파이프 라인이 지그재그 형태로서 절곡되게 형성되는 연료 전지 시스템.And the pipeline is formed to be bent in a zigzag form. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 연료전지 본체는,The fuel cell body, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성되는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system comprising at least one electricity generating unit configured by centering a membrane-electrode assembly (MEA) and disposing separators on both sides thereof. 제7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 연료전지 본체는,The fuel cell body, 상기 유로부와 연결되게 설치되어 상기 전기 발생부에서 생성되는 상기 수증기를 상기 유로부로 배출시키기 위한 수증기 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템.And a water vapor discharge part installed to be connected to the flow path part to discharge the water vapor generated by the electricity generation part to the flow path part. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 연료전지 본체가 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel)로서 구성되는 연료 전지 시스템.The fuel cell body is configured as a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cel).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20051006

PG1501 Laying open of application
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