JP2006216495A - 燃料電池ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】金属イオンが燃料電池に流入されることに起因する発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池ユニットの実現を図る。
【解決手段】燃料電池ユニット10は、DMFCスタック42と、DMFCスタック42から排出される排出流体(未反応メタノール、水蒸気)を冷却する冷却部71(または53)と、高濃度メタノールと前記冷却された排出流体とを混合してDMFCスタック42へ供給するための低濃度メタノール水溶液を生成する混合タンク45と、冷却部71(または53)から混合タンク45を介してDMFCスタック42に至る流路内に配置された金属イオン除去フィルタ73とを含む。
【選択図】図3
【解決手段】燃料電池ユニット10は、DMFCスタック42と、DMFCスタック42から排出される排出流体(未反応メタノール、水蒸気)を冷却する冷却部71(または53)と、高濃度メタノールと前記冷却された排出流体とを混合してDMFCスタック42へ供給するための低濃度メタノール水溶液を生成する混合タンク45と、冷却部71(または53)から混合タンク45を介してDMFCスタック42に至る流路内に配置された金属イオン除去フィルタ73とを含む。
【選択図】図3
Description
本発明は例えばダイレクトメタノール方式の燃料電池ユニットに関する。
一般に、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池(以下、DMFCと称する)は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。
非特許文献1には、DMFCに関する技術が開示されている。
また、希釈循環システムを採用したDMFCも知られている。この希釈循環システムにおいては、DMFCスタックに供給される燃料として、低濃度のメタノール水溶液が利用される。この希釈循環システムにおいては、高濃度のメタノールを水によって希釈する混合タンクと、DMFCスタックからの排出流体(メタノール水溶液、水蒸気)を冷却する冷却部などが設けられている。冷却された排出流体は混合タンクに戻され、低濃度のメタノール水溶液の生成に再利用される。
池田宏之助著「燃料電池のすべて」株式会社日本実業出版社、2001年8月20日、p216-217
池田宏之助著「燃料電池のすべて」株式会社日本実業出版社、2001年8月20日、p216-217
ところで、希釈循環システムにおいては、メタノール水溶液中に含まれる微量の金属イオンがDMFCスタック内の化学反応を阻害し、これによってDMFCスタックの発電効率が低下する場合がある。
メタノール水溶液中に含まれる金属イオンは、燃料であるメタノール内に元々含有されているものだけでなく、循環流路を形成するパイプ、DMFCスタック、循環流路内の他の部品等から発生するものもある。このため、システムの運転中は、常に新たな金属イオンが次々と発生し、メタノール水溶液中に放出される。
本発明は上述の事情を考慮してなされたものであり、金属イオンが燃料電池に流入されることに起因する発電効率の低下を抑制することが燃料電池ユニットを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の燃料電池ユニットは、燃料電池と、前記燃料電池から排出される排出流体を冷却する冷却部と、燃料と前記冷却された排出流体とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、前記冷却部から前記混合タンクを介して前記燃料電池に至る流路内に配置された金属イオン除去フィルタとを具備することを特徴とする。
本発明によれば、金属イオンが燃料電池に流入されることに起因する発電効率の低下を抑制することが可能となり、十分な発電効率を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池ユニットを示す外観図である。この燃料電池ユニット10は、メタノールを液体燃料としたDMFCとして構成され、また、電子機器、例えば、パーソナルコンピュータの電源として使用可能に構成されている。
燃料電池ユニット10は、燃料電池ユニット本体12と、この燃料電池ユニット本体12から延出した載置部11とを備えている。載置部11は、平坦な矩形状に形成され、図2に示すように、パーソナルコンピュータのような情報処理装置18の後部を載置可能に形成されている。燃料電池ユニット本体12には、化学反応で発電を行うDMFCスタックと、DMFCスタックに対して燃料となるメタノールを注入、および循環させるための補機(ポンプやバルブ等)とが内蔵されている。
また、燃料電池ユニット本体12内部の例えば左端には、着脱可能な燃料カートリッジ(図示していない)が内蔵されている。この燃料カートリッジを交換できるように、カバー12bは燃料電池ユニット本体12に取り外し自在に設けられている。
載置部11の上面には、情報処理装置18と接続するための接続部としてドッキングコネクタ14が設けられている。また、載置部11上の三箇所には、位置決め突起15とフック16とが設けられている。情報処理装置18の後部を図2に示すように載置部11上に配置した状態においては、情報処理装置18の底面後部に設けられた三箇所の穴に、位置決め突起15とフック16が挿入される。
なお、図1、図2に示した燃料電池ユニット10の形状や大きさ、或いはドッキングコネクタ14の形状や位置等は、種々の形態が考えられる。
次に、図3を参照して、燃料電池ユニット10の内部構成を説明する。
燃料電池ユニット10は、発電部40と、燃料電池制御部41とをから構成される。燃料電池制御部41は、発電部40の制御を行う他、情報処理装置18との通信を行う通信制御部としての機能を有する。発電部40は燃料電池ユニット本体12内に設けられており、また燃料電池制御部41は載置部11内に設けられている。
発電部40は、DMFCスタック42、および燃料カートリッジ43を備えている。DMFCスタック42は、化学反応によって発電を行う起電部として機能する燃料電池である。発電動作によってDMFCスタック42は発熱する。この熱がDMFCスタック42周辺のコンポーネントに伝わるのを防止するために、DMFCスタック42の筐体の外周面または内周面は断熱材で覆われている。燃料カートリッジ43には、高濃度のメタノール液が封入されている。
また、一般に、ダイレクトメタノール型燃料電池においては、発電効率をあげるためにクロスオーバー現象を低減する必要がある。そのためには、高濃度メタノールを希釈して低濃度化し、これをDMFCスタック42のカソード(燃料極)47に注入することが有効である。この実現のため、燃料電池ユニット10では、希釈循環システムを採用している。希釈循環システム内に設けられる流路は、液体流路と気体流路とに大別される。
まず、液体流路内に配置されるコンポーネントの接続関係について説明する。燃料電池カートリッジ43の出力部には配管を介して燃料供給ポンプ44が結合されている。さらに、この燃料供給ポンプ44の出力部は配管を介して混合タンク45に結合されている。混合タンク45の出力部は配管101を介してDMFCスタック42のアノード(燃料極)47の入力部に結合されている。配管101は、混合タンク45からDMFCスタック42にメタノール水溶液を送出するための流路として使用される。
配管101には送液ポンプ46と金属イオン除去フィルタ(イオンフィルタ)73とが配置されており、混合タンク45の出力部は、送液ポンプ46、金属イオン除去フィルタ(イオンフィルタ)73を介してアノード(燃料極)47に結合される。金属イオン除去フィルタ(イオンフィルタ)73はイオン交換体を用いて実現されており、配管101を介して混合タンク45からDMFCスタック42に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。
また、混合タンク45の入力部から延出される配管106は、2つの配管102、104に分岐されている。配管102は、DMFCスタック42のアノード(燃料極)47から排出される排出流体、つまり化学反応で用いられなかった未反応メタノール水溶液、を混合タンク45に戻すための流路である。配管102はDMFCスタック42のアノード(燃料極)47の出力部に結合されている。配管102の周囲には多数の放熱フィン71が取り付けられている。放熱フィン71は、アノード(燃料極)47から排出されるメタノール水溶液を冷却するアノード冷却部として機能する。放熱フィン71の近傍には冷却ファン72が取り付けられている。アノード(燃料極)47から排出されるメタノール水溶液の温度は例えば60℃以上である。このメタノール水溶液の温度は、放熱フィン71を通過することにより、例えば45℃〜50℃程度にまで低下される。
さらに、配管102内においては、金属イオン除去フィルタ74が配置されている。この金属イオン除去フィルタ74もイオン交換体を用いて実現されており、DMFCスタック42から混合タンク45に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。
また、水回収タンク55の出力部は上述の配管104に結合されている。水回収タンク55には、DMFCスタック42のカソード(空気極)52からの排出流体(水蒸気)から回収された水が貯蔵される。配管104において、水回収タンク55の出力部から混合タンク45の入力部に至る流路内には、水回収ポンプ56と金属イオン除去フィルタ75とが配置されている。金属イオン除去フィルタ75もイオン交換体を用いて実現されており、水回収タンク55から混合タンク45に向けて送出される水(クロスオーバー現象によってカソード(空気極)52に移動したメタノール成分も含まれる)中に含まれる金属イオンを吸着することにより、水から金属イオンを除去する。
次に、気体流路内に配置されるコンポーネントの接続関係について説明する。送気ポンプ50は、送気バルブ51が挿入された配管107を介して、DMFCスタック42のカソード(空気極)52の入力部に結合される。カソード(空気極)52の出力部は配管103を介して凝縮器53に接続される。凝縮器53は、カソード(空気極)52の出力部から排出される排出流体(水蒸気、水)を冷却するカソード冷却部として機能する。凝縮器53は、配管103の周囲に取り付けられた多数の放熱フィンを含んでいる。これら放熱フィンの近傍には冷却ファン54が設けられている。この凝縮器53による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード(空気極)52の出力部から排出される水の温度も低下される。これにより、水回収タンク55から配管104を介して流れる水の温度は45℃〜50℃程度となる。
また、混合タンク45も、混合タンクバルブ48、配管103を介して凝縮器53に接続される。凝縮器53は配管105、排気バルブ57を介して排気口58に接続される。
このように、本実施形態の燃料電池ユニット10においては、DMFCスタック42からの排出流体(低濃度メタノール、水蒸気)を冷却する冷却部として、冷却フィン71および凝縮器53が設けられている。そして、これら冷却部から混合タンク45を介してDMFCスタック42のアノード(燃料極)47に至る流路内には、金属イオン除去フィルタ73,74,75が配置されている。
燃料電池ユニット10内においては、例えば、DMFCスタック42内の化学反応によって、あるいは配管などから金属イオンが発生する場合がある。配管の内、冷却部53,71を通過する配管部分は、通常、放熱効率を高めるために金属から構成される。このため、冷却部53を通過する配管部分、および冷却部71を通過する配管部分から、金属イオンが発生する可能性が高い。また、燃料カートリッジ43内の高濃度メタノールが元々金属イオンを含有している場合もある。金属イオンを含む低濃度メタノールがDMFCスタック42のアノード(燃料極)47に供給されると、DMFCスタック42の発電性能が低下する。
本実施形態においては、DMFCスタック42のアノード(燃料極)47の直前に金属イオン除去フィルタ73が設けられているので、運転中に金属イオンが発生しても、その金属イオンがDMFCスタック42のアノード(燃料極)47に供給されることを効率よく防止することができる。また、金属イオン除去フィルタ74,75の働きにより、排出流体に含まれる金属イオンが混合タンク45に流れ込むことも防止することができる。
また、一般に、金属イオン除去フィルタは液中温度や周囲温度に影響を受け、液中温度や周囲温度が高くなるほどイオン除去性能が低下する。このため、金属イオン除去フィルタは常温環境下で使用することが好ましい。アノード側の冷却部71およびカソード側の冷却器53の働きにより、混合タンク45に流れ込む排出流体の温度を例えば45℃〜50℃程度の比較的低い温度範囲に下げることができる。よって、混合タンク45からDMFCスタック42のアノード(燃料極)47に向けて送出される低濃度メタノール水溶液の温度も例えば45℃〜50℃程度の比較的低い温度範囲となる。よって、混合タンク45とDMFCスタック42のアノード(燃料極)47との間に配置された金属イオン除去フィルタ73は、比較的低い温度環境下で動作することができる。また、DMFCスタック42は上述したように断熱材で被覆されているので、金属イオン除去フィルタ73がDMFCスタック42からの熱の影響を受けることもない。さらに、金属イオン除去フィルタ73は送液ポンプ46とDMFCスタック42のアノード(燃料極)47との間に配置されているので、金属イオン除去フィルタ73は送液ポンプ46の汚れを捕集する機能を果たす。これにより、送液ポンプ46から圧送されるメタノール水溶液中に含まれる塵等がDMFCスタック42のアノード(燃料極)に流れ込むことも防止することができ、これによってDMFCスタック42の発電性能を高く維持することができる。
また、金属イオン除去フィルタ74に流れ込む低濃度メタノールおよび金属イオン除去フィルタ75に流れ込む水も、それぞれ冷却部71,53によって冷却されているので、金属イオン除去フィルタ74,75も十分なフィルタ性能を発揮することができる。
なお、本実施形態では、3つの金属イオン除去フィルタ73,74,75を設けたが、金属イオン除去フィルタ73のみでも実用上十分な効果を得ることができる。また、金属イオン除去フィルタ73を設けずに、2つの金属イオン除去フィルタ74,75のみを使用する構成を採用してもよい。さらには、金属イオン除去フィルタ73を設けずに、且つ2つの金属イオン除去フィルタ74,75のいずれか一方のみを使用する構成を採用してもよい。また、2つの金属イオン除去フィルタ74,75の代わりに、金属イオン除去フィルタ76を配管106内に配置してもよい。これにより、1つの金属イオン除去フィルタ76によって、金属イオン除去フィルタ74の機能と金属イオン除去フィルタ74の機能とを兼ねることができる。
つまり、基本的には、金属イオン除去フィルタは、未反応メタノール、水蒸気のような排出流体を冷却する冷却部から混合タンク45を介してDMFCスタック42に至る経路内に少なくとも1つ配置すればよい。
次に、燃料電池ユニット10の発電動作について説明する。
まず、燃料カートリッジ43内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ44によって、混合タンク45に流入される。混合タンク45の内部では、高濃度メタノールは、DMFCスタック42のカソード(空気極)52側からの排出流体である水蒸気などから回収された水、およびDMFCスタック42のアノード(燃料極)47からの排出流体である低濃度メタノール(未反応メタノール)と混合されて希釈され、DMFCスタック42に供給すべき燃料水溶水としての低濃度メタノール水溶液が生成される。このように、DMFCスタック42からの排出流体(低濃度メタノール、水蒸気等)は混合タンク45に戻されるので、混合タンク45は、DMFCスタック42からの排出流体(低濃度メタノール、水蒸気等)を低濃度メタノール水溶液の生成に再使用することができる。
混合タンク45によって生成される低濃度メタノールの濃度は発電効率の高い濃度(例えば3〜6%)を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ60の検出結果を基に、燃料電池制御部41が燃料供給ポンプ44によって混合タンク45に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク45に環流する水の量を水回収ポンプ56等で制御することによって実現できる。
また、混合タンク45には、混合タンク45内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ61、温度を検出する温度センサ64が備えられており、これらの検出結果は燃料電池制御部41に送られて発電部40の制御などに使用される。
混合タンク45で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ46によって、DMFCスタック42のアノード(燃料極)47に向けて圧送される。送液ポンプ46からのメタノール水溶液は金属イオンフィルタ73によって金属イオンが除去された後に、DMFCスタック42のアノード(燃料極)47に送られる。アノード(燃料極)47では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン(H+)はDMFCスタック42内の固体高分子電解質膜422を透過してカソード(空気極)52に達する。
一方、アノード(燃料極)47で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク45に環流する。この場合、アノード(燃料極)47から排出されるメタノール水溶液は冷却部71によって冷却され、そして金属イオン除去フィルタ74を介して混合タンク45に送られる。二酸化炭素は混合タンク45内で気化し、混合タンクバルブ48を介して、凝縮器53へ向かい、最終的には排気バルブ57を介して、排気口58から外部へ排気される。
他方、空気(酸素)は、吸気口49から取り込まれ、送気ポンプ50で加圧されて、送気バルブ51を介しカソード(空気極)52に注入される。カソード52では、酸素(O2)の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子(e-)と、燃料極47からの水素イオン(H+)と、酸素(O2)とから水(H2O)が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード(空気極)52から排出され、凝縮器53に入る。凝縮器53では、冷却ファン54によって水蒸気が冷却されて水(液体)となり、水回収タンク55内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ56によって混合タンク45へと環流する。この場合、水は金属イオン除去フィルタ75を介して金属イオンが除去された後に、混合タンク45に流入される。
図5には、燃料電池ユニット10内における各コンポーネントの具体的な配置例が示されている。
図5は、燃料電池ユニット本体12の内部構造を上から見た図である。燃料電池ユニット本体12内の一側部には燃料カートリッジ43が配置されており、また燃料電池ユニット本体12内の他側部には混合タンク45が配置されている。燃料電池ユニット本体12内の中央部には、DMFCスタック42が配置されている。DMFCスタック42と燃料カートリッジ43との間には、図示のように、燃料供給ポンプ44、送気ポンプ50、および送気バルブ51などが配置されている。
また、混合タンク45とDMFCスタック42との間には、混合タンク45とDMFCスタック42との間でメタノール水溶液を循環させるための循環流路として、上述の2つの配管101,102が配置されている。配管101内には、送液ポンプ46、金属イオン除去フィルタ73が挿入されている。また、配管102の周囲には、配管102の延在方向に対して垂直に延びた多数の冷却フィン71が取り付けられている。
さらに、混合タンク45とDMFCスタック42との間には、配管104も配置されている。この配管104には、凝縮器53が接続されている。なお、図3で説明したように、混合タンク45の帰還入力部を一つにし、その入力部から延出する配管から2つの配管102,104が分岐して延出するように構成してもよい。
また、配管104の上層側には、配管104と並行して配管105が延在されている。配管104と配管102との間には、上述の2つの冷却ファン54,72を兼ねる1つの冷却ファンが設けられている。この冷却ファンが駆動されたとき、通気孔201,203をそれぞれ介して外気が燃料電池ユニット本体12内に導入される。通気孔201から導入された外気は冷却フィン71の周囲を通りこれを冷却した後、排気口58から外部に排出される。また通気孔203から導入された外気は凝縮器53の周囲を通り凝縮器53内の多数のフィンを冷却した後、排気口58から外部に排出される。
図5は金属イオン除去フィルタの特性図であり、金属イオン除去フィルタに投入される液温に対する金属イオン除去性能の低下の度合いを示している。
図5から分かるように、液温が40℃または50℃である場合には、金属イオン除去フィルタを6ヶ月間使用しても、金属イオン除去性能は10パーセント程度しか低下しない。一方、液温が65℃の場合には、金属イオン除去フィルタを1ヶ月間使用しただけで、金属イオン除去性能は20パーセント程度も低下してしまう。さらに、液温が95℃の場合には、金属イオン除去フィルタを1ヶ月間使用しただけで、金属イオン除去性能は35パーセント程度も低下してしまう。
この図5からも、温度がより低温のときの方がフィルタ性能の低下が抑制されていることがわかる。このことから金属イオン除去フィルタは低温での使用が必要条件である。
本実施形態においては、金属イオン除去フィルタを低温度部位に設置したことから、その性能を長期間にわたり発揮させることができる。また、金属イオン除去フィルタを送液ポンプの後(スタックの直前)に置いたため、ポンプの汚れを捕集する役割も果たせる。よって、金属イオンによる発電効率の低下を抑制することが可能となり、十分な発電効率を得ることができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
10…燃料電池ユニット、11…載置部、12…燃料電池ユニット本体、14…ドッキングコネクタ、40…発電部、41…燃料電池制御部、42…DMFCスタック、43…燃料カートリッジ、44…燃料供給ポンプ、45…混合タンク、46…送液ポンプ、47…アノード(燃料極)、52…カソード(空気極)、53…凝縮器、54…冷却ファン、55…水回収タンク、56…水回収ポンプ、71…冷却フィン、73,74,75…金属イオン除去フィルタ。
Claims (12)
- 燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排出流体を冷却する冷却部と、
燃料と前記冷却された排出流体とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、
前記冷却部から前記混合タンクを介して前記燃料電池に至る流路内に配置された金属イオン除去フィルタとを具備することを特徴とする燃料電池ユニット。 - 前記金属イオン除去フィルタは、前記混合タンクと前記燃料電池との間に配置されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。
- 前記燃料電池は断熱材によって覆われていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池ユニット。
- 前記生成された前記燃料水溶液を前記混合タンクから前記燃料電池に圧送する送液ポンプをさらに具備し、
前記金属イオン除去フィルタは、前記送液ポンプと前記燃料電池との間に配置されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。 - 前記燃料電池は断熱材によって覆われていることを特徴とする請求項4記載の燃料電池ユニット。
- 前記金属イオン除去フィルタは、前記冷却部と前記混合タンクとの間に配置された第1の金属イオン除去フィルタと、前記混合タンクと前記燃料電池との間に配置された第2の金属イオン除去フィルタとを含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。
- 前記排出流体は、前記燃料電池のアノード側から排出される燃料水溶水であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。
- 前記排出流体は、前記燃料電池のカソード側から排出される水蒸気であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。
- 前記冷却部は、前記燃料電池のアノード側から前記排出流体として排出される燃料水溶水を冷却するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。
- 前記冷却部は、前記燃料電池のカソード側から前記排出流体として排出される水蒸気を冷却して前記水蒸気を凝固するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。
- 前記冷却部は、前記燃料電池のアノード側から前記排出流体として排出される燃料水溶水を冷却する第1冷却部と、前記燃料電池のカソード側から前記排出流体として排出される水蒸気を冷却して前記水蒸気を凝固する第2冷却部とを含み、
前記金属イオン除去フィルタは、前記第1冷却部から前記混合タンクに至る流路内に配置された第1金属イオン除去フィルタと、前記第2冷却部から前記混合タンクに至る流路内に配置された第2金属イオン除去フィルタとを含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。 - 前記混合タンクから延出する第1流路からそれぞれ分岐され、前記燃料電池のアノード側および前記燃料電池のカソード側にそれぞれ結合される第2流路および第3流路をさらに具備し、
前記冷却部は、前記第2流路内に配置され、前記燃料電池のアノード側から前記排出流体として排出される燃料水溶水を冷却する第1冷却部と、前記第3流路内に配置され、前記燃料電池のカソード側から前記排出流体として排出される水蒸気を冷却して前記水蒸気を凝固する第2冷却部とを含み、
前記金属イオン除去フィルタは、前記第1流路内に配置されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。
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