JP2010129249A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、両面に電極を備えた電解質膜を、冷却媒体通路を備えた一対のセパレータで挟持するとともに、電解質膜及び各セパレータの外周部相互間にシール材を設けた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte membrane provided with electrodes on both sides is sandwiched between a pair of separators provided with cooling medium passages, and a sealing material is provided between the electrolyte membrane and the outer periphery of each separator.
燃料電池の一般的な構造としては、電解質膜の両面に一対の電極を配置し、これらを一対のセパレータで挟持して単電池を構成し、この際、各セパレータと対向する各電極との間に反応ガス流路を形成するとともに、該反応ガス流路を形成した反応領域に対応する位置のセパレータの背面に冷却水通路を形成している。 As a general structure of a fuel cell, a pair of electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane, and these are sandwiched between a pair of separators to form a unit cell. At this time, between each electrode facing each separator, In addition, a reaction gas flow path is formed, and a cooling water passage is formed on the back surface of the separator at a position corresponding to the reaction region where the reaction gas flow path is formed.
そして、外周縁部側において、一対のセパレータと電解質膜との間には反応ガスなどの流体の漏れを防ぐためのシール材を介在させている(例えば下記特許文献1参照)。
ところで、上記した従来の燃料電池では、発電時に反応領域で発生した水蒸気が、シール材と電解質膜との接合界面から外部に流出したり、あるいはシール材を透過して外部に流出する恐れがあり、外部に流出した水蒸気は結露水となって一対のセパレータ相互間の電気的短絡を引き起こす要因となっている。 By the way, in the conventional fuel cell described above, water vapor generated in the reaction region during power generation may flow out from the joint interface between the sealing material and the electrolyte membrane, or may flow out through the sealing material. The water vapor flowing out to the outside becomes condensed water and causes an electrical short circuit between the pair of separators.
そこで、本発明は、燃料電池内で発生した水蒸気の外部への流出を抑えることを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to suppress the outflow of water vapor generated in the fuel cell to the outside.
本発明は、両面に電極を備えた電解質膜を、冷却媒体通路を備えた一対のセパレータで挟持するとともに、電解質膜及び各セパレータの外周部相互間にシール材を設け、冷却媒体通路の一部を、電極を設けた部位の反応領域よりもシール材側に位置させ、該一部の冷却媒体通路を流れる冷却水によって反応領域で発生した水蒸気を結露させることを特徴とする。 According to the present invention, an electrolyte membrane having electrodes on both sides is sandwiched between a pair of separators having a cooling medium passage, and a sealing material is provided between the outer periphery of the electrolyte membrane and each separator, and a part of the cooling medium passage Is located closer to the sealing material than the reaction region of the portion where the electrode is provided, and the water vapor generated in the reaction region is condensed by the cooling water flowing through the part of the cooling medium passage.
本発明によれば、反応領域よりも外側のシール材側に位置する冷却媒体通路の一部を流れる冷却水により、反応領域で発生した水蒸気を冷却して結露水を発生させるようにしている。このため、発生した結露水は、水蒸気に比較して、シール材と電解質膜との接合界面から外部に流出しにくく、またシール材を透過しにくく、したがって、結露水の外部への流出を抑えることができ、一対のセパレータ相互間の電気的短絡を抑えることができる。 According to the present invention, the water generated in the reaction region is cooled by the cooling water flowing through a part of the cooling medium passage located on the sealing material side outside the reaction region to generate dew condensation water. For this reason, the generated dew condensation water is less likely to flow out from the joint interface between the sealing material and the electrolyte membrane than the water vapor, and is less likely to permeate the sealing material, thus preventing the dew condensation water from flowing out. It is possible to suppress an electrical short circuit between the pair of separators.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる燃料電池の断面図である。この燃料電池は、イオン交換膜からななる固体高分子電解質膜(以下、単に電解質膜と呼ぶ)1の一方の面に燃料極となるアノードガス拡散電極3を設け、他方の面に酸化剤極(空気極)となるカソードガス拡散電極5を設けている。これらアノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5は、いずれも電解質膜1側に触媒層を備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell according to the first embodiment of the present invention. In this fuel cell, an anode
そして、これら電解質膜1及び各電極3,5を両側から一対のセパレータ7,9で挟持して単電池11を構成する。なお、上記したアノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5を設けた部位が反応領域(発電領域)となる。
The
セパレータ7のアノードガス拡散電極3側の面にはアノードガスである水素ガスが流れるアノードガス通路13を複数設けてあり、セパレータ9のカソードガス拡散電極5側の面にはカソードガスである酸化剤ガス(空気)が流れるカソードガス通路15を複数設けてある。これらアノード,カソード各ガス通路13,15は、図1中で紙面に直交する方向に延びている。
A plurality of
また、電解質膜1と一対のセパレータ7,9は、外周縁部を各電極3,5の外周縁部よりも外側に突出させてあり、これらの突出部相互間に、シール材17,19を介在させている。このとき、シール材17,19と各電極3,5の外周端部との間には環状の空間21,23が形成される。
Further, the
また、アノード側のセパレータ7と、該セパレータ7に隣接する単電池のカソード側のセパレータ9Aとの間には冷却水通路25を形成し、カソード側のセパレータ9と、該セパレータ9に隣接する他の単電池のアノード側のセパレータ7Aとの間には冷却水通路27を形成している。これら各冷却水通路25,27は、冷却水としての冷却媒体が流れる冷却媒体通路を構成している。
Further, a
冷却水通路25は、上記したアノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5を設けた反応領域よりも外側のシール材17側に対応する位置に、冷却媒体通路の一部となる外側冷却水通路25aを備えている。同様にして、冷却水通路27も、上記した反応領域よりも外側のシール材19側に対応する位置に、冷却媒体通路の一部となる外側冷却水通路27aを備えている。すなわち、これら各外側冷却水通路25a,27aは、前記した環状の空間21,23に対応する位置にある。
The
図2は、図1のセパレータ7の平面図であり、図1は、この図2のA―A断面に相当する単電池を含む断面図である。セパレータ7,9及びセパレータ7A,9Aは、すべて同形状であるので、図2に示すセパレータ7を用いて説明する。セパレータ7は、図2中で下部側の端部の左右両側に冷却水の供給部である入口マニホールド孔29を一対設け、上部側の端部の左右方向中央部に冷却水の排出部である出口マニホールド孔31を一対設けている。
FIG. 2 is a plan view of the
一対の入口マニホールド孔29相互間には、カソードガスの入口マニホールド孔35とアノードガスの入口マニホールド孔37とを設け、一対の出口マニホールド孔31の左右方向両側には、カソードガスの出口マニホールド孔39とアノードガスの出口マニホールド孔41とを設けている。
A cathode gas
これら図2中で下部側の各マニホールド孔29,35,37を設けた部位と、上部側の各マニホールド孔31,39,41を設けた部位との間に、前記図1に示した冷却水通路25を構成する凹部43を形成している。すなわち、セパレータ7とセパレータ9Aとを、凹部43が形成された側同士を対向させて重ね合わせることで、冷却水通路25が形成され、セパレータ9とセパレータ7Aとを、凹部43が形成された側同士を対向させて重ね合わせることで、冷却水通路27が形成される。
In FIG. 2, the cooling water shown in FIG. 1 is provided between the portion where the
凹部43は、セパレータ7の図2中で左右方向両側の縁部45に沿って延設した、前記外側冷却水通路25a(27a)に対応する外側通路部43aと、この外側通路部43aに一端(上流側の端部)が連通して出口マニホールド孔31側に向けて傾斜する傾斜通路部43bとを備えている。
The
これら左右一対の傾斜通路部43bは、入口マニホールド孔29側から出口マニホールド孔31側に向けて、外側通路部43aと平行に延びる中央通路部43cに他端(下流側の端部)が連通している。この中央通路部43cと傾斜通路部43bは、冷却水通路25の前記反応領域に対応する位置に設けた内側冷却水通路25b(27b)に対応している。また、上記中央通路部43cは、図1における左右方向中央に位置する合流部としての合流冷却水通路25c(27c)に対応している。
The pair of right and left
内側冷却水通路25b(27b)は、合流冷却水通路25c(27c)を含んでおり、冷却媒体通路の他の部位を構成している。すなわち、外側冷却水通路25a(27a)が冷却媒体通路の一部を構成し、内側冷却水通路25b(27b)が冷却媒体通路の他の部位を構成していることになる。
The inner
なお、上記した図2に示してある傾斜通路部43bは、互いに平行となるよう複数形成している傾斜凸部47相互間に形成されることになる。この傾斜凸部47は、最も入口マニホールド孔29側に位置する一つを除き図2のように平面視で長方形状としているが、最も入口マニホールド孔29側に位置する一つの傾斜凸部47a(左右で二つ)については、外側通路部43a側が幅広で中央通路部43cに向かうに従って先細となる三角形状とし、幅広側の角部を入口マニホールド孔29に近接させている。
Note that the
図3は、図1のセパレータ9上のカソードガス拡散電極5でのカソードガスの流れを示している。入口マニホールド孔35から流出したカソードガスは、図1に示してあるカソードガス通路15を流れつつカソードガス拡散電極5で拡散し、発電に供しながら余剰のガスが出口マニホールド孔39から排出される。
FIG. 3 shows the flow of the cathode gas at the cathode
セパレータ7上のアノードガス拡散電極3でのアノードガスの流れについても、特に図示しないが、前記図2のアノードガスの入口マニホールド孔37から図2中で紙面裏側に向けて流出するアノードガスが、図1に示してあるアノードガス通路13を流れつつアノードガス拡散電極3で拡散し、発電に供しながら余剰のガスが出口マニホールド孔41から排出される。
The anode gas flow at the anode
このような燃料電池においては、図1に示すように、発電時に反応領域で発生した水蒸気49が、アノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5を透過して環状の空間21,23に流出する。一方、この燃料電池の発電時には、冷却水が図2の矢印で示すように、入口マニホールド孔29から出口マニホールド孔31に向けて図1の冷却水通路25,27を流れて本燃料電池を冷却する。
In such a fuel cell, as shown in FIG. 1,
このとき本実施形態では、上記環状の空間21,23内に流出した水蒸気49が、外側冷却水通路25a,27aに対応する外側通路部43aを流れる冷却水によって冷却され、結露水51となる。この外側冷却水通路25a,27a(外側通路部43a)は、反応領域よりも外側のシール材17,19側の空間21,23に対応する位置にあるので、空間21,23内の水蒸気49を効率よく冷却して結露水51を速やかに発生させることになる。
At this time, in this embodiment, the
なお、水蒸気49をさらに効率よく冷却して結露水51を速やかに発生させるには、空間21,23の体積をできる限り小さくしたほうがよい。
In addition, in order to cool the
この発生した液体である結露水は、水蒸気に比較して、シール材17,19と電解質膜1との接合界面から外部に流出しにくく、またシール材17,19を透過しにくいので、結露水(水蒸気)の外部への流出を抑えることができる。この結果、一対のセパレータ7,9相互間の電気的短絡を抑えることができ、信頼性のある燃料電池とすることができる。
The generated condensed water, which is a liquid, is less likely to flow out from the joint interface between the
その際、本実施形態では、一対のセパレータ7,9相互間の電気的短絡を抑えるために、燃料電池外側に絶縁体を設ける必要がないので、その分部品点数の増加を抑えることができるとともに、組み付け作業の煩雑化も抑えることができる。
In this case, in this embodiment, since it is not necessary to provide an insulator outside the fuel cell in order to suppress an electrical short circuit between the pair of
さらに、本実施形態では、一対のセパレータ7,9相互間の電気的短絡を抑えるために、外部に流出した場合の水蒸気もしくは結露水を大気中に放出するシステムを採用していないので、水素ガスの大気中への流出を抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, in order to suppress an electrical short circuit between the pair of
また、図2に示すように、外側通路部43aを流れる冷却水の一部は、複数の傾斜通路部43bを順次流れてから中央通路部43cで合流した後、外側通路部43aを流れる冷却水とともに、出口マニホールド孔31に達する。このとき最上流側の一つの傾斜凸部47aは、外側通路部43a側を幅広とすることで、入口マニホールド孔29から流出した冷却水がそのまま直接中央通路部43cへ流出するのを制限している。これにより、入口マニホールド孔29から外側通路部43aへ流れる冷却水の量を確保している。
In addition, as shown in FIG. 2, a part of the cooling water flowing through the
このように、実施形態では、外側通路部43aから、下流端が出口マニホールド孔31側となるよう傾斜している傾斜通路部43bを流れることで、冷却水の流れがスムーズになり、冷却効果向上に寄与することができる。
As described above, in the embodiment, the flow of the cooling water is made smooth by flowing from the
また、傾斜通路部43bを流れた冷却水は、中央通路部43cで合流した後、該中央冷却水通路部43cの下流側端部に設けてある出口マニホールド孔31に直接流出するので、冷却水の排出効率を高めることができる。
Further, the cooling water that has flowed through the
図4は、上記した冷却水の流れる領域を電解質膜1上で二点鎖線53の内側として示しており、この二点鎖線53の内側には、上記したアノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5に対応する反応領域55及び、前記したセパレータ7の入口,出口マニホールド孔29,31に対応する冷却水入口,出口マニホールド孔57,59を含んでいる。
FIG. 4 shows the region in which the cooling water flows as an inner side of the two-
なお、図4中の符号61,63は、図3のカソードガスの入口マニホールド孔35,アノードガスの入口マニホールド孔37にそれぞれ対応するカソードガスの入口マニホールド孔,アノードガスの入口マニホールド孔であり、符号65,67は、図3のカソードガスの出口マニホールド孔39,アノードガスの出口マニホールド孔41にそれぞれ対応するカソードガスの出口マニホールド孔,アノードガスの出口マニホールド孔である。
4 are cathode gas inlet manifold holes and anode gas inlet manifold holes 37 corresponding to the cathode gas
図5(a)は、本発明の第2の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。第2の実施形態では、図1に示した第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付してある。第2の実施形態の燃料電池は、電解質膜1の両面にアノードガス拡散電極3とカソードガス拡散電極5とをそれぞれ設けた点は前記図1に示した第1の実施形態と同様である。
FIG. 5A is a cross-sectional view showing a part of a fuel cell according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment shown in FIG. The fuel cell according to the second embodiment is the same as the first embodiment shown in FIG. 1 in that the anode
第2の実施形態では、セパレータ7,9をステンレス製としており、第1の実施形態の導電性樹脂製と異なっている。ステンレス製のセパレータ7,9は凹凸状に屈曲成形することで、第1の実施形態と同様に、セパレータ7と、該セパレータ7に隣接する単電池のセパレータ9Aとの間に冷却水通路25を形成し、セパレータ9と、該セパレータ9に隣接する他の単電池のセパレータ7Aとの間に冷却水通路27を形成している。
In the second embodiment, the
そして、本実施形態にあっても、外側冷却水通路25a,27aは、上記したアノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5を設けた反応領域よりも外側のシール材17,19側の空間21,23に対応する位置にある。
Even in this embodiment, the outer
また、シール材17,19は、板状の支持部材としてのキャリアシール69,71を介して電解質膜1上に配置している。このうち、本実施形態では、カソードガス拡散電極5側のキャリアシール71の外周縁部を、図5(b)に拡大して示すように、シール材19よりも外側に突出させ、かつ電解質膜1の外周縁部より外側に突出させて突出部位71aを設け、この突出部位71a上に、シール材19と連続部73を介して一体となる外側シールリップ75を設けている。
Moreover, the sealing
この外側シールリップ75は、隣接する単電池のキャリアシール71の突出部位71aと、電解質膜1及びキャリアシール69の外周縁部付近に弾性的に接触し、これにより外側シール部を構成している。したがって、この外側シール部の内側に位置するシール材17,19は内側シール部を構成することになり、これら内側シール部と外側シール部とで二重シール構造を構成することになる。
The
以上より、第2の実施形態では、第1の実施形態と同様に、環状の空間21,23内に流出した水蒸気が、外側冷却水通路25a,27aを流れる冷却水により冷却されて結露水となるので、該結露水(水蒸気)の外部への流出を抑えることができ、一対のセパレータ7,9相互間の電気的短絡を抑えることができる。
As described above, in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the water vapor flowing into the
この際、第2の実施形態では、セパレータ7,9を薄板のステンレス製としているので、冷却水による冷却効果が、第1の実施形態における樹脂製のセパレータ7,9に比較して高く、水蒸気をより速やかに結露水にすることができる。
At this time, since the
また、第2の実施形態では、内側シール部と外側シール部とで二重構造としているので、結露水の外部への流出をより確実に抑えることができる。ここで、外側シール部の外側シールリップ75は、内側シール部のシール材19と連続部73を介して一体としているので、部品点数の増加を抑えることができる。
Moreover, in 2nd Embodiment, since it is set as the double structure by the inner side seal part and the outer side seal part, the outflow to the exterior of dew condensation water can be suppressed more reliably. Here, since the
なお、二重シール構造ではない第1の実施形態におけるセパレータ7,9を薄板のステンレス製としてもよく、また、第1の実施形態のシール構造を第2の実施形態のように二重シール構造としても構わない。
The
図6(a)は、本発明の第3の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。なお、第3の実施形態では、図5に示した第2の実施形態と同一部分には、同一符号を付してある。この燃料電池は、前記図5に示した第2の実施形態の燃料電池に対し、カソードガス拡散電極5側の一方のキャリアシール71における突出部位71aに、他方のキャリアシール69側に隣接する単電池に向けて延出する延出部71bを一体的に設けている。
FIG. 6A is a cross-sectional view showing a part of a fuel cell according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the same parts as those in the second embodiment shown in FIG. This fuel cell is different from the fuel cell of the second embodiment shown in FIG. 5 in that a single portion adjacent to the protruding
上記した延出部71bの先端の中心部には凹部71c設け、この凹部71cに、隣接する単電池の外側シールリップ75の先端75aを入り込ませた状態で、外側シールリップ75を弾性的に圧縮させつつキャリアシール71に接触させている。そして、外側シールリップ75による面圧は、延出部71bを設けることによって外側シールリップ75の圧縮変形が大きくなるので、内側シール部におけるシール材17,19での面圧より高くなっている。
A
また、電解質膜1,セパレータ7及び他方のキャリアシール69のそれぞれの外周側の端縁部を揃えた状態で、これらの各端縁部を延出部71bの内側面71eに当接させている。
In addition, in a state where the outer peripheral edge portions of the
以上のように構成した第3の実施形態による燃料電池では、第2の実施形態と同様の効果を奏するほかに、キャリアシール71に延出部71bを設けることで、外側シールリップ75の圧縮代が大きくなり、その結果外側シールリップ75の面圧が内側シール部よりも高くなって、より一層結露水の外部への流出を抑えることができる。
In the fuel cell according to the third embodiment configured as described above, in addition to the same effects as those of the second embodiment, the
また、第3の実施形態では、キャリアシール71の延出部71bの内側面71eに、セパレータ7の外周側の端縁部を当接させている。これにより、図6(b)に示す、電解質膜1,アノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5,キャリアシール69,71,シール材17,19及び外側シールリップ75からなる積層単一部品と、セパレータ7,9とを積層する際の両者間の位置出しが容易となり、燃料電池の組立作業性向上に寄与することができる。
In the third embodiment, the outer peripheral edge of the
なお、セパレータ7,9は、あらかじめ互いに接合して一体化してあるものとする。
The
さらに、第3の実施形態では、キャリアシール71の延出部71bの先端に凹部71cを設け、この凹部71cに外側シールリップ75の先端75aを入り込ませて接触させている。これにより、複数の単電池を積層して燃料電池スタックを構成する際に、互いに隣接する単電池相互の位置合わせが容易かつ高精度に行え、燃料電池の組立作業性向上に寄与することができる。
Furthermore, in the third embodiment, a
図7は、本発明の第4の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。なお、第4の実施形態では、図6に示した第3の実施形態と同一部分には、同一符号を付してある。この燃料電池は、電解質膜1と上下両キャリアシール69,71の各外周側縁部を、セパレータ7,9の外周側縁部よりも外側に突出させている。さらに、この突出した突出部69f,71fから、互いに離反する方向に延出する延出部69g,71gを設けている。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of a fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, the same parts as those in the third embodiment shown in FIG. In this fuel cell, the outer peripheral side edges of the
一方、上下のシール材17,19は、それぞれ連続部77,73を介してシール材17,19と一体となる外側シールリップ79,81を設けている。これら外側シールリップ79,81は、キャリアシール69,71の突出部69f,71f及び延出部69g,71gを覆うとともに、電解質膜1の外周側の端部を覆うようにして互いに一体化している。
On the other hand, the upper and
この際、外側シールリップ79の先端には凹部79aを、外側シールリップ81の先端には凸部81aをそれぞれ設け、これら凹部79aと凸部81aとを互いに隣接する単電池同士で嵌合させる。また、このとき、セパレータ7の外周側端部を外側シールリップ79の内側面79bに当接させ、セパレータ9の外周側端部を外側シールリップ81の内側面81bに当接させせる。
At this time, the
以上のように構成した第4の実施形態の燃料電池では、第2の実施形態と同様の効果を奏するほかに、外側シールリップ79,81の内側面79b,81bに、セパレータ7,9の外周側の端部を当接させている。これにより、図7(b)に示す、電解質膜1,アノードガス拡散電極3及びカソードガス拡散電極5,キャリアシール69,71,シール材17,19及び外側シールリップ79,81からなる積層単一部品と、互いに一体化してあるセパレータ7,9とを積層する際の両者間の位置出しが容易となり、燃料電池の組立作業性向上に寄与することができる。
In the fuel cell of the fourth embodiment configured as described above, in addition to the same effects as those of the second embodiment, the outer surfaces of the
さらに、第4の実施形態では、外側シールリップ79の先端に凹部79aを設け、この凹部79aに、隣接する単電池における外側シールリップ81の凸部81aを入り込ませて接触させている。これにより、複数の単電池を積層して燃料電池スタックを構成する際に、互いに隣接する単電池相互の位置合わせが容易かつ高精度に行え、燃料電池の組立作業性向上に寄与することができる。
Furthermore, in 4th Embodiment, the recessed
また、第4の実施形態では、上下のシール材17,19を連続部77,73及び外側シールリップ79,81によって一体化している。これにより図6に示した第3の実施形態に対し部品点数の削減を達成することができ、部品管理がより容易となる。
In the fourth embodiment, the upper and
1 電解質膜
3 アノードガス拡散電極(電極)
5 カソードガス拡散電極(電極)
7,9 セパレータ
17,19 シール材
25,27 冷却水通路(冷却媒体通路)
25a,27a 外側冷却水通路(冷却媒体通路の一部)
25b,27b 内側冷却水通路(冷却媒体通路の他の部位)
25c,27c 合流冷却水通路(合流部)
29 冷却水の入口マニホールド孔(冷却媒体の供給部)
31 冷却水の出口マニホールド孔(冷却媒体の排出部)
49 水蒸気
51 結露水
55 反応領域
69,71 キャリアシール(支持部材)
71a キャリアシールの突出部位
71b キャリアシールの延出部
71c 延出部の先端に設けた凹部
71e 延出部の内側面
75,79,81 外側シールリップ
75a 外側シールリップの先端
1
5 Cathode gas diffusion electrode (electrode)
7, 9
25a, 27a Outer cooling water passage (part of cooling medium passage)
25b, 27b Inner cooling water passage (other parts of cooling medium passage)
25c, 27c Merged coolant passage (Merge)
29 Cooling water inlet manifold hole (cooling medium supply part)
31 Cooling water outlet manifold hole (cooling medium outlet)
49
71a
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