JP4802458B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、中空形状の電解質膜を有するセルモジュールを備える燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノードでは（１）式の反応が進行する。

（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは（２）式の反応が進行する。

カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池は水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。

従来、固体高分子電解質型燃料電池としては主に、平面状の固体高分子電解質膜の一面にアノード及び他面にカソードとなる触媒層を設け、得られた平面状の膜・電極接合体の両側にさらにそれぞれガス拡散層を設け、最後に平面状のセパレータで挟みこむことによって作製される平型の単セルを、複数積層することで得られる燃料電池スタックを有するものが開発されてきた。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のために、固体高分子電解質膜としては非常に膜厚の薄いプロトン伝導性高分子膜が用いられている。この膜厚は１００μｍ以下のものが主流であり、さらなる出力密度向上のためにさらに薄い電解質膜を用いたとしても、単セルの厚みを現在のものより劇的に薄くすることはできない。同様に、触媒層、ガス拡散層及びセパレータ等についてもそれぞれ薄膜化が進んでいるが、それらすべての部材の薄膜化によっても、単位体積当たりの出力密度の向上には限界がある。
また、前記セパレータには、通常、耐腐食性に優れたシート状のカーボン材料を用いる。このカーボン材料自体も高価であるが、さらに、平面状の膜・電極接合体の面全体にほぼ均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるために、前記セパレータの面上には、通常、ガス流路となる溝を微細加工するので、その加工によって、セパレータは非常に高価になってしまい、燃料電池の製造原価を押し上げていた。

以上の問題の他にも、平型の単セルには、前記ガス流路から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出さないように積層された複数の単セルの周縁を確実にシールすることが技術的に難しいこと、平面状の膜・電極接合体のたわみや変形に起因して発電効率が低下してしまうことがあることなど、多くの問題がある。

近年、中空状電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けたセルモジュールを基本的な発電単位とする固体高分子電解質型燃料電池が開発されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
通常このような中空形状のセルモジュールを有する燃料電池では、平型で使用されるセパレータに相当する部材は使用する必要がない。そして、その内面と外面とにそれぞれ異なった種類のガスを供給して発電するので、特別にガス流路を形成する必要もない。従って、その製造においては、製造コストの低減が見込まれる。さらに、セルモジュールが３次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。

セルから導通を取る方法としては、平型の単セルからなるスタックでは、単セル同士を積み重ね、比較的強い圧力を印加して押しつける方法が一般的である。そして、その印加される圧力により、前記膜・電極接合体とガス拡散層及びセパレータ間の密着性が向上しし、効果的に導通されている。
一方、中空形状のセルモジュールは、平型の単セルで集電部材の役割を果し、セルとセルを電気的に接続するセパレータを省いて構成されるため、別途、集電部材を必要とする。

特開平９−２２３５０７号公報 特開２００２−１２４２７３号公報 特開２００２−１５８０１５号公報 特開２００２−２６０６８５号公報

平型の単セルを複数積層してなるスタックは、上記のように積層した単セルに比較的強い圧力を印加して押しつけて密封した状態であり、スタック組立後の性能試験や燃料電池の運転中に積層構成部品のいずれかに不具合が生じた場合など、積層構成部品の一部を交換又は修理し、再組立するのに非常に手間がかかる。
本発明は、上記実情を鑑みなされたものであり、部品の交換及び修理を簡単に行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ接触する集電材を有するセルモジュールが２個以上集合したセルカートリッジを外装容器に収容してなる燃料電池であって、
前記セルカートリッジは、前面、背面及びこれらの間に配置された２つの側面を有し、２個以上のセルモジュールと、該セルモジュールを固定する固定部と、２個以上のセルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続された２個以上のセルモジュールの正極を統合する正極出力部及び接続された２個以上のセルモジュールの負極を統合する負極出力部と、を有し、該正極出力部が前記セルカートリッジの一方又は両方の側面に配置され、該負極出力部が前記セルカートリッジの一方又は両方の側面に配置されており、
前記外装容器は、前面、背面及びこれらの間に配置された２つの側面を有し、２個以上のセルカートリッジを該セルカートリッジの前面と背面が互いに対向するように且つ該セルカートリッジの側面が該外装容器の前面及び背面と対向するように収容する収容部と、該外装容器の前面又は背面の一方又は両方に取り付けられ、収容した２個以上のセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部と接触して電気的に接続する所定位置に配置されたカートリッジ接続部と、接続された２個以上のセルカートリッジの正極出力部を統合する正極出力端子及び接続された２個以上のセルカートリッジの負極出力部を統合する負極出力端子と、を有し、
外装容器の収容部内に整列して収容された２個以上のセルカートリッジは、正極出力部及び負極出力部がセルカートリッジ接続部と接触し、該セルカートリッジ接続部を介して、隣接するセルカートリッジの異極の出力部又は同極の出力部と電気的に接続されることを特徴とする。

本発明の燃料電池として、具体的には、上記燃料電池において前記各セルカートリッジは扁平形状を有し、その薄幅側面の所定位置に正極出力部及び負極出力部が設けられており、且つ、２個以上のセルカートリッジがその広幅の前面と背面を互いに向き合わせて外装容器の収容部に整列されているものを例示することができる。
ここで、上記扁平形状を有するセルカートリッジの具体例として、セルカートリッジの一対の広幅な前面と背面のうち少なくとも一方は平板により構成され、前記モジュール接続部はセルカートリッジの一対の薄幅な上面と下面にそれぞれ対をなして配置され、前記固定部は、前記平板と前記一対のモジュール接続部により構成されているものが挙げられる。

さらに、上記扁平形状を有するセルカートリッジの具体例として、一対の広幅な前面と背面、一対の薄幅な側面及び一対の薄幅な上面と下面により規定される扁平な直方体形状を有し、前記モジュール接続部は一対の正極モジュール接続部と負極モジュール接続部からなり、該正極及び負極モジュール接続部はセルカートリッジの上面と下面にそれぞれ配置され且つセルモジュールの端部を挿入可能な２個以上の穴が所定の配列をもって形成されており、前記正極出力部は前記正極モジュール接続部の長手方向両端に接続され、且つ、折り曲げられてセルカートリッジの一対の側面にそれぞれ配置され、前記負極出力部は前記負極モジュール接続部の長手方向両端に接続され、且つ、折り曲げられてセルカートリッジの一対の側面にそれぞれ配置され、各セルモジュールはその両端が上面側及び下面側にそれぞれ配置された正極及び負極モジュール接続部の穴に挿入されて整列され、且つ、正極モジュール接続部にセルモジュールの正極側集電材が接続され、負極モジュール接続部にセルモジュールの負極側集電材が接続されているものが挙げられる。

ここで、上記扁平形状を有するセルカートリッジが、負極モジュール接続部が上面に配置され、該負極モジュール接続部にセルモジュールを挿入するために設けられた穴が貫通孔であり、一端のみ開口するセルモジュールの開口端が負極モジュール接続部の前記貫通孔に挿入され且つセルモジュールの負極側集電材が負極モジュール接続部に接続されてなる第一のセルカートリッジと、正極モジュール接続部が上面に配置され、該正極モジュール接続部にセルモジュールを挿入するために設けられた穴が貫通孔であり、一端のみ開口するセルモジュールの開口端が正極モジュール接続部の前記貫通孔に挿入され且つセルモジュールの正極側集電材が正極モジュール接続部に接続されてなる第二のセルカートリッジからなる場合には、上記第一及び第二セルカートリッジを交互に外装容器の収容部に整列して、直列に接続することができる。この場合、第一及び第二のセルカートリッジのセルモジュールは全て、その開口端をセルカートリッジの上面に向けて配置されており、且つ他端が封鎖されているため、セルモジュールの中空内に燃料又は酸化剤を供給するために設けられる流路を従来よりも単純化することが可能である。

さらに、本発明の燃料電池において、各セルモジュールは中空電解質膜の外面に空気極が設けられており、前記外装容器は、外気が収容部の内部空間に自由に流入可能な開放構造を有し、且つ、前記セルカートリッジは、前記外装容器の開放構造を介して収容部に流入した外気が該セルカートリッジの内部空間に自由に流入可能な開放構造を有する場合には、空気供給装置を設けなくても、外気である空気が当該外装容器及びセルカートリッジの開放構造部分を通って、セルモジュールの外面に自然と供給されるため好ましい。

本発明の燃料電池は、複数のセルモジュールを固定し、電気的に接続し、且つ、接続したセルモジュールの正極及び負極をそれぞれ統合した正極側出力部と負極側出力部を有するセルカートリッジを２個以上備えるものであり、これらのセルカートリッジを、外装容器に収容し、電気的に接続し、接続したセルカートリッジの正極及び負極を統合する正極出力端子及び負極出力端子から電気を取り出す。

本発明の燃料電池は、セルカートリッジを容易に外装容器に収容し、また、容易に外装容器から取り出すことが可能であり、且つセルカートリッジの収容、取り出しの際にセルカートリッジ同士を容易に接続、又は接続解除することができる。従って、外装容器に収容されたセルカートリッジの一部に不具合が生じた場合でも、この不具合が生じたセルカートリッジのみを容易に取り出し、修理又は交換して、再び外装容器に容易に組み込むことができる。また、外装容器に不具合が生じた場合でも、外装容器を交換、修理すれば、セルカートリッジはそのまま使用することができる。このように本発明の燃料電池は、組立、分解に手間がかからず、維持管理性に優れるものである。
さらに、中空電解質膜の外面側に空気極を設けたセルモジュールを用い、且つ、外気が自由に流入可能な開放構造を有する外装容器及びセルカートリッジを用いた場合には、空気を供給するための空気供給源を特に設けなくても、外気である空気を開放構造から自然と取り込み、セルモジュール外面に供給することが可能である。従って、空気供給装置、及びこれを設置するためのスペースが不要となり、低コストで、コンパクトな燃料電池を構築することができる。

本発明の燃料電池は、中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ接触する集電材を有するセルモジュールが２個以上集合したセルカートリッジを外装容器に収容してなる燃料電池であって、前記セルカートリッジは、２個以上のセルモジュールと、該セルモジュールを固定する固定部と、セルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続されたセルモジュールの正極及び負極をそれぞれ統合する正極出力部及び負極出力部を有し、前記外装容器は、２個以上のセルカートリッジを収容する収容部と、収容したセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部を電気的に接続するカートリッジ接続部と、接続されたセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部をそれぞれ統合する正極出力端子及び負極出力端子を有し、２個以上のセルカートリッジが前記外装容器の収容部に収容されていることを特徴とするものである。

以下、図面１〜１３を参照して本発明の燃料電池の一実施形態について説明する。なお、下記の実施形態においては、燃料として水素ガス、酸化剤として空気（酸素）を用いた固体高分子型燃料電池を中心に説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

（セルモジュール）
図１は、本実施形態の燃料電池に用いられるチューブ状セルモジュールの断面図である。セルモジュール６は、チューブ状の固体高分子電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）１、固体高分子電解質膜１の内面側に設けられたアノード（本実施形態では燃料極）２及び外面側に設けられたカソード（本実施形態では空気極）３を有し、アノード２の表面に負極側（アノード側）集電材４であるスプリングワイヤ、カソード３の表面に正極側（カソード側）集電材５であるスプリングワイヤが配置されている。通常は、チューブ状セルモジュールの一端に負極側集電材４の取り出しが配置され、他端に正極側集電材５の取り出しが配置される。このような構造を有するセルモジュールの中空内に水素ガス、外面に空気を接触させることで、アノード及びカソード（空気極）に燃料又は酸化剤が供給され、発電する。

セルモジュールは、中空電解質膜の内面側に反応ガスを十分に供給できるものであるならば、中空部（チューブ）の一端を封鎖し、もう一端を開口した状態としてもよい。特に、本実施形態においては、水素分子の拡散性が高く且つ非反応性成分をほとんど含まない水素ガスを燃料ガスとしてセルモジュールの中空内に供給し、消費しきることが可能であるため、一端を封鎖した中空部内であっても反応ガスを十分に供給することができる。このとき、セルモジュールの開口端に正極側又は負極側のいずれの集電材取り出し部が配置されていてよく、セルカートリッジの形態、セルカートリッジ間の接続、外装容器の形態等を考慮して決めればよい。セルモジュールの一端を封鎖する方法としては、樹脂等を中空の一端に注入する方法が例示できるが、特に限定されるものではない。

本実施形態においては、図６〜図８に示すように一端のみ開口し且つ開口端側に負極側集電材取り出し部（この場合はセルモジュールの中空内から取り出される）が配置された第一のセルモジュール６Ａのみ備えたセルカートリッジ１３Ａと、図９〜図１１に示すように一端のみ開口し且つ開口端側に正極側集電材取り出し部（この場合はセルモジュールの外面から取り出される）が配置された第二のセルモジュール６Ｂのみ備えたセルカートリッジ１３Ｂを組み合わせて用いる。

チューブ状の固体高分子電解質膜１の内径及び外径、長さ等は特に限定されるものではないが、チューブ状電解質膜の外径は０．０１〜１０ｍｍであることが好ましく、０．１〜１ｍｍであることがさらに好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることが特に好ましい。チューブ状電解質膜の外径が０．０１ｍｍ未満のものは現時点では、技術的な問題で製造することが難しく、一方、その外径が１０ｍｍを超えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られるセルモジュールの単位体積当たりの出力が充分に得られないおそれがある。
パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大してしまう。しかしながら、従来の平型の燃料電池用単セルを積層した燃料電池と比べると、中空形状を有するセルモジュールを多数集めることにより作製された燃料電池では電極面積が大きくとれるので、やや厚みのある膜を用いた場合でも、充分な出力が得られる。かかる観点から、パーフルオロカーボンスルホン酸膜の厚みは、１０〜１００μｍであり、より好ましくは５０〜６０μｍであり、さらに好ましくは５０〜５５μｍである。
また、上記の外径と膜厚との好ましい範囲から、内径の好ましい範囲は０．０１〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．１〜１ｍｍであり、さらに好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。

図１において、本発明のセルモジュールはチューブ状の電解質膜を有するものであるが、本発明における中空電解質膜はチューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部に燃料や酸化剤を流入させることで、中空内部に設けられた電極に電気化学反応に必要な反応成分を供給することができるものであればよい。

本発明の燃料電池は、中空形状を有するセルモジュールを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、固体高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜ほど高いプロトン伝導性を有していない電解質膜を用いても、単位体積当たりの出力密度の高い燃料電池を得ることができる。固体高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸の他、固体高分子型燃料電池の電解質膜に用いられているような材料を使用することができ、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸以外のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜などのポリオレフィンのような炭化水素を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及び、リン酸基等のプロトン交換基のうちから一種を有するもの、特表平１１−５０３２６２号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質が挙げられる。このような電解質を用いた固体高分子電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。

また、本実施形態では電解質膜として、プロトン伝導膜の一種である固体高分子電解質膜の一つであるパーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いて説明しているが、本発明の燃料電池において用いられる電解質膜は特に限定されるものではなく、プロトン伝導性のものであっても、水酸化物イオンや酸化物イオン（Ｏ^2-）等その他のイオン伝導性のものであってもよい。プロトン伝導性の電解質膜としては、上記したような固体高分子電解質膜に限られず、リン酸水溶液を多孔質の電解質板に含浸させたものや、多孔質性ガラスからなるプロトン伝導体、ハイドロゲル化したリン酸塩ガラス、ナノ細孔を有する多孔質硝子の表面及び細孔内にプロトン伝導性官能基を導入した有機−無機ハイブリットプロトン伝導膜、無機金属繊維強化電解質ポリマー等を用いることができる。水酸化物イオンや酸化物イオン（Ｏ^2-）等その他のイオン伝導性を有する電解質としてはセラミックスを含むもの等が挙げられる。

電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）の内面及び外面に設けられる各電極は、固体高分子型燃料電池に用いられているような電極材料を用いて形成することができる。通常は、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成された電極が用いられる。触媒層は触媒粒を含み、触媒粒の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質を含んでいてもよく、プロトン伝導性物質としては上記電解質膜の材料として用いられるものを用いることができる。触媒粒としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。本発明の燃料電池は、中空形状を有するセルモジュールを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、白金ほど触媒作用が大きくない触媒成分を用いても、単位体積当たりの出力密度が高い燃料電池を得ることができる。触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Ｐｔ、及びＰｔと例えばＲｕなど他の金属とからなる合金である。ガス拡散層としては、炭素質粒子及び／又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする導電性材料を用いることができる。炭素質粒子及び炭素質繊維の大きさは、ガス拡散層を製造する際の溶液中における分散性や得られるガス拡散層の排水性等を考慮して適宜最適なものを選択すればよい。電解質膜の内面及び外面に設けられる各電極の構成、電極に用いられる材料等は、同じであってもよく、また、異なっていてもよい。ガス拡散層は、生成水など水分の排水性を高める点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。

チューブ状の電解質膜の内面及び外面に一対の電極を設けたセルモジュールの製造方法としては、特に限定されるものではない。例えば、まず、チューブ状の電解質膜を準備し、当該電解質膜の内面及び外面に、電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成し、当該二つの触媒層上に炭素質粒子及び／又は炭素質繊維を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法が挙げられる。このとき、電解質膜の内面側に形成したガス拡散層の内面に中空部が存在するように触媒層とガス拡散層を形成する。
或いは、まず、炭素質粒子及び／又は炭素質繊維等の炭素材料を含み、チューブ状に形成されたもの（チューブ状炭素質）を第１の電極（アノード）のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成して第１の電極を作製し、次に、当該触媒層の外面に電解質を含む溶液を塗布・乾燥して電解質膜層、さらに当該電解質膜層の外面に第２の電極（カソード）の触媒層を形成し、当該触媒層の外面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法も挙げられる。

チューブ状の電解質膜を形成する方法は特に限定されず、市販品のチューブ状に形成された電解質膜を用いることもできる。また、チューブ状炭素質としては、例えば、炭素質粒子等の炭素材料とエポキシ及び／又はフェノール系樹脂を溶媒に分散させてチューブ状に成形し、熱硬化後、焼成することにより得られる。
尚、電解質膜、触媒層、ガス拡散層を形成する際に使用する溶媒は、分散及び／又は溶解する材料に応じて適宜選択すればよく、また、各層を形成する際の塗布方法についても、スプレー法、刷毛塗り法等種々の方法にから適宜選択することができる。
本発明の燃料電池に用いられる中空形状を有するセルモジュールは、上記にて例示した構成に限られず、セルモジュールの機能を高めることを目的として触媒層及びガス拡散層以外の層を設けても良い。また、本実施形態においては、中空電解質膜の内側にアノード、外側にカソードを設けているが、内側にカソード、外側にアノードを設けても良い。

負極側集電材４及び正極側集電材５は、例えば金属製のワイヤをスプリング状に巻くことで製造できる。使用する金属としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｍ、Ｉｎ等の中から選ばれる少なくとも１種以上の金属、又はステンレス鋼などのそれらの合金が好ましい。また、その表面がＡｕ、Ｐｔ、導電性樹脂等によりコーティングされていても良い。特に耐蝕性に優れることから、中でもステンレスやチタンが好ましい。ワイヤの太さやスプリングの巻き数は特に制限されるものではない。

負極側集電材４を製造する時に、そのスプリングの外径を、前記チューブ状の固体高分子電解質膜１の内径よりも、わずかに大きくしておくことが好ましい。わずかに大きい負極側集電材４を固体高分子電解質膜１の中空内に入れることで、圧力がわずかに印加された状態でアノードと接触することになるので、負極側集電材４とアノードとの電気的な接続状態が良好になる。
また、正極側集電材５を製造する時に、そのスプリングの内径を、前記チューブ状の固体高分子電解湿膜１の外径よりも、わずかに小さくしておくことが好ましい。わずかに小さい正極側集電材５を固体高分子電解質膜１の外側に取り付けることで、圧力がわずかに印加された状態でカソードと接触することになるので、正極側集電材５とカソードとの電気的な接続状態が良好になる。

本実施形態では、このようにスプリングワイヤ状の集電材４、５を使用しているが、形状はスプリングワイヤ状に限られず、電気伝導性材料からなるものであればその形状は任意である。従って、線状でも、筒形状でもよく、例えば、直線状の金属ワイヤや金属箔、金属シート又はカーボンシート等のシート材料からなるものなどが適用できる。これら集電材は、必要に応じて、カーボン系接着剤やＡｇペーストなどの導電性接着材により電極上に固定される。

（セルカートリッジ）
本発明の燃料電池は、上記のようなセルモジュールを２個以上と、該セルモジュールを固定する固定部と、セルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続されたセルモジュールの正極及び負極をそれぞれ統合する正極出力部及び負極出力部を有するセルカートリッジを２個以上備えるものである。
このセルカートリッジは、セルカートリッジ内のセルモジュールを破損させずに、且つセルカートリッジ内の各セルモジュールの電気的接続状態を保持した状態で、外装容器から取り出し、外装容器内に組み込むことが可能である。

セルカートリッジの具体的な構成、形状等は特に限定されるものではなく、例えば、扁平形状を有し、その薄幅側面の所定位置に正極出力部及び負極出力部が設けられており、広幅の前面と背面を隣接するセルカートリッジの背面又は前面と向き合わせて整列できるようなものを例示することができる。ここで扁平形状とは、直方体に限定されず、後述する外装容器内に整列して収容できるようなものであればよい。なお、本発明は、扁平形状以外の形状、例えば立方体等の形状を有するセルカートリッジの使用を排除するものではない。

以下、図２〜図１１を用いて本発明のセルカートリッジについて詳しく説明する。
図２は、図１に示すセルモジュールを備えたセルカートリッジの概略を示す斜視図である。図３は、図２に示すセルカートリッジ１３を一対の広幅な前面又は背面側から見た図であり、図４は、セルカートリッジ１３を一対の薄幅な側面側から見た図であり、図５は、図３におけるＡＡ断面を上面側から見た図である。

本実施形態においては、セルカートリッジ１３として、図６〜図８に示すように一端のみ開口するセルモジュールの開口端側に負極側集電材取り出し部（この場合はセルモジュールの中空内から取り出される）が配置された第一のセルモジュール６Ａのみ備えたセルカートリッジ１３Ａと、図９〜図１１に示すように一端のみ開口するセルモジュールの開口端側に正極側集電材取り出し部（この場合はセルモジュールの外面から取り出される）が配置された第二のセルモジュール６Ｂのみ備えたセルカートリッジ１３Ｂを組み合わせて用いる。セルモジュール６Ａ及び６Ｂは、開口する一端（開口端）が負極側集電材取り出し部が配置された側であるか、又は正極側集電材取り出し部が配置された側である、という点が異なるだけであって、その他の構成については同じである。従って、ここではセルモジュールとしてセルモジュール６Ａを用いた第一のセルカートリッジ１３Ａを中心に説明する。

セルカートリッジ１３Ａは、平板９及び１０により構成された一対の広幅な前面と背面、並びに、負極モジュール接続部７及び正極モジュール接続部８により構成された一対の薄幅な上面と下面を有し、扁平な直方体形状を成している。複数のチューブ状セルモジュール６Ａは平板９、１０並びに負極モジュール接続部７及び正極モジュール接続部８によって固定され、且つ、その負極側集電材４は負極モジュール接続部７に、一方、正極側集電材５は正極モジュール接続部８により電気的に接続されている。セルカートリッジ１３の一対の薄幅な側面には、それぞれ、負極モジュール接続部７の長手方向両端に接続された負極出力部１１、正極モジュール接続部８の長手方向両端に接続された正極出力部１２が設けられている。セルカートリッジ１３Ａは、この一対の薄幅な側面に設けられた負極出力部１１下端及び正極出力部１２上端間が開口しており、セルカートリッジの内部空間に外気が自由に流入できる開放構造を有している。

負極モジュール接続部７及び正極モジュール接続部８には、セルモジュール６Ａの端部を挿入することが可能な穴（貫通孔）７ａ及び８ａがそれぞれ所定の配列をもって形成されており、セルモジュール６Ａは、その両端を貫通孔７ａ及び８ａに挿入して固定、整列され、さらに平板９及び１０によってチューブ形状の長手方向における形状を保持するよう固定されている。セルモジュール６Ａの端部を挿入可能な穴とは、通常、貫通孔であるが、セルモジュールの封鎖した一端を挿入する場合には、貫通していない凹部のような穴であってもよい。

本実施例においては、セルカートリッジ１３Ａの一対の広幅な前面と背面を２枚の平板で構成しているが、セルモジュールを保護し、固定することができれば、平板は一枚でもよい。固定部である平板は、セルモジュールを保護、固定し、隣接するセルカートリッジ同士を絶縁することが可能な材料で形成されている。このような材料としては、ポリカーボネートやエポキシガラス、ナイロン、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）等の絶縁材料を用いることができる。また、本実施形態ではモジュール接続部７、８が平板９、１０と一体となってセルモジュールの固定部をも兼ねているが、モジュール接続部とは別に上記平板以外の固定部を設けてもよい。

図６は、セルカートリッジ１３Ａの拡大縦断面図であって、セルモジュール６Ａの中空内をも示すものであり、図７及び図８は、図６の領域Ｘ及び領域Ｙの拡大図である。これらの図に基づいて、負極モジュール接続部７と負極側集電材４の電気的接続、及び、正極モジュール接続部８と正極側集電材５の電気的接続について説明する。

図７に示すように、セルモジュール６Ａは、負極側集電材４の取り出し部分４ａが配置された開放端（上端）が負極モジュール接続部７の貫通孔７ａに挿入され、中空内部から延びる負極側集電材４の取り出し部分４ａが、負極モジュール接続部７の電気伝導性材料からなる導電層７ｂに電気的に接続されている。本実施例では、負極側集電材４及びアノード２と正極側集電材５及びカソード３との接触によるショートを防止するため、負極モジュール接続部７のセルモジュール側に絶縁層７ｃを設けているが、セルカートリッジの設計によっては設けなくてもよい。負極モジュール接続部７の貫通孔７ａに挿入されたセルモジュール６Ａの開口端は、貫通孔７ａを通して中空電解質膜の中空内へ水素ガスを供給可能な状態で、負極モジュール接続部７に挿入、接続されている。

一方、正極側集電材５の取り出し部分５ａが配置された閉鎖端（下端）は、図８のように、正極モジュール接続部８の貫通孔８ａに挿入され、セルモジュール外面から延びる正極側集電材５の取り出し部分５ａが、電気伝導性材料からなる正極モジュール接続部８に電気的に接続されている。図８に示す正極モジュール接続部８においては、負極側と正極側は絶縁状態となっているため、絶縁層を設けていないが、必要に応じて正極モジュール接続部８に絶縁層を設けてもよい。なお、正極モジュール接続部８の貫通孔８ａに挿入されたセルモジュール６Ａの一端は、樹脂により予め封鎖されている。

負極モジュール接続部７の導電層７ｂ及び正極モジュール接続部８を形成する電気伝導性材料は特に限定されず、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｍ、Ｉｎ等の中から選ばれる少なくとも１種以上の金属、又はステンレス鋼などのそれらの合金等を用いることができる。また、負極モジュール接合部７に設けられた絶縁層７ｃの材料としては、ポリカーボネート、エポキシガラス、ナイロン、ＰＥＳ等の絶縁材料を用いることができる。導電層と集電材との具体的な接続方法は、一般的な方法を適宜選択して用いればよく、例えば、半田付けやかしめ等の方法が挙げられる。

セルカートリッジ１３Ａに接続されている全セルモジュール６Ａは、上記のようにしてその負極側集電材４が負極モジュール接続部７、正極側集電材５が正極モジュール接続部８に接続された並列接続となっている。しかしながら、一つのセルカートリッジ内におけるセルモジュール間の接続形態は、このように全セルモジュールを並列接続した形態に限られず、全セルモジュールを直列接続してもよく、或いは、セルモジュール６Ａと６Ｂとを用いて並列接続と直列接続を併用した形態でもよい。

各セルモジュールの負極側集電材４が接続する負極モジュール接続部７は負極出力部１１、各セルモジュールの正極側集電材５が接続する正極モジュール接続部８は正極出力部１２に接続しており、これによって各セルモジュールの負極及び正極が統合され、負極出力部１１及び正極出力部１２からセルカートリッジの電力が出力されることとなる。図６に示すセルカートリッジにおいては、負極モジュール接続部７の長手方向両端を延長して折り曲げ成形し、該折り曲げ先端部を負極出力部１１とし、正極モジュール接続部８の長手方向両端を同様に加工して正極出力部１２としている。

図９〜図１１に示すように、第二のセルモジュール６Ｂを用いた第二のセルカートリッジ１３Ｂは、第一のセルカートリッジ１３Ａにおいて、セルモジュール６Ａをセルモジュール６Ｂとし、正極モジュール接続部８が上面、負極モジュール接続部７が下面に配置されるようにした以外は同じ構成である。ここで、図１０及び図１１は、図９における領域Ｘ’及び領域Ｙ’の拡大図である。

（外装容器）
本発明の燃料電池は、セルカートリッジを２個以上収容する収容部と、収容したセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部を電気的に接続するカートリッジ接続部と、接続されたセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部をそれぞれ統合する正極出力端子及び負極出力端子を有する外装容器に、上記のような２個以上のセルカートリッジが収容されていることを特徴とするものである。
以下、図１２を用いて外装容器について説明する。図１２は、セルカートリッジ１３（１３Ａ及び１３Ｂ）を収容することができる外装容器２１である。外装容器２１は、２個以上のセルカートリッジ１３がその広幅の前面と背面を、隣接するカートリッジの背面又は前面と向き合わせて整列して収容することが可能な収容部１４を有している。

収容部１４は、カートリッジ接続部１５が備えられた前後一対の壁板１６及び１７と、底部１８、側壁１９により規定されており、上記のようにして整列して収容されるセルカートリッジ１３郡を取り囲むような筐体である。収容部１４に収容されるセルカートリッジ１３は個々に収容部への出し入れが可能となっている。収容部１４は２個以上のセルモジュールを収容できれば、図１２に示すような筐体に限らず、フレーム構造を有するものであってもよいし、セルカートリッジ１３を積載できるトレーのようなものでもよい。本実施形態では、壁板１６及び１７はその外周を取り囲む枠以外は、網目状の開放構造を有しており、外装容器内には外気が自由に流入できる。
本実施形態においては、第一のセルカートリッジ１３Ａは図６に示すように上面付近に負極出力部１１、下面付近に正極出力部１２が位置した状態、第二のセルカートリッジ１３Ｂは図９に示すように上面付近に正極出力部１２、下面付近に負極出力部１１が位置した状態で、交互に整列して外装容器の収容部に収容され、直列に接続される。このとき、双方のセルカートリッジが有するセルモジュールの開口端は、共に上面側を向いて開口した状態となっている。

カートリッジ接続部１５は、収容されるセルカートリッジ１３の一対の側面の上面側及び下面側にそれぞれ設けられた、負極出力部１１及び正極出力部１２の位置に合わせて、壁板１６及び１７の内面側の所定位置に規則的に間隔を空けて配置されており、セルカートリッジ１３を収容部の所定位置に収容すると、負極出力部１１と正極出力部１２がカートリッジ接続部１５と自然に接触し、接続されるようになっている。
ここでカートリッジ接続部によるセルカートリッジ出力部の電気的接続について、図１３を用いて詳しく説明する。図１３は、図１２の外装容器２１に、第一のセルカートリッジ１３Ａと第二のセルカートリッジ１３Ｂを交互に整列して収容した際の、カートリッジ接続部１５とセルカートリッジ１３Ａ及び１３Ｂとの配列状態を示すものであり、壁板１６を外装容器内から見た図である。図１３では、セルカートリッジ１３Ａ及び１３Ｂを点線で表示した。また、便宜上、図１３には、正極出力端子２２を一点鎖線で表示しているが、正極出力端子２２は壁板１７の外面に設けられているものである。なお、壁板１７には、壁板１６と向かい合わせた時に、対称となる位置にカートリッジ接続部が設けられており、壁板１６に設けられたカートリッジ接続部と対をなしている。

まず、図１３において外装容器２１の右端に収容されるセルカートリッジ（１３Ａ−１）は、その負極出力部１１が、壁板１６の外面に設けられた負極出力端子２３と接続したカートリッジ接続部（１５−１）に、正極出力端子１２がカートリッジ接続部（１５−２）に接続する。次に、セルカートリッジ（１３Ａ−１）に隣接して収容されるセルカートリッジ（１３Ｂ−１）は、その負極出力部１１がカートリッジ接続部（１５−２）に、正極出力部１２がカートリッジ接続部（１５−３）に接続する。さらに、セルカートリッジ（１３Ｂ−１）に隣接して収容されるセルカートリッジ（１３Ａ−２）は、その負極出力部１１がカートリッジ接続部（１５−３）に、正極出力部１２がカートリッジ接続部（１５−４）に接続する。このように、外装容器２１に収容されるセルカートリッジ１３Ａと１３Ｂは交互に整列した状態で、カートリッジ接続部１５においてその負極出力部１１又は正極出力部１２が、隣り合うセルカートリッジの異極の出力部と接続され、次々と直列接続される。

図１３における外装容器２１の左端に収容されるセルカートリッジ（１３Ｂ−ｎ）は、その負極出力部１２がカートリッジ接続部（１５−２ｎ）に、その正極出力部１２が壁板１７の外面側に設けられた正極出力端子２２と接続するカートリッジ接続部（１５−２ｎ＋１）に接続される。ｎ個のセルカートリッジ１３Ａとｎ個のセルカートリッジ１３Ｂを直列接続したこの燃料電池の電力は、外装容器外面に設けられた正極出力端子２２及び上記負極出力端子２３から出力されることとなる。カートリッジ接続部、負極出力端子及び正極出力端子には、上記モジュール接続部の導電層の材料と同様の材料を用いることができる。

ここではセルカートリッジの直列接続について説明したが、外装容器内におけるセルカートリッジの接続方法は直列接続に限られず、例えば、セルカートリッジ１３Ａのみ又は１３Ｂのみを用いて並列接続することもできるし、並列接続したセルカートリッジ１３Ａ群と並列接続したセルカートリッジ１３Ｂ群とを直列接続することもできる。カートリッジ接続部の形態は図１２に示すものに限られず、接続するセルカートリッジの出力部の形状、セルカートリッジの接続方法等に応じて適宜設計すればよい。

以上のように、複数のセルモジュールが接続されたセルカートリッジを、外装容器に２個以上収容し、電気的に接続してなる本発明の燃料電池は、セルカートリッジに接続されたセルモジュールの中空内（アノード、本実施形態では燃料極）及び外面（カソード、本実施形態では空気極）に水素及び空気（酸素）を供給することにより、電気化学反応を起こし、発電することが可能となる。本実施形態では、セルモジュールの中空内に水素ガス、外面に空気を供給する。

図示されていないが、外装容器の蓋２０には水素ガス入口部２０ａから天板部２０ｂの内部を通り、天板部下面に開口する水素ガス流路が形成されている。水素ガスは、この流路を通り、各セルカートリッジの上面に配置された負極モジュール接続部７又は正極モジュール接続部８に至り、当該モジュール接続部の貫通孔に挿入されたセルモジュールの開口端に流入し、中空内に供給される。水素ガス供給源から、各セルカートリッジのモジュール接続部の貫通孔を通り、セルモジュール中空内へと連通する水素ガスの流路は、水素ガスの漏洩を防止するために気密性が保持されており、例えば、蓋２０の天板部２０ｂの下面に設けられた開口部と、各セルカートリッジの上面に設けられたモジュール接続部との接続箇所は、Ｏリング等により気密状態となっている。本実施形態においては、セルモジュールの開口端を上面側に配置し、上面側からセルモジュール内に水素ガスを供給しているが、開口端を下面側に配置し、下面側から水素ガスを供給してもよい。

一方、空気は、外装容器の開放構造（壁板１６、１７の網目構造）を通って外装容器内へと流入し、さらに、各セルカートリッジの開放構造（正極出力部１２、負極出力部１１間の開口部）を通ってセルカートリッジ内へ流入し、セルモジュールの外面に供給されることとなる。本実施形態では、外装容器及びセルカートリッジ共に外気が自由に流入可能な開放構造を有しているため、空気を供給するための空気供給源を特に設けなくても、外気である空気を開放構造から自然と取り込み、セルモジュール外面に設けられた空気極に供給することが可能である。従って、空気供給装置、及びこれを設置するためのスペースが不要となり、低コストで、コンパクトな燃料電池を構築することができる。本発明の燃料電池において、外装容器及びセルカートリッジは上記のように開放構造を有していなくてもよく、例えば、開放構造を持たない外装容器と開放構造を有するセルカートリッジを組み合わせたり、共に開放構造をもたない外装容器及びセルカートリッジを用いることもできる。ただし、これらの場合には、空気供給源を設置して、該空気供給源からセルモジュール外面へと連通する流路を設ける。

以上説明したように、複数のセルモジュールの集電材を接続、統合した本発明のセルカートリッジは、セルモジュールを破損させずに、且つ、各セルモジュールの電気的接続を保持した状態で外装容器に収容又は外装容器から取り出すことが可能な構造を有し、さらに、複数のセルモジュールの電力を統合し、容易に取り出すことが可能な構造を有している。一方、本発明の外装容器は、収容部の所定の位置に上記セルカートリッジを収容するだけで、複数のセルカートリッジ同士を電気的に接続することができる構造を有している。すなわち、本発明の燃料電池は、セルカートリッジを容易に外装容器に収容し、また、容易に外装容器から取り出すことが可能であり、且つセルカートリッジの収容、取り出しの際にセルカートリッジ同士を容易に接続、又は接続解除することができる。従って、外装容器に収容された複数のセルカートリッジのうち、一部のセルカートリッジに不具合が生じた場合でも、該不具合が生じたセルカートリッジのみを容易に取り出すことができる。そして、取り出したセルカートリッジは修理又は交換して、再び外装容器に容易に組み込むことができる。また、外装容器に不具合が生じた場合でも、外装容器を交換、修理すれば、セルカートリッジはそのまま使用することができる。このように本発明の燃料電池は、組立、分解に手間がかからず、維持管理性に優れるものである。

チューブ状セルモジュールの断面図ある。 本発明のセルカートリッジの一形態例を示す概略図である。 図２に示すセルカートリッジの前面（背面）図である。 図２に示すセルカートリッジの側面図である。 図３におけるセルカートリッジのＡＡ断面図である。 本発明のセルカートリッジの一形態例を示す拡大断面図である。 図６における領域Ｘの拡大図である。 図６における領域Ｙの拡大図である。 本発明のセルカートリッジの一形態例を示す拡大断面図である。 図９における領域Ｘ’の拡大図である。 図１０における領域Ｙ’の拡大図である。 本発明の外装容器の一形態例を示す図である。 セルカートリッジの電気的接続を説明する概略図である。

符号の説明

１…中空電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）
２…アノード
３…カソード
４…負極側集電材
５…正極側集電材
６，６Ａ，６Ｂ…セルモジュール
７…負極モジュール接続部
８…正極モジュール接続部
９，１０…平板
１１…負極出力部
１２…正極出力部
１３，１３Ａ，１３Ｂ…セルカートリッジ
１４…収容部
１５…カートリッジ接続部
１６，１７…壁板
１８…底部
１９…側壁
２０…蓋
２１…外装容器
２２…正極出力端子
２３…負極出力端子

Claims (6)

1. 中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ接触する集電材を有するセルモジュールが２個以上集合したセルカートリッジを外装容器に収容してなる燃料電池であって、
   前記セルカートリッジは、前面、背面及びこれらの間に配置された２つの側面を有し、２個以上のセルモジュールと、該セルモジュールを固定する固定部と、２個以上のセルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続された２個以上のセルモジュールの正極を統合する正極出力部及び接続された２個以上のセルモジュールの負極を統合する負極出力部と、を有し、該正極出力部が前記セルカートリッジの一方又は両方の側面に配置され、該負極出力部が前記セルカートリッジの一方又は両方の側面に配置されており、
   前記外装容器は、前面、背面及びこれらの間に配置された２つの側面を有し、２個以上のセルカートリッジを該セルカートリッジの前面と背面が互いに対向するように且つ該セルカートリッジの側面が該外装容器の前面及び背面と対向するように収容する収容部と、該外装容器の前面又は背面の一方又は両方に取り付けられ、収容した２個以上のセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部と接触して電気的に接続する所定位置に配置されたカートリッジ接続部と、接続された２個以上のセルカートリッジの正極出力部を統合する正極出力端子及び接続された２個以上のセルカートリッジの負極出力部を統合する負極出力端子と、を有し、
   外装容器の収容部内に整列して収容された２個以上のセルカートリッジは、正極出力部及び負極出力部がセルカートリッジ接続部と接触し、該セルカートリッジ接続部を介して、隣接するセルカートリッジの異極の出力部又は同極の出力部と電気的に接続されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記各セルカートリッジは扁平形状を有し、その薄幅側面の所定位置に正極出力部及び負極出力部が設けられており、且つ、２個以上のセルカートリッジがその広幅の前面と背面を互いに向き合わせて外装容器の収容部に整列されている請求項１に記載の燃料電池。
3. 扁平形状を有するセルカートリッジの一対の広幅な前面と背面のうち少なくとも一方は平板により構成され、前記モジュール接続部はセルカートリッジの一対の薄幅な上面と下面にそれぞれ対をなして配置され、
   前記固定部は、前記平板と前記一対のモジュール接続部により構成されている請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記セルカートリッジは一対の広幅な前面と背面、一対の薄幅な側面及び一対の薄幅な上面と下面により規定される扁平な直方体形状を有し、
   前記モジュール接続部は一対の正極モジュール接続部と負極モジュール接続部からなり、該正極及び負極モジュール接続部はセルカートリッジの上面と下面にそれぞれ配置され且つセルモジュールの端部を挿入可能な２個以上の穴が所定の配列をもって形成されており、
   前記正極出力部は前記正極モジュール接続部の長手方向に接続され、且つ、折り曲げられてセルカートリッジの一対の側面にそれぞれ配置され、
   前記負極出力部は前記負極モジュール接続部の長手方向に接続され、且つ、折り曲げられてセルカートリッジの一対の側面にそれぞれ配置され、
   各セルモジュールはその両端が上面側及び下面側にそれぞれ配置された正極及び負極モジュール接続部の穴に挿入されて整列され、且つ、正極モジュール接続部にセルモジュールの正極側集電材が接続され、負極モジュール接続部にセルモジュールの負極側集電材が接続されている請求項２又は３に記載の燃料電池。
5. 前記セルカートリッジは、負極モジュール接続部が上面に配置され、該負極モジュール接続部にセルモジュールを挿入するために設けられた穴が貫通孔であり、一端のみ開口するセルモジュールの開口端が負極モジュール接続部の前記貫通孔に挿入され且つセルモジュールの負極側集電材が負極モジュール接続部に接続されてなる第一のセルカートリッジと、正極モジュール接続部が上面に配置され、該正極モジュール接続部にセルモジュールを挿入するために設けられた穴が貫通孔であり、一端のみ開口するセルモジュールの開口端が正極モジュール接続部の前記貫通孔に挿入され且つセルモジュールの正極側集電材が正極モジュール接続部に接続されてなる第二のセルカートリッジからなり、上記第一及び第二セルカートリッジが交互に外装容器の収容部に整列されており、直列に接続されている請求項４に記載の燃料電池。
6. 各セルモジュールは中空電解質膜の外面に空気極が設けられており、前記外装容器は、外気が収容部の内部空間に自由に流入可能な開放構造を有し、且つ、前記セルカートリッジは、前記外装容器の開放構造を介して収容部に流入した外気が該セルカートリッジの内部空間に自由に流入可能な開放構造を有する請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池。

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