KR101995639B1 - Microfluidic fuel cell and method for improving the performance of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서, 상기 마이크로 채널 내부에, 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공하고, 또한 본 발명은 연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내부로 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 삽입하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 기존의 마이크로 채널을 포함하는 다양한 형태의 마이크로 유체 연료전지에 채널 내부를 구획하는 구조물을 포함시킴에 따라 마이크로 유체 연료전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.It is an object of the present invention to provide a microfluidic fuel cell with improved performance and a method for improving performance of a microfluidic fuel cell. To this end, the present invention provides a microfluidic fuel cell including a microchannel through which a fuel and an oxidant flow, wherein the microchannel extends in the longitudinal direction of the channel and divides an inner space of the microchannel into a plurality of divided spaces The present invention also provides a microfluidic fuel cell comprising a microchannel in which a fuel and an oxidant flow, the microchannel extending in a longitudinal direction of the channel into a microchannel of the microfluidic fuel cell, Is inserted into a plurality of divided spaces in the microfluidic device. According to the present invention, various types of microfluidic fuel cells including conventional microchannels include a structure for partitioning the inside of a channel, thereby improving the performance of a microfluidic fuel cell.

Description

마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법{MICROFLUIDIC FUEL CELL AND METHOD FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a microfluidic fuel cell and a microfluidic fuel cell,

본 발명은 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a method for improving the performance of a microfluidic fuel cell and a microfluidic fuel cell.

최근 세계적으로 화석에너지의 고갈문제와 환경문제 등이 중국, 인도, 한국 등의 신흥소비대국의 등장과 중동지역, 남아메리카에서의 자원민족주의의 대두로 더욱 심화되고 있다. 그리고 2008년 3월에 원유가가 100달러를 넘어서면서 사상 초유의 고유가 시대가 도래하였다. 한정된 화석에너지 고갈에 대한 불안이 고조되고 있는 가운데, 2020년 세계 에너지 총 소비량은 15,064백만TOE로 2002년 대비 45% 가량 증가할 것으로 전망되기에, 친환경적이면서 충분한 부존자원이 확보된 신에너지 산업에 관심이 집중되고 있다.Recently, the problem of depletion of fossil energy and environmental problems have become more and more intensified with the emergence of emerging consumption countries such as China, India and Korea, and the rise of resource nationalism in the Middle East and South America. And as the crude oil price surpassed $ 100 in March 2008, the era of high oil prices has arrived. With anxiety about limited fossil energy depletion rising, global energy consumption in 2020 is projected to increase by 45% from 2002 to 15,064 million TOE. Therefore, it is interesting to see the new energy industry, which is eco- .

연료전지(Fuel Cell)란 연료의 산화에 의해서 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 전지를 말한다. 1839년에 영국의 물리학자 Grove, William Robert가 묽은 황산 속에 넣은 아연과 진한 질산 속에 넣은 백금을 양극으로 하는 전지인 Grove 전지를 개발하였는데 이것이 현재의 연료전지의 시초가 되었다. 신에너지로서 기대되는 연료전지는 1960년대에 우주선에 상용화된 이후 자동차, 가정 난방 및 전력공급, 전자기기 등에도 상용화가 진행되었다. 이후 1990년대 환경오염 문제가 나타나면서 환경오염에 대한 부담을 줄일 수 있는 연구와 가솔린 엔진의 2배에 가까운 에너지 효율을 얻을 수 있는 에너지, 자동차용 전원이나 고정동력 장비의 보조전력 등을 중심으로 연구개발이 이루어지고 있다. 미국과 일본을 필두로 유럽 뿐만 아니라 해외 자원에 대한 의존도가 높은 우리나라에서도 많은 연구가 진행되고 있다.Fuel cell is a cell that directly converts energy generated by oxidation of fuel into electric energy. In 1839, British physicists Grove and William Robert developed a Grove cell, an anode made of zinc in dilute sulfuric acid and a platinum anode in dense nitric acid, which became the beginning of the current fuel cell. Fuel cells, which are expected to be a new energy source, were commercialized in spacecraft in the 1960s and commercialized in automobiles, home heating and power supplies, and electronic devices. In the 1990s, research on reducing environmental burden due to environmental pollution problems, energy that can achieve energy efficiency nearly twice that of gasoline engines, and auxiliary power for automotive power supplies and fixed power equipment Development is underway. Much research is under way in Korea, which is dependent not only on Europe but also on overseas resources, starting with the United States and Japan.

연료전지는 교환막을 필수요소로 한다. 반응 온도가 높을수록 화학반응 효율이 증대되지만 교환막이 건조되면서 양성자 교환성이 낮아지게 되고 효율 또한 낮아지게 된다. 따라서 교환막을 수화상태로 유지해야 하는 구조적인 단점이 있다. 또한 교환막을 통해 연료가 역류하는 연료 역류현상(fuel crossover)도 큰 단점으로 지적되고 있다. 양성자 교환막은 매우 고가이며 연료전지 제작 시 공정이 복잡해진다.Fuel cells require exchange membranes. The higher the reaction temperature, the higher the chemical reaction efficiency but the lower the efficiency of the proton exchange as the exchange membrane is dried. Therefore, there is a structural disadvantage that the exchange membrane must be kept hydrated. In addition, fuel crossover, in which the fuel flows back through the exchange membrane, is also pointed out as a major disadvantage. The proton exchange membrane is very expensive and the process becomes complicated when manufacturing the fuel cell.

마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 미세유로에서 흐르는 유체들은 층류를 형성하여 잘 섞이지 않는다는 성질을 이용한다. 즉, 연료와 산화제 유체들을 각각 미세유로 내로 흐르게 하여 연료와 산화제의 액액계면(liquid-liquid interface)을 형성시키고, 이것이 양성자 교환막의 역할을 대신하게 한다. 따라서 교환막의 젖음유지(membrane humidification), 연료 역류현상(fuel crossover), 교환막의 파손 및 막힘 현상 등의 양성자 교환막 연료전지에서의 문제점들을 쉽게 해결할 수 있다. 또한 고가의 교환막을 사용하지 않기 때문에 공정을 단순화 시킬 수 있으며 제작비용을 낮출 수 있다. 다만, 액액 경계면에서 확산에 따른 혼합에 의하여 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.Microfluidic fuel cells utilize the property that fluids flowing in microchannels form laminar flow and do not mix well. That is, fuel and oxidant fluids flow respectively into the microchannel to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant, which replaces the role of the proton exchange membrane. Therefore, problems in proton exchange membrane fuel cells such as membrane humidification, fuel crossover, exchange membrane breakage, and clogging can be easily solved. In addition, since no expensive exchange membrane is used, the process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. However, there is a problem that the performance of the fuel cell is deteriorated due to mixing due to diffusion at the liquid interface.

따라서, 신 에너지형태의 휴대용 전자기기 전력공급 장치의 개발을 위해 마이크로유체 연료전지에 관한 연구가 필요하며 중요하다. 특히, 양성자 교환막을 사용하지 않으면서도 연료전지의 성능을 향상시키는 기술에 관하여 다양한 연구가 진행 중에 있다.Therefore, research on microfluidic fuel cells is necessary and important for the development of portable electronic devices power supplies of new energy type. Particularly, various studies are being conducted on a technique for improving the performance of a fuel cell without using a proton exchange membrane.

마이크로유체 연료전지에 관한 구체적인 연구 중 대한민국 공개특허 제10-2009-015711호는 연료전지의 채널 형태를 특정 형태로 한정함에 따라 연료와 산화제 유동시 낮은 레이놀즈 수를 가지고 유동할 수 있도록 하여, 결과적으로 연료전지의 효율을 향상시키는 기술을 개시하고 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2009-015711 discloses a microfluidic fuel cell in which a channel shape of a fuel cell is limited to a specific shape so that it can flow with a low Reynolds number when a fuel and an oxidant flow, Discloses a technique for improving the efficiency of a fuel cell.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2012-0088240호는 요철이 구비된 전극을 포함하는 방법으로 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0088240 shows that the performance of a fuel cell can be improved by a method including an electrode provided with irregularities.

나아가, 대한민국 공개특허 제10-2016-0007718호는 전극간의 이격 거리 등의 형상 구조를 변화시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 점을 개시하고 있다.Further, Korean Patent Laid-Open No. 10-2016-0007718 discloses that the performance of the fuel cell can be improved by changing the shape structure such as the distance between the electrodes.

그러나, 여전히 마이크로 유체 연료전지의 성능은 개선될 필요가 있고, 특히 그 구조를 현저하게 변경하지 않는 방법으로 마이크로 유체 연료전지 성능을 향상시키는 것이 필요하다.However, the performance of the microfluidic fuel cell still needs to be improved, and in particular, it is necessary to improve the performance of the microfluidic fuel cell in a manner that does not significantly change its structure.

이에 본 발명의 발명자들은 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 유동하는 과정에서 발생하는 연료 소모 영역과 연료 확산 영역을 억제하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 연구하여 본 발명을 도출하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention have made a study of a method for improving the performance of a fuel cell by suppressing a fuel consumption region and a fuel diffusion region generated in a process of flowing a fuel and an oxidant in a microchannel.

본 발명의 목적은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a microfluidic fuel cell with improved performance and a method for improving performance of a microfluidic fuel cell.

이를 위하여 본 발명은 To this end,

연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서, 상기 마이크로 채널 내부에, 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공하고,The microfluidic fuel cell includes a microchannel through which a fuel and an oxidant flow, wherein the microchannel extends in a longitudinal direction of the channel and divides an internal space of the microchannel into a plurality of divided spaces A microfluidic fuel cell,

또한 본 발명은 연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내부로 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 삽입하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공한다.Further, the present invention is characterized by inserting a structure that extends in the longitudinal direction of a channel into a microchannel of a microfluidic fuel cell including a microchannel through which a fuel and an oxidant flow, dividing an inner space of the microchannel into a plurality of divided spaces The microfluidic fuel cell comprising:

본 발명에 따르면, 기존의 마이크로 채널을 포함하는 다양한 형태의 마이크로 유체 연료전지에 채널 내부를 구획하는 구조물을 포함시킴에 따라 마이크로 유체 연료전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.According to the present invention, various types of microfluidic fuel cells including conventional microchannels include a structure for partitioning the inside of a channel, thereby improving the performance of a microfluidic fuel cell.

도 1은 공지 Y-형태의 마이크로 유체 연료전지를 보여주는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 구조물을 포함하는 마이크로 유체 연료전지의 연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면도이고,
도 3은 본 발명의 구체예에 따른 마이크로 유체 연료전지의 성능을 보여주는 그래프이고, 및
도 4는 본 발명의 구체예에 따른 마이크로 유체 연료전지의 연료와 산화제의 농도 구배를 보여주는 그래프이다.
1 is a schematic view showing a known Y-shaped microfluidic fuel cell,
2 is a cross-sectional view perpendicular to the flow direction of a fuel and an oxidant in a microfluidic fuel cell including a structure according to an embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a graph showing the performance of a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG.
4 is a graph showing the concentration gradient of fuel and oxidant in a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 특허 명세서 전체에서 '혼합 영역' 또는 'mixing region'과 '연료 확산 영역' 또는 'fuel diffusion region'은 동일한 의미로 사용된다.In the entire specification of the present patent application, 'mixed region' or 'mixing region' and 'fuel diffusion region' or 'fuel diffusion region' are used in the same sense.

본 발명은 성능이 향상된 마이크로 유체 연료전지 및 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에 관한 발명이다. 이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.The present invention relates to a microfluidic fuel cell with improved performance and a method for improving the performance of a microfluidic fuel cell. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 The present invention

연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서,A microfluidic fuel cell comprising a microchannel through which a fuel and an oxidant flow,

상기 마이크로 채널 내부에, 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지를 제공한다.And a structure that extends in the longitudinal direction of the channel and divides an inner space of the microchannel into a plurality of divided spaces in the microchannel.

이하 본 발명을 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with respect to each constitution.

본 발명은 연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 관한 발명으로, 이때 연료전지내로 주입되는 연료와 산화제는 공지의 마이크로 유체 연료전지와 같이 주입될 수 있다. 예를 들어 Y-형태의 주입구를 통하여 한쪽에서는 연료가 다른 한쪽에서는 산화제가 마이크로 채널 내로 주입될 수 있다.The invention relates to a microfluidic fuel cell comprising a microchannel through which a fuel and an oxidant flow, wherein the fuel and the oxidant injected into the fuel cell can be injected together with a known microfluidic fuel cell. For example, an oxidant may be injected into the microchannel through the Y-shaped injection port on one side of the fuel and on the other side.

도 1은 기존 일반적인 마이크로 유체 연료전지의 개략도이다. 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 기존의 일반적인 마이크로 유체 연료전지는 연료와 산화제가 연료전지의 마이크로 채널 일 말단으로 Y-형태로 주입되는 구조를 이루고 있다. 본 발명에서 연료와 산화제는 예를 들어 도 1과 같은 주입부를 통하여 마이크로 채널로 주입된 후 층류를 형성하며 마이크로 채널 내를 유동하여 배출구를 통하여 배출될 수 있다. 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 층류를 형성하며 유동하여 액액 경계면을 형성되어, 이것이 양성자 교환막의 역할을 대신하기 때문에 별도의 교환막이 불필요하게 된다.1 is a schematic view of a conventional microfluidic fuel cell. As can be seen from FIG. 1, the conventional general microfluidic fuel cell has a structure in which the fuel and the oxidant are injected into the Y-shaped end of the microchannel of the fuel cell. In the present invention, the fuel and the oxidant may be injected into the microchannel through the injection unit, for example, as shown in FIG. 1, and then formed into a laminar flow and may flow through the microchannel and be discharged through the exhaust port. In the microfluidic fuel cell according to the present invention, the fuel and the oxidant flow laminarly in the microchannel to form the liquid interface, which replaces the proton exchange membrane, eliminating the need for a separate exchange membrane.

이때 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 상기 마이크로 채널 내부에, 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 상기와 같은 구조물을 포함함에 따라 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제하여, 결과적으로 연료전지의 성능을 향상시킨다.At this time, the microfluidic fuel cell according to the present invention includes a structure that extends in the longitudinal direction of the channel in the microchannel, and divides an internal space of the microchannel into a plurality of divided spaces. The microfluidic fuel cell according to the present invention includes the structure as described above, thereby suppressing the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region, thereby improving the performance of the fuel cell.

본 발명에 따른 상기 구조물은 마이크로 채널 내부에서 연료와 산화제가 접하는 면을 가로지르도록 형성되는 것이 바람직하다. 마이크로 채널 내로 주입된 연료와 산화제는 상기 채널의 길이방향으로 액-액 경계면을 형성하면 층류를 형성하면서 유동한다. 본 발명에 따른 상기 구조물은 상기 채널의 길이 방향으로 형성되는 연료와 산화제의 액-액 경계면을 가로지르도록 형성되는 것이 바람직하다.The structure according to the present invention is preferably formed so as to cross a surface in contact with the fuel and the oxidant within the microchannel. The fuel and the oxidant injected into the microchannel flow while forming a laminar flow if they form a liquid-liquid interface in the longitudinal direction of the channel. The structure according to the present invention is preferably formed to cross the liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant formed in the longitudinal direction of the channel.

본 발명에 다른 마이크로 유체 연료전지에 포함되는 상기의 구조물은 복수개인 것이 바람직하다. 복수의 구조물이 포함되는 경우 추가적으로 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제할 수 있어, 연료전지의 성능을 더욱 개선할 수 있는 장점이 있다.It is preferable that a plurality of the above structures included in the microfluidic fuel cell according to the present invention are plural. Further, when a plurality of structures are included, development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region can be further suppressed, thereby further improving the performance of the fuel cell.

상기 구조물이 복수개인 경우, 복수개의 구조물은 서로 평행한 것이 바람직하다. 이때 상기 구조물은 일 말단으로부터 타 말단까지 하나의 평면을 이루는 형상일 수도 있고, 또는 다른 형상일 수도 있기 때문에, 상기 복수개의 구조물이 서로 평행하다는 기재에서 의미하는 평행은 복수개의 구조물이 이루는 면들이 각 구조물들 사이에 서로 접하지 않는 것을 의미한다. 이와 같이 복수개의 구조물이 서로 평행하게 형성됨에 따라 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제할 수 있어, 연료전지의 성능을 더욱 개선할 수 있는 장점이 있다.When there are a plurality of structures, it is preferable that the plurality of structures are parallel to each other. In this case, since the structure may have a single plane from one end to the other end, or may have another shape, the parallelism in the description that the plurality of structures is parallel to each other may be a plane, It means that the structures do not touch each other. As the plurality of structures are formed parallel to each other, the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region can be suppressed, and the performance of the fuel cell can be further improved.

한편, 상기의 구조물은 상기 연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면상에서 구조물의 중심부가 구조물의 양 말단부와 일직선상에 위치하지 않는 단면의 형상을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지에 포함되는 구조물은 일 말단으로부터 타 말단까지 평평한 평면일 수도 있고, 또는 그와는 다른 형태일 수도 있다. 이 중, 특히 연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면에서 봤을 때, 상기 구조물의 중심부가 구조물의 양 말단부와 일직선상에 위치하지 않는 단면의 형상, 즉, 단면상 예를 들어 평면의 중심부가 융기되거나 또는 침강된 형태의 단면 형상을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 상기 구조물이 이와 같은 형상을 가짐에 따라 연료전지의 성능이 더욱 개선될 수 있는 장점이 있다.It is preferable that the structure has a cross-sectional shape in which the center portion of the structure is not located on the straight line with the both end portions of the structure on the cross section perpendicular to the direction in which the fuel and the oxidant flow. The structure included in the microfluidic fuel cell according to the present invention may be a flat plane from one end to the other end, or may be in a different form. In particular, when viewed from a cross section perpendicular to the direction in which the fuel and the oxidant flow, the shape of the cross section in which the center portion of the structure is not located in a straight line with the both end portions of the structure, that is, Or have a cross-sectional shape in a sedimented form. As the structure according to the present invention has such a shape, the performance of the fuel cell can be further improved.

이상과 같은 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지는 상기한 바와 같은 구성을 갖고, 이에 따라 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내에서 연료와 산화제가 층류를 형성하며 유동하는 과정에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제하여 결과적으로 연료전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.As described above, the microfluidic fuel cell according to the present invention has the above-described structure, and thus, in the process of forming the laminar flow of the fuel and the oxidant in the microchannel of the microfluidic fuel cell, And the performance of the fuel cell is improved as a result.

또한, 본 발명은 In addition,

연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내부로 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 삽입하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법을 제공한다.And a structure for dividing the inner space of the microchannel into a plurality of divided spaces is inserted into the microchannel of the microchannel of the microchannel fuel cell including the microchannel through which the fuel and the oxidant flow, Thereby improving the performance of the fuel cell.

이하 본 발명의 성능 향상방법을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the performance improving method of the present invention will be described in more detail.

마이크로 유체 연료전지는 유체가 저속으로 유동하는 경우 층류를 형성하며 유동하는 경향을 이용하여 교환막을 사용하지 않는 연료전지로, 교환막을 사용하지 않기 때문에 교환막의 젖음유지, 연료 역류현상, 교환막의 파손 및 막힘 현상 등의 문제점을 쉽게 해결할 수 있다. 또한, 고가의 교환막을 사용하지 않기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있으며, 제작비용을 낮출 수 있는 장점이 있다.A microfluidic fuel cell is a fuel cell that does not use a replacement membrane due to the tendency of the fluid to flow and form a laminar flow when the fluid flows at a low speed. Since the exchange membrane is not used, maintenance of wetting of the membrane, fuel backflow phenomenon, Problems such as clogging can be easily solved. In addition, since an expensive exchange membrane is not used, the process can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.

그러나, 한편으로는 층류를 형성하면 유동하는 연료 흐름 및 산화제 흐름은 그 유동 거리가 길어짐에 따라 전극과의 사이에서는 연료 소모 영역이 발달하게 되고, 액액 경계면에서는 연료 확산 영역이 필수적으로 발달하게 된다. 이와 같이 구조적인 특성에 따라 발달하는 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역에 의하여 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 이와 같이 구조적 특성상 필연적으로 발생하게 되는 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역을 줄이기 위하여 다양한 연구가 수행되고 있으나, 기존의 기술들은 구조가 복잡하여 제조가 어렵거나, 채널 길이가 길어져야 하거나, 연료의 효율성이 떨어지는 등의 문제점이 있다.However, on the other hand, as the flow distance of the fuel flow and the oxidant flowing when the laminar flow is formed becomes longer, the fuel consumption region develops between the electrode and the fuel diffusion region necessarily develops at the liquid interface. As a result, the performance of the fuel cell deteriorates due to the fuel consumption region and the fuel diffusion region which are developed according to the structural characteristics. Various studies have been carried out to reduce the fuel consumption area and the fuel diffusion area which are inevitably generated due to the structural characteristics. However, the existing technologies are complicated in structure, so that it is difficult to manufacture, the channel length must be long, There is a problem such as falling.

본 발명은 기존과 동일한 양의 연료 및 산화제를 연료전지의 마이크로 채널 내로 주입하되, 상기 마이크로 채널 내부로 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 삽입하는 방법으로, 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제하여, 결과적으로 마이크로 유체 연료전지의 성능을 향상시키는 방법을 제공한다.In the present invention, a structure is formed in which a fuel and an oxidant are injected into the microchannel of the fuel cell, and the microchannel extends in the longitudinal direction of the channel to divide the inner space of the microchannel into a plurality of divided spaces Thereby improving the performance of the microfluidic fuel cell as a result of suppressing the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region.

상기 연료 소모 영역과 연료 확산 영역은 연료와 산화제가 마이크로 채널 내에서 유동하는 거리에 비례하여 발달하게 되며, 연료 소모 영역은 전극 표면에서 발생하며, 이온의 산화 환원 반응의 결과로 인한 부산물들이 각 전극에서의 연속적인 산화 환원 반응을 방해하고, 연료 확산 영역은 연료의 역류 현상의 원인이 되어 결과적으로 연료전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다.The fuel consumption area and the fuel diffusion area develop in proportion to the distance of the fuel and the oxidant flowing in the microchannel. The fuel consumption area occurs on the electrode surface, and the byproducts resulting from the oxidation- And the fuel diffusion region is a cause of the reverse flow of the fuel, resulting in deterioration of the performance of the fuel cell.

이에 본 발명은, 마이크로 채널의 내부 공간을 채널의 길이 방향으로 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 삽입하는 방법을 통하여 연료 소모 영역 및 연료 확산 영역 발달을 억제하여, 결과적으로 마이크로 유체 연료전지의 성능을 향상시킨다.The present invention relates to a microfluidic fuel cell in which the development of a fuel consumption region and a fuel diffusion region is suppressed through a method of inserting a structure dividing an internal space of a microchannel into a plurality of divided spaces in a longitudinal direction of a channel, Improves performance.

이때. 상기 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내로 유입되는 연료 및 산화제는 서로 층류를 형성하며 유동한다. 유동하는 연료와 산화제가 층류를 형성하지 않는 경우에는 연료의 역류 현상에 의하여 연료전지의 성능이 크게 저하되는 문제점이 있다.At this time. The fuel and the oxidant flowing into the microchannels of the microfluidic fuel cell flow together forming a laminar flow. When the flowing fuel and the oxidant do not form laminar flow, the performance of the fuel cell greatly deteriorates due to the reverse flow of the fuel.

본 발명에 따른 상기 구조물은 마이크로 채널 내부에서 연료와 산화제가 접하는 면을 가로지르도록 삽입되는 것이 바람직하다. 마이크로 채널 내로 주입된 연료와 산화제는 상기 채널의 길이방향으로 액-액 경계면을 형성하면 층류를 형성하면서 유동한다. 본 발명에 따른 상기 구조물은 상기 채널의 길이 방향으로 형성되는 연료와 산화제의 액-액 경계면을 가로지르도록 삽입되는 것이 바람직하다.The structure according to the present invention is preferably inserted into the microchannel so as to cross the surface where the fuel and the oxidant contact each other. The fuel and the oxidant injected into the microchannel flow while forming a laminar flow if they form a liquid-liquid interface in the longitudinal direction of the channel. The structure according to the present invention is preferably inserted across the liquid-liquid interface of the oxidant and the fuel formed in the longitudinal direction of the channel.

본 발명에 다른 마이크로 유체 연료전지에 포함되는 상기의 구조물은 복수개가 마이크로 채널 내부로 삽입되는 것이 바람직하다. 복수의 구조물이 포함되는 경우 추가적으로 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제할 수 있어, 연료전지의 성능을 더욱 개선할 수 있는 장점이 있다.It is preferable that a plurality of the above structures included in the microfluidic fuel cell according to the present invention are inserted into the microchannels. Further, when a plurality of structures are included, development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region can be further suppressed, thereby further improving the performance of the fuel cell.

상기 구조물이 복수개인 경우, 복수개의 구조물은 서로 평행한 것이 바람직하다. 이때 상기 구조물은 일 말단으로부터 타 말단까지 하나의 평면을 이루는 형상일 수도 있고, 또는 다른 형상일 수도 있기 때문에, 상기 복수개의 구조물이 서로 평행하다는 기재에서 의미하는 평행은 복수개의 구조물이 이루는 면들이 각 구조물들 사이에 서로 접하지 않는 것을 의미한다. 이와 같이 복수개의 구조물이 서로 평행하게 형성됨에 따라 연료 소모 영역과 연료 확산 영역의 발달을 억제할 수 있어, 연료전지의 성능을 더욱 개선할 수 있는 장점이 있다.When there are a plurality of structures, it is preferable that the plurality of structures are parallel to each other. In this case, since the structure may have a single plane from one end to the other end, or may have another shape, the parallelism in the description that the plurality of structures is parallel to each other may be a plane, It means that the structures do not touch each other. As the plurality of structures are formed parallel to each other, the development of the fuel consumption region and the fuel diffusion region can be suppressed, and the performance of the fuel cell can be further improved.

한편, 상기의 구조물은 상기 연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면상에서 구조물의 중심부가 구조물의 양 말단부와 일직선상에 위치하지 않는 단면의 형상을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법에서 삽입되는 구조물은 일 말단으로부터 타 말단까지 평평한 평면일 수도 있고, 또는 그와는 다른 형태일 수도 있다. 이 중, 특히 연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면에서 봤을 때, 상기 구조물의 중심부가 구조물의 양 말단부와 일직선상에 위치하지 않는 단면의 형상, 즉, 단면상 예를 들어 평면의 중심부가 융기되거나 또는 침강된 형태의 단면 형상을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 상기 구조물이 이와 같은 형상을 가짐에 따라 연료전지의 성능이 더욱 개선될 수 있는 장점이 있다.It is preferable that the structure has a cross-sectional shape in which the center portion of the structure is not located on the straight line with the both end portions of the structure on the cross section perpendicular to the direction in which the fuel and the oxidant flow. In the method for improving the performance of a microfluidic fuel cell according to the present invention, a structure to be inserted may be a flat plane from one end to the other end, or may be in a different form. In particular, when viewed from a cross section perpendicular to the direction in which the fuel and the oxidant flow, the shape of the cross section in which the center portion of the structure is not located in a straight line with the both end portions of the structure, that is, Or have a cross-sectional shape in a sedimented form. As the structure according to the present invention has such a shape, the performance of the fuel cell can be further improved.

이상과 같이, 본 발명은 마이크로 유체 연료전지의 채널 내로 상기와 같은 구조의 구조물을 삽입하여 마이크로 채널 내에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역이 발달하는 것을 억제하여 결과적으로 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention is advantageous in that the structure of the above-described structure is inserted into the channel of the microfluidic fuel cell so that the fuel consumption region and the fuel diffusion region are prevented from developing in the microchannel, have.

이하 본 발명을 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예, 비교예 및 실험예는 본 발명의 구체적 설명을 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이하의 실시예, 비교예 또는 실험예에 기재되어 있는 사항에 의하여 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시예에서, x-방향은 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극 방향으로 연료와 산화제가 접하여 형성하는 액-액 경계면을 수직으로 가로지르는 방향이고, z-방향은 x-방향과 수직인 방향으로, x-방향과 z-방향이 이루는 면 내에 연료과 산화제가 마이크로 채널 내에서 유동하는 방향에 수직인 단면이 존재한다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. The following Examples, Comparative Examples and Experimental Examples are merely examples for the explanation of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the matters described in the following Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. In the following embodiments, the x-direction is a direction perpendicularly intersecting the liquid-liquid interface formed between the fuel and the oxidant in the direction from one electrode to the other electrode, and the z-direction is a direction perpendicular to the x- There is a section perpendicular to the direction in which the fuel and oxidant flow in the microchannel in the plane between the x-direction and the z-direction.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

마이크로 유체 연료전지의 제작 1Fabrication of Microfluidic Fuel Cell 1

공지의 형태인 Y-자 형태의 마이크로 유체 연료전지를 제작하되, 마이크로 유체 연료전지의 채널 내부로 다음의 형상의 구조물을 삽입하였다. 마이크로 채널의 총 길이는 30 mm였다. 제작에 사용된 전극의 두께는 25 μm였다. 연료 주입부 및 산화제 주입부의 주입 방향 길이는 모두 10 mm이고, 각 주입부와 마이크로 채널 사이의 각도는 45 °로, 이에 따라 연료 주입부와 산화제 주입부는 90 °의 각도를 형성하였다. 삽입 방향은 구조물이 연료와 산화제가 접하여 형성하는 액-액 경계면을 한쪽 전극에서 반대쪽 전극 방향으로 가로지르도록 마이크로 유체 연료전지의 채널 길이 방향으로 삽입되었다.A Y-shaped microfluidic fuel cell of known type was fabricated and the following structure was inserted into the channel of the microfluidic fuel cell. The total length of the microchannels was 30 mm. The thickness of the electrode used for fabrication was 25 μm. The injection direction lengths of the fuel injecting portion and the oxidizing agent injecting portion were all 10 mm and the angle between each injecting portion and the microchannel was 45 ° so that the fuel injecting portion and the oxidizing agent injecting portion formed an angle of 90 °. The insertion direction was inserted in the channel length direction of the microfluidic fuel cell so that the structure crosses the liquid-liquid interface formed between the fuel and the oxidizer in the direction of the opposite electrode from one electrode.

-구조물의 형상-- Shape of structure -

도 2(a)와 같은 구조2 (a)

한쪽 전극으로부터 x-방향으로 연장되어 다른 쪽 전극까지 연장되되, 연료와 산화제가 접하여 형성하는 액-액 경계면 부근에서 z-방향으로 돌출된 면을 형성하는 제1구조물.A first structure extending from the one electrode in the x-direction and extending to the other electrode, and forming a surface protruding in the z-direction in the vicinity of a liquid-liquid interface formed by contacting the fuel and the oxidizing agent.

한쪽 전극으로부터 x-방향으로 연장되어 다른 쪽 전극까지 연장되되, 연료와 산화제가 접하여 형성하는 액-액 경계면 부근에서 z-방향으로 제1구조물과는 반대 방향으로 돌출된 면을 형성하는 제2구조물.A second structure that extends from one electrode in the x-direction and extends to the other electrode, and forms a surface protruding in the z-direction in a direction opposite to the first structure in the vicinity of a liquid-liquid interface formed by the contact of the fuel and the oxidizer .

상기 제1구조물과 제2구조물의 두께는 25 μm였고, 제1구조물과 제2구조물 사이의 이격거리는 z-방향 돌출 전에는 0.15 mm였고, 돌출 후에는 0.25 mm였다.The thickness of the first structure and the second structure was 25 μm, and the distance between the first structure and the second structure was 0.15 mm before the z-direction protrusion and 0.25 mm after the protrusion.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

마이크로 유체 연료전지의 제작 2Fabrication of Microfluidic Fuel Cell 2

구조물의 형상이 상이한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다.A microfluidic fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the shapes of the structures were different.

-구조물의 형상-- Shape of structure -

도 2(b)와 같은 구조2 (b)

한쪽 전극으로부터 연료와 산화제가 접하여 형성하는 액-액 경계면 방향으로 연장되어 다른 쪽 전극까지 연장되되, 구조물의 양 말단보다 구조물의 중심부가 z-방향으로 상방에 위치하는 제1구조물.A first structure extending from the one electrode toward the liquid-liquid interface formed by the fuel and the oxidizing agent in contact with each other and extending to the other electrode, wherein the center of the structure is positioned higher than the both ends of the structure in the z-direction.

상기 제1구조물과 동일한 형상으로 제1구조물과 일정한 이격거리에 위치하는 제2구조물.Wherein the second structure is located at a predetermined distance from the first structure in the same shape as the first structure.

상기 제1구조물과 제2구조물의 두께는 25 μm였고, 제1구조물과 제2구조물 사이의 이격거리는 0.15 mm였다.The thickness of the first structure and the second structure was 25 μm, and the separation distance between the first structure and the second structure was 0.15 mm.

<실시예 3>&Lt; Example 3 >

마이크로 유체 연료전지의 제작 3Fabrication of Microfluidic Fuel Cell 3

구조물의 형상이 상이한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다.A microfluidic fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the shapes of the structures were different.

-구조물의 형상-- Shape of structure -

도 2(c)와 같은 구조2 (c)

연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면상에서 마름모 형상으로 연료와 산화제가 접하여 형성하는 액-액 경계면의 일측에서 타측으로 연장되는 제1 구조물.A first structure extending from one side of the liquid-liquid interface formed by contacting the fuel and the oxidizer in a rhombic shape on a section perpendicular to the direction of flow of the fuel and the oxidizer.

상기 제1구조물과 동일한 형상으로 제1구조물과 일정한 이격거리에 위치하는 제2구조물.Wherein the second structure is located at a predetermined distance from the first structure in the same shape as the first structure.

상기 제1구조물과 제2구조물의 두께는 25 μm였고, 제1구조물과 제2구조물 사이의 이격거리는 0.175 mm였다.The thicknesses of the first structure and the second structure were 25 μm, and the separation distance between the first structure and the second structure was 0.175 mm.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

마이크로 유체 연료전지의 제작 4Fabrication of Microfluidic Fuel Cell 4

기존의 Y-형태의 마이크로 유체 연료전지(총 마이크로 채널의 길이 30 mm)를 사용하였다. 연료 주입부 및 산화제 주입부의 주입 방향 길이는 모두 10 mm이고, 각 주입부와 마이크로 채널 사이의 각도는 45 °로, 이에 따라 연료 주입부와 산화제 주입부는 90 °의 각도를 형성한다. 그 외 나머지 규격은 실시예 1의 마이크로 유체 연료 전지와 동일하다.A conventional Y-shaped microfluidic fuel cell (total microchannel length 30 mm) was used. The injection direction lengths of the fuel injection portion and the oxidant injection portion are all 10 mm, and the angle between each injection portion and the microchannel is 45 °, so that the fuel injection portion and the oxidant injection portion form an angle of 90 °. The rest of the standard is the same as that of the microfluidic fuel cell of Example 1.

<실험예 1><Experimental Example 1>

연료전지 성능 평가Fuel cell performance evaluation

실시예 1내지 3과 비교예 1의 연료전지에 대하여 다음의 방법으로 성능을 평가하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.The performance of the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was evaluated by the following method, and the results are shown in FIG.

실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 1의 연료전지에 대하여 다분야 연성해석 상용 프로그램인 COMSOL을 사용하여, 실제 미세 연료전지 채널 내부 유동영역을 대상으로 하여 전기화학적 유동을 모사하였다. 상온(298 K) 및 대기압(1 atm) 조건에서 동일한 유량(250 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입하여 음극의 전압 변화(0~0.8 V)에 따른 전류밀도와 전력밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.For the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the electrochemical flow was simulated using a COMSOL multifunctional analysis commercial program for the flow region inside the actual micro fuel cell channel. The current density and the power density were measured according to the voltage change (0 ~ 0.8 V) of the cathode by injecting fuel and oxidant at the same flow rate (250 μL / min) at room temperature (298 K) and atmospheric pressure (1 atm) The results are shown in Fig.

도 3에 따르면, 본 발명에 따른 구조물이 삽입됨에 따라 연료전지의 성능이 크게 개선되고 있다는 것을 확인할 수 있고, 그 중에서도 특히 본 발명의 실시예 2에 따른 구조물을 포함하는 연료전지의 성능이 가장 우수하다는 것을 확인할 수 있다.FIG. 3 shows that the performance of the fuel cell according to the present invention is greatly improved by the insertion of the structure according to the present invention. In particular, the fuel cell including the structure according to the second embodiment of the present invention has the best performance .

<실험예 2><Experimental Example 2>

구조재의 형태에 따른 혼합영역 형성 확인Confirmation of formation of mixed region according to the shape of structural material

구조재의 형태에 따라 연료전지의 마이크로 채널 내 혼합영역 형성 거동을 확인하기 위하여 실시예 1 내지 3의 연료전지에 대하여 다음의 방법으로 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.Experiments were conducted on the fuel cells of Examples 1 to 3 in the following manner in order to confirm the mixing region formation behavior of the fuel cell in the microchannel according to the type of the structural member, and the results are shown in FIG.

다분야 연성해석 사용 프로그램인 COMSOL을 사용하여 실시예 1 내지 실시예 3의 실제 미세 연료전지 채널 내부 유동영역을 대상으로 전기화학적 유동을 모사하였다. 도 4는 상온(298 K) 및 대기압(1 atm) 조건에서 해당 유량(250 μL/min)의 연료 및 산화제를 주입한 것으로, x-z 단면(연료와 산화제가 흐르는 방향에 대하여 수직인 단면)에서의 음극의 전압이 0.4 V일 때의 연료 농도의 분포를 나타낸 것이다.The electrochemical flow was simulated using the multisectoral ductility analysis program, COMSOL, in the flow regions inside the actual F / F cell channels of Examples 1 to 3. FIG. 4 is a graph showing the results obtained by injecting fuel and oxidant at a flow rate (250 L / min) under the conditions of room temperature (298 K) and atmospheric pressure (1 atm) And the distribution of the fuel concentration when the voltage of the cathode is 0.4 V is shown.

도 4에 따르면, 실제로 실시예 1 내지 3의 경우, 연료 혼합 영역이 상대적으로 적게 형성되고 있음을 알 수 있고, 특히 실시예 2의 경우 가장 적게 형성됨을 확인할 수 있다.According to Fig. 4, it can be seen that the fuel mixing region is formed relatively small in the case of the practical examples 1 to 3, and in particular, it is confirmed that the fuel mixing region is the least formed in the case of the practical example 2.

Claims (10)

연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지에 있어서,
상기 마이크로 채널 내부에, 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 포함하고,
상기 구조물은 마이크로 채널 내부에서 연료와 산화제가 접하는 면을 가로지르도록 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
A microfluidic fuel cell comprising a microchannel through which a fuel and an oxidant flow,
And a structure that extends in the longitudinal direction of the channel and divides an internal space of the microchannel into a plurality of divided spaces,
Wherein the structure is formed so as to cross a surface in contact with the fuel and the oxidant within the microchannel.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 구조물은 복수개가 마이크로 채널 내부에 존재하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein a plurality of the structures are present inside the microchannels.
제3항에 있어서,
상기 복수개의 구조물은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
The method of claim 3,
Wherein the plurality of structures are parallel to each other.
제1항에 있어서,
상기 구조물은 상기 연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면상에서 중심부가 양 말단부와 일직선상에 위치하지 않는 단면의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the structure has a cross-sectional shape in which a central portion on the cross section perpendicular to a direction in which the fuel and the oxidant flow is not positioned in a straight line with the both ends.
연료와 산화제가 흐르는 마이크로 채널을 포함하는 마이크로 유체 연료전지의 마이크로 채널 내부로 채널의 길이 방향으로 연장되어 마이크로 채널의 내부 공간을 복수의 구분된 공간으로 구획하는 구조물을 삽입하되,
상기 구조물은 마이크로 채널 내부에서 연료와 산화제가 접하는 면을 가로지르도록 삽입되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법.
A structure for inserting a structure that extends in a longitudinal direction of a channel into a microchannel of a microfluidic fuel cell including a microchannel through which a fuel and an oxidant flow, dividing an inner space of the microchannel into a plurality of divided spaces,
Wherein the structure is inserted into the microchannel so as to cross the surface where the fuel and the oxidant contact each other.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 구조물은 복수개가 마이크로 채널 내부로 삽입되는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법.
The method according to claim 6,
Wherein a plurality of the structures are inserted into the microchannels.
제8항에 있어서,
상기 복수개의 구조물은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능 향상방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the plurality of structures are parallel to each other.
제6항에 있어서,
상기 구조물은 상기 연료와 산화제가 흐르는 방향에 수직인 단면상에서 중심부가 양 말단부와 일직선상에 위치하지 않는 단면의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 유체 연료전지의 성능향상방법.
The method according to claim 6,
Wherein the structure has a cross-sectional shape in which a central portion on a cross section perpendicular to a direction in which the fuel and an oxidant flow is not positioned in a straight line with the both ends.
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