KR20050025498A - Optimum operation apparatus of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부하에서 소비되는 전력값에 적합한 발전이 발전기에서 이루어질 수 있도록 연료탱크에서 적당양의 연료가 발전기로 공급될 수 있도록 한 연료전지 시스템의 연료회수조절장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside, and more particularly, it is suitable in a fuel tank so that power generation suitable for a power value consumed at a load can be made in a generator. A fuel recovery system of a fuel cell system is provided so that a large amount of fuel can be supplied to a generator.
일반적으로, 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.In general, a fuel cell system (FUEL CELL SYSTEM) is a device that converts the energy of the fuel directly into electrical energy, such a fuel cell system usually has a cathode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of the polymer electrolyte membrane In the anode (electrode or anode), electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel, and in the cathode (reduction electrode or cathode), electrochemical reduction of oxygen as an oxidant occurs and electrical energy is generated by the movement of electrons. Is generated.
이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 가스형태로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 고체상태의 BH4 - 를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC(Boron Fuel Cell) 등이 소개되고 있다.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) used in the form, and BFC (Boron Fuel Cell) which directly uses BH 4 - in the form of an aqueous solution and uses it as a fuel are introduced.
종래 BFC의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.A schematic configuration of a conventional BFC is illustrated in FIG. 1, which will be briefly described as follows.
도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(2)의 일측에 수용액 상태의 BH4 - 를 저장하기 위한 연료탱크(3)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(3)와 발전기(2)의 양극 입구부에는 연료를 공급하기 위한 연료공급라인(4)이 연결되어 있고, 양극의 출구부와 연료탱크(3)는 발전기(2)에서 발전이 이루어지고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인(5)으로 연결되어 있으며, 상기 연료공급라인(4)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(6)가 설치되어 있다.As shown, the overall configuration of the fuel cell 1 is provided with a fuel tank 3 for storing BH 4 − in an aqueous state on one side of the generator 2 that generates electricity, the fuel tank 3 ) And a fuel supply line 4 for supplying fuel is connected to the anode inlet of the generator 2, and the outlet of the anode and the fuel tank 3 are the fuels after the electricity is generated in the generator 2. It is connected to the fuel recovery line (5) for recovering, the fuel supply line (4) is provided with a fuel pump (6) for pumping fuel.
그리고, 상기 발전기(2)의 음극 입구부에는 외부공기를 공급하기 위한 공기공급라인(7)이 설치되어 있고, 출구부에는 발전하고난 후의 공기를 배출하기 위한 공기배출라인(8)이 설치되어 있으며, 그 공기공급라인(7)에는 외부공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(9)가 설치되어 있다.The cathode inlet of the generator 2 is provided with an air supply line 7 for supplying external air, and the outlet part has an air discharge line 8 for discharging air after power generation. The air supply line 7 is provided with an air compressor 9 for pumping external air.
또한, 상기 발전기(1)의 출력단에는 연료전지(1)의 발전기(2)에서 발생되는 전력을 사용전원으로 변환하기 위한 전력변환기(10)가 설치되어 있고, 그 전력변환기(10)에서 변화된 전원은 부하(11)에 전원이 공급되어지도록 되어 있다.In addition, a power converter 10 for converting the power generated from the generator 2 of the fuel cell 1 into a power source is installed at the output end of the generator 1, the power source changed in the power converter 10. The power is supplied to the load 11.
상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(6)에서 연료탱크(3)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4 - 를 펌핑하여 연료공급라인(4)을 통하여 발전기(2)의 양극에 공급함과 동시에 에어컴프레서(9)를 동작시켜서 공기공급라인(7)을 통하여 발전기(2)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.In the conventional fuel cell configured as described above, when the operation switch of the device is turned on, the fuel pump 6 pumps the BH 4 − in the aqueous state stored in the fuel tank 3 to the generator through the fuel supply line 4. The air compressor 9 is operated at the same time as supplying to the anode of (2) so that air is supplied to the cathode of the generator 2 through the air supply line (7).
상기와 같이 발전기(2)에 공급되는 수용액 상태의 BH4 - 와 공기는 발전기(2)의 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.As described above, the BH 4 − and the air in the aqueous solution state supplied to the generator 2 undergo the electrochemical oxidation of hydrogen at the anode of the generator 2, and the electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode. Electricity is generated by the movement, and the generated electricity is collected at the current collector plate and used as an energy source.
이때의 반응식은 The reaction formula at this time
BH4 - + 2O2 →2H2O + BO2 E0 = 1.64 V이다.BH 4 - + 2O a 2 → 2H 2 O + BO 2 E 0 = 1.64 V.
한편, 상기와 같이 발전기(2)의 발전에 의해 발생되는 전기는 전력변환기(10)에서 사용전원으로 변환되어지고, 그와 같이 변환된 전원에 의해 부하(11)가 동작되어진다.On the other hand, the electricity generated by the power generation of the generator 2 as described above is converted to the power source used in the power converter 10, the load 11 is operated by the power source thus converted.
그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지(1)는 부하(11)에서 소비되는 전력에 관계없이 항상 최대 출력이 발생될 수 있도록 연료가 공급되어지기 때문에 필요이상의 전력을 생성하게 되어 전력로스가 발생되고, 필요이상의 연료가 공급되어 효율적인 발전이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell 1 as described above, since the fuel is supplied so that the maximum output is always generated regardless of the power consumed by the load 11, power loss is generated by generating more power than necessary. However, there is a problem in that efficient power generation is not achieved by supplying more fuel than necessary.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 부하에서 소비되는 전력량에 따라 연료탱크에서 필요한 만큼 연료가 발전기에 공급되어지도록 하여 효율적인 발전이 이루어질 수 있도록 하는데 적합한 연료전지 시스템의 최적운전장치를 제공함에 있다.The object of the present invention devised in view of the above problems is to provide an optimal operating device for a fuel cell system suitable for enabling efficient power generation by supplying fuel to a generator as needed in a fuel tank according to the amount of power consumed at a load. In providing.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 발전이 이루어지는 발전기의 양극에는 연료를 공급하기 위한 연료공급라인과 반응하고난 후의 연료를 회수하기 위한 연료회수라인이 연결되어 있고, 발전기의 음극에는 공기를 공급하기 위한 공기공급라인과 반응후의 공기를 배출하기 위한 공기배출라인이 연결되어, 양극에서의 전기화학적인 산화와 음극에서의 전기화학적인 환원에 의하여 발생되는 전기가 전력변환기에서 사용전원으로 변환되어 부하에 공급되어지도록 구성되어 있는 연료전지 시스템에 있어서,In order to achieve the object of the present invention as described above, the anode of the generator, which generates power, is connected with a fuel supply line for supplying fuel, and a fuel recovery line for recovering fuel after the reaction is provided. The air supply line for supplying and the air discharge line for discharging the air after the reaction are connected, and the electricity generated by the electrochemical oxidation at the anode and the electrochemical reduction at the cathode is converted into the power source used in the power converter. In a fuel cell system configured to be supplied to a load,
상기 전력변환기와 부하 사이에 설치되며 부하에서 소비되는 전력을 검출하기 위한 전력검출기와, 그 전력검출기에 연결되어 전력검출기에서 검출된 전력값에 따라 적정량의 연료가 발전기로 공급될 수 있도록 연료펌프의 운전을 조절하기 위한 콘트롤러를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 최적운전장치가 제공된다.A power detector installed between the power converter and the load to detect power consumed by the load, and connected to the power detector so that an appropriate amount of fuel can be supplied to the generator according to the power value detected by the power detector. Provided is an optimum operating device for a fuel cell system, comprising a controller for adjusting the operation.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템의 최적운전장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the embodiment of the accompanying drawings, the optimum operating device of the fuel cell system of the present invention configured as described above in more detail as follows.
도 2는 본 발명에 따른 최적운전장치를 구비한 연료전지의 구성도이다.2 is a block diagram of a fuel cell having an optimum driving apparatus according to the present invention.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지(100)는 수용액 상태의 BH4와 공기의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어지는 발전기(Generator)(101)와 일정거리를 두고 발전기(101)의 양극(ANODE)에 공급되는 수용액 상태의 BH4를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank)(102)가 설치되어 있고, 그 연료탱크(102)의 하부와 발전기(101)의 양극(ANODE) 입구부는 연료를 공급할 수 있도록 연료공급라인(103)으로 연결되어 있고, 양극(ANODE)의 출구부와 연료탱크(102)의 상부는 반응후의 연료가 회수될 수 있도록 연료회수라인(104)으로 연결되어 있다.As shown in the drawing, the fuel cell 100 according to the present invention is a positive electrode of the generator 101 at a predetermined distance from the generator 101 in which power is generated by an electrochemical reaction of BH 4 and air in an aqueous state. A fuel tank 102 for storing BH 4 in an aqueous solution supplied to the anode is provided, and the lower portion of the fuel tank 102 and the anode inlet of the generator 101 supply fuel. It is connected to the fuel supply line 103 to supply, and the outlet of the anode ANODE and the upper portion of the fuel tank 102 are connected to the fuel recovery line 104 to recover the fuel after the reaction.
그리고, 상기 발전기(101)의 음극(CATHODE) 입구부에는 공기가 공급되어질 수 있도록 공기공급라인(107)이 연결되어 있고, 음극(CATHODE)의 출구부에는 반응하고난 후의 공기가 배출되어질 수 있도록 공기배출라인(108)이 설치되어 있다.In addition, an air supply line 107 is connected to the cathode (CATHODE) inlet of the generator 101 so that air can be supplied, and the air after the reaction is discharged to the outlet of the cathode (CATHODE). An air discharge line 108 is provided.
또한, 상기 연료공급라인(103)에는 발전기(101)로 공급되는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(109)가 설치되어 있고, 상기 공기공급라인(107)에는 발전기(101)로 공급되는 공기를 송풍하기 위한 에어컴프레서(Air Compressor)(110)가 설치되어 있다.In addition, the fuel supply line 103 is provided with a fuel pump 109 for pumping the fuel supplied to the generator 101, the air supply line 107 is blown air supplied to the generator 101 An air compressor (Air Compressor) (110) is installed.
그리고, 상기 발전기(101)의 출력단에는 발전기(101)에 발생되는 전원을 부하(111)에서 사용할 수 있는 사용전원으로 변환하기 위한 전력변환기(112)가 설치되어 있고, 그 전력변환기(112)와 부하(111)의 사이에는 부하(111)에서 소비되는 전력을 검출하기 위한 전력검출기(113)가 설치되어 있으며, 그 전력검출기(113)에는 전력검출기(113)에서 검출된 전력값에 따라 적정량의 연료가 발전기(101)로 공급될 수 있도록 연료펌프(109)의 운전을 조절하기 위한 콘트롤러(CONTROLLER)(114)가 연결설치되어 있다. And, at the output terminal of the generator 101, a power converter 112 for converting the power generated in the generator 101 into a power source that can be used in the load 111 is provided, the power converter 112 and A power detector 113 for detecting power consumed by the load 111 is provided between the loads 111, and the power detector 113 has an appropriate amount of power in accordance with the power value detected by the power detector 113. A controller 114 for controlling the operation of the fuel pump 109 is connected so that fuel can be supplied to the generator 101.
도 3은 상기 발전기(101)의 단일셀구조를 보인 것으로, 도시된 바와 같이, 전해질 막(121)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(122)과 음극(123)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(124)와, 그 막-전극 접합체(124)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(122)과 음극(123)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로(125)를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(126)과, 그 분리판(126)의 양측에 배치되어 양극(122)과 음극(123)의 집전극이 되는 집전판(127)으로 구성되어 있다.3 shows a single cell structure of the generator 101. As shown in the drawing, a membrane electrode formed by bonding an anode 122 and a cathode 123 to diffuse gas to both sides of the electrolyte membrane 121 is illustrated. MEA (MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 124 and the membrane-electrode assembly 124 are assembled so as to be in close contact with each other, the flow path 125 of fuel gas and oxygen-containing gas at the anode 122 and the cathode 123. And a current collector plate 127 disposed on both sides of the separation plate 126 to form a collector electrode of the positive electrode 122 and the negative electrode 123.
상기 막-전극 접합체(124)의 전해질 막(121)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(121)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(122)과 음극(123)은 수소저장합금으로된 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(121)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다. The electrolyte membrane 121 of the membrane-electrode assembly 124 is an ion exchange membrane made of a polymer material. The electrolyte membrane 121 commercially available includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, The anode 122 and the cathode 123 serve as a support for supporting a catalyst layer made of a hydrogen storage alloy, and porous carbon paper or carbon cloth is formed on both sides of the electrolyte membrane 121. It is a structure joined to the.
상기 분리판(126)은 치밀질의 카본 플레이트로 이루어지고, 내측에는 유체가 흐르도록 복수개의 유로홈(126a)이 형성되어 있다.The separating plate 126 is made of a dense carbon plate, and a plurality of flow path grooves 126a are formed at an inner side thereof so that fluid flows.
상기 집전판(127)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.It is preferable that the current collector plate 127 is excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and does not generate hydrogen embrittlement.
상기와 같이 구성된 본 발명 따른 최적운전장치가 구비된 연료전지 시스템은 기기의 동작스위치가 온(On)되면 연료펌프(109)에서 연료탱크(102)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4를 펌핑하여 연료공급라인(103)을 통하여 발전기(101)의 양극(122)으로 공급되어 진다.The fuel cell system equipped with the optimum driving device according to the present invention configured as described above pumps BH 4 in an aqueous state stored in the fuel tank 102 in the fuel pump 109 when the operation switch of the device is turned on. It is supplied to the anode 122 of the generator 101 through the fuel supply line 103.
그리고, 상기 에어컴프레서(110)에서는 공기공급라인(107)을 통하여 발전기(101)의 음극(123)에 공기를 공급하게 되는데, 그와 같이 공급되어지는 수용액 상태의 BH4는 전해질 막(121)을 사이에 두고 양극(122)의 외측면에 형성된 유로(125)를 따라 흐르며 확산이 되고, 공기는 음극(123)의 외측면에 형성된 유로(125)를 따라 흐르며 확산이 되며, 양극(122)에서는 전기화학적인 산화가 진행되며 음극(123)에서는 전기화학적인 환원이 진행되어 전자의 이동으로 전기가 발생이되는데, 그때 발생되는 전기를 집전판(127)에서 집전하여 전원으로 이용하게 된다.In the air compressor 110, air is supplied to the cathode 123 of the generator 101 through the air supply line 107. The BH 4 in the aqueous solution state thus supplied is the electrolyte membrane 121. A gap flows along the flow path 125 formed on the outer surface of the anode 122 and the air flows along the flow path 125 formed on the outer surface of the cathode 123 to diffuse the anode 122. In the electrochemical oxidation proceeds, the cathode 123 is electrochemical reduction is carried out to generate electricity by the movement of electrons, the electricity generated at that time is collected in the current collector plate 127 is used as a power source.
상기 발전기(101)에서의 발생되는 반응의 반응식은The reaction formula of the reaction generated in the generator 101 is
Anode : BH4 - + 8OH- →BO2 - + 6H2O + 8e- E0 = 1.24 V Anode: BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - E 0 = 1.24 V
Cathode : 2O2 + 4H2O + 8e- →BOH- E0 = 0.4 V Cathode: 2O 2 + 4H 2 O + 8e - → BOH - E 0 = 0.4 V
Total : BH4 - + 2O2 →2H2O + BO2 E 0 = 1.64 V이다.Total: BH 4 - + 2O a 2 → 2H 2 O + BO 2 E 0 = 1.64 V.
한편, 상기와 같이 발전기(101)에서 발전이 이루어질때에 전력검출기(113)에서 부하(111)에서 소비되는 소비전력을 검출하고, 그와 같이 검출된 소비전력 데이터를 이용하여 콘트롤러(114)에서 연료펌프(109)의 운전을 조정하여 적정량의 연료가 발전기(101)로 공급되도록 조절하게 된다.On the other hand, when power generation is generated in the generator 101 as described above, the power detector 113 detects the power consumption consumed by the load 111, and by using the detected power consumption data in the controller 114 By adjusting the operation of the fuel pump 109 is adjusted to supply the appropriate amount of fuel to the generator (101).
상기의 실시예에서는 전력검출기(113)를 전력변환기(112)와 부하(111)의 사이에 설치되는 것을 예로들어 설명하였으나, 꼭 그에 한정하는 것은 아니고, 부하(111)에 직접 설치하여 부하(111)의 소비전력을 측정하여도 무방하다.In the above embodiment, the power detector 113 is installed as an example between the power converter 112 and the load 111. However, the present invention is not limited thereto, and the power detector 113 may be installed directly on the load 111 to load 111. ) Can be measured.
또한, 상기의 실시예에서는 연료로 수용액 상태의 BH4 -를 사용하는 발전방식인 BFC의 경우를 예로들어 설명하였으나, 꼭 그에 한정하는 것은 아니고, 수소가스를 사용하는 발전방식인 PEMFC에서도 동일한 형태의 최적운전장치로 전체 시스템의 성능을 조정할 수 있을뿐 아니라, 기타 유사 형태의 연료전지에서도 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 응용이 가능하다In addition, in the above embodiment, a case of BFC, which is a power generation method using BH 4 − in an aqueous state as a fuel, has been described as an example. In addition to adjusting the performance of the entire system with an optimum operating device, it is possible to apply any number of other similar types of fuel cells without departing from the spirit and scope of the present invention.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템의 최적운전장치는 전력변환기와 부하의 사이에 소비전력을 검출하기 위한 전력검출기를 설치하고, 그 전력검출기에서 검출된 소비전력에 따라 연료펌프의 운전을 조절할 수 있도록 콘트롤러를 구비하여, 전력검출기에서 검출되는 값에 따라 콘트롤러에서 연료펌프의 운전을 조절하여 발전기에 공급되는 연료의 양을 조절함으로써, 발전기에 항상 적정양의 연료가 공급되어짐에 따라 기기의 효율적인 운전이 이루어지는 효과가 있다.As described above in detail, the optimum operating device of the fuel cell system of the present invention is provided with a power detector for detecting power consumption between the power converter and the load, and according to the power consumption detected by the power detector, It is equipped with a controller to control the operation, by adjusting the amount of fuel supplied to the generator by adjusting the operation of the fuel pump in the controller according to the value detected by the power detector, as the generator is always supplied with the appropriate amount of fuel Effective operation of the device is effective.
도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a structure of a conventional fuel cell.
도 2는 본 발명의 최적운전장치를 구비한 연료전지의 구성도.2 is a block diagram of a fuel cell having an optimum driving apparatus of the present invention.
도 3은 본 발명에서의 단위셀을 보인 종단면도.Figure 3 is a longitudinal sectional view showing a unit cell in the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
101 : 발전기 103 : 연료공급라인101: generator 103: fuel supply line
104 : 연료회수라인 107 : 공기공급라인104: fuel recovery line 107: air supply line
108 : 공기배출라인 111 : 부하108: air discharge line 111: load
112 : 전력변환기 113 : 전력검출기112: power converter 113: power detector
114 : 콘트롤러114: controller
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| KR100788194B1 (en) * | 2006-05-25 | 2007-12-26 | 엘지전자 주식회사 | Fuel cell system |
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- 2003-09-08 KR KR1020030062729A patent/KR20050025498A/en not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100788194B1 (en) * | 2006-05-25 | 2007-12-26 | 엘지전자 주식회사 | Fuel cell system |
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Legal Events
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