CN101529627A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明以能够抑制粘接剂的向气体连通路的溢出的燃料电池为课题。燃料电池,包括:气体流道,其处于发电区域;歧管,其处于非发电区域;气体连通路,其将所述气体流道与所述歧管连通。气体连通路至少在气体连通路的附近使用粘接剂。在气体连通路的附近,设有用于抑制粘接剂流入气体连通路的粘接剂积存部。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及使用了粘接剂的燃料电池。
背景技术
以往,固体高分子型的燃料电池的单电池包括:由电解质膜以及夹持该电解质膜的一对电极构成的MEA(Membrane Electrode Assembly:膜电极组件),和夹持MEA的一对隔板(例如,参照特开2002-367631号公报。)。在单电池的各隔板上,形成有氧化气体以及燃料气体的供给歧管以及排出歧管。在一方的隔板的氧化气体流道中,氧化气体从供给歧管向排出歧管流动。在另一方的隔板的燃料气体流道中,燃料气体从供给歧管向排出歧管流动。
一对隔板之间以及隔板与电解质膜之间,由沿着单电池的外周设置的液状密封垫(粘接剂)密封。在各隔板上,在设有粘接剂的密封面的内周侧部分与外周侧部分双方形成有积存部。通过积存部,在单电池的制造过程中防止粘接剂向歧管、单电池外等溢出。
发明内容
在上述的歧管以外等部分也具有粘接剂溢出而成为问题的部位。但是,在以往没有充分研究。因此,例如,存在粘接剂流入将歧管与气体流道连通的气体连通路的可能性,存在封闭气体连通路的可能性。
本发明的目的在于提供一种能够抑制粘接剂向气体连通路溢出的燃料电池。
为了达成上述目的,本发明的燃料电池,包括:气体流道,其处于发电区域;歧管,其处于非发电区域;气体连通路,其将气体流道与歧管连通,至少在该气体连通路的附近使用粘接剂;和粘接剂积存部,其在所述气体连通路的附近,用于抑制粘接剂流入该气体连通路。
根据该结构,即使在气体连通路的附近使用必要量的粘接剂或者更多的粘接剂,也能够通过粘接剂积存部,很好地抑制粘接剂向气体连通路溢出。由此,能够抑制气体连通路的流道面积的减少、封闭。
根据本发明的优选的一个技术方案,燃料电池包括密封槽,该密封槽至少位于气体连通路的附近,并设置有粘接剂。密封槽与粘接剂积存部以粘接剂流动的方式连通。
根据该结构,即使在过剩的粘接剂从密封槽溢出时,也能够使粘接剂从密封槽向粘接剂积存部流动。
根据本发明的优选的一个技术方案,粘接剂积存部是比密封槽更深的槽。
根据该结构,即使在从密封槽溢出大量的粘接剂时,也能够使粘接剂很好地积存在粘接剂积存部。
根据本发明的优选的一个技术方案,燃料电池包括:至少形成有粘接剂积存部以及密封槽的第1部件,和层叠于所述第1部件、通过粘接剂粘接于该第1部件的第2部件。第1部件包括形成在粘接剂积存部与密封槽之间并以粘接剂在它们之间流动的方式连通的连接部、和支撑第2部件的支撑部。
本来,粘接剂积存部是未充满粘接剂的区域,所以在粘接剂积存部与第2部件之间会产生间隙。因此,在向第2部件施加外力时,由于该间隙,在第2部件上作用较大的应力,存在第2部件变形的可能性。但是,根据本发明,上述结构的支撑部相对于第2部件作为支撑(back up)部件而起作用,所以能够抑制第2部件的变形。另外,在粘接剂积存部与密封槽之间设有连通部,所以也能够确保粘接剂向粘接剂积存部流动。
根据本发明的优选的一个技术方案,第1部件是支撑MEA的一部分的框状部件,第2部件是形成有气体流道的隔板。
这样一来,在框状部件的粘接剂积存部的位置,能够抑制隔板变形,并且能够确保气体连通路与气体流道之间的气体流动。
根据本发明的其他优选技术方案,燃料电池包括:被层叠于第2部件的与第1部件相反一侧的第3部件;和密封第2部件与第3部件之间的密封部件。密封部件的一部分,在第1、第2以及第3部件的层叠方向上,位于与支撑部相对应的位置,并且是从与连通部相对应的位置偏离的位置。
假设如果密封部件的一部分到达从第1部件相的支撑部偏离的位置并且是与连通部相对应的位置,由于层叠方向的外力,存在第2部件变形而将连通部封闭的可能。但是,根据本发明的上述结构,即使施加层叠方向的外力,也能够通过支撑部抑制第2部件的变形,并且能够确保连通部的流道面积。
根据本发明的优选的一个技术方案,第1部件以及第2部件是构成第1单电池的部件;第3部件是构成第2单电池的部件。
根据该结构,能够一边抑制粘接剂向气体连通路的溢出以及第2部件的变形,一边将单电池层叠。
根据本发明的优选的一个技术方案,粘接剂积存部位于气体连通路的两侧,向与气体连通路中的气体的流动方向相同的方向延伸。
根据该结构,能够在气体连通路的两侧,抑制粘接剂向气体连通路溢出。
附图说明
图1是表示第1实施方式中的燃料电池的立体图。
图2是表示第1实施方式中的燃料电池的单电池的分解立体图。
图3是表示第1实施方式中的燃料电池的单电池的剖视图。
图4是表示第1实施方式中的气体连通路周围的结构的剖视图。
图5是表示比较例中的气体连通路周围的结构的剖视图。
图6是表示第2实施方式中的气体连通路周围的结构的剖视图。
图7是表示从图6的VII-VII线的箭头方向观察的树脂框架的一部分的俯视图,是表示隔板的支撑结构的图。
图8是表示第3实施方式中的气体连通路周围的结构的剖视图。
图9是表示第4实施方式中的气体连通路周围的结构的俯视图,是与图7同样的俯视图。
具体实施方式
下面,参照附图,以适用于车辆的固体高分子型的燃料电池为例,对本发明的优选实施方式中的燃料电池进行说明。包括燃料电池的燃料电池系统不仅能够搭载于车辆,也能够搭载于例如船舶、飞机以及机器人等自行式的移动体,也能够作为固定的发电系统使用。
<第1实施方式>
如图1所示,燃料电池1具有将作为基本单位的多个单电池2层叠起来的层叠堆栈结构。燃料电池1是在位于堆栈结构的两端的单电池2的外侧依次配置集电板5、绝缘板6以及端板7而构成的。例如,端板7、7彼此通过张力板9连接,燃料电池1变为在单电池2的层叠方向上施加预定的压缩载荷的状态。一对板状部件12、12夹持对燃料电池1作用紧固力(压缩载荷)的包含例如螺旋弹簧的弹性组件。
燃料气体、氧化气体以及制冷剂,从端板7的供给口15a、16a以及17a向燃料电池1内供给,沿电池层叠方向流动同时沿单电池2的平面方向流动。然后,燃料气体、氧化气体以及制冷剂从端板7的排出口15b、16b以及17b向燃料电池1外排出。
在这里,所谓燃料气体,意味着包含氢的氢气(阳极气体)。另外,所谓氧化气体,意味着含有以氧为代表的氧化剂的气体(阴极气体)。燃料气体以及氧化气体有时总称为反应气体。制冷剂为例如冷却水。
如图2所示,单电池2包括MEA20、一对隔板22A、22B以及一对树脂框架24A、24B。在单电池2中,以隔板22A、树脂框架24A、MEA20、树脂框架24B以及隔板22B的顺序层叠。而且,这些部件的外周边缘在制造过程中通过粘接剂粘接,各部件之间被密封。
MEA20(膜电极组件)由电解质膜30和夹持电解质膜30的一对电极32A、32B(阳极以及阴极)构成。
电解质膜30是离子交换膜。电解质膜30具有使从燃料气体供给的氢离子从电极32A向电极32B移动的功能。电解质膜30形成得比电极32A、32B大,以残留周缘部34的状态通过例如热压接法将电极32A、32B接合。
电极32A、32B如图3所示,由扩散层36以及催化剂层38构成。扩散层36由例如多孔的碳元件形成。作为催化剂层38的催化剂,优选使用例如白金,催化剂层38与扩散层36粘接在一起。
电极32A的扩散层36面向隔板22A的燃料气体流道40,具有使燃料气体通过的功能和将催化剂层38与隔板22A电导通的功能。另一方面,电极32B的扩散层36面向隔板22B的氧化气体流道42,具有使氧化气体通过的功能和将催化剂层38与隔板22B电导通的功能。
隔板22A、22B由气体不透过(非透气性)的导电性材料构成。作为导电性材料,除了碳、具有导电性的硬质树脂,还可以列举铝、不锈钢等金属。在本实施方式中,隔板22A、22B由将基体材料设为板状的金属的所谓金属隔板构成。在该基体材料的面向电极32A、32B的面上,优选覆盖有耐腐蚀性比基体材料优异的膜。
隔板22A在表面具有燃料气体流道40,在背面具有制冷剂流道44A。隔板22B在表面具有氧化气体流道42,在背面具有制冷剂流道44B。燃料气体流道40、氧化气体流道42以及制冷剂流道44A、44B包括多个槽状的流道,由凹凸的反复向一个方向延伸的直线流道构成。但是,这些流道也可以由在中途具有折回部的弯曲流道构成。
燃料气体流道40向电极32A供给燃料气体。氧化气体流道42向电极32B供给氧化气体。通过在燃料气体流道40中流动的燃料气体与在氧化气体流道42中流动的氧化气体,在MEA20内发生电化学反应,得到单电池2的电动势。相邻的两个单电池2、2中,一方单电池2的制冷剂流道44A与另一方单电池2的制冷剂流道44B连通。由此,在单电池2、2之间构成了供给制冷剂的流道。制冷剂降低在电化学反应中产生的单电池2的热量,抑制燃料电池1的温度上升。
隔板22A两面的燃料气体流道40以及制冷剂流道44A通过隔板22A的冲压成形同时形成,隔板22B两面的氧化气体流道42以及制冷剂流道44B通过隔板22B的冲压成形同时形成。即,在隔板22A、22B上,用于形成流体的流道的凹凸形状为在表面与背面反转的关系。
隔板22A、22B形成为俯视矩形状。各隔板22A、22B在燃料气体流道40以及氧化气体流道42的周围具有周缘部26A、26B。
在周缘部26A、26B的一个边部,贯通形成有燃料气体、氧化气体以及制冷剂的供给侧的歧管51a、52a以及53a。另外,在周缘部26A、26B的另一个边部,贯通形成有燃料气体、氧化气体以及制冷剂的排出侧的歧管51b、52b以及53b。这些歧管51a~53a以及51b~53b,以与燃料气体、氧化气体以及制冷剂的各流体相对应的方式,与上述的端板7的供给口15a~17a以及排出口15b~17b连通。
树脂框架24A、24B形成为框状。树脂框架24A、24B在它们之间,从表面侧与背面侧夹持MEA20的至少一部分,例如周缘部34。从而,树脂框架24A、24B与MEA20一起被夹持在隔板22A、22B之间。
树脂框架24A、24B除了主要发挥保持MEA20的功能,作为对紧固力进行支撑的隔板22A、22B之间的垫片的功能,对隔板22A、22B的刚性进行加强的功能,作为绝缘部件的功能以外,还发挥对发电区域导入以及导出反应气体的功能。
树脂框架24A、24B具有用于分别收纳电极32A、32B的开口部60A、60B。燃料气体流道40以及氧化气体流道42分别与开口部60A、60B相对。树脂框架24A、24B在开口部60A、60B的周围具有周缘部66A、66B。
在周缘部66A、66B的一个边部,贯通形成有燃料气体、氧化气体以及制冷剂的供给侧的歧管61a、62a以及63a。另外,在周缘部66A、66B的另一个边部,贯通形成有燃料气体、氧化气体以及制冷剂的排出侧的歧管61b、62b以及63b。歧管61a、62a以及63a与歧管51a、52a以及53a在单电池2的层叠方向上重合而连通,歧管61b、62b以及63b与歧管51b、52b以及53b在单电池2的层叠方向上重合而连通。
另外,在周缘部66A上,形成有燃料气体的导入侧以及导出侧的连通路70以及72。导入侧的连通路70以向歧管61a以及开口部60A直接开放的方式连通,导出侧的连通路72以向歧管61b以及开口部60A直接开放的方式连通。因此,在单电池2的状态下,连通路70将歧管51a、61a与燃料气体流道40连通。连通路72将歧管51b、61b与燃料气体流道40连通。
同样,在周缘部66B上,形成有氧化气体的导入侧以及导出侧的连通路80以及82。导入侧的连通路80将歧管62a与开口部60B连通,所以在单电池2的状态下,将歧管52a、62a与氧化气体流道42连通。导出侧的连通路82将歧管62b与开口部60B连通,所以将歧管52b、62b与氧化气体流道42连通。
通过这样的结构,例如,导入单电池2的燃料气体从歧管51a向歧管61a流动,一部分从歧管61a向连通路70流动而流入燃料气体流道40。然后,供MEA20的发电后剩余的燃料气体在连通路72中流动而到达歧管61b,从歧管51b向单电池2外排出。另外,制冷剂经由形成在隔板22A、22B上的连通路(图示省略),从歧管53a、53b向制冷剂流道44A、44B给排。
在这里,对于在本权利要求中使用的“发电区域”以及“非发电区域”进行补充。
所谓“发电区域”,是单电池2的能够进行发电的区域,具体地说,意味着与电极32A、32B相对应的区域。在本实施方式的“发电区域”中,在隔板22A以及22B上具有燃料气体流道40以及氧化气体流道42,在树脂框架24A以及24B上具有开口部60A、60B。
所谓“非发电区域”,意味着除上述的发电区域之外的区域,意味着单电池2的不进行发电的区域。在“非发电区域”中,电极32A、32B完全不存在或者仅存在一部分。在本实施方式的“非发电区域”中,具有上述的所有的歧管51a~53a、51b~53b、61a~63a以及61b~63b。
接下来,参照图4,对于反应气体的连通路周围的结构进行说明。
如上所述,作为反应气体的连通路,具有燃料气体的连通路70、72和氧化气体的连通路80、82。下面说明的连通路周围的结构能够应用于这些所有的连通路70、72、80、82。在这里,以燃料气体的连通路70周围的结构为例进行说明。
连通路70在面向隔板22A的面上形成为凹状。即,连通路70包括多个例如4个槽状的流道70a、70b、70c、70d。对各流道70a、70b、70c、70d进行划分的部位的顶面72a、72b、72c、72d、72e与隔板22A的面接触。
粘接剂100如上所述,以遍及整个周长地粘接隔板22A与树脂框架24A的周围的方式设置。粘接剂100,例如初始为液状,通过加热或者通过放置预定时间而固化,发挥粘接力。粘接剂100通过例如涂布而设置在密封槽110中。
密封槽110与使用粘接剂100的粘接区域相对应,形成在树脂框架24上。密封槽110形成到连通路70附近。更详细地说,密封槽110形成到连通路70的两端的流道70a、70d的外侧附近。
在密封槽110与流道70a之间形成有积存部120,在密封槽110与流道70d之间形成有积存部122。积存部120以及122用于抑制粘接剂100流入流道70a以及70d。
积存部120、122是槽状的凹部,与流道70a、70d向相同方向延伸。优选的是,积存部120、122的延伸方向的一端与连通路70同样,向开口部60A直接开放。各积存部120、122与密封槽110以粘接剂100在两者之间流动的方式连通。这样一来,能够使密封槽110中的过剩的粘接剂100向积存部120、122流动。优选的是,为了使粘接剂100容易向积存部120、122流动,积存部120、122的密封槽110侧的壁面130、130倾斜。
积存部120、122的槽深为任意深度,但优选为比密封槽110深的槽。这样一来,即使从密封槽110溢出大量的粘接剂100,也能够使粘接剂100积存在积存部120、122中,能够抑制粘接剂100向流道70a、70d溢出。另外,如本实施方式所述,积存部120、122的槽深也可以设置得比连通路70浅。
如上面所说明,根据本实施方式的连通路70周围的结构,设有上述的积存部120、122。由此,即使在连通路70的附近使用必要量的粘接剂100或者更多的粘接剂100,也能够通过积存部120、122抑制粘接剂100向连通路70溢出。因此,能够抑制连通路70的流道面积的减少、封闭,能够确保燃料气体向燃料气体流道40的供给。
<第2实施方式>
接下来,参照图5至图7,以不同点为中心对第2实施方式进行说明。与第1实施方式的最大的不同点是设有用于防止隔板变形的支撑结构。另外,在第2实施方式中,对于与第1实施方式相同的结构赋予与第1实施方式相同的符号而将其说明省略。另外,以积存部122周围的结构为例进行说明,但当然也能够应用于积存部120周围的结构。
图5是表示比较例中的连通路70周围的结构的剖视图。
如图5所示,相互相邻的一方单电池2的隔板22A与另一方单电池2的隔板22B之间,通过密封垫150(密封部件)密封。密封垫150在单电池2的层叠方向上,位于与连通路70对应的位置。更详细地说,密封垫150以横截连通路70的各流道70a~70d(另外,70a的图示省略)的上方的方式设置。
如上所述,燃料电池1在向单电池2的层叠方向施加预定的压缩载荷的状态使用。因此,如果着眼于隔板22B的表面,如图5所示的外力作用于隔板22B的表面。由于该外力,会有较大的应力作用在与积存部122相对应的隔板22A的部位160上,所以具有隔板22A变形的危险。产生这样的变形的原因是因为本来积存部122是没有充满粘接剂100的区域,在粘接剂100的使用后也能够作为空间而存在。
因此,在本实施方式中,如图6以及图7所示,设有防止隔板22A变形的支撑机构。
如图6以及图7所示,树脂框架24A在密封槽110与积存部122之间具有连通部170、172以及支撑部174。
连通部170、172将密封槽110与积存部122之间连通以使粘接剂100流动。连通部170、172位于支撑部174的两侧,相对于隔板22A形成为凹部。连通部170、172的槽深为任意深度,但优选为例如与密封槽110的槽深相同。优选的是,连通部170、172具有从密封槽110侧向积存部122侧下降的斜度。
连通部170、172的位置、大小以及个数为任意。但是,连通部170、172优选设置在在单电池2的层叠方向上从与密封垫150相对应的位置偏离的位置。换而言之,优选,在连通部170、172的正上方,不配置密封垫150。这样一来,即使向单电池2的层叠方向施加外力、与密封垫150相对应的变形,也不会使连通部170、172的流道面积变窄。
支撑部174支撑隔板22A。支撑部174的顶面位于与对连通路70的流道进行划分的顶面(例如,72d以及72e)相同的高度水平,与隔板22A的面接触。支撑部174在单电池2的层叠方向上,设置在与密封垫150相对应的位置。换而言之,在支撑部174的正上方,以横截支撑部174的方式配置密封垫150。由此,能够在经由密封垫150施加负载的位置设置支撑部174。
在这里,将支撑部174的宽度设为与顶面72e的宽度相同的La,将流道70d的宽度设为与积存部122的宽度相同的Lb。设为这样的相同宽度的原因如下所述。即,鉴于在与连通路70相对应的位置隔板22A不变形,可以考虑如果在连通路70两侧设置与连通路70的槽宽(Lb)以及凸部宽度(La)相同的关系,能够抑制隔板22A的该两侧部分处的变形。通过设为这样的相同宽度的设计,支撑部174能够对于外力有效地起作用,抑制隔板22A的变形。另外,支撑部174以及积存部122的宽度可以适当设计。
如上面所说明,根据本实施方式,支撑部174相对于隔板22A作为支撑部件而起作用,所以能够抑制密封槽110与积存部122之间的隔板22A的变形。另外,设有连通部170、172,所以能够确保粘接剂100从密封槽110向积存部122流动,能够抑制粘接剂100向流道70a、70d溢出。
<第3实施方式>
接下来,参照图8,以不同点为中心对第3实施方式进行说明。与第1实施方式的最大的不同点是设有虚设槽180。另外,在第3实施方式中,对于与第1实施方式相同的结构赋予与第1实施方式相同的符号而将其说明省略。另外,以积存部122周围的结构为例进行说明,但当然也能够应用于积存部120周围的结构。
虚设槽180设置在连通路70的一端的流道70d与积存部122之间。虚设槽180为与流道70d大致相同的形状,但长度不同。即,虚设槽180以不向歧管61a以及开口部60A直接开放的程度向与流道70d相同的方向延伸。虚设槽180的宽度只要与积存部122、流道70d的宽度相同即可。对虚设槽180与积存部122进行划分的凸部的顶面182与隔板22A接触。顶面182的宽度只要与顶面72e的宽度相同即可。
与第1实施方式相比的本实施方式的有利的效果,是即使在涂布有过剩的粘接剂100时,也能够通过虚设槽180可靠地防止向连通路70的溢出。这意味着在单电池2的组装工序中,能够更多地涂布粘接剂100。
<第4实施方式>
接下来,参照图9,以不同点为中心对第4实施方式进行说明。与第2实施方式的最大的不同点是在积存部122的两端形成有阻挡层190、191。其他方面与第2实施方式相同,所以在这里将其说明省略。
阻挡层190、191位于积存部122的延伸方向的两端。阻挡层190、191是以不阻碍或者确保粘接剂100从连通部170、172向积存部122的空余部(粘接剂100能够积存的空间)的流动的方式而形成的。
阻挡层190从积存部122的底面向隔板22A直立设置,以相对于歧管61a将积存部122的空余部直接封闭。另一方面,阻挡层191从积存部122的底面向隔板22A直立设置,以相对于开口部60A将积存部122的空余部直接封闭。阻挡层190、191的顶面位于与顶面72e相同的高度级别。
这样的阻挡层190、191阻碍燃料气体经由积存部122的空余部在歧管61a与燃料气体流道40之间流通。另外,阻挡层190、191的位置并不限定于积存部122的两端,可以任意设定。即,只要在积存部122,形成阻碍燃料气体经由积存部122的空余部在歧管61a与燃料气体流道40之间流通的阻挡层即可。
根据本实施方式,除了第2实施方式的作用、效果之外,还能够抑制积存在积存部122的粘接剂100向歧管61a以及燃料气体流道40流动。另外,不必说明,本实施方式的结构也可以应用于第1实施方式以及第3实施方式的结构。
<变形例>
上述的第1~第3实施方式的燃料电池1也可以应用下面的变形例。
也可以代替粘接剂100,使用制模(mold)材料将单电池2的各部件固定。此时,也能够通过积存部120、122抑制塑模材料流入连通路70。
反应气体的连通路70、72以及80、82也可以形成在隔板22A以及22B上。此时,积存部120以及122也可以形成在隔板22A、22B上。

Claims (9)

1.一种燃料电池,包括:
气体流道,其处于发电区域;
歧管,其处于非发电区域;
气体连通路,其连通所述气体流道与所述歧管,至少在所述气体连通路的附近使用粘接剂;和
粘接剂积存部,其在所述气体连通路的附近,用于抑制粘接剂流入该气体连通路。
2.如权利要求1所述的燃料电池,其中:
还包括密封槽,至少在所述气体连通路的附近,设置有粘接剂;
所述密封槽与所述粘接剂积存部以粘接剂流动的方式连通。
3.如权利要求2所述的燃料电池,其中:
所述粘接剂积存部是比所述密封槽深的槽。
4.如权利要求2或3所述的燃料电池,其中:
包括:至少形成有所述粘接剂积存部以及所述密封槽的第1部件;和
层叠于所述第1部件、通过粘接剂粘接于该第1部件的第2部件,
所述第1部件,具有:形成在所述粘接剂积存部与所述密封槽之间、以粘接剂在它们之间流动的方式连通的连通部,和支撑所述第2部件的支撑部。
5.如权利要求4所述的燃料电池,其中:
所述第1部件是支撑MEA的一部分的框状部件,
所述第2部件是形成有所述气体流道的隔板。
6.如权利要求4所述的燃料电池,其中:
包括:被层叠于所述第2部件的与所述第1部件相反一侧的第3部件;和
密封所述第2部件与所述第3部件之间的密封部件,
所述密封部件的一部分,在所述第1、第2以及第3部件的层叠方向上,位于与所述支撑部相对应并从与所述连通部相对应的位置偏离的位置。
7.如权利要求6所述的燃料电池,其中:
所述第1部件以及所述第2部件是构成第1单电池的部件,
所述第3部件是构成第2单电池的部件。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池,其中:
所述粘接剂积存部,位于所述气体连通路的两侧,沿与所述气体连通路中的气体的流动方向相同的方向延伸。
9.如权利要求8所述的燃料电池,其中:
所述粘接剂积存部,其延伸方向的两端封闭。
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