CN1287579A - 气体扩散电极的引电方法及引电结构 - Google Patents

Abstract

本发明的引电方法是,以催化剂层包住导电性优异的金属网加工材料或海绵状加工材料构成的导电体,或在导电体上安装催化剂层,这样构成气体扩散电极,所述气体扩散电极外围部使导电体露出,将该导电体露出的部分安装在阴极室集电框上并构成电气连接,借助于此,使气体扩散电极与阴极集电框的固定容易,降低连接部的电阻,可以在气体室使用电绝缘的网状片,电解更新时可以只更新气体扩散电极。本发明的引电结构是,阴极集电框形成隔板,将设置于气体扩散电极的气体室一侧的气体室加以分隔,并且在其背面向外凸出安装导电筋,可以减小阴极集电框与阴极室框的电阻,减小电解电压,组装和分解容易。而且在更新电极时可以只更新气体扩散电极。

Description

气体扩散电极的引电方法及引电结构

技术领域

本发明涉及用于离子交换膜食盐电解的氧阴极的气体扩散电极的安装、引电(Leading Electricity)方法及引电结构。

背景技术

已有的从气体扩散电极向阴极集电框引电的引电方法大致使用如下两种。

1．在片状气体扩散电极的情况下，

将气体扩散电极的外围尺寸做成只是有点与阴极室框或板状的阴极集电框(又称为阴极集电盘)的密封垫(gasket)表面搭接的尺寸，使气体扩散电极外围部与阴极室框或阴极集电盘的密封垫表面接触，在其上设置密封垫，对整个电解槽进行安装，将其固紧，也将该接触部固紧，从气体扩散电极通过固紧的接触面向阴极集电框引电。

2．在阴极集电框-气体扩散电极成一整体的情况下，

将做成片状的气体扩散电极的催化剂层放置于安装在阴极集电框上的气体室用的网状体(金属制造，导电性能好)的表面上，将其覆盖，利用压机在高温高压下将催化剂烧结形成催化剂层，同时将所述气体室用的网状体与催化剂层做成一体，以此从气体扩散电极向阴极集电框、阴极室框直接引电。

但是，上述任何一种情况下，从阴极集电框向阴极室框(阴极元件)引电都是把元件集电框焊接在阴极室框上或是使用螺栓等方法进行机械连接。

但是，这样的已有气体扩散电极的安装、引电方法中，存在因其作用功能引起的下述问题。

1．从气体扩散电极的外围部引电

在小型的电解槽中，由于能够确保与反应面积相适应的适当的导电接触面积，因此可以减小接触电流密度，可以减小接触电阻，但是在反应面积为3m²左右的实际电解槽中，不能确保与反应面积相适应的适当的导电接触面积，因此接触电流密度大，接触电阻也变大。特别在大型电解槽中，至少反应面的一边的长度在1m以上，气体扩散电极中的导电体的结构体电阻增大。以上事实说明电解槽运行的经济性不好。而且，在气体扩散电极的强度较小的情况下，由于被密封垫压紧，在该压紧处气体扩散电极破损，发生从该处泄漏氧和氢氧化钠溶液的情况。

2．气体扩散电极、网状片、阴极集电框的一体化

实际电解槽的反应面积是约3m²，为了使气体扩散电极、网状片、阴极集电框构成一整体，需要巨大的压机、模具、升温装置，经济上不合算。而且，高温压制阴极集电框容易使阴极集电框发生热变形，要确保平面精度极其困难。即使能够以高精度实现一体化，也由于反应面积达3m²的成一整体的阴极集电框强度小，呈极其薄弱的状态，要从进行压力加工的工厂搬送到电解槽安装场所是极其困难的。这一问题对于上述“从气体扩散电极的外围部引电”的情况也同样存在。

还有，在气体扩散电极更新的情况下，从阴极集电框很难取下气体扩散电极，因此在更新时阴极集电框和网状片也必须更新，经济上不合算。

实际电解槽的情况下，反应面积是约3m²，使气体扩散电极与阴极集电框构成一整体时需要巨大的压机、压制模具，经济上不合算。

发明内容

本发明是鉴于这样的存在问题而进行的，其目的在于，提供能够满足下述6条重要条件的气体扩散电极的安装、引电方法及引电结构。

1．减小单个气体扩散电极的尺寸，使制作及处理容易进行。

2．通过减小单个气体扩散电极的尺寸，来减小气体扩散电极本身结构体的电阻。

3．使得气体扩散电极和阴极集电框的安装容易，而且减少连接处的电阻。

4．提供的结构能够在更新电极时只更新气体电极部分。而且

5．提供的引电结构能够使阴极集电框与阴极室框方便地组装、拆卸，并能够把阴极集电框结构体的电阻降低到最低限度。

6．由于能够拆卸，在集电框-气体扩散电极成一整体型的情况下，使用能够耐受压力加工的结构的专用夹具，也能够进行这种一体化加工，而且在气体扩散电极更新时，连导电筋一起取下电极，而阴极室框原封不动可以继续使用。

本发明人等为解决上述课题锐意研究的结果表明，以催化剂层包住金属网加工材料或海绵状加工材料构成的导电体，或在其上安装催化剂层，这样构成气体扩散电极，所述气体扩散电极仅在外围部使所述导电性优异的金属导电体露出，利用点焊或激光焊接等焊接方法，将该金属导电体露出部分安装在起着从气体扩散电极到阴极室框的引电媒体作用的阴极集电框上，或将其插入配置于阴极集电框的规定位置的槽中，并埋入楔子，以此进行固定，这样能够解决上述课题。

又发现，在气体扩散电极的阴极集电框的背面安装导电筋，在阴极室框的与电解槽气体扩散电极上述背面的导电筋相对的位置上安装导电性插入配件，将上述背面的导电筋插入上述插入配件，通过这样能够达到上述目的，完成本发明。

也就是说，本发明是由如下所述结构构成的。

本发明涉及一种气体扩散电极的引电方法，其特征在于，除了外围部分外，以催化剂层包住导电性优异的金属网加工材料或海绵状加工材料构成的导电体，或在其上安装催化剂层，这样构成气体扩散电极，所述气体扩散电极仅在外围部露出所述导电体，将该导电体露出部分安装在阴极室集电框上并构成电气连接，构成向阴极元件引电的引电部。

本发明涉及所述气体扩散电极的引电方法，其特征在于，利用焊接方法将导电体露出部分固定于作为向阴极室框导电的起导电体作用的阴极集电框上。

本发明涉及所述气体扩散电极的引电方法，这种方法在将外围部露出的导电体焊接于阴极集电框上加以固定时，在所述导电体上覆盖导电性优异的金属制覆盖材料，以防止焊接时所述导电体手段损伤。

本发明涉及所述气体扩散电极的引电方法，这种方法为了防止外围部露出的导电体的焊接处、即气体扩散电极之间的间隙流入氢氧化钠溶液，利用密封材料将所述间隙加以密封。

本发明涉及所述气体扩散电极的引电方法，其特征在于，在阴极集电框的规定位置上设置从气体室向阴极元件突出的凹槽，在该凹槽内插入导电体露出部分，接着将楔子埋入，以使阴极集电框与气体扩散电极连接。

本发明涉及所述气体扩散电极的引电方法，这种方法中用于楔子上部的、防止从相邻的气体扩散电极的间隙流入氢氧化钠溶液用的密封材料是与气体扩散电极的催化剂层相同的材料。

本发明涉及气体扩散电极的引电结构，这种结构中阴极集电框形成隔板，将设置于气体扩散电极的气体室一侧的气体室加以分隔，并且在其背面向外凸出安装引电用的导电筋。

本发明的气体扩散电极的引电结构，其特征在于，阴极室框是导电体，在与所述阴极集电框的背面的导电筋相对的位置上具有铜或黄铜制造的插入配件。

本发明涉及具有气体扩散电极的电解槽，其特征在于，气体扩散电极具有的引电结构是利用将所述阴极集电框背面的导电筋插入所述阴极室框的插入配件的方法，可以方便地组装及拆卸。

加工成本发明中使用的导电体用的金属网状加工材料或海绵状加工材料的耐碱性、易导电的金属有铂、金、银、镍等，而从经济性的观点出发，则以银、镍较为合适，而从导电性的观点出发，则以银为最理想。

在本发明中，将在气体扩散电极外围部露出的导电体固定于阴极集电框的焊接手段有点焊、激光焊接等方法。从气体扩散电极向阴极集电框引电是通过该焊接固定处进行。还有，焊接线与提供给气体扩散电极的气流垂直时，堵塞了气体室内的气流，因此不能使焊接线与气流垂直。通常在气体室(网状片的间隙)内使气体从上向下流动，因此焊接线在垂直方向上。

在本发明中，通过焊接固定气体扩散电极，可以在气体扩散电极的内侧将气体室内的网状片固定。在网状片是金属的情况下，可以利用点焊或激光焊接等焊接方法将网状片固定在阴极集电框上，这种方法没有什么大的意义，但是在网状片是树脂制品的情况下，利用焊接方法进行固定有困难，而且由于网状片轻，因此这种气体扩散电极焊接固定的手段对于使网状片稳定是有效的。

在本发明中，利用焊接方法将气体扩散电极的外围部露出的导电体固定于阴极集电框时，为了防止在焊接时导电体受到损伤，最好是在导电体上放置银或镍制造的金属圆棒或薄板等覆盖物。

在本发明中，为了防止氢氧化钠溶液流入，将导电体的焊接处和将下述导电体固定于阴极集电框上用的楔子上部、即相邻的气体扩散电极之间的间隙加以密封，该密封用的密封材料只要是耐碱性的密封材料都可以使用，而没有特别限制。例如最好能够使用合成橡胶、合成树脂、特别是变性硅系、聚硫橡胶系等高性能密封材料。但是使用气体扩散电极用催化剂树脂也很理想。

气体扩散电极的纵向尺寸可以与电解槽的高度相同，而横向尺寸考虑到阴极室框导电体的间距、气体扩散电极的导电体的结构体电阻、气体扩散电极的制作及处理等，最好是在400～300mm的范围内。因此电解槽的阴极可以利用将多个宽度窄的单个气体扩散电极(单元)相连的方法，很方便地构成宽度很大的结构。

又，这种气体扩散电极在电极更新时，可以利用切除气体扩散电极的露出于外围部的导电体的方法，只对气体扩散电极进行更新，因此不必去掉整个阴极室框。可以利用焊接再次将新的气体扩散电极固定在所述阴极集电框上以更新电极。

在本发明中的阴极集电框，由于把气体扩散电极的气体室加以分隔的关系，其形状以平板状为理想。这种形状虽然说是平板状，但是在整体上最好是形成作为气体室的凹部。与阴极集电框的气体扩散电极相对的面上隔着兼作气体室隔离物(spacer)的集电网在其与气体扩散电极之间设置气体室，并且在背面安装引电用的导电筋。该导电筋使用的导电性材料只要是导电性优异的金属即可，没有特别限制，但是从经济上考虑，最好是使用与插入配件相同的铜或黄铜。

附图概述

图1是表示本发明气体扩散电极的焊接固定及引电方法的一个例子的剖面说明图。

图2是表示本发明气体扩散电极的焊接固定及引电方法的阴极集电框与阴极室框导电体的点焊工序的剖面说明图。

图3是表示阴极集电框上放置网状片形成气体室的工序的剖面说明图。

图4是表示本发明的气体扩散电极结构的剖面说明图，(a)是在导电体的一个面上安装催化剂层的情况，(b)是导电体夹在催化剂层中的情况。

图5是表示使相邻气体扩散电极外围的导电体露出一端的弯折部重合工序的剖面说明图。

图6是表示图5的导电体露出一端重合部的焊接工序主要部分放大剖面说明图，(a)是不使用覆盖材料的情况，(b)是使用覆盖材料的情况。

图7是表示在图6(a)的焊接工序的后道密封形成工序一个例子的主要部分放大剖面说明图。

本发明的最佳实施方式

下面根据附图对本发明的实施例加以说明。但是本发明不限于这些实施例。

实施例1

下面根据图1对本发明的气体扩散电极的安装、引电方法的一个例子进行全面的说明。

在图1中，电解槽的阴极室框导电体1上利用焊接3安装了镍制的阴极集电框2。这种情况下的焊接是点焊。在阴极集电框2上，为了确保提供氧气的空间，设置网状片6，利用其网眼空间在其与气体扩散电极5之间形成气体室7。该网状片6可以使用金属制品，也可以使用塑料制品。而所述气体扩散电极5如上所述用催化剂层10夹着作为导电体9的金属网加工材料、例如银网而构成，或只在一个面上配置金属网而构成(参照图4)。

构成的该导电体9，只使其外围部分露出于气体扩散电极5的催化剂层10，并使该露出部分从催化剂层10的外围端部弯折，在相邻的气体扩散电极之间每一规定的间隔形成间隙8(参照图3)。相邻的另一气体扩散电极5的导电体9的露出部分也弯折插入该间隙8，被重叠再通过焊接加以固定(这些结构下面将利用图4～图7作详细说明)。而且，插入该间隙8的重叠的两导电体9上，以耐碱性的密封材料12进行密封，以进行气体扩散电极5的焊接固定及引电。还有，13是离子交换膜，14是阳极，15表示氢氧化钠溶液流过的氢氧化钠室。又，箭头表示电流的流动。

接着参照图2～图7按照工序的顺序对上述本发明的气体扩散电极的焊接固定及引电方法加以说明。

首先，如图2所示，在电解槽的阴极室框导电体1上以焊接3(点焊)安装镍制的阳极集电框2。有时为了减小结构体的电阻，还另行设置导电筋4，在该处进行焊接3。

接着，如图3所示，为了确保向气体扩散电极5提供气体用的空间，在阴极集电框2上设置网状片6。该网使用镍制品，而且使用加工成波状的所谓波纹网等。利用网状片6形成的空间构成气体室(气体通过的空间)7。而且该网状片6可以是金属制品也可以是树脂制品。又，不是在阴极集电框2的上面整个面上配置网状片6，而在每一规定的间隔上留出1～5mm左右的间隙8。间隙8最好是在导电筋4的上面。该间隙8的间隔考虑到气体扩散电极5中的导电体9的结构体电阻及气体扩散电极5的安装工作的方便，最好是300～400mm左右。网状片6可以只是放置在阴极集电框2上，但是为了防止偏移，也可以利用激光焊接、点焊等焊接方法或粘接剂等进行固定。

又如图4所示，制作以催化剂层10夹着导电体9、或在其上配置催化剂层10而构成的气体扩散电极5。还在气体扩散电极5周围，如图4(a)、(b)所示只使导电体9露出。而导电体由银网、镍网等金属网加工材料或发泡镍等海绵状金属加工材料构成。

接着如图5所示，将所述气体扩散电极5置于阴极集电框2及气体室7用的网状片6上。这时只是气体扩散电极5的周围的导电体9的部分位于所述网状片6的间隙8(约1～5mm宽度)。只使相邻的气体扩散电极5的导电体9的部分重合，利用点焊或激光焊接等焊接3安装于阴极集电框2。并不一定要重叠，但是要减少焊接点数则最好是重叠。进行焊接3时为了防止损伤非常薄的导电体9(厚度0.2mm左右)，也可以在导电体9上放置银或镍等制作的薄板或圆棒等覆盖材料11，从其上进行焊接3。还有，在进行焊接3之后不必去掉该覆盖材料11(参照图6(a)、(b))。

而且，如图7所示，气体扩散电极的间隙8利用耐碱性的密封剂11进行密封。或者最好是放上气体扩散电极用的催化树脂，再加热、加压，与气体扩散电极5做成一体。在这种情况下，如果有覆盖材料11，就少使用密封剂12，而且覆盖材料11具有固定密封剂12的作用，所以最好是使用覆盖材料10。

利用这样的方法，从阳极14经过离子交换膜13流过来的电经过在氢氧化钠室15流动的氢氧化钠，通过气体扩散电极5，流过气体扩散电极5的导电体9，再从导电体9端部流入阴极集电框2，最终流入阴极室框导电体1。

试验例1

以下述电解槽的规格及运行条件进行试验，其结果是，电解电压可以采用显著偏低的2.00V。

反应面尺寸       ：W100mm×H600mm(反应面积：6dm²)

阳极             ：ペルメレック电极株式会社DSE

阴极             ：气体扩散电极(用2块W50mm×H600mm电极焊接固定)

网状片           ：镍制波纹状网(将镍制网加工成波纹状的网)

离子交换膜       ：フレミオン893(旭硝子株式会社)

电解电流密度     ：3KA/m²

运行温度         ：90℃

氢氧化钠浓度     ：32重量％NaOH

盐水浓度         ：210g NaCl/升

实施例2

图8表示具有本发明的气体扩散电极的电解槽的部分横剖面图。其阴极集电框4的形态是平板状的，在规定的位置上具有利用压制成型做成从气体室7向阴极元件凸出的形状的槽16。由于图8是横剖面图，所以槽16是在上下方向上延伸的。

而且，已有的阴极集电框，其形态是平板状的，而且其中央像飞碟那样凹下去，因此也称为阴极集电盘。在本发明中，构件2为平板状，起着阴极集电作用，因此仿照以往的名称被称为阴极集电框。

和实施例1一样，使只有气体扩散电极5的外围部露出的导电体9从催化剂层10的外围端部弯折，插入所述凸起状的槽16中。相邻的另一气体扩散电极5的导电体9的外围部的露出端部(称为“露出部”)也弯折插入该槽16。而且，插入槽16的导电体9的露出部与露出部之间插入金属制、最好是镍制的楔子17，将导电体9紧压在阴极集电框2的槽16的内壁上使其接触。又在所述楔子17上以耐碱性的密封材料12进行密封，以防止氢氧化钠溶液进入，这样进行气体扩散电极5的安装及引电。还有，13是离子交换膜(IEM)，14表示阳极。

如图9所示，制作将导电体9放在中间，以催化剂层10包覆两面的气体扩散电极5。这时使导电体9的端部露出在气体扩散电极5的外围部，在端部将该露出部弯折。这时制作的气体扩散电极5的宽度作为所述阴极集电框2的槽16与槽16之间的长度。又，导电体9端部弯折的露出部分长度大致等于槽16的深度。

接着，如图10所示，将所述气体扩散电极5置于阴极集电框2及气体室的网状片6上，将气体扩散电极外围的导电体9的两个端部弯折部分别插入阴极集电盘的槽16。而且，插入槽16的导电体9的端部与端部之间插入楔子17，将导电体9紧压在阴极集电框2的槽16的壁上使其接触。

还有，那时在楔子17上，如图11所示以耐碱性的密封材料进行密封。或者最好是放上与气体扩散电极的材料相同的催化剂，再加热、加压，与气体扩散电极做成一体。以此可以防止电解液直接从楔子17的地方进入气体室，或气体室发生漏气。

又，关于阴极集电框2的槽16的形状及楔子17的形状和材料，除了上面所述外，还可以如图12所示，槽16的形状做成底部开放的倒三角形屋顶的形状，楔子17的形状做成三角形，并且材料使用PTFE(polytetrafluoroethylene；聚四氟乙烯)，通过这样，利用运行温度下PTFE的膨胀能够对阴极集电框2与气体扩散电极的导电体9增加压紧力。

试验例2

以下述电解槽的规格及运行条件进行试验，其结果是，电解电压可以采用显著偏低的2.01V。

反应面尺寸            ：100×600mm(反应面积：6dm²)

阳极                  ：ペ ルメレック电极株式会社DSE

阴极                  ：气体扩散电极

离子交换膜            ：フレミオン893(旭硝子株式会社)

电解电流密度          ：3KA/m²

运行温度              ：90℃

氢氧化钠浓度          ：32重量％NaOH

盐水浓度              ：210g NaCl/升

实施例3

图13只表示出电解槽中本发明的气体扩散电极的安装、引电结构部分，而且是表示出其安装、引电结构部分横向切断的横向剖面图。因此气体扩散电极5和阴极室框导电体1等全部相对于纸面位于上下方向。

在图13中，为确保提供氧气的空间，紧接阴极集电框2的凹面侧设置兼作气体室空间的集电网18，在与气体扩散电极5之间形成气体室7。而且还在阴极集电框2的凸起的背面向外凸出安装引电用的导电筋4。

另一方面，在阴极室框导电体1的表面上，在与所述阴极集电框2的背面的导电筋4相对的位置上，利用螺杆20安装着插入配件19。所述导电筋4及插入配件19两者都是铜或黄铜制的，从导电性和经济上看来都是理想的。

图14表示将阴极集电框2的背面筋4插入阴极室框1的导电体上安装的插入配件19后气体扩散电极电解槽的组装状态的剖面。这样，阴极集电框2与阴极室框1可以很容易地组装，只要把背面的导电筋4插入插入配件19即可。由于图14是横剖面图，是从上面看横向切断的装置，因此阴极集电框2等并不是向着纸面的上方。

这样，从阳极通过交换膜(两者均省略)流过来的电通过气体扩散电极5，流过网18，再流向阴极集电框2，经过导电筋4及插入配件19，最后流入阴极室框导电体1。又，拆卸时也只要简单地将导电筋4从插入配件19拔出即可。而且插入配件19可以利用螺杆20，与阴极集电框2完全无关地、不受任何妨碍地、自由而且牢固的安装在阴极室框1上。

试验例3

以下述电解槽的规格及运行条件进行试验，其结果是，电解电压可以采用显著偏低的2.03V。

反应面尺寸       ：600×1200mm(反应面积：72dm²)

阳极             ：ペルメレック电极株式会社DSE

阴极             ：气体扩散电极

离子交换膜       ：フレミオン893(旭硝子株式会社)

电解电流密度     ：30A/dm²

运行温度         ：90℃

氢氧化钠浓度     ：32重量％NaOH

盐水浓度         ：210g NaCl/升

工业应用性

本发明的引电方法中，将只从气体扩散电极的外围部露出的所述导电体在露出端弯折，与相邻的气体扩散电极之间形成间隙，在该间隙中将相邻另一气体扩散电极露出的所述导电体弯折端部，(1)重叠后进行焊接，或(2)插入设置在阴极集电框的规定位置的槽内，再埋入楔子，以此使所述导电体固定于阴极集电框的内壁，使其接触，因此可以减少接触部分的电阻，显著降低电解电压。

而且在更新电极时，可以利用切断去除露出于气体扩散电极外围部的导电体的方法，只将气体扩散电极加以更新，因此，与已有的气体扩散电极的安装、引电方法相比，在经济上也极其有利。

又，采用本发明的导电结构，不仅能够降低阴极集电框与阴极室框的电阻，显著降低电解电压，而且能够方便地组装、拆卸。并且在更新电极时可以只更新气体扩散电极，因此，与已有的气体扩散电极的安装、引电方法相比，在经济上也极其有利。

Claims (9)

1．一种气体扩散电极的引电方法，其特征在于，除了外围部分外，以催化剂层包住导电性优异的金属网加工材料或海绵状加工材料构成的导电体，或在其上安装催化剂层，这样构成气体扩散电极，所述气体扩散电极仅在外围部露出所述导电体，将该导电体露出部分安装在阴极室集电框上并构成电气连接，构成向阴极元件引电的引电部。

2．根据权利要求1所述的气体扩散电极的引电方法，其特征在于，利用焊接方法将导电体露出部分固定于作为向阴极室框导电的起导电体作用的阴极集电框上。

3．根据权利要求2所述的气体扩散电极的引电方法，其特征在于，在将外围部露出的导电体焊接于阴极集电框上加以固定时，在所述导电体上覆盖导电性优异的金属制覆盖材料，以防止焊接时所述导电体损伤。

4．根据权利要求2所述的气体扩散电极的引电方法，其特征在于，为了防止外围部露出的导电体的焊接处、即气体扩散电极之间的间隙流入氢氧化钠溶液，利用密封材料将所述间隙加以密封。

5．根据权利要求1所述的气体扩散电极的引电方法，其特征在于，在阴极集电框的规定位置上设置从气体室向阴极元件突出的凹槽，在该凹槽内插入导电体露出部分，接着将楔子埋入，以使阴极集电框与气体扩散电极连接。

6．根据权利要求2所述的气体扩散电极的安装、引电方法，其特征在于，用于所述楔子上部的、防止从相邻的气体扩散电极的间隙流入氢氧化钠溶液用的密封材料是与气体扩散电极的催化剂层相同的材料。

7．一种气体扩散电极的引电结构，其特征在于，阴极集电框形成隔板，将设置于气体扩散电极的气体室一侧的气体室加以分隔，并且在其背面向外凸出安装引电用的导电筋。

8．一种气体扩散电极的引电结构，其特征在于，阴极室框是导电体，在与权利要求7的阴极集电框背面导电筋相对的位置上具有铜或黄铜制造的插入配件。

9．一种电解槽，其特征在于，具有有引电结构的气体扩散电极，所述引电结构利用将权利要求7的阴极集电框背面的导电筋插入权利要求8的插入配件的方法，可以方便地组装及拆卸。

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