JP2004349247A - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒循環流路内に空気が混入するのを防ぐ。
【解決手段】 燃料電池１と、冷却用熱交換器２と、前記燃料電池と、前記燃料電池１の出口から、前記燃料電池の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器２を介して前記燃料電池の入口へ前記冷媒を循環させる循環流路と前記燃料電池１へ供給する空気の一部または燃料電池から排出された空気の一部を導入する空気圧信号配管および前記循環流路の冷媒の一部を導入する配管と接続されて、前記冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクとを備えた燃料電池の冷却装置であって、前記タンク内の冷媒量を検出するための冷媒量検出手段と、前記燃料電池１へ供給される空気または前記燃料電池１から排出される空気の圧力を制御するための空気圧制御手段５とを有しており、前記冷媒量検出手段で検出した冷媒量に応じて前記空気圧制御手段５は空気の圧力を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の冷却装置に関する。より詳しく述べると、冷媒を蓄えておくことが可能なタンクを有する燃料電池の冷却装置に関する。

一般に、燃料電池システムは、固体高分子膜（電解質膜）を挟んで一方側にカソード電極を区画し、他方側にアノード電極を区画して構成されており、カソード電極に供給される空気中の酸素と、アノード電極に供給される水素との化学反応によって発電する電力で外部負荷を駆動するシステムである。

このような燃料電池の冷却装置として、特許文献１には、冷媒循環流路のガス抜け性を良好とし、前記燃料電池に対する冷媒の入口圧力を入口許容圧力以下に維持するために、燃料電池内を冷却すべく燃料電池の冷媒の入口と出口とに冷媒を循環させるための冷媒循環流路を接続し、この冷媒循環流路に冷媒を循環すべく循環ポンプを取り付けた燃料電池の冷却装置において、前記冷媒循環流路の相対的に圧力の高い部分に気液分離部を形成するとともに、この気液分離部にガス抜き通路を介してタンク（圧力バランスタンク／リザーブタンク）を連通し、このタンクと前記冷媒循環流路の相対的に圧力の低い部分とを冷媒戻し通路を介して連通し、前記ガス抜き通路または前記冷媒戻し通路のうち、前記燃料電池に対する冷媒の入口より遠い側の位置に連通されている方の通路に絞りを設定した燃料電池の冷却装置が開示されている。なお、圧力バランス容器としては、特許文献１のほかに特許文献２が知られている。
特開２００２−１２４２６９号公報 特開２００３−０３１２５１号公報

冷媒を蓄えておくことが可能なタンクを有する燃料電池の冷却装置では、長期間利用しているとタンク内の冷媒の流量が減少することがある。特に燃料電池へ供給する空気の圧力と燃料電池へ供給される冷媒との圧力との差（差圧）を所定の圧力範囲に抑えるために、燃料電池へ供給される空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を、タンクの冷媒に印加することで、差圧を維持する方法が検討されているが、タンク内の冷媒に直接空気を印加した場合、前記した差圧は維持できるものの、タンク内の冷媒量が減少している場合は、その印加した空気の圧力によって、タンク内の冷媒が、冷媒循環流路内に押し込まれ、冷媒循環流路内の冷媒に空気が混入し、冷却性能が低下するという問題があった。

従って、本発明の課題は、冷媒を蓄えておくことが可能なタンクを有する燃料電池の冷却装置において、タンク等の水面が低下した場合に冷媒循環流路内に空気の混入を防ぐことができる燃料電池の冷却装置を提供することである。

前記課題を解決する本発明は、アノード極に燃料ガス、カソード極に空気中の酸素の供給を受けることによって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の冷媒を冷却するための冷却用熱交換器と、
前記燃料電池の出口から、前記燃料電池の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器を介して燃料電池の入口へ前記冷媒を循環させる循環流路と、
前記燃料電池へ供給する空気の一部または燃料電池から排出された空気の一部を導入する空気圧信号配管および前記循環流路の冷媒の一部を導入する配管と接続されて、前記冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクと、
を備えた燃料電池の冷却装置であって、
前記タンク内の冷媒量を検出する冷媒量検出手段と、
前記燃料電池へ供給される空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を制御する空気圧制御手段とを有しており、
前記冷媒量検出手段で検出した冷媒量に応じて前記空気圧制御手段は空気の圧力を制御することを特徴とするものである（請求項１）。

このように構成することで、燃料電池へ供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせることができるとともに、タンク内の冷媒量を検出するための冷媒量検出手段により冷媒量を検出して、タンク内の冷媒量に応じて燃料電池へ供給される空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を制御することができるので、タンク内に導入される空気の量を制御することができる。

また本発明の冷却装置において、前記冷媒量が所定値未満の場合は、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気の圧力または前記燃料電池から排出される空気の圧力を所定の上限値を超えないように制御することを特徴とする（請求項２）。

このように構成することによって、タンク内の冷媒量が所定の量よりも少ない場合は、燃料電池へ供給する空気の圧力を制限することで、タンクへ導入される空気の量を制限することができる。

さらに、本発明の冷却装置において、前記冷媒量が少ない程、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を低くすることを特徴とする（請求項３）。
このように構成することによって、タンク内の冷媒量が減少している程、燃料電池へ供給する空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を低くするので、タンクへ導入される空気の量を制限することができる。

本発明に係る燃料電池の冷却装置は、以下の優れた効果を奏する。
請求項１によると、燃料電池へ供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせることができるとともに、タンク内の冷媒量を検出するための冷媒量検出手段により冷媒量を検出して、タンク内の冷媒量に応じて燃料電池へ供給される空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を制御することができるので、タンク内に導入される空気の量を制御することができ、冷媒循環流路内にタンク内の気体が混入することを防止することができ、燃料電池の冷却性能の低下を防止することができる。また、空気が冷媒に混入することを防止できるので、冷却水を循環するポンプでのエア噛みなどを防止することができる。
請求項２によると、タンク内の冷媒量が所定の量よりも少ない場合は、燃料電池へ供給する空気の圧力を制限することで、タンクへ導入される空気の量を制限することができ、確実にタンク内の気体が冷媒循環流路内に混入することを防止することができる。
請求項３によると、タンク内の冷媒量が減少している程、燃料電池へ供給する空気の圧力または燃料電池から排出される空気の圧力を低くするので、タンクへ導入される空気の量を制限することができ、確実にタンク内の気体が冷媒循環流路内に混入することを防止することができる。

以下、本発明に係る実施の形態を添付図面に基づいて説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。図１は、本発明に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図であり、図２は、本発明の燃料電池の冷却装置を車両に搭載した場合のレイアウトを示す略式断面図であり、図３は、サーモスタットの構造を示す断面図である。

（燃料電池の冷却装置）
まず、図１および図２を用いて本発明に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する。
図１に示す通り、本発明の燃料電池の冷却装置Ｓは、燃料電池１、冷媒の冷却用熱交換器であるラジエータ２およびサーモスタット４およびこれらを接続する配管Ｐ１、Ｐ２を備えた冷媒循環流路とタンク３とから主として構成されている。
本発明の燃料電池の冷却装置は、例えば図２に示す通りに車両Ｖ内に配置されている。

（燃料電池）
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んだ燃料電池セルをさらにセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。アノード電極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極の触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。この反応は発熱反応であり、その燃料電池の温度は反応効率を確保するために、セパレータにおけるアノード電極またはカソード電極の反対側の面に冷媒を循環することで７０℃前後に維持される。燃料電池の発電電力は図示しない燃料電池自動車の走行用モータに供給され、車両Ｖを駆動する。

燃料電池１は、エアコンプレッサＡ／Ｃから配管を介して空気を導入するための空気導入口ＡＩＲ ＩＮと、発電に使用した空気を系外に排出する空気排出口ＡＩＲ Ｏｕｔと、水素導入口Ｈ₂ＩＮと、水素排出口Ｈ₂ＯＵＴ、発電により加熱された燃料電池１を冷媒により冷却するための冷媒導入口Ｃｏｏｌａｎｔ Ｉｎと燃料電池１を冷却後に加熱された冷媒を排出するための冷媒排出口Ｃｏｏｌａｎｔ Ｏｕｔを有する従来公知の燃料電池システムである。
また、本燃料電池システムにおいては、ＥＣＵ５を設け、燃料電池の出力要求信号に応じてエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）を制御することで、燃料電池１へ供給される空気の圧力を制御している。前記ＥＣＵ５は、タンク３内に設けた水位センサ３７および冷媒循環流路の燃料電池入口部に設けた圧力センサＰｓ、燃料電池出口部に設けた温度センサＴｓ等の信号を入力することが可能で、これらのセンサの信号によってエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）を制御して、燃料電池１へ供給される空気の圧力を制御する空気圧制御手段として機能する。

（ラジエータ）
ラジエータ２は、燃料電池１を冷却することによって加熱された冷媒を冷却するための熱交換装置（燃料電池１を冷却する冷媒を冷却するための冷却用熱交換器）であって、冷媒排出口からの加熱された冷媒を導入するための導入口２０ｉｎと、ラジエータ２により冷却した冷媒を排出するための排出口２０ｏｕｔと、タンク３側への複数の冷媒の排出口２１ｏｕｔ，２１ｏｕｔを備えている。排出口２１ｏｕｔはラジエータ２の上部に設けられ、冷媒循環流路を流れる冷媒の一部とともに循環流路に溜まっていた空気等の気体が排出されやすくなっている。

（タンク）
本実施形態におけるタンク３は、冷媒の一部を蓄える他に、冷却系の圧力バランスを図るための容器である（燃料電池へ供給する空気または燃料電池から排出された空気の少なくとも一部を導入する空気圧信号配管と接続されて、かつ前記循環流路の冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクであって、圧力バランスタンクまたはリザーブタンクとも言う）。タンク３は、図２における車両Ｖの前方部（ボンネット下）に配置され、車外からメンテナンス可能に設けられている。本発明の好ましい実施形態において、タンク３は、冷却システム全体の冷媒の熱による膨張・収縮や圧力応答による容積変動を吸収できるだけの冷媒保有容積と空気室保有容積を有している。
このタンク３は、冷媒および空気を収納するためのタンク本体３２と、タンク本体３２の上部に設けられた冷媒混入防止用の小部屋３１と、ラジエータ２側からの冷媒の導入口３３と、サーモスタット４側へ冷媒を排出する冷媒の導出口３４とから主として構成され、さらにエアコンプレッサＡ／Ｃとの間で空気圧を調整するための配管（空気圧信号配管）Ｐａと接続するための空気穴３５を有している。

（サーモスタット）
サーモスタット４は、後記するＣｏｏｌａｎｔ Ｉｎとラジエータ２の冷媒排出口２０ｏｕｔとの間の配管Ｐ２に設けられ、かつタンク３側からの配管Ｐ４と接続されている。また、サーモスタット４は、ラジエータ２側（Ｐ２側）からの冷媒とバイパス配管側（Ｐｂ側）からの冷媒とを、冷媒温度に応じて流量調整して下流の燃料電池１側へと送るバルブである。
図３に示す通り、サーモスタット４は、燃料電池１側への冷媒出口と、ラジエータ２、タンク３およびバイパス配管Ｐｂと接続された冷媒の入口と、冷媒の温度に感応してこれらの出入口を開閉するための感温部とから構成されている。そして、始動時等のサーモスタット４内に導入された冷媒が低温時にはラジエータ２側からの冷媒入口を塞いでバイパス配管Ｐｂ側とタンク３側からの冷媒を循環させる（バイパス）。燃料電池が始動して温度が比較的高くなると（中温時）、サーモスタット４の感温部は、冷媒温度に応じて所定量だけ下側に移動して、ラジエータ側からの通路を所定量開き、バイパス配管Ｐｂ、ラジエータ２およびタンク３からの冷媒を合わせて燃料電池１側へと送る。そして、燃料電池が発電して冷媒温度が上昇すると（高温時）、サーモスタット４の感温部はさらに下側に移動してバイパス配管Ｐｂ側を塞ぎ、一方ラジエータ側の入口を全開にする。
このように、サーモスタット４は、サーモスタット４内の冷媒の温度に応じて入口を開閉して所定温度の冷媒を燃料電池１側へ排出する構成を有している。

（配管）
次に本実施形態に係る燃料電池の冷却装置Ｓにおける配管について、冷媒および空気の流れとともに説明する。
図１に示す通り、本発明の冷却装置Ｓにおいて、燃料電池１を冷却して加熱された冷媒は、配管Ｐ１上に配置されたウォータポンプＷ／Ｐにより、燃料電池１の冷媒排出管Ｃｏｏｌａｎｔ Ｏｕｔから排出され、配管Ｐ１を通って、ラジエータ２の導入口２０ｉｎからラジエータ２内に至る。
次いで、ラジエータ２内で所定温度に冷却された冷媒は、サーモスタット４を介して配管Ｐ２を通って燃料電池１へと戻されて、循環利用される。

また、燃料電池１とラジエータ２との間で冷媒を循環する冷媒循環流路（Ｐ１，Ｐ２）中の空気とラジエータ２の上部に溜まっていた空気が配管Ｐ３からタンク３へ導入される。配管Ｐ３は一端をラジエータ２の上部に接続され、他端をタンク３内に蓄えられている冷媒の水位（液面）よりも下部に接続されている。タンク３によって冷媒に混ざっている空気等の気体と冷媒とで気液分離を行う。
また、燃料電池１に供給される空気と冷媒の圧力をバランスさせるために（差圧の維持のために）、タンク３は、エアコンプレッサＡ／Ｃから燃料電池１へ空気を導入する配管（ＩＮ側）の途中から分岐されて伸びる配管（空気圧信号配管）Ｐａと接続されている。タンク３は、この空気圧信号配管Ｐａと接続されているため、タンク３内での冷媒の圧力は燃料電池１へ供給される空気の圧力と実質等しくなり（応じたものになり）、その後冷媒が配管Ｐ４により冷媒循環流路（配管Ｐ３）に戻る際に冷媒循環流路を流通することによって圧力損失が生じるが、その圧力損失は冷媒循環流路内の冷媒の圧力によらずほぼ一定なため、燃料電池１へ供給される冷媒の圧力と燃料電池１へ供給される供給空気との圧力差は、その圧力損失の分だけ冷媒の圧力が供給空気の圧力よりも低くなるようになっている。つまり、燃料電池１へ供給される供給空気の圧力よりも、燃料電池１へ供給される冷媒の圧力は、配管Ｐ４での冷媒の圧力損失分＋サーモスタット４での冷媒の圧力損失分＋サーモスタット４よりも下流側の配管Ｐ２での冷媒の圧力損失分だけ、低くなる。このように構成することによって、積層構造に構成された燃料電池スタック内での冷媒循環流路と供給空気流路の圧力差を所定の範囲に保っている。

以上の構成を有する燃料電池の冷却装置Ｓにおいて、タンク３の水位の調整について説明する。
（冷媒量検出手段）
本実施形態に係る燃料電池の冷却装置Ｓにおいて、タンク３内の冷媒量を測定することを特徴としている。
タンク３内の冷媒量を測定するために、タンク３は水位センサ３７を有している。水位センサ３７は、タンク中に収納された冷媒の量を測定する手段であり、そしてタンク３の重量または水位量からタンク３内の冷媒量を検出するものである。このような水位センサ３７として、燃料計等の従来自動車分野に公知の水位センサを、本発明に適用することが可能である。

本発明の好ましい実施の形態として、冷媒量の検出手段としては、水位センサ３７に加えてタンク３内の圧力を測定する圧力センサＰｓと、タンク内の冷媒温度を測定する温度センサＴｓと、ＥＣＵ５とから構成されている。すなわち、温度センサＴｓとＥＣＵ５とから構成された冷媒量検出手段は、水位センサ３７で検出した冷媒量を、タンク３内の圧力、すなわち、冷媒の圧力と冷媒の温度から、ＥＣＵ５に記憶されているマップ検索により補正して適正水位を算出する。

（動作）
以上説明した、本実施形態に係る燃料電池の冷却装置について図４〜図７に基づいて説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池の冷却装置の動作を示すフローチャートであり、図５は、本実施形態に係る電池の冷却装置において温度と負荷圧力に基づいて冷媒の水量を補正するためのマップの一例を示す図面であり、図６は、本発明に係る電池の冷却装置において許容圧力と水量との関係を示すマップの一例を示す図面であり、そして図７は、本発明に係る電池の冷却装置において燃料電池システムが要求するシステム要求最低圧力と電流との関係を示すマップの一例を示す図面である。

まず、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて（図１参照）、温度センサＴｓにより冷媒の温度（℃）を測定し（Ｓ１）、水位センサ３７により冷媒量（ｃｃ）を測定し（Ｓ２）、そして圧力センサＰｓによりタンク３内の冷媒圧力（ｋＰａ）を測定する（Ｓ３）。

次いで、これらの測定した温度および圧力に基づいて、冷媒の水量を補正する（補正水量算出：Ｓ４）。冷媒の水量の補正は、例えば図５に示すような補正水量マップに基づいて行われる。図５に示すマップでは、例えば−３０℃の低温域と、２５℃の中温域と８０℃の高温域での負荷圧力と補正水量（ｃｃ）を示している。
図５に示す通り、Ｓ２で測定した圧力が同じである場合に温度が高くなるにつれて水量の補正量（−Δ）が大きくなる。

次いで、Ｓ４で補正したタンク水量（補正タンク水量）が所定値である下限水位（例えば２００ｃｃ）未満であるか否かを判定する（補正水量＜所定値：Ｓ５）。
この補正タンク水量が所定値以上である場合（Ｎｏ）には、燃料電池システムを通常運転させる（Ｓ６）。
一方、この補正タンク水量が所定値未満である場合（Ｙｅｓ）には、ＥＣＵ５は、燃料電池システムを圧力制限モードに切り替える（Ｓ７）。

圧力制御モードにおいて、ＥＣＵ５は、Ｓ１で測定した冷媒温度とＳ４で補正したタンク内水量に基づいて最高許容圧力（上限値）を算出する（Ｓ８）。
Ｓ８における最高許容圧力の算出は、例えば図６に示すようなマップに基づいて行われる。図６に示す通り、補正後のタンク内水量が少なくなるにつれて最高許容圧力（ＫＰａＧ）が低くなる。また温度が低温になるに従って、図６に示す直線の勾配が大きくなる。

次いで、Ｓ８で算出した最高許容圧力が燃料電池システムのアイドリング要求最低圧力未満であるか否かを判定する（Ｓ９）。
Ｓ９において、最高許容圧力が燃料電池システムのアイドリング要求最低圧力未満である場合（Ｙｅｓ）、システムを停止する（Ｓ１０）。

また、Ｓ９において、最高許容圧力が燃料電池システムのアイドリング要求最低圧力以上である場合（Ｎｏ）、次いで算出した最高許容圧力で、所定の電流（現時点での電流）を流せるか否かを判定する（Ｓ１１）。Ｓ１１の判定は、例えば図７に示す通りのシステム要求圧力と電流との関係を示すグラフから算出する。

Ｓ１１において、算出した最高許容圧力で、所定の電流（現時点での電流）を流せる場合（Ｙｅｓ）、圧力のみを制限して発電を行う（Ｓ１２）。このとき空気圧制御手段として図１におけるＥＣＵ５を使用してエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）を制御することで燃料電池１へ供給する空気の圧力を制御する。一方、Ｓ１１において、算出した最高許容圧力で、所定の電流（現時点での電流）を流せない場合（Ｎｏ）、圧力および電流を制限して発電を行う（Ｓ１３）。

このように構成された本実施形態に係る燃料電池の冷却装置は、タンク３内の冷媒量を常に監視しているので、タンク３内の冷媒量が不足している場合でも、タンク３内の冷媒全てを冷媒循環流路（配管Ｐ２）内に押し込んでも足りずにさらに気体（タンク３内の気体）を押し込むことがなくなるので、冷媒循環流路内にタンク３内の気体が混入することがなくなり、燃料電池１の冷却性能の低下が抑制できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図１の欄外に示すとおり、本実施形態では空気圧信号配管Ｐａを燃料電池１へ供給する空気の配管と接続したが、この空気圧信号配管Ｐａを燃料電池１から排出される空気の配管と接続してもよい。
また、図１に示すＥＣＵ５によってエアコンプレッサＡ／Ｃの回転数（回転速度）によって制御する代わりに、図１の欄外に示す通りに、空気圧制御手段として燃料電池１の下流に圧力制御弁（ＣＶ）を設けて、ＥＣＵ５からの信号によって燃料電池１へ供給される空気または燃料電池１から排出される空気の圧力を制御することもできる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池の冷却装置を車両に搭載した場合のレイアウトを示す略式断面図である。 サーモスタットの構造を示す断面図である。 燃料電池の冷却装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池の冷却装置において温度と負荷圧力に基づいて冷媒の水量を補正するためのマップの一例を示す図面である。 本発明の一実施形態に係る電池の冷却装置において許容圧力と水量との関係を示すマップの一例を示す図面である。 本発明の一実施形態に係る電池の冷却装置において燃料電池システムが要求するシステム要求最低圧力と電流との関係を示本発明の別の実施形態に係る燃料電池の冷却装置の概略を説明する模式図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ ラジエータ
３ タンク
４ サーモスタット
５ ＥＣＵ
３７ 水位センサ

Claims (3)

1. アノード極に燃料ガス、カソード極に空気中の酸素の供給を受けることによって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の冷媒を冷却するための冷却用熱交換器と、
   前記燃料電池の出口から、前記燃料電池の冷却によって加熱された冷媒を冷却する冷却用熱交換器を介して前記燃料電池の入口へ前記冷媒を循環させる循環流路と、
   前記燃料電池へ供給する空気の一部または燃料電池から排出された空気の一部を導入する空気圧信号配管および前記循環流路の冷媒の一部を導入する配管と接続されて、前記冷媒の一部を蓄えておくことが可能なタンクと、
   を備えた燃料電池の冷却装置であって、
   前記タンク内の冷媒量を検出する冷媒量検出手段と、
   前記燃料電池へ供給される空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を制御する空気圧制御手段とを有しており、
   前記冷媒量検出手段で検出した冷媒量に応じて前記空気圧制御手段は空気の圧力を制御することを特徴とする燃料電池の冷却装置。
2. 前記冷媒量が所定値未満の場合は、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気の圧力または前記燃料電池から排出される空気の圧力を所定の上限値を超えないように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。
3. 前記冷媒量が少ない程、前記空気圧制御手段は、前記燃料電池へ供給する空気または前記燃料電池から排出される空気の圧力を低くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の冷却装置。

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