JP2007309574A - 加湿器およびそれを備える燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に供給される酸化ガスと燃料電池から排出された酸化オフガスとの間で行われる水分交換の効率向上を図る。
【解決手段】複数の中空糸膜１０１が中空筒形に束ねられてなる中空糸膜モジュール１００と、中空糸膜モジュール１００を収容するケーシング２００と、を備え、中空糸膜モジュール１００の外周面とこれに面するケーシング２００の内周面２０８との間に、酸化オフガスが導入されるチャンバ２０５を有する。ケーシング２００の内周面２０８の少なくとも一部は、中空糸膜モジュール１００の長さ方向から見たときに、インボリュート曲線をなしており、チャンバ２０５は周方向一方に進むにつれて徐々に狭くなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、加湿器およびそれを備える燃料電池システムに関し、加湿器で行われる水分交換の効率向上に有効な技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池に、燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに空気を加圧供給し、燃料電池において燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させる。

上記の燃料電池システムには、燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する装置として、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料電池から排出された酸化オフガスとの間で水分交換を行う加湿器を備えたものがある。

加湿器の一例として、多数の中空糸膜を束ねた中空糸膜モジュールを用いたものが知られている。この種の加湿器は、中空糸膜の毛管作用を利用して、中空糸膜の内側を流れる酸化オフガスから水分を分離して中空糸膜の外側に移動させ、その水分を中空糸膜の外側を流れる酸化ガスに与えることによって酸化ガスを加湿する（例えば、下記の特許文献１，２，３参照）。
特開２００４−２４５４５６号公報 特開２００１−２０２９７６号公報 特開２００２−１４７８０２号公報

ところで、従来の加湿器において、中空糸膜モジュールに形成される酸化ガスの流路は、同モジュールの内部よりも表層部のほうが圧力損失が小さいため、中空糸膜モジュールに流れ込んだ酸化ガスは、圧力損失が小さい表層部を流れる傾向が強い。したがって、中空糸膜モジュールの表層部では酸化ガスとオフガスとの水分交換が盛んに行われるが、同モジュールの内部では酸化ガスとオフガスとの水分交換が十分に行われず、結果的に中空糸膜モジュールの能力が十分に活かされないという問題がある。

そこで、本発明は、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料電池から排出された酸化オフガスとの間で行われる水分交換の効率向上を図ることができる加湿器および加湿器を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の加湿器は、中空糸膜の内側と外側とにそれぞれ水分含有量の異なるガスを流し、これらガス間で水分交換を行うことにより、水分含有量の相対的に少ないガスを加湿する加湿器であって、複数の前記中空糸膜が中空筒形に束ねられてなる中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュールを収容するケーシングと、を備え、前記中空糸膜モジュールの外周面とこれに面する前記ケーシングの内周面との間に、前記水分含有量の異なるガスの一方が導入される隙間を有すると共に、この隙間が周方向一方に進むにつれて徐々に狭くなるものである。

前記内周面の少なくとも一部は、前記中空糸膜モジュールの長さ方向から見たときに、インボリュート曲線の形状をなしてもよい。この場合には更に、前記中空糸膜モジュールが中空円筒形をなすと共に、その軸心が前記インボリュート曲線の基礎円の中心と一致していてもよい。

前記水分含有量の異なるガスの一方は、前記隙間の最も広い箇所に流入し、前記中空糸膜モジュールをその外周面側から内周面側の中空部に向かって流通した後、この中空部を通って当該中空糸膜モジュールの外部に流出するようにしてもよい。

前記水分含有量の異なるガスの一方は、前記インボリュート曲線をなす内周面の接線方向と平行に導入されてもよい。以上の構成において、前記水分含有量の異なるガスの一方は、水分含有量の相対的に多い方のガスでもよい。

上記の構成によれば、中空糸膜モジュールの外周面とこれに面するケーシングの内周面との間に形成された隙間が、中空糸膜モジュールあるいはケーシングの周方向に進むにつれて徐々に狭くなる、言い換えれば、当該隙間における圧力損失が大きくなるので、当該隙間に導入されたガスは中空糸膜モジュールの外側から内側にガスが流れ込み易くなる。

このとき、当該隙間に導入されたガスは、当該隙間の広い部分から狭い部分に向けて、中空糸膜モジュールの周囲を回るように供給されるので、同モジュールの周方向のどの位置からも満遍なくガスが押し込まれる。これにより、中空糸膜モジュールの周方向のどの位置においても、水分交換が偏りなく行われる。そして、各中空糸膜の間に押し込まれたガスは、中空糸膜モジュールの内側の中空部（空間）に流れ込み、滞ることなく加湿器から排出される。

本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスを前記燃料電池から排出された酸化オフガスにて加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、前記加湿器として、上記構成からなる加湿器が用いられたものである。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料電池から排出された酸化オフガスとの間で水分交換が効率よく行われ、燃料電池に加湿された酸化ガスが安定して供給されるので、燃料電池の発電効率を高めることができる。

本発明の加湿器によれば、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料電池から排出された酸化オフガスとの間で行われる水分交換の効率向上を図ることができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電効率を高めることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る加湿器と、この加湿器を備えた燃料電池システムについて説明する。図１は、燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガス（水分含有量の相対的に少ないガス）が流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガス（水分含有量の相対的に多いガス）が流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。

水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。

供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。

排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出された冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統３，４や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

加湿器１５は、供給路１１を通じて燃料電池２に供給される酸化ガスと、燃料電池２から排出路１２を通じて排出された酸化オフガスとの間で水分交換を行って酸化ガスを加湿する。加湿器１５は、図２に示すように、中空糸膜モジュール１００と、中空糸膜モジュール１００を収容するケーシング２００とを備えている。

中空糸膜モジュール１００は、多数の中空糸膜１０１を中空円筒形に束ねたものであって、具体的には、図３および図４に示すように、前記多数の中空糸膜１０１と、円筒形のアウターケース１０２と、アウターケース１０２よりも径の小さな円筒形のインナーケース１０３とからなる。

アウターケース１０２は、長さ方向（軸線方向）に延在する複数の縦桟１０２ａと、周方向に延在する複数の環状の横桟１０２ｂとを備えてなり、長さ方向両端はいずれも開口している。複数の縦桟１０２ａは、アウターケース１０２の周方向に沿って等しい間隔を空けて配置され、複数の横桟１０２ｂは、アウターケース１０２の長さ方向に沿って等しい間隔を空けて配置されており、双方の桟は一体成形されている。

そして、これら縦桟１０２ａと横桟１０２ｂとの間に形成されている開口が、酸化オフガスを中空糸膜モジュール１００の内部に導入するためのガス通路１０２ｃとされている。

インナーケース１０３は、アウターケース１０２と同様に、長さ方向（軸線方向）に延在する複数の縦桟１０３ａと、周方向に延在する複数の環状の横桟１０３ｂとからなる。複数の縦桟１０３ａは、インナーケース１０３の周方向に沿って等しい間隔を空けて配置され、複数の横桟１０３ｂは、インナーケース１０３の長さ方向に沿って等しい間隔を空けて配置されており、双方の桟は一体成形されている。

そして、これら縦桟１０３ａと横桟１０３ｂとの間に形成されている開口が、中空糸膜モジュール１００の内部に導入された酸化オフガスを当該中空糸膜モジュール１００の外部に導出させるためのガス通路１０３ｃとされている。なお、アウターケース１０２とは異なり、インナーケース１０３は一端のみ開口し、他端は閉じた有底形状をなしている。

インナーケース１０３は、アウターケース１０２の内側に、互いの軸心を一致させるようにして配置され、両ケース１０２，１０３の間に画成される円筒形の空間に、長さのほぼ等しい多数の中空糸膜１０１が、向きを揃えて配置されている。多数の中空糸膜１０１の長さ方向の両端は、両ケース１０２，１０３の両端に樹脂モールド等によりそれぞれ固着されている。中空糸膜モジュール１００の長さ方向の両端面には、各中空糸膜１０１の内側の小孔１０１ａが、密に開口している。

燃料電池２に供給される酸化ガスは、中空糸膜モジュール１００を構成する各中空糸膜１０１の内側の小孔１０１ａに流され、燃料電池２から排出された酸化オフガスは、中空糸膜モジュール１００の外周面から内周面に向けて、各中空糸膜１０１間をすり抜けるように流れる。そして、水分含有量の相対的に多い酸化オフガスに含まれていた水分が、水分含有量の相対的に少ない酸化ガスとの蒸気圧差に依存して中空糸膜１０１を透過し、酸化ガスに付与されることによって当該酸化ガスが加湿される。

ケーシング２００は、図５に示すように、２つの部品２０１，２０２から構成されている。一方の部品２０１には中空糸膜モジュール１００を収める穴部２０１ａが形成されており、他方の部品２０２は、穴部２０１ａに収められた中空糸膜モジュール１００を覆うようにして一方の部品２０１に固定される。一方の部品２０１の、他方の部品２０２との接合面には、穴部２０１ａを囲むように環状の溝２０１ｂが形成されており、この溝２０１ｂに、２つの部品２０１，２０２間の接合面を封止する封止材２０３が配置されている。

また、他方の部品２０２には、管状の酸化ガス排出口２２０が設けられている。この酸化ガス排出口２２０の一方の端部は、２つの部品２０１，２０２が組み合わされたとき、中空糸膜モジュール１００の内側の空間（中空部）１０５に、中空糸膜モジュール１００の一端から遊びなく挿入される。酸化ガス排出口２２０の一方の端部の外周面には、周方向に沿って環状の溝２０２ａが形成されており、この溝２０２ａに、他方の部品２０２と中空糸膜モジュール１００との間の接合面を封止する封止材２０４が配置されている。

中空糸膜モジュール１００の外周面の軸線方向両端部には、径方向外方に張り出す鍔１１０，１１１がそれぞれ形成されており、鍔１１０，１１１の外周面には、周方向に沿って環状の溝１１０ａ，１１１ａが形成されている。鍔１１０，１１１の外周面は、一方の部品２０１の穴部２０１ａの内面とそれぞれ接し、溝１１０ａ，１１１ａには、鍔１１０，１１１の外周面と穴部２０１の内面との接合面を封止する封止材１２０，１２１がそれぞれ配置されている。

ケーシング２００の内部には、図２に示すように、中空糸膜モジュール１００の外周面を囲むように、酸化オフガス導入用のチャンバ（隙間）２０５が形成されている。また、ケーシング２００には、中空糸膜モジュール１００の一方の端面に隣接する酸化ガス導入用のチャンバ２０６と、中空糸膜モジュール１００の他方の端面に隣接する酸化ガス排出用のチャンバ２０７とが形成されている。

酸化ガス導入用のチャンバ２０６は、中空糸膜モジュール１００の一方の端面に露出する各中空糸膜１０１の小孔１０１ａの一端と連通し、酸化ガス排出用のチャンバ２０７は、中空糸膜モジュール１００の他方の端面に露出する各中空糸膜１０１の小孔１０１ａの他端と連通する。

ケーシング２００は、図６に示すように、加湿器１５を中空糸膜モジュール１００の長さ方向から断面視したときに、酸化オフガス用のチャンバ２０４を形成する内周面２０８と中空糸膜モジュール１００の外周面との隙間の間隔が、中空糸膜モジュール１００の外周面上における所定の位置Ａから周方向の一方（図中の矢印Ｘで示す酸化オフガス流通方向）に進むにつれて徐々に狭くなるように形成されている。

さらにいえば、ケーシング２００の内周面２０８は、中空糸膜モジュール１００の長さ方向から見たときに、少なくとも前記位置Ａに面する位置からは、いわゆるインボリュート曲線と等しい形状をなしている。そして、中空糸膜モジュール１００の軸心Ｏは、インボリュート曲線の基礎円の中心と一致している。

ケーシング２００には、酸化オフガス用のチャンバ２０５に連通し、水分を多く含む酸化オフガスを酸化オフガス用のチャンバ２０５に導入する酸化オフガスの導入口２１０と、中空糸膜モジュール１００の内側の空間１０５に連通し、酸化ガスとの水分交換に供して水分を除かれた酸化オフガスを空間１０５から排出する酸化オフガスの排出口２２０とが設けられている。

さらに、ケーシング２００には、酸化ガス導入用のチャンバ２０６に連通し、燃料電池２に供給される酸化ガスを各中空糸膜１０１の小孔１０１ａに導入する酸化ガス導入口２３０と、酸化ガス排出用のチャンバ２０７に連通し、加湿された酸化ガスを各中空糸膜１０１の小孔１０１ａから排出する酸化ガス排出口２４０とが設けられている。

酸化ガス導入口２１０は、ケーシング２００を構成する一方の部品２０１に、ケーシング２００からインボリュート曲線をなす内周面２０８の接線方向に突き出す管状に形成されている。酸化ガス排出口２２０は、ケーシング２００を構成する他方の部品２０２に、ケーシング２００から中空糸膜モジュール１００の長さ方向に突き出す管状に形成されている。

酸化オフガス導入口２３０は、上記他方の部品２０２に、ケーシング２００から酸化ガス排出口２２０に直交する方向に突き出す管状に形成されている。酸化オフガス排出口２４０は、上記一方の部品２０１に、ケーシング２００から中空糸膜モジュール１００の長さ方向に突き出す管状に形成されている。

酸化オフガス導入口２１０の端部、および酸化オフガス排出口２２０の他方の端部には、供給路１１を構成する配管がそれぞれ接続され、酸化ガス導入口２３０の端部、および酸化ガス排出口２４０の端部には、排出路１２を構成する配管がそれぞれ接続される。

上記のように構成された加湿器１５においては、燃料電池２から排出された水分含有量の相対的に多い酸化オフガスが、酸化オフガス導入口２１０を通じて酸化オフガス用のチャンバ２０５に導入される。酸化オフガス用のチャンバ２０５に導入された酸化オフガスは、インボリュート曲線と等しい形状をなす内周面２０８に沿って渦を巻くように流れながら、各中空糸膜１０１間に押し込まれるようにして、中空糸膜モジュール１００の外周面から内周面に向けて流れ、内部の空間１０５に流れ込む。

一方、燃料電池２に供給される水分含有量の相対的に少ない酸化ガスは、酸化ガス導入口２３０を通じて酸化ガス導入用のチャンバ２０６に導入される。酸化ガス導入用のチャンバ２０６に導入された酸化ガスは、中空糸膜モジュール１００の一方の端面に露出する各中空糸膜１０１の小孔１０１ａに押し込まれ、各中空糸膜１０１の内側を流れ、中空糸膜モジュール１００の他方の端面から流出する。

中空糸膜モジュール１００では、湿った酸化オフガスに含まれていた水分が、乾燥した酸化ガスとの蒸気圧差に依存して中空糸膜１０１を透過し、透過した水分が酸化ガスに付与されることによって当該酸化ガスが加湿される。

加湿された酸化ガスは、酸化ガス排出用のチャンバ２０７に流入し、酸化ガス排出口２４０を通じて加湿器１５から排出される。一方、酸化ガスとの水分交換に供して水分を除かれた酸化オフガスは、中空糸膜モジュール１００の内側の空間１０５に流入し、酸化オフガス排出口２２０を通じて加湿器１５から排出される。

上記のように構成された加湿器１５によれば、酸化オフガス用のチャンバ２０５が、中空糸膜モジュール１００の周方向に進むにつれて徐々に狭くなる、言い換えれば、酸化オフガス用のチャンバ２０５内での圧力損失が大きくなるので、中空糸膜モジュール１００の外側から内側に酸化オフガスが流れ込み易くなる。

また、酸化オフガスが、酸化オフガス用のチャンバ２０５の幅の広い部分から狭い部分に向けて、中空糸膜モジュール１００の周囲を回るように供給されるので、同モジュールの周方向のどの位置からも満遍なく酸化オフガスが押し込まれる。これにより、中空糸膜モジュール１００の周方向のどの位置においても、水分交換が偏りなく行われる。

そして、上記のように構成された加湿器１５を備える燃料電池システム１によれば、当該加湿器１５により、燃料電池２に供給される酸化ガスと、燃料電池２から排出された酸化オフガスとの間で水分交換が効率よく行われ、燃料電池２に加湿された酸化ガスが安定して供給されるので、燃料電池２の発電効率を高めることができる。

上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態の加湿器１５は、燃料電池２に供給される酸化ガスを加湿するが、本発明の加湿器によれば、酸化ガスだけでなく、燃料電池２に供給される燃料ガスを加湿することも可能である。

また、上記実施形態とは逆に、中空糸膜モジュール１００の外周面とこれに面するケーシング２００の内周面との隙間（チャンバ２０５）に、水分含有量の相対的に少ない酸化ガスを導入する一方で、中空糸膜モジュール１００の一方の端面に露出する中空糸膜１０１の小孔１０１ａに、水分含有量の相対的に多い酸化オフガスを導入するようにしてもよい。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 図１の燃料電池システムに設けられた加湿器の内部構造を示す側断面図である。 図２の加湿器に内蔵される中空糸膜モジュールの斜視図である。 図３の中空糸膜モジュールの内部構造を示す側断面図である。 図２の加湿器の分解断面図である。 図２の加湿器のVI-VI線矢視断面図である。

符号の説明

２０…燃料電池、１００…中空糸膜モジュール、１０１…中空糸膜、１０５…空間（中空部）、２００…ケーシング、２０５…酸化オフガス用のチャンバ（隙間）、２０６…酸化ガス導入用のチャンバ、２０７…酸化ガス排出用のチャンバ、２０８…内周面、２１０…酸化オフガス導入口、２２０…酸化オフガス排出口、２３０…酸化ガス導入口、２４０…酸化ガス排出口

Claims (7)

1. 中空糸膜の内側と外側とにそれぞれ水分含有量の異なるガスを流し、これらガス間で水分交換を行うことにより、水分含有量の相対的に少ないガスを加湿する加湿器であって、
   複数の前記中空糸膜が中空筒形に束ねられてなる中空糸膜モジュールと、
   前記中空糸膜モジュールを収容するケーシングと、を備え、
   前記中空糸膜モジュールの外周面とこれに面する前記ケーシングの内周面との間に、前記水分含有量の異なるガスの一方が導入される隙間を有すると共に、この隙間が周方向一方に進むにつれて徐々に狭くなる加湿器。
2. 前記内周面の少なくとも一部は、前記中空糸膜モジュールの長さ方向から見たときに、インボリュート曲線をなす請求項１に記載の加湿器。
3. 前記中空糸膜モジュールは中空円筒形をなすと共に、その軸心は前記インボリュート曲線の基礎円の中心と一致する請求項２に記載の加湿器。
4. 前記水分含有量の異なるガスの一方は、前記隙間の最も広い箇所に流入し、前記中空糸膜モジュールをその外周面側から内周面側の中空部に向かって流通した後、この中空部を通って当該中空糸膜モジュールの外部に流出する請求項１から３のいずれかに記載の加湿器。
5. 前記水分含有量の異なるガスの一方は、前記インボリュート曲線をなす内周面の接線方向と平行に導入される請求項４に記載の加湿器。
6. 前記水分含有量の異なるガスの一方は、水分含有量の相対的に多い方のガスである請求項１〜５のいずれかに記載の加湿器。
7. 酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスを前記燃料電池から排出された酸化オフガスにて加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記加湿器として、請求項１〜６のいずれかに記載の加湿器が用いられている燃料電池システム。
   
   
   

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