JP2008210664A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に用いる電解質膜の強度を向上する技術を提供する。
【解決手段】枠状補強部材に電解質溶液を含浸させて成膜することによって、補強部材と一体的に形成された電解質膜を製造する。枠状補強部材が含まれる外周補強部４２に対して、曲げ加工などを施すことによって側壁部４３を設け、電解質膜の強度をさらに向上させる。また、外周補強部４２を曲げ加工することによって、流体の流路である連結流路４４、４５を形成することもできる。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池に用いられる電解質膜は強度が低く、その製造過程において破損する可能性がある。従来から電解質膜の強度を確保するために種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。

特開２０００−２６０４４３ 特開２００４−１６５０４３ 特開２００６−２０２５３２ 特開２００３−８２４８８ 特開２００５−１９０７５０

一方、燃料電池の発電効率を向上するためには、電解質膜の膜抵抗を低減することが好ましい。そのため、電解質膜の厚み（膜厚）が増加することは好ましくない。しかし、これまで電解質膜の膜厚を増加させることなく、その強度を向上することについて十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、電解質膜の強度を向上する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態は、燃料電池であって、電解質膜材料を用いて形成された電解質膜と、前記電解質膜に隣接して設けられた電極層とを備え、前記電解質膜は、前記電極層と接する有効電解質膜部と、前記有効電解質膜部の外周縁に設けられ、前記電解質材料が含浸した補強材料で構成される補強電解質膜部とを有し、前記補強電解質膜部は、前記有効電解質膜部の表面で規定される表面よりも突出した突出補強部を有することを特徴とする。

この構成によれば、補強電解質膜部によって電解質膜の強度を向上することができる。また、補強電解質膜部は突出補強部を有しているため、さらに強度を向上することができる。

前記突出補強部は、前記補強電解質膜部の端部を折り曲げることによって形成されているものとしても良い。

この構成によれば、突出補強部を曲げ加工によって容易に設けることができる。

前記補強電解質膜部は、被含浸性を有する前記補強材料に前記電解質材料の溶液を含浸することによって形成されているものとしても良い。

この構成によれば、有効電解質膜部と補強電解質膜部とを容易に一体的に形成できる。

前記補強電解質膜部には、前記突出補強部により、燃料電池反応に使用される反応ガスのための流体流路が形成されているものとしても良い。

この構成によれば、突出補強部によって流体流路が形成されているので、流体流路を形成するために必要となる部材を削減することができる。

前記補強電解質膜部は、燃料電池の組み付けの際に、前記電解質膜の配置位置を決定するために使用される位置決め部を有するものとしても良い。

この構成によれば、電解質膜を正しい位置に容易に位置決めすることが可能である。

前記燃料電池は、さらに、前記電解質膜と前記電極層とを挟持するセパレータを備え、前記セパレータは、前記補強電解質膜部と接着されているものとしても良い。

この構成によれば、燃料電池の強度が向上するとともに、反応ガスのクロスリークの可能性を低減できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電解質膜、その電解質膜を備えた燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての補強部材一体型電解質膜を備える燃料電池の製造工程を説明するためのフローチャートである。以下に、このフローチャートを基にして、その製造工程を工程順に説明する。

ステップＳ１０では、第１工程として補強部材１０を準備する（図２（Ａ））。この補強部材１０は、略四辺形の平板状部材の中央部に貫通窓１０Ｗが設けられた枠状部材である。この補強部材１０としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂を用いたフッ素繊維で構成することができる。

補強部材１０としては、樹脂溶液を含む液体を含浸させることができる被含浸性を有しており、曲げ加工が可能なものを用いることが好ましい。即ち、補強部材１０としては、繊維が編み込まれた平板状の部材としても良いし、スポンジ状の多孔体であるとしても良い。なお、補強部材１０は、曲げ加工後の形状を保持する程度の強度を有すること、即ち、塑性を有することが好ましく、少なくとも、後述する電解質膜成膜後において、塑性を有していれば良い。

ステップＳ２０（図１）では、第２工程として、平板上のフィルム基材であるベースフィルム２０に補強部材１０を配置して、その貫通窓１０Ｗを満たすように電解質溶液を流入（キャスト）する。ここで、「電解質溶液」とは、固体高分子材料（例えばフッ素系樹脂）を水やアルコール系溶媒などに溶解させたものであり、熱硬化性を有するものである。

図２（Ｂ）、（Ｃ）は、補強部材１０の図２（Ａ）に示す２Ｂ−２Ｂ切断における断面を示す断面図である。図２（Ｂ）は、補強部材１０がベースフィルム２０に配置され、電解質溶液３０をキャストしている状態を示している。図２（Ｃ）は、電解質溶液３０が、貫通窓１０Ｗを満たして、補強部材１０の内周縁からその外周縁に向かって、補強部材１０の内部に含浸した状態を示している。

ステップＳ３０（図１）では、第３工程として、図２（Ｃ）の状態で、電解質溶液３０を加熱・乾燥によって固体化した後、ベースフィルム２０を取り外す。すると、補強部材１０と一体的に形成された電解質膜（補強部材一体型電解質膜）を得ることができる。

図３（Ａ）は、上記一連の工程によって得られた補強部材一体型電解質膜４０を示す概略図である。図２（Ｄ）の一点鎖線で囲まれた部位は、固体高分子電解質膜のみで構成される部位であり、以後、「主発電部４１」又は「有効電解質膜部４１」と呼ぶ。一方、主発電部４１の外周縁を、「外周補強部４２」又は「補強電解質膜部４２」と呼ぶ。

次に、ステップＳ４０（図１）では、第４工程として、この補強部材一体型電解質膜４０の外周補強部４２に対して親水処理加工を施す。ここで、「親水処理加工」とは、外周補強部４２に親水性を持たせるための加工処理を言う。親水処理加工としては、例えば、スチーム処理がなされるものとしても良い。なお、この親水処理加工は、補強部材一体型電解質膜４０の一方の面側にのみ施せばよい。

さらに、この第４工程では、補強部材一体型電解質膜４０の外周補強部４２に対して、切削加工及び曲げ加工（プレス加工）を施す。なお、図３（Ｂ）に、外周補強部４２のうち、切削加工によって外周補強部４２の一部が切り落とされた補強部材一体型電解質膜４０ａを示す。

図４は、第４工程において加工が施された後の補強部材一体型電解質膜４０Ａを示す概略斜視図である。この補強部材一体型電解質膜４０Ａの主発電部４１を挟んで対角する部位には、２つの連結流路４４、４５が設けられている。２つの連結流路４４、４５は、外周補強部４２が主発電部４１の長辺方向に沿って互いに相反する方向へと向かって延びることによって設けられている。

補強部材一体型電解質膜４０Ａの外周補強部４２の外周縁は、外周補強部４２の端部を一方の面側（上記親水処理加工がされていない面側）へと略垂直に折り曲がった側壁部４３が形成されている。一般に、板状部材にアングル構造を形成するとその強度が向上する。同様に、外周補強部４２に曲げ加工を施して側壁部４３を設けることによって、補強部材一体型電解質膜４０Ａの強度は向上する。従って、本実施例の構成によれば、電解質膜を薄膜化したとしても、その強度を確保することができる。

側壁部４３は、２つの連結流路４４、４５の対向する２つの辺にも設けられているが、その端部４４ｅ、４５ｅには設けられていない。即ち、補強部材一体型電解質膜４０Ａの一方の面には、第１の連結流路４４の端部４４ｅから主発電部４１を経て、第２の連結流路４５の端部４５ｅへと至る、側壁部４３に囲まれた流路が形成される。なお、外周補強部４２の当該流路形成面とは反対側の面が、上記親水処理加工の施された面となる。

また、側壁部４３の端面が形成する角（コーナー部）のうち、２つの連結流路４４、４５の無い位置にある２つの角には、側壁部４３よりもさらにが突起した凸部４６が設けられている。この凸部４６は、後述する補強部材一体型電解質膜４０Ａの燃料電池への組み付け工程（第５工程）において、補強部材一体型電解質膜４０Ａの配置位置を決定するための指標（位置決め部材）としての機能を担う。

この補強部材一体型電解質膜４０Ａは、第４工程の後、その両面の主発電部４１を被覆するように電極層が設けられる（図示せず）。電極層には、燃料ガス（アノードガス）及び酸化ガス（カソードガス）を主発電部４１の全体に行き渡らせるためのガス拡散層と、燃料電池反応を促進するための触媒層が含まれる。ガス拡散層は、例えばカーボンペーパーによって構成することができ、触媒層は、例えば、触媒として白金（Ｐｔ）を担持させることによって設けることができる。

ステップＳ５０（図１）では、第５工程として、補強部材一体型電解質膜４０Ａを燃料電池として組み付ける。図５は、第５工程を説明するための説明図である。補強部材一体型電解質膜４０Ａは、２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃによって挟持されて発電モジュール１００を形成する。具体的には、アノードセパレータＳＰａは、側壁部４３が設けられた面側に配置され、カソードセパレータＳＰｃは、その反対側の面に配置される。なお、２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃ及び補強部材一体型電解質膜４０Ａの積層方向を、以後単に、「積層方向」と呼ぶ。

補強部材一体型電解質膜４０Ａ及び２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃは接着剤によって接着される。こうして設けられた発電モジュール１００を積層することによって燃料電池スタックを構成することができる。なお、発電モジュール１００は、２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃの配置を入れ替えた構成であっても良い。

２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃは、導電性を有する長辺形の板状部材であり、４個のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ４が貫通孔として設けられている。マニホールド孔Ｍ１はアノードガスの供給を担い、マニホールド孔Ｍ２は反応に供されることのなかったガスを含むアノード排ガスの排出を担う。マニホールド孔Ｍ３は、カソードガスの供給を担い、マニホールド孔Ｍ４は、反応に供されることのなかったガス及び燃料電池反応によって生成された水分を含むカソード排ガスの排出を担う。

マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ４は、積層方向に沿って見たときに補強部材一体型電解質膜４０Ａとは重ならない部位に設けられており、セパレータＳＰａ、ＳＰｃの対向する２つの短辺にそれぞれ２個ずつ設けられている。より具体的には、アノードガス供給用マニホールド孔Ｍ１とカソード排ガス排出用マニホールド孔Ｍ４とが、一方の同一短辺に沿って設けられ、アノード排ガス排出用マニホールド孔Ｍ２とカソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３とが他方の同一短辺上に設けられている。アノードガス供給用マニホールド孔Ｍ１が設けられた短辺側を「アノード供給側」と呼び、カソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３が設けられた短辺側を「カソード供給側」と呼ぶ。なお、供給用のマニホールド孔Ｍ１、Ｍ３は、排出用のマニホールド孔Ｍ２、Ｍ４と主発電部４１を挟んで対角する位置に設けられている。

２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃの補強部材一体型電解質膜４０Ａが配置される側の面にはそれぞれ、並列流路溝ＰＰと２つの結合流路溝ＣＰ１、ＣＰ２が、２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃを薄肉化することによって設けられている。並列流路溝ＰＰは、アノード供給側からカソード供給側へと向かう直線状の複数の流路溝を並列に設けたものである。２つの結合流路溝ＣＰ１、ＣＰ２は、並列流路溝ＰＰとは垂直に交わるように延びる流路溝であり、それぞれが、並列流路溝ＰＰのアノード供給側の端部及びカソード供給側の端部と連結している。

なお、これらの流路溝ＰＰ、ＣＰ１、ＣＰ２は、積層方向に沿って見たときに、補強部材一体型電解質膜４０Ａとほぼ重なるように設けられている。ただし、補強部材一体型電解質膜４０Ａの第１の連結流路４４は、第１の結合流路溝ＣＰ１の端部からマニホールド孔Ｍ１へと向かって延びてマニホールド孔Ｍ１と連結している。第２の連結流路４５は、第２の結合流路溝ＣＰ２の端部からマニホールド孔Ｍ２へと向かって延びてマニホールド孔Ｍ２と連結している。なお、補強部材一体型電解質膜４０Ａの凸部４６は、セパレータＳＰａの２つの結合流路溝ＣＰ１、ＣＰ２の角部ＣＰｃに収納される。従って、凸部４６を位置決め部として、セパレータＳＰａに対する補強部材一体型電解質膜４０Ａの配置位置を容易に決めることができる。

２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃと補強部材一体型電解質膜４０Ａの主発電部４１の間には、主発電部４１を被覆する平板上のガス流路多孔体５０が配置される。ガス流路多孔体５０は、アノードガス及びカソードガス（以後、両者を併せて「反応ガス」と呼ぶ）を上述した電極層の全体に誘導するためのものであり、カーボンなど導電性を有する部材によって構成することができる。なお、側壁部４３が設けられた面側に配置されるガス流路多孔体５０の厚みは、側壁部４３の高さと同程度であることが好ましい。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、セパレータＳＰａ、ＳＰｃの接着部位を説明するための説明図である。図６（Ａ）は、アノードセパレータＳＰａの補強部材一体型電解質膜４０Ａと接する面側を示しており、接着剤が充填される領域（接着領域Ｇａ）にハッチング（斜線）を付してある。また、補強部材一体型電解質膜４０Ａが配置される領域を破線で示してある。図に示すように、アノードセパレータＳＰａには、補強部材一体型電解質膜４０Ａの配置される領域の外側に接着剤が充填される。

図６（Ｂ）は、カソードセパレータＳＰｃの補強部材一体型電解質膜４０Ａと接する面側を示しており、接着領域が異なる点以外は、図５（Ａ）とほぼ同様である。図に示すように、カソードセパレータＳＰｃでは、補強部材一体型電解質膜４０Ａの２つの連結流路４４、４５が配置される部位にも接着剤が充填される。但し、カソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３と第２の結合流路溝ＣＰ２の間の領域Ｐ１及びカソード排ガス排出用マニホールド孔Ｍ４と第１の結合流路溝ＣＰ１の間の領域Ｐ２には接着剤が充填されない。補強部材一体型電解質膜４０Ａと２つのセパレータＳＰａ、ＳＰｃとが接着されたときの発電モジュール１００の各部の状態を断面図を用いて以下に説明する。

図７（Ａ）は、図６（Ａ）に示す７Ａ−７Ａ切断における発電モジュール１００の断面図である。図に示すように、発電モジュール１００の２つの長辺側の側面には接着剤６０が充填されている。接着剤６０は、セパレータＳＰａ、ＳＰｃと補強部材一体型電解質膜４０Ａとを接着するととともに、反応ガスなどの流体が当該側面から発電モジュール１００の外部へと漏洩することを防止している。なお、補強部材一体型電解質膜４０Ａの外周補強部４２に設けられた側壁部４３には親水処理が施されているため、接着剤６０との接着面ＧＳの接着性が向上している。従って、発電モジュール１００の強度が向上するとともに、この部位において反応ガスのクロスリークが発生する可能性が低減する。ここで、「クロスリーク」とは、反応ガスが、供給された電極側とは反対側の電極側へと燃料電池反応に供されることなく漏洩する現象を言う。

図７（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す７Ｂ−７Ｂ切断における発電モジュール１００の断面図である。図に示すように、発電モジュール１００の短辺側の側面は、上述した長辺側の側面と同様に接着剤６０が充填されて流体の漏洩を抑制する。

図６で説明したように、補強部材一体型電解質膜４０Ａの第１の連結流路４４とカソードセパレータＳＰｃとの間には接着剤６０が充填されて、補強部材一体型電解質膜４０ＡとカソードセパレータＳＰｃとが接着されている。その接着面ＧＳは、親水処理加工が施されているため、接着性が向上している。この接着面ＧＳによって、マニホールド孔Ｍ１のアノードガスのカソード電極側へのクロスリークが抑制されている。なお、図示は省略するが、第２の連結流路４５とカソードセパレータＳＰｃの間も同様である。

このような構成とすることによって、アノードガスの流れは、図７（Ｂ）の矢印で示す経路となる。具体的には、アノードガス供給用マニホールド孔Ｍ１から供給されたアノードガスの一部は、第１の連結流路４４を経てアノードセパレータＳＰａの第１の結合流路溝ＣＰ１へと向かう。また、結合流路溝ＣＰ１へと至ったアノードガスは、図６（Ａ）の矢印に示す経路を経て流れ、主発電部４１において発電反応に供されるとともにアノード排ガス排出用マニホールド孔Ｍ２へと至る。なお、本実施例では、２つの連結流路４４、４５が外周補強部４２によって形成されるとともに、側壁部４３を有していることによって、反応ガスの流れる流路形成部位における電解質膜の強度が向上している。従って、当該部位における電解質膜を固定・保護するための部材などの流路を形成するための部材を削減することができる。

図７（Ｃ）は、図６（Ｂ）に示す７Ｃ−７Ｃ切断における発電モジュール１００の断面図である。図に示すように、補強部材一体型電解質膜４０Ａの側壁部４３とアノードセパレータＳＰａとは接着剤６０によって接着されている。この接着面ＧＳが、カソードガスがアノード電極側へとクロスリークすることを抑制している。なお、この側壁部４３と接着剤６０との接着面ＧＳも親水処理がなされているため接着性が向上している。

一方、図６（Ｂ）で説明したように、カソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３とカソードセパレータＳＰｃの結合流路溝ＣＰ２との間の領域Ｐ１には接着剤が充填されていない。これによって、発電モジュール１００を組み付けた際に、カソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３と補強部材一体型電解質膜４０Ａのカソード電極層とを連結する流路が形成される。なお、図示は省略するが、カソード排ガス排出用マニホールド孔Ｍ４とカソードセパレータＳＰｃの結合流路溝ＣＰ１との間の領域Ｐ２（図６（Ｂ））も同様である。

このような構成とすることによって、カソードガスの流れは、図７（Ｃ）の矢印で示す経路となる。具体的には、カソードガス供給用マニホールド孔Ｍ３から供給されたカソードガスの一部は、領域Ｐ１を経てカソードセパレータＳＰｃの結合流路溝ＣＰ２へと向かう。また、結合流路溝ＣＰ２へと至ったカソードガスは、図６（Ｂ）の矢印に示す経路を経て流れ、主発電部４１において発電に供されるとともに、カソード排ガス排出用マニホールド孔Ｍ４へと至る。

このように、本実施例の構成によれば、電解質膜自体の強度を容易に向上することができる。そのため、燃料電池の製造工程における電解質膜の破損の可能性や、燃料電池の継続使用による電解質膜の劣化の可能性を低減できる。また、電解質膜の強度を確保しつつ、電解質膜を薄膜化することもでき、燃料電池の発電効率を向上することができる。さらに、流路を形成するための部材を削減することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例において、側壁補強部４３を曲げ加工によって設けていたが、側壁補強部４３は設けられていなくとも良い。ただし、外周補強部４２には、主発電部４１の表面によって規定される平面より突出した部位を有していればよい。例えば、外周補強部４２の表面には補強リブが設けられているものとしても良い。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例において、補強部材１０の形状を枠状としていたが、補強部材１０は枠状でなくとも良い。例えば、電解質膜の対向する２つの長辺にのみ補強部が設けられるものとしても良い。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例において、補強部材一体型電解質膜４０Ａの外周補強部４２に対して、切削加工及び曲げ加工によって２つの連結流路４４、４５や、凸部４６などの加工形成部が設けられていたが、これらの加工形成部は設けられていなくとも良い。

また、外周補強部４２を加工することにより、上記加工形成部に加えて、あるいは、上記加工形成部に代えて、他の加工形成部を設けるものとしても良い。例えば、補強部材一体型電解質膜４０Ａを持ち運ぶための把持部が設けられるものとしても良い。また、側壁部４３の端部をさらに主発電部４１側に折り曲げることによってセパレータＳＰａ、ＳＰｃとの接着部を設けて、補強部材一体型電解質膜４０ＡとセパレータＳＰａ、ＳＰｃとの接着性を向上するものとしても良い。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例において、セパレータＳＰａ、ＳＰｃと補強部一体型電解質膜４０Ａとは接着されていたが、接着されていなくとも良い。また、外周補強部４２には、親水処理加工が施されていたが、親水処理加工は行われなくとも良い。例えば、外周縁にシールガスケットが成形された補強部一体型電解質膜４０Ａをセパレータで挟持するものとしても良い。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例において、セパレータＳＰａ、ＳＰｃは他の構成のセパレータであっても良い。例えば、燃料電池を冷却するための冷媒を供給するための冷媒用マニホールド孔や、冷媒流路が設けられた３層式のセパレータを用いるものとしても良い。

燃料電池の製造工程を説明するためのフローチャートである。 電解質膜の製造工程を説明するための説明図である。 電解質膜の製造工程を説明するための説明図である。 補強部材一体型電解質膜の構成を示す斜視図である。 発電モジュールの組み付け工程を説明するための説明図である。 発電モジュールの接着領域を説明するための説明図である。 発電モジュールの各部断面図である。

符号の説明

１０…補強部材
１０Ｗ…貫通窓
２０…ベースフィルム
３０…電解質溶液
４０…補強部材一体型電解質膜
４０ａ、４０Ａ…加工後の補強部材一体型電解質膜
４１…主発電部
４２…外周補強部
４３…側壁部
４４、４５…連結流路
４４ｅ、４５ｅ…連結流路の端部
４６…凸部
５０…ガス流路多孔体
６０…接着剤
１００…発電モジュール
ＣＰ１、ＣＰ２…結合流路溝
ＣＰｃ…角部
ＧＳ…接着面
Ｇａ…接着領域
Ｍ１〜Ｍ４…マニホールド孔
Ｐ１、Ｐ２…領域
ＰＰ…並列流路溝
ＳＰａ…アノードセパレータ
ＳＰｃ…カソードセパレータ

Claims (6)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜材料を用いて形成された電解質膜と、
   前記電解質膜に隣接して設けられた電極層と、
   を備え、
   前記電解質膜は、
   前記電極層と接する有効電解質膜部と、
   前記有効電解質膜部の外周縁に設けられ、前記電解質材料が含浸した補強材料で構成される補強電解質膜部と、
   を有し、
   前記補強電解質膜部は、前記有効電解質膜部の表面で規定される表面よりも突出した突出補強部を有することを特徴とする、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記突出補強部は、前記補強電解質膜部の端部を折り曲げることによって形成されている、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記補強電解質膜部は、被含浸性を有する前記補強材料に前記電解質材料の溶液を含浸することによって形成されている、燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記補強電解質膜部には、前記突出補強部により、燃料電池反応に使用される反応ガスのための流体流路が形成されている、燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記補強電解質膜部は、燃料電池の組み付けの際に、前記電解質膜の配置位置を決定するために使用される位置決め部を有する、燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池であって、さらに、
   前記電解質膜と前記電極層とを挟持するセパレータを備え、
   前記セパレータは、前記補強電解質膜部と接着されている、燃料電池。

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