JP2009054291A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に積層して含まれる燃料電池セルの点検・保守作業の簡略化を図る。
【解決手段】燃料電池１０は、その上下端において保持シャフト２０と駆動シャフト３０にセル係合軸２２および下端側セル係合軸３２を介して係合し、それぞれの係合箇所を中心にセル積層方向に沿って揺動可能である。そして、セル積層方向と直交する直交姿勢では、燃料電池セル１００は、隣り合うセルと間隔Ｓを隔てて離間し、シャフト移動機構４０の移動を介して付勢力を受けると、間隔Ｓが縮まるように傾斜して傾斜姿勢となり、この姿勢では、隣り合う燃料電池セル１００同士が気密に接合して積層する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を接合させた膜電極接合体を備えるセルプレートとセパレータとを接合した燃料電池セルを複数積層した燃料電池に関する。

こうした燃料電池では、燃料電池セルの積層体である都合上、セル積層の状態を維持するため、セル積層体を積層方向に沿って締結することがなされている（例えば、特許文献１）。この特許文献では、燃料電池両端のエンドプレート間にシャフトを配置してこの両者をボルト・ナットにて締め付け、この締め付けによりセル積層の状態が維持なされている。

特開２００６−３０２９００号公報

燃料電池の運転を継続していると、発電性能の低下を来すことがある。こうした性能低下と言った不具合は、ガスに混入した微細な異物が燃料電池セル内のガス流路に付着することによるセル内のガスの流れの阻害や、触媒被毒等が原因で起きることが知られている。不具合解消のためには、不具合をもたらした燃料電池セルの点検や保守が必要となるが、こうした場合には、ボルト・ナットを緩めて燃料電池セルの締結を一旦解いた上で、不具合のない燃料電池セルにあっても一旦取り外し、点検・保守完了後にはセル積層・締結を再度行う必要があり、煩雑であった。

本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池に積層して含まれる燃料電池セルの点検・保守作業の簡略化を図ることをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用：燃料電池]
電解質膜の両側に電極を接合させた膜電極接合体を備えるセルプレートとセパレータとを接合した燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、
燃料電池セル周縁の一方端において前記燃料電池セルの積層方向に沿って延在し、前記燃料電池セルが前記一方端側で係合される一方端セル係合部材を備え、
複数の前記燃料電池セルは、前記一方端セル係合部材に係合されたまま、隣り合う燃料電池セルの間に所定間隔を隔てて離間する離間姿勢と、隣り合う燃料電池セル同士が気密に接合して積層する積層姿勢とを取り得るようにされ、
複数の前記燃料電池セルに付勢力を及ぼして、複数の前記燃料電池セルの前記積層姿勢を維持する付勢手段を備える
ことを要旨とする。

こうした燃料電池において、複数の前記燃料電池セルは、前記一方端セル係合部材に等間隔で係合されると共に、前記一方端セル係合部材に係合されたまま該係合箇所を中心に前記セル積層方向に沿って揺動自在とされ、前記離間姿勢として前記セル積層方向と交差する交差姿勢にあると、隣り合う燃料電池セルの間に所定間隔を隔てて離間し、前記係合箇所を中心に揺動して前記交差姿勢から傾斜した傾斜姿勢となると、隣り合う燃料電池セル同士が気密に接合して前記傾斜姿勢のまま積層して前記積層姿勢を取り、前記付勢手段は、前記付勢力により複数の前記燃料電池セルを前記積層姿勢としての前記傾斜姿勢に維持することが好適である。

上記構成を有する燃料電池は、複数の燃料電池セルが付勢力を受けて傾斜姿勢を維持している状況下では、各燃料電池セルは隣り合う燃料電池セル同士で気密に接合して傾斜姿勢のまま積層していることから、各燃料電池セルでの発電、延いては燃料電池としての発電を行うことができる。その一方、燃料電池に含まれる燃料電池セルの点検・保守が必要なときには、付勢力の付与を解くことで、各燃料電池セルを傾斜姿勢から交差姿勢とできる。この交差姿勢では、各燃料電池セルは、隣り合う燃料電池セルの間に所定間隔を隔てて離間することから、この離間した間隔から、燃料電池セルの目視点検や保守が可能となる。そして、点検・保守の完了後には、改めて付勢力を複数の燃料電池セルに及ぼせば、各燃料電池セルは隣り合う燃料電池セル同士で気密に接合して傾斜姿勢のまま積層するので、発電に備えることができる。このため、上記構成を有する燃料電池によれば、燃料電池に含まれる燃料電池セルの点検・保守に際しては、付勢力の付与の解除と再開を行えば足り、燃料電池セルの積層を解く必要がないので、簡便である。

上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、燃料電池セル周縁の他方端においても前記燃料電池セルの積層方向に沿って延在する他方端セル係合部材を備えた上で、複数の前記燃料電池セルを前記他方端側で前記他方端セル係合部材に前記等間隔で係合させると共に、前記他方端セル係合部材に係合されたまま前記セル積層方向に沿って揺動できるようにする。そして、前記一方端セル係合部材と前記他方端セル係合部材の少なくとも一方のセル係合部材を前記セル積層方向に沿って移動させることで、該移動したセル係合部材と前記燃料電池セルの係合箇所を介して前記付勢力を複数の前記燃料電池セルに及ぼす。こうすれば、一方端、他方端の少なくとも一方のセル係合部材をセル積層方向に沿って移動するという簡単な作業で、燃料電池に含まれる燃料電池セルの点検・保守に際しての付勢力付与の解除と再開をおこなうことができるので、作業性がより高まる。

そして、複数の前記燃料電池セルを、前記一方端セル係合部材と前記他方端セル係合部材に対して取り外し可能に係合するようにすれば、燃料電池に含まれる燃料電池セルの取り外しおよび交換も簡便となる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池１０における燃料電池セルの積層の原理を模式的に示す説明図、図２は燃料電池１０の概略構成を表す説明図、図３は燃料電池セルの係合の様子を概略的に示す説明図である。

まず、図１を用いて本実施例の燃料電池１０における燃料電池セルの積層の原理について説明する。図１は、上段に燃料電池１０の点検・保守の際の燃料電池セル１００の様子を示し、下段に燃料電池１０の運転時におけるセル積層の様子を示している。

この図１に示すように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１００を備える。それぞれの燃料電池セル１００は、セルプレート１１０にセパレータ１２０を接合して構成され、図における上下端にガス供給のためのガス流路ＧＲを有し、同一寸法とされている。セルプレート１１０は、電解質膜の両側に電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）１１２を備え、その両側を多孔質のガス拡散層とする。なお、ＭＥＡ１１２とガス拡散層については、本発明の要旨と直接関係しないので図示は簡略化され、その説明についても省略する。

セパレータ１２０は、隣り合う燃料電池セル１００を区分しつつ、セパレータ両側の燃料電池セル１００におけるカソード・アノードにそれぞれ空気・水素ガスを供給する。本実施例では、燃料電池セル１００ごとに一つのセパレータ１２０を備え、このセパレータにてその両側の燃料電池セル１００に上記したようにガス供給を行うが、セルプレート１１０の両側にセパレータを備えた燃料電池セル１００とし、それぞれの燃料電池セル１００のカソード・アノードには、燃料電池セル１００が有する二つのセパレータから空気・水素ガスを供給するようにすることもできる。なお、ガス供給を行うためのセパレータ１２０の構成については、本発明の要旨と直接関係しないのでその図示並びに説明については省略する。

上記した燃料電池１０は、燃料電池セル１００の係合保持、並びに積層状態の確保のため、燃料電池セル１００の周縁の上端側に、セル積層方向に延びた保持シャフト２０と等ピッチで配設されたセル係合軸２２とを備える。この場合、セル係合軸２２は、保持シャフト２０に等ピッチで嵌合固定されて燃料電池セル１００を貫くよう構成できるほか、燃料電池セル１００の上端側両サイドから突出して保持シャフト２０に等ピッチで嵌合されるようにも構成できる。よって、それぞれの燃料電池セル１００は、等ピッチのセル係合軸２２を介して、セル上端側において保持シャフト２０に等ピッチで係合される。本実施例では、セル係合軸２２の配設ピッチを、燃料電池セル１００のセル厚みＴより幅広とした。このため、保持シャフト２０に係合された燃料電池セル１００は、図１の上段に示すように、セル積層方向と直交する直交姿勢にあると、隣り合う燃料電池セル１００の間に所定の間隔Ｓを隔てて離間する。この間隔Ｓは、セル係合軸２２の配設ピッチと燃料電池セル１００のセル厚みＴの差分となる。しかも、燃料電池セル１００は、セル係合軸２２を介して保持シャフト２０に上記したように係合していることから、保持シャフト２０に係合されたまま、セル係合軸２２を中心にセル積層方向に沿って揺動自在となる。

本実施例の燃料電池１０は、上記したように保持シャフト２０に係合した燃料電池セル１００に、その下端側において図１における右方に向けて付勢力を及ぼす。この付勢力を受けるセル厚みＴの燃料電池セル１００は、間隔Ｓを隔てて等ピッチ（Ｔ＋Ｓ）でそれぞれがセル係合軸２２を中心に揺動可能であることから、間隔Ｓが縮まるようセル係合軸２２を中心に揺動する。そして、セル間の間隔Ｓがゼロとなるまで揺動すると、図１の上段の直交姿勢から傾斜した傾斜姿勢となり（図１下段参照）、隣り合う燃料電池セル同士は気密に接合してこの傾斜姿勢のまま積層する。この傾斜姿勢となる場合の燃料電池セル１００の傾斜角度をθとすると、この傾斜角度θとセル厚みＴと間隔Ｓとは、Ｔ＋Ｓ＝Ｔ／ｃｏｓθの関係となる。今、セル厚みＴを３ｍｍ、間隔Ｓを０．１ｍｍとすると、燃料電池セル１００は、１４．６度傾斜することで図１下段に示す傾斜姿勢となって接合して積層する。この場合、セル同士が接合する際の面圧および気密の程度は、セルに及ぼす付勢力の大きさで定まるので、本実施例では、ＭＥＡ１１２の特性等を考慮しつつ適度な面圧・気密が得られるようにした。そして、それぞれの燃料電池セル１００には、図１において太線で示す面圧領域ＭＳに亘って面圧が掛かることから、この領域に含まれるよう、ガス流路ＧＲやセパレータ１２０の図示しないガス供給流路、およびＭＥＡ１１２が形成されている。なお、ガス流路ＧＲは、セルが傾斜姿勢となると屈曲することとなるが、セルが傾斜姿勢となったときには直線状流路となるようにすることもできる。

本実施例の燃料電池１０は、上記した付勢力を燃料電池１０の運転期間に亘っては常時セルに付勢しているので、燃料電池セル１００は、図１の下段に示す傾斜姿勢で積層し、各セルのセパレータ１２０から供給を受ける空気と水素ガスにてＭＥＡ１１２にて電気化学反応を起こし発電する。

図２は、上記した付勢力を及ぼす構成の一例を並記して示しており、図示するように、燃料電池１０は、セル積層の一端側にセルと同一厚みの集電用のターミナルプレート１２とエンドプレート１４を備え、保持シャフト２０をエンドプレート１４にボルト１５にて固定している。エンドプレート１４は、ターミナルプレート１２の側の面を、当該プレートの傾斜時の接合に備えて傾斜面としている。この傾斜面の傾斜角度は、上記した傾斜角度θと同じである。ターミナルプレート１２は、セルと同一厚みとされるほか、上記の間隔Ｓを隔てて保持シャフト２０に係合されている。なお、図示しない他方端側のエンドプレートは、上記したような傾斜面を備える必要はなく、セルと同様の板状形状で間隔Ｓを隔てて他方端側のターミナルプレート１２から離間して保持シャフト２０に係合すればよい。つまり、他方端側では、エンドプレート自体も直交姿勢から傾斜姿勢となって、隣のターミナルプレート１２に接合することになる。

また、燃料電池１０は、セル周縁の下端側に、セル積層方向に延びた駆動シャフト３０を備え、当該シャフトには、既述したセル係合軸２２と同じピッチで等ピッチに配設された下端側セル係合軸３２を備える。そして、それぞれの燃料電池セル１００は、セル下端に、下端側セル係合軸３２が嵌合して摺動可能な切欠１３２を備える。切欠１３２は、下端側セル係合軸３２が嵌合できる幅で形成され、図２の上段に示すように、燃料電池セル１００が直交姿勢にある際には、下端側セル係合軸３２が切欠終端まで入り込むようにされている。従って、燃料電池セル１００は、等ピッチの下端側セル係合軸３２を介して、セル下端側において駆動シャフト３０に等ピッチ（Ｔ＋Ｓ）で係合されると共に、駆動シャフト３０に係合されたままセル積層方向に沿って揺動することができる。ターミナルプレート１２にあっても、燃料電池セル１００と同様である。

駆動シャフト３０は、エンドプレート１４を貫通して配設され、エンドプレート１４に設置されたシャフト移動機構４０に係合している。このシャフト移動機構４０は、バネ、アクチュエータ、ウォーム等にて駆動シャフト３０をセル積層方向に沿って移動させる。つまり、このシャフト移動機構４０は、図２に示すように、燃料電池セル１００を直交姿勢とする際には、駆動シャフト３０を図における左方に移動させておき、燃料電池セル１００を傾斜姿勢とする際には、駆動シャフト３０を図における右方に移動させる。このように駆動シャフト３０が左方に移動すると、当該シャフトに固定された下端側セル係合軸３２も移動するので、この下端側セル係合軸３２に切欠１３２を介して係合している燃料電池セル１００は、駆動シャフト３０の右方移動に伴って図１に示す付勢力を受け、既述して傾斜姿勢を取って隣り合うセル同士で接合して積層されることになる。つまり、既述したＭＥＡ１１２の特性等を考慮しつた面圧・気密が得られるまで、シャフト移動が行われる。そして、シャフト移動機構４０は、燃料電池運転時に亘っては、駆動シャフト３０を図２下段に示すように右方に移動したまま保持し、点検・保守の際の保守要員による機器操作を経て、駆動シャフト３０を図２上段に示すように左方に移動させる。

また、本実施例の燃料電池１０は、積層済みの燃料電池セル１００の取り外しの簡便化を図るため、図３のようにした。つまり、保持シャフト２０と駆動シャフト３０とは、セル上下端においてそれぞれ対となることから、対となる保持シャフト２０の一方および対となる駆動シャフト３０の一方を、少なくとも燃料電池セル１００の係合範囲においてセル係合軸２２、下端側セル係合軸３２から取り外し可能とした。例えば、図示するように、保持シャフト２０と駆動シャフト３０をエンドプレート１４の側でいわゆる接ぎ木状の構成として、上記シャフトの取り外しを可能とした。こうした構成以外で、上記シャフトの一方を取り外し可能にすることもできる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池セル１００を積層して燃料電池１０を構成するに当たり、燃料電池セル１００のそれぞれを、その上下端において保持シャフト２０と駆動シャフト３０に係合させた。その上で、燃料電池セル１００を、シャフトとの係合箇所を中心に揺動するようにし、セル下端の駆動シャフト３０にて燃料電池セル１００に付勢力を及ぼして図２の下段に示すように傾斜姿勢を取るようにした。この傾斜姿勢では、既述したように隣り合う燃料電池セル１００は面圧を受けて接合して積層するので、傾斜姿勢の維持状況下では、ＭＥＡ１１２へのセパレータ１２０を介したガス供給が支障なく行われ、各燃料電池セル１００での発電、延いては燃料電池１０としての発電を行うことができる。その一方、燃料電池１０に含まれる燃料電池セル１００の点検・保守が必要なときには、シャフト移動機構４０により駆動シャフト３０を図２における作用に移動させて付勢力の付与を解き、図２上段に示すように各燃料電池セル１００を傾斜姿勢から直交姿勢とする。

この直交姿勢では、各燃料電池セル１００は、隣り合う燃料電池セル１００の間に所定の間隔Ｓを隔てて離間することから、この離間した間隔Ｓから、燃料電池セル１００の目視点検や保守を行うことができる。そして、点検・保守の完了後には、シャフト移動機構４０により改めて駆動シャフト３０を右方に移動して付勢力を複数の燃料電池セル１００に及ぼせば、各燃料電池セル１００は隣り合う燃料電池セル同士で気密に接合して傾斜姿勢のまま積層するので、発電に備えることができる。このため、本実施例の燃料電池１０によれば、燃料電池１０に含まれる燃料電池セル１００の点検・保守に際しては、シャフト移動機構４０による駆動シャフト３０の移動を通した付勢力の付与の解除と再開を行えば足り、燃料電池セル１００の積層を解く必要がないので、簡便である。

しかも、本実施例では、燃料電池セル１００に及ぶ付勢力の付与・解除を、シャフト移動機構４０による駆動シャフト３０の移動、詳しくはセル積層方向に沿った移動を行えば足りるので、簡便である。また、一方の保持シャフト２０と駆動シャフト３０とはセル係合範囲に亘って取り外すことができるので、このシャフト取り外しにより、図３に示すように、燃料電池セル１００はシャフトとの係合が解除される。よって、燃料電池セル１００のそれぞれを、図中の白抜き矢印に示すようにスライドさせることで、保持シャフト２０と駆動シャフト３０とから取り外しできる。このため、燃料電池セル１００を取り外した上で点検・保守ができるのでその作業はより容易となるほか、燃料電池１０に含まれる燃料電池セル１００の取り外しおよび交換も簡便となる。

また、駆動シャフト３０の移動を介した燃料電池セル１００への付勢力付与は、下端側セル係合軸３２を介してそれぞれのセルに直接なされるので、燃料電池セル１００が上記した傾斜姿勢を取る際の面圧確保の信頼性は高まる。よって、次の利点がある。セルを単純に積層してエンドプレート間のシャフトにてセル積層体を両端から締結する既存のセル締結構成では、セルのズレ回避のために締結荷重を大きくする必要があるため、場合によってはセル積層の面圧が過多となりＭＥＡの損傷を招きかねない。しかしながら、上記のように面圧確保のための付勢力を燃料電池セル１００のそれぞれに個別に付与する本実施例の燃料電池１０によれば、それぞれの燃料電池セル１００での適正な面圧確保ができることから、ＭＥＡの損傷回避、延いては発電性能の維持の上から有益である。しかも、セルの締結荷重、即ち付勢力を過大にする必要もないことから、付勢力付与に関与する駆動シャフト３０や下端側セル係合軸３２の小サイズ化を図ることができ、その分、装置の小型化を進めることができる。

次に、他の実施例について説明する。図４は他の実施例としての燃料電池１０Ａの要部構成を概略的に示す斜視図である。

図示するように、燃料電池１０Ａでは、それぞれの燃料電池セル１００は、その上下端に切欠１３２を備え、ラダー状とされた上下の保持シャフト４０Ｕ、４０Ｄに係合する。つまり、保持シャフト４０Ｕ、４０Ｄは、シャフト間のセル係合軸４２Ｕ、４２Ｄをセル上下端の切欠１３２に嵌め込むことで燃料電池セル１００と係合し、燃料電池セル１００は、既述したようにセル係合軸４２Ｕ、４２Ｄとの係合箇所でセル積層方向に沿って揺動する。そして、この実施例では、保持シャフト４０Ｕは、燃料電池両端の図示しないエンドプレートから取り外し可能とされているので、保持シャフト４０Ｕを取り外した上での燃料電池セル１００の取り外し・交換がより簡便となる。

次にまた別の実施例について説明する。図５は他の実施例の燃料電池１０Ｂにおける燃料電池セルの積層の原理を模式的に示す説明図である。図示するように、この燃料電池１０Ｂでは、燃料電池セル１００の図示する一方端と図示しない他方端とにリンク機構を利用した係合部材５０を備える。この係合部材５０は、いわゆるマジックハンド様に伸び縮みし、中央の軸支ピンにてそれぞれの燃料電池セル１００と係合している。そして、この軸支ピンのそれぞれは、個別に、係合部材５０および燃料電池セル１００から取り外し可能とされている。

この燃料電池１０Ｂにあっても、図示するように付勢力をそれぞれの燃料電池セル１００に及ぼすことで、燃料電池セル１００が接合して積層した積層姿勢を取ることができる。そして、付勢力付与を解除することで、燃料電池セル１００のそれぞれは、隣り合う燃料電池セル１００との間に所定間隔を隔てた離間姿勢となる。しかも、この離間姿勢にある時に係合部材５０の中央の軸支ピンを取り外せば、燃料電池セル１００を個別に取り外すことができる。よって、この燃料電池１０Ｂによっても、既述した効果を奏することができる。

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の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て実施することが可能である。例えば、図２に示すエンドプレート１４を傾斜面を有するものとしたが、当該プレートをセルと同様の板状形状とすることもできる。

本発明の実施例としての燃料電池１０における燃料電池セルの積層の原理を模式的に示す説明図である。 燃料電池１０の概略構成を表す説明図である。 燃料電池セルの係合の様子を概略的に示す説明図である。 他の実施例としての燃料電池１０Ａの要部構成を概略的に示す斜視図である。 また別の実施例としての燃料電池１０Ｂにおける燃料電池セルの積層の原理を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
１０Ａ…燃料電池
１２…ターミナルプレート
１４…エンドプレート
１５…ボルト
２０…保持シャフト
２２…セル係合軸
３０…駆動シャフト
３２…下端側セル係合軸
４０…シャフト移動機構
４０Ｕ…保持シャフト
４２Ｕ…セル係合軸
１００…燃料電池セル
１１０…セルプレート
１２０…セパレータ
１３２…切欠
Ｓ…間隔
ＧＲ…ガス流路
ＭＳ…面圧領域

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に電極を接合させた膜電極接合体を備えるセルプレートとセパレータとを接合した燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、
   燃料電池セル周縁の一方端において前記燃料電池セルの積層方向に沿って延在し、前記燃料電池セルが前記一方端側で係合される一方端セル係合部材を備え、
   複数の前記燃料電池セルは、前記一方端セル係合部材に係合されたまま、隣り合う燃料電池セルの間に所定間隔を隔てて離間する離間姿勢と、隣り合う燃料電池セル同士が気密に接合して積層する積層姿勢とを取り得るようにされ、
   複数の前記燃料電池セルに付勢力を及ぼして、複数の前記燃料電池セルの前記積層姿勢を維持する付勢手段を備える
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   複数の前記燃料電池セルは、前記一方端セル係合部材に等間隔で係合されると共に、前記一方端セル係合部材に係合されたまま該係合箇所を中心に前記セル積層方向に沿って揺動自在とされ、前記離間姿勢として前記セル積層方向と交差する交差姿勢にあると、隣り合う燃料電池セルの間に所定間隔を隔てて離間し、前記係合箇所を中心に揺動して前記交差姿勢から傾斜した傾斜姿勢となると、隣り合う燃料電池セル同士が気密に接合して前記傾斜姿勢のまま積層して前記積層姿勢を取り、
   前記付勢手段は、前記付勢力により複数の前記燃料電池セルを前記積層姿勢としての前記傾斜姿勢に維持する
   燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   燃料電池セル周縁の他方端においても前記燃料電池セルの積層方向に沿って延在する他方端セル係合部材を備え、複数の前記燃料電池セルは前記他方端側で前記他方端セル係合部材に前記等間隔で係合されると共に、前記他方端セル係合部材に係合されたまま前記セル積層方向に沿って揺動し、
   前記付勢手段は、前記一方端セル係合部材と前記他方端セル係合部材の少なくとも一方のセル係合部材を前記セル積層方向に沿って移動させることで、該移動したセル係合部材と前記燃料電池セルの係合箇所を介して前記付勢力を複数の前記燃料電池セルに及ぼす
   燃料電池。
4. 複数の前記燃料電池セルは、前記一方端セル係合部材と前記他方端セル係合部材に対して取り外し可能に係合する請求項２または請求項３に記載の燃料電池。

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