JP2018107071A - 燃料電池スタック及びダミーセル - Google Patents

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Abstract

【課題】特定の発電セルの発電領域に液水が集中して浸入することを抑制する。【解決手段】燃料電池スタックは、積層された複数の発電セルと、前記複数の発電セルの両端部のうち、少なくともいずれか一方側の端部に設けられ、発電を行わないダミーセルと、を備え、前記燃料電池スタックは、前記複数の発電セルと、前記ダミーセルとを貫通する反応ガス供給マニホールドを有し、前記ダミーセルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記ダミーセルの中央領域へ反応ガスを導入する反応ガスの導入流路として1つ以上のダミーセル用反応ガス導入流路を有し、前記ダミーセル用反応ガス導入流路のうちの少なくとも1つは、前記反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられている。【選択図】図4

Description

本発明は、燃料電池スタック及びダミーセルに関する。
燃料電池スタックにおいて、複数の発電セルを積層し、その積層方向の両側に発電しないダミーセルを設けることが記載されている(例えば特許文献1)。
特開2015−69737号公報
燃料電池への反応ガスの供給マニホールドに液水が流入した場合、供給マニホールドの重力方向下側を流れる。このとき、ダミーセルを超えて特定の発電セルに液水が集中して浸入することがあり、反応ガスが供給できずにその発電セルで十分な発電を行うことができないという問題があった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、積層された複数の発電セルと、前記複数の発電セルの両端部のうち、少なくともいずれか一方側の端部に設けられ、発電を行わないダミーセルと、を備え、前記燃料電池スタックは、前記複数の発電セルと、前記ダミーセルとを貫通する反応ガス供給マニホールドを有し、前記ダミーセルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記ダミーセルの中央領域へ反応ガスを導入する反応ガスの導入流路として1つ以上のダミーセル用反応ガス導入流路を有し、前記ダミーセル用反応ガス導入流路のうちの少なくとも1つは、前記反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられている。
反応ガス供給マニホールドに液水が侵入した場合、その液水は、反応ガス供給マニホールドの重力方向下側の下面に沿って流れる。この形態によれば、ダミーセル用反応ガス導入流路のうちの少なくとも1つが前記反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられているので、液水がダミーセルの中央領域に移動し易く、ダミーセルに隣接する発電セルの発電領域へ液水の移動量が少なくなり、特定の発電セルに液水が集中して浸入することを抑制できる。
(2)上記形態において、前記発電セルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記発電セルの発電領域へ反応ガスを導入するための反応ガスの導入流路として1つ以上の発電セル用反応ガス導入流路を有し、前記ダミーセルに隣接する1つ以上の発電セルにおいて、前記発電セル用反応ガス導入流路は、前記反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられず、前記底面よりも重力方向の上方にある側面に設けられていてもよい。
この形態によれば、ダミーセルに隣接する1つ以上の発電セルに液水が流れてきても、発電セル用反応ガス導入流路は、反応ガス供給マニホールドの底面に設けられず、底面よりも重力方向の上方にある側面に設けられているので、発電セルの発電領域への水の浸入を抑制できる。
(3)上記形態において、前記ダミーセルと前記発電セルは、それぞれ前記ダミーセルの前記中央領域または前記発電セルの前記発電領域を取り囲むように形成された樹脂フレームと、前記樹脂フレームを挟むアノードセパレータプレート及びカソードセパレータプレートとを有し、前記ダミーセルの前記アノードセパレータプレート及び前記カソードセパレータプレートの形状と、前記発電セルの前記アノードセパレータプレート及び前記カソードセパレータプレートの形状は、同一であり、前記ダミーセル用反応ガス導入流路及び前記発電セル用反応ガス導入流路は、前記樹脂フレームに形成された溝により形成されていてもよい。
この形態によれば、ダミーセルと発電セルとは、樹脂フレームのみ異なるので、ダミーセル用のアノードセパレータプレート及びカソードセパレータプレートと、発電セル用のアノードセパレータプレート及びカソードセパレータプレートと、を共用できる。
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、燃料電池スタックの他、燃料電池システム、ダミーセル等の種々の形態で実現することができる。
燃料電池スタックの斜視図。 発電セルを模式的に示す平面図。 図2のIII−III断面を示しており、発電セルの発電セル用アノードガス導入流路に沿った断面図。 ダミーセルを模式的に示す平面図。 図5のV−V断面を示しており、ダミーセルのダミーセル用アノードガス導入流路に沿った断面図。 第2実施形態のダミーセルを模式的に示す平面図。 第3実施形態のダミーセルを模式的に示す平面図。 第4実施形態の発電セルを模式的に示す平面図。 変形例1のダミーセルのダミーセル用アノードガス導入流路に沿った断面図。
・第1実施形態:
図1は、燃料電池スタック10の斜視図である。燃料電池スタック10は、複数の発電セル100と、ダミーセル200と、集電板300、310と、絶縁板320、330と、エンドプレート340、350と、を備える。複数の発電セル100は、y方向(水平方向)に積層されて積層体を形成している。ここで、第1実施形態では、水平方向をx方向、y方向とし、鉛直方向をz方向としている。鉛直方向の下向きが重力方向である。ダミーセル200は、複数の発電セル100を挟むように、複数の発電セル100の積層体のy方向の両側に配置されている。なお、ダミーセル200は、複数の発電セル100の両端部のうちの少なくともいずれか一方の端部に設けられていればよい。集電板300、310は、複数の発電セル100とダミーセル200を挟むように、ダミーセル200のy方向の外側に配置されている。絶縁板320、330は、複数の発電セル100と、ダミーセル200と、集電板300、310とを挟むように、集電板300のy方向の外側に配置されている。エンドプレート340、350は、複数の発電セル100と、ダミーセル200と、集電板300、310と、絶縁板320、330と、を挟むように、絶縁板320、330のy方向の外側に配置されている。
燃料電池スタック10は、複数の発電セル100と、ダミーセル200と、集電板300、310と、絶縁板320、330と、エンドプレート340とを貫通するカソードガス供給マニホールド410と、カソードガス排出マニホールド415と、アノードガス供給マニホールド420と、アノードガス排出マニホールド425と、冷媒供給マニホールド430と、冷媒排出マニホールド435を有する。マニホールドのうち、反応ガスを供給するためのマニホールド(「反応ガス供給マニホールド」とも呼ぶ。具体的にはカソードガス供給マニホールド410、アノードガス供給マニホールド420)は、反応ガスを排出するためのマニホールド(「反応ガス排出マニホールド」とも呼ぶ。具体的にはカソードガス排出マニホールド415、アノードガス排出マニホールド425)よりも重力方向の高い位置に形成されている。
図2は、発電セル100を模式的に示す平面図である。発電セル100の中央領域150は、発電領域であり、膜電極接合体が設けられている。発電セル100は、カソードガス供給マニホールド410から中央領域150へカソードガスを導入するための発電セル用カソードガス導入流路110と、中央領域150からカソードガス排出マニホールド415へカソードガスを導出するための発電セル用カソードガス導出流路115と、アノードガス供給マニホールド420から中央領域150へアノードガスを導入するための発電セル用アノードガス導入流路120と、中央領域150からアノードガス排出マニホールド425へカソードガスを導出するための発電セル用アノードガス導出流路125と、を備える。
発電セル用アノードガス導入流路120は重力方向に沿って配列される複数の発電セル用アノードガス導入流路120a〜120fを備える。発電セル用カソードガス導入流路110についても同様の構成を有する。また、発電セル用アノードガス導出流路125、発電セル用カソードガス導出流路115も、同様の構成を有する。
図3は、図2のIII−III断面を示しており、発電セル100の発電セル用アノードガス導入流路120aに沿った断面図である。発電セル100は、樹脂フレーム160と、アノードセパレータプレート170と、カソードセパレータプレート180を備える。樹脂フレーム160は、例えば樹脂により形成されており、膜電極接合体154を取り囲むように保持している。膜電極接合体154は、電解質膜151と、アノード触媒層152と、カソード触媒層153とを備える。電解質膜151は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜によって構成される。より具体的には、電解質膜151は、ナフィオン(登録商標)など、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のイオン交換樹脂膜によって構成される。アノード触媒層152と、カソード触媒層153は、それぞれ、触媒(例えば白金)を担持したカーボン、及び例えばスルホン酸基(−SOH)を有するアイオノマを有している。アノード触媒層152とカソード触媒層153の上には、アノードガス拡散層155とカソードガス拡散層156がそれぞれ配置されている。アノードガス拡散層155とカソードガス拡散層156は、例えば、カーボンペーパーやカーボン不織布で形成されている。また、アノードガス拡散層155とカソードガス拡散層156は、カーボンペーパーやカーボン不織布の他、エキスパンドメタルや金属多孔体で形成されていてもよい。
カソードセパレータプレート180は、隣接する発電セル100のアノードセパレータプレート170方向に突出する突出部181を備える。アノードセパレータプレート170は、突出部181に対向する位置に受け部171を備える。突出部181が受け部171に押圧されることで、発電セル100と発電セル100の間のシールが形成される。なお、突出部181と受け部171との間には、接着剤やシール部材(図示せず)が配置されている。隣接するセルがダミーセル200の場合にも同様の構成によりシールが形成される。
樹脂フレーム160は、アノードガス供給マニホールド420に接続する溝161を有し、溝161のアノードガス供給マニホールド420と反対側は、中央領域150の膜電極接合体154のアノード側に接続し、発電セル用アノードガス導入流路120aを形成している。他の発電セル用アノードガス導入流路120b〜120fや、発電セル用カソードガス導入流路110、発電セル用カソードガス導出流路125、発電セル用アノードガス導出流路115についても同様に、樹脂フレーム160に形成された溝161により形成されている。
図4は、ダミーセル200を模式的に示す平面図である。発電セル100との違いは、中央領域250に、膜電極接合体154が設けられていない点である。他の構成については、発電セル100と同様である。ダミーセル200は、カソードガス供給マニホールド410から中央領域250へカソードガスを導入するためのダミーセル用カソードガス導入流路210と、中央領域250からカソードガス排出マニホールド415へカソードガスを導出するためのダミーセル用カソードガス導出流路215と、アノードガス供給マニホールド420から中央領域250へアノードガスを導入するためのダミーセル用アノードガス導入流路220と、中央領域250からアノードガス排出マニホールド425へカソードガスを導出するためのダミーセル用アノードガス導出流路425と、を備える。
ダミーセル用アノードガス導入流路220は重力方向に沿って配列される複数のダミーセル用アノードガス導入流路220a〜220fを備える。ダミーセル用アノードガス導入流路220a〜220fのうちの少なくとも1つ、図4では、ダミーセル用アノードガス導入流路220aは、アノードガス供給マニホールド420の重力方向の下方の底面420bに設けられている。ダミーセル用カソードガス導入流路210についても同様の構成を有する。なお、ダミーセル用アノードガス導出流路225、ダミーセル用カソードガス導出流路215についても、複数の導出流路を有し、それらの少なくとも1つの導出流路は、各マニホールド415、425の重力方向の上面415u、425uに設けられている。
図5は、図5のV−V断面を示しており、ダミーセル200のダミーセル用アノードガス導入流路220aに沿った断面図である。図3との違いは、ダミーセル200では、樹脂フレーム260に膜電極接合体154を備えず、さらに、アノードガス拡散層155とカソードガス拡散層156を備えない点である。他の構成は同じである。したがって、ダミーセル200のアノードセパレータプレート270と発電セル100のアノードセパレータプレート170の形状は同じであり、ダミーセル200のカソードセパレータプレート280と発電セル100のカソードセパレータプレート180の形状は同じである。なお、ダミーセル200の各部材には、発電セル100の各部材の符号に100を加えた符号を付している。なお、ダミーセル200の発電セル100と反対側(図5では上側)には、集電板300が配置されるが、図5では、図示していない。
アノードガス供給マニホールド420に液水が浸入すると、液水は、アノードガス供給マニホールド420の重力方向の下側の底面420b(図4)に沿って流れる。ダミーセル200のアノードガス供給マニホールド420の底面420bには、ダミーセル用アノードガス導入流路220aが設けられているため、液水は、重力によって、ダミーセル用アノードガス導入流路220aを通って、ダミーセルの中央領域250に流れる。したがって、ダミーセル200に隣接する発電セル100の中央領域150への液水の移動量を少なくすることができる。
以上、第1実施形態によれば、ダミーセル200は、複数の発電セル100の両端部のうち、少なくともいずれか一方側の端部に設けられている。そして、複数のダミーセル用アノードガス導入流路220a〜220fのうちの少なくとも1つ(ダミーセル用アノードガス導入流路220a)がアノードガス供給マニホールド420の重力方向の下方の底面420bに設けられている。その結果、液水がダミーセル200の中央領域250に移動し易く、ダミーセル200に隣接する発電セル100の発電領域150へ液水の移動量が少なくなり、特定の発電セル100に液水が集中して浸入することを抑制できる。
・第2実施形態:
・図6は、第2実施形態のダミーセル201を模式的に示す平面図である。第1実施形態との違いは、第2実施形態のダミーセル201は、図4に示した第1実施形態のダミーセル用アノードガス導入流路220a〜220fのうち、重力方向の上から4本のダミーセル用アノードガス導入流路220d〜220fを備えない点である。他の構成は同じである。
第2実施形態では、ダミーセル201は、ダミーセル用アノードガス導入流路220a〜220fのうち、アノードガスが移動し易い重力方向の上から4本のダミーセル用アノードガス導入流路220d〜220fを備えないため、アノードガス及び液水の移動ルートは、ダミーセル用アノードガス導入流路220a〜220cを通してのみであり、ダミーセル200の中央領域へのアノードガスの移動量を少なくできる。ここで、ダミーセル200の中央領域に移動したアノードガスは発電に寄与しない。したがって、第2実施形態では、発電に寄与しないアノードガスを少なくし、アノードガスの無駄を省くことができる。
・第3実施形態:
図7は、第3実施形態のダミーセル202を模式的に示す平面図である。第1実施形態との違いは、第3実施形態では、ダミーセル202は、アノードガス導入流路220として、アノードガス供給マニホールド420の重力方向の下方の底面420bには、1つのダミーセル用アノードガス導入流路220gのみが設けられている点である。なお、ダミーセル用アノードガス導入流路220gは、図7に示す例では折れ曲がっているが、第1実施形態の図4、第2実施形態の図6、のダミーセル用アノードガス導入流路220aのような真っ直ぐな形状であってもよい。
アノードガス供給マニホールド420に液水が浸入すると、液水は、アノードガス供給マニホールド420の重力方向の下側の底面420bに沿って流れる。第3実施形態によれば、液水がアノードガス供給マニホールド420に浸入すると、ダミーセル200の中央領域250に至る、1つしかないダミーセル用アノードガス導入流路220gのアノードガス供給マニホールド420側の入口を閉塞する。ここで、アノードガス供給マニホールド420内の圧力が高くなると、ダミーセル用アノードガス導入流路220gの出入口間の圧力差が大きくなるので、液水がダミーセル200の中央領域250に移動し易くなる。第1、第2実施形態よりもさらに液水がダミーセル200の中央領域250に移動し易くなる結果、ダミーセル200に隣接する発電セル100の発電領域150へ液水の移動量がさらに少なくなり、特定の発電セル100に液水が集中して移動することを抑制できる。また、ダミーセル用アノードガス導入流路220の合計の流路断面積がさらに小さくなっているので、アノードガスは、ダミーセル200の中央領域250に入り難くなり、アノードガスの無駄をさらに省くことができる。
なお、第1〜第3実施形態では、ダミーセル用アノードガス導入流路220を例にとって、説明したが、ダミーセル用カソードガス導入流路210についても同様の構成を採用できる。
上記第1〜第3の実施形態に加えダミーセル用カソードガス導入流路210も同様の構成を採用できることから、以上をまとめると、ダミーセル200は、複数の発電セル10の両端部のうち、少なくともいずれか一方側の端部に設けられている。ダミーセル200は、反応ガス供給マニホールドからダミーセル200の中央領域250へ反応ガスを導入する反応ガスの導入流路として1つ以上(第1、第2実施形態では「複数」、第3実施形態では「1つ」)のダミーセル用反応ガス導入流路を有する。そして、ダミーセル用反応ガス導入流路のうちの少なくとも1つは、反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられている。その結果、ダミーセル200の中央領域250に液水が移動し易くなり、その分、発電セル100の中央領域150への液水の移動量が少なくなり、特定の発電セル、特にダミーセル200に隣接する発電セル100の中央領域150に液水が集中して浸入することを抑制できる。
・第4実施形態:
図8は、第4実施形態の発電セル101を模式的に示す平面図である。第4実施形態は、第1実施形態〜第3実施形態と比べると、発電セル用アノードガス導入流路120が異なっている。具体的には、第4実施形態では、図2に示した発電セル用アノードガス導入流路120a〜120fのうち、アノードガス供給マニホールド420の底面420bに設けられた発電セル用アノードガス導入流路120aを含む重力方向の下方に設けられた発電セル用アノードガス導入流路120a〜120bを備えず、発電セル用アノードガス導入流路120c〜120fは、アノードガス供給マニホールド420の底面420bよりも重力方向の上方にある側面420sに設けられている点が第1実施形態〜第3実施形態と異なる。他の構成は同じである。
第4実施形態では、アノードガス供給マニホールド420の底面420bに設けられた発電セル用アノードガス導入流路を備えず、発電セル用アノードガス導入流路120c〜120fは、アノードガス供給マニホールド420の側面420sに設けられている。液水は、アノードガス供給マニホールド420の底面420bに沿って移動するため、液水は、発電セル用アノードガス導入流路120c〜120fの入口まで達せず、発電セル100の発電領域150へ液水が移動し難い。その結果、第1実施形態で説明した発電セル100の発電領域150への液水の移動量を更に小さくでき、特定の発電セル100に液水が集中して移動することを抑制できる。なお、反応ガスの下流に行くほどアノードガス供給マニホールド420を流れる液水の量が少なくなる。したがって、ダミーセル200に隣接する1以上の発電セル100が第4実施形態の構成を有すればよい。また、第4実施形態の構成は、発電セル用カソードガス導入流路110についても適用できる。
・変形例1:
図9は、変形例1のダミーセル200のダミーセル用アノードガス導入流路120aに沿った断面図である。第1〜第4実施形態との違いは、第1〜第4実施形態では、ダミーセル用アノードガス導入流路120は、樹脂フレーム260に形成された溝261により形成されているが、変形例では、アノードセパレータプレート270に形成されたアノードガス導入流路形成部273により形成されている点である。なお、図示しないが、ダミーセル用カソードガス導入流路210は、カソードセパレータプレート270に形成されたカソードガス導入流路形成部により形成されている。ダミーセル用カソードガス導出流路215、ダミーセル用アノードガス導出流路225についても同様である。発電セル100についても同様である。このように、樹脂フレーム260、160の溝261、161ではなく、セパレータプレートを用いて、反応ガスの導入流路や導出流路を形成してもよい。但し、第1〜第4実施形態のように、樹脂フレーム260、160の溝261、161を用いて反応ガスの導入流路や導出流路を形成すると、発電セル100のセパレータプレート170、180と、ダミーセル200のセパレータプレート270、280を共用でき、別個に準備する必要が無い。その結果、アノードセパレータプレート170、270の金型を共用でき、カソードセパレータプレート180、280の金型を共用できるので、製造コストを下げることができるというメリットがある。
・変形例2:
上記第1〜第4実施形態では、樹脂フレーム260に溝261を形成して反応ガスの導入流路や導出流路を形成した。樹脂フレームは、射出成型により成型されてもよく、基材とその両面に接着された接着シート用いて形成されてもよい。
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池スタック
100、101…発電セル
110…発電セル用カソードガス導入流路
115…発電セル用カソードガス導出流路
120、120a〜120f…発電セル用アノードガス導入流路
125…発電セル用アノードガス導出流路
150…中央領域
151…電解質膜
152…アノード触媒層
153…カソード触媒層
154…膜電極接合体
155…アノードガス拡散層
156…カソードガス拡散層
160…樹脂フレーム
161…溝
170…アノードセパレータプレート
171…受け部
180…カソードセパレータプレート
181…突出部
200、201、202…ダミーセル
210…ダミーセル用カソードガス導入流路
215…ダミーセル用カソードガス導出流路
220、220a〜220g…ダミーセル用アノードガス導入流路
225…ダミーセル用アノードガス導出流路
250…中央領域
260…樹脂フレーム
261…溝
270…アノードセパレータプレート
271…受け部
273…アノードガス導入流路形成部
280…カソードセパレータプレート
281…突出部
300、310…集電板
320、330…絶縁板
340、350…エンドプレート
410…カソードガス供給マニホールド
415…カソードガス排出マニホールド
415u…上面
420…アノードガス供給マニホールド
420b…底面
420s…側面
425…アノードガス排出マニホールド
425u…上面
430…冷媒供給マニホールド
435…冷媒排出マニホールド
III−III…断面
V−V…断面

Claims (4)

  1. 燃料電池スタックであって、
    積層された複数の発電セルと、
    前記複数の発電セルの両端部のうち、少なくともいずれか一方側の端部に設けられ、発電を行わないダミーセルと、
    を備え、
    前記燃料電池スタックは、前記複数の発電セルと、前記ダミーセルとを貫通する反応ガス供給マニホールドを有し、
    前記ダミーセルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記ダミーセルの中央領域へ反応ガスを導入する反応ガスの導入流路として1つ以上のダミーセル用反応ガス導入流路を有し、
    前記ダミーセル用反応ガス導入流路のうちの少なくとも1つは、前記反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられている、
    燃料電池スタック。
  2. 請求項1に記載の燃料電池スタックであって、
    前記発電セルは、前記反応ガス供給マニホールドから前記発電セルの発電領域へ反応ガスを導入するための反応ガスの導入流路として1つ以上の発電セル用反応ガス導入流路を有し、
    前記ダミーセルに隣接する1つ以上の発電セルにおいて、前記発電セル用反応ガス導入流路は、前記反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられず、前記底面よりも重力方向の上方にある側面に設けられている、
    燃料電池スタック。
  3. 請求項2に記載の燃料電池スタックであって、
    前記ダミーセルと前記発電セルは、それぞれ前記ダミーセルの前記中央領域または前記発電セルの前記発電領域を取り囲むように形成された樹脂フレームと、前記樹脂フレームを挟むアノードセパレータプレート及びカソードセパレータプレートとを有し、
    前記ダミーセルの前記アノードセパレータプレート及び前記カソードセパレータプレートの形状と、前記発電セルの前記アノードセパレータプレート及び前記カソードセパレータプレートの形状は、同一であり、
    前記ダミーセル用反応ガス導入流路及び前記発電セル用反応ガス導入流路は、前記樹脂フレームに形成された溝により形成されている、燃料電池スタック。
  4. 燃料電池スタックの積層された複数の発電セルの両端部のうち、少なくともいずれか一方側の端部に設けられ、発電を行わないダミーセルであって、
    前記複数の発電セルと前記ダミーセルとを貫通する反応ガス供給マニホールドから前記ダミーセルの中央領域へ反応ガスを導入する反応ガスの導入流路として1つ以上のダミーセル用反応ガス導入流路を有し、
    前記ダミーセル用反応ガス導入流路のうちの少なくとも1つは、前記反応ガス供給マニホールドの重力方向の下方の底面に設けられている、ダミーセル。
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