JP6859823B2 - 燃料電池セル - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルに関する。
燃料電池セルとして、膜電極接合体の外周に樹脂フレーム（樹脂枠）が配置され、一対のセパレータで挟持することにより構成されるものが知られている（特許文献１参照）。
例えば、特許文献１において、図６に示すように、セパレータ（４０）で挟持された範囲内で樹脂フレーム（２０）に貫通孔を形成してガス導入路（５０）を形成した場合では、セパレータに対する樹脂フレームの位置が製造誤差等によってずれると、図６下段に示すように、反応ガスが導入される入口が塞がれてしまうおそれがある。そのため、反応ガスを膜電極接合体に導くときの圧力損失（以下、「圧損」という）がバラつき、燃料電池セルの電圧が不安定となる可能性があった。そこで、燃料電池セル内への反応ガス導入時における圧損のバラつきを抑制可能な技術が望まれていた。
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。
本発明の一形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、膜電極接合体を含む発電体と、前記発電体の周囲に配置された枠状の樹脂フレームと、前記発電体と前記樹脂フレームとを挟持するように前記樹脂フレームに積層された一対のセパレータと、備え、前記樹脂フレームは、前記樹脂フレームを貫く方向に反応ガスが流れる樹脂フレーム側マニホールド孔と、前記発電体を収納する開口部と、前記樹脂フレーム側マニホールド孔と前記開口部との間に前記樹脂フレームを貫通して形成され、前記樹脂フレーム側マニホールド孔から前記開口部に向かって伸びる複数のガス導入路と、を有し、前記セパレータは、積層方向において前記樹脂フレーム側マニホールド孔と一部が重なる位置に設けられた、前記反応ガスが流れるセパレータ側マニホールド孔と、前記積層方向において前記セパレータと前記樹脂フレームとの間に設けられた前記ガス導入路と連通している流路とを有し、前記ガス導入路は、前記積層方向から見たときに、前記セパレータ側マニホールド孔内にはみ出しているガス導入部を有する。また、本発明は、以下の形態としても実現できる。
本発明の一形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、膜電極接合体を含む発電体と、前記発電体の周囲に配置された枠状の樹脂フレームと、前記発電体と前記樹脂フレームとを挟持するように前記樹脂フレームに積層された一対のセパレータと、備え、前記樹脂フレームは、前記樹脂フレームを貫く方向に反応ガスが流れる樹脂フレーム側マニホールド孔と、前記発電体を収納する開口部と、前記樹脂フレーム側マニホールド孔と前記開口部との間に前記樹脂フレームを貫通して形成され、前記樹脂フレーム側マニホールド孔から前記開口部に向かって伸びる複数のガス導入路と、を有し、前記セパレータは、積層方向において前記樹脂フレーム側マニホールド孔と一部が重なる位置に設けられた、前記反応ガスが流れるセパレータ側マニホールド孔と、前記積層方向において前記セパレータと前記樹脂フレームとの間に設けられた前記ガス導入路と連通している流路とを有し、前記ガス導入路は、前記積層方向から見たときに、前記セパレータ側マニホールド孔内にはみ出しているガス導入部を有する。また、本発明は、以下の形態としても実現できる。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、膜電極接合体を含む発電体と；前記発電体の周囲に配置された枠状の樹脂フレームと；前記発電体と前記樹脂フレームとを挟持するように前記樹脂フレームに積層された一対のセパレータと、備え；前記樹脂フレームは、前記樹脂フレームを貫く方向に反応ガスが流れる樹脂フレーム側マニホールドと、前記発電体を収納する開口部と、前記樹脂フレーム側マニホールドと前記開口部との間に前記樹脂フレームを貫通して形成されたガス導入路と、を有し；前記セパレータは、積層方向において前記樹脂フレーム側マニホールドに対応する位置に設けられた、前記反応ガスが流れるセパレータ側マニホールドを有し；前記ガス導入路は、前記積層方向から見たときに、前記セパレータ側マニホールド内にはみ出しているガス導入部を有する。この形態の燃料電池セルによれば、樹脂フレームに形成されたガス導入路がセパレータ側マニホールド内にはみ出しているので、セパレータに対する樹脂フレームの位置が製造誤差等によってずれた場合であっても反応ガスが導入される入口が塞がれることを抑制できる。従って、燃料電池セル内への反応ガス導入時に圧損がバラつくことを抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池セルにおいて、前記一対のセパレータの内少なくとも一方の前記セパレータは、前記ガス導入路に面する位置に凹部を有し；前記凹部の前記ガス導入路におけるガスの流れ方向に沿った長さは、前記ガス導入路よりも短くてもよい。この形態の燃料電池セルによれば、燃料電池セルを複数積層した際の厚みを凹部の深さ分だけ小さくできるため、厚みが過度に増大することを抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池セルにおいて、前記樹脂フレームは、複数の前記ガス導入路を前記樹脂フレーム側マニホールドと前記開口部との間に有し；前記複数のガス導入路のうち少なくとも一部の前記ガス導入部は、一定の長さでもよい。この形態の燃料電池セルによれば、複数のガス導入路における圧損のバラつきを抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池セルにおいて、前記セパレータと前記樹脂フレームとの間に、前記反応ガスを前記発電体に流す複数の流路と、前記ガス導入路とが接続され、前記ガス導入路から供給された前記反応ガスを前記流路へと分配する分配流路を有してもよい。この形態の燃料電池セルによれば、ガス導入路から導入した反応ガスをより多くの流路に分配できるので、発電効率を向上できる。
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、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックや燃料電池としての形態の他、燃料電池セルの製造方法としての形態で実現することができる。
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池セル１００を分解して示す説明図である。燃料電池セル１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池セルである。燃料電池セル１００は、発電体１０と、樹脂フレーム２０と、一対のセパレータ４０ａ、４０ｂと、冷却マニホールド３１と、流路４１と、分配流路４２と、を備える。
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池セル１００を分解して示す説明図である。燃料電池セル１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池セルである。燃料電池セル１００は、発電体１０と、樹脂フレーム２０と、一対のセパレータ４０ａ、４０ｂと、冷却マニホールド３１と、流路４１と、分配流路４２と、を備える。
発電体１０は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。この電解質膜、触媒層を合わせて、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。
ガス拡散層は、それぞれ触媒層側の面に隣接して設けられている。ガス拡散層は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜、触媒層、ガス拡散層を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。
樹脂フレーム２０は、発電体１０の周囲に配置された枠状の樹脂部材である。樹脂部材として、本実施形態では、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられる。ただし、樹脂部材として、ポリプロピレン、ポリエチレン等の他の種々の熱可塑性樹脂部材も利用可能である。樹脂フレーム２０は、開口部２１と、樹脂フレーム側マニホールド３０ａとを有する。樹脂フレーム２０は、開口部２１に発電体１０を収納する。樹脂フレーム側マニホールド３０ａには、樹脂フレーム２０を貫く方向（ｚ軸方向）に反応ガスが流れる。
樹脂フレーム２０は、樹脂フレーム側マニホールド３０ａと開口部２１との間に複数のガス導入路５０を備えている。ガス導入路５０は、樹脂フレーム２０を貫通して形成されている。樹脂フレーム２０を貫通してガス導入路５０を形成すれば、樹脂フレーム２０の表面に溝を形成してガス導入路を形成するよりも、樹脂フレーム２０の厚み、ひいては、燃料電池セル１００の厚みを薄くすることができる。なお、他の実施形態では、樹脂フレーム２０は、樹脂フレーム側マニホールド３０ａと開口部２１との間にガス導入路５０を１つのみ有していてもよい。
一対のセパレータ４０ａ、４０ｂは、膜電極接合体を含む発電体１０と樹脂フレーム２０とを挟持するように樹脂フレーム２０に積層されている。セパレータ４０ａ、４０ｂは例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。本実施形態において、セパレータ４０ａは、カソード側のセパレータであり、セパレータ４０ｂは、アノード側のセパレータである。本実施形態では、以下、セパレータ４０ａとセパレータ４０ｂとをまとめてセパレータ４０という。セパレータ４０は、反応ガスが流れるセパレータ側マニホールド３０ｂを有する。
セパレータ側マニホールド３０ｂは、積層方向（ｚ軸方向）において樹脂フレーム側マニホールド３０ａに対応する位置に設けられている。積層方向において対応する位置とは、平面方向（ｘ軸方向およびｙ軸方向）の位置がほぼ同じであることをいう。本実施形態では、樹脂フレーム側マニホールド３０ａの開口面積は、セパレータ側マニホールド３０ｂの開口面積よりも小さい。本実施形態では、以下、樹脂フレーム側マニホールド３０ａとセパレータ側マニホールド３０ｂとをまとめてマニホールド３０という。マニホールド３０は、樹脂フレーム２０とセパレータ４０とを連通し、反応ガスが流通する。冷却マニホールド３１は、樹脂フレーム２０とセパレータ４０とを連通し、冷却水が流通する。
流路４１は、セパレータ４０と樹脂フレーム２０との間に形成されている。流路４１は、反応ガスを発電体に流す。分配流路４２は、複数の流路４１と、ガス導入路５０とを接続する。分配流路４２は、ガス導入路５０から供給された反応ガスを流路４１へと分配する。
図２は、図１の樹脂フレーム２０と一対のセパレータ４０とを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。図２には、水素ガスが流れるマニホールド３０付近の拡大図を示している。図２に示すように、樹脂フレーム２０は、樹脂フレーム側マニホールド３０ａの近傍にマニホールド３０からガス導入路５０に水素ガスを導入するためのガス導入部５１を備えている。ガス導入部５１は、ガス導入路５０に形成された、マニホールド３０側の端部であり、より具体的には、樹脂フレーム２０に対するセパレータ４０の積層方向（ｚ軸方向）から見たときに、ガス導入路５０の端部がセパレータ側マニホールド３０ｂ内にはみ出している部分である。
ガス導入部５１の長さＬ１、より具体的には、セパレータ側マニホールド３０ｂの周縁部からガス導入部５１の端部５２までの距離は、一定の長さである。長さＬ１は、０より大きければ任意に定めることができる。例えば、長さＬ１は、積層方向（ｚ軸方向）からガス導入部５１を見た場合におけるガス導入部５１の開口面積が、ガス導入路５０の流路断面積以下になるように定められていることが好ましい。また、ガス導入部５１の端部５２から樹脂フレーム側マニホールド３０ａの周縁部までの長さＬ２についても、０より大きければ、マニホールド３０における反応ガスの流れを過度に妨げない限り任意に定めることができる。なお、ガス導入路５０の幅Ｗは、ガス導入路５０同士の距離Ｄを１とする場合、０．５〜３．０の比率であることが好ましい。
図３は、燃料電池セル１００を複数積層した場合における図２をＩＩＩ−ＩＩＩラインで切断した断面図である。隣り合う燃料電池セル１００間において、一方の燃料電池セル１００のセパレータ４０ａと、他方の燃料電池セル１００のセパレータ４０ｂとの間には、ガスケット６０が設けられている。本実施形態において、ガスケット６０は、セパレータ４０ａのセパレータ側マニホールド３０ｂの周囲に設けられた凹部４３、より具体的には、セパレータ４０ａのガス導入路５０に面する位置に設けられた凹部４３に接着されている。凹部４３のガスケット６０とは反対側の面は、樹脂フレーム２０に接着されている。セパレータ４０ｂにも凹部４４が形成されており、その底面が樹脂フレーム２０に接着されている。マニホールド３０の周縁における、セパレータ４０ａ、４０ｂの端部は、それぞれ、樹脂フレーム２０から積層方向（ｚ軸方向）に離間し、マニホールド３０の内部に向かって突き出す形状になっている。
ガスケット６０は、例えばシリコーンゴムにより形成される。隣り合う燃料電池セル１００間には冷却マニホールド３１から冷却水が流通する冷却流路が形成されており、この冷却流路は、ガスケット６０によってシールされている。
図４は、燃料電池セル１００を複数積層した場合における図２をＩＶ−ＩＶラインで切断した断面図である。具体的には、燃料電池セル１００をガス導入路５０に沿って切断した断面図である。凹部４３、４４のガス導入路５０におけるガスの流れ方向に沿った長さＬ３（幅）は、ガス導入路５０の長さＬ４よりも短い。また、ガス導入路５０は、凹部４３の下面に対向する位置に設けられる。
図４に矢印で示すように、ガス導入路５０は、水素ガスをマニホールド３０から発電体１０に流通させる。より具体的には、水素ガスは、マニホールド３０からガス導入部５１を通じて、ガス導入路５０に流通する。そして、水素ガスは、分配流路４２により各流路４１に分配され、発電体１０のアノード側へ供給される。
図５は、図１のＡ部分の参考図である。図５は、図２におけるガス導入部５１のマニホールド３０側の端部５２を切り落とした構造を示している。換言すると、長さＬ２が０の場合の構造を示している。このような構造では、反応ガスを導入する際に、ガス導入部５１が例えばｙ軸方向にばたつき、ガス導入路５０が部分的に閉塞する可能性がある。
図６は、図２をＩＶ−ＩＶラインで切断した断面の参考図である。図６は、ガス導入路５０がセパレータ側マニホールド３０ｂ内にはみ出していない構造を示している。このような構造では、セパレータ４０に対する樹脂フレーム２０の位置が製造誤差等によって矢印方向（−ｘ軸方向）にずれた場合、図６下段に示すように、反応ガスが導入される入口が塞がれてしまう可能性がある。そのため、圧損のバラつきが大きくなり、電圧が不安定になることがある。
図５、６に示した構造に比べて、本実施形態の燃料電池セル１００では、樹脂フレーム２０に形成されたガス導入路５０がセパレータ側マニホールド３０ｂ内にはみ出しているので、セパレータ４０に対する樹脂フレーム２０の位置が製造誤差等によってずれた場合であっても反応ガスが導入される入口が塞がれることを抑制できる。従って、燃料電池セル１００内への反応ガス導入時における圧損がバラつくことを抑制できる。また、ガス導入路５０は、樹脂フレーム側マニホールド３０ａと開口部２１との間に形成されており、ガス導入部５１の端部５２が繋がっているため、ガス導入部５１のばたつきによる部分閉塞の発生を抑制できる。
また、本実施形態では、ガス導入部５１の長さＬ１は、一定の長さであるため、複数のガス導入路５０における圧損のバラつきを抑制できる。更に、樹脂フレーム２０とセパレータ４０との間には、分配流路４２が設けられているため、ガス導入路５０から導入した反応ガスをより多くの流路４１に分配できるので、発電効率を向上できる。また、分配流路４２が設けられていることにより、セパレータ４０に対する樹脂フレーム２０の位置がずれた場合であっても、ガス導入路５０のセパレータ４０側の端部が閉塞する可能性を低減できる。
また、本実施形態では、セパレータ４０ａ、４０ｂはそれぞれ凹部４３、４４を有しているため、燃料電池セル１００を複数積層した際の厚みを凹部の深さ分だけ減少できる。そのため、燃料電池セル１００を複数枚積層した際の厚みが過度に増大することを抑制できる。なお、本実施形態において、セパレータ４０ａ、４０ｂはそれぞれ凹部４３、４４を有しているが、セパレータ４０ａおよびセパレータ４０ｂのどちらか一方のみが凹部を有していてもよい。また、凹部４３、４４を省略することも可能である。
上記実施形態では、水素ガスが発電体１０に流入する側のガス導入路５０の構造について上述したが、酸素ガスが発電体１０に流入する側のガス導入路５０の構造についても、上述したガス導入路５０の構造と同様である。また、反応ガスが発電体１０からから排出される側のガス排出路の構造についても、上述したガス導入路５０の構造と同様である。
Ｂ．変形例：
＜第１変形例＞
図７は、第１変形例における図１の樹脂フレーム２０と一対のセパレータ４０とを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。上記実施形態において、各ガス導入路５０は、樹脂フレーム２０に対するセパレータ４０の積層方向（ｚ軸方向）から見たときに、平行に形成されている。これに対して、図７に示すように、ガス導入路５０は、マニホールド３０に対して一部が扇状に配置されるように形成されていてもよい。
＜第１変形例＞
図７は、第１変形例における図１の樹脂フレーム２０と一対のセパレータ４０とを接合した場合におけるＡ部分の拡大図である。上記実施形態において、各ガス導入路５０は、樹脂フレーム２０に対するセパレータ４０の積層方向（ｚ軸方向）から見たときに、平行に形成されている。これに対して、図７に示すように、ガス導入路５０は、マニホールド３０に対して一部が扇状に配置されるように形成されていてもよい。
＜第２変形例＞
上記実施形態において、樹脂フレーム２０は、複数のガス導入路５０を有しており、ガス導入部５１の長さＬ１は、全て一定の長さである。これに対して、複数のガス導入路５０のうちの一部の長さが異なっていてもよい。
上記実施形態において、樹脂フレーム２０は、複数のガス導入路５０を有しており、ガス導入部５１の長さＬ１は、全て一定の長さである。これに対して、複数のガス導入路５０のうちの一部の長さが異なっていてもよい。
＜第３変形例＞
上記実施形態において、燃料電池セル１００は、ガス導入路５０から供給された反応ガスを流路４１へと分配する分配流路４２を有している。これに対して、燃料電池セル１００は、分配流路４２を有していなくてもよく、各ガス導入路５０が直接的に各流路４１に接続されていてもよい。
上記実施形態において、燃料電池セル１００は、ガス導入路５０から供給された反応ガスを流路４１へと分配する分配流路４２を有している。これに対して、燃料電池セル１００は、分配流路４２を有していなくてもよく、各ガス導入路５０が直接的に各流路４１に接続されていてもよい。
＜第４変形例＞
図８、９は、第４変形例における図２をＩＩＩ−ＩＩＩラインで切断した断面図である。上記実施形態において、マニホールド３０の周縁における、セパレータ４０の端部は、それぞれ、樹脂フレーム２０から積層方向（ｚ軸方向）に離間し、ガス導入路５０の内部に向かって突き出す形状になっている。これに対して、図８に示すように、マニホールド３０の周縁における、セパレータ４０の端部は樹脂フレーム２０から離間していなくてもよい。また、図９に示すように、マニホールド３０の周縁におけるセパレータ４０の端部は、マニホールド３０側に向けて樹脂フレーム２０から積層方向に離間した後、再度、樹脂フレーム２０に接してもよい。
図８、９は、第４変形例における図２をＩＩＩ−ＩＩＩラインで切断した断面図である。上記実施形態において、マニホールド３０の周縁における、セパレータ４０の端部は、それぞれ、樹脂フレーム２０から積層方向（ｚ軸方向）に離間し、ガス導入路５０の内部に向かって突き出す形状になっている。これに対して、図８に示すように、マニホールド３０の周縁における、セパレータ４０の端部は樹脂フレーム２０から離間していなくてもよい。また、図９に示すように、マニホールド３０の周縁におけるセパレータ４０の端部は、マニホールド３０側に向けて樹脂フレーム２０から積層方向に離間した後、再度、樹脂フレーム２０に接してもよい。
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、上述した課題を解決するために、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…発電体
２０…樹脂フレーム
２１…開口部
３０…マニホールド
３０ａ…樹脂フレーム側マニホールド
３０ｂ…セパレータ側マニホールド
３１…冷却マニホールド
４０、４０ａ、４０ｂ…セパレータ
４１…流路
４２…分配流路
４３、４４…凹部
５０…ガス導入路
５１…ガス導入部
５２…端部
６０…ガスケット
１００…燃料電池セル
２０…樹脂フレーム
２１…開口部
３０…マニホールド
３０ａ…樹脂フレーム側マニホールド
３０ｂ…セパレータ側マニホールド
３１…冷却マニホールド
４０、４０ａ、４０ｂ…セパレータ
４１…流路
４２…分配流路
４３、４４…凹部
５０…ガス導入路
５１…ガス導入部
５２…端部
６０…ガスケット
１００…燃料電池セル
Claims (4)
- 燃料電池セルであって、
膜電極接合体を含む発電体と、
前記発電体の周囲に配置された枠状の樹脂フレームと、
前記発電体と前記樹脂フレームとを挟持するように前記樹脂フレームに積層された一対のセパレータと、備え、
前記樹脂フレームは、前記樹脂フレームを貫く方向に反応ガスが流れる樹脂フレーム側マニホールド孔と、前記発電体を収納する開口部と、前記樹脂フレーム側マニホールド孔と前記開口部との間に前記樹脂フレームを貫通して形成され、前記樹脂フレーム側マニホールド孔から前記開口部に向かって伸びる複数のガス導入路と、を有し、
前記セパレータは、積層方向において前記樹脂フレーム側マニホールド孔と一部が重なる位置に設けられた、前記反応ガスが流れるセパレータ側マニホールド孔と、前記積層方向において前記セパレータと前記樹脂フレームとの間に設けられた前記ガス導入路と連通している流路とを有し、
前記ガス導入路は、前記積層方向から見たときに、前記セパレータ側マニホールド孔内にはみ出しているガス導入部を有する、燃料電池セル。 - 請求項１に記載の燃料電池セルであって、
前記一対のセパレータの内少なくとも一方の前記セパレータは、前記積層方向において、前記ガス導入路に面する位置に凹部を有し、
前記凹部の前記ガス導入路におけるガスの流れ方向に沿った長さは、前記ガス導入路よりも短い、燃料電池セル。 - 請求項１または請求項２に記載の燃料電池セルであって、
前記樹脂フレームは、複数の前記ガス導入路を前記樹脂フレーム側マニホールド孔と前記開口部との間に有し、
前記複数のガス導入路のうち少なくとも一部の前記ガス導入部は、前記セパレータ側マニホールド孔の周縁部から前記ガス導入部の端部までの長さが一定である、燃料電池セル。 - 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池セルであって、
前記セパレータと前記樹脂フレームとの間に、前記反応ガスを前記発電体に流す複数の流路と、前記ガス導入路とが接続され、前記ガス導入路から供給された前記反応ガスを前記流路へと分配する分配流路を有する、燃料電池セル。
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