JP6926999B2 - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルの製造方法に関する。

従来から燃料電池単セルの製造方法に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載された発明は、セパレータの材料として金属を用い、支持フレームの材料としてポリマーを用いる場合でも、膜電極接合体に大きな引張り荷重がかかり難くなるようにする技術が望まれることに鑑みて、次の構成を備えた燃料電池単セルの製造方法を提供している。

燃料電池単セルは、膜電極接合体と、ガス拡散層と、支持フレームと、セパレータと、を備えている。膜電極接合体は、電解質膜の両側に電極触媒層がそれぞれ形成されている。ガス拡散層は、膜電極接合体の両側に配置される。支持フレームは、膜電極接合体の外周において膜電極接合体を支持する。セパレータは、周縁部分において支持フレームに固定され、中央部分においてガス拡散層に当接するように支持フレームおよびガス拡散層の両側面上にそれぞれ配置されている。さらに、支持フレームは、支持フレーム本体と、この支持フレーム本体の両側面の少なくとも一方上に、熱可塑性を有する接着剤で形成された接着剤被覆層と、を含む。また、セパレータは、金属で形成され、支持フレーム本体は、延伸された結晶性ポリマーで形成されている。

特許文献１に記載された燃料電池単セルの製造方法は、次の各工程を備えることを特徴としている。第１に、膜電極接合体の一側面上にガス拡散層の外周縁部が残るようにしつつ膜電極接合体の両側面上にそれぞれガス拡散層が配置された膜電極接合体を準備する工程である。第２に、ガス拡散層の外周縁部を覆うように接着剤層を形成する工程である。第３に、接着剤層に支持フレームの内側部分を配置して、支持フレームと膜電極接合体とを接着する工程である。第４に、膜電極接合体に接着された支持フレームの外側部分の両側面上にセパレータの周縁部分を配置し、支持フレームとセパレータとを加熱して接着する工程である。

特開２０１６−１６２６５１号公報

前記特許文献１に記載された燃料電池単セルの製造方法では、前記第４の工程、すなわち、支持フレームとセパレータとを加熱して接着する工程の工程作業時間（タクトタイム）が、他の工程の工程作業時間よりも長くなる場合がある。その場合、製造ラインの他の工程においてワークの待ち時間が発生する。

また、他の工程における待ち時間の発生を回避するために、前記第４の工程を２工程以上に分割すると、分割された各工程の間で、支持フレームとセパレータとの接着が未完了の燃料電池セルを搬送する必要がある。この未完成の燃料電池セルの搬送時に、支持フレームやセパレータの温度が低下すると、支持フレームとセパレータとの接着不良が発生するおそれがある。

そこで、樹脂枠とセパレータとを加熱して接着する工程を２工程以上に分割しても樹脂枠とセパレータとの接着不良を抑制可能な燃料電池セルの製造方法を提供する。

本発明の一態様は、膜電極ガス拡散層接合体と該膜電極ガス拡散層接合体を囲む樹脂枠とが一対のセパレータの間に配置された積層体を加熱して前記セパレータと前記樹脂枠とを接着する加熱接着工程を含む燃料電池セルの製造方法であって、前記加熱接着工程は、前記積層体を加熱する複数の加熱工程と、該複数の加熱工程の間で前記積層体を搬送する搬送工程と、を有し、前記搬送工程において、前記積層体に向けて突出する凸部を有する支持部を用い、該凸部のみで前記積層体を支持して搬送することを特徴とする燃料電池セルの製造方法である。

上記態様の燃料電池セルの製造方法は、前記したように、加熱接着工程が複数の加熱工程を有している。これにより、燃料電池セルの製造方法に含まれる加熱接着工程以外の工程の工程作業時間が、加熱接着工程の工程作業時間よりも短い場合でも、各加熱工程の工程作業時間を他の工程の工程作業時間と同等にすることができる。したがって、燃料電池セルの製造方法において、加熱接着工程の工程作業時間が、加熱接着工程以外の工程の工程作業時間よりも長い場合でも、加熱接着工程以外の工程において、待ち時間が発生するのを防止できる。

また、上記態様の燃料電池セルの製造方法は、前記したように、複数の加熱工程の間で積層体を搬送する搬送工程を有している。このように、加熱工程と加熱工程の間の搬送工程において積層体を搬送する場合には、積層体の温度低下によるセパレータと樹脂枠との接着不良が課題となる。この課題に対し、上記態様の燃料電池セルの製造方法は、搬送工程において、前記したように、積層体に向けて突出する凸部を有する支持部を用い、この凸部のみで積層体を支持して搬送する。

これにより、搬送工程において、積層体を支持する支持部と、支持部によって支持される積層体とは、支持部から積層体へ向けて突出する凸部の先端のみを介して互いに接した状態になる。そのため、支持部と積層体との接触面積を最小限にして、積層体の熱が支持部に伝わるのを抑制して、積層体の温度が低下するのを抑制することができる。したがって、積層体の温度低下によるセパレータと樹脂枠との接着不良を抑制することができる。

本発明の一態様によれば、樹脂枠とセパレータとを加熱して接着する工程を２工程以上に分割しても、樹脂枠とセパレータとの接着不良を抑制可能な燃料電池セルの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池セルの製造方法のフロー図。 図１に示す搬送工程における積層体の平面図。 図２において二点鎖線で囲まれたIII部の拡大平面図。 図３に示す積層体と支持部の拡大側面図。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池セルの製造方法の一実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池セルの製造方法Ｍのフロー図である。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、たとえば、一対のセパレータ１１，１１と、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly：ＭＥＧＡ）１２と、樹脂枠１３とを備える燃料電池セルの製造方法Ｍである（図２を参照）。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、たとえば、積層工程Ｓ１と、加熱接着工程Ｓ２と、冷却工程Ｓ３と、を有している。

積層工程Ｓ１は、ＭＥＧＡ１２と、そのＭＥＧＡ１２を囲む樹脂枠１３とを、一対のセパレータ１１，１１の間に配置して積層体１０を構成する工程である。ＭＥＧＡ１２は、たとえば、高分子電解質膜（Polymer Electrolyte Membrane：ＰＥＭ）の表裏に、触媒層（Catalyst Layer：ＣＬ）、撥水層(Micro Porous Layer：ＭＰＬ)、およびガス拡散層（Gas Diffusion Layer：ＧＤＬ）を積層させることによって構成されている。

セパレータ１１は、充分なガス不透過性を備える矩形板状の部材である。セパレータ１１は、個々の燃料電池セルのＭＥＧＡ１２の表裏に反応ガスの流路を形成する。また、セパレータ１１は、複数の燃料電池セル１を積層させて燃料電池スタックを構成したときに、隣り合う燃料電池セル１の間に冷媒の流路を形成する。セパレータ１１は、両端部に複数のマニホールド孔１１ｂ−１１ｇを有している。マニホールド孔１１ｂ−１１ｇは、反応ガスや冷媒を供給したり排出したりするためのマニホールドを構成する。

セパレータ１１の素材としては、たとえば、ステンレス鋼などの金属の薄板を用いることができる。セパレータ１１の素材が金属の薄板である場合には、セパレータ１１をプレス加工によって成形することができ、製造工程を簡素化および短期化して生産性を向上させ、製造コストの上昇を抑えることができる。

樹脂枠１３は、たとえば、熱溶着可能な熱可塑性樹脂を少なくとも表面に有する可撓性を有するフィルム状の樹脂シートに打ち抜き加工を施すことによって、ＭＥＧＡ１２を囲む枠状に形成されている。樹脂枠１３は、セパレータ１１の形状に対応する矩形枠状の形状を有し、中央部にＭＥＧＡ１２が配置される中央開口部１３ａを有し、中央開口部１３ａを挟んで両端部に複数のマニホールド開口部１３ｂ−１３ｇを有している。

樹脂枠１３のマニホールド開口部１３ｂ−１３ｇは、セパレータ１１のマニホールド孔１１ｂ−１１ｇに対応する位置に開口されている。マニホールド開口部１３ｂ−１３ｇは、反応ガスや冷媒を供給したり排出したりするためのマニホールドを構成する。なお、図示を省略するが、樹脂枠１３は、たとえば、反応ガスの供給用および排出用のマニホールド開口部１３ｂ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｇと中央開口部１３ａとの間に、一対のセパレータ１１，１１の間の反応ガスの流路とマニホールドとを連通させるためのスリット状の流路を有している。

積層工程Ｓ１では、たとえば、一対のセパレータ１１，１１のうち、一方のセパレータ１１をおおむね水平に配置し、その上にＭＥＧＡ１２とそのＭＥＧＡ１２を囲む樹脂枠１３を配置し、さらにその上に、もう一方のセパレータ１１を配置して、積層体１０を構成する。積層工程Ｓ１の終了後は、図１に示すように、加熱接着工程Ｓ２が行われる。

加熱接着工程Ｓ２は、ＭＥＧＡ１２とこのＭＥＧＡ１２を囲む樹脂枠１３とが一対のセパレータ１１，１１の間に配置された積層体１０を加熱して、セパレータ１１と樹脂枠１３とを接着する工程である。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、この加熱接着工程Ｓ２は、積層体１０を加熱する複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３と、その複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３の間で積層体１０を搬送する搬送工程Ｓ２２と、を有している。

本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、加熱接着工程Ｓ２は、２段階の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３を有している。なお、加熱接着工程Ｓ２は、２段階に限定されず、３段階以上の複数の加熱工程を有してもよい。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、各加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３は、たとえば、積層体１０の周縁部を加圧するプレス加工を伴う加熱プレス工程である。

このように、加熱接着工程Ｓ２を複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３に分割することで、加熱接着工程Ｓ２の工程作業時間が、加熱接着工程Ｓ２以外の工程の工程作業時間よりも長い場合でも、各加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３の工程作業時間を、加熱接着工程Ｓ２以外の工程の工程作業時間と同等にすることができる。したがって、加熱接着工程Ｓ２以外の工程において、加熱接着工程Ｓ２に起因する待ち時間が発生するのを防止することができ、燃料電池セル１の生産性を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、一回目の加熱工程Ｓ２１は、たとえば、積層体１０を予熱する予熱プレス工程であり、二回目の加熱工程Ｓ２３は、たとえば、積層体１０を予熱プレス工程よりも低い温度で加熱する加熱プレス工程である。一回目の加熱工程Ｓ２１および二回目の加熱工程Ｓ２３のそれぞれの工程作業時間は、たとえば、積層工程Ｓ１、搬送工程Ｓ２２、および冷却工程Ｓ３のそれぞれの工程作業時間とおおむね等しくなっている。なお、各工程の工程作業時間は、たとえば、２秒程度である。

一回目の加熱工程Ｓ２１では、積層体１０の温度を、たとえば１９０［℃］以上、２００［℃］以下の温度に加熱し、二回目の加熱工程Ｓ２３では、積層体１０の温度を、たとえば１７０［℃］以上、１９０［℃］以下の温度に加熱する。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、搬送工程Ｓ２２は、一回目の加熱工程Ｓ２１と二回目の加熱工程Ｓ２３との間に行われる。

図２は、図１に示す搬送工程Ｓ２２における積層体１０の平面図である。図３は、図２において二点鎖線で囲まれたIII部の拡大平面図である。図４は、図３に示す積層体１０と支持部２０の拡大側面図である。

本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、図１に示すように、加熱接着工程Ｓ２に含まれる複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３の間の搬送工程Ｓ２２において、積層体１０に向けて突出する凸部２１を有する支持部２０を用い、凸部２１のみで積層体１０を支持して搬送することを特徴としている。このように、凸部２１のみで積層体１０を支持して搬送することで、支持部２０と積層体１０との接触面積を最小限にして、積層体１０の熱が支持部２０に伝わるのを抑制して、搬送工程Ｓ２２において積層体１０の温度が低下するのを抑制することができる。

より詳細には、搬送工程Ｓ２２において、積層体１０は、加熱工程Ｓ２１が行われた金型などの加熱装置から取り出されて、矩形枠状のパレット３０に設けられた爪状の支持部２０の先端部から、積層体１０に向けて突出するように設けられた凸部２１の上に載置される。そして、支持部２０の先端部に設けられた凸部２１によって支持された状態で、次の加熱工程Ｓ２３が行われる金型などの加熱装置まで搬送される。

図２に示すように、支持部２０は、たとえば、平面視で矩形のセパレータ１１の四隅に対向する位置に配置されている。支持部２０の凸部２１は、たとえば、平面視で矩形のセパレータ１１の角部を支持している。このように、加熱工程Ｓ２１によって加熱された積層体１０を搬送するときに、支持部２０の凸部２１によって互いに離隔した位置を支持することで、積層体１０の温度低下を抑制することができる。なお、支持部２０の凸部２１によって積層体１０を支持する位置は、セパレータ１１の四隅に限定されない。たとえば、三つ以上の支持部２０の凸部２１によって、積層体１０の周縁部の任意の三点以上を支持することができる。

図３および図４に示すように、支持部２０は、たとえば、セパレータ１１の表面に沿って延びる爪部２２と、爪部２２の先端からセパレータ１１の表面に向けて突出する凸部２１とを有している。爪部２２は、セパレータ１１の表面に対向する先端部が、セパレータ１１の周縁部の外側に位置する基端部よりも細くなる先細のテーパ形状を有している。換言すると、爪部２２の断面積は、基端部から先端部へ向けて漸次減少している。これにより、支持部２０の伝熱面積が減少し、積層体１０の熱が支持部２０を介してパレット３０に伝わりにくくなり、積層体１０の温度低下を抑制することができる

さらに、図３に示す例において、爪部２２の最先端には、先端が尖ったくさび形の先鋭部２２ａが設けられている。この先鋭部２２ａに、円柱状の凸部２１が設けられている。円柱状の凸部２１は、中心軸がセパレータ１１の表面におおむね垂直になっている。なお、凸部２１の形状は、円柱状に限定されず、多角形柱状、円錐状、多角錘状など、任意の形状を採用することができる。このように、支持部２０の爪部２２が先鋭部２２ａを有する場合には、支持部２０の伝熱面積をより減少させ、積層体１０の温度低下をより効果的に抑制することができる。支持部２０の寸法の一例として、爪部２２の厚さを５［ｍｍ］程度、円柱状の凸部２１の直径を４［ｍｍ］程度、凸部２１の突出高さを４［ｍｍ］程度にすることができる

凸部２１の断面積は、たとえば、セパレータ１１に近付くほど、減少するようにしてもよい。凸部２１の先端と積層体１０との接触面積は、凸部２１によって積層体１０を支持可能な範囲で極力小さくすることが好ましい。すなわち、凸部２１と積層体１０との接触は、可能な限り点接触に近付けることが好ましい。これにより、積層体１０と凸部２１との間の伝熱面積を減少させることができ、積層体１０の温度低下をより効果的に抑制することができる。

本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、搬送工程Ｓ２２に用いられるパレット３０は、鉛直方向において積層体１０の上下に配置された二つの支持部２０，２０の対を四つ有し、この四対の支持部２０，２０によって積層体１０を鉛直方向の上下から挟持するチャックが構成されている。これにより、搬送工程Ｓ２２において、積層体１０をしっかりと把持して搬送することができ、精密に位置合わせがされた積層体１０の各部材の位置ずれをより確実に防止することができる。

なお、パレット３０は、上下一対の支持部２０，２０を有する構成に限定されず、積層体１０を鉛直方向の下方から支持する凸部２１を有する下方側の支持部２０のみを有してもよい。また、セパレータ１１に、支持部２０の凸部２１を係合させる凹部または穴を設けてもよい。これにより、支持部２０の凸部２１と積層体１０との位置ずれを防止しつつ、支持部２０と積層体１０との接触面積を減少させ、積層体１０の温度低下をより抑制することができる。

さらに、パレット３０は、積層体１０の温度低下を抑制する観点から、少なくとも支持部２０の凸部２１を加熱するためのヒータなどの加熱手段を有してもよい。しかし、パレット３０が加熱手段を有しない場合には、積層体１０を搬送するパレット３０の構造を簡略化して、パレット３０の移動を容易にすることができ、燃料電池セル１の生産性を向上させることができる。

支持部２０の素材は、たとえばステンレス鋼やアルミニウムなどの金属を用いることができる。また、支持部２０の熱伝導率を低減して積層体１０の温度低下を抑制する観点から、より熱伝導率の低い材料であることが望ましい。さらに、支持部２０の耐久性、耐摩耗性を向上させ、燃料電池セル１の汚染、異物混入を防止する観点から、支持部２０の素材は、剛性、耐摩耗性、および化学的安定性が高い素材が好ましく、たとえば、セラミックスであることが好ましい。

また、支持部２０は、積層体１０に接する部分を、より熱伝導率の低いポリイミドなどの断熱素材からなる断熱部によって被覆してもよい。より具体的には、支持部２０は、積層体１０に接する凸部２１の先端部を、凸部２１を構成する素材よりも熱伝導率が低いフィルム状の断熱部によって被覆することができる。断熱部の厚さは、たとえば、０．１５［ｍｍ］程度にすることができる。

なお、支持部２０は、凸部２１の全体または爪部２２および凸部２１を含む支持部２０の全体を、断熱部によって被覆してもよい。断熱部は、たとえば、接着層を有するポリイミドフィルムを支持部２０の表面に貼り付けることによって形成することができる。これにより、積層体１０の熱がより支持部２０に伝わりにくくなり、積層体１０の温度低下をより効果的に抑制することができる。

以上のように、積層体１０を加熱する複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３と、その複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３の間で積層体１０を搬送する搬送工程Ｓ２２と、を含む加熱接着工程Ｓ２の終了後は、図１に示すように、冷却工程Ｓ３が行われる。

冷却工程Ｓ３は、たとえば、積層体１０を加熱接着工程Ｓ２における積層体１０の温度よりも低い温度まで低下させて、加熱接着工程Ｓ２において少なくとも一部が可塑化した樹脂枠１３を硬化させる工程である。冷却工程Ｓ３は、たとえば、積層体１０の周縁部を加圧するプレス加工を伴う冷却プレス工程である。この冷却工程Ｓ３において、積層体１０の温度は、たとえば約１４０℃前後まで低下する。その後、積層体１０は、たとえば、常温まで冷却される。以上の工程により、燃料電池セル１を製造することができる。

以上のように、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、ＭＥＧＡ１２とそのＭＥＧＡ１２を囲む樹脂枠１３とが一対のセパレータ１１，１１の間に配置された積層体１０を加熱してセパレータ１１と樹脂枠１３とを接着する加熱接着工程Ｓ２を含んでいる。この加熱接着工程Ｓ２は、積層体１０を加熱する複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３と、その複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３の間で積層体１０を搬送する搬送工程Ｓ２２と、を有している。本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、搬送工程Ｓ２２において、積層体１０に向けて突出する凸部２１を有する支持部２０を用い、この凸部２１のみで積層体１０を支持して搬送する。

このように、加熱接着工程Ｓ２が複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３を有していることで、燃料電池セルの製造方法Ｍに含まれる加熱接着工程Ｓ２以外の工程の工程作業時間が、加熱接着工程Ｓ２の工程作業時間よりも短い場合でも、各加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３の工程作業時間を他の工程の工程作業時間と同等にすることができる。したがって、燃料電池セルの製造方法Ｍにおいて、加熱接着工程Ｓ２以外の工程において、待ち時間が発生するのを防止できる。

また、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、前述のように、複数の加熱工程Ｓ２１，Ｓ２３の間で積層体１０を搬送する搬送工程Ｓ２２を有している。そのため、加熱工程Ｓ２１と加熱工程Ｓ２３の間の搬送工程Ｓ２２において積層体１０を搬送するときに、積層体１０の温度低下によるセパレータ１１と樹脂枠１３との接着不良が課題となる。この課題に対し、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、搬送工程Ｓ２２において、前述のように、積層体１０に向けて突出する凸部２１を有する支持部２０を用い、この凸部２１のみで積層体１０を支持して搬送する。

これにより、搬送工程Ｓ２２において、積層体１０を支持する支持部２０と、支持部２０によって支持される積層体１０とは、支持部２０から積層体１０へ向けて突出する凸部２１の先端のみを介して互いに接した状態になる。そのため、支持部２０と積層体１０との接触面積を最小限にして、積層体１０の熱が支持部２０に伝わるのを抑制して、積層体１０の温度が低下するのを抑制することができる。したがって、積層体１０の温度低下によるセパレータ１１と樹脂枠１３との接着不良を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍは、前述のように、加熱接着工程Ｓ２において、熱溶着可能な熱可塑性樹脂を少なくとも表面に有する樹脂シートを素材とする樹脂枠１３を、一対のセパレータ１１，１１の間に配置して加熱する。これにより、セパレータ１１と樹脂枠１３とを接着し、樹脂枠１３を介して一対のセパレータ１１，１１を接合している。このように樹脂枠１３を介して一対のセパレータ１１，１１を接合することで、セパレータ１１の表面に液状の接着剤を塗布して一対のセパレータ１１，１１を接合する場合と比較して、生産性を向上させることができる。

このように、樹脂枠１３を介して一対のセパレータ１１，１１を接合する加熱接着工程Ｓ２を有する燃料電池セルの製造方法Ｍは、複数の燃料電池セル１を積層させた燃料電池スタックを製造する場合に、特に有用である。たとえば、車両に搭載される燃料電池スタックは、数百個の燃料電池セル１を積層させて製造されるため、個々の燃料電池セル１の製造時間を短縮することが重要となるからである。

すなわち、液状の接着剤をセパレータ１１の表面の所定の位置に均一に塗布することは困難であるのに対し、樹脂枠１３はセパレータ１１の表面の所定の位置に配置するだけでよい。そのため、本実施形態の燃料電池セルの製造方法Ｍによれば、液状の接着剤をセパレータ１１の表面に塗布する製造方法と比較して、燃料電池セル１の生産性を向上させることができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０ 積層体
１１ セパレータ
１２ ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）
１３ 樹脂枠
２０ 支持部
２１ 凸部
Ｍ 燃料電池セルの製造方法
Ｓ２ 加熱接着工程
Ｓ２１ 加熱工程
Ｓ２２ 搬送工程
Ｓ２３ 加熱工程

Claims (1)

1. 膜電極ガス拡散層接合体と該膜電極ガス拡散層接合体を囲む樹脂枠とが一対のセパレータの間に配置された積層体を加熱して前記セパレータと前記樹脂枠とを接着する加熱接着工程を含む燃料電池セルの製造方法であって、
   前記加熱接着工程は、前記積層体を加熱する複数の加熱工程と、該複数の加熱工程の間で前記積層体を搬送する搬送工程と、を有し、
   前記搬送工程において、前記積層体に向けて突出する凸部を有する支持部を用い、該凸部のみで前記積層体を支持して搬送することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。

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