KR100435305B1 - 휴대용연료전지스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 유로판(flow field plate)의 수를 줄여 구성요소의 수가 감소되고, 접촉부분의 수를 줄여 전지성능이 향상됨에 따라, 내부저항을 낮추고 연료가 끝단판의 중앙으로부터 연료분배매니폴드로 직접 공급되는 휴대용연료전지스택이 제공된다. 휴대용연료전지스택은 2개의 끝단판, 상기 2개의 끝단판 사이에 놓여지는 복수의 단위전지, 단위전지로의 연료공급을 위하여 상기 단위전지의 중앙에 놓여지는 연료분배매니폴드, 이들 멤브레인을 일체화하기 위하여 상기 연료매니폴드와 상기 단위전지의 중앙을 통과하는 타이볼트 및 O링을 거쳐 끝단판 사이에서 상기 복수의 단위전지를 서로 일체로 클램핑하기 위하여 타이볼트의 양쪽 끝단부에 나사결합되는 고정용너트등을 포함한다. 상기 단위전지는 고분자전해질멤브레인, 상기 고분자전해질멤브레인의 양쪽에 설치되는 산소전극과 연료전극, 상기 산소전극측에 인접한 유로판 및 상기 유로판에 근접하여 접촉하고 있는 상기 유로판의 외측에 있는 격리판과 상기 연료전극에 근접하여 접촉하고 있는 상기 연료전극의 외측에 있는 또 다른 격리판을 포함한다. 상기 고정용너트 중의 하나는 상기 연료분배매니폴드에 연결되는 연료공급포트를 구비한다.

Description

휴대용연료전지스택 {PORTABLE FUEL CELL STACK}
본 발명은 야외활동, 소풍용 전원 및 가정용발전기와 같이, 다양한 응용에 이용될 수 있으며 가볍고 정숙하며 무공해인 고체고분자전지를 사용하는 휴대용연료전지스택에 관한 것이다.
연료전지스택은 일반적으로 주연료로 수소를 사용하고, 이 수소와 산소가 화학반응을 일으키는 동안 발생되는 에너지를 얻는다. 연료전지스택의 종류는 여러가지가 있으며, 그 중 한 종류가 고체고분자전해질(solid polymer electrolyte)연료전지스택이다. 이 고체고분자전해질연료전지스택은 저동작온도 및 고출력밀도와 같은 특징을 갖는다.
이러한 종래의 고체고분자전해질연료전지스택의 일 예는 미국특허번호 제 5,595,834호에 개시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 단위전지(10)는 고체고분자전해질멤브레인(12), 상기 고체고분자전해질멤브레인(12)의 양쪽에 제공되는 양극(연료전극)(13a)과 음극(산소전극)(13b), 이들 전극(13a, 13b)의 측면에 제공되는 연료유로판( fuel flow field plate)(14)과 산소유로판(18) 및 상기 유로판(14, 18)의 측면에 제공되는 격리판(34)을 포함하고, 이것들을 서로 일체로 구성하여 단위전지(10)가 형성된다. 복수의 단위전지(10)가 쌓이고, 쌓여진 단위전지(10)는 연료유로판(14)에 연결되는 친수성슬리브(32)를 포함하는 연료분배매니폴드를 단위전지(10)의 중심구멍안으로 삽입하고, 또한 볼트(26)의 양쪽 끝단 사이에 그들을 끼워넣기 위하여 슬리브(32)의 중앙을 통과하는 볼트(26)의 양쪽 끝단부상에 끝단판(24)을 제공하고, 워셔(38a 내지 38d)와 O링(36)을 개재시켜 너트에 의하여 전체를 조여 고정시킴으로써, 전체구성으로 형성된다. 이러한 연료전지스택은 저전력 연료전지에 적합하기 때문에, 소형이고 경량인 연료전지스택으로 디자인될 수 있다.
또한, 상기 고분자전해질연료전지스택에는, 연료유로판(14)으로 연료를 공급하기 위한 연료분배매니폴드를 구성하는 친수성슬리브(32)와 연통되도록, 연료공급유로판(29)이 일 끝단판(24)과 단위전지(10)에 인접한 격리판(34) 사이에 제공되고, 연료가 포트(28)내에 도입되어 연료유로판(14)으로 공급되도록, 포트(28)가 끝단판(24)의 외주부에 제공된다.
그러나, 상술된 종래의 전해질연료전지스택에서는, 양극(연료전극)(13a)과 음극(산소전극)(13b)의 2개의 전극이 고체고분자전해질멤브레인(12)의 양쪽 표면에 제공되고, 연료유로판(14) 및 산소유로판(18)은 이들 전극(13a, 13b)의 측면에 제공되기 때문에, 많은 접촉부분을 갖게 되므로, 내부저항이 커지고, 전체전지스택의 성능이 저하된다.
또한, 상술된 종래의 전해질연료전지스택은 연료공급을 위하여, 연료공급측의 연료유로판(14)과 연료공급유로판(29) 및 끝단판(24)의 포트(28)와 같은 많은 구성요소를 구비할 뿐만 아니라, 끝단판(24)의 측면으로부터 연료공급유로판(29)을 거쳐 중앙을 향하여 공급되어, 연료공급통로의 흐름저항 및 연료의 농도변화 모두를 증가시키는 구조가 되고, 따라서, 에너지공급원이 안정하게 된다. 많은 구성요소를 사용하면 유지보수가 어려워지고, 복잡한 형상과 큰 크기를 갖게 된다.
본 발명은 상술된 문제들의 관점에서 만들어졌다. 따라서, 본 발명의 목적은 유로판의 수를 감소시켜 구성요소의 수가 감소되고, 접촉부분의 수를 감소시켜 전지스택성능이 향상되며, 이에 따라 내부저항이 낮아지고, 연료가 끝단판의 중앙으로부터 직접 연료분배매니폴드로 공급 및 제공되는 휴대용연료전지스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구성요소의 수를 감소시켜 크기 및 중량을 더욱감소시킬 수 있는 휴대용연료전지스택을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용연료전지스택의 개략적 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 휴대용연료전지스택의 단면분해도,
도 3a는 도 3의 선(IIIA-IIIA)을 따라 취한, 도 1에 도시된 휴대용연료전지스택에 사용되는 연료공급측의 고정용너트 단면도,
도 3b는 도 3a의 우측면도,
도 4는 도 2에 도시된 휴대용연료전지스택에 사용되는 연료분배 매니폴드(fuel distribution manifold)의 측면도,
도 5는 종래의 고분자전해질연료전지스택의 횡단면 분해도이다.
상술된 목적을 달성하기 위한 본 발명의 첫번째 구상에서는, 단위전지가 고분자전해질멤브레인, 상기 고분자전해질멤브레인의 양쪽에 제공되는 산소전극과 연료전극, 산소전극쪽에 설치되는 유로판, 그들을 접촉시키기 위하여 산소전극측상의 유로판의 외측에 설치되는 격리판 및 그들을 접촉시키기 위하여 연료전극의 외측에 설치되는 또 다른 격리판을 포함하는 전해질연료전지스택에 제공된다.
본 첫번째 구상에 따라, 아래의 효과들이 얻어진다.
(1) 종래의 전해질연료전지스택에서 연료전극측에 설치되는 유로판이 제공되지 않기 때문에, 접촉면의 수가 2개의 표면만큼 줄어들고, 접촉부분에서의 전기저항이 감소되어, 내부저항을 감소시키게 되어 전지스택의 에너지발생을 효율적으로 수행하는 것이 가능하다.
(2) 단위전지의 부품수가 줄어들기 때문에, 전체로서 저렴한 제품을 만드는 것이 가능하고 단위전지의 조립이 용이해져, 생산효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 두번째 구상은 고정용너트중의 하나가 끝단판의 중앙으로부터의 연료공급을 위하여 연료분배매니폴드와 연통되는 연료공급포트를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 두번째 구상에 의하여, 아래의 효과를 얻을 수 있다.
(3) 연료가 연료유로를 통하여 흐르지 않고 연료분배매니폴드에 직접 공급되기 때문에, 흐름저항이 감소되고 연료공급이 원활하게 수행될 수 있다. 또한, 연료공급에서의 농도변화가 줄어들 수 있다. 따라서, 안정된 발전이 수행될 수 있다.
(4) 전지스택내의 연료유로가 제거되었기 때문에, 연료스택의 구성요소의 수가 감소될 수 있고, 또한 전지스택은 크기 및 중량이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 세번째 구상에 의하여, 연료분배매니폴드는 타이볼트(tie bolt)의 축방향으로 타이볼트상에 친수성합성섬유사를 배치하여 형성된다.
(5) 세번째 구상에 의한 본 연료분배매니폴드는 친수성합성섬유를 사용하기 때문에, 쉽게 얻을 수 있는 물질들로부터 연료분배매니폴드용 물질을 선택할 수 있고, 저렴하면서도 쉽게 조작할 수 있기 때문에, 연료분배매니폴드가 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 네번째 구상에 따라, 다른 하나의 고정용너트에는 볼트의 끝단부에서 원터치조작에 의하여 상기 유로판 등에 연료를 공급할 수 있는 블리더밸브(bleeder valve)가 제공된다.
(6) 네번째 구상에 따른 다른 하나의 고정용너트에는 블리더밸브가 제공되기 때문에, 연료전지스택의 시동시, 연료가 원터치조작에 의하여 충분한 양으로 고분자전해질멤브레인의 연료전극쪽으로 공급될 수 있고, 이에 따라, 시동시, 발전작용이 원활하게 개시될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부도면을 참조하여 아래에 상세히 기술된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용연료전지스택의 조립상태의 사시도이고, 도 2는 본 휴대용연료전지스택의 단면분해도이다. 본 휴대용연료전지스택은 수소연료 등이 사용되는 고체고분자전해질연료전지스택이라 불려진다. 본 휴대용연료전지스택은 다른 멤브레인들보다 큰 직경을 갖는 0.3mm 두께의 스테인레스강격리판(34) 사이에 0.05mm 두께의 퍼플루오로카본 술폰산고분자물질로 형성되는 고체고분자전해질멤브레인(12), 상기 고체고분자전해질멤브레인(12)의 양쪽에 배치되고 시트형의 탄소재료로 제작되는 0.5mm두께와 15mm내경과 45mm외경의 크기를 갖는 연료전극(13a) 및 0.5mm두께와 19mm내경과 55mm외경의 크기를 갖는 산소전극(13b), 3.5mm두께와 19mm내경과 55mm외경의 크기를 갖고 산소전극(13b)의 외측에 배치되는 산소유로판(18), 2mm폭의 고리형상을 갖고 연료전극(13a)의 외주부를 밀봉하며 EPDM과 같은 합성고무로 제작되는 외측실(16) 및 산소전극(13b)과 산소유로판(18)의 내주부를 밀봉하는 5mm폭의 내측실(22)을 포함한다. 아래의 실시예에서, 연료는 주로 수소이고, 산소는 대기중의 산소이며 공기의 형태로 공급된다. 또한, 고체고분자전해질멤브레인(12)은 화학반응을 위하여 촉매로 코팅된다.
단위전지(10)는 필요한 출력에 알맞은 정확한 수의 단위전지가 서로 일체화되기 위하여 쌓여지도록 그 중앙부에 개구부(opening)을 갖고, 이 개구부를 통하여 6mm직경과 100mm길이의 크기를 갖는 타이볼트가 지나가고, 축방향으로 배치되는 방향족 폴리아미드(제품명:KEVLAR)로 만들어진 친수성합성섬유사의 연료분배매니폴드(32)의 외측상에, 연료분배매니폴드(32)를 둘러싸도록 쌓여진 단위전지가 설치된다. 최외각 단위전지(10)의 격리판(34) 사이에, 끝단판(24)이 끼워지고, EPDM과 같은 합성고무로 만들어진 끝단부 개스킷(28) 및 스테인레스강너트(40, 50)는 10mm두께와 15mm내경과 55mm외경을 갖는 에폭시수지로 된 끝단판(24, 24)의 각각에 대향하여 타이볼트(26)의 양쪽 끝단부에 쳐진 나사에나사결합되어, 복수의 단위전지(10)가 서로 일체로 고정될 수 있다.
이러한 단위전지(10)들을 단일 구조로 일체화시키기 위한 너트(40)에는 너트의 단면도와 측면도를 각각 도시하는 도 3a 및 도 3b에 도시되는 바와 같이, 그 중앙부에 중공홀(42)이 형성되고, 반대쪽에는 내면나사(46)가 축방향으로 중앙부까지 절삭됨에 따라, 타이볼트(26)가 나사결합되도록 한다. 동시에, 내면나사(46)의 외측에는 연료유로(44)가 적어도 2개의 위치에 제공되고, 이들 연료유로가 중공홀(42)과 연통됨에 따라, 연료분배매니폴드(32)에 연료를 공급하도록 연료공급포트를 형성한다. 안으로 O링(36)이 고정되는 원형홈(48)은 끝단판(24)과 접촉하는 너트(40)의 표면상에 형성된다.
또한, 도 2에 도시되는 바와 같이, 다른 하나의 너트(50)도 상기 너트(40)와 마찬가지로, 축방향으로 실질적으로 중앙부까지 절삭된 내면나사(56)를 갖고 있어, 타이볼트(26)의 끝단부가 나사결합될 수 있고, 외측에는 너트(50)의 반경방향으로 연료분배매니폴드(32)와 연통되어 제공되는 연통구멍(pores)(54)이 형성된다. 내면나사(56)의 반대쪽에는, 스테인레스강으로 만들어진 블리더밸브(52)가 축방향으로 설치되고, 이 블리더밸브(52)는 원터치조작에 의하여 연료가 충전되도록 하여, 블리더밸브(52)가 연통구멍(54)을 거쳐 연료분배매니폴드(32)와 연료전극(13a)으로의 연료공급과 연료분배매니폴드(32)와 연료전극(13a)으로부터의 배출을 수행하여 충전을 보조할 수 있다. 안으로 O링이 끼워지는 원형홈(58)은 끝단판(24)과 접촉하는 너트(50)의 표면에 형성된다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 연료공급 및 생성된 물의 흡수와 유지를 위하여, 연료분배매니폴드(32)는 원통형 하우징의 양쪽 끝단부에 제공되는 플랜지(322)에 친수성합성섬유사(324)를 걸어 맞물리게 하여 형성됨에 따라, 실린더의 표면에 걸쳐 합성섬유사가 펼쳐치고 그것의 축방향으로 합성섬유사를 배치시킨다.
상술된 구조의 휴대용연료전지스택은 아래와 같이 조립될 수 있다.
우선, 타이볼트(26)의 한 끝단부에 미리 부착된 너트(40)를 가지고, 바람직하게는 수직으로 세워진 상태로, 연료분배매니폴드(32)는 타이볼트를 씌우도록 너트(40)에 부착된다. 따라서, 연료분배매니폴드(32)로 씌워진 타이볼트(26)는 연료전지스택의 중심축을 제공한다.
이 중심축에 대하여, 최외각 끝단판(24)과 끝단 개스킷(28)은 순차적으로 중심구멍에 삽입됨에 따라 준비를 마친 다음, 단위전지(10), 격리판(34), 연료전극(13a), 그 외측에 반경방향으로 위치되는 외측실(16), 고체고분자전해질멤브레인(12), 내측실(22), 산소전극(13b) 및 그 외측에 반경방향으로 양쪽에 위치되는 산소유로판(18)을 형성하도록 하는 방식으로, 격리판(34)은 이들 구성요소의 중심구멍안으로 중심축을 삽입시켜 순차적으로 쌓여짐에 따라 조립체가 형성된다.
그 다음에는, 다음의 단위전지(10)를 위하여, 앞선 단위전지(10)의 마지막 격리판(34)에 대하여, 앞선 단위전지(10)와 마찬가지로, 연료전극(13a), 그 외측에 반경방향으로 위치되는 외측실(16), 고체고분자전해질멤브레인(12), 내측실(22), 산소전극(13b), 그 외측에 반경방향으로 양쪽에 위치되는 산소유로판(18) 및 격리판(34)이 조립될 중심축으로 삽입된다. 휴대용연료전지스택의 규정된 출력에 알맞은 정확한 수의 단위전지(10)가 상기 단계를 반복하여 쌓여지고, 조립된다.
끝으로, 최외각 단위전지(10)의 격리판(34)에 대하여, 끝단판(24)은 중심축을 끝단판(24)의 중심구멍으로 삽입하여 그들 사이에 끼워진 끝단 개스킷(28)에 배치된다. 단위전지(10)의 스택은 예를 들어, 15MPa정도의 규정된 압력으로 가압된다. 이 상태에서, 블리더밸브(52)가 제공되는 다른 하나의 너트(50)는 중심축의 타이볼트(26)의 끝단부에서 나사결합되고, 전체 스택은 예를 들어, 6.8Nm의 규정된 토크로 조여져 고정된다.
따라서, 휴대용연료전지스택으로 역활을 하도록 조립된 연료전지스택에서, 튜브 등은 또한 수소발생기 등으로부터 연료가 공급될 수 있도록 너트(40)에 연결된다. 너트(40) 및 연료유로(44)의 연료공급포트로 열활을 하는 중심구멍(42)을 통하여, 수소와 같은 연료가 연료분배매니폴드(32)에 공급되고, 타이로드(26)를 따라 연료분배매니폴드(32)에 의하여 각 단위전지(10)의 연료전극(13a)의 내부 끝단부에 또한 제공된다. 시트형의 탄소재료로 형성되는 연료전극(13a)은 연료유로판을 제공하는 것이 특별히 필요하지 않고, 다공성물질의 빈틈(void)을 통하여 반경방향으로 연료를 공급할 수 있다. 또한, 그 외주부가 외측실에 의하여 밀봉되기 때문에, 연료전극(13a)은 고체고분자전해질멤브레인(12)으로 연료를 공급하는 방식으로 연료를 공급할 수 있다. 이 고체고분자전해질멤브레인(12)의 반대쪽에는 산소전극(13b)과 산소유로판(18)이 제공되기 때문에, 공기가 산소유로판(18)의 다공성물질의 빈틈을 통하여 외부로부터 공급되고, 공기내의 산소가 산소전극(13b)에 공급된다.
따라서, 연료와 산소는 그 안에서 화학반응을 일으키는 고체고분자전해질멤브레인(12)의 양쪽에 공급되고, 그 결과 연료전극과 산소전극이 각각 양극과 음극이 되어, 발전작용을 수행한다. 이 경우에, 수화작용(hydration action)이 물의 형성 및 열발생을 일으킨다. 생성된 물은 연료분배매니폴드(32)에서 친수성합성섬유사(324)에 의하여 흡수되어, 연료분배매니폴드(32)에서 형성되는 물이 연료전극(13a)으로의 연료공급을 저지하거나 방해할 수 있는 가능성을 배제시킨다. 또한, 물은 발생된 열로 인하여 증발되어 대기중으로 소산된다. 또한, 격리판(34)은 다른 구성요소보다 큰 반경을 갖기 때문에, 발생된 열이 방산될 수 있도록 방열핀(radiating fin)으로서의 기능을 하도록, 다른 구성요소로부터 상기 부분을 돌출시킬 수 있다.
또한, 연료유로판을 설치하지 않고, 연료공급이 직접 연료전극(13a)으로 수행되기 때문에, 접촉부품의 수가 적어진다. 따라서, 직접 접촉되는 부분이 감소된 만큼 내부저항이 감소하고, 따라서 연료전지스택의 성능이 안정되게 지속될 수 있다. 동시에, 부품의 수가 감소됨으로써, 제작비가 낮아질 수 있다. 이는 연료인 수소가스의 분자가 다른 가스들과 비교하여 가장 작은 분자이고, 수소분자는 다공성물질로 연료전극(13a)을 형성시킴으로써 연료유로를 사용하지 않고도 고분자전해질멤브레인(12)에 신속하게 도달할 수 있기 때문이다.
부수적으로, 상술된 실시예에서의 구성요소들의 크기는 상술된 크기로 제한되지 않으며, 단지 실시예에 불과하다. 이들 크기는 용도 및 필요한 출력에 따라 결정되어야 한다.
본 발명의 휴대용연료전지스택은 상술된 본 발명의 본질적 특징으로 인하여 아래의 효과를 가져온다.
상술된 휴대용연료전지스택에서는, 고분자전해질멤브레인의 연료전극측에, 단위전지가 고분자전해질멤브레인과 격리판 사이에 단지 연료전극만을 가지므로, 연료는 연료전극에 의하여 고분자전해질멤브레인을 따라 반경방향으로 직접 공급된다. 따라서, 연료전극과 접촉하는 부분만 존재하고, 다른 접촉부분은 존재하지 않는다. 그러므로, 접촉부분의 내부저항이 감소되고, 전지스택에 의한 에너지발생이 효과적으로 수행될 수 있으므로, 탁월한 효과를 가져온다.
또한, 단위전지의 부품의 수가 감소되어, 구조가 간단해질 수 있다. 이것은 고분자전해질연료전지스택이 전체로서 저렴한 제품으로 만들어질 수 있도록 하는 효과를 가져온다.
또한, 외부로부터 연료전지유닛으로의 연료공급을 위하여, 쌓여진 단위전지를 함께 클램핑하기 위한 연료공급포트가 고정용너트에 제공된다. 따라서 끝단판의 부분 또는 연료공급용 부재를 별도로 설치할 필요없이 연료분배매니폴드에 직접 연료를 공급하는 것이 가능하고, 연료공급에서의 유로저항이 감소되고, 구성요소의 수를 감소시킬 수 있어, 휴대용연료전지스택의 크기 및 중량을 더 작게 만들 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 연료분배매니폴드에 친수성합성섬유사를 사용하여, 특별한 장치를 사용하지 않고도 획득가능한 물질로부터 쉽게 연료분배매니폴드를 형성할 수 있다는 효과를 가져온다.
또한, 블리더밸브는, 연료공급포트가 제공되는 고정용너트쪽과는 반대쪽의너트에 부착되기 때문에, 연료전지스택의 시동시에 원터치조작에 의하여 연료전극이 연료로 채워질 수 있다. 이것은 시동시, 발전작용이 쉽고 원활하게 개시될 수 있다는 효과를 가져온다.

Claims (4)

  1. 2개의 끝단판, 상기 2개의 끝단판 사이에 놓여지는 복수의 단위전지, 연료공급을 위하여 상기 단위전지의 중앙에 위치하는 연료분배매니폴드, 이들 부재를 일체화하기 위하여 상기 연료매니폴드 및 상기 단위전지의 중앙을 통과하는 타이볼트 및 O링등을 개재하여 끝단판 사이에서 상기 복수의 단위전지를 서로 일체로 클램핑시키기 위한 상기 타이볼트의 양쪽 끝단부에 나사결합되는 고정용너트를 포함하여 이루어지는 휴대용연료전지스택에 있어서,
    상기 단위전지는 고분자전해질멤브레인, 상기 고분자전해질멤브레인의 양쪽에 설치되는 산소전극과 연료전극, 상기 산소전극에 근접하도록 하기 위한 상기 산소전극의 외측상의 산소유로판 및 상기 산소유로판에 근접하여 접촉하도록 하기 위한 상기 산소유로판의 외측상의 격리판과, 상기 연료전극에 바로 근접하여 접촉하도록 하기 위한 상기 연료전극의 외측상의 또 다른 격리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용연료전지스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정용너트 중의 하나는 상기 끝단판의 중앙으로부터의 연료공급을 위하여 상기 연료분배매니폴드에 연결되는 연료공급포트를 갖는 것을 특징으로 하는 휴대용연료전지스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료분배매니폴드는 상기 타이볼트상에 그 축방향으로 친수성합성섬유사를 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용연료전지스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고정용너트 중의 다른 하나에는 상기 볼트의 끝단부에서의 원터치조작에 의하여 상기 연료전극등으로 연료를 충전시킬 수 있는 블리더밸브가 제공되는 것을 특징으로 하는 휴대용연료전지스택.
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