(57)【要約】【課題】ピンホールの位置を容易に検査でき、検査した後にリサイクル可能な燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置を提供する。【解決手段】本発明による燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置は、膜電極接合体を支持するための下部治具と、膜電極接合体の上部面に均一に分散供給される水と、膜電極接合体と下部治具との間に挿入され、膜電極接合体にピンホールが存在する場合にピンホールを通過した水との接触により変色してピンホールの有無及び位置を確認するｐＨ試験紙と、を含んで構成され、膜電極接合体の上部を押圧する上部治具をさらに含み、水がピンホールを通してｐＨ試験紙に容易に吸収されるようにし、膜電極接合体の上部を覆うように設置される間紙をさらに含み、下部治具と膜電極接合体のリサイクルのために清潔度を維持するように形成されたことを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を支持するための下部治具と、
前記膜電極接合体の上部面に均一に分散供給される水と、
前記膜電極接合体と前記下部治具との間に挿入され、前記膜電極接合体にピンホールが存在する場合に前記ピンホールを通過した水との接触により変色して前記ピンホールの有無及び位置を確認するｐＨ試験紙と、
を含んで構成されたことを特徴とする燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置。
【請求項２】
前記膜電極接合体の上部を押圧する上部治具をさらに含み、前記水が前記ピンホールを通して前記ｐＨ試験紙に容易に吸収させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置。
【請求項３】
前記膜電極接合体の上部を覆うように設置された間紙をさらに含み、前記下部治具と前記膜電極接合体のリサイクルのために清潔度を維持するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置。
【請求項４】
前記水は、スポイトまたは流路を介して前記膜電極接合体の電極面に供給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置。
【請求項５】
前記ｐＨ試験紙は、前記水に触れて変色し、ｐＨ７の条件での前記ｐＨ試験紙の色から変化するため、これを標準変色表と比較して区分するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置に係り、より詳しくは、燃料電池の膜電極接合体の部品を損傷または破壊することなく、ピンホールの有無及び位置を確認できる燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを燃焼によって熱に変えるのではなく、電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換させるエネルギー変換装置であって、産業用、家庭用及び車両駆動用電力を供給するだけでなく、小型の電気、電子製品、携帯機器の電力を供給することにも利用可能である。
現在、車両用燃料電池としては、高い電力密度を持つ高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下、ＰＥＭＦＣと略す）が最も多く研究されている。
高分子電解質膜燃料電池は、作動温度が５０〜１００℃程度と比較的低温であり、早い始動時間と電力変換反応時間、高いエネルギー密度を持つ利点がある。
【０００３】
燃料電池スタックの構成は次の通りである。即ち、最も内側に主要構成部品である膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）が位置し、この膜電極接合体は、水素イオンを移動させることができる固体高分子電解質膜と、電解質膜の両面でそれぞれ水素及び酸素が反応するように触媒が塗布された電極層であるカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）及びアノード（Ａｎｏｄｅ）とからなっている。
また、膜電極接合体の外側部分、つまりカソード及びアノードが位置する外側部分にガス拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ：ＧＤＬ）、ガスケットなどが積層され、ガス拡散層の外側には反応ガス（燃料である水素及び酸化剤である酸素または空気）を供給する流路（Ｆｌｏｗ  Ｆｉｅｌｄ）、及び冷却水が通過する流路が形成された分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｐｌａｔｅ）が位置する。
【０００４】
このような構成を単位セル（Ｃｅｌｌ）として複数の単位セルを積層した後、最外側には単位セルを支持するためのエンドプレート（Ｅｎｄ  Ｐｌａｔｅ）を結合する。エンドプレートの間に単位セルを配列して締結することで、燃料電池スタックが完成する。
一方、燃料電池のコア部品である高分子電解質膜の劣化は、ＰＥＭＦＣの性能低下に大きな影響を与えるが、電解質膜の劣化は次の反応式（１）〜（３）のメカニズムで発生する。
反応式（１）：Ｒ−ＣＦ２ＣＯＯＨ＋ＨＯ・→Ｒ−ＣＦ２＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
反応式（２）：Ｒ−ＣＦ２＋ＨＯ・→Ｒ−ＣＦ２ＯＨ→Ｒ−ＣＯＦ＋ＨＦ
反応式（３）：Ｒ−ＣＯＦ＋Ｈ２Ｏ→Ｒ−ＣＯＯＨ＋ＨＦ
【０００５】
上記反応式について説明すると、カソードで膜を通して拡散した酸素がＰｔ触媒上で過酸化水素として生成されて電解質膜側に広がるが、この時、膜が金属イオンによって汚染される場合、過酸化水素と金属イオン反応によりヒドロキシルラジカル（ＨＯ・）、ヒドロペルオキシルラジカル（ＨＯＯ・）が形成される。
このラジカルが膜の末端基を攻撃して膜の高分子鎖を切断（Ｃｈａｉｎ  Ｓｃｉｓｓｉｏｎ）することにより、高分子電解質膜の劣化が進行する。
上記の化学的劣化により高分子鎖の切断が繰り返し行われると、弾性体高分子の問題点である薄膜化（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｔｈｉｎｎｉｎｇ）現象や、局部的なピンホールまたはクラックの発生が起き、これはスタックの性能低下につながる。
したがって、スタックの性能低下を防止するために、高分子電解質膜におけるピンホールの発生有無及び発生位置などを確認する必要がある。
【０００６】
高分子電解質膜のピンホール発生の有無及び発生位置を確認するための従来技術は次の通りである。
図１は、従来技術による水素センサを示す概略図であり、従来の第１の方法を示した。特許文献１には、水素吸蔵合金の粉末粒子を金属膜で被膜するマイクロカプセル（ｍｉｃｒｏｃａｐｓｕｌｅ）１と、熱電対２による温度検出端手段と、マイクロカプセル１で被膜した水素吸蔵合金の粉末と温度検出端手段の熱電対２とをキャップ３内（ｅｎｄ  ｃａｐ  ｏｆ  ａ  ｆｕｓｅ）に収納させた一体化手段と、電源を含む電子制御部（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）４による電子制御手段とで構成された水素センサ（ｓｅｎｓｏｒ）５が開示されている。
しかし、特許文献１に記載された水素センサを用いて膜電極接合体のピンホールを検査する場合、ピンホールを通過した水素ガスの量（濃度）は確認できるものの、ピンホールの位置や大きさの測定は不可能である。
【０００７】
図２は、従来技術によるアンモニアを用いた高分子電解質膜のピンホール測定方法を示す概略図であって、非特許文献１に開示された従来の第２の方法を示した。非特許文献１では、図２に示したとおり、高分子電解質膜１１の片面に、希釈したアンモニアガス（ｄｉｌｕｔｅｄ  Ａｍｍｏｎｉａ（ＮＨ３）ｇａｓ）をガス流路１２を介して加えた後、反対側面に設置したｐＨインジケーター１３（Ｆｉｌｔｅｒ  Ｐａｐｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｎｇｏ  Ｒｅｄ）により高分子電解質膜１１のピンホールを検出する方法を提案している。
しかし、アンモニアガスは、人の目、鼻及び喉への刺激性が強く、長時間アンモニアガスに暴露された状態では呼吸困難などの重篤な症状が現れるため、この方法でピンホールを検査する場合、長時間の検査が不可能であり、また、検査した後に高分子電解質膜電極接合体のリサイクルが困難である。
【０００８】
図３は、従来技術による高分子電解質膜のピンホールの位置確認装置を説明するための概略図であり、従来の第３の方法を示した。
第３の方法として、本願出願人が出願した特許文献２には、相異なるｐＨ溶液が各内部に貯蔵される上部ブロック２０及び下部ブロック２１と、上部ブロック２０の上部に貫通形成された指示薬注入口２２と、上部ブロック２０及び下部ブロック２１の間に配列される一対の中間板２３ａ，２３ｂと、一対の中間板２３ａ，２３ｂの中央部分に支持網設置口２４に付着された格子型支持網２７と、一対の中間板２３ａ，２３ｂの間に縁端が固定されると共にその中央部は支持網に載置される高分子電解質膜２５と、を含み、相異なるｐＨを有する溶液を高分子電解質膜２５の一面及び他面に接触させた後、高分子電解質膜２５の一面に指示薬２６を注入接触させることで、劣化現象によって高分子電解質膜２５に発生したピンホールの位置を容易に確認できる高分子電解質膜のピンホール位置の確認装置及び方法が開示されている。
特許文献２に記載された方法を用いて高分子電解質膜２５のピンホールの有無を検査する場合、酸または塩基性のｐＨ溶液が使用されるため、検査した後にリサイクルが不可能となり、廃液処理の負担と環境汚染を誘発する虞がある。
【０００９】
図４は、従来技術による赤外線カメラを用いた高分子電解質膜のピンホールの確認方法を説明するための概略図であり、従来の第４の方法を示した。
特許文献３には、第４方法として、赤外線カメラ３０を用いて高分子電解質膜のピンホール３１の確認方法が開示されている。図４に示したとおり、試料固定枠に高分子電解質膜電極接合体を固定させ、一側に空気を流入させ、他側に水素を流入させる。高分子電解質膜電極接合体にピンホールが存在する場合、ピンホールを通して２つの気体が混合し、白金触媒により燃焼反応を起こす。これを、赤外線カメラ３０で温度分布を測定し、局部的に温度が上がる地点をピンホール３１の発生位置と判断する。
図中の符号「３２」はピンホール感知モニター、「３３」は電気的信号分析器である。
【００１０】
しかし、赤外線カメラ３０を用いた方法は、限定された空間に水素気体を注入して加圧するため、膜が裂けることもあり、加圧条件で水素と空気の燃焼反応時に瞬間的に高温発熱して高分子電解質膜が燃える危険性がある。
また、検査した後に高分子電解質膜のリサイクルが不可能となる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開第２００４−２３３０９７号公報
【特許文献２】韓国公開特許第１０−２００９−０１０７６１０号
【特許文献３】米国特許ＵＳ５７６３７６５
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ａｍｍｏｎｉａ（ＮＨ３）Ｇａｓ  Ｍｅｔｈｏｄ（Ｓｈｉｎｊｉ  Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ピンホールの位置を容易に検査でき、検査した後にリサイクル可能な燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するためになされた本発明の燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置は、膜電極接合体を支持するための下部治具と、膜電極接合体の上部面に均一に分散供給される水と、膜電極接合体と下部治具との間に挿入され、膜電極接合体にピンホールが存在する場合にピンホールを通過した水との接触により変色してピンホールの有無及び位置を確認するｐＨ試験紙と、を含んで構成されたことを特徴とする。
【００１５】
特に、膜電極接合体の上部を押圧する上部治具をさらに含み、水がピンホールを通してｐＨ試験紙に容易に吸収させるようにしたことを特徴とする。
膜電極接合体の上部を覆うように設置される間紙をさらに含み、下部治具と膜電極接合体のリサイクルのために清潔度を維持するように形成されたことを特徴とする。
【００１６】
水は、スポイトまたは流路を介して膜電極接合体の電極面に供給されることを特徴とする。
ｐＨ試験紙は、水に触れて変色し、ｐＨ７の条件でのｐＨ試験紙の色から変化するため、これを標準変色表と比較して区分するように形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置の利点は次の通りである。
第１に、水がピンホールを通してｐＨ試験紙に触れることにより試験紙が変色するか否かを確認してピンホールの有無及び位置を、部品を損傷または破壊することなく迅速かつ容易に確認することができる。
第２に、事前検査と事後劣化分析が可能であり、装置、構造及び使用方法が簡単で、作業性及び作業効率に優れる効果がある。
【００１８】
第３に、膜電極接合体上に間紙を敷いて上部治具で押圧することにより、膜電極接合体の初期清潔度を維持し、別途の試片製作などの追加工程が不要で、スタック製作用のものをそのまま使用可能である。
第４に、水を用いてピンホールが発生したか否か及び位置などを判断し、従来の検査方法で使用した人の眼、鼻及び喉などに強い刺激を与えるアンモニアガスを用いないため、検査時に作業者に被害を与えることを防止できる。また、従来方法で使用した水素を用いないため、触媒反応により電解質膜が燃える問題を解決することができる。
第５に、ピンホールの検査時に従来使用した酸または塩基性のｐＨ溶液を用いないため、検査後にリサイクル可能となるだけでなく、廃液処理の負担及び環境汚染の問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術による水素センサを示す概略図である。
【図２】従来技術によるアンモニアを用いた高分子電解質膜のピンホールの測定方法を示す概略図である。
【図３】従来技術による高分子電解質膜のピンホールの位置確認装置を説明するための概略図である。
【図４】従来技術による赤外線カメラを用いた高分子電解質膜のピンホールの確認方法を説明するための概略図である。
【図５】本発明の一実施例による燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置を説明するための断面図である。
【図６】本発明の他の実施例による燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置を説明するための断面図である。
【図７】本発明によるピンホール検査装置を用いてピンホールの有無及び位置を測定した代表例を示すイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付した図面を基に、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図５は、本発明の一実施例による燃料電池用膜電極接合体５５のピンホール検査装置を説明するための断面図である。
本発明は、膜電極接合体５５の部品を損傷または破壊することなく、ピンホール５７が形成された位置を容易に確認でき、事前検査と事後劣化分析が可能であり、検査後にリサイクル可能な燃料電池用高分子膜電極接合体５５のピンホール検査装置及び検査方法に関する。
【００２１】
ピンホール検査装置は、脱イオン水５６（Ｄｅｉｏｎｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ）とｐＨ試験紙５３を用いて膜電極接合体５５の高分子電解質膜に形成されたピンホール５７の有無、その位置及び大きさなどを簡単に確認することができる。
先ず、ピンホール検査装置の主要構成を説明すると、高分子膜電極接合体５５（以下、膜電極接合体５５と略す）を支持及び固定するための下部治具５２と、膜電極接合体５５のピンホール５７の位置を確認するためのｐＨ試験紙５３及び膜電極接合体５５の上部面に脱イオン水５６を均一にするように膜電極接合体５５を押圧するための上部治具５０と、で構成される。
下部治具５２は、膜電極接合体５５を支持する役割をし、平板状に形成されて平板の上に膜電極接合体５５を載置することにより安定的に支持することができる。
【００２２】
ｐＨ試験紙５３は、リトマス試験紙などの濾過紙上に酸・塩基の指示薬で染色してテープ状に形成したもので、ｐＨの測定に使われる紙である。
ｐＨ試験紙５３の大きさは、ピンホール５７の位置を把握するために膜電極接合体５５の実際の大きさと同じ大きさにすることが好ましい。
ｐＨ試験紙５３に膜電極接合体５５が載置され、膜電極接合体５５にピンホール５７が形成された場合、脱イオン水５６がピンホール５７を通過してｐＨ試験紙５３の指示薬に触れて変色し、その結果により、ピンホール５７が発生したか否か及びその位置などを確認することができる。
【００２３】
上部治具５０は、平板状に形成され、膜電極接合体５５の上部面を押圧することにより、膜電極接合体５５の上部面に供給された脱イオン水５６を均一にし、脱イオン水５６（蒸留水）がピンホール５７を通してｐＨ試験紙５３に早く吸収されるようにする。
上部治具５０の上部に取っ手部５１を突出形成することができる。取っ手部５１は上部治具５０を捉えて運ぶ、又は、上部治具５０を用いて上部に加圧力を伝達する手段として使用することができる。
膜電極接合体５５と上部治具５０との間には間紙５４を挿入する。間紙５４は上部治具５０で膜電極接合体５５を押圧する時、上部治具５０が膜電極接合体５５に直接接触しないようにすることにより、上部治具５０の接触面についている異物が膜電極接合体５５に移動することを防止する。膜電極接合体５５の清潔度を維持するため、膜電極接合体５５は、ピンホール５７の位置を確認した後にもリサイクル可能である。
【００２４】
このような構成からなる本発明のピンホール検査方法を説明する。
下部治具５２の上に膜電極接合体５５と同じ大きさのｐＨ試験紙５３を載置し、ｐＨ試験紙５３の上に膜電極接合体５５を載置する。
次に、スポイトを用いて脱イオン水５６を膜電極接合体５５の電極面に均一に滴下する。
引続き、脱イオン水５６が滴下された膜電極接合体５５の上に間紙５４を載置した後、上部治具５０を押圧する。
【００２５】
膜電極接合体５５にピンホール５７が存在する場合、脱イオン水５６がピンホール５７を通過してｐＨ試験紙５３に触れ、ｐＨ試験紙５３の色はｐＨ７の反応色（例えば、本実施例では赤色）に変色する。
変色により膜電極接合体５５のピンホール５７の有無及び位置を把握することができる。
この時、上部治具５０を長時間、例えば１分以上押圧すると、高分子電解質膜を通して脱イオン水５６が広がってｐＨ試験紙５３の全体面積が変色することにより、ピンホール５７の発生位置を把握できなくなる問題があるため、１分以内の短い時間で押圧することが好ましい。
本発明によるピンホール検査装置は、脱イオン水５６などの水を用いてピンホール５７があるか否かを確認できるが、水は、実際に燃料電池における電気化学反応による生成物であるため、脱イオン水５６に代えて、燃料電池の生成物の水を用いてもよい。
【００２６】
したがって、本発明の作用及び効果を説明すると、第１に、水がピンホール５７を通してｐＨ試験紙５３に触れることにより試験紙が変色するか否かを確認してピンホール５７の有無及び位置を、部品を損傷または破壊することなく迅速かつ容易に確認することができる。
第２に、事前検査と事後劣化分析が可能であり、装置、構造及び使用方法が簡単で、作業性及び作業効率に優れる効果がある。
【００２７】
第３に、膜電極接合体５５上に間紙５４を敷いて上部治具５０で押圧することにより、膜電極接合体５５の初期清潔度を維持し、別途の試片製作など追加工程が不要で、スタック製作用のものをそのまま使用可能である。
第４に、水を用いてピンホール５７が発生したか否か及び位置などを判断し、従来の検査方法で使用した人の眼、鼻、及び喉などに強い刺激を与えるアンモニアガスを用いないため、検査時に作業者に被害を与えることを防止することができる。また、従来の検査方法で使用した水素を用いないため、触媒反応により電解質膜が燃える問題を解決することができる。
第５に、ピンホールの検査時に従来使用した酸または塩基性のｐＨ溶液を用いないため、検査後にリサイクル可能となるだけでなく、廃液処理の負担及び環境汚染の問題を解決することができる。
【００２８】
図６は、本発明の他の実施例による燃料電池用膜電極接合体のピンホール検査装置を説明するための断面図であり、図７は、本発明によるピンホール検査装置を用いてピンホールの有無及び位置を測定した代表例を示すイメージ図である。
本発明の他の実施例では、実際の燃料電池の評価時に用いられる治具形状と同じ構造からなるピンホール検査装置を提供する。
内部面に脱イオン水６７が流れる流路を有する上部治具６０と、膜電極接合体６４とｐＨ試験紙６２を支持する下部治具６１と、で構成され、膜の厚さに応じてガスケット６３を交換することにより、様々な厚さを有する膜のピンホール検査が可能となる。
この時、流路６６は一側端部から反対側端部まで入口６６ａ、中間流路６６ｂ、及び出口６６ｃで構成され、膜電極接合体６４の全体面にわたって均一に広がるようにする。
【００２９】
他の実施例による検査方法は、上述した一実施例の検査方法と類似している。
下部治具６１上に検査しようとするサンプルと同じ大きさのｐＨ試験紙６２を載置し、その上に膜電極接合体６４を載置した後、上部治具６０と下部治具６１をボルト６５で締結する。
上部治具６０の流路６６を介して脱イオン水６７が注入され、膜電極接合体６４にピンホール６８が存在する場合、脱イオン水６７がｐＨ試験紙６２に触れてｐＨ試験紙６２の色はｐＨ７の反応色に変色する。
変色部位は、膜電極接合体６４のピンホール６８の存在を意味するので、ピンホール６８の有無及び位置を確認することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  マイクロカプセル（ｍｉｃｒｏｃａｐｓｕｌｅ）
２  熱電対
３  キャップ（ｅｎｄ  ｃａｐ  ｏｆ  ａ  ｆｕｓｅ）
４  電子制御部（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）
５  水素センサ（ｓｅｎｓｏｒ）
１１，２５  高分子電解質膜
１２  ガス流路
１３  ｐＨインジケーター（Ｆｉｌｔｅｒ  Ｐａｐｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｎｇｏ  Ｒｅｄ）
２０  上部ブロック
２１  下部ブロック
２２  指示薬注入口
２３ａ，２３ｂ  中間板
２４  支持網設置口
２６  指示薬
２７  格子型支持網
３０  赤外線カメラ
３１，５７，６８  ピンホール
３２  ピンホール感知モニター
３３  電気的信号分析器
５０，６０  上部治具
５１  取っ手部
５２，６１  下部治具
５３，６２  ｐＨ試験紙
５４  間紙
５５，６４  膜電極接合体
５６，６７  脱イオン水
６３  ガスケット
６５  ボルト
６６  流路
６６ａ  入口
６６ｂ  中間流路
６６ｃ  出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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