(57)【要約】【課題】燃料電池本体が本来持つ性能を十分に引き出すことができなかった。【解決手段】燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池システムであって、燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が回収された回収水を利用することにより、供給される酸化剤に含まれる不純物を除去する加湿器７を備えた燃料電池システムである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が回収された回収水を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記回収水を利用するとは、前記供給される酸化剤に前記回収水を通過させることである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記不純物除去手段は、前記回収水を貯溜する貯溜部と、前記貯溜される回収水の水面より下の部分に設けられた、前記酸化剤を送り込むための孔と、前記回収水を昇温するためのヒータとを有する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記回収水を利用するとは、前記供給される酸化剤に前記回収水を噴射することである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記不純物除去手段は、前記回収水を噴霧する噴霧部と、前記酸化剤を昇温するためのヒータとを有する請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出される酸化剤を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えた燃料電池システム。
【請求項７】
前記不純物除去手段は、前記供給される酸化剤と前記生成されたガスとの間で温度および湿度の交換を行うための、前記供給される酸化剤が導入される部屋と前記燃料電池から排出される酸化剤が導入される部屋とを仕切る温湿度交換面として高分子電解質膜を用いた湿度交換型熱交換器であり、
前記生成されたガスを利用するとは、前記生成されたガスとの間で温度および湿度の交換を行う際に、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を前記高分子電解質膜に吸着させることである請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記温湿度交換面は、自在に取り替え可能である請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が回収された回収水を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去するステップを備えた燃料電池発電方法。
【請求項１０】
燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記燃料電池から排出される酸化剤を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去するステップを備えた燃料電池発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、および燃料電池発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
はじめに、従来の燃料電池システムの構成図である図７を参照しながら、従来の燃料電池システムの構成について説明する。
【０００３】
図７に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料電池１と、天然ガスなどの原料を改質し、水素リッチなガスを生成して燃料電池１に供給する燃料処理装置２’と、燃料処理装置２’を改質反応に必要な温度まで昇温させるバーナー３と、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器４と、燃料電池１より排出される燃料ガスに含まれる水蒸気を回収する燃料側水回収器５と、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、加熱鉄板への給水によって供給空気を加湿する酸化側加湿器７’と、燃料電池１から排出される空気に含まれる水蒸気を回収する酸化側水回収器８と、燃料側水回収器５と、酸化側水回収器８とで回収した水を蓄える蓄水タンク９と、回収水を、燃料側加湿器４に送る燃料側水ポンプ１０と酸化側加湿器７’に送る酸化側水ポンプ１１’とを備えている。
【０００４】
さらに、燃料電池１に水を送って冷却する冷却配管１２と、配管内の水を循環させる冷却用ポンプ１３と、燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する冷却用放熱機１４とを備えている。
【０００５】
つぎに、従来の燃料電池システムの動作について説明する。
【０００６】
燃料処理装置２’によって水素リッチなガスとなった燃料ガスは、燃料側加湿器４で、蓄水タンク９より燃料側水ポンプ１０によって供給される水を用いて加湿され、燃料電池１に送り込まれる。燃料電池１より排出される発電に用いられなかった燃料ガスは、燃料側水回収器５によって除湿された後、大気に放出される。
【０００７】
一方、酸化剤に用いる空気は、空気供給装置６によって酸化側加湿器７’に送り込まれ、蓄水タンク９より酸化側水ポンプ１１’によって供給される水を用いて加湿され、燃料電池１に送り込まれる。燃料電池１より排出される発電に用いられなかった空気は、酸化側水回収器８によって除湿された後、大気に放出される。
【０００８】
さらに、発電を行う燃料電池１の温度を一定に保つために、冷却配管１２を通して、冷却用ポンプ１３で水を循環させ、冷却用放熱機１４で燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようにして燃料電池システムに酸化剤として供給される空気は、大気中の塵や埃などの微粒子やイオン（特に、沿岸地域などにおいては、海水中のナトリウムイオン）などの不純物を多く含んでいることがある。
【００１０】
より具体的には、（１）埃や塵、およびグリスなどは流路を閉塞させ（これらの大粒子はＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ／ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ、膜／電極接合体)を破損してしまうこともある）、（２）ＣＯ2などの有機系分子は触媒を被毒し、（３）金属系イオンはトラップされてイオン導電性を低下させることに、本発明者は気付いたわけである。
【００１１】
本発明者は、上述の不純物が燃料電池本体の性能低下につながる高分子膜の被毒を誘因することに想到し、このような不純物を極力除去することで燃料電池本体が本来持つ性能を十分に引き出すことができると考えた。
【００１２】
本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、燃料電池本体が本来持つ性能を十分に引き出すことができる燃料電池システム、および燃料電池発電方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第一の本発明（請求項１に対応）は、燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が回収された回収水を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えた燃料電池システムである。
【００１４】
第二の本発明（請求項２に対応）は、前記回収水を利用するとは、前記供給される酸化剤に前記回収水を通過させることである第一の本発明の燃料電池システムである。
【００１５】
第三の本発明（請求項３に対応）は、前記不純物除去手段は、前記回収水を貯溜する貯溜部と、前記貯溜される回収水の水面より下の部分に設けられた、前記酸化剤を送り込むための孔と、前記回収水を昇温するためのヒータとを有する第二の本発明の燃料電池システムである。
【００１６】
第四の本発明（請求項４に対応）は、前記回収水を利用するとは、前記供給される酸化剤に前記回収水を噴射することである第一の本発明の燃料電池システムである。
【００１７】
第五の本発明（請求項５に対応）は、前記不純物除去手段は、前記回収水を噴霧する噴霧部と、前記酸化剤を昇温するためのヒータとを有する第四の本発明の燃料電池システムである。
【００１８】
第六の本発明（請求項６に対応）は、燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出される酸化剤を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えた燃料電池システムである。
【００１９】
第七の本発明（請求項７に対応）は、前記不純物除去手段は、前記供給される酸化剤と前記生成されたガスとの間で温度および湿度の交換を行うための、前記供給される酸化剤が導入される部屋と前記燃料電池から排出される酸化剤が導入される部屋とを仕切る温湿度交換面として高分子電解質膜を用いた湿度交換型熱交換器であり、
前記生成されたガスを利用するとは、前記生成されたガスとの間で温度および湿度の交換を行う際に、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を前記高分子電解質膜に吸着させることである第六の本発明の燃料電池システムである。
【００２０】
第八の本発明（請求項８に対応）は、前記温湿度交換面は、自在に取り替え可能である第七の本発明の燃料電池システムである。
【００２１】
第九の本発明（請求項９に対応）は、燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が回収された回収水を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去するステップを備えた燃料電池発電方法である。
【００２２】
第十の本発明（請求項１０に対応）は、燃料ガスおよび酸化剤を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池発電方法であって、
前記燃料電池から排出される酸化剤を利用することにより、前記供給される酸化剤に含まれる不純物を除去するステップを備えた燃料電池発電方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。
【００２４】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である図１、および本発明の実施の形態１における加湿器７の構成図である図２を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムの構成について説明する。
【００２５】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、前記空気供給装置６によって供給される供給空気を加湿する加湿器７（図２参照）と、燃料電池より排出される空気および燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する排熱器１５と、排熱器１５によって回収された回収水を蓄える蓄水タンク９と、前記加湿器７に前記畜水タンク９内に蓄えられた前記回収水を供給する回収水供給ポンプ１１と、燃料電池１および排熱器１５間に水を循環させて燃料電池１を冷却する冷却配管１２および冷却用ポンプ１３とで構成されている。
【００２６】
もちろん、後に詳述されるように、本実施の形態の燃料電池システムは、回収水をヒーター等により昇温し、昇温された回収水内を通過させることによって供給空気を加湿するとともに浄化する加湿器７を備えている点を大きな特徴としている。
【００２７】
なお、上述の各手段の内、従来の燃料電池システム（図７参照）と同じ機能を有する手段には同一の符号を付与しており、それらの機能は従来の燃料電池システムの各手段の機能に準ずる。
【００２８】
また、本実施の形態においては、冷却配管１２、冷却用ポンプ１３、および排熱器１５が冷却回路を構成しており、排熱器１５は冷却用放熱器、酸化側水回収器、および燃料側水回収器を一体化したものである。
【００２９】
つぎに、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。なお、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明しながら、本発明の燃料電池発電方法の一実施の形態についても説明する（以下の本実施の形態についても同様である）。
【００３０】
改質器２は、原料(例えば、天然ガス)を改質して水素リッチなガスを生成した後、燃料電池１に供給している。一方、酸化ガスとして、空気供給装置３によって燃料電池１に供給される空気は、後述されるようにして加湿器７で加湿され、燃料電池１に供給される。燃料電池１から消費されずに排出された燃料および空気は排熱器１５により温度を下げられ、内部に含んでいる水蒸気を回収された後、大気に放出される。回収された回収水は蓄水タンク９に蓄えられた後、回収水供給ポンプ１１により加湿器７に供給・貯溜され加湿に利用される。また、燃料電池１を冷却する水は、冷却用ポンプ１３により冷却配管１２を循環し、燃料電池１で発生した熱を排熱器１５で外気と熱交換することにより外部へ放出する。
【００３１】
本実施の形態における加湿器７（図２を参照）は、その内部で回収水供給ポンプ１１により供給・貯溜された回収水をヒーター等により昇温し、昇温された回収水内を貯溜されている回収水の水面下に設けられた孔から送り込んで通過させる（バブリングする）ことによって、供給空気を加湿する（酸化剤は、昇温を行われた回収水を通過させられる際に加湿をも行われるわけである）。
【００３２】
供給空気を加湿する際に回収水内を通過させることによって、供給空気内に含まれる不純物やイオン等を回収水内に取り込むことで浄化し、燃料電池１に供給する供給空気内の不純物やイオン等を低減することができ、燃料電池１が本来持っている性能を低下させることなく運転することが可能となる（特に、埃や塵、およびグリスなどによる流路の閉塞を抑制することが可能となる）。
【００３３】
なお、上述した本実施の形態においては、冷却用放熱器は酸化側水回収器および燃料側水回収器と一体化されたものであるとして説明したが、両者のいずれかもしくはそれぞれを単独として構成しても良く、その作用効果に差異を認めない。
【００３４】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２における加湿器の構成図である図３を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムの構成および動作について説明する。
【００３５】
本実施の形態の燃料電池システムの構成および動作は、前述した本実施の形態１の燃料電池システムの構成および動作に類似している。
【００３６】
ただし、本実施の形態における加湿器は、その内部で供給空気をヒーターなどにより昇温し、昇温された供給空気に回収水供給ポンプ１１（図１参照）により供給された回収水を適切な霧（ミスト）状にして噴霧することで、供給空気を加湿する（供給される酸化剤は、昇温を行われて回収水を噴霧される際に加湿をも行われるわけである）。
【００３７】
供給空気を加湿する際、供給空気内に霧状の回収水を噴霧することで、供給空気内に含まれる不純物やイオン等を回収水内に取り込み、加湿に利用されなかった水分が再び凝縮する際に不純物やイオン等を持ち去ることで供給空気を浄化し、燃料電池１に供給する供給空気内の不純物やイオン等を低減することができ、燃料電池１が本来持っている性能を低下させることなく運転することが可能となる（特に、ＣＯ2などの有機系分子による触媒の被毒を抑制することができる）。
【００３８】
（実施の形態３）
はじめに、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図である図４、および本発明の実施の形態３における温湿度交換型熱交換器１６の構成図である図５を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムの構成について説明する。
【００３９】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、前記空気供給装置６によって供給される供給空気と燃料電池１からの排出空気との間の温湿度交換を行う温湿度交換型熱交換器（単に湿度交換型熱交換器といってもよい）１６（図５参照）と、温湿度交換型熱交換器１６から排出された空気および燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収する排熱器１５と、排熱器１５によって回収された回収水を蓄える蓄水タンク９と、燃料電池１および排熱器１５間に水を循環させて燃料電池１を冷却する冷却配管１２および冷却用ポンプ１３とで構成されている。
【００４０】
もちろん、後に詳述されるように、本実施の形態の燃料電池システムは、供給空気と排出空気との間で温湿度の交換を行うことにより、供給空気の加湿および排出空気の除湿を同時に行うとともに、供給空気内に含まれている不純物を高分子電解質膜内に取り込むことで浄化する温湿度交換型熱交換器１６を備えている点を大きな特徴としている。
【００４１】
なお、上述の各手段の内、前述の本実施の形態１の燃料電池システム（図１参照）と同じ機能を有する手段には同一の符号を付与しており、それらの機能は本実施の形態１の燃料電池システムの各手段の機能に準ずる。
【００４２】
また、本実施の形態においては、冷却配管１２、冷却用ポンプ１３、および排熱器１５が冷却回路を構成しており、排熱器１５は冷却用放熱器、酸化側水回収器、および燃料側水回収器を一体化したものである。
【００４３】
つぎに、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００４４】
改質器２は、原料(例えば、天然ガス)を改質して水素リッチなガスを生成した後、燃料電池１に供給している。
【００４５】
一方、本実施の形態においては、酸化ガスとして空気供給装置６によって燃料電池１に供給される空気は、温湿度交換型熱交換器１６により燃料電池１から排出される排出空気との間で温湿度の交換を行うことにより、供給空気の加湿および排出空気の除湿を同時に行われた後、燃料電池１に供給される。
【００４６】
燃料電池１から消費されずに排出され、温湿度交換型熱交換器１６によって除湿された排出空気および燃料電池１で消費されなかった排出燃料は排熱器１５により温度を下げられ、内部に含んでいる水蒸気を回収された後、大気に放出される。回収された回収水は蓄水タンク９に蓄えられた後、回収水供給ポンプ１１により改質器２に供給され改質に利用される。また、燃料電池１を冷却する水は、冷却用ポンプ１３により冷却配管１２を循環し、燃料電池１で発生した熱を排熱器１５で外気と熱交換することにより外部へ放出する。
【００４７】
温湿度交換型熱交換器１６は、温湿度交換面に燃料電池１に利用されている高分子電解質膜を用いることで、動力をまったく使うことなく供給空気の加湿を行うと同時に、供給空気内に含まれているイオン等の不純物を高分子電解質膜内に取り込むことで浄化することができる（特に、金属系イオンのトラップによるイオン導電性の低下を抑制できる）。かくして、燃料電池１が本来持っている性能を低下させることなく運転することが可能となる。
【００４８】
なお、上述した本実施の形態においては、冷却用放熱器は酸化側水回収器および燃料側水回収器と一体化されたものであるとして説明したが、両者のいずれかもしくはそれぞれを単独として構成しても良く、その作用効果に差異を認めない。
【００４９】
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４における温湿度交換型熱交換器の構成図である図６を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムの構成および動作について説明する。
【００５０】
本実施の形態の燃料電池システムの構成および動作は、前述した本実施の形態３の燃料電池システムの構成および動作に類似している。
【００５１】
ただし、本実施の形態における温湿度交換型熱交換器は、温湿度交換ユニット１７と高分子電解質膜ユニット１８とからなっている。そして、温湿度交換ユニット１７は、高分子電解質膜ユニット１８をスライドさせて取り外せる構造となっており、高分子電解質膜ユニット１８の交換が簡便に行えるようになっている。
【００５２】
燃料電池システムの運転を続け、温湿度交換型熱交換器で加湿を行うと同時に供給空気内に含まれるイオン等の吸着除去を続けると、高分子電解質膜内に供給空気中のイオンが吸着し、高分子電解質膜での温湿度交換性能が低下してくる。
【００５３】
従来の温湿度交換型熱交換器では、高分子電解質膜が劣化した場合、温湿度交換型熱交換器全体を交換しなければ温湿度交換性能を回復させることが出来なかった。
【００５４】
本実施の形態における温湿度交換型熱交換器では、供給空気内に含まれるイオン等の高分子電解質膜ユニット１８による吸着除去を続けることによって高分子電解質膜が劣化した場合においても、高分子電解質ユニット１８を取り替えるだけで、本来の温湿度交換性能を回復させることができる。これによって、高分子電解質膜が劣化した場合の温湿度交換型熱交換器を交換する手間を省くことができると同時に、高分子電解質ユニット１８のみを交換することによるメンテナンス費用の低減を図ることができるわけである。
【００５５】
なお、上述した本実施の形態においては、高分子電解質ユニット１８をスライドして交換する構造としたが、高分子電解質ユニットのみを交換することができる構造であれば良く、その作用効果に差異を生じない。
【００５６】
以上においては、本実施の形態１〜４について詳しく説明した。
【００５７】
なお、本発明の不純物除去手段は、上述した本実施の形態においては、加湿器または温湿度交換型熱交換器を含む手段であったが、これに限らず、要するに、（１）燃料電池から排出されるガスに含まれる水蒸気が回収された回収水を利用することにより、または（２）燃料電池から排出される酸化剤を利用することにより、供給される酸化剤に含まれる不純物を除去するための不純物除去手段であればよい。
【００５８】
要するに、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤（空気）を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池システムであって、燃料電池から排出されるガス（燃料電池より排出される空気および燃料ガスなど）に含まれる水蒸気が回収された回収水を利用することにより、供給される酸化剤に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えた燃料電池システムである。
【００５９】
また、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤（空気）を供給されて燃料電池を利用した発電を行う燃料電池システムであって、燃料電池から排出される酸化剤を利用することにより、供給される酸化剤に含まれる不純物を除去する不純物除去手段を備えた燃料電池システムである。
【００６０】
もちろん、本発明の酸化剤は、含まれる不純物を除去されるとともに、加湿をも行われてよい。
【００６１】
したがって、本発明は、たとえば、供給空気の加湿を行うと同時に、供給空気内に含まれる不純物やイオン等を除去し、燃料電池が本来持っている性能を十分に引き出すことが可能となる。
【００６２】
また、供給空気の温度調整と加湿に温湿度交換型熱交換器を用い、その温湿度交換面に高分子電解質膜を用いることにより、動力を一切用いることなく、燃料電池からの排出空気に含まれる熱と水蒸気を用いた供給空気の温度調整と加湿が実現できると同時に供給空気内に含まれるイオンを吸着除去することができ、燃料電池が本来持っている性能を充分に引き出すことが可能となる。
【００６３】
さらに、温湿度交換型熱交換器において、温湿度交換面に使用している高分子電解質膜をユニット化して温湿度交換型熱交換器から取り外し可能な形状とすることで、供給空気中に含まれるイオン等を吸着除去することによって劣化した高分子電解質ユニットを容易に交換できるようになり、温湿度交換性能が低下した場合でも容易に安価で性能を回復することが可能となる。
【００６４】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明は、燃料電池本体が本来持つ性能を十分に引き出すことができるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態１における加湿器７の構成図
【図３】本発明の実施の形態２における加湿器の構成図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図
【図５】本発明の実施の形態３における温湿度交換型熱交換器１６の構成図
【図６】本発明の実施の形態４における温湿度交換型熱交換器の構成図
【図７】従来の燃料電池システムの構成図
【符号の説明】
１  燃料電池
２  改質器
３  バーナー
４  燃料側加湿器
５  燃料側水回収器
６  空気供給装置
７  酸化側加湿器
８  酸化側水回収器
９  蓄水タンク
１０  燃料側水ポンプ
１１  回収水供給ポンプ
１２  冷却配管
１３  冷却用ポンプ
１４  冷却用放熱機
１５  排熱器
１６  温湿度交換型熱交換器
１７  温湿度交換ユニット
１８  高分子電解質ユニット
【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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