(57)【要約】 【課題】薄型でフレキシブルな単位セルをコンパクトに収納した容量の大きな燃料電池を提供することと、発電効率を向上させることができる燃料電池の製造方法を提供すること。【解決手段】ユニット２０は、単位セル７と空気透過部材１５とを備えている。単位セル７と空気透過部材１５とは、巻芯１８を中心として渦巻状に巻かれ、巻き終わりは止め材１７によって止められている。単位セル７が渦巻状に巻かれているので、電極面積が大きく容量の大きい単位セルであっても、少ない体積でコンパクトに収納されてユニット２０を形成することができる。空気透過部材１５は、巻かれた際の間隙を確保して、かつユニット２０内で空気の供給経路となる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体と、前記アノード電極を囲む袋状の領域とを含んで構成された単位セルが渦巻状に巻かれていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記高分子固体電解質膜の前記電極が形成されていない部分には、気体非透過層が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記単位セルが渦巻状に巻かれることによって生じる間隙の開口部が略同方向となるように、複数の前記単位セルが配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
渦巻状に巻かれた前記単位セルの外周から渦巻中心方向に加わった締付力を保持する保持部材が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体と、前記アノード電極を囲む袋状の領域とを含んで構成された単位セルを渦巻状に巻く工程と、
前記単位セル全体に外周から渦巻き中心方向に力を加えた状態で、前記単位セルを固定する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単位セルを一つまたは複数備えた燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から燃料（水素）と空気（酸素）とを連続的に別々の電極に供給し、これらを電極に含まれた触媒を利用して、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出すものである。他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。燃料電池の中でも、高分子固体電解質膜を利用した燃料電池は作動温度が室温に近く、薄型化、小型化が可能で携帯機器等への応用が期待されている。
【０００３】
燃料電池の単位セル当たりの起電力は、電気化学反応の種類によって決まるが、０．７ボルト程度と低いため、実際に電池として使用するためには出力の向上が必要である。燃料電池の出力を向上させるためには、燃料電池全体として起電力を上げることと、容量を上げることとが考えられる。起電力を上げるためには、単位セルを積層して（スタック構造）電気的に直列に接続する方法がよく知られている。容量を上げるためには、電極面積や反応界面の幾何学的面積を広げる、あるいは単位面積あたりの出力密度を増加させる方法が知られている。
【０００４】
しかし、これら燃料電池の出力を向上させるための方法では、単位セルの積層や電極面積の広面積化という小型化とは相反することを行うため、小型化が必要な携帯機器等への応用分野においては、小型化に工夫が求められている。しかも、一般には、燃料と空気の混合防止用のセパレータがあるため、小型化がより困難になっている。
【０００５】
ところで、高分子固体電解質膜を利用した単位セルを積層して燃料電池の出力を向上させる場合、電極の構成部材間の接触抵抗も燃料電池の発電効率に影響する。発電効率を向上させるためには、電池に均一に荷重を加えて電極の構成部材間の接触抵抗を減らす必要がある。
接触抵抗を減らす例として、アノード側の燃料の供給とカソード側の空気の供給を分離するためのセパレータを用いた構造の燃料電池では、セパレータを介して荷重を構成部材に均一に加える方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３１５５０７号公報（第２〜第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、異なるガスの混合を防ぐためのセパレータを用いた場合では、このセパレータを使用することによって単位セルの構造自体も厚くなり、薄型でフレキシブルな単位セルを得ることが難しい。従って、大きな起電力を得るためにこのような単位セルの積層数を増やすと、厚みが一層増してしまい、結果として小型化が難しくなる。このため、燃料電池を小型化するには、単位セルをいかにコンパクトに小さな体積中に収めるかが課題である。
【０００８】
本発明の第一の目的は、薄型でフレキシブルな単位セルをコンパクトに収納した出力の大きな燃料電池を提供することにある。
本発明の第二の目的は、第一の目的に加えて、発電効率を向上させることができる燃料電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池は、高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体と、前記アノード電極を囲む袋状の領域とを含んで構成された単位セルが渦巻状に巻かれていることを特徴とする。
この発明では、単位セルが、薄型の膜電極接合体とアノード電極にのみ燃料を供給する袋状の領域とを含んで構成されるので、水素とカソード電極に供給する空気とを分けるセパレータが必要でなくなる。従って、薄型でフレキシブルな単位セルが得られる。その単位セルが渦巻状に巻かれているので、電極面積が大きな単位セルであっても、小さい体積にコンパクトに収納することが可能である。
単位セル当りの電極面積を大きくして容量を増やし、コンパクトに収容できた単位セルを複数集めて燃料電池を構成すれば起電力も高くなり、出力の大きな燃料電池が得られる。
【００１０】
本発明では、前記高分子固体電解質膜の前記電極が形成されていない部分に気体非透過層が設けられている構成が好ましい。
高分子固体電解質膜は、プロトン透過性であり水素燃料も透過しやすい。そこで、この発明では、これらの気体非透過層を必要な場所に設けることにより、より確実に袋状の領域からの気体の漏出が防げる。
【００１１】
本発明では、前記単位セルが渦巻状に巻かれることによって生じる間隙の開口部が略同方向となるように、複数の前記単位セルが配置されているのが好ましい。
この発明では、単位セルが渦巻状に巻かれる際に生じる渦巻に沿った間隙がカソード電極に空気を供給する領域となる。その開口部を同方向とすると、空気の流れが一定方向となり、制御する構造が簡便にできる。従って、複数の単位セルを集めて燃料電池を構成しても小型化する。また、単位セルへの空気の流れも淀みがなくなり、各単位セルの発電効率が高まる。
【００１２】
本発明では、渦巻状に巻かれた前記単位セルの外周から渦巻中心方向に加わった締付力を保持する保持部材が設けられているのが好ましい。
この発明では、単位セルが巻かれた際に生じる渦巻きの外周から中心に加わった締付力を保持する保持部材を設けることで、巻かれた単位セルの形状と単位セルの電極の構成部材間に加わった力が保持され、電極の構成部材間の接触抵抗が低く抑えられて発電効率が向上する。
【００１３】
本発明の燃料電池の製造方法は、高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体と、前記アノード電極を囲む袋状の領域を含んで構成された単位セルを渦巻状に巻く工程と、前記単位セル全体に外周から渦巻き中心方向に力を加えた状態で、前記単位セルを固定する工程とを備えていることを特徴とする。
この発明では、渦巻状に巻かれた単位セルの外周から渦巻き中心方向に力を加えて固定するので、電極の構成部材間に均一に力がかかった状態が維持され、電極の構成部材間の接触抵抗が低く抑えられて発電効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池１の全体図、図２は、燃料電池１を構成するユニット２０の斜視図、図３は、ユニット２０を形成している単位セル７の平面図、図４は、ユニット２０を展開した状態の単位セル７を示す断面図である。
【００１５】
図１、図２で、全体構成を説明する。
図１において、燃料電池１は、７個の発電用のユニット２０を備えている。ユニット２０は円柱形で、底面と上面とを揃えて側面が接するように稠密に並べられている。ユニット２０間に生じた隙間および外周は、パテ３０によって埋められ接着されている。ユニット２０は、水素入口１２を備えていて、それらはまとめられている。燃料電池１に供給される空気は、矢印方向に流れ、水素入口１２からは燃料である水素が供給される。
【００１６】
図２において、ユニット２０は、主な部材として電気を発生する単位セル７と、単位セル７に空気を供給するための空気透過部材１５と、巻芯１８と、止め材１７とを備えている。単位セル７と空気透過部材１５とは、巻芯１８を中心として渦巻状に巻かれ、巻き終わりには止め材１７が設けられている。止め材１７は、巻かれたときに外周から渦巻中心方向に加わった締付力を保持する保持部材の役目をする。空気透過部材１５は、単位セル７が巻かれた際に間隙を確保して、かつユニット２０内で空気の供給経路の役目を果たす。空気の供給は、この空気透過部材１５を通して行われる。図１に示すように、単位セル７が巻かれた際の間隙（円柱形のユニット２０の底面および上面に位置する）の開口部が同方向となるように、複数のユニット２０が配置されているので、燃料電池１への空気の流れを一定方向にできる。単位セル７は、水素入口１２と水素出口１６と取出電極１０，１４とを備えている。水素入口１２と水素出口１６は、水素がユニット２０に滞りなく供給されるように互いに反対側に配置されている。
【００１７】
なお、図１において、水素出口１６と取出電極１０，１４は省略してある。また、空気は矢印方向に流れて供給されているが、もちろん逆方向でもよい。また、燃料電池１は、一つのユニット２０から構成されてもよいし、７個以上の複数のユニット２０から構成されてもよい。
【００１８】
次に、図３、図４で単位セル７の構成をより具体的に説明する。
図３において、単位セル７には、水素入口１２が設けられ、反対側に水素出口１６が設けられている。ここで、水素入口１２と水素出口１６と取出電極１０とは、シール層８に挟まれて気密性を保った状態で内側から延長され、外部に引き出されている。取出電極１４は、アノード側の取出電極１０とは反対側に引き出されている。なお、水素入口１２と水素出口１６および取出電極の数は複数であってもかまわない。
【００１９】
図４において、単位セル７は、高分子固体電解質膜３をアノード電極４とカソード電極５とで両側から挟んだ一対のシート状の膜電極接合体２を備えている。電極４，５の設けられていない膜電極接合体２の外周部分には、高分子固体電解質膜３から気体の漏出を防ぐための気体非透過層６が形成されている。単位セル７は、これら一対の膜電極接合体２のアノード電極４を対向させ、図３にも示したように外周をシール層８によってシールされることによって形成されている。従って、単位セル７のアノード電極４を囲むように気密性のある袋状の領域が形成される。
【００２０】
高分子固体電解質膜３は、多孔質膜である延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（Poly Tetra Fluoro Ethylene,PTFE）フィルムに、高分子固体電解質樹脂であるナフィオン（デュポン社商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが含浸されることにより構成される。
アノード電極４には燃料である水素が供給され、カソード電極５には空気（酸素）か供給される。それぞれの電極は、水素酸化や酸素還元の反応を促進させるための白金または白金合金等の触媒が担持されたカーボンから構成される。
【００２１】
気体非透過層６としては、フィルム状樹脂、金属薄膜層やそれらを組み合わせたものが使用できる。気体透過性の低い樹脂としては、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合体）、アセチル化した高分子グルコマンナン等を使用できる。
シール層８は、熱で変形させた後固化できる熱可塑性の樹脂からなる熱溶着フィルム（ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、アクリル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、およびそれらの混合物）であってもよいし、光により固化する光硬化性型樹脂（可視光硬化型、ＵＶ硬化型）でもよい。
【００２２】
単位セル７において、対向するそれぞれのアノード電極４には、導電性を有するメッシュ状の中間部材９が接するように配置されている。この中間部材９により、水素拡散層およびアノード電極４に発生した電子を集める集電体が形成される。そして、中間部材９には、発生した電力を外部に取り出すための取出電極１０が設けられている。また、対向する取出電極１０の間には、水素を透過する支持体１１が狭持されている。
【００２３】
両側のカソード電極５には、カソード電極５に均一に酸素を供給するための拡散層と集電体を兼ねた中間部材１３がそれぞれ接するように設けられ、その外側に電池に接続された負荷から来た電子を集めるための取出電極１４がそれぞれ設けられている。なお、取出電極１４は、アノード側の取出電極１０とは反対側（図３中の下側）に引き出されている。
【００２４】
中間部材９，１３は、電極に水素および酸素を均一に供給するためのものであり、かつ電極４，５と取出電極１０，１４とを電気的に接続する。従って、多孔質でフレキシブルな導電性材料が使用される。中間部材９，１３を形成する材料としては、例えば、メッシュの金属フォーム（例えばスチールウール等）、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。
取出電極１０，１４は、水素や酸素を透過する電気抵抗の低いメッシュ状部材で、例えば金属のメッシュ等が使用できるし、任意の形状の金属箔であってもよいし、リード線等の導電性を有するものであればよい。
【００２５】
支持体１１は、多孔性材料が使用できる。例えば、導電性の多孔性材料としては、発泡金属、金属フィルタ等であってもよく、絶縁性の多孔性材料としては、発泡樹脂、発泡石英または発泡性ガラス等発泡性セラミック、撥水性繊維のフィルタ等であってもよい。また、グラスファイバー、ビーズ等を層間に散布してもよい。さらに、多孔質材料により大きな貫通孔を開けて、空気透過性能を向上させてもよい。
【００２６】
以下には、図５を参照し、ユニット２０の製造方法について説明する。
先ず、単位セル７と空気透過部材１５を渦巻状に巻いてユニットを形成する工程を説明する。
矩形の単位セル７の、水素入口１２、水素出口１６、取出電極１０，１４が引き出されていない辺の片側に、剛性のある巻芯１８を合わせる。次に、単位セル７を構成する部材と空気透過部材１５を合わせて、実線矢印方向に巻芯１８を回転させて、締め付けるように力を加えながら巻いていく。このとき、外側と内側では巻かれる長さに違いがあるので、予め外側になる膜電極接合体２等の部材を巻く方向に長めに調整しておく。また、単位セル７を構成する部材も巻く際に多少ずれるので、シール層８にはまだ加熱や紫外線の照射は行わずに各部材が固定されない状態で巻く。
【００２７】
次に、前記単位セル７の構成部材および前記ユニット２０を固定する工程と、ユニット２０に加わった力を保持する部材を設ける工程の説明をする。
巻きが終了後、図１に示したように単位セル７の末端を止め材１７で固定する。ここで、単位セル７は力を加えながら巻かれているので、このように固定された状態で加熱するか紫外線を照射して単位セル７のシール層８の固定を行うと、単位セル７の電極の構成部材に力が加わった状態が維持される。
【００２８】
さらに外周から確実に締付力を加えて止めることも可能である。例えば、針金や形状記憶合金で外周を巻いて締め付ける。あるいは、シュリンクチューブを用いて加熱して締め付けることも可能である。
【００２９】
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）単位セル７が薄型の膜電極接合体２とアノード電極４にのみ燃料を供給する袋状の領域から構成されるので、燃料と空気の供給の際にそれらを分けるセパレータを不要にでき、薄型でフレキシブルにできる。従って、その単位セル７が渦巻状に巻かれているので、電極面積が大きく容量の大きい単位セルであっても、少ない体積でコンパクトに収納できて、ユニット２０を形成できる。
【００３０】
（２）高分子固体電解質膜３のアノード電極４とカソード電極５が設けられていない部分には、気体非透過層６が形成されているので、気体非透過層６を必要な場所に設けることにより、袋状の領域からの水素の漏出をより確実に防ぐことができる。
【００３１】
（３）複数のユニット２０に供給する空気の流れが同方向となるため、空気の流れを制御する構造が簡便で、複数のユニット２０を含む燃料電池１を小型化できる。また、薄型の単位セル７を含んで構成されるユニット２０への空気の供給が略同方向から行えるので、空気の流れに無駄がなく各ユニット２０の発電効率を高めることができる。
【００３２】
（４）ユニット２０全体に外周から渦巻き中心方向に力を加えて固定するので、単位セル７の高分子固体電解質膜３面の鉛直方向に均一に力がかかった状態が維持されて、電極の構成部材間の接触抵抗が低く抑えられ、発電効率を向上させることができる。さらに、単位セル７を巻いた後の構成部材の相互位置が決まった状態で構成部材を固定するので、単位セル７の構成部材間に無駄な応力をかけずにユニット２０を形成できる。
【００３３】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。なお、以下の変形例においては、実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここでのそれらの説明を省略または簡略化する。
【００３４】
（変形例１）
例えば、一つのユニット２０からなる燃料電池１に空気を供給する構成の変形例１を図６に示した。
図６において、燃料電池１は、片側を覆うようにフード１９を備えている。フード１９内の空気は、矢印方向に吸引されている。このように空気を吸引することによって、巻かれた単位セル７間の狭い間隙にも空気を効率よく供給することができる。もちろん、このような構成の燃料電池１を複数集めて燃料電池を構成することも可能である。
【００３５】
（変形例２）
例えば、前記実施形態では、一対の膜電極接合体２を含む単位セル７を巻いてユニット２０を構成していたが、本発明では、一つの膜電極接合体２を含む単位セル７を使用してもよい。
以下、変形例２を図面に基づいて説明する。図７に変形例２の単位セル７の断面図を示した。この単位セル７を前記実施形態と同様に空気透過部材１５とともに巻くことにより、ユニット２０を得ることができる。
【００３６】
図７において、高分子固体電解質膜３には、実施形態と同様にアノード電極４、カソード電極５が形成され、それぞれの両極側に、中間部材９，１３、取出電極１０，１４が配置される。気体非透過層６も同様に設けられる。ここで変形例２では、取出電極１０と隔離用フィルム２２の間に支持体１１を挟んで固定する。固定の方法は、前記実施形態と同様にシール層８を用いて行い、膜電極接合体２と気体の隔離用フィルム２２の間に水素入口１２を設ける。気体の隔離用フィルム２２の材質、構成は、実施形態で例示した気体非透過層６と同様の材質、構成を用いることができる。
【００３７】
（変形例３）
例えば、前記実施形態では、矩形の膜電極接合体２としていたが、本発明では、矩形以外の膜電極接合体２を利用して袋状の領域を形成してもよい。
以下、変形例３を図面に基づいて説明する。図８に変形例３の単位セルの平面図を示した。
図８において、一対の膜電極接合体２は矩形ではなく異形の六角形をしており、袋状の領域も図示されていないシール層によって家形に形成されている。家形をした袋状の領域の屋根部分には水素入口１２が設けられ、反対側に水素出口１６が設けられている。袋状の領域の屋根部分全体には、適当な間隔で仕切層２３が設けられている。仕切層２３は、シール層と同様の材料で形成することができ、水素を袋状の領域全体にいきわたらせる役目と、屋根部分の膜電極接合体２の接着も兼ねる。
【００３８】
（変形例４）
例えば、前記実施形態では、単位セル７を一方向から巻いていたが、本発明では、両側から巻いてもよい。
以下、変形例４を図面に基づいて説明する。図９に変形例の水素入口１２から見た断面図を模式的に示した。
図９において、実施形態と同様に一対の膜電極接合体を含む単位セルと空気透過性部材（図示せず）は、両側から同じ量だけ巻かれている。このように巻くことにより、巻きの外周と内周で部材（例えば膜電極接合体）の長さを調整する必要がなくなる。
【００３９】
（変形例５）
例えば、前記実施形態では、水素の導入を水素入口１２から行い反対側の水素出口１６から排出して、空気の供給、排出を一方向に向かって行っていたが、本発明では、水素入口１２や水素出口１６を特別設けることなく、水素や空気の供給、排出を同方向から行なってもよい。
図１０には、変形例５の単位セル７の斜概略図、図１１には、渦巻状に巻かれた単位セル７を複数備えた燃料電池１の全体図を示した。
【００４０】
図１０において、一対の膜電極接合体２の間に、袋状の領域を形成するシール層８を、一辺（巻かれた後に形成される円柱形の上面か底面となる方向の辺）が開口するように配置する。一方、空気透過部材１５を合わせて巻かれる面の外周には、シール層８で開口させた方向とは逆方向が開口するようにシール層２４を配置する。この状態で巻いて、ユニット２０を構成する。単位セル７を巻く前の状態で図１０を使って説明すると、水素は矢印４０で示したように下方向から導入され排出される。一方、空気は矢印５０で示されるように巻かれた際に生じる間隙の上方向から入って上方向に排出される。
【００４１】
図１１において、複数のユニット２０は、水素と空気の導入方向を合わせて配置され、隙間と外周をパテ３０で固められる。矢印４０，５０で示すように水素と空気は一方向から入り同方向へ戻って排出される。この変形例５の構成、配置であれば、例えば、水素雰囲気と空気雰囲気との隔壁を燃料電池自体で構成できる。従って、水素供給装置等の付帯装置を合わせて構成する場合に、水素供給装置の空気との隔壁として使用すると水素供給装置に燃料電池を組み込むことができ、装置全体としてコンパクトにできる。
【００４２】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池を示す全体図。
【図２】ユニットの全体図。
【図３】単位セルの平面図。
【図４】単位セルの断面図。
【図５】単位セルを巻く工程を示す図。
【図６】燃料電池の全体図。
【図７】単位セルの断面図。
【図８】単位セルの平面図。
【図９】ユニットの断面図。
【図１０】単位セルの斜概略図。
【図１１】複数のユニットからなる燃料電池の全体図。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池、２…膜電極接合体、３…高分子固体電解質膜、４…アノード電極、５…カソード電極、６…気体非透過層、７…単位セル、８…シール層、１０…取出電極、１２…水素入口、１４…取出電極、１５…空気透過部材、１６…接着層、１７…止め材、１８…巻芯、２０…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】
2005310583.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005310583.tif 000011
【図１０】
2005310583.tif 000012
【図１１】
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