(57)【要約】【課題】燃料電池用吸着装置のケーシング内の隙間の発生を抑制し、燃料を触媒層に確実に流通させることを目的とする。【解決手段】改質用原料中の付臭剤を吸着する燃料電池用の脱硫器４０は、上方が開放された開放部４１ａ１を有する本体部４１ａ、および、開放部４１ａ１を覆う蓋部４１ｂを備えたケーシング４１と、本体部４１ａの底部４１ａ２に、付臭剤を吸着する触媒４２ａが配設された触媒層４２と、ケーシング４１内における触媒層４２と蓋部４１ｂとの間に、蓋部４１ｂによって触媒層４２を押圧するように配設され、触媒層４２の流路抵抗より高い流路抵抗を有する変形可能な変形部材４３と、を備えている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
付臭剤が添加された改質用原料が改質されて燃料として供給される燃料極および酸化剤ガスが供給される酸化剤極を有し、前記燃料と前記酸化剤ガスとにより発電する燃料電池に前記燃料が供給される前に、前記改質用原料中の前記付臭剤を吸着する燃料電池用吸着装置であって、
前記燃料電池用吸着装置は、
一端部から前記改質用原料が導入されて、他端部から前記改質用原料が導出され、上方が開放された開放部を有する本体部、および、前記開放部を覆う蓋部を備えたケーシングと、
前記本体部の底部に、前記付臭剤を吸着する触媒が配設された触媒層と、
前記ケーシング内における前記触媒層と前記蓋部との間に、前記蓋部によって前記触媒層を押圧するように配設され、前記触媒層の流路抵抗より高い流路抵抗を有する変形可能な変形部材と、を備えている燃料電池用吸着装置。
【請求項２】
前記変形部材は、弾性変形可能な部材によって形成されている請求項１記載の燃料電池用吸着装置。
【請求項３】
前記変形部材は、セラミックス粒子を主成分とし、型を用いて形成されている請求項１または請求項２記載の燃料電池用吸着装置。
【請求項４】
前記ケーシングは、平面Ｕ字形状に形成されている請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の燃料電池用吸着装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の燃料電池用吸着装置を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用吸着装置および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用吸着装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。燃料電池用吸着装置は、特許文献１の図１に示すように、筒状の触媒容器１、触媒容器１内に充填される触媒７および弾性体６を備えている。弾性体６は、触媒７の充填層の両側に配設された触媒７を保持する保持部のうち少なくとも一方を構成している。例えば触媒７の粉化により触媒７の充填層の体積が縮小する場合においても、弾性体６の形状が弾性によって元の形状に回復するように変形し、弾性体６の体積が増大することで、触媒容器１内に隙間が生じることを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−７６８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の燃料電池用吸着装置において、弾性体６は、触媒７の充填層の両側の少なくとも一方に配設されているため、例えば、触媒容器１が燃料の流れ方向に長くなるような場合、弾性体６の弾性による触媒７への押し付け力または弾性体６の変形量が不足して触媒容器１内に隙間が生じ、燃料が触媒７の充填層を流れない可能性がある。
そこで、本発明は、上述した課題を解消するためになされたもので、燃料電池用吸着装置のケーシング内の隙間の発生を抑制し、燃料を触媒層に確実に流通させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池用吸着装置は、付臭剤が添加された改質用原料が改質されて燃料として供給される燃料極および酸化剤ガスが供給される酸化剤極を有し、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池に燃料が供給される前に、改質用原料中の付臭剤を吸着する燃料電池用吸着装置であって、燃料電池用吸着装置は、一端部から改質用原料が導入されて、他端部から改質用原料が導出され、上方が開放された開放部を有する本体部、および、開放部を覆う蓋部を備えたケーシングと、本体部の底部に、付臭剤を吸着する触媒が配設された触媒層と、ケーシング内における触媒層と蓋部との間に、蓋部によって触媒層を押圧するように配設され、触媒層の流路抵抗より高い流路抵抗を有する変形可能な変形部材と、を備えている。
【発明の効果】
【０００６】
これによれば、変形部材は、ケーシング内の底部に配設された触媒層と蓋部との間に、蓋部によって触媒層を押圧するように配設されているため、触媒層と蓋部との間の隙間の発生を確実に抑制することができる。また、変形部材は、触媒層の流路抵抗より高い流路抵抗を有するため、変形部材の改質用原料の流通性に対して触媒層の改質用原料の流通性を良くすることができる。これらによって、燃料電池用吸着装置のケーシング内の隙間の発生を抑制するとともに、改質用原料を触媒層に確実に流通させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池用吸着装置に適用される燃料電池システムの概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池用吸着装置の上面図である。
【図３】図２に示す燃料電池用吸着装置の横断面図である。
【図４】図２に示すIV−IV線に沿った燃料電池用吸着装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明による燃料電池モジュールおよび燃料電池システムの一実施形態について説明する。燃料電池システムは、図１に示すように、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５は、筐体１０ａ内に収容されている。
【０００９】
燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１および後述する脱硫器（特許請求の範囲の燃料電池用吸着装置に相当）１１ａ２（４０）が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
【００１０】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。
【００１１】
熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
【００１２】
さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システムの運転を制御する。
【００１３】
燃料電池モジュール１１（３０）は、ハウジング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ハウジング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、液化石油ガス（ＬＰガス）などの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。なお、改質用原料には、例えば改質用原料が漏れたことを臭いによって感知しやすくするために、付臭剤が添加されている。付臭剤は、有機硫黄化合物であり、例えばターシャリーブチルメルカプタンやジメチルサルファイドである。
【００１４】
蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。
【００１５】
改質部３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質のＬＰガス、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
【００１６】
燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。
【００１７】
セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。
【００１８】
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
【００１９】
燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて蒸発部３２および改質部３３を加熱する。
【００２０】
燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて燃焼ガス（火炎３７）が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。
【００２１】
脱硫器４０は、供給源Ｇｓからの改質用原料中の付臭剤（硫黄化合物）を除去して蒸発部３２に供給するものである。脱硫器４０は、図２乃至図４に示すように、ケーシング４１、触媒層４２および変形部材４３を備えている。
ケーシング４１は、内部が空洞である断面方形状の平面Ｕ字状に形成されている（図２参照）。ケーシング４１は、図３および図４に示すように、上方が開放された開放部４１ａ１を有する断面Ｕ字状に形成された本体部４１ａおよび開放部４１ａ１を覆う板状の蓋部４１ｂを備えている。また、ケーシング４１は、図２に示すように、それぞれ区画された３つの部屋Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を備えている。３つの部屋Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、気体が流通可能な側壁（例えば、パンチングメタル）４１ｃによって区画されている。第一の部屋Ｒ１は、ケーシング４１の一端部に形成されている。第三の部屋Ｒ３は、ケーシング４１の他端部に形成されている。第二の部屋Ｒ２は、第一の部屋Ｒ１と第三の部屋Ｒ３との間に形成されている。第二の部屋Ｒ２は、平面Ｕ字状に形成されている。
【００２２】
第一の部屋Ｒ１には、供給源Ｇｓからの改質用原料が改質用原料供給管１１ａを介して導入され、そのガスが第二の部屋Ｒ２に導出される（図４に矢印にて示す）。
第二の部屋Ｒ２にて、第一の部屋Ｒ１からの改質用原料に含まれる付臭剤（硫黄化合物）が除去される。第二の部屋Ｒ２における本体部４１ａの底部４１ａ２には、図３および図４に示すように、付臭剤を吸着（脱硫）する触媒層４２が形成されている。触媒層４２は、第二の部屋Ｒ２全体に亘って、所定高さ（本体部４１ａの高さのおよそ半分）にて配設されている。これにより、触媒層４２は、第二の部屋Ｒ２（本体部４１ａ）の形状に沿うように形成される。すなわち、触媒層４２は、第二の部屋Ｒ２（本体部４１ａ）の形状に沿うように、平面Ｕ字状に形成されている。
また、触媒層４２は、球状に形成された複数の触媒４２ａが充填されることにより形成されている。触媒４２ａは、付臭剤を吸着（脱硫）するものである。触媒４２ａは、例えば銀や銅等の金属を担持したゼオライトやアルミナ等の多孔質材料である。
【００２３】
変形部材４３は、第二の部屋Ｒ２の触媒層４２と蓋部４１ｂとの間に配設されている。変形部材４３は、蓋部４１ｂによって触媒層４２を押え付けるように配設されている。このとき、変形部材４３は、変形部材４３が接触する本体部４１ａの内側壁をも押え付けている。これにより、本体部４１ａ内において、触媒層４２と蓋部４１ｂとの間の隙間の発生を抑制することができる。また、変形部材４３は、平面Ｕ字状に形成された触媒層４２と蓋部４１ｂとの間に設けられているため、第二の部屋Ｒ２（本体部４１ａ）の形状に沿うように、平面Ｕ字状に形成されている。
【００２４】
変形部材４３は、変形部４３ａおよび被覆部４３ｂを備えている。変形部４３ａは、例えばアルミナ等の金属酸化物、ガラスフィラメントおよびセラミックス粒子などの比較的高い耐熱性を有する材料によって多孔質に形成されている。変形部４３ａは、セラミックス粒子を主成分としている。セラミックス粒子は、例えば非結晶シリカ粒子である。変形部４３ａは、セラミック粒子の密度を調整することにより弾性変形可能に形成されている。変形部４３ａは、型を用いて形成されている。例えば、変形部材４３は、金型を用いた射出成型によって形成されている。
【００２５】
また、変形部４３ａは、触媒層４２の密度より高い密度を有するように形成されている。これにより、ガス（改質用原料）に対する変形部４３ａの流路抵抗が、触媒層４２の流路抵抗より大きくなるようになっている。流路抵抗は、流路を流通する流体の流れ難さを表すものである。流路抵抗が大きいほど、その流路に流体が流れ難い。すなわち、脱硫器４０内を流通するガスは、変形部材４３より流路抵抗が小さい触媒層４２の内部を流通する（図４の矢印にて示す）。なお、変形部４３ａの密度を調整により、ケーシング４１の圧損比率を調整することができる。
【００２６】
被覆部４３ｂは、変形部４３ａの全面を覆うように形成され、変形部４３ａを保護するものである。具体的には、被覆部４３ｂは、伸縮性および比較的高い耐熱性を有する布である。例えば、被覆部４３ｂは、耐熱繊維の織物（または不織布）である。耐熱繊維は、例えば、アラミド繊維やＰＰＳ繊維である。
このように、変形部４３ａおよび被覆部４３ｂが比較的高い耐熱性を有しているため、変形部材４３は比較的高い耐熱性を有する。また、変形部４３ａが弾性変形可能に形成され、かつ、被覆部４３ｂが伸縮性を有するため、変形部材４３は弾性変形可能に構成されている。
また、第三の部屋Ｒ３には、第二の部屋Ｒ２からのガスが導入され、そのガスが改質用原料供給管１１ａを介して蒸発部３２へ導出される。
【００２７】
本実施形態によれば、脱硫器４０は、付臭剤が添加された改質用原料が改質されて燃料（改質ガス）として供給される燃料極および酸化剤ガスが供給される酸化剤極を有し、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４に燃料が供給される前に、改質用原料中の付臭剤を吸着する。脱硫器４０は、一端部から改質用原料が導入されて、他端部から改質用原料が導出され、上方が開放された開放部４１ａ１を有する本体部４１ａ、および、開放部４１ａ１を覆う蓋部４１ｂを備えたケーシング４１と、本体部４１ａの底部４１ａ２に、付臭剤を吸着する触媒４２ａが配設された触媒層４２と、ケーシング４１内における触媒層４２と蓋部４１ｂとの間に、蓋部４１ｂによって触媒層４２を押圧するように配設され、触媒層４２の流路抵抗より高い流路抵抗を有する変形可能な変形部材４３と、を備えている。
これによれば、変形部材４３は、ケーシング４１内の底部４１ａ２に配設された触媒層４２と蓋部４１ｂとの間に、蓋部４１ｂによって触媒層４２および変形部材４３と接触する本体部４１ａの内側壁を押圧するように配設されているため、触媒層４２と蓋部４１ｂとの間の隙間の発生を確実に抑制することができる。また、変形部材４３は、触媒層４２の流路抵抗より高い流路抵抗を有するため、変形部材４３の改質用原料の流通性に対して触媒層４２の改質用原料の流通性を良くすることができる。これらによって、脱硫器４０のケーシング４１（第二の部屋Ｒ２）内の隙間の発生を抑制するとともに、改質用原料を触媒層４２に確実に流通させることができる。
また、触媒層４２が本体部４１ａの底部４１ａ２に配設され、かつ、変形部材４３が触媒層４２と蓋部４１ｂとの間に配設されているため、触媒層４２および変形部材４３をケーシング４１の形状に沿うように配設することができる。よって、脱硫器４０は、改質用原料を触媒層４２に確実に流通させつつ、ケーシング４１の形状の自由度を高くすることができる。したがって、脱硫器４０を配設する場所の自由度を高くすることができる。
【００２８】
また、変形部材４３は、弾性変形可能な部材によって形成されている。
これによれば、変形部材４３の弾力によって、触媒層４２と変形部材４３とが密着するように接触することができるため、触媒層４２と変形部材４３との間の隙間の発生をより確実に抑制することができる。
【００２９】
また、変形部材４３は、セラミックス粒子を主成分とし、型を用いて形成されている。
これによれば、変形部材４３の形状の自由度を比較的高くすることができる。よって、ケーシング４１の形状の自由度をより高くすることができる。したがって、脱硫器４０を配設する場所の自由度をより高くすることができる。
【００３０】
また、ケーシング４１は、平面Ｕ字形状に形成されている。
これによれば、ケーシング４１の大きさを比較的小さく形成することができる。よって、脱硫器４０を配設する場所の自由度をさらに高くすることができる。
【００３１】
また、燃料電池システムは、上述した脱硫器４０を備えている。
これによれば、燃料電池システムは、上述した脱硫器４０の効果と同様の効果を有する。
【００３２】
なお、上述した実施形態において、燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した実施形態において、変形部材４３は、変形部４３ａおよび被覆部４３ｂを備えているが、これに代えて、変形部４３ａのみによって構成するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、本体部４１ａは、断面Ｕ字形状に形成されているが、これに代えて、断面Ｖ字形状に形成しても良い。
また、上述した実施形態において、変形部４３ａは、セラミック粒子を主成分として構成されているが、これに代えて、変形部４３ａをセラミック粒子のみによって構成するようにしても良い。この場合、変形部材４３は、例えば袋状に被覆部４３ｂを形成し、被覆部４３ｂに変形部４３ａであるセラミック粒子を充填するように形成すると良い。なお、この場合、セラミック粒子が弾性変形しないため、変形部材４３が弾性を有さない。
【００３３】
また、上述した実施形態において、蓋部４１ｂは、板状に形成されているが、下方を開放する断面Ｕ字状に形成するようにしても良い。この場合、変形部材４３を、蓋部４１ｂの内側全体に、かつ、蓋部４１ｂの開放部から突出されるように配設すると良い。これにより、本体部４１ａの内側全体に触媒層４２を配設して、本体部４１ａと蓋部４１ｂを接合した場合、変形部材４３により触媒層４２を押圧することができる。
また、上述した実施形態において、変形部材４３は、弾性変形可能に形成されているが、これに代えて、塑性変形可能に形成するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、ケーシング４１および変形部材４３は、平面Ｕ字状に形成されているが、これに代えて、例えば直方体状に形成するようにしても良い。
【００３４】
また、上述した実施形態において、脱硫器４０は、筐体１０ａ内に配設されているが、筐体１０ａ内において脱硫器４０を、燃料電池モジュール３０のハウジング３１に接触させて配設しても良い。この場合、脱硫器４０は、燃料電池モジュール３０から受熱することができるため、活性化する温度が比較的高い触媒についても脱硫器４０に使用することができる。また、この場合、触媒４２ａが燃料電池モジュール３０から効率良く受熱するために、ケーシング４１の触媒層４２が配設されている側の外表面をハウジング３１に接触させるようにすると良い。
また、上述した実施形態において、燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であるが、これに代えて、固体高分子形燃料電池にしても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１０…発電ユニット、１１（３０）…燃料電池モジュール、１１ａ…改質用原料供給管、２０…排熱回収システム、３２…蒸発部、３４…燃料電池、４０…脱硫器（燃料電池用吸着装置）、４１…ケーシング、４１ａ…本体部、４１ａ１…開放部、４１ａ２…底部、４１ｂ…蓋部、４２…触媒層、４２ａ…触媒、４３…変形部材、４３ａ…変形部、４３ｂ…被覆部、Ｇｓ…供給源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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