(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性を持つ固体高分子電解質膜が設けられ、この固体高分子電解質膜を挟持するように一対の多孔質電極板が配置され、これらの多孔質電極板の外側に導電性の平板であるセパレータが配置され、このセパレータにおける前記多孔質電極板と接する面には複数の流通溝を有する流路が形成された固体高分子型燃料電池において、
流路の一端部には前記流通溝に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給する供給孔が、前記流路の他端部には前記流通溝から燃料ガスあるいは酸化剤ガスを排出する排出孔が、流路の途中には流通溝を複数連通させた１つ以上の集合孔が設けられ、
この流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるように構成され、
前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替える切替手段を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記切替手段が、スタックの外部で前記集合孔の一部と前記供給孔を結ぶ配管と、残りの集合孔と前記排出孔を結ぶ配管と、前記配管の途中に設けられたバルブであることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記固体高分子型燃料電池の出力電流を測定する手段と、
測定された値に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記測定された値が所定の値を越えた場合に、前記切替手段が前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替えるよう制御することを特徴とする請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記供給孔と前記排出孔の間のガス圧力損失を測定する手段と、
測定された値に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記測定された値が所定の値を越えた場合に、前記切替手段が前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替えるよう制御することを特徴とする請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの差圧を測定する手段と、
測定された値に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記測定された値が所定の値を越えた場合に、前記切替手段が前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替えるよう制御することを特徴とする請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池に係り、特に、燃料ガスまたは酸化剤ガスもしくは冷却水が流れる流路の構成に改良を加えたものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率のエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。燃料電池とは水素などの燃料ガス及び酸素などの酸化剤ガスを、電解質膜を挟持する一対の多孔質電極に送込み、これらのガスによる電気化学反応を利用して電力を取出す装置である。中でも、固体高分子を電解質とした固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度を得ることができ、しかも簡略なシステムで運転が可能であるため、宇宙用や車両用などの電源として高い関心が寄せられている。
【０００３】
ここで固体高分子型燃料電池の従来例について、図面を参照して具体的に説明する。
▲１▼単電池１
まず、燃料電池の基本的な構成要素である単電池１に関して、図５の断面図を用いて説明する。単電池１には、イオン伝導性を持つ固体高分子電解質膜３が設けられ、この電解質膜３を挟むようにして白金などの触媒を有する一対の電極板２ａ，２ｂが配置されている。さらに電極板２ａ，２ｂの周囲には固体高分子電解質膜３を覆うようにしてシール材４が設置されている。固体高分子電解質膜３としてはパーフルオロカーボンスルホン酸膜( 例えば商品名ナフィオン：デュポン社製) などが飽和含水状態にして用いられている。電極板２ａは燃料ガスが供給される燃料極、電極板２ｂは酸化剤ガスが供給される酸化剤極であり、共に多孔質カーボン製である。なお、電解質膜３と電極板２ａ，２ｂとだけの状態を膜電極複合体と呼んでいる。
【０００４】
この膜電極複合体は図６に示すように矩形シート状に形成される（厚さは１ｍｍ以下）。電極板２ａ，２ｂの面積は発電に必要な電流値及び単位面積当たりの電流値すなわち電流密度によって決まるが、通常、１辺を１０ｃｍ以上として１００ｃｍ2 以上となっている。一方、固体高分子電解質膜３は電極板２ａ，２ｂに供給されるガス同士の混合を防ぐ役割もあるため電極板２ａ，２ｂより大きくなっており、電解質膜３がはみ出ている部分にシール材４を設置している。
【０００５】
以上のような単電池１では、電極板２ａ，２ｂにそれぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することにより、電極板２ａ，２ｂ間で電気化学反応が起こり、起電力が生じる。ただし、単電池１当たりの起電力は１Ｖ以下と低いため、実際に運転する燃料電池では集電体であるセパレータ５を介して多数の単電池１を積層し、電池スタックとして使用する。その際、電池スタックには冷却水が流れるセパレータも所定の間隔で挿入され、発電に伴う昇温が制御されるのが一般的である。
【０００６】
▲２▼セパレータ５
図７に示すように、単電池１の外側には電流を取出す集電体としてセパレータ５が配置されている。このセパレータ５は電極板２ａ側の集電体と電極板２ｂ側の集電体とが一体化されたもので、優れた導電性や気密性さらには加工の容易性などを満足させる部材から製造される。
【０００７】
▲３▼ガス流路６ａ，６ｂ
また、セパレータ５は電極板２ａ，２ｂに反応ガスを供給する役割を果たしている。具体的には、電極板２ａと接する下面側に燃料ガスが流れるガス流路６ａが形成され、電極板２ｂと接する上面側に酸化剤ガスが流れるガス流路６ｂが形成される（図７参照）。以下、ガス流路６ｂ側の流路構成を中心に、図８〜図１１を用いて説明する。
【０００８】
図８に示すように、セパレータ５の一端部には燃料ガス供給孔７ａ、酸化剤ガス供給孔８ａ及び冷却水供給孔９ａが形成され、セパレータ５の他端部には燃料ガス排出孔７ｂ、酸化剤ガス排出孔８ｂ及び冷却水排出孔９ｂが形成されている。図９にも示すように、酸化剤ガス供給孔８ａには連絡流路１０ａが、酸化剤ガス排出孔８ｂには連絡流路１０ｂがそれぞれ連続して設けられ、これら連絡流路１０ａ，１０ｂを介して供給孔７ａ及び排出孔７ｂ間に、互いに平行な複数の酸化剤ガス流通溝８ｃが接続されている。
【０００９】
この酸化剤ガス流通溝８ｃの構成としては、流通溝８ｃが供給孔８ａから排出孔８ｂまで直線的に延びるストレートフロー方式（図１０参照）と、流通溝８ｃが逆Ｓ字状に蛇行する蛇行状フロー方式（図１１参照）とが知られている。前者の方式では酸化剤ガスが直線的に流れ、高電流密度での運転時にはガス流量が多くなる。そのため、複雑な流路形状の場合よりも圧力損失及び燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差（以下、極間差圧と記す）を抑えることができ、単電池の保護及び発電効率の上昇に有利である。一方、後者の方式では酸化剤ガスが蛇行して流れ、低電流密度での運転時でも十分なガス流量を確保できる。そのため、電気化学反応に伴って生成水が生じても、これを確実に除去でき、優れた電池性能を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では次のような問題点があった。すなわち、図１０に示したストレートフロー方式のガス流路では、高電流密度での運転時にはガス流量が多くなる反面、同じガス利用率における低電流密度での運転時にはガス流量が少なくなるので、圧力損失は低減するものの生成水を十分に除去することが困難となった。
【００１１】
一方、蛇行状フロー方式を採用したガス流路では、低電流密度での運転時に十分なガス流量を確保できるものの、同じガス利用率における高電流密度での運転時にはガス流量が多くなり過ぎる傾向がある。特に、酸化剤ガスが流れるガス流路側では圧力損失及び極間差圧が大きくなって、単電池の劣化や発電システム全体の効率低下を招くおそれがあった。
【００１２】
このように従来の固体高分子型燃料電池では、同一方式のガス流路を用いて低電流密度から高電流密度までを安定して運転することは難しかった。また、セパレータには反応ガスだけではなく冷却水が流れる場合があるが、電池性能を安定させるためには、これらの流体を均一に配流することが強く要請されている。
【００１３】
本発明は、このような課題に対処するために提案されたものであり、その目的は、流体を均一に配流すると共に、低電流密度から高電流密度に至るまで生成水の除去及び極間差圧の低減を実現して常に安定した電池性能を発揮でき、さらには単電池の劣化防止や発電システム全体の効率向上に貢献する優れた固体高分子型燃料電池を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では以下の手段を講ずる。すなわち、請求項１の発明は、イオン伝導性を持つ固体高分子電解質膜が設けられ、この固体高分子電解質膜を挟持するように一対の多孔質電極板が配置され、これらの多孔質電極板の外側に導電性の平板であるセパレータが配置され、このセパレータにおける前記多孔質電極板と接する面には複数の流通溝を有する流路が形成された固体高分子型燃料電池において、流路の一端部には前記流通溝に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給する供給孔が、前記流路の他端部には前記流通溝から燃料ガスあるいは酸化剤ガスを排出する排出孔が、流路の途中には流通溝を複数連通させた１つ以上の集合孔が設けられ、この流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れるように構成され、前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替える切替手段を有することを特徴とする。
【００１５】
このような請求項１の発明では、流路の途中で燃料ガスまたは酸化剤ガスもしくは冷却水を集合孔に集めることができる。そのため、単電池を多数積層した場合に、流路の途中では上記流体の量が不均一であっても、ある程度の量の流体をを集合孔にいったん集め、この集合孔から再度、流路に向けて均一に配流することが可能である。また、切替手段が供給孔または排出孔を集合孔に切り替えなければ、流路構成は従来のストレートフロー方式となる。そのため、高電流密度での運転時にはストレートフロー方式を採用し、圧力損失及び極間差圧を抑えることができる。
【００１６】
また、切替手段が供給孔及び排出孔を集合孔に切り替えれば、集合孔にて流体の流れる方向を変えることが可能となる。したがって、流路構成をストレートフロー方式から従来の蛇行状フロー方式に近付けることができ、ガス流量の高めることができる。これにより、低電流密度での運転時には供給孔及び排出孔を集合孔に切り替え、十分なガス流量を確保することにより、生成水を確実に除去することが可能となる。以上のような本発明によれば、低電流密度から高電流密度に至るまで安定して燃料電池を運転することが可能となる。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、前記切替手段が、スタックの外部で前記集合孔の一部と前記供給孔を結ぶ配管と、残りの集合孔と前記排出孔を結ぶ配管と、前記配管の途中に設けられたバルブであることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子型燃料電池の出力電流を測定する手段と、測定された値に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記測定された値が所定の値を越えた場合に、前記切替手段が前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替えるよう制御することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記供給孔と前記排出孔の間のガス圧力損失を測定する手段と、測定された値に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記測定された値が所定の値を越えた場合に、前記切替手段が前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替えるよう制御することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの差圧を測定する手段と、測定された値に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記測定された値が所定の値を越えた場合に、前記切替手段が前記集合孔の一部を供給孔に切り替え、残りの集合孔を排出孔に切り替えるよう制御することを特徴とする。
【００１９】
この請求項３〜５の発明では、制御手段の働きにより、切替手段の制御を固体高分子型燃料電池の出力電流または電流密度または極間差圧またはガス圧力損失に応じて行うことができる。そのため、上記請求項１の発明の作用効果に加えて、単電池の劣化を確実に防ぐと同時に、発電システム全体の効率をいっそう高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池の実施の形態の一例について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では、酸化剤ガスが流れるガス流路６ｂの構成に改良を施したものについて述べる。また、図５〜図１１に示した従来例と同一の部分については同一符号を付し、説明は省略する。
【００２１】
（１）第１の実施の形態
［構成］
第１の実施の形態は、図１は第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池におけるセパレータ１１の平面図である。セパレータ１１は２３０ｍｍ×２４０ｍｍ、ｔ１．５ｍｍであり、図１０及び図１１に示したセパレータ５と同じく、酸化剤ガス供給孔８ａ、酸化剤ガス排出孔８ｂ及び流通溝８ｃが形成されている。酸化剤ガス供給孔８ａに隣接して酸化剤ガス集合孔１２ａが形成され、酸化剤ガス排出孔８ｂに隣接して酸化剤ガス集合孔１２ｂが形成されている。また、酸化剤ガス供給孔８ａと酸化剤ガス集合孔１２ｂとが向い合い、酸化剤ガス排出孔８ｂと酸化剤ガス集合孔１２ａが向い合うように配置されている。さらに、集合孔１２ａ，１２ｂの長さは供給孔８ａ及び排出孔８ｂのほぼ２倍に設定されている。
【００２２】
これら集合孔１２ａ，１２ｂは流通溝８ｃを連通させるように構成されている。より詳しくは、流通溝８ｃは全部で１８本あり、このうち図中上からの６本が供給孔８ａと集合孔１２ｂとに接続され、図中下からの６本が排出孔８ｂと集合孔１２ａとに接続され、残りの中段の６本が集合孔１２ａ，１２ｂに接続されている。
【００２３】
［作用効果］
このような第１の実施の形態のセパレータ１１において、集合孔１２ａ，１２ｂでいったん酸化剤ガスを集め、流れる方向を変えることができる。すなわち、流通溝８ｃでは図の左右方向、集合孔１２ａ，１２ｂでは図の上下方向となり、酸化剤ガスの流路構成としては、図１１に示した蛇行状フロー方式とほぼ同じとなる。このとき、流通溝８ｃ途中で酸化剤ガス量に若干の不均一であっても、ある程度の酸化剤ガスを集合孔１２ａ，１２ｂにいったん集めているので、集合孔１２ａ，１２ｂは流通溝８ｃに向けて均一に酸化剤ガスを配流することができる。
【００２４】
また、図２に示すように、以上のセパレータ１１、膜電極複合体( 電極面積２８９ｃｍ2 ) 及びシール材４を用いて単電池１を構成した。この単電池１を７０セル積層して電池スタックを製作し、発電試験を行った。また、図１１に示す蛇行状フローを採用した従来のセパレータ５を用いた単電池１を同様に７０セル積層し発電試験を行った。電流密度０．３５Ａ／ｃｍ2 、反応ガス出口圧力０．３ＭＰａ、燃料ガス利用率：７０％、酸化剤ガス利用率：４０％の運転で、セパレータ１１を用いた単電池１の電圧分布の結果は７５０ｍＶ±１５ｍＶとなった。これに対して、セパレータ５を用いた場合の単電池１電圧分布の結果は７５０ｍＶ±３６ｍＶとなり、第１の実施の形態に係るセパレータ１１を用いた方が分布が小さくなった。膜電極複合体を含む単電池１は汎用品を用いており、製造のばらつきは極めて少ないため、第１の実施の形態では単電池１を多数積層した場合であっても、酸化剤ガスの配流が良好であると結論できる。
【００２５】
（２）第２の実施の形態
［構成］
第２の実施の形態は、図３に示すような燃料電池発電システムに組込まれている。第２の実施の形態には、前記集合孔１２ａ，１２ｂを酸化剤ガス供給孔８ａ及び酸化剤ガス排出孔８ｂに切り替えるためのバルブ１３が設置されている。このバルブ１３はスタック外部で供給孔８ａ、排出孔８ｂとそれぞれ分岐・合流する直後・直前に設けられている。つまり、集合孔１２ａ，１２ｂをそれぞれ供給孔８ａ、排出孔８ｂとして用いたい場合はバルブ１３を開にし、また、集合孔１２ａ，１２ｂとして用いたい場合はバルブを閉にする。言い換えれば、供給孔８ａ及び排出孔８ｂの一部で酸化剤ガスの供給及び排出を止め、その部分を集合孔１２ａ，１２ｂに切替えるようになっている。
【００２６】
さらに、第２の実施の形態にはバルブ１３の開閉を制御する制御手段１４が設置されている。この制御手段１４には燃料電池の出力電流または電流密度を感知する電流感知器１５と、燃料ガスと酸化剤ガスとの極間差圧に検出する圧力センサ１６が接続されている。制御手段１４は電流感知器１５が感知した出力電流または電流密度、あるいは圧力センサ１６が検出した極間差圧に基づいてバルブ１３の開閉を制御するように構成されている。なお、符号１７はコンプレッサ、１８はポンプを示している。
【００２７】
［作用効果］
上記第２実施の形態を用いて７０セル積層した電池スタックを製作した。まず、バルブ１３を閉にして、第１の実施の形態と同条件で発電試験を行った。電流密度０．３５Ａ／ｃｍ2 での運転で、単電池電圧分布の結果は第１の実施の形態と同様に７５０ｍＶ±１５ｍＶとなった。また、この時の燃料ガス入口圧力、酸化剤ガス入口圧力は共に０．３０５ＭＰａ、燃料ガス出口圧力、酸化剤ガス出口圧力は共に０．３００ＭＰａであった。
【００２８】
次にバルブ１３は閉状態でガス利用率は一定のまま、電流密度を１．０Ａ／ｃｍ2 まで増加させた。この時、７０セルの電圧分布は５２０ｍＶ±３０ｍＶとなった。それに伴い燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力も増大し、電流感知器１５にて感知される電流値が２８９Ａ（電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2 ）に達する直前では、この時、燃料ガス入口圧力は０．３１５ＭＰａ、酸化剤ガス入口圧力は０．４０５ＭＰａ、燃料ガス出口圧力、酸化剤ガス出口圧力は共に０．３００ＭＰａとなり、極間差圧が最大で０．０９ＭＰａになった。
【００２９】
そして、電流感知器１５にて感知される電流値が２８９Ａ（電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2 ）に達したとき、電流感知器１５が制御手段１４にバルブ開信号を送る。あるいは、圧力センサ１６の検出する極間差圧に０．０８ＭＰａとなったとき、圧力センサ１６が制御手段１４にバルブ開信号を送る。
【００３０】
このような信号を受けると制御手段１４はバルブ１３を開く。この結果、ガス流路６ｂの構成は従来のストレートフロー方式となる。このとき、７０セルの電圧分布は５２０ｍＶ±３０ｍＶのままであったが、酸化剤ガス入口圧力は０．３１５ＭＰａまで低減して燃料ガス入口圧力と同じ圧力となり、極間差圧が０ＭＰａになった。したがって、コンプレッサ１７の昇圧範囲が０．４１ＭＰａ未満と低減した。
【００３１】
このように、第２の実施の形態によれば、高電流密度運転時にはバルブ１３を開いて集合孔１２ａ，１２ｂを無くしてストレートフロー方式を採用するこができる。そのため、適正なガス流量を維持して圧力損失及び極間差圧を抑制することができる。
【００３２】
また、低電流密度運転時にはバルブ１３を閉じて供給孔８ａ及び排出孔８ａの一部を集合孔１２ａ，１２ｂに切り替えれば、従来の蛇行状フロー方式に近い流路構成をとることができる。このため、低電流密度運転時でも十分なガス流量を確保して生成水を確実に除去できる。しかも第２の実施の形態では、低電流密度から高電流密度まで安定した運転及び制御を満足させるだけでなく、制御手段１４、電流感知器１５及び圧力センサ１６の働きにより、単電池１の劣化防止及び発電システムの効率向上に寄与できる。
【００３３】
（３）他の実施の形態
なお、本発明は、以上のような実施の形態に限定されるものではなく、たとえば、図４に示す第１の実施の形態の変形例として、供給孔８ａと排出孔８ｂを隣接してセパレータ１１の一端部側に設け、セパレータ１１の他端部側のすべての流通溝８ｃを連通させた集合孔１２ｃを設けても良い。また、制御手段はガス圧力損失に基づいてバルブ１３を制御しても良い。さらに、電流感知器や圧力センサの設置箇所は適宜変更可能である。また、上記の実施の形態では、酸化剤ガスが流れるガス流路６ｂの構成について言及したが、セパレータに流れる流体としては燃料ガスもしくは冷却水であっても、集合孔を設けることにより、配置の均一化を図ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、流路途中に流通溝を複数連通させた集合孔を設けるといった極めて簡単な構成により、流体を均一に配流すると共に、低電流密度から高電流密度に至るまで生成水の除去及び極間差圧の低減を実現して常に安定した電池性能を発揮でき、さらには単電池の劣化防止や発電システム全体の効率向上に貢献することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るセパレータの平面図
【図２】第１の実施の形態の単電池の構造図
【図３】第２の実施の形態を含む燃料電池発電システムの構成図
【図４】本発明の他の実施の形態に係るセパレータの平面図
【図５】一般的な固体高分子型燃料電池における単電池の断面図
【図６】一般的な固体高分子型燃料電池における膜電極複合体の平面図
【図７】一般的な固体高分子型燃料電池における単電池及びセパレータの側面図
【図８】従来のセパレータの平面図
【図９】従来のセパレータの断面図
【図１０】ストレートフローを採用したセパレータの平面図
【図１１】蛇行状フローを採用したセパレータの平面図
【符号の説明】
１…単電池
２ａ，２ｂ…電極板
３…固体高分子電解質膜
４…シール材
５，１１…セパレータ
６ａ，６ｂ…ガス流路
７ａ…燃料ガス供給孔
７ｂ…燃料ガス排出孔
８ａ…酸化剤ガス供給孔
８ｂ…酸化剤ガス排出孔
９ａ…冷却水供給孔
９ｂ…冷却水排出孔
１０ａ，１０ｂ…連絡流路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…酸化剤ガス集合孔
１３…バルブ
１４…制御手段
１５…電流感知器
１６…圧力センサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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