燃料電池セル
【課題】燃料電池セルの製造時に、膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間の隙間に液状シール材が浸入することを防止する。
【解決手段】燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成されたシール材３０と、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間を覆う被覆部材２２と、を備える。
【解決手段】燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成されたシール材３０と、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間を覆う被覆部材２２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、例えば、膜電極接合体の表面にガス拡散層を接合してなる膜電極ガス拡散層接合体をセパレータで挟持することによって構成される。膜電極接合体は、電解質膜の両面に電極層を形成してなる。このような燃料電池セルでは、膜電極ガス拡散層接合体とセパレータとの間に、エキスパンドメタルが配置される場合がある（例えば、下記特許文献１参照）。エキスパンドメタルは、金属板に千鳥配列の切れ目を入れて押し伸ばしながら網目を形成することによって製造され、多数の孔を有している。このエキスパンドメタルは、膜電極ガス拡散層接合体とセパレータとの間に、発電に供する反応ガスを流すためのガス流路を形成する。
【０００３】
このような燃料電池セルでは、エキスパンドメタルによって形成されるガス流路を流れる流体をシールするために、エキスパンドメタルの周囲に、シール材が備えられる。そして、このシール材は、例えば、エキスパンドメタルの周囲において、液状ゴム等の硬化前に流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−４８９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した燃料電池セルでは、エキスパンドメタルの構造上、膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間には、隙間が生じる。このため、燃料電池セルの製造時に、エキスパンドメタルの周囲において、液状シール材が押し広げられるときに、膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間の隙間に液状シール材が浸入する場合があった。この場合、隙間に浸入して形成されたシール材によって、ガス流路の一部におけるガスの流れが妨げられて所望のガス流路が形成されなくなったり、エキスパンドメタルよりも可撓性が高い膜電極ガス拡散層接合体が撓み変形したりするという不具合を招く。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルの製造時に、膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間の隙間に液状シール材が浸入することを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池セルであって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の一方の面に積層され、該一方の面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのガス流路を形成するエキスパンドメタルと、
前記エキスパンドメタルの周囲に形成されたシール材であって、流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成されたシール材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体と前記エキスパンドメタルとの間の隙間を覆う被覆部材と、
を備える燃料電池セル。
【０００９】
適用例１の燃料電池セルでは、上記被覆部材を備えるので、燃料電池セルの製造時に、エキスパンドメタルの周囲において、液状シール材が押し広げられたときに、この液状シール材が膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間の隙間に浸入することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池セル１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】比較例の燃料電池セル１００Ｒの概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施例としての燃料電池セル１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池セル１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池セル１００の要部断面図を示した。図示するように、燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、シール材３０と、アノード側セパレータ４０ａと、カソード側セパレータ４０ｃと、を備えている。
【００１２】
膜電極ガス拡散層接合体１０は、電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２の表面に接合されたアノード側ガス拡散層１４ａおよびカソード側ガス拡散層１４ｃと、を備えている。電解質膜は、プロトン伝導性を有する固体高分子膜によって構成されている。電極層（アノード、および、カソード）は、いわゆる触媒インクあるいは触媒ペーストを電解質膜の両面に塗布することによって形成されている。アノード側ガス拡散層１４ａ、および、カソード側ガス拡散層１４ｃは、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等の導電性およびガス拡散性を有する基材によって構成されている。
【００１３】
アノード側セパレータ４０ａは、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるアノード側ガス拡散層１４ａの表面に積層される。このアノード側セパレータ４０ａには、金属板をプレス加工することによって、凹凸形状が形成されている。アノード側セパレータ４０ａは、アノード側ガス拡散層１４ａの表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すためのガス流路を形成する。
【００１４】
カソード側セパレータ４０ｃは、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるカソード側ガス拡散層１４ｃとの間にエキスパンドメタル２０を挟んで積層される。カソード側セパレータ４０ｃは、フラットな形状を有している。
【００１５】
エキスパンドメタル２０は、図示は省略しているが、金属板に千鳥配列の切れ目を入れて押し伸ばしながら網目を形成することによって製造されており、多数の孔を有している。このエキスパンドメタル２０は、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるカソード側ガス拡散層１４ｃとカソード側セパレータ４０ｃとの間に配置され、酸化剤ガスとしての空気が流れるガス流路を形成する。なお、本実施例では、エキスパンドメタル２０は、周縁部に、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間を覆う被覆部材２２を備えている。被覆部材２２は、エキスパンドメタル２０の側周面全体を覆う側壁部２２ａと、カソード側ガス拡散層１４ｃと面接触する接触部２２ｂと、を有している。この被覆部材２２については、後述する。
【００１６】
シール材３０は、膜電極ガス拡散層接合体１０、および、エキスパンドメタル２０の周囲に形成され、エキスパンドメタル２０によって形成されるガス流路を流れる流体をシールする。このシール材３０は、燃料電池セル１００に製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、液状ゴム等の硬化前に流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成される。
【００１７】
本実施例の燃料電池セル１００の効果を、比較例の燃料電池セル１００Ｒと比較して説明する。
【００１８】
図２は、比較例の燃料電池セル１００Ｒの概略構成を示す説明図である。図２では、図１と同様に、燃料電池セル１００Ｒの要部断面図を示した。図示するように、比較例の燃料電池セル１００Ｒは、第１実施例の燃料電池セル１００と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、シール材３０と、アノード側セパレータ４０ａと、カソード側セパレータ４０ｃと、を備えている。ただし、比較例の燃料電池セル１００Ｒでは、第１実施例の燃料電池セル１００とは異なり、エキスパンドメタル２０が被覆部材２２を備えていない。
【００１９】
燃料電池セル１００Ｒでは、エキスパンドメタル２０の構造上、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間には、隙間が生じる。このため、燃料電池セル１００Ｒの製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、シール材３０を形成する液状シール材が押し広げられるときに、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間に液状シール材が浸入する場合がある。この場合、図２に示したように、隙間に浸入して形成されたシール材３０ｉによって、ガス流路の一部におけるガスの流れが妨げられて所望のガス流路が形成されなくなったり、エキスパンドメタル２０よりも可撓性が高い膜電極ガス拡散層接合体１０が撓み変形したりするという不具合を招く。
【００２０】
これに対し、第１実施例の燃料電池セル１００では、エキスパンドメタル２０が被覆部材２２を備えるので、燃料電池セル１００の製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、シール材３０を形成する液状シール材が押し広げられたときに、この液状シール材が膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間に浸入することを防止することができる。
【００２１】
Ｂ．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての燃料電池セル１００Ａの概略構成を示す説明図である。図２では、燃料電池セル１００Ａの要部断面図を示した。図示するように、第２実施例の燃料電池セル１００Ａは、第１実施例の燃料電池セル１００と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、シール材３０と、アノード側セパレータ４０ａと、カソード側セパレータ４０Ａｃと、を備えている。ただし、第２実施例の燃料電池セル１００Ａでは、第１実施例の燃料電池セル１００とは異なり、エキスパンドメタル２０が被覆部材２２を備えていない。その代わりに、カソード側セパレータ４０Ａｃが、エキスパンドメタル２０の側周面全体を覆うとともに、カソード側ガス拡散層１４ｃと面接触して、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間を覆う凸部４２を備えている。この凸部４２は、［課題を解決するための手段］における被覆部材に相当する。
【００２２】
以上説明した第２実施例の燃料電池セル１００Ａでは、カソード側セパレータ４０ｃが被覆部材としての凸部４２を備えるので、燃料電池セル１００Ａの製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、シール材３０を形成する液状シール材が押し広げられたときに、この液状シール材が膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間に浸入することを防止することができる。
【００２３】
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１００，１００Ａ，１００Ｒ…燃料電池セル
１０…膜電極ガス拡散層接合体
１２…膜電極接合体
１４ａ…アノード側ガス拡散層
１４ｃ…カソード側ガス拡散層
２０…エキスパンドメタル
２２…被覆部材
２２ａ…側壁部
２２ｂ…接触部
３０，３０ｉ…シール材
４０ａ…アノード側セパレータ
４０ｃ…カソード側セパレータ
４０Ａｃ…カソード側セパレータ
４２…凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、例えば、膜電極接合体の表面にガス拡散層を接合してなる膜電極ガス拡散層接合体をセパレータで挟持することによって構成される。膜電極接合体は、電解質膜の両面に電極層を形成してなる。このような燃料電池セルでは、膜電極ガス拡散層接合体とセパレータとの間に、エキスパンドメタルが配置される場合がある（例えば、下記特許文献１参照）。エキスパンドメタルは、金属板に千鳥配列の切れ目を入れて押し伸ばしながら網目を形成することによって製造され、多数の孔を有している。このエキスパンドメタルは、膜電極ガス拡散層接合体とセパレータとの間に、発電に供する反応ガスを流すためのガス流路を形成する。
【０００３】
このような燃料電池セルでは、エキスパンドメタルによって形成されるガス流路を流れる流体をシールするために、エキスパンドメタルの周囲に、シール材が備えられる。そして、このシール材は、例えば、エキスパンドメタルの周囲において、液状ゴム等の硬化前に流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−４８９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した燃料電池セルでは、エキスパンドメタルの構造上、膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間には、隙間が生じる。このため、燃料電池セルの製造時に、エキスパンドメタルの周囲において、液状シール材が押し広げられるときに、膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間の隙間に液状シール材が浸入する場合があった。この場合、隙間に浸入して形成されたシール材によって、ガス流路の一部におけるガスの流れが妨げられて所望のガス流路が形成されなくなったり、エキスパンドメタルよりも可撓性が高い膜電極ガス拡散層接合体が撓み変形したりするという不具合を招く。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルの製造時に、膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間の隙間に液状シール材が浸入することを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池セルであって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の一方の面に積層され、該一方の面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのガス流路を形成するエキスパンドメタルと、
前記エキスパンドメタルの周囲に形成されたシール材であって、流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成されたシール材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体と前記エキスパンドメタルとの間の隙間を覆う被覆部材と、
を備える燃料電池セル。
【０００９】
適用例１の燃料電池セルでは、上記被覆部材を備えるので、燃料電池セルの製造時に、エキスパンドメタルの周囲において、液状シール材が押し広げられたときに、この液状シール材が膜電極ガス拡散層接合体とエキスパンドメタルとの間の隙間に浸入することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池セル１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】比較例の燃料電池セル１００Ｒの概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施例としての燃料電池セル１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池セル１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池セル１００の要部断面図を示した。図示するように、燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、シール材３０と、アノード側セパレータ４０ａと、カソード側セパレータ４０ｃと、を備えている。
【００１２】
膜電極ガス拡散層接合体１０は、電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２の表面に接合されたアノード側ガス拡散層１４ａおよびカソード側ガス拡散層１４ｃと、を備えている。電解質膜は、プロトン伝導性を有する固体高分子膜によって構成されている。電極層（アノード、および、カソード）は、いわゆる触媒インクあるいは触媒ペーストを電解質膜の両面に塗布することによって形成されている。アノード側ガス拡散層１４ａ、および、カソード側ガス拡散層１４ｃは、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等の導電性およびガス拡散性を有する基材によって構成されている。
【００１３】
アノード側セパレータ４０ａは、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるアノード側ガス拡散層１４ａの表面に積層される。このアノード側セパレータ４０ａには、金属板をプレス加工することによって、凹凸形状が形成されている。アノード側セパレータ４０ａは、アノード側ガス拡散層１４ａの表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すためのガス流路を形成する。
【００１４】
カソード側セパレータ４０ｃは、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるカソード側ガス拡散層１４ｃとの間にエキスパンドメタル２０を挟んで積層される。カソード側セパレータ４０ｃは、フラットな形状を有している。
【００１５】
エキスパンドメタル２０は、図示は省略しているが、金属板に千鳥配列の切れ目を入れて押し伸ばしながら網目を形成することによって製造されており、多数の孔を有している。このエキスパンドメタル２０は、膜電極ガス拡散層接合体１０におけるカソード側ガス拡散層１４ｃとカソード側セパレータ４０ｃとの間に配置され、酸化剤ガスとしての空気が流れるガス流路を形成する。なお、本実施例では、エキスパンドメタル２０は、周縁部に、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間を覆う被覆部材２２を備えている。被覆部材２２は、エキスパンドメタル２０の側周面全体を覆う側壁部２２ａと、カソード側ガス拡散層１４ｃと面接触する接触部２２ｂと、を有している。この被覆部材２２については、後述する。
【００１６】
シール材３０は、膜電極ガス拡散層接合体１０、および、エキスパンドメタル２０の周囲に形成され、エキスパンドメタル２０によって形成されるガス流路を流れる流体をシールする。このシール材３０は、燃料電池セル１００に製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、液状ゴム等の硬化前に流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成される。
【００１７】
本実施例の燃料電池セル１００の効果を、比較例の燃料電池セル１００Ｒと比較して説明する。
【００１８】
図２は、比較例の燃料電池セル１００Ｒの概略構成を示す説明図である。図２では、図１と同様に、燃料電池セル１００Ｒの要部断面図を示した。図示するように、比較例の燃料電池セル１００Ｒは、第１実施例の燃料電池セル１００と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、シール材３０と、アノード側セパレータ４０ａと、カソード側セパレータ４０ｃと、を備えている。ただし、比較例の燃料電池セル１００Ｒでは、第１実施例の燃料電池セル１００とは異なり、エキスパンドメタル２０が被覆部材２２を備えていない。
【００１９】
燃料電池セル１００Ｒでは、エキスパンドメタル２０の構造上、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間には、隙間が生じる。このため、燃料電池セル１００Ｒの製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、シール材３０を形成する液状シール材が押し広げられるときに、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間に液状シール材が浸入する場合がある。この場合、図２に示したように、隙間に浸入して形成されたシール材３０ｉによって、ガス流路の一部におけるガスの流れが妨げられて所望のガス流路が形成されなくなったり、エキスパンドメタル２０よりも可撓性が高い膜電極ガス拡散層接合体１０が撓み変形したりするという不具合を招く。
【００２０】
これに対し、第１実施例の燃料電池セル１００では、エキスパンドメタル２０が被覆部材２２を備えるので、燃料電池セル１００の製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、シール材３０を形成する液状シール材が押し広げられたときに、この液状シール材が膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間に浸入することを防止することができる。
【００２１】
Ｂ．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての燃料電池セル１００Ａの概略構成を示す説明図である。図２では、燃料電池セル１００Ａの要部断面図を示した。図示するように、第２実施例の燃料電池セル１００Ａは、第１実施例の燃料電池セル１００と同様に、膜電極ガス拡散層接合体１０と、エキスパンドメタル２０と、シール材３０と、アノード側セパレータ４０ａと、カソード側セパレータ４０Ａｃと、を備えている。ただし、第２実施例の燃料電池セル１００Ａでは、第１実施例の燃料電池セル１００とは異なり、エキスパンドメタル２０が被覆部材２２を備えていない。その代わりに、カソード側セパレータ４０Ａｃが、エキスパンドメタル２０の側周面全体を覆うとともに、カソード側ガス拡散層１４ｃと面接触して、膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間を覆う凸部４２を備えている。この凸部４２は、［課題を解決するための手段］における被覆部材に相当する。
【００２２】
以上説明した第２実施例の燃料電池セル１００Ａでは、カソード側セパレータ４０ｃが被覆部材としての凸部４２を備えるので、燃料電池セル１００Ａの製造時に、エキスパンドメタル２０の周囲において、シール材３０を形成する液状シール材が押し広げられたときに、この液状シール材が膜電極ガス拡散層接合体１０とエキスパンドメタル２０との間の隙間に浸入することを防止することができる。
【００２３】
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１００，１００Ａ，１００Ｒ…燃料電池セル
１０…膜電極ガス拡散層接合体
１２…膜電極接合体
１４ａ…アノード側ガス拡散層
１４ｃ…カソード側ガス拡散層
２０…エキスパンドメタル
２２…被覆部材
２２ａ…側壁部
２２ｂ…接触部
３０，３０ｉ…シール材
４０ａ…アノード側セパレータ
４０ｃ…カソード側セパレータ
４０Ａｃ…カソード側セパレータ
４２…凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルであって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の一方の面に積層され、該一方の面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのガス流路を形成するエキスパンドメタルと、
前記エキスパンドメタルの周囲に形成されたシール材であって、流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成されたシール材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体と前記エキスパンドメタルとの間の隙間を被覆するように設けられた被覆部材と、
を備える燃料電池セル。
【請求項１】
燃料電池セルであって、
電解質膜の両面に電極層を形成してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の表面に接合されたガス拡散層と、を有する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体の一方の面に積層され、該一方の面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのガス流路を形成するエキスパンドメタルと、
前記エキスパンドメタルの周囲に形成されたシール材であって、流動性を有する液状シール材が押し広げられることによって形成されたシール材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体と前記エキスパンドメタルとの間の隙間を被覆するように設けられた被覆部材と、
を備える燃料電池セル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１０９８８５（Ｐ２０１３−１０９８８５Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５２５３０（Ｐ２０１１−２５２５３０）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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