JP5163842B2 - 燃料電池用セルシール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の構成要素をなす燃料電池用セルシールに関するものである。

従来から、図３に示すように、電解質膜の両面に電極層（何れも図示せず）を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）５１および前記膜電極複合体５１の両面に重ねられたガス拡散層（ＧＤＬ）５２の外周部にガスケット５３を一体成形（一部含浸）し、このガスケット５３により一対のセパレータ５４，５４間をシールする燃料電池用セルシールが知られている（特許文献１〜２参照）。

しかしながら、膜電極複合体５１は薄いフィルム状であるので、使用環境下に曝されると、その平面方向に膨張（膨潤）や収縮が発生する。またこの膜電極複合体５１はその特性上、乾燥した場合には更なる収縮によってガスケット５３やガス拡散層５２との間に隙間やズレが発生し、これらを原因として、燃料電池の発電効率が低下する等の問題がある。

この対策として、図４に示すように、膜電極複合体５１における電解質膜５５の外周部５５ａをガス拡散層５２の外周部よりも外側（図では左方向）に延長形成してガスケット５３内に深く埋設することが考えられるが、上記したように膜電極複合体５１は薄いフィルム状であってその構成要素である電解質膜５５も薄いフィルム状であるので、金型によりガスケット５３を成形するに際して金型内で電解質膜５５を正確に位置決めするのが難しく、図５（Ａ）に示すように電解質膜５５の外周部５５ａが垂れ下がったり、図５（Ｂ）に示すように電解質膜５５の外周部５５ａが成形時の射出圧により変形し、結果、膜電極複合体５１とガス拡散層５２との間に隙間５８が発生したりする。

また図６に示すように、本発明と同様、膜電極複合体５１の電解質膜５５にスルーホール５６を設ける技術が開発されているが（特許文献３参照）、この従来技術では、保護膜５７を介してガスケット５３を成形し、これにガス拡散層５２を設置し、保護膜５７と熱圧着することにより、膜電極複合体５１とガスケット５３およびガス拡散層５２とを接合している。

したがってこの従来技術によると、その製造に際して、素材の種類に制限のある保護膜５７を予め取り付ける工程や、保護膜５７とガス拡散層５２を熱圧着する工程を実施しなければならないために、その製造過程が煩雑になる等の不都合がある。またこの従来技術によると、ガスケット５３とガス拡散層５２の間に隙間５８が形成され、この隙間５８を反応ガスが流れ易く、隙間５８を流れる反応ガスは発電反応に寄与しにくいので、発電効率の低下を招くことも考えられる。

特表２００１−５１０９３２号公報 ＷＯ２００２／０４３１７２号公報 ＷＯ２００２／０６１８６９号公報

本発明は以上の点に鑑みて、比較的簡単な構成によって膜電極複合体とガス拡散層との間に隙間やズレが発生するのを抑えることができ、ガスケット成形時に電解質膜の外周部に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑えることもでき、もって発電効率が低下するのを抑制することが可能な燃料電池用セルシールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による燃料電池用セルシールは、電解質膜の両面に電極層を設けた膜電極複合体および前記膜電極複合体の両面に重ねられたガス拡散層の外周部に、一対のセパレータ間をシールするガスケットを一体成形により固定してなる燃料電池用セルシールにおいて、前記膜電極複合体における電解質膜の外周部に、前記電極層および一方のガス拡散層の外周部よりも外側に突出する突出部を設け、他方のガス拡散層に前記突出部に重ねられて前記突出部を保持する保持部を設け、前記突出部および保持部にスルーホールを設け、前記突出部および保持部の周りに前記ガスケットを一体成形し、前記ガスケットは、その一部の成形材料を前記一方のガス拡散層の外周部ならびに他方のガス拡散層の保持部および外周部に含浸させることにより前記ガス拡散層と固定されるとともに、一部の成形材料を前記スルーホールに充填することにより前記電解質膜および他方のガス拡散層と固定され、さらに前記ガスケットは、前記突出部の一面側に配置された一面側部位、前記一面側部位の内側に配置されて前記一方のガス拡散層の外周部に含浸した一面側含浸部位、前記一面側部位の内側であって前記一面側含浸部位の上方に配置された非含浸部位、前記突出部および保持部の外側に配置された外側部位、前記スルーホール内に配置された充填部位、前記突出部の他面側に配置されて前記保持部に含浸した保持部含浸部位、前記保持部含浸部位の内側に配置されて前記他方のガス拡散層の外周部に含浸した他面側含浸部位、および前記保持部含浸部位および他面側含浸部位の下方に配置された非含浸部位を一体に有し、前記一方のガス拡散層の外周側に絶縁性材料よりなる保持プレートが配置され、前記保持プレートと前記他方のガス拡散層の保持部との間に前記電解質膜の突出部が挟み込まれていることを特徴とする。

上記構成を備えた本発明の請求項１による燃料電池用セルシールにおいて、ガスケットは、一部の成形材料を一方のガス拡散層の外周部ならびに他方のガス拡散層の保持部および外周部に含浸させることによりガス拡散層と固定されるとともに、一部の成形材料をスルーホールに充填することにより電解質膜および他方のガス拡散層と固定される。スルーホールは、膜電極複合体における電解質膜の外周部に設けた突出部およびこれを保持する他方のガス拡散層の保持部に設けられ、この突出部および保持部の周りにはガスケットが一体成形されるので、一部の成形材料がスルーホールに充填されて固化すると、スルーホールおよびスルーホール内で固化した成形材料によって電解質膜および他方のガス拡散層がガスケットに対して変位するのを抑制するアンカー効果が発揮される。したがってこのアンカー効果により、電解質膜ひいては膜電極複合体および他方のガス拡散層の変形が抑えられる。またその一方で、ガスケットの一部の成形材料は一方のガス拡散層の外周部ならびに他方のガス拡散層の保持部および外周部に含浸するので、ガス拡散層の変形も抑えられる。したがってこれらのことから、膜電極複合体やガス拡散層に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑制することが可能とされている。また膜電極複合体における電解質膜の外周部に設けられた突出部は、これと重なるように他方のガス拡散層の外周部に設けられた保持部によって保持されるので、ガスケット成形時に垂れ下がったり、射出圧により変形したりすることがない。したがってこの保持部による保持効果により、金型内で突出部を正確に位置決めすることができ、電解質膜の外周部に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑制することが可能とされている。

尚、本発明において、膜電極複合体を構成する電解質膜のみに突出部を設けてその両側の電極層に突出部を設けないのは、以下の理由による。

すなわち、突出部はここにスルーホールを設ける部位であるので、電解質膜のみならず電極層に突出部を設けてここにスルーホールを設けると、スルーホールの加工状況の如何によってはスルーホール内に電極層が入り込み、結果、電解質膜両面の電極層同士が短絡する虞があり、このように短絡が発生すると、発電機能が損なわれることになる。したがって、この短絡を防止すべく両面電極層の隔絶を確実にするため、本発明では、電極層にはスルーホールを設ける突出部を設けない構成とした。

また、本発明においては、一方のガス拡散層に保持部を設けず、他方のガス拡散層のみに保持部を設ける構成とした。これは以下の理由による。

すなわち、一方および他方の双方のガス拡散層に保持部を設けると、膜電極複合体の外周端またはスルーホールにてガス拡散層同士が短絡する虞があり、このように短絡が発生すると、発電機能が損なわれることになる。したがって、この短絡を防止すべく両面ガス拡散層の隔絶を確実にするため、本発明では、一方のガス拡散層には保持部を設けず、他方のガス拡散層のみに保持部を設ける構成とした。保持部の機能からして、他方のガス拡散層は、型成形時における下側のガス拡散層となる。

また、上記に加えて本発明の請求項１によるセルシールのように、一方のガス拡散層の外周側に絶縁性材料よりなる保持プレートを配置して、この保持プレートと他方のガス拡散層の保持部との間に電解質膜の突出部を挟み込むようにすると、突出部がその両面側から保持されるので、突出部の変形防止効果を一層高めることが可能となる。保持プレートを絶縁性材料よりなるものとしたのは上記と同様、短絡防止のためである。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明の請求項１による燃料電池用セルシールにおいては、上記したようにスルーホールおよびスルーホール内で固化したガスケット成形材料によってアンカー効果が発揮され、このアンカー効果によって電解質膜ひいては膜電極複合体および他方のガス拡散層の変形を抑えることが可能とされている。またその一方で、ガスケットの一部の成形材料は一方のガス拡散層の外周部ならびに他方のガス拡散層の保持部および外周部に含浸するので、ガス拡散層の変形を抑えることも可能とされている。したがってこれらのことから、膜電極複合体やガス拡散層に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑制することが可能とされている。また本発明のセルシールでは、その製造過程で、保護膜を予め取り付ける工程や、保護膜とガス拡散層を熱圧着する工程を実施する必要がなく、電解質膜両面の電極層同士が短絡することもない。更にまた本発明のセルシールでは、電解質膜の外周部に設けた突出部を他方のガス拡散層に設けた保持部が保持するので、ガスケット成形時に電解質膜の外周部が垂れ下がったり、射出圧により変形したりすることがなく、金型内で電解質膜の外周部を正確に位置決めすることができ、電解質膜の外周部に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑制することも可能とされている。両面のガス拡散層同士が短絡することもない。したがってこれらのことから、本発明所期の目的どおり、比較的簡単な構成により膜電極複合体とガス拡散層との間に隙間やズレが発生するのを抑えることができ、ガスケット成形時に電解質膜の外周部に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑えることもでき、もって燃料電池の発電効率が低下するのを抑制することができる燃料電池用セルシールを提供することができる。

またこれに加えて、本発明の請求項１による燃料電池用セルシールにおいては上記したように、一方のガス拡散層の外周側に絶縁性材料よりなる保持プレートを配置してこの保持プレートと他方のガス拡散層の保持部との間に電解質膜の突出部を挟み込むようにしたために、突出部をその両面側から保持し、よって突出部の変形防止効果を一層高めることができる。保持プレートはガスケット内に埋設されるので、ガスケットのシール作用に支障を生じることはない。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第一実施例・・・
図１は、本発明の第一実施例に係る燃料電池用セルシール１の要部断面を示している。

当該実施例に係るセルシール１は、電解質膜（イオン交換膜とも称する）３の両面にそれぞれ電極層（多孔質触媒電極層、触媒付電極または触媒層とも称する）４を被着した膜電極複合体（ＭＥＡ）２、および前記膜電極複合体２の両面にそれぞれ接着されたガス拡散層（ＧＤＬ）５，６の外周部に所定のゴム状弾性体よりなるガスケット７を一体成形し、このガスケット７により一対のセパレータ（図示せず）間をシールするものであって、膜電極複合体２における電解質膜３の外周部に、両面の電極層４および一方のガス拡散層５の外周部よりも外側（図では左方）に突出する突出部（はみ出し部とも称する）３ａが設けられ、他方のガス拡散層６の外周部に、突出部３ａに重ねられて突出部３ａを保持する保持部６ａが設けられ、この突出部３ａおよび保持部６ａに、互いに連通するスルーホール（貫通孔とも称する）３ｂ，６ｂが設けられ、この突出部３ａおよび保持部６ａの周りにガスケット７が一体成形され、このガスケット７は、その一部の成形材料が多孔質状の一方のガス拡散層５の外周部ならびに他方のガス拡散層６の保持部６ａおよび外周部に含浸することによりガス拡散層５，６と固定されるとともに、他の一部の成形材料がスルーホール３ｂ，６ｂに充填されることにより電解質膜３および他方のガス拡散層６と固定されている。

上記突出部３ａは、電解質膜３の外周に全周に亙って設けられており、スルーホール３ｂは、複数（多数）が周方向に所定の間隔をあけて設けられている。

上記保持部６ａは、他方のガス拡散層６の外周に全周に亙って設けられており、スルーホール６ｂは、上記スルーホール３ｂと同数が周方向に所定の間隔をあけて設けられている。

上記ガスケット７は、膜電極複合体２およびガス拡散層５，６の外周部に固定された断面略矩形状を呈するガスケット本体７ａと、このガスケット本体７ａの両面にそれぞれ設けられてセパレータに密接するリップ部（シール部とも称する）７ｂとを一体に有しており、前者のガスケット本体７ａは、突出部３ａの一面側に配置された一面側部位７ｃ、一面側部位７ｃの内側に配置されて一方のガス拡散層５の外周部に含浸した一面側含浸部位７ｄ、一面側部位７ｃの内側であって一面側含浸部位７ｄの上方に配置された非含浸部位７ｅ、突出部３ａおよび保持部６ａの外側に配置された外側部位７ｆ、スルーホール３ｂ，６ｂ内に配置された充填部位７ｇ、突出部３ａの他面側に配置されて保持部６ａに含浸した保持部含浸部位７ｈ、保持部含浸部位７ｈの内側に配置されて他方のガス拡散層６の外周部に含浸した他面側含浸部位７ｉ、ならびに保持部含浸部位７ｈおよび他面側含浸部位７ｉの下方に配置された非含浸部位７ｊを一体に有している。

また、膜電極複合体２の電極層４は、図示するようにガス拡散層５，６と同じ長さに設定されているが、上記したところによりスルーホール３ｂ，６ｂに達していなければ良いので、ガス拡散層５，６よりも長く設定されても良い。すなわち電極層４の外周部は、スルーホール３ｂ，６ｂに達しなければ、ガス拡散層５，６の外周部よりも外側に突出していても良い。

上記構成の燃料電池用セルシール１においては、ガスケット７が、一部の成形材料を一方のガス拡散層５の外周部ならびに他方のガス拡散層６の保持部６ａおよび外周部に含浸させることによりガス拡散層５，６と固定されるとともに、一部の成形材料をスルーホール３ｂ，６ｂに充填することにより電解質膜３および他方のガス拡散層６と固定されている。スルーホール３ｂ，６ｂは、電解質膜３の外周部に設けた突出部３ａおよびこれを保持するよう他方のガス拡散層６の外周部に設けた保持部６ａに設けられ、この突出部３ａおよび保持部６ａの周りにはガスケット７が一体成形されるので、一部の成形材料がスルーホール３ｂ，６ｂに充填されて固化すると、スルーホール３ｂ，６ｂに対してスルーホール３ｂ，６ｂ内部で固化した成形材料が係合することによって、電解質膜３および他方のガス拡散層６がガスケット７に対して平面方向に変位するのを抑制するアンカー効果が発揮される。したがって、このアンカー効果により電解質膜３ひいては膜電極複合体２および他方のガス拡散層６の変形（特に収縮）を抑制することが可能とされている。またその一方で、ガスケット７は、一部の成形材料が一方のガス拡散層５の外周部ならびに他方のガス拡散層６の保持部６ａおよび外周部に含浸しているので、ガス拡散層５，６の変形（特に収縮）を抑制することも可能とされている。したがってこれらのことから、膜電極複合体２やガス拡散層５，６に変形（特に収縮）が生じて隙間やズレが生じるのを抑えることができる。

また、上記構成のセルシール１は、その製造に際して、膜電極複合体２およびガス拡散層５，６よりなる積層体をガスケット成形用の金型に挿入してガスケット７を一体成形するものであって、上記従来技術のように保護膜を予め取り付ける工程や、保護膜とガス拡散層を熱圧着する工程を実施する必要がなく、その製造が容易である。

また、膜電極複合体２における電極層４に突出部は設けられておらず、電極層４はスルーホール３ｂ，６ｂに届いていないので、電解質膜３両面の電極層４同士が短絡することもない。

更にまた、上記構成のセルシール１においては、電解質膜３の外周部に設けた突出部３ａを他方のガス拡散層６に設けた保持部６ａが保持するので、ガスケット成形時に電解質膜３の外周部が垂れ下がったり、射出圧により変形したりすることがなく、金型内で電解質膜３の外周部を正確に位置決めすることができ、電解質膜３の外周部に変形が生じて隙間やズレが生じるのを抑えることもできる。

また、一方のガス拡散層５に保持部は設けられておらず、他方のガス拡散層６のみに保持部６ａが設けられているので、両面のガス拡散層５，６同士が短絡することもない。

したがって以上のことから、比較的簡単な構成によって膜電極複合体２やガス拡散層５，６に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑えることができ、ガスケット成形時に電解質膜３の外周部に変形が生じて隙間やズレが発生するのを抑えることもでき、もって燃料電池の発電効率が低下するのを抑制することができる燃料電池用セルシール１を提供することができる。

第二実施例・・・
図２は、本発明の第二実施例に係る燃料電池用セルシール１の要部断面を示している。

当該実施例に係るセルシール１は、電解質膜３の両面にそれぞれ電極層４を被着した膜電極複合体２、および前記膜電極複合体２の両面にそれぞれ接着されたガス拡散層５，６の外周部に所定のゴム状弾性体よりなるガスケット７を一体成形し、このガスケット７により一対のセパレータ（図示せず）間をシールするものであって、膜電極複合体２における電解質膜３の外周部に、両面の電極層４および一方のガス拡散層５の外周部よりも外側（図では左方）に突出する突出部３ａが設けられ、他方のガス拡散層６の外周部に、突出部３ａに重ねられて突出部３ａを保持する保持部６ａが設けられ、保持部を設けない一方のガス拡散層５の外周側に、他方のガス拡散層６に設けた保持部６ａとの間に電解質膜３の突出部３ａを挟み込むとともにガスケット７に埋設される絶縁性材料よりなる保持プレート８が配置され、この突出部３ａ、保持部６ａおよび保持プレート８に、互いに連通するスルーホール３ｂ，６ｂ，８ａが設けられ、この突出部３ａ、保持部６ａおよび保持プレート８の周りにガスケット７が一体成形され、このガスケット７は、その一部の成形材料が多孔質状の一方のガス拡散層５の外周部ならびに他方のガス拡散層６の保持部６ａおよび外周部に含浸することによりガス拡散層５，６と固定されるとともに、他の一部の成形材料がスルーホール３ｂ，６ｂ，８ａに充填されることにより電解質膜３、他方のガス拡散層６および保持プレート８と固定されている。

上記突出部３ａは、電解質膜３の外周に全周に亙って設けられており、スルーホール３ｂは、複数（多数）が周方向に所定の間隔をあけて設けられている。

上記保持部６ａは、他方のガス拡散層６の外周に全周に亙って設けられており、スルーホール６ｂは、上記スルーホール３ｂと同数が周方向に所定の間隔をあけて設けられている。

上記保持プレート８は、ＰＥＮ、ＰＩ、ナイロンもしくはテフロン（登録商標）等の樹脂またはアルミナ等の無機材料よりなる絶縁性材料によって平板状に成形され、一方のガス拡散層５の外周に全周に亙って配置されており、スルーホール８ａは、上記スルーホール３ｂ，６ｂと同数が周方向に所定の間隔をあけて設けられている。またこの保持プレート８の厚みは、一方の電極層４およびガス拡散層５の厚みの和と同じもしくは略同じ寸法に設定されている。

上記ガスケット７は、膜電極複合体２およびガス拡散層５，６の外周部に固定された断面略矩形状を呈するガスケット本体７ａと、このガスケット本体７ａの両面にそれぞれ設けられてセパレータに密接するリップ部（シール部とも称する）７ｂとを一体に有するとともに保持プレート８を埋設・被覆しており、前者のガスケット本体７ａは、保持プレート８の一面側に配置された一面側部位７ｃ、保持プレート８の内側に配置されて一方のガス拡散層５の外周部に含浸した一面側含浸部位７ｄ、一面側部位７ｃの内側であって一面側含浸部位７ｄの上方に配置された非含浸部位７ｅ、突出部３ａ、保持部６ａ及び保持プレート８の外側に配置された外側部位７ｆ、スルーホール３ｂ，６ｂ，８ａ内に配置された充填部位７ｇ、突出部３ａの他面側に配置されて保持部６ａに含浸した保持部含浸部位７ｈ、保持部含浸部位７ｈの内側に配置されて他方のガス拡散層６の外周部に含浸した他面側含浸部位７ｉ、ならびに保持部含浸部位７ｈおよび他面側含浸部位７ｉの下方に配置された非含浸部位７ｊを一体に有している。

上記構成の燃料電池用セルシール１は、上記第一実施例と同じ作用効果を発揮するほか、一方のガス拡散層５の外周側に絶縁性材料よりなる保持プレート８が配置されて、この保持プレート８と他方のガス拡散層６の保持部６ａとの間に電解質膜３の突出部３ａが挟み込まれているために、突出部３ａはその両面側から保持されている。したがって突出部３ａは一層変形しにくくなり、よって突出部３ａの変形防止効果を一層高めることが可能とされている。保持プレート８はガスケット７に被覆・埋設されているので、ガスケット７のシール作用に支障を来たすことはなく、またこの保持プレート８にもスルーホール８ａが設けられているので、アンカー効果が発揮されることになる。

本発明の第一実施例に係る燃料電池用セルシールの要部断面図 本発明の第二実施例に係る燃料電池用セルシールの要部断面図 従来例に係る燃料電池用セルシールの要部断面図 比較例に係る燃料電池用セルシールの要部断面図 （Ａ）および（Ｂ）とも同セルシールの不具合発生状態を示す要部断面図 他の従来例に係る燃料電池用セルシールの要部断面図

符号の説明

１ セルシール
２ 膜電極複合体
３ 電解質膜
３ａ 突出部
３ｂ，６ｂ，８ａ スルーホール
４ 電極層
５ 一方のガス拡散層
６ 他方のガス拡散層
６ａ 保持部
７ ガスケット
７ａ ガスケット本体
７ｂ リップ部
７ｃ 一面側部位
７ｄ 一面側含浸部位
７ｅ 一面側非含浸部位
７ｆ 外側部位
７ｇ 充填部位
７ｈ 保持部含浸部位
７ｉ 他面側含浸部位
７ｊ 他面側非含浸部位
８ 保持プレート

Claims (1)

1. 電解質膜（３）の両面に電極層（４）を設けた膜電極複合体（２）および前記膜電極複合体（２）の両面に重ねられたガス拡散層（５）（６）の外周部に、一対のセパレータ間をシールするガスケット（７）を一体成形により固定してなる燃料電池用セルシール（１）において、
   前記膜電極複合体（２）における電解質膜（３）の外周部に、前記電極層（４）および一方のガス拡散層（５）の外周部よりも外側に突出する突出部（３ａ）を設け、他方のガス拡散層（６）に前記突出部（３ａ）に重ねられて前記突出部（３ａ）を保持する保持部（６ａ）を設け、前記突出部（３ａ）および保持部（６ａ）にスルーホール（３ｂ）（６ｂ）を設け、前記突出部（３ａ）および保持部（６ａ）の周りに前記ガスケット（７）を一体成形し、前記ガスケット（７）は、その一部の成形材料を前記一方のガス拡散層（５）の外周部ならびに他方のガス拡散層（６）の保持部（６ａ）および外周部に含浸させることにより前記ガス拡散層（５）（６）と固定されるとともに、一部の成形材料を前記スルーホール（３ｂ）（６ｂ）に充填することにより前記電解質膜（３）および他方のガス拡散層（６）と固定され、
   さらに前記ガスケット（７）は、前記突出部（３ａ）の一面側に配置された一面側部位（７ｃ）、前記一面側部位（７ｃ）の内側に配置されて前記一方のガス拡散層（５）の外周部に含浸した一面側含浸部位（７ｄ）、前記一面側部位（７ｃ）の内側であって前記一面側含浸部位（７ｄ）の上方に配置された非含浸部位（７ｅ）、前記突出部（３ａ）および保持部（６ａ）の外側に配置された外側部位（７ｆ）、前記スルーホール（３ｂ）（６ｂ）内に配置された充填部位（７ｇ）、前記突出部（３ａ）の他面側に配置されて前記保持部（６ａ）に含浸した保持部含浸部位（７ｈ）、前記保持部含浸部位（７ｈ）の内側に配置されて前記他方のガス拡散層（６）の外周部に含浸した他面側含浸部位（７ｉ）、および前記保持部含浸部位（７ｈ）および他面側含浸部位（７ｉ）の下方に配置された非含浸部位（７ｊ）を一体に有し、
   前記一方のガス拡散層（５）の外周側に絶縁性材料よりなる保持プレート（８）が配置され、前記保持プレート（８）と前記他方のガス拡散層（６）の保持部（６ａ）との間に前記電解質膜（３）の突出部（３ａ）が挟み込まれていることを特徴とする燃料電池用セルシール。

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