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JP6281705B2 - Method for producing catalyst ink for fuel cell electrode - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池電極に用いられる触媒インクの製造方法に関し、特に、触媒担持カーボンとアイオノマとを含む触媒インクの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a catalyst ink used for a fuel cell electrode, and more particularly, to a method for producing a catalyst ink containing catalyst-supporting carbon and ionomer.

固体高分子型の燃料電池電極においては、固体高分子電解質膜上に触媒層が設けられている。この触媒層は、触媒物質(例えば白金、金等)を担持したカーボンと水性溶媒又は有機溶媒とを含む触媒インクを塗布、転写等することで形成されている(特許文献1)。ここで、触媒インクに粗大粒子(凝集物や未溶解成分)がある場合、触媒層に微細な凹凸が生じ、燃料電池電極の性能が低下してしまうことが知られている。そこで、例えば、特許文献1では、触媒インクを調整する工程の前段階として、担持体に含まれる粗大粒子を除去することが提案されている。具体的には、粗大粒子をメッシュフィルタ(孔径10μm)により加圧濾過(圧力3.5Kgf/cm(343kPa)することで取り除くことが提案されている。 In the polymer electrolyte fuel cell electrode, a catalyst layer is provided on the polymer electrolyte membrane. This catalyst layer is formed by applying, transferring, or the like a catalyst ink containing carbon carrying a catalyst substance (for example, platinum, gold, etc.) and an aqueous solvent or an organic solvent (Patent Document 1). Here, it is known that when the catalyst ink has coarse particles (aggregates or undissolved components), fine irregularities are generated in the catalyst layer and the performance of the fuel cell electrode is deteriorated. Thus, for example, Patent Document 1 proposes removing coarse particles contained in the carrier as a pre-stage of the step of adjusting the catalyst ink. Specifically, it has been proposed to remove coarse particles by pressure filtration (pressure 3.5 kgf / cm 2 (343 kPa)) using a mesh filter (pore diameter 10 μm).

特開2004−241362号公報JP 2004-241362 A

しかしながら、触媒インクが材料にゲル状のアイオノマ(高分子電解質)のような樹脂を含む場合には、メッシュフィルタを用いてゲル状のアイオノマの粗大粒子(凝集物や未溶解成分)を加圧ろ過しようとすると、加圧により粗大粒子の形状が変形してしまう。この場合、表面ろ過タイプであるメッシュフィルタでは変形した粗大粒子は捕捉できず、当該メッシュフィルタの孔をすり抜けてしまう。このような触媒インクを用いて燃料電池電極の触媒層を形成すると、触媒層に塗面欠陥が生じ、燃料電池電極の初期性能、耐久性能が著しく低下してしまう。   However, when the catalyst ink contains a resin such as gel ionomer (polymer electrolyte) in the material, the gel ionomer coarse particles (aggregates and undissolved components) are filtered under pressure using a mesh filter. When trying to do so, the shape of the coarse particles is deformed by pressurization. In this case, the surface filtration type mesh filter cannot capture the deformed coarse particles, and passes through the holes of the mesh filter. When the catalyst layer of the fuel cell electrode is formed using such a catalyst ink, a coating surface defect occurs in the catalyst layer, and the initial performance and durability performance of the fuel cell electrode are remarkably deteriorated.

一方で、孔径の小さいフィルタ(例えば、不織布フィルタ、メンブレンフィルタ、焼結フィルタ等)を用いると、変形したゲル状アイオノマの粗大粒子は捕捉できるものの、今度は本来除去する必要のない触媒担持カーボンの大半が捕捉されてしまい、歩留まりが低下する。また触媒インクの組成ずれが起きてしまう。   On the other hand, if a filter with a small pore size (for example, a nonwoven fabric filter, a membrane filter, a sintered filter, etc.) is used, coarse particles of the deformed gel-like ionomer can be captured, but this time, it is not necessary to remove the catalyst-supported carbon. Most of them are captured and the yield decreases. Further, the compositional deviation of the catalyst ink occurs.

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、触媒担持カーボンと電解質アイオノマの粗大粒子をともに除去することのできる、燃料電池電極用の触媒インクの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above background, and an object thereof is to provide a method for producing a catalyst ink for a fuel cell electrode, which can remove both catalyst-carrying carbon and coarse particles of an electrolyte ionomer. To do.

上記課題を解決するために、本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池電極用の触媒インクの製造方法において、触媒担持カーボンと電解質アイオノマとを含むスラリーを準備する準備工程と、前記スラリーを、孔径が前記触媒担持カーボンの径以上かつ30μm以下のフィルタを介して、最大ろ過圧力100kPa以下でろ過するろ過工程とを備えるようにする。   In order to solve the above problems, according to a preferred aspect of the present invention, in a method for producing a catalyst ink for a fuel cell electrode, a preparation step of preparing a slurry containing catalyst-supporting carbon and an electrolyte ionomer; And a filtration step of filtering at a maximum filtration pressure of 100 kPa or less through a filter having a pore diameter not less than the diameter of the catalyst-supporting carbon and not more than 30 μm.

上記製造方法によれば、孔径が前記触媒担持カーボンの径以上かつ30μm以下のフィルタを用いるので、触媒担持カーボンの粗大粒子をフィルタにて捕捉できる。また、ろ過工程における最大ろ過圧力が100kPa以下であるため、ろ過中にアイオノマの粗大粒子が変形することが抑制される。そのためフィルタでアイオノマの粗大粒子も捕捉することができる。これにより触媒担持カーボンと電解質アイオノマの粗大粒子がともに除去された触媒インクを得ることができる。この触媒インクを塗布した燃料電池電極の触媒層は塗面欠陥の少ない塗面性状を有し、これにより燃料電池電極の初期性能、耐久性能を向上させることができる。   According to the above production method, a filter having a pore diameter not less than the diameter of the catalyst-carrying carbon and not more than 30 μm is used, whereby coarse particles of the catalyst-carrying carbon can be captured by the filter. Moreover, since the maximum filtration pressure in a filtration process is 100 kPa or less, it is suppressed that the coarse particle of an ionomer deform | transforms during filtration. Therefore, the coarse particles of the ionomer can be captured by the filter. As a result, a catalyst ink from which both the catalyst-carrying carbon and the coarse particles of the electrolyte ionomer are removed can be obtained. The catalyst layer of the fuel cell electrode to which the catalyst ink is applied has a coating surface property with few coating surface defects, whereby the initial performance and durability performance of the fuel cell electrode can be improved.

本発明によれば、触媒担持カーボンと電解質アイオノマの粗大粒子をともに除去することのできる、燃料電池電極用の触媒インクの製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the catalyst ink for fuel cell electrodes which can remove both the catalyst carrying | support carbon and the coarse particle of electrolyte ionomer can be provided.

本実施形態に係る触媒インクの製造工程を説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the manufacturing process of the catalyst ink which concerns on this embodiment. 同製造工程で用いるろ過装置を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the filtration apparatus used by the manufacturing process. ろ過圧力と欠陥サイズ(長径)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between filtration pressure and defect size (major axis). ろ過圧力と欠陥サイズ(面積)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between filtration pressure and defect size (area).

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態に係る燃料電池電極用の触媒インクの製造方法について説明する。   Hereinafter, a method for producing a catalyst ink for a fuel cell electrode according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本実施形態における製造工程では、触媒担持カーボン及びアイオノマを含む触媒インクを、フィルタを用いて最大ろ過圧力100kPa以下でろ過することで、触媒インクに含まれる粗大物質を除去する。この詳細を以下図1及び図2を用いて説明する。   In the manufacturing process in the present embodiment, the catalyst ink containing the catalyst-supporting carbon and the ionomer is filtered at a maximum filtration pressure of 100 kPa or less using a filter to remove coarse substances contained in the catalyst ink. The details will be described below with reference to FIGS.

図1は、本実施形態に係る触媒インクの製造工程を説明するためのフロー図である。   FIG. 1 is a flowchart for explaining the manufacturing process of the catalyst ink according to the present embodiment.

はじめに、アイオノマ(高分子電解質)材料を加熱・混合することでゲル状のアイオノマを作成する(ステップS1)。ここで、アイオノマとしては、例えば、フッ素系樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーや、非フッ素系樹脂であるのBPSH(ポリアリーレンエーテルスルホン酸共重合体)などを有するプロトン伝導性のイオン交換樹脂などを用いることができる。パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーやBPSHは、スルホン酸基を備えている。すなわち、これらの樹脂は、イオン性を有しており、「アイオノマ(イオン+ポリマー)」と呼ばれる。   First, a gel ionomer is prepared by heating and mixing an ionomer (polymer electrolyte) material (step S1). Here, as the ionomer, for example, a proton conductive ion exchange resin having a perfluorocarbon sulfonic acid polymer that is a fluorine resin, a BPSH (polyarylene ether sulfonic acid copolymer) that is a non-fluorine resin, or the like. Can be used. Perfluorocarbon sulfonic acid polymers and BPSH have sulfonic acid groups. That is, these resins have ionicity and are called “ionomer (ion + polymer)”.

次に、触媒材料を調合する(ステップS2)。具体的には、触媒及びイオン交換水の混合物にカーボンを混合し分散させることで、カーボンに触媒を担持させる。触媒としては、例えば、金属触媒(Pt、Pt−Fe、Pt−Cr、Pt−Ni、Pt−Ru、Pt−Coなど)を用いることができる。カーボンとしては、例えば、V、F、Ni、Tiを不純物として含むカーボンを用いることができる。なお、触媒及びカーボンの成分、構成比を変えることで、アノード用の触媒インク、カソード用の触媒インクをそれぞれ準備することができる。   Next, a catalyst material is prepared (step S2). Specifically, the catalyst is supported on the carbon by mixing and dispersing the carbon in a mixture of the catalyst and the ion exchange water. As the catalyst, for example, a metal catalyst (Pt, Pt—Fe, Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Ru, Pt—Co, etc.) can be used. As carbon, for example, carbon containing V, F, Ni, and Ti as impurities can be used. In addition, the catalyst ink for anodes and the catalyst ink for cathodes can each be prepared by changing the components and composition ratios of the catalyst and carbon.

次に、ステップS1で作成したゲル状のアイオノマとS2で作成した触媒担持カーボンとを混合して乳化させて、触媒担持カーボンとアイオノマとを含むスラリー(懸濁体)を準備する(ステップS3)。   Next, the gel ionomer prepared in step S1 and the catalyst-supported carbon prepared in S2 are mixed and emulsified to prepare a slurry (suspension) containing the catalyst-supported carbon and ionomer (step S3). .

この状態では、触媒インクに触媒担持カーボン及びアイオノマそれぞれの粗大粒子(凝集物や未溶解成分)が存在している。粗大粒子が残留した触媒インクを用いて燃料電池電極の触媒層を形成すると、触媒層に塗面欠陥が生じ、燃料電池電極の初期性能、耐久性能が著しく低下してしまう。そこで、本実施形態においては、次のろ過工程(ステップS4)において、こうした粗大粒子を除去するようにしている。まず、図2を用いてこのろ過工程で用いるろ過装置1について説明する。   In this state, the catalyst ink contains coarse particles (aggregates and undissolved components) of the catalyst-carrying carbon and ionomer. When the catalyst layer of the fuel cell electrode is formed using the catalyst ink in which the coarse particles remain, a coating surface defect occurs in the catalyst layer, and the initial performance and durability performance of the fuel cell electrode are remarkably deteriorated. Therefore, in this embodiment, such coarse particles are removed in the next filtration step (step S4). First, the filtration apparatus 1 used at this filtration process is demonstrated using FIG.

図2に示すように、ろ過装置1は、第1のタンク10、第2のタンク20、圧力制御装置30、フィルタ支持体40等を備えている。   As shown in FIG. 2, the filtration device 1 includes a first tank 10, a second tank 20, a pressure control device 30, a filter support 40, and the like.

第1のタンク10は、ろ過前の触媒インクを収容する密閉可能な容器であり、第2のタンク20は、第1のタンクの下方に配置される容器であり、ろ過後の触媒インクを収容する。   The first tank 10 is a sealable container that stores the catalyst ink before filtration, and the second tank 20 is a container that is disposed below the first tank and stores the catalyst ink after filtration. To do.

圧力制御装置30は、ガス(例えば空気やN)を充填したガスボンベ32、第1のタンク10にガスを供給する配管34、例えば複数のレギュレータ等からなる減圧装置36及び圧力計38等を備えている。圧力制御装置30は、ガスボンベ32から配管34を介して第1のタンク10に供給されるガスを、減圧装置36により段階的に減圧するようになっている。圧力制御装置30は、制御部(図示せず)を具備しており、この制御部は、圧力計38によって計測されるガス圧をモニタリングし、このガス圧に基づいて減圧装置36の開閉等をフィードバック制御することで、第1のタンク10へのガスの吐出圧を調整して第1のインクタンク内の圧力及び最大ろ過圧力(差圧)を制御する。 The pressure control device 30 includes a gas cylinder 32 filled with a gas (for example, air or N 2 ), a pipe 34 for supplying gas to the first tank 10, for example, a decompression device 36 including a plurality of regulators, a pressure gauge 38, and the like. ing. The pressure control device 30 depressurizes the gas supplied to the first tank 10 from the gas cylinder 32 via the pipe 34 by the decompression device 36. The pressure control device 30 includes a control unit (not shown). The control unit monitors the gas pressure measured by the pressure gauge 38 and opens / closes the decompression device 36 based on the gas pressure. By performing feedback control, the gas discharge pressure to the first tank 10 is adjusted to control the pressure in the first ink tank and the maximum filtration pressure (differential pressure).

フィルタ支持体40は、第1のタンクと第2のタンクとの間に配置されるフィルタ42を支持する。フィルタ42としては、例えば、ろ過孔径の分布が小さい金属メッシュフィルタを用いることができ、例えば、耐食性のあるSUS316やTiが好適に用いられる。金属メッシュフィルタは、例えば、編み込み、エッチング及びリソグラフィ等の製法により製造される。フィルタ42の孔径は、スラリーに含まれる粗大粒子を捕捉できる大きさとし、ここでは、触媒担持カーボンの径(例えば3μm)以上かつ30μm以下、より好ましくは8μm以上12μm以下となるように設定される。   The filter support body 40 supports the filter 42 disposed between the first tank and the second tank. As the filter 42, for example, a metal mesh filter having a small distribution of filtration pore diameters can be used. For example, SUS316 or Ti having corrosion resistance is preferably used. The metal mesh filter is manufactured by a manufacturing method such as weaving, etching, or lithography, for example. The pore size of the filter 42 is set to a size capable of capturing coarse particles contained in the slurry, and is set to be not less than 30 μm and more preferably not less than 8 μm and not more than 12 μm in this case.

図1のステップS4のろ過工程に戻って説明を続ける。ろ過工程においては、まず、ステップS3にて準備された触媒担持カーボンとゲル状のアイオノマとを含むスラリー(懸濁体)がろ過装置1の第1のタンク10内に投入される。これによりろ過が開始される。このとき、ろ過装置1の圧力制御装置30は、第1のタンク10へのガスの吐出圧を制御して、フィルタ42における最大ろ過圧力が十分に低くなるようにする。具体的には、最大ろ過圧力は、100kPa以下とする。   Returning to the filtration step of step S4 in FIG. In the filtration step, first, a slurry (suspension) containing the catalyst-supporting carbon and the gel ionomer prepared in step S3 is charged into the first tank 10 of the filtration device 1. This initiates filtration. At this time, the pressure control device 30 of the filtration device 1 controls the discharge pressure of the gas to the first tank 10 so that the maximum filtration pressure in the filter 42 becomes sufficiently low. Specifically, the maximum filtration pressure is 100 kPa or less.

これは、ろ過中のアイオノマの粗大粒子が変形してフィルタからすり抜けるのを抑制するためには、最大ろ過圧力は、少なくとも100kPa以下とする必要があるという本発明者らの知見に基づくものである。この点を、以下表1、図3及び図4を用いて説明する。   This is based on the knowledge of the present inventors that the maximum filtration pressure needs to be at least 100 kPa or less in order to prevent the coarse particles of ionomer being filtered from slipping out of the filter. . This point will be described below with reference to Table 1, FIG. 3 and FIG.

表1に、ろ過工程における最大ろ過圧力と、ろ過後の触媒インクを用いて燃料電池電極の触媒層を形成した際の塗面欠陥サイズとの関係を示す。ここでフィルタは、孔径10μmの金属フィルタを用いている。図3は、表1における最大ろ過圧力[kPa]を横軸に、塗面欠陥の長径[μm]を縦軸に示したものである。同図において、Xは欠陥の平均長径、Yは最大長径と最小長径である。図4は、表1における最大ろ過圧力[kPa]を横軸に、塗面欠陥の面積比率[%]を縦軸に示したものである。Zは塗面欠陥の面積比率である。   Table 1 shows the relationship between the maximum filtration pressure in the filtration step and the coating surface defect size when the catalyst layer of the fuel cell electrode is formed using the catalyst ink after filtration. Here, a metal filter having a pore diameter of 10 μm is used as the filter. FIG. 3 shows the maximum filtration pressure [kPa] in Table 1 on the horizontal axis and the major axis [μm] of the coating surface defect on the vertical axis. In the figure, X is the average major axis of the defects, and Y is the maximum major axis and the minimum major axis. FIG. 4 shows the maximum filtration pressure [kPa] in Table 1 on the horizontal axis and the area ratio [%] of coating surface defects on the vertical axis. Z is the area ratio of coating surface defects.

Figure 0006281705
Figure 0006281705

表1、図3及び図4から明らかなように、最大ろ過圧力100kPaを境にして、塗面欠陥が急激に減少する(欠陥面積比率7.0%)。表1、図4から明らかなように、最大ろ過圧力が60kPa以下になると塗面欠陥が顕著に減少し(欠陥面積比率0.4%)、40kPa以下になるとほぼなくなる(欠陥面積比率0.1%)。なお、塗面欠陥が発電効率に寄与する割合は塗面欠陥の面積比率の15%程度である(塗面欠陥の面積比率が15%の場合1%の効率低下)。以上より、最大ろ過圧力は、少なくとも100kPa以下とする必要があり、好ましくは60kPa以下、より好ましくは10kPa以上40kPa以下である。   As apparent from Table 1, FIG. 3 and FIG. 4, the coating surface defects rapidly decrease at the maximum filtration pressure of 100 kPa (defect area ratio 7.0%). As apparent from Table 1 and FIG. 4, when the maximum filtration pressure is 60 kPa or less, the coating surface defects are remarkably reduced (defect area ratio 0.4%), and when the maximum filtration pressure is 40 kPa or less, the coating surface defects are almost eliminated (defect area ratio 0.1). %). In addition, the ratio that the coating surface defect contributes to the power generation efficiency is about 15% of the area ratio of the coating surface defect (1% reduction in efficiency when the area ratio of the coating surface defect is 15%). From the above, the maximum filtration pressure needs to be at least 100 kPa or less, preferably 60 kPa or less, more preferably 10 kPa or more and 40 kPa or less.

このようにしてろ過されたスラリーは、第2のタンク20にて収容され、ろ過工程が終了する。ろ過工程においては、フィルタ42の孔径が触媒担持カーボンの径以上かつ30μm以下のフィルタを用いるので、触媒担持カーボンの粗大粒子はフィルタ42にて捕捉される。また最大ろ過圧力が100kPa以下であるため、ろ過中にアイオノマの粗大粒子の変形が抑制される。そのためフィルタ42でアイオノマの粗大粒子も捕捉される。これにより触媒担持カーボン及びアイオノマ双方の粗大粒子が除去された触媒インクを得ることができる。この触媒インクを塗布した燃料電池電極の触媒層は上記のとおり塗面欠陥サイズの小さい良好な塗面性状を有し、これにより燃料電池電極の初期性能、耐久性能が向上する。   The slurry thus filtered is accommodated in the second tank 20, and the filtration process is completed. In the filtration step, a filter having a pore size of the filter 42 not less than the diameter of the catalyst-carrying carbon and not more than 30 μm is used, so that coarse particles of the catalyst-carrying carbon are captured by the filter 42. Further, since the maximum filtration pressure is 100 kPa or less, deformation of the coarse particles of ionomer is suppressed during filtration. Therefore, coarse particles of ionomer are also captured by the filter 42. As a result, a catalyst ink from which coarse particles of both catalyst-carrying carbon and ionomer are removed can be obtained. As described above, the catalyst layer of the fuel cell electrode to which this catalyst ink has been applied has a good coating surface property with a small coating surface defect size, thereby improving the initial performance and durability performance of the fuel cell electrode.

<変形例>
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこれらの実施の形態に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様々な態様での実施が可能である。
<Modification>
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

例えば、フィルタとして金属メッシュフィルタを用いて説明したが、例えば、PP、PTFE、PFA等の耐薬品性に優れたメッシュフィルタを用いてもよい。また例えば、メッシュフィルタは、空隙率が高く、ろ過抵抗が小さいため、短時間に大量にろ過する際に好適であるが、必要な孔径がばらつきなく確保される限りはメッシュフィルタ以外にもメンブレンフィルタ、焼結フィルタ等を用いることも可能である。   For example, although a metal mesh filter has been described as a filter, for example, a mesh filter having excellent chemical resistance such as PP, PTFE, or PFA may be used. In addition, for example, a mesh filter has a high porosity and a low filtration resistance, so it is suitable for a large amount of filtration in a short period of time. It is also possible to use a sintered filter or the like.

また例えば、ろ過工程における最大ろ過圧力(差圧)を調整するための機構として、圧力制御装置30により第1のタンク10(1次側)に吐出するガスの圧力を調整する方法を示したが、これに限られるものではない。例えば、第2のタンク20(2次側)を吸引して減圧してもよいし、差圧を精密に制御するために、第2のタンク20(2次側)も第1のタンク10(1次側)に比較して低く加圧し、差圧を一定に保つようにしてもよい。   Further, for example, as a mechanism for adjusting the maximum filtration pressure (differential pressure) in the filtration step, a method of adjusting the pressure of gas discharged to the first tank 10 (primary side) by the pressure control device 30 has been shown. However, it is not limited to this. For example, the second tank 20 (secondary side) may be sucked and depressurized. In order to precisely control the differential pressure, the second tank 20 (secondary side) is also the first tank 10 ( The pressure difference may be kept constant by applying a lower pressure compared to the primary side).

1……ろ過装置、10……第1のタンク、20……第2のタンク、30……圧力制御装置、32……ガスボンベ、34……配管、36……減圧装置、38……圧力計、40……フィルタ支持体、42……フィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Filtration apparatus, 10 ... 1st tank, 20 ... 2nd tank, 30 ... Pressure control apparatus, 32 ... Gas cylinder, 34 ... Piping, 36 ... Pressure reducing device, 38 ... Pressure gauge , 40 …… Filter support, 42 …… Filter

Claims (1)

触媒担持カーボンとゲル状のアイオノマとを含むスラリーを準備する準備工程と、前記スラリーを、孔径が前記触媒担持カーボンの径以上かつ30μm以下のフィルタを介して、10kPa以上かつ60kPa以下のろ過圧力でろ過を行い、触媒担持カーボン及びアイオノマそれぞれの粗大粒子を除去するろ過工程と、を備える燃料電池電極用の触媒インクの製造方法。 A preparation step of preparing a slurry containing a catalyst-supporting carbon and a gel ionomer, the slurry having a pore diameter through the diameter or on and 30μm following filters of the catalyst-carrying carbon, 10 kPa or more and 60kPa in the following filtration pressure A method for producing a catalyst ink for a fuel cell electrode, comprising: a filtration step of performing filtration to remove coarse particles of the catalyst-carrying carbon and the ionomer .
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