CN112864426A - 燃料电池模块及其漏水检测方法、通风控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池模块及其漏水检测方法、通风控制方法。其中，燃料电池模块包括壳体和控制器，以及设于所述壳体内的燃料电池和漏水感应片，所述漏水感应片设于所述壳体的底部；所述漏水感应片的第一端与所述控制器电连接，第二端接地，其中，所述漏水感应片的等效电阻与进入所述漏水感应片中的水量呈对应关系；所述控制器用于根据所述第一端的电压计算所述漏水感应片的等效电阻，并根据所述等效电阻确定进入所述漏水感应片中的水量。本发明通过在燃料电池模块内设置漏水感应片确定进入所述漏水感应片中的水量，从而能够及时发现燃料电池模块内的积水情况，确保燃料电池的稳定运行，提升了燃料电池模块工作的可靠性。

Description

燃料电池模块及其漏水检测方法、通风控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池模块及其漏水检测方法、通风控制方法。

背景技术

随着新能源汽车产业的发展，氢燃料电池汽车以加氢时间短、长续航、零排放等优势，市场应用规模越来越大。而对于车用燃料电池而言，因使用环境复杂、路况恶劣，为使车载燃料电池满足防尘、防水的车用IP67的要求，需要把燃料电池封装在一个封闭的壳体内，组成燃料电池模块。

在燃料电池工作时，会有一定量的氢气以及水汽从燃料电池内部逸出，交变的工况及环境温度变化时也可能产生少量冷凝水，同时，长时间使用的电堆存在密封老化或机械疲劳，甚至有液态水微漏的风险，在密闭的燃料电池模块中，逸出的氢气使氢浓度不断上升，当超过爆炸极限时极易引发爆炸；另一方面不断聚集的水汽附着在燃料电池的带电部件上不能及时蒸发，会降低燃料电池的绝缘电阻，甚至出现液态水时，长期累积，电堆本体被水泡，引发短路故障，因此需要对密闭的燃料电池壳体采取必要的通风吹扫及漏水检测，保证壳体内部环境安全稳定。

公开号为CN11403776A的专利公开了一种通风结构，应用于燃料电池发动机，当氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀和/或开启第二控制阀；当环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀。该专利采用了较多的控制阀件，控制较为复杂，同时也未涉及对液态水的检测及处理。

公开号为CN11403777A的专利公开了一种电堆壳体的通风换气系统，燃料电池的空气依次经由空滤器、第一管路、空压机、第二管路、中冷器以及第三管路后进入电堆，通风换气系统包括第四管路、三通阀、第五管路、稀释气进口以及稀释风扇。第四管路的一端连通于第一管路，三通阀的一个进气口连通于第四管路的另一端，第五管路的一端连通于三通阀的出气口。对壳体内部的气体进行稀释后由稀释风扇排除壳体外。该专利同样也未涉及对液态水的检测及处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中燃料电池产生的液态水容易导致电堆本体被水泡，进而引发短路故障的缺陷，提供一种燃料电池模块及其漏水检测方法、通风控制方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明的第一方面提供一种燃料电池模块，包括壳体和控制器，以及设于所述壳体内的燃料电池和漏水感应片，所述漏水感应片设于所述壳体的底部；

所述漏水感应片的第一端与所述控制器电连接，第二端接地，其中，所述漏水感应片的等效电阻与进入所述漏水感应片中的水量呈对应关系；

所述控制器用于根据所述第一端的电压计算所述漏水感应片的等效电阻，并根据所述等效电阻确定进入所述漏水感应片中的水量。

可选地，所述漏水感应片包括定位底片、感应端子以及上盖片，所述感应端子固定于所述定位底片上，所述上盖片位于所述感应端子的上方，并与所述定位底片固定连接；

所述感应端子的一端形成所述漏水感应片的第一端，另一端形成所述漏水感应片的第二端。

可选地，所述感应端子包括第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体均呈锯齿状，所述第一导体和所述第二导体之间交叉分布。

可选地，所述定位底片上设有排水沟道。

可选地，所述燃料电池模块还包括空气过滤器、空压机、中冷器、两通阀、入口分配头、出口分配头、单向阀、尾排混合器以及氢气浓度传感器，所述壳体相对的两侧分别设有气体进入接口和气体排出接口，所述氢气浓度传感器、所述入口分配头和所述出口分配头均设于所述壳体内；

所述空气过滤器、空压机、中冷器、两通阀、气体进入接口以及入口分配头依次连接，所述出口分配头、气体排出接口、单向阀以及尾排混合器依次连接；

所述氢气浓度传感器用于采集所述壳体内的氢气浓度；

所述控制器用于根据所述氢气浓度控制所述两通阀的开度。

可选地，所述氢气浓度传感器设于所述壳体的顶部。

可选地，所述气体进入接口设于所述壳体一侧靠近底部的位置。

可选地，所述气体排出接口设于所述壳体另一侧靠近顶部的位置。

可选地，所述入口分配头包括一个入口和至少两个出口。

可选地，所述出口分配头包括至少两个入口和一个出口。

可选地，所述入口分配头包括一个入口和三个出口，其中，三个出口中位于中间位置的出口的内径尺寸小于位于两边位置的出口的内径尺寸。

可选地，所述出口分配头包括三个入口和一个出口，其中，三个入口中位于中间位置的入口的内径尺寸小于位于两边位置的入口的内径尺寸；

本发明的第二方面提供一种燃料电池模块的漏水检测方法，所述燃料电池模块为第一方面所述的燃料电池模块，所述漏水检测方法包括：

采集漏水感应片第一端的电压；

通过所述第一端的电压计算所述漏水感应片的等效电阻；

根据所述等效电阻确定进入所述漏水感应片中的水量。

本发明的第三方面提供一种燃料电池模块的通风控制方法，所述燃料电池模块为第一方面项述的燃料电池模块，所述通风控制方法包括：

接收所述氢气浓度传感器采集的氢气浓度；

根据所述氢气浓度控制所述两通阀的开度。

可选地，所述根据所述氢气浓度控制所述两通阀的开度，具体包括：

若所述氢气浓度超过预设阈值，则根据所述氢气浓度调节所述两通阀的开度，以利用外部空气对所述壳体内进行吹扫；

否则，关闭所述两通阀。

可选地，所述通风控制方法还包括：

判断所述两通阀的开度是否超过所述空压机在当前转速下允许的最大开度；

若是，则控制所述燃料电池模块停止工作。

在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：通过在燃料电池模块内设置漏水感应片确定进入所述漏水感应片中的水量，从而能够及时发现燃料电池模块内的积水情况，确保燃料电池的稳定运行，提升了燃料电池模块工作的可靠性。

进一步地，利用中冷器出口的一个支路向燃料电池模块的壳体内提供空气，以实现壳体内的通风吹扫，能够有效降低燃料电池模块内的氢气聚集，以及减少能耗，进一步确保燃料电池的稳定运行，提升燃料电池模块工作的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种燃料电池模块的内部结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的一种控制器与漏水感应片之间的电连接结构示意图。

图3为本发明实施例1提供的一种漏水感应片的爆炸图。

图4为本发明实施例2提供的一种燃料电池模块的漏水检测方法的流程图。

图5为本发明实施例3提供的一种入口分配头和出口分配头的结构示意图。

图6为本发明实施例4提供的一种燃料电池模块的通风控制方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池模块，包括壳体1和控制器10，以及设于壳体1内的燃料电池2和漏水感应片4，漏水感应片4设于壳体1的底部。

所述漏水感应片的第一端与所述控制器电连接，第二端接地，其中，所述漏水感应片的等效电阻与进入所述漏水感应片中的水量呈对应关系。在具体实施的一个例子中，进入漏水感应片中的水量越多，漏水感应片的等效电阻越小。

所述控制器用于根据所述第一端的电压计算所述漏水感应片的等效电阻，并根据所述等效电阻确定进入所述漏水感应片中的水量。

图2是用于示出一种控制器与漏水感应片之间的电连接结构示意图。如图2所示，控制器中包括上拉电阻R，上拉电阻R的一端连接至5V，上拉电阻R的另一端与漏水感应片的第一端连接，漏水感应片的第二端接地。控制器通过采集漏水感应片第一端的电压，以及上拉电阻R的值可以计算出漏水感应片的等效电阻。在一个具体的例子中，上拉电阻R的值为220KΩ，当有液态水在壳体的底部累积时，漏水感应片将被水浸泡，即水会进入漏水感应片的内部。当水的导电率不低于5uS/cm时，漏水感应片的等效电阻小于200KΩ。

控制器在计算出漏水感应片的等效电阻之后，可以将其与预设阻值进行比较，根据比较结果确定进入漏水感应片中的水量，从而能够及时发现壳体内的积水情况。其中，可以根据进入漏水感应片中的水量设置预设阻值，例如，2/3的漏水感应片被水浸泡，则设置预设阻值为R11；或者4/5的漏水感应片被水浸泡，则设置预设阻值为R12，其中R12小于R11。在一个具体的例子中，将预设阻值设为250KΩ，如果漏水感应片的等效电阻小于250KΩ，说明漏水感应片的较多部分被水浸泡，此时确定壳体内有较多积水，需要停机检修，可以输出报警信号并停机。如果漏水感应片的等效电阻大于等于250KΩ，说明漏水感应片的较少部分被水浸泡或者没有被水浸泡，此时确定壳体内有较少积水或者没有积水，无需停机，继续采集第一端的电压并计算漏水感应片的等效电阻即可。

在可选的一种实施方式中，如图3所示，漏水感应片4包括定位底片41、感应端子42以及上盖片43，感应端子42固定于定位底片41上，上盖片43位于感应端子42的上方，并与定位底片41固定连接。感应端子42的一端形成漏水感应片4的第一端，并与控制器电连接，感应端子42的另一端形成漏水感应片4的第二端，并接地。

其中，定位底片41和上盖片43均由绝缘材料制成，例如塑料。

在具体实施的一个例子中，如图3所示，定位底片41的中间设有4个定位固定锁紧卡扣44，用于将感应端子42固定在定位底片41上。

在具体实施的一个例子中，如图3所示，定位底片41四周设有4个螺丝固定位45，上盖片43四周设有与螺丝固定位对应的4个螺丝孔46，通过螺丝固定位与螺丝孔实现定位底片与上盖片的固定连接，并将感应端子42压在定位底片与上盖片之间。

在具体实施的一个例子中，如图3所示，为了避免误触发报警，在定位底片41上设有排水沟道47，用于将漏水感应片中的少量液态水排出。

在可选的一种实施方式中，感应端子42包括第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体均呈锯齿状，所述第一导体和所述第二导体之间交叉分布。在具体实施的一个例子中，第一导体和第二导体由1mm的铜镀银的材料制成，具有良好的导电性及防腐蚀性能。第一导体和第二导体在同一平面上每隔1mm交叉分布。

实施例2

本实施例提供一种针对实施例1提供的燃料电池模块的漏水检测方法，其执行主体为燃料电池模块中的控制器，用于检测进入漏水感应片中的水量，并据此确定燃料电池模块中壳体内的积水情况。如图4所示，本实施例提供的燃料电池模块的漏水检测方法包括以下步骤：

步骤S401、采集漏水感应片第一端的电压。

步骤S402、通过所述第一端的电压计算所述漏水感应片的等效电阻。具体地，可以根据控制器中的上拉电阻以及第一端的电压计算漏水感应片的等效电阻。

步骤S403、根据所述等效电阻确定进入所述漏水感应片中的水量。在计算出漏水感应片的等效电阻之后，可以将其与预设阻值进行比较，根据比较结果确定进入漏水感应片中的水量，即确定壳体内的积水情况。其中，可以根据进入漏水感应片中的水量设置预设阻值，例如，2/3的漏水感应片被水浸泡，则设置预设阻值为R11；或者4/5的漏水感应片被水浸泡，则设置预设阻值为R12，其中R12小于R11。

利用本实施例提供的漏水检测方法确定进入所述漏水感应片中的水量，从而能够及时发现燃料电池模块内的积水情况，确保燃料电池的稳定运行，提升了燃料电池模块工作的可靠性。

实施例3

如图1所示，在实施例1的基础上，本实施例提供的燃料电池模块还包括空气过滤器9、空压机8、中冷器7、两通阀6、入口分配头5、出口分配头14、单向阀15、尾排混合器16以及氢气浓度传感器3，壳体1相对的两侧分别设有气体进入接口12和气体排出接口13，氢气浓度传感器3、入口分配头5和出口分配头14均设于壳体1内。

空气过滤器9、空压机8、中冷器7、两通阀6、气体进入接口12以及入口分配头5依次连接，出口分配头14、气体排出接口13、单向阀15以及尾排混合器16依次连接。

氢气浓度传感器3用于采集壳体1内的氢气浓度。

控制器10用于根据所述氢气浓度控制两通阀6的开度。

本实施方式的空气供气回路中，空气过滤器的入口与大气相通，出口与空压机的入口相连，空压机的出口与中冷器的空气入口相连，中冷器出口的一个支路向燃料电池中提供空气，以供燃料电池工作，另一个支路与两通阀连接的入口相连，两通阀的出口与气体进入接口相连，向壳体内提供空气，以供壳体内的通风吹扫，省去了稀释风扇的使用，节约了成本。另外，进入壳体内的空气已经经过空气过滤器的过滤，保障了燃料电池的防尘要求。

本实施方式的空气排放回路中，单向阀的入口与气体排出接口相连，出口与尾排混合器的入口相连后最终排向大气。使用单向阀有两个作用，一是防止尾排混合器的气体在气压较高且壳体内气压较低时倒流入壳体内，二是在无空气往外排时保证壳体的完整性，防止气体或者液体从尾排混合器中倒灌回来，达到IP67标准(防护安全级别)的要求。

为了提高氢气浓度的检测精度，将氢气浓度传感器设于燃料电池的上方。在可选的一种实施方式中，氢气浓度传感器3设于壳体1的顶部。在具体实施的一个例子中，壳体1包括盖板17，设于壳体的顶部，氢气浓度传感器3设于盖板17的底部。

在具体实施中，如图1所示，壳体1上设有线束插座11，氢气浓度传感器以及漏水感应片均通过线束与线束插座11连接，线束插座11通过线束与控制器10连接，以实现氢气浓度传感器与控制器的电连接，以及漏水感应片与控制器的电连接。

在具体实施的一个例子中，气体进入接口12设于壳体一侧靠近底部的位置。在具体实施的另一个例子中，气体排出接口13设于壳体另一侧靠近顶部的位置。其中，入口分配头的入口安装在气体进入接口处，出口分配头的出口安装在气体排出接口处。由于氢气较轻，当燃料电池逸出的氢气与进入壳体内的空气混合时，一般氢气分布在上层，空气分布在下层，将入口分配头设置于壳体靠近底部的位置，以及将出口分配头设置于壳体靠近顶部的位置，有利于将壳体内的氢气排出，防止聚集。

在可选的一种实施方式中，入口分配头包括一个入口和至少两个出口。在具体实施的一个例子中，如图5所示，入口分配头5包括一个入口5d和三个出口，其中，三个出口中位于中间位置的出口5b的内径尺寸小于位于两边位置的出口5a和5c的内径尺寸。例如入口5d的内径尺寸为12mm，出口5a和5c的内径尺寸均为10mm，出口5b的内径尺寸为4mm。本实施方式中，通过将出口5b的内径尺寸设置为小于出口5a和5c的内径尺寸，使得进入壳体内的空气能够均匀分布。

在可选的一种实施方式中，出口分配头包括至少两个入口和一个出口。在具体实施的一个例子中，如图5所示，出口分配头14包括三个入口和一个出口14d，其中，三个入口中位于中间位置的入口14b的内径尺寸小于位于两边位置的入口14a和14c的内径尺寸。例如出口14d的内径尺寸为12mm，入口14a和14c的内径尺寸均为10mm，入口14b的内径尺寸为4mm。本实施方式中，通过将入口14b的内径尺寸设置为小于入口14a和14c的内径尺寸，能将壳体内的氢气均匀排出。

实施例4

本实施例提供一种针对实施例3提供的燃料电池模块的通风控制方法，其执行主体为燃料电池模块中的控制器，用于对壳体内逸出的氢气进行通风吹扫。如图6所示，本实施例提供的燃料电池模块的通风控制方法包括以下步骤：

步骤S601、接收所述氢气浓度传感器采集的氢气浓度。氢气浓度传感器将采集的氢气浓度传输至控制器。

步骤S602、根据所述氢气浓度控制所述两通阀的开度。

在可选的一种实施方式中，步骤S602具体包括：

步骤S602a、判断所述氢气浓度是否超过预设阈值，若是，则执行步骤S602b，若否，则执行步骤S602c。

其中，不同的燃料电池模块在正常工作时，对壳体内的氢气浓度有不同的要求，因此，针对不同的燃料电池模块可以设置不同的预设阈值。由于氢气的爆炸极限是4.0％～75.6％(体积浓度)，即如果氢气在空气中的体积浓度在4.0％～75.6％之间，遇到火源则会爆炸。为了确保安全，将壳体内的氢气浓度所允许的最高值即预设阈值设为小于4.0％，具体的取值可以根据实际情况进行设定。

步骤S602b、根据所述氢气浓度调节所述两通阀的开度，以利用外部空气对所述壳体内进行吹扫。具体地，增大两通阀的开度，进入壳体内的空气变多，减小两通阀的开度，进入壳体内的空气变少。通过调节两通阀的开度以控制进入壳体内的空气。

步骤S602c、关闭所述两通阀。关闭两通阀也即将两通阀的开度调为0，禁止外部空气进入壳体内。

本实施方式中，根据跟踪壳体内的氢气浓度调节两通阀的开度，为了防止在临界浓度点频繁调节两通阀的开度，影响燃料电池模块的稳定运行，可以在期望氢气浓度的基础上加入一个死区浓度。例如期望氢气浓度为1％，加入一个死区浓度0.02％之后，若采集的氢气浓度在[0.08％，1.02％]区间内则不对两通阀的开度进行调节。若采集的氢气浓度超过1.02％则执行步骤S602b。若采集的氢气浓度低于0.08％则执行步骤S602c。

在步骤S602b的具体实施中，采用PID闭环的方式调节两通阀的开度。具体地，两通阀开度的控制量的公式如下：

其中，α为控制量，K_p、K_i、K_d分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，ΔC为壳体内的氢气浓度与期望氢气浓度的差值。

本实施方式中，根据PID闭环控制的方法控制两通阀的开度，两通阀的开度越大，进入壳体内的清洁空气就越多，越有利于将壳体内的氢气排出。为了减少进入壳体内的空气，以实现节约能耗，当壳体内的氢气浓度降低时，将调小两通阀的开度，当降低至低于预设阈值时，则关闭两通阀。

在可选的一种实施方式中，上述通风控制方法还包括：

步骤S603、判断所述两通阀的开度是否超过所述空压机在当前转速下允许的最大开度，若是，则执行步骤S604，若否，则重复执行步骤S603。

步骤S604、控制所述燃料电池模块停止工作。

需要说明的是，空压机运行时，外部空气通过空气过滤器的过虑，较清洁的空气进入空压机和中冷器，绝大部分空气进入燃料电池内以供燃料电池正常工作，只有一小部分的空气进入壳体以实现通风吹扫。本实施方式中通过设置空压机在不同转速下允许的最大开度，实现对进入壳体内的空气进行限制，以防止影响燃料电池的正常工作。

其中，可以将空压机在不同转速下允许的最大开度存储于一表格中，步骤S603的具体实施中可以通过查表的方式获取空压机在当前转速下允许的最大开度。若当前两通阀的开度超过空压机在当前转速下允许的最大开度，说明燃料电池泄露氢气的量较大，需要停机检修，可以输出报警信号并停机。

利用本实施例提供的通风控制方法能够有效降低燃料电池模块内的氢气聚集，以及减少能耗，确保燃料电池的稳定运行，提升了燃料电池模块工作的可靠性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池模块，其特征在于，包括壳体和控制器，以及设于所述壳体内的燃料电池和漏水感应片，所述漏水感应片设于所述壳体的底部；

所述漏水感应片的第一端与所述控制器电连接，第二端接地，其中，所述漏水感应片的等效电阻与进入所述漏水感应片中的水量呈对应关系；

所述控制器用于根据所述第一端的电压计算所述漏水感应片的等效电阻，并根据所述等效电阻确定进入所述漏水感应片中的水量。

2.如权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，所述漏水感应片包括定位底片、感应端子以及上盖片，所述感应端子固定于所述定位底片上，所述上盖片位于所述感应端子的上方，并与所述定位底片固定连接；

所述感应端子的一端形成所述漏水感应片的第一端，另一端形成所述漏水感应片的第二端。

3.如权利要求2所述的燃料电池模块，其特征在于，所述感应端子包括第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体均呈锯齿状，所述第一导体和所述第二导体之间交叉分布；

和/或，所述定位底片上设有排水沟道。

4.如权利要求1-3中任一项所述的燃料电池模块，其特征在于，所述燃料电池模块还包括空气过滤器、空压机、中冷器、两通阀、入口分配头、出口分配头、单向阀、尾排混合器以及氢气浓度传感器，所述壳体相对的两侧分别设有气体进入接口和气体排出接口，所述氢气浓度传感器、所述入口分配头和所述出口分配头均设于所述壳体内；

所述空气过滤器、空压机、中冷器、两通阀、气体进入接口以及入口分配头依次连接，所述出口分配头、气体排出接口、单向阀以及尾排混合器依次连接；

所述氢气浓度传感器用于采集所述壳体内的氢气浓度；

所述控制器用于根据所述氢气浓度控制所述两通阀的开度。

5.如权利要求4所述的燃料电池模块，其特征在于，所述氢气浓度传感器设于所述壳体的顶部；

和/或，所述气体进入接口设于所述壳体一侧靠近底部的位置；

和/或，所述气体排出接口设于所述壳体另一侧靠近顶部的位置；

和/或，所述入口分配头包括一个入口和至少两个出口；

和/或，所述出口分配头包括至少两个入口和一个出口。

6.如权利要求4或5所述的燃料电池模块，其特征在于，所述入口分配头包括一个入口和三个出口，其中，三个出口中位于中间位置的出口的内径尺寸小于位于两边位置的出口的内径尺寸；

和/或，

所述出口分配头包括三个入口和一个出口，其中，三个入口中位于中间位置的入口的内径尺寸小于位于两边位置的入口的内径尺寸。

7.一种燃料电池模块的漏水检测方法，其特征在于，所述燃料电池模块为如权利要求1-3中任一项所述的燃料电池模块，所述漏水检测方法包括：

采集漏水感应片第一端的电压；

通过所述第一端的电压计算所述漏水感应片的等效电阻；

根据所述等效电阻确定进入所述漏水感应片中的水量。

8.一种燃料电池模块的通风控制方法，其特征在于，所述燃料电池模块为如权利要求4-6中任一项述的燃料电池模块，所述通风控制方法包括：

接收所述氢气浓度传感器采集的氢气浓度；

根据所述氢气浓度控制所述两通阀的开度。

9.如权利要求8所述的通风控制方法，其特征在于，所述根据所述氢气浓度控制所述两通阀的开度，具体包括：

若所述氢气浓度超过预设阈值，则根据所述氢气浓度调节所述两通阀的开度，以利用外部空气对所述壳体内进行吹扫；

否则，关闭所述两通阀。

10.如权利要求8或9所述的通风控制方法，其特征在于，所述通风控制方法还包括：

判断所述两通阀的开度是否超过所述空压机在当前转速下允许的最大开度；

若是，则控制所述燃料电池模块停止工作。

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