JP2017004743A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム構成を簡素化し、製造コストを低減することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、原燃料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器１４と、水添脱硫器１４で硫黄成分が除去された原燃料である燃料と空気を利用して発電する燃料電池スタック１２とを備える。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２から排出される未反応の水素を含む燃料であるアノードオフガスを、水添脱硫器１４の熱源として該水添脱硫器１４の加熱部４０に供給するオフガス供給経路ＬＦ２を備えることにより、アノードオフガスを利用して水添脱硫器１４を適正な作動温度帯に維持して動作させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックと、原燃料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの燃料となるＬＮＧやＬＰＧ等の炭化水素系燃料（原燃料）には、通常、着臭用として硫黄化合物が添加されている。この硫黄化合物は、燃料電池システムに搭載される改質器や燃料電池スタックの触媒を被毒するため除去する必要がある。

例えば特許文献１には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた燃料電池システムにおいて、原燃料に含まれる硫黄成分を還元して硫化水素を生成し、生成した硫化水素を吸着することで硫黄成分を除去する水添脱硫器を備えた構成が開示されている。このような水添脱硫器は、その安定した動作のために３００℃程度の温度状態を維持する必要がある。そこで、この特許文献１の構成ではアノードオフガスを燃焼させ、その燃焼熱を水添脱硫器の熱源として利用している。

国際公開第２０１４／１１５５０２号

上記特許文献１の構成は、アノードオフガスを燃焼させるための燃焼器を燃料電池スタックと水添脱硫器の間に配置する必要があり、部品点数が増加すると共にシステム構成が複雑化し、製造コストが増大する。

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、システム構成を簡素化し、製造コストを低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、原燃料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、該水添脱硫器で硫黄成分が除去された原燃料である燃料と空気を利用して発電する燃料電池スタックとを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックから排出される未反応の水素を含む燃料であるアノードオフガスを、前記水添脱硫器の熱源として該水添脱硫器の加熱部に供給するオフガス供給経路を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、燃料電池スタックからのアノードオフガスを水添脱硫器の加熱部に供給して熱源とすることにより、水添脱硫器の加熱用の燃焼器が不要となり、システム構成を簡素化し、製造コストを低減することができる。

前記水添脱硫器は、水素源からの水素と共に原燃料が導入され、該原燃料に含まれる硫黄成分を還元する還元部と、該還元部で還元された硫黄成分を吸着する吸着部とを有し、前記水添脱硫器の加熱部に接続される前記オフガス供給経路から分岐して、該オフガス供給経路を流れるアノードオフガスの一部を水素源として前記水添脱硫器の還元部に供給する分岐経路と、前記加熱部を出たアノードオフガスを、前記還元部及び前記吸着部を出た燃料と合流させて前記燃料電池スタックへと供給する燃料供給経路とを備える構成としてもよい。そうすると、加熱部によって水添脱硫器の熱源として利用したアノードオフガスを再び燃料と合流させて燃料電池スタックに導入することができる。その結果、アノードオフガスに含まれる未反応の水素を有効に活用でき、システム全体としての水素の利用率を向上させ、燃料電池スタックに導入される水素濃度も高めることができる。

前記水添脱硫器は、多重管構造であり、前記加熱部は、原燃料及び前記分岐経路からのアノードオフガスの混合ガスが流れる前記還元部及び前記吸着部の外周及び内周の少なくとも一方に形成された経路であってもよい。そうすると、加熱部を流れるアノードオフガスによって効率よく還元部及び吸着部を流れる原燃料を加熱することができ、水添脱硫器をその作動温度帯に安定して維持することができる。

前記分岐経路から前記水添脱硫器に導入されるアノードオフガスに含まれる水分を除去する水分除去器を備えてもよい。そうすると、アノードオフガス中の水分を除去できるため、還元部及び吸着部に水分が導入されることを防止できる。

前記オフガス供給経路における前記燃料電池スタックと前記水添脱硫器との間となる位置に、前記水添脱硫器に供給されるアノードオフガスの温度を低下させる熱交換器を有してもよい。そうすると、燃料電池スタックから排出される高温のアノードオフガスを水添脱硫器の作動温度帯まで低下させることができ、水添脱硫器の一層安定した動作が可能となる。

この場合、前記熱交換器は、前記水添脱硫器を出た燃料と前記オフガス供給経路を流れるアノードオフガスとを熱交換させる構成であると、燃料電池スタックに導入される直前の燃料をアノードオフガスを用いて予熱することができる。

前記水添脱硫器の加熱部に接続される前記オフガス供給経路からさらに分岐して、該オフガス供給経路を流れるアノードオフガスの一部を前記水添脱硫器をバイパスさせて前記燃料供給経路に合流させるバイパス経路を備える構成であってもよい。そうすると、高温のアノードオフガスの全てが水添脱硫器に導入され、水添脱硫器が適正温度より高温になることを防止できる。

本発明によれば、燃料電池スタックからのアノードオフガスを水添脱硫器の加熱部に供給して熱源とすることにより、水添脱硫器の加熱用の燃焼器が不要となり、システム構成を簡素化し、製造コストを低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。 図２は、水添脱硫器の構成を模式的に示した説明図である。 図３は、バイパス経路を備えた水添脱硫器の構成を模式的に示した説明図である。 図４は、変形例に係る水添脱硫器の構成を模式的に示した平面図である。 図５は、別の変形例に係る水添脱硫器の構成を模式的に示した平面図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を模式的に示したブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、水添脱硫器１４と、燃料予熱器１６と、改質器１８と、空気予熱器２０とを備える。

燃料電池スタック１２は、燃料供給経路ＬＦ１から燃料予熱器１６及び改質器１８を経て供給される燃料（燃料ガス）と、空気供給経路ＬＡ１から空気予熱器２０を経て供給される空気とを反応させて発電する発電セルを複数組設けたセルスタックである。燃料電池スタック１２から排出される未反応の水素を含む燃料排ガス（アノードオフガス）はオフガス供給経路ＬＦ２に循環され、未反応の酸素を含む空気排ガス（カソードオフガス）は空気排出経路ＬＡ２に排出される。

燃料電池スタック１２は、例えば円筒形の発電セルを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セルを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施形態の燃料電池スタック１２には、燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いている。燃料電池スタック１２は、例えば改質器１８と共に図示しない断熱筐体の内部（高温室）に収容される。

水添脱硫器１４には、外部の供給源から燃料ブロア２２を介して原燃料供給経路ＬＦ３で送られる原燃料ガス（例えば、天然ガス、ＬＰＧ又は都市ガス等の炭化水素系の燃料）と、オフガス供給経路ＬＦ２から循環ブロア２３を介して送られるアノードオフガスとが導入される。水添脱硫器１４は、アノードオフガスに含まれる水素を水素源として原燃料に含まれる硫黄化合物（硫黄成分）を除去するものであるが、その詳細な構成は後述する。

燃料予熱器１６には、水添脱硫器１４からの燃料供給経路ＬＦ１と、燃料電池スタック１２からのオフガス供給経路ＬＦ２とが接続される。燃料予熱器１６は、燃料供給経路ＬＦ１から燃料電池スタック１２に導入される燃料を燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスの熱を利用して予熱する熱交換器である。換言すれば、燃料予熱器１６は、燃料電池スタック１２に導入する前の燃料によってアノードオフガスの温度を低下させることができる。

改質器１８は、水添脱硫器１４で脱硫された燃料を改質して水素や一酸化炭素を含む改質燃料を生成するものであり、内部に各種の改質触媒が設けられている。燃料電池スタック１２がその内部で燃料改質を行う構造の場合、改質器１８は省略することができる。

空気予熱器２０には、燃料電池スタック１２からの空気排出経路ＬＡ２と、空気供給経路ＬＡ１とが接続される。空気予熱器２０は、外部の供給源から空気ブロア２４を介して空気供給経路ＬＡ１で送られて燃料電池スタック１２に導入される空気を燃料電池スタック１２から排出されるカソードオフガスを利用して予熱する熱交換器である。

空気予熱器２０を出たカソードオフガスは、空気排出経路ＬＡ２から燃焼器２６に送られる。燃焼器２６には、カソードオフガスと共に、三方弁２８でオフガス供給経路ＬＦ２から分岐された燃料排出経路ＬＦ４からのアノードオフガスが導入される。三方弁２８は、オフガス供給経路ＬＦ２を流れるアノードオフガスの一部、例えば２０％程度を燃料排出経路ＬＦ４に流通させ、残部である８０％程度を水添脱硫器１４へと供給する分岐管である。すなわち、燃焼器２６は、水添脱硫器１４を経て再び燃料電池スタック１２に循環されるアノードオフガスのうち、燃料排出経路ＬＦ４から供給される余剰な一部をカソードオフガスに含まれる酸素を利用して燃焼させ、外部に排気するものである。燃焼器２６には図示しない温水製造用の熱交換器を設置してもよい。そうすると、燃料電池システム１０を発電と同時に温水や水蒸気を生成可能なコジェネレーションシステムとして構成できる。

図２は、水添脱硫器１４の構成を模式的に示した説明図である。

図２に示すように、水添脱硫器１４は、ステンレス等の金属管で形成された２重管構造であり、内側に設けられた円筒状の内管経路１４ａと、内管経路１４ａの外周側に設けられた環状の外管経路１４ｂとを有する。水添脱硫器１４は、角管形状であってもよい。

内管経路１４ａは、入口ポート３０ａにオフガス供給経路ＬＦ２から三方弁３２を介して分岐された分岐経路ＬＦ５が接続され、出口ポート３０ｂに燃料供給経路ＬＦ１が接続される。内管経路１４ａにおける入口ポート３０ａと出口ポート３０ｂとの間には、ガスの流通方向に沿って還元部３４と吸着部３５が順に並んで設けられている。三方弁３２は、オフガス供給経路ＬＦ２を流れるアノードオフガスの一部、例えば１％程度を分岐経路ＬＦ５に流通させ、残部である９９％程度を外管経路１４ｂへと供給する分岐管である。三方弁３２は、分岐経路ＬＦ５へのアノードオフガスの流入比率を調整可能な構造であってもよい。分岐経路ＬＦ５に流入したアノードオフガスは、原燃料供給経路ＬＦ３からの原燃料と混合されて入口ポート３０ａから内管経路１４ａに導入され、還元部３４及び吸着部３５で硫黄成分が除去された後、出口ポート３０ｂから燃料供給経路ＬＦ１に流入する。

還元部３４は、水素源からの水素と共に原燃料が導入されることで原燃料に含まれる硫黄成分を還元して硫化水素を生成するものであり、例えばニッケル系やコバルト系の触媒が用いられる。吸着部３５は、還元部３４で還元された硫黄成分である硫化水素を吸着するものであり、例えば酸化亜鉛等の吸着材が用いられる。

分岐経路ＬＦ５には、アノードオフガスに含まれる水分を除去するための水分除去器３６を設けてもよい。水分除去器３６は、例えば空冷式の熱交換器であり、アノードオフガス中の水分を除去することで還元部３４及び吸着部３５に水分が導入されることを防止できる。

外管経路１４ｂは、入口ポート３８ａに三方弁３２を経たオフガス供給経路ＬＦ２が接続され、出口ポート３８ｂに燃料供給経路ＬＦ１に合流する合流経路ＬＦ６が接続される。入口ポート３８ａから外管経路１４ｂに導入されたアノードオフガスは、内管経路１４ａの外周面に接触しながら流通することで内管経路１４ａ内を加熱した後、出口ポート３８ｂから合流経路ＬＦ６を介して燃料供給経路ＬＦ１に流入する。つまり、外管経路１４ｂは、内管経路１４ａを加熱することで還元部３４及び吸着部３５での硫黄成分の除去反応を安定して維持するための加熱部４０として機能する。

従って、以上のように構成された燃料電池システム１０では、外部の供給源から原燃料供給経路ＬＦ３を介して供給された原燃料は、分岐経路ＬＦ５からのアノードオフガスと共に水添脱硫器１４の内管経路１４ａに設けられた還元部３４及び吸着部３５を順に流通する。同時に水添脱硫器１４の外管経路１４ｂである加熱部４０には、燃料電池スタック１２から例えば５００℃程度で排出された後、燃料予熱器１６で燃料電池スタック１２に導入される燃料と熱交換し、水添脱硫器１４での触媒反応に適した３００℃程度となったアノードオフガスがオフガス供給経路ＬＦ２から導入される。

その結果、水添脱硫器１４では、分岐経路ＬＦ５から導入されるアノードオフガスに含まれる水素を水素源とし、加熱部４０を流れるアノードオフガスの熱を熱源として還元部３４及び吸着部３５で次のような硫黄成分の除去反応が行われる。すなわち、還元部３４で次式（１）に示すように硫黄化合物を硫化水素に還元する水添反応を生じ、吸着部３５で次式（２）に示すように硫化水素を吸着する吸着反応を生じることで原燃料中の硫黄成分が除去される。
式（１）：ＣｎＨｎＳ＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｓ＋ＣｎＨｎ
式（２）：ＺｎＯ＋Ｈ_２Ｓ→ＺｎＳ＋Ｈ_２Ｏ

水添脱硫器１４で硫黄成分が除去された原燃料である燃料は、燃料予熱器１６でオフガス供給経路ＬＦ２を流れるアノードオフガスの熱を吸収して予熱され、改質器１８で改質された後、燃料電池スタック１２の燃料極に導入され、空気供給経路ＬＡ１から空気極に導入された空気と反応して発電する。この際、燃料電池システム１０では、水添脱硫器１４によって燃料中の硫黄成分が除去されているため、改質器１８や燃料電池スタック１２での触媒の被毒が防止される。

そして、燃料電池スタック１２での発電反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスは再びオフガス供給経路ＬＦ２を流通し、一部は三方弁２８から燃焼器２６に送られる一方、残部は再び水添脱硫器１４に導入され、ここでの水素源及び熱源として利用される。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１２から排出される未反応の水素を含む燃料であるアノードオフガスを、水添脱硫器１４の熱源として該水添脱硫器１４の加熱部４０に供給するオフガス供給経路ＬＦ２を備える。従って、燃料電池スタック１２からのアノードオフガスを直接的に水添脱硫器１４の加熱部４０に供給して熱源とすることにより、水添脱硫器１４の加熱用の燃焼器が不要となり、システム構成を簡素化し、製造コストを低減することができる。

当該燃料電池システム１０では、水添脱硫器１４の加熱部４０に接続されるオフガス供給経路ＬＦ２から分岐して、オフガス供給経路ＬＦ２を流れるアノードオフガスの一部を水素源として水添脱硫器１４の還元部３４に供給する分岐経路ＬＦ５と、加熱部４０を出たアノードオフガスを、還元部３４及び吸着部３５からの燃料と合流させて燃料電池スタック１２へと導入する燃料供給経路ＬＦ１とを備える。これにより、加熱部４０によって水添脱硫器１４の熱源として利用したアノードオフガスを再び燃料と合流させて燃料電池スタック１２に導入することができる。その結果、アノードオフガスに含まれる未反応の水素を有効に活用でき、システム全体としての水素の利用率を向上させ、燃料電池スタック１２に導入される水素濃度も高めることができる。

水添脱硫器１４では、原燃料とアノードオフガスの混合ガスが流れる還元部３４及び吸着部３５を有する内管経路１４ａの外周に形成した外管経路１４ｂを加熱部４０として構成している。これにより、加熱部４０を流れるアノードオフガスによって効率よく還元部３４及び吸着部３５を流れる原燃料を加熱することができ、水添脱硫器１４を作動温度帯である３００℃程度に安定して維持することができる。

当該燃料電池システム１０では、オフガス供給経路ＬＦ２における燃料電池スタック１２と水添脱硫器１４との間となる位置に、水添脱硫器１４に供給されるアノードオフガスの温度を低下させる熱交換器である燃料予熱器１６を設けている。これにより、燃料電池スタック１２から例えば５００℃程度で排出されたアノードオフガスの温度を、水添脱硫器１４の作動温度帯である３００℃程度に低下させることができ、水添脱硫器１４の一層安定した動作が可能となる。しかも燃料予熱器１６は、水添脱硫器１４を出た燃料とオフガス供給経路ＬＦ２を流れるアノードオフガスとを熱交換させる構成のため、改質器１８及び燃料電池スタック１２に導入される直前の燃料をアノードオフガスを用いて予熱することができるという利点もある。

ところで、上記では、オフガス供給経路ＬＦ２から三方弁２８を経て水添脱硫器１４に導入されるアノードオフガスのうち、一部を還元用の水素源として三方弁３２から分岐経路ＬＦ５に流入させ、残部を水添脱硫器１４の熱源として加熱部４０に流入させる構成としている。しかしながら、燃料電池スタック１２の種類や仕様、燃料予熱器１６の容量等によって水添脱硫器１４に導入されるアノードオフガスの温度が異なる場合があり、特に高温である場合は、加熱部４０での加熱量が過剰となり、水添脱硫器１４を適正な作動温度帯である３００℃程度に維持することが難しい場合もある。

そこで、図３に示すように、三方弁３２の下流側で加熱部４０に接続されるオフガス供給経路ＬＦ２を三方弁４２によってさらに分岐させ、この部分のオフガス供給経路ＬＦ２を流れるアノードオフガスの一部を水添脱硫器１４をバイパスさせて燃料供給経路ＬＦ１（合流経路ＬＦ６）に合流させるバイパス経路ＬＦ７を設けてもよい。このバイパス経路ＬＦ７を設けることにより、高温のアノードオフガスの全てが水添脱硫器１４に導入され、水添脱硫器１４が適正温度より高温になることを防止できる。換言すれば、このバイパス経路ＬＦ７を設けることで、アノードオフガスの一部を水添脱硫器１４をバイパスさせて燃料電池スタック１２に導入される前の燃料供給経路ＬＦ１の燃料に合流させて燃料温度を上昇させることができるため、燃料予熱器１６を省略してシステム構成のさらなる簡素化を図ることができる。勿論、燃料予熱器１６を備えたシステム構成でバイパス経路ＬＦ７を設けてもよい。

上記では、水添脱硫器１４を２重管構造とし、内側の内管経路１４ａに還元部３４及び吸着部３５を設け、外側の外管経路１４ｂに加熱部４０を設ける構成を例示したが、例えば図４に示すように内側の内管経路１４ａに加熱部４０を設け、外側の外管経路１４ｂに還元部３４及び吸着部３５を設けた水添脱硫器５０として構成してもよい。

また、図５に示すように、３重管構造の水添脱硫器５２として構成してもよい。この水添脱硫器５２は、内側の内管経路１４ａと外側の外管経路１４ｂの間に中間経路１４ｃを設け、内管経路１４ａ及び外管経路１４ｂを加熱部４０とし、その間の中間経路１４ｃに還元部３４及び吸着部３５を設けている。これにより、内外の加熱部４０を流れるアノードオフガスによってより効率よく還元部３４及び吸着部３５を流れる原燃料を加熱することができる。勿論、水添脱硫器は４重管以上の構造としてもよく、還元部３４及び吸着部３５と加熱部４０との配置は適宜設定すればよい。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば上記実施形態では、燃料電池スタック１２として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた構成を例示したが、本発明は他の構造の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）にも適用可能である。

また、燃料電池スタック１２から空気排出経路ＬＡ２に排出されたカソードオフガスを、この空気排出経路ＬＡ２から分岐した経路（図示せず）を用いてオフガス供給経路ＬＦ２からのアノードオフガスと共に水添脱硫器１４等の加熱部４０に導入してもよい。但し、この構成とする場合は、加熱部４０を出たアノードオフガス及びカソードオフガスの混合ガスは例えば燃焼器２６を介して外部に排出する必要がある。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池スタック
１４，５０，５２ 水添脱硫器
１４ａ 内管経路
１４ｂ 外管経路
１４ｃ 中間経路
１６ 燃料予熱器
１８ 改質器
２０ 空気予熱器
２８，３２，４２ 三方弁
３０ａ，３８ａ 入口ポート
３０ｂ，３８ｂ 出口ポート
３４ 還元部
３５ 吸着部
３６ 水分除去器
４０ 加熱部
ＬＡ１ 空気供給経路
ＬＡ２ 空気排出経路
ＬＦ１ 燃料供給経路
ＬＦ２ オフガス供給経路
ＬＦ３ 原燃料供給経路
ＬＦ４ 燃料排出経路
ＬＦ５ 分岐経路
ＬＦ６ 合流経路
ＬＦ７ バイパス経路

Claims (7)

1. 原燃料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、該水添脱硫器で硫黄成分が除去された原燃料である燃料と空気を利用して発電する燃料電池スタックとを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックから排出される未反応の水素を含む燃料であるアノードオフガスを、前記水添脱硫器の熱源として該水添脱硫器の加熱部に供給するオフガス供給経路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記水添脱硫器は、水素源からの水素と共に原燃料が導入され、該原燃料に含まれる硫黄成分を還元する還元部と、該還元部で還元された硫黄成分を吸着する吸着部とを有し、
   前記水添脱硫器の加熱部に接続される前記オフガス供給経路から分岐して、該オフガス供給経路を流れるアノードオフガスの一部を水素源として前記水添脱硫器の還元部に供給する分岐経路と、
   前記加熱部を出たアノードオフガスを、前記還元部及び前記吸着部を出た燃料と合流させて前記燃料電池スタックへと供給する燃料供給経路と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記水添脱硫器は、多重管構造であり、
   前記加熱部は、原燃料及び前記分岐経路からのアノードオフガスの混合ガスが流れる前記還元部及び前記吸着部の外周及び内周の少なくとも一方に形成された経路であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記分岐経路から前記水添脱硫器に導入されるアノードオフガスに含まれる水分を除去する水分除去器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記オフガス供給経路における前記燃料電池スタックと前記水添脱硫器との間となる位置に、前記水添脱硫器に供給されるアノードオフガスの温度を低下させる熱交換器を有することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
   前記熱交換器は、前記水添脱硫器を出た燃料と前記オフガス供給経路を流れるアノードオフガスとを熱交換させることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記水添脱硫器の加熱部に接続される前記オフガス供給経路からさらに分岐して、該オフガス供給経路を流れるアノードオフガスの一部を前記水添脱硫器をバイパスさせて前記燃料供給経路に合流させるバイパス経路を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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