JPWO2013073498A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの冷却方法 - Google Patents

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Abstract

燃料電池システム1は、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタック5を含む発電部22と、発電部22を収容する筐体21と、セルスタック5から排出されるオフガスの燃焼ガス、及び水を流通させ、燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する熱交換器23と、熱交換器23に水を流入させる水流路24と、を備えている。水流路24は、発電部22から水に熱を移動させて発電部22を冷却するように設けられている。

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの冷却方法に関する。
従来の燃料電池システムとして、例えば特許文献1には、セルスタックを含む発電部と、発電部を収容する筐体と、筐体外から筐体内に空気を取り込むファンと、その空気をセルスタックのカソードに供給するブロアと、を備えるものが記載されている。この燃料電池システムでは、筐体外から筐体内に空気を取り込むことで、筐体内の冷却及び換気を行っている。
特開2007−207441号公報
ところで、上述したような発電部を収容する筐体には、例えば燃料電池システムの施設内への設置等の観点から、気密性の確保が要求される場合がある。そのような場合には、筐体外から筐体内に空気を取り込むファンを筐体に設置することはできない。
そこで、本発明は、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの冷却方法を提供することを課題とする。
本発明の一観点の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、発電部を収容する筐体と、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスと、液体の熱媒体とを流通させ、燃焼ガスから熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する熱交換器と、熱交換器に対して熱媒体を流通させる熱媒体流路と、を備え、熱媒体流路は、発電部から熱媒体に熱を移動させて発電部を冷却するように設けられている。
この燃料電池システムでは、発電部から熱媒体に熱を移動させて発電部を冷却するように熱媒体流路が設けられている。従って、この燃料電池システムによれば、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。なお、気密性とは、筐体への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であることを意味する。
また、本発明の別観点の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、発電部を収容する筐体と、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスと、液体の熱媒体とを流通させ、燃焼ガスから熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する熱交換器と、熱交換器に対して熱媒体を流通させる複数の熱媒体流路と、を備え、熱媒体流路は、発電部から熱媒体に熱を移動させて発電部を冷却するように設けられている。
この燃料電池システムによれば、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。この場合、熱媒体流路のそれぞれは、熱交換器に対して異なる種類の熱媒体を流通させてもよい。あるいは、熱媒体流路のそれぞれは、熱交換器に対して同じ種類の熱媒体を流通させてもよい。
ここで、熱媒体流路は、熱交換器に熱媒体を流入させる流路であってもよい。これによれば、熱交換器で加熱される前の熱媒体に発電部から熱が移動することになるので、筐体に収容された発電部をより効率良く冷却することができる。
また、熱媒体は、水であってもよい。この場合、当該水が、貯湯槽から循環供給される水であれば、この燃料電池システムが設置された施設において、加熱された水(すなわち、湯)を利用することができる。また、当該水が、水素含有ガスを発生させるために用いられる改質用の水であれば、改質用の水が予め加熱されるため、改質用の水を効率良く気化させることができる。
また、熱媒体は、グリコール類であってもよい。グリコール類は、水よりも沸点が高いため、水よりも高温で発電部の熱を回収することができる。
また、筐体は、気密性を有していてもよい。この場合にも、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。
また、熱媒体流路は、発電部の外壁にジグザグ状に敷設されていてもよい。さらに、熱媒体流路は、発電部の外壁において複数に分岐していてもよい。これらによれば、発電部と熱媒体流路との接触面積を増加させることができるので、発電部と熱媒体流路との間における熱交換を確実化することができる。
本発明の一観点の燃料電池システムの冷却方法は、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、発電部を収容する筐体と、を備える燃料電池システムの冷却方法であって、当該冷却方法では、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる液体の熱媒体を流通させて、発電部から熱媒体に熱を移動させて発電部を冷却する。
この燃料電池システムの冷却方法によれば、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。
本発明によれば、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。
本発明の第1実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 本発明の第1実施形態の燃料電池システムの概念図である。 本発明の第2実施形態の燃料電池システムの概念図である。 本発明の第3実施形態の燃料電池システムの概念図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
[第1実施形態]
図1に示されるように、第1実施形態の燃料電池システム1は、脱硫部2と、水気化部3と、水素発生部4と、セルスタック5と、オフガス燃焼部6と、水素含有燃料供給部7と、水供給部8と、酸化剤供給部9と、パワーコンディショナー10と、制御部11と、を備えている。燃料電池システム1は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック5にて発電を行う。燃料電池システム1におけるセルスタック5の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)、リン酸形燃料電池(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック5の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図1に示す構成要素を適宜省略してもよい。
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物(酸素等、他の元素を含んでいてもよい)若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス(通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい)、酸素富化空気が用いられる。
脱硫部2は、水素発生部4に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部2は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部2の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部2は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部4へ供給する。
水気化部3は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部4に供給される水蒸気を生成する。水気化部3における水の加熱は、例えば、水素発生部4の熱、オフガス燃焼部6の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム1内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図1では、一例としてオフガス燃焼部6から水素発生部4へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部3は、生成した水蒸気を水素発生部4へ供給する。
水素発生部4は、脱硫部2からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部4は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部4での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部4は、セルスタック5に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック5のタイプが固体高分子形燃料電池(PEFC)やリン酸形燃料電池(PAFC)であった場合、水素発生部4は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成(例えば、シフト反応部、選択酸化反応部)を有する。水素発生部4は、水素リッチガスをセルスタック5のアノード12へ供給する。
セルスタック5は、水素発生部4からの水素リッチガス及び酸化剤供給部9からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック5は、水素リッチガスが供給されるアノード12と、酸化剤が供給されるカソード13と、アノード12とカソード13との間に配置される電解質14と、を備えている。セルスタック5は、パワーコンディショナー10を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック5は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部6へ供給する。なお、水素発生部4が備えている燃焼部(例えば、改質器を加熱する燃焼器など)をオフガス燃焼部6と共用してもよい。
オフガス燃焼部6は、セルスタック5から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部6によって発生する熱は、水素発生部4へ供給され、水素発生部4での水素リッチガスの発生に用いられる。
水素含有燃料供給部7は、脱硫部2へ水素含有燃料を供給する。水供給部8は、水気化部3へ水を供給する。酸化剤供給部9は、セルスタック5のカソード13へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部7、水供給部8、及び酸化剤供給部9は、例えばポンプによって構成されており、制御部11からの制御信号に基づいて駆動する。
パワーコンディショナー10は、セルスタック5からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー10は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
制御部11は、燃料電池システム1全体の制御処理を行う。制御部11は、例えばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部11は、水素含有燃料供給部7、水供給部8、酸化剤供給部9、パワーコンディショナー10、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部11は、燃料電池システム1内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム1内の各機器へ制御信号を出力する。
上述した第1実施形態の燃料電池システム1は、図2に示されるように、外部の空気に対して気密性を有する筐体21を備えている。筐体21は、発電部22をはじめとして、上述した各機器類を収容している。発電部22は、水素リッチガス(水素含有ガス)を用いて発電を行うセルスタック5を含んでモジュール化されたものである。発電部22は、少なくともセルスタック5を含むものであって、さらにオフガス燃焼部6や水素発生部4等を含む場合もあれば、オフガス燃焼部6や水素発生部4等を含まない場合もある。
筐体21内には、熱交換器23が収容されている。熱交換器23は、セルスタック5から排出されるオフガスの燃焼ガス(すなわち、オフガス燃焼部6からの排ガス)、及び水を流通させることで、燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する。この水は、例えば、燃料電池システム1が設置された施設に湯を供給するための貯湯槽に貯留されて、その貯湯槽から熱交換器23に循環供給されたものである。
熱交換器23には、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換器23に流入させる水流路(熱媒体流路)24、及びその水を熱交換器23から流出させる水流路25が接続されている。水流路24は、発電部22から水に熱を移動させて発電部22を冷却するように、発電部22の外壁にジグザグ状に敷設されている。これにより、発電部22と水流路24との間における熱交換を確実化することができる。一方、水流路25は、発電部22及び熱交換器23で加熱された水(すなわち、湯)を例えば貯湯槽に帰還させる。
以上説明したように、第1実施形態の燃料電池システム1では、熱交換器23に水を流入させる水流路24が、発電部22から水に熱を移動させて発電部22を冷却するように設けられている。換言すれば、第1実施形態の燃料電池システム1では、セルスタック5から排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる水を流通させて、発電部22から当該水に熱を移動させて発電部22を冷却する燃料電池システムの冷却方法が実施される。これにより、熱交換器23で加熱される前の水に発電部22から熱が移動することになる。従って、燃料電池システム1によれば、気密性(筐体21への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であること)を有する筐体21に収容された発電部22を効率良く冷却することができる。その一方で、発電部22及び熱交換器23で水が加熱されるので、燃料電池システム1が設置された施設において、湯を利用することができる。
[第2実施形態]
第2実施形態の燃料電池システム1は、水流路24が複数設けられている点で、上述した第1実施形態の燃料電池システム1と主に相違している。以下、この相違点を中心に、第2実施形態の燃料電池システム1について説明する。
図3に示されるように、第2実施形態の燃料電池システム1は、複数の水流路(熱媒体流路)24A,24Bを備えている。水流路24Aは、熱交換器23に接続されており、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換器23に流入させる。水流路24Aによって熱交換器23に流入させられた水は、熱交換器23に接続された水流路25Aによって、熱交換器23から流出させられる。また、水流路24Bは、熱交換器23に接続されており、例えば水素リッチガスを発生させるために水素発生部4(図1を参照)で用いられる改質用の水を熱交換器23に流入させる。水流路24Bによって熱交換器23に流入させられた水は、熱交換器23に接続された水流路25Bによって、熱交換器23から流出させられる。
これにより、熱交換器23には、セルスタック5から排出されるオフガスの燃焼ガス、並びに、貯湯槽から循環供給された水及び改質用の水がそれぞれ流通させられることになる。従って、熱交換器23では、貯湯槽から循環供給された水及び改質用の水に燃焼ガスから熱が移動させられて、貯湯槽から循環供給された水及び改質用の水が加熱されることになる。なお、貯湯槽から循環供給された水は、例えば量の多い〜200Lの水道水であり、その流量は、例えば100〜2000cc/minである。一方、改質用の水は、例えば量の少ない1L程度の純水であり、その流量は、例えば1〜100cc/minである。このように、第2実施形態の燃料電池システム1では、各水流路24A,24Bが、熱交換器23に対して異なる種類の水を流通させる。
各水流路24A,24Bは、発電部22から水に熱を移動させて発電部22を冷却するように、発電部22の外壁にジグザグ状(流路が少なくとも1回折り返されている状態を含む)に敷設されている。これにより、発電部22と各水流路24A,24Bとの接触面積を増加させることができるので、発電部22と各水流路24A,24Bとの間における熱交換を確実化することができる。一方、水流路25Aは、発電部22及び熱交換器23で加熱された水(すなわち、湯)を例えば貯湯槽に帰還させる。また、水流路25Bは、発電部22及び熱交換器23で加熱された水を水気化部3(図1を参照)に導入させる。
以上説明したように、第2実施形態の燃料電池システム1では、熱交換器23に水を流入させる各水流路24A,24Bが、発電部22から水に熱を移動させて発電部22を冷却するように設けられている。換言すれば、第2実施形態の燃料電池システム1では、セルスタック5から排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる水を流通させて、発電部22から当該水に熱を移動させて発電部22を冷却する燃料電池システムの冷却方法が実施される。これにより、熱交換器23で加熱される前の水に発電部22から熱が移動することになる。従って、燃料電池システム1によれば、気密性(筐体21への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であること)を有する筐体21に収容された発電部22を効率良く冷却することができる。
さらに、水流路24Aが、貯湯槽から循環供給される水を流通させるので、燃料電池システム1が設置された施設において、加熱された水(すなわち、湯)を利用することができる。また、水流路24Bが、水素リッチガスを発生させるために水素発生部4で用いられる改質用の水を流通させるので、改質用の水を水気化部3で効率良く気化させることができる。
[第3実施形態]
第3実施形態の燃料電池システム1は、水流路24が分岐している点で、上述した第1実施形態の燃料電池システム1と主に相違している。以下、この相違点を中心に、第3実施形態の燃料電池システム1について説明する。
図4に示されるように、第3実施形態の燃料電池システム1は、発電部22の外壁において複数に分岐した水流路24を備えている。水流路24は、発電部22の上流側において水流路24と水流路24とに分岐しており、水流路24と水流路24とは、発電部22の下流側において合流している。水流路24は、熱交換器23に接続されており、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換器23に流入させる。水流路24によって熱交換器23に流入させられた水は、熱交換器23に接続された水流路25によって、熱交換器23から流出させられる。
これにより、熱交換器23には、セルスタック5から排出されるオフガスの燃焼ガス、及び貯湯槽から循環供給された水がそれぞれ流通させられることになる。従って、熱交換器23では、貯湯槽から循環供給された水に燃焼ガスから熱が移動させられて、貯湯槽から循環供給された水が加熱されることになる。
水流路24のうち分岐した部分である各水流路24,24は、発電部22から水に熱を移動させて発電部22を冷却するように、発電部22の外壁にジグザグ状に敷設されている。これにより、発電部22と各水流路24,24との接触面積を増加させることができるので、発電部22と各水流路24,24との間における熱交換を確実化することができる。一方、水流路25は、発電部22及び熱交換器23で加熱された水(すなわち、湯)を例えば貯湯槽に帰還させる。
以上説明したように、第3実施形態の燃料電池システム1では、熱交換器23に水を流入させる水流路24が、発電部22から水に熱を移動させて発電部22を冷却するように設けられている。換言すれば、第3実施形態の燃料電池システム1では、セルスタック5から排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる水を流通させて、発電部22から当該水に熱を移動させて発電部22を冷却する燃料電池システムの冷却方法が実施される。これにより、熱交換器23で加熱される前の水に発電部22から熱が移動することになる。従って、燃料電池システム1によれば、気密性(筐体21への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であること)を有する筐体21に収容された発電部22を効率良く冷却することができる。
以上、本発明の第1〜第3実施形態について説明したが、本発明は、上記第1〜第3実施形態に限定されるものではない。例えば、筐体21は、気密性を有していなくてもよい。この場合にも、筐体21外から筐体21内に空気を取り込むためのファン等を別途筐体21に設ける必要がないので、燃料電池システム1の構造の単純化を図ることができる。
また、第1及び第3実施形態の燃料電池システム1において、水流路24を流通する水は、貯湯槽から循環供給される水に限定されず、水気化部3に供給される改質用の水等、その他の水であってもよい。また、第2実施形態の燃料電池システム1において、各水流路24A,24Bを流通する水は、貯湯槽から循環供給される水や、水気化部3に供給される改質用の水に限定されず、その他の水であってもよい。さらに、第2実施形態の燃料電池システム1において、各水流路24A,24Bを流通する水は、貯湯槽から循環供給される水等、同じ種類の水であってもよい。
また、第1及び第3実施形態の燃料電池システム1において、水流路24と共に、あるいは水流路24に代えて、他の液体の熱媒体(例えばグリコール類等)を流通させる1ライン又は複数ラインの熱媒体流路を設けてもよい。また、第2実施形態の燃料電池システム1において、水流路24A,24Bと共に、あるいは水流路24A,24Bの少なくとも1ラインに代えて、他の液体の熱媒体(例えばグリコール類等)を流通させる1ライン又は複数ラインの熱媒体流路を設けてもよい。これらの場合にも、発電部22から熱媒体に熱を移動させて発電部22を冷却するように熱媒体流路を設ければよい。なお、グリコール類を流通させる熱媒体流路を設ければ、グリコール類は、水よりも沸点が高いため、水よりも高温で発電部22の熱を回収することが可能となる。
さらに、第2実施形態の燃料電池システム1において、異なる種類の水(例えば、貯湯槽から循環供給された水や改質用の水等)を流通させてもよいし、同じ種類の水を流通させてもよいのと同様に、複数ラインの熱媒体流路を設ける場合には、異なる種類の熱媒体を流通させてもよいし、同じ種類の熱媒体を流通させてもよい。
また、水流路24は、水を熱交換器23から流出させる流路であってもよい。この場合にも、熱交換器23で加熱された水の温度が発電部22の温度よりも低ければ、発電部22を冷却することができる。そして、複数ラインの水流路24を設ける場合には、全ての水流路24において同じ方向に水を流通させる必要はない。これらのことは、上述した熱媒体流路についても同様である。
本発明によれば、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。
1…燃料電池システム、5…セルスタック、21…筐体、22…発電部、23…熱交換器、24,24A,24B…水流路(熱媒体流路)。

Claims (13)

  1. 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、
    前記発電部を収容する筐体と、
    前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスと、液体の熱媒体とを流通させ、前記燃焼ガスから前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換器と、
    前記熱交換器に対して前記熱媒体を流通させる熱媒体流路と、を備え、
    前記熱媒体流路は、前記発電部から前記熱媒体に熱を移動させて前記発電部を冷却するように設けられている、燃料電池システム。
  2. 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、
    前記発電部を収容する筐体と、
    前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスと、液体の熱媒体とを流通させ、前記燃焼ガスから前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換器と、
    前記熱交換器に対して前記熱媒体を流通させる複数の熱媒体流路と、を備え、
    前記熱媒体流路は、前記発電部から前記熱媒体に熱を移動させて前記発電部を冷却するように設けられている、燃料電池システム。
  3. 前記熱媒体流路のそれぞれは、前記熱交換器に対して異なる種類の前記熱媒体を流通させる、請求項2記載の燃料電池システム。
  4. 前記熱媒体流路のそれぞれは、前記熱交換器に対して同じ種類の前記熱媒体を流通させる、請求項2記載の燃料電池システム。
  5. 前記熱媒体流路は、前記熱交換器に前記熱媒体を流入させる流路である、請求項1〜4のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  6. 前記熱媒体は、水である、請求項1〜5のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  7. 前記水は、貯湯槽から循環供給される水である、請求項6記載の燃料電池システム。
  8. 前記水は、前記水素含有ガスを発生させるために用いられる改質用の水である、請求項6記載の燃料電池システム。
  9. 前記熱媒体は、グリコール類である、請求項1〜5のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  10. 前記筐体は、気密性を有している、請求項1〜9のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  11. 前記熱媒体流路は、前記発電部の外壁にジグザグ状に敷設されている、請求項1〜10のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  12. 前記熱媒体流路は、前記発電部の外壁において複数に分岐している、請求項1〜11のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  13. 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、前記発電部を収容する筐体と、を備える燃料電池システムの冷却方法であって、
    前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる液体の熱媒体を流通させて、前記発電部から前記熱媒体に熱を移動させて前記発電部を冷却する、燃料電池システムの冷却方法。
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