KR100488877B1 - Hydrogen and oxygen of humidification optimization method for stack injection - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화 방법에 관한 것으로서, 종래의 외부가습 방법에 간단한 알고리즘을 추가하여 능동적이고 적절한 수소 가습 방법을 제공할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a method for optimizing humidification of fuel cell stack injected hydrogen and oxygen, and to provide an active and appropriate hydrogen humidification method by adding a simple algorithm to a conventional external humidification method.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택(10)에는 가습기(11)와 모터제어기(12)가 연결되고, 이 모터제어기(12)에는 모터(13)와 제어기(14)가 연결되며, 이 제어기(14)는 상기 가습기(11)와 가속페달(15)이 각각 연결되도록 구비하여;To this end, in the present invention, the humidifier 11 and the motor controller 12 are connected to the fuel cell stack 10, and the motor controller 12 is connected to the motor 13 and the controller 14. 14 is provided to connect the humidifier (11) and the accelerator pedal (15), respectively;
상기 가속페달(15)을 밟을 때 제어기(14)는 그에 따른 수소와 산소를 연료전지 스택(10)에 공급하고, 가습기(11)를 조절하여 가습량을, 모터제어기(12)를 조절하여 모터(13)에 공급되는 파워를 조절할 수 있도록 것을 특징으로 하는 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화 방법을 제공한다.When the accelerator pedal 15 is pressed, the controller 14 supplies hydrogen and oxygen accordingly to the fuel cell stack 10, adjusts the humidifier 11 to adjust the humidification amount, and adjusts the motor controller 12 to control the motor ( Provides a method for optimizing the humidification of hydrogen and oxygen injection fuel stack, characterized in that the power supplied to 13) can be adjusted.
Description
본 발명은 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 외부 가습 방법에 간단한 알고리즘을 추가하여 능동적이고 적절한 수소 가습 방법을 제공할 수 있도록 한 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for optimizing humidification of fuel cell stack injection hydrogen and oxygen, and more particularly, to a fuel cell stack injection hydrogen that provides a simple and active hydrogen humidification method by adding a simple algorithm to a conventional external humidification method. And a method for optimizing humidification of oxygen.
자동차의 구동 에너지를 기존의 자동차와 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 전기자동차는 자동차에서의 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다. 이 전기자동차는 엔진이 전기모터로 대치된 것 외에 내연기관 자동차들과 약간씩의 차이가 있으나, 가장 큰 문제는 에너지의 공급원인 배터리이다. 배터리의 경량·소형화 및 짧은 충전시간은 전기자동차가 실용화되기 위한 필수적인 선결 조건이다.Electric vehicles, which derive their driving energy from electric energy rather than from the burning of fossil fuels like conventional cars, have no emissions at all and have very little noise. The electric car is slightly different from the internal combustion engine cars except that the engine is replaced by an electric motor, but the biggest problem is the battery as a source of energy. Light weight, small size, and short charging time of batteries are essential prerequisites for the practical use of electric vehicles.
배터리로써 연료전지 또는 2차전지의 단위전지 작동전압은 매우 작기 때문에, 자동차의 동력원으로 사용하기 위해서 작게는 수십 개 내지 수백 개의 단위전지를 직렬 연결하여 사용한다.Since the operating voltage of a unit cell of a fuel cell or a secondary cell is very small as a battery, in order to use it as a power source of an automobile, at least tens to hundreds of unit cells are used in series.
여러 개의 단위전지를 직렬 연결하여 구성된 단위체를 연료전지의 경우에는 스택, 이차전지의 경우에는 모듈 또는 팩이고 이를 전지구성체라고 한다.A unit composed of several unit cells connected in series is a stack in the case of a fuel cell, a module or a pack in a secondary battery, and is called a battery assembly.
상기 단위전지는 제조과정 중의 편차, 및 구성체 내에서의 온도, 압력 등의 불균일 분포로 인해 전지 구성체 내에서의 작동 상태가 모두 다르다. 이러한 전지구성체에서 하나의 단위전지라도 정상적으로 작동하지 않는다면, 단위전지가 직렬 연결된 전지구성체 전체가 정상적으로 작동하지 못하게 된다. 그러므로, 작동시 단위전지를 하나하나 또는 일정 개수의 단위로 묶어 전압, 온도 등을 감시하여 전지의 정상 작동 유무를 판단하는 감시장치가 필요하다.The unit cell has different operating states in the cell structure due to variations in the manufacturing process and uneven distribution such as temperature and pressure in the structure. If even one unit cell does not operate normally in such a battery assembly, the entire battery assembly in which the unit cells are connected in series may not operate normally. Therefore, there is a need for a monitoring device that determines whether the battery is normally operated by monitoring the voltage, temperature and the like by uniting unit cells one by one or a predetermined number of units during operation.
어떠한 작동 조건에서 단위전지의 전압은 각 단위전지의 정상 작동 유무를 판단하는 가장 중요한 감시 요소가 된다. 따라서, 감시장치는 단위전지 별로 나오는 직류 전압인 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸고 이를 이미 입력된 정상 상태의 값과 비교하여 정상 작동 유무를 판단하게 된다.Under certain operating conditions, the voltage of a unit cell is the most important monitoring factor to determine the normal operation of each unit cell. Therefore, the monitoring apparatus converts an analog signal, which is a DC voltage, for each unit cell into a digital signal, and compares it with a previously inputted normal value to determine whether or not it is operating normally.
도 1은 연료전지 자동차에서 사용되는 연료전지의 개략도로서, 애노우드(1)와 캐소우드(2)를 부하(8)에 연결시키는 한편, 그 사이에 촉매가 코팅된 멤브래인(4)을 감싼 가스산포메디아(5)가 일체로 설치되어 있다. 1 is a schematic diagram of a fuel cell used in a fuel cell vehicle, connecting the anode 1 and the cathode 2 to the load 8, while the membrane 4 coated with a catalyst therebetween. Wrapped gas dispersal media 5 are integrally installed.
상기 애노우드(1)와 가스산포메디아(5) 사이에 수소유입(3)이, 그리고 상기 캐소우드(2)와 가스산포메디아(5) 사이에 산소유입(6) 또는 공기가 통과되고 있다.A hydrogen inflow 3 is passed between the anode 1 and the gas diffuse media 5, and an oxygen inflow 6 or air is passed between the cathode 2 and the gas diffuse media 5.
여기서, 편의상 모든 구성품을 떨어뜨려서 도시하고 있으나, 실제적으로는 수소와 산소통로를 제외하고는 꽉 붙어있다. 그리고, 상기 캐소우드(2)측은 바이폴러 프레이트(7)를 나타내고 있다.Here, all the components are shown dropped for convenience, but are actually tight except for the hydrogen and oxygen passages. The cathode 2 side shows a bipolar plate 7.
상기 촉매가 코팅된 멤브래인(4)인 멤브래인 전극어셈블리를 사이에 두고 한편에는 수소를, 다른 한편에는 산소 또는 공기를 유입시킨다. 이때 애노우드(1)에서는 수소가 멤브래인 전극어셈블리(4)표면의 촉매작용으로 수소 양이온과 전자로 분해되고 있는 바, 상기 전자는 바이폴러 프레이트(7)를 통해 흘러가고, 상기 수소 양이온은 멤브래인 전극어셈블리(4)를 통해서 캐소우드(2)쪽으로 흘러간다. The membrane electrode assembly, which is the membrane coated membrane 4, is sandwiched between hydrogen on one side and oxygen or air on the other. At this time, hydrogen is decomposed into hydrogen cations and electrons by catalysis of the surface of the membrane electrode assembly 4 in the anode 1, and the electrons flow through the bipolar plate 7, and the hydrogen cations It flows through the membrane electrode assembly (4) toward the cathode (2).
이렇게 흘러간 수소 양이온은 캐소우드(2)의 산소 음이온과 결합하여 물이 생성되어 출구쪽으로 배출된다.The hydrogen cations flowing in this way are combined with the oxygen anions of the cathode 2 to generate water and discharged toward the outlet.
전기를 생산하기 위해서는 수소 양이온이 멤브래인 전극어셈블리(4)를 거쳐 캐소우드(2)쪽으로 이동하는 것이 필수적인 데, 이를 위하여 멤브래인 전극어셈블리(4)은 항상 촉촉히 젖어 있어야 한다. In order to produce electricity, it is essential for the hydrogen cation to move toward the cathode 2 through the membrane electrode assembly 4, for which the membrane electrode assembly 4 must always be wet.
그러나, 수소 양이온이 캐소우드(2)쪽으로 이동할 때에는 물분자를 가지고서 이동하게 되므로, 적절한 멤브래인 전극어셈블리(4)의 습도를 맞추어 주기 위해서는 유입되는 수소 및 산소를 항상 일정하게 가습해 주는 것이 필요하게 된다.However, when the hydrogen cation moves toward the cathode 2, it moves with water molecules, and therefore, it is necessary to constantly humidify the hydrogen and oxygen flowing in order to adjust the humidity of the appropriate membrane electrode assembly 4. Done.
한편, 연료전지 스택에 주입하는 가스(수소, 산소)의 가습을 하는 방법은 크게 외부가습과 내부가습등이 있다. 상기 내부가습은 스택의 냉각수를 이용하여 주입되는 수소와 산소를 가습하게 되는 바, 이 방식에서는 또한 산소측에서 발생하는 생성수를 이용하여 가습하므로 외부 저장소에서의 가습수 사용을 효과적으로 차단할 수 있다. 상기 외부가습은 외부에 별도의 가습장치를 사용하여 주입되는 수소와 산소를 가습한 다음 연료전지 스택에 주입하는 방식이다.On the other hand, the method of humidifying the gas (hydrogen, oxygen) injected into the fuel cell stack is largely the external humidification and internal humidification. The internal humidification is to humidify the hydrogen and oxygen injected by using the cooling water of the stack, in this manner it is also humidified by using the generated water generated on the oxygen side can effectively block the use of the humidified water in the external reservoir. The external humidification is a method of humidifying hydrogen and oxygen injected using a separate humidifier to the outside and then injecting the fuel into the fuel cell stack.
가습에 있어서, 가장 중요한 것은 적절한 습도를 맞추어 주는 일인 데, 습도가 과다한 경우와 습도가 낮은 경우로 나눌 수 있다. In humidification, the most important thing is adjusting the appropriate humidity, which can be divided into excessive humidity and low humidity.
먼저, 습도가 과다한 경우에는 스택입구에서 별문제가 없으나, 출구로 가면서 수소 및 산소의 소모로 말미암은 상대 습도의 상승 및 생성수의 문제로 가스의 유로가 막히는 문제가 발생할 가능성이 있어 스택성능 저하로 나타난다.First, if the humidity is excessive, there is no problem at the stack entrance, but there is a possibility that the flow path of the gas may be blocked due to the increase of relative humidity caused by the consumption of hydrogen and oxygen and the problem of the generated water on the way to the exit, resulting in a decrease in stack performance. .
또 배출되는 가스에 포함된 수분을 다시 회수하기 위해 열교환이 필요하게 되는 데, 이는 회수율이 저조함으로 인해 열교환기 냉각수의 냉각을 위한 라디에이터의 면적확보가 문제로 발생된다. In addition, heat exchange is required to recover the moisture contained in the discharged gas, which is caused by a problem of securing an area of a radiator for cooling the heat exchanger cooling water due to the low recovery rate.
또한, 가스출구로 빠져나가는 물 때문에, 저장소에 저장된 물이 점점 줄어 들 수 있음으로, 물부족의 문제가 발생할 가능성이 있다.In addition, due to the water flowing out of the gas outlet, the water stored in the reservoir may gradually decrease, there is a possibility that water shortage problems may occur.
습도가 낮은 경우에는 스택내의 멤브래인 전극어셈블리(4)의 건조화때문에 스택의 성능이 저하되게 된다. When the humidity is low, the stack performance is degraded due to drying of the membrane electrode assembly 4 in the stack.
따라서, 적절한 습도를 맞추는 것은 중요한 문제이나, 이러한 습도과다 또는 부족 문제를 능동적으로 해결하기 위한 방법은 아직 부족한 상태이다. 또한, 외부가습에는 적절한 가습량을 조절하기에 어려운 점등이 있다. Therefore, adjusting the appropriate humidity is an important problem, but there is still a lack of a method for actively solving such a high or low humidity problem. In addition, external humidification has lighting that is difficult to control the appropriate amount of humidification.
그러므로, 비록 열교환기를 달아서 배출되는 가습수를 회수해 준다고 하더라도, 과다한 가습으로 인해 많은 양의 가습수가 배출되고 있는 현실이다. Therefore, even though the humidification water discharged by the heat exchanger is recovered, a large amount of humidification water is discharged due to excessive humidification.
따라서, 본 발명은 상기와 같이 연료전지 스택에 주입하는 가스의 가습을 하는 방법에 의해 습도가 과다/낮을 경우의 제반 문제점을 해소하기 위해 발명한 것으로, 종래의 외부가습방법에 간단한 알고리즘을 추가하여 능동적이고 적절한 수소 가습 방법을 제공함으로써, 사용자의 출력요구량과 스택의 출력을 모니터링하여 최적의 가습 알고리즘을 구현할 수 있는 연료전지 스택 주입 수소 및 산소의 가습최적화 방법을 제공함에 그 목적이 있다. Therefore, the present invention was invented to solve various problems when the humidity is excessive / low by the method of humidifying the gas injected into the fuel cell stack as described above, and by adding a simple algorithm to the conventional external humidification method. The purpose of the present invention is to provide a method for optimizing the humidification of hydrogen and oxygen in a fuel cell stack that can implement an optimal humidification algorithm by monitoring the output demand of the user and the output of the stack by providing an active and appropriate hydrogen humidification method.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 스택(10)에는 가습기(11)와 모터제어기(12)가 연결되고, 이 모터제어기(12)에는 모터(13)와 제어기(14)가 연결되며, 이 제어기(14)는 상기 가습기(11)와 가속페달(15)이 각각 연결되도록 구비하여; 가속페달(15)을 밟을 때 제어기(14)는 그에 따른 수소와 산소를 연료전지 스택(10)에 공급하고, 가습기(11)를 조절하여 가습량을, 모터제어기(12)를 조절하여 모터(13)에 공급되는 파워를 조절한 것을 그 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object: a humidifier 11 and a motor controller 12 is connected to the fuel cell stack 10, the motor controller 12 is connected to the motor 13 and the controller 14, The controller 14 is provided to connect the humidifier 11 and the accelerator pedal 15 to each other; When depressing the accelerator pedal 15, the controller 14 supplies hydrogen and oxygen accordingly to the fuel cell stack 10, adjusts the humidifier 11 to adjust the humidification amount, and adjusts the motor controller 12 to control the motor 13. It is characterized by adjusting the power supplied to).
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 관한 연료전지자동차 스택주입 수소 및 산소의 가습최적화방법을 설명하기 위한 하드웨어 구성도로서, 연료전지 스택(10)에는 가습기(11)와 모터제어기(12)가 연결되고, 이 모터제어기(12)에는 모터(13)와 제어기(14)가 연결되며, 이 제어기(14)는 상기 가습기(11)와 가속페달(15)이 각각 연결된다.2 is a hardware configuration diagram illustrating a method for optimizing humidification of a fuel cell vehicle stack injection hydrogen and oxygen according to an exemplary embodiment of the present invention, in which a humidifier 11 and a motor controller 12 are connected to the fuel cell stack 10. The motor controller 12 is connected to a motor 13 and a controller 14, and the controller 14 is connected to the humidifier 11 and the accelerator pedal 15, respectively.
상기 제어기(14)에서는 가속페달(15)의 출력요구신호를 받아 모터제어기(12)에 출력제어를, 가습기(11)에 제어신호를 각각 보내게 되고, 상기 모터제어기(12)와 연료전지 스택(10)사이에 출력전압과 전류를 모니터링하게 된다. The controller 14 receives the output request signal of the accelerator pedal 15 and sends an output control to the motor controller 12 and a control signal to the humidifier 11, respectively, and the motor controller 12 and the fuel cell stack. The output voltage and current are monitored between (10).
따라서, 사용자가 가속페달(15)을 밟으면 제어기(14)는 그에 따른 수소와 산소를 연료전지 스택(10)에 공급하게 되는 데, 이때 가습기(11)를 조절하여 가습량을, 모터제어기(12)를 조절하여 모터(13)에 공급되는 파워를 조절하도록 되어 있다.Therefore, when the user steps on the accelerator pedal 15, the controller 14 supplies hydrogen and oxygen accordingly to the fuel cell stack 10, wherein the humidifier 11 is adjusted to adjust the humidification amount to the motor controller 12. It is to adjust the power supplied to the motor 13 by adjusting the.
연료전지 스택(10)에 주입되는 수소 또는 산소의 가습량이 적을 경우에는, 연료전지내의 멤브래인 전극어셈블리의 건조화로 인한 스택출력의 저하로 발생한다. 그 이유는 수소 양이온의 멤브래인 전극어셈블리통과를 위해서는 상기 멥브래인 전극어셈블리가 촉촉하게 젖어 있어야 하기 때문이다.When the humidification amount of hydrogen or oxygen injected into the fuel cell stack 10 is small, it occurs due to a decrease in stack output due to drying of the membrane electrode assembly in the fuel cell. This is because the membrane-brain electrode assembly must be wet for the passage of the membrane electrode assembly of the hydrogen cation.
본 발명의 자동차용 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화 방법에서는 다음과 같은 가정을 추가한다. In the fuel cell stack injection hydrogen and oxygen humidification optimization method of the present invention, the following assumption is added.
즉, 수소와 산소량은 항상 적절히 공급하게 되는 데, 이는 실제 연료전지 자동차에서 수소는 소요량의 1.2 배 정도, 산소는 2 배정도 공급하게 된다. In other words, the amount of hydrogen and oxygen is always properly supplied, which is about 1.2 times the amount of hydrogen and about 2 times the amount of oxygen in an actual fuel cell vehicle.
따라서, 스택출력은 다음과 같이 가습량만의 함수로 간단히 정의될 수 있다.Therefore, the stack output can be simply defined as a function of humidification amount as follows.
여기서 출력파워 = 스택 출력전압 × 스택 출력전류이다.Where output power = stack output voltage × stack output current.
출력 계산시 제어기(14)는 전류제어(소요파워를 내기 위해 출력전류를 제어해줌)를 이용하게 된다. 각 전류에 맞는 스택전압은 일반적으로 실험에 의해 준비되어진다. 이를 이용하여 제어기(14)에 다음과 같은 스택 외부가습 알고리즘을 만들 수 있다. The controller 14 uses current control (controlling the output current to produce the required power) in the output calculation. The stack voltage for each current is usually prepared by experiment. This can be used to make the following stack external humidification algorithm in the controller (14).
예컨데, 연료전지 스택(10)에서 10 KW 의 출력을 뽑을 경우에는 이에 따른 전류의 값과 전압의 값은 거의 결정되어 있다.For example, when the output of 10 KW is extracted from the fuel cell stack 10, the current and voltage values are almost determined.
이때, 연료전지 스택(10)의 내부에 문제가 생길 경우에는 같은 전류의 값을 내더라도, 첫째 전체 스택전압의 강하, 둘째 연료전지 스택내부의 셀 전압편차의 심화등의 부작용을 확인할 수 있다.In this case, when a problem occurs inside the fuel cell stack 10, even if the same current value is generated, side effects such as first drop of the total stack voltage and deepening of cell voltage deviation in the fuel cell stack may be confirmed.
도 3은 본 발명의 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method for optimizing humidification of hydrogen and oxygen injected into a fuel cell stack according to the present invention.
본 발명의 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습최적화 방법에서 제어기(14)는 스택소요 출력이 입력되어 이전출력과 동일한 지의 여부를 체크한다.In the fuel cell stack-injected hydrogen and oxygen humidification optimization method of the present invention, the controller 14 checks whether or not the stack required output is input to be the same as the previous output.
이때, 이전출력과 동일한 경우에는 가습기(11)를 분사시키고, 동일하지 않는 경우에는 전술한 바 있는 적정한 수소와 산소를 주입하고 적정 가습량을 계산하여 t = 0 으로 되어 가습기(11)를 분사시킨다.At this time, if it is the same as the previous output, the humidifier 11 is injected, and if not the same, the appropriate hydrogen and oxygen as described above are injected and the appropriate amount of humidification is calculated to be t = 0 to inject the humidifier 11.
이어서, 모터제어기(12)와 연료전지스택(10)사이의 스택전압을 모니터링하고, 그 후 스택전압 강하발생의 여부 또는 셀전압 편차발생의 여부등을 체크한다. 상기 스택전압 강하발생 또는 셀전압 편차발생하면 t = t +1 로 분사량을 증가시켜 가습기(11)를 분사시키고, 발생하지 않으면 t = 0 여부에 따라 분사량 감소시키든지 다시 스택 소요출력을 입력시켜 반복 동작시킨다.Subsequently, the stack voltage between the motor controller 12 and the fuel cell stack 10 is monitored, and then the stack voltage drop or the cell voltage deviation is checked. When the stack voltage drop occurs or the cell voltage deviation occurs, the humidifier 11 is injected by increasing the injection amount to t = t + 1, and if it does not occur, the injection amount is decreased or the stack required output is input again. Operate.
따라서, 본 발명에 따른 자동차용 연료전지스택 주입 수소 및 산소의 가습최적화 방법은 간단한 구성으로 최적화의 가습 성능을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 워터 발란스(WATER BALANCE)를 최적화시킬 수 있다.Accordingly, the method of optimizing the humidification of hydrogen and oxygen injected into a fuel cell stack for automobiles according to the present invention may not only realize the humidification performance of the optimization with a simple configuration, but also optimize the water balance.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 의하면 연료전지 자동차에서 워터매니지먼트에 유리함으로 성능향상을 가지고 오고, 가습량에 대한 추가적인 센서가 필요 없음으로 인해 원가절감을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 배출되는 가습수를 최소화하여 열교환기 크기가 최소화되므로 경량화를 도모할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, the fuel cell vehicle has improved performance due to the advantage of water management, and because it does not need an additional sensor for the amount of humidification, it is possible to realize cost reduction and minimize the discharged humidification water. By minimizing the size of the heat exchanger it can provide an advantage that can be reduced in weight.
도 1은 연료전지자동차에서 사용되는 연료전지의 개략도,1 is a schematic diagram of a fuel cell used in a fuel cell vehicle,
도 2는 본 발명의 실시예에 관한 자동차용 연료전지 스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화 방법을 설명하기 위한 하드웨어 구성도,FIG. 2 is a hardware configuration diagram illustrating a method for optimizing humidification of hydrogen and oxygen injected into a fuel cell stack for an automobile according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 자동차용 연료전지 스택 주입 수소 및 산소의 가습 최적화방법을 설명하기 위한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a method for optimizing humidification of hydrogen and oxygen injected into a fuel cell stack for automobiles according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 연료전지 스택 11 : 가습기10 fuel cell stack 11 humidifier
12 : 모터제어기 13 : 모터12: motor controller 13: motor
14 : 제어기 15 : 가속페달14 controller 15 accelerator pedal
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