DE10226331A1 - Verfahren und Anordnung zum Testen von Brennstoffzellen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Brennstoffzellen und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung. DOLLAR A Die Aufgabe besteht darin, auf einfache Weise Aussagen über das dynamische Verhalten der Brennstoffzellen zu gewinnen, auf deren Grundlage Rückschlüsse auf ihre Zuverlässigkeit sowie ihr elektrisches Verhalten unter Belastungsbedingungen gezogen werden können. DOLLAR A Zur Gewinnung von Aussagen über ihr dynamisches Verhalten werden die Brennstoffzellen erfindungsgemäß mittels einer Brennstoffmodulation getestet. Dabei werden ausgangsseitig der Brennstoffzelle an einer angeschlossenen Last Strom- und/oder Spannungswerte oder an ihren abgehenden Leitungen die Temperatur und/oder der Druck abgeführter Reaktionsprodukte des elektrochemischen Prozesses gemessen und die Messwerte in Beziehung zu einer Schwingung veränderlicher Frequenz gesetzt, welche den die Brennstoffzelle versorgenden Masseströmen überlagert wird. Anhand der über der Modulationsfrequenz aufgetragenen Messwerte können Rückschlüsse über das dynamische Verhalten der Zelle, insbesondere über eventuelle Verschlüsse innerhalb der Zelle oder Stauungen des Durchflusses gezogen werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Brennstoffzellen und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung.
- Brennstoffzellen wird im Hinblick auf die Abdeckung des ständig steigenden Bedarfs an Elektroenergie in der Zukunft eine große Bedeutung beigemessen. Bei ihnen handelt es sich um Energiewandler, mittels derer aus chemischer Energie direkt elektrische Energie und Wärmeenergie erzeugt werden kann. Neben einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad liegt der große Vorteil der Brennstoffzellen darin, dass bei der Erzeugung von Elektroenergie mit ihrer Hilfe die Umwelt kaum belastet wird. Daher wird ihre Entwicklung gegenwärtig stark vorangetrieben.
- Die Wirkungsweise von Brennstoffzellen basiert, im Falle der Wasserstoff-Brennstoffzelle, auf der Umkehrung des Prinzips der Wasserelektrolyse. Wasserstoff- Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben die im Zuge einer elektrochemischen Umwandlung an einem Elektrodensystem (Anode und Katode) zu Wasser reagieren. Bei dieser Reaktion bewegen sich im Inneren der Zelle positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) zur Katode und die von ihnen abgegebenen Elektronen zur Anode. Werden Anode und Katode über elektrische Verbraucher miteinander verbunden, fließt zwischen ihnen ein elektrischer Strom. Methanol-Brennstoffzellen funktionieren vergleichbar. Hier gelangen Methanol und Luft als Brennstoff zum Einsatz, so dass als Reaktionsprodukt neben Wasser Kohlendioxid entsteht.
- Das Verhalten der Brennstoffzelle als Spannungsquelle wird dabei wesentlich von ihrer Versorgung mit den Brennstoffen (z. B. Wasserstoff und Sauerstoff), deren Durchsatz in der Zelle und den Reaktionsbedingungen, wie Temperatur und Druck der zugeführten Medien bestimmt. Durch Verschlüsse innerhalb der Zelle oder die Ansammlung flüssiger Massen kann es beispielsweise zu einer Hemmung der Reaktion in der Zelle oder aber durch Leckagen der zwischen Anode und Katode eingeordneten Elektrolytmembran zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades einer Zelle oder eines Stacks aus mehreren Zellen kommen.
- Hierdurch sowie durch Innenwiderstände oder eine ungenügende Gasdiffusion entstehen beim Betrieb der Zelle unerwünschte Verluste bzw. es kommt in der Folge möglicherweise auch zu einem Totalausfall der Zelle.
- Die Zelle selbst kann physikalisch prinzipiell durch drei Ströme beschrieben werden. Dies sind der Massestrom der zugeführten Brennstoffe und der abgeführten Reaktionsprodukte, der elektrische Strom und der Wärmestrom. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Summe dieser Ströme gleich Null. Wie bei anderen Bauelementen oder Erzeugern elektrischer Energie ist es wünschenswert Aussagen über das statische und dynamische Verhalten der Brennstoffzellen, insbesondere im Hinblick auf Veränderungen der Verhältnisse zwischen den genannten Strömen sowie den Einfluss von Temperatur und Druck, zu erhalten. Durch die messtechnische Bestimmung statischer und dynamischer Parameter kann eine Brennstoffzelle geprüft und gegebenenfalls ihr Aufbau optimiert werden. Für die Bestimmung dynamischer Parameter, bezüglich der Masseströme und der Wärmeströme sowie der sich aufgrund ihres Fließens bildenden Potentiale, ist ein schnelles Verändern dieser Ströme und Potentiale notwendig. Allerdings ist eine sehr schnelle Veränderung der Masseströme für die Brennstoffzellen innerhalb einiger Millisekunden technisch nur sehr schwer zu realisieren. Daher bereitet die Messung dynamischer Größen in der Praxis gegenwärtig noch Probleme.
- Zudem gilt es, die dynamischen Zeitkonstanten einer Brennstoffzelle zu beachten, welche je nach ihrer Größe im Bereich von Millisekunden bis einigen Minuten liegen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem Brennstoffzellen getestet werden können. Dabei soll es das Verfahren insbesondere ermöglichen, auf einfache Weise Aussagen über das dynamische Verhalten der Brennstoffzellen zu gewinnen, auf deren Grundlage Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der Brennstoffzellen sowie über ihr elektrisches Verhalten unter Belastungsbedingungen bei ihrem Einsatz gezogen werden können. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung anzugeben.
- Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Eine die Aufgabe lösende Anordnung wird durch den ersten vorrichtungsbezogenen Anspruch charakterisiert. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.
- Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Brennstoffzellen zur Gewinnung von Aussagen über ihr dynamisches Verhalten mittels einer Brennstoffmodulation getestet. Dabei werden ausgangseitig der Brennstoffzelle an einer angeschlossenen Last Strom und/oder Spannungswerte oder an ihren abgehenden Leitungen die Temperatur und/oder der Druck abgeführter Reaktionsprodukte des elektrochemischen Prozesses gemessen und die Messwerte in Beziehung zu einer Schwingung veränderlicher Frequenz gesetzt, welche den die Brennstoffzelle versorgenden Masseströmen überlagert wird. Die die Brennstoffzelle mit Brennstoffen, vorzugsweise in Form von Wasserstoff und Luft bzw. Methanol und Luft, versorgenden Masseströme werden somit durch die Schwingung moduliert. Anhand der über der Modulationsfrequenz aufgetragenen Messwerte können Rückschlüsse über das dynamische Verhalten der Zelle, insbesondere über eventuelle Verschlüsse innerhalb der Zelle oder Stauungen des Durchflusses in Form unerwünschter Ansammlung flüssiger Massen gezogen werden. Auch Aussagen zum Zustand der Membran zwischen Anode und Katode lassen sich bei einer Gegenüberstellung mit Ergebnissen empirischer Untersuchungen gewinnen. Für die Modulation werden Schwingungen vergleichsweise kleiner Amplitude eingesetzt, so dass sich der Massestrom der Brennstoffe im Hinblick auf die Durchflussmenge nur innerhalb eines schmalen Bandes verändert. Vorzugsweise wird die Amplitude so gewählt, dass durch die den Massestrom modulierende Schwingung der Durchfluss an Brennstoffen bezogen auf einen Gleichwert um ±10% oder weniger variiert. Dabei folgt die Änderung des Durchflusses mit einer gewissen Trägheit der Frequenz der modulierenden Schwingung.
- Im Sinne der Erfindung kann die Modulation der Masseströme sowohl anodenseitig als auch katodenseitig oder aber gleichzeitig an Anode und Katode erfolgen. Der für die zur Modulation dienenden Schwingung zu wählende Frequenzbereich ist dabei grundsätzlich abhängig davon, welche Aussagen bei der Untersuchung gewonnen werden sollen. Ein besonders umfassendes Bild ergibt sich allerdings, wenn die Frequenz in einem breiten Spektrum variiert wird. Als praxisgerecht hat es sich erwiesen, die Messungen, bezogen auf die zur Modulation der Masseströme benutzte Schwingung, in einem Frequenzbereich zwischen vorzugsweise 10-3 und 106 Hz, also im Frequenzband zwischen dem Millihertz- und dem Megahertzbereich durchzuführen. Das Verfahren ist dabei besonders vorteilhaft ausgestaltet, wenn die Frequenz der die Masseströme modulierenden Schwingung zeitlich stetig verändert wird. Die Frequenz der Schwingung wird hierbei in dem zuvor genannten Frequenzbereich oder einem anderen vorgegebenen Frequenzbereich durchgestimmt.
- Zusätzliche Aussagen können durch die Variation anderer Parameter der zur Modulation verwendeten Schwingung erhalten werden. Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, neben der Frequenz der Schwingung auch deren Amplitude zu variieren. Auch auf der Grundlage einer zusätzlichen Variation der Signalform, der Schwingung und der dabei jeweils gemessenen Strom- und/oder Spannungswerte lassen sich weitere Aussagen zum dynamischen Verhalten der Brennstoffzellen gewinnen.
- Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden mehrere Messzyklen durchgeführt, wobei bei den aufeinanderfolgenden Messzyklen zusätzlich zu den Parametern oder der Signalform der Schwingung mindestens ein weiterer Parameter variiert wird. Innerhalb eine Messzyklus, bei der die Frequenz der Schwingung innerhalb des vorgegebenen Bereichs durchgestimmt wird, bleibt der jeweils weitere betrachtete Parameter konstant. Er wird erst nach Abschluss des Messzyklus zur Durchführung eines weiteren Zyklus, also des nochmaligen Durchlaufens des gewählten Frequenzbereichs, verändert. Bei einer Betrachtung der sich bei der Modulation der Brennstoffmasseströme an einer elektrischen Last am Ausgang der Zelle einstellenden Strom- und/oder Spannungswerte ist die an der Zelle gemessene Temperatur des Kühlmediums ein solcher aussagekräftiger Parameter. Ebenso kann aber auch Druck in den Brennstoffleitungen der Zelle als Parameter zur Veränderung der Messbedingungen für die Beschreibung ihres dynamischen Verhaltens herangezogen werden.
- Die zur Durchführung des Verfahrens zum Testen von Brennstoffzellen für die Gewinnung von Aussagen über ihr dynamisches Verhalten geeignete Anordnung umfasst mindestens eine ausgangsseitig der Brennstoffzelle an diese angeschlossene elektrische Last, Messmittel zur Messung des durch diese Last fließenden Stroms bzw. der an ihr abfallenden Spannung oder zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur abgeführter Reaktionsprodukte, einen an oder in einer der Brennstoffzufuhr für die Brennstoffzelle dienenden Leitung angeordneten Schwingungserzeuger, sowie Mittel zur Bestimmung der Frequenz der jeweils mittels des Schwingungserzeugers in den Brennstoffstrom eingetragenen Schwingung veränderlicher Frequenz. Mit dieser Anordnung kann das Verfahren grundsätzlich durchgeführt werden, indem die Veränderung der Schwingungsfrequenz durch einen Wechsel des jeweiligen Schwingungserzeugers realisiert wird. Vorzugsweise wird jedoch ein Schwingungserzeuger eingesetzt, welcher in einem vorgebbaren Frequenzbereich durchstimmbar ist. Entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung wird als Schwingungserzeuger ein elektrodynamischer Wandler verwendet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers. Wie bereits ausgeführt, ist der Schwingungserzeuger an oder in der Leitung angeordnet, in welcher der sich durch die Leitung bewegende Massestrom moduliert werden soll. Bei einem realisierten Versuchsaufbau wurde der Wandler innerhalb der Leitung angeordnet und mit diesem unmittelbar auf den Massestrom eingewirkt. Gegenwärtig scheint dieser Ausführungsform der Vorzug zu geben zu sein. Allerdings ist hier ein gewisser Aufwand im Hinblick auf das Heranführen elektrischer Verbindungsleitungen und im Zusammenhang damit erforderlicher Dichtungsmaßnahmen zu betreiben. Denkbar erscheit es insoweit auch, jeweils die gesamte Brennstoffleitung in Schwingungen zu versetzen.
- Sowohl das Verfahren als auch die Anordnung sind zum Testen bzw. Untersuchen von aus mehreren Zellen zusammengesetzten Stacks ebenso einsetzbar wie bei einzelnen Zellen. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sinnvoll weitergebildet, wenn sie Mittel zur Aufzeichnung der Messwerte und der jeweiligen Modulationsfrequenz umfasst. Beispielweise kann mit diesen Mitteln eine über der Frequenz der modulierenden Schwingung aufgetragene Strom- oder Spannungskennlinie selbsttätig geschrieben werden.
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.
- Fig. 2 eine mittels der Anordnung nach der Fig. 1 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Ausgangskennlinie für den Strom.
- Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einer Prinzipdarstellung. Wiedergegeben ist die schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 1 mit Versorgungsleitungen 4, 4' für die ihr zuzuführenden Brennstoffe und Abgangsleitungen 7, 7' für das Reaktionsprodukt Wasser (oder im Falle der Methanol-Brennstoffzelle auch Kohlendioxid) und gegebenenfalls überschüssigen Brennstoff. Ausgangsseitig ist an die Brennstoffzelle 1 eine elektrische Last 2 angeschlossen. An dieser Last 2 werden mittels Messinstrumenten 3, 3' der durch sie fließende Strom und/oder die an ihr abfallende Spannung gemessen.
- Während der wiederholten Messung dieser elektrischen Größen wird der Brennstoffstrom in der Leitung 4 (katodenseitig) oder der Leitung 4' (anodenseitig) oder gegebenenfalls in beiden Leitungen 4, 4' mit einer Schwingung im Frequenzbereich zwischen 10-3 und 106 Hz beaufschlagt. Die Frequenz dieser Schwingung wird kontinuierlich in dem angegebenen Bereich verändert und der Strom oder die Spannung im Ausgangskreis bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen.
- Die jeweils erhaltenen Messwerte werden über der Frequenz aufgetragen. Die Modulation der Masseströme mittels der Schwingung erfolgt mit Hilfe eines in die jeweilige Brennstoffzufuhrleitung 4, 4' eingeordneten Schwingungselementes 5, 5'. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen piezoelektrischen Wandler. In gleicher Weise kann eine Messung des Drucks oder der Temperatur der Reaktionsprodukte in den abgehenden Leitungen 7, 7' als Reaktion auf die Modulation des Brennstoffmassestroms mit Hilfe entsprechender Messmittel 6, 6' erfolgen.
- Das Ergebnis einer wiederholten Messung des Ausgangsstroms bei sich gleichzeitig verändernder Frequenz der modulierenden Schwingung ist in Form einer sich hierbei ergebenden Ausgangsstromkennlinie in der Fig. 2 dargestellt. Aus den dabei erkennbar werdenden Peaks (Strommaxima) können Rückschlüsse über die Medienströme innerhalb der Zelle gezogen werden. Aufgrund der umgekehrten Proportionalität zwischen Frequenz und Wellenlänge ergeben sich Schwingungsresonanzen (erkennbar an den Peaks) bei niedrigen Frequenzen für große Räume bzw. bei hohen Frequenzen für kleine Räume. Aus diesen durch das Resonanzverhaltens erkennbar werdenden Volumenverhältnissen kann dann beispielsweise auf das Entstehen von Verschlüssen oder unerwünschter Ansammlungen flüssiger Massen geschlossen werden, indem die erhaltenen Kurven der grundsätzlichen Zellengeometrie und empirischen Erkenntnissen über das Strömungsverhalten der Medien in ihrem Innern gegenüber gestellt werden. Durch eine Frequenz- und Phasenverschiebung der zur Modulation anoden- und/oder katodenseitig verwendeten Schwingung lassen sich darüber hinaus ortsabhängige Parameter innerhalb der Brennstoffzelle bestimmen.
- Die Fig. 2 betrifft die Darstellung des Testergebnisses für zwei Messzyklen. Dabei wurde der gesamte Frequenzbereich zwischen 10-3 Hz und 106 Hz bzw. im Beispiel sogar darüber hinaus zwei Mal bei jeweils einer anderen Temperatur innerhalb der Brennstoffzelle durchlaufen. Durch die Variation dieses zusätzlichen Parameters können gegebenenfalls Rückschlüsse auf die Eigenschaften der innerhalb der Brennstoffzelle 1 zwischen der Anode und der Katode angeordneten Polymermembran gezogen werden. Deren Permeabilität verändert sich beispielsweise in Anhängigkeit von der Temperatur.
- Auch aus den Druck- oder Temperaturverhältnissen in den abgehenden Leitungen 7, 7' bzw. durch eine Betrachtung der Verhältnisse im Hinblick auf den Druck oder die Temperatur der Brennstoffe in den Leitungen 4, 4' als Parameter für mehrere Messzyklen lassen sich Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten der Brennstoffzelle 1 ziehen. In dem Beispiel umfasst die Anordnung daher auch Druckmesser 6, 6'. Die Anordnung wird vorzugsweise durch hier nicht dargestellte Mittel zur Aufzeichnung der gemessen Größen (Strom, Spannung bzw. Druck, Temperatur) und der Modulationsfrequenz ergänzt. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Brennstoffzelle
2 Last
3 Messmittel, Strommesser
3' Messmittel, Spannungsmesser
4 Brennstoffleitung (katodenseitig)
4' Brennstoffleitung (anodenseitig)
5, 5' Schwingungserzeuger, Wandler
6, 6' Messmittel, Temperatur- bzw. Druckmesser
7, 7' abgehende Leitung
Claims (14)
1. Verfahren zum Testen von Brennstoffzellen zur Gewinnung von Aussagen
über deren dynamisches Verhalten, bei welchem ausgangsseitig der
Brennstoffzelle an einer angeschlossenen Last Strom- und/oder Spannungswerte
oder an abgehenden Leitungen die Temperatur und/oder der Druck
abgeführter Reaktionsprodukte des elektrochemischen Prozesses gemessen
und die Messwerte in Beziehung zu einer Schwingung veränderlicher
Frequenz gesetzt werden, welche den der Brennstoffzelle Brennstoffe,
vorzugsweise in Form von Wasserstoff und Luft oder Methanol und Luft,
zuführenden Masseströmen überlagert wird, wobei die Masseströme durch
die Schwingung moduliert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation
der Masseströme anoden- und/oder katodenseitig erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine
entsprechende Bemessung der Amplitude der den Massestrom
modulierenden Schwingung der Durchfluss an Brennstoffen bezogen auf einen
Gleichwert, der Frequenz der modulierenden Schwingung folgend, um
±10% oder weniger variiert.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Frequenz der die Masseströme modulierenden Schwingung in einem
Frequenzbereich zwischen 10-3 und 106 Hz variiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Frequenz der die Masseströmende modulierenden Schwingung zeitlich
stetig verändert und somit innerhalb eines festgelegten Frequenzbereiches
durchgestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Modulation der Masseströme mit Schwingungen unterschiedlicher
Amplitude erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Modulation der Masseströme mit Schwingungen unterschiedlicher
Signalform erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Erfassung der zwischen Strom und/oder Spannung einerseits sowie der die
Masseströme modulierenden Frequenz andererseits bestehenden
Beziehung mehrmals erfolgt, wobei bei aufeinanderfolgenden Messzyklen
jeweils ein weiterer innerhalb eines Messzyklus konstant gehaltener
Parameter variiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
von einem Messzyklus zum nächsten variierten Parameter um die an der
Brennstoffzelle gemessene Temperatur eines Kühlmediums handelt.
10. Anordnung zum Testen von Brennstoffzellen (1) zur Gewinnung von
Aussagen über deren dynamisches Verhalten, mindestens umfassend eine
ausgangsseitig der Brennstoffzelle (1) an diese angeschlossene elektrische
Last (2), Messmittel (3, 3', 6 6') zur Messung des durch diese Last (2)
fließenden Stroms bzw. der an ihr abfallenden Spannung oder zur Messung
des Drucks und/oder der Temperatur abgeführter Reaktionsprodukte,
mindestens einen an oder in mindestens einer der Brennstoffzufuhr für die
Brennstoffzelle dienenden Leitungen (4, 4') angeordneten
Schwingungserzeuger (5, 5') und Mittel zur Bestimmung der jeweils mittels des
Schwingungserzeugers (5, 5') in den Brennstoffstrom (Massestrom)
eingetragenen Schwingung veränderlicher Frequenz, wobei der
Schwingungserzeuger (5, 5') vorzugsweise innerhalb eines vorgebbaren
Frequenzbereiches durchstimmbar ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schwingungserzeuger (5, 5') als ein elektrodynamischer Wandler
ausgebildet ist.
12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich bei
dem Schwingungserzeuger (5, 5') um einen piezoelektrischen Wandler
handelt.
13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese noch
weitere Messmittel, vorzugsweise zur Messung der Temperatur an der
Brennstoffzelle bzw. in einem zu ihrer Kühlung dienenden Kühlmedium
und/oder zur Messung des Drucks in den Brennstoffleitungen umfasst.
14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung
Mittel zur Aufzeichnung der Messwerte und der jeweiligen
Modulationsfrequenz, vorzugsweise zum Schreiben einer über der
Frequenz der modulierenden Schwingung aufgetragenen Strom- oder
Spannungskennlinie, umfasst.
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DE10226331A Withdrawn DE10226331A1 (de) | 2002-06-07 | 2002-06-07 | Verfahren und Anordnung zum Testen von Brennstoffzellen |
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