DE102023210455A1 - Material bonding for multilayer components in electrochemical cells and manufacturing processes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betriff eine Zelle (1, 11) für Elektrolysezumindest aufweisend: eine Schichtfolge aus einer Bipolarplatte (BPP), zumindest einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC), einer Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen Katalysatorschichten (CLC, CLA) oder katalysatorbeschichteten Membran (CCM) zumindest einer anodischen Gasdiffusionsschicht (PTLA), die in einem Rahmen (4) angeordnet sind, wobei ein Stoffschluss (Con) zwischen den einzelnen Schichten zumindest der BPP, PTLA('s) und/oder PTLB('s) vorhanden ist.The invention relates to a cell (1, 11) for electrolysis, at least comprising: a layer sequence of a bipolar plate (BPP), at least one cathodic gas diffusion layer (PTLC), a proton exchange membrane (PEM) between catalyst layers (CLC, CLA) or catalyst-coated membrane (CCM) and at least one anodic gas diffusion layer (PTLA), which are arranged in a frame (4), wherein a material bond (Con) is present between the individual layers of at least the BPP, PTLA(s) and/or PTLB(s).
Description
Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Komponente bei elektrochemischen Zellen wie bei der Elektrolyse und ein Verfahren zum Herstellen der elektrochemischen Zelle.The invention relates to a multilayer component in electrochemical cells such as in electrolysis and a method for producing the electrochemical cell.
Ein Elektrolyseur ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserelektrolyse.An electrolyzer is a device that uses electrical current to transform a substance (electrolysis). Due to the variety of different electrolysis processes, there are also a variety of electrolyzers, such as an electrolyzer for water electrolysis.
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, die überschüssige Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, zu speichern. Eine Umwandlung ist mit elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen möglich. Insbesondere kann Energie durch die Herstellung von Energieträgern gespeichert werden. Ein chemischer Energieträger u.a. ist Wasserstoff, welcher mit Wasserelektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.Current considerations are to store excess energy from renewable energy sources during periods of abundant sun and wind, i.e., when solar or wind power generation is above average. Conversion is possible using electrochemical cells, particularly fuel cells or electrolysis cells. Energy can be stored, in particular, by producing energy carriers. One chemical energy carrier is hydrogen, which is produced using water electrolyzers. This hydrogen can be used, for example, to produce so-called renewable gas.
Dabei erzeugt ein Wasserelektrolyseur mit Hilfe der elektrischen Energie, insbesondere aus Windenergie oder Sonnenenergie, zunächst Wasserstoff, Sauerstoff und Abwärme. Danach kann der Wasserstoff in einem Sabatierprozess zusammen mit Kohlendioxid zur Herstellung von Methan verwendet werden. Das Methan kann dann beispielsweise in ein bereits vorhandenes Erdgasnetz eingespeist werden und ermöglicht so eine Speicherung und einen Transport von Energie zum Verbraucher und kann so ein elektrisches Netz entlasten. Darüber hinaus kann eine Beimengung des Wasserstoffs ins Erdgasnetz oder in ein reines Wasserstoffgasnetz erfolgen.A water electrolyzer uses electrical energy, particularly from wind or solar energy, to first generate hydrogen, oxygen, and waste heat. The hydrogen can then be combined with carbon dioxide in a Sabatier process to produce methane. The methane can then be fed into an existing natural gas grid, for example, enabling energy storage and transport to consumers and thus relieving the strain on the electrical grid. Furthermore, the hydrogen can be added to the natural gas grid or to a hydrogen-only gas grid.
Alternativ dazu kann der vom Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff auch unmittelbar weiterverwendet werden, beispielsweise für eine Brennstoffzelle.Alternatively, the hydrogen produced by the electrolyzer can also be used directly, for example in a fuel cell.
Bei einem Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch gespalten. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt. Das Wasser wird dabei an der Anode an einem Katalysator für die Sauerstoffentstehungsreaktion zu Sauerstoff, Protonen und Elektronen oxidiert. Die Protonen passieren die Protonenaustauschmembran (PEM), welcher als Elektrolyt fungiert.In an electrolyzer for water electrolysis, water is electrochemically split into hydrogen and oxygen. In a PEM electrolyzer, distilled water is typically fed into the anode as the reactant. The water is oxidized to oxygen, protons, and electrons at the anode by a catalyst for the oxygen evolution reaction. The protons pass through the proton exchange membrane (PEM), which acts as the electrolyte.
Kathodenseitig werden die Protonen mit Elektronen zu Wasserstoff an einem Katalysator für die Wasserstoffentstehungsreaktion reduziert.On the cathode side, the protons are reduced with electrons to hydrogen on a catalyst for the hydrogen formation reaction.
Ein typischer Aufbau eines PEM-Elektrolyseurs umfasst jeweils für die Anoden- und Kathodenseite mindestens eine poröse Transportschicht bzw. Gasdiffusionsschicht sowie jeweils eine Katalysatorschicht. Zwischen den Katalysatorschichten ist die Protonenaustauschmembran (engl.: proton exchange membran, PEM) angeordnet. Die einzelnen Zellen werden mithilfe von Bipolarplatten (BPP) getrennt. Alle Schichten werden jeweils in einem Zellrahmen angeordnet. Die Anordnung der Gasdiffusionsschichten in den Zellrahmen muss derzeit nachteilig mit einer hohen Genauigkeit erfolgen, um eine zuverlässig funktionierende Elektrolysezelle herzustellen. Dies macht die Herstellung der Komponenten sowie die Montage aufwändig und teuer.A typical PEM electrolyzer design comprises at least one porous transport layer or gas diffusion layer for each of the anode and cathode sides, as well as one catalyst layer each. The proton exchange membrane (PEM) is arranged between the catalyst layers. The individual cells are separated by bipolar plates (BPPs). All layers are arranged in a cell frame. Currently, the arrangement of the gas diffusion layers in the cell frames must be carried out with high precision to produce a reliably functioning electrolysis cell. This makes component manufacturing and assembly complex and expensive.
Aus der
Weitere elektrochemische Zellen mit abgedichteten Zellrahmen sind in der
In der
In solchen elektrochemischen Stacks werden etliche Zellen in Serie aneinandergereiht und als Stapel (engl. stack) betrieben.In such electrochemical stacks, several cells are arranged in series and operated as a stack.
In jeder Zelle sind verschiedenste Komponenten verbaut: Protonenaustauschmembran (engl. proton exchange membran, PEM), metallische Bipolarplatten (bipolar plates, BPP), metallische oder auf Kohlenstoff basierte (letzteres nur Kathode) poröse Transportschichten (porous transport layer, PTL; teilweise auch bekannt als Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layer, GDL)), sowie Katalysatorschichten (catalyst layer, CL) und Membranen (PEM) verwendet.A variety of components are installed in each cell: proton exchange membrane (PEM), metallic bipolar plates (BPP), metallic or carbon-based (the latter only cathode) porous transport layers (PTL; sometimes also known as gas diffusion layers (GDL)), as well as catalyst layers (CL) and membranes (PEM).
In der Regel werden die anodische und kathodische CL's mit der PEM zu einer katalysatorbeschichteten Membran (catalyst coated membrane, CCM) weiterverarbeitet.Typically, the anodic and cathodic CLs are further processed with the PEM to form a catalyst coated membrane (CCM).
Zusätzlich werden weitere Bauteile wie z. B. Dichtungen und Rahmen eingesetzt. Derzeitige Lösungen sehen vor, dass die Komponenten BPP, PTL's, CCM (sowie Rahmen und Dichtungen) einzeln vorliegen, nacheinander zusammengeführt und wiederholend gestapelt werden müssen.In addition, other components such as seals and frames are used. Current solutions provide for the components BPP, PTLs, CCM (as well as frames and seals) to form a individually, must be brought together one after the other and stacked repeatedly.
Die Komponenten einer PEM müssen z.B. den teilweise harschen Bedingungen unter Elektrolysebetrieb standhalten. Diese beinhalten die anodischen und kathodischen elektrochemischen Potenziale, Sauerstoff- bzw. Wasserstoffatmosphäre sowie demineralisiertes Wasser, die saure Membran und deren möglichen Abbauprodukten (u.a. HF), metallischen Kationen-Kontaminationen, z.B. durch die Verfahrenstechnik der Anlage. Daher wird typischerweise für die BPP und Anoden-GDL(s) Titan als Basismaterial verwendet, für die Kathoden-GDL(s) Edelstahl bzw. Kohlenstoff oder auch Titan.The components of a PEM must, for example, withstand the sometimes harsh conditions encountered during electrolysis. These include the anodic and cathodic electrochemical potentials, the oxygen or hydrogen atmosphere, and demineralized water, the acidic membrane and its potential degradation products (including HF), and metallic cation contamination, e.g., from the plant's process technology. Therefore, titanium is typically used as the base material for the BPP and anode GDL(s), while stainless steel, carbon, or even titanium is used for the cathode GDL(s).
Hierbei ergebenen sich folgende Herausforderungen und Probleme:
- - Elektrochemische Verluste und Korrosion im Betrieb
- - (Elektrische ohmsche) Kontaktwiderstände an den Grenzflächen, hier zwischen den metallischen Bauteilen BPP und PTL(s), welche die Effizienz verringern
- - Grenzflächen zwischen den Bauteilen, an denen Korrosion auftreten kann.
- - Electrochemical losses and corrosion during operation
- - (Electrical ohmic) contact resistances at the interfaces, here between the metallic components BPP and PTL(s), which reduce the efficiency
- - Interfaces between components where corrosion can occur.
Sowohl Kontaktwiderstände als auch Korrosionserscheinungen können während des Betriebs ansteigen bzw. sich verstärken und so die Effizienz und ggf. die Lebensdauer beeinträchtigen.Both contact resistance and corrosion phenomena can increase or intensify during operation, thus impairing efficiency and possibly service life.
Fertigung und Montage
- - Etliche, aneinandergereihte Arbeitsschritte beim Stapeln, z.B. für jede Zelle i) Einlegen BPP, ii) Einlegen Dichtungen, iii) Einlegen Rahmen, iv) Einlegen PTL (Anode), v) Einlegen CCM, vi) Einlegen PTL (Kathode) beanspruchen Ressourcen (Zeit, Personal, Maschinenzeit).
- - Toleranzen und Toleranzausgleich sowie Positionierung aufgrund des nötigen Zusammenspiels vieler einzelner Komponenten sorgen für einen Montage- und Qualitätsaufwand von der Waren- bzw. Komponentenprüfung bis zum Stapeln des Stacks.
- - Several consecutive work steps during stacking, e.g. for each cell i) inserting BPP, ii) inserting seals, iii) inserting frame, iv) inserting PTL (anode), v) inserting CCM, vi) inserting PTL (cathode) require resources (time, personnel, machine time).
- - Tolerances and tolerance compensation as well as positioning due to the necessary interaction of many individual components ensure assembly and quality effort from the inspection of goods or components to the stacking of the stack.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Zelle gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7.The object is achieved by a cell according to
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile miteinander zu erzielen.The subclaims list further advantageous measures which can be combined with each other as desired in order to achieve further advantages.
Es zeigen
-
1 eine Anordnung aus dem Stand der Technik, -
2 ,3 erfindungsgemäße Anordnungen.
-
1 a state-of-the-art arrangement, -
2 ,3 inventive arrangements.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The figures and the description represent only embodiments of the invention.
Stand der Technik für eine beispielhafte Zelle 1' gemäß
Die Komponenten sind schichtförmig ausgebildet.The components are layered.
Die elektrischen Kontaktwiderstände zwischen den einzelnen Komponenten, welche insbesondere auf der Anodenseite mit Elektrolysebetriebszeit ansteigen können, sowie mögliche Korrosionsflächen werden teilweise mit Hilfe von relativ aufwändigen und teuren Edelmetallbeschichtungen (Pt, Ir) reduziert bzw. geschützt.The electrical contact resistances between the individual components, which can increase with electrolysis operation time, particularly on the anode side, as well as possible corrosion surfaces are partly reduced or protected by means of relatively complex and expensive precious metal coatings (Pt, Ir).
Die Erfindung gemäß
Die Erfindung gemäß
Dies hat u.a. den Vorteil, dass auch die Kontaktflächen und damit die Fläche reduziert wird, in welcher der Stoffschluss erfolgen soll, was den Stoffschluss vereinfacht. Vorteilhaft ist es den Anteil der Querschnitte der Kanäle 14 bei 40% bis 60% zu halten, bezogen auf die gesamte Querschnittsfläche der PTLC bzw. PTLA1.This has the advantage, among other things, of reducing the contact surfaces and thus the area in which the material bond is to occur, which simplifies the bonding process. It is advantageous to keep the proportion of the cross-sections of the
Grundsätzlich kann der Stoffschluss Con zw. BPP und PTL's über ein geeignetes Fügeverfahren wie insbesondere Sintern, Löten oder Schweißen erfolgen. Hierbei können die einzelnen Komponenten entweder gleichzeitig oder nacheinander miteinander stoffschlüssig verbunden und vorzugsweise jeweils nacheinander auf Form- und Lagetoleranz überprüft werden.In principle, the bond between BPP and PTLs can be achieved using a suitable joining process, such as sintering, soldering, or welding. The individual components can be bonded together either simultaneously or sequentially, and preferably each component can be checked for shape and position tolerances one after the other.
Diese Lösung kann nicht nur für Systeme oder Zellen 1, 11 der Wasserelektrolyse angewendet werden (
Beispielhaft für die PEM-Wasserelektrolyse werden derzeit die verschiedenen Komponenten (BPP, PTLs, CCMs, Rahmen, Dichtungen, etc.) einzeln hergestellt und nacheinander montiert sowie gestapelt.As an example for PEM water electrolysis, the various components (BPP, PTLs, CCMs, frames, seals, etc.) are currently manufactured individually and assembled and stacked one after the other.
Stattdessen ermöglicht die zuvor beschriebene Erfindung einen vorgelagerten Stoffschluss bzw. eine Vormontage der BPP und PTLs.Instead, the invention described above enables an upstream material bond or pre-assembly of the BPP and PTLs.
Diese Erfindung hat damit sowohl Vorteile bei der Fertigung und Montage des Stapels als auch während des Betriebs. Somit könnten Einsparungen und Verbesserungen im Bereich der Kosten wie CAPEX und OPEX erfolgen, wie nachfolgenden beschrieben. Elektrochemische Verluste und Korrosion im Betrieb
- - Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet Kontaktstellen, an denen elektrische Kontaktwiderstände entstehen.
- - Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet elektrisch schlecht leitende Metalloxidschichten, welche typischerweise während des Elektrolysebetriebs anwachsen, und damit verbundene ohmsche Widerstände.
- - Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet Grenzflächen, an denen Korrosion auftreten kann.
- - Eine Beschichtung der Kontaktstellen bzw. Grenzflächen ist nicht mehr nötig.
- - The material bond between BPP and PTL(s) avoids contact points where electrical contact resistance occurs.
- - The material bond between BPP and PTL(s) avoids electrically poorly conducting metal oxide layers, which typically grow during electrolysis operation, and the associated ohmic resistances.
- - The material bond between BPP and PTL(s) avoids interfaces where corrosion can occur.
- - Coating of the contact points or interfaces is no longer necessary.
Fertigung und Montage
- - Montageerleichterung durch Verringerung der Arbeitsschritte, da nur noch ein bereits vorgefertigter Komponentenverbund eingelegt werden müsste.
- - Ein höherer Automatisierungsgrad der Montierung kann einfacher erfolgen, da z.B. der Komponentenverbund mittels Roboter geführt und eingesetzt werden könnte.
- - Die Positionierung bzw. die Formtoleranz von PTL(s) und BPP zueinander kann bereits während der Vormontage erfolgen und überprüft werden. Somit wird ein mögliches Verrutschen der einzelnen Komponenten zueinander während der nachgelagerten Montageprozesse vermieden.
- - Austausch in Reparatur und Serviceanwendungen kann durch Zusammenfügen des Komponentenverbundes vereinfacht werden.
- - Easier assembly by reducing the number of work steps, as only a prefabricated component assembly would have to be inserted.
- - A higher degree of automation of the assembly can be achieved more easily, since, for example, the component assembly could be guided and inserted by robots.
- - The positioning and shape tolerance of PTL(s) and BPP relative to each other can be determined and checked during pre-assembly. This prevents any possible slippage of the individual components relative to each other during downstream assembly processes.
- - Replacement in repair and service applications can be simplified by assembling the component assembly.
Die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA) werden vorzugsweise nacheinander miteinander gefügt, also insbesondere zuerst die eine (
Die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA,) können auch vorzugsweise auf einmal miteinander gefügt werden.The individual layers (PTLC, BPP, PTLA) can also preferably be joined together all at once.
Vorzugsweise ist es möglich mehrere Schichten (PTLC, BPP, PTLA) miteinander, aber nicht alle auf einmal miteinander zu fügen, also PTLC1+ PTLC2, dann dazu BPP + PTLA1, dann dazu PTLA2 + PTLA3.Preferably, it is possible to join several layers (PTLC, BPP, PTLA) together, but not all at once, i.e. PTLC1 + PTLC2, then BPP + PTLA1, then PTLA2 + PTLA3.
Ebenso vorzugsweise ist es möglich die einzelnen Schichttypen (PTLC's, PTLA's) jeweils separat gefügt werden und dann optional mit der Bipolarplatte (BPP) gefügt werden.It is also preferable to join the individual layer types (PTLCs, PTLAs) separately and then optionally join them with the bipolar plate (BPP).
Es kann sowohl großflächig, aber auch punktweise, linienförmig oder mäanderförmig gefügt werden, was den Energieeintrag und Aufwand reduziert. Dies ist insbesondere sinnvoll beim Schweißen.It can be joined over large areas, but also in spots, linearly, or meandering, reducing energy input and effort. This is particularly useful for welding.
Es können einzelne oder mehrere Komponenten mithilfe von Sintern, Schweißen oder Löten stoffschlüssig verbunden werden.Individual or multiple components can be joined together using sintering, welding or soldering.
Der Stoffschluss Con ist deutlich erkennbar.The fabric closure Con is clearly visible.
Wenn die Fügung durch Sinterung erfolgte, ist ein Diffusionsbereich zwischen den Schichten (PTLC, BPP, PTLA) vorhanden.If the joining was done by sintering, a diffusion area is present between the layers (PTLC, BPP, PTLA).
Wenn die Fügung durch Schweißung erfolgte, ist zumindest ein aufgeschmolzener Bereich zwischen den Schichten (PTLC, BPP, PTLA) und/oder eine andere Mikrostruktur oder Kornstruktur vorhanden.If the joining was done by welding, there is at least one molten area between the layers (PTLC, BPP, PTLA) and/or another microstructure or grain structure.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 25 33 728 A1 [0009]DE 25 33 728 A1 [0009]
- US 6,117,287 [0010]US 6,117,287 [0010]
- US 2002/068208 A1 [0010]US 2002/068208 A1 [0010]
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013225159A1 (en) * | 2013-12-06 | 2015-06-11 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Arrangement of electrochemical cells |
| DE102020109430A1 (en) * | 2020-04-03 | 2021-10-07 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Bipolar plate assembly, use of a bipolar plate assembly, and electrolysis or fuel cell stacks with a plurality of bipolar plate assemblies |
| DE102021206581A1 (en) * | 2021-06-25 | 2022-12-29 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method of making a bipolar plate |
| DE102021214920A1 (en) * | 2021-12-22 | 2023-06-22 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Half-cell of an electrolytic cell for an electrolyzer and method of manufacturing a component for an electrolytic cell |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2280432A1 (en) | 1974-07-29 | 1976-02-27 | Rhone Poulenc Ind | ELECTROLYSIS CELL WITH BIPOLAR ELEMENTS FOR ELECTROLYSIS IN PARTICULAR ALKALINE SALT SOLUTIONS |
| US6117287A (en) | 1998-05-26 | 2000-09-12 | Proton Energy Systems, Inc. | Electrochemical cell frame |
| AU2001294850A1 (en) | 2000-09-28 | 2002-04-08 | Proton Energy Systems, Inc. | Cell frame/flow field integration method and apparatus |
| CN107881528A (en) | 2016-09-29 | 2018-04-06 | 中国科学院大连化学物理研究所 | The preparation and membrane electrode and application of a kind of electrolytic cell membrane electrode |
| US20240368787A1 (en) * | 2021-05-03 | 2024-11-07 | Hoeller Electrolyzer Gmbh | Water electrolysis stack for generating hydrogen and oxygen from water |
| EP4166691A1 (en) * | 2021-10-14 | 2023-04-19 | iGas energy GmbH | Frame for pem electrolytic cells and pem electrolytic cell stack for producing high pressure hydrogen by means of differential pressure electrolysis |
| KR20240089587A (en) * | 2021-10-14 | 2024-06-20 | 아이가스 에너지 게엠베하 | Frames for PEM electrolytic cells and PEM electrolytic cell stacks for high-pressure hydrogen production by differential pressure electrolysis |
-
2023
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-
2024
- 2024-08-28 WO PCT/EP2024/073979 patent/WO2025087586A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013225159A1 (en) * | 2013-12-06 | 2015-06-11 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Arrangement of electrochemical cells |
| DE102020109430A1 (en) * | 2020-04-03 | 2021-10-07 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Bipolar plate assembly, use of a bipolar plate assembly, and electrolysis or fuel cell stacks with a plurality of bipolar plate assemblies |
| DE102021206581A1 (en) * | 2021-06-25 | 2022-12-29 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method of making a bipolar plate |
| DE102021214920A1 (en) * | 2021-12-22 | 2023-06-22 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Half-cell of an electrolytic cell for an electrolyzer and method of manufacturing a component for an electrolytic cell |
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|---|---|
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