PEMFC電源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

1 引言

早在1995年，美國(guó)總統(tǒng)辦公廳科技政策辦公室公布的國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，就將燃料電池列入維護(hù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮的至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。同年，美國(guó)《時(shí)代周刊》也將燃料電池列為21世紀(jì)10大高新技術(shù)之首。美國(guó)喬治•華盛頓大學(xué)未來(lái)學(xué)家評(píng)出的未來(lái)10年10大技術(shù)突破中,燃料電池位于網(wǎng)絡(luò)生活之后列第 2位。從擔(dān)任沙特阿拉伯石油部長(zhǎng)達(dá)20年的現(xiàn)任全球能源中心主任雅瑪尼，到依賴石化燃料驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)而創(chuàng)造了汽車世紀(jì)的美國(guó)福特汽車公司現(xiàn)任董事長(zhǎng)比里 •福特，這些傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)者和使用者都相信燃料電池技術(shù)將帶來(lái)石油時(shí)代和內(nèi)燃機(jī)的終結(jié)，人類將進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的綠色能源新時(shí)代。燃料電池已被國(guó)際著名刊物《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》和《世界觀察》等列為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的三大支柱之一。正是由于上述原因，目前已掀起全球范圍的燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究、樣品開(kāi)發(fā)及示范應(yīng)用熱潮[1]。而在幾種主要的燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池）中，質(zhì)子交換膜燃料電池具有無(wú)腐蝕、壽命長(zhǎng)，重量輕、體積小、比功率大，操作溫度低和起動(dòng)快等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的新能源。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池及其系統(tǒng)

2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理

燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。其工作原理與普通電池基本相同,也是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ煌氖?傳統(tǒng)電池是事先填充好內(nèi)部物質(zhì),化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后,不能再釋放出電能;而燃料電池進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需的物質(zhì)是由外部不斷填充的,只要供應(yīng)燃料,就能源源不斷地輸出電能和熱能。簡(jiǎn)言之，普通電池是能量?jī)?chǔ)存裝置，而燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置[2]。
質(zhì)子交換膜燃料電池主要有氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池三種。目前，尤以氫燃料電池倍受電源研究開(kāi)發(fā)人員的注目。其工作原理如圖1所示：在電池的一端,氫氣通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極，在陽(yáng)極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子（即質(zhì)子）并釋放出帶負(fù)電的電子。即：H2→2H++2e-；反應(yīng)生成物中,氫離子穿過(guò)陽(yáng)極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜到達(dá)陰極,電子則通過(guò)外電路到達(dá)陰極。在電池另一端，氧氣（或空氣）通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極。在陰極催化劑作用下，氧氣與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水。即：1/2O2+2H++2e-→H2O；總的化學(xué)反應(yīng)為：H2+1/2O2→H2O。連續(xù)不斷地向電池輸送氫氣和氧氣, 電子就會(huì)在外電路連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成電流,從而可以向負(fù)載輸出電能。從以上可以看出,氫燃料電池的生成物是對(duì)環(huán)境無(wú)害的純水,因此,使用氫燃料電池作動(dòng)力源,不會(huì)造成大氣污染。

圖1PEMFC工作原理示意圖圖2典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖
2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)的構(gòu)成

PEMFC電源系統(tǒng)除了核心部分電池堆外，還需要一些輔助系統(tǒng)才能正常工作。圖2是典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖[3]。整個(gè)系統(tǒng)除了電池堆外，必備的系統(tǒng)還包括：燃料供給系統(tǒng)、氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)、水／熱管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。燃料和氧化劑循環(huán)系統(tǒng)的功能是向電推提供燃料氧化劑，同時(shí)循環(huán)回收反應(yīng)未完全的氣體；水／熱管理系統(tǒng)主要是保證電池堆內(nèi)部的水／熱平衡狀態(tài)；控制系統(tǒng)則根據(jù)負(fù)載對(duì)電池功率的要求，或電池的工作條件（壓力、溫度、電壓的變化），對(duì)反應(yīng)氣體的流量、壓力、水／熱循環(huán)系統(tǒng)的水流速和溫度等進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)；它們是燃料電池正常工作的保證[4]。這就是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2.1 燃料電池(堆)

膜電極是PEMFC的核心,由氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜組成.催化劑是將鉑分散成微小顆粒負(fù)載在高比表面的碳黑或石墨上,形成含量為20%的 Pt/C催化劑.鉑是貴金屬,資源稀少、價(jià)格昂貴。早期的膜電極Pt的載量為10mg/cm2以上,Pt的利用率很低.直到90年代,薄膜電極的出現(xiàn),使 Pt載量大幅度降低[5,6]。近年來(lái),隨著催化劑制備方法的深入研究,膜電極的Pt載量已降低至0.02mg/cm2,電性能亦得到提高.進(jìn)一步降低載鉑量,尋找其它價(jià)廉的催化劑,一直是PEMFC研究的主要課題之一。
PEMFC不同于其它燃料電池之處就在于使用固態(tài)的質(zhì)子交換膜作電解質(zhì)。 20世紀(jì)60年代,美國(guó)GE公司為NASA研制的空間電源采用了聚苯乙炔磺酸膜,其穩(wěn)定性、導(dǎo)電性均不理想,使用壽命也短。60年代中期,美國(guó)杜邦公司研制出新型全氟磺酸膜(Nafion系列材料)將PEMFC性能大幅度提高。目前在PEMFC中使用的質(zhì)子交換膜[7]均采用全氟化聚合物材料合成.該材料穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)，但其制造成本過(guò)高,售價(jià)昂貴(約為600～800$/m2)。因此質(zhì)子交換膜的研究,一是減少質(zhì)子交換膜的用量,朝薄型電解質(zhì)發(fā)展；二是研制新型價(jià)廉的質(zhì)子交換膜。

2.2.2 燃料及其循環(huán)系統(tǒng)

PEMFC的燃料可選用純氫或碳?xì)浠衔?如果電池以純氫為燃料,則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,僅由氫源、穩(wěn)壓閥和循環(huán)回路組成,其中氫源可采用壓縮氫、液氫或金屬氫化物儲(chǔ)氫；穩(wěn)壓閥控制燃料氣的壓力；循環(huán)回路用以循環(huán)利用過(guò)量的燃料氣，燃料氣的過(guò)量一方面是保證電化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行,另一方面也可以部分起到保持水平衡的作用,通常是采用一個(gè)循環(huán)泵或噴射泵將這部分氫送回到電池燃料氣的入口處,在這種情況下,可認(rèn)為由氫源系統(tǒng)所提供的氫100%被用來(lái)發(fā)電。
如果PEMFC以碳?xì)浠衔餅槿剂?，則該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要相對(duì)復(fù)雜的多，其中至要包括一個(gè)燃料處理器，用來(lái)將燃料或燃料與水的混合物轉(zhuǎn)換成蒸氣，這類轉(zhuǎn)換氣包括大部分氫、二氧化碳、水和微量的一氧化碳。另外，隨燃料處理器的不同，轉(zhuǎn)換器中可能還有氮?dú)?。必須指出的是，在任何PEMFC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器中的惰性氣體和其它氣體都將不同程度的影響電池的性能。由于PEMFC的工作溫度通常在100。C以下，在典型的PEMFC系統(tǒng)中，CO很容易吸附在鉑催化劑上，引起催化劑中毒，導(dǎo)致電池性能下降。因而，必須將轉(zhuǎn)換氣中的CO濃度控制在100×10-6以下，這可通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換器或一個(gè)選擇氧化器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這些措施，可保證燃料氣中的CO含量低于10×10- 6。

2.2.3 氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)

PEMFC的氧化劑可以是純氧或空氣，若以純氧作氧化劑，其系統(tǒng)組成和控制與純氫作燃料氣相類似[8]。然而，從實(shí)用化和商業(yè)化的角度來(lái)考慮，PEMFC均采用空氣作氧化劑，其中對(duì)應(yīng)與不同的應(yīng)用需要，空氣可以是常壓的，也可以是壓縮的。通常，采用常壓空氣作氧化劑，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，考慮到電池性能隨氧壓力的增大而升高，因而在獲得同等電池性能的前提下，采用常壓空氣作氧化劑的 PEMFC系統(tǒng)必須具有較大的尺寸和更高的制造成本。采用常壓空氣帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是增加了電池系統(tǒng)水/熱管理的難度，這種缺點(diǎn)對(duì)小型低功率電池系統(tǒng)的影響并不明顯，但對(duì)大型商用電源來(lái)說(shuō)，其負(fù)面影響不可忽視。正是由于上述原因，在PEMFC的眾多應(yīng)用中，均采用壓縮空氣作氧化劑，盡管增加了氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性。通常，這樣一個(gè)系統(tǒng)都包含有一個(gè)由PEMFC驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)和一個(gè)可從排放氣中回收部分能量的超級(jí)壓縮器。一般來(lái)說(shuō)，采用何種形式的氧化劑，取決于特定應(yīng)用場(chǎng)合下系統(tǒng)效率、重量及制造成本之間的平衡。

2.2.4 水/熱管理系統(tǒng)

圖2中所示的水/熱管理系統(tǒng)是以壓縮空氣作氧化劑的PEMFC所采用的典型的水/熱管理系統(tǒng)，大部分的反應(yīng)產(chǎn)物水通過(guò)過(guò)量的空氣流從陰極排出。通常，氧化劑的流量是PEMFC發(fā)生反應(yīng)所需化學(xué)計(jì)量流量的2倍。由于PEMFC的最佳工作溫度為70～90。C，反應(yīng)產(chǎn)物均以液態(tài)形式存在，易于收集，因而相對(duì)其它類型的燃料電池而言， PEMFC的水管理系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，另外，在其它的一些系統(tǒng)中反應(yīng)產(chǎn)物水也可由陽(yáng)極排出。
在多數(shù)PEMFC系統(tǒng)中，反應(yīng)產(chǎn)物水被用于系統(tǒng)的冷卻和部分用來(lái)加濕燃料氣和氧化劑，如圖2所示，產(chǎn)物水首先通過(guò)燃料電池堆的反應(yīng)區(qū)冷卻電堆本身，在冷卻的過(guò)程中水蒸氣被加熱至燃料電池的工作溫度，被加熱的水再與反應(yīng)氣體接觸，起到增濕的效果。除了在增濕的過(guò)程中，部分熱量被反應(yīng)氣體帶走外，還需要一個(gè)進(jìn)一步的熱交換過(guò)程，將水中多余的熱量帶走，防止 PEMFC系統(tǒng)熱量逐步積累，造成電池溫度上升，性能下降。這種熱交換過(guò)程通常是采用一個(gè)水/空氣熱交換器來(lái)完成，當(dāng)然在一些特殊的PEMFC系統(tǒng)中，這部分過(guò)多的熱量也可用作空調(diào)加熱和飲用熱水來(lái)使用。

2.2.5 控制系統(tǒng)

PEMFC系統(tǒng)是一個(gè)由眾多子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每一部分既相互獨(dú)立,又相互聯(lián)系，任一部分工作失常都將直接影響電池性能。為了保證整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，需要多種功能不同的閥件、傳感器和水、熱、氣調(diào)節(jié)控制裝置，由這些控制裝置及其相應(yīng)的管路組成的控制系統(tǒng)在很大程度上決定了PEMFC系統(tǒng)的實(shí)用性，如作為筆記本電腦電源的小型 PEMFC，在燃料電池本體已實(shí)現(xiàn)微型化的前提下，控制系統(tǒng)也必須實(shí)現(xiàn)微型化。Hodkinson R.L曾指出[9]，近幾年隨著PEMFC技術(shù)的不斷完善，在小型PEMFC系統(tǒng)的制造成本中,占主導(dǎo)的不再是電堆本身，而是控制系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，他認(rèn)為對(duì)于成本為1000$/kW的燃料電池系統(tǒng)，在批量生產(chǎn)的條件下，電堆本身的成本不會(huì)超過(guò)100$/kW,因而關(guān)鍵是要降低控制系統(tǒng)的成本。為此， Polaron Group開(kāi)發(fā)出一系列具有商用價(jià)值的PEMFC控制系統(tǒng)部件。
針對(duì)PEMFC的不同應(yīng)用場(chǎng)合和要求，要選擇合適的閥并非一件易事。事實(shí)上，閥本身成本并不高，重量也可以接受，但問(wèn)題在于如何得到或設(shè)計(jì)這些特定的閥。目前，由于燃料電池并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其控制系統(tǒng)中所涉及到的一些控制部件大部分是來(lái)自其他行業(yè)，這樣很難保證它們與燃料電池系統(tǒng)的配套性。此外，控制部件的安全性也是一個(gè)必須注意的問(wèn)題[10]。
另外,質(zhì)子交換膜燃料電池所產(chǎn)生的電能為直流電，其輸出電壓因受內(nèi)阻的影響還隨負(fù)荷的變化而改變。基于上述原因，為滿足大多數(shù)負(fù)載對(duì)交流供電和電壓穩(wěn)定度的要求，在燃料電池系統(tǒng)的輸出端，須要配置功率變換單元。當(dāng)負(fù)載需要交流供電時(shí)，應(yīng)采用DC/AC變換器；當(dāng)負(fù)載要求直流供電時(shí)，也需要用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)燃料電池組輸出電能的升壓與穩(wěn)壓。

3.質(zhì)子交換膜燃料電池在電源方面的應(yīng)用

燃料電池以其能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境污染小、可靠性和維護(hù)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為繼水力、火力和核能之后的第四代發(fā)電裝置，而PEMFC更以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為適應(yīng)性最廣的燃料電池類型 [11]。總的來(lái)說(shuō),PEMFC的應(yīng)用范圍包括兩方面：固定式電源(分散型電站)和移動(dòng)式電源。

3.1 固定式電源(分散型電站)

PEMFC應(yīng)用于大規(guī)模中心發(fā)電廠,與傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比,盡管在效率和環(huán)境保護(hù)方面存在一定的優(yōu)勢(shì),但考慮到制造成本以及燃料方面所受到的限制， PEMFC不宜作為中心發(fā)電廠的發(fā)電裝置，但我們知道，發(fā)電廠如果規(guī)模太小，就會(huì)得不償失，而PEMFC就非常靈活，可做成任意規(guī)模，因此PEMFC作為分散型電站，其應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。
PEMFC分散型電站可以與電網(wǎng)供電系統(tǒng)共用，主要用于調(diào)峰；也可作為分散型主供電源，獨(dú)立供電，適于用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)或新開(kāi)發(fā)地區(qū)電站。
與集中供電方式相比，分散供電方式有較多的優(yōu)點(diǎn)：（1）可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；（2）有利于熱電聯(lián)供（由于PEMFC電站無(wú)噪聲，可以就近安裝，PEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可以進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá)80%以上；（3）受戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害等的影響比較小；（4）通過(guò)天然氣、煤氣重整制氫，可利用現(xiàn)有天然氣、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為PEMFC提供燃料，通過(guò)生物制氫、太陽(yáng)能電解制氫方法則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于廣大的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本大大降低。因此，PEMFC電站的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性均很好。國(guó)際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展PEMFC分散型電站將是一大趨勢(shì)。

3.2 移動(dòng)式電源

一是用作便攜電源、小型移動(dòng)電源、車載電源、備用電源、不間斷電源等，適用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)、地質(zhì)、微波站、氣象觀測(cè)站、金融市場(chǎng)、醫(yī)院及娛樂(lè)場(chǎng)所等領(lǐng)域，以滿足野外供電、應(yīng)急供電以及高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。
PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦，如手機(jī)電池[12]。據(jù)報(bào)道，PEMFC手機(jī)電池的連續(xù)待機(jī)時(shí)間可達(dá)1000小時(shí)，一次填充燃料的通話時(shí)間可達(dá) 100小時(shí)（摩托羅拉）。適用于筆記本電腦等便攜電子設(shè)備的PEMFC電源的功率范圍大致在數(shù)十瓦至數(shù)百瓦（東芝）。軍用背負(fù)式通訊電源的功率大約為數(shù)百瓦級(jí)。衛(wèi)星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為數(shù)千瓦級(jí)。
二是可用作助動(dòng)車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動(dòng)力，以滿足環(huán)保對(duì)車輛船舶排放的要求。
PEMFC的工作溫度低，啟動(dòng)速度較快，功率密度較高（體積較?。Ｒ虼?，很適于用作新一代交通工具動(dòng)力。這是一項(xiàng)潛力十分巨大的應(yīng)用。由于汽車是造成能源消耗和環(huán)境污染的首要原因，因此，世界各大汽車集團(tuán)競(jìng)相投入巨資，研究開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車和代用燃料汽車。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)車的未來(lái)發(fā)展方向。PEMFC可以實(shí)現(xiàn)零排放或低排放；其輸出功率密度比目前的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率密度高得多，可達(dá)1.6KW/升。
用作電動(dòng)自行車、助動(dòng)車和摩托車動(dòng)力的PEMFC系統(tǒng)，其功率范圍分別是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)的功率一般為10-60KW。公交車的功率則需要100-175KW。
PEMFC用作潛艇動(dòng)力源時(shí)，與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高潛艇隱蔽性、靈活性和作戰(zhàn)能力有重要意義。美國(guó)、加拿大、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)海軍都已經(jīng)裝備了以PEMFC為動(dòng)力的潛艇，這種潛艇可在水下連續(xù)潛行一個(gè)月之久。
綜上所述：PEMFC應(yīng)用廣，市場(chǎng)潛力大，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。

4. PEMFC電源系統(tǒng)商業(yè)化前景

質(zhì)子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)雖具有高效、環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)，但受以下因素的影響，導(dǎo)致其商業(yè)化的推廣旅程還很艱辛。
（1）價(jià)格局限。由于質(zhì)子交換膜尚未產(chǎn)業(yè)化，成本較高，再加上使用貴金屬——鉑作催化劑，因此燃料電池的價(jià)格雖然已有所降低，但與汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比(約50$/kW)還有較大差距。
（2）燃料的限制。目前質(zhì)子交換膜燃料電池，主要以純氫氣為燃料。由于現(xiàn)有的燃料供給設(shè)施的限制，氫燃料的補(bǔ)給是制約質(zhì)子交換膜燃料電池推廣的瓶頸。鑒于此各國(guó)紛紛研制、開(kāi)發(fā)碳?xì)湟后w燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池。甲醇、汽油等燃料重整質(zhì)子交換膜燃料電池的研究已取得可喜成果，如能在關(guān)鍵技術(shù)上突破，則可利用現(xiàn)有的燃料配給設(shè)施補(bǔ)給燃料，但是目前距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。
由此可見(jiàn)，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種高效率、低噪聲的新型發(fā)電設(shè)備。在研制過(guò)程中，不僅需要性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠的質(zhì)子交換膜燃料電池組（堆），同時(shí)須要燃料貯存、氧化劑（空氣）供給、溫度調(diào)節(jié)，以及系統(tǒng)控制等功能單元的科學(xué)合理配置。PEMFC電源在技術(shù)上已基本成熟，其推廣應(yīng)用的障礙主要是價(jià)格問(wèn)題。但我們只要回顧一下電子計(jì)算機(jī)從電子管到晶體管、從小規(guī)模集成電路到中大規(guī)模集成電路，最后到超大規(guī)模集成電路的幾代發(fā)展史，我們不難得出推斷：PEMFC電源最終將與計(jì)算機(jī)一樣進(jìn)入各行各業(yè)，千家萬(wàn)戶。

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