CN114875439A - 制氢系统及其热管理方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制氢系统及其热管理方法、装置。制氢系统包括：至少两个电解槽；后处理设备，所述至少两个电解槽共用所述后处理设备；所述后处理设备包括第一电解液流入支管和第二电解液流入支管；其中，各所述第一电解液流入支管共用一套冷却装置，用于将冷电解液导入对应的所述电解槽；所述第二电解液流入支管为所述冷却装置的旁路支管，用于将热电解液导入对应的所述电解槽。与现有技术相比，本发明实施例实现了对各电解槽温度的精准控制，提升了系统效率。

Description

制氢系统及其热管理方法、装置

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种制氢系统及其热管理方法、装置。

背景技术

在大规模可再生能源电解水制氢系统中，为了在提高制氢系统的产氢量的同时降低整个制氢系统的制造成本，可以采用多电解槽合并使用一套后处理设备的技术方案。其中，电解槽的工作温度是系统运行中的关键参数，为了维持其工作温度的稳定，后处理设备中设置有换热器等设备对制氢系统进行热管理。

在现有技术中，对于与可再生能源相结合的制氢系统，其输入功率不断变化，对其进行热管理控制也需要进行适应性地调整。然而，现有的制氢系统存在缺陷，无法实现对各电解槽温度的精准控制。

发明内容

本发明提供了一种制氢系统及其热管理方法、装置，以实现对各电解槽温度的精准控制，提升系统效率。

根据本发明的一方面，提供了一种制氢系统，包括：

至少两个电解槽；

后处理设备，所述至少两个电解槽共用所述后处理设备；所述后处理设备包括第一电解液流入支管和第二电解液流入支管；

其中，各所述第一电解液流入支管共用一套冷却装置，用于将冷电解液导入对应的所述电解槽；所述第二电解液流入支管为所述冷却装置的旁路支管，用于将热电解液导入对应的所述电解槽。

可选地，所述后处理设备还包括：

气液分离单元，设置于所述至少两个电解槽的电解液出口；所述至少两个电解槽共用所述气液分离单元；

电解液循环装置，设置于所述电解液循环管路上。

可选地，各所述第一电解液流入支管的公共电解液入口设置于所述冷却装置的电解液出口后；

以及，各所述第二电解液流入支管的公共电解液入口设置于所述冷却装置的电解液入口前。

可选地，所述第二电解液流入支管上设置有第一开关装置，所述第一开关装置控制所述热电解液的流量。

可选地，所述第一电解液流入支管上设置有第二开关装置，所述第二开关装置用于控制所述冷电解液的流量。

可选地，所述后处理设备还包括：

与所述电解槽对应设置的第三开关装置，所述第三开关装置设置于所述电解槽的电解液入口，所述第一电解液流入支管和所述第二电解液流入支管均接入所述第三开关装置；所述第三开关装置用于控制导入所述电解槽的电解液的总流量。

可选地，所述开关装置包括调节阀或开关阀中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种制氢系统的热管理方法，应用于如本发明任意实施例所述的制氢系统，所述热管理方法包括：

实时获取制氢系统的工况状态；

根据所述工况状态，调整由所述第一电解液流入支管导入各所述电解槽的冷电解液的流量，以及由所述第二电解液流入支管导入各所述电解槽的热电解液的流量，以使各所述电解槽的温度维持在相应预设温度。

可选地，所述根据所述工况状态，调整导入各所述电解槽的热电解液和冷电解液的流量，包括以下情况中的至少一种：

若所述工况状态为至少一个所述电解槽需要降温；则控制所述电解槽对应的所述第一电解液流入支管中冷电解液的流量增大，或控制所述电解槽对应的所述第二电解液流入支管中热电解液的流量减小甚至关闭；

若所述工况状态为至少一个所述电解槽需要升温；则控制所述电解槽对应的所述第二电解液流入支管中热电解液的流量增大，或控制所述电解槽对应的所述第一电解液流入支管中冷电解液的流量减小甚至关闭。

可选地，所述电解槽需要降温的条件包括：所述电解槽在各运行状态下的温度超过对应的降温设定温度；其中，不同状态对应的降温设定温度相同或不同；

所述电解槽需要升温的条件包括：所述电解槽在各运行状态下的温度低于对应的升温设定温度；其中，不同状态对应的升温设定温度相同或不同。

可选地，所述根据所述工况状态，调整导入各所述电解槽的热电解液和冷电解液的流量，包括：

若所述电解槽处于待机状态，则关闭对应的所述第一电解液流入支管；以及，在处于待机状态的达到预设条件后，导通所述第一电解槽对应的所述第二电解液流入支管。

可选地，在导通第二电解液流入支管之后，还包括：

根据所述电解槽的温度，调整导入对应的所述电解槽的热电解液的流量。

可选地，在调整导入各所述电解槽的冷电解液的流量之前，还包括：

检测各所述电解槽的温度，并筛选出最高温度；定义温度最高的所述电解槽为第二电解槽；

根据所述第二电解槽的温度调整所述冷却装置中冷却泵的流量，以在导通所述第二电解槽对应的所述第一电解液流入支管后，冷电解液实现对所述第二电解槽的降温。

可选地，所述制氢系统的热管理方法还包括：定义温度非最高的所述电解槽为第三电解槽；在导通所述第二电解槽对应的所述第一电解液流入支管的同时，还包括：

根据所述第三电解槽的温度调整对应的所述第一电解液流入支管和/或所述第二电解液流入支管的开度，以维持所述第三电解槽的温度恒定。

可选地，对所述冷却泵的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；

对所述第一电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；

对所述第二电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种制氢系统的热管理装置，应用于如本发明任意实施例所述的制氢系统，所述热管理装置包括：

工况获取模块，用于实时获取制氢系统的工况状态；

温度调整模块，用于根据所述工况状态，调整由所述第一电解液流入支管导入各所述电解槽的冷电解液的流量，以及由所述第二电解液流入支管导入各所述电解槽的热电解液的流量，以使各所述电解槽的温度维持在相应预设温度。

本发明实施例的技术方案，设置制氢系统的后处理设备包括第一电解液流入支管和第二电解液流入支管。其中，各第一电解液流入支管共用一套冷却装置，用于将冷电解液导入对应的电解槽；第二电解液流入支管为冷却装置的旁路支管，用于将热电解液导入对应的电解槽。第一电解液流入支管和第二电解液流入支管的设置，不仅能够在电解槽处于工作状态时，对电解槽进行降温，还能够在电解槽处于停机状态时，维持电解槽处于热备用状态，无需单独设置加热设备对电解槽进行加热，有利于电解槽的快速起机。因此，本发明实施例能够根据需要实现对各电解槽进行降温和升温，在降低成本的基础上实现了对各电解槽温度的精准控制，提升了系统效率。进一步分析本发明实施例，利用处于工作状态的电解槽产生的热量维持处于热备用状态的电解槽的温度，实现了热量的自产自销，从而有利于降低制氢系统的整体功耗。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种制氢系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种制氢系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种制氢系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种制氢系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种制氢系统的热管理方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的另一种制氢系统的热管理方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的又一种制氢系统的热管理方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的一种PID调节的控制框图；

图9为本发明实施例提供的另一种PID调节的控制框图；

图10为本发明实施例提供的一种制氢系统的热管理装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种制氢系统的结构示意图，该制氢系统可采用任意一种供电模式，尤其适用于采用新能源供电。参见图1，该制氢系统包括：至少两个电解槽(图1中示例性地示出了电解槽100、电解槽200和电解槽300)和后处理设备400。至少两个电解槽共用后处理设备400；后处理设备400包括第一电解液流入支管(图1中示例性地示出了第一电解液流入支管481、482和483)和第二电解液流入支管(图1中示例性地示出了第二电解液流入支管491、492和493)，第一电解液流入支管和第二电解液流入支管的设置数量可与电解槽的设置数量对应。示例性地，如图1所示，第一电解液流入支管和电解槽一一对应，且第二电解液流入支管和电解槽一一对应。具体地，第一电解液流入支管481、第二电解液流入支管491与电解槽100对应，第一电解液流入支管482、第二电解液流入支管492与电解槽200对应，第一电解液流入支管483、第二电解液流入支管493与电解槽300对应。其中，各第一电解液流入支管共用一套冷却装置430，用于将冷电解液导入对应的电解槽；第二电解液流入支管为冷却装置430的旁路支管，用于将热电解液导入对应的电解槽。在其他实施例中，还可以设置部分电解槽对应两个或多个第一电解液流入支管、第二电解液流入支管，在实际应用中可以根据需要进行设定。

其中，在进行电解水制氢时，需要保持稳定的温度，然而电解过程会产生大量的热量，使得电解液的温度上升，且电解功率越大温度上升越快，从而使电解槽的温度上升。为了保持电解液温度的稳定，需要对电解液进行降温，冷却装置430能够对流出电解槽的电解液进行降温。示例性地，将各第一电解液流入支管均连接至冷却装置430的电解液出口，能够实现各第一电解液流入支管共用一套冷却装置430。冷电解液(降温后的电解液)通过各第一电解液流入支管流入对应的电解槽中，以使对应的电解槽的温度降低。

当采用新能源供电时，由于新能源供电的波动性会使得制氢系统内的多个电解槽并非工作在相同的输入功率下，其温度升高程度有所不同，此时可以采用第一电解液流入支管中的冷电解液对电解槽进行适应性地调整。

同样地，由于新能源供电的波动性会使得制氢系统内的部分电解槽处于停机状态，且处于停机状态的电解槽有可能随时重新启动。为了对电解槽进行保温，即处于热备用状态，以便下次启动时快速达到额定产氢能力，本发明实施例提供的制氢系统还包括传导热电解液的第二电解液流入支管。第二电解液流入支管为冷却装置430的旁路支管，即第二电解液流入支管绕过了冷却装置430，第二电解液流入支管中的电解液是未经冷却的电解液，即热电解液。停机后的电解槽会进行自然散热，温度降低，通过采用第二电解液流入支管及时补充热电解液，能够维持该电解槽的温度，以有利于电解槽的快速起机。此时，热电解液的作用是对电解槽进行保温，以小流量的电解液循环即可实现，无需额外增加电解液循环流量，因此，本发明实施例增加第二电解液流入支管无需增加制氢系统的功耗。

综上所述，应用本发明实施例提供的制氢系统，处于工作状态的电解槽的数量可以根据输入电源的功率进行确定，且处于工作状态的电解槽和热备用状态的电解槽能够共用一套后处理设备400，即后处理设备400始终处于工作状态，无需反复停机，从而有利于在提高制氢系统的产氢量的同时降低整个制氢系统的制造成本。以及，第一电解液流入支管和第二电解液流入支管的设置，不仅能够在电解槽处于工作状态时，对电解槽进行降温，还能够在电解槽处于停机状态时，维持电解槽处于热备用状态，无需单独设置加热设备对电解槽进行加热，有利于电解槽的快速起机。因此，本发明实施例能够根据需要实现对各电解槽进行降温和升温，在降低成本的基础上实现了对各电解槽温度的精准控制，提升了系统效率。进一步分析本发明实施例，利用处于工作状态的电解槽产生的热量维持处于热备用状态的电解槽的温度，实现了热量的自产自销，从而有利于降低制氢系统的整体功耗。

在上述各实施例的基础上，可选地，后处理设备400还包括：气液分离单元410和电解液循环装置420。其中，电解液循环装置420用于为电解液的流动提供动力，电解液循环装置420例如可以是循环泵。电解液循环装置420可以设置在电解液流路中的任何位置，相应地，只需将第一电解液流入支管和第二电解液流入支管的设置位置进行适应调整即可，本发明不做限定。下面就其中的几种设置方式进行说明，但不作为对本发明的限定。

继续参见图1，在本发明的一种实施方式中，可选地，气液分离单元410设置于至少两个电解槽的电解液出口；至少两个电解槽共用气液分离单元410。电解液循环装置420设置于电解液循环管路上。示例性地，电解液循环装置420设置于气液分离单元410的电解液出口和冷却装置430的电解液入口之间。其中，气液分离单元410包括氧侧气液分离器411和氢侧气液分离器412，氧侧气液分离器411包括一电解液出口，氢侧气液分离器412包括一电解液出口，两个电解液出口汇流后作为气液分离单元410的电解液出口。后处理设备400中的全部电解液均会通过气液分离单元410的电解液出口，此处的出口管线为电解液的总管线。本实施例将电解液循环装置420设置于气液分离单元410的电解液出口，能够对总管线中的电解液提供循环动力。

在上述各实施例的基础上，可选地，各第一电解液流入支管的公共电解液入口设置于冷却装置430的电解液出口后；以及，各第二电解液流入支管的公共电解液入口设置于冷却装置430的电解液入口前。这样设置，能够确保第一电解液流入支管中为冷电解液，以及第二电解液流入支管中为热电解液。

继续参见图1，在本发明的一种实施方式中，可选地，各第二电解液流入支管的公共电解液入口设置于电解液循环装置420的电解液出口。示例性地，第二电解液流入支管491通过管线470连接至电解液循环装置420的电解液出口管线上，具体可以通过三通管件连接。第二电解液流入支管492通过三通管件连接至管线470上，第二电解液流入支管493通过三通管件连接至管线470上，可以将管线470的入口看作各第二电解液流入支管的公共电解液入口。本发明实施例这样设置，可以使得第二电解液流入支管中热电解液的驱动力由电解液循环装置420提供，有利于第二电解液流入支管由电解液循环装置420获取较为强劲的循环动力。

图2为本发明实施例提供的另一种制氢系统的结构示意图。参见图2，在本发明的一种实施方式中，可选地，各第二电解液流入支管的公共电解液入口设置于电解液循环装置420的电解液入口。其中，电解液循环装置420能够对后处理设备400中的电解液提供动力，因此，无论第二电解液流入支管的公共电解液入口设置在哪个位置，电解液循环装置420均可以为热电解液提供循环动力。

在其他实施例中，还可以设置各第二电解液流入支管分别连接至不同的位置，例如，部分连接至电解液循环装置420的电解液入口，部分连接至电解液循环装置420的电解液出口，在实际应用中可以根据需要进行设置。

图3为本发明实施例提供的又一种制氢系统的结构示意图。参见图3，在本发明的一种实施方式中，可选地，与前述各实施例不同的是，电解液循环装置420设置于冷却装置430的电解液出口和第一电解液流入支管的公共电解液入口之间。也就是说，将电解液循环装置420设置于冷电解液管线中。其中，与第二电解液流入支管相比，第一电解液流入支管为电解液的主要流通路径。但是，冷电解液和热电解液最终会汇合在一起，通过设置电解液循环装置420对冷电解液提供循环动力，相当于对电解液整体提供了循环动力，第二电解液流入支管也会获得循环动力。

继续参见图3，在本发明的一种实施方式中，可选地，各第二电解液流入支管的公共电解液入口设置于冷却装置430的电解液入口。由于第二电解液流入支管绕过冷却装置430，因此，无论冷却装置430和电解液循环装置420的设置位置如何设置，只要确保各第二电解液流入支管的公共电解液入口设置在冷却装置430的电解液入口上游；同时，各第二电解液流入支管的电解液出口设置在冷却装置430的电解液出口下游即可。

在上述各实施例的基础上，可选地，在各管线上还设置有开关装置，用于实现对应管线的流量控制。其中，开关装置的设置方式有多种，下面就其中的几种进行说明，但不作为对本发明的限定。

继续参见图1-图3，在本发明的一种实施方式中，可选地，第二电解液流入支管上设置有第一开关装置，第一开关装置控制热电解液的流量。图1-图3示例性地，第一开关装置D设置在第二电解液流入支管491上，实现对流入电解槽100的热电解液的流量控制；第一开关装置E设置在第二电解液流入支管492上，实现对流入电解槽200的热电解液的流量控制；第一开关装置F设置在第二电解液流入支管493上，实现对流入电解槽300的热电解液的流量控制。

其中，第一电解液流入支管和第二电解液流入支管中电解液在流动过程中均存在一定的流体阻力，但是冷电解液的流体阻力大于热电解液的流体阻力。因此，当第一开关装置打开时，热电解液和冷电解液同时流入对应电解槽，热电解液的流量起主导作用。具体地，第一开关装置的开度越大，热电解液的流量越大，致使冷电解液的流量越小；相反，第一开关装置的开度越小，热电解液的流量越大，致使冷电解液的流量越大。本发明实施例通过仅在第二电解液流入支管上设置第一开关装置，利用热电解液和冷电解液的流体阻力差，实现了对热电解液和冷电解液的流量控制。这样设置，有利于简化制氢系统的结构，节约成本。

图4为本发明实施例提供的又一种制氢系统的结构示意图。参见图4，在上述各实施例的基础上，可选地，第一电解液流入支管上设置有第二开关装置，第二开关装置用于控制冷电解液的流量。图4示例性地，第二开关装置G设置在第一电解液流入支管481上，实现对流入电解槽100的冷电解液的流量控制；第二开关装置H设置在第一电解液流入支管482上，实现对流入电解槽200的冷电解液的流量控制；第二开关装置I设置在第一电解液流入支管483上，实现对流入电解槽300的冷电解液的流量控制。

本发明实施例在第二电解液流入支管设置第一开关装置的基础上，在第一电解液流入支管上设置第二开关装置，使得冷电解液的流量由第二开关装置控制，热电解液的流量由第一开关装置控制。这样设置，有利于提升对冷热电解液比例的控制，使得温度控制更加精确。

继续参见图1-图4，在上述各实施例的基础上，可选地，后处理设备400还包括：与电解槽对应设置的第三开关装置，第三开关装置设置于电解槽的电解液入口，第一电解液流入支管和第二电解液流入支管均接入第三开关装置。其中，第三开关装置作为电解液流入电解槽的总开关，用于控制导入电解槽的电解液的总流量。图1-图4示例性地，第三开关装置A设置在电解槽100的电解液入口，接入热电解液和冷电解液的混合电解液，控制流入电解槽100的总流量；第三开关装置B设置在电解槽200的电解液入口，接入热电解液和冷电解液的混合电解液，控制流入电解槽200的总流量；第三开关装置C设置在电解槽300的电解液入口，接入热电解液和冷电解液的混合电解液，控制流入电解槽300的总流量。

综上所述，本发明实施例将冷却装置430前的热电解液引入到电解槽的第三开关装置前，使得在热电解液的流量调整时不影响进入各电解槽的电解液的总流量。这样设置，对每个电解槽来说，可以实现流量控制与温度控制的解耦控制，即流量控制不影响温度控制，温度控制也不影响流量控制，从而有利于实现对各电解槽温度的精准控制。

继续参见图1-图4，在上述各实施例的基础上，可选地，第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置的类型包括调节阀或开关阀中的至少一种。其中，开关阀只有打开和关闭两种状态，调节阀能够对流量进行更加精细的控制。具体地，冷电解液的流动速度越快，对电解槽的降温效率越高；冷电解液的流动速度越慢，对电解槽的降温效率越低；相反，热电解液的流动速度越快，对电解槽的升温效率越高；热电解液的流动速度越慢，对电解槽的升温效率越低。因此，通过对第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置的控制可以实现对应电解槽的热管理。第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置的类型可以相同、也可以不同，本发明不做限定。

继续参见图1-图4，在上述各实施例的基础上，可选地，制氢系统还包括流量传感器，用于对流入电解槽的电解液流量进行检测。示例性地，流量传感器F001设置于电解槽100的电解液入口，用于检测流入电解槽100的电解液的流量；流量传感器F002设置于电解槽200的电解液入口，用于检测流入电解槽200的电解液的流量；流量传感器F003设置于电解槽300的电解液入口，用于检测流入电解槽300的电解液的流量。

继续参见图1-图4，在上述各实施例的基础上，可选地，制氢系统还包括温度传感器，用于检测由电解槽流出的电解液的温度，即用于检测电解槽的温度。示例性地，温度传感器T001设置于电解槽100的氧侧出口管线上，用于检测电解槽100的电解液的温度；温度传感器T002设置于电解槽200的氧侧出口管线上，用于检测电解槽200的电解液的温度；温度传感器T003设置于电解槽300的氧侧出口管线上，用于检测电解槽300的电解液的温度。在其他实施例中，温度传感器还可以设置在其他位置，例如，电解槽的氢侧出口管线上。

继续参见图1-图4，在上述各实施例的基础上，可选地，冷却装置430为水冷装置，冷却装置430包括换热器431、冷却泵432和冷却塔433，冷却泵432驱动冷却塔433中的冷却液流入换热器431中，同时热电解液也流入换热器431中。在换热器431中冷却液和热电解液进行换热，以使冷却液对热电解液进行降温。具体地，冷却液的循环流量越大，对热电解液的降温效率越高；相反，冷却液的循环流量越小，对热电解液的降温效率越低。因此，通过对冷却泵432的控制可以实现制氢系统的热管理。

继续参见图1-图4，在上述各实施例的基础上，可选地，电解液循环装置420为功率可控的循环泵。具体地，电解液的循环流量越大，对电解液的降温/升温效率越高；相反，电解液的循环流量越小，对电解液的降温/升温效率越低。因此，通过对电解液循环装置420的控制可以实现制氢系统的热管理。

在上述各实施例的基础上，可选地，制氢系统还包括控制器，温度传感器、流量传感器、开关装置、电解液循环装置和冷却泵等自动调节装置均连接至控制器。控制器根据采集到的温度和流量，结合相应的热管理策略对自动调节装置进行控制，例如，控制策略可以是PID调节或滞环调节等。可选地，控制器可以是可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，PLC)或分散控制系统(Distributed Control System，DSC)等。

需要说明的是，在上述各实施例中示例性地示出了第一电解液流入支管和电解槽一一对应，且第二电解液流入支管和电解槽一一对应，在温度控制环路中，每个电解槽的碱液流量可以单独控制，因此可根据需要分配电解槽的功率和碱液流量，可适应变功率制氢的场景，这并非对本发明的限定。在其他实施例中，还可以设置部分电解槽没有第二电解液流入支管。例如，部分电解槽始终处于工作状态，其无需进入热备用状态，因此，无需设置第二电解液流入支管。

还需要说明的是，在上述各实施例中，示例性地以碱性电解水制氢系统为例进行说明，其电解液为碱液，并非对本发明的限定。在其他实施例中，本发明实施例提供的技术方案还可以应用于PEM电解水制氢系统等其他制氢系统。PEM电解水制氢选用全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代碱水制氢电解系统的石棉膜，其电解液为去离子水。

本发明实施例还提供了一种制氢系统的热管理方法，应用于如本发明任意实施例所提供的制氢系统，具备相应的有益效果。该热管理可以由热管理装置执行，该热管理装置可以由软件和/或硬件实现，该热管理装置可以集成于制氢系统的控制器中。图5为本发明实施例提供的一种制氢系统的热管理方法的流程图。参见图5，热管理方法包括以下步骤：

S110、实时获取制氢系统的工况状态。

其中，工况状态描述的是制氢系统的运行情况。示例性地，工况状态可以是电解槽的温度、电解功率等；工况状态还可以是后处理设备中各模块的运行状态、开关装置的开度情况等。

S120、根据工况状态，调整由第一电解液流入支管导入各电解槽的冷电解液的流量，以及由第二电解液流入支管导入各电解槽的热电解液的流量，以使各电解槽的温度维持在相应预设温度。

其中，冷电解液用于给电解槽进行降温，热电解液用于给电解槽进行升温。同时调整第一电解液流入支管和第二电解液流入支管，能够实现对电解槽温度的管控，调整方式包括但不限于：打开、关闭、增大和减小等。结合图4，示例性地，当前处于工作状态的电解槽为电解槽100和电解槽200，相应地，第三开关装置A和第三开关装置B处于打开状态，第二开关装置G和第二开关装置H处于打开状态，进行冷电解液循环。第一开关装置D和第一开关装置E处于关闭状态，关闭热电解液循环。第三开关装置A和第三开关装置B的开度根据流量需要进行设定。当制氢系统的输入功率发生变化后，需要对电解槽100停机，逐步打开第一开关装置D至全开状态，使热电解液流入电解槽100；同时逐步关闭第二开关装置G至全关状态，阻止冷碱液流入电解槽100。

在后续运行过程中，由于进入电解槽100的电解液为热电解液，只需小流量的热电解液来维持温度，进入热备用状态，等待下一次启动。并实时检测电解槽100的温度，当电解槽100的温度大于预设值时减小第三开关装置A的开度，当电解槽100的温度小于预设值时增大第三开关装置A的开度。

本发明实施例实现了调整导入各电解槽的热电解液和冷电解液的流量，能够根据需要实现对各电解槽进行降温和升温，在降低成本的基础上实现了对各电解槽温度的精准控制，提升了系统效率。进一步分析本发明实施例，利用处于工作状态的电解槽产生的热量维持处于热备用状态的电解槽的温度，实现了热量的自产自销，从而有利于降低制氢系统的功耗。

在上述各实施例的基础上，S120中热电解液和冷电解液的调整方式有多种，下面就其中的几种进行说明，但不作为对本发明的限定。

在本发明的一种实施方式中，可选地，S120中调整导入各电解槽的热电解液和冷电解液的流量，包括以下情况中的至少一种：

若工况状态为至少一个电解槽需要降温；则控制电解槽对应的第一电解液流入支管中冷电解液的流量增大，或控制电解槽对应的第二电解液流入支管中热电解液的流量减小甚至关闭。可选地，电解槽需要降温的条件包括：电解槽在各运行状态下的温度超过对应的降温设定温度；其中，运行状态包括正常运行状态、待机状态、初始运行状态或初始待机状态等，不同状态对应的降温设定温度相同或不同，在实际应用中可以根据需要进行设定。其中，在一般情况下，电解槽需要降温是指电解槽处于运行状态，由于电解产生了大量的热量需要降温，其该电解槽对应的第二电解液流入支管为关闭状态。示例性地，电解槽200处于正常运行状态，实时检测电解槽200的温度，若电解槽200的温度超过第一温度预设值，则表明电解槽200需要降温，增大第一电解液流入支管482中冷电解液的流量，例如增大第二开关装置482的开度。在电解槽的其他状态需要降温时，可以采用类似的处理方式，不再赘述。

若工况状态为至少一个电解槽需要升温；则控制电解槽对应的第二电解液流入支管中热电解液的流量增大，或控制电解槽对应的第一电解液流入支管中冷电解液的流量减小甚至关闭。可选地，电解槽需要升温的条件包括：电解槽在各运行状态下的温度低于对应的升温设定温度；其中，运行状态包括正常运行状态、待机状态、初始运行状态或初始待机状态等，不同状态对应的升温设定温度相同或不同，在实际应用中可以根据需要进行设定。示例性地，电解槽300处于冷备用状态，在较长时间内没有运行，且没有热电解液流入，使得电解槽300的温度较低。当需要将其转换为初始运行状态或初始待机状态时，需要对电解槽300进行升温，打开第二电解液流入支管493，使得热电解液流入电解槽300，例如打开第一开关F。在电解槽的其他状态需要升温时，可以采用类似的处理方式，不再赘述。

其中，对第一电解液流入支管和第二电解液流入支管的流量调整范围为从0到流量最大值。

在上述各实施例的基础上，可选地，根据工况状态，调整导入各电解槽的热电解液和冷电解液的流量，包括：若电解槽处于待机状态，则关闭对应的第一电解液流入支管；以及，在处于待机状态的电解槽达到预设条件后，导通对应的第二电解液流入支管。这样设置，实现了以较低的能耗对电解槽的热管理。

可选地，在导通第二电解液流入支管之后，还包括：根据电解槽的温度，调整导入对应的电解槽的热电解液的流量，以实现对电解槽温度的精准控制，提升了热管理方法的灵活性。

具体地，图6为本发明实施例提供的另一种制氢系统的热管理方法的流程示意图。参见图6，在本发明的一种实施方式中，可选地，热管理方法包括以下步骤：

S210、实时获取制氢系统的工况状态。

S220、判断电解槽是否处于运行状态；若是，则执行S230；否则，执行S240。

S230、定义处于运行状态的电解槽为第一电解槽；导通第一电解槽对应的第一电解液流入支管，关闭第一电解槽对应的第二电解液流入支管。

S240、判断第一电解槽是否由运行状态调整为停机状态；若是，则执行S250；否则执行S220。

S250、关闭第一电解槽对应的第一电解液流入支管。

S260、在第一电解槽调整为停机状态的同时或达到预设条件后，导通第一电解槽对应的第二电解液流入支管。

结合图4，电解槽100为第一电解槽，S260的一种实施方式是，在电解槽100调整为停机状态的同时即导通其对应的第二电解液流入支管491。并实时检测电解槽100的温度，对第二电解液流入支管491进行流量调整，流量调整范围为从0到流量最大值。S260的另一种实施方式是，在电解槽100调整为停机状态后达到预设条件后，再导通其对应的第二电解液流入支管491。具体可以实时检测电解槽100的温度，当电解槽100的温度低于第二温度预设值时达到预设条件，控制电解槽100对应的第二电解液流入支管491导通。通过将热电解液流入电解槽100中，可以对电解槽100进行保温。

可选地，若第二电解液流入支管中的第一开关装置为开关阀，可以根据第一电解槽的实时温度，通过适时打开或者关闭开关阀，可以实现对第一电解槽的精准温度控制。若第二电解液流入支管中的第一开关装置为调节阀，还可以根据第一电解槽的温度，调整导入第一电解槽的热电解液的流量，从而实现对第一电解槽的精准温度控制。

通过S210-S250，实现了对第一电解槽由运行状态转换为待机热备用状态时的控制策略。

在上述各实施例中，示例性地示出了通过调整冷热电解液的流量来调整电解槽的温度，并非对本发明的限定。在其他实施例中，还可以结合冷却装置的功率对冷电解液的温度进行调整，从而使得对制氢系统的热管理更加全面，适应性更广。

图7为本发明实施例提供的又一种制氢系统的热管理方法的流程示意图。参见图7，在上述各实施例的基础上，可选地，制氢系统的热管理方法包括以下步骤：

S310、检测各电解槽的温度，并筛选出最高温度；定义温度最高的电解槽为第二电解槽。

其中，温度最高的电解槽为热管理方法中的重点关注对象，冷却液的流量和温度应当能够实现对温度最高的电解槽进行降温，使其工作在合适的温度。

结合图4，示例性地，电解槽200为第二电解槽，由于电解槽200需要降温，关闭其对应的第一开关装置E，避免热电解液流入电解槽200。若制氢系统内设置有第二开关装置，则打开电解槽200对应的第二开关装置H，同时打开第三开关装置B，经换热后的冷电解液通过第二开关装置H、第三开关装置B导入电解槽200，以对电解槽200进行降温。结合图1，若制氢系统内未设置第二开关装置，则只需打开电解槽200对应的第三开关装置B，经换热后的冷电解液经第三开关装置B导入电解槽200，以对电解槽200进行降温。

S320、根据第二电解槽的温度调整冷却装置中冷却泵的流量，以在导通第二电解槽对应的第一电解液流入支管后，冷电解液实现对第二电解槽的降温。

由前述分析可知，冷却泵的流量对冷电解液的温度有直接影响。具体地，若将冷却泵的流量调大，冷却液对热电解液的换热效率提升，有利于降低电解液的温度；若将冷却泵的流量调小，冷却液对热电解液的换热效率降低，电解液的温度有所提升。本发明实施例设置冷却泵的流量根据温度最高的第二电解槽进行调整，确保满足温度最高的电解槽的降温需求的基础上，避免了冷却泵的流量过大带来功耗过高的问题。

S330、定义温度非最高的电解槽为第三电解槽；根据第三电解槽的温度调整对应的第一电解液流入支管和/或第二电解液流入支管的开度，以维持第三电解槽的温度恒定。

其中，在制氢系统中，除了温度最高的第二电解槽，其他电解槽均为第三电解槽。通过前述步骤，冷电解液在最大流量时能够将温度最高的第二电解槽控制在期望的范围内。对于剩下温度较低的第三电解槽，包括次高温的电解槽需要降温的情况、低温的电解槽需要升温的情况，采用调节热电解液的流量或流入第三电解槽的总流量来调节温度。例如，第一开关装置为调节阀、第三开关装置为开关阀，第三开关装置无法实现导入电解槽的流量调节，可以通过打开并调节第一开关装置的流量来合理提升电解液的温度，以对第三电解槽进行升温。又如，第一开关装置和第三开关装置均为调节阀，可以关闭第一开关装置，仅通过调节第三开关装置的开度来减少流入第三电解槽的冷却液的流量。

通过S310-S330，实现了结合冷却装置的功率对冷电解液的温度进行调整的控制策略。由于控制了制氢系统内最高温的电解槽不超温，次高温的电解槽也不超温，且控制温度较低的电解槽逐渐升温，这样既保证了制氢系统内所有电解槽无超温的风险，又使制氢系统内的所有电解槽都工作在最佳的运行温度，达到对所有电解槽温度的精确控制，不会出现个别电解槽持续工作在较高温度下而使电解槽的性能衰减。因此，本发明实施例提高了整个制氢系统的可靠性，以及，可有效减小电解槽的制氢能耗，提升系统效率。

在上述各实施例的基础上，可选地，实时检测所有电解槽的温度，当检测到最大温度的电解槽变换后，则切换温度最高的电解槽。结合图4，例如，上一个调节周期电解槽100的温度最高，则上一个调节周期是以电解槽100的温度记为最高温度；当前周期检测到电解槽200的温度为最高后，将电解槽200的温度记为最高，再执行S310-S330。可选地，将当前检测的电解槽的最高温度大于上个周期的最高温度超过一定范围时再切换最高温度。这样设置，有利于避免控制过程当中，最高温度值切换过于频繁，影响系统的响应速度。

在上述各实施例的基础上，可选地，对冷却泵的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；对循环泵的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；对第一电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；对第二电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种。其中，对冷却泵和循环泵的控制为功率、转速或扭矩的控制。第一电解液流入支管的开度由第二开关装置控制，第二电解液流入支管的开度由第一开关装置控制。对第一电解液流入支管和第二电解液流入支管开度的控制为开关装置的开度的控制。可选地，对第三开关装置的控制方法包括PID调节或滞环调节中的至少一种。

下面对PID调节进行具体说明。图8为本发明实施例提供的一种PID调节的控制框图。参见图8，以对冷却泵采用PID调节为例进行说明。温度指令Tref为电解槽的目标温度，温度反馈Tmax为实时检测的第二电解槽的温度，其中，第二电解槽为温度最高的电解槽。PID调节器可以采用现有的任意一种，本发明不做限定。执行单元是指驱动冷却泵运行的驱动模块，例如可控硅等。温度指令Tref和温度反馈Tmax经过比较点得到温度差△T，该温度差△T经过PID调节器得到控制信号DT1，该控制信号DT1对执行单元实现控制。具体地，当温度反馈Tmax大于温度指令Tref时，PID调节器运算后使控制信号DT1增大，该控制信号DT1使得冷却泵的流量增大，以此来降低电解液的温度，以实现控制电解槽温度的目的。相反地，当温度反馈Tmax小于温度指令Tref时，PID调节器运算后使控制信号DT1减小，该控制信号DT1使得冷却泵的流量减小，以此来提高电解液的温度。对循环泵采用PID调节的方法类似，不再赘述。

图9为本发明实施例提供的另一种PID调节的控制框图。参见图9，以对第一开关装置采用PID调节为例进行说明。温度指令Tref为电解槽的目标温度，温度反馈T2为实时检测的第三电解槽的温度。PID调节器可以采用现有的任意一种，本发明不做限定。执行单元是指驱动开关装置打开、关闭或者调整开度的驱动模块，例如气动、电动、液动等动力机构。温度指令Tref和温度反馈T2经过比较点得到温度差△T，该温度差△T经过PID调节器得到控制信号DT2，该控制信号DT2对执行单元实现控制。具体地，当温度反馈T2大于温度指令Tref时，PID调节器运算后的控制信号DT2减小，控制第一开关装置的开度减小，这样流入第三电解槽的热电解液流量减小，以此来降低电解槽的温度。相反地，当温度反馈T2小于温度指令Tref时，PID调节器运算后使控制信号DT2增大，控制第一开关装置的开度增大，这样流入电解槽的热碱液流量增加，以此来升高第三电解槽的温度。对第二开关装置和第三开关装置进行PID调节的方法类似，不再赘述。

下面对滞环调节进行具体说明。以对冷却泵采用滞环调节为例进行说明。设定上限温度和下限温度，上限温度和下限温度的差值为滞环环宽，上限温度高于目标温度0.5倍的滞环环宽，下限温度低于目标温度0.5倍的滞环环宽。当温度反馈高于上限温度时，控制信号控制执行单元调大冷却泵流量；当温度反馈低于下限温度时，控制信号控制执行单元调小冷却泵流量。其中，通过调整滞环环宽能够调整冷却泵的动作灵敏度和频繁程度。具体地，滞环环宽越小，动作频繁但灵敏度高；滞环环宽越大，动作迟缓，灵敏度低。循环泵和开关装置采用滞环调节的控制方式类似，不再赘述。

本发明实施例还提供了一种制氢系统的热管理装置，应用于如本发明任意实施例所提供的制氢系统。该热管理装置可以由软件和/或硬件实现，该热管理装置可以集成于制氢系统的控制器中。图10为本发明实施例提供的一种制氢系统的热管理装置的结构示意图。参见图10，热管理装置包括：

工况获取模块1，用于实时获取制氢系统的工况状态。

温度调整模块2，用于根据工况状态，调整由第一电解液流入支管导入各电解槽的冷电解液的流量，以及由第二电解液流入支管导入各电解槽的热电解液的流量，以使各电解槽的温度维持在相应预设温度。

本发明实施例所提供的制氢系统的热管理装置可执行本发明任意实施例所提供的制氢系统的热管理方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

可选地，温度调整模块包括：

降温单元，用于在所述工况状态为至少一个所述电解槽需要降温时；控制所述电解槽对应的所述第一电解液流入支管中冷电解液的流量增大，或控制所述电解槽对应的所述第二电解液流入支管中热电解液的流量减小甚至关闭；

升温单元，用于在所述工况状态为至少一个所述电解槽需要升温时；控制所述电解槽对应的所述第二电解液流入支管中热电解液的流量增大，或控制所述电解槽对应的所述第一电解液流入支管中冷电解液的流量减小甚至关闭。

可选地，电解槽需要降温的条件包括：电解槽在各运行状态下的温度超过对应的降温设定温度；其中，不同状态对应的降温设定温度相同或不同；

电解槽需要升温的条件包括：电解槽在各运行状态下的温度低于对应的升温设定温度；其中，不同状态对应的升温设定温度相同或不同。

可选地，温度调整模块还用于：

若电解槽处于待机状态，则关闭对应的第一电解液流入支管；

以及，在处于待机状态的电解槽达到预设条件后，导通对应的第二电解液流入支管。

可选地，温度调整模块还用于在导通第二电解液流入支管之后，根据电解槽的温度，调整导入对应的电解槽的热电解液的流量。

可选地，温度调整模块还用于，在调整导入各电解槽的冷电解液的流量之前，检测各电解槽的温度，并筛选出最高温度；定义温度最高的电解槽为第二电解槽；

根据第二电解槽的温度调整冷却装置中冷却泵的流量，以在导通第二电解槽对应的第一电解液流入支管后，冷电解液实现对第二电解槽的降温。

可选地，温度调整模块还用于：定义温度非最高的电解槽为第三电解槽；在导通第二电解槽对应的第一电解液流入支管的同时，还包括：

根据第三电解槽的温度调整对应的第一电解液流入支管和/或第二电解液流入支管的开度，以维持第三电解槽的温度恒定。

可选地，对冷却泵的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；

对第一电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；

对第二电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种。

综上所述，本发明实施例的技术方案，设置制氢系统的后处理设备包括第一电解液流入支管和第二电解液流入支管。其中，各第一电解液流入支管共用一套冷却装置，用于将冷电解液导入对应的电解槽；第二电解液流入支管为冷却装置的旁路支管，用于将热电解液导入对应的电解槽。第一电解液流入支管和第二电解液流入支管的设置，不仅能够在电解槽处于工作状态时，对电解槽进行降温，还能够在电解槽处于停机状态时，维持电解槽处于热备用状态，无需单独设置加热设备对电解槽进行加热，有利于电解槽的快速起机。因此，本发明实施例能够根据需要实现对各电解槽进行降温和升温，在降低成本的基础上实现了对各电解槽温度的精准控制，提升了系统效率。进一步分析本发明实施例，利用处于工作状态的电解槽产生的热量维持处于热备用状态的电解槽的温度，实现了热量的自产自销，从而有利于降低制氢系统的整体功耗。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (16)

1.一种制氢系统，其特征在于，包括：

至少两个电解槽；

后处理设备，所述至少两个电解槽共用所述后处理设备；所述后处理设备包括第一电解液流入支管和第二电解液流入支管；

其中，各所述第一电解液流入支管共用一套冷却装置，用于将冷电解液导入对应的所述电解槽；所述第二电解液流入支管为所述冷却装置的旁路支管，用于将热电解液导入对应的所述电解槽。

2.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述后处理设备还包括：

气液分离单元，设置于所述至少两个电解槽的电解液出口；所述至少两个电解槽共用所述气液分离单元；

电解液循环装置，设置于电解液循环管路上。

3.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，各所述第一电解液流入支管的公共电解液入口设置于所述冷却装置的电解液出口后；

以及，各所述第二电解液流入支管的公共电解液入口设置于所述冷却装置的电解液入口前。

4.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述第二电解液流入支管上设置有第一开关装置，所述第一开关装置控制所述热电解液的流量。

5.根据权利要求4所述的制氢系统，其特征在于，所述第一电解液流入支管上设置有第二开关装置，所述第二开关装置用于控制所述冷电解液的流量。

6.根据权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述后处理设备还包括：

与所述电解槽对应设置的第三开关装置，所述第三开关装置设置于所述电解槽的电解液入口，所述第一电解液流入支管和所述第二电解液流入支管均接入所述第三开关装置；所述第三开关装置用于控制导入所述电解槽的电解液的总流量。

7.根据权利要求4-6任一项所述的制氢系统，其特征在于，所述开关装置包括调节阀或开关阀中的至少一种。

8.一种制氢系统的热管理方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的制氢系统，所述热管理方法包括：

实时获取制氢系统的工况状态；

根据所述工况状态，调整由所述第一电解液流入支管导入各所述电解槽的冷电解液的流量，以及由所述第二电解液流入支管导入各所述电解槽的热电解液的流量，以使各所述电解槽的温度维持在相应预设温度。

9.根据权利要求8所述的制氢系统的热管理方法，其特征在于，所述根据所述工况状态，调整导入各所述电解槽的热电解液和冷电解液的流量，包括以下情况中的至少一种：

若所述工况状态为至少一个所述电解槽需要降温；则控制所述电解槽对应的所述第一电解液流入支管中冷电解液的流量增大，或控制所述电解槽对应的所述第二电解液流入支管中热电解液的流量减小甚至关闭；

若所述工况状态为至少一个所述电解槽需要升温；则控制所述电解槽对应的所述第二电解液流入支管中热电解液的流量增大，或控制所述电解槽对应的所述第一电解液流入支管中冷电解液的流量减小甚至关闭。

10.根据权利要求9所述的制氢系统的热管理方法，其特征在于，所述电解槽需要降温的条件包括：所述电解槽在各运行状态下的温度超过对应的降温设定温度；其中，不同状态对应的降温设定温度相同或不同；

所述电解槽需要升温的条件包括：所述电解槽在各运行状态下的温度低于对应的升温设定温度；其中，不同状态对应的升温设定温度相同或不同。

11.根据权利要求8所述的制氢系统的热管理方法，其特征在于，所述根据所述工况状态，调整导入各所述电解槽的热电解液和冷电解液的流量，包括：

若所述电解槽处于待机状态，则关闭对应的所述第一电解液流入支管；以及，在处于待机状态的所述电解槽达到预设条件后，导通对应的所述第二电解液流入支管。

12.根据权利要求11所述的制氢系统的热管理方法，其特征在于，在导通所述第二电解液流入支管之后，还包括：

根据所述电解槽的温度，调整导入对应的所述电解槽的热电解液的流量。

13.根据权利要求8所述的制氢系统的热管理方法，其特征在于，在调整导入各所述电解槽的冷电解液的流量之前，还包括：

检测各所述电解槽的温度，并筛选出最高温度；定义温度最高的所述电解槽为第二电解槽；

根据所述第二电解槽的温度调整所述冷却装置中冷却泵的流量，以在导通所述第二电解槽对应的所述第一电解液流入支管后，冷电解液实现对所述第二电解槽的降温。

14.根据权利要求13所述的制氢系统的热管理方法，其特征在于，还包括：定义温度非最高的所述电解槽为第三电解槽；在导通所述第二电解槽对应的所述第一电解液流入支管的同时，还包括：

根据所述第三电解槽的温度调整对应的所述第一电解液流入支管和/或所述第二电解液流入支管的开度，以维持所述第三电解槽的温度恒定。

15.根据权利要求14所述的制氢系统的热管理方法，其特征在于，对所述冷却泵的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；

对所述第一电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种；

对所述第二电解液流入支管开度的控制方法包括：PID调节或滞环调节中的至少一种。

16.一种制氢系统的热管理装置，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的制氢系统，所述热管理装置包括：

工况获取模块，用于实时获取制氢系统的工况状态；

温度调整模块，用于根据所述工况状态，调整由所述第一电解液流入支管导入各所述电解槽的冷电解液的流量，以及由所述第二电解液流入支管导入各所述电解槽的热电解液的流量，以使各所述电解槽的温度维持在相应预设温度。

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