CN115217525A - 基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统，包括：电解制氢装置、第一压力的氢气罐、第一压力罐、第一液压机构、第一液体池依次相连，电动机与第一活塞杆相连并驱动第一活塞杆使第一液体池中的第一温度范围的液体进入第一压力罐并压缩第一压力的氢气，第一压力罐、第二压力的氢气罐和第二压力罐、第二液压机构依次相连，第二液体池与第二液压机构相连，第二活塞杆在第二压力的氢气膨胀作用下运动并驱动发电机，第二压力罐、气液分离器、第三压力的氢气罐、氢燃料电池装置依次相连。控制方法包括电解制氢过程和氢气发电过程。充分利用氢气等温压缩过程中产生的热量以及氢气等温膨胀过程中的膨胀做功，显著提高氢电耦合系统的综合利用效率。

Description

基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统及控制方法

技术领域

本发明涉及氢电耦合领域，尤其涉及基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统及控制方法。

背景技术

氢电耦合系统在制氢过程中通常是将电解制氢装置中产生的氢气通过气液分离等步骤后，再经氢气压缩机压缩至储氢罐中，需要氢气发电时，将储氢罐中的氢气经过减压装置降压后迁移至氢燃料电池装置中进行发电。氢气压缩机在压缩氢气时，需要散热系统对设备散热以保证压缩机稳定运行，在这个过程中浪费了大量的热量，而储氢罐中的高压氢气要进行发电时，考虑到氢燃料电池无法承受高压的氢气，需要对高压氢气进行减压操作，降至氢燃料电池可以承受的压力为止，在这个过程中不仅浪费了高压氢气的膨胀做功，也因为减压过程中需要吸热，导致减压缓慢，而且高压氢气对减压阀的密封和劣化作用导致其结构和材料复杂。

因此，依靠氢气等温压缩和等温膨胀可以将氢气压缩过程中产生的热量以及氢气降压过程中的膨胀做功充分利用，可显著提高氢电耦合系统的综合利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统及控制方法，充分利用氢气等温压缩过程中产生的热量以及氢气等温膨胀过程中的膨胀做功，显著提高氢电耦合系统的综合利用效率。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统，包括：

第一液体池，存储具有第一温度范围的液体；以及，

第一压力的氢气罐，存储具有第一压力的氢气；以及，

第一压力罐，存储所述具有第一温度范围的液体和第一压力的氢气；以及，

第一液压机构，包括第一活塞杆；以及，

第二液体池，存储具有第二温度范围的液体；以及，

第二压力的氢气罐，存储具有第二压力的氢气；以及，

第二压力罐，存储所述具有第二温度范围的液体和第二压力的氢气；以及，

第二液压机构，包括第二活塞杆；以及，

第三压力的氢气罐，储存具有第三压力的氢气；以及，

电解制氢装置、气液分离器、氢燃料电池装置、电动机和发电机；

所述电解制氢装置与所述第一压力的氢气罐相连，所述第一压力的氢气罐与所述第一压力罐相连，所述第一压力罐与所述第一液压机构相连，所述第一液体池与所述第一液压机构相连，所述电动机与所述第一液压机构中的所述第一活塞杆相连并驱动所述第一活塞杆，所述第一活塞杆在所述电动机驱动下推动所述第一液体池中的所述第一温度范围的液体进入所述第一压力罐并压缩所述第一压力的氢气，所述第一压力罐与所述第二压力的氢气罐相连，所述第二压力的氢气罐与所述第二压力罐相连，所述第二压力罐与所述第二液压机构相连，所述第二液体池与所述第二液压机构相连，所述第二活塞杆在所述第二压力的氢气膨胀作用下运动，所述第二活塞杆与所述发电机相连并驱动所述发电机，所述第二压力罐与所述气液分离器相连，所述气液分离器与所述第三压力的氢气罐相连，所述第三压力的氢气罐与所述氢燃料电池装置相连。

优选的，该系统还包括用户供暖装置、散热装置以及第一换热装置；所述第一换热装置与所述用户供暖装置相连，所述用户供暖装置与所述散热装置相连，所述散热装置与所述第一换热装置相连，所述第一液体池与所述第一换热装置相连，所述第一换热装置利用所述用户供暖装置与所述散热装置吸收所述第一液体池中的所述具有第一温度范围的液体的热量并使其保持第一温度范围。

优选的，该系统还包括用户制冷装置、补热装置以及第二换热装置；所述第二换热装置与所述用户制冷装置相连，所述用户制冷装置与所述补热装置相连，所述补热装置与所述第二换热装置相连，所述第二液体池与所述第二换热装置相连，所述第二换热装置利用所述用户制冷装置与所述补热装置补充所述第二液体池中的所述具有第二温度范围的液体的热量并使其保持第二温度范围。

优选的，所述第一液压机构和第二液压机构结构相同，均包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口和出液口，且进液口均与对应的压力罐相连，出液口均与对应的液体池相连，所述第一活塞杆和第二活塞杆与对应的所述活塞相连。

采用上述基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统的控制方法，电解制氢过程中，电解制氢装置产生的氢气迁移到第一压力的氢气罐中，提取第一压力的氢气罐中的部分氢气迁移到第一压力罐中，将第一压力罐中原有的第一温度范围的液体通过第一液压机构推入到第一液体池中，电动机消耗电能驱动第一液压机构中的第一活塞杆等温压缩第一压力罐中的氢气，压缩过程中第一液体池中的第一温度范围的液体通过第一液压机构进入到第一压力罐中，压缩结束后将第一压力罐中的高压氢气迁移到第二压力的氢气罐中；

氢气发电过程中，提取第二压力的氢气罐中的部分高压氢气迁移到第二压力罐中，高压氢气在第二压力罐中进行等温膨胀，氢气膨胀做功推动第二液压机构中的第二活塞杆运动，第二活塞杆驱动发电机发电，同时第二压力罐中原有的第二温度范围的液体通过第二液压机构推入到第二液体池中，等温膨胀结束后将第二压力罐中的低压氢气迁移到气液分离器中，同时第二液体池中的第二温度范围的液体通过第二液压机构进入到第二压力罐中，低压氢气在气液分离器中分离后进入到第三压力的氢气罐中，提取第三压力的氢气罐中的氢气迁移到氢燃料电池装置中发电。

与现有技术相比，本发明的优点是：在本方案中，电解制氢产生的氢气在第一压力罐中等温压缩，产生的热量传递到第一液体池中的液体，再通过第一换热器用于用户供暖，第二压力的氢气罐中的高压氢气要进行发电之前，需要先降压，将高压氢气迁移至第二压力罐中进行等温膨胀，氢气膨胀推动活塞杆往复运动并驱动发电机发电，氢气膨胀做功需要吸热，为保证第二液体池中的液体温度不降低，可利用太阳能集热、地热或工业废热等资源，通过第二换热器对第二液体池中的液体补热，提高氢气膨胀做功量以及发电量，提高氢电耦合系统的综合利用效率。

附图说明

图1为本申请基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统的结构示意图一；

图2为本申请基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统的结构示意图二。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1为本发明基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统及控制方法的实施例，该系统包括电解制氢装置1；第一压力的氢气罐2，存储具有第一压力的氢气；第一压力罐3，存储具有第一温度范围的液体和第一压力的氢气；第二压力的氢气罐4，存储具有第二压力的氢气；第二压力罐5，存储具有第二温度范围的液体和第二压力的氢气；气液分离器6；第三压力的氢气罐7，储存具有第三压力的氢气；氢燃料电池装置8；第一液压机构9，存储具有第一温度范围的液体，包括第一活塞杆15；第一液体池10，存储具有第一温度范围的液体；第二液压机构11，包括第二活塞杆20；第二液体池12，存储具有第二温度范围的液体；第一端口组13；第二端口组14；电动机16；第一循环泵17；第三端口组18；第四端口组19；发电机21；第二循环泵22。

所述电解制氢装置1，用于电解水产生氢气，与所述第一压力的氢气罐2用氢气管道相连；所述第一压力的氢气罐2与所述第一压力罐3相连；所述第一压力罐3与所述第一液压机构9相连；所述第一液体池10与所述第一液压机构9相连，所述电动机16与所述第一液压机构9中的所述第一活塞杆15相连并驱动所述第一活塞杆15，所述第一活塞杆15在所述电动机16驱动下推动所述第一液体池10中的所述第一温度范围的液体进入所述第一压力罐3并压缩所述第一压力的氢气；所述第一压力罐3与所述第二压力的氢气罐4相连；所述第二压力的氢气罐4与所述第二压力罐5相连；所述第二压力罐5与所述第二液压机构11相连；所述第二液体池12与所述第二液压机构11相连；所述第二活塞杆20在所述第二压力的氢气膨胀作用下运动，所述第二活塞杆20与所述发电机21相连并驱动所述发电机21；所述第二压力罐5与所述气液分离器6相连，所述气液分离器6与所述第三压力的氢气罐7相连，所述第三压力的氢气罐7与所述氢燃料电池装置8相连。

所述第一液压机构9和第二液压机构11结构相同，均包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口和出液口，且进液口均与对应的压力罐相连，出液口均与对应的液体池相连，所述第一活塞杆和第二活塞杆与对应的所述活塞相连。第一液压机构9，包括第一活塞杆15、第一端口组13和第二端口组14，可通过向第一端口组13或第二端口组14施加液压以推动第一活塞杆15运动；第二液压机构11，包括第二活塞杆20、第三端口组18和第四端口组19，可通过向第三端口组18或第四端口组19施加液压以推动第二活塞杆20运动。

第一压力罐3与第一端口组13相连，第一液体池10与第二端口组14相连，从而第一压力罐3可通过第一端口组13和第二端口组14与第一液体池10相连通；存储在第一压力罐3中的具有第一温度范围的液体和第一压力的氢气存在一个界面，当第一液压机构9的第一活塞杆15将第一液体池10的具有第一温度范围的液体通过第二端口组14和第一端口组13推入第一压力罐3中时，存储在第一压力罐3中的具有存储第一温度范围的液体可通过上述界面压缩第一压力的氢气，电动机16驱动第一活塞杆15运动。

第二压力罐5与第三端口组18相连，第二液体池12与第四端口组19相连，从而第二压力罐5可通过第三端口组18和第四端口组19与第二液体池12相连通；存储在第二压力罐5中的具有第二温度范围的液体和第一压力的氢气存在一个界面，当存储在第二压力罐5中的第二压力的氢气膨胀时，存储在第二压力罐5中的第二压力的氢气可通过上述界面推动存储在第二压力罐5中的具有第二温度范围的液体从第三端口组18流入，从第四端口组19流出，从而推动第二活塞杆20运动，第二活塞杆20驱动发电机21发电。

为了更好地实现第一压力的氢气在第一压力罐3中进行等温压缩，第一压力罐3可包括第一循环泵17，以将第一压力罐3的底部与第一压力罐3的顶部相连，将第一压力罐3底部的具有第一温度范围的液体抽送到第一压力罐3的顶部，以更好地实现第一温度范围的液体与第一压力的氢气的热交换。

为了更好地实现第二压力的氢气在第二压力罐5中进行等温膨胀，第二压力罐5可包括第二循环泵22，以将第二压力罐5的底部与第二压力罐5的顶部相连，将第二压力罐5底部的具有第二温度范围的液体抽送到第二压力罐5的顶部，以更好地实现第二温度范围的液体与第二压力的氢气的热交换。

第一温度范围的液体和第二温度范围的液体可以是常温无杂质的水，也可以是其他氢气难溶解的比热容较高的液体，第一温度和第二温度并无高低之分。

如图2所示为本发明一基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统的另一种结构，在上述结构的基础上，系统还包括用户供暖装置23、散热装置24、第一换热装置25。第一换热装置25与用户供暖装置23、散热装置24相连以及第一液体池10相连，用户供暖装置23与散热装置24相连；可利用用户供暖装置23对第一液体池10中具有第一温度范围的液体进行散热以保持第一温度范围，当用户供暖装置不足以对第一液体池10中具有第一温度范围的液体完全散热时，利用散热装置24继续对其散热。

系统还包括用户制冷装置26、补热装置27、第二换热装置28。第二换热装置28与用户制冷装置26、补热装置27相连以及第二液体池12相连，用户制冷装置26与补热装置27相连；可利用用户制冷装置26对第二液体池12中具有第二温度范围的液体进行补热以保持第二温度范围，当用户制冷装置26不足以对第二液体池12中具有第二温度范围的液体进行完全补热时，利用补热装置27继续对其补热，补热装置27可利用太阳能集热设备、地热和工业废热等资源进行补热。

一种基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统的控制方法包括如下步骤：

电解制氢过程中，电解制氢装置1产生的氢气迁移到第一压力的氢气罐2中，提取第一压力的氢气罐2中的部分氢气迁移到第一压力罐3中，第一压力的氢气罐2与第一压力罐3中间的氢气管道包括迁移泵，用于氢气从第一压力的氢气罐2向第一压力罐3中迁移。初始状态时第一压力罐3中充满了第一温度范围的液体，第一端口组13包括阀门F1、F2，第二端口组14包括阀门F3、F4，打开阀门F1、F2、F3、F4、F9，将第一压力的氢气从第一压力的氢气罐2迁移到第一压力罐3中，第一压力罐3中的第一温度范围的液体通过阀门F1、F2进入第一液压机构9中，第一液压机构9中的第一温度范围的液体通过阀门F3、F4进入到第一液体池10中，迁移第一压力的氢气达到规定量后，关闭阀门F1、F2、F3、F4、F9。

假设此时第一活塞杆15位于第一液压机构9的最左端(其他位置类似)，关闭阀门F1、F4，打开阀门F2、F3，电动机16驱动第一活塞杆15向右运动，第一活塞杆15推动第一液压机构9右侧的第一温度范围的液体通过阀门F2进入第一压力罐3中，等温压缩第一压力罐3中的第一压力的氢气，同时第一液体池10中的第一温度范围的液体通过阀门F3进入到第一液压机构9的左侧，当第一活塞杆运动到第一液压机构9的最右侧时，打开阀门F1、F4，关闭阀门F2、F3，电动机16驱动第一活塞杆15向左运动，第一活塞杆15推动第一液压机构9左侧的第一温度范围的液体通过阀门F1进入第一压力罐3中，等温压缩第一压力罐3中的第一压力的氢气，同时第一液体池10中的第一温度范围的液体通过阀门F4进入到第一液压机构9的右侧，直到第一活塞杆15运动到第一液压机构9的最左侧，再关闭阀门F1、F4，打开阀门F2、F3，电动机16驱动第一活塞杆15向右运动，如此往复，直到将第一压力罐3中的第一压力的氢气压缩到指定压力后，打开阀门F10，将等温压缩后的氢气迁移至第二压力的氢气罐4中，同时第一压力罐3中再次充满第一温度范围的液体，关闭阀门F10，打开阀门F9，再次等温压缩第一压力的氢气。

氢气发电过程中，提取第二压力的氢气罐4中的部分氢气迁移到第二压力罐5中，第二压力的氢气罐4与第二压力罐5中间的氢气管道包括迁移泵，用于氢气从第二压力的氢气罐4向第二压力罐5中迁移。初始状态时第二压力罐5中充满了第二温度范围的液体，第三端口组18包括阀门F5、F6，第四端口组19包括阀门F7、F8，打开阀门F5、F6、F7、F8、F11，将第二压力的氢气从第二压力的氢气罐4迁移到第二压力罐5中，第二压力罐5中的第一温度范围的液体通过阀门F5、F6进入第二液压机构11中，第二液压机构11中的第二温度范围的液体通过阀门F7、F8进入到第二液体池12中，迁移第二压力的氢气达到规定量后，关闭阀门F5、F6、F7、F8、F11。

假设此时第二活塞杆20位于第二液压机构11的最左端(其他位置类似)，打开阀门F5、F8，关闭阀门F6、F7，第二压力的氢气在第二压力罐5中等温膨胀，推动第二压力罐5中的第二温度范围的液体通过阀门F5进入第二液压机构11的左端，第二活塞杆20被第二液压机构11的左端的第二温度范围的液体推动向右运行，第二活塞杆20驱动发电机21发电，第二液压机构11中右侧的第二温度范围的液体通过阀门F8进入到第二液体池12中，当第二活塞杆运动到第二液压机构11最右侧时，关闭阀门F5、F8，打开阀门F6、F7，第二压力的氢气在第二压力罐5中等温膨胀，第二压力罐5中的第二温度范围的液体通过阀门F6进入第二液压机构11的右端，第二活塞杆20被第二液压机构11右侧的第二温度范围的液体推动向左运行，第二活塞杆20驱动发电机21发电，第二液压机构11中左侧的第二温度范围的液体通过阀门F7进入到第二液体池12中，当第二活塞杆20运动到第二液压机构11最左侧时，打开阀门F5、F8，关闭阀门F6、F7，如此往复，直到第二压力罐5中的第二压力的氢气达到规定压力后，关闭阀门F5、F6、F7、F8，停止膨胀。

打开阀门F5、F6、F7、F8、F12，将第二压力罐5中的等温膨胀后的氢气迁移到气液分离器6中，第二压力罐5与气液分离器6之间的氢气管道包括迁移泵，迁移结束后关闭阀门F5、F6、F7、F8、F12。将经过气液分离器6的氢气迁移至第三压力的氢气罐7中，气液分离器与第三压力的氢气罐7之间的氢气管道包括迁移泵。提取第三压力的氢气罐7中的第三压力的氢气迁移至氢燃料电池装置8中发电。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (5)

1.基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统，其特征在于：包括：

第一液体池，存储具有第一温度范围的液体；以及，

第一压力的氢气罐，存储具有第一压力的氢气；以及，

第一压力罐，存储所述具有第一温度范围的液体和第一压力的氢气；以及，

第一液压机构，包括第一活塞杆；以及，

第二液体池，存储具有第二温度范围的液体；以及，

第二压力的氢气罐，存储具有第二压力的氢气；以及，

第二压力罐，存储所述具有第二温度范围的液体和第二压力的氢气；以及，

第二液压机构，包括第二活塞杆；以及，

第三压力的氢气罐，储存具有第三压力的氢气；以及，

电解制氢装置、气液分离器、氢燃料电池装置、电动机和发电机；

所述电解制氢装置与所述第一压力的氢气罐相连，所述第一压力的氢气罐与所述第一压力罐相连，所述第一压力罐与所述第一液压机构相连，所述第一液体池与所述第一液压机构相连，所述电动机与所述第一液压机构中的所述第一活塞杆相连并驱动所述第一活塞杆，所述第一活塞杆在所述电动机驱动下推动所述第一液体池中的所述第一温度范围的液体进入所述第一压力罐并压缩所述第一压力的氢气，所述第一压力罐与所述第二压力的氢气罐相连，所述第二压力的氢气罐与所述第二压力罐相连，所述第二压力罐与所述第二液压机构相连，所述第二液体池与所述第二液压机构相连，所述第二活塞杆在所述第二压力的氢气膨胀作用下运动，所述第二活塞杆与所述发电机相连并驱动所述发电机，所述第二压力罐与所述气液分离器相连，所述气液分离器与所述第三压力的氢气罐相连，所述第三压力的氢气罐与所述氢燃料电池装置相连。

2.如权利要求1所述的基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统，其特征在于：该系统还包括用户供暖装置、散热装置以及第一换热装置；

所述第一换热装置与所述用户供暖装置相连，所述用户供暖装置与所述散热装置相连，所述散热装置与所述第一换热装置相连，所述第一液体池与所述第一换热装置相连，所述第一换热装置利用所述用户供暖装置与所述散热装置吸收所述第一液体池中的所述具有第一温度范围的液体的热量并使其保持第一温度范围。

3.如权利要求1所述的基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统，其特征在于：该系统还包括用户制冷装置、补热装置以及第二换热装置；

所述第二换热装置与所述用户制冷装置相连，所述用户制冷装置与所述补热装置相连，所述补热装置与所述第二换热装置相连，所述第二液体池与所述第二换热装置相连，所述第二换热装置利用所述用户制冷装置与所述补热装置补充所述第二液体池中的所述具有第二温度范围的液体的热量并使其保持第二温度范围。

4.如权利要求1所述的基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统，其特征在于：所述第一液压机构和第二液压机构结构相同，均包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口和出液口，且进液口均与对应的压力罐相连，出液口均与对应的液体池相连，所述第一活塞杆和第二活塞杆与对应的所述活塞相连。

5.采用权利要求1至4中任一项所述基于氢气等温压缩、膨胀的氢电耦合系统的控制方法，其特征在于：电解制氢过程中，电解制氢装置产生的氢气迁移到第一压力的氢气罐中，提取第一压力的氢气罐中的部分氢气迁移到第一压力罐中，将第一压力罐中原有的第一温度范围的液体通过第一液压机构推入到第一液体池中，电动机消耗电能驱动第一液压机构中的第一活塞杆等温压缩第一压力罐中的氢气，压缩过程中第一液体池中的第一温度范围的液体通过第一液压机构进入到第一压力罐中，压缩结束后将第一压力罐中的高压氢气迁移到第二压力的氢气罐中；

氢气发电过程中，提取第二压力的氢气罐中的部分高压氢气迁移到第二压力罐中，高压氢气在第二压力罐中进行等温膨胀，氢气膨胀做功推动第二液压机构中的第二活塞杆运动，第二活塞杆驱动发电机发电，同时第二压力罐中原有的第二温度范围的液体通过第二液压机构推入到第二液体池中，等温膨胀结束后将第二压力罐中的低压氢气迁移到气液分离器中，同时第二液体池中的第二温度范围的液体通过第二液压机构进入到第二压力罐中，低压氢气在气液分离器中分离后进入到第三压力的氢气罐中，提取第三压力的氢气罐中的氢气迁移到氢燃料电池装置中发电。

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