CN115621498A - 燃料电池系统和用于在燃料电池系统中再循环阳极废气的再循环设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于在燃料电池系统中再循环阳极废气的再循环设备,所述再循环设备包括鼓风机,所述鼓风机具有用于与所述燃料电池系统的燃料电池装置的燃料出口连接的抽吸接头、用于与所述燃料电池装置的燃料入口连接的压力接头和用于将所述阳极废气从入口输送至出口的叶轮。此外,所述再循环设备具有涡轮机,所述涡轮机具有用于与所述燃料电池系统的燃料箱体连接的入口、用于与所述燃料电池装置的燃料入口连接的出口和运动学地耦合至所述鼓风机的叶轮的涡轮轮盘,通过所述入口来自所述燃料箱体的气态燃料能够流到所述涡轮轮盘并且所述涡轮轮盘能够旋转,以便驱动所述鼓风机的叶轮。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统和一种用于在燃料电池系统中再循环阳极废气的再循环设备。
背景技术
燃料电池越来越多地、尤其还在车辆中用作能量转换器,以便将存储在燃料(例如氢气)中的化学能与氧气一起直接转化为电能。燃料电池通常具有阳极、阴极和布置在阳极与阴极之间的电解膜。在阳极上进行燃料的氧化,并在阴极上进行氧气的还原。在此,在阴极侧上产生水。
通常,给燃料电池的阳极连续地过量地供应气态燃料,即,与在化学计量上所需要地供应给阴极的给定氧气供应量相比更多的燃料。燃料过量或阳极产出物通常再循环或重新供应给阳极。这通常借助再循环鼓风机进行,该再循环鼓风机将阳极产出物从阳极的出口输送回至阳极的入口。
再循环鼓风机通常借助电动马达运行。为了改进燃料电池系统的能量效率,在DE10 2007 037 096 A1中公开了借助涡轮机驱动再循环鼓风机。涡轮机利用压缩空气作为工作流体,该压缩空气已借助压缩机进行压缩以供应给阴极。
发明内容
根据本发明,设置一种具有本发明特征的再循环设备和一种具有本发明的特征的燃料电池系统。
根据本发明的第一方面,一种用于在燃料电池系统中再循环阳极废气的再循环设备包括鼓风机以及涡轮机,所述鼓风机具有用于与所述燃料电池系统的燃料电池装置的燃料出口连接的抽吸接头、用于与所述燃料电池装置的燃料入口连接的压力接头和用于将所述阳极废气从所述抽吸接头输送至所述压力接头的叶轮(Laufrad),所述涡轮机具有用于与所述燃料电池系统的燃料箱体连接的入口、用于与所述燃料电池装置的燃料入口连接的出口和运动学地耦合至所述鼓风机的叶轮的涡轮轮盘,通过所述入口来自所述燃料箱体的气态燃料能够流到所述涡轮轮盘并且所述涡轮轮盘能够旋转,以便驱动所述鼓风机的叶轮。
根据本发明的第二方面,燃料电池系统包括燃料电池装置以及根据本发明的第一方面的再循环设备,所述燃料电池装置具有至少一个燃料电池、燃料入口和燃料出口,其中,鼓风机的压力接头和涡轮机的出口与燃料入口连接,其中,鼓风机的抽吸接头与燃料出口连接。
本发明所基于的一个想法在于,例如来自箱体的、供应给燃料电池系统的燃料流的动能在涡轮机中部分地减少,并以涡轮机驱动鼓风机,以便再循环阳极废气。为此,根据本发明,由燃料(例如氢气)驱动的涡轮机叶轮和输送阳极废气的鼓风机叶轮例如通过轴、法兰(Flansch)或通过涡轮轮盘与叶轮一体构造的方式运动学地彼此耦合。通常,燃料在8bar和20bar之间的范围内的压强下存在于箱体中并且在1.5bar和3.5bar之间的范围内的压力下被供应给燃料电池装置的阳极。压差可以有利地在涡轮中减少并用于驱动鼓风机。
通过在涡轮机中利用供应给燃料电池系统的燃料流的动能来驱动使阳极废气再循环的鼓风机,有利地改进燃料电池系统的能量效率。
从以下优选的实施方式以及从参照附图插图的描述得出有利的构型和扩展方案。
根据一些实施方式,可以设置,所述涡轮轮盘构造为具有至少两个平行延伸的第一圆盘的特斯拉涡轮机,所述第一圆盘运动学地耦合至所述鼓风机的叶轮,其中,在所述第一圆盘的外圆周的区域中布置有与所述入口连接的至少一个喷嘴,所述喷嘴以这样的方式定向,使得燃料能够与所述外圆周成切向地吹入所述圆盘之间的间隙中,其中,所述涡轮机的出口相对于径向方向布置在所述第一圆盘的中心区域中。这种结构的一个优点是,涡轮机可以在非常小的噪音和振动下运行,这尤其是对于机动车领域中的应用是有利的。另一个优点在于在构造上简单的结构,因为圆盘可以分别实施为具有圆形圆周和平坦表面的简单圆盘。
根据一些实施方式,可以设置,涡轮轮盘的第一圆盘和鼓风机的叶轮通过一个共同的轴耦合。因此,第一圆盘和叶轮可以在轴向方向上间隔开地位于同一轴上。这进一步简化了再循环设备的在构造上的构型。可选地,所述轴可以具有与位于第一圆盘之间的间隙连接的出口开口,以便排放引入到该间隙中的燃料气体。出口开口因此形成涡轮出口或与其连接。
根据一些实施方式,可以设置,所述鼓风机构造为具有至少两个平行延伸的第二圆盘的特斯拉压缩机,其中,所述第二圆盘的相对于所述径向方向的中心区域与所述抽吸接头连接,其中,所述压力接头与所述第二圆盘的外圆周连接。例如,涡轮机的第一圆盘和鼓风机的第二圆盘可以布置在同一轴上。所述轴可以可选地具有布置在第二圆盘之间的入口开口,以便将阳极废气输送到位于第二圆盘之间的间隙中。在第二圆盘的外圆周上可以构造或设置收集空间,所述收集空间与鼓风机的压力接头连接。尤其将涡轮机和压缩机实现为特斯拉涡轮机或特斯拉压缩机提供了特别简单地构建的单元的优点。
根据一些实施方式,可以设置,鼓风机和涡轮机布置在一个共同的壳体中,其中,壳体具有输出接头,涡轮机的出口和鼓风机的压力接头与该输出接头连接。例如,涡轮轮盘和鼓风机的叶轮可以通过与叶轮和涡轮轮盘一起旋转的分隔圆盘彼此分离,其中,分隔圆盘将壳体划分成鼓风机部分区域和涡轮机部分区域,尤其是相对于轴向方向。在壳体上可以设置套管等,该套管具有出口接头,其中,该套管与涡轮机的出口和鼓风机的压力接头连接。例如,涡轮机部分区域可以通过形成出口的管道或开口与套管连接。同样,鼓风机部分区域可以通过形成压力接头的管道或开口与套管连接。通过将鼓风机和涡轮机集成到具有共同接头的共同壳体中,实现再循环设备的更加紧凑的结构。
根据一些实施方式,可以设置,再循环设备具有驱动设备,尤其是以电动马达的形式,该驱动设备运动学地耦合至鼓风机的叶轮。因此,由鼓风机输送的燃料质量流的调节的灵活性可以进一步提高。
根据一些实施方式,可以设置,再循环设备具有收集容器,该收集容器用于收集在鼓风机中从阳极废气中析出的液态水。
根据一些实施方式,可以设置,收集容器与鼓风机通过一个或多个线路(Leitung)连接,其中,所述一个或多个线路和/或收集容器热耦合至驱动设备。例如,驱动器可以伸入到收集容器中,或者所述一个线路可以或所述多个线路可以沿着驱动设备延伸。这改进了驱动设备的冷却并因此改进了其使用寿命。
根据一些实施方式,可以设置,鼓风机的压力接头与涡轮机的出口在没有插入的抽吸喷射泵的情况下直接与燃料入口连接。通过涡轮机和鼓风机的组合,可以有利地不仅在高负载下、而且在低负载下提供所需的再循环质量流和所需的新鲜气体质量流,这简化了燃料电池系统的调节。此外,减少了系统中的流动损失。
根据一些实施方式,可以设置,燃料电池系统具有与涡轮机的入口连接的计量阀,该计量阀能够与燃料箱体连接并且设置用于改变从燃料箱体供应给涡轮机的燃料质量流。
根据一些实施方式,可以设置,燃料电池系统具有与涡轮机的入口连接的箱体。
附图说明
下面参照附图插图阐述本发明。附图示出:
图1示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的液压回路图的示意图;
图2示出了根据本发明的一个实施例的再循环设备的示意性剖视图;
图3示出了图2中所示再循环设备的涡轮机的涡轮轮盘的圆盘简化平面图。
在附图中,相同的附图标记表示相同或功能相同的部件,除非另有说明。
具体实施方式
图1示例性地和以示意性的方式示出了一个燃料电池系统200。如图1中示例性所示,燃料电池系统200可以具有箱体205、燃料电池装置210、再循环设备100和流量调节阀220。
箱体205设计用于在高压下、例如在高于10bar的压强下储存气态燃料、例如氢气。箱体205在图1中仅示例性示为燃料电池系统200的一部分。然而,本发明不限于此,而是,燃料电池系统200也可以是与箱体205或其他燃料源可连接的。
燃料电池装置210可以具有布置成堆叠的多个燃料电池213。然而,原则上也可设想,仅设置一个燃料电池213。如图1中示意性所示,每个燃料电池213可以具有阳极213A、阴极213B和布置在其间的电解质213C,例如以电解质膜的形式。
燃料电池装置210具有燃料入口211和燃料出口212,通过该燃料入口可向阳极213A供应气态燃料、例如氢气或天然气,通过该燃料出口可从阳极213A排放未消耗的或未反应的燃料。在燃料出口212处排放的未消耗的燃料也可以称为燃料过量或阳极废气。
如图1中另外示出的那样,燃料电池装置210具有氧气入口214和生成物出口215,通过该氧气入口可向阴极213B供应气态氧气,要么作为纯氧气要么作为包含在环境空气中的氧气,通过该生成物出口可从阴极213B排放未消耗的或未反应的氧气以及化学反应生成物、尤其是水。
燃料电池装置210通过与燃料入口211连接的供应线路201供应来自箱体205的燃料。在燃料电池装置210的燃料出口212处逸出的阳极废气或燃料过量通过排放线路202而供应给再循环设备100,借助再循环设备100再循环并且与新鲜燃料一起重新供应给燃料入口。
如图1中示意性所示,再循环设备100包括鼓风机1和涡轮机2。可选地,附加地可以设置驱动设备4和/或收集容器5,如图1中示例性所示。
鼓风机1在图1中仅象征性示出并且具有与排放线路202连接的抽吸接头11和与供应线路201连接的压力接头12。鼓风机1构造用于将阳极废气从燃料出口212输送至燃料入口211。
涡轮机2在图1中同样仅象征性示出并且具有与箱体205连接的入口21和与供应线路201连接的出口22。如图1中示意性所示,涡轮机2运动学地耦合至鼓风机1。以在高压下存在的、来自箱体205的燃料可以流过涡轮机2,并且该涡轮机构造用于转换存储在流动燃料中的动能并由此驱动鼓风机1。因此,可以以简单的方式改进燃料电池系统200的能量效率,因为降低了用于驱动鼓风机1的能量需求。如图1中还示意性示出的那样,鼓风机1的压力接头12和涡轮机2的出口12可以直接地、尤其是在没有插入的抽吸喷射泵的情况下与燃料电池装置的燃料入口211连接。由此,燃料电池系统200可以更紧凑地构型。然而,在此不排除在鼓风机1的压力接头12与燃料入口211或涡轮机2的出口12与燃料入口211之间设置诸如阀、加湿器或除湿器等其他流部件。
可选的马达4例如可以是电动马达,并且同样运动学地耦合至鼓风机1以便至少支持性地驱动该鼓风机至涡轮机2。
例如,流量调节阀220可以布置在箱体205和涡轮机2的入口21之间,如其在图1中示意性所示。流量调节阀220尤其可以构造用于改变供应给涡轮机2的燃料质量流量。
图2示意性示出了再循环设备100的剖面图,其例如可以安装在图1中所示的燃料电池系统200中。如已经阐述地并且如图2中所示,再循环设备100具有鼓风机1以及涡轮机2,所述鼓风机具有压力接头11和抽吸接头12,所述涡轮机具有入口21和出口22。鼓风机1还具有围绕转轴A1可转动的、用于将阳极废气从抽吸接头11输送至压力接头12的叶轮10。涡轮机2具有涡轮轮盘20,来自燃料箱体205的气态燃料能够流到该涡轮轮盘并且该涡轮轮盘是可旋转的,例如围绕与鼓风机1的叶轮10相同的转轴A1可旋转。如图2中另外示意性示出的那样,再循环设备100另外可以具有壳体3,其中,鼓风机1和涡轮机2优选共同地安置在壳体3中。
如图2中示例性示出的那样,涡轮轮盘20可以构造为特斯拉涡轮机。在此,涡轮轮盘20具有至少两个平行延伸的第一圆盘23。在图2中,仅示例性示出具有两个圆盘23的涡轮轮盘20。当然,本发明不限于此,并且也可以设置更大数量的第一圆盘23。如图2中所示,第一圆盘23彼此平行延伸,或者第一圆盘23具有朝向彼此定向且平行延伸的流表面23b。流表面23b例如可以是平面地构造的,如图2中所示。圆盘23沿着转轴A1间隔开,从而在两个朝向彼此的流表面23b之间分别构造第一间隙25。如图3中所示,第一圆盘23可以具有圆形的外圆周23a。
如图2中示意性所示地,第一圆盘23可以以转动固定的方式布置或紧固在轴6上。轴6以围绕转轴A1可转动的方式支承。如图2中所示,轴6可以构造为具有内部空间的空心轴。相对于轴向方向,轴6的内部空间可以尤其分为第一区域60A和与该第一区域流体地分离的第二区域60B,例如通过隔板。轴6可以具有多个第一出口开口61,所述多个第一出口开口相对于平行于转轴A1延伸的轴向方向地布置在圆盘23之间,从而圆盘23之间的间隙25与轴6的内部空间、尤其是与内部空间的第一区域60A相连接。
如在图2中和在图3的平面图中可以看出的那样,至少一个喷嘴24可以布置在第一圆盘32的外圆周23a的区域中。在图3中,示例性示出了喷嘴24。然而,也可以有多个喷嘴24沿着外圆周23a分布式地布置。喷嘴24例如可以通过壳体3的凹部31伸入到壳体3的布置有涡轮轮盘20的内部空间中,如图2中示意性所示。喷嘴24可以形成涡轮机2的入口21或者通常可以与入口21连接。在图2中示例性示出,喷嘴24直接与流量调节阀220连接,如图2中示例性所示,该流量调节阀可以布置在壳体3上。喷嘴24以这样的方式定向,使得燃料可与外圆周23a成切向地在外圆周23a的区域中吹入圆盘23之间的间隙25中。由此,燃料通过与流表面23a的粘性相互作用将其动量传递到第一圆盘23上并且在径向方向R1上螺旋状向内地传输,如其在图3中通过箭头P20象征性地表明的那样。在轴6上,燃料可通过开口61被引入轴6中,从那里,所述燃料可经由内部空间通过构造在轴6的第一轴向端部区域中的、形成涡轮机2之出口22的一个或多个连接开口63而逸出。涡轮机2的出口22因此相对于径向方向R1布置在第一圆盘23的中心区域中。
第一圆盘3运动学地耦合至鼓风机1的叶轮10以便驱动该叶轮。例如,叶轮10和涡轮轮盘20可以布置在同一轴、尤其是轴6上,如图2示例性所示。
鼓风机1例如可以实现为特斯拉压缩机,如图2中示例性和示意性所示,然而不限于此。如图2中所示,鼓风机1可以具有至少两个平行延伸的第二圆盘13。在图2中,仅示例性示出具有三个圆盘13的叶轮。当然,本发明不限于此,并且也可以设置更大或更小数量的第二圆盘13。如图2中所示,第二圆盘13彼此平行延伸,或者第二圆盘13具有朝向彼此定向且平行延伸的流表面13b。流表面13b可以是例如平面地构造的,如图2中所示。圆盘13沿着转轴A1间隔开,从而在两个朝向彼此的流表面13b之间分别构造第二间隙15。例如,第二圆盘13可以具有圆形的外圆周边13a。
例如,第二圆盘13可以以转动固定的方式固定或紧固在轴6上。相对于第一圆盘23与第二圆盘13之间的轴向方向,可以布置分隔圆盘18,该分隔圆盘优选地同样以转动固定的方式与轴6连接。轴6的内部空间同样在轴向方向上划分。如图2中所示,轴6可以具有多个第二出口开口62,所述多个第二出口开口相对于平行于转轴A1延伸的轴向方向布置在圆盘13之间,从而在第二圆盘13之间的间隙15与轴6的内部空间、尤其是与内部空间的第二区域60B相连接。如图2中还示出的那样,轴6可以在第二轴向端部区域中具有进入开口61,在图2的示例中,该进入开口61形成鼓风机1的抽吸接头11。当第二圆盘13围绕转轴A1旋转时,位于第二圆盘13之间的间隙中的流体或阳极废气由于粘性效应而通过流表面13b加速并径向向外传输。通过进入开口61和开口62从轴6的内部空间随后提供(nachgeliefert)阳极废气。因此,第二圆盘13的相对于径向方向R1的中心区域与抽吸接头11相连接。
压力接头12可以例如通过壳体3的开口来构造,尤其是在第二圆盘13的外圆周13a的区域中。通常,压力接头12因此可以与第二圆盘13的外圆周以流体传导的方式连接。
如图2中还示出的那样,壳体3可以具有第一部分区域30A和第二部分区域30B,在所述第一部分区域中布置涡轮机2的叶轮20,在所述第二部分区域中布置鼓风机1的叶轮10。第一和第二部分区域30A、30B可以彼此分离,例如通过分隔圆盘18,如在图2中示意性所示。此外,壳体3可以具有与第一和第二部分区域30A、30B分离的第三部分区域30C,轴6的第二轴向端部伸入所述第三部分区域中。如图2中示意性所示地,第三部分区域30C可以具有连接接头34,以用于与燃料电池系统200的排放线路202或燃料出口212连接。
鼓风机1的压力接头12以及涡轮机2的出口22可以分别通过管道35、36与套管37连接,该套管具有出口接头32,以用于与供应线路201或燃料入口211连接,如其在图2中示意性示出的那样。因此,壳体3通常可以具有出口接头32,涡轮机2的出口22和鼓风机1的压力接头12与所述出口接头32连接。
如已经阐述地,驱动设备4尤其可以由电动马达构造。如果鼓风机1构造为特斯拉压缩机,如图2中示例性所示的那样,则具有电导体绕组的电动马达定子41可以安置在布置在壳体3外部的马达壳体40中,并且转子42(例如以永磁体的形式)可以布置在第一第二圆盘13之一上。然而,本发明不限于此。例如,转子42也可以安装在轴6上。
在图1中仅示意性示出的收集容器5用于收集在鼓风机1的叶轮10旋转时从阳极废气中析出的水。当叶轮10围绕转轴A1旋转时,位于间隙15中的阳极废气在径向方向R1上加速。可以包含在阳极废气中的液态水基于其与气态燃料相比的高密度由于离心力而被输送至壳体3的径向外部区域中并在那里被收集。从壳体3的径向外部区域,所述水可以如图2中示意性所示的那样通过一个或多个线路51被传导到收集容器5中。如在图2中仅示例性所示地,收集容器5可以完全包围电动马达的马达壳体40。电动马达的马达壳体40因此在其外圆周上由水环流并且由此冷却。通常,可选的驱动设备4可以热耦合至收集容器5,例如以上述方式。替代地或附加地,线路51也可以热耦合至驱动设备4。
在图2中示例性示出了转轴A1可以平行于重力方向g定向。由于线路51连接在壳体3的径向外部区域中,或者壳体3可以在径向外部区域中设置相应的出口开口(没有示出),因此再循环设备100也可以没有问题地如此定位,使得转轴A1与重力方向g倾斜地定向。例如,直至预先确定的角度α的倾斜度是可能的,其中,角度α例如可以在15度和45度之间的范围内。
如图2中还示意性示出的那样,收集容器5可以设置有排水阀8,例如以电磁阀的形式,以便连续地或周期性地从收集容器5中排水。
此外,图2示意性示出了可以设置可选的加热器7,该加热器热耦合至收集容器5和/或线路51。加热器7用于避免水在低环境温度下冻结和/或再次解冻冻结的水。
尽管上面已经基于实施例示范性地阐述了本发明,但是本发明不限于此,而是可以以各种方式修改。尤其也可设想上述实施例的组合。
Claims (9)
1.一种用于在燃料电池系统(200)中再循环阳极废气的再循环设备(100),所述再循环设备具有:
鼓风机(1),所述鼓风机具有用于与所述燃料电池系统(200)的燃料电池装置(210)的燃料出口(212)连接的抽吸接头(11)、用于与所述燃料电池装置(210)的燃料入口(211)连接的压力接头(12)和用于将所述阳极废气从所述抽吸接头(11)输送至所述压力接头(12)的叶轮(10);和
涡轮机(2),所述涡轮机具有用于与所述燃料电池系统(200)的燃料箱体(205)连接的入口(21)、用于与所述燃料电池装置(210)的燃料入口(211)连接的出口(22)和运动学地耦合至所述鼓风机(1)的所述叶轮(10)的涡轮轮盘(20),通过所述入口(21)来自所述燃料箱体(205)的气态燃料能够流到所述涡轮轮盘并且所述涡轮轮盘能够旋转,以便驱动所述鼓风机(1)的所述叶轮(10)。
2.根据权利要求1所述的再循环设备(100),其中,所述涡轮轮盘(20)构造为具有至少两个平行延伸的第一圆盘(23)的特斯拉涡轮机,所述第一圆盘运动学地耦合至所述鼓风机(1)的所述叶轮(10),其中,在所述第一圆盘(32)的外圆周(23a)的区域中布置有与所述入口(21)连接的至少一个喷嘴(24),所述至少一个喷嘴如此定向,使得燃料能够与所述外圆周(23a)成切向地吹入所述圆盘(23)之间的间隙(25)中,其中,所述涡轮机(2)的出口(22)相对于径向方向(R1)布置在所述第一圆盘(23)的中心区域中。
3.根据权利要求2所述的再循环设备(100),其中,所述涡轮轮盘(20)的第一圆盘(23)和所述鼓风机(1)的所述叶轮(10)通过一个共同的轴(6)耦合。
4.根据权利要求2或3所述的再循环设备(100),其中,所述鼓风机(1)构造为具有至少两个平行延伸的第二圆盘(13)的特斯拉压缩机,其中,所述第二圆盘(13)的相对于所述径向方向(R1)的中心区域与所述抽吸接头(11)连接,其中,所述压力接头(12)与所述第二圆盘(13)的外圆周连接。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的再循环设备(100),其中,所述鼓风机(1)和所述涡轮机(2)布置在共同的壳体(3)中,其中,所述壳体(3)具有输出接头(32),所述涡轮机(2)的所述出口(22)和所述鼓风机(1)的所述压力接头(12)与所述输出接头连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的再循环设备(100),附加地具有:
驱动设备(4),尤其是以电动马达的形式,所述驱动设备运动学地耦合至所述鼓风机(1)的所述叶轮(10)。
7.根据权利要求6所述的再循环设备(100),附加地具有:
收集容器(5),所述收集容器用于收集在所述鼓风机(1)中从所述阳极废气中析出的液态水,其中,所述收集容器(5)与所述鼓风机(1)通过一个或多个线路(51)连接,其中,所述一个或多个线路和/或所述收集容器(5)热耦合至所述驱动设备(4)。
8.一种燃料电池系统(200),所述燃料电池系统具有:
燃料电池装置(210),所述燃料电池装置具有至少一个燃料电池(213)、燃料入口(211)和燃料出口(212);和
根据前述权利要求中任一项所述的再循环设备(100);
其中,所述鼓风机(1)的所述压力接头(12)和所述涡轮机(2)的所述出口(12)与所述燃料入口(211)连接;
其中,所述鼓风机的所述抽吸接头(11)与所述燃料出口(212)连接。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统(200),其中,所述鼓风机(1)的所述压力接头(12)和所述涡轮机(2)的所述出口(12)在没有插入的抽吸喷射泵的情况下直接与所述燃料入口(211)连接。
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