CN1443379A - 质子交换膜燃料电池的、主要是阴极侧的水回收 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池或燃料电池组,其具有质子交换膜或其它电解质以及燃料电池阴极和阳极侧的适当入口和出口。通过以下方式将干燥器与阴极入口和阴极出口相连:使一个干燥器能回收排放氧化剂气流中的水分,同时另一干燥器对进入的气流进行增湿。任选的是,可在燃料电池的阳极或燃料侧布置用于回收水分的干燥器装置。
Description
发明领域
本发明涉及电化学燃料电池。具体而言本发明涉及这样一种利用质子交换膜作为电解质的电化学燃料电池,其采用氢为燃料,接收氧化剂将氢转换成电和热。
发明背景
一般来说,燃料电池是将化学反应能转换成电的装置。其与电池的区别在于:燃料电池只要有燃料和氧化剂供应就能产生电能。
燃料电池通过带入燃料和氧化剂、使其与两个适当电极和电解质接触产生电动势。例如,将诸如氢气那样的燃料引到第一电极,在此氢气与存在的电解质和催化剂发生电化学反应,从而在第一电极中产生电子和阳离子。电子通过接在电极间的电路从第一电极流到第二电极。阳离子通过电解质到达第二电极。与此同时,将氧化剂通常是空气、富含氧的空气或氧气引到第二电极,在此氧化剂与存在的电解质和催化剂发生电化学反应,产生阴离子同时消耗掉流过电路的电子;阳离子在第二电极上被消耗掉。第二电极或阴极上形成的阴离子与阳离子反应形成一定反应产物。可选择的是将第一电极或阳极称为燃料或氧化电极,而将第二电极称为氧化剂或还原电极。两个电极上的半电池反应分别如下:
外部电路引出电流,于是从电池接收到电能。整个燃料电池反应产生了电能,该电能是上述各半电池反应之和。而水和热通常就是该反应的副产物。
实践中,燃料电池并不作为单体单元。而是将燃料电池串连连接起来,一个摞在另一个顶部,或并排放置。一般将称之为燃料电池组的一连串燃料电池密封在外壳中。通过歧管向电极导入燃料和氧化剂,同时通过反应物或通过冷却介质进行冷却。另外在电池组中还有集电体、电池与电池的密封以及绝缘体,在燃料电池组外部设置了所需管道和仪器。电池组、外壳、以及相关硬件构成燃料电池模块。
可根据电解质类型是液体或固体对燃料电池进行分类。本发明主要涉及利用诸如质子交换膜(PEM)那样的固体电解质的燃料电池。因为PEM干燥时所使用的薄膜不能有效工作,因此必须用水对PEM进行保湿。因此,在燃料电池的工作过程中薄膜需要恒定湿度,一般通过向反应气体、通常是氢气和空气补充水来保持薄膜的恒定湿度。
固体聚合物燃料电池中使用的质子交换膜用作电解质以及用于防止反应气体混合的隔离层。适宜薄膜的例子是含有氟化碳链和磺酸基团为基本单元的共聚全氟化碳材料。该薄膜的分子结构也可以有一些变化。如果燃料电池在完全水化、特别是被水饱和的条件下工作,利用这些薄膜就能获得优良性能。因而就必须不断为薄膜增湿,但同时又不能让薄膜过湿或被水浸泡,这是因为这将使性能退化。另外,为了防止燃料电池组冻结,必须将燃料电池组的温度保持在冰点以上。
冷却、增湿和加压的要求增加了燃料电池的成本和复杂程度,这减少了其在许多应用方面作为备选能源供给的商业需求。因此燃料电池研究领域的前进方向是能使燃料电池在吸气、大气条件下工作,同时还没有反应物调湿,但仍能维持有效能量输出。
就燃料电池的当前技术状况来说,尽管日益注意到简化的吸气式大气设计,但还没有完全解决低于零度的温度下的工作问题,这需要进一步复杂的设计。例如其需要热交换器和热绝缘体,它们都是启动、停机和反应物增湿器的附加控制协议。
在采用固体聚合物质子交换膜(PEM)的情况下,通常将其布置在由多孔导电材料制成的两电极之间。一般用诸如聚四氟乙烯那样的疏水聚合物浸渍或涂敷电极。在每个薄膜/电极界面上都设置了催化剂,用于催化所希望的电化学反应,通常采用细分过的催化剂。将薄膜电极组合安装在两块导电板之间,每块板中至少形成了一个流动通道。流体流传导燃料板通常由石墨制成。该流动通道将燃料和氧化剂导入对应电极,即导入燃料侧的阳极和氧化剂侧的阴极。电极与电路电连接,这为电极间传导电子提供了通道。在传统方式中,电路中还设置了电气开关等。一般用于这种燃料电池的燃料是氢或由其它燃料得到的富含氢的重整产物(“重整产物”是指通过将碳氢燃料重整成含氢气和其它气体的气体燃料而衍生出来的燃料)。阴极侧的氧化剂可由各种源提供。对于某些应用,为了使燃料电池更紧凑,缩小流动通道尺寸等等,理想的是提供纯氧。然而,通常是提供空气作为氧化剂,这是因为其容易得到而且不需要任何单独或瓶装的气体供应。另外,在空间限制不是问题的情况下,例如固定应用等等,在大气压下供应空气是很方便的。该情况下,通常简单地为作为氧化剂的空气流动设置通过燃料电池组的通道,由此能极大地简化燃料电池组件的整体结构。除可以仅简单地为燃料电池组设置排气口,可能的话设置某种风扇等以加强空气流动,而不是为氧化剂提供独立的氧化剂管路。
现在有多种应用,对它们来说,为燃料电池增湿造成了具体问题和挑战。例如,机动车中燃料电池的工作通常意味着没有易得的水源为进入的氧化剂和燃料气流增湿。通常不希望必须向机动车提供为该目的的水,也不希望必须在车周围携带过重的水。相反,对于固定应用来说,为了增湿而提供水通常是很可能的情况。
然而,还存在某些不直接增湿的固定应用。例如,燃料电池经常用于向远程传感设备供电,而这些传感设备位于不容易得到水的地方。另外,这些燃料电池的远程应用经常发生在处于极端气候条件的地方。象这样已经公知的是在南极等地区使用燃料电池组向科学仪器供电。由于存在避免供水冻结的问题,为了增湿而设置独立供水是简单而不现实的。另外,用作氧化剂的环境空气非常干燥,因此增湿比常温下利用较湿润空气时的情况更困难。可以理解的是在沙漠区等地方也能发现类似的极端条件。
发明概述
因此,本发明是基于以下认识:由于燃料电池固有地产生过量水分或水作为废产物,这些水可再循环为进入燃料电池的液流增湿。
更具体地说,本发明人已经认识到,有利的是回收来自燃料电池或燃料电池组的废气流或排出气流中的水、以便避免必须为对氧化剂和/或燃料气流进行增湿而提供独立水源。
另外还认识到,在极端气候条件下,即使在某些必要情形下也希望排放出的燃料和/或氧化剂气流的湿度在一定水平以下。例如,在极冷条件下,如果排放气流中含显著的水分含量,那么这些水分就会立即冻结。实践中,这将形成薄雾或雾或细小微滴或冰丸,它们倾向于在装置外部形成。可以理解的是,对于试图长期向科学仪器供电的固定装置来说,这种可能非常不理想,由于冰的累积和其它问题将导致排气口阻塞和不希望的负荷。基于这些原因,理想的是排放流含有含量已降低了的水分。
依照本发明的第一方面,提供了这样一种燃料电池,其包括:阳极,其具有相应的燃料气体阳极入口和阳极出口;阴极,具有相应的氧化剂气体阴极入口和阴极出口;阳极与阴极之间的电解质;第一和第二干燥器;以及将第一和第二干燥器与阴极入口和阴极出口相连的阀装置,借此,使用过程中第一干燥器与阴极入口和阴极出口中的一个相连,第二干燥器与阴极入口和阴极出口中的另一个相连,其中干燥器的连接可在阴极入口与阴极出口之间定期切换,由此一个干燥器能从流出的氧化剂气流中回收水分,而另一干燥器可对进入的氧化剂气流进行增湿。
优选的是,燃料电池包括:入口三通阀,其具有与阴极入口相连的公共端口以及分别与第一和第二干燥器相连的第一和第二分支端口;出口三通阀,其具有与阴极出口相连的公共端口和分别与第一和第二干燥器相连的第一和第二分支端口,入口三通阀与出口三通阀每一个都能切换成使其一个分支端口与其公共端口相连,同时关闭其它分支端口,入口三通阀和出口三通阀相互联接,借此当入口三通阀提供其第一分支端口与其公共端口之间的连通时,出口三通阀提供其第二分支端口与其公共端口之间的连通,当第一三通阀提供其第二分支端口与其公共端口间的连通时,第二三通阀能提供其第一分支端口与其公共端口之间的连通。
有利的是,在入口三通阀与阴极入口之间设置泵,用以将氧化剂排送到燃料电池中。
虽然本发明可用于单个燃料电池,但可以预期的是本发明通常也用于构造成燃料电池组的多个燃料电池。该情况下,阴极入口和出口与相应的入口和出口歧管相连,所述歧管与每个燃料电池相连。
在阴极出口和第二三通阀之间设置了能将水滴从气流中分离开来的水分离器。这就能提供用于各种目的的水源。例如,这些水可用于气流的单独增湿。
与该申请同时申请的名称为“质子交换膜燃料电池阳极侧中的水回收”的单独共同未决申请涉及燃料电池阳极侧的水回收。尽管如此,本发明设想到能在阴极侧和阳极侧都能实现水或水分回收。该情况下,优选的是燃料电池适合与氢燃料一起使用。
该情况下,那么燃料电池包括:再循环管道,其包括连在阳极入口和阳极出口之间的泵;以及设置在阳极出口和泵之间的再循环管道中的水分离器,用于将水从离开阳极的燃料气体中分离;主燃料入口,其包括与再循环管道相连的用于供应燃料的第一燃料入口。
将具有干燥器、分支管道和分支管道的排气出口的分支管道连接到再循环管道。在分支管道中设置了截止阀,用以控制流动并能实现吹扫循环。可选择的是,在位于水分离器下游的再循环管道中设置了干燥器,用以控制再循环管道中的水分含量。
第二燃料入口与干燥器与排气出口之间的分支管道相连,在第二燃料入口与排气出口之间的分支管道上设置第二截止阀。这能使要被供应的燃料通过第二燃料入口,以便使燃料反向流过干燥器,用以再补充干燥器和通过为燃料气流增湿而从中回收水分。
本发明的另一方面是提供一种从燃料电池中排出的氧化剂气流中回收水分和为进入氧化剂气流增湿的方法,所述燃料电池包括要被供应燃料的阳极、有氧化剂气流流过的阴极、以及阳极和阴极之间的电解质,该方法包括以下步骤:
(i):使排出的氧化剂气流从阴极流过第一干燥器,以便从中回收水分;
(ii):使相对干燥的进入氧化剂气流通过第二干燥器,以便利用第二干燥器中提前收集的水分为进入气流增湿;
(iii):定期在第一和第二干燥器之间切换进入和排出气流,借此每个干燥器交替实施步骤(i)和(ii)中的每一个。
附图的简要说明
为了更好地理解本发明和更清楚地表示其如何实施,现在通过举例方式对表示本发明优选实施例的附图进行参照说明,其中:
图1是用于回收和再循环燃料电池组阴极侧的水的装置的第一实施例的示意图;
图2是用于回收和再循环燃料电池组阴极侧的水的装置的第二实施例;
图3是用于回收和再循环燃料电池组阳极侧的水的装置的第一实施例;
图4是用于回收和再循环燃料电池组阳极侧的水的装置的第二实施例;以及
图5是用于回收和再循环燃料电池组阳极侧的水的装置的第三实施例。
优选实施例的详细描述
首先参照附图1,装置的第一实施用附图标记10总体表示。装置10包括燃料电池组12,尽管可以理解的是燃料电池组12可只包括单个燃料电池。燃料电池以公知方式具有燃料和氧化剂的入口和出口。图1中仅示出了氧化剂的入口14和出口16。通常,氧化剂是空气,尽管对于某些应用来说它可以是纯氧。
第一或入口三通阀18具有公共端口,其通过泵20与入口14相连。与之相对应的是,出口16与第二或出口三通阀22的公共端口相连。泵20和出口16与第一和第二三通阀18、22的各对应公共端口相连。
设置第一和第二干燥器24和26,它们每一个都包括各自的外部端口25、27。
还可通过第一和第二引入管28、29将干燥器24、26与第一三通阀18的第一和第二分支端口相连。第一和第二导出管30、31以相同方式将第二三通阀22的第一和第二分支端口与每个干燥器24、26相连。
可将三通阀18、22排列在一起,以便使它们以下面要详细描述的方式一起工作。一般而言,这能保证在进入气流通过泵20经过干燥器24、26中的一个时,来自出口16的排出气流流过干燥器24.26中的另一个。
更详细来说,在第一工作模式下,将第一三通阀18切换成使它的第一分支端口与第一干燥器24相连。从而,泵通过外部端口25将环境空气吸入干燥器24。干燥器24实际上已提前从前一循环中装入了水,由此进入的空气在通过干燥器24的过程中吸收水分而被增湿。然后增湿后的空气通过阀18的第一分支端口和泵20,到达电池组的氧化剂入口14。同时,将第二三通阀22切换成使其公共端口与其第二分支端口相连,于是其与第二干燥器26连通。这样,从氧化剂出口16排出的温暖和湿润的空气通过第二干燥器26。这就对这些空气进行干燥和除湿,同时将水分充入第二干燥器26。
在根据干燥器24、26容量判定的预定时间段后,切换三通阀18、22。于是,在下一循环或第二模式下,进入的空气通过第二干燥器26吸收水分。同时,来自出口16的湿润流出空气流过已经放出了前一循环中保留的水分的第一干燥器24,并将水再充入第一干燥器24。
这些循环根据干燥器24、26的容量交替进行,产生两个主要效果。首先,这保证了将进入空气流增湿到合理的恒定水平。与此对应的是,能为排出气流除湿。这在寒冷气候条件下特别有利。其保证了从干燥器的外部出口25、27排出的空气中水分不会立即形成雾或冰,这些雾或冰在经过一段时间后会积累起来,容易阻塞装置中的端口。
参照图2,其表示该装置的第二实施例。该第二实施例中的许多部件与第一实施例的类似,为了简明和简洁,将不再重复这些部件的描述。另外,用相同的附图标记表示这些部件,可以理解的是这些部件的作用方式与第一实施例的相同。
该第二实施例中的唯一附加部件是预备了水分离器32。其设置在氧化剂出口16和第二三通阀22之间的出口流路中。其作用是延长每个干燥器24、26的干燥时间。分离器32利用任何公知技术分离出水滴等物。这些回收水能分别用于燃料电池组的进入氧化剂和/或燃料气流的增湿。
正如所提到的,另一优点是减少了加载到干燥器上的水分,从而能让使用循环更长。
现在对图3、4和5作参照,这些图表示用于对燃料电池组中的燃料气流进行干燥的装置的三个不同实施例。具体而言,该技术特别供含氢气的燃料气流使用,尽管本领域普通技术人员能认识到该技术还可用于更广泛的其它燃料。其它燃料的例子是富含氢的重整燃料,即通过重整碳氢燃料产生富含氢的气体混合物而制得的燃料。
参照图3,用参考符号40总体表示用于干燥阳极气流的装置的第一实施例。其再次包括用42总体表示的燃料电池组、对应于电池组的阴极设置了燃料入口44和燃料出口46。紧邻电池组燃料入口44的上游设置了氢或主燃料入口48。
将出口46与水分离器50相连,然后与T-连接器52相连。T-连接器52的一个支路通过泵54连回燃料入口44。
T-连接器52的另一分支通过截止阀56、然后通过干燥器58与排气口60相连。
在正常工作模式下,截止阀56关闭,启动泵54让氢气通过电池组42循环。
公知的是,燃料电池的共同问题是氮会从阴极侧扩散过薄膜到达阳极侧,结果,一段时间后氮在电池组的阳极或氢气侧累积起来。另外还存在薄膜上的累积和水分问题。
由于这两个原因,就要定期、例如每5分钟吹扫一次阳极侧。为该目的要将截止阀56打开很短时间、例如5秒钟,以便通过干燥器58向排气口60排气。阳极侧通常在略为正压的条件下工作。打开阀56将产生通过电池组的压力脉冲,其具有使水跳出电极和气体扩散介质的孔的作用。任何情况下,无论机构怎样精确,都已发现突然而急速的吹扫循环除了有助于排出积累和不想要的气体外,还能排出多余水分。
在5秒的吹扫循环结束时再次关闭阀56。
干燥器58用于保证通过排气口60排出的气体的湿度水平很低。这在某些环境下很理想。具体而言,在寒冷气候条件下,其能保证不存在以下问题:水分和排出的气体容易形成雾和冰粒并累积到装置上和装置周围。
能够以适当的间隔更换干燥器58,例如在更换供应氢的燃料时进行更换,其中氢是从钢瓶供应的。可以选择的是,可提供某种变形结构,其中进入的燃料通过干燥器58吸收其中积聚的水分。
在图4和5中,用相同的附图标记表示与图3中相同的部件。基于以上原因,为了简明和简洁,将不再重复这些部件的描述。
于是,在图4中,将干燥器62设置在分离器50与T-连接器52之间。然后象前面那样紧邻T-连接器52上方设置截止阀56,不过此处截止阀是直接与排气口60相连。
实际上,图4装置的使用功能是维持燃料电池组42的阳极侧内部的理想湿度水平。这样,过量水分在分离器50中被分离,但是可以预期的是干燥器62要在基本饱和的条件下运行,以便将湿度维持在理想水平。
此外,就图4而言,要定期打开截止阀56、例如每5分钟打开一次,以便进行例如为5秒钟的吹扫循环。这还防止了氮在电池组阳极侧的积累。结果可从吹扫循环中回收燃料电池中的水,在水滴情况下这些水可通过分离器50分离,或可通过干燥器62另外吸收。
结果干燥器62可用于维持恒定的湿度水平,任何时刻都不应必须更换干燥器。然而,理想的是不时更换干燥器,这是因为污染物容易累积在干燥器62中。
最后,参照图5,本发明阳极方面的第三实施例包括图4的所有元件。其另外还包括第二氢气入口72、氢气控制阀74、以及第二截止阀76。
正常使用过程中,该第三实施例的起作用方式与图3第一实施例的方式相同。这样,通常是通过主燃料入口48供应氢气。泵54运行,不断使氢气循环流过分离器50。
理论上,还是例如通过每5分钟打开截止阀56进行短期吹扫循环(还是例如为5秒钟)。同时打开第二截止阀76。这还使气体从电池组的阳极侧经干燥器58排往排气口60。
此时,当水分在干燥器58中累积时,定期将供应的氢气从主燃料入口48切换到第二氢气入口72。为实现该目的,要关闭一个阀(未示出)来关闭主燃料入口48。与此同时,打开氢气控制阀74。第二截止阀76保持关闭状态,第一截止阀56打开。这就能实现从第二氢气入口72经干燥器58向电池组42的阳极侧供应氢气。
泵54象前面那样运行。由此氢气循环流过电池组和水分离器50。随着氢气被消耗,新鲜氢气将从入口72供应进来,这些氢气在干燥器58中被增湿,借此用于从干燥器58中回收水分,同时使干燥器再生。
适当时间以后,关闭氢气控制阀74,重新开始通过氢气或主燃料入口48供应氢气。干燥器58当时处于干燥或再生状态,其准备在吹扫循环中回收气体中的水分。
与图4的实施例相比,该实施例的优点在于其能回收水分并将这些水分用于增加进入氢气的湿度。与此同时,其不需要更换干燥器来实现干燥器再生。
虽然已经相对阴极侧和阳极侧的增湿描述了本发明,但本发明主要涉及阴极侧增湿。然而,可以设想到能同时在阳极侧进行增湿。
在仅于阴极侧上进行增湿的情况下,可以认识到使用过程中由于质子迁移过薄膜而主要在阴极产生水。基于该原因,从阴极侧回收水是最佳的。尽管如此,根据操作条件的不同也会在阳极侧上发生或产生大量水分。例如,如果将氧化剂侧的压力保持得比阳极或燃料侧的压力高许多,那么可能使反应过程中产生的水回流过薄膜,于是就会在阳极侧出现大量水,所以排放的阳极燃料气流也会被明显增湿。该情况下,希望回收或控制排放燃料气流中的水分。
Claims (16)
1.一种燃料电池,其包括:
阳极,其具有燃料气的相应阳极入口和阳极出口;阴极,其具有氧化剂气体的相应阴极入口和阴极出口;位于阳极与阴极之间的电解质;第一和第二干燥器;以及阀装置,其将第一和第二干燥器与阴极入口和阴极出口相连,借此,第一干燥器在使用过程中与阴极入口和阴极出口中的一个相连,而第二干燥器与阴极入口和阴极出口中的另一个相连,其中干燥器的连接能在阴极入口和阴极出口间定期切换,由此一个干燥器能从流出的氧化剂气流中回收水分,而另一干燥器对进入的氧化剂气流进行增湿。
2.根据权利要求1所述的燃料电池,其包括入口三通阀和出口三通阀,入口三通阀具有与阴极入口相连的公共端口以及第一和第二分支端口,这两个分支端口分别与第一和第二干燥器相连,出口三通阀具有与阴极出口相连的公共端口以及分别与第一和第二干燥器相连的第一和第二分支端口,入口三通阀和出口三通阀每一个都可进行切换,以便使它们的一个分支端口与其公共端口相连,同时关闭其它分支端口,其中入口和出口三通阀相互联接,借此,当入口三通阀提供了其第一分支端口与其公共端口间的连通时,出口三通阀提供了其第二分支端口与其公共端口间的连通,当第一三通阀提供了其第二分支端口与其公共端口间的连通时,第二三通阀提供了其第一分支端口与其公共端口间的连通。
3.根据权利要求2所述的燃料电池,其包括泵,所述泵设置在入口三通阀与阴极入口之间,用于向燃料电池排送氧化剂。
4.根据权利要求3所述的燃料电池,其包括构造成燃料电池组的多个燃料电池,其中阴极入口和出口与相应的入口歧管和出口歧管相连,所述歧管与每个燃料电池相连。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的燃料电池,其包括设置在阴极出口和第二三通阀之间的水分离器,用于分离气流中的水滴。
6.根据权利要求1、2或3所述的燃料电池,其中电解质包括质子交换膜。
7.根据权利要求4所述的燃料电池,其中电解质包括质子交换膜。
8.根据权利要求1所述的燃料电池,其适合与燃料气一起使用,它还包括:再循环管道,该管道包括连接在阳极入口与阳极出口之间的泵;设置在阳极出口和泵之间的再循环管道上的水分离器,用于分离出从阳极排出的燃料气中的水;以及主燃料入口,其包括与再循环管道相连的用于供应燃料的第一燃料入口。
9.根据权利要求8所述的燃料电池,其包括与再循环管道相连的分支管道和该分支管道中的干燥器,该分支管道包括排气出口。
10.根据权利要求9所述的燃料电池,其包括位于干燥器上游的分支管道中的截止阀,用于控制燃料气流进入干燥器,使用过程中截止阀可用于实施吹扫循环,以便从阳极吹扫出积聚的不想要的气体。
11.根据权利要求8所述的燃料电池,其包括位于水分离器下游的再循环管道中的干燥器。
12.根据权利要求11所述的燃料电池,其包括分支管道,该分支管道与干燥器下游的再循环管道相连,并包括截止阀。
13.根据权利要求9或12所述的燃料电池,其中分支管道与泵上游的再循环管道相连。
14.根据权利要求10所述的燃料电池,其包括:与干燥器和排气出口之间的分支管道相连的第二燃料入口,和位于第二燃料入口与排气出口之间的分支管道上的第二截止阀,该截止阀用于实现使燃料回流穿过干燥器,以便使干燥器再生,同时从中回收水分。
15.根据权利要求14所述的燃料电池,其包括位于第二燃料入口中的燃料控制阀,用以控制第二燃料入口。
16.一种回收燃料电池中流出氧化剂气流中的水分同时为进入的氧化剂气流增湿的方法,所述燃料电池包括被供应燃料的阳极、有氧化剂气流通过的阴极、以及位于阳极与阴极之间的电解质,该方法包括以下步骤:
(i)使流出的氧化剂气流从阴极经过第一干燥器,以便从中回收水分;
(ii)使相对干燥的进入氧化剂气流经过第二干燥器,以便利用第二干燥器中提前收集的水分对进入的气流进行增湿;以及
(iii)定期在第一和第二干燥器之间切换进入和流出气流,由此每个干燥器交替进行上述步骤(i)和(ii)中的每一步骤。
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