【摘" 要】質(zhì)子交換膜燃料電池是目前應(yīng)用較廣泛的發(fā)電方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、發(fā)電效率高、產(chǎn)物僅無(wú)污染的水、對(duì)環(huán)境友好，具有良好的應(yīng)用前景。雙極板是燃料電池的核心部件，其機(jī)械加工后產(chǎn)生的凹槽稱為流道，主要作用是提供氣體通道，均勻反應(yīng)氣體，流場(chǎng)的優(yōu)劣直接影響燃料電池性能。本文通過(guò)改變折線彎折程度和彎折個(gè)數(shù)方式，設(shè)計(jì)了5種結(jié)構(gòu)，分別對(duì)其進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明：改良后的折線結(jié)構(gòu)相對(duì)直道流場(chǎng)在各個(gè)方面均有提升，如電流分布、水管理、氣體分布、壓力分布等。其中電流密度和水管理提升明顯，電流密度最大差值相對(duì)改良前最大減少了0.10×104A/m2，水管理方面，相對(duì)于改良前的水活度差值最大值減少了0.15，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直道流場(chǎng)排水能力弱的劣勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】PEMFC；汽車燃料電池；雙極板；燃料電池流道；模擬仿真

中圖分類號(hào)：U463.633" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0077-05

Optimization and Simulation Study of Flow Field in Automotive Fuel Cells

【Abstract】Proton exchange membrane fuel cells are currently a widely used power generation method，with a simple and reliable structure，high power generation efficiency，and environmentally friendly products that only produce pollution-free water. They have good application prospects. The bipolar plate is the core component of fuel cells，and the grooves generated after mechanical processing are called flow channels. Its main function is to provide gas channels，uniformly react gases，and the quality of the flow field directly affects the performance of fuel cells. This article designs five structures by changing the degree and number of bends of the polyline，and conducts simulation studies on them. The results show that the improved polyline structure has improved in various aspects compared to the straight flow field，such as current distribution，water management，gas distribution，pressure distribution，etc. Among them，the current density and water management have been significantly improved，and the maximum difference in current density has decreased by 0.10×104A/m2 compared to before the improvement. In terms of water management，the maximum difference in water activity has decreased by 0.15 compared to before the improvement，effectively compensating for the weak drainage capacity of traditional straight flow fields.

【Key words】PEMFC；automotive fuel cells；bipolar plate；fuel cell flow channel；simulation and emulation

0" 引言

目前能源短缺，開(kāi)發(fā)新能源尤為重要[1]。質(zhì)子交換膜燃料電池被譽(yù)為繼傳統(tǒng)能源方式以外的第4種可行的發(fā)電方式。燃料電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如工作過(guò)程中無(wú)噪音、穩(wěn)定、運(yùn)行時(shí)溫度較低、生成產(chǎn)物僅為水、對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染等。它可以滿足各種日常生活中諸多設(shè)備的能源需求，如車輛能源[2]、交通行業(yè)、建筑行業(yè)等場(chǎng)景，目前應(yīng)用最多的主要是汽車行業(yè)。

質(zhì)子交換膜燃料電池主要由內(nèi)部的膜電極和外部的雙極板組成，內(nèi)部的膜電極由質(zhì)子交換膜與催化層構(gòu)成，外部雙極板由陰陽(yáng)極焊接為一體的金屬板構(gòu)成。外部雙極板經(jīng)過(guò)機(jī)械加工形成的凹槽被稱為流場(chǎng)，其中凸起的部位被稱為肋板。引導(dǎo)反應(yīng)氣體、排出反應(yīng)生成水[3]等反應(yīng)均在流場(chǎng)中進(jìn)行，而肋板主要起到機(jī)械支撐的作用，過(guò)窄的肋板寬度會(huì)降低燃料電池的裝配強(qiáng)度，而過(guò)寬的肋板會(huì)導(dǎo)致燃料電池流道過(guò)窄，影響燃料電池性能，肋寬比常常1：1，才能平衡肋板與流道的寬度關(guān)系。流場(chǎng)的設(shè)計(jì)是否合理直接影響燃料電池性能[4]。設(shè)計(jì)優(yōu)秀的流道具有良好的電流密度管理、水管理、氣體分布。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要研究傳統(tǒng)流場(chǎng)和新型流場(chǎng)兩類流場(chǎng)。

傳統(tǒng)流場(chǎng)，如直道流場(chǎng)、單通道蛇形流場(chǎng)、網(wǎng)狀流場(chǎng)、點(diǎn)狀流場(chǎng)（常用作分配區(qū)[5]）[6]等。新型流場(chǎng)，如KUMAR A等[7]研究的不同橫截面流道的流場(chǎng)、Huang H等[8]設(shè)計(jì)的仿生流場(chǎng)[9]、JANG J H等[10]設(shè)計(jì)的在流道中增加擋板等。傳統(tǒng)流場(chǎng)與新型流場(chǎng)各有利弊，傳統(tǒng)的直道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工難度小、性能可靠被廣泛應(yīng)用，壓降較小，但其反應(yīng)氣停留在流道時(shí)間相對(duì)較短，氣體快速排出流道，容易造成反應(yīng)不充分。另一種傳統(tǒng)蛇道流場(chǎng)的流道長(zhǎng)度比直道流場(chǎng)的流道長(zhǎng)度一般要長(zhǎng)，其運(yùn)行時(shí)流道內(nèi)動(dòng)態(tài)氣流量大、氣體流速大，適合高功率工況使用，但因其特殊的幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蛇形流壓降比較大，對(duì)供氣系統(tǒng)具有較高的要求，而且在流道的末端，尤其是靠近出口的位置其容易積水，高功率下積水過(guò)多還有水淹的風(fēng)險(xiǎn)。

新型流場(chǎng)可以在一定程度上提高燃料電池的性能，同時(shí)也有一些問(wèn)題，例如特殊橫截面（三角形、半圓形、梯形等）的新型流場(chǎng)在低電壓下性能有所提升（三角形截面最出色），但在高電壓工況下差異不大。另一種變截面流場(chǎng)在一定程度上可以提高電流密度分布均勻性，但可能在局部會(huì)有高電流密度的區(qū)域產(chǎn)生熱點(diǎn)、積水等現(xiàn)象，而且變截面流場(chǎng)經(jīng)常帶來(lái)功率反降現(xiàn)象。

提高肋下對(duì)流，讓反應(yīng)氣更多進(jìn)入GDL對(duì)均勻反應(yīng)氣尤為重要。目前通過(guò)提高肋下對(duì)流效率優(yōu)化流場(chǎng)主要有變截面和增加擋板兩種方式。錐形流道不但可以有效提高局部肋下對(duì)流，還可以有效提升反應(yīng)氣體在出口位置分配的均勻性。但是錐形流道加工難度大，難以用于實(shí)際應(yīng)用。增加擋板增加肋下對(duì)流也是加大反應(yīng)氣進(jìn)入GDL的一種方法，但在流道中增加擋板可能造成燃料電池流道內(nèi)部壓力分配不均，造成壓降過(guò)大，并且流道中增加擋板會(huì)導(dǎo)致水分吹掃困難。高功率下生成的水分會(huì)在擋板處產(chǎn)生堆積，產(chǎn)生水淹現(xiàn)象。

針對(duì)目前研究的直道流場(chǎng)各種優(yōu)化方式的優(yōu)點(diǎn)與不足，本文以傳統(tǒng)直道流場(chǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)變直線為折線的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，折線流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，本文設(shè)計(jì)3組結(jié)構(gòu)來(lái)研究，彎折個(gè)數(shù)分別為3、6、9。改良后的折線結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)直道流場(chǎng)，在垂直于GDL平面上更容易形成肋下對(duì)流傳質(zhì)，增加氣體擴(kuò)散能力、水吹掃能力，提高燃料電池性能。建模后對(duì)設(shè)計(jì)的新型折線流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，對(duì)其電流密度分布、電解質(zhì)膜上水活度、反應(yīng)氣分布等仿真結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析比較后，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于直道流場(chǎng)均有一定程度的提升。希望通過(guò)本文的研究，能為燃料電池流場(chǎng)研究提供一定思路。

1" 模型建立

1.1" 傳統(tǒng)流場(chǎng)和折線流場(chǎng)幾何模型

直道流場(chǎng)的幾何結(jié)構(gòu)如圖1a所示。其幾何結(jié)構(gòu)為5cm×5cm正方形結(jié)構(gòu)，中間的質(zhì)子交換膜厚度為0.01cm，與質(zhì)子交換膜相連的是催化層，其厚度為0.005cm，催化層向外為氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層建模厚度為0.038cm。模型最外側(cè)的結(jié)構(gòu)為流道，其寬度和高度均為0.1cm，流道與肋板寬度比為1：1。如此設(shè)計(jì)可以使燃料電池的流道和肋板寬度比達(dá)到一個(gè)較合適的平衡狀態(tài)，在保證流道寬度的同時(shí)也保證燃料電池的機(jī)械強(qiáng)度。圖1另外3種折線流場(chǎng)除流道外其余參數(shù)與直道流場(chǎng)相同。結(jié)構(gòu)1～結(jié)構(gòu)3的彎折個(gè)數(shù)依次增大，3種幾何結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)1彎折為3，將彎折個(gè)數(shù)由3變?yōu)?、9，從而得到結(jié)構(gòu)2與結(jié)構(gòu)3。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文建立的模型計(jì)算主要是物質(zhì)傳遞和電化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)方面，主要包括流體力學(xué)方程（質(zhì)量守恒方程）、電化學(xué)方程（電荷守恒方程）、電極動(dòng)力學(xué)方程（活化極化）。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，假定燃料電池在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行，假設(shè)所有氣體均不會(huì)通過(guò)質(zhì)子交換膜，并且各個(gè)組分的氣體均為不可壓縮的理想氣體?；谝陨系募僭O(shè)主要列舉如下方程。

一般流體流動(dòng)過(guò)程需要用質(zhì)量守恒方程來(lái)描述其流動(dòng)時(shí)質(zhì)量變化，質(zhì)量守恒方程為：

燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)一般用電荷守恒方程進(jìn)行描述：

燃料電池在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中存在活化過(guò)電位，當(dāng)輸出電流在某個(gè)區(qū)間時(shí)，電極電流與活化過(guò)電位成半對(duì)數(shù)關(guān)系：

式中：R——理想氣體常數(shù)；T——溫度；[α]——電荷傳遞系數(shù)；n——電子數(shù)；i——電流密度；i0——交換電流密度；[a]——電流密度為單位數(shù)值時(shí)的過(guò)電位值；b——Tafel系數(shù)。

2" 模型與網(wǎng)格驗(yàn)證

2.1 仿真與實(shí)驗(yàn)極化曲線對(duì)比

本文在Ubong E[11]實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上建立仿真模型，仿真模型的各項(xiàng)參數(shù)基本與實(shí)驗(yàn)參數(shù)保持一致。圖2是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)極化曲線對(duì)比。仿真建模采用COMSOL Multiphysics 6.1軟件，建立的模型與Ubong E等人文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)保持一致。Ubong E等人在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，陽(yáng)極通入純度為99.997%的氫氣，陰極通入空氣。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，除去個(gè)別點(diǎn)偏差較大，總體仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)最大差值在0.05A/cm2以內(nèi)，相對(duì)誤差小于5％，證明模型搭建思路正確、模型可靠。

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

燃料電池具有不同的結(jié)構(gòu)和部件，而且各個(gè)部件幾何結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、電化學(xué)性質(zhì)等一般差距比較大，因此需要根據(jù)不同位置劃分不同細(xì)密程度的網(wǎng)格，保證各個(gè)部位均到達(dá)準(zhǔn)確的計(jì)算。過(guò)于密集的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；多余的網(wǎng)格不會(huì)提高計(jì)算精度，但是會(huì)浪費(fèi)計(jì)算資源；過(guò)于稀疏的網(wǎng)格，會(huì)造成模型運(yùn)算不精確。本文設(shè)計(jì)了4種不同粗糙程度的網(wǎng)格，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。圖3為幾種粗糙程度的網(wǎng)格模型計(jì)算后的極化曲線。由圖3可知，隨著網(wǎng)格的不斷細(xì)化，極化曲線趨于穩(wěn)定，粗糙網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)量：213584）和常規(guī)網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)量：404698）極化曲線差異較大，兩者均不符合運(yùn)算需求，極細(xì)化網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)量：814276）其網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大，因其計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，細(xì)化網(wǎng)格在保持計(jì)算精度的情況下，網(wǎng)格數(shù)量小于極細(xì)化網(wǎng)格，因此最佳網(wǎng)格為細(xì)化網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)量：603779）。

3" 模擬結(jié)果與分析

3.1" 直線流場(chǎng)與折線流場(chǎng)電解質(zhì)電流密度大小對(duì)比

電解質(zhì)膜上電流密度的分布均勻與否直接影響燃料電池的性能優(yōu)劣，良好的電流密度分布可以使燃料電池運(yùn)行更穩(wěn)定，特別是在高功率工況下優(yōu)勢(shì)更加明顯。良好的電流密度分布可以使燃料電池具有良好的輸出性能，而且在高功率狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)等現(xiàn)象。圖4為4種流場(chǎng)在同工況下，電解質(zhì)膜上的電流密度分布圖，圖像底側(cè)為進(jìn)氣口一側(cè)（后文中圖像底側(cè)均為流道入口側(cè)）。圖4a為直道流場(chǎng)的電流密度分布，高電流密度部位主要集中在中間位置（1.6～3.2cm，底部為0cm，下文均同）。底部電流密度比較低，而且底部電流密度分布均勻性最差，整體電密最大差值約為0.15A/cm2。圖4b～圖4d是折線流場(chǎng)的電流密度分布圖，隨著內(nèi)收個(gè)數(shù)增加，電流密度分布均勻性，先加強(qiáng)再減弱。結(jié)構(gòu)1電流密度分布優(yōu)于直線流場(chǎng)，而結(jié)構(gòu)2隨著內(nèi)收個(gè)數(shù)的增加，整體電流分布區(qū)域更均勻，此時(shí)電流密度最大差值約為0.05A/cm2，在電流密度分布上明顯優(yōu)于直道流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)1。結(jié)構(gòu)3相對(duì)于結(jié)構(gòu)2，下部電流密度更低，均勻性有所下降。

3.2 直線流場(chǎng)與折線流場(chǎng)水活度對(duì)比

水活度即含水量，常常用水活度來(lái)衡量燃料電池的排水能力，排水能力也是衡量流道設(shè)計(jì)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，若流道設(shè)計(jì)不合理，則常常產(chǎn)生局部積累過(guò)多的水分，甚至造成水淹現(xiàn)象。如在流道中增加擋板，雖然可以提高燃料電池的部分性能，但在擋板位置可能會(huì)造成水分積累，大功率下產(chǎn)生水淹現(xiàn)象造成燃料電池失效。設(shè)計(jì)優(yōu)秀的流道均具有良好的排水能力，其質(zhì)子交換膜上水分分布一般都十分均勻，而且整個(gè)質(zhì)子交換膜上的水分均較低。圖5為4種結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)在相同工況下水活度的圖像。水活度常常用來(lái)描述電解質(zhì)上的相對(duì)濕度，如圖5a的直道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其在上1/2（0～2.5cm）部分對(duì)水的吹掃能力非常強(qiáng)，但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在下1/2部分（2.5cm）以下水分開(kāi)始聚積明顯，在出口部位水分產(chǎn)生大量聚積，這種情況如果是非常大功率工況可能會(huì)產(chǎn)生水淹現(xiàn)象，其水活度最大差值為0.4左右。3種折線流場(chǎng)如圖5所示，排水能力均強(qiáng)于直線流場(chǎng)，到2.5cm處水分也開(kāi)始聚積，但是變化不劇烈，聚積過(guò)程比較平緩柔和，到2.5cm處雖然出現(xiàn)了水分大量聚積，但是相對(duì)于直線流道，程度非常小，而且折線流場(chǎng)同一條流道內(nèi)水分含量變化比較平緩，說(shuō)明這種流道相對(duì)直線流道抗水淹能力更強(qiáng)，排水能力更強(qiáng)，更適合大工況作業(yè)。隨著彎折個(gè)數(shù)的增加，水管理先增強(qiáng)后減弱，結(jié)構(gòu)2表現(xiàn)出了最佳的排水能力，最大相對(duì)濕度低于0.65，最大差值為0.25，因此結(jié)構(gòu)2更適合大功率工況使用。

3.3" 直線流場(chǎng)與折線流場(chǎng)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)比

反應(yīng)氣體分布是否均勻也是衡量流場(chǎng)是否優(yōu)秀的重要標(biāo)準(zhǔn)，良好的反應(yīng)氣體分布可以產(chǎn)生均勻的電流密度和水分布。設(shè)計(jì)不合理的流場(chǎng)入口和出口濃度差異較大，或者電池內(nèi)部有氣體濃度過(guò)高或過(guò)低的區(qū)域，而良好的流道設(shè)計(jì)都具有良好的氣體分布。圖6為陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層位置的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)圖像，氣體進(jìn)入流道以后，隨著不斷深入流道，濃度越來(lái)越低。直道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有非常優(yōu)秀的平均反應(yīng)氣體的能力，直道流場(chǎng)進(jìn)氣口氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為0.95，出口處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)約為0.88。與直道流場(chǎng)相比，圖6中結(jié)構(gòu)1～結(jié)構(gòu)3在氣體分布均勻性上都有一定程度提高，特別是出口位置，氣體分布更加均勻柔和。隨著彎折個(gè)數(shù)的增加，均勻氣體能力趨于增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)2與結(jié)構(gòu)3類似，均強(qiáng)于結(jié)構(gòu)1，兩者進(jìn)氣口氫氣摩爾分?jǐn)?shù)為0.95，出氣口摩爾分?jǐn)?shù)為0.9。

3.4" 直線流場(chǎng)與折線流場(chǎng)壓力分布對(duì)比

壓力分布作為燃料電池的重要指標(biāo)，具有重要的意義，良好合理的壓力分布能控制壓降在合理的范圍，雖然大多數(shù)的改良方式可以一定程度上增強(qiáng)燃料電池的性能，但是可能會(huì)造成過(guò)大的壓降，過(guò)大的壓降會(huì)使燃料電池供氣系統(tǒng)增加很大的負(fù)擔(dān)，會(huì)導(dǎo)致燃料電池的功率反降，甚至?xí)绊懭剂想姵仉姸训难b配。圖7為反應(yīng)氣體壓力分布，壓降一般指流道入口和出口部位的壓力差值，壓力分布和壓降均是衡量燃料電池是否優(yōu)秀的重要指標(biāo)。直道流場(chǎng)作為經(jīng)典商用流場(chǎng)具有良好的壓力控制，結(jié)構(gòu)1和直道流場(chǎng)壓力分布類似，兩者壓力分布均勻，壓降較小，約為1.5Pa左右。結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3的出口壓力與直道流場(chǎng)的出口壓力相差0.1Pa左右，但進(jìn)氣口壓力大于直道流場(chǎng)進(jìn)氣口壓力，約為2Pa左右，壓降為1.9Pa左右。因此，隨著彎折個(gè)數(shù)的增加，壓降趨于增大。

3.5" 直線流場(chǎng)與折線流場(chǎng)極化曲線圖像對(duì)比

圖8為極化曲線與功率曲線圖像，極化曲線和功率曲線可以直觀反映燃料電池性能。折線流場(chǎng)是在直道流場(chǎng)的基礎(chǔ)上改良而來(lái)，因此直道流場(chǎng)與折線流場(chǎng)輸出情況大概一致，兩者極化曲線圖像在0.625V以下幾乎處于重合狀態(tài)。在0.625V以上時(shí)，工作電壓相對(duì)較高，在此工況下主導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)的因素主要為活化極化，極化曲線開(kāi)始出現(xiàn)差異，結(jié)構(gòu)2處于最上部，自上而下依次是結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、直道流場(chǎng)，在此工況影響燃料電池反應(yīng)的主要因素是反應(yīng)氣體濃度。功率曲線與極化曲線分布順序基本一致，仍是結(jié)構(gòu)2位于最上部，輸出功率密度相對(duì)最大，直道流場(chǎng)位于最底部，說(shuō)明其輸出功率密度相對(duì)最小，性能最差。

4" 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型折線流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)的經(jīng)典直道流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，考慮其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)之后，對(duì)其以彎折的方式進(jìn)行改良，通過(guò)增加彎折形成的一種新型流場(chǎng)。通過(guò)改變彎折個(gè)數(shù)得到一組不同的折線流場(chǎng)，研究彎折個(gè)數(shù)對(duì)流道的性能影響，通過(guò)模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，改變彎折個(gè)數(shù)在性能上均有不同程度的提升。

折線流場(chǎng)的電流密度分布更加均衡，最大差值0.05×104A/m2（直道流場(chǎng)為0.15×104A/m2），電流密度分布隨彎折個(gè)數(shù)的增加先加強(qiáng)再減弱。

水管理方面，相對(duì)于直道流場(chǎng)水活度差值減小0.15左右，因此其排水能力更強(qiáng)。排水能力隨著彎折個(gè)數(shù)增加先加強(qiáng)再減弱。

反應(yīng)氣體分布相對(duì)直道流場(chǎng)略有提升，隨著彎折個(gè)數(shù)增加，氣體分布均勻性趨于加強(qiáng)。

隨著彎折個(gè)數(shù)增加，壓降逐漸增大，而且3種折線結(jié)構(gòu)壓降均大于直線流場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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