固體氧化物燃料電池新型材料

《固體氧化物燃料電池新型材料》是2014年化學工業(yè)出版社出版的圖書,作者是馬文會 于潔。車本書主要結合國內外固體氧化物燃料電池材料的研究進展,探討鈣鈦礦型復合氧化物電解質材料、陰極材料和陽極材料及其組成單電池的制備工藝和性能,以期對固體氧化物燃料電池技術的研究有所推動。本書共分為7章,第1章為燃料電池技術概述,第2章為中溫固體氧化物燃料電池技術,第3章為中溫固體氧化物燃料電池新型陰極材料,第4章為中溫固體氧化物燃料電池新型陽極材料,第5章為中溫固體氧化物燃料電池新型電解質材料,第6章為中溫固體氧化物燃料電池單電池技術及堆循環(huán)系統(tǒng)新流程,第7章為陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池及其材料的研究。 本書可供從事固體氧化物燃料電池和新材料研究與開發(fā)的科研人員、企事業(yè)單位的技術人員和管理人員閱讀,也可供能源、化學、材料等相關專業(yè)教師和學生參考。 

固體氧化物燃料電池新型材料基本信息

中文名 固體氧化物燃料電池新型材料 類????型 科技
出版日期 2014年10月1日 語????種 簡體中文
ISBN 7122212386 作????者 馬文會 于潔
出版社 化學工業(yè)出版社 頁????數(shù) 218 頁
開????本 16 開 品????牌 化學工業(yè)出版社

第1章燃料電池技術概述1

11燃料電池的工作原理1

12燃料電池的特點2

13燃料電池的分類3

14燃料電池的應用4

15研究進展5

151堿性燃料電池5

152磷酸燃料電池6

153熔融碳酸鹽燃料電池8

154固體氧化物燃料電池(SOFC)11

155質子交換膜燃料電池(PEMFC)11

156其他類型的燃料電池13

第2章中溫固體氧化物燃料電池技術16

21SOFC的工作原理17

22SOFC的結構類型18

23SOFC的特點和應用19

24SOFC的研究進展20

241國外研究進展20

242國內研究進展22

243SOFC的中溫化22

25SOFC的構件材料研究狀況23

251SOFC的陰極材料24

252SOFC的電解質材料25

253SOFC的陽極材料27

254SOFC的互連接材料28

255SOFC的密封材料29

256SOFC電池制備技術29

第3章中溫固體氧化物燃料電池新型陰極材料32

31陰極材料La1-xSrxFe1-yMnyO3-δ

(LSFM)32

311檸檬酸鹽法制備LSFM的過程34

312檸檬酸鹽法制備LSFM的性能38

32陰極材料La1-xSrxFe1-yCoyO3-δ

(LSFC)42

321EDTA螯合溶膠凝膠法制備的

關鍵43

322EDTA螯合溶膠凝膠法制備LSFC

工藝優(yōu)化46

323LSCF材料結構和性能研究50

33陰極材料La08Sr02Co0085CuxFe0915-xO3-δ

(LSCCuF)53

331XRD分析54

332SEM及EDS分析55

333電導率測量結果與分析56

334LSCCuF與電解質的化學相容性

研究57

34陰極材料La08Sr02Co005FexMn095-xO3-δ

(LSCFM)57

341差熱熱重分析57

342粉體預燒和膜體的制備58

343XRD檢測59

344掃描電鏡59

345能譜分析59

346電導率σ和電導活化能Ea59

347碘滴定61

35陰極材料La1-x-ySrxCayFe1-zCozO3-δ

(LSCaFC)61

351XRD分析和EDS分析61

352SEM和BET結果62

353激光粒度分析62

354碘滴定法測量樣品的氧非化學

計量值63

355材料電導率63

356LSCaFC與LSGM電解質的化學

相容性64

36陰極材料La1-x-ySrxCayMn1-zCozO3-δ

(LSCMC)65

361La1-x-ySrxCayMn1-zCozO3-δ

(LSCMC)DSC/TG分析65

362變溫X射線衍射分析65

363電子探針顯微(EPMA)分析69

364粒度分析69

365材料制備焙燒曲線70

366材料的電導性能70

367電導活化能71

368特征溫度、體積密度及

微觀形貌72

369材料的熱性能72

3610材料的化學性能73

3611催化性能74

3612陰極材料的氧表面交換75

第4章中溫固體氧化物燃料電池新型陽極材料76

41陽極材料La1-xSrxCr1-yMnyO3-δ

(LSCM)76

411改進固相法制備LSCM陽極

材料76

412GNP法制備LSCM陽極材料83

42陽極材料La1-xSrxCr1-y-zMnyCozO3-δ

(LSCMCo)87

421LSCMCo的物相分析87

422LSCMCo的形貌分析88

423LSCMCo的電導性能88

424LSCMCo的催化性能90

43陽極材料Ce08Ca02O18(CDC82)90

431CDC82前驅體物料的熱分析91

432CDC82的物相分析91

433CDC82的生成機理探討91

434CDC82的形貌分析92

435CDC82的電導性能93

436CDC82與LSGM和LSCM的化

學相容性94

437CDC82的催化性能94

44陽極材料Ce08Gd02O2-δ(GDC82)95

441GDC82前驅體物料的熱分析95

442GDC82的物相分析95

443GDC82的生成機理探討95

444GDC82的形貌分析96

445GDC82的電導性能96

446GDC82與LSGM和LSCM的化

學相容性97

447GDC82的催化性能98

45陽極材料Ce08Ca02O2La07Sr03Cr05

Mn05O3-δ(CDCLSCM)99

451CDCLSCM熱重分析檢測結果99

452CDCLSCM XRD物相分析檢測

結果99

453CDCLSCM掃描電鏡顯微結構

分析102

454CDCLSCM能譜分析結果102

455CDCLSCM與電解質YSZ相容性

測試103

456CDCLSCM在氫氣中的催化性

反應103

457CDCLSCM在空氣和氫氣氣氛下

的電導率104

46新型陽極材料3Ce08Ca02O027La07Sr03Cr05

Mn05-yCoyO3-δ(CDCLSCMCo)105

461CDCLSCMCo的特征105

462CDCLSCMCo01材料的熱分析105

463CDCLSCMCo01材料的物

相分析106

464CDCLSCMCo01材料的能

譜分析107

465CDCLSCMCo01材料的形

貌分析108

466CDCLSCMCo材料的電

導性能108

467CDCLSCMCo015材料分別與電解質

YSZ和LSGM的化學相容性110

468CDCLSCMCo015材料與電

解質LSGM的熱相容性111

469CDCLSCMCo015材料在氫氣下

的催化性能111

第5章中溫固體氧化物燃料電池新型電解質材料113

51電解質材料La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ

(LSGM)114

511LSGM的合成物料分析115

512LSGM合成物料的熱分析117

513LSGM的物相分析118

514LSGM的生成機理探討118

515LSGM的能譜分析119

516LSGM的形貌分析120

517LSGM粉體的粒度分布120

518LSGM的導電機理及性能121

519GNP法制備LSGM電解質

材料125

5110固相GNP聯(lián)合燒結法制備LSGM

電解質材料探索126

52LSGMC電解質材料合成及性能

研究127

521LSGMC前驅體物料的熱重

分析127

522燒結溫度127

523電極材料與電解質的化學相

容性128

524LSGMC陶瓷片的形貌分析129

525LSGMC粉體的粒度分布132

526碘量法測非化學計量值133

527LSGMC的電導性能133

第6章中溫固體氧化物燃料電池單電池技術及堆循環(huán)系統(tǒng)新流程136

61LSGM電解質與電極材料之間的

相容性136

611LSGM電解質與備選電極材料之間

的化學相容性能136

612LSGM電解質與備選電極材料之間

的熱匹配性能136

613備選電極材料的電導性能139

62單電池制作及性能考察140

621電池構件薄膜制作140

622電極薄膜的微觀形貌141

623單電池性能測試與結果145

63ITSOFC堆循環(huán)系統(tǒng)新流程148

631陽極積碳機理研究149

632甲烷重整措施154

633生物質氣等含甲烷燃料在SOFCs

中的循環(huán)系統(tǒng)新流程156

634循環(huán)系統(tǒng)的工作原理與特點156

第7章陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池及其材料的研究160

71LSCM陽極材料的制備和性能表征160

711LSCM陽極材料的合成與表征160

712LSCM陽極基底的制備及造孔劑的

選擇研究160

713LSCM陽極材料的形貌結構162

714LSCM多孔陽極對甲烷的催化

活性165

715LSCM多孔陽極的電導率165

72NiOLDC陽極材料的制備和性能

表征166

721LDC材料制備及性能研究167

722NiOLDC陽極片制備及性能

研究169

73LSGM電解質薄膜的制備和性能

表征174

731固相法合成LSGM電解質

材料174

732射頻磁控濺射法制備LSGM電解質

薄膜175

733LSGM電解質薄膜的表征及工藝

優(yōu)化177

734漿料旋涂法制備LSGM電解質

薄膜192

735LSGM電解質薄膜的表征及工

藝優(yōu)化193

74單電池片制備及電池性能測試196

741單電池片制備197

742LSCM陽極支撐/漿料旋涂

LSGM/LSCF單電池片197

743LSCM陽極支撐/磁控濺射

LSGM/LSCF單電池片200

75NiOLDC陽極支撐單電池片性能

測試203

751NiOLDC陽極支撐/漿料旋涂

LSGM/LSCF單電池片204

752NiOLDC陽極支撐/磁控濺射

LSGM/LSCF單電池片207

參考文獻211

序言

能源利用和環(huán)境保護是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保障,開發(fā)環(huán)境負荷低的能源高效利用技術具有重要的科學意義和廣闊的應用前景。燃料電池具有高效、清潔的優(yōu)點,被視為21世紀最有發(fā)展前途的能源技術之一。為實現(xiàn)我國的節(jié)能減排目標,建設節(jié)約型社會,進一步高效利用豐富的煤炭資源和生物質資源,我國倡導對固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)開展研究,盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用?!秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006~2020)》也明確了SOFC作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究開發(fā)計劃。SOFC的一個重要發(fā)展方向是在保持含碳燃料內部重整的前提下降低其工作溫度,即研究開發(fā)中溫固體氧化物燃料電池(ITSOFC,一般認為操作溫度為500~850℃)。與常規(guī)的SOFC相比,ITSOFC不僅可以提高電池的開路電壓,而且由于可以使用金屬封裝材料,可明顯降低其制造與運行成本,同時,制備與使用溫度相適應的ITSOFC新型構件材料以保證電池性能成為研究的重點之一。近年來,得到了國內外的密切關注。

目前,國內的SOFC研究大多還處于各種基礎材料的實驗室探索試驗階段以及對于電池、電池堆和系統(tǒng)的模型研究階段。其中,對SOFC的各種構件材料的制備、性能研究較為集中。研究制備性能穩(wěn)定、催化性能良好、與電解質匹配好的多孔電極材料以及性能穩(wěn)定、與電極匹配好的致密電解質材料,并探索單電池的制作技術和工藝流程,力圖降低操作溫度,為以后大功率電池組的組裝積累理論依據(jù)和技術支持有著重要的意義。

昆明理工大學真空冶金國家工程實驗室近年來在國家自然科學基金、云南省中青年學術帶頭人后備人才培養(yǎng)項目、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃等項目支持下對SOFC主要構件材料的制備、結構和性能進行了系統(tǒng)的研究。本書主要根據(jù)課題組在ITSOFC新型構件材料方面的研究成果,結合國內外ITSOFC材料的研究進展,探討鈣鈦礦型復合氧化物電解質材料、陰極材料和陽極材料及其組成單電池的制備工藝和性能,以期對ITSOFC技術的研究有所推動。

全書共分為7章:第1章為燃料電池技術概述;第2章為中溫固體氧化物燃料電池技術;第3章為中溫固體氧化物燃料電池新型陰極材料;第4章為中溫固體氧化物燃料電池新型陽極材料;第5章為中溫固體氧化物燃料電池新型電解質材料;第6章為中溫固體氧化物燃料電池單電池技術及堆循環(huán)系統(tǒng)新流程;第7章為陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池及其材料的研究。

本書由馬文會、于潔、陳秀華著,各章分工如下:第1、2、3章由于潔老師著;第7章由陳秀華老師著;其余各章由馬文會老師著并負責總體統(tǒng)稿。此書的出版,特別感謝昆明理工大學戴永年院士、王華教授、楊斌教授以及昆明冶金研究院謝剛教授的大力支持與幫助,在此表示誠摯的謝意。本書還得到課題組的老師和學生秦博、劉榮輝、馬學菊、張徐民、林航生、孫紅燕、陽建君、邢潔、李蕊的幫助,在此表示衷心的感謝。

由于著者時間和水平的限制,書中的不足和疏漏之處在所難免,敬請廣大讀者批評指正。

著者2014年4月

固體氧化物燃料電池新型材料造價信息

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節(jié) 云浮市2012年2季度信息價
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節(jié) 云浮市2012年2季度信息價
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本書結合國內外固體氧化物燃料電池材料的研究進展,探討鈣鈦礦型復合氧化物電解質材料、陰極材料和陽極材料及其組成單電池的制備工藝和性能,以期對固體氧化物燃料電池技術的研究有所推動。

固體氧化物燃料電池新型材料常見問題

  • 固體氧化物燃料電池價格是多少

    根據(jù)我的了解,固體氧化物燃料電池的價格有以下幾種情況: 1.青島天堯實業(yè)有限公司,報價是755元。 2.上海依夫實業(yè)有限公司,報價是300元。 3.子美國際貿易(上海)有限公司,報價是345元。 價格...

  • 固體氧化物燃料電池優(yōu)點有哪些?

    SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池,簡稱PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池,簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點:(1)較高的電流密度和功率密度;(2)陽、陰極極化可忽略,彼化損失集中在電...

  • 固體氧化物燃料電池是由美國西屋開發(fā)的?

    固體氧化物燃料電池是由美國西屋(Westinghouse)公司研制開發(fā)的.它以固體氧化鋯-氧化釔為電解質,這種固體電解質在高溫下允許氧離子(O2-)在其間通過。

固體氧化物燃料電池新型材料文獻

固體氧化物燃料電池玻璃態(tài)封接材料 固體氧化物燃料電池玻璃態(tài)封接材料

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頁數(shù): 4頁

評分: 4.6

平板式中溫固體氧化物燃料電池在500 ̄850℃下運行,電解質兩側的工作氣體(陽極氣室的燃料和陰極氣室的空氣)必須徹底隔離,因此電池部件間氣密封接至關重要。該工作是在制備出的SiO2-B2O3-Al2O3-BaO-PbO2-ZnO玻璃體系密封材料基礎上,優(yōu)選出性能最佳的配方(AF8)。通過對AF8進行了熱膨脹曲線的測試,計算材料的軟化點和高溫粘度;觀測結果表明,材料在YSZ浸潤角測試、附著性和氣密性的觀測,利用交流阻抗譜測試材料的高溫電阻率在105!·cm以上。以此密封材料封裝的單電池開路電壓接近理論值,在經(jīng)歷3次快速熱循環(huán)時電壓也沒有衰退。因此,AF8是一種能夠提供“軟”密封的材料,而且工作中的粘滯流動性很好的滿足了應力釋放要求。

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用于固體氧化物燃料電池封接材料的微晶玻璃 用于固體氧化物燃料電池封接材料的微晶玻璃

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頁數(shù): 4頁

評分: 4.7

采用玻璃水淬和粉末燒結技術制備了MgO-CaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃,用作封接材料;并對其差熱性能(DTA)、晶相結構(XRD)和熱膨脹性進行了測試分析。結果表明:玻璃系統(tǒng)中隨著氧化鈣逐步替換氧化鎂,其熱膨脹系數(shù)在2.0-3.1×10-6K-1之間;當氧化鎂與氧化鈣質量比為12:4時,玻璃的析晶活化能最小,為263.3kJ/mol;討論了熱膨脹系數(shù)對微晶玻璃結構的依賴關系。

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固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置,其高效率、無污染、全固態(tài)結構和對多種燃料氣體的廣泛適應性等,是其廣泛應用的基礎。

固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(electrolyte)、陽極或燃料極(anode,fuel electrode)、陰極或空氣極(cathode,air electrode)和連接體(interconnect)或雙極板(bipolar separator)組成。

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同,在原理上相當于水電解的"逆"裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成,陽極為燃料發(fā)生氧化的場所,陰極為氧化劑還原的場所,兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑。工作時相當于一直流電源,其陽極即電源負極,陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽極一側持續(xù)通入燃料氣,例如:氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等,具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體,并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通入氧氣或空氣,具有多孔結構的陰極表面吸附氧,由于陰極本身的催化作用,使得O2得到電子變?yōu)镺2-,在化學勢的作用下,O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體,由于濃度梯度引起擴散,最終到達固體電解質與陽極的界面,與燃料氣體發(fā)生反應,失去的電子通過外電路回到陰極。

單體電池只能產(chǎn)生1V左右電壓,功率有限,為了使得SOFC具有實際應用可能,需要大大提高SOFC的功率。為此,可以將若干個單電池以各種方式(串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián))組裝成電池組。 SOFC組的結構主要為:管狀(tubular)、平板型(planar)和整體型(unique)三種,其中平板型因功率密度高和制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢。

1、啟動時間長。

因操作溫度在650~1000℃,為保護電池組件,升溫速率不能太快,5-10℃每分鐘升溫,啟動時間在65分鐘至200分鐘;

2、成本高

常用電極材料含貴金屬、稀土元素,導致原料成本高;

3、壽命

固體氧化物燃料電池的壽命扔需考證。

第1章緒論1

1.1燃料電池簡介1

1.2固體氧化物燃料電池優(yōu)勢2

1.3固體氧化物燃料電池的開路電壓2

1.4固體氧化物燃料電池的三種極化損失4

1.4.1活化極化5

1.4.2歐姆極化6

1.4.3濃差極化6

1.5固體氧化物燃料電池的效率7

第2章具有菲克定律形式的塵氣模型11

2.1引言11

2.2理論12

2.3模型驗證14

2.3.1模型描述14

2.3.2數(shù)值模擬方法和模型參數(shù)15

2.4DGMFM準確性分析16

2.4.1基本模型參數(shù)時DGMFM準確性分析16

2.4.2不同陽極結構時DGMFM準確性分析17

2.4.3不同操作條件時DGMFM準確性分析17

2.4.4DGMFM高度準確的原因20

2.5小結21

參考文獻21

第3章傳統(tǒng)電極曲率模型23

3.1傳質理論23

3.1.1菲克模型23

3.1.2麥克斯韋-斯特藩模型24

3.1.3塵氣模型24

3.1.4菲克形式塵氣模型25

3.2曲率綜述25

3.3曲率的計算27

3.3.13D立方體堆積27

3.3.2擴散模擬27

3.3.3模型驗證與計算結果分析28

3.4曲率的推導31

3.4.1理論推導31

3.4.2模型驗證及計算結果分析33

3.5小結34

參考文獻34

第4章靜電紡絲電極三相線模型37

4.1電極TPB模型簡介37

4.1.1傳統(tǒng)電極37

4.1.2浸漬電極38

4.2靜電紡絲電極TPB模型39

4.3靜電紡絲電極TPB長度計算40

4.4逾滲率42

4.5TPB長度43

4.6小結44

參考文獻45

第5章陽極支撐與陰極支撐SOFC性能對比分析47

5.1引言47

5.2模型48

5.2.1控制方程48

5.2.2邊界條件50

5.3模型參數(shù)52

5.4計算結果分析52

5.4.1氣體濃度分布53

5.4.2電勢分布54

5.4.3溫度分布54

5.4.4肋寬度的影響54

5.4.5接觸電阻和單元寬度的影響55

5.5小結56

參考文獻57

第6章雙電極支撐SOFC性能分析58

6.1引言58

6.2模型59

6.2.1物理模型59

6.2.2導電過程的控制方程59

6.2.3質量輸運過程的控制方程60

6.2.4邊界條件60

6.2.5模型參數(shù)及驗證62

6.3計算結果分析63

6.3.1物理量分布對比63

6.3.2不同參數(shù)的影響65

6.4小結67

參考文獻67

第7章電解質支撐SOFC電極厚度分析69

7.1引言69

7.2物理模型70

7.3數(shù)學模型70

7.3.1物質傳輸控制方程70

7.3.2導電控制方程71

7.4計算結果分析71

7.4.1氣體濃度分布71

7.4.2電極集流層厚度優(yōu)化71

7.5小結74

參考文獻74

第8章陽極支撐SOFC肋尺寸分析76

8.1引言76

8.2理論方法77

8.2.1物理模型77

8.2.2氣體在多孔介質中的輸運控制方程78

8.2.3導電過程的控制方程79

8.2.4邊界條件(BCs)80

8.2.5數(shù)值方法81

8.2.6模型參數(shù)和數(shù)值驗證81

8.3結果與討論83

8.3.1電池性能與肋寬度的關系83

8.3.2陽極肋寬度對電池性能的影響85

8.3.3陰極肋寬度對電池性能的影響87

8.3.4最優(yōu)肋寬度的計算公式89

8.4小結91

參考文獻91

第9章陰極支撐SOFC肋優(yōu)化93

9.1引言93

9.2模型94

9.2.1幾何模型94

9.2.2傳質過程模擬95

9.2.3導電過程模擬97

9.2.4邊界條件99

9.2.5數(shù)值求解99

9.2.6數(shù)值驗證100

9.3結果與討論101

9.3.1肋寬度對電池性能影響101

9.3.2最優(yōu)肋寬度表達式102

9.4小結104

參考文獻104

第10章SOFC肋尺寸選取107

10.1引言107

10.2模型108

10.3計算結果分析108

10.4小結113

參考文獻114

第11章SOFC新型連接體設計與優(yōu)化115

11.1引言115

11.2模型115

11.2.1幾何模型115

11.2.2氣體輸運方程117

11.2.3導電方程117

11.2.4Butler-Volmer方程118

11.2.5邊界設置118

11.3不同連接體設計性能對比119

11.3.1陽極濃度過電勢分布119

11.3.2陰極電勢分布119

11.3.3電導率的影響121

11.3.4孔隙率的影響122

11.3.5單元寬度和Vop的影響123

11.4交叉形連接體結構優(yōu)化125

11.4.1陰極連接體多參數(shù)優(yōu)化125

11.4.2陽極連接體多參數(shù)優(yōu)化128

11.5小結131

參考文獻131

第12章SOFC多場模型的開發(fā)133

12.1SOFC多場模型概述133

12.2模型134

12.2.1幾何模型134

12.2.2電荷守恒方程135

12.2.3動量守恒方程136

12.2.4質量守恒方程136

12.2.5能量守恒方程137

12.2.6邊界條件138

12.2.7多場模型開發(fā)139

12.3計算結果分析140

12.4新型電堆設計142

12.5小結145

參考文獻146 2100433B

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