CN111799487A - 车载供氢系统及燃料电池汽车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源燃料电池车辆和氢能利用领域，具体而言，涉及一种车载供氢系统及燃料电池汽车。车载供氢系统包括储氢模块、氢气进口模块和氢气出口模块；所述氢气进口模块和所述氢气出口模块均与所述储氢模块连通，且所述储氢模块与所述氢气进口模块之间为模块化连接，所述储氢模块与所述氢气出口模块之间进行模块化连接；所述模块化连接包括同一标准的插接、卡接、螺栓连接和卡套连接中的至少一种。本发明将储氢瓶及其连接的各个部件进行模块化处理，形成储氢模块、氢气进口模块和氢气出口模块，通过模块化连接，实现快速拼装，提高了安装效率。

Description

车载供氢系统及燃料电池汽车

技术领域

本发明涉及新能源燃料电池车辆和氢能利用领域，具体而言，涉及一种车载供氢系统及燃料电池汽车。

背景技术

氢能具有燃烧热值高、发电效率高、清洁无污染、储运便捷、来源广泛、利用形式多、安全性能好等诸多优点，是一种良好的能源载体。而化石能源作为不可再生能源正日益枯竭，为此，世界各国已广泛开始氢能源研究，并积极实现氢能源产业化，尤其是加速应用于汽车产业领域。

利用燃料电池技术，氢气和氧气通过电化学反应直接转化成电能和水，不排放污染物。燃料电池汽车是新能源汽车的重要组成部分，近年来，我国高度重视新能源汽车产业发展。其中，氢燃料电池以及氢燃料电池车是重要的发展方向，并以此形成各自的产业配套、商业应用模式等。我国氢能汽车产业产值有望突破万亿元大关。

目前，燃料电池车已经应用在轻型、中型物流车，公交车，环卫车，洒水车等商用车，并逐步的推广到乘用车，重型卡车及其他交通运输领域。燃料电池系统主要由燃料电池堆、供氢系统、供气系统、水管理系统和热管理系统组成。其中，供氢系统主要实现氢气加注、氢气储存和输送氢气到燃料电池堆三大功能，是燃料电池车辆的重要组成部分。

在现有的燃料电池汽车中，为满足续航里程的要求，通常会配置3-8个35MPa或者70MPa两种压力等级的高压储氢气瓶。这些氢气瓶被安装在同一个支架上，相互之间用316不锈钢管和卡套接头联通。

在现有技术中，对多个高压储氢气瓶进行安装时，安装过程较长，安装效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载供氢系统，其能够便于高压氢气瓶的安装，提高安装效率。

本发明的另一目的在于提供一种燃料电池汽车，其能够实现车载供氢系统的快速安装。

本发明的技术方案是这样的：

一种车载供氢系统，其包括储氢模块、氢气进口模块和氢气出口模块；

所述氢气进口模块和所述氢气出口模块均与所述储氢模块连通，且所述储氢模块与所述氢气进口模块之间为模块化连接，所述储氢模块与所述氢气出口模块之间进行模块化连接；

所述模块化连接包括同一标准的插接、卡接、螺栓连接和卡套连接中的至少一种。

本申请中的模块化连接，具体是指将各个模块之间的装配连接标准进行统一，使两个同功能的模块，在不同型号时，也能够进行统一标准的装配连接，进而实现快速高效的装配拼装。

优选的，所述氢气进口模块包括加氢口、第一单向阀、第二单向阀、压力表和第一压力传感器；

所述第一单向阀设置在加氢口内；所述压力表和所述第一压力传感器设置在所述第一单向阀与所述储氢模块之间的连通管路上。

优选的，氢气进口模块还包括第二单向阀，所述第一单向阀和所述第二单向阀串联。

优选的，所述氢气出口模块包括过滤器、减压阀组合和电磁阀；

所述过滤器、所述减压阀组合和所述电磁阀依次串联设置。

优选的，所述减压阀组合包括一级减压阀、卸荷阀和第二压力传感器；

所述一级减压阀的一端连接所述过滤器，另一端连接所述卸荷阀；

所述一级减压阀和所述电磁阀之间设置有所述第二压力传感器；

所述卸荷阀的一端连接所述一级减压阀，所述卸荷阀的另一端设置有快插接头组合。

优选的，所述氢气出口模块还包括放散阀，所述放散阀的一端连接所述减压阀组合，所述放散阀的另一端设置有快插接头组合；所述电磁阀一端连接所述减压阀组合，所述电磁阀另一端用于连接燃料电池系统。

优选的，所述储氢模块的数量为多个。

优选的，所述储氢模块包括支架、储氢瓶和固定装置；所述储氢瓶通过固定装置设置在所述支架上。

优选的，所述固定装置与所述储氢瓶之间设有缓冲垫。

一种燃料电池汽车，其包括上述任一项所述的车载供氢系统。

本发明的有益效果是：

将储氢瓶及其连接的各个部件进行模块化处理，形成储氢模块、氢气进口模块和氢气出口模块，通过模块化连接，实现快速拼装，提高了安装效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的车载供氢系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的车载供氢系统的储氢模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的车载供氢系统的氢气进口模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的车载供氢系统的氢气出口模块的结构示意图。

图中：

100：储氢模块；110：储氢瓶；120：堵头；130：瓶阀；

200：氢气进口模块；210：加氢口；220：第二单向阀；230：压力表；240：第一压力传感器；

300：氢气出口模块；310：过滤器；320：减压阀组合；321：一级减压阀；322：卸荷阀；323：第二压力传感器；330：电磁阀；340：放散阀；

400：三通。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图4，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在现有的车载供氢系统中，其安装过程如下：

首先签订商务合同后，管理者代表下发项目工作令，之后技术部门依照工作令安排设计工作，并做结构强度校核等工作。多部门审核后，技术部门按照审核意见修改图纸并作二次至多次审核直到图纸定稿，最终版图纸定稿后交由供应商做支架，同时下发物料清单到采购部核对库存并安排采购相关事宜。物料都到生产车间后，生产人员按照生产计划执行相应安装任务。技术部门设计过程和生产车间安装过程都是从0到1的过程后，冗长的设计和安装过程严重影响产品的生产周期和提高了企业的经营成本。

整个装配的过程中，耗时较长，每次在进行安装时，均需要从头对各个零散的零部件进行单一安装，在工期较短的情况下，无法保证安装的质量。

为解决上述问题，本申请提供了一种车载供氢系统，如图1所示，其包括储氢模块100、氢气进口模块200和氢气出口模块300；氢气进口模块200和氢气出口模块300均与储氢模块100连通，且储氢模块100与氢气进口模块200之间为模块化连接，储氢模块100与氢气出口模块300之间进行模块化连接；模块化连接包括同一标准的插接、卡接、螺栓连接中的至少一种。

在本申请的实施例中，将各个通用零件集成为几个具有单独功能的模块，使不同模块具有不同的功能，如储氢模块100用于存储氢气，氢气进口模块200用于向储氢模块100供氢，氢气出口模块300用于将储氢模块100内的氢气输送给燃料电池的电堆口，实现燃料电池的电输出功能。

具体的，在需要装配安装时，只需要将各个模块进行模块化连接即可，既保证了装配精度，又提高了装配效率。

更具体的，在本实施例中，对储氢模块100、氢气进口模块200和氢气出口模块300分别进行模块化处理后，将三者分别与三通400的三个端口连接，实现三者之间的模块化连接，进而能够进行快速拼装，提高安装的效率。

更具体的，在本实施例中，不同的储氢模块100中，氢气的储存量不同，但是不同的储氢模块100在与三通400或与其他模块进行装配连接时，安装接口或安装标准是相同的，进而能够在选择不同的储氢模块100后，实现快速安装，满足不同燃料电池汽车的使用。

而在本实施例中，氢气进口模块200和氢气出口模块300进行安装接口的标准统一后，能够与不同的储氢模块100进行快速匹配，实现模块化连接安装，提高了装配效率。

具体的，模块化连接的连接方式可以是卡套连接，此时卡套连接的接口形状、口径、接口深度，不锈钢管管径、长度等，均为统一标准设置，且同一类型但不同型号的模块上设置的模块化连接的部件相同，便于与其他模块进行匹配安装。

更具体的，当储氢模块100上的模块化连接方式的连接部件为卡套时，所有的储氢模块100上的连接部件均为卡套，与之对应的，在相应的氢气进口模块200或氢气出口模块300上为卡套，且氢气进口模块200的卡套和氢气出口模块300的卡套能够与所有的不同型号的储氢模块100上的卡套进行匹配安装。

模块化连接的连接方式可以是卡接，此时，卡接的卡接槽形状、深度、卡接头的形状、长度等，均为统一标准设置，且同一类型但不同型号的模块上设置的模块化连接的部件相同，便于与其他模块进行匹配安装。

同理，更具体的，当储氢模块100上的模块化连接方式的连接部件为卡接槽时，所有的储氢模块100上的连接部件均为卡接槽，与之对应的，在相应的氢气进口模块200或氢气出口模块300上为卡接头，且卡接头能够与所有的不同型号的储氢模块100上的卡接槽进行匹配安装。

模块化连接的连接方式可以是螺纹连接，此时所有模块上的外螺纹均相同，内螺纹的参数均相同，且外螺纹与内螺纹相匹配设置。

同理，更具体的，当储氢模块100上的模块化连接方式的连接部件为具有内螺纹的螺纹孔时，所有的储氢模块100上的连接部件均为螺纹孔，与之对应的，在相应的氢气进口模块200或氢气出口模块300上为具有外螺纹的螺杆，且螺杆能够与所有的不同型号的储氢模块100上的螺纹孔进行匹配安装。

需要指出的是，模块化连接的连接方式可以是上述的插接、卡接或螺纹连接、卡套连接中的任一种，但其不仅仅局限于上述的几种方式，其只要能够通过统一的标准实现模块化连接即可，即实现相同模块在不同型号上均能够进行相互快速匹配连接。

在本申请优选的实施方式中，最优的、标准的连接方式是卡套连接，同时管道材质采用316不锈钢。

优选的，在本实施例中，如图3所示，氢气进口模块200包括加氢口210、第一单向阀、压力表230和第一压力传感器240；第一单向阀设置在加氢口210内；压力表230和第一压力传感器240设置在第一单向阀，与储氢模块100之间的连通管路上。

具体的，在本实施例中，通过加氢口210将氢气加入到氢气进口模块200中，进一步进入到储氢模块100中，在加氢口210内设置第一单向阀，能够避免加入的氢气反流逸出，进而避免资源浪费。

更具体的，在本实施例中，第一单向阀设置在加氢口210内，加氢口210能够与加氢枪进行快速连接，通过第一压力传感器240检测储氢模块100内的储氢压力和储氢量，并通过压力表230进行显示，进而能够确切的知道储氢模块100内的储氢量，避免加氢过量，或避免加氢量不足。

更具体的，在本实施例中，第一压力传感器240为高压压力传感器，其能够承受较大压力。

在本实施例中，氢气进口模块200还设置有316不锈钢管和卡套接头，氢气进口模块200通过不锈钢管和卡套接头将各零部件进行连接为一个整体，将整体安装在安装板上，形状标准的模块组件，根据车辆的布置设计，通过安装板将氢气进口模块200安装在车上或安装在储氢模块100上的指定位置。

在本实施例中，氢气进口模块200中，第一压力传感器240可以是与第一单向阀、压力表230进行集成设置，其也可以是单独设置。

当第一压力传感器240单独设置时，其可以是与压力表230设置在三通400的同一个接口管路上。

当第一压力传感器240单独设置时，也可以是将第一压力传感器240设置在三通400与储氢模块100之间，用于避免氢气出口模块300对测压结果的影响。此时，三通400集成在氢气进口模块200上，即氢气进口模块200包括加氢口210、压力表230、三通400和第一压力传感器240，其中，三通400的一个接口与加氢口210连接，且在加氢口210与三通400之间的管路上设置压力表230，三通400上设置第一压力传感器240的接口与储氢模块100连接，三通400上的最后一个接口与氢气出口模块300连接。

优选的，氢气进口模块200还包括第二单向阀220，加氢口210和第二单向阀220串联。

具体的，第二单向阀220设置在加氢口210的下游，通过两个单向阀的设置，不仅保证了氢气进口模块200的氢气单向流动，还保证了在加氢口210内设置的第一单向阀失效后，第二单向阀220的作用依然保证氢气单向流动的功能，避免加氢时储氢模块100的压力达不到储氢压力，进而保证了储氢模块100的储氢量。

在本申请优选的实施方式中，如图4所示，氢气出口模块300包括过滤器310、减压阀组合320和电磁阀330；其中，过滤器310、减压阀组合320和电磁阀330依次串联设置。

过滤器310的一端连接氢气模块连接储氢模块100，储氢模块100排出的氢气先进行过滤后，再进入减压阀组合320进行减压，将氢气压力降低为电堆设计的氢气供应压力后与燃料电池连接，在减压阀组合320和燃料电池之间设置电磁阀330，通过电磁阀330实现对燃料电池的供氢控制。

由于储氢模块100内的氢气均为高压氢气，能够便于储存较大量的氢气，因此在对燃料电池供氢时，需要通过减压阀组合320进行减压处理。

在本实施例中，各零部件之间通过不锈钢管和卡套接头进行连接后，固定安装在安装板上，形成一个标准的模块组件，氢气出口模块300可以根据车辆进行具体的位置安装，即通过安装板将氢气出口模块300安装在车上或储氢模块100上的指定位置即可。

具体的，在本实施例中，减压阀组合320包括一级减压阀321、卸荷阀322和第二压力传感器323；一级减压阀321的一端连接过滤器310，另一端连接卸荷阀322；一级减压阀321和电磁阀330之间设置有第二压力传感器323，卸荷阀322的一端连接一级减压阀321，卸荷阀322的另一端设置有快插接头组合。

通过一级减压阀321先对氢气进行减压，通过第二压力传感器323对减压后的氢气压力进行检测，当减压后的氢气压力大于电堆所需压力时，即超过卸荷阀322标定压力时，卸荷阀322启动，对氢气出口模块300内的氢气进行泄压，当加压后的氢气压力为电堆所需压力时，卸荷阀322不启动；当需要对供氢系统做氢气置换或放散系统内的氢气时，需要连接快插接头和一条长PU管，将氢气排放出口引至空旷的、没有烟火的地方，然后，通过手动旋转开启放散阀，进行氢气排放。

在本实施例中，当储氢模块100内的压力大于电堆所需压力，一次减压无法满足减压要求时，可以在管路上再连接二级减压阀，甚至连接三级减压阀，进行多级减压，通过卸荷阀322保证排出的氢气压力不大于电堆所需压力即可。

在本实施例中，第二压力传感器323为中压压力传感器，其所检测的压力信号低于第一压力传感器240所需检测的压力信号。

在本实施例中，通过一级减压阀321进行减压时，有目的性排放的氢气通过快插接头后的排空口排出；卸荷阀322在泄压时排出的氢气，通过另一处排空口排出。

直接将氢气排出，一可能造成氢气聚集，引发安全事故，因此，在本实施例中，在排空口处设置有快插接头组合，方便连接PU管后将气体排放到空旷的、没有烟火的地方；二会造成氢气的浪费，因此，在本实施例中，在排空口处设置有快插接头组合，使其与回收容器连接，能够将排出的氢气进行回收再利用。

优选的实施方式中，氢气出口模块还包括放散阀，放散阀的一端连接在减压阀组合，放散阀的另一端设置有快插接头组合；电磁阀的一端连接在减压阀组合，电磁阀的另一端用于连接在燃料电池系统。

当经过减压阀组合320进行减压后的氢气压力依然大于电堆所需压力时，即超过卸荷阀322标定压力时，卸荷阀322自动开启，将一部分高压氢气排出，实现氢气管路降压，保证进入电堆口的压力不大于电堆所需压力，进而保证电池能够正常进行化学反应的同时，不会破坏燃料电池质子交换膜和双极板、不会缩短燃料电池的寿命。

在本实施例中，放散阀340排出的氢气通过快插接头组合引至空旷场地排放或进入回收容器中，进行回收利用。

在本实施例中，快插接头组合包括公接头和母接头，在不需要排气的情况下，放散阀340上只连接母接头，当需要排放氢气时，使母接头与回收容器上设置的公接头进行匹配连接后，打开放散阀340即可。

优选的，储氢模块100的数量为多个。

在本实施例中，储氢模块100的数量，可以根据不同的燃料汽车进行设置，其通过串联或并联的设置方式，实现燃料的充分供应。

具体的，在本实施例中，如图2所示，储氢模块100包括支架、储氢瓶110和固定装置；储氢瓶110通过固定装置设置在支架上。

更具体的，通过固定装置将储氢瓶110固定在支架上，再通过将支架安装在燃料汽车的指定位置即可。

在本实施例中，支架为框架结构，其既能够实现对储氢瓶110进行安装固定，又便于对储氢瓶110进行安装和检修维护。

在本实施例中，固定装置为绑带。

具体的，绑带为弹簧钢或结构钢制作，绑带内侧加装橡胶条作为缓冲垫，用于保护储氢瓶110，防止储氢瓶110被划伤和损坏。

通过对储氢模块100进行标准设计，采用了单元化支架的结构形式，支架亦可以作为标准件进行批量生产。此时的储氢模块100可以作为基本单元，根据用户车辆的储氢量需求，按照用户提出的瓶的数量和布置方式的要求，可以选择相应数量储氢模块100进行快速组合装配。

储氢模块100之间用螺栓连接，或用其他结构稳定的连接方式，确保整体的稳定性和强度。各储氢模块100之间的瓶阀130用高压不锈钢管和卡套接头顺次首尾相接，末瓶进口用堵头120封堵，储氢模块100的进气侧与氢气进口模块200连接，储氢模块100的出气侧与氢气出口模块300连接。

具体的，在本实施例中，储氢瓶110连接在瓶阀130上，再将多个瓶阀130串联，形成多个储氢模块100的连接，这样的设置，既保证了储氢瓶110的独立性，又增加了燃料电池汽车的储氢量。

由上述可以看出，本发明至少具有如下优点：

1、与采用整体式支架相比，为了满足用户的差异化需求，需要频繁进行支架的非标设计，设计成本高，质量控制难，厂家协作配合难度大，生产制造成本高，尤其是大型工件表面处理和运输成本高，过程中造成很多人力成本和制作成本的浪费。本发明提供的车载供氢系统，可以完全避免上述问题，标准的支架通过装配可以满足用户的多样性的需求。

2、通过单元化的储氢模块100的标准化设计，车辆在使用过程中，如果其中某一单元出现问题，可以快速更换故障单元，对其他单元不造成任何影响，同时，由于采用了标准化的设计，厂家也可以快速供应所需要的备件，产品的维护和部件的互换性非常好。

3、由于将车载供氢系统分为独立的三部分功能，各部分管路独立设计和安装，避免了相互之间的交叉和干涉，管路制作更加简单和高效，标准化的管路布置可以确保批量产品成品的一致性。

4、三个单元各自具有独立的功能，根据车辆布置的实际需要，可以集中布置在一起，也可以根据需求分别布置在车辆的不同部位，优化车辆空间布局，为车辆的设计带来了非常大的灵活性。

本发明还提供了一种燃料电池汽车，其包括上述任一项所述的车载供氢系统。

本发明的有益效果是：

将储氢瓶110及其连接的各个部件进行模块化处理，形成储氢模块100、氢气进口模块200和氢气出口模块300，通过模块化连接，实现快速拼装，提高了安装效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车载供氢系统，其特征在于，包括储氢模块、氢气进口模块和氢气出口模块；

所述氢气进口模块和所述氢气出口模块均与所述储氢模块连通，且所述储氢模块与所述氢气进口模块之间为模块化连接，所述储氢模块与所述氢气出口模块之间进行模块化连接；

所述模块化连接包括同一标准的插接、卡接、螺栓连接和卡套连接中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的车载供氢系统，其特征在于，所述氢气进口模块包括加氢口、第一单向阀、第二单向阀、压力表和第一压力传感器；

所述第一单向阀设置在所述加氢口内；所述压力表和所述第一压力传感器设置在所述单向阀与所述储氢模块之间的连通管路上。

3.根据权利要求2所述的车载供氢系统，其特征在于，氢气进口模块还包括第二单向阀，所述第一单向阀和所述第二单向阀串联。

4.根据权利要求1所述的车载供氢系统，其特征在于，所述氢气出口模块包括过滤器、减压阀组合和电磁阀；

所述过滤器、所述减压阀组合和所述电磁阀依次串联设置。

5.根据权利要求4所述的车载供氢系统，其特征在于，所述减压阀组合包括一级减压阀、卸荷阀和第二压力传感器；

所述一级减压阀的一端连接所述过滤器，另一端连接所述卸荷阀；

所述一级减压阀和所述电磁阀之间设置有所述第二压力传感器；

所述卸荷阀的一端连接所述一级减压阀，所述卸荷阀的另一端设置有快插接头组合。

6.根据权利要求4所述的车载供氢系统，其特征在于，所述氢气出口模块还包括放散阀，所述放散阀的一端连接所述减压阀组合和所述电磁阀之间，所述放散阀的另一端设置有快插接头组合；所述电磁阀的一端连接所述减压阀组合，所述电磁阀的另一端用于连接燃料电池系统。

7.根据权利要求1所述的车载供氢系统，其特征在于，所述储氢模块的数量为多个。

8.根据权利要求1所述的车载供氢系统，其特征在于，所述储氢模块包括支架、储氢瓶和固定装置；所述储氢瓶通过固定装置设置在所述支架上。

9.根据权利要求8所述的车载供氢系统，其特征在于，所述固定装置与所述储氢瓶之间设有缓冲垫。

10.一种燃料电池汽车，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的车载供氢系统。

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