DE102022206239A1 - Computing unit and diagnostic method for a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Recheneinheit (101) für ein Brennstoffzellensystem (100), wobei die Recheneinheit (101) dazu konfiguriert ist, von einem Wasserstoffkonzentrationssensor (113) des Brennstoffzellensystems ermittelte Messwerte zu ermitteln, einen Öffnungszustand eines Wasserablassventils (111) des Brennstoffzellensystems (100) zu ermitteln, die ermittelten Messwerte mit einem vorgegebenen Schwellenwert abzugleichen, und für den Fall, dass die ermittelten Messwerte über dem vorgegebenen Schwellenwert liegen und das Wasserablassventil (111) geöffnet ist, eine Meldung in einem Speicher (115) zu hinterlegen, gemäß derer ein Zustand eines Wasserabscheiders (109) des Brennstoffzellensystems einem Zustand entspricht, in dem sich kein Wasser in dem Wasserabscheider (109) befindet.The invention presented relates to a computing unit (101) for a fuel cell system (100), wherein the computing unit (101) is configured to determine measured values determined by a hydrogen concentration sensor (113) of the fuel cell system, an opening state of a water drain valve (111) of the fuel cell system (100 ) to determine, to compare the determined measured values with a predetermined threshold value, and in the event that the determined measured values are above the predetermined threshold value and the water drain valve (111) is open, to store a message in a memory (115), according to which State of a water separator (109) of the fuel cell system corresponds to a state in which there is no water in the water separator (109).
Description
Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Recheneinheit, ein Diagnoseverfahren und ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.The presented invention relates to a computing unit, a diagnostic method and a fuel cell system according to the appended claims.
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um, wobei Elektrizität entsteht, die einem Verbraucher, wie bspw. einem Elektromotor, zugeführt werden kann, um diesen anzutreiben.Fuel cells convert hydrogen and oxygen into water, producing electricity that can be supplied to a consumer, such as an electric motor, to power it.
Eine Brennstoffzelle besteht in der Regel aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und der dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran.A fuel cell usually consists of an anode that is supplied with hydrogen, a cathode that is supplied with air, and the polymer electrolyte membrane placed between them.
Mehrere solcher Brennstoffzellen werden in einem Brennstoffzellenstapel gestapelt, um die erzeugte elektrische Spannung zu maximieren. Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgen bzw. die abgereicherte feuchte Luft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren.Several such fuel cells are stacked in a fuel cell stack to maximize the electrical voltage generated. Within a fuel cell stack there are supply channels that supply the individual fuel cells with hydrogen and air or transport away the depleted moist air and the depleted anode exhaust gas.
Zur Separation von flüssigem Wasser vom gasförmigen Teil des Anodenabgases werden
spezielle Wasserabscheider verwendet. Neben der Abscheidefunktion hat ein Wasserabscheider auch die Aufgabe abgeschiedenes Wasser in einem Speicher zu speichern. Ist der Speicher voll, erfolgt ein Ausleiten des Wassers mittels des Öffnens eines sogenannten Drain-Ventils.To separate liquid water from the gaseous part of the anode exhaust gas
special water separators are used. In addition to the separation function, a water separator also has the task of storing separated water in a storage tank. If the storage tank is full, the water is drained out by opening a so-called drain valve.
Durch Diffusionsprozesse gelangt Stickstoff in den Anodenraum. Stickstoff stellt für die Brennstoffzelle ein Inertgas dar, reduziert die Zellspannung und somit die
Stapelspannung, was wiederum Wirkungsgradeinbußen bedeutet. Deswegen wird während eines Betriebszyklus wiederholt auch Gas aus dem Anodenraum ausgeleitet, um den Stickstoffgehalt zu reduzieren. Diese Ausleitung geschieht mit dem so genannten „Purge-Ventil“ bzw. Spülventil.Nitrogen enters the anode space through diffusion processes. Nitrogen represents an inert gas for the fuel cell, reduces the cell voltage and thus the
Stack voltage, which in turn means loss of efficiency. For this reason, gas is repeatedly discharged from the anode space during an operating cycle in order to reduce the nitrogen content. This drainage is done with the so-called “purge valve” or flushing valve.
Die Versorgung mit frischem Wasserstoff erfolgt nach dem Stand der Technik mittels
Wasserstoffdosierventilen, welche als Proportionalventil ausgeführt sein können. Die
Regelstrategie sieht vor, mit diesem Ventil den Gasdruck innerhalb des Anodenpfads,
gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck einzuregeln. Gründe für das
Nachfördern von frischem Wasserstoff können sein a) Verbrauch von H2 durch die
elektrochemische Umwandlung b) sonstige Verluste von Gasmolekülen aus dem Anodenraum durch bspw. zu langes Öffnen des sogenannten „Drain-Ventils“ bzw. Wassersabscheidungsventils, wenn nach vollständiger Wasserentleerung Gas
ausgeleitet wird sowie durch öffnen des Purge-Ventils.The supply of fresh hydrogen is carried out using state-of-the-art technology
Hydrogen metering valves, which can be designed as a proportional valve. The
The control strategy envisages using this valve to control the gas pressure within the anode path,
measured by a pressure sensor at a defined position and adjusted to a defined target pressure depending on the system operating point. Reasons for that
Additional supply of fresh hydrogen can be a) Consumption of H2 by the
electrochemical conversion b) other losses of gas molecules from the anode space due, for example, to opening the so-called “drain valve” or water separation valve for too long, if gas occurs after the water has been completely drained
is discharged and by opening the purge valve.
Systembedingt befindet sich im Abgaspfad der Kathodenluft stromabwärts der Einleitungspunkte des Purge-Ventils und des Drain-Ventils ein Wasserstoffsensor. Gelangt Anodengas in den Abgaspfad der Kathodenluft wird dies am Wasserstoffsensor detektiert.Due to the system, a hydrogen sensor is located in the exhaust gas path of the cathode air downstream of the introduction points of the purge valve and the drain valve. If anode gas gets into the exhaust gas path of the cathode air, this is detected by the hydrogen sensor.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Recheneinheit, ein Diagnoseverfahren und ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bzw. der erfindungsgemäßen Recheneinheit und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, a computing unit, a diagnostic method and a fuel cell system are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the diagnostic method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention or the computing unit according to the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention .
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein Brennstoffzellensystem effizient zu betreiben.The invention presented serves in particular to operate a fuel cell system efficiently.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Recheneinheit für ein Brennstoffzellensystem vorgestellt.According to a first aspect of the invention presented, a computing unit for a fuel cell system is therefore presented.
Die vorgestellte Recheneinheit ist dazu konfiguriert, von einem Wasserstoffkonzentrationssensor des Brennstoffzellensystems ermittelte Messwerte zu ermitteln, einen Öffnungszustand eines Wasserablassventils des Brennstoffzellensystems zu ermitteln, die ermittelten Messwerte mit einem vorgegebenen Schwellenwert abzugleichen, und für den Fall, dass die ermittelten Messwerte über dem vorgegebenen Schwellenwert liegen und das Wasserablassventil geöffnet ist, eine Meldung in einem Speicher zu hinterlegen, gemäß derer ein Zustand eines Wasserabscheiders des Brennstoffzellensystems einem Zustand entspricht, in dem sich kein Wasser in dem Wasserabscheider befindet.The presented computing unit is configured to determine measured values determined by a hydrogen concentration sensor of the fuel cell system, to determine an opening state of a water drain valve of the fuel cell system, to compare the determined measured values with a predetermined threshold value, and in the event that the determined measured values are above the predetermined threshold value and the water drain valve is opened, a message is stored in a memory according to which a state of a water separator of the fuel cell system corresponds to a state in which there is no water in the water separator.
Die vorgestellte Recheneinheit kann bspw. ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis sein. Insbesondere kann die vorgestellte Recheneinheit ein Steuergerät, bspw. ein Zentralsteuergerät eines Brennstoffzellensystems sein.The computing unit presented can be, for example, a processor, a control device or any other programmable circuit. In particular, the presented computing unit can be a control device, for example, a central control device of a fuel cell system.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass wenn ein Brennstoffzellensystem im Stationärbetrieb oder im Dynamikbetrieb betrieben wird, und dessen Wasserabscheider durch Öffnen des Drain-Ventils, d.h. des Wasserablassventils unter Ausfluss von Wasser entleert wird, Wasser über die Kathode bzw. ein Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems unerkannt aus dem Brennstoffzellensystem abtransportiert wird. Ist nach einiger Zeit allerdings alles Wasser entleert und das Drain-Ventil nicht geschlossen, entweicht Gas aus dem Anodenpfad, sodass in der Folge eine in dem Kathodensubsystem gemessene Wasserstoffkonzentration sprunghaft ansteigt. Entsprechend kann anhand der Änderung bzw. des Anstiegs der Messwerte auf einen Zustand des Wasserabscheiders geschlossen werden. Durch einen Abgleich der Messwerte mit einem vorgegebenen Schwellenwert kann eine normale Schwankung der Messwerte von einem durch Anodengas bedingten Anstieg der Messwerte unterschieden werden, sodass ein entsprechend leerer Zustand des Wasserabscheiders verlässlich erkannt werden kann.The invention presented is based on the principle that when a fuel cell system is operated in stationary operation or in dynamic operation and its water separator is emptied by opening the drain valve, i.e. the water drain valve with water flowing out, water flows through the cathode or a cathode subsystem of the fuel cell system is removed from the fuel cell system undetected. However, if after a while all the water has been emptied and the drain valve is not closed, gas escapes from the anode path, so that the hydrogen concentration measured in the cathode subsystem rises sharply. Accordingly, a conclusion can be drawn about the condition of the water separator based on the change or increase in the measured values. By comparing the measured values with a predetermined threshold value, a normal fluctuation in the measured values can be distinguished from an increase in the measured values caused by anode gas, so that a correspondingly empty state of the water separator can be reliably recognized.
Unter einem Stationärbetrieb ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit konstanter Leistung bzw. konstanten Betriebsparametern zu verstehen.In the context of the presented invention, stationary operation means operation of a fuel cell system with constant power or constant operating parameters.
Unter einem Dynamikbetrieb ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit veränderlicher Leistung bzw. veränderlichen Betriebsparametern zu verstehen.In the context of the presented invention, dynamic operation means operation of a fuel cell system with variable power or variable operating parameters.
Zum Abgleich der Messwerte mit dem Schwellenwert können bspw. durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelte Absolutwerte, insbesondere ein in einem vorgegebenen Zeitfenster ermitteltes Maximum, verwendet werden.To compare the measured values with the threshold value, absolute values determined by the hydrogen concentration sensor, in particular a maximum determined in a predetermined time window, can be used.
Bspw. kann als Schwellenwert ein Dreifaches einer Varianz, insbesondere der Standardabweichung, der Messwerte in einem vorgegebenen Zeitfenster gewählt werden.For example, three times a variance, in particular the standard deviation, of the measured values in a predetermined time window can be selected as a threshold value.
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, beim Hinterlegen der Meldung in dem Speicher ein Steuerungssignal zum Schließen des Wasserabscheiders an das Brennstoffzellensystem zu übermitteln.It can be provided that the computing unit is configured to transmit a control signal for closing the water separator to the fuel cell system when the message is stored in the memory.
Da die Meldung einen Zustand betrifft, bei dem der Wasserabscheider vollständig geleert ist, kann der Wasserabscheider wieder zum Speichern von Wasser verwendet werden, sodass dieser geschlossen werden kann.Since the message concerns a condition where the water separator is completely emptied, the water separator can be used to store water again, so it can be closed.
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Varianz in den ermittelten Messwerten mittels eines Vorverarbeitungsalgorithmus zu minimieren.It can be provided that the computing unit is configured to minimize a variance in the measured values determined using a preprocessing algorithm.
Durch Verwendung eines Vorverarbeitungsalgorithmus kann ein Einfluss von normalen Schwankungen, d.h. von Schwankungen, die nicht auf den Einfluss von Anodengas zurückzuführen sind, minimiert werden, sodass eine falsch positive Meldung verhindert wird.By using a pre-processing algorithm, the influence of normal fluctuations, i.e. fluctuations that are not due to the influence of anode gas, can be minimized, thus preventing a false positive report.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Vorverarbeitungsalgorithmus ein Modul zum Ermitteln eines gleitenden Mittelwerts und/oder ein Modul zum Filtern, insbesondere Tiefpassfiltern der Messwerte umfasst.It can further be provided that the preprocessing algorithm includes a module for determining a moving average and/or a module for filtering, in particular low-pass filtering, the measured values.
Die Bildung eines gleitenden Mittelwerts und/oder das Filtern anhand von durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Messwerten hat sich als recheneffektive und verlässliche Methode zur Minimierung der Varianz in den ermittelten Messwerten erwiesen.Creating a moving average and/or filtering based on readings determined by the hydrogen concentration sensor has proven to be a computationally effective and reliable method for minimizing the variance in the readings taken.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Vorverarbeitungsalgorithmus ein Modul zum Berechnen einer Ableitung der ermittelten Messwerte umfasst.It can further be provided that the preprocessing algorithm includes a module for calculating a derivative of the measured values determined.
Da eine Ableitung ein Maß einer Änderung eines Messsignals über die Zeit darstellt, eignet sich Abgleich eines Wertes einer Ableitung des Messsignals bzw. von durch Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Messwerten besonders als Maß zur Beurteilung ob eine Änderung durch Anodengas bedingt ist oder ob eine normale Schwankung vorliegt.Since a derivative represents a measure of a change in a measurement signal over time, comparing a value of a derivative of the measurement signal or of measured values determined by a hydrogen concentration sensor is particularly suitable as a measure for assessing whether a change is caused by anode gas or whether there is a normal fluctuation.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Vorverarbeitungsalgorithmus ein Modul zum Berechnen einer Änderungsrate der ermittelten Messwerte in einem vorgegebenen Zeitfenster umfasst.It can further be provided that the preprocessing algorithm includes a module for calculating a rate of change of the measured values determined in a predetermined time window.
Eine Änderungsrate, d.h. eine Veränderung der Messwerte pro Zeit, kann bspw. durch ein zeitabhängiges Maß, insbesondere eine Steigung eines Verlaufs von Messwerten in einem Diagramm, dass sich auf der Ordinate über die Wasserstoffkonzentration und auf der Abszisse über die Zeit aufspannt, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderungsrate über ein Integral der Messwerte über einen vorgegebenen Zeitbereich ermittelt werden. Dabei kann der Zeitbereich sich bspw. von einem Punkt, an dem Messwerte größer als eine dreifache Standardabweichung werden bis zu einem Punkt, an dem Messwerte kleiner die dreifache Standardabweichung werden, berechnet werden.A rate of change, i.e. a change in the measured values per time, can be determined, for example, by a time-dependent measure, in particular a slope of a curve of measured values in a diagram that spans the hydrogen concentration on the ordinate and over time on the abscissa. Alternatively or additionally, a rate of change can be determined via an integral of the measured values over a predetermined time range. The time range can be calculated, for example, from a point at which measured values become greater than three times the standard deviation to a point at which measured values become less than three times the standard deviation.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, ein mathematisches Modell zum Ermitteln eines Zustands des Wasserabscheiders auszuführen und das mathematische Modell anhand einer in dem Speicher hinterlegten Meldung gemäß derer ein Zustand des Wasserabscheiders des Brennstoffzellensystems einem Zustand entspricht, in dem sich kein Wasser in dem Wasserabscheider befindet, zu kalibrieren.It can further be provided that the computing unit is configured to execute a mathematical model for determining a state of the water separator and the mathematical model based on a message stored in the memory according to which a state of the water separator of the fuel cell system corresponds to a state in which there is no Calibrate the water in the water separator.
Die Verlässliche Kenntnis um den Zustand des Wasserabscheiders durch die vorgestellte Recheneinheit ermöglicht es, mathematische Modelle zum Modellieren eines Zustands des Wasserabscheiders zu kalibrieren, sodass ein jeweiliges mathematisches Modell bspw. dann auf einen Zustand leer bzw. wasserfrei gesetzt wird, wenn die Mitteilung in dem Speicher hinterlegt wird bzw. die Mitteilung einen Zeitpunkt ausweist, an dem der Wasserabscheider den Zustand wasserfrei bzw. leer angenommen hat.The reliable knowledge of the state of the water separator through the presented computing unit makes it possible to calibrate mathematical models for modeling a state of the water separator, so that a respective mathematical model is, for example, set to a state empty or water-free when the message is in the memory is deposited or the message indicates a point in time at which the water separator assumed the state of being water-free or empty.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist, eine vorgegebene Totlaufzeit von einem Zeitpunkt, an dem die Messwerte ihr Maximum erreichen, abzuziehen, um auf einen Entleerungszeitpunkt, an dem sich kein Wasser mehr in dem Wasserabscheider befindet, zu schließen, und die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist den Entleerungszeitpunkt zusammen mit der Meldung in dem Speicher zu hinterlegen.It can further be provided that the computing unit is further configured to subtract a predetermined dead time from a point in time at which the measured values reach their maximum in order to draw conclusions about an emptying point at which there is no longer any water in the water separator, and the computing unit is further configured to store the emptying time together with the message in the memory.
Ein Entleerungszeitpunkt bzw. ein Zeitpunkt, zu dem der Wasserabscheider den Zustand leer annimmt, kann mittels der Messwerte unter Kenntnis der Totzeit eines Leitungssystems verlässlich bestimmt werden.An emptying time or a time at which the water separator assumes the empty state can be reliably determined using the measured values with knowledge of the dead time of a pipe system.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein computerimplementiertes Diagnoseverfahren zum Erkennen eines Zustands eines Wasserabscheiders eines Brennstoffzellensystem.According to a second aspect, the presented invention relates to a computer-implemented diagnostic method for detecting a condition of a water separator of a fuel cell system.
Das vorgestellte Diagnoseverfahren umfasst das Betreiben des Brennstoffzellensystems in einem Stationärbetrieb, das Ermitteln eines Öffnungszustands eines Wasserablassventils des Brennstoffzellensystems, das Messen einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgaspfad eines Kathodensubsystems des Brennstoffzellensystems mittels eines Wasserstoffkonzentrationssensors, das Abgleichen der gemessenen Wasserstoffkonzentration mit einem vorgegebenen Schwellenwert, das Hinterlegen einer Meldung, dass ein Zustand des Wasserabscheiders einem Zustand entspricht, in dem sich kein Wasser in dem Wasserabscheider befindet, in einem Speicher, wenn die gemessene Wasserstoffkonzentration über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt und das Wasserablassventil geöffnet ist.The diagnostic method presented includes operating the fuel cell system in stationary operation, determining an opening state of a water drain valve of the fuel cell system, measuring a hydrogen concentration in an exhaust gas path of a cathode subsystem of the fuel cell system using a hydrogen concentration sensor, comparing the measured hydrogen concentration with a predetermined threshold value, and storing a message that a state of the water separator corresponds to a state in which there is no water in the water separator in a storage when the measured hydrogen concentration is above the predetermined threshold and the water drain valve is open.
Die vorgestellte Recheneinheit dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Diagnoseverfahrens.The computing unit presented is used in particular to carry out the diagnostic method presented.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit.According to a third aspect, the presented invention relates to a fuel cell system with a possible embodiment of the presented computing unit.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit, -
2 einen Verlauf von Zuständen des Brennstoffzellensystems gemäß1 , -
3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens.
-
1 a schematic representation of a possible embodiment of the fuel cell system presented with a possible embodiment of the computing unit presented, -
2 a progression of states of the fuel cell system1 , -
3 a possible design of the presented diagnostic procedure.
In
In
Um einen Zustand, in dem sich kein Wasser in dem Wasserabscheider 109 befindet, d.h. der Füllstand des Wasserabscheiders 109 0% ist, sicher zu erkennen, ermittelt die Recheneinheit 101 durch den Wasserstoffkonzentrationssensor 113 gemessene Messwerte bzw. den Verlauf 201.In order to reliably recognize a state in which there is no water in the
Ferner ermittelt die Recheneinheit 101 den Öffnungszustand des Wasserablassventils 111 bzw. den Verlauf 203.Furthermore, the
Für den Fall, dass der Verlauf 201 über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und das Wasserablassventil 111 geöffnet ist, wie bspw. zum Zeitpunkt T1, hinterlegt die Recheneinheit 101 eine Meldung in dem Speicher 115, gemäß derer ein Zustand eines Wasserabscheiders 109 derart ist, dass sich kein Wasser in dem Wasserabscheider 109 befindet.In the event that the
In
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