JP2006140166A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックの各セルの情報（電圧または温度の情報）をモニタするための燃料電池セルモニタ装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell monitoring apparatus for monitoring information (voltage or temperature information) of each cell of a fuel cell stack.
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
各セル毎に、または複数のセル毎に、セルで正常な発電が行われていることを確認するとともに、セル電圧に基づいて反応ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の場合にモータにガードをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開平９−２８３１６６号公報は、セル電圧をモニタするために、各セルのセパレータに形成した穴に、１本１本モニタピン端子を差しこむ端子取付け構造を提案している。
In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen, hydrogen ions and electrons (adjacent to the cathode side). The electrons produced at the anode of the MEA come through the separator) to produce water.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
Since heat is generated in the water generation reaction at the cathode, a flow path through which a cooling medium (usually cooling water) flows is formed between the separators for each cell or for each of a plurality of cells. It is cooling.
Confirm that normal power generation is performed in each cell or every multiple cells, control the flow rate of the reaction gas based on the cell voltage, and guard the motor in case of abnormal voltage In order to apply, the cell voltage is monitored.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-283166 proposes a terminal mounting structure in which one monitor pin terminal is inserted into a hole formed in a separator of each cell in order to monitor a cell voltage.
しかし、従来の燃料電池のモニタピン端子取付け構造では、各セルのセパレータにモニタピン端子を１本１本装着していかなければならないので、
（ｉ） モニタピン端子装着の作業性が悪い、
（ii） モニタピン端子のセパレータへの固定が不確実である、
等の問題がある。
本発明の目的は、端子のセルへの装着の作業性を改善でき、端子のセルへの固定を従来より確実化できる燃料電池セルモニタ装置を提供することにある。
However, in the conventional fuel cell monitor pin terminal mounting structure, it is necessary to attach each monitor pin terminal to each cell separator.
(I) The workability of mounting the monitor pin terminal is poor.
(Ii) The fixing of the monitor pin terminal to the separator is uncertain.
There are problems such as.
An object of the present invention is to provide a fuel cell monitoring device that can improve the workability of mounting a terminal on a cell and can ensure the fixing of the terminal to the cell.
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 燃料電池スタックのセルの情報を測定するモニタ手段の測定端子を複数セル分まとめて支持する支持プレートを備えた燃料電池セルモニタ装置であって、前記支持プレートがくし歯状である燃料電池セルモニタ装置。
（２） 燃料電池のセルでの電圧を測定するためのモニタ手段の端子をメタルセパレータに突出させて設け、該端子が挿入される凹部を、複数セル分まとめて、くし歯状の支持プレートに形成した燃料電池セルモニタ装置。
（３） くし歯状の支持プレートに形成したそれぞれの前記凹部は互いに相対変位可能である（２）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（４） 前記支持プレートのくし歯は燃料電池スタックのセル積層方向に並んでいる（１）または（２）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（５） 前記モニタ手段はセルの電圧または温度の情報を測定する手段である（１）または（２）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（６） 前記支持プレートの各くし歯が各端子を支持する（１）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（７） 前記支持プレートは、燃料電池スタックのセル積層方向を水平にした場合の燃料電池スタックの上面に、平行にかつ該上面と間隔をもって、配置されている（１）または（２）記載の燃料電池セルモニタ装置。
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A fuel cell monitor device comprising a support plate for supporting a plurality of measurement terminals of a monitoring means for measuring information of cells of a fuel cell stack, wherein the support plate has a comb-tooth shape. apparatus.
(2) The terminal of the monitoring means for measuring the voltage at the cell of the fuel cell is provided so as to protrude from the metal separator, and the recess into which the terminal is inserted is gathered into a plurality of cells, and is attached to the comb-like support plate. The formed fuel cell monitoring device.
(3) The fuel cell monitoring device according to (2), wherein the recesses formed on the comb-shaped support plate can be displaced relative to each other.
( 4 ) The fuel cell monitor apparatus according to (1) or (2 ), wherein the comb teeth of the support plate are arranged in the cell stacking direction of the fuel cell stack.
( 5 ) The fuel cell monitoring apparatus according to (1) or (2 ), wherein the monitoring means is means for measuring cell voltage or temperature information.
( 6 ) The fuel cell monitoring device according to (1), wherein each comb tooth of the support plate supports each terminal.
(7) the support plate, the upper surface of the fuel cell stack in the case of a horizontal cell stacking direction of the fuel cell stack, parallel and with the upper surface and spacing, are disposed (1) or (2) according Fuel cell monitoring device .
上記（１）−（７）の燃料電池セルモニタ装置では、端子または凹部を、複数セル分まとめて、支持プレートに装着または形成したので、端子を１本１本セパレータに取付けていた従来に比べて、端子のセパレータへの取付けの作業性が向上する。また、同じ支持プレートを介して一体化した端子または凹部のうち１本がセパレータから抜け外れそうになっても、同じ支持プレートの残りの端子または凹部がセパレータに確実に固定されていれば、その支持プレートの端子または凹部がセパレータから抜け外れることはないので、端子または凹部のセルへの固定が従来より確実となる。 In the fuel cell monitoring apparatus according to the above (1) to (7), since the terminals or the concave portions are collectively mounted on or formed on the support plate for a plurality of cells, compared with the conventional case where the terminals are attached to the separator one by one. The workability of attaching the terminal to the separator is improved. In addition, even if one of the terminals or recesses integrated through the same support plate is likely to come off from the separator, if the remaining terminals or recesses of the same support plate are securely fixed to the separator, since terminals or recesses of the support plate will not come off exit the separator, stationary to a cell terminal or recess is ensured conventionally.
以下に、本発明の燃料電池セルモニタ装置を図１〜図４を参照して、説明する。
本発明の燃料電池セルモニタ装置が取付けられてセル情報がモニタされる燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
Hereinafter, the fuel cell monitoring device of the present invention will be described with reference to FIGS.
The fuel cell to which the cell information is monitored by attaching the fuel cell monitoring device of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 of the present invention is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図３、図４に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック（燃料電池スタック）２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５で固定したものからなる。 As shown in FIGS. 3 and 4, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, and an electrode 14 made up of a catalyst layer 12 and a diffusion layer 13 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11. (Anode, fuel electrode) and a membrane-electrode assembly (MEA) comprising an electrode 17 (cathode, air electrode) comprising a catalyst layer 15 and a diffusion layer 16 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11; A separator 18 that forms a fluid passage 27 for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the electrodes 14 and 17 and a cooling water passage 26 through which cooling water for cooling the fuel cell flows. The cells are stacked to form a module 19 by stacking a plurality of the cells, and the module 19 is stacked to form a module group. The stack (fuel cell stack) 23 is configured by disposing the terminal 20, the insulator 21, and the end plate 22 at both ends, and the stack 23 is clamped in the stacking direction to the stack direction of the fuel cell stack outside the stack 23. It consists of a fastening member 24 (for example, a tension plate) extending and fixed with bolts 25.
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、２つのセル毎に１つの冷却水流路２６が設けられる。
セパレータ１８は、カーボン板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。
The separator 18 partitions any one of the fuel gas and the oxidizing gas, the fuel gas and the cooling water, and the oxidizing gas and the cooling water, and forms an electrical passage through which electrons flow from the anode of the adjacent cell to the cathode.
The cooling water channel 26 is provided for each cell or for each of a plurality of cells. For example, one cooling water flow path 26 is provided for every two cells.
In the separator 18, the cooling water flow path 26 and the gas flow path 27 are formed on a carbon plate or a resin plate mixed with conductive particles to have conductivity. Or one obtained by superimposing a plurality of concave and convex metal plates forming the flow paths 26 and 27.
図１に示すように、燃料電池１０のセルでの情報（電圧または温度等の情報）を測定するために、各セル毎に、または複数のセル毎に、測定端子２８が設けられる。端子２８は、セルのセパレータ１８に対して着脱可能に取り付けられる。端子２８は、セパレータ１８に直接接触するように設けられる。
端子２８は、複数セル分まとめて、かつそれぞれの端子２８が相対変位可能に、支持プレート２９に装着される。端子２８は、導電材、たとえば銅からなり、支持プレート２８は、非導電材、たとえば、樹脂からなる。それぞれの端子２８が相対変位可能になるために、支持プレート２９は、たとえばくし歯状とされており、各くし歯２９ａに各端子２８を装着し、くし歯２９ａの弾性変形によって、端子２８同士が相対変位可能とされている。
端子２８には配線が接続されており、その配線はコンピュータに接続されており、端子２８によりモニタされたセル情報（たとえば、セル電圧）はコンピュータに送られる。支持プレート２９に支持された端子２８は一端部が直接セパレータ１８に挿入されており、セパレータ１８に挿入された端子部分と支持プレート２９に支持された端子２８との間には配線はない。
As shown in FIG. 1, in order to measure information (information such as voltage or temperature) in the cells of the fuel cell 10, a measurement terminal 28 is provided for each cell or for each of a plurality of cells. The terminal 28 is detachably attached to the cell separator 18. The terminal 28 is provided so as to be in direct contact with the separator 18.
The terminals 28 are attached to the support plate 29 so that a plurality of cells are gathered together and the terminals 28 can be relatively displaced. The terminal 28 is made of a conductive material such as copper, and the support plate 28 is made of a non-conductive material such as resin. In order for each terminal 28 to be relatively displaceable, the support plate 29 has, for example, a comb-tooth shape. Each terminal 28 is attached to each comb tooth 29a, and the terminals 28 are connected to each other by elastic deformation of the comb teeth 29a. Is capable of relative displacement.
A wiring is connected to the terminal 28, the wiring is connected to a computer, and cell information (for example, cell voltage) monitored by the terminal 28 is sent to the computer. One end of the terminal 28 supported by the support plate 29 is directly inserted into the separator 18, and there is no wiring between the terminal portion inserted into the separator 18 and the terminal 28 supported by the support plate 29.
図１はセパレータ１８がカーボン板または導電性樹脂板からなる場合のセパレータへの端子の着脱可能な取付け構造の一例を示している。図１では、セパレータ１８には、セル積層方向の側面、例えばスタックを横置きにした場合（セル積層方向を水平方向に向けて置いた場合）の上面に、該面と直交する方向（たとえば、上下方向）に延び該面に開口する端子係合穴３０（端子がピンの場合はピン穴）が形成されており、そこに端子２８が挿入、接触される。各穴３０に各端子２８が挿入される。 FIG. 1 shows an example of a structure for attaching and detaching terminals to the separator when the separator 18 is made of a carbon plate or a conductive resin plate. In FIG. 1, the separator 18 has a side surface in the cell stacking direction, for example, a top surface when the stack is placed horizontally (when the cell stacking direction is placed horizontally), and a direction perpendicular to the surface (for example, A terminal engagement hole 30 (in the case of a pin being a pin hole) extending in the vertical direction) and opening on the surface is formed, and the terminal 28 is inserted and contacted there. Each terminal 28 is inserted into each hole 30.
支持プレート２９は、セパレータ１８のセル積層方向の側面、例えばスタックを横置き（水平置き）にした場合の上面に、平行にかつ該上面と間隔をもって、配置されている。端子２８は、たとえばＬ字状のピンからなる。この場合、端子のＬ字の一辺２８ｂは支持プレート２９に取付けられ、端子のＬ字の他辺２８ａは支持プレート２９のくし歯２９ａに形成した穴２９ｂを挿通してセパレータ１８の端子係合穴３０と同方向に延び、支持プレート２９を端子２８ごとセパレータ１８に向かって移動させることにより、その支持プレート２９に取付けられている端子２８のＬ字の他辺２８ａがセパレータ１８の対応する端子係合穴３０に挿入される。 The support plate 29 is disposed in parallel with and spaced from the side surface of the separator 18 in the cell stacking direction, for example, the upper surface when the stack is placed horizontally (horizontal placement). Terminal 28 is formed of, for example, an L-shaped pin. In this case, one side 28b of the L-shape of the terminal is attached to the support plate 29, and the other side 28a of the L-shape of the terminal is inserted through the hole 29b formed in the comb tooth 29a of the support plate 29, and the terminal engagement hole of the separator 18 is inserted. 30, the support plate 29 is moved together with the terminals 28 toward the separator 18, so that the other side 28 a of the L-shape of the terminal 28 attached to the support plate 29 corresponds to the corresponding terminal engagement of the separator 18. It is inserted into the joint hole 30.
端子２８を端子係合穴３０に挿入後、各端子２８はセパレータ１８の端子係合穴３０から抜け外れ不能に固定される。この場合、端子２８が端子係合穴３０後に端子２８が接着材によりセパレータ１８に固定されてもよいし、またはブラケットを支持プレート２９にねじ等により固定してそのブラケットにより端子２８の一辺２８ｂをブラケットと支持プレート２９との間に挟んで端子２８を固定してもよい。 After the terminals 28 are inserted into the terminal engagement holes 30, the terminals 28 are fixed so that they cannot be removed from the terminal engagement holes 30 of the separator 18. In this case, the terminal 28 may be fixed to the separator 18 with an adhesive after the terminal 28 is engaged with the terminal engagement hole 30, or the bracket 28 is fixed to the support plate 29 with a screw or the like, and one side 28 b of the terminal 28 is fixed by the bracket. The terminal 28 may be fixed by being sandwiched between the bracket and the support plate 29.
図２に示すように、端子２８は、望ましくは、燃料電池へ装着する姿勢（支持プレート２９がセパレータ１８装着面に平行となっている姿勢）において、セル積層方向に順に、長さが短くなっている。その場合は、支持プレート２９を端子ごとセパレータ２８に向かって移動させる時、端子２８の端子係合穴３０への挿入時点が端子毎に異なり、長さが長い端子から順に、セパレータ１８の端子係合穴３０に挿入されていき、最短の端子が最後に端子係合穴３０に挿入される。 As shown in FIG. 2, the terminal 28 is desirably shorter in length in the cell stacking direction in the posture for mounting on the fuel cell (the posture in which the support plate 29 is parallel to the mounting surface of the separator 18). ing. In that case, when the support plate 29 is moved toward the separator 28 together with the terminals, the point of insertion of the terminals 28 into the terminal engagement holes 30 is different for each terminal, and the terminal engagement of the separator 18 in order from the terminal having the longer length. The shortest terminal is inserted into the terminal engaging hole 30 lastly.
セパレータがメタルからなる場合は、セパレータ側に突出する端子をセパレータに一体に設けておき、支持プレート側に端子が挿入される凹部を設けておいてもよい。
また、上記では、モニタピンが電圧測定用の端子であるが、端子以外に温度センサなどの他のモニタ手段であってもよい。
When the separator is made of metal, a terminal that protrudes toward the separator may be provided integrally with the separator, and a recess into which the terminal is inserted may be provided at the support plate side.
In the above description, the monitor pin is a voltage measurement terminal, but other monitoring means such as a temperature sensor may be used in addition to the terminal.
つぎに、本発明の作用を説明する。
本発明の燃料電池セルモニタ装置では、端子２８を、複数セル分まとめて、共通の支持プレート２９に装着したので、共通の支持プレート２９をセパレータ１８側に移動させるだけで、一挙に、その支持プレート２９に支持されている端子２８を端子係合穴３０に挿入することができ、端子を１本１本セパレータに取付けていた従来に比べて、端子２８のセパレータ１８への取付けの作業性が向上する。
Next, the operation of the present invention will be described.
In the fuel cell monitoring apparatus of the present invention, since the terminals 28 are grouped into a plurality of cells and mounted on the common support plate 29, the support plate 29 can be moved at once by simply moving the common support plate 29 to the separator 18 side. The terminal 28 supported by the terminal 29 can be inserted into the terminal engaging hole 30, and the workability of attaching the terminal 28 to the separator 18 is improved as compared with the conventional case where the terminal is attached to the separator one by one. To do.
また、それぞれの端子２８が相対変位可能なため、複数の端子２８が支持プレート２９を介して一体化（モジュール化）されているにかかわらず、セパレータの端子係合穴３０ピッチがばらついていても、端子２８を端子係合穴３０に挿入することができる。また、それぞれの端子２８が相対変位可能なため、端子係合穴３０にかかる荷重が緩和し、端子係合穴３０部位でのセパレータ１０の破損を防止できる。 In addition, since each terminal 28 is relatively displaceable, even if the plurality of terminals 28 are integrated (modularized) via the support plate 29, the pitch of the terminal engagement holes 30 of the separator varies. The terminal 28 can be inserted into the terminal engagement hole 30. Moreover, since each terminal 28 can be displaced relatively, the load applied to the terminal engagement hole 30 is relaxed, and the breakage of the separator 10 at the terminal engagement hole 30 can be prevented.
また、一体化した端子２８のうち一部のものがセパレータ１８から抜け外れそうになっても、同じ支持プレート２９の残りの端子２８がセパレータ１８または支持プレート２９に確実に固定されていれば、その支持プレート２９の端子２８がセパレータ１８から抜け外れることはないので、端子２８のセルのセパレータ１８への固定が従来より確実となる。 Further, even if some of the integrated terminals 28 are likely to come off the separator 18, if the remaining terminals 28 of the same support plate 29 are securely fixed to the separator 18 or the support plate 29, Since the terminal 28 of the support plate 29 does not come off from the separator 18, the fixing of the terminal 28 to the separator 18 of the cell is more reliable than before.
支持プレート２９がくし歯状であるため、くし歯２９ａ部位に端子２８を取付けることにより、それぞれの端子２８を、くし歯２９ａの弾性変形によって、相対変位可能とすることができる。
端子２８をＬ字状としたので、Ｌ字の一辺２８ｂを支持プレート２９の面方向に延ばすことによりその一辺２８ｂの全長でセル積層方向に延びる支持プレートに２９支持することができ、Ｌ字の他辺２８ａをセパレータ１８に形成した端子係合穴３０と同方向に延ばすことにより、端子２８を支持プレート２９ごとセパレータに近づけるだけで、Ｌ字の他辺２８ａを端子係合穴３０に挿入することができる。
Since the support plate 29 has a comb-tooth shape, each terminal 28 can be relatively displaced by elastic deformation of the comb teeth 29a by attaching the terminals 28 to the comb teeth 29a.
Since the terminal 28 is L-shaped, by extending one side 28b of the L-shape in the surface direction of the support plate 29, it is possible to support 29 on the support plate extending in the cell stacking direction over the entire length of the one side 28b. By extending the other side 28 a in the same direction as the terminal engagement hole 30 formed in the separator 18, the L side other side 28 a is inserted into the terminal engagement hole 30 only by bringing the terminal 28 close to the separator together with the support plate 29. be able to.
また、端子２８の長さが、セル積層方向に順に、短くなっているので、長い端子から順に端子係合穴３０に挿入していくことができ、同じ長さの端子を同時に端子係合穴に挿入する場合に比べて、端子係合穴３０への挿入が容易である。 In addition, since the length of the terminal 28 is shortened in order in the cell stacking direction, the terminal 28 can be inserted into the terminal engaging hole 30 in order from the long terminal. It is easier to insert into the terminal engaging hole 30 than when inserting into the terminal engaging hole 30.
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ テンションプレート
２５ ボルト
２６ 冷却水流路
２７ ガス流路
２８ 端子
２８ａ、２８ｂ Ｌ字の辺
２９ 支持プレート
２９ａ くし歯
２９ｂ 穴
３０ 端子係合穴
10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Tension plate 25 Bolt 26 Cooling water flow path 27 Gas flow path 28 Terminals 28a, 28b L-shaped side 29 Support plate 29a Comb teeth 29b Hole 30 Terminal engagement hole
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