KR20240015770A - 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치 - Google Patents

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KR20240015770A
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고민환
박한나
신동수
이승호
김태현
이윤아
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치는 연료전지 스택의 일측면에 고정되고, 연료전지 스택의 단위 셀 적층 방향으로 연장되는 슬라이딩 홈이 상기 단위 셀 적층 방향과 나란한 복수의 열을 따라 교대로 엇갈리게 형성된 가이드레일; 상기 슬라이딩 홈 내에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 슬라이딩 돌기와 상기 단위 셀에 전기적으로 접속하는 접속단자가 형성된 핀 블록; 및 상기 핀 블록을 가이드레일에 위치 고정하는 체결부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 스택용 셀 전압 측정장치{Cell voltage measuring device for fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접속단자가 마련된 핀 블록이 가이드레일 상에 복수 마련된 슬라이딩 홈 내에서 각각 이동할 수 있도록 함으로써, 단위 셀의 적층 간격이 변경되는 경우에도 접속단자와 단위 셀의 원활한 접속을 제공할 수 있는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치에 관한 것이다.
고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 혹은 양자교환 막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 가지는 장점이 있다.
연료전지 스택의 구성은 다음과 같다. 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막 전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 막 전극 접합체는 수소 양자(Proton)를 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질 막과, 이 전해질 막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.
또한 막 전극 접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되고, 가스확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 배열하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
고분자 전해질 막 연료전지의 작동원리를 살펴보면, 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극 접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되는데, 산화극인 애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분리되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온 교환 막인 전해질 막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체 확산층과 분리판, 외부도선을 통해 캐소드로 전달된다. 이때 일어나는 외부도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
환원극인 캐소드에서는 전해질 막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 산소와 만나서 열과 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이러한 단위 셀은 운전시 낮은 전압(통상 1V 이하)을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하게 된다.
연료전지 스택의 운전 중 단위 셀이 정상적으로 작동한다면, 단위 셀은 정해진 볼트의 전압을 형성할 수 있다. 이때, 수 백장의 셀 중 한 셀이라도 정상적인 성능을 발현하지 못할 경우, 연료전지 스택의 전체 출력 저하가 생기고 이러한 역전압 현상이 지속되면 연료전지 스택의 운전을 중단해야만 한다.
이러한 문제 해결을 위해, 종래에는 특허문헌 1(공개특허 10-2017-0100116)과 같은 연료전지 CVM(Cell Voltage Monitoring)장치를 이용해 셀의 상태를 체크하고, 셀의 전압을 지속적으로 모니터링한다. 이러한 CVM 장치는 셀 모니터링 커넥터를 이용해 연료전지 스택의 각 단위 셀의 전압을 체크하기 위해 셀에 전기적으로 접촉할 수 있다.
단위 셀은 제조 과정에서 두께 편차가 발생할 수 있으며, 편차가 허용 기준 내라면 정상적인 단위 셀로 판정된다. 이에 따라, 복수의 단위 셀을 적층하여 연료전지 스택을 제조할 때, 각각의 단위 셀은 정상이라 하여도 수백 장의 단위 셀이 적층되는 과정에서 편차가 누적되면 연료전지 스택의 전체 길이는 허용 오차를 벗어날 수 있다.
그런데, 종래의 셀 모니터링 커넥터는 일정한 간격으로 이격된 다수의 접속단자가 마련된 형태로 제공되므로, 상기와 같이 단위 셀의 편차 누적에 의해 연료전지 스택의 전체 길이가 허용 오차를 벗어나는 경우에는, 셀 모니터링 커넥터에 마련된 전체 접속단자 중 일부 접속단자가 측정 대상이 되는 셀에 전기적으로 접속하지 못하게 되는 문제점이 있다.
공개특허 10-2017-0100116
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 접속단자가 마련된 핀 블록이 가이드레일 상에 복수 마련된 슬라이딩 홈 내에서 각각 이동할 수 있도록 함으로써, 단위 셀의 적층 간격이 변경되는 경우에도 접속단자와 단위 셀의 원활한 접속을 제공할 수 있는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료전지 스택의 일측면에 고정되고, 연료전지 스택의 단위 셀 적층 방향으로 연장되는 슬라이딩 홈이 상기 단위 셀 적층 방향과 나란한 복수의 열을 따라 교대로 엇갈리게 형성된 가이드레일; 상기 슬라이딩 홈 내에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 슬라이딩 돌기와 상기 단위 셀에 전기적으로 접속하는 접속단자가 형성된 핀 블록; 및 상기 핀 블록을 가이드레일에 위치 고정하는 체결부재를 포함하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 가이드레일의 슬라이딩 홈 양측에는 체결공이 형성되고, 상기 핀 블록의 상기 체결공에 대응하는 위치에는 상기 슬라이딩 돌기의 이동범위 내에서 상기 체결공과 연통하는 장공이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 체결부재는 상기 장공을 통해 삽입되고 핀 블록을 지지한 상태로 상기 체결공에 나사 결합되는 볼트 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 핀 블록의 접속단자는 복수 개로 이루어지고, 복수 개의 상기 접속단자의 이격 간격은 단위 셀의 적층 간격에 대응하도록 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 엇갈리게 배치된 인접한 한 쌍의 슬라이딩 홈의 적층 방향 이격 간격은, 상기 접속단자의 이격 간격과 상기 핀 블록에 형성된 접속단자의 개수를 곱한 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접속단자는 상기 단위 셀에 밀착하는 방향으로 탄성 지지되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 접속단자가 마련된 핀 블록이 가이드레일 상에 복수 마련된 슬라이딩 홈 내에서 각각 이동할 수 있도록 함으로써, 단위 셀의 적층 간격이 변경되는 경우에도 접속단자와 단위 셀의 원활한 접속을 제공할 수 있는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치가 제공된다.
도 1은 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 사시도,
도 2는 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 분해사시도,
도 3은 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 정면도,
도 4는 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 측단면도,
도 5는 도 4의 A-A'선 단면도,
도 6은 도 4의 B-B'선 단면도이고,
도 7은 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치를 단위 셀 적층 간격이 서로 다른 연료전지 스택에 적용한 상태를 나타낸 도면이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치에 대하여 상세하게 설명한다.
첨부도면 중 도 1은 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 사시도, 도 2는 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 정면도, 도 4는 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 측단면도, 도 5는 도 4의 A-A'선 단면도, 도 6은 도 4의 B-B'선 단면도이다.
상기 도면에 도시된 바와 같은 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치는 가이드레일(110), 핀 블록(120) 및 체결부재(130)를 포함한다.
상기 가이드레일(110)은 단위 셀(11)의 전압을 측정하기 위한 다수의 접속단자(122)를 지지하기 위한 구성으로서, 연료전지 스택(10)의 일측면에 단위 셀(11)의 적층 방향을 따라 배치된 상태에서 양단부가 연료전지 스택(10)의 양단에 위치한 엔드플레이트(12)에 고정될 수 있다.
이러한 가이드레일(110)에는 상기 단위 셀(11)의 적층 방향을 따라 연장되는 다수의 슬라이딩 홈(111)이 상기 단위 셀(11)의 적층 방향과 나란한 복수의 열을 따라 서로 엇갈리는 형태로 배치되고, 상기 다수의 슬라이딩 홈(111)의 양측에는 체결공(112)이 각각 형성된다.
본 실시예에서는 상기 슬라이딩 홈(111)을 두 개의 열을 따라 서로 엇갈리는 형태로 배치한 것을 예로 들어 설명하였으나 이에 제한하는 것은 아니며, 필요에 따라 두 개 이상의 열을 따라 서로 엇갈리는 형태로 배치하는 것도 가능할 것이다.
상기 핀 블록(120)은 상기 가이드레일(110)에 바깥쪽 면에 지지되는 것으로, 상기 가이드레일(110)과 마주하는 면에는 상기 슬라이딩 홈(111) 내에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 슬라이딩 돌기(121)가 형성되고, 상기 슬라이딩 돌기(121)의 상기 단위 셀(11)과 마주하는 면에는 상기 단위 셀(11)에 전기적으로 접속할 수 있는 접속단자(122)가 형성된다.
상기 접속단자(122)는 핀 블록(120)의 크기에 따라 복수 마련될 수 있으며, 복수의 접속단자(122)는 상기 단위 셀(11)의 표준 적층 간격에 대응하는 간격으로 이격 배치된다. 한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 접속단자(122)는 단위 셀(11)과의 전기적인 접점을 안정적으로 유지하기 위해 핀 블록(120)으로부터 상기 단위 셀(11)에 밀착하는 방향으로 탄성 지지될 수 있다. 예컨대, 상기 접속단자(122)는 스프링에 의해 탄성 지지되는 등 다양한 방식으로 탄성 지지될 수 있을 것이다.
아울러, 본 실시예의 도면에서는 핀 블록(120)에 5개의 접속단자(122)가 마련되는 것으로 도시하였으나 이에 제한하는 것은 아니며, 상기 단위 셀(11)의 적층 방향 누적 편차에도 불구하고 다수의 접속단자(122)가 원활하게 접속할 수 있는 개수로 설정되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 핀 블록(120)의 상기 체결공(112)에 대응하는 위치에는 핀 블록(120)의 슬라이딩 방향을 따라 연장되는 장공(123)이 형성될 수 있으며, 이러한 장공(123)의 길이는 상기 슬라이딩 돌기(121)의 이동범위 내에서 상기 체결공(112)과 연통하도록 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 핀 블록(120)에 마련되는 다수의 접속단자(122)들의 상호 이격 간격은 단위 셀(11)의 표준 적층 간격에 대응하도록 설정되고, 상기 가이드레일(110) 상에서 서로 엇갈리게 배치된 한 쌍의 슬라이딩 홈(111)의 상기 단위 셀(11)의 적층 방향에 대한 이격 간격은 상기 핀 블록(120)에 마련된 접속단자(122)의 개수에 대응하는 단위 셀(11)의 개수만큼 이격되도록 설정된다. 예컨대, 인접한 한 쌍의 단위 셀(11) 간의 간격은 3.3mm로 설정되고, 상기 핀 블록(120)에는 5개의 접속단자(122)가 마련되는 경우, 상기 슬라이딩 홈(111)의 배치 간격은 16.5mm로 설정될 수 있다. 이에 따라, 다수의 슬라이딩 홈(111) 내에 각각 배치되는 핀 블록(120)들이 슬라이딩 홈(111) 내의 일정한 위치에 배치된 상태에서는 핀 블록(120)의 접속단자(122)가 표준 간격으로 적층된 상태의 단위 셀(11)에 각각 접속할 수 있다.
상기 체결부재(130)는 상기 핀 블록(120)을 가이드레일(110)에 위치 고정하기 위한 것으로서, 상기 체결부재(130)는 상기 장공(123)을 통해 삽입되고, 후단부에 마련된 헤드부가 핀 블록(120)을 지지한 상태로 체결공(112)에 나사 결합되는 볼트의 형태로 이루어질 수 있다.
지금부터는 상술한 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 가이드레일(110)은 연료전지 스택(10)의 일측에서 단위 셀(11)의 적층 방향을 따라 배치된 상태에서 연료전지 스택(10)에 고정되고, 상기 가이드레일(110)상에서 단위 셀(11) 적층 방향과 나란한 복수의 열을 따라 교대로 엇갈리게 형성된 다수의 슬라이딩 홈(111)에는 핀 블록(120)이 각각 삽입된다.
구체적으로, 핀 블록(120)은 도 5의 (a)와 같이 상기 가이드레일(110)과의 마주하는 면에 형성된 슬라이딩 돌기(121)가 상기 슬라이딩 홈(111) 내에 삽입되는데, 상기 슬라이딩 돌기(121)의 길이가 슬라이딩 홈(111)에 비해 짧게 설정되므로, 슬라이딩 홈(111) 내에서 단위 셀(11) 적층 방향과 나란한 방향으로 슬라이딩할 수 있다. 이에 따라, 핀 블록(120)은 도 5의 (b)와 같이 복수의 접속단자(122)가 슬라이딩 홈(111) 내에서 측정 대상이 되는 단위 셀(11')과 전기적으로 접속할 수 있는 위치로 이동할 수 있게 된다.
체결부재(130)는 도 6과 같이 핀 블록(120)의 장공(123)을 통해 삽입되는 체결부재(130)가 핀 블록(120)을 지지한 상태로 가이드레일(110)의 체결공(112)에 나사 결합됨에 따라, 접속단자(122)가 측정 대상의 단위 셀(11)에 접촉한 상태로 이동한 핀 블록(120)의 위치를 견고하게 고정할 수 있다.
여기서, 상기 핀 블록(120)의 장공(123)은 상기 핀 블록(120)의 이동범위 내에서 상기 체결공(112)과 연통할 수 있도록 형성되는 것이므로, 체결부재(130)가 체결공(112)에 임시 체결되어 핀 블록(120)을 충분히 가압하지 않은 상태에서는 핀 블록(120)의 이동이 가능하며, 핀 블록(120)의 위치 선정이 완료된 이후에 체결부재(130)를 완전히 체결하여 핀 블록(120)을 가이드레일(110) 측으로 강하게 밀착시켜 핀 블록(120)의 위치를 고정할 수 있다.
한편, 상기 체결부재(130)는 핀 블록(120)을 가이드레일(110)에 고정한 상태에서 외부 충격이나 진동에 의해 핀 블록(120)의 고정 위치가 임의로 변경되지 않을 수 있는 체결력을 제공하는 것이 바람직하다. 아울러, 핀 블록(120)의 고정 위치가 임의로 변경되는 것을 더욱 효과적으로 방지하기 위해, 상기 가이드레일(110)과 핀 블록(120)의 서로 마주하는 면을 소정의 표면 거칠기를 갖도록 가공하거나, 밀착 상태에서 서로 맞물릴 수 있는 요철부를 형성하는 것도 가능할 것이다.
첨부도면 중, 도 7은 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치를 단위 셀 적층 간격이 서로 다른 연료전지 스택에 적용한 상태를 나타낸 도면이다.
도 7의 (a), (b) 및 (c)에 도시된 연료전지 스택(10)은 동일한 개수의 단위 셀(11)이 적층 구성된 것으로서, 도 7의 (a)는 본 발명 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치를 다수의 단위 셀(11)이 표준 적층 간격으로 적층된 연료전지 스택(10)에 적용한 상태를 나타낸 것이고, 도 7의 (b)는 다수의 단위 셀(11)이 도 7의 (a)에 비해 짧은 적층 간격으로 적층된 연료전지 스택(10)에 적용한 상태, 도 7의 (c)는 다수의 단위 셀(11)이 도 7의 (a)에 비해 확장된 배치 간격으로 적층된 연료전지 스택(10)에 적용한 상태를 나타낸 것이다.
핀 블록(120)은 가이드레일(110) 상에 지그재그 형태로 배치된 슬라이딩 홈(111)에는 각각 슬라이딩 가능한 상태로 삽입되고, 상기 슬라이딩 홈(111) 내에서 측정 대상이 되는 단위 셀(11)에 대응하는 위치로 이동할 수 있다.
이러한 상태에서, 도 7의 (a)와 같이 다수의 단위 셀(11)이 표준 적층 간격으로 적층된 경우, 다수의 슬라이딩 홈(111) 내에 각각 삽입된 핀 블록(120)들은, 접속단자(122)가 측정 대상이 되는 단위 셀(11)에 각각 접속한 상태에서, 대략적으로 슬라이딩 홈(111)의 중앙에 위치하게 된다.
한편, 도 7의 (b)와 같이 다수의 단위 셀(11)이 표준 적층 간격에 비해 상대적으로 좁은 간격으로 적층된 경우에는, 핀 블록(120)에 마련된 접속단자(122)들이 측정 대상이 되는 단위 셀(11)에 각각 전기적으로 접속하기 위해, 가이드레일(110)의 중앙으로부터 단부로 진행할 수록 핀 블록(120)이 슬라이딩 홈(111)의 내측 단부(가이드레일(110)의 중앙을 향하는 단부)와 가깝게 배치된다.
반대로, 도 7의 (c)와 같이 다수의 단위 셀(11)이 표준 적층 간격에 비해 상대적으로 확장된 간격으로 적층된 경우에는, 가이드레일(110)의 중앙으로부터 단부로 진행할 수록 핀 블록(120)이 슬라이딩 홈(111)의 내측 단부로부터 멀게 배치된다.
상기와 같이, 본 실시예에 따르면, 가이드레일(110) 상에 복수의 슬라이딩 홈(111)이 복수의 열을 따라 교대로 엇갈리게 배치되고, 접속단자(122)가 마련된 핀 블록(120)이 슬라이딩 홈(111) 내에 각각 삽입된 상태에서 측정 대상이 되는 단위 셀(11)에 대응하는 위치로 이동할 수 있으므로, 단위 셀(11)의 적층 간격이 변경되는 경우에도 접속단자(122)와 단위 셀(11) 간의 원활한 접속을 제공할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110:가이드레일, 111:슬라이딩 홈, 112:체결공,
120:핀 블록, 121:슬라이딩 돌기, 122:접속단자,
123:장공, 130:체결부재, 10:연료전지 스택,
11:단위 셀, 12:엔드플레이트

Claims (6)

  1. 연료전지 스택의 일측면에 고정되고, 연료전지 스택의 단위 셀 적층 방향으로 연장되는 슬라이딩 홈이 상기 단위 셀 적층 방향과 나란한 복수의 열을 따라 교대로 엇갈리게 형성된 가이드레일;
    상기 슬라이딩 홈 내에 슬라이딩 가능하게 삽입되는 슬라이딩 돌기와 상기 단위 셀에 전기적으로 접속하는 접속단자가 형성된 핀 블록; 및
    상기 핀 블록을 가이드레일에 위치 고정하는 체결부재를 포함하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가이드레일의 슬라이딩 홈 양측에는 체결공이 형성되고,
    상기 핀 블록의 상기 체결공에 대응하는 위치에는 상기 슬라이딩 돌기의 이동범위 내에서 상기 체결공과 연통하는 장공이 형성되는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 체결부재는 상기 장공을 통해 삽입되고 핀 블록을 지지한 상태로 상기 체결공에 나사 결합되는 볼트 형태로 이루어지는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 핀 블록의 접속단자는 복수 개로 이루어지고, 복수 개의 상기 접속단자의 이격 간격은 단위 셀의 적층 간격에 대응하도록 설정되는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    엇갈리게 배치된 인접한 한 쌍의 슬라이딩 홈의 적층 방향 이격 간격은, 상기 접속단자의 이격 간격과 상기 핀 블록에 형성된 접속단자의 개수를 곱한 값으로 설정되는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 접속단자는 상기 단위 셀에 밀착하는 방향으로 탄성 지지되는 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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