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DE102007034238A1 - Mehrkomponenten-Brennstoffzellendichtung zur Niedertemperaturabdichtung und minimalen Membranverschmutzung - Google Patents

Mehrkomponenten-Brennstoffzellendichtung zur Niedertemperaturabdichtung und minimalen Membranverschmutzung Download PDF

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Abstract

Eine Dichtung für eine Brennstoffzelle, wobei die Dichtung die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Materialien als die Dichtung aufweist. Beispielsweise ist Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und/oder dergleichen oder ein anderes chemische inerteres Dichtungsmaterial innerhalb oder an einer inneren Position angeordnet und stellt das befeuchtete Material dar, das der Brennstoffzellenbetriebsumgebung ausgesetzt ist. Silikon und/oder dergleichen oder ein anderes potenziell verschmutzendes Material mit einer besseren Abdichtbarkeit bei kalten Temperaturen ist außerhalb oder an einer äußeren Position angeordnet und kommt nicht in Kontakt mit der inneren Umgebung der Brennstoffzelle. Ein Verfahren zum Aufbau einer derartigen Dichtung würde darin bestehen, zwei parallele Wulstbahnen der Dichtungsmaterialien auf einem Polyimid(beispielsweise KAPTON<SUP>R</SUP>)-Träger oder dergleichen einzubinden.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere Brennstoffzellendichtungen, die verbesserte Charakteristiken zur Niedertemperaturabdichtung und zum Widerstand gegenüber Membranverschmutzung besitzen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typ wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die manchmal als die Gasdiffusionsmediumkomponenten bezeichnet werden und die: (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen; (2) geeignete Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten; (3) Produktwasserdampf oder flüssiges Wasser von der Elektrode an Strömungsfeldkanäle entfernen; (4) zur Wärmeabweisung wärmeleitend sind; und (5) eine mechanische Festigkeit besitzen. Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (beispielsweise einen Stapel) zu bezeichnen. Üblicherweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden gemeinsam in Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene MEA, und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement.
  • In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff), und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (einer Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Diese Membranelektrodenanordnungen sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO), umfassen.
  • Beispiele der Technologie in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen vom PEM-Typ und anderen damit in Verbindung stehenden Typen können unter Bezugnahme auf die gemeinsam übertragenen
  • U.S. Patente Nrn.3,985,578 von Witherspoon et al.; 5,272,017 von Swathirajan et al.; 5,624,769 von Li et al.; 5,776,624 von Neutzler; 6,103,409 von DiPierno Bosco et al.; 6,277,513 von Swathirajan et al.; 6,350,539 von Woods, III et al.; 6,372,376 von Fronk et al.; 6,376,111 von Mathias et al.; 6,521,381 von Vyas et al.; 6,524,736 von Sompalli et al.; 6,528,191 von Senner; 6,566,004 von Fly et al.; 6,630,260 von Forte et al.; 6,663,994 von Fly et al.; 6,740,433 von Senner; 6,777,120 von Nelson et al.; 6,793,544 von Brady et al.; 6,794,068 von Rapaport et al.; 6,811,918 von Blunk et al.; 6,824,909 von Mathias et al.; U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnrn. 2004/0229087 von Senner et al.; 2005/0026012 von O'Hara; 2005/0026018 von O'Hara et al.; und 2005/0026523 von O'Hara et al. gefunden werden, wobei die gesamten Beschreibungen von allen hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
  • Für Kraftfahrzeuganwendungen müssen PEM-Brennstoffzellen hinunter bis zu -40°C betriebsfähig bleiben. Silikon- oder Fluorsilikondichtungen können eine angemessene Abdichtung für Brennstoffzellen hinunter bis zu diesen Temperaturen vorsehen, wobei jedoch angenommen wird, dass unerwünschte Schmutzstoffe und Füllstoffe in der inneren Betriebsumgebung der Brennstoffzelle, beispielsweise durch die innere befeuchtete Oberfläche, ausgelaugt werden. Es wird angenommen, dass diese Schmutzstoffe die Katalysatoren und Protonenleitungsstellen der Membran vergiften und die Dichtung zersetzen. Andere Dichtungsmaterialien, wie EPDM, sind gegenüber der rauen Innenumgebung der PEM-Brennstoffzelle beständig und führen zu keiner Verschmutzung der Membran oder Verschlechterung der Abdichtungsqualitäten. Ein signifikanter Nachteil besteht jedoch darin, dass sich gezeigt hat, dass EPDM mit seiner höheren Glasübergangstemperatur insbesondere bei relativ kalten Temperaturen nicht so gut abdichtet.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer neuen und verbesserten Brennstoffzellendichtung, die verbesserte Charakteristiken zur Niedertemperaturabdichtung und zum Widerstand gegenüber Membranverschmutzung aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, mit: (1) einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; (2) einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; (3) einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; (4) einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement; und (5) einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei sich das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement befindet.
  • Die Brennstoffzelle weist auch ein Trägerelement auf, wobei das Trägerelement dazu dient, das erste und zweite Abdichtelement zu stützen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das Trägerelement aus einem Polyimidmaterial.
  • Das erste Abdichtelement besteht aus einem im Wesentlichen chemisch inerten Material. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das erste Abdichtelement aus einem Material, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk bzw. Gummi, Fluorelastomere und Kombinationen daraus.
  • Das zweite Abdichtelement dient dazu, eine Abdichtungsfunktion vorzusehen, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das zweite Abdichtelement aus einem Silikonmaterial. 20. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Silikonmaterial Fluorsilikon.
  • Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, mit: (1) einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; (2) einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; (3) einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; (4) einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, wobei das erste Abdichtelement aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk bzw. Gummi, Fluorelastomere und Kombinationen daraus; und (5) einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet ist, wobei das zweite Abdichtelement aus einem Silikonmaterial besteht.
  • Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, mit: (1) einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; (2) einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; (3) einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; (4) einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, wobei das erste Abdichtelement im Wesentlichen chemisch inert ist; und (5) einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet ist, wobei das zweite Abdichtelement dazu dient, eine Abdichtungsfunktion vorzusehen, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle mit einer Dichtung gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 2 eine schematische Ansicht einer alternativen Brennstoffzelle mit einer Dichtung gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung von zwei oder mehr Materialien als eine Dichtung zur Verwendung in Verbindung mit Brennstoffzellen vor.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und/oder dergleichen oder ein anderes chemisches inerteres Dichtungsmaterial in einer inneren Position angeordnet und stellt das befeuchtete Material dar, das der Brennstoffzellenbetriebsumgebung ausgesetzt ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Silikon und/oder dergleichen oder ein anderes verschmutzendes Material mit einer besseren Kaltabdichtbarkeit in einer Außenseite oder äußeren Position angeordnet und kommt nicht in Kontakt mit der Brennstoffzelleninnenumgebung.
  • Bezug nehmend auf 1 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle 10 gezeigt, die eine Dichtung 12 gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung aufweist. Ein Verfahren zum Aufbau der Dichtung 12 würde darin bestehen, zwei parallele Wulstbahnen 14 bzw. 16 der oben beschriebenen Materialien auf einem Polyimid-(beispielsweise KAPTON®)-Träger 18 einzubinden.
  • Anhand eines nicht einschränkenden Beispiels kann die innere Wulstbahn 14 aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und/oder dergleichen oder einem anderen chemisch inerteren Dichtungsmaterial bestehen, wie Kautschuk bzw. Gummi und/oder kautschuk- bzw. gummiartige Materialien, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
  • Anhand eines anderen nicht einschränkenden Beispiels kann die innere Wulstbahn 14 aus Fluorelastomeren (beispielsweise VITON®) und/oder dergleichen oder einem anderen elastomeren Polymer bestehen, das in der Brennstoffzelle chemisch inert ist.
  • Anhand eines noch weiteren nicht einschränkenden Beispiels kann die äußere Wulstbahn 16 aus Silikon und/oder dergleichen oder einem anderen verschmutzenden Material mit einer besseren Abdichtbarkeit bei kalten Temperaturen bestehen.
  • Anhand eines noch weiteren nicht einschränkenden Beispiels kann die äußere Wulstbahn 16 aus Fluorsilikonen und/oder dergleichen oder einem anderen verschmutzenden Material mit einer besseren Abdichtbarkeit bei kalten Temperaturen bestehen.
  • Mit "Abdichtbarkeit bei kalten Temperaturen", ist, da diese Formulierung hier verwendet ist, gemeint, dass eine Leckrate, ausgedrückt in Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm)/cm, nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Dichtung-(d.h. Abdichtungs-)Länge ist.
  • Andere Hauptkomponenten der Brennstoffzelle umfassen ohne Einschränkung ein erstes und zweites Bipolarplattenelement 20 bzw. 22, die beabstandet und einander entgegengesetzt sind, zwei Diffusionsmediumelemente 24 bzw. 26, die beabstandet und einander entgegengesetzt sind und benachbart den Bipolarplattenelementen 20 bzw. 22 angeordnet sind, und eine Membranelektrodenanordnung 28, wobei ein Abschnitt derselben zwischen den Diffusionsmediumelementen 24 bzw. 26 angeordnet ist.
  • Bezug nehmend auf 2 ist eine schematische Ansicht einer alternativen Brennstoffzelle 100 gezeigt, die eine Dichtung 102 gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung aufweist. In dieser Ansicht umfasst die Brennstoffzelle 100 einen zentralisierten aktiven Bereich 104, eine Anodeneinlasssammelleitung 106, eine Kathodenauslasssammelleitung 108, eine Kathodeneinlasssammelleitung 110, eine Anodenauslasssammelleitung 112 und beabstandete und einander entgegengesetzte Kühlmittelsammelleitungen 114 bzw. 116. Die Dichtung 102 umfasst Dichtungsabschnitte 118 aus Silikon (oder anderen geeigneten Materialien) und Dichtungsabschnitte 120 aus EPDM (oder anderen geeigneten Materialien), die sich um die verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle 100 erstrecken. Es sei angemerkt, dass 2 eine bestimmte mögliche Dichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und dass genauso gut andere Dichtungsanordnungen möglich sind.
  • Einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein, eine verbesserte Niedertemperaturabdichtung von PEM-Brennstoffzellen ohne Verschmutzungsgefahr, beispielsweise von Silikonschmutzstoffen, wodurch die Haltbarkeit beeinträchtigt wird.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung ab weichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem Grundgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung anzusehen.

Claims (20)

  1. Brennstoffzelle, mit: einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement; und einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei sich das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement befindet.
  2. Erfindung nach Anspruch 1, ferner mit einem Trägerelement, wobei das Trägerelement dazu dient, das erste und zweite Abdichtelement zu stützen.
  3. Erfindung nach Anspruch 2, wobei das Trägerelement aus einem Polyimidmaterial besteht.
  4. Erfindung nach Anspruch 1, wobei das erste Abdichtelement aus einem im Wesentlichen chemisch inerten Material besteht.
  5. Erfindung nach Anspruch 1, wobei das erste Abdichtelement aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk, Fluorelastomere und Kombinationen daraus.
  6. Erfindung nach Anspruch 1, wobei das zweite Abdichtelement dazu dient, eine Abdichtungsfunktion vorzusehen, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist.
  7. Erfindung nach Anspruch 1, wobei das zweite Abdichtelement aus einem Silikonmaterial besteht.
  8. Erfindung nach Anspruch 1, wobei das Silikonmaterial ein Fluorsilikon ist.
  9. Brennstoffzelle, mit: einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, wobei das erste Abdichtelement aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Kautschuk, Fluorelastomere und Kombinationen daraus; und einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet ist, wobei das zweite Abdichtelement aus einem Silikonmaterial besteht.
  10. Erfindung nach Anspruch 9, ferner mit einem Trägerelement, wobei das Trägerelement dazu dient, das erste und zweite Abdichtelement zu stützen.
  11. Erfindung nach Anspruch 10, wobei das Trägerelement aus einem Polyimidmaterial besteht.
  12. Erfindung nach Anspruch 9, wobei das erste Abdichtelement aus einem im Wesentlichen chemisch inerten Material besteht.
  13. Erfindung nach Anspruch 9, wobei das zweite Abdichtelement dazu dient, eine Abdichtungsfunktion vorzusehen, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist.
  14. Erfindung nach Anspruch 9, wobei das Silikonmaterial ein Fluorsilikon ist.
  15. Brennstoffzelle, mit: einem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, die beabstandet sind und einander gegenüberliegen; einem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement, die beabstandet sind, einander gegenüberliegen und zwischen dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet sind; einem Membranelektrodenanordnungselement, das zwischen dem ersten und zweiten Diffusionsmediumelement angeordnet ist; einem ersten Abdichtelement in einer inneren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement, wobei das erste Abdichtelement im Wesentlichen chemisch inert ist; und einem zweiten Abdichtelement benachbart dem ersten Abdichtelement, wobei das zweite Abdichtelement in einer äußeren Position relativ zu dem ersten und zweiten Bipolarplattenelement angeordnet ist, wobei das zweite Abdichtelement dazu dient, eine Abdichtungsfunktion vorzusehen, die gleichwertig zu einer Leckrate von nicht größer als 0,01 Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter linearer Abdichtungslänge ist.
  16. Erfindung nach Anspruch 15, ferner mit einem Trägerelement, wobei das Trägerelement dazu dient, das erste und zweite Abdichtelement zu stützen.
  17. Erfindung nach Anspruch 16, wobei das Trägerelement aus einem Polyimidmaterial besteht.
  18. Erfindung nach Anspruch 15, wobei das erste Abdichtelement aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethylen-Propylen-Dien- Monomer, Kautschuk, Fluorelastomere und Kombinationen daraus; und
  19. Erfindung nach Anspruch 15, wobei das zweite Abdichtelement aus einem Silikonmaterial besteht.
  20. Erfindung nach Anspruch 19, wobei das Silikonmaterial ein Fluorsilikon ist.
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