AT524946A4 - Diagnostic method for a damage diagnosis when operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: ‐ Empfangen eines Betriebsstopp-Signals (BSS) für einen Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems (100), ‐ Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt (130) des Brennstoffzellenstapels (110), ‐ Vorgabe eines Entladestroms (IE) zum Entladen des Brennstoffzellenstapels (110), ‐ Überwachen einer Zellspannung (UZ) am Brennstoffzellenstapel (110), ‐ Beenden der Vorgabe des Entladestroms (IE) bei Erreichen einer Diagnose-Startspannung (UDS) am Brennstoffzellenstapel (110), ‐ Erfassen einer Diagnosezeitspanne (DZ) vom Diagnose-Startzeitpunkt (DZS) bei Erreichen der Diagnose-Startspannung (UDS) bis zum Diagnose-Endzeitpunkt (DZE) bei Erreichen einer Diagnose-Endspannung (UDE).The present invention relates to a diagnostic method for a damage diagnosis when operating a fuel cell system (100) with a fuel cell stack (110) with an anode section (120) and a cathode section (130), characterized by the following steps: - Receiving an operation stop signal (BSS ) for stopping the operation of the fuel cell system (100), - stopping the gas supply to the cathode section (130) of the fuel cell stack (110), - specifying a discharge current (IE) for discharging the fuel cell stack (110), - monitoring a cell voltage (UZ) on Fuel cell stack (110), ‐ Terminating the specification of the discharge current (IE) when a diagnosis start voltage (UDS) is reached on the fuel cell stack (110), ‐ Recording a diagnosis time period (DZ) from the diagnosis start time (DZS) when the diagnosis start voltage ( UDS) up to the diagnosis end time (DZE) when a diagnosis end voltage (UDE) is reached.
Description
Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Diagnostic method for a damage diagnosis in the operation of a
Brennstoffzellensystems fuel cell system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems, eine Diagnosevorrichtung für die Durchführung eines solchen Diagnoseverfahrens sowie ein Brennstoffzellensys-The present invention relates to a diagnostic method for a damage diagnosis when operating a fuel cell system, a diagnostic device for carrying out such a diagnostic method and a fuel cell system
tem mit einer solchen Diagnosevorrichtung. tem with such a diagnostic device.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der bekannten Diagnosemöglichkeit Schädigungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem zu erkennen. Dabei handelt es sich insbesondere um Schädigungen der Membran innerhalb von Brennstoffzellen, welche die Kathodenseite von der Anodenseite einer Brennstoffzelle trennt. Über einen andauernden Betrieb von Brennstoffzellen kann es vorkommen, dass die Membran ausdünnt und insbesondere an lokalen Stellen so dünn wird, dass sogenannte Pin-Holes entstehen. Dies kann dazu führen, dass eine Undichtigkeit zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite auftritt, welche zum Defekt dieser Brennstoffzelle führen kann. Auch ist es bekannt, dass Undichtigkeiten bei der Einspannung der Membran, aber auch in die Umgebung mit fortdauerndem Betrieb entstehen können, sodass eine Diagnose gewünscht ist, um diesen fortdauernden The present invention is based on the known diagnostic option of detecting damage to fuel cells in a fuel cell system. In particular, this involves damage to the membrane within fuel cells, which separates the cathode side from the anode side of a fuel cell. Over the long-term operation of fuel cells, it can happen that the membrane thins out and, in particular at local points, becomes so thin that so-called pin holes are formed. This can lead to a leak between the cathode side and the anode side, which can lead to defects in this fuel cell. It is also known that leaks can occur when the membrane is clamped, but also in the environment with ongoing operation, so that a diagnosis is desired in order to keep this ongoing
Schädigungsprozess zu überwachen. monitor the damage process.
Es ist bekannt, die voranstehend beschriebenen Schädigungen mit einem sogenannten Bleed-Down zu diagnostizieren. Hierfür wird das Brennstoffzellensystem in einen speziellen Betriebsmodus überführt. Dabei wird die Gaszufuhr auf die Kathodenseite gestoppt und anschließend abgewartet, wie sich die Spannungsverhältnisse an der einzelnen Brennstoffzelle, mehreren Brennstoffzellen oder einem Brennstoffzellenstapel entwickeln. Sinkt die Spannung über einen definierten Zeitraum ab, so kann eine Diagnosezeitspanne bestimmt werden, deren Länge eine Aussage über die aktuelle Schädigungssituation gibt. Ist die Diagnosezeitspanne sehr kurz, so kann von einer beschädigten Membran oder einer Undichtigkeit im Brennstoffzellenstapel ausgegangen werden. Liegt der Diagnosezeitraum in einem vordefinierten längeren Zeithorizont, so kann dies zum Rückschluss auf eine intakte Membran und ein Feh-It is known to diagnose the damage described above with a so-called bleed-down. For this purpose, the fuel cell system is switched to a special operating mode. The gas supply to the cathode side is stopped and then it is waited to see how the voltage conditions develop in the individual fuel cell, several fuel cells or a fuel cell stack. If the voltage drops over a defined period of time, a diagnosis period can be determined, the length of which provides information about the current damage situation. If the diagnosis period is very short, a damaged membrane or a leak in the fuel cell stack can be assumed. If the diagnosis period is within a predefined, longer time horizon, this can lead to the conclusion that the membrane is intact and that there is a
len einer Undichtigkeit führen. lead to a leak.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass solche Diagnosen nur auf A disadvantage of the known solutions is that such diagnoses only
Prüfständen für Brennstoffzellen durchgeführt werden können. Dies beruht insbe-Test benches for fuel cells can be carried out. This is due in particular
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Diagnose des Brennstoffzellensystems in den Fahrzeugbetrieb zu integ-It is the object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above in a cost-effective and simple manner. In particular, it is the object of the present invention to integrate a diagnosis of the fuel cell system into vehicle operation in a cost-effective and simple manner.
rieren. re.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Diagnoseverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Diagnosevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den 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 der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung sowie dem erfindungsgemäß en Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. The above object is achieved by a diagnostic method having the features of claim 1, a diagnostic device having the features of claim 11 and a fuel cell system having the features of claim 12. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the Drawings. Features and details that are described in connection with the diagnostic method according to the invention also apply, of course, in connection with the diagnostic device according to the invention and the fuel cell system according to the invention, and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.
Erfindungsgemäß soll ein Diagnoseverfahren eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt ermöglichen. Dieses Diagnoseverfahren ist vorzugsweise eingesetzt für den Betrieb in einem Fahrzeug. Ein solches According to the invention, a diagnostic method should enable a damage diagnosis when operating a fuel cell system with a fuel cell stack having an anode section and a cathode section. This diagnostic method is preferably used for operation in a vehicle. Such a
Diagnoseverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: Diagnostic procedure is characterized by the following steps:
Brennstoffzellensystems, fuel cell system,
- Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellensta-- Stopping the gas supply to the cathode section of the fuel cell station
pels, - Vorgabe eines Entladestroms zum Entladen des Brennstoffzellenstapels, - Überwachen einer Zellspannung am Brennstoffzellenstapel, pels, - specification of a discharge current for discharging the fuel cell stack, - monitoring of a cell voltage on the fuel cell stack,
- Beenden der Vorgabe des Entladestroms bei Erreichen einer DiagnoseStartspannung am Brennstoffzellenstapel, - Termination of the specification of the discharge current when a diagnosis start voltage is reached on the fuel cell stack,
- Erfassen einer Diagnosezeitspanne vom Diagnose-Startzeitpunkt beim Erreichen der Diagnose-Startspannung bis zum Diagnose-Endzeitpunkt bei - Recording a diagnosis period of time from the diagnosis start time when the diagnosis start voltage is reached up to the diagnosis end time
Erreichen einer Diagnose-Endspannung. Reaching a diagnostic final voltage.
Der Kerngedanke eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens liegt darin, dass es in dem Betrieb des Brennstoffzellensystem beispielsweise für den Antrieb eines Fahrzeugs integriert werden kann. Wird ein Brennstoffzellensystem für den Antrieb eines Fahrzeugs verwendet, so geschieht dies beispielsweise für eine hybride Antriebsfunktionalität. Dabei wird eine Batterievorrichtung mit einem Elektromotor gekoppelt, wobei das Brennstoffzellensystem zusätzlich zur Batterievorrichtung elektrische Leistung für den Elektromotor zur Verfügung stellen kann. Gleichzeitig ist auch The core idea of a diagnostic method according to the invention is that it can be integrated into the operation of the fuel cell system, for example for driving a vehicle. If a fuel cell system is used to drive a vehicle, this is done, for example, for a hybrid drive functionality. In this case, a battery device is coupled to an electric motor, with the fuel cell system being able to provide electrical power for the electric motor in addition to the battery device. At the same time is also
ein Aufladen der Batterievorrichtung aus dem Brennstoffzellensystem möglich. charging the battery device from the fuel cell system is possible.
Unter dem Empfangen eines Betriebsstopp-Signals kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt auch ein Signal eines Unterschreitens einer Leistungsanforderung eines vorbestimmten Limits verstanden werden. Within the scope of the invention, receiving an operation stop signal can preferably also be understood to mean a signal that a power requirement has fallen below a predetermined limit.
Unter der Endspannung wird im Rahmen der Erfindung bevorzugt eine Einzelzellspannung, eine Zellgruppenspannung und/oder eine Brennstoffzellenstapelspannung verstanden werden. Die Diagnosezeitspannung kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt auch konstant sein, wobei dann eine Spannungsdifferenz als Maß verwendet wird. Within the scope of the invention, the end voltage is preferably understood to mean an individual cell voltage, a cell group voltage and/or a fuel cell stack voltage. Within the scope of the invention, the diagnosis time voltage can preferably also be constant, with a voltage difference then being used as a measure.
Neben einer Maximalbegrenzung für die Leistungserzeugung mit Brennstoffzellensystemen sind üblicherweise auch minimale Leistungsabgaben vorgegeben, welche In addition to a maximum limit for power generation with fuel cell systems, minimum power outputs are usually specified, which
im effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystem nicht unterschritten werden sollen should not be undercut in the efficient operation of the fuel cell system
gungsmechanismus vorantreibt, sehr kurzgehalten wird. ment mechanism, is kept very short.
Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei welchem der Betriebsstopp mit einem Entladestrom zu einem möglichst vollständigen und schnellen Entladen der einzelnen Brennstoffzellen führt, stoppt jedoch ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren die Vorgabe des Entladestroms, sobald eine Diagnose-Startspannung erreicht ist. Eine solche Diagnose-Startspannung ist größer als 0 Volt und insbesondere mit einem vordefinierten Abstand vom Nullpunkt bei 0 Volt vorgegeben. Somit wird es möglich, zum einen in einem ersten Schritt ein elektrisches Potenzial an den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels durch die Vorgabe des Entladestroms sehr schnell zu reduzieren. Jedoch wird ein Restpotenzial beibehalten, welches, wie dies später noch erläutert wird, vorzugsweise unter einer Schädigungs-In contrast to known solutions, in which stopping operation with a discharge current leads to the most complete and quickest possible discharge of the individual fuel cells, a diagnostic method according to the invention stops the specification of the discharge current as soon as a diagnostic starting voltage is reached. Such a diagnosis starting voltage is greater than 0 volts and is specified in particular with a predefined distance from the zero point at 0 volts. It is thus possible, on the one hand, to reduce very quickly, in a first step, an electrical potential at the individual fuel cells of the fuel cell stack by specifying the discharge current. However, a residual potential is retained which, as will be explained later, is preferably under a damage
grenze liegt, um nachfolgend ein Diagnoseverfahren durchzuführen. limit in order to carry out a subsequent diagnostic procedure.
Das Diagnoseverfahren läuft ähnlich dem bekannten Bleed-Down-Verfahren ab. So wird eine Zeitspanne gemessen, welche als Diagnosezeitspanne die Zeit zwischen einem Diagnose-Startzeitpunkt und einem Diagnose-Endzeitpunkt erfasst. Der Diagnose-Startzeitpunkt ist das Starten eines entsprechenden Timers, wenn die The diagnostic procedure is similar to the well-known bleed-down procedure. In this way, a time span is measured which, as the diagnosis time span, records the time between a diagnosis start time and a diagnosis end time. The diagnosis start time is the start of a corresponding timer when the
Zellspannung am Brennstoffzellenstapel nach der Vorgabe des Entladestroms die Cell voltage on the fuel cell stack according to the specification of the discharge current
Brennstoffzellensystem diagnostizieren können. Can diagnose fuel cell system.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die Zellspannung bei einzelnen Brennstoffzellen, bei einzelnen Gruppen von Brennstoffzellen, aber auch stapelübergreifend für alle Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel überwacht werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Überwachung der Zellspannung sowohl nach dem Empfang des Betriebsstopp-Signals, bis zum Erreichen der Diagnose-Startspannung und voranschreitend weiter bis zum Erreichen der Diagnose-Endspannung. It should also be pointed out that the cell voltage can be monitored for individual fuel cells, for individual groups of fuel cells, but also across all fuel cells in a fuel cell stack. The cell voltage is preferably monitored both after the reception of the operation stop signal, until the diagnostic start voltage is reached and progressively further until the diagnostic end voltage is reached.
Ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren bringt nun diverse Vorteile mit sich. Zum einen wird es möglich, Stoppsituationen im realen Betrieb in einem Fahrzeug für das Brennstoffzellensystem zusätzlich für ein Diagnoseverfahren zu nutzen. Dies erlaubt es, neben der Nutzung bekannter Kennfelder, welche am Prüfstand für Brennstoffzellensysteme ermittelt werden, auch eine Diagnostik in den Betrieb des Fahrzeugs zu integrieren, um auf diese Weise noch genauer eine Überwachung von Schädigungs-A diagnostic method according to the invention brings with it various advantages. On the one hand, it is possible to additionally use stop situations in real operation in a vehicle for the fuel cell system for a diagnostic method. In addition to the use of known maps, which are determined on the test bench for fuel cell systems, this also makes it possible to integrate diagnostics into the operation of the vehicle in order to be able to monitor damage
situationen im Brennstoffzellensystem zu erlauben. allow situations in the fuel cell system.
Darüber hinaus wird die Diagnose integriert in eine Stoppsituation des Brennstoffzellensystems, welche im Wesentlichen zwei Kerngedanken erfüllt. Im ersten Schritt erfolgt ein möglichst schnelles Absenken unter ein Schädigungspotenzial, während im zweiten Schritt eine relativ langsame Diagnose stattfindet. Die langsame Diagnose hat darüber hinaus den Vorteil, dass einfache und kostengünstige Sensoren und Messdiagnostik eingesetzt werden können, sodass der Kostenaufwand für die Überwachung und die Durchführung eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens überschaubar bleibt oder sogar mit in bestehenden Brennstoffzellen vorhandenen Senso-In addition, the diagnosis is integrated into a stop situation of the fuel cell system, which essentially fulfills two core ideas. In the first step, the risk is lowered below a damage potential as quickly as possible, while in the second step, a relatively slow diagnosis takes place. The slow diagnosis also has the advantage that simple and inexpensive sensors and measuring diagnostics can be used, so that the cost of monitoring and carrying out a diagnostic method according to the invention remains manageable or can even be compared with sensors present in existing fuel cells.
ren möglich ist. ren is possible.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren die Zellspannung für mehrere Brennstoffzellen und/oder für mehrere Brennstoffzellengruppen des Brennstoffzellenstapels separat überwacht wird, wobei insbesondere die minimale Zellspannung aller überwachten Zellspannungen für die Erfassung der Diagnosezeitspanne und/oder die maximale Zellspannung für die Beendigung der Vorgabe verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform wird nochmals ersichtlich, dass mehrere unterschiedliche Zellspannungen für einzelne Brennstoffzellen oder Brennstoffzellengruppen erfassbar sind. Damit ergeben sich entsprechend auch für jede erfasste Brennstoffzelle und/oder für jede überwachte Brennstoffzellengruppe, einzelne Werte für die Zellspannung. Erfindungsgemäß wird nun zum Beispiel die minimale Zellspannung aller überwachten Zellspannung oder beispielsweise die Standardabweichung oder andere statische Auswertemethoden dafür ver-There are further advantages if, in a diagnostic method according to the invention, the cell voltage for a plurality of fuel cells and/or for a plurality of fuel cell groups of the fuel cell stack is monitored separately, with the minimum cell voltage of all monitored cell voltages for recording the diagnostic period and/or the maximum cell voltage for the end of default is used. In this embodiment, it is again evident that a number of different cell voltages can be detected for individual fuel cells or fuel cell groups. Accordingly, individual values for the cell voltage also result for each detected fuel cell and/or for each monitored fuel cell group. According to the invention, for example, the minimum cell voltage of all monitored cell voltages or, for example, the standard deviation or other static evaluation methods are used for this.
wendet, dass die Diagnosezeitspanne erfasst wird. Mit anderen Worten wird der Di-applies that the diagnosis period is detected. In other words, the di-
71728 71728
Schädigungsgrenze liegen. damage limit.
Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren das Betriebsstopp-Signal empfangen wird, wenn bei einem Vergleich einer erfassten Leistungsanforderung mit einem Betriebs-Minimalwert für die Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems, die erfasste Leistungsanforderung unterhalb des Betriebs-Minimalwerts liegt. Dies erlaubt es, dass bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren ein sogenannter Stop-Mode für einen temporären Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems mit dem Diagnoseverfahren kombiniert wird. Wie bereits eingangs erläutert worden ist, kann so das Diagnoseverfahren durchgeführt werden, wenn die Leistungsanforderung So gering ist, dass ein Stopp des Brennstoffzellensystems erfolgen soll. Dieses Betriebsstopp-Signal kann in einem solchen Fall von Extern zur Verfügung gestellt, aber auch im Rahmen des erfindungsgemä-It can be advantageous if the operation stop signal is received in a diagnostic method according to the invention when, in a comparison of a detected power requirement with a minimum operating value for the operating power of the fuel cell system, the detected power requirement is below the minimum operating value. This allows a so-called stop mode for a temporary stop of the operation of the fuel cell system to be combined with the diagnostic method in a diagnostic method according to the invention. As already explained at the outset, the diagnostic method can be carried out when the power requirement is so low that the fuel cell system should be stopped. In such a case, this operational stop signal can be provided externally, but also as part of the inventive
Ren Diagnoseverfahren selbst erzeugt werden. Ren diagnostic procedures can be generated yourself.
Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren eine Prognose und/oder eine Simulation einer Betriebsstopp-Dauer erfolgt, wobei die Schritte des Beendens der Vorgabe des Erfassens und des Erfassens der Diagnosezeitspanne in wenigstens einem der folgenden Fälle blockiert werden: It can also be advantageous if, in a diagnostic method according to the invention, a prognosis and/or a simulation of an operational stop duration takes place, with the steps of ending the specification of the detection and the detection of the diagnostic time period being blocked in at least one of the following cases:
- Betriebsstopp-Dauer ist kürzer als eine Beschädigt-Diagnosezeitspanne, - Betriebsstopp-Dauer ist kürzer als eine Intakt-Diagnosezeitspanne. - Operational stop duration is shorter than a damaged diagnostic period, - Operational stop duration is shorter than an intact diagnostic period.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Eine Blockade der Schritte des Beendens der Vorgabe und des Erfassens der Di-The above list is a non-exhaustive list. A blockade of the steps of ending the handicap and collecting the di-
agnosezeitspanne führt demnach zu einem Blockieren der Diagnoseschritte bei ei-Agnosezeitspanne leads to a blocking of the diagnostic steps at a
tens einer der beiden Zeitspannen durchgeführt werden kann. at least one of the two time periods can be carried out.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren der Entladestrom in Abhängigkeit der Zellspannung vorgegeben wird, insbesondere direkt proportional. Ein solcher Entladestrom dient, wie erläutert worden ist, dem möglichst schnellen Reduzieren der Zellspannung am Brennstoffzellenstapel. Eine hohe Spannung an den jeweiligen Brennstoffzellen beim Ausschalten führt bei dieser Ausführungsform zu einem höheren Entladestrom als eine entsprechend niedrigere Zellspannung bei der Ausschaltsituation. Dies führt insbesondere dazu, dass die Geschwindigkeit, mit welcher der Entladestrom eine Reduktion der Zellspannung erzielt, an die zu überbrückende Differenz zwischen der Zellspannung in der Ausschaltsituation und der Diagnose-Startspannung angepasst wird. Eine solche Einstellbarkeit führt zu einer Einstellbarkeit der Geschwindigkeit der Reduktion der Zellspannung, sodass die Schutzmechanismen entsprechend an die jeweilige Further advantages can be achieved if, in a diagnostic method according to the invention, the discharge current is specified as a function of the cell voltage, in particular directly proportionally. As has been explained, such a discharge current serves to reduce the cell voltage in the fuel cell stack as quickly as possible. In this embodiment, a high voltage at the respective fuel cells when they are switched off leads to a higher discharge current than a correspondingly lower cell voltage when they are switched off. In particular, this means that the speed at which the discharge current achieves a reduction in the cell voltage is adapted to the difference to be bridged between the cell voltage in the switch-off situation and the diagnosis start voltage. Such an adjustability leads to an adjustability of the rate of reduction of the cell voltage, so that the protective mechanisms are adapted to the respective
Betriebssituation vor dem Ausschalten angepasst werden können. Operating situation can be adjusted before switching off.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren der Entladestrom bis zum Erreichen der Diagnose-Startspannung Further advantages can be achieved if, in a diagnostic method according to the invention, the discharge current is increased until the diagnostic starting voltage is reached
konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten wird. Ein Nachregeln erfolgt also vorzugsweise nicht. Dies führt zu einer sehr einfachen Kontrollierbarkeit des Entla-is kept constant or substantially constant. A readjustment is therefore preferably not carried out. This leads to a very simple controllability of the discharge
destroms, da dessen Wert als Sollwert vorgegeben und beibehalten wird. Auch die decurrent, since its value is specified and maintained as a setpoint. Also the
auf diese Weise erhöht. increased in this way.
Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren für die Diagnosezeitspanne der Entladestrom vollständig oder im Wesentlichen vollständig blockiert wird. Dies kann beispielsweise durch ein elektrisches Trennen möglicher Stromabnahmen am Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt werden. Auch eine Maximierung elektrischer Widerstände am Brennstoffzellenstapel kann diesen Effekt mit sich bringen. Insbesondere wird auf diese Weise eine Verfälschung der Diagnose vermieden, da parallele Entladungsvorgänge an dem Brennstoffzellenstapel durch Stromabnahme möglichst vollständig ausgeschlossen oder zumindest Further advantages can be achieved if, in a diagnostic method according to the invention, the discharge current is blocked completely or essentially completely for the diagnosis period. This can be provided, for example, by electrically disconnecting possible current draws on the fuel cell stack. Maximizing electrical resistances on the fuel cell stack can also have this effect. In particular, a falsification of the diagnosis is avoided in this way, since parallel discharge processes in the fuel cell stack are ruled out as completely as possible by current draw, or at least
auf ein Minimum reduziert werden. be reduced to a minimum.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren die erfasste Diagnosezeitspanne geprüft wird auf ein Unterschreiten einer BeschädigtDiagnosezeitspanne und/oder auf ein Überschreiten einer IntaktDiagnosezeitspanne. Dieses Diagnoseergebnis als Ergebnis dieses Vergleichs kann nun in einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren als Diagnosesignal ausgegeben werden. Unterschreitet die erfasste Diagnosezeitspanne eine BeschädigtDiagnosezeitspanne, so ist die Zellspannung am Brennstoffzellenstapel so schnell abgesunken, dass von einer beschädigten Membran oder einer Leckage auszugehen ist. Überschreitet jedoch die Diagnosezeitspanne eine IntaktDiagnosezeitspanne, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Intaktheit der Membran und von einem Fehlen jeglicher Leckage am Brennstoffzellenstapel ausgegangen werden. Beim Überschreiten der Intakt-Diagnosezeitspanne kann vorzugsweise die Erfassung der Diagnosezeitspanne abgebrochen werden, auch wenn It is also advantageous if, in a diagnosis method according to the invention, the detected diagnosis time period is checked for falling below a damaged diagnosis time period and/or for exceeding an intact diagnosis time period. This diagnostic result as the result of this comparison can now be output as a diagnostic signal in a diagnostic method according to the invention. If the recorded diagnosis time period falls below a damaged diagnosis time period, then the cell voltage on the fuel cell stack has dropped so quickly that a damaged membrane or a leak can be assumed. However, if the diagnosis time period exceeds an intact diagnosis time period, it can be assumed with a high degree of probability that the membrane is intact and that there are no leaks at the fuel cell stack. If the intact diagnosis time span is exceeded, the detection of the diagnosis time span can preferably be aborted, even if
zu diesem Zeitpunkt noch nicht die Diagnose-Endspannung erreicht worden ist. the final diagnosis voltage has not yet been reached at this point in time.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren wenigstens einer der folgenden Parameter einstellbar ausgebildet ist: It is also advantageous if at least one of the following parameters is adjustable in a diagnostic method according to the invention:
- Diagnose-Startspannung - Diagnose-Endspannung - Diagnosis start voltage - Diagnosis end voltage
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch Auswertungen oder die bereits erläuterten Zeit-The above list is a non-exhaustive list. Of course, evaluations or the already explained time
passt und variiert werden. fits and can be varied.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Diagnosevorrichtung für eine Schädigungsdiagnose bei einem Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt. Eine solche Diagnosevorrichtung weist ein Empfangsmodul für ein Empfangen eines Betriebsstopp-Signals für einen Stopp des Betriebs des Brennstoffzellensystems auf. Weiter ist ein Stoppmodul für ein Stoppen der Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Mithilfe eines Vorgabemoduls ist eine Vorgabe eines Entladestroms zum Entladen des Brennstoffzellenstapels sowie zum Beenden der Vorgabe des Entladestroms beim Erreichen einer DiagnoseStartspannung am Brennstoffzellenstapel möglich. Ein Überwachungsmodul ist vorgesehen, für eine Überwachung der Zellspannung am Brennstoffzellenstapel. Abschließend ist ein Erfassungsmodul vorhanden, zum Erfassen einer Diagnosezeitspanne vom Diagnose-Startzeitpunkt bei Erreichen der Diagnose-Startspannung bis zum Diagnose-Endzeitpunkt bei Erreichen einer Diagnose-Endspannung. Dabei sind das Empfangsmodul, das Stoppmodul, das Vorgabemodul, das Überwachungsmodul und/oder das Erfassungsmodul insbesondere für eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens ausgebildet. Damit bringt eine erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf Another object of the present invention is a diagnostic device for a damage diagnosis when operating a fuel cell system with a fuel cell stack with an anode section and a cathode section. Such a diagnostic device has a receiving module for receiving an operation stop signal for stopping the operation of the fuel cell system. A stop module is also provided for stopping the gas supply to the cathode section of the fuel cell stack. With the help of a specification module, it is possible to specify a discharge current for discharging the fuel cell stack and to end the specification of the discharge current when a diagnosis starting voltage is reached in the fuel cell stack. A monitoring module is provided for monitoring the cell voltage on the fuel cell stack. Finally, there is a detection module for detecting a diagnosis time period from the diagnosis start time when the diagnosis start voltage is reached to the diagnosis end time when a diagnosis end voltage is reached. In this case, the receiving module, the stop module, the specification module, the monitoring module and/or the detection module are designed in particular for an execution of a diagnostic method according to the invention. Thus, a diagnostic device according to the invention brings with it the same advantages as described in detail with reference to FIG
ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren erläutert worden sind. a diagnostic method according to the invention have been explained.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt. Der Anodenabschnitt weist einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas auf. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und mit einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas ausgestattet. Weiter weist das Brennstoffzellensystem eine Diagnosevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung sowie mit The subject of the present invention is also a fuel cell system with at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section. The anode section has an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode discharge section for discharging anode off-gas. The cathode section is equipped with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode exhaust section for discharging cathode off-gas. Furthermore, the fuel cell system has a diagnostic device according to the present invention. A fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as are described in detail with reference to a diagnostic device according to the invention as well as with
Bezug auf ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren erläutert worden sind. Have been explained in relation to a diagnostic method according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Further advantages, features and details of the invention result from the
nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-following description, in which with reference to the drawings Aus-
führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-exemplary embodiments of the invention are described in detail. It show schematic
tisch: table:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung, 1 shows an embodiment of a diagnostic device according to the invention,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, 2 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 3 ein möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens, 3 shows a possible run through of a diagnostic method according to the invention,
Fig. 4 ein weiterer möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßen Di-Fig. 4 another possible run of a di-
agnoseverfahrens und Fig. 5 eine Leistungskurve an einem Brennstoffzellensystem. agnostic method and FIG. 5 shows a power curve on a fuel cell system.
Figur 1 zeigt schematisch eine Diagnosevorrichtung 10 wie sie bei Brennstoffzellensystemen 100 bei der Anwendung in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Die Diagnosevorrichtung 10 ist in der Lage, ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren mit dem Empfangen eines Betriebsstopp-Signals BSS zu starten. Hierfür ist ein Empfangsmodul 20 vorgesehen, welches dieses Betriebsstopp-Signal BSS erhält oder sogar selbst erzeugt, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung LAF wie es die Figur 5 zeigt. Eine Weitergabe an ein Stoppmodul 30 führt dazu, dass nun in der Kontrolle des Brennstoffzellensystems 100 die Gaszufuhr zum Kathodenabschnitt 130 des Brennstoffzellenstapels 110 gestoppt wird. Um anschließend eine Schädigung der Membran der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel 110 zu vermeiden, weist die Diagnosevorrichtung 10 ein Vorgabemodul 40 auf, welches nun einen Entladestrom IE dem Brennstoffzellenstapel 110 vorgibt und diesen damit beaufschlagt. Der Entladestrom IE reduziert die Zellspannung UZ, welche vom Überwachungsmodul 50 kontinuierlich überwacht wird. FIG. 1 schematically shows a diagnostic device 10 as can be used in fuel cell systems 100 when used in a vehicle. The diagnostic device 10 is able to start a diagnostic method according to the invention by receiving an operation stop signal BSS. A receiving module 20 is provided for this purpose, which receives this operational stop signal BSS or even generates it itself, for example as a function of a power requirement LAF, as shown in FIG. A transfer to a stop module 30 results in the gas supply to the cathode section 130 of the fuel cell stack 110 being stopped in the control of the fuel cell system 100 . In order to subsequently avoid damage to the membrane of the individual fuel cells in fuel cell stack 110, diagnostic device 10 has a specification module 40, which now specifies a discharge current IE for fuel cell stack 110 and applies it to it. The discharge current IE reduces the cell voltage UZ, which is continuously monitored by the monitoring module 50.
Sobald das Überwachungsmodul 50 bei der Überwachung der Zellspannung UZ feststellt, dass eine Diagnose-Startspannung UDS unterschritten wird, führt dies im Wesentlichen zu zwei weiteren Aktionen. Zum einen erfolgt ein Stopp der Vorgabe des Entladestroms IE durch das Vorgabemodul 40. Zum anderen wird vom Erfas-As soon as the monitoring module 50 establishes during the monitoring of the cell voltage UZ that a diagnosis start voltage UDS is undershot, this essentially leads to two further actions. On the one hand, the specification of the discharge current IE is stopped by the specification module 40. On the other hand, the detection
sungsmodul 60 ein Timer gestartet, um bei fortdauernder Überwachung der sungsmodul 60 started a timer to continuously monitor the
Zellspannung UZ die Diagnosezeitspanne DZ bis zum Erreichen der Diagnose-cell voltage UZ the diagnostic period DZ until reaching the diagnostic
Endspannung UDE zu erfassen. to capture the final voltage UDE.
In der Figur 2 ist schematisch ein Einsatz einer solchen Diagnosevorrichtung 10 an einem Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Hier ist ein Teil des Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 110 dargestellt, welcher in einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt ist. Dem Anodenabschnitt 120 wird Anodenzuführgas über einen Anodenzuführabschnitt 122 und dem Kathodenabschnitt 130 Kathodenzuführgas über einen Kathodenzuführabschnitt 132 zugeführt. Anodenabgas wird über den Anodenabführabschnitt 124 und Kathodenabgas über den Kathodenabführabschnitt 134 abgeführt. Nicht näher dargestellt sind weitere Funktionsbestandteile eines solchen Brennstoffzellensystems 100, wie Reformervorrichtungen, Wärmetauschervorrichtungen, Rezirkulationsvorrichtungen oder Ähnliches. Die Diagnosevorrichtung 10 ist vorzugsweise gemäß der Ausführungsform der Figur 1 ausgestaltet und ist, hier mit gestrichelten Linien dargestellt, in der Lage einen Signalaustausch mit dem Brennstoffzellenstapel 110, dem Anodenzuführabschnitt 122 und/oder dem Kathodenzuführabschnitt 132 für die Durchfüh-A use of such a diagnostic device 10 in a fuel cell system 100 is shown schematically in FIG. A part of the fuel cell system 100 is shown here with a fuel cell stack 110 which is divided into an anode section 120 and a cathode section 130 . Anode feed gas is supplied to the anode section 120 via an anode feed section 122 and cathode feed gas is supplied to the cathode section 130 via a cathode feed section 132 . Anode off-gas is discharged through the anode discharge section 124 and cathode off-gas is discharged through the cathode discharge section 134 . Other functional components of such a fuel cell system 100, such as reformer devices, heat exchanger devices, recirculation devices or the like, are not shown in any more detail. The diagnostic device 10 is preferably designed according to the embodiment of Figure 1 and is shown here with dashed lines, capable of exchanging signals with the fuel cell stack 110, the anode feed section 122 and / or the cathode feed section 132 for the implementation
rung eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens durchzuführen. carry out tion of a diagnostic method according to the invention.
Die Figur 3 zeigt schematisch die Durchführung und Wirkung einer Möglichkeit eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens. Das in der Figur 3 dargestellte Diagramm trägt die Zellspannung UZ auf der Y-Achse über die Zeit entlang der X-Achse auf. Zu Beginn ist die Zellspannung UZ auf einem hohen Niveau während eines regulären Betriebs zum Erzeugen von elektrischem Strom bis ein Betriebsstopp-Signal BSS einen anstehenden Betriebsstopp des Brennstoffzellensystems 100 ankündigt. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 folgt diesem Betriebsstopp-Signal BSS der Stopp der Zufuhr von Gas über den Kathodenabschnitt 130, sodass nun diese hohe Zellspannung UZ ein Schädigungspotential für die Schädigung der jeweiligen Brennstoffzellen mit sich bringen würde. Um dieses Schädigungspotential zu reduzieren wird ein Entladestrom IE vorgegeben, welcher in der Figur 3 dahingehend wirkt, dass die Zellspannung UZ über eine kurze Zeitspanne schnell abgesenkt wird. Dieses Absenken in aktiver Weise durch die Vorgabe des Entladestroms IE wird gestoppt, Sobald die Zellspannung UZ eine Diagnose-Startspannung UDS erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise jede Vorgabe eines Entladestroms IE vollständig FIG. 3 schematically shows the implementation and effect of one possibility of a diagnostic method according to the invention. The diagram shown in FIG. 3 plots the cell voltage UZ on the Y axis over time along the X axis. At the beginning, the cell voltage UZ is at a high level during regular operation for generating electrical current until an operational stop signal BSS announces an impending operational stop of the fuel cell system 100 . During operation of the fuel cell system 100, this operation stop signal BSS is followed by the stop of the supply of gas via the cathode section 130, so that this high cell voltage UZ would now entail a damage potential for damage to the respective fuel cells. In order to reduce this damage potential, a discharge current IE is specified, which in FIG. 3 has the effect that the cell voltage UZ is quickly reduced over a short period of time. This lowering in an active manner by specifying the discharge current IE is stopped as soon as the cell voltage UZ has reached a diagnosis start voltage UDS. At this point in time, each specification of a discharge current IE preferably becomes complete
blockiert, insbesondere der Brennstoffzellenstapel 110 sogar elektrisch isoliert, so-blocked, in particular the fuel cell stack 110 is even electrically isolated, so
zeitspanne DZ definiert sein. time period DZ must be defined.
Wie voranstehend erläutert worden ist, erfolgt das Absinken der Zellspannung UZ über die Diagnosezeitspanne DZ ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich aufgrund interner Prozesse im Brennstoffzellenstapel 130. Somit kann rückgeschlossen werden, dass bei einem schnellen Absinken auf die Diagnose-Endspannung UDE entsprechend eine Leckage oder eine Schädigung der Membran vorliegen muss. Ist die Diagnosezeitspanne DZ lang, insbesondere länger als eine IntaktDiagnosezeitspanne DZI, so kann von einer Intaktheit der Membran und einem Fehlen einer lokalen Leckage ausgegangen werden. As explained above, the cell voltage UZ drops over the diagnostic period DZ exclusively or essentially exclusively due to internal processes in the fuel cell stack 130. It can thus be concluded that if the diagnostic end voltage UDE falls quickly, there is a leak or damage of the membrane must be present. If the diagnosis period DZ is long, in particular longer than an intact diagnosis period DZI, it can be assumed that the membrane is intact and that there is no local leakage.
Die Figur 4 zeigt noch, wie eine Überwachung von mehr als einer Zellspannung UZ, hier einer minimalen Zellspannung UZ min und einer maximalen Zellspannung UZ max durchgeführt wird. Dabei wird die maximale Zellspannung UZ max verwendet, um sicherzustellen, dass auch diese maximale Zellspannung UZ zu Beginn des Diagnoseverfahrens am Diagnose-Startzeitpunkt DZS unterhalb einer Schädigungsspannung US liegt. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass die Diagnoseschritte selbst an der minimalen Zellspannung UZ min hindurchgeführt werden, insbesondere FIG. 4 also shows how more than one cell voltage UZ, here a minimum cell voltage UZ min and a maximum cell voltage UZ max, is monitored. In this case, the maximum cell voltage UZ max is used in order to ensure that this maximum cell voltage UZ is also below a damage voltage US at the start of the diagnosis method at the diagnosis start time DZS. In addition, it is ensured that the diagnostic steps are carried out even at the minimum cell voltage UZ min, in particular
was den Diagnose-Endzeitpunkt DZE betrifft. as far as the diagnosis end time DZE is concerned.
Die Figur 5 zeigt den Betriebsverlauf anhand der Betriebsleistung BL eines Brennstoffzellensystems 100 beim Durchlauf eines Diagnoseverfahrens der vorliegenden Erfindung. So schwankt eine Leistungsanforderung LAF über den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 je nach Betriebsweise des Fahrzeugs. In einem Teillast- oder Niedriglastbetrieb sinkt diese Leistungsanforderung LAF unter einen BetriebsMinimalwert BM ab, was in diesem Fall ein Betriebsstopp-Signal BSS auslöst. Zu diesem Zeitpunkt wird es nun möglich, ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren FIG. 5 shows the course of operation based on the operating power BL of a fuel cell system 100 when a diagnostic method of the present invention is run through. Thus, a power requirement LAF varies over the operation of the fuel cell system 100 depending on the operation of the vehicle. In part-load or low-load operation, this power requirement LAF falls below an operating minimum value BM, which in this case triggers an operating stop signal BSS. At this point in time it is now possible to use a diagnostic method according to the invention
durchzuführen, also in einem ersten Schritt sehr schnell über den Entladestrom IE to be carried out, i.e. very quickly in a first step via the discharge current IE
eine Schädigungsspannung US zu unterstreiten. Bei der Ausführungsform der Figur to underline a damage stress US. In the embodiment of the figure
5 wird zusätzlich noch vor der Durchführung der Diagnoseschritte mithilfe einer 5 is additionally performed before carrying out the diagnostic steps using a
Prognose und/oder einer Simulation geprüft, ob die gesamte Betriebsstopp-Dauer Prognosis and/or a simulation checked whether the total operational stop duration
BSD lang genug ist, um eine erfolgreiche Diagnose durchzuführen. Bei der Figur 5 ist BSD is long enough to run a successful diagnostic. In the figure 5 is
dies der Fall, da sowohl eine Beschädigt-Diagnosezeitspanne DZB als auch eine In-This is the case because both a damaged diagnosis period DZB and an internal
takt-Diagnosezeitspanne DZI kürzer als die Betriebsstopp-Dauer BSD sind. clock diagnostic period DZI are shorter than the operational stop duration BSD.
Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanations regarding the embodiments describe the present invention exclusively within the framework of examples.
Bezugszeichenliste Reference List
10 Diagnosevorrichtung 20 Empfangsmodul 10 diagnostic device 20 receiving module
30 Stoppmodul 30 stop module
40 Vorgabemodul 40 default module
50 Überwachungsmodul 50 monitoring module
60 Erfassungsmodul 60 acquisition module
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 100 fuel cell system 110 fuel cell stack 120 anode section
122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 122 anode supply section 124 anode discharge section 130 cathode section
132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 132 cathode supply section 134 cathode discharge section
BSS Betriebsstopp-Signal BSD Betriebsstopp-Dauer LAF Leistungsanforderung BM _Betriebs-Minimalwert BSS Operation stop signal BSD Operation stop duration LAF Power requirement BM _Operation minimum value
BL Betriebsleistung BL Operating Power
IE Entladestrom IE discharge current
UZ Zellspannung UZ cell voltage
US Schädigungsspannung UDS Diagnose-Startspannung UDE Diagnose-Endspannung US damage voltage UDS diagnosis start voltage UDE diagnosis end voltage
DZ _ Diagnosezeitspanne DZ _ Diagnostic period
DZB Beschädigt-Diagnosezeitspanne DZ! Intakt-Diagnosezeitspanne DZB Damaged diagnosis period DZ! Intact diagnostic period
DZS Diagnose-Startzeitpunkt DZS diagnosis start time
DZE Diagnose-Endzeitpunkt DZE diagnosis end time
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