CN110165256B - 燃料电池的老化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池的老化装置，能够既进行单元监视器减少所带来的成本减少，又能够可靠地检测老化中的负电压产生。通过单独监视电压成为最高的反应气体入口(11a)侧的端部单元(1a)的电压来对除此以外的中央部单元(1b)的多个单元的各个负电压产生进行推断。

Description

燃料电池的老化装置

技术领域

本发明涉及层叠有多个单元的燃料电池的老化装置。

背景技术

燃料电池是通过将作为反应气体的燃料气体(例如氢)以及氧化剂气体(例如空气)向阳极侧电极以及阴极侧电极供给并使它们进行电化学反应来获得电能(电动势)的系统。

例如，固体高分子型燃料电池的单元(有时也称为燃料电池单元或单电池)具备由离子传导性的电解质膜和夹持该电解质膜的阳极侧催化剂层(电极层)以及阴极侧催化剂层(电极层)构成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。在MEA的两侧形成有用于提供燃料气体或氧化剂气体并且对通过电化学反应产生的电力进行集电的气体扩散层(GDL：Gas Diffusion Layer)。在两侧配置有GDL的MEA称为MEGA(MembraneElectrode&Gas Diffusion Layer Assembly：膜电极与气体扩散层组件)，MEGA被一对隔板夹持。这里，MEGA为燃料电池的发电部，在不存在气体扩散层的情况下，MEA成为燃料电池的发电部。

燃料电池(有时也称为燃料电池组)重叠层叠有多片具有上述结构的单元，例如搭载于汽车等车辆来使用。

在这种燃料电池中，因在其制造工序中产生的挥发有机物所引起的催化剂的中毒等，导致初始发电性能变低。因此，通常为了在燃料电池的组装后(例如制造工序中的最终的单元发电检查之前)发挥所希望的发电性能，进行称为燃料电池的老化运转(有时也简称为老化)的预备运转(试运转)。该老化运转在燃料电池的组装后预备性地进行发电，从而使得单元的性能能够发挥所希望的能力。另外，还存在如下情况，即：不仅在制造成之后，例如在停歇燃料电池之后(特别是长期停歇之后)再次发电时(再起动时)、因长期的发电导致电动势等输出特性降低时等，也通过进行上述老化运转来恢复燃料电池的输出特性。

然而，上述燃料电池的老化(试运转)所需时间(老化时间)非常长，伴随着生产台数的增加、普及，其成为制造工序上的较大的课题。因此，为了高速实施这样的燃料电池的老化，必须进行低电位发电(例如参照下述专利文献1等)，但在老化中的单元的电压(单元电压)因氢缺乏、蒸干而降低时，需要迅速停止发电(停止老化发电)，从而防止燃料电池堆的破损。

另一方面，作为发电中的单元电压监视的方法，一直以来，具有通过与单元直接连接的单元监视器(也称为单元监视器连接器)来监视所有单元的电压值的方法。以往，单元监视器按照1个单元/1个ch(即，每个单元连接一个ch，利用各ch测定各单元的电压)来实施，但需要以成本减少为目的来减少ch数，提出了除负电压产生(也称为电压下降)的可能性较高的电池组两端部之外，向多个单元(例如2个单元)/1个ch(即，将多个单元统一与一个ch连接，利用各ch测定每多个单元的电压)变更(例如，参照下述专利文献2、3等)。

专利文献1：日本特开2017-208299号公报

专利文献2：日本特开2016-095907号公报

专利文献3：日本特开2017-152138号公报

在1个单元/1个ch的情况下，能够可靠地监视各单元的电压，因而在如上述那样在发电中产生氢缺乏、蒸干时，能够在单元的电压变为负电压(例如，-0.3V以下)之前停止发电。

然而，若构成为多个单元(例如2单元)/1个ch，则成为监视多个单元相应的电压的总和(例如，在2单元/1个ch的情况下，为2个单元的电压的和)，仅一个单元突入负电压时的检测的灵敏度降低。假设，若突入负电压之后也继续发电，则存在碳氧化所引起的催化剂的恶化发展、单元内的发热加速、燃料电池组整体破损的担忧。在该情况下，若不仅采用单元电压测定，还追加或同时采用电阻测定或阻抗测定、发热测定、阴极气体(氧化剂气体)的流量测定等，则能够避免负电压检测的灵敏度降低，但均产生导致成本上升之类的问题(参照上述专利文献2、3)。

这里，在通常的发电检查中，充分给予反应气体来将单元维持在高电位(例如0.6～0.7V附近)，并且通常行驶中处于高电压状态，因而容易设定负电压的阈值(参照图6中的(A))，能够根据从上述多单元/1个ch这样的、一并监视多个单元的电压的单元监视器所取得的电压值以某种程度准确地检测出负电压的产生。

然而，在通过老化所实施的低电位发电(例如0～0.4V)中，电压的变动值较小，因而难以设定负电压的阈值(参照图6中的(B))，难以准确地检测出上述负电压的产生。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够既进行单元监视器减少所带来的成本减少、又能够可靠地检测出老化中的负电压产生的燃料电池的老化装置。

为了解决上述课题，本发明的燃料电池的老化装置用于对层叠有多个单元的燃料电池进行老化，其特征在于，具备：一单元监视器，其单独监视反应气体入口侧的规定单元的电压；第二单元监视器，其一并监视除上述规定单元以外的多个单元的电压；以及控制部，其将由上述第一单元监视器取得的电压值作为上限电压值，根据由上述第一单元监视器以及上述第二单元监视器取得的电压值来对由上述第二单元监视器监视的上述多个单元各自的负电压产生进行推断，在将老化中的单元的电压的正常判定范围的上限值设为α2且下限值设为α1、将负电压异常判定范围的上限值设为β、将由上述第二单元监视器监视的单元的个数设为n时，上述控制部将各值设定为满足通过β+α2×(n-1)决定的异常电压阈值小于α1×n，上述控制部将上述上限电压值与α2进行比较来控制老化中的燃料电池的发电状态。

另外，优选在上述上限电压值超过α2时，上述控制部认为存在在由上述第二单元监视器监视的上述多个单元中产生负电压的可能性，并停止老化发电。

另外，优选上述α1被设定为老化的目标电压范围的下限值以上，上述α2被设定为小于老化的目标电压范围的上限值。

另外，优选上述控制部设定小于上述α2的控制切换判定阈值，在上述上限电压值大于上述控制切换判定阈值时，上述控制部进行如下控制，即：通过提高向上述燃料电池供给的电流、提高混入反应气体的惰性气体的混合量、或者减少作为反应气体的氧化剂气体的供给量来降低各单元的电压。

另外，优选上述老化装置还具备第三单元监视器，该第三单元监视器单独监视位于最远离反应气体入口侧的位置的单元的电压，上述控制部将由上述第三单元监视器取得的电压值设为另外的上限电压值，在上述另外的上限电压值大于α2时，上述控制部认为存在在由上述第二单元监视器监视的上述多个单元中产生负电压的可能性，并停止老化发电。

根据本发明，通过对电压成为最高的反应气体入口侧的单元的电压单独进行监视，由此对除此以外的多个单元各自的负电压产生进行推断，因而能够既进行单元监视器减少所带来的成本减少，又能够可靠地检测出老化中的负电压产生。

附图说明

图1是成为本发明的燃料电池的老化装置的应用对象的燃料电池(燃料电池组)的一个例子的主要部位剖视图。

图2是包括图1所示的燃料电池(燃料电池组)在内的燃料电池系统的简要结构图。

图3是表示图2所示的单元监视器的连接形态、以及反应气体入口和出口与单元电压之间的关系的示意图。

图4是表示老化时(低电位)的、端部单元监视器中的单元电压的正常判定范围及负电压异常判定范围、以及中央部单元监视器中的单元电压的正常判定范围及负电压异常判定范围的一个例子的图。

图5是对控制装置所起到的电压减少控制的效果进行说明的图。

图6是表示现有技术的、端部单元监视器中的单元电压的正常判定范围及负电压异常判定范围以及中央部单元监视器中的单元电压的正常判定范围及负电压异常判定范围的图，(A)是表示通常的发电检查时(高电位)的图，(B)是表示老化时(低电位)的图。

具体实施方式

以下，基于附图所示的实施方式的一个例子对本发明的结构详细地进行说明。以下，作为一个例子，例示搭载于燃料电池车的燃料电池或将本发明应用于包含该燃料电池的燃料电池系统的情况进行说明，但应用范围并不局限于这样的例子。

[燃料电池(燃料电池组)的结构]

图1是成为本发明的燃料电池的老化装置的应用对象的燃料电池(燃料电池堆)的一个例子的主要部位剖视图。

如图1所示，在燃料电池(燃料电池组)10层叠有多个作为基本单位的单元(单电池)1。各单元1是通过氧化剂气体(例如空气)与燃料气体(例如氢)的电化学反应产生电动势的固体高分子型燃料电池。单元1具备MEGA2与以划分MEGA2的方式同MEGA2接触的隔板(燃料电池用隔板)3。此外，在本实施方式中，MEGA2被一对隔板3、3夹持。

MEGA2是将膜电极接合体(MEA)4与配置于其两面的气体扩散层7、7一体化而成的。膜电极接合体4由电解质膜5与以夹着电解质膜5的方式接合的一对电极6、6构成。电解质膜5由利用固体高分子材料形成的质子传导性的离子交换膜构成，电极6例如由担载了铂等催化剂的例如多孔质的碳原料形成。配置于电解质膜5的一侧的电极6成为阳极，另一侧的电极6成为阴极。气体扩散层7例如由碳纸或碳布等碳多孔质体、或者金属网或发泡金属等金属多孔质体等具有气体透过性的导电性部件形成。

在本实施方式中，MEGA2是燃料电池10的发电部，隔板3与MEGA2的气体扩散层7接触。另外，在省略气体扩散层7的情况下，膜电极接合体4是发电部，此时，隔板3与膜电极接合体4接触。因此，燃料电池10的发电部包括膜电极接合体4，并与隔板3接触。

隔板3是以导电性、气体不透过性等优良的金属为基材的板状的部件，其一面侧与MEGA2的气体扩散层7抵接，另一面侧与邻接的其他隔板3的另一面侧抵接。

在本实施方式中，各隔板3形成为波形状或凹凸状。对于隔板3的形状而言，波的形状呈等腰梯形，且波的顶部平坦，该顶部的两端有棱角地呈相等的角度。即，不论从表侧观察还是从背侧观察，各隔板3均呈大致相同的形状。隔板3的顶部与MEGA2的一个气体扩散层7面接触，隔板3的顶部与MEGA2的另一个气体扩散层7面接触。

在一个电极(即阳极)6侧的气体扩散层7与隔板3之间划分出的气体流路21是供燃料气体流通的流路，在另一个电极(即阴极)6侧的气体扩散层7与隔板3之间划分出的气体流路22是供氧化剂气体流通的流路。若向隔着单元1而对置的一个气体流路21供给燃料气体，向气体流路22供给氧化剂气体，则在单元1内产生电化学反应，从而产生电动势。

并且，某单元1和与之邻接的另一个单元1配置成使成为阳极的电极6与成为阴极的电极6相向。另外，沿着成为某单元1的阳极的电极6配置的隔板3的背面侧的顶部与沿着成为另一个单元1的阴极的电极6配置的隔板3的背面侧的顶部面接触。在邻接的两个单元1间面接触的隔板3、3之间划分出空间23，作为对单元1进行冷却的制冷剂的水在空间23流通。

另外，在邻接的两个单元1的端部间夹压保持有作为密封部件的垫圈(图示省略)，对燃料气体(例如氢)、或者氧化剂气体(例如空气)、冷却用的水进行密封。

[燃料电池系统的结构]

图2是包括图1所示的燃料电池(燃料电池组)在内的燃料电池系统的简要结构图。

如图2所示，燃料电池系统100构成为包括：上述燃料电池10；气体配管11，其用于向电极(阳极)6侧的气体流路21以及电极(阴极)6侧的气体流路22供给、排出反应气体(燃料气体以及氧化剂气体)；冷却水配管13，其用于向空间23供给、排出作为制冷剂的水(冷却水)；单元监视器30，其用于检查、监视各单元1间的电压(单元电压)；以及控制装置(控制部)40，其用于统一控制系统整体。

在本实施方式中，对于上述单元监视器30的单元电压监视的单位而言，如图3所示，针对位于燃料电池(燃料电池组)10的(单元层叠方向的)两端部的单元1(例如1～10个单元1)(以下称为端部单元1a)，设置为1个单元/1个ch，针对位于燃料电池(燃料电池组)10的(单元层叠方向的)中央部的单元1(以下称为中央部单元1b)，设置为多个单元(图示例中为2个单元)/1个ch。即，在本实施方式中，上述单元监视器30由端部单元监视器30a、30a与中央部单元监视器30b构成，该端部单元监视器30a、30a对位于包括气体配管11的反应气体入口11a侧(以及反应气体出口11b侧)与远离反应气体入口11a侧的相反侧在内的两端部的端部单元1a、1a的电压单独地进行监视，该中央部单元监视器30b对位于端部单元1a以外的中央部的多个中央部单元1b(图示例中为2个中央部单元1b)的电压一并进行监视。

端部单元监视器30a(即单元电压监视的单位为1个单元/1个ch的单元监视器30)针对每个单元连接一个ch，利用各ch对各单元的电压进行测定。另一方面，中央部单元监视器30b(即单元电压监视的单位为多个单元/1个ch的单元监视器30)将多个单元统一与一个ch连接，利用各ch对多个单元各自的电压的总和(或平均电压)进行测定。

由上述单元监视器30(的端部单元监视器30a以及中央部单元监视器30b)检测出的电压值经由通信线等输入至控制装置40。

这里，对于由上述单元监视器30(的端部单元监视器30a以及中央部单元监视器30b)检测的各单元1的电压值(单元电压)而言，如图3所示，在气体配管11的反应气体入口11a侧较高，且随着远离反应气体入口11a而变低。即，由反应气体入口11a侧的端部单元监视器30a检测出的单元1(端部单元1a)的电压值(单元电压)成为最高。因此，控制装置40利用气体配管11的反应气体入口11a侧的端部单元1a的电压(由端部单元监视器30a检测出的电压)来监视该燃料电池10的上限电压值(稍后详述)。

此外，利用中央部单元监视器30b(的1个ch)一并监视的中央部单元1b的个数为多个即可，当然不局限于图示例的2个。另外，利用中央部单元监视器30b(的1个ch)一并监视的中央部单元1b的个数可以不一致。

上述控制装置40由具有CPU、各种存储器(ROM、RAM等)的微电脑构成，统一控制构成该燃料电池系统100的各部的动作，通过取得统一控制所需的信息来控制燃料电池10的发电状态(输出电压、输出电流等)。详细而言，控制装置40通过始终监视由上述单元监视器30(的端部单元监视器30a以及中央部单元监视器30b)检测出的电压值等来控制燃料电池10的发电状态。例如，控制装置40在基于来自上述单元监视器连接器30的电压值检测(推断)出单元1的电压下降的负电压的产生时，控制燃料电池10的发电状态(例如限制输出、停止发电)(稍后详述)。

此外，在本实施方式中，由上述单元监视器30与控制装置40构成以下进行说明的用于老化上述燃料电池10的老化装置。

[燃料电池(燃料电池组)的老化]

在具有上述那样的结构的燃料电池10中，为了使发电性能(输出特性)稳定，例如在该燃料电池10的组装后等进行老化(试运转)。

这里，如上所述，在为了使燃料电池10的老化高速化而实施低电位发电且统一对多个单元实施单元电压监视的情况下，若在产生氢缺乏、蒸干等异常时不迅速地检测出并停止发电，则存在使燃料电池(燃料电池组)10整体破损的担忧。然而，在以上述那样的老化所实施的低电位发电(例如0～0.4V附近)中，难以设定负电压的阈值(参照图6中的(B))。

因此，在本实施方式中，在低电位老化(例如0～0.4V附近)中，即便按照多个单元(图示例中为2个单元)/1个ch的方式进行单元电压监视，也能够可靠地检测负电压异常，作为不使燃料电池(燃料电池堆)10破损的方法，基于以下实施老化。

这里，在本例中，例如，作为用于以短时间完成燃料电池(燃料电池组)10的老化的低电位发电，老化的目标电压范围为0～0.4V。

另外，对于单元监视器30(的端部单元监视器30a以及中央部单元监视器30b)的单元电压监视的单位而言，端部单元1a(位于燃料电池10的(单元层叠方向的)两端部，且由端部单元监视器30a监视的单元)为1个单元/1个ch，除此以外的中央部单元1b(位于燃料电池10的(单元层叠方向的)中央部，且由中央部单元监视器30b监视的单元)为2单元/1个ch(参照图3)。

另外，单元1(端部单元1a、中央部单元1b)的负电压异常的电压阈值(换言之为负电压异常判定范围的上限值)为-0.3V(参照图4)。

＜设定负电压的阈值(异常电压阈值)＞

在老化中的各单元的电压的正常判定范围为α1～α2(换言之，正常判定范围的下限值为α1，正常判定范围的上限值为α2)、负电压异常判定范围的上限值为β(本例中为-0.3V)、由中央部单元监视器30b(由1个ch)监视的中央部单元1b的个数为n(本例中为2)个时，在中央部单元监视器30b中，负电压的阈值(异常电压阈值)用以下的式(1)表达。此外，老化中的各单元的电压的正常判定范围(α1～α2)为老化的目标电压范围(本例中，0～0.4V)以内，更详细而言，正常判定范围的下限值α1设定为老化的目标电压范围的下限值(本例中为0V)以上，正常判定范围的上限值α2设定为小于老化的目标电压范围的上限值(本例中为0.4V)。

[式1]异常电压阈值＝β+α2×(n-1)···(1)

这里，在中央部单元监视器30b中，若上述异常电压阈值与老化中的单元电压的正常判定范围重叠(换言之，异常电压阈值β+α2×(n-1)成为中央部单元监视器30b(所监视的多个中央部单元1b)中的正常判定范围的下限值α1×n以上)，则如上所述，无法准确地检测负电压的产生。

因此，上述控制装置40将老化中的各单元的电压的正常判定范围(α1～α2)设定成满足以下的式(2)。

[式2]β+α2×(n-1)＜α1×n···(2)

在本例中，正常判定范围的下限值α1设定为老化的目标电压范围的下限值亦即0V，因而上述控制装置40将老化中的各单元的电压的正常判定范围的上限值α2设定为小于0.3V，从而使中央部单元监视器30b中的异常电压阈值小于0V(＝-0.3+0.3×(2-1))(参照图4)。

由此，在中央部单元监视器30b中，异常电压阈值(本例中小于0V)不与老化中的单元电压的正常判定范围(本例中为0～0.6V)重叠(换言之，异常电压阈值小于正常判定范围的下限值)，因而能够准确地检测负电压的产生。

＜发电状态的控制＞

如上所述，上述控制装置40设定正常判定范围(α1～α2)等各值，并且设定比正常判定范围的上限值α2(本例中不足0.3V)更小的(换言之，小于上限值α2的)控制切换判定阈值α3(本例中为0.25V)，在构成燃料电池10的单元1中，通过始终对单元电压成为最高的接近气体配管11的反应气体入口11a的端部单元1a的电压是否不超过控制切换判定阈值α3(本例中为0.25V)、正常判定范围的上限值α2(本例中不足0.3V)进行监视，由此来控制老化中的燃料电池10的发电状态，以便其他全部单元1不会超过正常判定范围的上限值α2(本例中小于0.3V)并继续发电。

详细而言，上述控制装置40将端部单元1a的电压(由端部单元监视器30a检测的电压)与控制切换判定阈值α3(本例中为0.25V)、正常判定范围的上限值α2(本例中小于0.3V)进行比较，若端部单元1a的电压超过控制切换判定阈值α3，则通过减少氧化剂气体(例如空气)的供给量、提高混入反应气体的惰性气体(例如氮气)的混合量、提高向燃料电池10供给的电流中的任一方式来控制燃料电池10的发电状态，以使各单元1的电压整体下降(换言之，不因负电压检测而停止发电)，并继续发电(老化发电)(参照图5)。

另外，若端部单元1a的电压超过正常判定范围的上限值α2，则上述控制装置40认为存在产生负电压(特别是在由中央部单元监视器30b监视的多个中央部单元1b中产生负电压)的可能性，从而使设备停止，停止发电(老化发电)。

即，在本实施方式中，即便处于老化的目标电压范围(本例中为0～0.4V)，在端部单元1a的电压超过正常判定范围的上限值α2(本例中为设定为小于0.3V的规定值)的情况下，上述控制装置40为了避免负电压异常产生所引起的燃料电池(燃料电池堆)10的破损，使设备停止，停止发电(老化发电)。

像以上说明过的那样，在本实施方式的老化装置中，通过单独监视电压成为最高的反应气体入口11a侧的端部单元1a的电压来对除此以外的中央部单元1b的多个单元的各个负电压产生进行推断，因而能够既进行单元监视器减少带来的成本减少、又能够可靠地检测老化中的负电压产生。即，能够兼顾用于老化的高速化的低电位发电与即便减少单元监视器的ch数也能够维持防止负电压突入的功能的相反的目的。

此外，在上述实施方式中，利用气体配管11的反应气体入口11a侧的端部单元1a的电压来监视该燃料电池10的上限电压值，但例如也可以将最远离气体配管11的反应气体入口11a侧的位置的端部单元1a的电压(由端部单元监视器30a检测出的电压)作为该燃料电池10的上限电压值(另外的上限电压值)。在该情况下，上述控制装置40可以将该另外的上限电压值与控制切换判定阈值α3(本例中为0.25V)、正常判定范围的上限值α2(本例中小于0.3V)进行比较来与上述同样地控制燃料电池10的发电状态。

以上，使用附图对本发明的实施方式进行了详述，但具体结构并不限定于该实施方式，即便存在不脱离本发明的要旨的范围内的设计变更等，它们也包括在本发明内。

附图标记说明

1…单元(燃料电池单元)；1a…端部单元；1b…中央部单元；2…MEGA；3…隔板；4…膜电极接合体(MEA)；5…电解质膜；6…电极；7…气体扩散层；10…燃料电池(燃料电池组)；11…气体配管；11a…反应气体入口；11b…反应气体出口；13…冷却水配管；21、22…气体流路；23…供水流通的空间；30…单元监视器；30a…端部单元监视器(第一单元监视器、第三单元监视器)；30b…中央部单元监视器(第二单元监视器)；40…控制装置(控制部)；100…燃料电池系统。

Claims (5)

1.一种燃料电池的老化装置，用于对层叠有多个单元的燃料电池进行老化，其中，

所述燃料电池的老化装置具备：

第一单元监视器，其单独监视反应气体入口侧的规定单元的电压；

第二单元监视器，其一并监视除所述规定单元以外的多个单元的电压；以及

控制部，其将由所述第一单元监视器取得的电压值作为上限电压值，根据由所述第一单元监视器以及所述第二单元监视器取得的电压值来对由所述第二单元监视器监视的所述多个单元各自的负电压产生进行推断，

在将老化中的单元的电压的正常判定范围的上限值设为α2且下限值设为α1、将负电压异常判定范围的上限值设为β、将由所述第二单元监视器监视的单元的个数设为n时，所述控制部将各值设定为满足由β+α2×(n-1)决定的异常电压阈值小于α1×n，

所述控制部将所述上限电压值与α2进行比较来控制老化中的燃料电池的发电状态。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的老化装置，其中，

在所述上限电压值超过α2时，所述控制部认为存在在由所述第二单元监视器监视的所述多个单元中产生负电压的可能性，并停止老化发电。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的老化装置，其中，

所述α1被设定为老化的目标电压范围的下限值以上，所述α2被设定为小于老化的目标电压范围的上限值。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池的老化装置，其中，

所述控制部设定小于所述α2的控制切换判定阈值，

在所述上限电压值大于所述控制切换判定阈值时，所述控制部进行如下控制，即：通过提高向所述燃料电池供给的电流、提高混入反应气体的惰性气体的混合量、或者减少作为反应气体的氧化剂气体的供给量来降低各单元的电压。

5.根据权利要求1或2所述的燃料电池的老化装置，其中，

所述老化装置还具备第三单元监视器，该第三单元监视器单独监视位于最远离反应气体入口侧的位置的单元的电压，

所述控制部将由所述第三单元监视器取得的电压值设为另外的上限电压值，在所述另外的上限电压值大于α2时，所述控制部认为存在在由所述第二单元监视器监视的所述多个单元中产生负电压的可能性，并停止老化发电。

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