DE102008024228A1 - Fuel cell system operating method for motor vehicle, involves adjusting difference between pressure of fuel in anode supply channel and pressure of oxidizing agent in cathode supply channel depending on concentration of fuel - Google Patents

Fuel cell system operating method for motor vehicle, involves adjusting difference between pressure of fuel in anode supply channel and pressure of oxidizing agent in cathode supply channel depending on concentration of fuel Download PDF

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Abstract

The method involves supplying an oxidizing agent e.g. oxygen, of a cathode of a fuel cell unit via a cathode supply channel, and supplying fuel e.g. hydrogen, of an anode of the fuel cell unit via an anode supply channel. Concentration of the fuel in the anode supply channel is determined by a concentration determination unit. Difference between pressure of the fuel in the anode supply channel and pressure of the oxidizing agent in the cathode supply channel is adjusted by a pressure adjusting unit depending on the concentration of the fuel in the anode supply channel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens, bei welchem elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelleneinheit durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels, insbesondere eines Oxidiergases, mit einem Brennstoff, insbesondere einem Brennstoffgas, erzeugt wird, das Oxidationsmittel einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit über einen Kathodenzuführkanal und der Brennstoff einer Anode der Brennstoffzelleneinheit über einen Anodenzuführkanal zugeführt werden, und ein Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal mittels einer Druckeinstelleinheit eingestellt wird. Überdies betrifft die folgende Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahrens.The The present invention relates to a method for operating a Fuel cell system of a motor vehicle, in which electrical Energy by means of a fuel cell unit by an electrochemical Reaction of an oxidizing agent, in particular an oxidizing gas, with a fuel, in particular a fuel gas produced is, the oxidizing agent of a cathode of the fuel cell unit over a cathode feed channel and the fuel of an anode the fuel cell unit via an Anodenzuführkanal be supplied, and a pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal is adjusted by means of a Druckeinstelleinheit. moreover The following invention relates to a fuel cell system for performing of the procedure.

Derartige Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Bei den bekannten Brennstoffzellensystemen wird eine elektrische Energie mittels einer eigentlichen Brennstoffzelleneinheit, welche beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel umfasst, durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels, wie insbesondere des Sauerstoffs, mit einem Brennstoff, wie insbesondere dem Wasserstoff, erzeugt. Dabei wird das Oxidationsmittel einer Kathode, und genauer gesagt einem Kathodenraum, der Brennstoffzelleneinheit über einen Kathodenzuführkanal zugeführt, wobei der Brennstoff einer Anode, insbesondere einem Anodenraum, über einen Anodenzuführkanal zugeführt wird. Um einen Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal einzustellen, umfassen die Brennstoffzellensysteme üblicherweise eine Druckeinstelleinheit, welche beispielsweise in Form eines Ventils bereitgestellt ist. Dabei koppelt die Druckeinstelleinheit den Anodenzuführkanal mit einem Brennstoffspeicher.such Method for operating a fuel cell system of a motor vehicle are already known from the prior art. In the known Fuel cell systems is an electrical energy by means of a actual fuel cell unit, which for example a Fuel cell stack comprises, by an electrochemical reaction an oxidizing agent, such as in particular oxygen, with a Fuel, in particular the hydrogen generated. It will the oxidant of a cathode, and more specifically a cathode compartment, the fuel cell unit via a Kathodenzuführkanal supplied, wherein the fuel of an anode, in particular an anode compartment, via an anode delivery channel is supplied. To a pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal to adjust, the fuel cell systems usually include a pressure adjusting unit provided in the form of a valve, for example is. In doing so, the pressure adjusting unit couples the anode supply channel with a fuel storage.

Eine Problematik bei den bekannten Brennstoffzellensystemen besteht darin, dass sich in einem Anodenkreis (Anodenloop) bzw. in dem Anodenraum und/oder in einem Anodenabgaskanal auf Dauer Inertgase, wie insbesondere Stickstoff, anreichern. Hierdurch verschlechtert sich das Leistungsverhalten (Performance) des Brennstoffzellensystems. Eine Abhilfe schafft hier eine bereits aus dem Stand der Technik bekannte Entleerungseinrichtung (Purgeanlage), mittels welcher ein nicht verbrauchter Brennstoff und somit die Inertgase aus dem Anodenraum entfernt werden können. Hierdurch wird erreicht, dass die Inertgase aus dem Anodenraum ausgeschleust werden, wodurch eine Konzentration des Brennstoffs im Anodenraum wieder so weit erhöht wird, dass die Performance des Brennstoffzellensystems einen zufrieden stellenden Grad erreicht. Diese bekannte Entleerungseinrichtung umfasst üblicherweise ein Entleerungsventil (Purgeventil) sowie eine Entleerungsleitung (Purgeleitung). Diese sorgen dafür, dass die Inertgase vom Anodenraum entfernt und beispielsweise in den Kathodenraum oder in eine Abgasanlage gelangen.A The problem with the known fuel cell systems is that that in an anode circuit (anode loop) or in the anode chamber and / or in an anode exhaust gas for a long time inert gases, such as in particular Nitrogen, enrich. As a result, the performance deteriorates (performance) of the fuel cell system. A remedy already creates one here known from the prior art emptying device (Purgeanlage), by means of which an unused fuel and thus the Inert gases can be removed from the anode compartment. hereby is achieved that the inert gases discharged from the anode compartment which causes a concentration of the fuel in the anode compartment again so far is increased, that the performance of the fuel cell system reached a satisfactory level. This known emptying device usually includes a drain valve (purge valve) and a drain line (purge line). These ensure that the inert gases removed from the anode compartment and, for example, in enter the cathode compartment or in an exhaust system.

Aus der Druckschrift DE 102 51 878 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer eigentlichen Brennstoffzelleneinheit bekannt, bei welchem ein Entleerungsventil periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung vorgenommen wird. Somit wird erreicht, dass ein Stickstoff, welcher über die Brennstoffzelleneinheit durch einen Brennstoffzirkulationskanal wandert, oder eine von der Brennstoffzelleneinheit abgegebene überschüssige Feuchtigkeit aus dem System entfernt werden können.From the publication DE 102 51 878 A1 is a fuel cell system with an actual fuel cell unit is known in which a drain valve is opened periodically and a hydrogen discharge. Thus, it is achieved that a nitrogen which travels through the fuel cell unit through a fuel circulation passage or an excess moisture discharged from the fuel cell unit can be removed from the system.

Neben einer notwendigen Anlage (Hardware) sowie einer Steuerung besteht ein weiterer Nachteil einer solchen Entleerungseinrichtung darin, dass aufgrund eines Verlusts des Brennstoffs, welcher durch die Entleerung zwangsläufig auftritt, der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems sinkt.Next a necessary system (hardware) and a controller Another disadvantage of such an emptying device is that due to a loss of fuel, which by the emptying inevitably occurs, the efficiency of the fuel cell system sinks.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei denen bei Beibehaltung eines guten Wirkungsgrades dem sich im Anodenraum anreichernden Inertgas Rechnung getragen wird.The The object of the present invention is a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system to create, while maintaining good efficiency the inert gas that accumulates in the anode compartment is taken into account becomes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1, sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Patentanspruch 8, gelöst.These The object is achieved by a method with the features of claim 1, and by a fuel cell system with the features of claim 8, solved.

Vorteilhafte Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments and embodiments of the invention are in specified in the dependent claims.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens wird elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelleneinheit durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels mit einem Brennstoff erzeugt. Bei dem Verfahren werden das Oxidationsmittel einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit über einen Kathodenzuführkanal und der Brennstoff einer Anode der Brennstoffzelleneinheit über einen Anodenzuführkanal zugeführt. Bei dem Verfahren wird ein Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal mittels einer Druckeinstelleinheit eingestellt, wobei ein wesentlicher Gedanke darin besteht, dass eine Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal mittels einer Konzentrationsbestimmungseinheit ermittelt wird, und eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und einem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit in Abhängigkeit der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal eingestellt wird.In a method according to the invention for operating a fuel cell system of a motor vehicle, electrical energy is generated by means of a fuel cell unit by an electrochemical reaction of an oxidizing agent with a fuel. In the method, the oxidant is supplied to a cathode of the fuel cell unit via a cathode supply passage and the fuel is supplied to an anode of the fuel cell unit via an anode supply passage. In the method, a pressure of the fuel in the anode supply passage is adjusted by means of a pressure adjusting unit, an essential idea being that a concentration of the fuel in the anode supply passage is detected by a concentration determining unit, and a pressure difference between the pressure of the fuel in the anode supply passage and a pressure difference Pressure of the oxidizing agent in the cathode supply passage by means of the pressure adjusting unit depending on the concentration of Fuel is set in the Anodenzuführkanal.

Mit anderen Worten besteht ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung darin, das Brennstoffzellensystem derart auszugestalten, dass dieses eine Konzentrationsbestimmungseinheit umfasst, welche zum Ermitteln einer Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal ausgebildet ist, wobei die Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal herangezogen wird, um eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit einzustellen.With In other words, a basic idea of the present invention It is to design the fuel cell system such that this one Concentration determination unit comprises, which for determining a Concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal is formed, wherein the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal is used to a pressure difference between the pressure of the fuel in the anode feed channel and the pressure of the oxidant in the cathode feed channel Adjust by means of the pressure setting unit.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Anreicherung eines Inertgases in einem Anodenraum bzw. einem Anodenkreis (Anodenloop) einen Gleichgewichtszustand, bedingt durch eine Membran des Brennstoffzellensystems, aufweist, so dass immer ein relevanter Anteil des Brennstoffs im Anodenraum vorhanden ist. Allerdings ist dieser Anteil unter normalen Umständen für das Brennstoffzellensystem nicht ausreichend, um ein akzeptables Leistungsverhalten (Performance) zu liefern bzw. um ohne eine Unterversorgung betrieben zu werden. Dieses Gleichgewicht ist vor allem abhängig von einem Verhältnis der Partialdrücke des Inertgases auf beiden Seiten der Membran, also in dem Anodenraum und dem Kathodenraum. Wird die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal erhöht, so verschiebt sich dieses Gleichgewicht, so dass eine höhere Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal erreicht wird. Insbesondere kann die Druckdifferenz so weit erhöht werden, dass die Differenz der Partialdrücke des Inertgases zu Null wird. Wird die Druckdifferenz weiter erhöht, so kann sogar das Inertgas von dem Anodenraum in den Kathodenraum über die Membran durchdringen.Of the Invention is based on the finding that an enrichment an inert gas in an anode compartment or an anode circuit (anode loop) Equilibrium state, caused by a membrane of the fuel cell system, so that always a relevant proportion of the fuel in the anode compartment is available. However, this proportion is under normal circumstances for the fuel cell system is not sufficient to one to deliver acceptable performance (performance) or without be operated a shortage. This balance is especially depending on a ratio of partial pressures of the inert gas on both sides of the membrane, ie in the anode space and the cathode compartment. Will the pressure difference between the pressure of the fuel in the anode feed channel and the pressure the oxidizing agent in the cathode supply channel increases, so shifts this balance, leaving a higher Concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal is reached. In particular, the pressure difference can be increased so far be that the difference of the partial pressures of the inert gas becomes zero. If the pressure difference is further increased, so may even transfer the inert gas from the anode compartment into the cathode compartment penetrate the membrane.

In vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass der Anodenraum und/oder ein Abgaskanal nicht mehr entleert werden muss, um dem Inertgas Rechnung zu tragen. Weil der unverbrauchte Brennstoff nicht entfernt wird, wird hierdurch ein hoher Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erreicht. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Shutdown oder in Tiefgaragen, da hier ein Anoden-Purge, um H2-Emissionen zu vermeiden, nicht erwünscht oder gar unmöglich ist. Darüber hinaus kann hierdurch ein kostenreduziertes sowie bauteilreduziertes Brennstoffzellensystem geschaffen werden, da keine Entleerungseinrichtung mehr vorgesehen sein muss, um das Inertgas von dem Anodenraum zu entfernen. Außerdem wird, durch den erhöhten Anodendruck gegenüber den herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ein höherer Wirkungsgrad gewährleistet.Advantageously, it is achieved by the method according to the invention that the anode space and / or an exhaust gas channel no longer has to be emptied in order to take the inert gas into account. Because the unused fuel is not removed, thereby a high efficiency of the fuel cell system is achieved. Particularly advantageous is the application of the method according to the invention during shutdown or in underground garages, since here an anode purge in order to avoid H 2 emissions is not desirable or even impossible. In addition, a cost-reduced and component-reduced fuel cell system can be created as a result, since no emptying device must be provided to remove the inert gas from the anode compartment. In addition, higher efficiency is ensured by the increased anode pressure over conventional fuel cell systems.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Druckeinstelleinheit als ein Ventil ausgebildet ist, welches den Anodenzuführkanal mit einem Brennstoffspeicher koppelt. Bevorzugt umfasst der Brennstoff als Hauptkomponente den Wasserstoff, wobei das Oxidationsmittel vorzugsweise die Luft umfasst. Die Konzentrationsbestimmungseinheit kann beispielsweise in Form eines Konzentrationsbestimmungssensors bereitgestellt und insbesondere in dem Anodenzuführkanal angeordnet sein.Especially it can be provided that the Druckeinstelleinheit as a valve is formed, which the Anodenzuführkanal with a Fuel storage couples. Preferably, the fuel comprises Main component of the hydrogen, wherein the oxidizing agent is preferably includes the air. The concentration determination unit may, for example provided in the form of a concentration determination sensor and be arranged in particular in the Anodenzuführkanal.

In bevorzugter Weise wird ein Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal vorgegeben, wobei die Druckdifferenz so lange erhöht wird, bis die Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal den vorgegebenen Sollwert erreicht. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung bzw. einer Lastanforderung des Kraftwagens ermittelt wird. Dabei wird bevorzugt ein Kennfeld zuvor bestimmt, welches die Leistungsanforderung mit der Konzentration des Brennstoffs derart verknüpft, dass das Brennstoffzellensystem mit einer ausreichenden Konzentration des Brennstoffs versorgt wird. Dieses Kennfeld wird insbesondere für stationäre Betriebspunkte experimentell bestimmt.In Preferably, a desired value of the concentration of the fuel predetermined in the Anodenzuführkanal, wherein the pressure difference is increased until the concentration of the fuel reached in the Anodenzuführkanal the predetermined setpoint. In one embodiment, it is provided that the desired value the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal in response to a power request or a load request of the Motor vehicle is determined. In this case, a map is preferred before determines what the power requirement is with the concentration of the fuel linked such that the fuel cell system with a sufficient concentration of the fuel is supplied. This map is especially for stationary Operating points determined experimentally.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein nicht verbrauchter Brennstoff mittels einer Zirkulationseinrichtung dem Anodenzuführkanal rückgeführt wird, und eine Rezirkulationsrate bzw. eine Flussrate des Brennstoffs in Abhängigkeit der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal gesteuert wird.In an embodiment is provided that an unused Fuel returned by means of a circulation device the Anodenzuführkanal and a recirculation rate of the fuel depending on the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal is controlled.

Vorzugsweise wird die Reirkulationsrate des Brennstoffs in Abhängigkeit einer Umsatzrate der elektrochemischen Reaktion geregelt. Insbesondere kann eine Flussrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Brennstoffs sowie eines sich in einem Abgaskanal bzw. einem Rezirkulationskanal befindenden nicht verbrauchten Brennstoffs bestimmt werden, so dass aus der Kombination von Flussraten und darüber hinaus von Partialdrücken des Brennstoffs eine jeweils zu- oder abströmende Menge des Brennstoffs pro Zeiteinheit ermittelt werden kann. Daraus können Informationen über eine aktuelle Stöchiometrie bzw. der Umsatzrate der elektrochemischen Reaktion gewonnen werden. Beispielsweise kann so festgestellt werden, ob der Brennstoff und das Oxidationsmittel im richtigen, der elektrochemischen Reaktion entsprechenden Mengenverhältnis zugeführt werden. Insbesondere im Falle, dass der Brennstoff sowie das Oxidationsmittel in einem Mengenverhältnis, welcher der elektrochemischen Reaktion nicht entspricht, zugeführt werden, kann vorgesehen sein, dass die Rezirkulationsrate so weit erhöht wird, dass eine gewünschte, der elektrochemischen Reaktion entsprechende Menge des Brennstoffs pro Zeiteinheit erzielt wird.Preferably, the circulation rate of the fuel is controlled as a function of a conversion rate of the electrochemical reaction. In particular, a flow rate or flow rate of the supplied fuel as well as an unconsumed fuel located in an exhaust gas channel or a recirculation channel can be determined, such that from the combination of flow rates and, moreover, partial pressures of the fuel, a respective amount of the fuel flowing in or out can be determined per unit of time. From this information about a current stoichiometry or the conversion rate of the electrochemical reaction can be obtained. For example, it can be determined whether the fuel and the oxidizing agent are supplied in the correct ratio corresponding to the electrochemical reaction. In particular, in the case that the fuel and the oxidizing agent in a quantitative ratio, which the electrochemical Reak tion can be supplied, it can be provided that the recirculation rate is increased so that a desired, the electrochemical reaction corresponding amount of the fuel per unit time is achieved.

In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein nicht verbrauchter Brennstoff aus einem Anodenraum mittels einer Entleerungseinrichtung entfernt wird. Bei dieser Ausführungsform kann bevorzugt die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels im Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit bis zu einem vorgegebenen Grad, bei welchem ein Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal noch nicht erreicht wird, erhöht werden und zusätzlich kann der nicht verbrauchte Brennstoff aus dem Anodenraum mittels der Entleerungseinrichtung entfernt werden. Gegenüber den herkömmlichen Brennstoffzellensystemen besteht dabei ein Vorteil darin, dass die Menge des nicht verbrauchten Brennstoffs und des Inertgases hier aufgrund der Erhöhung der Druckdifferenz wesentlich geringer ist. Hierdurch wird gegenüber den herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ein höherer Wirkungsgrad gewährleistet.In an embodiment may be provided that a not spent fuel from an anode compartment by means of an emptying device Will get removed. In this embodiment may be preferred the pressure difference between the pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal and the pressure of the oxidant in the cathode feed channel by means of the pressure adjusting unit to a predetermined degree, in which a set point of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal still is not achieved, increased and in addition can the unused fuel from the anode compartment by means of the emptying device are removed. Compared to the There is a conventional fuel cell systems Advantage in that the amount of unused fuel and of the inert gas here due to the increase in the pressure difference is much lower. This is compared to the conventional Fuel cell systems ensures higher efficiency.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem für einen Kraftwagen umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, welche zum Erzeugen von elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels mit einem Brennstoff ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Kathodenzuführkanal, über welchen das Oxidationsmittel einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist, sowie einen Anodenzuführkanal, über welchen der Brennstoff einer Anode der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Druckeinstelleinheit, mittels welcher ein Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal einstellbar ist. Ein Grundgedanke bei dem Brennstoffzellensystem besteht darin, dass dieses eine Konzentrationsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal umfasst, und eine Regel und/oder Steuereinheit vorgesehen ist, welche zum Einstellen einer Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und einem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal über die Druckeinstelleinheit in Abhängigkeit der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal ausgebildet ist.One Inventive fuel cell system for a motor vehicle comprises a fuel cell unit, which for Generating electrical energy by an electrochemical reaction of a Oxidizing agent is formed with a fuel. The fuel cell system includes a cathode feed channel over which the oxidizing agent of a cathode of the fuel cell unit can be fed and an anode delivery channel over which the fuel of an anode of the fuel cell unit can be fed is. The fuel cell system further includes a pressure adjusting unit, by means of which a pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal is adjustable. A basic idea in the fuel cell system is that this is a concentration determination device for determining a concentration of the fuel in the anode feed channel includes, and a rule and / or control unit is provided, which for adjusting a pressure difference between the pressure of the fuel in the anode feed channel and a pressure of the oxidant in the cathode supply passage via the pressure adjusting unit depending on the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal is formed.

Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems anzusehen.advantageous Embodiments of the method according to the invention are as advantageous embodiments of the invention To look at fuel cell system.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of individual preferred embodiments as well as from the drawings.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 1 a flowchart for a method for operating a fuel cell system of a motor vehicle according to a first embodiment of the invention.

2 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 2 a flowchart for a method for operating a fuel cell system of a motor vehicle according to a second embodiment of the invention.

Die nachstehend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.The Below described embodiments represent preferred embodiments of the present invention represents.

Ein Verfahren nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens ausgelegt. Dabei wird elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelleneinheit durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels mit einem Brennstoff erzeugt, wobei das Oxidationsmittel einer Kathode, und genauer gesagt einem Kathodenraum, der Brennstoffzelleneinheit über einen Kathodenzuführkanal zugeführt wird. Ferner wird der Brennstoff einer Anode, insbesondere einem Anodenraum, der Brennstoffzelleneinheit über einen Anodenzuführkanal zugeführt.One Method according to a first embodiment of the present invention The invention is for operating a fuel cell system of Motor vehicle designed. In this case, electrical energy by means of a Fuel cell unit by an electrochemical reaction of a Oxidant produced with a fuel, wherein the oxidizing agent of a Cathode, and more specifically a cathode compartment, the fuel cell unit over a cathode feed channel is supplied. Further the fuel of an anode, in particular an anode space, the fuel cell unit via an Anodenzuführkanal fed.

Überdies ist eine Druckeinstelleinheit bereitgestellt, mittels welcher ein Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal eingestellt werden kann.moreover a Druckeinstelleinheit is provided, by means of which a Pressure of the fuel set in the Anodenzuführkanal can be.

Ein Flussdiagramm für das Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 wiedergegeben. Das Verfahren startet in einem ersten Schritt 1. Zunächst wird in einem zweiten Schritt 2 eine Leistungsanforderung bzw. eine Fahrpedalanforderung bestimmt, welche einer für den Betrieb benötigten Leistung entspricht. Anschließend wird in einem dritten Schritt 3 aus der Fahrpedalanforderung eine einzustellende Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal, also ein Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal, bestimmt. Hierzu wird ein Kennfeld zuvor bestimmt, welches die Leistungsanforderung mit der Konzentration des Brennstoffs derart verknüpft, dass das Brennstoffzellensystem mit einer ausreichenden Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal versorgt wird. Dieses Kennfeld wird für stationäre Betriebspunkte experimentell bestimmt.A flow chart for the method according to the first embodiment of the invention is shown in FIG 1 played. The procedure starts in a first step 1 , First, in a second step 2 determines a power demand or an accelerator pedal request that corresponds to a power required for the operation. Subsequently, in a third step 3 from the accelerator pedal request a concentration of the fuel to be set in the Anodenzuführkanal, ie a target value of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal determined. For this purpose, a map is previously determined, which combines the power requirement with the concentration of the fuel such that the fuel cell system is supplied with a sufficient concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal. This map is determined experimentally for stationary operating points.

In einem vierten Schritt des Verfahrens wird ein aktueller Wert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal gemessen. Hierzu umfasst das Brennstoffzellensystem eine Konzentrationsbestimmungseinheit, mittels welcher die Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal ermittelbar ist. Wird der aktuelle Wert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal ermittelt, so wird anschließend in einem fünften Schritt 5 des Verfahrens eine Differenz des ermittelten aktuellen Werts der Konzentration des Brennstoffs und des zuvor bestimmten Sollwerts der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal ermittelt. Ist der aktuelle Wert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal größer als der Sollwert bzw. ist die Differenz des aktuellen Werts der Konzentration des Brennstoffs und des Sollwerts der Konzentration größer als Null, so wird in einem nächsten Schritt 6a des Verfahrens eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und einem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit verringert. Dies wird durch ein Verringern des Drucks des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit erreicht. Ist hingegen der aktuelle Wert der Konzentration des Brennstoffs kleiner als der Sollwert der Konzentration, so wird in einem alternativen Schritt 6b des Verfahrens die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit erhöht. Dies wird durch ein Erhöhen des Drucks des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal gewährleistet.In a fourth step of the method, an actual value of the concentration of the fuel in the anode feed channel is measured. To this order summarizes the fuel cell system, a concentration determination unit, by means of which the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal can be determined. If the current value of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal determined, then in a fifth step 5 the method determines a difference of the determined current value of the concentration of the fuel and the previously determined desired value of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal. If the current value of the concentration of the fuel in the anode feed channel is greater than the desired value, or if the difference between the current value of the concentration of the fuel and the desired value of the concentration is greater than zero, then in a next step 6a the method reduces a pressure difference between the pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal and a pressure of the oxidizing agent in the Kathodenzuführkanal by means of Druckeinstelleinheit. This is achieved by reducing the pressure of the fuel in the anode feed channel by means of the pressure setting unit. If, however, the current value of the concentration of the fuel is less than the desired value of the concentration, then in an alternative step 6b of the method increases the pressure difference between the pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal and the pressure of the oxidizing agent in the Kathodenzuführkanal by means of Druckeinstelleinheit. This is ensured by increasing the pressure of the fuel in the anode feed channel.

Im vorliegenden Beispiel wird die Druckdifferenz so lange erhöht, bis die Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal den vorgegebenen Sollwert erreicht. Durch das Erhöhen der Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal wird vorliegend einem Inertgas Rechnung getragen. Denn in dem Anodenraum reichern sich auf Dauer Inertgase, beispielsweise von einem Druckspeicher oder über Diffusionsprozesse einer Membran des Brennstoffzellensystems, an. Diese Anreicherung hat, bedingt durch die Membran, einen Gleichgewichtszustand, so dass immer ein relevanter Anteil an Brennstoff im Anodenraum vorhanden ist. Unter normalen Umständen ist dieser Anteil für die Brennstoffzelleneinheit nicht ausreichend, um eine akzeptable Performance zu liefern. Hierbei zeigt sich das Erhöhen der Druckdifferenz in Abhängigkeit der ermittelten Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal besonders vorteilhaft. Erhöht man nämlich die Druckdifferenz, so verschiebt sich dieses Gleichgewicht, so dass eine höhere Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal erreicht wird. Dabei wird eine Differenz der Partialdrücke der Inertgase in dem Anodenraum und dem Kathodenraum zu Null oder sogar so weit erhöht, dass das Inertgas von dem Anodenraum in den Kathodenraum durchdringt. Ein besonderer Vorteil besteht hierbei darin, dass keine Entleerungseinrichtung zum Entfernen eines nicht verbrauchten Brennstoffs und somit des Inertgases notwendig ist, um eine vorgegebene Leistung des Brennstoffzellensystems zu erreichen. Das Verfahren endet in einem weiteren Schritt 7.In the present example, the pressure difference is increased until the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal reaches the predetermined setpoint. By increasing the pressure difference between the pressure of the fuel in the anode feed passage and the pressure of the oxidant in the cathode feed passage, an inert gas is presently provided. Inert gases, for example from an accumulator or via diffusion processes of a membrane of the fuel cell system, accumulate in the anode chamber in the long run. Due to the membrane, this enrichment has an equilibrium state, so that there is always a relevant amount of fuel in the anode compartment. Under normal circumstances, this fraction is insufficient for the fuel cell unit to provide acceptable performance. In this case, increasing the pressure difference as a function of the determined concentration of the fuel in the anode feed channel is particularly advantageous. If the pressure difference is increased, this equilibrium shifts so that a higher concentration of the fuel in the anode feed channel is achieved. In this case, a difference of the partial pressures of the inert gases in the anode space and the cathode space is increased to zero or even so far that the inert gas penetrates from the anode space into the cathode space. A particular advantage here is that no emptying device for removing an unused fuel and thus the inert gas is necessary to achieve a predetermined performance of the fuel cell system. The process ends in a further step 7 ,

Ein Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens ausgelegt. Ein Flussdiagramm für das Verfahren ist in 2 dargestellt. Die Schritte 1 bis 5 sowie 6a und 6b des Verfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechen den Schritten 1 bis 5 sowie 6a und 6b des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Vorliegend wird auf die vorstehend näher geschilderten Schritte 1 bis 5 sowie 6a und 6b nicht mehr eingegangen. Wird die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal im Schritt 6a erhöht, so endet das Verfahren in einem weiteren Schritt 7. Wird hingegen die Druckdifferenz aufgrund des Ergebnisses vom Schritt 5 des Verfahrens erhöht, so wird in einem weiteren Schritt 8 eine Differenz zwischen einem aktuellen Wert des Drucks des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und einem Grenzwert des Drucks des Brennstoffs ermittelt. Ist die ermittelte Differenz kleiner als Null bzw. ist der aktuelle Wert des Drucks des Brennstoffs kleiner als der Grenzwert, so endet das Verfahren in einem weiteren Schritt 7. Ist hingegen die ermittelte Differenz größer als Null bzw. ist der aktuelle Wert des Drucks des Brennstoffs größer als der Grenzwert, so wird in einem weiteren Schritt 9 die Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal beendet. Anschließend wird in einem weiteren Schritt 10 eine Differenz zwischen einem aktuellen Wert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Sollwert der Konzentration erneut ermittelt. An dieser Stelle sei erwähnt, dass das Brennstoffzellensystem im vorliegenden Beispiel eine Entleerungseinrichtung umfasst, welche zum Entfernen eines nicht verbrauchten Brennstoffs und somit zum Entfernen des Inertgases ausgebildet ist. Die Entleerungseinrichtung umfasst vorliegend ein Entleerungsventil sowie einen Entleerungskanal. Wird im Schritt 10 festgestellt, dass der aktuelle Wert der Konzentration des Brennstoffs kleiner als der Sollwert ist, so wird das Entleerungsventil in einem weiteren Schritt 11 geöffnet und der nicht verbrauchte Brennstoff sowie das Inertgas entfernt. Anschließend wird eine Rückkehr zum Schritt 10 vorgenommen, und die Differenz zwischen dem aktuellen Wert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Sollwert der Konzentration wird erneut ermittelt. Wird nun festgestellt, dass der aktuelle Wert der Konzentration des Brennstoffs größer als der Sollwert der Konzentration ist, so wird in einem weiteren Schritt 12 das Entleerungsventil geschlossen und das Verfahren anschließend im Schritt 7 beendet.A method according to a second embodiment of the invention is designed for operating a fuel cell system of a motor vehicle. A flow chart for the method is in 2 shown. The steps 1 to 5 such as 6a and 6b of the method according to the second embodiment correspond to the steps 1 to 5 such as 6a and 6b the method according to the first embodiment. The present will be based on the above-described steps 1 to 5 such as 6a and 6b not received anymore. If the pressure difference between the pressure of the fuel in the anode supply passage and the pressure of the oxidant in the cathode supply passage in step 6a increased, the process ends in a further step 7 , If, however, the pressure difference due to the result of the step 5 of the procedure increases, so in a further step 8th Determines a difference between a current value of the pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal and a limit value of the pressure of the fuel. If the determined difference is less than zero or if the current value of the pressure of the fuel is less than the limit value, the method ends in a further step 7 , If, on the other hand, the determined difference is greater than zero or if the current value of the pressure of the fuel is greater than the limit value, then in a further step 9 the increase in the pressure difference between the pressure of the fuel in the anode supply passage and the pressure of the oxidant in the cathode supply passage ends. Subsequently, in a further step 10 a difference between a current value of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal and the target value of the concentration again determined. At this point, it should be mentioned that the fuel cell system in the present example comprises an emptying device, which is designed to remove an unused fuel and thus to remove the inert gas. The emptying device in the present case comprises a drain valve and an emptying channel. Will in step 10 determined that the current value of the concentration of the fuel is less than the target value, the drain valve is in a further step 11 opened and the unused fuel and the inert gas removed. Subsequently, a return to the step 10 is made, and the difference between the current value of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal and the target value of the concentration is determined again. Now it is determined that the current value of the concentration of the fuel is greater than the target value of the concentration, so in a further step 12 the drain valve is closed and then the procedure in step 7 completed.

Das oben näher beschriebene Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt somit eine Ausführungsform dar, bei welcher die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit bis zu einem vorgegebenen Grad, vorliegend bis zu dem Grenzwert, bei welchem der Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal noch nicht erreicht wird, erhöht wird. Bei dieser Ausführungsform wird zusätzlich die Entleerungseinrichtung eingesetzt, mittels welcher der Rest des Inertgases und ein nicht verbrauchter Brennstoff von dem Anodenraum entfernt werden. Somit ist die zu entfernende Menge des nicht verbrauchten Brennstoffs und des Inertgases geringer als bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen.The above described method according to the second embodiment of the invention thus provides an embodiment in which the pressure difference between the pressure of the fuel in the anode feed channel and the pressure of the oxidant in the cathode feed channel by means of the pressure adjusting unit to a predetermined degree, in the present case up to the limit value at which the nominal value of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal not yet reached is increased. In this embodiment In addition, the emptying device is used, by means of which the rest of the inert gas and an unused Fuel can be removed from the anode compartment. So that's too removing amount of the unused fuel and the inert gas less as in conventional fuel cell systems.

1, 2, 3, 4, 5, 6a, 6b, 7, 8, 9, 10, 11, 121, 2, 3, 4, 5, 6a, 6b, 7, 8, 9, 10, 11, 12
Schrittesteps

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10251878 A1 [0004] - DE 10251878 A1 [0004]

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftwagens, bei welchem elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelleneinheit durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels mit einem Brennstoff erzeugt wird, das Oxidationsmittel einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit über einen Kathodenzuführkanal und der Brennstoff einer Anode der Brennstoffzelleneinheit über einen Anodenzuführkanal zugeführt werden, und ein Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal mittels einer Druckeinstelleinheit eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal mittels einer Konzentrationsbestimmungseinheit ermittelt wird, und eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und einem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit in Abhängigkeit der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal eingestellt wird.A method of operating a fuel cell system of a motor vehicle in which electrical energy is generated by means of a fuel cell unit by an electrochemical reaction of an oxidant with a fuel, the oxidant is supplied to a cathode of the fuel cell unit via a Kathodenzuführkanal and the fuel of an anode of the fuel cell unit via an Anodenzuführkanal, and adjusting a pressure of the fuel in the anode supply passage by means of a pressure adjusting unit, characterized in that a concentration of the fuel in the anode supply passage is detected by a concentration determining unit, and a pressure difference between the pressure of the fuel in the anode supply passage and a pressure of the oxidizing agent in the cathode supply passage the pressure adjusting unit is adjusted depending on the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem A nodenzuführkanal vorgegeben wird, und die Druckdifferenz solange erhöht wird, bis die Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal den vorgegebenen Sollwert erreicht.Method according to claim 1, characterized in that that a target value of the concentration of the fuel in the A nodenzuführkanal is given, and increases the pressure difference as long until the concentration of the fuel in the anode feed channel reached the predetermined setpoint. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung des Kraftwagens ermittelt wird.Method according to claim 2, characterized in that that the target value of the concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal depending on a power requirement of the motor vehicle is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der elektrochemischen Reaktion nicht verbrauchter Brennstoff mittels einer Rezirkulationseinrichtung dem Anodenzuführkanal rückgeführt wird, und eine Rezirkulationsrate des Brennstoffs in Abhängigkeit der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal gesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that one in the electrochemical reaction unused fuel by means of a recirculation device Anodenzuführkanal is recycled, and a recirculation rate of the fuel as a function of Concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal is controlled. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsrate des Brennstoffs in Abhängigkeit einer Umsatzrate der elektrochemischen Reaktion geregelt wird.Method according to claim 4, characterized in that that the recirculation rate of the fuel in dependence a conversion rate of the electrochemical reaction is regulated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht verbrauchter Brennstoff aus einem Anodenraum mittels einer Entleerungseinrichtung entfernt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an unused fuel from an anode compartment is removed by means of an emptying device. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und dem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal mittels der Druckeinstelleinheit bis zu einem vorgegebenen Grad, bei welchem ein Sollwert der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal noch nicht erreicht wird, erhöht wird, und zusätzlich der nicht verbrauchte Brennstoff aus dem Anodenraum mittels der Entleerungseinrichtung entfernt wird.Method according to Claim 6, characterized that the pressure difference between the pressure of the fuel in the Anodenzuführkanal and the pressure of the oxidant in the cathode supply channel by means of Druckeinstelleinheit to a predetermined degree at which a setpoint of concentration of the fuel in the Anodenzuführkanal not yet reached is increased, and in addition the unused Fuel from the anode compartment by means of the emptying device Will get removed. Brennstoffzellensystem für einen Kraftwagen, mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche zum Erzeugen von elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion eines Oxidationsmittels mit einem Brennstoff ausgebildet ist, mit einem Kathodenzuführkanal, über welchen das Oxidationsmittel einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist, mit einem Anodenzuführkanal, über welchen der Brennstoff einer Anode der Brennstoffzelleneinheit zuführbar ist, und mit einer Druckeinstelleinheit, mittels welcher ein Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem eine Konzentrationsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal umfasst, und eine Regel- und/oder Steuereinheit vorgesehen ist, welche zum Einstellen einer Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal und einem Druck des Oxidationsmittels in dem Kathodenzuführkanal über die Druckeinstelleinheit in Abhängigkeit der Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenzuführkanal ausgebildet ist.Fuel cell system for a motor vehicle, with a fuel cell unit, which for generating electrical Energy through an electrochemical reaction of an oxidizing agent is formed with a fuel, with a Kathodeenzuführkanal, about which the oxidizing agent of a cathode of the fuel cell unit can be fed, with an Anodeenzuführkanal, about which the fuel of an anode of the fuel cell unit can be fed is, and with a Druckeinstelleinheit, by means of which a pressure the fuel in the Anodenzuführkanal is adjustable, characterized in that the fuel cell system is a concentration determining means for determining a concentration of the fuel in the anode feed channel includes, and a control and / or control unit is provided, which for adjusting a pressure difference between the pressure of Fuel in the Anodenzuführkanal and a pressure of the Oxidant in the Kathodenzuführkanal over the pressure adjusting unit depending on the concentration of the fuel is formed in the Anodenzuführkanal.
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