JP2006120342A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動への追従性の良い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素流路または空気流路と、冷却水流路１１を設けたセパレータ３４を有する燃料電池１において、冷却水流路１１の下流側の冷却水流路の溝底を弾性部材１４で構成し、弾性部材１４の背面に圧力調整部１５を設ける。そして冷却水流路１１を流れる冷却水の流量が少ない場合に、圧力調整部１５の圧力を高くし、弾性部材１４によって冷却水流路１１の冷却水流路断面積を小さくする。
【選択図】図３ｂ

Description

本発明は負荷変動に対して追従性の良い燃料電池に関するものである。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。

陽極（アノード）反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- 式（１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ 式（２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

こうした燃料電池スタックを高負荷運転する場合には、カソード流路の上流から下流側に向かうにしたがって、温度が上昇するように温度分布をつけると、下流域でのフラッディングが抑制され性能が向上することが公知となっている。

しかしながら、車載用として燃料電池を使用する場合のように、低負荷運転から高負荷運転に急激に負荷を変動させた場合には、単位セル内の温度分布がその負荷変動に応じた適正な状態にすぐにはならないので、負荷変動させた瞬間からしばらくの間は負荷変動に応じた出力を出すことができない。

そこで例えば、低負荷から高負荷に急激に負荷が増加した場合には、冷却水の流量を少なくし燃料電池の反応熱が冷却水によって燃料電池外部に持ち出される量を少なくして、ガス流路の下流側での温度をできるだけ早く上昇させるようにする。また、高負荷から低負荷に急激に負荷が減少した場合は低負荷時の生成水量が少ないことから燃料電池の冷却が遅くなると下流側で燃料電池の熱によって膜が乾燥状態になってしまうため、冷却水の流量を増やし、素早く燃料電池を冷却することが必要である。そこで、燃料電池の運転状況および燃料電池入り出の温度差に応じて冷却水流量をコントロールするものが特許文献１に開示されている。
特開２００３−２６７０６５号公報

しかし、上記の発明では、冷却水の流量を少なくした場合に冷却水の流量を少なくすると、単位セル間に分配される冷却水の流量にばらつきが生じ、単位セル間で温度をばらつきが生じ、燃料電池を劣化させる恐れがあるので、冷却水の流量を少なくすることができず、負荷変動に対して燃料電池の負荷追従性を良くすることができない、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、単位セル間での温度のばらつきを防止し、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の負荷追従性を良くすることを目的とする。

本発明では、水素または酸化剤が流れるガス流路と、ガス流路を設けた面の背面に冷却水が流れる冷却水流路を設けたセパレータを有する燃料電池と、冷却水流路に冷却水を供給し、燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、冷却水流路を流れる冷却水の流量が少ない場合に冷却水の冷却水流れ方向の冷却水流路断面積を小さくする冷却水流路断面積制御手段を備える。

本発明によると、冷却水の流量が少ない場合に、冷却水流路の流路断面積を小さくすることができるので、冷却水流路の流路抵抗が大きくなる。そのため冷却水流路の圧力が高くなり、冷却水が少ない場合でも燃料電池に流れる冷却水を均一に流すことができ、燃料電池の劣化を防止することができる。そのため、例えば燃料電池の負荷が急激に増えた場合でも、より少ない冷却水を燃料電池に均一に供給できるので、負荷変化に対して燃料電池の負荷追従性を良くすることができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムについて図１の概略図を用いて説明する。

この実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、水素供給マニホールド２を介して燃料電池１に水素を供給する水素ボンベ３と、空気供給マニホールド４を介して燃料電池１に空気を供給するコンプレッサ５を備える。また、燃料電池１を冷却する冷却水を循環させる冷却水循環部（燃料電池冷却手段）６と、後述する冷却水流路１１の冷却水流路断面積を変更する冷却水流路断面積変更部（冷却水流路断面積制御手段）７を備える。

ここで燃料電池１について図２の概略図を用いて説明する。燃料電池１は単位セル３０を積層して構成される。単位セル３０は電解質膜３１の両面にガス拡散層３２、３３を設け、その外側にセパレータ３４、３５を備える。ガス拡散層３２、３３はカーボンに白金などの触媒を担持させている。ここではガス拡散層３２とセパレータ３４をアノード３６とし、ガス拡散層３３とセパレータ３５をカソード３７とする。

次にセパレータ３４について図３ａ、ｂを用いて説明する。図３ａは単位セル積層方向から見た正面図であり、図３ｂは図３ａのＡ−Ａ断面図である。

セパレータ３４は水素ボンベ３から水素流路（ガス流路、図示せず）に水素を供給する水素供給マニホールド２と、単位セル３０で使用されなかった水素を含む排出ガスを単位セル３０から排出する水素排出マニホールド８と、コンプレッサ５から空気流路（ガス流路、図示せず）に空気を供給する空気供給マニホールド４と、単位セル３０で使用されなかった空気を含む排出ガスを単位セル３０から排出する空気排出マニホールド９を備える。また、後述する圧力調整部１４に空気を供給する圧力調整部マニホールド１０を備える。また、単位セル３０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路１１と、冷却水流路１１に冷却水を供給する冷却水供給マニホールド１２と、冷却水を冷却水流路１１から排出する冷却水排出マニホールド１３を備える。

冷却水流路１１の下流部は、冷却水流路１１の溝底が弾性部材１４で構成され、弾性部材１４で構成された溝底の背面側に空間１５を設ける。つまり空間１５と冷却水流路１１を弾性部材１４で隔離している。この空間１５内の圧力を調整することで、冷却水流路１１の下流部の冷却水流路断面積を制御する（以下、この空間１５を圧力調整部１５とする）。この圧力調整部１５は圧力調整部マニホールド１０と連通しており、後述する冷却水流路変更部７によって圧力調整部１５内の圧力が制御される。なお、圧力調整部１５は、弾性部材１２の背面側にだけ設けられ、圧力調整部マニホールド１０以外とは連通していない。なお、圧力調整部マニホールド１０はコンプレッサ５と接続していない端部は、閉塞されている。つまり、一方が閉塞された圧力調整部マニホールド１０を介して圧力調整部１５に空気が供給、排出される。弾性部材１２が変形した場合でも圧力調整部１５に冷却水が流れないようにセパレータ１１と弾性部材１２の間にはシール部材を設ける。

次に圧力調整部１５に圧力調整部マニホールド１０を介して空気を導入、排出させて冷却水流路１１の冷却水流路断面積を変更する冷却水流路変更部７について説明する。冷却水流路変更部７は、コンプレッサ５と圧力調整部マニホールド１０を接続する空気導入路４０と、空気導入路４０から分岐し、燃料電池１の外部と圧力調整部マニホールド１０を接続する空気排出路４１を備える。空気導入路４０には空気排出路４１と分岐するよりも上流側に圧力制御弁４２を備え、空気排出路４１にはバルブ４３を備える。また、圧力調整部マニホールド１０の上流に圧力調整部１５の圧力を検出する圧力センサ４４を備える。

冷却水流路変更部７は以上の構成によって、圧力制御弁４２を開き、バルブ４３を閉じてコンプレッサ５からセパレータ３４の圧力調整部１５に空気を導入し、圧力調整部１５の圧力を高くすることができる。また、圧力制御弁４２と閉じ、バルブ４３を開いて空気排出路４１から圧力調整部１５内の空気を外部へ排出させて、圧力調整部１５の圧力を低くすることができる。弾性部材１４は圧力調整部１５の圧力と冷却水流路１１の圧力によって変形し、冷却水流路１１の冷却水流路断面積、つまり流路抵抗を変更することができる。

なお、この実施形態では空気排出路４１を空気導入路４０から分岐させたが、圧力調整部マニホールド１０の一方を閉塞させずに空気排出路４１と接続、つまり圧力調整部マニホールド１０の一方が空気導入路４０と接続し、もう一方が空気排出路４１と接続するようにしてもよい。

次に燃料電池１を冷却する冷却水循環部６について説明する。冷却水循環部６は、冷却水を蓄える冷却水タンク２０と、冷却水タンク２０内の冷却水を冷却水供給マニホールド１２を介して冷却水流路１１に循環させるポンプ２１と、冷却水排出マニホールド１３を介して冷却水流路１１から排出された冷却水を冷却するラジエータ２２を備える。冷却水タンク２０内の冷却水はポンプによって燃料電池１の冷却水流路１１を通り、燃料電池１を冷却する。そして温度の高くなった冷却水はラジエータ２２によって冷却され、再び冷却水タンク２０内に戻される。また、燃料電池１に供給する冷却水の温度を検出する温度センサ２３と、燃料電池１から排出された冷却水温度を検出する温度センサ２４と、燃料電池１から排出された冷却水の圧力を検出する圧力センサ２５を備える。

また、温度センサ２３、２４、圧力センサ２５、４４によって検出した温度、圧力から水素流量制御弁１６、燃料電池１内の圧力を調整する調圧弁１７、１８、ポンプ２１、圧力制御弁４２、バルブ４３などを制御するコントローラ１００を備える。

以上の構成によって、圧力調整部１５の圧力を変化させて弾性部材１４を変形させ、冷却水流路１の下流部の冷却水流路断面積を変更することができ、燃料電池１の冷却性能を制御することができる。

次に圧力調整部１５の圧力と、冷却水流路１１の圧力、すなわち冷却水流路１１の水圧の圧力差による弾性部材１４の様子を図４、図５を用いて説明する。図４は圧力調整部１５の圧力が冷却水流路１１の圧力よりも小さい場合であり、図５は圧力調整部１５の圧力が冷却水流路１１の圧力よりも大きい場合である。また、圧力調整部１５の圧力と冷却水流路１１の圧力差と冷却水流路１１の断面積との関係を図６に示す。なお、図６において圧力調整部１５の圧力が高い場合を正とする。

バルブ４３が閉じ、圧力調整弁４２が開くと、コンプレッサ５によって圧力調整部１５内に空気が供給され、圧力調整部１５内の圧力が高くなる。そして冷却水流路１１を流れる冷却水の圧力よりも圧力調整部１５の圧力が高くなり、その圧力差が所定圧よりも高くなると、弾性部材１４は図４に示すように冷却水流路１１の内部へ凸形状となるように変形する。これによって冷却水流路１１の下流部の冷却水流路断面積が小さくなり、冷却水流路１１の流路抵抗が大きくなる。冷却水流路１１を流れる冷却水の流量が少ない場合には、単位セル３０内の複数の冷却水流路１１に均一に冷却水を流すことが困難であるが、冷却水流路１１の流路抵抗を大きくすることで、冷却水流路１１内の圧力を高くし、複数の冷却水流路１１に均一に冷却水を流すことができる。

バルブ４３を開き、圧力調整弁４２を閉じると、圧力調整部１５が空気排出路４１を介して外部と連通することで、圧力調整部１５は大気圧となり、冷却水流路１１を流れる冷却水の水圧よりも圧力調整部１５の圧力が低くなり、その圧力差が所定圧よりも低くなると、弾性部材１４は図５に示すように圧力調整部１５の内部へ凸形状となるように変形する。これによって冷却水流路１１の下流部の冷却水流路断面積が大きくなり、流路抵抗が小さくなる。そのため冷却水流路１１の多くの冷却水を流すことができ、燃料電池１を素早く冷却することができる。

次にこの実施形態の冷却水流路１１の断面積制御について図７のフローチャートを用いて説明する。なお、通常時にはバルブ４３を開き、圧力制御弁４２を閉じて圧力調整部１５の圧力を大気圧とする。

ステップＳ１００では、図示しない負荷検出手段によって燃料電池１に要求された負荷ｒ２を検出し、現在の負荷ｒ１との時間あたりの負荷変動率Ｒを算出する。

ステップＳ１０１では、負荷変動率Ｒが規定値（第１所定値）Ｒ１よりも大きいかどうか判断する。そして負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きい場合にはステップＳ１０２へ進み、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも小さい場合にはステップＳ１０８へ進む。規定値Ｒ１は燃料電池１の負荷が低負荷から高負荷へ変化した場合に、燃料電池１に負荷の増加に伴い生成された水の増加によってフラッディングが生じる可能性のある負荷変動率である。

ステップＳ１０２では、燃料電池１の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池１の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池１の上流での冷却水温度を検出する。そして燃料電池１の下流と上流の温度差ΔＴ、つまり燃料電池１での熱交換により高くなった冷却水の温度差ΔＴを算出する。温度差ΔＴが大きくなると、燃料電池１と冷却水との熱交換量が多い、すなわち燃料電池１の温度が高くなっている状態を示す（ステップＳ１０２が温度検出手段を構成する）。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で算出したΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きいかどうか判断する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも小さい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも小さい場合には、燃料電池１の温度が低いと判断しステップＳ１０４へ進み、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きい場合には、燃料電池１の温度が高くなっていると判断しステップＳ１０７へ進む。規定温度差Ｔ１は、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きくなった場合に、負荷変動率Ｒにフラッディングを生じずに運転をすることが可能か否かを判断する温度差である。つまり、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きい場合には、燃料電池１の温度が高いので冷却水の流量を後述するＱ２としても燃料電池１にフラッディングを生じずに、燃料電池１に要求された負荷変動に応じて発電を行うことができる。

ステップＳ１０４では、燃料電池１の温度が低く、燃料電池１に要求された負荷変動に応じて発電を行うと、フラッディングを生じると判断されたので、ポンプ２１を制御して冷却水の流量ＱをＱ１に減少する。またバルブ４３を閉じ、圧力制御弁４２を開き、コンプレッサ５から圧力調整部１５に空気を供給する。そして圧力センサ４４と圧力センサ２５との圧力差ΔＰを算出し、圧力差ΔＰが所定の圧力差Ｐ１となるように圧力調整部１５を昇圧し、弾性部材１４を冷却水流路１１側へ凸形状となるように変形させる。これにより冷却水流路１１の冷却水流路断面積を小さくなり、冷却水流路１１の流路抵抗を大きくなる。流量Ｑ１と圧力差Ｐ１は負荷変動率Ｒによって予め設定される流量と圧力差であり、燃料電池１の温度を素早く上昇させ、フラッディングが生ずることがなく、かつ複数の単位セル３０の冷却水流路１１に冷却水を均一に流すことができる流量と圧力差である。なお、圧力差ΔＰが圧力差Ｐ１となった場合には、圧力制御弁４２を閉じて、圧力差ΔＰを圧力差Ｐ１に保つ（コンプレッサ５と圧力調整弁４２が圧力制御手段を構成する）。

この制御により、燃料電池１へ供給される冷却水の流量を減少することで、燃料電池１の温度を高くし、温度の高くなった燃料電池１の熱により負荷変動に応じて増加する生成水のフラッディングを防止することができる。また、冷却水流路１１の流路抵抗を大きくすることで、冷却水流路１１の圧力を高くし、冷却水の流量が減少しても各単位セル３０に均一に冷却水を流すことができ、単位セル３０の温度を均一にすることができる。そのため燃料電池１の劣化を防止することができる。

ステップＳ１０５では、燃料電池１の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池１の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池１の上流での冷却水温度を検出する。そして、燃料電池１の下流と上流の温度差ΔＴ、つまり燃料電池１での熱交換により高くなった冷却水の温度差ΔＴを算出する。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で算出したΔＴと規定温度差Ｔ２を比較する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ２よりも大きくなるとステップＳ１０７へ進む。規定温度差Ｔ２は冷却水の流量を後述するＱ２とした場合に、フラッディングを生じない温度まで燃料電池１が十分に温められ、かつ燃料電池１の温度が高くなり過ぎるのを防止、すなわち燃料電池１の過昇温による劣化を防止する温度差である。つまりステップＳ１０３とステップＳ１０６の規定温度差Ｔ１、Ｔ２は、冷却水の流量を後述するＱ２とする場合に、燃料電池１がフラッディングを生じない所定温度（第１所定温度）となることを示す。

ステップＳ１０７では、燃料電池１の温度が高く、燃料電池１がフラッディングを生じないと判断されたので、バルブ４３を開き、圧力調整部１５と外部を空気排出路４１によって連通させ、圧力調整部１５を大気圧とする。またポンプ２１を制御して冷却水の流量Ｑを流量Ｑ２とする。なお、流量Ｑ２は負荷ｒ２によって予め設定される流量であり、燃料電池１にフラッディング、ドライアウトを生じさせない温度に保つことのできる流量である。

この制御では圧力調整部１５を大気圧とすることで、弾性部材１４を圧力調整部１５側へ凸形状となるように変形させる。これにより冷却水流路１１の冷却水流路断面積を大きく、つまり流路抵抗を小さくすることで、ポンプ２１の負荷を低減し、燃料電池システムのシステム効率を良くすることができる。

一方、ステップＳ１０１において負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも小さいと判断した場合には、ステップＳ１０８において負荷変動率Ｒが規定値（第２所定値）Ｒ２よりも小さいかどうか判断する。そして、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さい場合にはステップＳ１０９へ進む。なお規定値Ｒ２は負の値であり、燃料電池１の負荷が高負荷から低負荷へ変化した場合である。また規定値Ｒ２は現在の冷却水の流量では、燃料電池１に負荷の減少に伴う生成水の減少によってドライアウトが生じる可能性のある負荷変動率である。負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも大きい場合、つまり負荷変動率Ｒが小さい場合（Ｒ２＜Ｒ＜Ｒ１）にはステップＳ１１５へ進む。

ステップＳ１０９では、燃料電池１の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池１の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池１の上流での冷却水温度を検出する。そして、燃料電池１の下流と上流の温度差ΔＴを算出する。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１０９で算出したΔＴが規定温度差Ｔ３よりも小さいかどうか判断する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも大きい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも大きい場合には、燃料電池１の温度が高くなっていると判断しステップＳ１１１へ進み、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも小さい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも小さい場合には、燃料電池１の温度が低いと判断しステップＳ１１４へ進む。規定温度差Ｔ３は、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さい場合に、燃料電池１がドライアウトを生じずに運転をすることが可能か否かを判断する温度差である。つまり、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも低い場合には、冷却水の流量を後述するＱ３としても燃料電池１にドライアウトを生じずに、燃料電池１に要求された負荷変動に応じて発電を行うことができる。

ステップＳ１１１では、燃料電池１の温度が高く、燃料電池１に要求された負荷変動に応じて発電を行うと、ドライアウトを生じると判断されたので、ポンプ２１を制御して冷却水の流量ＱをＱ３に増加させる。また、バルブ４３を開き、圧力制御弁４２を閉じ、圧力調整部１５を大気圧とする。これによって弾性部材１４を圧力調整部１５側へ凸形状となるように変形させる。これにより冷却水流路１１の冷却水流路断面積、つまり流路抵抗を小さくすることができる。冷却水の流量を増やすことで、燃料電池１を素早く冷却することができ、燃料電池１の水素流路、空気流路のドライアウトを防止することができる。また、流路抵抗を小さくすることで、ポンプ２１の負荷を低減し、燃料電池システムのシステム効率を良くすることができる。流量Ｑ３は負荷変動率Ｒによって予め設定され、燃料電池１にドライアウトを生じさせない流量である。

ステップＳ１１２では、燃料電池１の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池１の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池１の上流での冷却水温度を検出する。そして、燃料電池１の下流と上流の温度差ΔＴを算出する。

ステップＳ１１３では、ステップＳ１１０で算出したΔＴと規定温度差Ｔ４を比較する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ４よりも小さくなるとステップＳ１１４へ進む。規定温度差Ｔ４は冷却水の流量を後述するＱ４とした場合に、ドライアウトを生じない温度まで燃料電池１が十分に冷却され、かつ燃料電池１の温度が低くなり過ぎるのを防止する温度差である。つまりステップＳ１１０とステップＳ１１３の規定温度差Ｔ３、Ｔ４は、冷却水の流量をＱ４とする場合に、燃料電池１がドライアウトを生じない所定温度（第２所定温度）となることを示す。

ステップＳ１１４では、燃料電池１の温度が低く、燃料電池１に要求された変動に応じて発電を行っても、ドライアウトを生じないと判断されたので、ポンプ２１を制御して冷却水の流量ＱをＱ４に減少させる。またバルブ４３を閉じ、圧力制御弁４２を開き、コンプレッサ５から圧力調整部１５に空気を供給する。そして圧力センサ４４と圧力センサ２５との圧力差ΔＰを算出し、圧力差ΔＰが所定の圧力差Ｐ２となるように圧力調整部１５を昇圧し、弾性部材１４を冷却水流路１１側へ凸形状となるように変形させ、冷却水流路１１の冷却水流路断面積を小さくし、冷却水流路１１の流路抵抗を大きくする。流量Ｑ４と圧力差Ｐ２は負荷変動率Ｒによって予め設定される流量と圧力差であり、ドライアウトを生じさせずに複数の単位セル３０の冷却水流路１１に冷却水を均一に流すことができる流量と圧力差である。なお、圧力差ΔＰが圧力差Ｐ２となった場合には、圧力制御弁４２を閉じて、圧力差ΔＰを圧力差Ｐ２に保つ。

この制御では、冷却水の流量が少ない場合には冷却水流路１１の流路抵抗を大きくすることで、冷却水流路１１の圧力を高くし、各単位セル３０に冷却水を均一に流すことができ、燃料電池１の温度を均一にし、燃料電池１の劣化を防止することができる。

ステップＳ１０８で負荷変動率Ｒが既定値Ｒ２よりも小さい、すなわち負荷変動率Ｒが小さいと判断されると、ステップＳ１１５では、ステップＳ１００で要求された負荷ｒ２に応じて冷却水の流量を制御する。なお、要求された負荷ｒ２が小さく、冷却水の流量が少ない場合には、バルブ４３を閉じ、圧力制御弁４２を制御し、コンプレッサ５にから圧力調整部１５に空気を供給する。そして圧力センサ４４と圧力センサ２５との圧力差ΔＰを算出し、圧力差ΔＰが所定の圧力差となるように圧力調整部１５を昇圧し、弾性部材１４を冷却水流路１１側へ凸形状となるように変形させ、冷却水流路１１の冷却水流路断面積を小さくし、冷却水流路１１の流路抵抗を大きくし、冷却水の流量が少ない場合でも各単位セル３０に冷却水が均一に流す。

この制御では、負荷変動率Ｒが小さいので、負荷変動率Ｒ、つまり要求された負荷Ｒ２に応じて冷却水の流量を変えるだけで、負荷変動に追従して燃料電池１の温度を制御できる。

以上の制御により、冷却水流路１１の冷却水の流量が少ない場合には、圧力調整部１５にコンプレッサ５から空気を供給し、冷却水流路１１の流路抵抗を大きくすることで、冷却水を各単位セル３０に均一に流すことができ、燃料電池１の温度を均一にすることができ、燃料電池１の劣化を防止することができる。そのため低負荷から高負荷への負荷変動率Ｒが大きい場合に、燃料電池１の劣化を防止し、さらに冷却水の流量を少なくすることができ、燃料電池１の温度を素早く制御し、負荷変動に素早く追従することができる。

また、低負荷から高負荷への負荷変動率Ｒが大きい場合に、冷却水流路１１の流路抵抗を小さくすることで、ポンプ２１の負荷を低減し、燃料電池システムのシステム効率を良くすることができる。

なお、この実施形態では圧力調整部１５にコンプレッサ５から空気を導入したが、図８に示すように、水素ボンベ３から水素を圧力調整部１５に導入してもよい。このとき圧力調整部１５から排出された水素は、水素供給マニホールド２を介して、アノード３６に供給される。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

ここで、低負荷から高負荷へ或る負荷変動率で変動した場合（本発明のステップ１０３からステップＳ１０４）の時間経過に対する燃料電池の出力応答を図９に示す。なお、本発明を用いない場合の燃料電池１の出力を破線で示し、本発明を用いた場合の燃料電池１の出力を実線太線で示す。

時間ｔ１において、燃料電池１に要求された負荷が増加すると、燃料電池１の発電反応による生成水が増加するので、生成水によるフラッディングを防止するために冷却水の流量を減らし、燃料電池１の温度を上昇させる。

しかし、本発明を用いない場合には、冷却水の流量が少なくなると各単位セル３０を流れる冷却水にばらつきがでるために、燃料電池１の一部が過昇温になり、燃料電池１を劣化させないように冷却水の流量をあまり少なくすることができない。そのため、燃料電池１の温度を素早く高くすることができない。そのため、時間ｔ３において燃料電池１の出力が要求される出力となる。

一方、本発明を用いた場合には、負荷変動率に応じて冷却水流路１１の冷却水流路断面積を小さくし、流路抵抗を大きくする。これによって冷却水流路１１の圧力が高くなり、冷却水の流量を少なくした場合でも、各単位セル３０に冷却水を均一に流すことができる。そのため燃料電池１の劣化を防ぎ、さらに冷却水の流量をより少なくすることができるので、燃料電池１の温度を素早く高くすることができる。その結果時間ｔ３よりも短い時間ｔ２において、燃料電池１の出力が要求された出力となる。

この実施形態では、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも小さい場合には、冷却水の流量Ｑを流量Ｑ１に減らし、燃料電池１のフラッディングを防止する。さらに圧力調整部１５の圧力を高くすることで冷却水流路１１の冷却水流路断面積を小さくし、流路抵抗を小さくすることで各単位セル３０の冷却水流路１１に冷却水を均一に流すことができ、燃料電池１の劣化を防止することができる。そのため冷却水流路１１に流す冷却水をより少なくすることができ、燃料電池１の温度を素早く制御することができ、負荷変動に追従した燃料電池１の発電を行うことができる。

さらに、温度差ΔＴが所定温度差Ｔ１よりも小さくなると、圧力調整部１５を大気圧とし、冷却水の流路を増やすことで、ポンプ２１の負荷を低減し、燃料電池システムの効率を良くすることができる。

また、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ２よりも大きい場合には、冷却水の流量Ｑを流量Ｑ３に増やし、圧力調整部１５を大気圧とすることで、流路抵抗を小さくし、冷却水をより多く流すことができる。そのため素早く燃料電池１を冷却することができ、燃料電池１のドライアウトを防止することができる。

冷却水流路１１の下流部に弾性部材を介して圧力調整部１５を設け、圧力調整部１５の圧力を変更することによって、冷却水流路１１の冷却水流路断面積を変更することができる。そのため簡単な構成で負荷変動に追従した燃料電池１の発電を行うことができる。

次に本発明の第２実形態の燃料電池システムを図１０に示す。この実施形態は第１実施形態の冷却水流路の冷却水流路断面積を変更する冷却水流路変更部７を設けずに、燃料電池５０の水素供給マニホールド冷却水流路の冷却水流路断面積を変更する。なお、圧力センサ４４を空気供給マニホールド６４の上流に設ける。

次にこの実施形態の単位セル６０を図１１、図１２を用いて説明する。この実施形態は、第１実施形態と単位セル６０の構成が異なっており、ここでは燃料電池５０の構成ついて説明する。図１１は隣接する単位セル６０を単位セル積層方向から見た正面図であり、図１２は図１１のＡ−Ａ断面概略図の一部である。なお、ここでは電解質膜などは省略し、隣接する単位セル６０のセパレータ６１とセパレータ６２のみを示す。

単位セル６０のセパレータ６１はコンプレッサ５から空気流路６３に空気を供給する空気供給マニホールド６４と、単位セル６０で使用されなかった空気を含む排出ガスを単位セル６０から排出する空気排出マニホールド６５と、水素ボンベ３からセパレータ６２の水素流路６６に水素を供給する水素供給マニホールド６７と、単位セル６０で使用されなかった水素を含む排出ガスを単位セル６０から排出する水素排出マニホールド６８を備える。また、単位セル６０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路６９と、冷却水流路６９に冷却水を供給する冷却水供給マニホールド７０と、冷却水を冷却水流路６９から排出する冷却水排出マニホールド７１を備える。

隣接する単位セル６０のセパレータ６１とセパレータ６２の間には冷却水が流れる冷却水流路６９が形成される。

セパレータ６１は金属セパレータであり、空気流路６３の溝底６３ａが薄く、弾性変形し易く成型される。なお、セパレータ６１は金属セパレータ６１以外でも良く。溝底６３ａが弾性変形できればよい。また、セパレータ６１は、空気流路６３の下流（図中、斜線部で示す領域Ｂ）の厚さを他の空気流路６３よりも薄くし、弾性変形し易いようにする。なお、領域Ｂは厚さを変更する以外でも弾性変形し易いようにすれば良い。なお、セパレータ６２についてはセパレータ６１と同様の形状とする。

この構成によって冷却水流路６９と空気流路６３の圧力によって空気流路６３の下流の冷却水流路断面積、つまり流路抵抗を変更することができる。

次にこの実施形態の冷却水制御動作について図１３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２００では、図示しない負荷検出手段によって燃料電池５０に要求された負荷ｒ２を検出し、現在の負荷ｒ１との時間あたりの負荷変動率Ｒを算出する。

ステップＳ２０１では、負荷変動率Ｒが規定値（第１所定値）Ｒ１よりも大きいかどうか判断する。そして負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きい場合にはステップＳ２０２へ進み、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも小さい場合にはステップＳ２０８へ進む。規定値Ｒ１は燃料電池５０の負荷が低負荷から高負荷へ変化した場合に、燃料電池５０に負荷の増加に伴い生成された水の増加によってフラッディングが生じる可能性のある負荷変動率である。

ステップＳ２０２では、燃料電池５０の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池５０の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池５０の上流での冷却水温度を検出する。そして燃料電池５０の下流と上流の温度差ΔＴ、つまり燃料電池５０での熱交換により高くなった冷却水の温度差ΔＴを算出する。温度差ΔＴが大きくなると、燃料電池５０と冷却水との熱交換量が多い、すなわち燃料電池５０の温度が高くなっている状態を示す（ステップＳ２０２が温度検出手段を構成する）。

ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２で算出したΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きいかどうか判断する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも小さい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも小さい場合には、燃料電池５０の温度が低いと判断しステップＳ２０４へ進み、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きい場合には、燃料電池５０の温度が高くなっていると判断しステップＳ２０７へ進む。規定温度差Ｔ１は、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも大きくなった場合に、負荷変動率Ｒにフラッディングを生じずに運転をすることが可能か否かを判断する温度差である。つまり、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ１よりも大きい場合には、冷却水の流量を後述するＱ２としても燃料電池５０にフラッディングを生じずに、燃料電池５０に要求された負荷変動に応じて発電を行うことができる。

ステップＳ２０４では、燃料電池５０の温度が低く、燃料電池５０に要求された負荷変動に応じて発電を行うと、フラッディングを生じると判断されたので、ポンプ２１を制御して冷却水の流量ＱをＱ１に減少する。また、圧力センサ４４と圧力センサ２５との圧力差ΔＰを算出し、圧力差ΔＰが所定の圧力差Ｐ１となるように調圧弁１８によって空気流路６３の圧力を制御する。空気流路６３を流れる空気流量が多くなり、冷却水流路６９を流れる流量が少なくなったので、空気流路６３と冷却水流路６９の圧力差によって、空気流路６３の溝底６３ａは冷却水流路６９側へ凸形状となり、冷却水流路６９の冷却水流路断面積が小さくなる、つまり流路抵抗が大きくなる。流量Ｑ１と圧力差Ｐ１は負荷変動率Ｒによって予め設定される流量と圧力差であり、燃料電池５０の温度を素早く上昇させ、フラッディングが生ずることがなく、かつ複数の単位セル３０の冷却水流路１１に冷却水を均一に流すことができる流量と圧力差である。なお、圧力差ΔＰが圧力差Ｐ１となった場合には、調圧弁１８によって、圧力差ΔＰを圧力差Ｐ１に保つ（コンプレッサ５と調圧弁１８がガス流路圧力制御手段を構成する）。

この制御により、燃料電池５０へ供給される冷却水の流量を減少することで、燃料電池５０の温度を高くし、温度の高くなった燃料電池５０の熱により負荷変動に応じて増加する生成水のフラッディングを防止することができる。また、冷却水流路６９の流路抵抗を大きくすることで、冷却水流路６９の圧力を高くし、冷却水の流量が減少しても各単位セル６０に均一に冷却水を流すことができ、単位セル６０の温度を均一にすることができる。そのため燃料電池５０の劣化を防止することができる。

ステップＳ２０５では、燃料電池５０の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池５０の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池５０の上流での冷却水温度を検出する。そして、燃料電池５０の下流と上流の温度差ΔＴ、つまり燃料電池５０での熱交換により高くなった冷却水の温度差ΔＴを算出する。

ステップＳ２０６では、ステップＳ２０５で算出したΔＴと規定温度差Ｔ２を比較する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ２よりも大きくなるとステップＳ２０７へ進む。規定温度差Ｔ２は冷却水の流量を後述するＱ２とした場合に、フラッディングを生じない温度まで燃料電池５０が十分に温められ、かつ燃料電池５０の温度が高くなり過ぎるのを防止、すなわち燃料電池５０の過昇温による劣化を防止する温度差である。つまりステップＳ１０３とステップＳ１０６の規定温度差Ｔ１、Ｔ２は、冷却水の流量を後述するＱ２とする場合に、燃料電池１がフラッディングを生じない所定温度（第１所定温度）となることを示す。

ステップＳ２０７では、燃料電池５０の温度が高く、燃料電池５０がフラッディングを生じないと判断されたので、ポンプ２１を制御して冷却水の流量Ｑを流量Ｑ２とする。なお、流量Ｑ２は負荷ｒ２によって予め設定される流量であり、燃料電池５０にフラッディング、ドライアウトを生じさせない温度に保つことのできる流量である。

一方、ステップＳ２０１において負荷変動率Ｒが規定値Ｒ１よりも小さいと判断した場合には、ステップＳ２０８において負荷変動率Ｒが規定値（第２所定値）Ｒ２よりも小さいかどうか判断する。そして、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さい場合にはステップＳ２０９へ進む。なお規定値Ｒ２は負の値であり、燃料電池５０の負荷が高負荷から低負荷へ変化した場合である。また規定値Ｒ２は現在の冷却水の流量では、燃料電池５０に負荷の減少に伴う生成水の減少によってドライアウトが生じる可能性のある負荷変動率である。負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも大きい場合、つまり負荷変動率Ｒが小さい場合（Ｒ２＜Ｒ＜Ｒ１）にはステップＳ２１５へ進む。

ステップＳ２０９では、燃料電池５０の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池５０の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池５０の上流での冷却水温度を検出する。そして、燃料電池５０の下流と上流の温度差ΔＴを算出する。

ステップＳ２１０では、ステップＳ２０９で算出したΔＴが規定温度差Ｔ３よりも小さいかどうか判断する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも大きい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも大きい場合には、燃料電池５０の温度が高くなっていると判断しステップＳ２１１へ進み、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも小さい、すなわち負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さく、かつ温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも小さい場合には、燃料電池５０の温度が低いと判断しステップＳ２１４へ進む。規定温度差Ｔ３は、負荷変動率Ｒが規定値Ｒ２よりも小さい場合に、燃料電池５０がドライアウトを生じずに運転をすることが可能か否かを判断する温度差である。つまり、温度差ΔＴが規定温度差Ｔ３よりも低い場合には、冷却水の流量を後述するＱ３としても燃料電池５０にドライアウトを生じずに、燃料電池５０に要求された負荷変動に応じて発電を行うことができる。

ステップＳ２１１では、燃料電池５０の温度が高く、燃料電池５０に要求された負荷変動に応じて発電を行うと、ドライアウトを生じると判断されたので、ポンプ２１を制御して冷却水の流量ＱをＱ３に増加させる。これによって溝底６３ａを空気流路６３側へ凸形状となるように変形させる。これにより冷却水流路６３の冷却水流路断面積を大きく、つまり流路抵抗を小さくすることができる。冷却水の流量を増やすことで、燃料電池５０を素早く冷却することができ、燃料電池５０の水素流路、空気流路のドライアウトを防止することができる。また、流路抵抗を小さくすることで、ポンプ２１の負荷を低減し、燃料電池システムのシステム効率を良くすることができる。流量Ｑ３は負荷変動率Ｒによって予め設定され、燃料電池５０にドライアウトを生じさせない流量である。

ステップＳ２１２では、燃料電池５０の下流側に設けた温度センサ２４によって燃料電池５０の下流での冷却水温度を検出し、上流側に設けた温度センサ２３によって燃料電池５０の上流での冷却水温度を検出する。そして、燃料電池５０の下流と上流の温度差ΔＴを算出する。

ステップＳ２１３では、ステップＳ２１０で算出したΔＴと規定温度差Ｔ４を比較する。そして温度差ΔＴが規定温度差Ｔ４よりも小さくなるとステップＳ２１４へ進む。規定温度差Ｔ４は冷却水の流量を後述するＱ４とした場合に、ドライアウトを生じない温度まで燃料電池５０が十分に冷却され、かつ燃料電池５０の温度が低くなり過ぎるのを防止する温度差である。つまりステップＳ２１０とステップＳ２１３の規定温度差Ｔ３、Ｔ４は、冷却水の流量をＱ４とする場合に、燃料電池１がドライアウトを生じない所定温度（第２所定温度）となることを示す。

ステップＳ２１４では、燃料電池５０の温度が低く、燃料電池５０に要求された変動に応じて発電を行っても、ドライアウトを生じないと判断されたので、ポンプ２１を制御して冷却水の流量ＱをＱ４に減少させる。また、圧力センサ４４と圧力センサ２５との圧力差ΔＰを算出し、圧力差ΔＰが所定の圧力差Ｐ１となるように調圧弁１８によって空気流路６３の圧力を制御する。溝底６３ａを冷却水流路６９側へ凸形状となるように変形させ、冷却水流路６９の冷却水流路断面積を小さくし、冷却水流路６９の流路抵抗を大きくする。流量Ｑ４と圧力差Ｐ２は負荷変動率Ｒによって予め設定される流量と圧力差であり、ドライアウトを生じさせずに複数の単位セル６０の冷却水流路１１に冷却水を均一に流すことができる流量と圧力差である。なお、圧力差ΔＰが圧力差Ｐ２となった場合には、調圧弁１８によって圧力差ΔＰを圧力差Ｐ２に保つ。

この制御では、冷却水の流量が少ない場合には冷却水流路６９の流路抵抗を大きくすることで、冷却水流路６９の圧力を高くし、各単位セル６０に冷却水を均一に流すことができ、燃料電池５０の温度を均一にし、燃料電池５０の劣化を防止することができる。

ステップＳ２０８で負荷変動率Ｒが既定値Ｒ２よりも小さい、すなわち負荷変動率Ｒが小さいと判断されると、ステップＳ２１５では、ステップＳ２００で要求された負荷ｒ２に応じて冷却水の流量を制御する。なお、要求された負荷ｒ２が小さく、冷却水の流量が少ない場合には、圧力センサ４４と圧力センサ２５との圧力差ΔＰを算出し、圧力差ΔＰが所定の圧力差となるように調圧弁１８によって、溝底６３ａを冷却水流路６９側へ凸形状となるように変形させ、冷却水流路６９の冷却水流路断面積を小さくし、冷却水流路６９の流路抵抗を大きくし、冷却水の流量が少ない場合でも各単位セル６０に冷却水が均一に流す。

この制御では、負荷変動率Ｒが小さいので、負荷変動率Ｒ、つまり要求された負荷Ｒ２に応じて冷却水の流量を変えるだけで、負荷変動に追従して燃料電池５０の温度を制御できる。なお、空気流路６３に加えて、水素流路６６の圧力を変更して冷却水流路６９の圧力を変更しても良い。

以上の制御により、冷却水流路変更部７を設けずに、燃料電池５０の冷却水流路の冷却水流路断面積を変更する。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、空気流路６３と冷却水流路６９の圧力を変更することで、冷却水流路６９の流路抵抗を変更することができ、簡易な構成で第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

負荷変動が大きい燃料電池自動車などに利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略図である。 本発明の第１実施形態の単位セルの概略図である。 本発明の第１実施形態のセパレータの概略図であり、積層方向正面図である。 Ａ−Ａ断面図である。 本発明の圧力調整部と冷却水流路の様子を示す図である。 本発明の圧力調整部と冷却水流路の様子を示す図である。 本発明の圧力調整部と冷却水流路の圧力差と冷却水流路断面積の関係を示す図である。 本発明の第１実施形態の冷却水流路断面積制御を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムで他の実施形態を示す概略図である。 本発明を用いた場合の低負荷から高負荷へ急激に変動した場合の時間経過に対する燃料電池の出力応答を示す図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの概略図である。 本発明の第２実施形態の単位セルの単位セル積層方向正面図である。 図１１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第２実施形態の冷却水路断面積制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
３ 水素ボンベ
５ コンプレッサ
６ 冷却水循環部（燃料電池冷却手段）
７ 冷却水流路断面積変更部（冷却水断面積制御手段）
１１ 冷却水流路
１４ 弾性部材
１５ 空間（圧力調整部）
１７ 調圧弁
１８ 調圧弁
２１ ポンプ
２３ 温度センサ
２４ 温度センサ
２５ 圧力センサ
３０ 単位セル
３４ セパレータ
３５ セパレータ
４２ 圧力制御弁
４３ バルブ
４４ 圧力センサ
５０ 燃料電池
６０ 単位セル
６１ セパレータ
６２ セパレータ
６３ 空気流路
６６ 水素流路
６９ 冷却水流路

Claims (6)

1. 水素または酸化剤が流れるガス流路と、前記ガス流路を設けた面の背面に冷却水が流れる冷却水流路を設けたセパレータを有する燃料電池と、
   前記冷却水流路に前記冷却水を供給し、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記冷却水流路を流れる前記冷却水の流量が少ない場合に前記冷却水の冷却水流れ方向の前記冷却水流路断面積を小さくする冷却水流路断面積制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記冷却水流路断面積制御手段は、前記燃料電の負荷が低負荷から高負荷へ変動し、かつその負荷変動率が第１所定値よりも小さい場合に、前記冷却水流路断面積を小さくし、
   前記燃料電池の温度が第１所定温度よりも高くなると前記冷却水流路断面積を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却水流路断面積制御手段は、前記燃料電の負荷が高負荷から低負荷へ変動し、かつその負荷変動率が第２所定値よりも大きい場合に、前記冷却水流路断面積を大きくし、
   前記燃料電池の温度が第２所定温度よりも低くなると前記冷却水流路断面積を小さくすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記セパレータは、前記冷却水流路の下流側の溝底を弾性部材で構成し、
   前記弾性部材で構成した前記冷却水流路の溝底の背面に、前記ガス流路と隔離した空間を備え、
   前記冷却水流路断面積制御手段は、前記空間の圧力を制御する圧力制御手段を備え、
   前記空間と前記冷却水流路の圧力差によって前記弾性部材を変形させ、前記冷却水流路断面積を変更することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記セパレータは、少なくとも前記冷却水流路の下流側の溝底を弾性部材で構成し、
   前記冷却水流路断面積制御手段は、前記ガス流路の圧力を制御するガス流路圧力制御手段を備え、
   前記ガス流路と前記冷却水流路の圧力差によって前記弾性部材を変形させ、前記冷却水流路断面積を変更することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記セパレータは金属セパレータであり、
   前記弾性部材は、前記金属セパレータを薄くした前記冷却水流路の溝底であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。

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