JP2007026824A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便なシステム構成によって水素センサの結露を防止し、結露による水素センサの機能停止や感度低下を防止することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１、カソード極１ｂから排出されるカソードオフガスを流通するカソードオフガス流通管Ｌ８、アノード極１ａから排出されるアノードオフガスを流通するアノードオフガス流通管Ｌ４、アノードオフガス流通管Ｌ４とカソードオフガス流通管Ｌ８とを接続する接続部８、接続部８を通過したオフガスを流通させて外部に排出するオフガス流通管Ｌ６、オフガス流通管Ｌ６における接続部８よりも下流に配設され水素濃度を検出する水素濃度センサ９を備え、オフガス流通管Ｌ６における水素濃度センサ９の上流に配設され、燃料電池１に供給されるアノードガスとオフガス流通管Ｌ６に流れるオフガスとで熱交換をさせ、当該オフガスに含まれる水分を回収する熱交換器４ｂを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池により発電された電力で駆動する燃料電池車両に搭載して好適な燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この燃料電池システムは、燃料電池のカソードオフガス流通管に水素センサを設け、燃料電池の固体高分子電解質膜を通じてカソード極側に透過した水素をガス接触燃焼式の水素センサにて検知している。そして、水素センサにより透過水素が検知された場合には、燃料電池システムを停止している。

このような燃料電池システムにおいて、水素センサの結露を防止するために、水素センサの上流にカソードオフガスの除湿手段を設けている。これにより、水素センサが結露することによる水素センサの機能停止や感度低下を防止している。
特開２００４−０７１２５１号公報

上述した従来の燃料電池システムにおいて、カソードオフガスの除湿手段は、カソードオフガス温度を熱交換器によって低下させることで、カソードオフガスの飽和水蒸気圧を低下させ、カソードオフガス中の水分を凝縮分離させるものである。

しかしながら、熱交換器に冷媒供給するための冷媒を圧縮する手段や、当該冷媒を冷却するための更なる熱交換器など、水素センサの結露を防止するための独立した機器が必要となってしまうため、必然的に除湿機構が複雑になってしまう。これにより、燃料電池システムの全体としての体積、質量、コストが増加し、燃料電池システム自体の発電効率が低下してしまうといった問題がある。

そこで、本発明は、上述した従来の実情に鑑みてなされるものであり、簡便なシステム構成によって水素センサの結露を防止し、結露による水素センサの機能停止や感度低下を防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明は、水素を含むアノードガスが供給されるアノード極と、酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを有する燃料電池と、カソード極から排出されるカソードオフガスを流通するカソードオフガス流通管と、アノード極から排出されるアノードオフガスを流通するアノードオフガス流通管と、アノードオフガス流通管とカソードオフガス流通管とを接続する接続部と、接続部を通過したオフガスを流通させて、外部に排出するオフガス流通管と、オフガス流通管における接続部よりも下流に配設され、水素濃度を検出する水素濃度センサとを備え、上述の課題を解決するために、オフガス流通管における水素濃度センサの上流に配設され、燃料電池に供給されるアノードガスとオフガス流通管に流れるオフガスとで熱交換をさせて、当該オフガスに含まれる水分を回収する熱交換器を設ける。

本発明によれば、簡便な装置構成によって、燃料電池に供給するアノードガスの冷熱を熱交換器によってオフガスと熱交換することができ、オフガスを除湿して水素濃度センサの結露を防止することができる。これにより、結露によって水素濃度センサの機能停止や感度低下が生じることを防止して、燃料電池を常に高効率で稼働させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
先ず、本発明を適用した第１実施形態として、図１に示す燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。

［燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んでアノード極１ａとカソード極１ｂとを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガス（アノードガス）をアノード極１ａに供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気（カソードガス）をカソード極１ｂに供給する燃料電池システムについて説明する。

この燃料電池システムは、燃料電池スタック１にアノードガスを供給して必要に応じてアノードオフガスを排出するアノードガス循環系と、燃料電池スタック１にカソードガスを供給してカソードオフガスを排出するカソードガス循環系とを備えている。このアノードガス循環系及びカソードガス循環系は、燃料電池システムを統括制御するコントローラ２０によって動作が制御される。

アノードガス循環系は、水素タンク２に接続されたアノードガス流通管Ｌ１に、水素タンク２からアノード極１ａに供給するアノードガス流量を調整するレギュレータ３、タンク４ａ及び熱交換器４ｂからなる熱交換機構４と、アノード極１ａに供給するアノードガス圧力を調整するアノードガス調圧弁５、循環ポンプ等で構成された水素循環装置６が接続され、当該水素循環装置６とアノード極１ａとをアノードガス流通管Ｌ２で接続して構成されている。このようなアノードガス循環系は、燃料電池スタック１の発電時に、コントローラ２０によって、レギュレータ３、アノードガス調圧弁５の開度が制御され、水素タンク２からアノード極１ａに供給されるアノードガス流量及び圧力が制御され、アノードガスをアノード極１ａに導入する。

また、アノードガス循環系は、アノード極１ａのアノードオフガス出口に、水素循環装置６と接続されたアノードオフガス流通管Ｌ３が設けられている。このアノードオフガス流通管Ｌ３を介して水素循環装置６に送られたアノードオフガスは、通常、再度アノードガス流通管Ｌ２からアノード極１ａのアノードガス入口に循環される。

更に、アノードガス循環系は、水素循環装置６のアノードオフガス出口に接続されたアノードオフガス流通管Ｌ４が設けられ、当該アノードオフガス流通管Ｌ４にパージ弁７が設けられている。このパージ弁７は、開閉がコントローラ２０によって制御され、通常は閉状態となっているが、開状態とされると、アノード極１ａに循環させていたアノードオフガスを下流側に通過させる。アノードオフガス流通管Ｌ４には、後述のカソードオフガス流通管Ｌ８が接続点８で接続されている。

この接続点８は、アノードオフガスとカソードオフガスとの合流点であり、パージ弁７が開状態となされた時に、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガス（オフガス）を下流のオフガス流通管Ｌ５に流す。この接続点８及オフガス流通管Ｌ５を介して流れたオフガスは、熱交換器４ｂに供給されて、レギュレータ３から燃料電池スタック１に向かってアノードガス流通管Ｌ１を流れるアノードガスと熱交換される。これにより、オフガス中の水分が凝縮して水が発生すると、当該水は、タンク４ａに回収されて蓄積され、タンク４ａからドレイン弁１２を介して排出される。

熱交換器４ｂで熱交換されたオフガスは、熱交換機構４を通過すると、オフガス流通管Ｌ６に導入されて、外部に排出される。このオフガス流通管Ｌ６には、オフガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ９が設けられている。この水素濃度センサ９で検出された水素濃度に基づくセンサ信号は、コントローラ２０で読み取られる。

また、カソードガス循環系は、外気を取り込む空気圧縮機１０を備え、外気を圧縮したカソードガスをカソードガス流通管Ｌ７を介して燃料電池スタック１のカソード極１ｂのカソードガス入口に導入する。また、カソードガス循環系は、カソード極１ｂのカソードオフガス出口に接続されたカソードオフガス流通管Ｌ８に、カソードガス調圧弁１１が設けられている。このカソードガス調圧弁１１は、コントローラ２０によって開度が調整され、カソード極１ｂに導入するカソードガス流量及び圧力を調整する。カソードガス調圧弁１１を通過したカソードオフガスは、接続点８においてパージ弁７を通過したアノードオフガスと混合されて、オフガス流通管Ｌ５に送られる。

このような燃料電池システムは、水素濃度センサ９を含む各種センサからのセンサ信号が入力されると共に、入力されたセンサ信号に基づいて各部を制御する制御信号を出力するコントローラ２０を備えている。なお、図中においては、説明の便宜上、カソードガス及びカソードオフガスの流れを白抜き矢印で示し、アノードガス及びアノードオフガスの流れを黒矢印で示す。

［燃料電池システムの動作］
つぎに、以上のように構成された燃料電池システムの動作について説明する。

燃料電池システムによって発電動作を行う際には、外気から取り込まれて空気圧縮機１０によって圧縮されたカソードガスをカソードガス流通管Ｌ７を介して燃料電池スタック１のカソード極１ｂに供給する。燃料電池スタック１によって消費されなかった余剰のカソードガス（カソードオフガス）は、カソードオフガス流通管Ｌ８を介して排出される。

また、水素タンク２に蓄えられた高圧水素をレギュレータ３によって所定の圧力まで低下させた後に、アノードガス調圧弁５にて所定の圧力に制御し、水素循環装置６を介して燃料電池スタック１のアノード極１ａに供給する。燃料電池スタック１にて消費されなかった余剰のアノードガス（アノードオフガス）は水素循環装置６によって水素タンク２から供給される新鮮なアノードガスと混合され、再び燃料電池スタック１へ供給される。

燃料電池システムにおいては、カソードガス中に含まれる窒素が燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜を通してカソード極１ｂからアノード極１ａへと通過してアノードオフガスに混じる現象が生じる。この現象により、燃料電池スタック１の発電効率や水素循環装置６の水素循環効率が低下するので、間欠的にパージ弁７を開くことで、アノードオフガスをカソードオフガス流通管Ｌ８に排出して、アノードガスの水素濃度を向上させている。また、アノードオフガスの水素濃度は、カソードオフガスによって希釈され、燃料電池システムの外部に排出される。

この際、カソードオフガス及びアノードオフガスとを混合したオフガスは、熱交換器４ｂを通過し、アノード極１ａに向かうアノードガスとしての水素と熱交換がなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、レギュレータ３で減圧され、断熱膨張により温度が低下しているため、熱交換器４ｂによってオフガスから熱を奪って暖められる一方で、オフガスは、冷却される。これにより、オフガスの飽和蒸気圧が低下して、オフガス中の水蒸気は、熱交換器４ｂのタンク４ａ内に結露し、オフガスは、除湿される。また、結露（凝縮）して回収された水蒸気は、ドレイン弁１２からタンク４ａの外部に排出される。これによって、水素濃度センサ９に付着する水分を極力少なくできる。

また、アノードガスとしての水素は、カソードオフガスの熱を奪うことで暖められるため、アノードガス調圧弁５を凍結させることがなく、良好な水素調圧が可能となる。

また、コントローラ２０は、水素濃度センサ９からのセンサ出力に基づいて水素濃度を監視し、カソードオフガス中の水素濃度が基準値以上に高くなった場合に、アノードガス調圧弁５を閉じてアノードガスの供給を停止することにより燃料電池システムの動作を停止する。

以上のように構成された本実施形態に係る燃料電池システムは、熱交換器４ｂによって水素膨張の冷熱をカソードオフガスと熱交換し除湿することで、簡単、小型、軽量な装置構成で、水素濃度センサ９に対する結露を防止することができる。このため、燃料電池スタック１の発電効率を向上させつつ、結露による水素濃度センサ９の機能停止や感度低下を防止できると共に、アノードガス調圧弁５の凍結も防止することができる。

［第２実施形態］
つぎに、本発明を適用して構成された第２実施形態として、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムに基づいてレギュレータ３を可変制御する場合の例について、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態におけるレギュレータ３の設定圧力をコントローラ２０によって可変とする他は各部の構成を同一又は同等とすることができるため、重複する各部及びその動作についての説明を省略する。

第２の実施形態に係る燃料電池システムは、レギュレータ３が、設定圧力をコントローラ２０によって可変とされた可変レギュレータとされ、コントローラ２０に備えられたメモリには、図３に示す参照テーブルが予め記憶されている。参照テーブルは、図３に示すように、燃料電池スタック１の要求出力と、この要求出力に応じたレギュレータ３の設定圧力との関係を示すものであり、要求出力が大きいほど大きな設定圧力を示すものである。

コントローラ２０は、燃料電池システムの動作が開始すると、図２に示すように、燃料電池スタック１に要求される出力（要求出力）Ｗを読み込み（ステップＳ１）、要求出力Ｗに対応したレギュレータ３の設定圧力Ｐｒを、図３に示す参照テーブルを参照することにより取得する（ステップＳ２）。次に、コントローラ２０は、レギュレータ３の設定圧力が、参照テーブルにより取得した設定圧力Ｐｒとなるようレギュレータ３を制御する（ステップＳ３）。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１の要求出力が大きいほど、消費されるカソードガス及びアノードガスの量が多くなる。また、これに伴い、熱交換器４ｂを通過するオフガスの量が多く温度が高くなり、飽和水蒸気量が増加する。したがって、オフガスの除湿に必要な熱交換量が増大する。

そこで、第２実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１の要求発電出力が大きいほど、レギュレータ３の設定圧力を高く設定することで、レギュレータ３によるアノードガスの減圧量を大きくし、熱交換器４ｂに流入するアノードガスの温度をより低くすることができる。これにより、オフガスを十分に除湿することが可能となり、水素濃度センサ９の結露をより効果的に防止することが可能となる。

［第３実施形態］
つぎに、本発明を適用して構成された第３実施形態として、図４に示す燃料電池システムについて説明する。燃料電池システムは、第２実施形態として示した燃料電池システムの装置構成に対して、水素温度センサ３１と壁面温度センサ３２とを更に備えるとした他は各部の構成を同一又は同等とすることができるため、重複する各部及びその動作についての説明を省略する。

水素温度センサ３１は、アノードガス流通管Ｌ１における熱交換器４ｂ出口近傍に配設され、アノードガス（水素）の温度を検出する。壁面温度センサ３２は、オフガス流通管Ｌ６における熱交換器４ｂの下流に配設され、オフガス流通管Ｌ６の壁面温度を検出する。

燃料電池システムの動作が開始すると、図５に示すように、コントローラ２０は、水素温度センサ３１によって検出された水素温度Ｔｈを読み込むと共に（ステップＳ１１）、壁面温度センサ３２によって検出されたオフガス流通管Ｌ６の壁面温度Ｔｗを読み込む（ステップＳ１２）。

次に、コントローラ２０は、水素温度Ｔｈが０℃を超えているか否かを判別し（ステップＳ１３）、超えている場合には処理をステップＳ１４に進めると共に、超えていない場合には処理をステップＳ１５に進める。

ステップＳ１４において、コントローラ２０は、水素温度Ｔｈが壁面温度Ｔｗを超えているか否かを判別し、超えている場合には処理をステップＳ１６に進めると共に、超えていない場合には処理を終了する。

ステップＳ１５において、コントローラ２０は、レギュレータ３の設定圧力Ｐｒを現在よりも低く設定し、処理を終了する。また、ステップＳ１６において、コントローラ２０は、レギュレータ３の設定圧力Ｐｒを現在よりも高く設定し、処理を終了する。

以上のように構成された燃料電池システムでは、コントローラ２０によって、熱交換器４ｂを通過するアノードオフガスの温度Ｔｈがオフガス流通管Ｌ６の壁面温度Ｔｗよりも高くならないようにレギュレータ３の設定圧力を制御する。これにより、熱交換器４ｂの温度がカソードオフガス流通管温度Ｔｗよりも低くなるため、水素濃度センサ９、及びオフガス流通管Ｌ６の壁面に結露が生じることがなく、水素濃度センサ９の結露防止の効果を向上させることができる。

［第４実施形態］
つぎに、本発明を適用して構成された第４実施形態として、図６に示す燃料電池システムについて説明する。燃料電池システムは、第２実施形態として示した燃料電池システムの装置構成に対して、流量センサ４１とオフガス温度センサ４２とを更に備えるとした他は各部の構成を同一又は同等とすることができるため、重複する各部及びその動作についての説明を省略する。

流量センサ４１は、本実施形態においてはカソードガス流通管Ｌ７における空気圧縮機１０の上流に配設され、カソードオフガスの流量を検出する。

オフガス温度センサ４２は、本実施形態においてはオフガス流通管Ｌ６における熱交換器４ｂの下流に配設され、オフガスの温度を検出する。

燃料電池システムの動作が開始すると、図７に示すように、コントローラ２０は、流量センサ４１によってカソードガス流通管Ｌ７に流入するカソードガス流量Ｑ１を検出する（ステップＳ２１）。次に、コントローラ２０は、検出されたカソードガス流量Ｑ１に基づいて、オフガス流量Ｑ２を算出する（ステップＳ２２）。オフガス流量Ｑ２（ｍ^３／ｍｉｎ）は、流量センサ４１によって検出されたカソードガス流量Ｑ１に対して、燃料電池スタック１のストイキ比ＳＲ（Stoichometric Ratio：供給量／消費量）を用いて、以下の数式１によって算出することができる。ただし、式中のα及びβは定数である。

Ｑ２＝０．７７α×０．２３β×（ＳＲ−１）×Ｑ１／ＳＲ （式１）
ここで、温度ｔ℃の単位空気量あたりの飽和水蒸気量をＷｓｖ（ｔ）（ｇ／ｍ^３）とすると、熱交換器４ｂの出口で温度ｔ２℃であるオフガスに含まれる最大の水蒸気量Ｗ２は、Ｗ２＝Ｑ２×Ｗｓｖ（ｔ２）［ｇ／ｍｉｎ］となる。したがって、この水蒸気量Ｗ２が燃焼式の水素濃度センサ９のフィラメントで蒸発できる許容推量Ｗｔ［ｇ／ｍｉｎ］以下であれば、水素濃度センサ９に結露が生じないこととなる。

そこで、コントローラ２０は、検出されたオフガス流量Ｑ２に基づいて、Ｗｔ／Ｑ２［ｇ／ｍ^３］の値を算出して（ステップＳ２３）、オフガス温度センサ４２により検出されたオフガスの温度ｔ２を読み込むと共に（ステップＳ２４）、以降の処理で、ステップＳ２３で算出した値が単位空気量当たりの飽和水蒸気量Ｗｓｖ（ｔ２）（ｇ／ｍ^３）以上となるようにレギュレータ３の設定圧力を制御することで、オフガス温度ｔ２を制御する。なお、パージ弁７が開状態にされない通常時においては、ステップＳ２３において式１に従ってオフガス流量を求めることができるが、パージ弁７を開状態にした直後には、図７の処理をキャンセルすることになる。

具体的には、先ず、オフガス温度センサ４２により検出されたオフガス温度ｔ２が０℃を超えているか否かをコントローラ２０により判別し（ステップＳ２５）、超えている場合には処理をステップＳ２６に進め、超えていない場合には処理をステップＳ２７に進める。

ステップＳ２７において、コントローラ２０は、レギュレータ３の設定圧力Ｐｒを現在よりも低く設定して、処理を終了する。

一方、ステップＳ２６において、コントローラ２０は、予め記憶されたマップを参照することにより、温度ｔ２に対応する飽和水蒸気量Ｗｓｖ（ｔ２）を取得する。次に、コントローラ２０は、ステップＳ２３で算出されたＷｔ／Ｑ２の値とステップＳ２６で取得されたＷｓｖ（ｔ２）の値とを比較して、Ｗｔ／Ｑ２＞Ｗｓｖ（ｔ２）が成立するか否か判別する（ステップＳ２８）。この判別の結果、成立する場合には処理を終了し、成立しない場合にはレギュレータ３の設定圧力Ｐｒを現在よりも高く設定した後に（ステップＳ２９）処理を終了する。

上述のように、本実施形態に係る燃料電池システムにおいては、オフガス温度センサ４２により検出されたカソードオフガス温度に対応する単位流量あたりの飽和水蒸気量の値が、カソードオフガス流量に対応する許容値以下で、且つカソードオフガス温度が０℃以上となるようにレギュレータ３の設定圧力をコントローラ２０によって制御している。これにより、水素濃度センサ９に生じる結露をより効果的に防止することができる。

なお、上述の説明においては、流量センサ４１によって検出されたカソードガスの流量に基づき、コントローラ２０によってオフガス流量を算出するとしたが、図６において、流量センサ４１に代えてオフガス流通管Ｌ６に配設された流量センサ４３を用い、この流量センサ４３によって直接オフガス流量を検出するとしてもよい。流量センサ４３は、燃料電池システムの空気流量制御にも用いるセンサであるため、少ないセンサでの制御が可能となり、より簡便なシステムで水素濃度センサ９の結露防止の効果を得ることができる。

本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 燃料電池に要求される発電出力と、レギュレータの設定圧力との関係を示す図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１ａ アノード極
１ｂ カソード極
２ 水素タンク
３ レギュレータ
４ 熱交換機構
４ａ タンク
４ｂ 熱交換器
５ アノードガス調圧弁
６ 水素循環装置
７ パージ弁
８ 接続点
９ 水素濃度センサ
１０ 空気圧縮機
１１ カソードガス調圧弁
１２ ドレイン弁
２０ コントローラ
３１ 水素温度センサ
３２ 壁面温度センサ
４１ 流量センサ
４２ オフガス温度センサ
４３ 流量センサ

Claims (4)

1. 水素を含むアノードガスが供給されるアノード極と、酸素を含むカソードガスが供給されるカソード極とを有する燃料電池と、
   前記カソード極から排出されるカソードオフガスを流通するカソードオフガス流通管と、
   前記アノード極から排出されるアノードオフガスを流通するアノードオフガス流通管と、
   前記アノードオフガス流通管と前記カソードオフガス流通管とを接続する接続部と、
   前記接続部を通過したオフガスを流通させて、外部に排出するオフガス流通管と、
   前記オフガス流通管における前記接続部よりも下流に配設され、水素濃度を検出する水素濃度センサと、
   前記オフガス流通管における前記水素濃度センサの上流に配設され、前記燃料電池に供給されるアノードガスと前記オフガス流通管に流れるオフガスとで熱交換をさせて、当該オフガスに含まれる水分を回収する熱交換器と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記熱交換器に導入されるアノードガスの設定圧力を調整するレギュレータと、
   前記燃料電池の要求発電出力が大きいほど、前記レギュレータの設定圧力を高くするコントローラと
   を更に備え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. 前記熱交換器を通過したアノードガスの温度を検出する温度センサと、
   前記カソードオフガス流通管における前記熱交換器の下流に配設され、前記カソードオフガス流通管の壁面温度を検出する壁面温度センサとを更に備え、
   前記コントローラは、前記アノードガスの温度が前記壁面温度よりも高くならず、且つ前記アノードガスの温度が０℃より低くならないように前記レギュレータの設定圧力を制御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. 前記オフガス流通管に流通するオフガスの流量を取得するするオフガス流量取得手段と、
   前記オフガス流通管に流通するオフガスの温度を検出するオフガス温度センサとを更に備え、
   前記コントローラは、前記オフガス温度センサにより検出されたオフガス温度に対応する単位流量あたりの飽和水蒸気量が、前記オフガス流量取得手段により取得されたオフガス流量に対応する許容値より低く、且つ前記オフガス温度が０℃より高くなるように前記レギュレータの設定圧力を制御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。

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