JP2008016264A - 断熱構造及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】目的は、水蒸気の結露による断熱性能の低下を防ぐこと。
【解決手段】断熱構造は、ケーシング９の内側の第１層Ａに配置された断熱材１０と、第１層の内側の第２層Ｂに配置された断熱材２０と、第２層の内側の第３層Ｃに配置された断熱材３０とを具備している。断熱材２０は、断熱材３０よりも断熱性が優れている。断熱材３０は、断熱材２０よりも耐熱性が優れている。断熱材１０は、無機系の材料からなる固相部分と、空洞部分とを有している。そして、空洞部分と固相部分との境界が空洞部分を内側に含む閉曲面であるから、この空洞部分は断熱材１０の外側の空間と連通していない独立気泡である。したがって、断熱材１０、断熱材２０、及び断熱材３０のそれぞれの厚さを、断熱材１０と断熱材２０との境界の温度が排燃料ガスの露点温度より高くなるように設計すれば、水蒸気の結露により断熱性能が低下することが防がれる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内部に水蒸気を含むガスが充満する炉の断熱構造に関し、特に、燃料電池システムに適用される断熱構造に関する。

水素と酸素とから水が生成する電気化学反応の過程から電力を取り出す燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、直流電力を発電する燃料電池と、燃料を水素リッチな燃料ガスに変換して燃料電池に供給する燃料改質装置と、直流電力を交流電力に変換するインバータ等を備えている。燃料電池は、一般的に、直列に接続された複数のセルを備えている。発電単位としてのセルは、酸素を含む空気が供給されるカソード（空気極）と水素を含む燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）とからなる一対の電極と、その間に配設された電解質とを備えている。

燃料電池は、電解質の違いにより、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）の種類がある。燃料電池は、種類ごとに最適な運転温度が決まっており、その温度は、固体酸化物型で約１０００℃、溶融炭酸塩型で約６５０℃、リン酸型で約２５０℃、固体高分子型で約８０℃となっている。これらの運転温度が維持されない場合には、所望の発電反応が行われないために発電効率が低下する。

そこで、燃料電池の周囲に断熱構造を設けることで上記運転温度を維持することが従来から行われてきた。例えば、真空室を備えた断熱構造が特許文献１及び特許文献２に開示されている。

通常、燃料電池はケーシングに収容されている。ここで、燃料電池と燃料電池を収容しているケーシングとを備えた構造体は、発電反応が行われる炉であると観念される。燃料電池に供給された燃料ガスは、発電反応により水素濃度が減少して水蒸気濃度が増加した排燃料ガスとなり、ケーシングの内部に充満する。断熱材は、空隙部分を有することにより優れた断熱性を示すものであるが、空隙部分において水蒸気が結露すると断熱性能が著しく低下する。燃料電池が固体酸化物型、溶融炭酸塩型、又はリン酸型である場合には、炉内温度が比較的高温であり、且つ、炉内の水蒸気濃度が比較的高いことから、断熱構造について考慮すべき点が多い。

特開２００２−２８００４１号公報 特開２００３−２８２１３５号公報

本発明の目的は、水蒸気の結露による断熱性能の低下が防がれる断熱構造を提供することである。

以下に、（発明を実施するための最良の形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための最良の形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による断熱構造は、ケーシング（９）の内側の第１層（Ａ）に配置された第１断熱材（１０）と、前記第１層の内側の第２層（Ｂ）に配置された第２断熱材（２０）と、前記第２層の内側の第３層（Ｃ）に配置された第３断熱材（３０）とを具備している。前記第１断熱材は、無機系の材料からなる固相部分と、空洞部分とを有している。そして、前記空洞部分と前記固相部分との境界が前記空洞部分を内側に含む閉曲面である。前記第２断熱材は、前記第３断熱材よりも断熱性が優れている。前記第３断熱材は、前記第２断熱材よりも耐熱性が優れている。

本発明による断熱構造は、前記第１断熱材と前記第２断熱材との間に配置されたスペーサ（５１、５２）を具備している。そして、前記第１断熱材と前記第２断熱材との間に空間（４１、４２）が設けられている。

本発明による断熱構造においては、前記第２断熱材は、フィルム状の第２部材（６１）で覆われている。

本発明による断熱構造においては、前記第１断熱材は、フィルム状の第１部材（６２）で覆われている。

本発明による断熱構造は、前記第１断熱材に対して内側となるように前記第１層に配置された第１板状部材（７１）と、前記第２断熱材に対して前記ケーシング側となるように前記第２層に配置された第２板状部材（７２）と、前記第１板状部材と前記第２板状部材との間の空間（４２）に空気（９３）を供給する空気供給部（９１）とを具備している。

本発明による断熱構造においては、前記第１断熱材は、発泡セラミックス体又は発泡ガラス体である。

本発明による断熱構造は、ケーシング（９）の内側の第１層（Ａ）に配置された第１断熱材（１１）と、前記第１層の内側の第２層（Ｂ）に配置された第２断熱材（２０）と、前記第２層の内側の第３層（Ｃ）に配置された第３断熱材（３０）とを具備している。前記第１断熱材は、フィルム状の第１部材（６２）で覆われている。前記第２断熱材は、前記第３断熱材よりも断熱性が優れている。前記第３断熱材は、前記第２断熱材よりも耐熱性が優れている。

本発明による断熱構造は、ケーシング（９）の内側の第１層（Ａ）に配置された第１断熱材（１０、１１）と、前記第１層の内側の第２層（Ｂ）に配置された第２断熱材（２０）と、前記第２層の内側の第３層（Ｃ）に配置された第３断熱材（３０）と、前記第１層と前記第２層との間の第１空間（４２、４４）に流すための空気（９３）を供給する空気供給部（９１）とを具備している。前記第２断熱材は、前記第３断熱材よりも断熱性が優れている。前記第３断熱材は、前記第２断熱材よりも耐熱性が優れている。

本発明による断熱構造は、前記第１断熱材に対して内側となるように前記第１層に配置された第１板状部材（７１）と、前記第２断熱材に対して前記ケーシング側となるように前記第２層に配置された第２板状部材（７２）とを具備している。前記第１空間は、前記第１板状部材と前記第２板状部材とに挟まれている。

本発明による断熱構造においては、前記第１断熱材（１１）はガス透過性を有している。前記空気供給部は、前記ケーシングと前記第１層との間の第２空間（４３）に前記空気を供給する。

本発明による燃料電池システムは、断熱構造（１０１〜１０６）と、前記断熱構造の内側に配置された燃料電池セル（１）とを具備している。

本発明によれば、水蒸気の結露による断熱性能の低下が防がれる断熱構造が提供される。

添付図面を参照して、本発明による断熱構造及び燃料電池システムを実施するための最良の形態を以下に説明する。以下、本発明に係る断熱構造を固体酸化物型燃料電池システムに適用した場合を例として説明するが、本発明に係る断熱構造は、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池をはじめ、内部が高濃度の水蒸気を含むガスで充満される炉の断熱に適用可能である。

（第１乃至第４の実施形態）
図１は、本発明の第１乃至第４の実施形態に係る燃料電池システム１００を示している。燃料電池システム１００は、炉２００と、炉２００に空気を供給する空気供給部９１と、炉２００に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部９２とを備えている。空気供給部９１及び燃料ガス供給部９２としては、コンプレッサやブロワが例示される。

炉２００には、発電反応室５が設けられている。炉２００は、複数のセル１と、入口空気マニホールド２と、入口燃料マニホールド４と、出口空気マニホールド６と、出口燃料マニホールド７と、断熱構造１０１〜１０４のいずれかと、これらを収容したケーシング９とを備えている。複数のセル１と、入口空気マニホールド２と、入口燃料マニホールド４と、出口空気マニホールド６と、出口燃料マニホールド７とは、発電反応室５に配置されている。断熱構造１０１〜１０４は、発電反応室５の周囲に設けられている。

セル１は、平板形の固体酸化物型燃料電池セルである。セル１においては、燃料ガスに含まれる水素や一酸化炭素等の燃料成分が空気に含まれる酸素によって酸化される発電反応が行われ、電力と熱が発生する。複数のセル１は、直列に接続されて電気回路を形成し、ここから電力が取り出される。セル１には、入口空気マニホールド２と、入口燃料マニホールド４と、出口空気マニホールド６と、出口燃料マニホールド７とが接合されている。セル１の内部には、入口空気マニホールド２及び出口空気マニホールド６の各々と連通している空気側流路と、入口燃料マニホールド４及び出口燃料マニホールド７の各々と連通している燃料側流路とが設けられている。

空気供給部９１は、入口空気マニホールド２を介してセル１の空気側流路に空気を供給する。空気は、発電反応に寄与しつつ空気側流路を出口空気マニホールド６に向かって移動し、そこから排空気として炉２００の外に排出される。

燃料ガス供給部９２は、水蒸気を含む燃料ガスを入口燃料マニホールド４を介してセル１の燃料側流路に供給する。燃料ガスは、発電反応に寄与しつつ燃料側流路を出口燃料マニホールド７に向かって移動する。このとき燃料ガスは発電反応に伴なって燃料成分が減少し、水蒸気等の反応生成物濃度が増加して排燃料ガスとなる。排燃料ガスは一般的に高濃度（２０〜６０ｖｏｌ％程度）の水蒸気を含む。この排燃料ガスは、一旦発電反応室５に充満され、炉２００の外に排出される。その結果、排燃料ガスは断熱構造１０１〜１０４の中にも浸透する。

燃料電池が固体酸化物型である場合には、炉内温度が１０００℃程度と高温となるため、断熱構造１０１〜１０４はケーシング９の内側に設けることが好ましい。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る断熱構造１０１を示している。断熱構造１０１は、断熱材１０と、断熱材２０と、断熱材３０とを備えている。断熱材１０はケーシング９の内側の第１層Ａに配置され、断熱材２０は第１層Ａの内側の第２層Ｂに配置され、断熱材３０は第２層Ｂの内側の第３層Ｃに配置されている。最も高温にさらされる断熱材３０は、例えば、セラミック系断熱材である。中間層に配置された断熱材２０は、例えば、シリカ系高性能断熱材である。ここで、断熱材３０が断熱材２０に比較して耐熱性が優れ、断熱材２０が断熱材３０に比較して断熱性が優れていることは、断熱構造の厚さを薄くし、製造コストを抑える上で重要である。そして、断熱材１０は、発泡セラミックス体や発泡ガラス体のような独立気泡を有する無機系の断熱材である。断熱材１０は、無機系の材料からなる固相部分と、空洞部分とを有している。この空洞部分と固相部分との境界が空洞部分を内側に含む閉曲面となっている場合には、その空洞部分は独立気泡である。独立気泡は断熱材１０の外側の空間と連通していないから、断熱材１０のガス透過性は低い。

したがって、断熱材１０、断熱材２０、及び断熱材３０のそれぞれの厚さを、断熱材１０と断熱材２０との境界の温度が排燃料ガスの露点温度より高くなるように、すなわち、露点温度が断熱材１０の内部に分布するように設計すれば、水蒸気の結露により断熱構造１０１の断熱性能が低下することが防がれる。露点温度以下となるところまで水蒸気が到達せず、結露水が発生しないからである。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る断熱構造１０２を示している。断熱構造１０２は、断熱構造１０１と同様に、断熱材１０と、断熱材２０と、断熱材３０とを備えている。断熱構造１０２は、さらに、断熱材１０と断熱材２０との間に配置されたスペーサ５１を備えている。断熱構造１０２においては、スペーサ５１により、断熱材１０と断熱材２０の間に空間４1が設けられる。

したがって断熱構造１０２においては、炉内ガス温度が定格条件より低い場合、運転開始時や運転停止時、その他断熱材１０の断熱材２０に面している表面１０ａの温度が露点温度以下に低下した場合であっても、表面１０ａで結露した水が表面１０ａに沿って流れ落ちるから、断熱材２０の空隙部分に結露水が浸入して断熱性能が低下することが防がれる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る断熱構造１０３を示している。断熱構造１０３は、断熱構造１０１と同様に、断熱材１０と、断熱材２０と、断熱材３０とを備えている。断熱構造１０３は、さらに、断熱材２０の周囲を覆うように設けられたフィルム状部材６１を備えている。断熱材２０は、ガスを透過しないフィルム状部材６１によって、気密となるようにパックされている。フィルム状部材６１としては、アルミニウム箔が例示される。

したがって断熱構造１０３においては、排燃料ガスの温度が定格条件より低い場合、運転開始時や運転停止時、その他断熱材１０の断熱材２０に面している表面１０ａの温度が露点温度よりも低下した場合であっても、表面１０ａで結露した水がフィルム状部材６１で防がれるから、断熱材２０の空隙部分に結露水が浸入して断熱性能が低下することが防がれる。

なお、断熱構造１０２において断熱材２０の周囲をフィルム状部材６１で覆うことも可能である。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る断熱構造１０４を示している。断熱構造１０４は、ケーシング９の内側の第１層Ａに配置された断熱材１１と、断熱材２０と、断熱材３０とを備えている。断熱構造１０４は、さらに、断熱材１１の周囲を覆うように設けられたフィルム状部材６２を備えている。断熱材１１は、ガラスウールのような繊維系断熱材であり、ガスを透過しないフィルム状部材６２によって、気密となるようにパックされている。フィルム状部材６２としては、アルミニウム箔が好適に用いられるが、温度条件が厳しくない場合にはポリエチレンやポリプロピレンを材料とするプラスチックフィルムを用いても良い。

したがって断熱構造１０４においては、フィルム状部材６２によって断熱材１１の内部に水蒸気が入ることが防がれている。すなわち、断熱構造１０４においては、ガラスウール等の繊維系断熱材を用いて製造コストを抑えることが可能である。

なお、断熱構造１０１〜断熱構造１０３において断熱材１０の周囲をフィルム状部材６２で覆うことも可能である。

（第５及び第６の実施形態）
図６は、本発明の第５及び第６の実施形態に係る燃料電池システム１００’を示している。燃料電池システム１００’は、炉２００と、炉２００に空気を供給する空気供給部９１と、炉２００に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部９２とを備えている。

炉２００には、発電反応室５が設けられている。炉２００は、複数のセル１と、入口空気マニホールド２と、入口燃料マニホールド４と、出口空気マニホールド６と、出口燃料マニホールド７と、断熱構造１０５又は断熱構造１０６と、これらを収容したケーシング９とを備えている。複数のセル１と、入口空気マニホールド２と、入口燃料マニホールド４と、出口空気マニホールド６と、出口燃料マニホールド７とは、発電反応室５に配置されている。断熱構造１０５又は断熱構造１０６は、発電反応室５の周囲に設けられている。

第５及び第６の実施形態においては、空気供給部９１は、空気９３を断熱構造１０５又は断熱構造１０６へ送りだし、断熱構造１０５又は断熱構造１０６を通過した空気９３としての空気９４を入口空気マニホールド２を介してセル１の空気側流路に供給する。排燃料ガスは、炉２００の外に排出されるが、断熱構造１０５又は断熱構造１０６の中にも浸透する。

燃料電池が固体酸化物型である場合には、炉内温度が１０００℃程度と高温となるため、断熱構造１０５又は断熱構造１０６はケーシング９の内側に設けることが好ましい。

（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係る断熱構造１０５を示している。断熱構造１０５は、ケーシング９の内側の第１層Ａに配置された断熱材１０又は断熱材１１と、断熱材２０と、断熱材３０とを備えている。断熱構造１０５は、さらに、断熱材１０又は断熱材１１に対して内側となるように第１層Ａに配置された板状部材７１と、断熱材２０に対して外側となるように第２層Ｂに配置された板状部材７２と、板状部材７１と板状部材７２の間に配置されたスペーサ５２とを備えている。断熱構造１０５においては、板状部材７１と板状部材７２とによって第１層Ａと第２層Ｂの間に空間４２が設けられている。スペーサ５２がある場合には空間４２が潰れることが確実に防がれるが、板状部材７１と板状部材７２によって空間４２が確保される場合にはスペーサ５２はなくてもよい。

空気供給部９１は、空気９３を断熱構造１０５に供給する。空気９３は、空間４２を通過し、空気９４として断熱構造１０５から排出される。空間４２を流れる空気９３により、水蒸気を多く含む排燃料ガスが断熱材１０又は断熱材１１に流入することが防がれる。

したがって、断熱材１０又は断熱材１１、断熱材２０、断熱材３０のそれぞれの厚さを、断熱材１０又は断熱材１１と断熱材２０との境界の温度が排燃料ガスの露点温度より高くなるように、すなわち、露点温度が断熱材１０又は断熱材１１の内部に分布するように設計すれば、水蒸気の結露により断熱構造１０５の断熱性能が低下することが防がれる。

ここで、空気９３が断熱構造１０５内を流れる過程で炉２００から空気９３に熱が移動するため、空気９４は空気９３に比べて温度が高い。したがって、断熱構造１０５は空気予熱にも利用できる。断熱構造１０５を空気予熱に利用する場合には板状部材７１及び板状部材７２がガスを透過しない方が好ましいが、空気予熱に利用しない場合には板状部材７１及び板状部材７２がある程度ガスを透過しても良い。

なお、第５の実施形態においては、発電のための空気とは別系統の空気を断熱構造１０５に流すこととしても良い。

（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係る断熱構造１０６を示している。断熱構造１０６は、ケーシング９の内側の第１層Ａに配置された断熱材１１と、断熱材２０と、断熱材３０とを備えている。断熱構造１０６は、断熱材２０に対して外側となるように第２層Ｂに配置された板状部材７３と、断熱材１１と板状部材７３の間に配置されたスペーサ５３とを備えている。断熱構造１０６においては、ケーシング９と第１層Ａの間に空間４３が設けられ、板状部材７３によって第１層Ａと第２層Ｂの間に空間４４が設けられている。スペーサ５３がある場合には空間４４が潰れることが確実に防がれるが、板状部材７３によって空間４４が確保される場合にはスペーサ５３はなくてもよい。

第６の実施形態においては、空気供給部９１は、空気９３を断熱構造１０６に供給する。空間４３に供給された空気９３は、ガス透過性を有する断熱材１１を外側から内側に通過して空間４４に流入し、空間４４を通過したのち空気９４として断熱構造１０６から排出される。空間４４を流れる空気９３により、水蒸気を多く含む排燃料ガスが断熱材１１に流入することが防がれる。

したがって、断熱材１１、断熱材２０、断熱材３０のそれぞれの厚さを、断熱材１１と断熱材２０との境界の温度が排燃料ガスの露点温度より高くなるように、すなわち、露点温度が断熱材１１の内部に分布するように設計すれば、水蒸気の結露により断熱構造１０６の断熱性能が低下することが防がれる。

さらに、断熱材１１を外側から内側に通過する空気９３とともに熱が移動するから、断熱材１１の厚さを薄くすることが可能である。

ここで、空気９３が１０６内を流れる過程で炉２００から空気９３に熱が移動するため、空気９４は空気９３に比べて温度が高い。したがって、断熱構造１０６は空気予熱にも利用できる。断熱構造１０６を空気予熱に利用する場合には板状部材７３がガスを透過しない方が好ましいが、空気予熱に利用しない場合には板状部材７３がある程度ガスを透過しても良い。

なお、第６の実施形態においては、発電のための空気とは別系統の空気断熱構造１０６に流すこととしても良い。

図１は、本発明の第１乃至第４の実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る断熱構造を示す断面図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る断熱構造を示す断面図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る断熱構造を示す断面図である。 図５は、本発明の第４の実施形態に係る断熱構造を示す断面図である。 図６は、本発明の第５及び第６の実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。 図７は、本発明の第５の実施形態に係る断熱構造を示す断面図である。 図８は、本発明の第６の実施形態に係る断熱構造を示す断面図である。

符号の説明

１…セル
２…入口空気マニホールド
４…入口燃料マニホールド
５…発電反応室
６…出口空気マニホールド
７…出口燃料マニホールド
９…ケーシング
９１…空気供給部
９２…燃料ガス供給部
９３、９４…空気
１０、１１、２０、３０…断熱材
１０ａ…表面
４１、４２、４３、４４…空間
５１、５２、５３…スペーサ
６１、６２…フィルム状部材
７１、７２、７３…板状部材
１００、１００’…燃料電池システム
１０１〜１０６…断熱構造
２００…炉
Ａ…第１層
Ｂ…第２層
Ｃ…第３層

Claims (11)

1. ケーシングの内側の第１層に配置された第１断熱材と、
   前記第１層の内側の第２層に配置された第２断熱材と、
   前記第２層の内側の第３層に配置された第３断熱材と
   を具備し、
   前記第１断熱材は、無機系の材料からなる固相部分と、空洞部分とを有し、
   前記空洞部分と前記固相部分との境界が前記空洞部分を内側に含む閉曲面であり、
   前記第２断熱材は、前記第３断熱材よりも断熱性が優れ、
   前記第３断熱材は、前記第２断熱材よりも耐熱性が優れている
   断熱構造。
2. 前記第１断熱材と前記第２断熱材との間に配置されたスペーサを具備し、
   前記第１断熱材と前記第２断熱材との間に空間が設けられた
   請求項１の断熱構造。
3. 前記第２断熱材は、フィルム状の第２部材で覆われている
   請求項１又は２の断熱構造。
4. 前記第１断熱材は、フィルム状の第１部材で覆われている
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の断熱構造。
5. 前記第１断熱材に対して内側となるように前記第１層に配置された第１板状部材と、
   前記第２断熱材に対して前記ケーシング側となるように前記第２層に配置された第２板状部材と、
   前記第１板状部材と前記第２板状部材との間の空間に空気を供給する空気供給部と
   を具備する
   請求項１の断熱構造。
6. 前記第１断熱材は、発泡セラミックス体又は発泡ガラス体である
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の断熱構造。
7. ケーシングの内側の第１層に配置された第１断熱材と、
   前記第１層の内側の第２層に配置された第２断熱材と、
   前記第２層の内側の第３層に配置された第３断熱材と
   を具備し、
   前記第１断熱材は、フィルム状の第１部材で覆われており、
   前記第２断熱材は、前記第３断熱材よりも断熱性が優れ、
   前記第３断熱材は、前記第２断熱材よりも耐熱性が優れている
   断熱構造。
8. ケーシングの内側の第１層に配置された第１断熱材と、
   前記第１層の内側の第２層に配置された第２断熱材と、
   前記第２層の内側の第３層に配置された第３断熱材と、
   前記第１層と前記第２層との間の第１空間に流すための空気を供給する空気供給部と
   を具備し、
   前記第２断熱材は、前記第３断熱材よりも断熱性が優れ、
   前記第３断熱材は、前記第２断熱材よりも耐熱性が優れている
   断熱構造。
9. 前記第１断熱材に対して内側となるように前記第１層に配置された第１板状部材と、
   前記第２断熱材に対して前記ケーシング側となるように前記第２層に配置された第２板状部材と
   を具備し、
   前記第１空間は、前記第１板状部材と前記第２板状部材とに挟まれている
   請求項８の断熱構造。
10. 前記第１断熱材はガス透過性を有し、
    前記空気供給部は、前記ケーシングと前記第１層との間の第２空間に前記空気を供給する
    請求項８の断熱構造。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の断熱構造を具備する燃料電池システムであって、
    前記断熱構造の内側に配置された燃料電池セルを具備する
    燃料電池システム。

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