JP2009218052A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体を流すラインの誤接続を正確に察知することができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供すること。
【解決手段】燃料電池コージェネレーションシステム１は、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池２０と、燃料電池２０で発生した熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水ライン２１と、冷却水ｃの熱を排熱回収水ｈに伝達する熱交換器３０と、排熱回収水ｈを蓄える貯湯槽４０と、排熱回収水ｈを、熱交換器３０から貯湯槽４０へと導くべき高温排熱回収水ライン３１Ａと、排熱回収水ｈを、貯湯槽４０から熱交換器３０へと導くべき低温排熱回収水ライン３１Ｂと、貯湯槽４０から導出されるべき排熱回収水ｈの温度を検出する導出水温度検出器６４と、導出水温度検出器６４の検出温度に基づいて、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があったと判断する判断装置６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池コージェネレーションシステムに関し、特に熱媒体を流すラインの誤接続を正確に察知することができる燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池における電気化学的反応の際に発熱があるため、この発生した熱を有効利用すべく蓄熱装置としての貯湯槽と燃料電池とを組み合わせて燃料電池コージェネレーションシステムを構築することが多い。燃料電池コージェネレーションシステムは、一般に、燃料電池及び貯湯槽の他、熱交換器や気液分離器、ポンプ、ブロワ、純水装置、各種センサ等の多くの付帯機器を備えている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−０３２１５３号公報（図１等）

昨今の、燃料電池コージェネレーションシステムを一般家庭に普及させることが喫緊の課題となっている状況下においては、燃料電池コージェネレーションシステムの設置面積を可能な限り小さくすることが求められている。上記のように多数の付帯機器を備えるコージェネレーションシステムの設置面積を可能な限り小さくすると、多くの配管や配線が密集せざるを得ず、配管を誤って接続してしまう場合も生じうる。特に、燃料電池で発生した熱を貯湯槽へ運ぶ媒体を通す配管を誤って接続すると、熱媒体は燃料電池の冷却水としても機能するものであるため、燃料電池を適正な温度に保つことができなくなり、ひいては燃料電池コージェネレーションシステムの運転を継続することができなくなる。

本発明は上述の課題に鑑み、熱媒体を流すラインの誤接続を正確に察知することができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池２０と；燃料電池２０で発生した熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水ライン２１と；冷却水ｃの熱を排熱回収水ｈに伝達する熱交換器３０と；排熱回収水ｈを蓄える貯湯槽４０と；排熱回収水ｈを、熱交換器３０から貯湯槽４０へと導くべき高温排熱回収水ライン３１Ａと；排熱回収水ｈを、貯湯槽４０から熱交換器３０へと導くべき低温排熱回収水ライン３１Ｂと；貯湯槽４０から導出されるべき排熱回収水ｈの温度を検出する導出水温度検出器６４と；導出水温度検出器６４の検出温度に基づいて、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があった（例えば図２参照）と判断する判断装置６０とを備える。ここで「導くべき（導出されるべき）」とは、期待される機能を発揮するように各部材間で正常に接続されていたならば（つまり、誤接続がなければ）導く（導出される）ことを意味する。

このように構成すると、導出水温度検出器の検出温度に基づいて、高温排熱回収水ライン及び低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断する判断装置を備えるので、正常に接続されている場合には検出されることがない温度を誤接続があった場合に検出することが可能になり、高温排熱回収水ライン及び低温排熱回収水ラインの誤接続を正確に察知することができる。

また、本発明の第２の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、貯湯槽４０へ導入されるべき排熱回収水ｈの温度を検出する導入水温度検出器６３を備え；判断装置６０が、導出水温度検出器６４の検出温度が導入水温度検出器６３の検出温度よりも第１の所定の温度以上高い状態が第１の所定の時間継続したときに、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があったと判断するように構成されている。

このように構成すると、導出水温度検出器の検出温度が導入水温度検出器の検出温度よりも第１の所定の温度以上高い状態が第１の所定の時間継続したときに誤接続があったと判断するので、例えば正常に接続されているが貯湯槽内に高温の排熱回収水が残っていたために一時的に導出水温度検出器の検出温度が導入水温度検出器の検出温度よりも高くなっているような場合に誤接続であると誤判定することがなく、誤接続を正確に察知することができる。

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、判断装置６０が、導出水温度検出器６４の検出温度が第２の所定の温度を超えた状態が第２の所定の時間継続したときに、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があったと判断するように構成されている。

このように構成すると、導出水温度検出器の検出温度が第２の所定の温度を超えた状態が第２の所定の時間継続したときに誤接続があったと判断するので、例えば正常に接続されているが貯湯槽内に高温の排熱回収水が残っていたために一時的に導出水温度検出器の検出温度が導入水温度検出器の検出温度よりも高くなっているような場合に誤接続であると誤判定することがなく、誤接続を正確に察知することができる。

また、本発明の第４の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、貯湯槽４０へ導入されるべき排熱回収水ｈの温度を検出する導入水温度検出器６３を備え；判断装置６０が、導出水温度検出器６４の検出温度が導入水温度検出器６３の検出温度よりも第１の所定の温度以上高い状態が第１の所定の時間継続し、かつ、導出水温度検出器６４の検出温度が第２の所定の温度を超えた状態が第２の所定の時間継続したときに、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があったと判断するように構成されている。

このように構成すると、上記本発明の第２の態様及び第３の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムよりも正確に誤接続を察知することができる。

また、本発明の第５の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、導出水温度検出器６４よりも上流側に位置すべき貯湯槽４０内の排熱回収水ｈの温度を検出する貯湯槽内温度検出器６６Ｄを備え；判断装置６０が、導出水温度検出器６４の検出温度が貯湯槽内温度検出器６６Ｄの検出温度よりも第３の所定の温度以上高いときに、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があったと判断するように構成されている。

このように構成すると、正常に接続されている場合には検出されることがない温度を誤接続があった場合に検出することが可能になり、高温排熱回収水ライン及び低温排熱回収水ラインの誤接続を正確に察知することができる。

また、本発明の第６の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、貯湯槽４０へ導入されるべき排熱回収水ｈの温度を検出する導入水温度検出器６３を備え；貯湯槽４０が、内部に蓄えた排熱回収水ｈを第４の所定の温度以上に加熱する加熱手段４６を有し；判断装置６０が、導出水温度検出器６４の検出温度が導入水温度検出器６３の検出温度よりも第５の所定の温度以上高く、かつ、導出水温度検出器６４の検出温度が第６の所定の温度を超えており、かつ、加熱手段４６が作動しておらず及び加熱手段４６が作動を停止してから第３の所定の時間以上が経過しているときに、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があったと判断するように構成されている。

このように構成すると、誤接続が生じていないにもかかわらず誤接続があったという誤った判断がされることを回避することができる。

また、本発明の第７の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第６の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、冷却水ライン２１Ａに挿入配置され、冷却水ライン２１Ａを流れる冷却水ｃを昇温する昇温器５０と；冷却水ｃを、燃料電池２０、昇温器５０及び熱交換器３０にこの順番で流す冷却水ポンプ２２と；排熱回収水ｈを、熱交換器３０と貯湯槽４０との間で循環させる排熱回収水ポンプ３２とを備え；昇温器５０で冷却水ｃを昇温させると共に冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２を起動した状態で、判断装置６０が誤接続があったか否かを判断するように構成されている。

このように構成すると、昇温器で冷却水を昇温させると共に冷却水ポンプ及び排熱回収水ポンプを起動した状態で、判断装置が誤接続があったか否かを判断するので、昇温器で強制的に冷却水を昇温させることとなって、高温排熱回収水ラインを流れる排熱回収水の温度を短時間で昇温させることが可能となり、誤接続があったか否かの判断に要する時間を短縮することができる。

また、本発明の第８の態様に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池コージェネレーションシステム１において、冷却水ライン２１、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂのうち少なくとも１つが通水可能に接続された後に初めて排熱回収水ｈを昇温するときにのみ、判断装置６０が誤接続があったか否かを判断するように構成されている。

このように構成すると、判断装置が誤接続があったか否かを判断する回数を削減することができ、判断装置が判断する際に要するエネルギを削減することができる。

本発明によれば、導出水温度検出器の検出温度に基づいて、高温排熱回収水ライン及び低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断する判断装置を備えるので、正常に接続されている場合には検出されることがない温度を誤接続があった場合に検出することが可能になり、高温排熱回収水ライン及び低温排熱回収水ラインの誤接続を正確に察知することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１及び図２中、破線は制御信号を表す。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム１の構成について説明する。図１は、燃料電池コージェネレーションシステム１の模式的系統図である。燃料電池コージェネレーションシステム１は、主要な機器として、燃料電池２０と、熱交換器３０と、貯湯槽４０と、昇温器としての電気ヒータ５０と、判断装置としての制御装置６０とを備えている。

燃料電池２０は、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱するものであり、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池２０は、改質器（不図示）で生成された改質ガスｇを導入する燃料極２０ａと、酸化剤ガスｔを導入する空気極２０ｃと、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部２０ｒとを含んで構成されている。改質器（不図示）は、原料とプロセス水とを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する機器である。原料は、典型的には、メタン、エタン、ＬＰＧ等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の原料である。改質ガスｇは、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含み、一酸化炭素濃度がおよそ１０ｐｐｍ以下程度のガスである。酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池２０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極２０ａと空気極２０ｃとで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部２０ｒを介し複数枚積層して構成されている。

燃料電池２０では、燃料極２０ａに供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極２０ｃに移動すると共に電子が燃料極２０ａと空気極２０ｃとを結ぶ導線を通って空気極２０ｃに移動して、空気極２０ｃに供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応で発生した熱は、冷却部２０ｒに供給される冷却水ｃによって除去される。換言すれば、燃料電池２０は冷却水ｃにより冷却される。また、この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池２０は、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー（不図示）を介して、電気ヒータ５０、商用電源９８及び電力負荷９９とそれぞれ電気的に接続されている。

熱交換器３０は、燃料電池２０を冷却する冷却水ｃと、燃料電池２０で発生した熱を貯湯槽４０に蓄える媒体である排熱回収水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器３０は、冷却水ｃと排熱回収水ｈとが混合することがないように構成されている。熱交換器３０は、燃料電池２０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い排熱回収水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池２０で発生した熱を冷却水ｃから排熱回収水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器３０を用いて冷却水ｃと排熱回収水ｈとを別系統の流れとすることにより、冷却水ｃ及び排熱回収水ｈの水質を個別に管理することが可能となる。

貯湯槽４０は、燃料電池２０における電気化学的反応の際に発生した熱を、排熱回収水ｈを媒体として蓄える機器である。貯湯槽４０は、典型的には鉛直方向に長く耐食性に富む容器で形成されている。鉛直方向に長く形成されていることにより、内部に貯留される排熱回収水ｈの温度が上部から下部に向かうにしたがって低くなる温度成層の形成が容易になる。なお、排熱回収水ｈを媒体として貯湯槽４０に蓄えられた熱は、給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）にて任意の時間に利用される。貯湯槽４０には、蓄えられている排熱回収水ｈを温水として給湯や暖房機器などの熱需要に供給するための温水往管４２が上部に、暖房機器等で熱が利用されて温度が低下した温水を導入する温水還管４３が下部に、給湯等で消費された温水分の水を補充するために水（例えば市水等）を導入する補給水管４８が下部に、それぞれ接続されている。補給水管４８には、貯湯槽４０に補充される水の量を計測する量水器６８が設けられている。なお、貯湯槽４０を水平方向に長く形成して、貯湯槽４０内で水平方向に排熱回収水ｈの温度差があるように構成してもよい。

また、貯湯槽４０内には、貯湯槽４０内に貯留されている排熱回収水ｈの温度を検出する貯湯槽内温度検出器としての貯湯槽温度センサ６６が配設されている。貯湯槽温度センサ６６は、貯湯槽４０内の排熱回収水ｈの温度成層の温度分布を検出可能なように、貯湯槽４０内を排熱回収水ｈが流れるべき方向に間隔をあけて複数個設けられている。本実施の形態では、鉛直方向（排熱回収水ｈが流れるべき方向）で貯湯槽４０内の排熱回収水ｈを５等分に仮想分割したその仮想境界のそれぞれに貯湯槽温度センサ６６が設けられている。したがって本実施の形態では、貯湯槽４０内に４つの貯湯槽温度センサ６６が設けられることとなる。貯湯槽４０内には、上方から下方に向かって貯湯槽温度センサ６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、６６Ｄの４つが設けられている。以下、各貯湯槽温度センサ６６Ａ〜６６Ｄを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「貯湯槽温度センサ６６」という。貯湯槽温度センサ６６は、信号ケーブルにより制御装置６０と電気的に接続されている。

また、貯湯槽４０内には、内部に蓄えられている排熱回収水ｈを加熱する加熱手段としての追い焚き器４６が設けられている。追い焚き器４６は、可燃性ガス等の燃料（不図示）を導入し燃焼させることにより、燃料電池３０を長時間運転せず排熱回収水ｈの流動がない場合に発生するおそれがあるレジオネラ属菌等の細菌類（以下単に「レジオネラ属菌」という。）を滅菌することができる温度（本発明における第４の所定の温度）以上に排熱回収水ｈを加熱することができるように構成されている。追い焚き器４６は、制御装置６０からの信号を受信して発停及び発熱量が調節されるように構成されている。なお、加熱手段は、追い焚き器４６に代えて、電気エネルギを入力してレジオネラ属菌を滅菌可能な温度以上に排熱回収水ｈを加熱することができる熱を発生させる電気ヒータ等であってもよい。

燃料電池２０の冷却部２０ｒと熱交換器３０とは、内部に冷却水ｃを流す冷却水ライン２１で接続されている。ラインは典型的には配管である。燃料電池２０と熱交換器３０とが冷却水ライン２１で接続されることにより、冷却水ｃがこれらの間を循環する循環流路が形成される。冷却水ライン２１は、燃料電池２０から熱交換器３０へと冷却水ｃを流す第１冷却水ライン２１Ａと、熱交換器３０から燃料電池２０へと冷却水ｃを流す第２冷却水ライン２１Ｂとを有している。以下、第１冷却水ライン２１Ａと第２冷却水ライン２１Ｂとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「冷却水ライン２１」という。第１冷却水ライン２１Ａには電気ヒータ５０が挿入配置されている。第２冷却水ライン２１Ｂには冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ２２が挿入配置されている。なお、冷却水ポンプ２２は第１冷却水ライン２１Ａに挿入配置されてもよいが、燃料電池２０保護の観点から冷却部２０ｒが負圧になることを回避するために第２冷却水ライン２１Ｂに挿入配置されることが好ましい。

電気ヒータ５０は、商用電源９８あるいは燃料電池２０から電力の供給を受けて発熱し、冷却水ライン２１を流れる冷却水ｃの温度を上昇させる機器である。電気ヒータ５０は、燃料電池２０における発電が行われていないときであっても熱需要（不図示）で利用される熱量を貯湯槽４０に蓄熱できるような出力があるものになっている。また、電気ヒータ５０は、燃料電池２０で発電した電力よりも電力負荷９９における消費電力が小さいときに、燃料電池２０で発電した余剰電力を消費する逆潮流防止電気ヒータとしても機能する。すなわち電気ヒータ５０は、燃料電池２０から余剰電力が発生するときは燃料電池２０から電力の供給を受けて発熱し、燃料電池２０の発電がないときは商用電源９８から電力の供給を受けて発熱するように、燃料電池２０及び商用電源９８と電気的に接続されている。

熱交換器３０と貯湯槽４０とは、内部に排熱回収水ｈを流す排熱回収水ライン３１で接続されている。熱交換器３０と貯湯槽４０とが排熱回収水ライン３１で接続されることにより、排熱回収水ｈがこれらの間を循環する循環流路が形成される。排熱回収水ライン３１は、熱交換器３０から貯湯槽４０へと排熱回収水ｈを流す高温排熱回収水ライン３１Ａと、貯湯槽４０から熱交換器３０へと排熱回収水ｈを流す低温排熱回収水ライン３１Ｂとを有している。以下、高温排熱回収水ライン３１Ａと低温排熱回収水ライン３１Ｂとを特に区別する必要がない場合はこれらを総称して単に「排熱回収水ライン３１」という。高温排熱回収水ライン３１Ａは、好ましくは貯湯槽４０の上部で貯湯槽４０に接続されており、低温排熱回収水ライン３１Ｂは、好ましくは貯湯槽４０の下部で、より好ましくは貯湯槽４０の底部で貯湯槽４０に接続されている。このように接続されることで、貯湯槽４０の内部に貯留される排熱回収水ｈの温度成層の形成が容易になる。貯湯槽４０内が密閉されて排熱回収水ｈで充満されているときは、高温排熱回収水ライン３１Ａが貯湯槽４０の頂部で接続されているとより好ましい。低温排熱回収水ライン３１Ｂには排熱回収水ｈを循環させる排熱回収水ポンプ３２が挿入配置されている。なお、排熱回収水ポンプ３２は高温排熱回収水ライン３１Ａに挿入配置されてもよい。

高温排熱回収水ライン３１Ａと、排熱回収水ポンプ３２よりも上流側の低温排熱回収水ライン３１Ｂとは、バイパスライン３５で接続されている。バイパスライン３５は、高温排熱回収水ライン３１Ａを流れる排熱回収水ｈを、貯湯槽４０に流入させずに（貯湯槽４０をバイパスして）低温排熱回収水ライン３１Ｂへ導く流路である。高温排熱回収水ライン３１Ａとバイパスライン３５との接続部分には、高温排熱回収水ライン３１Ａを流れる排熱回収水ｈを貯湯槽４０に流入させるのと、貯湯槽４０をバイパスして低温排熱回収水ライン３１Ｂに流入させるのとを切り替える切替手段としての三方弁６２が配設されている。三方弁６２は、三方弁６２と貯湯槽４０との間の距離ができるだけ短くなるように配設されていることが好ましい。三方弁６２は制御装置６０からの信号を受信して電動で流路を切り替えることができるように構成されている。

高温排熱回収水ライン３１Ａには、三方弁６２よりも下流側であって貯湯槽４０との接続部分の直近上流に、導入水温度検出器としての導入水温度センサ６３が配設されている。導入水温度センサ６３は、貯湯槽４０に導入されるべき排熱回収水ｈの温度を検出し、検出した温度を信号として制御装置６０に送信することができるように構成されている。低温排熱回収水ライン３１Ｂには、貯湯槽４０との接続部分の直近下流に、導出水温度検出器としての導出水温度センサ６４が配設されている。導出水温度センサ６４は、貯湯槽４０から導出されるべき排熱回収水ｈの温度を検出し、検出した温度を信号として制御装置６０に送信することができるように構成されている。また、高温排熱回収水ライン３１Ａには、三方弁６２の直近上流に、排熱回収水ｈの温度を検出する温度検出器としての弁制御用温度センサ６５が設けられている。弁制御用温度センサ６５は、三方弁６２に到達する前の排熱回収水ｈの温度を検出し、検出した温度を信号として制御装置６０に送信することができるように構成されている。

制御装置６０は、燃料電池コージェネレーションシステム１の運転を制御する。制御装置６０は燃料電池２０と信号ケーブルで接続されており、燃料電池２０が発電を行っているか否かの信号を受信できるように構成されている。また、制御装置６０は電気ヒータ５０と信号ケーブルで接続されており、電気ヒータ５０への通電の有無を制御できるように構成されている。また、制御装置６０は冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２の発停や回転数をそれぞれ制御することができるように構成されている。また、制御装置６０は三方弁６２と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して三方弁６２の流路を切り替えることができるように構成されている。また、制御装置６０は導入水温度センサ６３、導出水温度センサ６４、弁制御用温度センサ６５、及び貯湯槽温度センサ６６とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、導入水温度センサ６３、導出水温度センサ６４、弁制御用温度センサ６５、及び貯湯槽温度センサ６６からそれぞれ温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置６０は量水器６８と信号ケーブルで接続されており、量水器６８から水量信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置６０は追い焚き器４６と信号ケーブルで接続されており、追い焚き器４６の発停及び発熱量を制御できるように構成されている。また、制御装置６０は、時間を計測することができるタイマーを有している。また、制御装置６０は、燃料電池コージェネレーションシステム１に異常が発生したことを知らせる警報装置（不図示）と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して警報装置（不図示）を発報させることができるように構成されている。

燃料電池コージェネレーションシステム１は、電気ヒータ５０が、上述のように第１冷却水ライン２１Ａに挿入配置されており、排熱回収水ライン３１には挿入配置されていない。したがって、加熱装置のない貯湯槽４０を含む排熱回収水系統がボイラー又は圧力容器としての扱いを受けない。これにより、燃料電池コージェネレーションシステム１の取り扱いが簡便になる。

引き続き図１を参照して、燃料電池コージェネレーションシステム１の作用を説明する。電力負荷９９において電力需要が発生すると、制御装置６０は燃料電池２０が発電を行うように燃料電池コージェネレーションシステム１を制御する。このとき燃料電池２０には、燃料極２０ａに改質ガスｇが導入され、空気極２０ｃに酸化剤ガスｔが導入されて、燃料電池２０では改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電が行われる。燃料電池２０で発電された電力は直流電力であるため、パワーコンディショナー（不図示）にて交流電力に変換された後に電力需要９９に供給される。制御装置６０は、典型的には電力需要９９における消費電力よりも所定の容量（例えば１００ｗ）だけ少ない電力を燃料電池２０で発電するように燃料電池２０に導入される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの流量を制御する。電力需要９９が燃料電池２０から電力の供給を受けてなお不足する電力は、商用電源９８から供給を受けることで補われる。燃料電池２０は、その性質上、電力需要の急峻な変動に追従することが困難であるため、電力需要９９における消費電力よりも所定の容量だけ少ない電力を発電することにより、燃料電池２０で発電した電力が商用電源系統に逆潮流することを防いでいる。なお、仮に燃料電池２０における発電電力が電力需要９９の消費電力を上回った場合、制御装置６０は上回った分の電力（余剰電力）を電気ヒータ５０に通電し、熱に変換することで余剰電力を逆潮流させずに消費させる。

燃料電池２０は、発電が行われるのに伴い熱が発生する。制御装置６０は、改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが燃料電池２０に導入されたら、冷却水ポンプ２２及び排熱回収水ポンプ３２を起動する。また、制御装置６０は、弁制御用温度センサ６５から温度信号を受信して、検出された温度が所定の温度（燃料電池２０を冷却可能な温度の上限に近い温度であり、例えば４５℃）になるまでは排熱回収水ｈがバイパスライン３５に流入するように、所定の温度になると排熱回収水ｈがバイパスライン３５ではなく貯湯槽４０に流入するように、三方弁６２に信号を送信して三方弁６２の通水方向を切り替える。冷却水ポンプ２２が起動されることにより冷却水ｃが冷却水ライン２１を循環する。これにより、燃料電池２０の冷却部２０ｒに導入された冷却水ｃは燃料電池２０から熱を奪って温度が上昇し、他方、燃料電池２０は冷やされる。燃料電池２０は、冷却水ｃで冷却されることにより発電に適した温度（典型的には６０℃〜８０℃）に維持される。燃料電池２０の熱を奪って温度が上昇した冷却水ｃは、熱交換器３０で排熱回収水ｈと熱交換して燃料電池２０を冷却可能な程度に温度が低下し、他方、排熱回収水ｈの温度は上昇する。温度が低下した冷却水ｃは、再び冷却部２０ｒに導入されて燃料電池２０で発生した熱を奪う、というように冷却水ライン２１を循環する。なお、燃料電池２０で発電した電力に余剰電力が発生した場合は、その余剰電力は電気ヒータ５０に通電されることとなり、燃料電池２０で温度が上昇した冷却水ｃが電気ヒータ５０で受熱してさらに温度が上昇した後に熱交換器３０に導入される。

熱交換器３０で冷却水ｃと熱交換することにより温度が上昇した排熱回収水ｈは、その後貯湯槽４０の上部に流入する。他方、貯湯槽４０の下部からは、熱交換器３０に導入される冷却水ｃよりも温度が低い排熱回収水ｈが導出される。貯湯槽４０の下部から導出された排熱回収水ｈは、熱交換器３０に導入され、冷却水ｃと熱交換を行って温度が上昇する。貯湯槽４０には温度が高い排熱回収水ｈが上部から導入されることにより、温度成層が形成される。なお、形成された温度成層をできるだけ乱さないようにする観点から、貯湯槽４０に導入される排熱回収水ｈの動圧はできるだけ小さい方がよい。

貯湯槽４０に蓄えられた温度が高い排熱回収水ｈは、温水往管４２を介して給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）に温水として供給される。熱需要に供給された温水は、例えば、暖房機器等の熱を利用して物質としての水を消費しない場所に供給された場合は、暖房機器等において熱が利用されて温度が低下した後に温水還管４３を介して貯湯槽４０の下部に戻される。給湯等の物質としての水の消費を伴う場所に供給された場合は、給湯等に利用されて消費された分の水が補給水管４８を介して貯湯槽４０の下部に補充される。これらにより、貯湯槽４０の下部から流出する排熱回収水ｈは、熱交換器３０に導入される冷却水ｃよりも温度が低くなる。

このような燃料電池コージェネレーションシステム１の作用は、燃料電池コージェネレーションシステム１を構成する各機器が適切に接続されているときに行われるものであって、例えば、熱交換器３０と三方弁６２との間の高温排熱回収水ライン３１Ａと、貯湯槽４０と排熱回収水ポンプ３２との間の低温排熱回収水ライン３１Ｂとが誤って接続されているときは正常に作動することができないのが一般的である。
図２に高温排熱回収水ライン３１Ａと低温排熱回収水ライン３１Ｂとが誤って接続されている燃料電池コージェネレーションシステム１Ａの模式的系統図を示す。燃料電池コージェネレーションシステム１Ａは、熱交換器３０から導出された排熱回収水ｈが貯湯槽４０の底部に導かれるように、かつ、熱交換器３０に導入される排熱回収水ｈが貯湯槽４０の上部（あるいは頂部）から導出されるように、高温排熱回収水ライン３１Ａと低温排熱回収水ライン３１Ｂとが誤って接続されている以外は燃料電池コージェネレーションシステム１（図１参照）と同様に構成されている。高温排熱回収水ライン３１Ａと低温排熱回収水ライン３１Ｂとが誤って接続されていると燃料電池２０を所定の作動温度に冷却することができずに燃料電池コージェネレーションシステム１の運転を継続することができず、そればかりか故障の原因にもなりうる。そこで、高温排熱回収水ライン３１Ａと低温排熱回収水ライン３１Ｂとが誤って接続されているときには燃料電池コージェネレーションシステム１の故障に至る前に誤接続であることを察知することができる一方で、適切に接続されているときに誤って誤接続であると判断しないように、以下のような制御を行う。

図３は、排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認を説明するフローチャートである。燃料電池コージェネレーションシステム１は、各温度センサ６３、６４、６５、６６で随時温度を検出しており（Ｓｔ１）、検出した温度は信号として制御装置６０に送信される。温度信号を受信した制御装置６０は、温度条件が次の３つのいずれかに該当するか否かを判断する（Ｓｔ２）。すなわち、工程Ｓｔ２において、制御装置６０は、「ａ．導出水温度センサ６４の検出温度が導入水温度センサ６３の検出温度よりも第１の所定の温度以上高い状態が第１の所定の時間継続した」、「ｂ．導出水温度センサ６４の検出温度が第２の所定の温度を超えた状態が第２の所定の時間継続した」、「ｃ．導出水温度センサ６４の検出温度が貯湯槽温度センサ６６のうちの最も下流に位置すべき貯湯槽温度センサ６６Ｄの検出温度よりも第３の所定の温度以上高い」のいずれかに該当するか否かを判断する。

ここで「第１の所定の時間」は、典型的には、燃料電池コージェネレーションシステム１の定常運転時の排熱回収水ｈの温度バランスが崩れている場合に、定常運転時の温度バランスとなるまでの時間であり、「第１の所定の温度」は、典型的には燃料電池コージェネレーションシステム１を構成する各機器が適切に接続されていたならば第１の所定の時間継続して維持されることがない温度差であり例えば５℃程度である。「第２の所定の温度」は、典型的には燃料電池コージェネレーションシステム１を構成する各機器が適切に接続されていたならば到達することのない温度で、例えば５０℃程度であり、「第２の所定の時間」は、典型的には、導出水温度センサ６４の検出温度が第２の所定の温度を超えている状態に基づいて高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂが誤接続されていることが一応確からしいと判断できる時間である。第２の所定の時間は、結果として第１の所定の時間と同じになる場合もある。「第３の所定の温度」は、典型的には燃料電池コージェネレーションシステム１を構成する各機器が適切に接続されていたならば至ることがない温度差である。

上記工程Ｓｔ２において、ａ〜ｃのいずれの条件にも適合しない場合は、再び温度条件が上記ａ〜ｃの３つのいずれかに該当するか否かを判断する工程（Ｓｔ２）に戻る。他方、上記工程Ｓｔ２において、ａ〜ｃの条件の少なくともいずれか１つに該当する場合、制御装置６０は、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があると判断し（Ｓｔ３）、警報装置（不図示）に警報信号を送信して警報装置を発報させ（Ｓｔ４）、燃料電池コージェネレーションシステム１を停止させる（Ｓｔ５）。このように、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があるか否かを判断し、誤接続があった場合は警報装置（不図示）によりその旨を知らせると共に燃料電池コージェネレーションシステム１を停止させるので、設計条件に適合しない不適切な運転を継続することに起因する燃料電池コージェネレーションシステム１の故障を未然に防ぐことが可能になる。

以上で説明した排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認は、各温度センサ６３、６４、６５、６６の温度を検出していることから分かるように、排熱回収水ｈが熱交換器３０で昇温される運転中に行われる。排熱回収水ｈが熱交換器３０で昇温される運転は、典型的には燃料電池２０が発電を行っているために燃料電池２０から熱の発生がある状態である。しかしながら、燃料電池２０が発電を行っていない場合であっても、電気ヒータ５０を発熱させることにより排熱回収水ｈを熱交換器３０において昇温させるようにしてもよい。燃料電池コージェネレーションシステム１では、逆潮流防止電気ヒータを兼ねる電気ヒータ５０を備えているので、燃料電池２０が発電を行っていない場合であっても排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認を行うことができる。一般に、上述の第１の所定の温度、第２の所定の温度、第３の所定の温度が、対応する温度センサで検出されるまでに要する時間は、燃料電池２０で発生した熱を蓄熱する運転よりも電気ヒータ５０を発熱させて蓄熱する運転の方が短いため、電気ヒータ５０に通電して排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認を行う場合は短時間で誤接続の有無を判定することができる。一例を挙げると、誤接続の有無の判定に要する時間は、燃料電池２０の発熱による場合は４０分程度となるところ、電気ヒータ５０の発熱による場合は５分程度に短縮することが可能になる。

また、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続が生じるのは、通常であれば、燃料電池コージェネレーションシステム１を初めて現場に設置して熱交換器３０と貯湯槽４０とを高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂで接続する際、又は構築されている燃料電池コージェネレーションシステム１をメンテナンス等するために高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂを一旦外したうえで再接続する際である。したがって、排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認は、高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂが通水可能に接続された後に初めて排熱回収水ｈを昇温するときにのみ行うこととして、必要以上に誤接続の有無の確認を行わないようにしてもよい。このように誤接続の有無の確認を限定的に行うこととすると、誤接続の判断をする際に要する付帯機器（冷却水ポンプ２２、排熱回収水ポンプ３２、電気ヒータ５０等）の動力等のエネルギを削減することができる。ここで「通水可能に接続された後」とは、例えば、燃料電池コージェネレーションシステム１を初めて現場に設置した後や、燃料電池コージェネレーションシステム１をメンテナンス等するために高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂを一旦外したうえで再接続した後等、通水不能の状態から通水可能になった後のことである。なお、冷却水ライン２１も着脱される場合には、冷却水ライン２１が通水可能に接続された後に初めて排熱回収水ｈを昇温するときに排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認を行うこととしてもよい。

なお、燃料電池コージェネレーションシステム１をメンテナンスする前の長時間にわたって燃料電池３０を運転していない場合は、貯湯槽４０内の排熱回収水ｈ中にレジオネラ属菌が発生しているおそれがあるため、万一に備えてメンテナンス終了後にレジオネラ属菌を滅菌することができる温度（第４の所定の温度）以上に排熱回収水ｈを加熱する場合がある。一般に、滅菌温度は７０℃以上である場合が多く、この場合は排熱回収水ｈが第２の所定の温度よりも高くなる。すると、排熱回収水ライン３１の誤接続がない場合であっても誤接続と判断される誤検出がなされる場合も生じうる。このような誤検出を回避するために、制御装置６０は、図３に示す工程Ｓｔ２における誤接続有りと判断する際の選択肢として、上記の条件ａ〜ｃの他に、「ｄ．導出水温度検出器６４の検出温度が導入水温度検出器６３の検出温度よりも第５の所定の温度以上高く、かつ、導出水温度検出器６４の検出温度が第６の所定の温度を超えており、かつ、追い焚き器４６が作動しておらず及び追い焚き器４６が作動を停止してから第３の所定の時間以上が経過している」という条件を加えるとよい。ここで、第５の所定の温度は、典型的には第１の所定の温度と同じ温度であり、第６の所定の温度は、典型的には第２の所定の温度と同じ温度である。また、第３の所定の時間は、典型的には貯湯槽４０内の排熱回収水ｈに滅菌加熱した影響が現れなくなる（燃料電池コージェネレーションシステム１を運転したならば定常時の温度分布となる）のに要する時間である。このように構成すると、排熱回収水ライン３１に誤接続がないにもかかわらず滅菌加熱を行ったために上記ａ〜ｃのいずれかの条件を検出してしまい誤接続があったと判断する誤検出を回避することができる。なお、メンテナンス終了後の滅菌加熱は、追い焚き器４６を手動で作動させることにより行ってもよい。

以上の説明では、排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認における温度条件が所定の条件に該当するか否かを判断する工程（Ｓｔ２）において、「ａ．導出水温度センサ６４の検出温度が導入水温度センサ６３の検出温度よりも第１の所定の温度以上高い状態が第１の所定の時間継続した」、「ｂ．導出水温度センサ６４の検出温度が第２の所定の温度を超えた状態が第２の所定の時間継続した」、「ｃ．導出水温度センサ６４の検出温度が貯湯槽温度センサ６６のうちの最も下流に位置すべき貯湯槽温度センサ６６Ｄの検出温度よりも第３の所定の温度以上高い」、「ｄ．導出水温度検出器６４の検出温度が導入水温度検出器６３の検出温度よりも第５の所定の温度以上高く、かつ、導出水温度検出器６４の検出温度が第６の所定の温度を超えており、かつ、追い焚き器４６が作動しておらず及び追い焚き器４６が作動を停止してから第３の所定の時間以上が経過している」の４つの条件を考慮するように制御装置６０が構成されているとしたが、制御装置６０が考慮するのは上記ａ〜ｃのうちのいずれか１つのみ又は任意の２つあるいはこれらのいずれかに上記ｄを加えたものとしてもよい。また、温度条件が上記ａ〜ｄに該当するか否かを判断する工程（Ｓｔ２）において、ａ〜ｄの条件の少なくともいずれか１つに該当する場合に制御装置６０が高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があると判断する（Ｓｔ３）こととしたが、ａ及びｂの両方の条件を満たしたときに高温排熱回収水ライン３１Ａ及び低温排熱回収水ライン３１Ｂに誤接続があると判断する（Ｓｔ３）こととしてもよい。このとき、温度条件が所定の条件に該当するか否かを判断する工程（Ｓｔ２）において、制御装置６０は上記ａ及びｂの条件のみを考慮して上記ｃ及びｄの条件を考慮しないように構成されていてもよい。

以上の説明では、導入水温度センサ６３が貯湯槽４０との接続部分の直近上流の高温排熱回収水ライン３１Ａに、導出水温度センサ６４が貯湯槽４０との接続部分の直近下流の低温排熱回収水ライン３１Ｂに、それぞれ配設されているとしたが、導入水温度センサ６３が貯湯槽４０内の貯湯槽４０の上部（頂部）に、導出水温度センサ６４が貯湯槽４０内の貯湯槽４０の底部に、それぞれ設けられていてもよい。つまり、実質的に貯湯槽４０に導入されるべき排熱回収水ｈの温度及び貯湯槽４０から導出されるべき排熱回収水ｈの温度を検出することができる範囲で、導入水温度センサ６３及び導出水温度センサ６４の具体的な設置位置を移動させてもよい。

また、任意のタイミングで排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認を行いたい場合において、蓄熱運転（排熱回収水ｈを昇温させる運転）が始まる前に導出水温度センサ６４及び／又は貯湯槽温度センサ６６（貯湯槽温度センサ６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、６６Ｄのすべて又は一部）で検出した温度が既に燃料電池コージェネレーションシステム１を構成する各機器が適切に接続されていたならば到達することのない程度に高温である場合に、制御装置６０は、排熱回収水ライン３１の誤接続の有無の確認を行うことができないと判断し、警報装置（不図示）に信号を送信して発報するようにしてもよい。

以上の説明では、追い焚き器４６（加熱手段）が貯湯槽４０内に設けられているとしたが、貯湯槽４０内の排熱回収水ｈを一旦貯湯槽４０外に導出して再び貯湯槽４０内に導入する循環流路（不図示）を設け、この循環流路（不図示）に追い焚き器４６（加熱手段）を設けるように構成してもよい。

以上の説明では、燃料電池２０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの模式的系統図である。 排熱回収水ラインが誤接続された燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す模式的系統図である。 排熱回収水ラインの誤接続の有無の確認を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池コージェネレーションシステム
２０ 燃料電池
２１ 冷却水ライン
２２ 冷却水ポンプ
３０ 熱交換器
３１Ａ 高温排熱回収水ライン
３１Ｂ 低温排熱回収水ライン
３２ 排熱回収水ポンプ
４０ 貯湯槽
４６ 追い焚き器
５０ 電気ヒータ
６０ 制御装置
６３ 導入水温度センサ
６４ 導出水温度センサ
６６Ａ〜６６Ｄ 貯湯槽温度センサ
ｃ 冷却水
ｈ 排熱回収水

Claims (8)

1. 水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池と；
   前記燃料電池で発生した熱を奪う冷却水を流す冷却水ラインと；
   前記冷却水の熱を排熱回収水に伝達する熱交換器と；
   前記排熱回収水を蓄える貯湯槽と；
   前記排熱回収水を、前記熱交換器から前記貯湯槽へと導くべき高温排熱回収水ラインと；
   前記排熱回収水を、前記貯湯槽から前記熱交換器へと導くべき低温排熱回収水ラインと；
   前記貯湯槽から導出されるべき前記排熱回収水の温度を検出する導出水温度検出器と；
   前記導出水温度検出器の検出温度に基づいて、前記高温排熱回収水ライン及び前記低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断する判断装置とを備える；
   燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記貯湯槽へ導入されるべき前記排熱回収水の温度を検出する導入水温度検出器を備え；
   前記判断装置が、前記導出水温度検出器の検出温度が前記導入水温度検出器の検出温度よりも第１の所定の温度以上高い状態が第１の所定の時間継続したときに、前記高温排熱回収水ライン及び前記低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断するように構成された；
   請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 前記判断装置が、前記導出水温度検出器の検出温度が第２の所定の温度を超えた状態が第２の所定の時間継続したときに、前記高温排熱回収水ライン及び前記低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断するように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
4. 前記貯湯槽へ導入されるべき前記排熱回収水の温度を検出する導入水温度検出器を備え；
   前記判断装置が、前記導出水温度検出器の検出温度が前記導入水温度検出器の検出温度よりも第１の所定の温度以上高い状態が第１の所定の時間継続し、かつ、前記導出水温度検出器の検出温度が第２の所定の温度を超えた状態が第２の所定の時間継続したときに、前記高温排熱回収水ライン及び前記低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断するように構成された；
   請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
5. 前記導出水温度検出器よりも上流側に位置すべき前記貯湯槽内の前記排熱回収水の温度を検出する貯湯槽内温度検出器を備え；
   前記判断装置が、前記導出水温度検出器の検出温度が前記貯湯槽内温度検出器の検出温度よりも第３の所定の温度以上高いときに、前記高温排熱回収水ライン及び前記低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断するように構成された；
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
6. 前記貯湯槽へ導入されるべき前記排熱回収水の温度を検出する導入水温度検出器を備え；
   前記貯湯槽が、内部に蓄えた前記排熱回収水を第４の所定の温度以上に加熱する加熱手段を有し；
   前記判断装置が、前記導出水温度検出器の検出温度が前記導入水温度検出器の検出温度よりも第５の所定の温度以上高く、かつ、前記導出水温度検出器の検出温度が第６の所定の温度を超えており、かつ、前記加熱手段が作動しておらず及び前記加熱手段が作動を停止してから第３の所定の時間以上が経過しているときに、前記高温排熱回収水ライン及び前記低温排熱回収水ラインに誤接続があったと判断するように構成された；
   請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
7. 前記冷却水ラインに挿入配置され、前記冷却水ラインを流れる前記冷却水を昇温する昇温器と；
   前記冷却水を、前記燃料電池、前記昇温器及び前記熱交換器にこの順番で流す冷却水ポンプと；
   前記排熱回収水を、前記熱交換器と前記貯湯槽との間で循環させる排熱回収水ポンプとを備え；
   前記昇温器で前記冷却水を昇温させると共に前記冷却水ポンプ及び前記排熱回収水ポンプを起動した状態で、前記判断装置が前記誤接続があったか否かを判断するように構成された；
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
8. 前記冷却水ライン、前記高温排熱回収水ライン及び前記低温排熱回収水ラインのうち少なくとも１つが通水可能に接続された後に初めて前記排熱回収水を昇温するときにのみ、前記判断装置が前記誤接続があったか否かを判断するように構成された；
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。

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