JP2010073497A - 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のセルが積層された燃料電池のクロスリークを精度良く検出できる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１０）は、複数のセル（３０）が積層された積層体（２０）のうち、アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれか一方の反応ガス供給停止後における対象セルの電圧挙動を検出する電圧検出手段（１００）と、反応ガス供給停止後における基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差に基づいて、対象セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出手段（１１０）と、を備えることを特徴とするものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の固体高分子電解質を有するセルが複数積層された積層体構造を有する。このセルにおいて、アノードガスがカソード側の電極にリークし、またはカソードガスがアノード側の電極にリークする「クロスリーク」が生じることがある。クロスリークが生じると、発電性能が低下する。

特許文献１には、アノードガス供給停止後におけるセルの電気出力が、基準値以下である場合にクロスリークが生じていると判別する燃料電池の運転方法が開示されている。

特開２００４−３３５４４８号公報

しかしながら、各セルのガス供給停止後の電圧挙動は、セルの積層位置等に応じてばらつくことがある。そのため、特許文献１の技術では、クロスリークを検出するための基準値が必ずしも適切であるとは限らない。

本発明は、複数のセルが積層された燃料電池のクロスリークを精度良く検出できる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、複数のセルが積層された積層体のうち、アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれか一方の反応ガス供給停止後における対象セルの電圧挙動を検出する電圧検出手段と、反応ガス供給停止後における基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差に基づいて、対象セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、各セルの積層位置等に起因する電圧のばらつきを回避して、各セルのクロスリークを検出することができる。それにより、クロスリークを精度良く検出することができる。

上記構成において、基準セルとは、発電回数が所定値以下の対象セルであってもよい。上記構成において、基準セルは、複数のセルの中で反応ガス供給停止後における電圧低下速度が平均以下のセルであってもよい。上記構成において、基準セルは、複数のセルの中で反応ガス供給停止後における電圧低下速度が最も小さいセルであってもよい。上記構成において、基準セルは、複数のセルの中で膜厚が平均以上の電解質膜を有するセルであってもよい。上記構成において、基準セルは、複数のセルの中で最も膜厚が大きい電解質膜を有するセルであってもよい。

上記構成において、基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差は、反応ガス供給停止後所定時間経過後の電圧差であってもよい。上記構成において、基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差は、反応ガス供給停止後の電圧低下速度差であってもよい。上記構成において、反応ガスは、アノードガスであってもよい。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、複数のセルが積層された積層体のうち、アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれか一方の反応ガス供給停止後における対象セルの電圧挙動を検出する電圧検出ステップと、反応ガス供給停止後における基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差に基づいて、対象セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の運転方法によれば、各セルの積層位置等に起因する電圧のばらつきを回避して、各セルのクロスリークを検出することができる。それにより、クロスリークを精度良く検出することができる。

上記方法において、基準セルとは、発電回数が所定値以下の対象セルであってもよい。上記方法において、基準セルは、複数のセルの中で反応ガス供給停止後における電圧低下速度が平均以下のセルであってもよい。上記方法において、基準セルは、複数のセルの中で反応ガス供給停止後における電圧低下速度が最も小さいセルであってもよい。上記方法において、基準セルは、複数のセルの中で膜厚が平均以上の電解質膜を有するセルであってもよい。上記方法において、基準セルは、複数のセルの中で最も膜厚が大きい電解質膜を有するセルであってもよい。

上記方法において、基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差は、反応ガス供給停止後所定時間経過後の電圧差であってもよい。上記方法において、基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差は、反応ガス供給停止後の電圧低下速度差であってもよい。上記方法において、反応ガスは、アノードガスであってもよい。

本発明によれば、複数のセルが積層された燃料電池のクロスリークを精度良く検出できる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池システム１０について説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、反応ガス供給手段（アノードガス供給手段８０およびカソードガス供給手段９０）と、電圧検出手段１００と、制御装置１１０と、を備える。なお、燃料電池システム１０は、例えば車両に搭載されて使用される。

燃料電池２０は、複数のセル３０と、セル３０が積層されてなる積層体の両端に配置された集電板４０と、各集電板４０のセル３０と反対側に配置されたインシュレータ５０と、各インシュレータ５０の集電板４０と反対側に配置されたエンドプレート６０と、を備える。セル３０の詳細については、後述する。

集電板４０は、セル３０によって発電された電力を集電する板である。インシュレータ５０は、集電板４０とエンドプレート６０とを絶縁する絶縁体である。エンドプレート６０は、セル３０に締結力を与えるためのプレートである。

燃料電池２０の一方の側の集電板４０、インシュレータ５０およびエンドプレート６０には、アノードガス供給口７０およびカソードガス供給口７１が形成されている。アノードガス供給口７０には水素を含むアノードガスが供給され、カソードガス供給口７１には酸素を含むカソードガスが供給される。なお、アノードガス供給口７０およびカソードガス供給口７１を総称してガス供給口と称する。

なお、図示してはいないが、燃料電池２０の一対の集電板４０は、補機等の負荷に電気的に接続されている。それにより、燃料電池２０と負荷とは電気回路を構成している。この電気回路には、制御装置１１０の指示によって開閉されるスイッチが配置されている。

アノードガス供給手段８０は、アノードガス供給口７０に接続されている。アノードガス供給手段８０は、制御装置１１０の指示を受けて燃料電池２０にアノードガスを供給する。カソードガス供給手段９０は、カソードガス供給口７１に接続されている。カソードガス供給手段９０は、制御装置１１０の指示を受けて燃料電池２０にカソードガスを供給する。

電圧検出手段１００は、各セル３０にそれぞれ接続されている。電圧検出手段１００は、各セル３０の電圧を検出して、検出結果を制御装置１１０に伝える。それにより、制御装置１１０は、各セル３０の電圧の挙動を取得することができる。すなわち、電圧検出手段１００は、各セル３０の電圧挙動を検出する電圧検出手段としての機能を有する。

制御装置１１０は、燃料電池システム１０の各部を制御するマイクロコンピュータである。また、制御装置１１０は、クロスリークの検出装置としての機能も有している。制御装置１１０は、不揮発記憶部としてのＲＯＭ（リードオンリメモリ）１１１、揮発記録部としてのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１１２、演算部としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）１１３等を備える。

図２は、セル３０の模式的断面図である。セル３０は、電解質膜３１と、アノード触媒層３２と、カソード触媒層３３と、アノードガス拡散層３４と、カソードガス拡散層３５と、セパレータ３６と、セパレータ３７と、を備える。電解質膜３１として、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。

アノード触媒層３２およびカソード触媒層３３は、電解質膜３１を挟持するように配置されている。アノード触媒層３２は、水素のプロトン化を促進する触媒を含む導電性材料からなる。カソード触媒層３３は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒を含む導電性材料からなる。アノード触媒層３２およびカソード触媒層３３として、例えば白金を担持したカーボンが用いられる。

アノードガス拡散層３４は、アノード触媒層３２の電解質膜３１と反対側に配置されている。カソードガス拡散層３５は、カソード触媒層３３の電解質膜３１と反対側に配置されている。アノードガス拡散層３４およびカソードガス拡散層３５は、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維が用いられる。

セパレータ３６，３７は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ３６の電解質膜３１側の面には、アノードガスが流動するためのアノードガス流路が形成されている。セパレータ３７の電解質膜３１側の面には、カソードガスが流動するためのカソードガス流路が形成されている。例えば、アノードガス流路およびカソードガス流路は、セパレータ３６，３７の表面に形成された凹部からなる。

図１および図２を参照して、燃料電池システム１０は、以下のように発電を行う。まず、制御装置１１０は、燃料電池システム１０の電気回路を閉回路に制御する。制御装置１１０の指示を受けてアノードガス供給手段８０およびカソードガス供給手段９０は、それぞれアノードガスおよびカソードガスを燃料電池２０に供給する。燃料電池２０に供給されたカソードガスは、セパレータ３７のカソードガス流路を通ってカソードガス拡散層３５を拡散した後に、カソード触媒層３３に到達する。燃料電池２０に供給されたアノードガスは、セパレータ３６のアノードガス流路を通ってアノードガス拡散層３４を拡散した後に、アノード触媒層３２に到達する。

アノード触媒層３２に到達したアノードガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜３１を伝導して、カソード触媒層３３に到達する。カソード触媒層３３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜３１を伝導したプロトンとから水が生成されるとともに、電力が発生する。発生した電力は、集電板４０によって集電される。以上のように、燃料電池システム１０は発電を行う。なお、発電を停止させる場合には、制御装置１１０は、燃料電池システム１０の電気回路を開回路に制御するとともに、アノードガスおよびカソードガスの少なくとも一方のガスの供給を停止させる。本実施例においては、制御装置１１０は、アノードガスの供給を停止させかつ電気回路を開回路に制御することによって燃料電池システム１０の発電を停止させる。

ここで、アノードガスおよびカソードガスの少なくとも一方の反応ガスの供給停止後における各セル３０の電圧挙動について説明する。図３（ａ）は、燃料電池２０に最初に発電させた場合の反応ガス供給停止後における各セル３０の電圧挙動を示す図である。なお、図３（ａ）は、燃料電池２０から選択された５つのセル３０の電圧挙動を示している。また、図３（ａ）においては、アノードガスの供給が停止され、かつ、電気回路が開に制御された場合が示されている。

図３（ａ）において、縦軸は各セル３０の電圧を示し、横軸は反応ガス供給停止後の経過時間を示している。上記５つのセル３０をそれぞれ、セルＡ、セルＢ、セルＣ、セルＤおよびセルＥとする。セルＡ〜セルＥは、この順にガス供給口から離れて配置されている。したがって、セルＡは他のセルに比較してガス供給口から遠くに配置されている。

図３（ａ）に示すように、いずれのセルにおいても、時間の経過とともに電圧が低下する。しかしながら、一般的に、発電回数が比較的少ないセルにおいては、クロスリークが生じにくい。したがって、反応ガス供給停止後においても、電圧の低下速度が小さくなっている。

また、ガス供給口から遠いセルにおいては、電圧の低下速度が比較的大きくなっている。これは、燃料電池２０がセル３０の積層構造を有しているため、反応ガス供給停止後の拡散によるガス供給にばらつきが生じるからである。したがって、クロスリークの検出の際にどのセルにも共通して基準となるセルを設定することは困難である。

図３（ｂ）は、発電を所定回数繰り返した後の反応ガス供給停止後のセルＡ〜セルＥの電圧挙動を示す図である。発電を繰り返すと、クロスリークが生じるセルが現れる。図３（ｂ）に示すように、クロスリークが生じているセルにおいては、反応ガス供給停止後における電圧低下速度が大きくなっている。そこで、本実施例においては、発電回数が所定値以下のセルの電圧挙動と発電回数が該所定値より大きいセルの電圧挙動との差に基づいてクロスリークが生じているセルを検出する。

ここで、図３（ａ）で説明したように、積層位置に応じて電圧挙動に差が生じる。そこで、セルごとに、発電回数が所定値以下の場合の電圧挙動を基準として電圧挙動差を検出する。それにより、積層位置に応じた電圧挙動のばらつきを回避することができる。

図４は、一例として、発電回数が所定値以下（クロスリークが生じていない場合）のセルＡの電圧挙動と、クロスリークが生じた場合のセルＡの電圧挙動とを示す図である。制御装置１１０は、発電回数が所定値以下のセルＡの電圧挙動を基準挙動としてあらかじめ記憶しておく。そして制御装置１１０は、発電回数が所定値より大きいセルＡの電圧挙動を経時的に検出し、その差を比較する。その結果、基準挙動と検出挙動との差が所定値以上の場合には、セルＡにクロスリークが生じているとして、クロスリークを検出する。なお、基準挙動と検出挙動との差とは、反応ガス供給停止後所定時間経過後の電圧差であってもよく、反応ガス供給停止後の電圧低下速度差であってもよい。

以上のように、本実施例に係る燃料電池システム１０によれば、各セルの積層位置等に起因する電圧のばらつきを回避して、各セルのクロスリークを検出することができる。それにより、クロスリークの検出精度が向上する。なお、クロスリークの検出精度向上のために、発電回数が少ない場合の電圧挙動を基準として用いることが好ましい。例えば、最初に発電させた場合の反応ガス供給停止時の電圧挙動を基準として用いることが好ましい。

図５は、制御装置１１０のクロスリークを検出する際のフローチャートの一例を示す図である。なお、制御装置１１０は、図５のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず、制御装置１１０は、クロスリークの検出開始条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０）。クロスリークの検出開始条件は、例えば「（１）燃料電池システム１０を搭載した車両の停止後」、「（２）車両の待機中（アイドル時）」、および車両がハイブリッド車両の場合には「（３）車両が燃料電池システム１０以外の電源（例えばバッテリー等）を用いて走行中」等の条件のうち少なくとも一つを満たすことであってもよい。具体的には、「（１）」、「（２）」、「（３）」、「（１）および（２）」、「（１）および（３）」、「（２）および（３）」および「（１）、（２）および（３）」のいずれかが、クロスリークの検出開始条件として用いられる。

なお、車両が燃料電池２０の出力を必要とする場合には、制御装置１１０は直ちにクロスリークの検出を停止して燃料電池２０の発電を開始することが好ましい。ドライバビリティを低下させないためである。したがって、ドライバビリティを向上させる観点から、クロスリークの検出開始条件は、「（１）および（２）」、「（１）および（３）」、「（２）および（３）」および「（１）、（２）および（３）」のいずれかであることが好ましい。

ステップＳ１０において、クロスリークの検出開始条件を満たすと判定されなかった場合には、制御装置１１０はフローチャートの実行を終了する。ステップＳ１０においてクロスリークの検出開始条件を満たすと判定された場合には、制御装置１１０は燃料電池２０の発電を停止させる（ステップＳ２０）。例えば、制御装置１１０は、燃料電池システム１０の電気回路を開回路にするともに、アノードガスおよびカソードガスの少なくとも一方のガス供給が停止されるようにアノードガス供給手段８０およびカソードガス供給手段９０を制御する。本実施例においては、制御装置１１０は、燃料電池システム１０の電気回路を開回路にするとともに、アノードガスの供給が停止されるようにアノードガス供給手段８０を制御する。

次いで、制御装置１１０は、基準挙動と検出対象である対象セルの電圧挙動（検出挙動）とを取得する（ステップＳ３０）。例えば、制御装置１１０は、図３（ａ）に示すような発電回数が所定値以下のセルの電圧挙動のマップをあらかじめ基準挙動として記憶しておけばよい。また、制御装置１１０は、対象セルに接続されている電圧検出手段１００の検出結果を経時的に取得することによって、対象セルの検出挙動を検出すればよい。

次いで、制御装置１１０は、基準挙動と対象セルの検出挙動との差に基づいてクロスリークを検出する（ステップＳ４０）。具体的には、制御装置１１０は、反応ガス供給停止して所定時間経過後の基準挙動の電圧と検出挙動の電圧との差を求め、その差があらかじめ記憶しておいた所定値以上であるか否かを判定する。あるいは、制御装置１１０は、反応ガス供給停止して所定時間経過後の基準挙動の電圧低下速度と検出挙動の電圧低下速度との差を求め、その差があらかじめ記憶しておいた所定値以上であるか否かを判定してもよい。その結果、制御装置１１０は、両者の差が所定値以上の場合には、対象セルにクロスリークが生じていると判断する。次いで、制御装置１１０はフローチャートの実行を終了する。

図５のフローチャートによれば、各セルの積層位置等に起因する電圧のばらつきを回避して、各セルのクロスリークを検出することができる。

（変形例１）
なお、発電回数にかかわらずクロスリークが生じにくいセル３０を基準セルとして用いてもよい。例えば、電解質膜３１の膜厚が大きいとクロスリークが生じにくい。そこで、各セル３０の中で電解質膜３１の膜厚が平均以上のセル３０を基準セルとして用いてもよい。なお、電解質膜３１の膜厚が最も大きいセル３０を基準セルとして用いることが好ましい。

また、各セル３０の中で反応ガス供給停止後の電圧低下速度が平均以下のセル３０を基準セルとして用いてもよい。クロスリークが抑制されたセルにおいては電圧低下速度が小さいからである。なお、反応ガス供給停止後の電圧低下速度が最も小さいセル３０を基準セルとして用いることが好ましい。

これらの場合、反応ガス供給停止後の基準セルの電圧挙動と対象セルの電圧挙動との差に基づいて、対象セルにクロスリーク不良が生じているか否かを判断することができる。

（変形例２）
変形例１の基準セルの電圧挙動と発電回数が所定値以下の各セルの電圧挙動との差を基準とし、発電回数が所定値より大きい各セルの電圧挙動と基準セルの電圧挙動との差が上記基準に対して所定値以上大きくなった場合に、該セルにおいてクロスリークが生じていると判断してもよい。

なお、上記各例においては反応ガス供給停止時にアノードガスの供給が停止されていたが、それに限られない。アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれか一方が停止されればよい。

また、上記各例においては反応ガス供給停止に併せて電気回路が開に制御されているが、それに限られない。電気回路が閉のまま反応ガス供給を停止すると、電圧の低下速度が向上する。それにより、クロスリークを検出するための時間が短縮される。

さらに、上記各例においてはセルごとの電圧挙動を用いてクロスリークを検出したが、それに限られない。複数枚のセルを含むセル群ごとに電圧挙動を検出すれば、セル群のいずれかのセルにクロスリークが生じているか否かを検出することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１０の模式図である。 図２は、セル３０の模式的断面図である。 図３（ａ）は、燃料電池２０に最初に発電させた場合の反応ガス供給停止後における各セル３０の電圧挙動を示す図である。図３（ｂ）は、発電を所定回数繰り返した後の反応ガス供給停止後のセルＡ〜セルＥの電圧挙動を示す図である。 図４は、発電回数が所定値以下（クロスリークが生じていない場合）のセルＡの電圧挙動と、クロスリークが生じた場合のセルＡの電圧挙動とを示す図である。 図５は、制御装置１１０のクロスリークを検出する際のフローチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
３０ セル
３１ 電解質膜
３２ アノード触媒層
３３ カソード触媒層
３４ アノードガス拡散層
３５ カソードガス拡散層
３６，３７ セパレータ
４０ 集電板
５０ インシュレータ
６０ エンドプレート
７０ アノードガス供給口
７１ カソードガス供給口
８０ アノードガス供給手段
９０ カソードガス供給手段
１００ 電圧検出手段
１１０ 制御装置
１１１ ＲＯＭ
１１２ ＲＡＭ
１１３ ＣＰＵ

Claims (18)

1. 複数のセルが積層された積層体のうち、アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれか一方の反応ガス供給停止後における対象セルの電圧挙動を検出する電圧検出手段と、
   前記反応ガス供給停止後における基準セルの電圧挙動と前記対象セルの電圧挙動との差に基づいて、前記対象セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記基準セルとは、発電回数が所定値以下の前記対象セルであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で前記反応ガス供給停止後における電圧低下速度が平均以下のセルであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で前記反応ガス供給停止後における電圧低下速度が最も小さいセルであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で膜厚が平均以上の電解質膜を有するセルであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で最も膜厚が大きい電解質膜を有するセルであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記基準セルの電圧挙動と前記対象セルの電圧挙動との差は、前記反応ガス供給停止後所定時間経過後の電圧差であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記基準セルの電圧挙動と前記対象セルの電圧挙動との差は、前記反応ガス供給停止後の電圧低下速度差であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記反応ガスは、アノードガスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 複数のセルが積層された積層体のうち、アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれか一方の反応ガス供給停止後における対象セルの電圧挙動を検出する電圧検出ステップと、
    前記反応ガス供給停止後における基準セルの電圧挙動と前記対象セルの電圧挙動との差に基づいて、前記対象セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
11. 前記基準セルとは、発電回数が所定値以下の前記対象セルであることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の運転方法。
12. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で前記反応ガス供給停止後における電圧低下速度が平均以下のセルであることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の運転方法。
13. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で前記反応ガス供給停止後における電圧低下速度が最も小さいセルであることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池の運転方法。
14. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で膜厚が平均以上の電解質膜を有するセルであることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の運転方法。
15. 前記基準セルは、前記複数のセルの中で最も膜厚が大きい電解質膜を有するセルであることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池の運転方法。
16. 前記基準セルの電圧挙動と前記対象セルの電圧挙動との差は、前記反応ガス供給停止後所定時間経過後の電圧差であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
17. 前記基準セルの電圧挙動と前記対象セルの電圧挙動との差は、前記反応ガス供給停止後の電圧低下速度差であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
18. 前記反応ガスは、アノードガスであることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。

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