JP2010182509A - Cooling system of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の冷却システムに係り、詳しくは燃料電池の発電の際に発電セルから発生する熱を熱交換により吸熱して冷却するための冷却システムに関する。 The present invention relates to a cooling system for a fuel cell, and more particularly, to a cooling system for absorbing and cooling heat generated from a power generation cell by heat exchange during power generation of the fuel cell.
燃料電池システムにおいては、燃料電池内に多数枚積層された発電セルにより水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われると、発電セルが熱を発生する。これを放置すると、発電セルが過熱されて発電不能となる。このため、燃料電池には発電時に発電セルを冷却するために、一般的に冷却液方式の冷却システムが備えられている。この冷却システムとして、特許文献1に開示されたものが提案されている。この冷却システムを図9に基づいて説明すると、燃料電池11には冷却液をポンプ13により循環させる循環配管12が接続されている。前記ポンプ13の上流側の循環配管12には、熱交換器14が接続されている。この熱交換器14はラジエータ15と、ラジエータ15に空気を吹き付けるための送風ファン16とにより構成されている。
In a fuel cell system, when power generation is performed by the reaction of hydrogen gas and oxygen gas by a plurality of power generation cells stacked in a fuel cell, the power generation cell generates heat. If this is left unattended, the power generation cell is overheated and power generation becomes impossible. For this reason, in order to cool a power generation cell at the time of power generation, a fuel cell is generally provided with a cooling system of a coolant type. As this cooling system, the one disclosed in Patent Document 1 has been proposed. The cooling system will be described with reference to FIG. 9. The
前記冷却液として水にエチレングリコール(不凍液)を含有したLLC(ロングライフクーラント)が用いられている。発電時に前記ポンプ13が駆動されて燃料電池11の内部に冷却液が供給されると、発電セルから生じる熱と、冷却液の熱との温度差により熱交換器14において熱交換されて、その冷却液により燃料電池11の発電セルが冷却される。このとき、冷却液の中に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて、ギ酸が生成され、このギ酸によりマイナスのイオンが生成される。又、ギ酸により冷却液の循環通路の内面が腐蝕されると、プラスのイオンも生成される。このようにして、冷却液はマイナスのイオンとプラスのイオンが混在した不純物イオンを含有する。このイオンは電荷をもっているので、冷却液に含まれる不純物イオンの濃度が高くなるほど、冷却液の電気伝導度が高くなり、燃料電池11で発電された電気が冷却液を媒体として外部に漏洩する虞がある。
As the cooling liquid, LLC (long life coolant) containing ethylene glycol (antifreeze) in water is used. When the
上記の課題に対処するため、特許文献1においては、前記循環配管12に対し前記ポンプ13と並列にバイパス配管17が接続されている。このバイパス配管17には冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するためのイオン交換器18が接続されている。このイオン交換器18の内部には、イオン交換樹脂として、マイナスのイオンを吸着する粒子状のアニオンタイプのものと、プラスのイオンを吸着する粒子状のカチオンタイプのものとが収容されている。そして、イオン交換樹脂により不純物イオンを吸着除去して冷却液の電気伝導度が高くならないようになっている。
In order to cope with the above problem, in Patent Document 1, a
特許文献2にも上述した燃料電池用の冷却システムと同様の冷却システムが開示されている。 Patent Document 2 also discloses a cooling system similar to the fuel cell cooling system described above.
上記従来の燃料電池11の冷却システムにおいては、低負荷運転時に、ポンプ13が低速で運転されて、循環配管12を流れる冷却液の流量も少ない状態となり、これに伴って、熱交換器14に流れる冷却液の流量及びイオン交換器18に流れる冷却液の流量も少ない状態となっている。このように冷却液の流量が少ない状態でもイオン交換器18内のイオン交換樹脂によるイオン交換に必要な冷却液の流量としては適正量となるようになっている。
In the conventional cooling system for the
一方、燃料電池11の高負荷運転時においては、ポンプ13が高速で運転されて、冷却液の流量が増大し、熱交換器14及びイオン交換器18へ流れる冷却液の流量も増大する。しかし、圧力損失の高いイオン交換器18に対し冷却液の過剰な供給が行われることになるため、循環配管12全体の冷却液の循環流量が低減されて、結果的に熱交換器14へ流れる冷却液の流量が低減され、燃料電池11の冷却を適正に行うことができないという問題があった。
On the other hand, during high load operation of the
本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、燃料電池の高負荷運転時において、バイパス配管及び圧力損失の高いイオン交換器に流れる冷却液の流量を抑制して、熱交換器へ流れる冷却液の流量を適正化し、燃料電池を適正に冷却することができるとともに、イオン交換器内に収容されたイオン交換樹脂の利用効率を向上することができる燃料電池の冷却システムを提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art and suppress the flow rate of the coolant flowing through the bypass piping and the ion exchanger having a high pressure loss during the high load operation of the fuel cell. A fuel cell cooling system capable of optimizing the flow rate of the coolant flowing to the exchanger and properly cooling the fuel cell and improving the utilization efficiency of the ion exchange resin accommodated in the ion exchanger. It is to provide.
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、燃料電池に冷却液の循環配管を接続し、該循環配管に冷却液を循環させるポンプを接続するとともに前記循環配管内の冷却液を冷却するための熱交換器を接続し、前記循環配管にバイパス配管を接続し、該バイパス配管に前記循環配管内の冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するイオン交換器を接続した燃料電池の冷却システムにおいて、前記イオン交換器の容器に冷却液の流れる方向に関して、上流側のフィルタと下流側のフィルタを所定の間隔をおいて収容し、両フィルタの間に形成された樹脂収容室に粒状のイオン交換樹脂を移動可能に収容し、前記樹脂収容室に容器内を流れる冷却液の流量を調節する流量調節板を設け、燃料電池の高負荷運転時に、前記流量調節板により前記容器内を流れる冷却液の流量を低減するように構成したことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is characterized in that a coolant circulation pipe is connected to the fuel cell, a pump for circulating the coolant is connected to the circulation pipe, and cooling in the circulation pipe is performed. A fuel in which a heat exchanger for cooling the liquid is connected, a bypass pipe is connected to the circulation pipe, and an ion exchanger for adsorbing and removing impurity ions contained in the coolant in the circulation pipe is connected to the bypass pipe In the battery cooling system, a resin storage chamber is formed between the two filters, storing the upstream filter and the downstream filter at a predetermined interval with respect to the flow direction of the coolant in the ion exchanger container. A granular ion exchange resin is movably accommodated, and a flow rate adjustment plate for adjusting the flow rate of the coolant flowing in the container is provided in the resin storage chamber, and the flow rate adjustment plate is provided during high load operation of the fuel cell. Ri is summarized in that which is configured to reduce the flow rate of the cooling fluid flowing through the vessel.
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記流量調節板は、弾性変形可能な板材によって形成され、冷却液の流量が増大すると、その冷却液の流れによって流量調節板が弾性変形されて、冷却液の通路断面積が低減されるように構成されていることを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the flow rate adjusting plate is formed of an elastically deformable plate material, and when the flow rate of the cooling liquid increases, the flow rate adjusting plate is elastically deformed by the flow of the cooling liquid. The gist is that the cross-sectional area of the coolant is reduced.
請求項3に記載の発明は、請求項1において、前記流量調節板は、容器内の冷却液の温度が高くなると、その温度によって変形されて、冷却液の通路断面積が低減されるように構成されていることを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, when the temperature of the coolant in the container increases, the flow rate adjusting plate is deformed by the temperature so that the passage cross-sectional area of the coolant is reduced. The gist is that it is configured.
請求項4に記載の発明は、請求項1において、前記流量調節板は、循環配管内の冷却液の温度を検出するセンサからの信号によって位置の切換え制御が行われるように構成されていることを要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the flow rate adjusting plate is configured such that position switching control is performed by a signal from a sensor that detects the temperature of the coolant in the circulation pipe. Is the gist.
請求項5に記載の発明は、請求項1において、前記流量調節板は、循環配管内の冷却液の流量を検出するセンサからの信号によって位置の切換え制御が行われるように構成されていることを要旨とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the flow rate adjusting plate is configured such that position switching control is performed by a signal from a sensor that detects a flow rate of the coolant in the circulation pipe. Is the gist.
(作用)
この発明は、イオン交換器の容器の内部に上流側のフィルタと下流側のフィルタを収容し、両フィルタの間の樹脂収容室にイオン交換樹脂を移動可能に収容し、前記樹脂収容室に容器内を流れる冷却液の流量を調節する流量調節板を設けた。そして、燃料電池の高負荷運転時に、流量調節板によりイオン交換器内を流れる冷却液の流量を抑制するようにした。このため、循環配管から熱交換器へ流れる冷却液の流量が適正となり、熱交換器で冷却された冷却液により燃料電池が適正に冷却される。
(Function)
According to the present invention, an upstream filter and a downstream filter are accommodated in a container of an ion exchanger, an ion exchange resin is movably accommodated in a resin accommodating chamber between both filters, and the container is accommodated in the resin accommodating chamber. A flow rate adjusting plate for adjusting the flow rate of the coolant flowing inside was provided. Then, the flow rate of the coolant flowing through the ion exchanger is suppressed by the flow rate adjusting plate during high load operation of the fuel cell. For this reason, the flow rate of the coolant flowing from the circulation pipe to the heat exchanger becomes appropriate, and the fuel cell is appropriately cooled by the coolant cooled by the heat exchanger.
又、この発明はイオン交換器の容器の樹脂収容室内に前記流量調節板が収容されているので、該流量調節板の移動によってイオン交換樹脂が攪拌混合される。従って、多数のイオン交換樹脂が混ざり合い、粒状のイオン交換樹脂のイオン交換作用が均等に行われ、イオン交換樹脂が均等に消耗される。このため、イオン交換樹脂の利用効率を向上することができる。 In the present invention, since the flow rate adjusting plate is accommodated in the resin accommodating chamber of the ion exchanger container, the ion exchange resin is stirred and mixed by the movement of the flow rate adjusting plate. Therefore, a large number of ion exchange resins are mixed, the ion exchange action of the granular ion exchange resin is performed uniformly, and the ion exchange resin is evenly consumed. For this reason, the utilization efficiency of an ion exchange resin can be improved.
本発明によれば、燃料電池の高負荷運転時において、バイパス配管及びイオン交換器に流れる冷却液の流量を抑制して、循環配管から熱交換器に流れる冷却液の流量を適正化し、この冷却液により燃料電池を適正に冷却することができるとともに、イオン交換器内に収容されたイオン交換樹脂の利用効率を向上することができる。 According to the present invention, during high load operation of the fuel cell, the flow rate of the coolant flowing through the bypass pipe and the ion exchanger is suppressed, and the flow rate of the coolant flowing from the circulation pipe to the heat exchanger is optimized. The fuel cell can be properly cooled by the liquid, and the utilization efficiency of the ion exchange resin accommodated in the ion exchanger can be improved.
以下、本発明を電気自動車の燃料電池の冷却システムとして具体化した一実施形態を図1〜図3にしたがって説明する。
図3に示す燃料電池11の内部には図示しないが燃料極、酸化剤極及びそれらの両極間には、発電セルが多層に積層されて介在されている。前記燃料極側には、水素ガスを燃料として供給するための水素ガス供給系(図示略)が接続されている。前記酸化剤極側には、酸化剤として酸素ガスを含む空気を供給するための空気供給系(図示略)が接続されている。そして、燃料電池11内の各発電セルに供給された水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われるようになっている。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied as a cooling system for a fuel cell of an electric vehicle will be described with reference to FIGS.
Although not shown, the
前記燃料電池11には発電が行われている状態で、該燃料電池11の発電セルの冷却を行うための冷却液を循環させる循環配管12が接続され、該循環配管12にはポンプ13が接続されている。この実施形態では、前記冷却液として水にエチレングリコールを含有したLLC(ロングライフクーラント)が用いられている。前記ポンプ13の上流側の循環配管12には、前記燃料電池11内で発電セルの冷却に用いられ、熱交換により加熱された高温の冷却液を冷却するための熱交換器14が接続されている。この熱交換器14は循環配管12に接続されたラジエータ15と、ラジエータ15に空気を吹き付けて高温の冷却液を冷却するための電動モータにより駆動される送風ファン16とにより構成されている。
A
前記循環配管12に対し前記ポンプ13と並列にバイパス配管17が接続されている。このバイパス配管17には冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するためのイオン交換器18が直列に接続されている。
A
次に、前記イオン交換器18について説明する。
図1(a)に示すように、イオン交換器18の容器本体19の上端開口部には雄ネジ部19aが形成され、蓋体20の下端開口部内周面に形成された雌ネジ部20aに前記容器本体19の雄ネジ部19aが螺合されている。前記容器本体19の下端部には上流側の前記バイパス配管17を接続するための小径のジョイント部19bが一体に形成されている。前記蓋体20の上部中央には下流側の前記バイパス配管17を接続するための小径のジョイント部20bが一体に形成されている。前記容器本体19の下端部には冷却液の流路方向に関して上流側のフィルタ21が、その外周の取付リング22により取り付けられている。前記容器本体19の上端縁と蓋体20の内周に形成された段差部20cとの間には下流側のフィルタ23の外周縁が挟着固定されている。前記容器本体19の内周面と、前記フィルタ21,23とによってイオン交換樹脂Eを収容するための樹脂収容室Rが形成されている。前記両フィルタ21,23は、イオン交換樹脂Eの粒子径よりも小さい網目により形成され、粒子状のイオン交換樹脂Eが樹脂収容室Rから外部に流出しないようになっている。前記イオン交換樹脂Eとして、マイナスのイオンを吸着するアニオンタイプのものと、プラスのイオンを吸着するカチオンタイプのものとが混在するように収容されている。
Next, the
As shown in FIG. 1 (a), a
前記容器本体19の内周面には取付座25,26が図2に示すようにそれぞれ二箇所に溶接によって取り付けられている。前記二対の取付座25,26には弾性変形可能な金属製の板材よりなる流量調節板27,28がボルト29によって取り付けられている。前記流量調節板27,28の間には冷却液が流通可能な通路Tが形成されている。前記流量調節板27,28は図1(a)に示すように、円弧状に形成されている。樹脂収容室R内の冷却液の流動する速度が速くなると、図1(b)に示すように、流量調節板27,28が冷却液の高い流動圧力によって弾性変形されて、その先端縁が互いに接近する方向に弾性変形されて、前記通路Tが小さくなり冷却液の流量が低減されるようになっている。
As shown in FIG. 2, mounting
次に、前記のように構成した燃料電池11の冷却システムの動作について説明する。
制御コントローラ(図示略)からの起動信号及び各種の制御信号により燃料電池11が起動されると、燃料電池11に供給された水素ガスと酸素ガスが反応して発電が行われる。発電された直流電流は、インバータにより交流電流に変換され、電気自動車の走行用のモータの駆動に用いられる。
Next, the operation of the cooling system for the
When the
一方、冷却システムのポンプ13が起動されると、循環配管12内の冷却液が図3の矢印方向に循環され、熱交換器14によって冷却された冷却液が燃料電池11内に供給され、燃料電池11の発電により生じた熱が冷却液により吸熱されて、燃料電池11が冷却される。吸熱して高温となった冷却液は再び熱交換器14により冷却されて、燃料電池11の冷却に再利用される。
On the other hand, when the
循環配管12内の冷却液は燃料電池11内の発電セルが発生する熱により加熱されることになるので、該冷却液に含まれるエチレングリコールが加熱分解されてプラス、マイナスの不純物イオンが生成される。この不純物イオンを含んだ冷却液の一部がバイパス配管17から図1(a),(b)に示すようにイオン交換器18の下部の入口から容器本体19内部に流入して、上方に流動し、上部の出口からバイパス配管17を通して循環配管12に導かれる。そして、イオン交換器18内のイオン交換樹脂E(アニオンタイプ及びカチオンタイプ)によりマイナス及びプラスの不純物イオンが除去される。
Since the coolant in the
上記実施形態の燃料電池の冷却システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
上記実施形態の燃料電池の冷却システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
According to the fuel cell cooling system of the above embodiment, the following effects can be obtained.
According to the fuel cell cooling system of the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1)上記実施形態では、前記イオン交換器18の容器本体19の内部に流量調節板27,28を装着し、イオン交換器18の内部を流れる冷却液の流速が速くなった場合に、冷却液の流動圧力によって流量調節板27,28が弾性変形し、両流量調節板27,28の間に形成された冷却液の通路Tが減少するように構成した。このため、燃料電池11の運転が高負荷で行われて前記循環配管12内を流れる冷却液の流速が速くなり、バイパス配管17に流れる冷却液の流速も速くなった場合に、前記流量調節板27,28によって冷却液の流量が減少する。従って、圧力損失が高いイオン交換器18には、冷却液が過剰に流れることはなく、循環配管12の冷却液の循環流量を適正化し、熱交換器14へ適量の冷却液を流すことができ、燃料電池11の冷却液による冷却を適正化することができる。
(1) In the above embodiment, when the flow
(2)上記実施形態では、容器本体19内の樹脂収容室Rに収容されたイオン交換樹脂Eを流量調節板27,28の弾性変形動作によって、イオン交換樹脂Eが攪拌混合される。従って、イオン交換樹脂Eがイオン交換作用によって均等に消耗される。このため、イオン交換器18の交換時に、使用可能なイオン交換樹脂が残留したイオン交換器18を廃棄することはなく、イオン交換樹脂Eの利用効率を向上することができる。
(2) In the embodiment described above, the ion exchange resin E contained in the resin containing chamber R in the
(3)上記実施形態では、イオン交換器18の容器本体19内に流量調節板27,28を配設する構成のため、構成が簡素化され、製造及び組付作業が容易となるばかりでなく、故障が少ないので、耐久性を向上することができる。
(3) In the above embodiment, the flow
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 図4及び図5に示すように、前記容器本体19の内部に設けられた取付座25,26に対しバイメタルよりなる流量調節板31,32をボルト29によって取り付ける。前記流量調節板31,32は線膨張係数が小さい板33と、線膨張係数が大きい板34とが重ねられた状態で固定されている。前記流量調節板31,32は、前記バイパス配管17及びイオン交換器18内を流れる冷却液の温度によって、実線で示す湾曲状態又は二点鎖線で示す直線状態に変形するようにしている。そして、冷却液の温度が高くなる燃料電池11の高負荷運転時に、流量調節板31,32によって前記通路Tが狭くなり、冷却液の温度が低下する低負荷運転時に通路Tが広くなるように構成されている。
In addition, you may change the said embodiment as follows.
As shown in FIGS. 4 and 5, the flow
この実施形態においても、前述した本実施形態の冷却システムの効果(1)〜(3)と同様の効果がある。
・ 図6に示すように、図4に示す前記流量調節板31,32の配置構造を上下逆にしてもよい。
This embodiment also has the same effects as the effects (1) to (3) of the cooling system of the present embodiment described above.
As shown in FIG. 6, the arrangement structure of the flow
・ 図7に示すように、前記取付座25,26を互いに接近させて、流量調節板27,28を容器本体19の内面と対向させ、通路Tを二箇所に形成してもよい。
・ 図8に示すように、前記容器本体19に対し回転軸41を介して流量調節板42を往復回動可能に支持する。又、容器本体19の外面に前記回転軸41及び流量調節板42を回転する正逆回転可能なモータ43を取り付ける。さらに、循環配管12に対し、該循環配管12内の冷却液の温度を検出するセンサ44を設ける。該センサ44からの検出信号によってモータ43を回転するように構成する。そして、冷却液の温度が高い燃料電池11の高負荷運転時に、センサ44からの温度の検出信号によりモータ43が起動されて、前記流量調節板42を通路Tが狭くなる鎖線で示す位置に変位させる。反対に、冷却液の温度が低い低負荷運転時に、センサ44からの温度の検出信号によりモータ43が起動されて、前記流量調節板42を通路Tが広くなる実線で示す位置に変位させるようにしてもよい。
As shown in FIG. 7, the mounting
As shown in FIG. 8, a flow
・ 図示しないが、図8に示す前記流量調節板42を、循環配管12内の冷却液の流量を検出する流量センサからの信号によってモータ43により位置の切換え制御が行われるようにする。そして、冷却液の流量が多い燃料電池11の高負荷運転時に、流量センサからの検出信号によってモータ43を起動させ、前記流量調節板42を通路Tが狭くなる位置に変位させる。反対に、冷却液の流量が少ない低負荷運転時に流量センサからの検出信号によってモータ43を起動させ、前記流量調節板42を通路Tが広くなる実線位置に変位させるようにしてもよい。
Although not shown, the position control of the flow
・ 前記モータ43に代えて、電磁ソレノイド、シリンダ等のアクチュエータを用いてもよい。
・ 前記実施形態では、図3に示すように、前記循環配管12に対し熱交換器14と並列に前記バイパス配管17及びイオン交換器18を接続した。これに代えて、前記循環配管12に対し、前記ポンプ13と並列にバイパス配管17及びイオン交換器18を接続するようにしてもよい。
In place of the
In the embodiment, as shown in FIG. 3, the
この実施形態においても、燃料電池11の高負荷運転時に、圧力損失の高いイオン交換器18には冷却液が過剰に供給されることは無いので、循環配管12及び熱交換器14を流れる冷却液の循環流量が低減されることなく適正に保持され、冷却液による燃料電池11の冷却を適正に行うことができる。
Also in this embodiment, when the
・ 前記実施形態では、本発明を電気自動車の燃料電池システムに具体化したが、生産工場、一般家庭の発電用の燃料電池システムの冷却システムに具体化してもよい。 In the above embodiment, the present invention is embodied in a fuel cell system for an electric vehicle, but may be embodied in a cooling system for a fuel cell system for power generation in a production factory or a general household.
E…イオン交換樹脂、R…樹脂収容室、11…燃料電池、12…循環配管、13…ポンプ、14…熱交換器、17…バイパス配管、18…イオン交換器、21,23…フィルタ、27,28,31,32,42…流量調節板、44…センサ。 E ... ion exchange resin, R ... resin storage chamber, 11 ... fuel cell, 12 ... circulation piping, 13 ... pump, 14 ... heat exchanger, 17 ... bypass piping, 18 ... ion exchanger, 21, 23 ... filter, 27 , 28, 31, 32, 42 ... flow rate adjusting plate, 44 ... sensor.
Claims (5)
前記イオン交換器の容器に冷却液の流れる方向に関して、上流側のフィルタと下流側のフィルタを所定の間隔をおいて収容し、両フィルタの間に形成された樹脂収容室に粒状のイオン交換樹脂を移動可能に収容し、前記樹脂収容室に容器内を流れる冷却液の流量を調節する流量調節板を設け、燃料電池の高負荷運転時に、前記流量調節板により前記容器内を流れる冷却液の流量を低減するように構成したことを特徴とする燃料電池の冷却システム。 A coolant circulation pipe is connected to the fuel cell, a pump for circulating the coolant is connected to the circulation pipe, and a heat exchanger for cooling the coolant in the circulation pipe is connected, and the bypass is bypassed to the circulation pipe. In a fuel cell cooling system in which a pipe is connected and an ion exchanger for adsorbing and removing impurity ions contained in the coolant in the circulation pipe is connected to the bypass pipe,
With respect to the flow direction of the cooling liquid in the container of the ion exchanger, an upstream filter and a downstream filter are accommodated at a predetermined interval, and a granular ion exchange resin is formed in a resin accommodation chamber formed between the two filters. The flow rate adjusting plate for adjusting the flow rate of the coolant flowing in the container is provided in the resin storage chamber, and the flow rate of the coolant flowing in the vessel is controlled by the flow rate adjusting plate during high load operation of the fuel cell. A fuel cell cooling system configured to reduce a flow rate.
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