JP2012243664A - Fuel cell system and shutdown method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve efficient economical scavenging processing by detecting a region in a fuel cell in which a ground fault occurs with simple configuration and steps.SOLUTION: A fuel cell system 10 is a system which includes a plurality of stacked fuel cells 12, each having an electrolyte membrane-electrode structure 28, and performs electricity generation by electrochemical reaction of oxidant gas supplied to a cathode side of the fuel cells 12 and fuel gas supplied to an anode side of the fuel cells 12. A shutdown method of the fuel cell system 10 includes: the step of measuring an insulation resistance by a ground fault sensor 68 after suspension of operation; and the step in which when a determination is made that a ground fault occurs on either one of the cathode side and the anode side on the basis of the insulation resistance measured, at least the one electrode side is scavenged by scavenging means capable of supplying scavenging air to the cathode side and the anode side by using the scavenging air.

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システム及びその停止方法に関する。   The present invention provides a stack of a plurality of fuel cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supplied to the cathode side of the fuel cell and the fuel The present invention relates to a fuel cell system that generates power by an electrochemical reaction of fuel gas supplied to the anode side of the battery, and a method for stopping the fuel cell system.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. Yes. A fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode electrode is formed between one separator and the electrolyte membrane / electrode structure, and between the other separator and the electrolyte membrane / electrode structure. Is formed with an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode electrode.

燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。   In general, a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, and are used as an in-vehicle fuel cell system by being incorporated in a fuel cell vehicle for in-vehicle use as well as for stationary use.

この種の燃料電池では、発電時に水素と酸素との反応により、カソード電極に水が生成される一方、アノード電極に前記水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、燃料電池内から生成水を排出するために、前記燃料電池の内部を掃気する必要がある。燃料電池内に滞留した生成水が、前記燃料電池と外部に設けられた補機類との間を電気的に繋げてしまい、前記燃料電池が地絡するおそれがあるからである。   In this type of fuel cell, water is generated at the cathode electrode due to the reaction between hydrogen and oxygen during power generation, while the water is back-diffused through the electrolyte membrane at the anode electrode. For this reason, in order to discharge generated water from the fuel cell, it is necessary to scavenge the inside of the fuel cell. This is because the generated water staying in the fuel cell electrically connects the fuel cell and the auxiliary equipment provided outside, and the fuel cell may be grounded.

このため、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムの運転制御方法が知られている。この運転制御方法は、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池を含む燃料電池システムを用意する工程と、前記燃料電池システムの前記燃料電池の発電運転を継続する工程と、前記燃料電池の発電運転を終了させる終了指令が出力されたとき、前記燃料電池の前記燃料極に燃料を継続して供給し、且つ、前記燃料電池の前記酸化剤極に酸化剤ガスを継続して供給することにより、前記燃料電池の発電運転を継続させつつ、通常発電運転時における流量よりも大きい流量の酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤極に供給することにより、前記燃料電池の前記酸化剤極の内部を掃気させる掃気工程とを実施することを特徴としている。   For this reason, for example, an operation control method for a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. The operation control method includes a step of preparing a fuel cell system including a fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode, a step of continuing the power generation operation of the fuel cell of the fuel cell system, and a power generation operation of the fuel cell. When an end command is output to end the fuel cell, the fuel is continuously supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and the oxidant gas is continuously supplied to the oxidant electrode of the fuel cell, By supplying an oxidant gas having a flow rate larger than the flow rate during normal power generation operation to the oxidant electrode of the fuel cell while continuing the power generation operation of the fuel cell, the inside of the oxidant electrode of the fuel cell And a scavenging process for scavenging.

特開2010−21024号公報JP 2010-21024

しかしながら、上記の特許文献1では、燃料電池を停止させる際に、酸化剤ガスの流量を増量させるため、酸化剤ポンプの出力を増加させるためにエネルギが消費されてしまう。しかも、燃料ガスを継続して供給するため、前記燃料ガスが無駄に廃棄されてしまい、経済的ではないという問題がある。   However, in Patent Document 1 described above, when the fuel cell is stopped, the flow rate of the oxidant gas is increased, so that energy is consumed to increase the output of the oxidant pump. In addition, since the fuel gas is continuously supplied, the fuel gas is wasted and is not economical.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、燃料電池内の地絡が発生する部位を検出するとともに、効率的且つ経済的な掃気処理を行うことが可能な燃料電池システム及びその停止方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration and process, it is possible to detect a site where a ground fault occurs in the fuel cell and perform an efficient and economical scavenging process. An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a method for stopping the fuel cell system.

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システム及びその停止方法に関するものである。   The present invention provides a stack of a plurality of fuel cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supplied to the cathode side of the fuel cell and the fuel The present invention relates to a fuel cell system that generates electric power by an electrochemical reaction of fuel gas supplied to the anode side of the battery and a method for stopping the fuel cell system.

この燃料電池システムは、酸化剤ガスを燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔と、前記酸化剤ガス連通孔及び前記燃料ガス連通孔に配設される検出電極と、前記燃料電池の出力端子と前記検出電極との間の電圧又は電流を測定することにより、地絡が発生したか否かを判断する地絡検出部と、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給する掃気手段とを備えている。   The fuel cell system includes an oxidant gas communication hole that allows an oxidant gas to flow in the stacking direction of the fuel cell, a fuel gas communication hole that allows a fuel gas to flow in the stacking direction, the oxidant gas communication hole, and the fuel gas. A detection electrode disposed in the communication hole, and a ground fault detection unit that determines whether or not a ground fault has occurred by measuring a voltage or a current between the output terminal of the fuel cell and the detection electrode; And scavenging means for supplying scavenging air to the cathode side and the anode side.

また、この停止方法は、運転停止後に、地絡センサにより絶縁抵抗を測定する工程と、測定された前記絶縁抵抗に基づいて、カソード側又はアノード側のいずれか一方の極側に地絡が発生したと判断された際、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給することができる掃気手段により、少なくとも前記一方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程とを有している。   In addition, in this stopping method, after the operation is stopped, a ground fault occurs on either the cathode side or the anode side based on the step of measuring the insulation resistance by the ground fault sensor and the measured insulation resistance. A step of scavenging at least one of the polar sides with the scavenging air by a scavenging means capable of supplying scavenging air to the cathode side and the anode side.

さらに、この停止方法では、一方の極側を掃気した後、カソード側又はアノード側の他方の極側に地絡が発生しているか否かを判断する工程と、前記他方の極側に地絡が発生していると判断された際、該他方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程とを有することが好ましい。   Further, in this stopping method, after scavenging one pole side, it is determined whether or not a ground fault has occurred on the other pole side of the cathode side or the anode side, and a ground fault is caused on the other pole side. It is preferable to have a step of scavenging the other pole side with the scavenging air when it is determined that the above has occurred.

さらにまた、この停止方法は、酸化剤ガスを燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔、及び燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔に配設される検出電極と、前記燃料電池の出力端子との間の電圧又は電流を測定する工程と、測定された前記電圧又は前記電流に基づいて、カソード側又はアノード側のいずれか一方の極側に地絡が発生したと判断された際、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給することができる掃気手段により、前記一方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程とを有している。   Furthermore, the stop method includes an oxidant gas communication hole for flowing an oxidant gas in the stacking direction of the fuel cell, a detection electrode disposed in the fuel gas communication hole for flowing the fuel gas in the stacking direction, A step of measuring a voltage or current between the output terminal of the fuel cell and a determination that a ground fault has occurred on either the cathode side or the anode side based on the measured voltage or current And a step of scavenging the one pole side with the scavenging air by a scavenging means capable of supplying scavenging air to the cathode side and the anode side.

本発明では、酸化剤ガス連通孔及び燃料ガス連通孔に配設される検出電極と燃料電池の出力端子との間の電圧又は電流を測定することにより、地絡の発生部位が正確且つ容易に検出される。従って、掃気手段を介して、地絡が発生した極側に掃気エアを確実に供給することができる。   In the present invention, by measuring the voltage or current between the detection electrode disposed in the oxidant gas communication hole and the fuel gas communication hole and the output terminal of the fuel cell, the site where the ground fault occurs can be accurately and easily determined. Detected. Therefore, the scavenging air can be reliably supplied to the pole side where the ground fault has occurred via the scavenging means.

これにより、簡単な構成及び工程で、燃料電池内の地絡が発生する部位を検出するとともに、効率的且つ経済的な掃気処理を行うことが可能になる。   Accordingly, it is possible to detect a site where a ground fault occurs in the fuel cell with a simple configuration and process, and to perform an efficient and economical scavenging process.

また、本発明では、燃料電池の運転停止後に、測定された絶縁抵抗に基づいて、掃気手段によりカソード側又はアノード側の少なくとも一方の極側を掃気することができる。その際、地絡が発生した極が、カソード側であっても、アノード側であっても、掃気手段を介して掃気することが可能になる。   Further, in the present invention, after the fuel cell is stopped, at least one of the cathode side and the anode side can be scavenged by the scavenging means based on the measured insulation resistance. At that time, it is possible to scavenge via the scavenging means regardless of whether the pole where the ground fault has occurred is on the cathode side or the anode side.

これにより、簡単な工程で、燃料電池内の地絡が発生する部位を検出するとともに、効率的且つ経済的な掃気処理を行うことが可能になる。   As a result, it is possible to detect a site where a ground fault occurs in the fuel cell by a simple process and to perform an efficient and economical scavenging process.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 前記停止方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said stop method. 前記停止方法を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the said stop method. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの断面側面図である。It is a cross-sectional side view of the fuel cell stack which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。2 is an exploded perspective view of a fuel cell constituting the fuel cell stack. FIG. 前記燃料電池スタックを構成する絶縁プレートに検出電極が配置された状態の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the state by which the detection electrode is arrange | positioned at the insulation plate which comprises the said fuel cell stack. 前記停止方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the said stop method.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10は、例えば、車載用燃料電池システムを構成する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention constitutes an in-vehicle fuel cell system, for example.

燃料電池システム10は、燃料電池12が積層された燃料電池スタック14と、前記燃料電池スタック14に酸化剤ガスとして空気を供給するエア供給システム16と、前記燃料電池スタック14に燃料ガスとして水素を供給する水素供給システム18と、システム全体の制御を行う制御部20とを備える。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 14 in which fuel cells 12 are stacked, an air supply system 16 that supplies air as an oxidant gas to the fuel cell stack 14, and hydrogen as a fuel gas to the fuel cell stack 14. A hydrogen supply system 18 to be supplied and a control unit 20 that controls the entire system are provided.

各燃料電池12は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22をカソード電極24とアノード電極26とで挟持した電解質膜・電極構造体(MEA)28を備える。   Each fuel cell 12 includes, for example, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 28 in which a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water is sandwiched between a cathode electrode 24 and an anode electrode 26. .

カソード電極24及びアノード電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金(又はRu等)が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。   The cathode electrode 24 and the anode electrode 26 have a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and porous carbon particles carrying platinum alloy (or Ru or the like) on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22.

電解質膜・電極構造体28は、カソード側セパレータ30及びアノード側セパレータ32で挟持される。カソード側セパレータ30及びアノード側セパレータ32は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。   The electrolyte membrane / electrode structure 28 is sandwiched between the cathode side separator 30 and the anode side separator 32. The cathode side separator 30 and the anode side separator 32 are comprised by a carbon separator or a metal separator, for example.

カソード側セパレータ30と電解質膜・電極構造体28との間には、酸化剤ガス流路34が設けられるとともに、アノード側セパレータ32と前記電解質膜・電極構造体28との間には、燃料ガス流路36が設けられる。カソード側セパレータ30とアノード側セパレータ32との間には、冷却媒体流路38が設けられる。   An oxidant gas flow path 34 is provided between the cathode side separator 30 and the electrolyte membrane / electrode structure 28, and a fuel gas is provided between the anode side separator 32 and the electrolyte membrane / electrode structure 28. A flow path 36 is provided. A cooling medium flow path 38 is provided between the cathode side separator 30 and the anode side separator 32.

燃料電池スタック14には、各燃料電池12の積層方向に互いに連通して、空気を供給するエア入口連通孔40a、水素ガスを供給する水素ガス入口連通孔42a、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔(図示せず)、前記空気を排出するエア出口連通孔40b、前記水素ガスを排出する水素ガス出口連通孔42b、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔(図示せず)が設けられる。   The fuel cell stack 14 communicates with each other in the stacking direction of the fuel cells 12, and includes an air inlet communication hole 40a for supplying air, a hydrogen gas inlet communication hole 42a for supplying hydrogen gas, and a cooling medium inlet for supplying a cooling medium. A communication hole (not shown), an air outlet communication hole 40b for discharging the air, a hydrogen gas outlet communication hole 42b for discharging the hydrogen gas, and a cooling medium outlet communication hole (not shown) for discharging the cooling medium. Provided.

エア供給システム16は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプを備える。このエア供給システム16には、エア供給路44の一端が接続されるとともに、前記エア供給路44の他端は、加湿器46を通って燃料電池スタック14のエア入口連通孔40aに連通する。   The air supply system 16 includes an air pump that compresses and supplies air from the atmosphere. One end of an air supply path 44 is connected to the air supply system 16, and the other end of the air supply path 44 communicates with the air inlet communication hole 40 a of the fuel cell stack 14 through a humidifier 46.

燃料電池スタック14のエア出口連通孔40bには、カソードオフガス排出路48の一端が連通する。このカソードオフガス排出路48の他端は、加湿器46を通って、希釈ボックス50に接続される。   One end of a cathode offgas discharge path 48 communicates with the air outlet communication hole 40 b of the fuel cell stack 14. The other end of the cathode offgas discharge path 48 is connected to the dilution box 50 through the humidifier 46.

加湿器46は、エア供給路44を介して導入される外部空気と、燃料電池スタック14から排出され、カソードオフガス排出路48を流通する高温で且つ高湿度のカソードオフガスとの間で、水分及び熱の交換を行う。   The humidifier 46, between the external air introduced through the air supply path 44 and the high-temperature and high-humidity cathode offgas discharged from the fuel cell stack 14 and flowing through the cathode offgas discharge path 48, Exchange heat.

水素供給システム18は、例えば、高圧水素が充填された水素タンクを備え、この水素供給システム18に水素供給路52の一端が接続される。水素供給路52は、燃料電池スタック14の水素ガス入口連通孔42aに連通する。水素供給路52には、供給量調整弁54及びエゼクタ56が配設される。   The hydrogen supply system 18 includes, for example, a hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen, and one end of a hydrogen supply path 52 is connected to the hydrogen supply system 18. The hydrogen supply path 52 communicates with the hydrogen gas inlet communication hole 42 a of the fuel cell stack 14. A supply amount adjustment valve 54 and an ejector 56 are disposed in the hydrogen supply path 52.

燃料電池スタック14の水素ガス出口連通孔42bには、アノードオフガス排出路58の一端が接続される。このアノードオフガス排出路58には、水素排出弁60が配置されるとともに、前記水素排出弁60の上流側とエゼクタ56とには、アノードオフガス循環路62が接続される。   One end of an anode offgas discharge path 58 is connected to the hydrogen gas outlet communication hole 42 b of the fuel cell stack 14. A hydrogen discharge valve 60 is disposed in the anode off gas discharge path 58, and an anode off gas circulation path 62 is connected to the upstream side of the hydrogen discharge valve 60 and the ejector 56.

エア供給路44には、加湿器46の上流側にバイパス路64の一端が接続されるとともに、水素供給路52には、エゼクタ56の下流に前記バイパス路64の他端が接続される。このバイパス路64には、開閉弁66が配設される。   One end of a bypass path 64 is connected to the air supply path 44 upstream of the humidifier 46, and the other end of the bypass path 64 is connected to the hydrogen supply path 52 downstream of the ejector 56. An open / close valve 66 is disposed in the bypass path 64.

制御部20は、システム全体の制御を行うとともに、地絡センサ68から所定の部位における抵抗値検出信号が入力される。制御部20には、地絡するおそれがある絶縁抵抗値の閾値が記憶されており、地絡センサ68から出力された抵抗値検出信号と比較することにより、燃料電池スタック14内に地絡が発生しているか否かを検出する。   The control unit 20 controls the entire system and receives a resistance value detection signal at a predetermined part from the ground fault sensor 68. The control unit 20 stores a threshold value of an insulation resistance value that may cause a ground fault. By comparing with a resistance value detection signal output from the ground fault sensor 68, a ground fault is generated in the fuel cell stack 14. Detect whether it has occurred.

地絡センサ68は、例えば、特開2004−170103号公報に開示されている。すなわち、地絡センサ68は、燃料電池12の電圧を所定の時間だけコンデンサに印加した後、前記コンデンサに発生する電位と、接地電位部を経由して該コンデンサに発生する電位とを比較することにより、絶縁抵抗を計測する。   The ground fault sensor 68 is disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-170103, for example. That is, the ground fault sensor 68 applies the voltage of the fuel cell 12 to the capacitor for a predetermined time, and then compares the potential generated in the capacitor with the potential generated in the capacitor via the ground potential portion. Measure the insulation resistance.

このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

先ず、エア供給システム16を介してエア供給路44に空気が送られる一方、水素供給システム18を介して水素供給路52に水素ガスが送られる。   First, air is sent to the air supply path 44 via the air supply system 16, while hydrogen gas is sent to the hydrogen supply path 52 via the hydrogen supply system 18.

エア供給路44に供給された空気は、加湿器46を通って加湿及び加熱された後、燃料電池スタック14のエア入口連通孔40aに供給される。この空気は、燃料電池スタック14内の各燃料電池12に設けられている酸化剤ガス流路34に沿って移動することにより、カソード電極24に供給される。   The air supplied to the air supply path 44 is humidified and heated through the humidifier 46 and then supplied to the air inlet communication hole 40 a of the fuel cell stack 14. This air is supplied to the cathode electrode 24 by moving along the oxidant gas flow path 34 provided in each fuel cell 12 in the fuel cell stack 14.

使用済みの空気(以下、カソードオフガスともいう)は、エア出口連通孔40bからカソードオフガス排出路48に排出される。このカソードオフガスは、加湿器46に送られ、エア供給路44に沿って新たに供給される空気を加湿及び加温した後、希釈ボックス50に導入される。   Used air (hereinafter also referred to as cathode offgas) is discharged from the air outlet communication hole 40b to the cathode offgas discharge path 48. This cathode off gas is sent to the humidifier 46, humidifies and warms the air newly supplied along the air supply path 44, and then is introduced into the dilution box 50.

一方、水素供給システム18では、供給量調整弁54の作用下に、水素供給路52に所定量の水素ガスが供給される。この水素ガスは、燃料電池スタック14の水素ガス入口連通孔42aに供給される。燃料電池スタック14内に供給された水素ガスは、各燃料電池12の燃料ガス流路36に沿って移動することにより、アノード電極26に供給される。   On the other hand, in the hydrogen supply system 18, a predetermined amount of hydrogen gas is supplied to the hydrogen supply path 52 under the action of the supply amount adjustment valve 54. This hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas inlet communication hole 42 a of the fuel cell stack 14. The hydrogen gas supplied into the fuel cell stack 14 is supplied to the anode electrode 26 by moving along the fuel gas flow path 36 of each fuel cell 12.

水素ガス出口連通孔42bに排出される水素ガス(以下、アノードオフガスともいう)は、アノードオフガス排出路58からアノードオフガス循環路62を通って、エゼクタ56に吸引される。このため、アノードオフガスは、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック14に供給される。従って、カソード電極24に供給される空気と、アノード電極26に供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。   Hydrogen gas discharged to the hydrogen gas outlet communication hole 42 b (hereinafter also referred to as anode off gas) is sucked from the anode off gas discharge path 58 through the anode off gas circulation path 62 to the ejector 56. Therefore, the anode off gas is supplied again to the fuel cell stack 14 as a fuel gas. Therefore, the air supplied to the cathode electrode 24 and the hydrogen gas supplied to the anode electrode 26 react electrochemically to generate power.

一方、アノードオフガス循環路62を循環する水素ガスには、不純物が蓄積し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、水素排出弁60の開放作用下に定期的に排出される。   On the other hand, impurities tend to accumulate in the hydrogen gas circulating through the anode off-gas circulation path 62. For this reason, the hydrogen gas mixed with impurities is periodically discharged under the opening action of the hydrogen discharge valve 60.

また、図示しない冷却媒体システムから、燃料電池スタック14の各燃料電池12間に形成されている冷却媒体流路38に冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路38に沿って移動することにより、燃料電池12を冷却した後、外部に排出されて循環供給される。   A cooling medium is supplied from a cooling medium system (not shown) to a cooling medium flow path 38 formed between the fuel cells 12 of the fuel cell stack 14. The cooling medium moves along the cooling medium flow path 38 to cool the fuel cell 12, and then is discharged outside and circulated and supplied.

次いで、第1の実施形態に係る停止方法について、図2に示すフローチャート及び図3に示すタイミングチャートに沿って、説明する。   Next, the stopping method according to the first embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 2 and the timing chart shown in FIG.

先ず、燃料電池スタック14の運転が停止されると(ステップS1)、ステップS2に進んで、供給量調整弁54が閉塞される。   First, when the operation of the fuel cell stack 14 is stopped (step S1), the process proceeds to step S2, and the supply amount adjusting valve 54 is closed.

そして、ステップS3では、エア供給システム16が駆動され、燃料電池スタック14内のカソード側経路(酸化剤ガス流路34を含む)に掃気エアが供給されて、カソード掃気が行われる。   In step S3, the air supply system 16 is driven, scavenging air is supplied to the cathode side path (including the oxidant gas flow path 34) in the fuel cell stack 14, and cathode scavenging is performed.

さらに、ステップS4に進んで、地絡センサ68により出力された抵抗値と、制御部20に予め記憶された地絡判定値R0とが比較される。地絡センサ68は、図示しないが、酸化剤ガス流路34から排出される生成水が気液分離器を介して前記燃料電池スタック14を地絡させるおそれがあるか否かを検出するとともに、燃料ガス流路36から排出される生成水が、同様に、図示しない気液分離器を介して前記燃料電池スタック14を地絡させるおそれがあるか否かを検出する。   Furthermore, it progresses to step S4 and the resistance value output by the ground fault sensor 68 and the ground fault judgment value R0 memorize | stored beforehand by the control part 20 are compared. Although not shown, the ground fault sensor 68 detects whether or not the generated water discharged from the oxidant gas flow path 34 may cause the fuel cell stack 14 to ground through the gas-liquid separator. Similarly, it is detected whether or not the generated water discharged from the fuel gas flow path 36 may cause the fuel cell stack 14 to ground through a gas-liquid separator (not shown).

ここで、絶縁抵抗Rは、図3に示すように、カソード掃気によって滞留水が除去されるため上昇し(図3中、破線参照)、地絡判定値R0よりも高い絶縁抵抗値が得られる。一方、液絡が発生し易い状態では、十分な絶縁回復がなされておらず、絶縁抵抗Rは、地絡判定値R0よりも低い値を維持している。   Here, as shown in FIG. 3, the insulation resistance R rises because the stagnant water is removed by the scavenging of the cathode (see the broken line in FIG. 3), and an insulation resistance value higher than the ground fault determination value R0 is obtained. . On the other hand, in a state where a liquid junction is likely to occur, sufficient insulation recovery has not been performed, and the insulation resistance R maintains a value lower than the ground fault determination value R0.

従って、カソード側又はアノード側のいずれかに、絶縁抵抗Rが地絡判定値R0よりも低い状態が惹起されると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進んで、カソード側又はアノード側の掃気処理が行われる。カソード側の掃気処理は、上記のカソード掃気と同様である。   Therefore, when a state in which the insulation resistance R is lower than the ground fault determination value R0 is induced on either the cathode side or the anode side (YES in step S5), the process proceeds to step S6, and the cathode side or anode side A scavenging process is performed. The cathode scavenging process is the same as the cathode scavenging described above.

一方、アノード側の掃気処理は、図1に示すように、開閉弁66が開放される。このため、エア供給システム16からエア供給路44に供給される掃気エアは、バイパス路64を通って、水素供給路52に導入される。これにより、燃料電池スタック14では、水素ガス入口連通孔42aから掃気エアが導入され、アノード系(燃料ガス流路36を含む)の掃気を行って、水素排出弁60の開放作用下に排出される。   On the other hand, in the scavenging process on the anode side, the on-off valve 66 is opened as shown in FIG. For this reason, the scavenging air supplied from the air supply system 16 to the air supply path 44 is introduced into the hydrogen supply path 52 through the bypass path 64. As a result, in the fuel cell stack 14, scavenging air is introduced from the hydrogen gas inlet communication hole 42 a, scavenging of the anode system (including the fuel gas flow path 36) is performed, and the hydrogen discharge valve 60 is discharged under the opening action. The

上記のように、カソード側又はアノード側の掃気が終了することにより、燃料電池システム10が停止する(ステップS7)。なお、ステップS5において、絶縁抵抗Rが地絡判定値R0以上である際には(ステップS5中、NO)、地絡のおそれがないため、処理が終了される。   As described above, when the scavenging on the cathode side or the anode side ends, the fuel cell system 10 stops (step S7). In step S5, when the insulation resistance R is greater than or equal to the ground fault determination value R0 (NO in step S5), the process is terminated because there is no possibility of a ground fault.

この場合、第1の実施形態では、燃料電池スタック14の運転停止後に、地絡センサ68により測定された絶縁抵抗Rに基づいて、掃気手段(エア供給システム16、バイパス路64及び開閉弁66を含む)により、カソード側又はアノード側の少なくとも一方の極側を掃気することができる。   In this case, in the first embodiment, after the operation of the fuel cell stack 14 is stopped, the scavenging means (the air supply system 16, the bypass path 64, and the on-off valve 66 is changed based on the insulation resistance R measured by the ground fault sensor 68. In this case, at least one of the cathode side and the anode side can be scavenged.

その際、地絡が発生した極がカソード側であっても、アノード側であっても、上記の掃気手段を介して掃気することが可能になる。これにより、簡単な工程で、燃料電池スタック14内の地絡が発生する部位を確実に検出し、効率的且つ経済的な掃気処理を行うことが可能になるという効果が得られる。   At that time, it is possible to perform scavenging via the scavenging means regardless of whether the pole where the ground fault has occurred is on the cathode side or the anode side. As a result, it is possible to reliably detect a portion where a ground fault occurs in the fuel cell stack 14 and perform an efficient and economical scavenging process with a simple process.

図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム80の概略構成図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 80 according to the second embodiment of the present invention. Note that the same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池スタック14は、第1の実施形態と同様であるが、さらに構成を詳述する。図5に示すように、各燃料電池12の積層方向の両端には、ターミナルプレート82a、82bを収容する絶縁プレート84a、84bを介してエンドプレート86a、86bが配設される。   The fuel cell stack 14 is the same as that of the first embodiment, but the configuration will be further described in detail. As shown in FIG. 5, end plates 86a and 86b are disposed at both ends of each fuel cell 12 in the stacking direction via insulating plates 84a and 84b for accommodating terminal plates 82a and 82b.

エンドプレート86aには、流路部材、例えば、加湿器46が接続される。なお、流路部材としては、加湿器46に代えて、気液分離器等が用いられる。   A flow path member, for example, a humidifier 46 is connected to the end plate 86a. Note that a gas-liquid separator or the like is used as the flow path member in place of the humidifier 46.

燃料電池12は、図6に示すように、縦長形状を有するとともに、長辺方向(矢印C方向)上方側端部には、エア入口連通孔40aと水素ガス入口連通孔42aとが形成される。燃料電池12の長辺方向下方側端部には、水素ガス出口連通孔42bとエア出口連通孔40bとが形成される。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 12 has a vertically long shape, and an air inlet communication hole 40 a and a hydrogen gas inlet communication hole 42 a are formed at the upper side end in the long side direction (arrow C direction). . A hydrogen gas outlet communication hole 42 b and an air outlet communication hole 40 b are formed at the lower side end portion of the fuel cell 12 in the long side direction.

燃料電池12の短辺方向一端に、冷却媒体入口連通孔43aが形成されるとともに、短辺方向他端部には、冷却媒体出口連通孔43bが形成される。   A coolant supply passage 43a is formed at one end in the short side direction of the fuel cell 12, and a coolant discharge communication hole 43b is formed at the other end portion in the short side direction.

図5に示すように、ターミナルプレート82a、82bには、それぞれ積層方向下方に向かって出力端子90a、90bが突出する。マイナス側のターミナルプレート82aを収容する絶縁プレート84aには、図7に示すように、エア入口連通孔40aに露呈するカソード入口検出電極92a、エア出口連通孔40bに露呈するカソード出口検出電極92b、水素ガス入口連通孔42aに露呈するアノード入口検出電極94a及び水素ガス出口連通孔42bに露呈するアノード出口検出電極94bとが設置される。   As shown in FIG. 5, the output terminals 90a and 90b protrude from the terminal plates 82a and 82b downward in the stacking direction, respectively. As shown in FIG. 7, a cathode inlet detection electrode 92a exposed to the air inlet communication hole 40a, a cathode outlet detection electrode 92b exposed to the air outlet communication hole 40b, An anode inlet detection electrode 94a exposed to the hydrogen gas inlet communication hole 42a and an anode outlet detection electrode 94b exposed to the hydrogen gas outlet communication hole 42b are installed.

カソード入口検出電極92aは、カソード入口電流計96aに接続され、カソード出口検出電極92bは、カソード出口電流計96bに接続され、アノード入口検出電極94aは、アノード入口電流計98aに接続され、アノード出口検出電極94bは、アノード出口電流計98bに接続される。   The cathode inlet detection electrode 92a is connected to the cathode inlet ammeter 96a, the cathode outlet detection electrode 92b is connected to the cathode outlet ammeter 96b, the anode inlet detection electrode 94a is connected to the anode inlet ammeter 98a, and the anode outlet The detection electrode 94b is connected to the anode outlet ammeter 98b.

図5に示すように、カソード入口電流計96a及びカソード出口電流計96bは、プラス側のターミナルプレート82bに設けられる出力端子90bに接続される。図示しないが、アノード入口電流計98a及びアノード出口電流計98bは、同様に、ターミナルプレート82bの出力端子90bに接続される。   As shown in FIG. 5, the cathode inlet ammeter 96a and the cathode outlet ammeter 96b are connected to an output terminal 90b provided on the positive side terminal plate 82b. Although not shown, the anode inlet ammeter 98a and the anode outlet ammeter 98b are similarly connected to the output terminal 90b of the terminal plate 82b.

カソード入口電流計96a、カソード出口電流計96b、アノード入口電流計98a及びアノード出口電流計98bは、制御部20に対して測定された電流信号を出力し、制御部20は、少なくともいずれかに地絡が発生したか否かを判断する地絡検出部100としての機能を有する。   The cathode inlet ammeter 96a, the cathode outlet ammeter 96b, the anode inlet ammeter 98a, and the anode outlet ammeter 98b output the measured current signal to the controller 20, and the controller 20 is connected to at least one of It has a function as the ground fault detection unit 100 that determines whether or not a fault has occurred.

図4に示すように、アノードオフガス排出路58には、気液分離器88及び開閉弁89が配設される。   As shown in FIG. 4, a gas-liquid separator 88 and an on-off valve 89 are disposed in the anode off gas discharge path 58.

次いで、このように構成される燃料電池システム80の停止方法について、図8に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、第1の実施形態に係る停止方法と同一の工程は、その詳細な説明は省略する。   Next, a method of stopping the fuel cell system 80 configured as described above will be described below along the flowchart shown in FIG. The detailed description of the same steps as the stopping method according to the first embodiment will be omitted.

燃料電池スタック14の運転が停止されると(ステップS101)、供給量調整弁54が閉塞された後(ステップS102)、掃気用エアが供給されてカソード掃気が行われる(ステップS103)。   When the operation of the fuel cell stack 14 is stopped (step S101), the supply amount adjusting valve 54 is closed (step S102), and then scavenging air is supplied to perform cathode scavenging (step S103).

次いで、ステップS104に進んで、電流検出処理が行われる。この電流検出処理は、カソード入口電流計96a、カソード出口電流計96b、アノード入口電流計98a及びアノード出口電流計98bにより、それぞれ、エア入口連通孔40a、エア出口連通孔40b、水素ガス入口連通孔42a及び水素ガス出口連通孔42bとセル面内の水繋がりを検知する。   Subsequently, it progresses to step S104 and an electric current detection process is performed. In this current detection process, the cathode inlet ammeter 96a, the cathode outlet ammeter 96b, the anode inlet ammeter 98a, and the anode outlet ammeter 98b are respectively used as an air inlet communication hole 40a, an air outlet communication hole 40b, and a hydrogen gas inlet communication hole. 42a and the hydrogen gas outlet communication hole 42b and the water connection in the cell surface are detected.

そして、ステップS105では、カソード入口電流計96a又はカソード出口電流計96bの少なくともいずれかによる検出電流値(カソード側電流値)が、地絡判定の閾値である判定値を超えていると判断されると(ステップS105中、YES)、ステップS106に進んで、掃気用エアが供給されてカソード側の掃気処理が行われる。連通孔内の水を介して地絡が発生していなければ、電流値は小さくなる一方、地絡が発生していれば、電流値が判定値を超えるからである。   In step S105, it is determined that the detected current value (cathode side current value) by at least one of the cathode inlet ammeter 96a and the cathode outlet ammeter 96b exceeds a determination value that is a threshold for ground fault determination. (YES in step S105), the process proceeds to step S106, the scavenging air is supplied, and the scavenging process on the cathode side is performed. This is because the current value is small if a ground fault has not occurred through the water in the communication hole, whereas the current value exceeds the determination value if a ground fault has occurred.

さらに、ステップS107では、アノード入口電流計98a又はアノード出口電流計98bの少なくともいずれかにより計測された電流値(アノード側電流値)が、判定値を超えているか否かが判断される。そして、いずれかの検出電流値が、判定値を超えていると判断されると(ステップS107中、YES)、ステップS108に進んで、掃気用エアが供給されてアノード側の掃気処理が行われる。   Further, in step S107, it is determined whether or not the current value (anode-side current value) measured by at least one of the anode inlet ammeter 98a and the anode outlet ammeter 98b exceeds the determination value. If it is determined that one of the detected current values exceeds the determination value (YES in step S107), the process proceeds to step S108 where scavenging air is supplied and the anode-side scavenging process is performed. .

なお、ステップS107、108の工程は、ステップS105、106の工程と同時に、又は、それよりも先に行ってもよい。上記の処理が終了して、燃料電池システム80が停止される(ステップS109)。   Note that the steps S107 and S108 may be performed simultaneously with or before the steps S105 and S106. The above processing is completed, and the fuel cell system 80 is stopped (step S109).

この場合、第2の実施形態では、カソード入口検出電極92a、カソード出口検出電極92b、アノード入口検出電極94a及びアノード出口検出電極94bと出力端子90bとの間の各電流値を計測することにより、エア入口連通孔40a、エア出口連通孔40b、水素ガス入口連通孔42a及び水素ガス出口連通孔42bそれぞれに地絡が発生するか否かを検出している。   In this case, in the second embodiment, by measuring each current value between the cathode inlet detection electrode 92a, the cathode outlet detection electrode 92b, the anode inlet detection electrode 94a, the anode outlet detection electrode 94b, and the output terminal 90b, It is detected whether or not a ground fault occurs in each of the air inlet communication hole 40a, the air outlet communication hole 40b, the hydrogen gas inlet communication hole 42a, and the hydrogen gas outlet communication hole 42b.

従って、地絡の発生部位が正確且つ容易に検出され、この地絡が発生した極側にのみ掃気エアを供給することができる。これにより、簡単な構成及び工程で、燃料電池12内の地絡が発生する部位を検出し、効率的且つ経済的に掃気処理を行うことが可能になるという効果が得られる。   Therefore, the location where the ground fault occurs can be detected accurately and easily, and scavenging air can be supplied only to the pole side where the ground fault occurs. Thereby, it is possible to detect the site where the ground fault occurs in the fuel cell 12 with a simple configuration and process, and to perform the scavenging process efficiently and economically.

なお、第2の実施形態では、電流値を検出して地絡が発生したか否かを検出しているが、これに限定されるものではない。例えば、電圧値を検出して地絡発生の有無を検出してもよい。   In the second embodiment, the current value is detected to detect whether or not a ground fault has occurred. However, the present invention is not limited to this. For example, the presence or absence of occurrence of a ground fault may be detected by detecting a voltage value.

10、80…燃料電池システム 12…燃料電池
14…燃料電池スタック 16…エア供給システム
18…水素供給システム 20…制御部
22…固体高分子電解質膜 24…カソード電極
26…アノード電極 34…酸化剤ガス流路
36…燃料ガス流路 38…冷却媒体流路
44…エア供給路 46…加湿器
48…カソードオフガス排出路 52…水素供給路
56…エゼクタ 58…アノードオフガス排出路
68…地絡センサ 86a、86b…エンドプレート
90a、90b…出力端子 92a…カソード入口検出電極
92b…カソード出口検出電極 94a…アノード入口検出電極
94b…アノード出口検出電極 96a…カソード入口電流計
96b…カソード出口電流計 98a…アノード入口電流計
98b…アノード出口電流計 100…地絡検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 80 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell 14 ... Fuel cell stack 16 ... Air supply system 18 ... Hydrogen supply system 20 ... Control part 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... Cathode electrode 26 ... Anode electrode 34 ... Oxidant gas Flow path 36 ... Fuel gas flow path 38 ... Cooling medium flow path 44 ... Air supply path 46 ... Humidifier 48 ... Cathode off-gas discharge path 52 ... Hydrogen supply path 56 ... Ejector 58 ... Anode off-gas discharge path 68 ... Ground fault sensor 86a, 86b ... End plates 90a, 90b ... Output terminal 92a ... Cathode inlet detection electrode 92b ... Cathode outlet detection electrode 94a ... Anode inlet detection electrode 94b ... Anode outlet detection electrode 96a ... Cathode inlet ammeter 96b ... Cathode outlet ammeter 98a ... Anode inlet Ammeter 98b ... Anode outlet ammeter 100 ... Ground fault detector

Claims (4)

電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、
前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔と、
前記酸化剤ガス連通孔及び前記燃料ガス連通孔に配設される検出電極と、
前記燃料電池の出力端子と前記検出電極との間の電圧又は電流を測定することにより、地絡が発生したか否かを判断する地絡検出部と、
前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給する掃気手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
Laminating a plurality of fuel cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supplied to the cathode side of the fuel cell and an anode side of the fuel cell A fuel cell system for generating electricity by an electrochemical reaction of fuel gas supplied to
An oxidant gas communication hole through which the oxidant gas flows in the stacking direction of the fuel cell;
Fuel gas communication holes for flowing the fuel gas in the stacking direction;
A detection electrode disposed in the oxidant gas communication hole and the fuel gas communication hole;
A ground fault detector that determines whether or not a ground fault has occurred by measuring a voltage or current between the output terminal of the fuel cell and the detection electrode;
Scavenging means for supplying scavenging air to the cathode side and the anode side;
A fuel cell system comprising:
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムの停止方法であって、
運転停止後に、地絡センサにより絶縁抵抗を測定する工程と、
測定された前記絶縁抵抗に基づいて、前記カソード側又は前記アノード側のいずれか一方の極側に地絡が発生したと判断された際、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給することができる掃気手段により、少なくとも前記一方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
Laminating a plurality of fuel cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supplied to the cathode side of the fuel cell and an anode side of the fuel cell A method for stopping a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction of a fuel gas supplied to
After stopping operation, measuring the insulation resistance with a ground fault sensor;
When it is determined that a ground fault has occurred on either the cathode side or the anode side based on the measured insulation resistance, scavenging air is supplied to the cathode side and the anode side Scavenging means capable of scavenging at least one of the polar sides with the scavenging air;
A method for stopping a fuel cell system, comprising:
請求項2記載の停止方法において、前記一方の極側を掃気した後、前記カソード側又は前記アノード側の他方の極側に地絡が発生しているか否かを判断する工程と、
前記他方の極側に地絡が発生していると判断された際、該他方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程と、
を有すること特徴とする燃料電池システムの停止方法。
The method according to claim 2, wherein after scavenging the one pole side, determining whether or not a ground fault has occurred on the other pole side of the cathode side or the anode side;
Scavenging the other pole side with the scavenging air when it is determined that a ground fault has occurred on the other pole side; and
A method for stopping the fuel cell system.
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムの停止方法であって、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔、及び前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔に配設される検出電極と、前記燃料電池の出力端子との間の電圧又は電流を測定する工程と、
測定された前記電圧又は前記電流に基づいて、前記カソード側又は前記アノード側のいずれか一方の極側に地絡が発生したと判断された際、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給することができる掃気手段により、前記一方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
Laminating a plurality of fuel cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supplied to the cathode side of the fuel cell and an anode side of the fuel cell A method for stopping a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction of a fuel gas supplied to
An oxidant gas communication hole for flowing the oxidant gas in the stacking direction of the fuel cell, a detection electrode disposed in the fuel gas communication hole for flowing the fuel gas in the stacking direction, and an output terminal of the fuel cell Measuring the voltage or current between
When it is determined based on the measured voltage or current that a ground fault has occurred on either the cathode side or the anode side, scavenging air is supplied to the cathode side and the anode side. Scavenging means capable of scavenging the one pole side with the scavenging air; and
A method for stopping a fuel cell system, comprising:
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