JP2013149569A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の燃料利用率低下による効率の低下や、燃料電池が燃料不足の状態になるのを防止する。
【解決手段】制御装置800は、発電モジュール300が生成した直流電力の出力電流Iinを燃料制御器200が発電モジュール300に供給している燃料の供給量FによってDC‐DCコンバータ400で生成できる最大電流値Ioutmax以下となるように、出力電流指定値Ioutrを指定してDC‐DCコンバータ400を制御する。また、燃料制御器200が発電モジュール300に供給する燃料の供給量Fを、DC‐DCコンバータ400が直流負荷600、蓄電池700に出力する負荷電力Poutの出力電流Iout又は出力電圧Voutを予め定められた値とするのに必要な量にするように制御する。
【選択図】図1
【解決手段】制御装置800は、発電モジュール300が生成した直流電力の出力電流Iinを燃料制御器200が発電モジュール300に供給している燃料の供給量FによってDC‐DCコンバータ400で生成できる最大電流値Ioutmax以下となるように、出力電流指定値Ioutrを指定してDC‐DCコンバータ400を制御する。また、燃料制御器200が発電モジュール300に供給する燃料の供給量Fを、DC‐DCコンバータ400が直流負荷600、蓄電池700に出力する負荷電力Poutの出力電流Iout又は出力電圧Voutを予め定められた値とするのに必要な量にするように制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池により負荷に電力を供給する燃料電池システムに関する。
特許文献1には、シミュレーション計算によって、燃料電池の単位時間当たりの発電量を複数段階1〜nに変化させた場合の各段階i(1≦i≦n)における単位時間当たりの発電コストを算出し、段階iにおける単位時間当たりのエネルギーコストを、蓄電池が充電される場合には単位時間当たりの発電コストから蓄電池の単位時間当たりの充電電力の価値を減算して算出し、蓄電池が放電される場合には単位時間当たりの発電コストに蓄電池の単位時間当たりの放電電力の価値を加算して算出し、単位時間当たりのエネルギーコストが最小となる段階kを求め、段階kにおける燃料電池の発電状態が実現するように燃料電池システムを制御する技術について開示されている。
特許文献2には、燃料により電力を発生する燃料電池モジュールと、入力した電力を蓄電する蓄電池モジュールと、入力した電力のレベルに基づいて、入力した電力の負荷機器への供給を停止する受電スイッチと、前記レベルに基づいて、燃料電池モジュールにて発生した電力の負荷機器への供給を制御する燃料電池出力制御部と、前記レベルに基づいて、蓄電池モジュールに蓄電された電力の負荷機器への供給を制御する蓄電池出力制御部とを有する電力供給装置について開示されている。
燃料電池により負荷に電力を供給する燃料電池システムの一構成例を図4に示す。この燃料電池システム10では、燃料制御器20は都市ガス等の燃料に接続され、燃料電池で構成される発電モジュール30に必要な量の燃料を供給する。発電モジュール30は燃料制御器20から供給された燃料により発電を行い、直流電力を出力する。発電モジュール30で生成した直流電力は、インバータ40により所望の交流電力に変換され、商用系統50の電力とともに負荷60に供給される。このようにして、燃料電池で発電した電力を負荷に供給することができる。
このような燃料電池システム10によれば、交流の負荷60に電力を供給することができるが、通信装置などの直流の負荷に電力を供給する場合には、整流器で再度直流変換する必要があり、変換時の損失により効率が低下する不具合がある。
また、この燃料電池システム10では、商用電力系統である商用系統50を介して電力を供給する方式であることから、負荷電力の増減は商用系統50からの供給電力の増減で調整することが可能で、燃料電池である発電モジュール30は常に定格出力で効率よく発電することができる。しかし、例えば商用系統50のような商用電力系統が整備されていない地域で燃料電池である発電モジュール30を単独に用い、負荷60に電力を供給する場合には、負荷60の消費電力が低下した場合に、供給した燃料に対して消費する電流が少なくなり、燃料利用率低下による効率の低下という不具合が生じる。
また、この場合に、負荷60の消費電力が増加した場合には、供給した燃料に対して消費する電流が多くなり、発電モジュール30が燃料不足の状態になり、発電モジュール30の故障につながるという不具合も生じる。
本発明の目的は、燃料電池の燃料利用率低下による効率の低下や、燃料電池が燃料不足の状態になるのを防止できる燃料電池システムを提供することである。
(1)本発明は、燃料により直流電力を生成する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給部と、を備えている燃料電池システムにおいて、前記燃料電池で生成した直流電力を与えられた出力電圧指定値及び出力電流指定値にそれぞれ基づいた電圧値及び電流値の直流電力に変換して負荷に出力する電力変換部と、前記直流電力の電流値を前記燃料供給部が前記燃料電池に供給している燃料の供給量によって前記電力変換部で生成できる最大電流値以下となるように前記出力電流指定値を指定して前記電力変換部を制御する電力変換制御手段と、前記燃料供給部に燃料供給量指令値を与えることにより前記燃料供給部が前記燃料電池に供給する燃料の供給量を前記電力変換部が前記負荷に出力する直流電力の電圧値又は電流値を予め定められた値とするのに必要な量にするように制御する燃料量制御手段と、を備えていること特徴とする燃料電池システムである。
(2)別の本発明は、(1)の発明において、前記電力変換制御手段は、前記燃料電池が生成する直流電力が定格電力に達した場合には、前記燃料供給量指令値及び前記出力電流指定値をそれぞれ予め定められた値になるように制御する、ことを特徴とするものである。
(3)別の本発明は、(1)の発明において、前記燃料量制御手段は、前記電力変換部から前記負荷に出力している直流電力の電圧が予め定められた電圧に達した後に当該直流電力の電流が減少した場合には、当該直流電力の電流値に応じて当該電流値を出力するために必要な前記燃料の供給量となるように前記燃料供給量指令値を前記燃料供給部に与える、ことを特徴とするものである。
(4)別の本発明は、(1)の発明において、前記燃料量制御手段は、前記電力変換部から前記負荷に出力している直流電力の電流が予め定められた電圧に達した後に当該直流電力の電流が増加し又は当該直流電力の電圧が減少した場合には、前記燃料供給部に供給する燃料を漸次増加させるように前記燃料供給量指令値を当該燃料供給部に与える、ことを特徴とするものである。
(5)別の本発明は、(3)又は(4)の発明において、前記燃料量制御手段は、前記負荷に出力している直流電力の電流の減少又は増加を判断するのに代えて、前記燃料電池から前記電力変換部に出力している直流電力の電流の減少又は増加を判断する、ことを特徴とするものである。
本発明によれば、燃料電池の燃料利用率低下による効率の低下や、燃料電池が燃料不足の状態になるのを防止できる燃料電池システムを提供することができる。
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施形態にかかる燃料電池システム1の電気的な接続を示すブロック図である。燃料電池システム1は、燃料制御器200と、発電モジュール300と、DC‐DCコンバータ400と、制御装置800とを備え、直流負荷600に例えば蓄電池700を介して接続されている。制御装置800は、マイクロコンピュータを中心に構成されている。
燃料制御器200は、燃料供給部となるものであり、発電モジュール300へ燃料を供給する。その供給量は制御装置800から入力される燃料供給量指令値Frに従って制御する。
燃料量センサ210は、燃料制御器200から発電モジュール300へ供給する燃料の燃料供給量Fを検出して制御装置800に送信する。この例では発電モジュール300へ供給する燃料は例えばガスであるため、フローセンサを燃料量センサ210として用いることができる。
発電モジュール300は燃料電池であり、燃料制御器200から供給される燃料で発電を行なって直流電力を生成し、これをDC‐DCコンバータ400に供給する。
発電モジュール300から発生する電圧及び電流は、電圧センサ310、電流センサ320によりDC‐DCコンバータ400の入力電圧Vin、入力電流Iinとして検出され、制御装置800に入力される。
また、DC‐DCコンバータ400から発生する電圧及び電流は電圧センサ330、電流センサ340によりDC‐DCコンバータ400の出力電圧Vout、出力電流Ioutとして検出され、制御装置800に入力される。
ここで、ある時間tにおける発電モジュール300に必要な単位時間当たりの燃料供給量Fについて説明する。単位時間当たりの燃料供給量Fは以下のような式(1)で表される。
F=K×I×C …… (1)
F=K×I×C …… (1)
ここで、Kは発電モジュール300の単一のセルに1Aの電流を流すのに必要な単位時間当たりの燃料を表わす化学定数、Iは時間tに発電モジュール300から出力される電流を、Cはセル数である。ここで、燃料の種類を変えずに発電を行う場合、化学定数Kは一定であり、またセル数Cも燃料電池システム1を構築した後は不変で一定であるため、上記(1)式より燃料消費量は発電モジュール300から出力される電流Iに依存することになる。上記のように発電モジュール300から出力される電流Iは、本実施形態においてはDC‐DCコンバータ400に入力される電流Iinを示していることから、式(1)は以下のような式(2)に置き換えられる。
F=K´×Iin …… (2)
F=K´×Iin …… (2)
ここで、K´は定数であり、“K´=K×C”である。また、入力電流Iinと出力電流Ioutには以下の式(3)のような関係がある。
Iin×Vin=Iout×Vout+Ploss
=Pout+Ploss …… (3)
Iin×Vin=Iout×Vout+Ploss
=Pout+Ploss …… (3)
ここで、Poutは負荷電力、すなわち、直流負荷600と蓄電池700に供給される電力の和であり、“Pout=Iout×Vout”である。また、PlossはDC‐DCコンバータ400での電力変換時に発生する損失電力である。式(3)において一定の入力電圧Vin及び出力電圧Voutの状態においては、負荷電力Poutは出力電流Ioutに比例する。このため、負荷電力Poutに対応する出力電流Ioutが判明すれば入力電流Iinも判明する。よって、計測された出力電流Ioutに従って必要十分の燃料供給量Fを供給することで、負荷電力Poutの低下時の発電効率低下を抑制し、あるいは、負荷電力Poutの増加時の発電モジュール300の故障を防止することができる。また、出力電流Ioutの代わりにDC‐DCコンバータ400の入力電流Iinに従って必要十分の燃料供給を行うことで、発電効率低下を抑制し、あるいは発電モジュール300の故障を防止することもできる。燃料制御器200に対する燃料供給量指令値Frは、式(2)と(3)を組み合わせることによって得られる以下の式(4)又は(4)´によって求められる。
Fr=K´×Iin …… (4)
Fr=K´×(Iout×Vout+Ploss)/Vin …… (4)´
Fr=K´×Iin …… (4)
Fr=K´×(Iout×Vout+Ploss)/Vin …… (4)´
ここで、出力電流Ioutに従って燃料供給量Fを制御する場合には式(4)´を、入力電流Iinに従って燃料供給量Fを制御する場合には式(4)を用いればよい。なお、実際に設定する燃料供給量指令値は、式(4)又は(4)´で求めたFrに予め定められた値を加算又は乗算して、やや大きめの値とすることにより、システムの不安定な動作を避けることができる。
また、DC‐DCコンバータ400の動作中に負荷電力Poutが増加又は減少することがあり得るため、本実施形態の燃料電池システム1では、制御装置800は、発電モジュール300の起動時及び停止時を除いて、その時点での燃料供給量Fで賄うことが可能な出力電流Ioutの最大値Ioutmaxを常に計算して、DC‐DCコンバータ400の出力電流指令値Ioutrとして設定する。これにより、負荷側で短絡事故を生じた場合などでも、発電モジュール300の故障を防ぐことができる。燃料供量Fで供給可能な出力電流の最大値Ioutmaxは、式(2)と(3)を組み合わせることによって得られる以下の式(5)によって求められる。
Ioutmax=[(F×Vin/K´)−Ploss]/Vout
…… (5)
Ioutmax=[(F×Vin/K´)−Ploss]/Vout
…… (5)
DC‐DCコンバータ400は、発電モジュール300から供給される直流電流を所望の電圧の直流電力に変換する。具体的には例えば、制御装置800から入力される出力電圧指令値Voutr又は出力電流指令値Ioutrに従って、出力電流Ioutが出力電流指令値Ioutr以下で、かつ、出力電圧Voutが出力電圧指令値Voutrと等しい状態、又は、出力電圧Voutが出力電圧指令値Voutr以下で、かつ、出力電流Ioutが出力電流指令値Ioutrと等しい状態となるように、すなわち、“(Ioutr×Vout/Iout)≧Voutr”の場合には、“Iout≦Ioutr”かつ“Vout=Voutr”となり、“(Ioutr×Vout/Iout)≦Voutr”の場合には、“Vout≦Voutr”かつ“Iout=Ioutr”となるように、出力電圧Vout及び出力電流Ioutを制御する機能を有する。
制御装置800は、前述のとおり、発電モジュール300の起動時及び停止時を除いて、その時点での燃料供給量Fで賄うことが可能な出力電流Ioutの最大値Ioutmaxを常に計算して、DC‐DCコンバータ400の出力電流指令値Ioutrとして設定する。また、DC‐DCコンバータ400は、前述のとおり、出力電流Ioutが出力電流指令値Ioutr以下となるように、又は、出力電流Ioutが出力電流指令値Ioutrと等しい状態となるように、出力電流Ioutを制御する機能を有する。これにより、制御装置800は、発電モジュール300が生成した直流電力の電流値である出力電流Iinを燃料制御器200が発電モジュール300に供給している燃料の供給量FによってDC‐DCコンバータ400で生成できる最大電流値である最大値Ioutmax以下となるように、出力電流指定値Ioutrを指定してDC‐DCコンバータ400を制御する。この制御では、電流センサ340で出力電流Ioutをモニタして、出力電流Ioutが最大値Ioutmax以下となるように制御している。これにより電力変換制御手段を実現している。
また、制御装置800は、燃料制御器200に燃料供給量指令値Frを与えることにより、燃料制御器200が発電モジュール300に供給する燃料の供給量Fを、DC‐DCコンバータ400が直流負荷600、蓄電池700に出力する直流電力である負荷電力Poutの出力電流Iout又は出力電圧Voutを予め定められた値とするのに必要な量にするように制御する。この制御では、電流センサ340による出力電流Iout又は電圧センサ330による出力電圧Voutをモニタし、また、燃料量センサ210により燃料の供給量Fをモニタして、供給量Fが、直流負荷600、蓄電池700に出力する負荷電力Poutの出力電流Iout又は出力電圧Voutを予め定められた値とするのに必要な量にするように制御している。これにより燃料量制御手段を実現している。
以下では、制御装置800が実行する制御内容の詳細について説明する。以下に説明するのは、燃料電池システム1の起動から停止までに制御装置800が実行する制御内容についてである。図2は、本実施形態の燃料電池システム1の起動から停止までの各信号のタイミングチャートである。図3は、本実施形態の燃料電池システム1で制御装置800が実行する燃料供給量F及び出力電流指令値Ioutrの制御について説明するフローチャートである。
以下に説明する制御は、燃料量センサ210、電圧センサ310、電流センサ320、電圧センサ330、及び電流センサ340で検出する燃料供給量F、入力電圧Vin、入力電流Iin、出力電圧Vout、及び出力電流Ioutなどのデータに基づいて、燃料供給量F、出力電流指令値Ioutr、出力電圧指令値Voutrなどを制御するものである。
まず、燃料電池システム1の起動の際には、制御装置800から起動に必要な燃料F0を燃料供給量指令値Frとして燃料制御器200に入力し(ステップS1)、燃料制御器200から燃料供給指令値Frに従った燃料供給量Fの燃料が発電モジュール300に供給されて、発電モジュール300は起動し(FC起動)、DC‐DCコンバータ400の入力電圧Vinが上昇する。このとき、DC‐DCコンバータ400は停止しているため、入力電圧Vinは発電モジュール300の開回路電圧Vopenに達したところで一定となる(ステップS2のY)。
入力電圧Vinが発電モジュール300の開回路電圧Vopenに達し(ステップS2のN)、発電モジュール300の起動が終了したところで、DC‐DCコンバータ400を起動する(コンバータ起動)。このとき、制御装置800により燃料供給量指令値Frはあらかじめ設定した増加幅dfFで徐々に上昇される(ステップS4)。これと同時に、制御装置800は燃料供給量指令値Frの増加に従った燃料供給量Fの増加を感知し、当該燃料供給量Fにて供給可能なDC‐DCコンバータ400の出力電流の最大値Ioutmaxを式(5)によって計算して、DC‐DCコンバータ400の出力電流指令値Ioutrとして設定する(ステップS4)。これにより、出力電流指令値Ioutrも徐々に増加することとなる。また、出力電圧指令値Voutrは蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatに設定しておく(ステップS3)。
制御装置800は、燃料供給量Fがあらかじめ設定した定格量Fp0に達したところで(ステップS5のN)、燃料供給指令値Frを一定に保ち、また、DC‐DCコンバータ400の出力電流指令値Ioutrも一定(Ip0)に保つように制御する(ステップS6)。このとき、蓄電池700の充電が未完了であり、出力電圧Voutが蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatに達さなかった場合には、DC‐DCコンバータ400は定電流出力動作(図2の左から1番目の「CCモード」)となり、出力電流Ioutによって直流負荷600の消費電流及び蓄電池700の充電電流が賄われ、蓄電池700の電圧の上昇に従い、DC‐DCコンバータ400の出力電圧Voutが徐々に上昇する。
その後、出力電圧Voutが蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatに達すると(ステップS7のN)、制御装置800は、DC‐DCコンバータ400を蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatでの定電圧出力動作(図2の左から1番目の「CVモード」)とする(ステップS8)。この運転モードでは、蓄電池700が満充電に近づくにつれ、蓄電池700の充電電流が徐々に低下するため、DC‐DCコンバータ400の出力電流Ioutも徐々に低下する。この場合に制御装置800は、DC‐DCコンバータ400の出力電流Ioutを検出することにより、出力電流Ioutの低下を感知し、出力電流Ioutを供給するに必要十分な燃料供給量を式(4)又は(4)´によって計算して、燃料供給量指令値Frとして燃料制御器200に入力する(ステップS8)。これにより、燃料制御器200は燃料供給量指令値Frに従って燃料供給量Fを適正な量に制御する。
蓄電池700が満充電となった後、DC‐DCコンバータ400の出力電流Ioutの増加又は出力電圧Voutの低下を検出した場合には、直流負荷600の等価抵抗Rloadが小さくなり、消費電力が増加したと考えられるため、制御装置800は、燃料供給量指令値Frを増加幅dfFで漸次増加させながら、その時点の燃料供給量Fにて供給可能なDC‐DCコンバータ400の出力電流の最大値Ioutmaxを式(5)によって計算して、出力電流値指令値IoutrとしてDC‐DCコンバータ400に入力する(ステップS10)。これにより、DC‐DCコンバータ400の出力電流指令値Ioutrも燃料供給量Fに対応して増加することとなる。
燃料供給量Fが増加し、DC‐DCコンバータ400の出力電圧Voutが蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatに達する前に(ステップS9のY)、燃料供給量Fがあらかじめ設定した定格量Fp0に達した場合には(ステップS11のN)、その時点で燃料供給量指令値Frを一定に保つと同時に、制御装置800から指令されるDC‐DCコンバータ400の出力電流指令値Ioutrも一定(Ip0)とされ、DC‐DCコンバータ400は定電流動作(図2の左から2番目の「CCモード」)となる(ステップS12)。
その後、蓄電池700が再び満充電となり、DC‐DCコンバータ400の出力電圧Voutが蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatに達した場合には(ステップS13のN)、DC‐DCコンバータ400は蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatでの定電圧動作(図2の左から2番目の「CVモード」)となる(ステップS8)。
もしくは燃料供給量Fが増加し、その量があらかじめ設定した定格量Fp0に達する前に(ステップS11のY)、DC‐DCコンバータ400の出力電圧Voutが蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatに達した場合には(ステップS9のN)、DC‐DCコンバータ400は蓄電池700の浮動充電電圧Vfloatでの定電圧動作(図2の左から3番目の「CVモード」)となる(ステップS8)。
蓄電池700が満充電となった後、DC‐DCコンバータ400の出力電流Ioutの低下を検知した場合には、直流負荷600の等価抵抗Rloadが大きくなり、消費電力が減少したと考えられるため、制御装置800は、検出された出力電流Ioutを供給するに必要十分な燃料供給量を式(4)又は(4)´によって計算して、燃料制御器200に入力する燃料供給量指令値Frを計算で得られた値まで低下させる。このとき、燃料供給量指令値Frは、増加させる場合と同様に、徐々に低下させるようにしてもよい。燃料制御器200は燃料供給量指令値Frに従って燃料供給量Fを適正な量に制御する。
燃料電池システム1からの電力供給を停止する場合には、制御装置800はDC‐DCコンバータ400の出力電流指令値Ioutrをゼロとし、出力電流Ioutがゼロになった時点でDC‐DCコンバータ400の動作が停止する。制御装置800は、燃料供給量指令値Frを徐々に低下させ、発電モジュール300が待機状態を保てる燃料F1が供給されるように制御する(FC停止)。
なお、DC‐DCコンバータ400の動作状態に関わらず、制御装置800が出力電圧Voutまたは出力電流Ioutの異常な値を検知した場合は、制御装置800は、出力電圧指令値Voutr又は出力電流指令値Ioutrをゼロとして、DC‐DCコンバータ400の動作を停止させる。
以上説明した燃料電池システム1によれば、燃料電池である発電モジュール300の燃料利用率低下による効率の低下や、発電モジュール300が燃料不足の状態になるのを防止できる。
なお、以上の説明では、制御装置800が行う燃料供給量指令値Frの制御を電流センサ340で検出する出力電流Ioutの値に基づいて行っている例を示しているが、出力電流Ioutに代えて電流センサ320で検出する入力電流Iinの値に基づいて制御するようにしてもよい。
1 燃料電池システム
200 燃料制御器
300 発電モジュール
400 DC‐DCコンバータ
800 制御装置
200 燃料制御器
300 発電モジュール
400 DC‐DCコンバータ
800 制御装置
Claims (5)
- 燃料により直流電力を生成する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給部と、を備えている燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池で生成した直流電力を与えられた出力電圧指定値及び出力電流指定値にそれぞれ基づいた電圧値及び電流値の直流電力に変換して負荷に出力する電力変換部と、
前記直流電力の電流値を前記燃料供給部が前記燃料電池に供給している燃料の供給量によって前記電力変換部で生成できる最大電流値以下となるように前記出力電流指定値を指定して前記電力変換部を制御する電力変換制御手段と、
前記燃料供給部に燃料供給量指令値を与えることにより前記燃料供給部が前記燃料電池に供給する燃料の供給量を前記電力変換部が前記負荷に出力する直流電力の電圧値又は電流値を予め定められた値とするのに必要な量にするように制御する燃料量制御手段と、
を備えていること特徴とする燃料電池システム。 - 前記電力変換制御手段は、前記燃料電池が生成する直流電力が定格電力に達した場合には、前記燃料供給量指令値及び前記出力電流指定値をそれぞれ予め定められた値になるように制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料量制御手段は、前記電力変換部から前記負荷に出力している直流電力の電圧が予め定められた電圧に達した後に当該直流電力の電流が減少した場合には、当該直流電力の電流値に応じて当該電流値を出力するために必要な前記燃料の供給量となるように前記燃料供給量指令値を前記燃料供給部に与える、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料量制御手段は、前記電力変換部から前記負荷に出力している直流電力の電流が予め定められた電圧に達した後に当該直流電力の電流が増加し又は当該直流電力の電圧が減少した場合には、前記燃料供給部に供給する燃料を漸次増加させるように前記燃料供給量指令値を当該燃料供給部に与える、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料量制御手段は、前記負荷に出力している直流電力の電流の減少又は増加を判断するのに代えて、前記燃料電池から前記電力変換部に出力している直流電力の電流の減少又は増加を判断する、ことを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池システム。
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