JP2014029805A - 燃料電池コージェネレーションシステムおよび貯湯タンクユニット - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス用の脱硫剤の加熱を、エネルギ効率良く、しかも専用の加熱機器などを用いることなく適切に行なうことが可能な燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電部１０からの排熱を利用して加熱された湯水を貯留するための貯湯タンク３と、内部に脱硫剤４１が充填され、かつ燃料電池発電部１０に供給される燃料ガスの脱硫処理を図るための脱硫器４と、貯湯タンク３の湯水を利用して脱硫剤４１を加熱するための手段と、を備えている、燃料電池コージェネレーションシステムＣであって、脱硫剤４１を加熱するための手段として、脱硫器４を、貯湯タンク３に接触もしくは接近させて設け、または貯湯タンク３内に収容させた構造が用いられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、脱硫器を備えた燃料電池コージェネレーションシステム、およびこの燃料電池コージェネレーションシステムの構成要素として用いるのに好適な貯湯タンクユニットに関する。

燃料電池コージェネレーションシステムの一例として、特許文献１に記載されたものがある。
同文献に記載されたコージェネレーションシステムは、燃料電池の原料となる燃料ガスから硫黄成分を除去するための脱硫装置を備えている。燃料ガス中の硫黄成分は、セルモジュールや燃料改質用の触媒に悪影響を与えるからである。前記の脱硫装置は、脱硫剤を内部に充填した脱硫器と、脱粒剤を加熱するための加熱手段とが組み合わされたものである。脱硫剤としては、たとえばゼオライト系のものが用いられるが、このような脱硫剤は、燃料ガス中の水分をも吸着する性質があり、水分を吸着することによって硫黄化合物に対する吸着性能が大幅に低下する。これに対し、脱硫剤を加熱し、その温度を所定温度以上にすれば、露点が高めの燃料ガスが供給されてきた場合の水分吸着を回避し、脱硫剤の性能劣化を抑制することが可能である。前記した脱硫装置の加熱手段は、そのような加熱を行なうのに利用される。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、特許文献１には、脱硫剤を加熱する手段の具体例として、コージェネレーションシステムに付属して設けられている貯湯タンクを、脱硫器に配管接続した上で、所定のポンプを利用して貯湯タンクの湯水を脱硫器に供給する手段が記載されている。
ところが、このような手段において、脱硫剤を加熱するには、貯湯タンクの湯水を脱硫器に供給するためのポンプを運転させる必要があり、ポンプ運転に伴う電力消費を生じる。脱硫剤を加熱する目的のためだけに、所定のポンプを運転させて電力を消費することは、コージェネレーションシステムを効率良く稼働させる観点からすると、未だ改善の余地がある。また、前記したポンプを必ず設ける必要があるため、その分だけ設備コストも高くなる。

なお、従来においては、前記とは異なり、電熱ヒータを用いて脱硫剤を加熱する手段もある。しかしながら、このような手段では、電熱ヒータが別途必要となる他、電熱ヒータの駆動時の電力消費量も多い。したがって、やはり改善すべき余地がある。

特開２０１１−９６４００号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、燃料ガスの脱硫処理を図るための脱硫剤の加熱を、エネルギ効率良く、しかも専用の加熱機器などを用いることなく適切に行なうことが可能な燃料電池コージェネレーションシステム、およびこのシステムの構成要素として好適に用いることが可能な貯湯タンクユニットを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池発電部と、この燃料電池発電部からの排熱を利用して加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクと、内部に脱硫剤が充填され、かつ前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスの脱硫処理を図るための脱硫器と、前記貯湯タンクの湯水を利用して前記脱硫剤を加熱するための手段と、を備えている、燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記脱硫剤を加熱するための手段として、前記脱硫器を、前記貯湯タンクに接触もしくは接近させて設け、または前記貯湯タンク内に収容させた構造が用いられていることを特徴としている。

このような構成によれば、貯湯タンクの湯水の熱を利用して脱硫剤を加熱できる結果、脱硫剤への水分吸着を抑制し、脱硫剤の性能が低下する不具合を防止できることは勿論のこと、次のような効果が得られる。
すなわち、本発明においては、前記従来技術とは異なり、貯湯タンクの湯水をポンプを用いて脱硫器の設置箇所まで送る必要はない。したがって、前記ポンプをなくし、設備コストを削減することができる。さらには、前記ポンプの運転に伴う電力消費をなくすことができるために、コージェネレーションシステムを、従来よりもエネルギ効率よく稼働させることが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記貯湯タンクへの加熱湯水の貯留は、前記貯湯タンク内の上部から行なわれるように構成され、前記脱硫器は、前記貯湯タンクの上部に接触もしくは接近して設けられ、または前記貯湯タンク内の上部に収容されている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
貯湯タンク内における湯水の温度分布は、通常時において貯湯タンク内の上部が最も高温となる。これに対し、脱硫器はそのような部分に対応した配置とされている。したがって、脱硫器を長時間にわたって高温に加熱する上で、より好ましいものとなる。

本発明において、好ましくは、前記貯湯タンクを覆う断熱材を備えており、この断熱材のうち、前記貯湯タンクに対面する箇所には、凹状部が設けられ、かつこの凹状部に、前記脱硫器が収容されている。

このような構成によれば、断熱材に設けられた凹状部内に、貯湯タンク内の湯水から放出される熱を封じ込めた状態で脱硫器を加熱することができる。したがって、放熱ロスを少なくし、脱硫器内の脱硫剤をより効率良く加熱することが可能となる。また、断熱材の凹状部に脱硫器を支持させれば、脱硫器用のブラケットを別途用いる必要もなくすことができる。

本発明において、好ましくは、前記脱硫器は、前記貯湯タンクの外周に巻き付けられた管体、または前記貯湯タンクの外部から内部に一部が進入するように設けられた管体の内部に、脱硫剤が充填された構成とされている。

このような構成によれば、脱硫器の嵩張りを抑制しつつ、貯湯タンクの外部または内部において、貯湯タンク内の湯水の熱を脱硫器に伝達させ易くすることができる。

本発明において、好ましくは、湯水加熱が可能な補助熱源機と、前記脱硫器の温度、または前記貯湯タンクの前記脱硫器に対応する箇所の温度を検知するための温度検知手段と、この温度検知手段を利用して検知される温度が所定温度以下に低下した場合に、前記貯
湯タンクからの出湯を防止するともに、前記補助熱源機を駆動させて、この補助熱源機によって加熱された湯水を出湯させる動作、または前記貯湯タンクに流入させる動作を実行させる制御手段と、をさらに備えている。

このような構成によれば、脱硫剤の温度が所定の温度未満に低下しないように、脱硫剤の加熱を適切に継続することができる。

本発明の第２の側面により提供される貯湯タンクユニットは、加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクを備えている、貯湯タンクユニットであって、内部に脱硫剤が充填された脱硫器をさらに備えており、この脱硫器は、前記貯湯タンクに接触もしくは接近して設けられ、または前記貯湯タンク内に収容して設けられていることにより、前記貯湯タンク内の湯水の熱を利用して加熱可能な構成とされていることを特徴としている。

このような構成の貯湯タンクユニットは、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの構成要素として好適に使用し、前記燃料電池コージェネレーションシステムについて述べたのと同様な効果を得ることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

（ａ）は、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す概略説明図であり、(ｂ)は、(ａ)のIb−Ib要部断面図である。 図１に示す燃料電池コージェネレーションシステムを構成する貯湯タンクユニットの要部分解断面図である。 図１に示す燃料電池コージェネレーションシステムに具備された制御部の動作処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の他の例を示す要部平面断面図である。 本発明の他の例を示す要部概略斜視図およびその部分拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の他の例を示す要部概略斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す燃料電池コージェネレーションシステムＣは、燃料電池システム１と、貯湯タンク３を有する貯湯タンクユニットＵとを組み合わせて構成されている。
貯湯タンクユニットＵには、燃料電池システム１の原燃料として用いられる燃料ガスの脱硫処理を図るための脱硫器４が後述する所定の構造で設けられており、本実施形態は、この点に大きな特徴がある。

脱硫器４は、ガス導入口４０ａおよび流出口４０ｂを有する容器４０内に、脱硫剤４１が収容された構成である。脱硫剤４１は、たとえば銀担持Ｙ型ゼオライトなどの金属担持型ゼオライト系であり、粒状（ペレット状を含む）である。容器４０内には、フィルタ４２が適宜設けられている。

燃料電池システム１は、たとえばＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）を用いた燃料電池発電部１０、および排熱回収用の熱交換部１１を備えている。燃料電池システム１と脱硫器４とは、ガス配管部９０を介して接続されており、ガス供給口９１に供給された都市ガスあるいはＬＰＧなどの燃料ガスは、脱硫器４に送られて、脱硫処理が図られる。その後、この燃料ガスは、ガス配管部９０を介して改質器１２に向けて送られる。燃料電池発電
部１０には、改質器１２によって改質された燃料ガスが供給される。なお、ガス配管部９０を通過してきた燃料ガスの一部は、改質器１２が備えた燃料ガス改質用触媒を加熱するためのバーナ１３にも供給される。

排熱回収用の熱交換部１１は、燃料電池発電部１０から排出される高温の排ガスから熱を回収し、この熱を利用して湯水加熱を行なうものである。熱交換部１１には、貯湯タンクユニットＵのポンプＰが運転されることにより、貯湯タンク３の湯水が配管部６０ａを介して供給され、熱交換部１１によって加熱されるようになっている。熱交換部１１によって加熱された湯水は、配管部６０ｂを介して貯湯タンク３内の上部に戻される。したがって、貯湯タンク３内への高温湯水の貯留は、貯湯タンク３の上部側から順次行なわれる。

貯湯タンクユニットＵは、外装ケース７内に貯湯タンク３、および貯湯タンク３を覆う断熱材８が収容された構成である。また、この貯湯タンクユニットＵは、前述した脱硫器４の他に、補助熱源機２や制御部５も備えている。図１（ａ）では、便宜上、補助熱源機２や制御部５が外装ケース７の外部に位置するように示されているが、これらの構成機器は、実際には、ケース７内のうち、貯湯タンク３および断熱材８を避けた位置に設けられている。

貯湯タンク３の上部および下部には、出湯管６１および入水管６２が三方弁Ｖ１，Ｖ２を介して接続されている。出湯管６１の出湯口６１ａに配管接続されている先栓（図示略）が開かれた際には、貯湯タンク３内の湯水を、入水管６２から貯湯タンク３内に作用する入水圧を利用して出湯管６１に流出させ、出湯口６１ａから出湯させることが可能である。補助熱源機２は、たとえば貯湯タンク３内の熱量不足を生じた場合や、熱消費量の多い暖房給湯や風呂給湯を行なうような場合に湯水加熱を行なうためのものである。この補助熱源機２は、たとえば瞬間式ガス給湯器と同様な構成であり、迅速な湯水加熱が可能である。

断熱材８は、貯湯タンク３の保温性を高めるためのものであり、この断熱材８として、貯湯タンク３の上部鏡板部を覆う断熱材８（８Ａ）、および胴部を覆う断熱材８（８Ｂ，８Ｃ）がある。図２によく表われているように、断熱材８Ｂ，８Ｃは、貯湯タンク３の左右両側から貯湯タンク３の胴部を挟むようにして取り付けられる。断熱材８Ａ，８Ｂには、凹状部８０ａ，８０ｂが設けられている。これらの凹状部８０ａ，８０ｂは、断熱材８が貯湯タンク３に装着された状態においては、上下方向において互いに繋がり、これらの内部に脱硫器４が収容されている。凹状部８０ａ，８０ｂの開口部の周縁は、貯湯タンク３の外面に接触しており、このことにより凹状部８０ａ，８０ｂ内は、略密閉状の空間部となっている。

図１に示すように、脱硫器４の一部は、貯湯タンク３の外面に接触して設けられているが、これらは非接触状態であってもよい。脱硫器４の重量は、断熱材８Ｂによって受けられているが、断熱材８Ｂの材質が既述した発泡樹脂成形体であれば、脱硫器４を支持するのに十分な耐久強度を確保することが可能である。断熱材８には、既述したガス配管部９０、およびガス供給口９１を一端に有するガス配管部を通過させるための通路などが適宜設けられている。

制御部５は、マイクロコンピュータなどを用いて構成されており、貯湯タンクユニットＵの各部の動作制御を実行する。貯湯タンク３には、湯水温度検出用の複数の温度センサＳａ（本発明でいう温度検知手段の一例に相当）が上下高さ方向に適当な間隔で設けられており、制御部５は、これらの温度センサＳａを利用して貯湯タンク３内の湯水温度分布状況を把握可能であり、脱硫器４が所定温度未満に低下しないように、貯湯タンク３の湯
水温度を制御する。ただし、この点については後述する。

次に、前記した燃料電池コージェネレーションシステムＣの作用について説明する。

まず、脱硫器４については、貯湯タンク３の湯水の熱を利用して効率よく、かつ継続して加熱することができる。このため、脱硫器４内において不当な結露が生じることを防止し、脱硫剤４１の水分吸着に起因して脱硫剤４１の性能が低下する不具合を抑制することができる。
一方、本実施形態では、従来技術とは異なり、貯湯タンク３の湯水をポンプを用いて脱硫器４に送るといった必要はなく、脱硫器４は、貯湯タンクユニットＵ内に固定配置させておけばよい。したがって、従来技術で用いられていたポンプは不要であるとともに、ポンプ運転に要する電気エネルギの消費も無くし、システム全体を効率良く稼働させることができる。なお、脱硫器４と燃料電池システム１とを接続するガス配管部９０における燃料ガスの流通は、燃料ガス供給口９１へのガス供給圧を利用して適切に行なわれる。

貯湯タンク３内の通常時の湯水分布は、貯湯タンク３の上部が最も高温の分布となる。これに対し、脱硫器４は、貯湯タンク３の上部に隣接して設けられているために、脱硫器４を高温に、かつ適切に加熱する上でより好ましいものとなる。とくに、本実施形態では、脱硫器４が貯湯タンク３の外面に接触しており、貯湯タンク３から脱硫器４への直接的な熱伝達があるために、脱硫器４の加熱効率がよい。また、脱硫器４は、断熱材８の凹状部８０ａ，８０ｂに収容され、断熱材８によって囲まれているが、凹状部８０ａ，８０ｂは、その開口部が貯湯タンク３の外面によって塞がれた略密閉状の空間部であって、貯湯タンク３からの熱を封じ込める構造である。したがって、このような構造に基づき、脱硫器４の加熱がより効率良く行なわれる。脱硫器４を凹状部８０ａ，８０ｂに収容させて支持させれば、脱硫器４用の専用ブラケットを用いる必要もない。

制御部５は、次のような動作制御を実行するように構成されている。この動作について、図３のフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、制御部５は、温度センサＳａ（Ｓａ’）からの検知信号に基づき、貯湯タンク３内の上部の湯水温度を常時または短周期間隔で監視している（Ｓ１）。もちろん、温度センサＳａ’とは別の温度センサＳａによる温度も監視されている。温度センサＳａ’による検出温度が、所定の第１の温度Ｔ１以下に低下したことが判明した場合、その時点で貯湯タンク３からの出湯が停止された状態とされ、かつ補助熱源機２およびポンプＰが駆動を開始し、この補助熱源機２によって加熱された湯水が貯湯タンク３内に貯留される動作が実行される（Ｓ２：ＹＥＳ，Ｓ３，Ｓ４）。また、出湯要請がある場合には、補助熱源機２によって加熱された湯水をその出湯要請箇所に送る。脱硫器４を、たとえば４０℃以上に維持したい場合、前記した第１の温度Ｔ１は、たとえば４０℃に適当な余裕値を加えた温度とされる。前記した動作の結果、温度センサＳａ’による検出温度が上昇し、所定の第２の温度（第１の温度よりも適当量だけ高い温度）になると、その時点で補助熱源機２やポンプＰの運転が停止され、貯湯タンク３からの出湯停止状態も解除される（Ｓ５：ＹＥＳ，Ｓ６）。

前記した制御によれば、脱硫器４が所定の温度（たとえば４０℃）未満に低下することが適切に防止される。ガス供給口９１に接続されるガス管の配管工事などにおいて、ガス配管内に水分が進入した場合、露点２０〜３０℃程度の燃料ガスが長期間にわたってガス供給口９１に供給される場合がある。脱硫器４をたとえば４０℃以上に継続して加熱すれば、脱硫器４内における結露は防止され、脱硫剤４１の水分吸着を適切に回避することが可能である。脱硫剤４１が金属担持型のゼオライトである場合、その加熱温度は、８０℃程度が最適であって、１５０℃を超えると性能が低下し、そのような温度を避ける必要が
あるが、貯湯タンク３内の上部の湯水温度は、前記したような範囲の加熱を行なうのに最適である。なお、通常時には、図３に示した動作制御を行なう一方、燃料電池発電部１０の運転を開始させる際には、脱硫剤４１をたとえば８０℃程度に加熱して維持するための動作制御を開始させるように構成してもよい。

図３に示した動作制御は、貯湯タンク３に取り付けられた温度センサＳａ’を利用して行なわれているが、これに代えて、脱硫器４の温度を検出するための温度センサを利用してもよい。この温度センサは、脱硫器４に直接取り付ける他、たとえば凹状部８０ａ，８０ｂに設けてもよい。

図４〜図６は、本発明の他の実施形態を示している。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図４に示す実施形態においては、脱硫器４Ａの平面視形状が略矩形状に近い形態とされているが、その一側面４ａは、貯湯タンク３の外面に面接触可能な曲面とされている。このような構成によれば、貯湯タンク３から脱硫器４Ａへの熱伝達量を多くすることが可能である。本実施形態から理解されるように、脱硫器の形状は、適宜変更可能である。なお、本発明では、脱硫器を貯湯タンクの外面に接触させなくてもよいことは前に述べたとおりであり、貯湯タンクに単に接近させて設けただけでもよい。このような場合であっても、貯湯タンク内の湯水の熱を脱硫器に作用させることが可能である。

図５に示す実施形態においては、脱硫器４Ｂが、貯湯タンク３の周囲に巻かれた金属製などの管体４０Ｂを利用して構成されている。より詳細には、管体４０Ｂは、曲げ加工が施されていることにより、貯湯タンク３の周囲に巻き付け可能な螺旋ループ状に形成されており、この管体４０Ｂの内部に脱硫剤４１が充填されている。管体４０Ｂのガス導入口４０ａや流出口４０ｂの奥部には、フィルタ４２が設けられている。
本実施形態によれば、貯湯タンク３の外部に脱硫器４Ｂを大きな嵩張らないように取り付けることができる。また、貯湯タンク３と脱硫器４Ｂとの接触面積（伝熱面積）を大きくすることもできる。

図６（ａ），（ｂ）に示す実施形態においては、貯湯タンク３内に脱硫器４Ｃ，４Ｄが収容されている。脱硫器４Ｃは、金属製の管体４０Ｃの一部が螺旋ループ状とされ、かつその内部に脱硫剤（図示略）が充填された構成である。前記の螺旋ループ状の部分が、貯湯タンク３内に配置されている。脱硫器４Ｄは、Ｕ字管として形成され、かつ貯湯タンク３内に一部分が挿入された金属製の管体４０Ｄ内に、脱硫剤が充填された構成である。
本実施形態においては、脱硫器４Ｃ，４Ｄが貯湯タンク３内の湯水に直接接触するために、加熱効率が一層よい。また、脱硫器４Ｃ，４Ｄが貯湯タンク３の外部において嵩張らないようにすることもできる。本実施形態から理解されるように、本発明では、脱硫器を貯湯タンク内に収容した構成とすることもできる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステム、および貯湯タンクユニットの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

脱硫剤の種類は、金属担持型ゼオライト系に限らず、これ以外の脱硫剤を用いることができる。脱硫剤として、加熱を行なうことにより性能が向上し、または性能劣化を防止し得る性質のものが用いられている場合、本発明が意図する作用を好適に得ることができる。脱硫器は、貯湯タンクの上部、または貯湯タンク内の上部に配置することが好ましいものの、これ以外の高さに設けることもできる。

Ｃ 燃料電池コージェネレーションシステム
Ｕ 貯湯タンクユニット
Ｓａ 温度センサ（温度検知手段）
１ 燃料電池システム
２ 補助熱源機
３ 貯湯タンク
４，４Ａ〜４Ｄ 脱硫器
５ 制御部（制御手段）
８ 断熱材
１０ 燃料電池発電部
１１ 排熱回収用の熱交換部
４１ 脱硫剤
８０ａ，８０ｂ 凹状部

Claims (6)

1. 燃料電池発電部と、
   この燃料電池発電部からの排熱を利用して加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクと、
   内部に脱硫剤が充填され、かつ前記燃料電池発電部に供給される燃料ガスの脱硫処理を図るための脱硫器と、
   前記貯湯タンクの湯水を利用して前記脱硫剤を加熱するための手段と、
   を備えている、燃料電池コージェネレーションシステムであって、
   前記脱硫剤を加熱するための手段として、前記脱硫器を、前記貯湯タンクに接触もしくは接近させて設け、または前記貯湯タンク内に収容させた構造が用いられていることを特徴とする、燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 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であって、
   前記貯湯タンクへの加熱湯水の貯留は、前記貯湯タンク内の上部から行なわれるように構成され、
   前記脱硫器は、前記貯湯タンクの上部に接触もしくは接近して設けられ、または前記貯湯タンク内の上部に収容されている、燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池コージェネレーションシステムであって、
   前記貯湯タンクを覆う断熱材を備えており、
   この断熱材のうち、前記貯湯タンクに対面する箇所には、凹状部が設けられ、かつこの凹状部に、前記脱硫器が収容されている、燃料電池コージェネレーションシステム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムであって、
   前記脱硫器は、前記貯湯タンクの外周に巻き付けられた管体、または前記貯湯タンクの外部から内部に一部が進入するように設けられた管体の内部に、脱硫剤が充填された構成とされている、燃料電池コージェネレーションシステム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステムであって、
   湯水加熱が可能な補助熱源機と、
   前記脱硫器の温度、または前記貯湯タンクの前記脱硫器に対応する箇所の温度を検知するための温度検知手段と、
   この温度検知手段を利用して検知される温度が所定温度以下に低下した場合に、前記貯湯タンクからの出湯を防止するともに、前記補助熱源機を駆動させて、この補助熱源機によって加熱された湯水を出湯させる動作、または前記貯湯タンクに流入させる動作を実行させる制御手段と、
   をさらに備えている、燃料電池コージェネレーションシステム。
6. 加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクを備えている、貯湯タンクユニットであって、
   内部に脱硫剤が充填された脱硫器をさらに備えており、
   この脱硫器は、前記貯湯タンクに接触もしくは接近して設けられ、または前記貯湯タンク内に収容して設けられていることにより、前記貯湯タンク内の湯水の熱を利用して加熱可能な構成とされていることを特徴とする、貯湯タンクユニット。

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