JP2020155229A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時間を短縮することができ、システムの大型化及びコストアップを抑制できようにすること。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電するＳＯＦＣ（１０）と、酸化剤ガスを加熱してＳＯＦＣに供給する電気ヒータ（４４）と、ＳＯＦＣからの排出ガスの熱を酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器（４０）とを備えた燃料電池システム（１）において、制御部（６０）は、ＳＯＦＣにおける起動時間の一部にて、電気ヒータと再生熱交換器との両方で酸化剤ガスを加熱してＳＯＦＣに供給させる構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。

特許文献１には、ＳＯＦＣからの排出ガスの熱を酸化剤ガス（空気）に熱交換する再生熱交換器と、再生熱交換器を通過後の酸化剤ガスを加熱する空気予熱ヒータ及び起動バーナと、を備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、起動時にＳＯＦＣにて水が結露しない予定温度（例えば５０℃以上）まで酸化剤ガスを空気予熱ヒータで加熱し、該予定温度に到達してからＳＯＦＣの発電準備温度まで酸化剤ガスを起動バーナにて加熱する。このように、空気予熱ヒータと起動バーナとで昇温させることで、起動時間の短縮を図っている。

特許第６１０３１２７号公報

特許文献１では、加熱機構として、ＳＯＦＣでの水の結露を防ぎつつ加熱する空気予熱ヒータと、発電準備温度まで短時間で加熱する起動バーナとの２つの加熱機構を持つ必要があり、装置の大型化、高コスト化を招く、という問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、起動時間を短縮することができ、システムの大型化及びコストアップを抑制できる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する加熱器と、前記加熱器と並列に配置され、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記加熱器と前記再生熱交換器との両方で前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給させる制御部と、を有することを特徴としている。

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する加熱器と、前記加熱器と並列に配置され、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記加熱器と前記再生熱交換器との両方で前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する供給ステップを有することを特徴としている。

本発明によれば、起動時間を短縮することができ、システムの大型化及びコストアップを抑制できる燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。

本実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 本実施の形態による燃料電池システムの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。

以下、本実施形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。図１においては、説明の便宜上、本発明に関連する構成要素のみを示している。図１においては、燃料ガスや酸化剤ガス等の流体の流路を実線で示し、燃料電池システム１の制御信号の信号線を破線で示している。なお、ＳＯＦＣ１０内の流体の流路は、便宜上、一点鎖線で示している。

図１に示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell、以下、単に「ＳＯＦＣ」という）１０を有している。ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは、空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有している。セルスタックの各セルは、電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。

ＳＯＦＣ１０は、酸化剤ガス流路（カソードガス流路）１２と、燃料ガス流路（アノードガス流路）１４とを有している。酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａには、反応空気ブロア（酸化剤ガス供給器）２０が取り込んだ酸化剤ガス（空気）及びその他のガスが供給され、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂからは、カソード側排出ガス（以下では単に「排出ガス」と呼ぶことがある）が排出される。燃料ガス流路１４の入口部１４Ａには、燃料ガス供給器（図示略）からの燃料ガス（燃料）及びその他のガスが供給され、燃料ガス流路１４の出口部１４Ｂからは、アノード側排出ガス（以下では単に「排出ガス」と呼ぶことがある）が排出される。酸化剤ガス流路１２に供給された酸化剤ガスと燃料ガス流路１４に供給された燃料ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（発電する）。ＳＯＦＣ１０には、当該ＳＯＦＣ１０の温度（モジュール代表温度）を検出する温度検出部３０が設けられている。

燃料電池システム１は、空気再生熱交換器（以下、単に「再生熱交換器」という）４０と、反応空気ブロア２０が取り込む酸化剤ガスを酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａへ供給する反応空気供給ライン４１とを備えている。再生熱交換器４０は、反応空気供給ライン４１に設けられている。再生熱交換器４０には、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂからのカソード側排出ガスを通す反応空気排気ライン４２が接続されている。再生熱交換器４０は、反応空気排気ライン４２を流れるカソード側排出ガス（主に酸化剤ガス）と、反応空気供給ライン４１に流れる酸化剤ガスとを熱交換させ、ＳＯＦＣ１０に導入する酸化剤ガス（反応空気）を加熱する。なお、酸化剤ガス流路１２は、ＳＯＦＣ１０内にて直線（一点鎖線）で示しているが、セルスタックの形状にあわせて流路を設定してよい。

反応空気供給ライン４１における再生熱交換器４０より上流側には、該反応空気供給ライン４１から分岐する反応空気バイパスライン４３が設けられている。反応空気バイパスライン４３の下流端は、反応空気供給ライン４１における再生熱交換器４０より下流側に接続される。反応空気バイパスライン４３には、電気ヒータ４４と、調整弁４５と、温度検出部４６とが設けられている。電気ヒータ４４は、反応空気バイパスライン４３上に設けられることで、再生熱交換器４０と並列となる位置に配置されている。

電気ヒータ４４は、加熱器を構成するものであり、反応空気ブロア２０から反応空気バイパスライン４３を流れる反応空気（酸化剤ガス）を加熱する。例えば、電気ヒータ４４は、燃料電池システム１の起動時に反応空気を加熱する。すなわち、電気ヒータ４４は、燃料電池システム１（ＳＯＦＣ１０）の起動用の電気ヒータを構成する。電気ヒータ４４の出力は、ＳＯＦＣ１０の定格出力の１／５〜２／３とすることが好ましい。

調整弁４５は、自身の開閉状態を切り換えることにより、反応空気ブロア２０から反応空気バイパスライン４３（電気ヒータ４４）に供給される反応空気の量を調整する。調整弁４５における開度は、後述する制御部６０からの制御信号により制御される。

温度検出部４６は、反応空気バイパスライン４３における電気ヒータ４４の出口近傍の温度を検出する。

反応空気供給ライン４１には、反応空気バイパスライン４３の調整弁４５と並列となる位置に、調整弁４７が設けられている。調整弁４７は、自身の開閉状態を切り換えることにより、反応空気ブロア２０から反応空気供給ライン４１（再生熱交換器４０）に供給される反応空気の量を調整する。調整弁４７における開度は、後述する制御部６０からの制御信号により制御される。

反応空気供給ライン４１には、酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａの近傍の温度を検出する温度検出部４８が設けられている。また、反応空気供給ライン４１には、再生熱交換器４０の出口近傍の温度を検出する温度検出部４９が設けられている。なお、反応空気供給ライン４１における温度検出部４８、４９の間に、反応空気バイパスライン４３の下流端が接続される。

また、反応空気供給ライン４１における反応空気ブロア２０の出口側には、反応空気ブロア２０から供給される反応空気の流量を測定するための流量計５０が設けられている。

なお、調整弁４５、４７の少なくとも一方は、比例制御弁として、反応空気バイパスライン４３及び反応空気供給ライン４１の双方の系統への酸化剤ガスの供給量（流量）を制御することが好ましい。ここでは、反応空気バイパスライン４３及び反応空気供給ライン４１にそれぞれ調整弁４５、４７を備える場合について説明しているが、調整弁の構成について適宜変更が可能である。例えば、反応空気供給ライン４１から反応空気バイパスライン４３への分岐箇所に三又構造の調整弁を備え、反応空気バイパスライン４３及び反応空気供給ライン４１の双方の系統への酸化剤ガスの供給量を制御してもよい。

燃料電池システム１は、システム全体を制御する制御部６０を有している。制御部６０は、温度検出部３０、４６、４８、４９、調整弁４５、４７、反応空気ブロア２０、電気ヒータ４４、流量計５０及び不図示の操作部に接続される。制御部６０は、操作部から入力された指示や、温度検出部３０、４６、４８、４９、流量計５０等の検出結果に応じて接続機器を制御する。

以下、図１に加えて図２を参照して、燃料電池システム１の起動動作（制御部６０による制御内容）について説明する。図２は、本実施の形態による燃料電池システムの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。なお、下記の起動動作が実施されている時間がＳＯＦＣ１０の「起動時間」とされる。

制御部６０において、調整弁４５を開状態、調整弁４７を閉状態にし、反応空気ブロア２０及び電気ヒータ４４をそれぞれオン状態にする制御を実行する。これらの制御は、略同時に実行してもよいし、時間的にずらして実行してもよい。これら制御によって、反応空気ブロア２０から取り込まれた反応空気（酸化剤ガス）が電気ヒータ４４により加熱され、反応空気バイパスライン４３から反応空気供給ライン４１を通じて酸化剤ガス流路１２に流れる。

このとき、電気ヒータ４４の出口側における温度検出部４６で検出する温度（図２Ａ参照）は時間ｔ１まで次第に上昇し、その下流側にて酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａにおける温度検出部４８で検出する温度（図２Ｅ参照）も同様に時間ｔ１まで次第に上昇する。そして、酸化剤ガス流路１２を介してＳＯＦＣ１０に供給される反応空気の熱量（図２Ｇ参照）も次第に上昇してＳＯＦＣ１０が昇温し、温度検出部３０で検出するＳＯＦＣ１０の温度（図２Ｆ参照）も時間ｔ１まで次第に上昇する。

ここで、図２Ａにおいて、温度Ｔａは、電気ヒータ４４の飽和出力時における反応空気の加熱温度とされる。時間ｔ１の経過時にて温度検出部４６での検出温度が温度Ｔａに達すると、制御部６０において、図２Ｂに示す流量計５０の測定値に基づき、反応空気ブロア２０から供給する反応空気を増量する制御を実行する。これと同時に、制御部６０は、図２Ｃに示すように、調整弁４７を閉状態から次第に開弁して全開状態にする制御を実行する。

この制御にて、図２Ｄに示すように、再生熱交換器４０の出口側の温度検出部４９で検出する反応空気の温度が次第に上昇する。このとき、制御部６０においては、電気ヒータ４４の反応空気の出口温度となる温度検出部４６での検出温度（図２Ａ参照）が、温度Ｔａに維持されるよう調整弁４５の開度を制御する。言い換えると、温度検出部４６での検出温度に応じて制御部６０が調整弁４５を制御し、電気ヒータ４４の出力が一定に保たれる。

再生熱交換器４０で加熱された反応空気は電気ヒータ４４で加熱された反応空気に比べて低温となるので、酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａとなる温度検出部４８での検出温度（図２Ｅ参照）は若干下降する。但し、反応空気供給ライン４１に反応空気バイパスライン４３が合流して酸化剤ガス流路１２に反応空気が供給される。言い換えると、電気ヒータ４４と再生熱交換器４０との両方で反応ガスを加熱して酸化剤ガス流路１２に同時に供給され（供給ステップ）、酸化剤ガス流路１２（ＳＯＦＣ１０）に供給される反応空気の全体の熱量としては増量することとなる（図２Ｇ参照）。これにより、図２Ｆに示すように、時間ｔ１経過前に比べ、時間ｔ１経過後の方が、温度検出部３０の検出温度となるＳＯＦＣ１０の温度の上昇速度が加速される。

ここで、温度検出部４８の検出温度と、温度検出部３０の検出温度とが概略同一となったタイミングを時間ｔ２とし、その検出温度を温度Ｔｂとする。また、温度検出部３０の検出温度がＳＯＦＣ１０の動作温度（発電準備温度）となる温度Ｔｃとなったタイミングを時間ｔ３とする。

図２Ｃに示すように、時間ｔ２の経過後、調整弁４７を次第に閉弁するよう調整し、時間ｔ３にて所定開度（例えば５０％）の状態に維持する制御を実行する。これと同時に、制御部６０において、図２Ｂに示す流量計５０の測定値に基づき、反応空気ブロア２０から供給する反応空気を時間ｔ３まで減量してから一定に維持する制御を実行する。これら制御での変化速度、変化量及び調整弁４５の制御にあっては、温度検出部４６での検出温度（図２Ａ参照）を温度Ｔａに維持するよう制御部６０を介して調整する。これら制御によって、図２Ｄに示すように、再生熱交換器４０の出口側の温度検出部４９で検出する反応空気の温度は時間ｔ３まで上昇してから一定に維持される。

上記のように調整弁４７の開度を調整したことで、再生熱交換器４０に供給される反応空気が所定量まで減り、酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａに供給される反応空気も減量される。言い換えると、酸化剤ガス流路１２に供給される反応空気にて相対的に低温となる再生熱交換器４０で加熱された反応空気が減少するので、時間ｔ２の経過後、温度検出部４８での検出温度（図２Ｅ参照）は上昇する。このとき、酸化剤ガス流路１２（ＳＯＦＣ１０）に供給される反応空気の全体の熱量は、再生熱交換器４０からの反応空気供給開始時となる時間ｔ１と略同一またはそれより高くなる（図２Ｇ参照）。このように、時間ｔ２を経過した後も、温度Ｔｂより高温の反応空気が酸化剤ガス流路１２に供給されるので、図２Ｆに示すように、温度検出部３０の検出温度となるＳＯＦＣ１０の温度が上昇される。この状態を時間ｔ３まで継続することで、温度検出部３０の検出温度がＳＯＦＣ１０の動作温度Ｔｃとなり、ＳＯＦＣ１０の起動動作が完了する。

以上のように、上記燃料電池システム１においては、電気ヒータ４４と再生熱交換器４０とを並列に配置している。そして、ＳＯＦＣ１０の起動時間の一部となる時間ｔ１から時間ｔ２まで、電気ヒータ４４と再生熱交換器４０との両方で反応空気（酸化剤ガス）を加熱してＳＯＦＣ１０に供給している。

ここで、仮に、比較例として電気ヒータ４４だけの熱量で反応空気を加熱した場合には、図２Ｆのグラフにて一点鎖線で示すように略一定速度で昇温する。これに対し、本実施の形態の方が、時間ｔ１から時間ｔ２の間、再生熱交換器４０からも加熱した反応空気を供給してＳＯＦＣ１０に供給する熱量を増大することができる。これにより、ＳＯＦＣ１０の昇温速度を加速でき、図２Ｆのグラフにて時間ｔｍ分の起動時間（温度Ｔｃに到達する時間）の短縮化を図ることができる。

しかも、本実施の形態では、電気ヒータ４４と再生熱交換器４０とを並列に配置したので、それらに反応空気を供給する供給機構としての反応空気ブロア２０を共通化させることができ、該供給機構の設置数を少なくすることができる。更には、再生熱交換器４０以外の加熱機構を電気ヒータ４４だけにすることもでき、従来の起動バーナを省略して燃料電池システム１全体での小型化、設備コストの削減を図ることができる。

ここで、上述した特許文献１にて、仮に、空気予熱ヒータを発電準備温度までの加熱に使用すると、再生熱交換器または起動バーナの後段に空気予熱ヒータを有するので、空気予熱ヒータの入口における酸化剤ガスの温度が高くなる。このため、空気予熱ヒータの耐熱性を考えると、空気予熱ヒータを発電準備温度までの加熱に利用できない、という問題がある。一方、かかる耐熱性の問題を回避すべく、再生熱交換器から排出された酸化剤ガスを利用せずに空気予熱ヒータで発電準備温度まで加熱する場合、図２Ｆのグラフにて一点鎖線で示す昇温速度となる。このため、発電準備温度に達するまでの加熱時間が長くなる、という別の問題が発生する。

この点、本実施の形態では、電気ヒータ４４と再生熱交換器４０とを並列に配置したので、電気ヒータ４４の入口部の温度を通常の気温程度に抑制でき、その耐熱性の問題を解消しつつ上記のように起動時間の短縮化を図ることができる。

ここで、上記起動動作では、ＳＯＦＣ１０における反応空気の入口温度、つまり、温度検出部４８の検出結果が上限温度（例えば４００〜８００℃、図２Ｅ参照）を超えないように制御している。すなわち、制御部６０にて温度検出部４８の検出結果を取得し、該検出結果に応じて、調整弁４５、４７の弁開度を調整している。この調整によって、電気ヒータ４４及び再生熱交換器４０への反応空気の供給量を調整し、酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａに高温の反応空気が供給されることを防止している。これにより、ＳＯＦＣ１０及びその入口が高温になり過ぎて破損することを防止することができる。

また、電気ヒータ４４における反応空気の出口温度、つまり、温度検出部４６の検出結果に応じて、調整弁４５の弁開度を調整するので、電気ヒータ４４が高温になり過ぎて破損することを防止することができる。

また、上記実施の形態では、ＳＯＦＣ１０の内部温度（温度検出部３０の検出結果）と、酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａの温度（温度検出部４８の検出結果）とが概略同一となった後、調整弁４７を制御して再生熱交換器４０に供給する反応空気を減らしてから所定量に維持している。具体的には、図２Ｄに示すように、再生熱交換器４０の出口側の温度検出部４９で検出する反応空気の温度を時間ｔ３まで上昇してから一定に維持している。これにより、ＳＯＦＣ１０を昇温すべく再生熱交換器４０で加熱した反応空気を供給し終えた後も、再生熱交換器４０の温度が高温になる過ぎることを防止することができる。その結果、反応空気ブロア２０を介して供給された気温と同じ温度（例えば約２０℃）の反応空気との温度差によって再生熱交換器４０が破損することを回避することができる。

なお、上記実施の形態では、加熱器として電気ヒータ４４を用いた場合を例示して説明したが、加熱器としてそれ以外の加熱機構を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、図２Ａに示すように、時間ｔ１後の温度検出部４６の検出結果となる電気ヒータ４４の出力を一定としたが、再生熱交換器４０の出力に応じて電気ヒータ４４の出力を低下させる制御を制御部６０にて実施してもよい。この場合、再生熱交換器４０の出力分、電気ヒータ４４の出力を下げて運転でき、起動時間が若干長くなる場合があるものの起動時の消費電力を削減することができる。言い換えると、起動時間の短縮効果と、消費電力を削減効果とをバランス良く得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、起動時間を短縮することができ、システムの大型化及びコストアップを抑制でき、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システム及びその運転方法に適用して好適である。

１ 燃料電池システム
１０ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
４０ 再生熱交換器
４４ 電気ヒータ（加熱器）
４５ 調整弁
４７ 調整弁
６０ 制御部

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する加熱器と、
   前記加熱器と並列に配置され、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、
   前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記加熱器と前記再生熱交換器との両方で前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給させる制御部と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記加熱器によって加熱した前記酸化剤ガスを供給した所定時間経過後、前記再生熱交換器によって加熱した前記酸化剤ガスの供給を開始させ、且つ、該再生熱交換器の出力に応じて前記加熱器の出力を低下させ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。
3. 前記加熱器及び前記再生熱交換器に対する前記酸化剤ガスの流量を調整する少なくとも一つの調整弁を有し、
   前記制御部は、前記固体酸化物形燃料電池における前記酸化剤ガスの入口温度に応じて、前記調整弁を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記加熱器における前記酸化剤ガスの出口温度に応じて、前記調整弁を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記起動時間にて、前記固体酸化物形燃料電池の内部温度が、該固体酸化物形燃料電池における前記酸化剤ガスの入口温度と概略同一となった後、前記再生熱交換器に供給する前記酸化剤ガスを減らして所定量に維持するように前記調整弁を制御することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する加熱器と、前記加熱器と並列に配置され、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記加熱器と前記再生熱交換器との両方で前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する供給ステップを有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
7. 前記燃料電池システムは、更に、前記加熱器及び前記再生熱交換器に対する前記酸化剤ガスの流量を調整する少なくとも一つの調整弁を有し、
   前記起動時間にて、前記固体酸化物形燃料電池の内部温度が、該固体酸化物形燃料電池における前記酸化剤ガスの入口温度と概略同一となった後、前記再生熱交換器に供給する前記酸化剤ガスを減らして所定量に維持するように前記調整弁を制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。

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