JP4651953B2 - Fuel cell system and method for starting fuel cell system - Google Patents

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Description

この発明は、固体高分子電解質膜型の燃料電池を備える燃料電池システムと、燃料電池システムの起動方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell and a method for starting the fuel cell system .

燃料電池の中には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体を一対のセパレータで挟持してセル(単位燃料電池)とするものがあり、この種の燃料電池では、一般に、セルを複数積層して燃料電池スタックとして用いる。   In a fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode to form a membrane electrode structure, and this membrane electrode structure is sandwiched between a pair of separators to form a cell (unit fuel cell) In this type of fuel cell, generally, a plurality of cells are stacked and used as a fuel cell stack.

この燃料電池は、アノード電極に燃料ガス(例えば、水素ガス)を、カソード電極に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)を供給して化学反応を行い、この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。このとき、カソード電極において、水素イオン、電子、および酸素が反応して水が生成される。この燃料電池は環境に与える影響が少ないため車両の駆動源として注目されている。   In this fuel cell, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode electrode, and an oxidant gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the cathode electrode to perform a chemical reaction. It is taken out and used as direct current electric energy. At this time, at the cathode electrode, hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water. Since this fuel cell has little influence on the environment, it has attracted attention as a driving source for vehicles.

この種の燃料電池の作動温度は固体高分子電解質膜の耐熱温度に支配される。従来、固体高分子電解質膜としては一般にペルフルオロスルホン酸ポリマー等のフッ素系電解質材料が使用されており、その場合、燃料電池の作動温度は70℃〜80℃程度とされている。そのため、通常発電時に発電に伴う発熱により燃料電池が前記作動温度を超えないように、燃料電池スタック内に設けた冷媒通路に冷媒(例えば冷却液)を循環させて温度制御を行っている。
また、空気を酸化剤ガスとして利用する場合には圧縮機で圧縮して燃料電池に供給するが、圧縮に伴って空気は昇温するので、放熱器で所定温度まで冷却してから燃料電池に供給している。
The operating temperature of this type of fuel cell is governed by the heat resistant temperature of the solid polymer electrolyte membrane. Conventionally, a fluorine-based electrolyte material such as a perfluorosulfonic acid polymer is generally used as the solid polymer electrolyte membrane. In this case, the operating temperature of the fuel cell is about 70 ° C. to 80 ° C. Therefore, temperature control is performed by circulating a refrigerant (for example, a coolant) through a refrigerant passage provided in the fuel cell stack so that the fuel cell does not exceed the operating temperature due to heat generated during power generation during normal power generation.
In addition, when air is used as an oxidant gas, it is compressed by a compressor and supplied to the fuel cell. However, since the temperature of the air rises with the compression, the air is cooled to a predetermined temperature by a radiator and then supplied to the fuel cell. Supply.

ところで、この種の燃料電池は氷点下環境での始動性が課題となっている。つまり、氷点下環境で燃料電池を始動したときに、発電に伴ってセル内に生じる生成水が凍結してしまうと、発電不能に陥る虞があるからである。
この生成水の凍結防止のために外部熱源を備えることが考えられたが、外部熱源を備えると燃料電池システムの複雑化、大型化を招いてしまう。
そこで、発電による自己発熱を利用して燃料電池スタック自身を暖機する方法が考えられたが、その場合、発電に伴う自己発熱によるセルの温度上昇が間に合わず、発電に伴ってセル内に生じる生成水が凍結してしまい、この生成水凍結により反応ガスの拡散が阻害され、反応ガスが固体高分子電解質膜に到達できなくなって急激な電圧降下を招く虞がある。
By the way, this type of fuel cell has a problem of startability in a sub-freezing environment. That is, when the fuel cell is started in a sub-freezing environment, if the generated water generated in the cell is frozen as a result of power generation, there is a risk that power generation may be disabled.
In order to prevent the generated water from freezing, it has been considered that an external heat source is provided. However, if the external heat source is provided, the fuel cell system becomes complicated and large.
Therefore, a method of warming up the fuel cell stack itself using self-heating by power generation was considered, but in that case, the temperature rise of the cell due to self-heating due to power generation is not in time, and it occurs in the cell with power generation The generated water freezes, and the diffusion of the reaction gas is hindered by this freezing of the generated water, and the reaction gas cannot reach the solid polymer electrolyte membrane, which may cause a rapid voltage drop.

そこで、低温始動時には、圧縮機によって圧縮昇温された空気を、放熱器をバイパスして流し、冷却することなく燃料電池のカソード電極に供給することで、燃料電池を迅速に暖機する方法が考えられている(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−305013号公報
Therefore, at the time of cold start, there is a method of quickly warming up the fuel cell by supplying air heated by the compressor by bypassing the radiator and supplying it to the cathode electrode of the fuel cell without cooling. It is considered (for example, refer to Patent Document 1).
JP 2002-305013 A

このように圧縮機で圧縮昇温された空気を放熱器をバイパスして燃料電池に供給する場合も、固体高分子電解質膜が熱による損傷を受けないようにする必要があり、前記作動温度以上の空気を供給しないようにする必要がある。そのため、放熱器をバイパスさせるバイパス通路に流量制御弁を設けて流量調整するなどして、供給空気の温度制御を行わなければならず、システムが複雑になった。
そこで、この発明は、低温始動時に供給空気の流路を切り換えるだけで迅速な暖機が可能な燃料電池システムと、燃料電池システムの起動方法を提供するものである。
Even when air compressed and heated by the compressor is supplied to the fuel cell by bypassing the radiator, it is necessary to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being damaged by heat. It is necessary not to supply the air. Therefore, the temperature of the supplied air must be controlled by providing a flow rate control valve in a bypass passage for bypassing the radiator to adjust the flow rate, and the system becomes complicated.
Therefore, the present invention provides a fuel cell system that can be quickly warmed up only by switching the flow path of the supply air at the time of cold start, and a method for starting the fuel cell system .

上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、固体高分子電解質膜(例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜2a)の両側にアノード電極(例えば、後述する実施例におけるアノード電極2b)とカソード電極(例えば、後述する実施例におけるカソード電極2c)を有し前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される空気中の酸素の電気化学反応により発電をする燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池2)と、前記アノード電極に燃料を供給する燃料供給手段(例えば、後述する実施例における燃料供給手段20)と、空気を圧縮する圧縮機(例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ6)と、放熱器(例えば、後述する実施例における放熱器7)を有する主通路(例えば、後述する実施例における主通路32)および前記放熱器を迂回するバイパス通路(例えば、後述する実施例におけるバイパス通路33)を有し前記圧縮機で圧縮された空気を前記カソードに導く空気通路(例えば、後述する実施例における空気通路31)と、前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段(例えば、後述する実施例における温度センサ8)と、前記燃料電池を冷却して該燃料電池の作動温度を制御する燃料電池冷却手段と、前記温度検知手段で検出または推定した温度が基準温度以下の場合に低温始動時であると判断し、前記低温始動時と判断されたときには前記燃料電池冷却手段による前記燃料電池の冷却を弱めるとともに、前記圧縮機で圧縮された空気を前記主通路に流通させず前記バイパス通路に流通させる制御手段(例えば、後述する実施例における開閉弁V2〜V4、ECU10)と、を備え、前記固体高分子電解質膜は、引っ張り貯蔵弾性率の変曲点の温度が、前記低温始動時における前記圧縮機出口側の空気温度の最大値よりも高い材料で形成されていることを特徴とする燃料電池システムである。
このように構成することにより、燃料電池が基準温度以下の低温始動時には空気を主通路に流通させずバイパス通路に流通させることが可能となり、圧縮機で圧縮昇温された空気を放熱器で冷却することなく燃料電池のカソードに供給することが可能となる。しかも、固体高分子電解質膜が極めて耐熱性に優れているので、バイパス通路を流通する空気に対して特別な温度制御をしないで該空気を燃料電池に供給しても、固体高分子電解質膜が熱で損傷することはない。
また、これと同時に、燃料電池冷却手段による燃料電池の冷却を弱めることが可能となる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記固体高分子電解質膜は、ポリアリレン系電解質材料であることを特徴とする。
このように構成することにより、固体高分子電解質膜の耐熱性を高くすることができる。
請求項3に係る発明は、固体高分子電解質膜(例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜2a)の両側にアノード電極(例えば、後述する実施例におけるアノード電極2b)とカソード電極(例えば、後述する実施例におけるカソード電極2c)を有し前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される空気中の酸素の電気化学反応により発電をする燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池2)と、前記アノード電極に燃料を供給する燃料供給手段(例えば、後述する実施例における燃料供給手段20)と、空気を圧縮する圧縮機(例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ6)と、放熱器(例えば、後述する実施例における放熱器7)を有する主通路(例えば、後述する実施例における主通路32)および前記放熱器を迂回するバイパス通路(例えば、後述する実施例におけるバイパス通路33)を有し前記圧縮機で圧縮された空気を前記カソード電極に導く空気通路(例えば、後述する実施例における空気通路31)と、前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段(例えば、後述する実施例における温度センサ8)と、前記燃料電池を冷却して該燃料電池の作動温度を制御する燃料電池冷却手段と、前記温度検知手段で検出または推定した温度に基づいて前記空気通路を前記主通路と前記バイパス通路のいずれかに切り換える制御手段(例えば、後述する実施例における開閉弁V2〜V4、ECU10)と、を備え、さらに前記固体高分子電解質膜は、引っ張り貯蔵弾性率の変曲点の温度が、前記低温始動時における前記圧縮機出口側の空気温度の最大値よりも高い材料で形成された燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池に前記燃料ガスと前記空気とを供給する工程と、前記温度検知手段により前記燃料電池の温度を検知または推定する工程と、前記検知または推定された温度を基準温度と比較して前記基準温度以下の場合に低温始動と判定する工程と、前記低温始動と判定した場合には、前記制御手段により前記バイパス通路に切り換えるとともに前記燃料電池冷却手段による前記燃料電池の冷却を弱め、前記低温始動でないと判定した場合には、前記制御手段により前記主通路に切り換える工程と、を順に実施することを特徴とする燃料電池システムの起動方法である。
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の発明において、前記低温始動と判定した場合には、前記燃料電池を発電状態にして発電された電力を負荷に供給することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is directed to an anode electrode (for example, an anode in an embodiment described later) on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (for example, a solid polymer electrolyte membrane 2a in an embodiment described later). Electrode 2b) and a cathode electrode (for example, cathode electrode 2c in the embodiments described later) have a power generation by an electrochemical reaction between fuel gas supplied to the anode electrode and oxygen in the air supplied to the cathode electrode. A fuel cell (for example, a fuel cell 2 in an embodiment to be described later), a fuel supply means for supplying fuel to the anode electrode (for example, a fuel supply means 20 in an embodiment to be described later), and a compressor for compressing air (for example, A main passage (for example, a compressor 6 in an embodiment described later) and a radiator (for example, a radiator 7 in an embodiment described later) An air passage (for example, a main passage 32 in an embodiment to be described later) and a bypass passage (for example, a bypass passage 33 in an embodiment to be described later) that bypasses the radiator to guide the air compressed by the compressor to the cathode , An air passage 31 in an embodiment to be described later), temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the fuel cell (for example, a temperature sensor 8 in an embodiment to be described later), and cooling the fuel cell to A fuel cell cooling means for controlling the operating temperature, and when the temperature detected or estimated by the temperature detection means is equal to or lower than a reference temperature, it is determined that the engine is cold starting, and when the temperature is determined to be cold, the fuel cell cooling is The cooling of the fuel cell by means is weakened, and the air compressed by the compressor is not circulated through the main passage but is circulated through the bypass passage. Control means (e.g., on-off valve in the embodiment described below V2 to V4, ECU 10) and, wherein the solid polymer electrolyte membrane, the temperature of the inflection point of the tensile storage modulus, the compression at the cold start It is a fuel cell system characterized by being formed of a material higher than the maximum value of the air temperature on the machine outlet side.
With this configuration, when the fuel cell is started at a low temperature below the reference temperature, air can be circulated through the bypass passage without being circulated through the main passage, and the air that has been compressed and heated by the compressor is cooled by the radiator. It becomes possible to supply to the cathode of a fuel cell without doing. Moreover, since the solid polymer electrolyte membrane is extremely excellent in heat resistance, even if the air flowing through the bypass passage is supplied to the fuel cell without special temperature control, the solid polymer electrolyte membrane is It is not damaged by heat.
At the same time, the cooling of the fuel cell by the fuel cell cooling means can be weakened.
The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, characterized in that the solid polymer electrolyte membrane is a polyarylene-based electrolyte material.
By comprising in this way, the heat resistance of a solid polymer electrolyte membrane can be made high.
According to the third aspect of the present invention, an anode electrode (for example, an anode electrode 2b in an embodiment to be described later) and a cathode electrode (for example, an anode electrode 2b in an embodiment to be described later) are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (for example, the polymer electrolyte membrane 2a in an embodiment to be described later). A fuel cell having a cathode electrode 2c in an embodiment described later and generating power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode and oxygen in the air supplied to the cathode electrode (for example, an embodiment described later) Fuel cell 2 in the example, fuel supply means for supplying fuel to the anode electrode (for example, fuel supply means 20 in the embodiment described later), and a compressor for compressing air (for example, compressor 6 in the embodiment described later) ) And a radiator (e.g., radiator 7 in the embodiment described later) Path 32) and an air passage (for example, an embodiment to be described later) that has a bypass passage (for example, a bypass passage 33 in an embodiment to be described later) bypassing the radiator and guides the air compressed by the compressor to the cathode electrode. Air passage 31), temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the fuel cell (for example, temperature sensor 8 in an embodiment described later), and cooling the fuel cell to control the operating temperature of the fuel cell. Fuel cell cooling means and control means for switching the air passage to either the main passage or the bypass passage based on the temperature detected or estimated by the temperature detection means (for example, on-off valves V2 to V4 in the embodiments described later) ECU 10), and the solid polymer electrolyte membrane has a temperature at the inflection point of the tensile storage elastic modulus during the low temperature start. Supplying the fuel gas and the air to the fuel cell when the fuel cell system is started, in a fuel cell system formed of a material higher than the maximum air temperature at the compressor outlet side; Detecting or estimating the temperature of the fuel cell by the temperature detection means, comparing the detected or estimated temperature with a reference temperature and determining a low temperature start when the temperature is equal to or lower than the reference temperature, and the low temperature start When the control means switches to the bypass passage, the cooling of the fuel cell by the fuel cell cooling means is weakened. And a step of switching in order.
The invention according to claim 4 is characterized in that, in the invention according to claim 3, when the low temperature start is determined, the fuel cell is set in a power generation state and the generated power is supplied to a load.

請求項1から請求項4に係る発明によれば、燃料電池が基準温度以下の低温始動時には、空気を主通路に流通させずバイパス通路に流通させることが可能となり、圧縮機で圧縮昇温された空気を放熱器で冷却することなく燃料電池のカソードに供給することが可能となる。また、同時に、燃料電池冷却手段による燃料電池の冷却を弱めることが可能となる。その結果、低温始動時(氷点下暖機時に、発電に伴い生じる生成水の凍結を確実に防止することができ、燃料電池を迅速に暖機することができる。
しかも、バイパス通路を流通する空気の流量制御などによる温度制御をしないで該空気を燃料電池に供給しても固体高分子電解質膜が熱で損傷することがないので、制御システムが簡単になる。
According to the first to fourth aspects of the invention, when the fuel cell is started at a low temperature below the reference temperature, air can be circulated through the bypass passage without being circulated through the main passage. It is possible to supply the air to the cathode of the fuel cell without cooling it with a radiator. At the same time, the cooling of the fuel cell by the fuel cell cooling means can be weakened. As a result, it is possible to reliably prevent the generated water from freezing due to power generation at the time of low temperature start (at the time of warming below freezing point ) , and to quickly warm up the fuel cell.
Moreover, since the solid polymer electrolyte membrane can supply air to the fuel cell without temperature control due to flow control of air flowing through the bypass communication path is not damaged by heat, the control system is simplified .

以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図1から図4の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図1は燃料電池システム1の概略構成図である。
燃料電池2は、ポリアリレン系電解質材料からなる固体高分子電解質膜2aをアノード電極2bとカソード電極2cとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック(図1では単セルのみ示す)からなり、アノード電極2bに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極2cに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード電極2bで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜2aを通過してカソード電極2cまで移動して、カソード電極2cで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。生成された水の一部は、固体高分子電解質膜2aを透過してアノード電極2b側にも移動する。
Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS. Note that the fuel cell system in this embodiment is an embodiment mounted on a fuel cell vehicle.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 1.
The fuel cell 2 is a stack formed by laminating a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane 2a made of polyarylene-based electrolyte material between an anode electrode 2b and a cathode electrode 2c (in FIG. 1, a single cell). When hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the anode electrode 2b and air containing oxygen as an oxidant is supplied to the cathode electrode 2c, the hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode 2b become solid high. It passes through the molecular electrolyte membrane 2a and moves to the cathode electrode 2c, and generates an electric power by causing an electrochemical reaction with oxygen at the cathode electrode 2c, thereby generating water. A part of the generated water passes through the solid polymer electrolyte membrane 2a and also moves to the anode electrode 2b side.

高圧水素タンク3に収容された水素ガスは、水素供給通路21を流通し、燃料電池2内のアノード側ガス通路2dを通って各セルのアノード電極2bに供給される。水素供給通路21には、高圧水素タンク3の水素ガスを減圧して所定圧力に調圧する圧力調整弁V1が設けられている。   The hydrogen gas stored in the high-pressure hydrogen tank 3 flows through the hydrogen supply passage 21 and is supplied to the anode electrode 2b of each cell through the anode-side gas passage 2d in the fuel cell 2. The hydrogen supply passage 21 is provided with a pressure adjustment valve V1 that depressurizes the hydrogen gas in the high-pressure hydrogen tank 3 to adjust the pressure to a predetermined pressure.

燃料電池2のアノード電極2bに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス通路22を通ってエゼクタ4に吸引され、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池2のアノード電極2bに供給される。
なお、この実施例において、高圧水素タンク3、エゼクタ4、水素供給通路21、アノードオフガス通路22、圧力調整弁V1は、燃料供給手段20を構成する。
Of the hydrogen gas supplied to the anode electrode 2 b of the fuel cell 2, the hydrogen gas that has not been used for power generation, that is, unreacted hydrogen is discharged from the fuel cell 1 as an anode offgas, passes through the anode offgas passage 22, and the ejector 4. The fresh hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 is joined to the anode electrode 2b of the fuel cell 2 again.
In this embodiment, the high-pressure hydrogen tank 3, the ejector 4, the hydrogen supply passage 21, the anode offgas passage 22, and the pressure adjustment valve V 1 constitute the fuel supply means 20.

一方、空気はフィルタ5を通って浄化された後、コンプレッサ(圧縮機)6により圧縮され、空気通路31を流通して燃料電池2内のカソード側ガス通路2eに導入され、各セルのカソード電極2cに供給される。空気通路31は、放熱器7およびその前後に開閉弁V2,V3を有する主通路32と、放熱器7を迂回し主通路32に対して並列に接続されたバイパス通路33とを備えており、バイパス通路33にも開閉弁V4が設けられている。開閉弁V2〜V4は、これら弁の開閉によって、圧縮空気を主通路32とバイパス通路33のいずれに流すかを切り換える切換手段を構成し、空気通路31は、コンプレッサ6で圧縮された空気を、主通路32とバイパス通路33のいずれか一方の通路を介してカソード電極2cに導く。   On the other hand, after the air is purified through the filter 5, it is compressed by the compressor (compressor) 6, flows through the air passage 31 and is introduced into the cathode gas passage 2 e in the fuel cell 2, and the cathode electrode of each cell. 2c. The air passage 31 includes a radiator 7 and a main passage 32 having opening / closing valves V2 and V3 before and after the radiator 7, and a bypass passage 33 that bypasses the radiator 7 and is connected in parallel to the main passage 32. The bypass passage 33 is also provided with an on-off valve V4. The on-off valves V2 to V4 constitute switching means for switching whether the compressed air flows to the main passage 32 or the bypass passage 33 by opening or closing these valves. The air passage 31 passes the air compressed by the compressor 6 The light is guided to the cathode electrode 2 c through one of the main passage 32 and the bypass passage 33.

カソード電極2cに供給された空気は発電に供された後、燃料電池2からカソードオフガスとしてカソードオフガス通路34に排出され、圧力制御弁V5を介して排出される。なお、燃料電池2への供給空気流量は主にコンプレッサ6の回転数により制御され、供給空気圧力は主に圧力制御弁V5の開度により制御される。
カソードオフガス通路34には、圧力制御弁V5よりも上流であって燃料電池2のカソード側ガス通路2eの出口に近い部位に、カソードオフガスの温度を検出するための温度センサ8が設置されている。カソード側ガス通路2eの出口から流出した直後のカソードオフガスの温度は燃料電池2の内部温度とほぼ等しく、したがって、温度センサ8は、燃料電池2から排出されるカソードオフガスの温度から燃料電池2の温度を推定する温度検知手段と言うことができる。
After the air supplied to the cathode electrode 2c is used for power generation, it is discharged from the fuel cell 2 to the cathode offgas passage 34 as the cathode offgas, and is discharged through the pressure control valve V5. The supply air flow rate to the fuel cell 2 is mainly controlled by the rotational speed of the compressor 6, and the supply air pressure is mainly controlled by the opening degree of the pressure control valve V5.
A temperature sensor 8 for detecting the temperature of the cathode offgas is installed in the cathode offgas passage 34 at a portion upstream of the pressure control valve V5 and close to the outlet of the cathode gas passage 2e of the fuel cell 2. . The temperature of the cathode offgas immediately after flowing out from the outlet of the cathode side gas passage 2e is substantially equal to the internal temperature of the fuel cell 2. Therefore, the temperature sensor 8 determines the temperature of the fuel cell 2 from the temperature of the cathode offgas discharged from the fuel cell 2. It can be said that the temperature detecting means estimates the temperature.

燃料電池2の発電で得られた電力は車両駆動用モータなどの負荷9に供給されて消費される。
また、燃料電池システム1は電子制御装置(ECU)10を備え、温度センサ8からの出力信号はECU10に入力され、ECU10は燃料電池2の運転状態に応じて、コンプレッサ6、負荷9、圧力調整弁V1、開閉弁V2〜V4、圧力制御弁V5を制御する。
The electric power obtained by the power generation of the fuel cell 2 is supplied to and consumed by a load 9 such as a vehicle driving motor.
The fuel cell system 1 includes an electronic control unit (ECU) 10, and an output signal from the temperature sensor 8 is input to the ECU 10, and the ECU 10 adjusts the compressor 6, the load 9, and the pressure adjustment according to the operating state of the fuel cell 2. The valve V1, the on-off valves V2 to V4, and the pressure control valve V5 are controlled.

この燃料電池システム1において、定常発電時には、バイパス通路33の開閉弁V4を閉じ、主通路32の開閉弁V2,V3を開くように制御する。これにより、定常発電時には、コンプレッサ6で圧縮された空気は、主通路32を流通し、放熱器7で所定の空気温度に制御されて、燃料電池2のカソード電極2cに供給される。
また、図示を省略するが、燃料電池2には冷媒通路が設けられていて、必要に応じて冷却液が循環可能になっており、発電に伴う発熱により燃料電池2が作動温度を超えないように温度制御される。
なお、この燃料電池2は固体高分子電解質膜2aにポリアリレン系電解質材料を用いているが、通常発電時における供給空気の温度制御範囲としては70〜95゜Cに設定され、燃料電池2の作動温度も70〜95゜Cに設定されている。
In this fuel cell system 1, during steady power generation, control is performed so that the on-off valve V 4 of the bypass passage 33 is closed and the on-off valves V 2, V 3 of the main passage 32 are opened. Thus, during steady power generation, the air compressed by the compressor 6 flows through the main passage 32, is controlled at a predetermined air temperature by the radiator 7, and is supplied to the cathode electrode 2 c of the fuel cell 2.
Although not shown, the fuel cell 2 is provided with a refrigerant passage so that the coolant can be circulated as necessary, so that the fuel cell 2 does not exceed the operating temperature due to heat generated by power generation. Temperature controlled.
The fuel cell 2 uses a polyarylene-based electrolyte material for the solid polymer electrolyte membrane 2a. However, the temperature control range of the supply air during normal power generation is set to 70 to 95 ° C., and the operation of the fuel cell 2 is performed. The temperature is also set to 70-95 ° C.

そして、この燃料電池システム1では、燃料電池2を基準温度(例えば、0゜C)以下で始動する低温始動時には、通常の暖機運転に先だって、主通路32の開閉弁V2,V3を閉じバイパス通路33の開閉弁V4を開くように制御して氷点下暖機運転を行う。これにより、コンプレッサ6で圧縮され昇温した空気は、バイパス通路33を流通して燃料電池2のカソード電極2cに供給される。すなわち、この氷点下暖機時には、空気は、主通路32を流通しないので放熱器7で冷却されることがなく、昇温された状態のままカソード電極2cに供給されることとなる。
したがって、氷点下暖機時には高温の空気をカソード電極2cに供給することとなるが、燃料電池2の固体高分子電解質膜2aを耐熱性に優れたポリアリレン系電解質材料で形成しているので、固体高分子電解質膜2aが熱損傷を受けることがない。そして、高温の空気をカソード電極2cに供給することにより燃料電池2を構成するセルを加熱することができ、燃料電池2を迅速に暖機することができる。
In this fuel cell system 1, when the fuel cell 2 is started at a low temperature below a reference temperature (for example, 0 ° C.), the on-off valves V2 and V3 of the main passage 32 are closed and bypassed before the normal warm-up operation. Control is performed to open the on-off valve V4 of the passage 33, and the sub-freezing warm-up operation is performed. Thereby, the air compressed and heated by the compressor 6 flows through the bypass passage 33 and is supplied to the cathode electrode 2 c of the fuel cell 2. That is, at the time of warming up below the freezing point, air does not flow through the main passage 32, so that it is not cooled by the radiator 7, but is supplied to the cathode electrode 2c while being heated.
Therefore, high temperature air is supplied to the cathode electrode 2c at the time of warming up below freezing point. However, since the solid polymer electrolyte membrane 2a of the fuel cell 2 is formed of a polyarylene-based electrolyte material having excellent heat resistance, The molecular electrolyte membrane 2a is not damaged by heat. And the cell which comprises the fuel cell 2 can be heated by supplying high temperature air to the cathode electrode 2c, and the fuel cell 2 can be warmed up rapidly.

また、氷点下暖機時に、バイパス通路33を介して高温の空気をカソード電極2cに供給するとともに、燃料電池2のアノード電極2bに水素を供給して燃料電池2で発電を行い、燃料電池2から電力を取り出すようにすると、発電による自己発熱によってもセルを暖めることができるので、より暖機を速めることができる。
このように氷点下暖機時に発電を行うと、発電に伴い生成水が生じるが、カソード側ガス通路2eに高温の空気を流通して暖機しているので、生成水が凍結することはない。したがって、発電に伴い生じる生成水の凍結を確実に防止することができ、低温始動時にも迅速に暖機をすることができる。
Further, at the time of warming up below freezing point, high-temperature air is supplied to the cathode electrode 2c via the bypass passage 33, and hydrogen is supplied to the anode electrode 2b of the fuel cell 2 to generate power in the fuel cell 2, and from the fuel cell 2 When the electric power is taken out, the cell can be warmed also by self-heating due to power generation, so that the warm-up can be further accelerated.
When power generation is performed at the time of warming up below freezing point, generated water is generated along with the power generation, but since the hot air is circulated through the cathode side gas passage 2e and warmed up, the generated water is not frozen. Therefore, it is possible to reliably prevent the generated water from freezing that accompanies power generation, and to quickly warm up even at a low temperature start.

次に、この実施例における低温始動制御について、図2のフローチャートに従って説明する。なお、燃料電池車両のイグニッションスイッチがOFFにされているときには、開閉弁V2,V3は閉じ、開閉弁V4は開いているものとする。
ECU10は、ステップS11において、燃料電池車両のイグニッションスイッチがONされると、ステップS12に進み、高圧水素タンク3から燃料電池2のアノード側ガス通路2dに水素ガスを供給するとともに、コンプレッサ6を運転して圧縮空気をバイパス通路33を介して燃料電池2のカソード電極2cに供給する。なお、この時の供給空気流量および供給空気圧力は、通常の暖機運転時を基準流量、基準圧力とした場合に比べて、微量であり微圧である。また、燃料電池2に冷却液を循環させない。
Next, the cold start control in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. Note that when the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned off, the on-off valves V2 and V3 are closed and the on-off valve V4 is open.
When the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned on in step S11, the ECU 10 proceeds to step S12, supplies hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank 3 to the anode side gas passage 2d of the fuel cell 2, and operates the compressor 6. Then, the compressed air is supplied to the cathode electrode 2 c of the fuel cell 2 through the bypass passage 33. It should be noted that the supply air flow rate and supply air pressure at this time are very small and minute compared to the case where the normal warm-up operation is used as the reference flow rate and reference pressure. Further, the coolant is not circulated through the fuel cell 2.

次に、ステップS13に進み、燃料電池2のカソード側ガス通路2eから排出される空気の温度(以下、空気出口温度という)を温度センサ8により検出する。
次に、ステップS14に進み、温度センサ8で検出された空気出口温度が基準温度(例えば、0゜C)を超えているか否か判定する。
ステップS14における判定結果が「NO」(空気出口温度≦0゜C)である場合は、ステップS15に進み、開閉弁V4の開弁状態を保持するとともに、開閉弁V2,V3の閉弁状態を保持する。すなわち、この場合は低温始動であるので、通常の暖機運転に先立って氷点下暖機運転を行うために、主通路32を遮断して放熱器7を空気が流通しないようにし、コンプレッサ6で圧縮昇温された高温の空気をバイパス通路33を流通させて燃料電池2のカソード側ガス通路2eに供給する。これにより、カソード側ガス通路2eを流通する高温の空気によって、燃料電池2を構成するセルを加熱することができ、燃料電池2を迅速に暖機することができる。なお、この氷点下暖機運転時の供給空気流量は通常暖機運転時よりも増量し、氷点下暖機運転時の供給空気圧力は通常の暖機運転時よりも増大する。また、燃料電池2には冷却液を極少量だけ循環させる。
In step S13, the temperature of the air discharged from the cathode gas passage 2e of the fuel cell 2 (hereinafter referred to as air outlet temperature) is detected by the temperature sensor 8.
In step S14, it is determined whether the air outlet temperature detected by the temperature sensor 8 exceeds a reference temperature (for example, 0 ° C.).
If the determination result in step S14 is “NO” (air outlet temperature ≦ 0 ° C.), the process proceeds to step S15 to hold the open state of the on-off valve V4 and to set the on-off valves V2 and V3 to the closed state. Hold. That is, in this case, since it is a cold start, the main passage 32 is shut off so that air does not flow through the radiator 7 and compressed by the compressor 6 in order to perform the sub-freezing warm-up operation prior to the normal warm-up operation. The heated high-temperature air is circulated through the bypass passage 33 and supplied to the cathode-side gas passage 2e of the fuel cell 2. Thereby, the cell which comprises the fuel cell 2 can be heated with the high temperature air which distribute | circulates the cathode side gas channel | path 2e, and the fuel cell 2 can be warmed up rapidly. The supply air flow rate during the sub-freezing warm-up operation is increased compared to the normal warm-up operation, and the supply air pressure during the sub-freezing warm-up operation is increased compared to the normal warm-up operation. Further, a very small amount of coolant is circulated through the fuel cell 2.

そして、ステップS15からステップS16に進み、負荷9をONすることにより燃料電池2を発電状態にし、得られた電力を負荷9で消費する。これにより、発電による自己発熱によってもセルを暖めることができる。そして、ステップS16からステップS13に戻り、ステップS14における判定結果が「YES」になるまで、ステップS13〜S16の処理を繰り返す。   And it progresses to step S16 from step S15, the fuel cell 2 is made into an electric power generation state by turning ON the load 9, and the obtained electric power is consumed with the load 9. FIG. Thereby, a cell can be warmed also by the self-heating by electric power generation. And it returns to step S13 from step S16, and repeats the process of steps S13-S16 until the determination result in step S14 becomes "YES".

ステップS14における判定結果が「YES」(空気出口温度>0゜C)である場合は、ステップS17に進み、開閉弁V4を閉じるとともに、開閉弁V2,V3を開く。すなわち、この場合は低温始動ではないので、バイパス通路33を遮断し、主通路32を開通して、コンプレッサ6で圧縮昇温された空気を放熱器7に通して所定温度に温度制御し、燃料電池2のカソード側ガス通路2eに供給する。   If the determination result in step S14 is “YES” (air outlet temperature> 0 ° C.), the process proceeds to step S17, and the on-off valve V4 is closed and the on-off valves V2, V3 are opened. That is, in this case, since it is not a low temperature start, the bypass passage 33 is shut off, the main passage 32 is opened, the air compressed and heated by the compressor 6 is passed through the radiator 7 and the temperature is controlled to a predetermined temperature, and the fuel is It is supplied to the cathode side gas passage 2e of the battery 2.

そして、ステップS17からステップS18に進んで通常の暖機運転に移行する。この実施例において通常の暖機運転とは、燃料電池2に水素および空気を基準圧力で基準流量供給して発電を行う運転であり、燃料電池2における冷却液の循環も基準流量で行われる。
なお、この実施例において、開閉弁V2〜V4と、ECU10がステップS13〜S17の一連の処理を実行することにより、主通路32とバイパス通路33のいずれに空気を流すかを切り換える制御手段が実現される。
And it progresses to step S18 from step S17, and transfers to normal warm-up operation. In this embodiment, the normal warm-up operation is an operation in which hydrogen and air are supplied to the fuel cell 2 at a reference flow rate at a reference pressure to generate power, and the coolant circulation in the fuel cell 2 is also performed at the reference flow rate.
In this embodiment, the on-off valves V2 to V4 and the control means for switching the flow of air to the main passage 32 or the bypass passage 33 are realized by the ECU 10 executing a series of steps S13 to S17. Is done.

図3は、この実施例で使用している固体高分子電解質膜2aの材料であるポリアリレン系電解質材料と、従来一般的に固体高分子電解質膜の材料として使用されているフッ素系電解質材料(例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマー)の引っ張り貯蔵弾性率の測定結果を比較して示す図である。
なお、引っ張り貯蔵弾性率の測定方法は「JIS K 7244−4」に準拠し、5mm×22mmの短冊状のフィルムを試料とし、動的粘弾性測定装置を用い、試料を治具にたるみが少ないようにセットして、以下の測定条件で測定した。
[測定条件]
Frequency : 10Hz,
Strain : 0.05%
Initial Temp : 室温(+1〜2゜C)
Final Temp : 250゜C
Ramp Rate : 2゜C/min
測定は温度が定常状態となったことを確認した後に行い、その測定結果から引っ張り貯蔵弾性率E’の変曲点を求めた。
この測定結果から、フッ素系電解質材料の変曲点の温度は約80゜Cであるのに対して、ポリアリレン系電解質材料の変曲点の温度は約190゜Cであり、ポリアリレン系樹脂の方が耐熱性が極めて高いことが分かる。
FIG. 3 shows a polyarylene-based electrolyte material, which is a material of the solid polymer electrolyte membrane 2a used in this embodiment, and a fluorine-based electrolyte material conventionally used as a material for a solid polymer electrolyte membrane (for example, It is a figure which compares and shows the measurement result of the tensile storage elastic modulus of a (perfluorosulfonic acid polymer).
In addition, the measuring method of the tensile storage elastic modulus is based on “JIS K 7244-4”, a strip-like film of 5 mm × 22 mm is used as a sample, a dynamic viscoelasticity measuring device is used, and the sample is less sag in a jig. The measurement was performed under the following measurement conditions.
[Measurement condition]
Frequency: 10Hz,
Strain: 0.05%
Initial Temp: Room temperature (+1 to 2 ° C)
Final Temp: 250 ° C
Ramp Rate: 2 ° C / min
The measurement was performed after confirming that the temperature was in a steady state, and the inflection point of the tensile storage elastic modulus E ′ was obtained from the measurement result.
From this measurement result, the temperature of the inflection point of the fluorine-based electrolyte material is about 80 ° C, whereas the temperature of the inflection point of the polyarylene-based electrolyte material is about 190 ° C. It can be seen that the heat resistance is extremely high.

図4は、前述の如く低温始動制御を実行したときのコンプレッサ6の出口部での実際のガス温度の変化の一例を示したグラフである。この例では、コンプレッサ6出口での実際のガス温度は最高で約90゜Cにも達するため、一時的であれ90゜Cに近い空気が燃料電池2に供給される可能性がある。ここで、固体高分子電解質膜がフッ素系電解質材料で形成されている場合には、90゜C前後の空気が供給されると固体高分子電解質膜が熱損傷を受ける虞があるが、この実施例の燃料電池2の場合には固体高分子電解質膜2aがポリアリレン系電解質材料で形成されており、ポリアリレン系電解質材料の変曲点の温度は約190゜Cであるので、90゜C前後の空気がカソード電極2cに供給されたとしても固体高分子電解質膜2aが熱損傷を受けることはない。   FIG. 4 is a graph showing an example of a change in actual gas temperature at the outlet of the compressor 6 when the cold start control is executed as described above. In this example, since the actual gas temperature at the outlet of the compressor 6 reaches about 90 ° C. at maximum, air close to 90 ° C. may be supplied to the fuel cell 2 even temporarily. Here, when the solid polymer electrolyte membrane is made of a fluorine-based electrolyte material, there is a risk that the solid polymer electrolyte membrane may be thermally damaged when air at around 90 ° C. is supplied. In the case of the fuel cell 2 of the example, the solid polymer electrolyte membrane 2a is formed of a polyarylene-based electrolyte material, and the temperature of the inflection point of the polyarylene-based electrolyte material is about 190 ° C. Even if air is supplied to the cathode electrode 2c, the solid polymer electrolyte membrane 2a is not thermally damaged.

この実施例の燃料電池システム1によれば、低温始動時には、燃料電池2に水素を供給するとともに、コンプレッサ6を運転し、開閉弁V2〜V4の開閉を制御するという簡単な制御で、燃料電池2の生成水の凍結を防止しつつ、燃料電池2を迅速に暖機することができる。すなわち、バイパス通路33を流通する空気の流量を制御するなどして温度制御をする必要がなく、制御が簡単になる。   According to the fuel cell system 1 of this embodiment, at a low temperature start time, hydrogen is supplied to the fuel cell 2 and the compressor 6 is operated to control the opening / closing of the on-off valves V2 to V4. The fuel cell 2 can be quickly warmed up while preventing the generated water 2 from freezing. That is, it is not necessary to control the temperature by controlling the flow rate of the air flowing through the bypass passage 33, and the control is simplified.

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、温度検知手段は、燃料電池2の内部温度を直接検出する温度センサで構成してもよい。
また、制御手段の一部を構成する開閉弁V2〜V4は、主通路とバイパス通路33の接続部に切換弁を設けて、これに代えることができる。
[Other Examples]
The present invention is not limited to the embodiment described above.
For example, the temperature detection means may be constituted by a temperature sensor that directly detects the internal temperature of the fuel cell 2.
The on-off valves V2 to V4 constituting a part of the control means can be replaced with a switching valve provided at the connection portion between the main passage and the bypass passage 33.

この発明に係る燃料電池システムの一実施例における構成図である。It is a block diagram in one Example of the fuel cell system which concerns on this invention. 前記実施例における低温始動制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the cold start control in the said Example. 固体高分子電解質膜材料の耐熱特性を示す図である。It is a figure which shows the heat resistance characteristic of a solid polymer electrolyte membrane material. コンプレッサ出口の空気温度の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the air temperature of a compressor exit.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
2 燃料電池
2a 固体高分子電解質膜
2b アノード電極
2c カソード電極
6 コンプレッサ(圧縮機)
7 放熱器
8 温度センサ(温度検知手段)
10 ECU(制御手段)
20 燃料供給手段
31 空気通路
32 主通路
33 バイパス通路
V2〜V4 開閉弁(制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell 2a Solid polymer electrolyte membrane 2b Anode electrode 2c Cathode electrode 6 Compressor
7 Radiator 8 Temperature sensor (temperature detection means)
10 ECU (control means)
20 Fuel supply means 31 Air passage 32 Main passage 33 Bypass passage V2 to V4 On-off valve (control means)

Claims (4)

固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を有し前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される空気中の酸素の電気化学反応により発電をする燃料電池と、
前記アノード電極に燃料を供給する燃料供給手段と、
空気を圧縮する圧縮機と、
放熱器を有する主通路および前記放熱器を迂回するバイパス通路を有し前記圧縮機で圧縮された空気を前記カソード電極に導く空気通路と、
前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段と、
前記燃料電池を冷却して該燃料電池の作動温度を制御する燃料電池冷却手段と、
前記温度検知手段で検出または推定した温度が基準温度以下の場合に低温始動時であると判断し、前記低温始動時と判断されたときには前記燃料電池冷却手段による前記燃料電池の冷却を弱めるとともに、前記圧縮機で圧縮された空気を前記主通路に流通させず前記バイパス通路に流通させる制御手段と、
を備え、前記固体高分子電解質膜は、引っ張り貯蔵弾性率の変曲点の温度が、前記低温始動時における前記圧縮機出口側の空気温度の最大値よりも高い材料で形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that has an anode electrode and a cathode electrode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode and oxygen in the air supplied to the cathode electrode;
Fuel supply means for supplying fuel to the anode electrode;
A compressor for compressing air;
An air passage having a main passage having a radiator and a bypass passage bypassing the radiator, and guiding the air compressed by the compressor to the cathode electrode;
Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the fuel cell;
Fuel cell cooling means for cooling the fuel cell and controlling the operating temperature of the fuel cell;
When the temperature detected or estimated by the temperature detection means is below a reference temperature, it is determined that the engine is cold starting, and when it is determined that the engine is cold starting, the cooling of the fuel cell by the fuel cell cooling means is weakened, Control means for circulating the air compressed by the compressor through the bypass passage without flowing through the main passage ;
The solid polymer electrolyte membrane is formed of a material having a temperature at the inflection point of the tensile storage elastic modulus higher than the maximum value of the air temperature at the compressor outlet side at the time of the cold start. A fuel cell system.
前記固体高分子電解質膜は、ポリアリレン系電解質材料であ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。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the solid polymer electrolyte membrane is a polyarylene-based electrolyte material. 固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を有し前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される空気中の酸素の電気化学反応により発電をする燃料電池と、A fuel cell that has an anode electrode and a cathode electrode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode electrode and oxygen in the air supplied to the cathode electrode;
前記アノード電極に燃料を供給する燃料供給手段と、Fuel supply means for supplying fuel to the anode electrode;
空気を圧縮する圧縮機と、A compressor for compressing air;
放熱器を有する主通路および前記放熱器を迂回するバイパス通路を有し前記圧縮機で圧縮された空気を前記カソード電極に導く空気通路と、An air passage having a main passage having a radiator and a bypass passage bypassing the radiator, and guiding the air compressed by the compressor to the cathode electrode;
前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段と、Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the fuel cell;
前記燃料電池を冷却して該燃料電池の作動温度を制御する燃料電池冷却手段と、Fuel cell cooling means for controlling the operating temperature of the fuel cell by cooling the fuel cell;
前記温度検知手段で検出または推定した温度に基づいて前記空気通路を前記主通路と前記バイパス通路のいずれかに切り換える制御手段と、Control means for switching the air passage to either the main passage or the bypass passage based on the temperature detected or estimated by the temperature detection means;
を備え、さらに前記固体高分子電解質膜は、引っ張り貯蔵弾性率の変曲点の温度が、前記低温始動時における前記圧縮機出口側の空気温度の最大値よりも高い材料で形成された燃料電池システムにおいて、And the solid polymer electrolyte membrane is made of a material whose temperature at the inflection point of the tensile storage elastic modulus is higher than the maximum value of the air temperature at the compressor outlet side at the time of cold start In the system,
前記燃料電池システムの起動時に、At startup of the fuel cell system,
前記燃料電池に前記燃料ガスと前記空気とを供給する工程と、Supplying the fuel gas and the air to the fuel cell;
前記温度検知手段により前記燃料電池の温度を検知または推定する工程と、Detecting or estimating the temperature of the fuel cell by the temperature detecting means;
前記検知または推定された温度を基準温度と比較して前記基準温度以下の場合に低温始動と判定する工程と、Comparing the detected or estimated temperature with a reference temperature and determining a low temperature start when the detected temperature is equal to or lower than the reference temperature;
前記低温始動と判定した場合には、前記制御手段により前記バイパス通路に切り換えるとともに前記燃料電池冷却手段による前記燃料電池の冷却を弱め、前記低温始動でないと判定した場合には、前記制御手段により前記主通路に切り換える工程と、When the low temperature start is determined, the control means switches to the bypass passage and the cooling of the fuel cell by the fuel cell cooling means is weakened. Switching to the main passage;
を順に実施することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。Are sequentially implemented. A method for starting a fuel cell system.
前記低温始動と判定した場合には、前記燃料電池を発電状態にして発電された電力を負荷に供給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の起動方法。4. The method of starting a fuel cell system according to claim 3, wherein, when it is determined that the start is at a low temperature, the power generated by the fuel cell being in a power generation state is supplied to a load. 5.
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