JP5093689B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
特開2005−251576号公報には、低温環境下でも安定した始動性を確保すべく、システム停止時に燃料電池の含水量を低減させる制御方法が開示されている。この制御方法では、システム停止が指令された後、外気温センサにより外気温を検出し、外気温に基づいて24時間以内の凍結の可能性を判断する。そして、凍結の可能性がある場合には、エアコンプレッサにより酸化ガスを燃料電池に供給して、燃料電池内の水分を外部に排出する。このような燃料電池の掃気処理は、電解質膜をドライアップさせるまで行われる。
本発明は、システム停止指令後に燃料電池を短時間で乾燥させることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、通常運転、及び通常運転に比して燃料電池の含水量を減少させる乾燥運転の実行を制御する制御装置を備える。制御装置は、当該燃料電池システムの運転を停止する指令であるシステム停止指令を予測する停止指令予測部を備え、前記停止指令予測部の予測結果に基づき、前記システム停止指令があると予測された場合には、前記システム停止指令の時点で通常運転時よりも燃料電池の含水量が減少しているように、システム停止指令の前に乾燥運転を実行する一方、前記システム停止指令がないと予測された場合には前記通常運転を継続する。
この構成によれば、システム停止指令前から燃料電池の含水量を減少させるので、システム停止指令の時点では燃料電池の含水量が減る。これにより、システム停止指令後に燃料電池を短時間で乾燥させることができる。また、燃料電池の乾燥に要する電力を節約できる。
とりわけ、システム停止指令の予測結果がトリガとなるので、システム停止指令の前に燃料電池の含水量を確実性良く減少させることができ。また、システム停止指令の前の乾燥運転が不要な場合にはそれを回避できる。なお、通常運転の継続は、システム停止指令があるまで、あるいは、システム停止指令に関する次の予測があるまで、行えばよい。
より好ましくは、停止指令予測部は、燃料電池システムを搭載した移動体の位置と、移動体を使用するユーザーの使用傾向と、に基づいてシステム停止指令を予測するとよい。
より好ましくは、制御装置は、移動体の停止場所及びその停止場所での停止時間を学習し、それによりユーザーの使用傾向を把握する学習部を備えるとよい。
これらの構成によれば、ユーザーが移動体を頻繁に且つ長い時間停止させる場所(例えば自宅や会社)に近づいた場合には、システム停止指令を予測できるので、その予測に応じてシステム停止指令前に乾燥運転を実行できる。また、ユーザーの使用傾向を更新できるので、システム停止指令の予測の正確性(的中率)を高めることができる。
なお、システム停止指令の予測の際には、移動体の移動速度も考慮すると、より正確性が高まる。また、移動体の位置は、例えばGPS(Global Positioning System:全地球測位システム)を用いることで測位できる。
本発明の好ましい一態様によれば、制御装置は、前記予測結果に基づき乾燥運転を実行した後、停止指令予測部がシステム停止指令はないと予測した場合又はシステム停止指令が所定時間内になされなかった場合には、乾燥運転から通常運転に切り替えるとよい。
この構成によれば、通常運転に適切に復帰でき、要求に応じた電力を燃料電池が適切に発電することができる。
本発明の別の好ましい一態様によれば、前記制御装置は、システム停止時又は次回システム起動時における燃料電池の凍結を予測する凍結予測部を備え、その予測結果に基づき、燃料電池の凍結があると予測された場合には、システム停止指令の前に乾燥運転を実行する一方、燃料電池の凍結がないと予測された場合には、通常運転を継続するとよい。
この構成によれば、凍結予測を行うことにより、不要な乾燥運転を回避できる。
より好ましくは、凍結予測部は、燃料電池システムの位置、外気温、システム停止から数日以内に経験する予想最低気温及び暦の少なくとも一つに基づいて、システム停止時又は次回システム起動時における燃料電池の凍結を予測するとよい。
本発明の別の好ましい一態様によれば、前記制御装置は、燃料電池システムを搭載した移動体の停止場所における傾斜状態を予測し、その予測結果に基づいて前記システム停止指令の前に前記乾燥運転を実行するとよい。
この構成によれば、停止場所での移動体の傾斜が大きいと予測される場合に、システム停止指令の前に乾燥運転を実行できる。これにより、局部的に水が溜まり易い傾斜地に移動体が停止される場合であっても、その停止前に燃料電池の内部を水が溜まりにくい状態にしておくことができる。
より好ましくは、制御装置は、移動体の停止場所、その停止場所での停止時間、及びその停止場所での路面に対する移動体の傾斜角を学習し、それによりユーザーの使用傾向を把握する学習部を備えるとよい。そして、制御装置は、ユーザーの使用傾向に基づいて、移動体の停止場所を予測すると共に、その停止場所での移動体の傾斜状態を予測するとよい。
この構成によれば、過去の経験(ユーザーの使用傾向)をもとに、傾斜地での移動体の停止前に乾燥運転に切り替えておくことができる。
本発明の好ましい一態様によれば、制御装置は、通常運転に比して燃料電池の発電量を制限することで、乾燥運転を実行するとよい。
この構成によれば、燃料電池の発電制限を行うことにより、電力を節約しながら燃料電池の含水量を減少できる。
本発明の別の好ましい一態様によれば、制御装置は、通常運転に比して燃料電池の温度を上昇することで、乾燥運転を実行するとよい。
この構成によれば、燃料電池内に滞留している水分の蒸発を促進できる。これにより、燃料電池に供給される反応ガス(酸化ガス又は燃料ガス)によって、燃料電池内の水分が好適に持ち去られ得る。
本発明のまた別の好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池に冷媒を供給する冷媒配管系を備えており、乾燥運転は、冷媒による燃料電池の冷却量を減らした状態で燃料電池を発電させるとよい。
この構成によっても、燃料電池内に滞留している水分の蒸発を促進でき、燃料電池の含水量を減らすことができる。
本発明のさらに別の好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス配管系を備えており、制御装置は、通常運転に比して酸化ガスの流量、圧力、温度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで、乾燥運転を実行するとよい。
この構成によれば、酸化ガスによる掃気効果が高まり、燃料電池内を乾燥させることができる。
本発明のまた別の好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス配管系を備えており、制御装置は、通常運転に比して燃料ガスの流量、圧力、パージ頻度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで、乾燥運転を実行するとよい。
この構成によれば、燃料ガスによる掃気効果が高まり、燃料電池内を乾燥させることができる。
図2は、本発明の燃料電池システムの特徴部分を示すブロック図である。
図3は、本発明の燃料電池システムの停止制御に関し、第1の制御例を示すフローチャートである。
図4は、本発明の燃料電池システムの停止制御に関し、第2の制御例を示すフローチャートである。
図5は、本発明の燃料電池システムの停止制御に関し、第3の制御例を示すフローチャートである。
図6は、制御目標値であるFC温度と、外気温もしくは次回起動時のFC温度との関係を示すマップである。
図7は、本発明の第3の制御例及び比較例を実行した場合のFC温度と時間との関係を示す図であり、図7(A)は時間軸及び動作内容を示し、図7(B)はFC温度の推移を示すグラフである。
図8は、本発明の燃料電池システムの停止制御に関し、第4の制御例を示すフローチャートである。
図9は、本発明の燃料電池システムを搭載した車両の側面図であり、燃料電池システムの停止制御(第5の制御例)を説明するための特徴部分を示す図である。
図10は、本発明第5の制御例を実行するための特徴部分を示すブロック図である。
図11は、本発明の第5の制御例を示すフローチャートである。
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池自動車(FCHV)、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両100に搭載できる。ただし、燃料電池システム1は、車両100以外の各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボット等)や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池システム1は、燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給する冷媒配管系5と、システム1の電力を充放電する電力系6と、システム1の運転を統括制御する制御装置7と、を備える。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。
燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極(カソード)を有し、他方の面に燃料極(アノード)を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路2aに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路2bに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池2の温度は、およそ60〜80℃となる。
酸化ガス配管系3は、供給路11及び排出路12を備える。供給路11には、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる。排出路12には、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる。酸化オフガスは、燃料電池2の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
供給路11には、コンプレッサ14及び加湿器15が設けられる。コンプレッサ14は、エアクリーナ13を介して外気を取り込み、燃料電池2に圧送する。加湿器15は、供給路11を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路12を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池2に供給される酸化ガスを適度に加湿する。背圧調整弁16は、燃料電池2の空気極側の背圧を調整する。背圧調整弁16は、排出路12のカソード出口付近に配設され、その近傍には、排出路12内の圧力を検出する圧力センサP1が設けられる。酸化オフガスは、背圧調整弁16及び加湿器15を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる供給路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を供給路22の合流点Aに戻すための循環路23と、循環路23内の水素オフガスを供給路22に圧送するポンプ24と、循環路23に分岐接続されたパージ路25と、を有する。元弁26を開くことで水素供給源21から供給路22に流出した水素ガスは、調圧弁27その他の減圧弁、及び遮断弁28を経て、燃料電池2に供給される。パージ路25には、水素オフガスを水素希釈器(図示省略)に排出するためのパージ弁33が設けられる。
冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路2cに連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、ラジエータ43をバイパスするバイパス流路44と、ラジエータ43及びバイパス流路44への冷却水の通流を設定する切替え弁45と、を有する。冷媒流路41は、燃料電池2の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ46と、燃料電池2の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ47と、を有する。
冷却ポンプ42は、モータ駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。温度センサ47が検出する冷媒温度は、燃料電池2の内部温度、つまりセル内温度(以下、「FC温度」という。)を反映する。また、以下では、温度センサ47を「FC温度センサ」という。ただし、別途、温度センサを設けることで、燃料電池2の温度を直接検出してもよい。
電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、及び各種の補機インバータ65,66,67を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2又はトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。
トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64(動力発生装置)は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ64は、燃料電池システム1が搭載される例えば車両100の主動力源を構成し、車両100の車輪101L,101Rに連結される。補機インバータ65、66及び67は、それぞれ、コンプレッサ14、ポンプ24及び冷却ポンプ42のモータの駆動を制御する。
制御装置7は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、通常運転、乾燥運転及び掃気運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
制御装置7は、各種の圧力センサ(P1)や温度センサ(46,47)、並びに、車両100のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力する。そして、制御装置7は、燃料電池システム1の各構成要素に制御信号を出力する。
制御装置7には、外気温センサ71、タイマー72、受信器73、時計74及び速度センサ75が接続され、これらはいずれも車両100に搭載される。外気温センサ71は、燃料電池システム1が置かれる環境の外気温を検出する。タイマー72は、燃料電池システム1の運転を制御するために必要な各種の時間を計測する。本実施形態に係るタイマー72は、走行停止した車両100の停止時間を計測する。
受信器73は、例えばナビゲーション装置であり、GPS衛星81やITSからの電波信号をアンテナ82を介して受信する。例えば、受信器73は、車両100の位置(つまり、走行位置又は停止位置)を示す測位データを受信すると共に、車両100がある土地における過去の気温推移データ及び予想気温推移データを受信する。時計74は、現在の日時(暦)を示す日付データを取得する。速度センサ75は、車両100の走行速度(移動速度)を検出する。なお、受信器73又は制御装置7に時計としての機能を持たせることで、車両100に時計74を別途搭載しなくてもよい。
図2に示すように、制御装置7は、システム停止指令前の乾燥運転を実現するために、学習部91、記憶部92、状況予測部93、判断部94、及び運転制御部90を備える。
学習部91は、タイマー72、受信器73及び時計74からのデータを入力される。学習部91は、車両100の停止場所及びその停止場所での停止時間を学習し、車両100を使用するユーザー(運転者)の使用傾向を把握する。具体的には、学習部91は、受信器73からの測位データとタイマー72からの停車時間データをもとに、ユーザーがよく停車する場所及びその停車時間を学習し、さらには時計74からの日付データをもとに停車時期及び停車時間帯を学習する。このため、学習部91は、季節などによりユーザーがよく行く場所(冬のスキー場、温泉地など)も学習する。このような学習を通じて、学習部91は、ユーザーの使用傾向、つまり運転パターンを把握する。
記憶部92は、学習部91で把握されたユーザーの使用傾向を記憶する。例えば、記憶部92は、ユーザーがよく停車する場所(例えば、自宅、会社、お店など)を複数記憶する。記憶部92は、この停車場所を時期(四季)又は時間帯(朝、昼、夜)と関連付けて記憶することが好ましい。例えば、車両を通勤時に利用する場合には、会社の場所と出社時刻とが関連付けて記憶されると共に、自宅の場所と帰宅時刻とが関連付けて記憶される。記憶部92は、所定量のデータが蓄積された後は、新たなデータを記憶する際には最も古いデータを削除して、最近の行動に基づくデータを記憶することが好ましい。そして、記憶部92は、停車の確率(頻度)により重みつけされたマップを有していることが好ましく、そのマップは、学習部91での学習を通じて随時更新されることが好ましい。なお、記憶部92には、ユーザーの入力操作によっても、停車の頻度が高い場所、その場合の時期及び時間帯を記憶することができる。
状況予測部93は、FC温度センサ47、外気温センサ71、受信器73、時計74及び速度センサ75からのデータを入力される。状況予測部93は、これらの入力データに記憶部92の記憶データを参照することで、燃料電池システム1が今後おかれる状況を予測する。例えば、今後システム停止指令や凍結があるか否か、さらには最低温度やFC温度がどうなるか等が予測される。そして、これらの予測を実行するために、状況予測部93は、停止指令予測部95、凍結予測部96、最低温度予測部97及びFC温度予測部98を有する。
停止指令予測部95は、稼働中の燃料電池システム1のシステム停止指令を予測する。システム停止指令とは、燃料電池システム1の運転を停止する指令を意味する。システム停止指令は、通常、ユーザーのイグニッションスイッチのOFF操作によってなされる。停止指令予測部95は、受信器73からの測位データと、記憶部92に記憶されたユーザーの使用傾向のデータと、に基づいてシステム停止指令を予測する。例えば、車両100が自宅に近づいた場合には、停止指令予測部95は、近いうちにシステム停止指令があると予測する。一方で、車両100が行き先である自宅から離れた場合には、停止指令予測部95は、システム停止指令がないと予測する。好ましくは、停止指令予測部95は、システム停止指令が発せられるタイミングも予測すると共に、システム停止指令後にシステム停止となった場合の停車時間も予測する。
特に、停止指令予測部95は、速度センサ75からの車速データも考慮して、システム停止指令を予測することが好ましい。例えば、記憶部92で記憶した頻度の高い停車場所の近傍で車速が20km/h以下の場合には、車両100を駐車場に停車させる可能性が高い。よって、この場合には、停止指令予測部95はシステム停止指令があると予測する。一方で、記憶部92で記憶した頻度の高い停車場所の近傍でも減速せずに車速が50km/h以上の場合には、車両100が駐車場前を通過する可能性が高い。よって、この場合には、停止指令予測部95はシステム停止指令がないと予測する。このように、車速データも考慮することで、システム停止指令の予測が当たる確率を高めることができる。
凍結予測部96は、燃料電池2の凍結を予測する。ここで、燃料電池2の凍結は、燃料電池2内に水分が残っている状態で燃料電池2が低温環境(氷点下)にさらされることで生じる。燃料電池2の発電中では運転温度の管理上、凍結の可能性は低いが、システム停止後に氷点下の環境にさらされると、燃料電池2内の水分が氷結し、燃料電池2の凍結が生じる。凍結予測部96は、「所定の情報」に基づいて、システム停止時又は次回システム起動時における燃料電池2の凍結を予測する。
ここで、「所定の情報」とは、車両100の位置(地理的座標)、外気温、システム停止から所定期間の間に経験する予想最低気温を含む予想気温、予想天気、及び暦の少なくとも一つ、好ましくはこれらのいくつかである。ここで、予想気温は、車両100の停止予定場所(目的地)のものであればよい。予想気温のデータは、受信器73を介してITSより受信される外部データであってもよいし、FC温度予測部98で予測された内部データであってもよい。予想最低気温は、システム停止から24時間以内又は数日以内に経験するものであればよい。予想最低気温のデータは、同様にITSより受信される外部データでもよいし、最低温度予測部97で予測された内部データであってもよい。予想天気のデータは、ITSより受信されるデータを用いることができる。また、暦のデータは、時計74からの時期データ及び時間帯データを用いることができる。
例えば、車両100の停止予定場所の予想最低気温が0℃以下である場合には、凍結予測部96は、システム停止時又は次回システム起動時において燃料電池2が凍結する可能性がある、と予測する。一方で、車両100の停止予定場所の予想最低気温が5℃を超える場合には、凍結予測部96は、システム停止時又は次回システム起動時において燃料電池2が凍結する可能性がない、と予測する。好ましくは、凍結予測部96は、燃料電池2の凍結レベルがどの程度か、言い換えればどれぐらい低温下始動に備えるかのランクも予測する。
最低温度予測部97は、車両100がシステム停止から24時間以内又は数日以内に経験する予想最低気温を予測する。この予測は、車両100の停止予定場所又は現地点の測位データ、外気温センサ71からの外気温データ、及び、時計74からの暦データなどに基づいて行われる。
FC温度予測部98は、システム停止時又は次回システム起動時の燃料電池2の内部温度を予測する。この予測は、外気温センサ71からの外気温データ、及び/又は、最低温度予測部97による予想最低気温データに基づいて行われる。なお、システム停止時間が長い場合には、FC温度予測部98により予測されたFC温度は、車両100がさらされる環境の予想気温と一致する。
判断部94は、状況予測部93による予測結果に基づいて、どのような運転を行うべきかを判断する。具体的には、判断部94は、停止指令予測部95又は凍結予測部96の予測結果に基づいて、通常運転を続行するか、あるいは乾燥運転に切り替えるかを判断する。例えば、停止指令予測部95によってシステム停止指令があると予測された場合、又は、凍結予測部96によって凍結があると予測された場合には、システム停止令前に乾燥運転に切り替えるべきと判断される。
運転制御部90は、判断部94による判断結果を伝えられる。運転制御部90は、その判断結果に基づいて、通常運転又は乾燥運転を実行するべく、燃料電池システム1の各種構成機器(コンプレッサ14、背圧調製弁16、ポンプ24、パージ弁33、冷却ポンプ42、切替え弁45、ラジエータ43用の冷却ファン、高圧DC/DCコンバータ61など)を制御する。また、運転制御部90は、燃料電池2の掃気運転を実行するべく、燃料電池システム1の各種構成機器を制御する。
ここで、通常運転、乾燥運転及び掃気運転について説明する。
通常運転では、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を1.0以上(理論値)に設定した状態で燃料電池2が運転(発電)される。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
乾燥運転とは、通常運転に比して燃料電池2の含水量を減少させる運転をいう。換言すれば、乾燥運転では、各種パラメータにより設定される要求出力を燃料電池2が出力し、通常運転に対して、燃料電池2の内部がより乾燥しやすい運転状態とすることをいう。その意味では、掃気運転は乾燥運転の概念に含まれる。乾燥運転は、燃料電池2内(電解質膜や、拡散層、流路)の湿度を必ずしも0%にする必要はなく、水分を低減できさえすればよい。乾燥運転を実行すれば、通常運転に比べて、電解質膜が乾燥気味になる。乾燥運転は、通常運転時に用いる制御パラメータの値とは異なる値を用いることで、各種の方法により実行することができる。
具体的には、第1の例では、乾燥運転は、通常運転に比して燃料電池2の発電量を制限することで実行される。これは、高圧DC/DCコンバータ61によって燃料電池2の最大出力を制限することで実現できる。このような乾燥運転により、電力を節約しながら燃料電池2の含水量を減少できる。
第2の例では、乾燥運転は、通常運転に比してFC温度を上昇することで実行される。これは、外部の加熱装置による加熱、燃料電池2の自己発熱量の増大、又は燃料電池2の冷却量の減少により実現できる。燃料電池2の自己発熱量を増大させる制御は、例えば、反応ガス(酸化ガス又は燃料ガス)のストイキ値の低下等により発電効率を低下させることで実行できる。燃料電池2の冷却量の減少は、燃料電池2を発電させた状態で、冷却ポンプ42の回転数及び/又はラジエータ43用の冷却ファンの回転数を制御してラジエータ43による冷却量を抑制したり、あるいは切り替え弁45をバイパス流路44側に切り替えたりすることで実現できる。このような乾燥運転を行うことで、燃料電池2内に滞留している水分の蒸発を促進でき、その蒸発した水分を酸化オフガス又は燃料オフガスで持ち去ることができる。
第3の例では、乾燥運転は、通常運転に比して、酸化ガスの流量、圧力、温度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで実行される。具体的には、コンプレッサ14の回転数を上げることで酸化ガスの流量を増加させること、背圧調整弁16の開度を調整して酸化ガスの供給圧を下げること、図示省略した外部のヒータにより酸化ガスの温度を上昇させること、又は、露点温度を下げること、により乾燥運転が行われる。このような乾燥運転を行うことで、応答性良く燃料電池2内を乾燥させることができる。なお、乾燥運転では、加湿器15をバイパスして酸化ガスを燃料電池2に供給するようにしてもよいし、加湿器での酸化ガスの加湿量を減らすようにコントロールしてもよい。
第4の例では、乾燥運転は、通常運転に比して、燃料ガスの流量、圧力、パージ頻度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで実行される。具体的には、ポンプ24及び/又は図示省略したインジェクターを調整することで燃料ガスの流量を増加させること、レギュレータ28又はインジェクターを調整することで燃料ガスの供給圧力を下げること、パージ弁33のパージ頻度を増やすこと、又は、露点温度を下げること、により乾燥運転が行われる。このような乾燥運転の実行によっても、燃料電池2内を乾燥させることができる。
なお、上記した第1〜第4の例を適宜組み合わせて、乾燥運転を実行してもよい。
掃気運転は、燃料電池システム2の運転終了時(システム停止時)に、燃料電池2内の水分を外部に排出することで燃料電池2内を掃気することをいう。本実施形態では、掃気運転は、システム停止指令があった後で実行される。掃気運転は、例えば、燃料電池2をアイドル運転とした状態で又は燃料電池2への水素ガスの供給を停止した状態で、コンプレッサ14によって酸化ガスを酸化ガス流路2aに供給し、燃料電池2に残る水分を酸化ガスで持ち去ることで行われる。
次に、制御装置7による燃料電池システム1の停止制御に関し、複数の例を説明する。
<第1の制御例>
図3に示すように、燃料電池システム1は通常運転を実行している(ステップS1)。通常運転中には、外気温データ、FC温度データ、車速データ、測位データ、及び季節等の時間データなどの各種情報が取得される(ステップS2)。これらのデータは、通常運転中に随時取得される。次に、停止指令予測部95は、ユーザーによるシステム停止指令があるか否かを予測する(ステップS3)。この予測は、上記したとおり、測位データに、記憶部92のユーザーの使用傾向のデータを参照することで、好ましくは車速データをも参照することで行われる。
システム停止指令がないと予測された場合には(ステップS3;NO)、判断部94は通常運転を継続すべきと判断し、その旨の信号を運転制御部90に送る。これによって、運転制御部90は、乾燥運転を行うことなく通常運転を継続するように、各種機器を制御する(ステップS1)。
一方、システム停止指令があると予測された場合には(ステップS3;YES)、判断部94は乾燥運転を実行すべきと判断し、その旨の信号を運転制御部90に送る。これにより、運転制御部90は、通常運転から切り替えて乾燥運転を実行するべく、各種機器を制御する(ステップS4)。これにより、燃料電池2の含水量が通常運転時よりも低減される。
次のステップS5では、システム停止指令が所定の時間内にあったか否かが判断される。この所定の時間は、上記したように、停止指令予測部95によって予測されるシステム停止指令が発せられる時間である。この所定の時間を過ぎてもシステム停止指令がユーザーによって発せられなかった場合には(ステップS5;NO)、再び、通常運転に切り替える(ステップS1)。
一方、予測どおり、所定の時間内にシステム停止指令が発せられた場合には(ステップS5;YES)、そのシステム停止指令をトリガとして乾燥運転から掃気運転に切り替える(ステップS6)。この掃気運転により、燃料電池2に残る水分は完全に又はほぼ完全に持ち去られ、燃料電池2の電解質膜や電極は乾燥した状態となる。その後、燃料電池システム1は、停止して次の起動にそなえることになる。
以上説明したように、本実施形態の第1の制御例によれば、システム停止指令前に乾燥運転を行うので、システム停止指令の時点では燃料電池2の含水量を減らしておくことができる。これにより、システム停止指令後に燃料電池2を短時間で掃気(乾燥)させることができる。また、掃気運転にかかる時間が短くなるので、燃料電池2の乾燥に要する電力を節約でき、エネルギ効率を高めることができる。しかも、システム停止指令の予測結果をトリガとして、乾燥運転への切替え又は通常運転の継続を実行している。このため、システム停止指令の前の乾燥運転が不要な場合にはそれを回避できるなど、燃料電池システム1の状況に即した運転が可能となる。
なお、上記のステップS4とS5との間に、停止指令予測部95によりシステム停止指令が予測されるか否かを再度判断するステップ(すなわち、ステップS3に相当するステップ)を設けてもよい。このステップを設けた場合、停止指令予測部95によりシステム停止指令が予測される場合にはステップS5へと進めばよく、逆にシステム停止指令が予測されない場合にはステップS1へと戻って通常運転に切り替えればよい。
詳述していないが、システム停止指令があると予測されるよりも前に、ユーザーによるシステム停止指令が割り込まれたときには、通常運転から掃気運転へと切り替えられる。
<第2の制御例>
次に、第2の制御例について、図4を参照して説明する。第1の制御例との相違点は、凍結予測の判断(ステップS13)を追加したことである。なお、ステップS11,12並びにS14〜17は、図3のステップS1〜6と同じであるので、ここでは説明を省略する。
ステップS13において、凍結予測部96は、システム停止時又は次回システム起動時における燃料電池2の凍結があるか否かを予測する。
凍結があると予測される場合、又は、システム停止時又は次回システム起動時におけるFC温度が所定の低温であると予測される場合には(ステップS13;YES)、ステップS14へと処理を進める。ここで、所定の低温とは、燃料電池2の凍結が起こる0℃以下(氷点)に設定することもできるし、これよりも凍結に余裕をもった温度(例えば2℃以下)に設定することもできる。
このような凍結があると予測される場合(ステップS13;YES)、凍結予測部96は、燃料電池2の凍結レベルのランクを予測することが好ましい。システム停止時又は次回システム起動時におけるFC温度が低温になるほど、凍結した場合の解凍に時間がかかるからである。例えば、−10℃の場合よりも−20℃の場合の方が凍結レベルが高いと予測する。
その後は、第1の制御例と同様に進み、ステップS14にてシステム停止指令の有無を予測し、システム停止指令が予測される場合には(ステップS14;YES)、乾燥運転(ステップS15)を実行する。この乾燥運転(ステップS15)又はその後の掃気運転(ステップS17)は、上記の凍結レベルの予測に応じて実行するとよい。例えば、凍結レベルが低いほど、乾燥運転の乾燥度合いを小さくしたり、掃気運転の掃気時間を短くしたりすればよい。
一方、凍結がないと予測される場合、又は、システム停止時又は次回システム起動時におけるFC温度が所定の低温を超える場合と予測される場合には(ステップS13;NO)、通常運転が継続される。この場合には、ユーザーによるシステム停止指令が割り込まれたときに、通常運転から掃気運転へと切り替えられることになる。
以上説明したように、第2の制御例によれば、第1の制御例による作用・効果に加え、システム停止時又は次回システム起動時の予想される凍結の状況に即して、乾燥運転の実行又は通常運転の継続を行える。したがって、氷点下などの低温環境での燃料電池システム1の安定した始動性を確保できる。しかも、予測した凍結レベルのランクに応じて、乾燥度合いの条件を決定して、乾燥運転を実行することができる。一方で、凍結が起こらない環境下では、通常運転を継続でき、乾燥運転を回避できる。
なお、他の実施態様では、凍結予測(ステップS13)は、システム停止指令の予測(ステップS14)よりも後に行ってもよい。
<第3の制御例>
次に、第3の制御例について、図5ないし図7を参照して説明する。第3の制御例は、乾燥運転の具体例を示すものである。なお、以下の説明では、第1又は第2の制御例と共通するステップの詳細については説明を省略する。
先ず、ステップS21では、燃料電池2の発電が開始して通常運転の状態となる。次に、FC温度が計測される(S22)。さらに、数日以内に車両100が経験する最低温度(気温)が推定される(ステップS23)。この推定は、最低温度予測部97により行うことができる。そして、推定(予測)された最低気温から、乾燥運転を行う必要が有るか否かが判断部94によって判断される(ステップS24)。乾燥運転を行う必要がなければ(ステップS24;NO)、処理を抜ける。
乾燥運転が必要な場合には(ステップS24;YES)、乾燥運転でのFC温度(冷却水温度)の目標値を決定する(ステップS25)。この目標値の決定は、例えば図6に示すマップM1を参照することにより行われる。
図6に示すマップM1は、制御目標値であるFC温度と、外気温もしくは次回起動時のFC温度との関係を示すものである。ここで、外気温は、現時点での外気温であり、また、次回起動時のFC温度は、FC温度予測部98により予測された温度である。このマップM1では、外気温もしくは次回起動時のFC温度が低い場合には、対応するFC温度の目標値は高くなる。すなわち、観測された外気温又は予測されたFC温度が低いほど、乾燥運転の際にFC温度を上昇させるように、FC温度の目標値が高く設定される。これにより、システム停止時に燃料電池2のMEAが乾きやすくなる。逆に、観測された外気温又は予測されたFC温度が高い場合には、FC温度の目標値は低く設定される。なお、マップM1の横軸を、外気温もしくは次回起動時のFC温度に代えて、ステップS23で予測した最低気温を用いても良い。
次いで、ステップS25で決定したFC温度となるように、通常運転から乾燥運転に切り替え、FC温度を実際に制御する(ステップS26)。FC温度の変更は、ラジエータ43による冷却量又は切替え弁45の制御により行うことができる。FC温度を高くするには、上記した乾燥運転の第2の例のように、燃料電池2を発電させた状態で、ラジエータ43による冷却量を抑制したり、あるいは切替え弁45をバイパス流路44側に切り替えたりして、燃料電池2の冷却水温度を上昇させることで実現できる。
その後、システム停止指令が所定の時間内にあった場合には(ステップS27;YES)、掃気運転(ステップS28)が実行される。一方、所定時間を過ぎてもシステム停止指令がない場合や、システム停止指令がないと予測される場合には(ステップS27;NO)、処理を抜けて通常運転へと戻ることが好ましい。
以上説明した第3の制御例の効果を、図7を参照して説明する。
図7(B)に示す曲線L1は、第3の制御例を行った場合のFC温度の推移を示し、曲線L2は、比較例を行った場合のFC温度の推移を示す。
曲線L2に示すように、比較例では、ユーザーによるシステム停止指令があったときに(タイミングt1)、FC温度を上昇させる乾燥運転を実行する。このため、乾燥運転前のFC温度T1が目標温度T2に到達するのは、タイミングt3のときとなり、システム停止指令から所定時間(t3−t1)が経過したものとなる。
これに対し、曲線L1に示すように、第3の制御例では、乾燥運転が必要であると判断した際に(図5のステップS24;YES、図7のタイミングt0)、FC温度を上昇させる乾燥運転を実行する(図5のステップS26)。このため、ユーザーによるシステム停止指令がなされた際には(図5のステップS27;YES、図7のタイミングt1)、FC温度は乾燥運転前のFC温度T1よりも上昇している。これにより、乾燥運転前のFC温度T1が目標温度T2に到達するのはタイミングt2となり、システム停止指令から目標温度T2の到達までの時間が比較例よりも短縮される。
以上説明したように、第3の制御例によれば、システム停止指令前にFC温度を上昇させる乾燥運転を行うので、システム停止指令の時点では燃料電池2の含水量を減らすことができる。これにより、システム停止指令後の掃気を短時間で終了させることができ、掃気のためのエネルギを不要ないし節約できる。また、外気温もしくは次回起動時のFC温度に基づいて乾燥運転の条件(乾燥度合い)を決定しているので、状況に応じた適切な乾燥運転を実行できる。また、低温雰囲気では、燃料電池2の発電性能が低下するため、FC温度を上げることで発電性能を向上させることができる。一方、外気温が低いときには、ラジエータ43による熱交換効率も向上するため、出力アップに伴いFC温度が上昇しても、燃料電池2の冷却は容易に行える。
<第4の制御例>
次に、第4の制御例について、図8を参照して説明する。第4の制御例は、第3の制御例を変形した例である。なお、以下の説明では、上記第1〜3の制御例と共通するステップの詳細については説明を省略する。
先ず、ステップS31において、通常運転中に車両位置情報などが取得される(ステップS32)。取得される情報としては、図3のステップS2と同様に、例えば、外気温データ、FC温度データ、車速データ、測位データ、及び季節等の時間データである。そして、この取得データに基づいて燃料電池2の乾燥の必要性が判断される(ステップS32)。
例えば測位データや外気温データに基づいて、燃料電池2の乾燥が必要でないと判断される場合には(ステップS32;不必要)、一連の処理をぬける。一方、乾燥が必要であると判断される場合には(ステップS32;必要)、再度、測位データである車両位置情報を取得する(ステップS33)。そして、この測位データに基づいて、停止指令予測部95が車両100の停車位置及び停車時間を予測し、FC温度予測部98が次回システム起動時のFC温度を予測する。これらの予測結果に基づいて、判断部94が燃料電池2の乾燥の必要性を再度判断する(ステップS34)。
ここで、例えば次回システム起動時のFC温度が0℃を超えると予測される場合には、燃料電池2の乾燥が必要でないと判断され(ステップS34;不必要)、一連の処理をぬける。一方、次回システム起動時のFC温度が0℃以下であると予測される場合には、燃料電池2の乾燥が必要であると判断され(ステップS34;必要)、乾燥運転を開始する(ステップS35)。この乾燥運転は、例えば図5のステップS25のように、決定された乾燥度合いに基づいて実行される。その後、再び測位データが取得され(ステップS36)、この測位データに基づいて燃料電池2の乾燥の必要性が再度判断される(ステップS37)。
ここで、例えば駐車推定場所、すなわち停止指令予測部95によって予測された車両100の停車位置から車両100が離れている場合には、燃料電池2の乾燥運転が必要でないと判断される(ステップS37;不必要)。その場合には、一連の処理をぬけ、通常運転に復帰する。一方、車両100が駐車推定場所に向かっている場合には、燃料電池2の乾燥運転を続行する(ステップS37;必要)。その後、車両停車の指令であるシステム停止指令、又はセル掃気指令があった場合には(ステップS38)、掃気運転が実行され(ステップS39)、燃料電池システム1が停止する。
以上説明した第4の制御例によれば、第1の制御例と同様の効果を奏することができ、特に、予測された停止位置から車両100が離れた場合に通常運転に復帰させることができる。
<第5の制御例>
次に、第5の制御例について、図9ないし図11を参照して説明する。第5の制御例は、乾燥運転を実行するか否かを判断するためのパラメータとして、車両100が立ち寄る先の駐車条件を加えたものである。
図9に示すように、車両100が傾斜した路面200にあると、車両100に水平に搭載されている燃料電池2も、路面200の傾斜にならって傾くことになる。車両100が傾斜した状態で長時間低負荷運転をした場合、燃料電池2の内部で生成水210が局部的に溜まり、生成水210の排水性が低下するおそれがある。特に、長い下り坂路の先に駐車場がある場合、燃料電池システム1は長時間低負荷運転となるため、燃料電池2内では車両前方方向に生成水210が溜まり易くなる。また、車両100が傾斜地の路面200に駐車した場合は、平地の路面200に駐車した場合に比べ、燃料電池2がたとえ同じ含水率であっても、局部的に生成水210が溜まり易くなり、低温始動にとって不利な条件となる。
したがって、車両100が駐車する前に、駐車場での車両100の傾斜状態を予測し、生成水210の溜まりにくい運転を行うことが好ましい。このような運転を実行するのに好適なのが、燃料電池システム1の停止制御に関する第5の制御例である。
図9及び図10に示すように、第5の制御例を実行するための構成として、燃料電池システム1は、車両100の傾斜状態を検出する傾斜角センサ220を有している。傾斜角センサ220は、サーボ型など公知のものを用いることができ、車両100に搭載することができる。傾斜角センサ220は、車両100の前後方向(進行方向)における車両100の傾斜角、すなわちピッチ角を検出できるものであればよい。ただし、傾斜角センサ220として、車両100の左右方向(車幅方向)における車両100の傾斜角(ロール角)を検出するセンサを用いてもよい。
なお、車両100の傾斜状態を検出する方法として、傾斜角センサ220ではなく、路面200の勾配値を検出する方法を採用してもよい。このような勾配値の検出方法は公知であるので詳述しないが、例えばナビゲーション装置である受信器73から車両100の駐車場所(予測駐車場所を含む。)における勾配値に関する情報を取得する方法が挙げられる。
図10に示すように、学習部91は、上記したタイマー72、受信器73及び時計74からのデータを入力されると共に、傾斜角センサ220からのデータを入力される。したがって、学習部91は、車両100の停止場所、その停止場所での停止時間、及びその停止場所での路面200に対する車両100の傾斜角を学習し、ユーザーの使用傾向(運転パターン)を把握する。なお、車両100の停止場所とは、車両100の駐車場所を含む概念であり、停止時間とは、車両100の駐車時間を含む概念である。
記憶部92は、学習部91で把握されたユーザーの使用傾向を記憶する。例えば、記憶部92は、ユーザーがよく駐車する立ち寄り先の場所(例えば、自宅、会社など)を記憶すると共に、その場所の環境、すなわち車両100の傾斜角を記憶する。このとき、車両100の傾斜角は絶対値で記憶される。これは、車両100が路面200に対しどちらの向きで駐車されるかは予測が難しいからである。そして、上記したように、記憶部92は、駐車場所に関連付けて時期又は時間帯を記憶し、最近の行動に基づくデータに更新するとよく、さらには、停車の頻度により重みつけされたマップを有するとよい。
第5の制御例におけるフローについて説明する。
図11に示すように、燃料電池システム1が通常運転を行っている(ステップS41)と、その通常運転中に車両位置情報などが取得される(ステップS42)。取得される情報としては、図3のステップS2と同様に、例えば、外気温データ、FC温度データ、車速データ、測位データ、及び季節等の時間データである。そして、この取得データに基づいて、状況予測部93は、車両100の駐車があるか否かを予測する(ステップS43)。この予測は停止指令予測部95によって行われ、停止指令予測部95は、測位データに、記憶部92に記憶されたユーザーの使用傾向のデータを参照することで、燃料電池システム1が停止されることになる車両100の駐車を予測する。
その結果、車両100が駐車されないと予測された場合には(ステップS43;NO)、通常運転が継続される(ステップ41)。一方、車両100の駐車があると予測された場合には(ステップS43;YES)、状況予測部93が、ユーザーの使用傾向のデータと現在の測位データとから、車両100の駐車場所及びその場所での車両100の傾斜角を予測する(ステップS44)。そして、この予測傾斜角が閾値よりも大きいか否かが判断部94によって判断される。
予測傾斜角が閾値以下である場合には(ステップS45:NO)、駐車後の車両100において生成水が局部的に溜まる可能性も低い。よって、判断部94は通常運転を続行すべきと判断し(ステップS46)、システム停止指令を待つことになる(ステップS48)。なお、図示省略したが、生成水が局部的に溜まる可能性が低い場合であっても、判断部94は、凍結予測部96等からの予測結果から総合的に判断して、乾燥運転に切り替えるべきと判断することもできる。
予測傾斜角が閾値を越える場合には(ステップS45:YES)、駐車後の車両100において生成水が局部的に溜まる可能性が高い。この場合は、判断部94によって乾燥運転を実行すべきと判断され、乾燥運転が実行されることになる(ステップS47)。これにより、燃料電池2の含水量が通常運転時よりも低減されるので、駐車後はもとより、下り坂を走行中であっても、生成水が局部的に溜まることを抑制できる。
その後、所定時間を過ぎてもシステム停止指令がない場合や、システム停止指令がないと予測される場合には(ステップS48;NO)、処理を抜けて通常運転へと戻るようになる。一方、車両100が駐車されて、システム停止指令が所定の時間内にあった場合には(ステップS48;YES)、掃気運転(ステップS49)が実行される。これにより、燃料電池システム1及び車両100は停止して次の起動にそなえることになる。
以上説明した第5の制御例によれば、事前に駐車場所の環境(車両100の傾斜角)を予測して、システム停止指令の前に乾燥運転を実行できる。よって、駐車前から燃料電池2内を水が溜まりにくい状態にしておくことができ、次回のシステム起動を安定性良く行うことができる。
なお、車両100が駐車場所に到達した場合であっても、そのイグニッションスイッチがOFF操作されず、車両100がアイドリング運転されることも考えられる。傾斜した路面200上の車両100においてアイドリング運転が長時間行われると、生成水が局部的に溜まってしまうおそれがある。これを防止するべく、停車後に長時間のアイドリングができないよう、運転者(ユーザー)にアラームを出すとよい。したがって、制御装置7は、車両100の停止後も傾斜角センサ220からの情報を参照し、運転制御部90は、生成水が溜まり易い運転をしないよう燃料電池システム1の運転条件を制限し、運転者にアラームを出すようにするとよい。
<変形例>
以上説明した第1〜第5の制御例では、システム停止指令後に掃気運転を行っているが、本発明は、掃気運転を行なわないものについても適用可能である。
Claims (15)
- 燃料電池システムにおいて、
燃料電池と、
通常運転、及び当該通常運転に比して前記燃料電池の含水量を減少させる乾燥運転の実行を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
当該燃料電池システムの運転を停止する指令であるシステム停止指令を予測する停止指令予測部を備え、
前記停止指令予測部の予測結果に基づき、前記システム停止指令があると予測された場合には、前記システム停止指令の時点で前記通常運転時よりも前記燃料電池の含水量が減少しているように、前記システム停止指令の前に前記乾燥運転を実行する一方、前記システム停止指令がないと予測された場合には前記通常運転を継続する、燃料電池システム。 - 前記停止指令予測部は、当該燃料電池システムを搭載した移動体の位置と、当該移動体を使用するユーザーの使用傾向と、に基づいて前記システム停止指令を予測する、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記移動体の停止場所及びその停止場所での停止時間を学習し、それにより前記ユーザーの使用傾向を把握する学習部を備える、請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記予測結果に基づき前記乾燥運転を実行した後、前記停止指令予測部が前記システム停止指令はないと予測した場合には、前記乾燥運転から前記通常運転に切り替える、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記予測結果に基づき前記乾燥運転を実行した後、前記システム停止指令が所定時間内になされなかった場合には、前記乾燥運転から前記通常運転に切り替える、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、システム停止時又は次回システム起動時における前記燃料電池の凍結を予測する凍結予測部を備え、その予測結果に基づき、前記燃料電池の凍結があると予測された場合には、前記システム停止指令の前に前記乾燥運転を実行する一方、前記燃料電池の凍結がないと予測された場合には、前記通常運転を継続する、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記凍結予測部は、当該燃料電池システムの位置、外気温、システム停止から数日以内に経験する予想最低気温及び暦の少なくとも一つに基づいて、システム停止時又は次回システム起動時における前記燃料電池の凍結を予測する、請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、当該燃料電池システムを搭載した移動体の停止場所における傾斜状態を予測し、その予測結果に基づいて前記システム停止指令の前に前記乾燥運転を実行する、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記移動体の停止場所、その停止場所での停止時間、及びその停止場所での路面に対する移動体の傾斜角を学習し、それによりユーザーの使用傾向を把握する学習部を備え、
前記制御装置は、前記ユーザーの使用傾向に基づいて、前記移動体の停止場所を予測すると共に、その停止場所での当該移動体の傾斜状態を予測する、請求項8に記載の燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記通常運転に比して前記燃料電池の発電量を制限することで、前記乾燥運転を実行する、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記通常運転に比して前記燃料電池の温度を上昇することで、前記乾燥運転を実行する、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒配管系を備えており、
前記乾燥運転は、前記冷媒による前記燃料電池の冷却量を減らした状態で前記燃料電池を発電させる、請求項11に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス配管系を備えており、
前記制御装置は、前記通常運転に比して前記酸化ガスの流量、圧力、温度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで、前記乾燥運転を実行する、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス配管系を備えており、
前記制御装置は、前記通常運転に比して前記燃料ガスの流量、圧力、パージ頻度及び露点温度の少なくとも一つを変更することで、前記乾燥運転を実行する、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記システム停止指令は、ユーザーのイグニッションスイッチのOFF操作によってなされる、請求項1ないし14のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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