JP5853154B2 - 水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃焼器からの燃焼排ガス中の一酸化炭素を検知するＣＯセンサを備えた水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池システムには、燃料ガスとしての水素を供給するためのインフラが整備されていない場合が多いため、通常、天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素を主成分とする原料ガスから、水素を多く含有する燃料ガスを生成する水素生成器が設けられている。また、水素生成器には、燃料電池で使用されなかった水素を含むアノードオフガスや原料ガス、燃料ガス等を燃焼ガスとして燃焼させて、水素生成器を加熱する燃焼器が設けられている。このような燃料電池システムにおいて、燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出するＣＯセンサを備える、燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、特許文献１に開示されている燃料電池システムに備えられているＣＯセンサでは、従来から、一酸化炭素を含む校正ガスを用いて、ＣＯセンサが一酸化炭素を検知できるか否かを検査する動作確認を行うことが知られている（例えば、特許文献２参照）。
国際公開第２０１０／１０６９９号 特開２００４−９３２０４号公報
しかしながら、従来の燃料電池システムが備えるＣＯセンサにおいて、校正ガスによる動作確認を実行しようとすると、燃料電池システムに校正ガス供給設備を備えておかなければならない。これは、燃料電池システムの装置の大型化、コスト増加につながり好ましくない。また、燃料電池システムに校正ガスの供給設備を備えない場合には、ＣＯセンサの動作確認の際に、燃料電池システムの設置場所まで校正ガス供給設備を運搬しなければならず、校正作業が煩雑になり、動作確認を頻繁に行うことが事実上不可能となるという課題があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＣＯセンサの動作確認を従来よりも簡易に実行し得る、水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を検出するＣＯセンサと、制御器と、を備える、水素生成装置であって、前記制御器は、前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下の場合、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過した場合に、前記燃焼ガス供給器から前記燃焼ガスとして前記原料ガスを前記燃焼器に供給し、前記燃焼器に供給する空気と前記燃焼ガスとの比率である空燃比が所定の範囲外となるよう制御し、前記ＣＯセンサが所定濃度の一酸化炭素濃度を検知しない場合は、異常と判定する、異常を報知する、又は前記水素生成装置の運転を停止するよう制御する。
これにより、ＣＯセンサの動作を確認する動作確認では、燃焼排ガス中に一酸化炭素を含有させることになり、ＣＯセンサが正常であれば燃焼排ガス中の一酸化炭素を検知し、ＣＯセンサが異常であれば一酸化炭素を検知しないことになるため、ＣＯセンサが正常であるか異常であるか、ＣＯセンサの動作を確認することができる。
本発明の水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法によれば、ＣＯセンサが正常であるか異常であるかを検査できるため、ＣＯセンサの動作確認を簡易に実行し得る。
図１は、本実施の形態１に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムの実施の概略構成を示すブロック図である。 図２は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。 図３は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。 図４は、本実施の形態２に係る燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。 図５は、本実施の形態３に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 図６は、本実施の形態３に係る燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。
本発明者等は、燃料電池システムに備えるＣＯセンサにおいて、比較的容易な構成および動作でＣＯセンサが正常であるか異常であるかを検査できるようにして燃料電池システムの安全性を向上すべく鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
すなわち、本発明者等は、定期的に所定濃度の一酸化炭素を燃焼排ガス中に発生させ、ＣＯセンサの出力値を、予め設定した上限閾値及び下限閾値と比較することで、従来よりもＣＯセンサが正常であるか、異常であるかを簡易に検査できることを想到した。
更に、本発明者等は、燃焼器に供給する空気と燃焼ガスとの比率である空燃比を変えて燃焼排ガス中に一酸化炭素を含有させる際に、燃焼ガスとして、水素を主成分とする燃料ガスや、燃料電池で利用されなかった水素を含むアノードオフガスを供給するよりも、原料ガスを供給する方が、一酸化炭素を所定の濃度範囲で発生させることが容易であることを鋭意検討の結果、知見として得た。
本発明の水素生成装置は、炭化水素を含む原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、水素生成器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器と、燃焼器に空気を供給する空気供給器と、燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を検出するＣＯセンサと、制御器と、を備える、水素生成装置であって、制御器は、水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下の場合、又は燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過した場合に、燃焼ガス供給器から燃焼ガスとして原料ガスを燃焼器に供給し、燃焼器に供給する空気と燃焼ガスとの比率である空燃比が所定の範囲外となるよう制御し、ＣＯセンサが所定濃度の一酸化炭素濃度を検知しない場合は、異常と判定する、異常を報知する、又は前記水素生成装置の運転を停止するよう制御する。
また、本発明の燃料電池システムは、上記水素生成装置と、酸化剤ガスと前記水素生成装置から供給される水素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池と、を備える。
ここで、「予め定められる第１温度」とは、原料ガスを水素生成器に供給しても、水素生成器中の触媒に炭素が析出されない温度のことである。
これにより、ＣＯセンサの動作を確認する動作確認では、燃焼排ガス中に一酸化炭素を含有させることになり、ＣＯセンサが正常であれば燃焼排ガス中の一酸化炭素を検知し、ＣＯセンサが異常であれば一酸化炭素を検知しないことになるため、ＣＯセンサが正常であるか異常であるかを検査して動作確認することが可能となる。
更に、水素生成器の温度を第１温度以下とすることで、原料ガスが水素生成器を通流させても水素生成器中の触媒に炭素が析出することがないため、水素生成器の性能が劣化することを抑制することが可能となる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
本実施の形態１に係る水素生成装置は、炭化水素を含む原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、水素生成器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器と、燃焼器に空気を供給する空気供給器と、燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を検出するＣＯセンサと、制御器と、を備える、水素生成装置であって、制御器は、水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下の場合、燃焼ガス供給器から燃焼ガスとして原料ガスを燃焼器に供給し、燃焼器に供給する空気と燃焼ガスとの比率である空燃比が所定の範囲外となるよう制御し、ＣＯセンサが所定濃度の一酸化炭素濃度を検知しない場合は、異常と判定する、異常を報知する、又は水素生成装置の運転を停止するよう制御する。
また、本実施の形態１に係る水素生成装置１０１では、制御器は、水素生成器の温度が第１温度より高い場合に、水素生成装置の起動信号が入力された場合に、水素生成装置を起動しなくてもよい。
さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、上記水素生成装置と、酸化剤ガスと水素生成装置から供給される水素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池と、を備える。
以下、本実施の形態１に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムの一例について、図１及び図２を参照しながら説明する。
［水素生成装置及び燃料電池システムの構成］
図１は、本実施の形態１に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムの実施の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、水素生成装置１０１、酸化剤ガス供給器１０２、及び燃料電池３を備えている。また、水素生成装置１０１は、水素生成器１と、燃焼器２と、原料ガス供給器４と、ＣＯセンサ５と、制御器６と、報知器１４と、を備えている。
水素生成器１は、内部に触媒を備え、改質反応により原料ガスから水素含有ガスである燃料ガスを生成する改質器（図示せず）を備えるものである。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は、水素生成器１に適宜設けられる。本実施の形態１の燃料電池システム１００では、水蒸気改質反応を利用する改質器を用いたため、図示していないが、水蒸気を改質器に供給する水蒸気供給器が設けられている。また、改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成器１には、改質器に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられることになる。
水素生成器１には、燃料電池システム１００の外部から、原料ガス供給器４によって原料ガスが供給される。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。
更に、水素生成器１には、水素生成器１内の触媒の温度を検出する温度検知器１ａが備えられており、検知した触媒の温度を電気信号として後述する制御器６に出力する。温度検知器１ａは触媒の温度を直接検出してもよいし、また、触媒を通過したガスの温度、又は、水素生成器１を構成する構造体の温度を検出して、触媒の温度を推測するものでもよい。
原料ガス供給器４は、水素生成器１へ供給する原料ガスの流量を調整する機器であり、例えば、ブースタポンプなどの昇圧器と流量調整弁とにより構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型昇圧ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
水素生成器１の燃料ガス出口部には後述する燃料ガス流路７が接続されており、水素生成器１で生成された燃料ガスが燃料ガス流路７を通過して燃料電池３へと供給される。
燃料電池３は、水素生成器１で生成された燃料ガスと、酸化剤ガス供給器１０２から供給される酸化剤ガスである空気中の酸素とを用いて発電を行うものである。燃料電池３は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、本実施の形態１の燃料電池システム１００では、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いたが、例えば、固体酸化物形燃料電池またはリン酸形燃料電池等を用いることもできる。なお、酸化剤ガス供給器１０２としては、例えば、ブロワ又はシロッコファン等のファン類、ダイヤフラム式空気ポンプ等を使用することができる。
燃料電池３で発電に利用されなかった水素を含む燃料ガス（以下、適宜、オフ燃料ガスと称す）は、オフ燃料ガス流路９を介して、燃料電池３から排出される。具体的には、燃料電池３から排出されたオフ燃料ガスは、水素生成器１の後述する燃焼器２にオフ燃料ガス流路９を介して供給される。
オフ燃料ガス流路９には、第１開閉弁１０が備えられている。第１開閉弁１０は電磁弁のように電力により駆動するものでもよいし、ガス圧により駆動するようなものでもよく、オフ燃料ガス流路９を閉止したり開放したりできるのであればいかなる構成でも構わない。
燃料ガス流路７は、水素生成器１で生成された燃料ガスを燃料電池３へと供給するものである。具体的には、燃料ガス流路７の一端は水素生成器１の燃料ガス出口部に接続されており、もう一端は燃料電池３のアノード側に接続されている。更に、燃料ガス流路７は、その途中でバイパス流路１２と分岐されている。
バイパス流路１２は、水素生成器１で生成された燃料ガスを、燃料電池３を通過させることなく燃焼器２へと供給するものである。具体的には、バイパス流路１２は、燃料ガス流路７から分岐され、オフ燃料ガス流路９の第１開閉弁１０の下流側に接続されている。更に、バイパス流路１２には、第２開閉弁１１が設けられている。第２開閉弁１１は電磁弁のように電力により駆動するものでもよいし、ガス圧により駆動するようなものでもよく、バイパス流路１２を閉止したり開放したりできるのであればいかなる構成でも構わない。
燃料ガス流路７は、後述する制御器６によって第１開閉弁１０と第２開閉弁１１とを制御することで、第１開閉弁１０を開弁して第２開閉弁１１を閉弁することで燃料電池３を介してオフ燃料ガス流路９から燃焼器２に通流する経路と、第１開閉弁１０を閉弁して第２開閉弁１１を開弁することでバイパス流路１２を介してオフ燃料ガス流路９から燃焼器２に通流する経路と、に任意に切り替えることができる。
なお、本実施の形態１の燃料電池システム１００では、第１開閉弁１０をオフ燃料ガス流路９上でオフ燃料ガス流路とバイパス流路１２との合流部よりも燃料電池３側に設置したが、これに限定されることはなく、燃料ガス流路７上で、バイパス流路１２との分岐部よりも燃料電池３側にも設置してもよい。また、燃料電池３の上流と下流側との両方に設けても良く、更には、第１開閉弁１０と第２開閉弁１１とに変えて、三方弁のような流路切替弁で構成してもよい。
燃焼器２は、原料ガスと燃料ガスとオフ燃料ガスとのうち少なくとも一つを燃焼ガスとして、燃焼空気供給器８により燃焼器２に供給される燃焼空気と共に燃焼させることにより、水素生成器１を加熱し、水素生成器１中の触媒の温度を、触媒反応を行うのに適した温度に維持するものである。燃焼により発生した燃焼排ガスは、後述する燃焼排ガス流路１３を介して外部に排出される。
本実施の形態１においては、燃焼器２に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器として、原料ガス供給器４を用いてもよい。この場合、燃料電池システム１００（水素生成装置１０１）の起動時に、水素生成器１を通過した原料ガスが燃焼器２に供給されるように構成されていてもよく、水素生成器１をバイパスした原料ガスが供給されるように構成されていてもよい。
燃焼空気供給器８は、燃焼器２に供給する燃焼空気の流量を調整する機器であり、例えば、送風ファンと流量計とで構成されるが、これに限定されるものではなく、定容積型ブロワを用いてもよい。
燃焼排ガス流路１３は、燃焼器２での燃焼により発生する燃焼排ガスを外部へと排出するものである。燃焼排ガス流路１３の流路の途中には、ＣＯセンサ５が設置されている。ＣＯセンサ５は図１に示すように、燃焼排ガス流路１３上に配設されてもよいし、燃焼排ガス流路１３の一部を分流した配管上に配設してもよい。
ＣＯセンサ５は、燃焼器２から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素の濃度を検出するものである。ＣＯセンサ５としては、例えば、接触燃焼式又は半導体式を採用することができる。接触燃焼式のＣＯセンサ５は、二つのヒータコイルを内部に有しており、それぞれのヒータコイルに触媒添加された検知素子と触媒添加されていない補償素子とが付けられている。ヒータコイルは、検知素子が一酸化炭素を触媒反応させるのに適当な温度に検知阻止と補償素子とを昇温するためのものである。
一酸化炭素を含んだガスがＣＯセンサ５の検知素子に触れると、触媒燃焼が起こり、燃焼熱が発生する。一方、触媒添加されていない補償素子は、一酸化炭素を含んだガスと接触しても燃焼は生じないため、検知素子と補償素子との間に温度差が生じることになる。ＣＯセンサ５は、検知素子と補償素子は２つの素子の温度差（抵抗値の差）を電気信号として後述する制御器６に出力する。検知素子は一酸化炭素の濃度に応じて温度上昇するため、一酸化炭素濃度が高いほど、出力値が増加する比例関係を有することになる。
制御器６は、ＣＯセンサ５の出力信号を受け取り、また、燃料電池システム１００を構成する原料ガス供給器４、第１開閉弁１０、第２開閉弁１１などの機器を適宜制御する機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）と、時計部と、を備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
また、制御器６は、ＣＯセンサ５の出力信号を受け取り、ＣＯセンサ５が異常であるか否かを判定する。そして、制御器６は、ＣＯセンサ５が異常であると判定すると、報知器１４に異常を報知させる。
報知器１４は、ＣＯセンサ５が異常であることを外部に知らせることができれば、どのような構成であってもよい。外部に知らせる態様としては、例えば、リモコンの表示部（画面）に、文字データ又は画像データ等を表示させる態様であってもよく、スピーカー等により音声で知らせる態様であってもよく、光又は色で知らせるような態様であってもよい。また、通信ネットワークを介してスマートフォン、携帯電話、又はタブレット型コンピュータ等にメール又はアプリで知らせる態様であってもよい。
［水素生成装置及び燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００（水素生成装置１０１）の動作について説明する。なお、以下の各動作は、制御器６の記憶部に格納されている制御プログラムに基づき実行される。
まず、燃料電池システム１００の発電運転について説明する。
燃料電池システム１００の発電運転時には、制御器６によって、第１開閉弁１０は開弁し、第２開閉弁１１は閉弁した状態で原料ガス供給器４が駆動され、水素生成器１に所定流量の原料ガスと、水蒸気とが供給され、原料ガスから燃料ガスが生成される。
水素生成器１で生成した燃料ガスは、燃料ガス流路７を介して燃料電池３へと供給される。さらに、酸化剤ガス供給器１０２によって燃料電池３へ酸化剤ガスとして空気が供給され、燃料電池３で発電がおこなわれる。
燃料電池３で発電によって消費されなかった水素を含むオフ燃料ガスは、オフ燃料ガス流路９を介して燃焼器２に燃焼ガスとして供給される。さらに燃焼器２には、燃焼空気供給器８によって燃焼空気が供給され、オフ燃料ガスを燃焼させる。このとき、燃焼器２で発生した熱によって、水素生成器１中の触媒が、原料ガスから燃料ガスを生成するのに適した温度に維持するのに利用される。
原料ガス供給器によって供給される原料ガスの流量は、燃料電池３での発電と、水素生成器１中の触媒の温度を維持するのに必要な燃焼器２での燃焼と、に必要な流量が水素生成器１に供給されるように、制御器６によって調整される。
燃焼空気供給器８によって燃焼器２に供給される空気の流量は、燃焼器２に供給されるオフ燃料ガスを安定して完全燃焼させるのに必要な流量となるように制御器６によって制御される。よって、燃焼器２には、通常、所定の範囲の空燃比で燃焼空気と燃焼ガスであるオフ燃料ガスとが供給され、安定した完全燃焼が行われている。
燃焼器２において燃焼によって生じた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路１３を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。
次に、燃料電池システム１００の起動運転について説明する。
燃料電池システム１００の起動運転時においては、制御器６は、第１開閉弁１０を閉弁し、第２開閉弁１１を開弁した状態で原料ガス供給器４を作動させることで、原料ガスの供給を開始する。原料ガスは水素生成器１の内部を通過し、燃料ガス流路７を通り、バイパス流路１２、オフ燃料ガス流路９を通じて燃焼器２に燃焼ガスとして供給される。
燃焼器２では、燃焼空気供給器８によって供給された燃焼空気を用いて、水素生成器１を介して供給された原料ガスを燃焼させ、燃焼熱による熱で水素生成器１を加熱する。
水素生成器１中の触媒が燃焼器２での燃焼により、第１温度まで昇温されると、水素生成器１に図示していない水蒸気供給器から水蒸気が供給され、改質反応が始まる。ここで、第１温度は、水素生成器１中の触媒に原料ガスのみを供給した際に炭素析出が生じる温度より低い温度であり、予め、制御器６に記憶させておけばよい。
改質反応が開始すると、水素生成器１で生成した燃料ガスが燃焼ガスとして燃焼器２に供給され、燃焼空気供給器８によって供給された燃焼空気を用いて燃焼される。
改質反応が開始してから水素生成器１中の触媒の温度が、所定の転化率（原料ガス中の炭化水素が水素へと改質する割合）以上で燃料ガスを生成するのに十分な温度まで上昇していない間は、燃料電池３が発電に必要とする十分な量の水素が水素生成器１で生成されず、また、水素生成器１から供給される燃料ガスには一酸化炭素等の燃料電池３中の触媒を被毒する成分が含まれている。そのため、燃料電池システム１００の起動運転時においては、第１開閉弁１０と第２開閉弁１１とを操作することによって、燃料電池３に供給するのに不適切な燃料ガスが、燃料電池３を通流させずにバイパス流路１２を介して燃焼器２に供給されるようにしている。
発電に十分な水素が水素生成器１で生成されるようになると、第１開閉弁１０を開弁し、第２開閉弁１１を閉弁することにより、燃料電池３に燃料ガスが供給されるように流路を切り替えて発電運転を開始する。
起動運転時においても、燃焼器２に供給される燃焼ガスと燃焼空気との流量は、制御器６によって原料ガス供給器４と燃焼空気供給器８とを制御することによって、通常時は燃焼器２において安定した完全燃焼が行われるように空燃比が所定の範囲となるように調整されている。ここで、「通常時」とは、燃焼器２において後述するＣＯセンサの動作確認を実施していない間であって、燃料ガスと空気とが燃焼している期間を言う。
燃焼器２での原料ガスの燃焼によって生じた燃焼排ガスは燃焼排ガス流路１３を通じて燃料電池システム１００の外部に排出される。
本実施の形態１の燃料電池システム１００では、発電運転時および起動運転時における通常の燃焼時において、燃焼器２で、例えば、燃焼空気の流量がずれる不具合が生じて不完全燃焼が発生し、燃焼排ガス中に一酸化炭素が含有された場合、燃焼排ガス流路１３に設けたＣＯセンサ５がそれを検知し、一酸化炭素の濃度が所定の濃度よりも高い場合には、制御器６によって少なくとも原料ガスと燃焼空気とのいずれか一方の流量を調整するか、燃料電池システム１００の運転を停止させる。このため、ＣＯセンサ５が正常に動作しているか否かを検査することは重要となる。
次に、本発明の特徴となるＣＯセンサ５の動作確認（ＣＯセンサ５の異常検査）について、図１及び図２を参照しながら説明する。
図２は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。
図２に示すように、制御器６は、燃料電池システム１００（水素生成装置１０１）に作動指令が入力されたか否かを確認する（ステップＳ１０１）。燃料電池システム１００に作動指令が入力される例としては、例えば、燃料電池システム１００の使用者が、図示されていないリモコンを操作して、燃料電池システム１００が作動するように操作した場合や、予め設定された燃料電池システム１００の作動開始時間になった場合などが挙げられる。
燃料電池システム１００の作動指令が入力されていない場合（ステップＳ１０１でＮｏ）には、制御器６は、燃料電池システム１００の作動指令が入力されるまで、ステップＳ１０１を繰り返す。
制御器６は、燃料電池システム１００に作動指令が入力された場合（ステップＳ１０１でＹｅｓ）には、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、制御器６は、温度検知器１ａで検出する水素生成器１中の触媒の温度Ｔが、第１温度Ｔ１以下であるか否かを確認する。ここで、第１温度Ｔ１は、前述の通り、水素生成器１内の触媒に原料ガスのみが供給された場合でも炭素析出がない温度である。
触媒の温度Ｔが第１温度Ｔ１よりも高い場合（ステップＳ１０２でＮｏ）には、制御器６は、触媒の温度Ｔが第１温度Ｔ１以下になるまで、燃料電池システム１００の起動を待機させる。なお、温度Ｔが、第１温度Ｔ１よりも高い場合（ステップＳ１０２でＮｏ）には、制御器６は、水素生成装置１０１及び燃料電池システム１００の起動を禁止して、本プログラムを終了してもよい。
一方、触媒の温度Ｔが第１温度Ｔ１よりも低い場合（ステップＳ１０２でＹｅｓ）は、制御器６は次のステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３では、制御器６は、燃料電池システム１００の起動動作を開始する。具体的には、第１開閉弁１０を閉弁（開放）し、第２開閉弁１１を開弁して、原料ガスがバイパス流路１２を介して燃焼器２に供給されるように流路を構成し、燃焼空気供給器８と原料ガス供給器４とを駆動して、燃焼器２に、燃焼空気と、燃焼ガスとして原料ガスと、を供給する。そして、燃焼器２では、燃焼空気と燃焼ガスが着火して、燃焼が開始される。
このとき、制御器６は、燃焼器２における空燃比が、安定して完全燃焼が行える第１空燃比（所定の範囲）となるように原料ガス供給器４と燃焼空気供給器８とを制御する。ここで、第１空燃比は、使用する燃焼器２の構造や供給する原料ガスの種類、流量などによって変わるため、予め、使用する燃焼器２において燃焼排ガス中に一酸化炭素が発生しない空燃比を実験的に求めておけばよい。なお、燃焼器２での着火時における空燃比は、着火後の空燃比である第１空燃比と異なる空燃比としてもよい。
制御器６は、燃焼器２で燃焼が開始されると、燃焼器２に供給する燃焼空気と原料ガスとの比率である空燃比が、所定の範囲からずれて第２空燃比になるように、原料ガス供給器４と燃焼空気供給器８との少なくとも一方を制御して流量を変化させる（ステップＳ１０４）。これにより、燃焼器２では、不完全燃焼が起こり、一酸化炭素が発生する。
ここで、第２空燃比は、空燃比を変化させた際に、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度が下限閾値（Ａ）と上限閾値（Ｂ）との間になる空燃比を予め実験的に求めることができる。
なお、第２空燃比は、第１空燃比よりも高い空燃比に設定する方がよい。これは、第１空燃比よりも低い比率側に空燃比をずらしていくと、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度が急激に上昇する２に比べ、高い比率側に空燃比をずらしていくと、比較的緩やかに一酸化炭素濃度が上昇するからである。ただし、空燃比を過度に上昇させると消火の恐れがあるため、使用する燃焼器２の燃焼特性を十分に把握する必要がある。
また、下限閾値（Ａ）は、ＣＯセンサ５で検出可能な下限濃度以上とし、上限閾値（Ｂ）は、ＣＯセンサ５で検出可能で、かつ、空燃比を第２空燃比に変化させる間、排出され続けても人体に影響が無い濃度以下となるように設定する。下限閾値（Ａ）としては、例えば、１００ｐｐｍであってもよい。また、上限閾値（Ｂ）としては、例えば、５００ｐｐｍであってもよく、２４００ｐｐｍであってもよい。
次に、制御器６は、ＣＯセンサ５で検出した燃焼排ガス中の一酸化炭素の濃度Ｃが下限閾値（Ａ）と上限閾値（Ｂ）との間の所定濃度範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。制御器６は、ＣＯセンサ５で検出した濃度Ｃが、所定の範囲内である場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）は、ＣＯセンサ５は正常であると判定し、（ステップＳ１０６）空燃比を第１空燃比に戻して、起動動作を継続し（ステップＳ１０７）、本プログラムを終了する。
一方、ＣＯセンサ５で検出した濃度Ｃが所定の範囲外である場合（ステップＳ１０５でＮｏ）には、制御器６は、ＣＯセンサ５は異常であると判定し（ステップＳ１０８）、報知器１４にＣＯセンサ５が異常であることを報知させる（ステップＳ１０９）。ついで、制御器６は、燃料電池システム１００を停止させ（ステップＳ１１０）、本プログラムを終了する。なお、制御器６は、ステップＳ１１０で燃料電池システム１００を停止させたのち、燃料電池システム１００の再起動を禁止するように構成されていてもよい。
以上のように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の燃焼器２で燃焼を開始する起動運転時に、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を監視するＣＯセンサ５が正常であるか異常であるかを検査することができるために、安全性の高い燃料電池システムを提供することができる。
また、ＣＯセンサ５の動作確認を行う際に、燃焼器２での空燃比を変化させることで燃焼排ガス中に一酸化炭素を含有させてＣＯセンサ５の動作確認を行うため、校正ガス等の設備が不要なため、比較的簡易に動作確認を行うことが可能である。
更に、燃焼器２に原料ガスを燃焼ガスとして供給して空燃比を変化させ、燃焼排ガス中に一酸化炭素を含有させるため、一酸化炭素の濃度を所定の範囲内に安定させやすく、一酸化炭素が所定の範囲内で発生しないことにより、ＣＯセンサ５が正常であるのに異常であると判断してしまう誤検知の可能性を抑制することが可能となる。
また、水素生成器１中の触媒温度が、第１温度Ｔ１以下で原料ガスを水素生成器１に通流させることにより、触媒に炭素が析出して水素生成器１の性能が劣化することを抑制することができる。
さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、ＣＯセンサ５が異常であると判断したら燃料電池システム１００を停止させるため、安全性の高い燃料電池システムを提供することができる。
なお、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、水素生成器１に、水素生成器１内の触媒温度を検知する温度検知器１ａを備える形態を採用したがこれに限定されない。例えば、燃料電池システム１００が発電動作から停止動作に移行し（燃料電池システム１００（水素生成装置１０１）の運転停止信号が入力されてから）、燃焼器２における燃焼が終了してからの時間と水素生成器１内の触媒の温度との相関関係を実験的に求めておき、予め制御器６に記憶させておき、燃焼が終了してから所定の時間（第１時間）が経過したら、ＣＯセンサ５の動作確認を行うようにしてもよい。
また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の起動信号が制御器６に入力されてから、ＣＯセンサ５の動作確認を実行する形態を採用したが、これに限定されない。例えば、制御器６に燃料電池システム１００の運転停止信号が入力されて、停止動作を実行する間に、ＣＯセンサ５の動作確認を実行する形態を採用してもよい。また、例えば、燃料電池システム１００が待機状態（燃料電池システム１００の運転停止後から次回の燃料電池システム１００の起動指令が入力されるまでの状態）にあるときに、ＣＯセンサ５の動作確認を実行する形態を採用してもよい。
［変形例１］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００（水素生成装置１０１）の変形例について、説明する。
本実施の形態１における変形例１の水素生成装置は、炭化水素を含む原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、水素生成器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器と、燃焼器に空気を供給する空気供給器と、燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を検出するＣＯセンサと、制御器と、を備える、水素生成装置であって、制御器は、燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過した場合に、燃焼ガス供給器から燃焼ガスとして原料ガスを燃焼器に供給し、燃焼器に供給する空気と燃焼ガスとの比率である空燃比が所定の範囲外となるよう制御し、ＣＯセンサが所定濃度の一酸化炭素濃度を検知しない場合は、異常と判定する、異常を報知する、又は水素生成装置の運転を停止するよう制御する。
また、本変形例１の水素生成装置では、制御器は、燃焼器での燃焼が終了した後に第１時間経過するまでに、水素生成装置の起動信号が入力された場合に、水素生成装置を起動しなくてもよい。
以下、本変形例１の水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムの一例について、図３を参照しながら説明する。また、本変形例１の水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムは、実施の形態１に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムと同様の構成であるため、以下の説明では、燃料電池システム（水素生成装置）の動作について説明する。
図３は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。
図３に示すように、本変形例１の燃料電池システム１００の動作は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作と基本的には同じであるが、ステップＳ１０２に代えて、ステップＳ１０２ａを実行する点が異なる。
具体的には、ステップＳ１０２ａでは、制御器６は、燃焼器２での燃焼が終了した後に第１時間経過したか否かを判定する。ここで、第１時間は、予め実験等で求められ、燃焼器２での燃焼ガスの燃焼動作を終了してから、水素生成器１が第１温度以下になるまでの時間として設定される。
これにより、温度検知器１ａを設けなくても、又は温度検知器１ａが故障したような場合であっても、制御器６は、水素生成器１が第１温度以下になったことを判定することができる。
このように構成された、本変形例１の燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
なお、本変形例１の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の起動信号が制御器６に入力されてから、ＣＯセンサ５の動作確認を実行する形態を採用したが、これに限定されない。例えば、制御器６に燃料電池システム１００の運転停止信号が入力されて、停止動作を実行する間に、ＣＯセンサ５の動作確認を実行する形態を採用してもよい。また、例えば、燃料電池システム１００が待機状態にあるときに、ＣＯセンサ５の動作確認を実行する形態を採用してもよい。
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る水素生成装置は、制御器が、水素生成器の温度が第１温度より高く、かつ、水素生成装置の起動信号が入力された場合に、水素生成器を第１温度以下に冷却するように構成されている。
また、本実施の形態２に係る水素生成装置では、制御器が、空気供給器から燃焼器へ空気を供給し、水素生成器を第１温度以下に冷却するように構成されていてもよい。
以下、本実施の形態２に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムの一例について、図４を参照しながら説明する。なお、本実施の形態２に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムは、実施の形態１に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムと同様の構成であるため、以下の説明では、燃料電池システム（水素生成装置）の動作について説明する。
図４は、本実施の形態２に係る燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。
図４に示すように、制御器６は、燃料電池システム１００に作動指令が入力されたか否かを確認する（ステップＳ２０１）。
燃料電池システム１００の作動指令が入力されていない場合（ステップＳ２０１でＮｏ）には、制御器６は、燃料電池システム１００の作動指令が入力されるまで、ステップＳ２０１を繰り返す。
制御器６は、燃料電池システム１００に作動指令が入力された場合（ステップＳ２０１でＹｅｓ）には、ステップＳ２０２に進む。
ステップＳ２０２では、制御器６は、温度検知器１ａで検出する水素生成器１中の触媒の温度Ｔが、第１温度Ｔ１以下であるか否かを確認する。ここで、第１温度Ｔ１は、水素生成器１内の触媒に原料ガスのみが供給された場合でも炭素析出がない温度である。
制御器６は、温度Ｔが第１温度Ｔ１よりも高い場合（ステップＳ２０２でＮｏ）には、ステップＳ２１１に進む。
ステップＳ２１１では、制御器６は、燃焼空気供給器８を作動させ、燃焼器２に空気を供給することで、水素生成器１内の触媒の冷却を開始する。そして、制御器６はステップＳ２０２に戻り、温度Ｔが第１温度Ｔ１以下になるまで（ステップＳ２０２でＹｅｓ）冷却を継続する。
そして、制御器６は、触媒の温度Ｔが第１温度Ｔ１よりも低い場合（ステップＳ２０２でＹｅｓ）は、ステップＳ２０３に進む。なお、ステップＳ２０３〜ステップＳ２１０までのフローは、実施の形態１におけるステップＳ１０３〜ステップ１１０のフローと同じであるため、その説明は省略する。
このように構成された、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、燃焼空気供給器８によって燃焼器２に空気を供給して水素生成器１内の触媒を冷却するため、冷却しない場合に比べ、水素生成器１内の触媒の温度ＴがＴ１以下に低下する時間を短くすることが可能となり、作動指令が入力されてから起動するまでの時間を短縮することが可能となる。
（実施の形態３）
本実施の形態３に係る水素生成装置は、制御器が、水素生成器の温度が第１温度より高く、かつ、水素生成装置の起動信号が入力された場合に、水素生成器を第１温度以下に冷却するように構成されている。
また、本実施の形態３に係る燃料電池システムは、上記水素生成装置と、酸化剤ガスと水素生成装置から供給される水素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池と、水素生成装置及び燃焼電池を内部に収容する筐体と、筐体内を換気する換気器と、を備え、制御器は、換気器を作動させ、水素生成器を第１温度以下に冷却するように構成されている。
以下、本実施の形態３に係る燃料電池システムの一例について、図５及び図６を参照しながら説明する。
［水素生成装置及び燃料電池システムの構成］
図５は、本実施の形態３に係る水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
図５に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、水素生成装置１０１等を収容している筐体１５と換気器１７を更に備える点が異なる。
具体的には、筐体１５は、燃料電池システム１００を構成する報知器１４以外の各機器を収容している。また、筐体１５には、外気と連通するように、排気口１６と給気口１７が設けられていて、排気口１６近傍には、換気器１８が配設されている。
換気器１８は、筐体１５内を換気するように構成されていて、例えば、ファン等を用いることができる。なお、換気器１８は、給気口１７近傍に設けられていてもよい。
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態３に係る燃料電池システムの動作について、図５及び図６を参照しながら説明する。
図６は、本実施の形態３に係る燃料電池システムの概略動作を示すフローチャートである。
図６に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の動作は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と基本的には同じであるが、ステップＳ２１１に代えて、ステップＳ２１１ａを実行する点が異なる。具体的には、制御器６は、換気器１８を作動させ、筐体１５内を換気することで、水素生成器１内の触媒の冷却を開始する（ステップＳ２１１ａ）。
このように構成された、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施の形態３においては、ステップＳ２１１ａで換気器１８のみを作動させる形態を採用したが、これに限定されない。例えば、ステップＳ２１１ａで換気器１８と燃焼空気供給器８の両方を作動させる形態を採用してもよい。また、換気器１８に代えて、燃焼空気供給器８及び／又は酸化剤ガス供給器１０２を作動させることで、筐体１５内を換気する形態を採用してもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明に係る水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法は、従来よりもＣＯセンサの動作確認を行えるので、燃料電池の分野において有用である。
１ 水素生成器
１ａ 温度検知器
２ 燃焼器
３ 燃料電池
４ 原料ガス供給器
５ ＣＯセンサ
６ 制御器
７ 燃料ガス流路
８ 燃焼空気供給器
９ オフ燃料ガス流路
１０ 第１開閉弁
１１ 第２開閉弁
１２ バイパス流路
１３ 燃焼排ガス流路
１４ 報知器
１５ 筐体
１６ 排気口
１７ 給気口
１８ 換気器
１００ 燃料電池システム
１０１ 水素生成装置
１０２ 酸化剤ガス供給器

Claims (12)

  1. 原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
    前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
    前記燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器と、
    前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
    前記燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を検出するＣＯセンサと、
    制御器と、を備える、水素生成装置であって、
    前記制御器は、前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下の場合、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過した場合に、前記燃焼ガス供給器から前記燃焼ガスとして前記原料ガスを前記燃焼器に供給し、前記燃焼器に供給する空気と前記燃焼ガスとの比率である空燃比が所定の範囲外となるよう制御し、前記ＣＯセンサが所定濃度の一酸化炭素濃度を検知しない場合は、異常と判定する、異常を報知する、又は前記水素生成装置の運転を停止するよう制御する、水素生成装置。
  2. 前記制御器は、前記水素生成器の温度が前記第１温度より高い場合、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に前記第１時間経過するまでに、前記水素生成装置の起動信号が入力された場合に、前記水素生成装置を起動しない、請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記制御器は、前記水素生成器の温度が前記第１温度より高く、かつ、前記水素生成装置の起動信号が入力された場合に、前記水素生成器を前記第１温度以下に冷却するように構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
  4. 前記制御器は、前記空気供給器から前記燃焼器へ空気を供給し、前記水素生成器を前記第１温度以下に冷却するように構成されている、請求項３に記載の水素生成装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置と、酸化剤ガスと前記水素生成装置から供給される水素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池と、を備える、燃料電池システム。
  6. 請求項３又は４に記載の水素生成装置と、
    酸化剤ガスと前記水素生成装置から供給される水素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
    前記水素生成装置及び前記燃焼電池を内部に収容する筐体と、
    前記筐体内を換気する換気器と、を備え、
    前記制御器は、前記換気器を作動させ、前記水素生成器を前記第１温度以下に冷却するように構成されている、燃料電池システム。
  7. 原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
    前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
    前記燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器と、
    前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
    前記燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を検出するＣＯセンサと、を備える、水素生成装置の運転方法であって、
    前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下であるか否か、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過したか否かを判定するステップ（ａ）と、
    前記ステップ（ａ）で前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下である、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過したと判定した後に、前記燃焼器で前記燃焼ガス供給器から供給される前記燃焼ガス及び前記空気供給器から供給される空気を燃焼させるステップ（ｂ）と、
    前記燃焼器で一酸化炭素濃度が増加するように前記燃焼器に供給する空気と前記燃焼ガスとの比率である空燃比を変えるステップ（ｃ）と、
    前記ステップ（ｃ）の後に、前記ＣＯセンサが所定濃度の一酸化炭素を検知するか否かを検査するステップ（ｄ）と、を備える、水素生成装置の運転方法。
  8. 前記水素生成装置の起動信号が入力されるステップ（１）と、
    前記ステップ（１）の後、前記ステップ（ａ）で前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度より高い温度である、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過していないと判定すると、前記水素生成装置を起動させないステップ（２）と、をさらに備える、請求項７に記載の水素生成装置の運転方法。
  9. 前記ステップ（ａ）は、前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下であるか否かを判定するステップであり、
    前記水素生成装置の起動信号が入力されるステップ（１）と、
    前記ステップ（１）の後、前記ステップ（ａ）で前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度より高い温度であると判定すると、前記空気供給器から前記燃焼器へ空気を供給して、前記水素生成器を前記第１温度以下に冷却するステップ（３）と、をさらに備える、請求項７に記載の水素生成装置の運転方法。
  10. 原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素を検出するＣＯセンサと、を備える、水素生成装置と、
    酸化剤ガスと前記水素生成装置から供給される水素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下であるか否か、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過したか否かを判定するステップ（ａ）と、
    前記ステップ（ａ）で前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下である、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過したと判定した後に、前記燃焼器で前記燃焼ガス供給器から供給される前記燃焼ガス及び前記空気供給器から供給される空気を燃焼させるステップ（ｂ）と、
    前記燃焼器で一酸化炭素濃度が増加するように前記燃焼器に供給する空気と前記燃焼ガスとの比率である空燃比を変えるステップ（ｃ）と、
    前記ステップ（ｃ）の後に、前記ＣＯセンサが所定濃度の一酸化炭素を検知するか否かを検査するステップ（ｄ）と、を備える、燃料電池システムの運転方法。
  11. 前記燃料電池システムの起動信号が入力されるステップ（４）と、
    前記ステップ（４）の後、前記ステップ（ａ）で前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度より高い温度である、又は前記燃焼器での燃焼が終了した後に予め定められる第１時間経過していないと判定すると、前記燃料電池システムを起動させないステップ（５）と、をさらに備える、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
  12. 前記燃料電池システムは、前記水素生成装置及び前記燃焼電池を内部に収容する筐体と、前記筐体内を換気する換気器と、をさらに備え、
    前記ステップ（ａ）は、前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度以下であるか否かを判定するステップであり、
    前記燃料電池システムの起動信号が入力されるステップ（４）と、
    前記ステップ（４）の後、前記ステップ（ａ）で前記水素生成器の温度が予め定められる第１温度より高い温度であると判定すると、前記換気器が作動して、前記水素生成器を前記第１温度以下に冷却するステップ（６）と、をさらに備える、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
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