KR101371986B1 - 공동주택 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공동주택의 공용시설에 연료변환기, 연료전지 스택, 인버터를 통합 설치하여 유지 및 관리에 따른 편의성을 향상시키고, 성능안정성을 추구할 수 있는 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 공동주택에 별도의 수소배관과 전체세대의 전력 사용량 변화에 따른 수소 변환기 제어 시스템과, 잉여수소 사용을 위한 공용 연료전지 발전시스템의 설치가 필요치 않아 건축물의 안정성을 높일 수 있고, 초기 설치비용을 최소화할 수 있는 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것이다.
공동주택, 연료변환기, 연료전지, 수소, 전기, 온수, 난방공급
Description
본 발명은 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공동주택의 공용시설에 연료변환기, 연료전지 스택, 인버터를 통합 설치하여 유지 및 보수편의성을 향상시킴과 동시에 설치공간의 최소화를 통해 민원의 발생을 예방하고, 불필요한 배관을 제거하여 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 공동주택 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 공동주택에 적용되는 가스 엔진형 소형열병합 시스템은 높은 에너지효율과 우수한 시동성 등 여러 가지 장점이 있으나, 기술개발 한계에 따른 높은 초기 투자비, 운용상의 유지보수 비용 과다 등의 문제점이 있다.
또한, 중앙난방 시스템에 적용되고 있는 보일러보다는 소음이 적고, 유해 배기가스 배출량이 적으나, 여전히 높은 수준(110㏈)의 소음과 많은 양(120ppm)의 질소산화물(NOx)을 배출시키고 있어 향후 주거 및 대기환경 규제강화에 따른 질소산화물 후처리 등 추가 설비투자가 필요하다는 문제점을 안고 있다.
이 외에 가정용 소형 연료전지 시스템(1~3㎾)을 아파트, 연립, 주상복합 등의 공동주택 내 각 가정에 설치할 경우에는 에너지 효율 및 환경친화성은 높으나, 초기 투자비가 높고, 세대별 설치공간의 제약이 있으며, 유지보수가 어렵고, 안전성 등에 문제점이 있다.
특히, 가정용 소형 연료전지 시스템의 경우 연료전지 스택(Fuel cell stack)은 각 가정에 설치하고, 중앙기계/전기실에 설치된 연료변환기(Fuel processor)로부터 수소를 각 가정으로 공급하는 경우에는 기존 연료배관과 별개로 수소배관을 설치해야 하므로 초기 투자비 상승과 함께 안정성 등에 문제점이 있다.
따라서, 이와 같은 종래의 공동주택 연료전지 시스템은 그 발전용량이 비교적 단독 주택 등에 적합한 형태로 개발됨에 따라 아파트나 주상복합주택 등과 같은 집합주택 즉, 공동주택에 적용할 경우에는 전체적인 발전용량의 증가에 따른 주변기술의 개발과 안전상의 많은 규제를 해결해야 하므로 곧바로 적용하기에 어려움이 있다.
아울러, 수소를 생산하는 개질기인 연료변환기의 경우 안전 및 기술상의 이유로 그 용량을 증가시킴에 있어 한계가 있으며, 전체 시스템의 분산 구성시 그에 따른 시스템의 효율적인 운전방안에 대한 해결책이 제시되지 않고 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 본 출원인은 [문헌 1] KR 10-2006-0104072 2006.10.26.에서 공동주택의 공용시설에 연료변환기를 설치하고, 각 세대에는 상기 연료변환기에서 수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택 및 인버터를 개별 구성한 공동주택 연료전지 시스템을 제안한 바 있다.
그러나, 상기 [문헌 1]은 연료변환기로부터 생산된 수소를 연료전지 스택에 공급하기 위한 수소배관이 설치되어야 하므로, 상기 수소배관을 설치하기 위한 비용이 발생할 뿐만 아니라, 상기 수소배관에 이상이 생겨 리크(Leak)가 발생할 경우 화재 등 안전성을 저하할 수 있다.
또한, 각 세대 내 일정 공간에 연료전지 스택과 인버터를 개별 설치해야 하므로, 세대 내 거주공간이 줄게 될 수 있으며, 연료전지 스택 또는 인버터 고장 시유지보수 대상이 늘어나게 되어 관리효율을 저하할 수 있다.
나아가, 세대별 전력 사용량에 비례하여 수소를 적정량 생산하기 위하여 설치되는 연료변환기 제어시스템은 모든 단위세대로부터의 신호의 입력과 제어시스템으로부터의 신호 출력이 요구되어 제어 시스템이 복잡해질 뿐만 아니라, 수소 저장장치를 설치하지 않을 경우 항상 잉여수소를 생산하여야 하므로, 잉여수소를 이용한 공용 연료전지 발전시스템을 추가 설치하거나, 대기중에 배출시켜야 한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하여 공용주택의 각 단위세대가 필요로 하는 열 및 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 용량의 연료변환기와 연료전지 스택, 인버터를 공동주택의 공용시설에 설치하여 유지, 관리할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은, 연료변환기와 연료전지 스택, 인버터를 공동주택의 공용시설에 설치하여 난방 및 온수와 전기를 공동주택 내 각 단위세대에 공급함으로써, 설치공간의 제약과 유지보수 측면에서 우수한 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 각 단위세대별 수소 공급을 위해 필요한 수소배관과 전체세대의 전력 사용량 변화에 따른 수소 변환기 제어 시스템과, 잉여수소 사용을 위한 공용 연료전지 발전시스템의 설치가 필요치 않도록 한 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유지보수가 간편하여 공동주택 내 각 단위세대에 안정된 난방 및 온수와 전력을 공급할 수 있도록 한 공동주택 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 공동주택의 공용시설에 설치되어 스팀과 연료로 수소를 만드는 연료변환기와;
공동주택의 공용시설에 설치되어 상기 연료변환기에서 생성된 수소를 공급받아 이 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응시켜 전기를 발생시키고, 이를 단위세대에 공급하는 연료전지 스택과;
이 연료전지 스택에서 생성된 직류전류를 상용전원으로 사용 가능하도록 교류전류로 변환시키는 인버터와;
상기 연료변환기와 연료전지 스택에서 회수된 열과 온수를 공급받아 단위세대에 난방 및 온수를 공급하는 축열조와;
공동주택의 정전시 연료변환기의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하는 보 조전원공급장치와;
공동주택의 각 단위세대별 전력사용량을 측정하여 운전부하정보를 측정하는 게이지를 포함하며, 이 게이지로부터 측정된 운전부하정보를 바탕으로 연료변환기의 운전을 제어하는 제어기를 포함하여 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 연료변환기와 인버터를 포함하는 연료전지 스택이 공동주택의 공용시설에 설치되어 난방 및 온수와 전기를 공동주택 내 각 단위세대에 공급함으로써, 설치공간의 제약과 유지보수 측면에서 우수하다.
특히, 공동주택에 별도의 수소배관과 전체세대의 전력 사용량 변화에 따른 수소 변환기 제어 시스템과, 잉여 수소 사용을 위한 공용 연료전지 발전시스템의 설치가 필요치 않아 건축물의 안정성을 높일 수 있고, 초기 설치비용을 최소화할 수 있는 유용한 효과를 제공하게 된다.
또한, 단전 및 정전시에도 연료변환기는 메인컨트롤러에 의해 제어되는 보조전원공급장치를 통해 최저부하운전에 필요한 전원을 지속적으로 공급받음으로써, 단전 및 정전으로 인한 연료변환기의 가동 중단에 따른 불편함을 예방하고, 시스템의 운전안정성을 보장 유지할 수 있게 되는 등의 매우 유용한 발명인 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 실시 예를 개략도로 보 인 것으로, 공동주택의 공용시설에 설치된 연료변환기 및 인버터를 포함하고 있는 연료전지 스택을 통해 각 단위세대에 전기를 공급하고, 축열조를 통해 난방 및 온수를 공급하는 것을 보이고 있다.
도 2는 연료변환기에 보조전원공급장치가 연결된 것을 개략도로 보인 것으로, 공동주택의 정전시 연료변환기의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급할 수 있도록 메인컨트롤러에 의해 가동되는 보조전원공급장치가 연료변환기에 연결된 것을 보이고 있다.
즉, 도 1에서 보인 것과 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 아파트나 주상 복합주택 등과 같은 공동주택에 설치되는 것으로, 이 공동주택의 공용시설(1)에는 연료를 개질시켜 수소를 만드는 연료변환기(Fuel Processor)가 설치된다.
상기 연료변환기(10)는 엘엔지(LNG), 엘피지(LPG), 가솔린, 메탄올 등과 같이 이미 널리 사용되는 연료를 개질하여 연료전지에 수소를 공급하는 장치로, 탈황 반응, 개질 반응, 수성가스전이 반응, 선택적 산화 반응으로 촉매 단위공정이 포함된 단계를 거쳐 수소를 개질하게 된다.
즉, 상온에서 반응이 이루어지는 금속-제올라이트 탈황 흡착기(Desulfurizer)와 흡열반응인 수증기 개질 반응기(Steam reformer), 발열반응인 수성가스 전이 반응기(CO converter)와 선택적 산화 반응기(Preferential oxidation reactor)로 구성되나, 이러한 구성의 연료변환기(10)는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.
이러한 연료변환기(10)가 설치되는 공용주택의 공용시설(1)은 기계실, 전기 실, 보일러실을 포함하여 공용으로 사용되는 시설로서, 바람직하게는 상기 연료변환기(10)의 경우 수소를 생산하는 고위험 시설물인 관계로 공동주택의 기계실과 전기실에 설치하여 전문적으로 관리토록 하는 것이 좋다.
아울러, 상기 연료변환기(10)는 대용량일 경우 이에 대한 방폭설비 등과 같은 부가적인 안전설비를 추가로 설치해야 하고, 경제적인 부담도 가중될 수 있을 뿐만 아니라 각종 규제안에 저촉될 경우 설치가 불가능할 수도 있으므로, 본 발명에서는 상기 연료변환기(10)를 구현함에 있어 경제적이면서 안전성 면에서 관리가 용이한 소용량으로 제공하게 된다.
이러한 연료변환기(10)의 용량 선정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
1) 공동주택 전체의 수소공급 용량
연료변환기(10) 용량의 결정은 각 세대별 전력 사용량을 고려한 연료전지 스택(20)의 용량으로부터 결정되며, 공용 시설에 설치되는 연료전지 스택(20)의 용량은 통상 0.5~3㎾의 세대별 최대 전력 소요량을 고려하여 연료전지 스택(20)의 용량을 결정한다.
따라서, 단위 연료전지 스택(20)에서 필요로 하는 최대 수소 공급량은 연료전지 스택(20)의 전기 변환 효율(통상 60~90%)로부터 아래의 식과 같이 계산될 수 있다.
따라서, 연료 변환기 구성 및 용량 산정을 위한 공동주택 단지 내 전체 수소공급 용량은 아래 식으로부터 산정될 수 있다.
CpH2[Nm3/hr] = (수소 공급량, max) × N
여기서: N = 아파트 단지 내 설치될 연료전지 스택 모듈 개수
2) 연료 변환기 용량 선정 및 설치 모듈
공동주택이 아파트인 경우, 단지를 구성하는 동의 개수가 M개일 경우, 연료 변환기 설치가 가능한 통상의 기계실 개수는 M개가 되므로, M개의 연료 변환기를 설치하는 것이 일반적이나, 상용화된 연료 변환기의 적정 용량에 따라 상기 연료 변환기는 아래와 같이 여러 가지 형태로 설치될 수 있을 것이다.
[예 1] 각 동 마다 연료 변환기 설치 :
[예 2] 2개의 동별로 1개의 연료 변환기 설치 :
즉, 세대별 최대 전력소비량을 1㎾라고 가정하고, 전체 세대 수가 600세대이고, 동수가 20개일 때, 전체 수소 공급 용량(Capa)은, 약 420 Nm3/hr로 결정된다.
이와 같이 구성할 모듈 수를 정한 후 연료변환기(10)의 용량을 산정할 수도 있으나, 반대로 연료변환기(10)의 용량을 먼저 정하고, 구성 모듈의 수를 산정할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 다수의 연료변환기(10)는 연료를 공급받아 개질하여 수소를 생성하고 이를 연료전지 스택(20)에 공급하게 된다.
상기 연료전지 스택((Fuel Cell stack)은 연료변환기(10)가 설치된 공동주택의 공용시설(1)에 설치되어 상기 연료변환기(10)에서 생성된 수소를 공급받아 이 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응시켜 전기와 열을 발생시키게 된다.
또한, 이 연료전지 스택(20)은 연료전지가 내장되어 연료변환기(10)로부터 공급받은 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성하게 된다.
여기서, 상기 연료전지 스택(20)은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 분리판(Separator)으로 이루어진 단위 셀(Cell)이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 에노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 갖는다.
즉, 상기 분리판을 통해 애노드 전극에는 수소가 공급되고 캐소드 전극에는 산소가 공급되며, 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시키게 되는 것이다.
이러한 연료전지 스택(20)은 직류전류를 상용전원으로 사용 가능하도록 교류전류로 변환시키는 인버터(21)를 포함하여 제공되며, 바람직하게는 다수의 연료전지 스택(20)을 단일 공급모듈로 그룹화하여 제공함으로써, 소용량의 연료변환기(10)로부터 각각 수소를 공급받도록 하는 것이 좋다.
따라서, 연료변환기(10)는 스팀과 연료(Feed)가 공급될 경우 수소를 발생시키고, 여기에서 발생한 수소는 다시 연료전지 스택(20)의 연료로 공급되어 전기를 발생시키게 되며, 이때 발생한 전기는 직류이므로 인버터(21)를 통해 교류전류로 변환되어 공동주택 내 각 단위세대(2)에 공급되는 것이다.
본 발명에 따른 축열조(30)는 상기 연료변환기(10)와 연료전지 스택(20)에서 회수된 열과 온수를 공급받아 단위세대(2)에 난방 및 온수를 공급하게 된다.
이 축열조(30)로는 공동주택 내에 설치된 통상의 보일러를 이용하여도 무방하나, 본 발명에서는 가압온수탱크를 이용하여 연료변환기(10)에 회수된 열과 연료전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각수를 온수로 공급받아 단위세대에 공급하게 된다.
즉, 상기 축열조(30)가 공동주택의 공용시설(1)에 설치됨에 따라 공동주택의 각 단위세대(2)에 난방 및 온수를 공급하는 기본적인 기능을 제공할 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 각 단위세대(2)의 난방 및 온수공급을 구현하는 축열조(30)에는 열교환기(31)가 설치되어 외부로 버려지는 폐열을 회수하여 온수가열 등 열에너지로 재사용할 수 있도록 하게 되며, 이를 통해 대기중에 폐열이 배출되는 것을 방지하게 된다.
여기서, 상기 축열조(30)에는 연료변환기(10)로부터 잉여수소를 공급받아 연소시키는 보조보일러(32)가 연결되는데, 이 보조보일러(32)는 축열조(30)에 공급되는 보충수를 가열하는 용도로 활용된다.
이러한 보조보일러(32)는 보충수를 가열하는 연료로써 연료변환기(10)에서 과잉 생산된 잉여수소를 이용하게 되어 공동주택에 공용 연료전지 발전시스템을 별도로 설치하지 않아도 되는 비용절감효과를 제공하게 된다.
보조전원공급장치(40)는 도 2에서 보인 것과 같이, 연료변환기(10)에 연결되어 정전시 상기 연료변환기(10)의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하는 용도로 사용되며, 바람직하게는 전하를 축적하는 축전기 또는 디젤엔진 또는 가스엔진을 원동기로 하여 전기를 생산하는 발전기가 선택적으로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 축전기는 충전, 난방 반응을 되풀이할 수 있는 축전지를 포함하며, 이때의 축전지로는 납 축전지, 알칼리 축전지 외에도 비수용액(유기전해질이나 고체전해질)을 이용한 2차 전지가 사용된다.
그리고, 상기 발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치로 디젤엔진 또는 가스엔진 등을 원동기로 갖는 교류 발전기가 사용된다.
이와 같이 축전지 및 발전기를 포함하는 보조전원공급장치(40)는 선택적으로 축전지 또는 발전기를 설치하거나 복합적으로 설치하여 사용하게 되며, 그 운전상 태를 관리자 또는 작업자가 인식할 수 있도록 경광등 및 사이렌 등의 표시수단이 부가 설치되어도 무방하다.
또한, 상기 보조전원공급장치(40)는 메인컨트롤러(41)에 의해 통합관리되어 공동주택의 정전시 신속하게 연료변환기(10)의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하게 되며, 상기 메인컨트롤러(41)는 보조전원공급장치(40) 외에 연료전지 시스템의 운전제어를 위해 설치되는 밸브(42) 등을 통합하여 관리하게 된다.
본 발명에 따른 제어기(11)는 연료변환기(10)와, 연료전지 스택(20) 및 축열조(30)의 운전안정성을 유지시키기 위한 일종의 마이컴으로, 단일의 제어기(11)를 이용하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 구성하는 장치들을 제어하도록 구성되어도 무방하나, 본 발명에서는 각각의 연료변환기(10), 연료전지 스택(20) 및 축열조(30)에 독립적으로 게이지(미도시)를 설치하여 이 게이지로부터 측정된 운전부하정보를 바탕으로 연료변환기(10)의 운전을 제어하는 형태로 구현하게 된다.
또한, 상기 제어기(11)는 연료변환기(10)와 연료전지 스택(20)의 운전 상태를 실시간으로 제어할 수 있도록 여러 감지기를 포함하게 되며, 대표적으로는 외부전원(mp)의 전압상태를 감지하는 전압감지기를 예로 들 수 있다.
여기서, 상기 전압감지기는 외부전원의 전압상태를 실시간 모니터하여 출력단에 연결된 제어기(11)로 감지정보를 인가하며, 상기 제어기(11)는 외부전원(mp)으로부터 인가된 전압정보를 기초로 정전 유무를 판별하게 되며, 정전으로 판별되는 경우에는 메인컨트롤러(41)에 신호를 보내 보조전원공급장치(40)가 가동될 수 있도록 하게 된다.
여기서, 상기와 같은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 작동을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
즉, 공동주택의 공용시설(1)에 스팀과 연료를 이용하여 수소를 만드는 연료변환기(10)가 소용량으로 다수 설치되어 연료를 개질하여 수소를 만들고, 이 만들어진 수소는 상기 공용시설(1)에 설치되어 있는 연료전지 스택(20)에 공급되어 각 단위세대(2)에 전기를 공급하게 된다.
상기 연료전지 스택(20)에서 회수된 온수는 축열조(30)에 공급되어 공동주택의 각 단위세대(2)에 난방 및 온수를 공급하게 되고, 상기 연료변환기(10)로부터 외부로 버려지는 폐열은 축열조(30)에 설치된 열교환기(31)가 회수하여 온수가열 등 열에너지로 재사용하게 된다.
또한, 연료변환기(10)의 외부전원(mp)이 정전되는 경우에는 제어기(11)가 전압을 감지하는 전압감지기를 통해 이를 감지하여 메인컨트롤러(41)로 신호를 송신하게 되고, 메인컨트롤러(41)는 수신된 신호를 바탕으로 보조전원공급장치(40)를 가동하여 연료변환기(10)의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하게 된다.
따라서, 상기 연료변환기(10)는 외부전원(mp)의 정전시에도 안정적인 수소의 생산이 가능하므로 결과적으로, 상기 연료변환기(10)에 공급되는 외부전원(mp)의 공급 유무에 상관없이 전체적인 연료전지 시스템의 가동 유지가 이루어지게 되는 것이다.
상기 외부전원(mp)의 정전상태가 해제되는 경우에는 전압감지기는 이를 감지하여 제어기(11)로 감지정보를 인가하고, 상기 제어기(11)는 메인컨트롤러(41)에 신호를 송신하여 보조전원공급장치(40)에서 연료변환기(10)로 공급되는 전원을 차단함과 동시에 상기 연료변환기(10)가 외부전원(mp)으로부터 전원을 공급받을 수 있도록 전기 제어하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 공동주택 연료전지 시스템의 실시 예를 보인 개략도.
도 2는 연료변환기에 보조전원공급장치가 연결된 것을 보인 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 - 공용시설 2 - 단위세대
10 - 연료변환기 11 - 제어기
20 - 연료전지 스택 21 - 인버터
30 - 축열조 31 - 열교환기
40 - 보조전원공급장치 41 - 메인컨트롤러
42 - 밸브
Claims (4)
- 공동주택의 공용시설에 설치되어 스팀과 연료로 수소를 만드는 연료변환기와;공동주택의 공용시설에 설치되어 상기 연료변환기에서 생성된 수소를 공급받아 이 수소와 공기 중의 산소를 전기화학반응시켜 전기를 발생시키고, 이를 단위세대에 공급하는 연료전지 스택과;이 연료전지 스택에서 생성된 직류전류를 상용전원으로 사용 가능하도록 교류전류로 변환시키는 인버터와;상기 연료변환기와 연료전지 스택에서 회수된 열과 온수를 공급받아 단위세대에 난방 및 온수를 공급하는 축열조와;공동주택의 정전시 연료변환기의 최저부하운전에 필요한 전원을 공급하는 보조전원공급장치와;공동주택의 각 단위세대별 전력사용량을 측정하여 운전부하정보를 측정하는 게이지를 포함하며, 이 게이지로부터 측정된 운전부하정보를 바탕으로 연료변환기의 운전을 제어하는 제어기를 포함하며,상기 축열조에는 연료변환기로부터 잉여수소를 공급받아 연소시키는 보조보일러가 연결된 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 축열조에는 폐열회수를 위한 열교환기가 설치된 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 보조전원공급장치는 제어기와 연결된 메인컨트롤러에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 공동주택 연료전지 시스템.
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