KR102275277B1 - 수소 시스템 및 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통(fluid communication)되는 수소를 포함하는 제1 가스에 대한 유입부, 및 상기 제1 전기화학 전지 또는 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는, 막 전극 접합체를 포함하는 제1 PEM 전기화학 전지 또는 스택을 포함하는 수소를 제공하는 시스템을 개시한다. 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택은 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통되는 물 유입부, 및 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함한다. 컨트롤러는 1차 수소 공급원으로서 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고, 2차 수소 공급원으로서 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 제어 가능하게 작동시키도록 구성된다.

Description

수소 시스템 및 작동 방법{Hydrogen system and method of operation}
본 명세서에 개시된 본원 발명은 수소를 제공하는 전기화학 시스템에 관한 것이다.
수소는 연소를 위한 연료, 화학 반응물, 및 다양한 유형의 물질 표면 처리용과 같이 환원 환경이 필요한 상황들을 포함하는 다양한 응용분야에 널리 이용된다. 수소는 천연 가스(natural gas)의 개질에 의해 산업적인 규모로 제조되고, 큰 규모의 산업적인 수소 생산을 정당화시킬 정도의 수소 수요를 갖지 않는 상기 기술한 바와 같은 수소의 상업적 사용자들을 위한 전통적인 접근법은 단순히 현장(on-site) 수소 저장 시스템을 유지하는 것이었으며, 이는 금속 열 처리(metal heat treatment)와 같은 공정들을 위한 신선한(fresh) 수소를 제공하였다. 그러나, 순수한 수소의 효율적인 저장은 높은 압력 및/또는 낮은 온도를 요구하는데, 이는 비용이 들고 복잡할 수 있다. 물을 수소와 산소 가스로 분리하는 PEM 전기 분해 전지 스택의 사용을 통한 현장 수소 생산은 상업적 생산자들로부터 수소를 구입하여 저장하는 것에 대한 대안을 제공한다. 그러나, PEM 전기 분해로부터 수소를 생산하는 것과 관련된 전력 비용(electricity cost)은 상당히 클 수 있다. 추가적으로, 이러한 현장 PEM 전기분해 시스템들은 최대 부하(peak load) 요구치들을 처리할 수 있는 크기로 만들어지거나(종종 상기 시스템은 통상적으로 요구되는 부하에 비교하여 더욱 큰 크기로 만들어질 것이 요구됨), 수소 저장 시스템이 최대 부하 상황에 이용가능한 여분의 수소를 가질 것이 요구되는데, 이 둘 모두 수소를 생산하는 비용과 어려움을 상당히 끌어올릴 수 있다.
따라서, 기존의 수소 시스템들이 그들의 의도된 목적들에 적합하다 하더라도, 개선의 필요성은 여전히 남아있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수소를 제공하는 시스템은 양성자 교환 막(proton exchange membrane)에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제1 막 전극 접합체, 하기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 애노드 측과 유체 연통(fluid communication)되는 수소를 포함하는 제1 가스를 위한 유입부, 및 하기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 포함한다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기화학 전지 스택을 작동하는 방법이 제공된다. 상기 시스템은 또한 양성자 교환 막에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2 막 전극 접합체, 상기 제2 막 전극 접합체와 유체 연통되는 물 유입부 및 상기 제2 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 포함한다.
추가적으로, 상기 시스템은 수소 요구 신호를 수신하도록(예를 들어, 전기적 신호를 통해) 구성된 상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택과 통신하는 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 또한, 상기 수소 요구 신호가 0 초과이고, 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능할 때, 상기 컨트롤러가 1차 수소 공급원으로서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고, 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 수소 유출량에 응답하여 2차 수소 공급원으로서 상기 제2 전기화학 전지 또는 전기 스택을 제어 가능하게 작동시키도록 구성된다. 여기서, 제1 가스에 대한 용어 “이용가능한(available)”은 충분한 양의 수소를 갖는 제1 가스의 충분한 유속(flow rate)이 설계 사양(design specifications)에 따른 제1 전기화학 전지 또는 스택의 작동을 위하여 이용가능하다는 것을 지칭함을 주목해야 한다. 상기 수소 요구 신호가 0 초과이고, 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능하지 않을 때(즉, 충분한 양으로 이용가능하지 않음), 상기 컨트롤러는 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시킨다. 제1 전기화학 전지 또는 스택의 사용을 우선 순위화(prioritizing)하는 이러한 제어 방식이 유리한데, 이는 제1 전기화학 전지 또는 스택이 제2 전기화학 전지 또는 스택보다 낮은 전력 요건(power requirement) 및/또는 높은 효율로 작동할 수 있기 때문이다. 상기 시스템은 상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 유출부의 하류에 있는 수소 스트림에 위치하는 압력 스위치 또는 센서; 및, 상기 압력 스위치 또는 센서의 하류에 위치하는 압력 조절기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소를 제공하는 시스템은 하기를 포함한다:
제1 전기화학 전지 또는 전지 스택으로서, 양성자 교환 막에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제1 막 전극 접합체, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통되는 수소를 포함하는 제1 가스를 위한 유입부, 및 제1 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택;
양성자 교환 막에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2 막 전극 접합체, 상기 제2 막 전극 접합체의 애노드 측과 유체 연통되는 물 유입부, 및 상기 제2 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택; 및
상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 물 유입부와 유체 연통되고 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 양성자 교환 막의 애노드 측과 유체 연통되는 제1 용량의 물, 또는 상기 제1 막 전극 접합체의 상기 캐소드 측 및 상기 제2 막 전극 접합체의 상기 캐소드 측과 유체 연통되는 제2 용량의 물.
본 발명의 다른 측면에 있어서, 수소를 제공하는 방법은 수소 요구 신호를 수신하는 단계; 상기 수소 용량(volume) 요구 신호가 0 초과이고 수소를 포함하는 제1 가스가 이용가능할 때, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시켜서, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부에서 수소를 제공하는 단계; 및 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 수소 유출량에 응답하여, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 제어 가능하게 작동시키는 단계;를 포함한다. 상기 수소 요구 신호가 0 초과이고, 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능하지 않을 때, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택이 수소를 제공하기 위해 작동된다. 상기 방법에서 수소 스트림의 압력 스위치 또는 센서는 상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 유출부의 하류에 배치되고, 압력 조절기는 상기 압력 스위치 또는 센서의 하류에 배치될 수 있다.
본 발명으로 간주되는 발명 내용은 본 명세서의 말미에서 청구항에 구체적으로 지적되고 명확하게 청구된다. 본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징, 및 장점은 첨부된 도면과 연계된 하기의 상세한 설명으로부터 명백하다:
도 1은 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 수소를 제공하는 시스템의 개략도이고; 및
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 수소를 제공하는 시스템을 작동시키기 위한 흐름도(flow diagram)의 개략도이다.
상세한 설명은 도면을 참조하여 예로서, 장점 및 특징들과 함께, 본 발명의 구현예들을 설명한다.
이제 도 1을 참조하면, 수소를 제공하기 위한 예시적인 시스템(10)을 보여준다. 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택(electrochemical cell or cell stack)은 양성자 교환 막(proton exchange membrane)(22)과 이의 양측에 배치된 애노드(23) 및 캐소드(24)를 갖는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly) (MEA)를 포함한다. 애노드 측(anode-side) 유동장 구조체(flow field structure)(25) 및 캐소드 측(cathode-side) 유동장 구조체(26)는 상기 MEA의 양측에 배치된다. 이들 구조체는 통상적으로 상기 MEA로부터 먼 쪽에(distal) 배치되고, 상기 MEA와 유동장 구조체 각각은 프레임 어셈블리(frame assembly)(미도시)에 장착되어, 상기 MEA와 접촉하는 유체 유동을 위한 공간을 제공한다. 그러나, 설명의 편의를 위하여, 이들은 상기 MEA와 인접하여 접촉하는 것으로, 개략적인 도 1에 도시된다. 전원 공급기(28)는 전기적 연결부(electrical connection)(29 및 30)를 통해 각각 애노드(23) 및 캐소드(24)에 전기적으로 연결된다. 물 공급원(32)은 물을 물 순환 라인(water circulation line)(34)을 통해 상기 캐소드 측 유동장 구조체(26)로 제공하여 상기 양성자 교환 막(22)을 수화시키고, 액체 매질을 제공하며, 상기 액체 매질을 통해 상기 제1 전기화학 전지에 의해 생성된 기체 수소(gaseous hydrogen)가 흐른다.
작동시, 상기 제1 전기화학 전지(20)는 제1 가스 유입부(60)에서 수소를 포함하는 제1 가스의 유동(flow)을 수용한다. 상기 제1 가스는, 사용된 공정 가스 재순환 스트림과 같이 하나 이상의 다른 가스 성분(예를 들어, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소)을 포함하거나, 또는 순수하거나 실질적으로 순수한(공정 규격(process specification)에서) 수소(예를 들어, 사용되지 않은 공정 수소 스트림으로부터의 재순환 스트림)일 수 있다. 제1 전기화학 전지(20)은 분리기(separator)로서 작동하고, 상기 전기화학 전지에 흐르는 인가 전류(applied current)는 상기 애노드 측으로부터 상기 캐소드 측으로 MEA를 가로질러 흐르도록 수소 이온(양성자)을 구동하고, 그 동안 상기 제1 가스 내의 다른 성분(들)은 상기 MEA의 애노드 측에 남아있다. 수소 함유 제1 가스의 예시적인 공급원은 수소 분위기 열 처리 공정(62)으로부터 도관(conduit)(64)을 통해 시스템 블로워(system blower)(66)로 흐르는 배기가스일 수 있고, 시스템 블로워(66)는 상기 제1 가스를 제1 가스 유입부(60)으로 전달시킨다. 또는, 상기 언급한 바와 같이, 수소 함유 제1 가스의 예시적인 공급원은 사용되지 않은 공정 수소를 위한 수소 재순환 라인일 수 있다. 수소는 이온화되고 MEA를 통과하여, 수소-고갈 가스를 남기고, 이 수소-고갈 가스는, 도관(68)을 통해 제1 전기화학 전지(20)의 애노드 측을 빠져나가며, 그 후, 배출되거나 추가적으로 처리된다. MEA를 통과하는 양성자는 상기 캐소드(24)에서 전자와 결합하여 수소를 제공하고, 제공된 수소는 유출부(27)를 통과하며, 여기서, 수소는 물 공급원(32)을 기포 상태로 통과한 후, 열 처리 공정(62)으로의 공급을 위한 압축기(66)로 이동한다.
제2 전기화학 전지 또는 전지 스택은 양성자 교환 막(42)과 이의 양측에 배치된 애노드(43) 및 캐소드(44)를 갖는 막 전극 접합체 (MEA)를 포함한다. 애노드 측 유동장 구조체(45) 및 캐소드 측 유동장 구조체(46)는 상기 MEA의 양측에 배치된다. 이들 구조체는 통상적으로 상기 MEA로부터 먼 쪽에(distal) 배치되고, 상기 MEA와 유동장 구조체 각각은 프레임 어셈블리(frame assembly)(미도시)에 장착되어, 상기 MEA와 접촉하는 유체 유동을 위한 공간을 제공한다. 그러나, 설명의 편의를 위하여, 상기 MEA와 인접하여 접촉하는 것으로, 개략적인 도 1에 도시된다. 전원 공급기(35)는 전기적 연결부(electrical connection)(36 및 37)를 통해 각각 애노드(43) 및 캐소드(44)에 전기적으로 연결된다. 물 공급원(32)은 물을 물 순환 라인(water circulation line)(52)을 통해 상기 캐소드 측 유동장 구조체(46)로 제공하여 양성자 교환 막(42)을 수화시키고(hydrate), 액체 매질을 제공하며, 상기 액체 매질을 통해 상기 제2 전기화학 전지에 의해 생성된 기체 수소(gaseous hydrogen)가 기포 상태로 방출된다. 물 공급원(54)은 물을 물 순환 라인(water circulation line)(56)을 통해 상기 애노드 측 유동장 구조체(45)로 제공하여, 전기 분해(electrolysis)를 위한 물을 공급하고, 상기 양성자 교환 막(42)을 수화시키고, 액체 매질을 제공하며, 상기 액체 매질을 통해 상기 제2 전기화학 전지에 의해 생성된 기체 산소(gaseous hydrogen)가 기포 상태로 통과한 후, 수집기(collector) 또는 배출부(venting)로 이동한다. 주목되어야 하는 바는 물 공급원들(32, 54)의 배치는 예시적인 구현예를 나타낸다는 것이다. 다른 배치들 및 유동 경로 또한 사용될 수 있으며, 예를 들어, 물 공급원(54)으로부터의 1차적인 물 공급이 애노드 측 대신에 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측에 이루어질 수 있다.
작동하는 동안, 상기 제2 전기화학 전지(40)는 물 유입부(57)에서 물의 유동을 수용하는 PEM 전해조(electrolyzer)로서 작동한다. 물은 전기 분해되어 수소와 산소를 형성한다. 수소는 이온화되고 MEA를 통과하여, 산소를 남기고, 산소는 도관(58)을 통해 빠져나가며, 여기서, 산소는 물 공급원(54)을 기포 상태로 통과한다. MEA를 통과한 양성자는 캐소드(44)에서 전자와 결합하여 유출부(47)를 통과하는 수소를 제공하고, 여기서, 수소는 물 공급원(32)을 기포 상태로 통과한 후, 열 처리 공정(62)으로의 공급을 위한 압축기(66)로 이동한다.
양성자 교환 막(22, 42)은 전기화학 전지의 작동 조건 하에 고체인 전해질(electrolyte)을 포함할 수 있다. 상기 막(22, 42)의 제작을 위한 유용한 재료는 이오노머, 양성자 전도성 이오노머 및 이온 교환 수지를 포함한다. 양성자 전도성 물질로 유용한 이온 교환 수지는 하이드로카본- 및 플루오로카본-타입 수지를 포함한다. 플루오로카본-타입 수지는 통상적으로 할로겐, 강산, 및 염기에 의한 산화에 우수한 내성을 나타낸다. 술폰산기를 갖는 플루오로카본-타입 수지 중 하나의 종류(family)는 NAFION®수지(E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del. 으로부터 상업적으로 입수 가능)이다.
애노드(23, 43) 및 캐소드(24, 44)는 필요한 전기화학 반응(예를 들어, 수소 가스의 해리(dissociation))을 수행하기에 적합한 촉매 물질으로부터 제조될 수 있다. 적합한 촉매 물질은, 이에 제한되지는 않으나, 백금, 팔라듐, 로듐, 카본, 금(gold), 탄탈륨, 텅스텐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 이들의 합금 등, 뿐만 아니라 전술한 물질들의 조합들을 포함한다. 애노드(23, 43) 및 캐소드(24, 44)는 그들 각각의 양성자 교환 막(22, 52)에 인접하게, 바람직하게는 접촉하여 위치하고, 다공성 기재(porous substrate) 상에 흡착된 분리된(discrete) 촉매 입자들을 포함하는 구조에 의해 한정될 수 있다. 기재 상에 촉매 입자들의 부착은, 이에 제한되지는 않으나, 분무(spraying), 침지(dipping), 페인팅(painting), 흡수(imbibing), 증착(vapor depositing), 전술한 방법들의 조합들 등을 포함하는 임의의 방법에 의할 수 있다. 대안적으로, 촉매 입자들은 양성자 교환 막(22, 42)의 양 면(opposing sides) 상에 또는 지지 부재(support member) 상에 직접적으로 부착될 수 있다.
설명의 편의를 위해, 상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택은 단일 전지(single cell)로서 도 1에 각각 보여준다. 물론 도 1에 보여진 시스템은 제1 전기화학 전지(20) 대신에 제1 전지 스택 및 제2 전기화학 전지(40) 대신에 제2 전지 스택을 가질 수 있다는 것이 이해된다. 개별적인 전기화학 전지는 스택의 모듈로 배치될 수 있고, 상호연결 부재(interconnect)에 의해 분리되는데, 이 때 상호연결 부재는 유동장 구조체를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 전지 사이의 전기적 연결부을 제공함으로써 상기 스택에 전류 흐름을 제공할 수 있다. 통상적으로, PEM 전기분해 스택 내의 전지들은 전기적으로 직렬로 연결되고, 유체 유동이, 스택 유입부 및 유출부와 유체 연통되는 헤더 통로(header passage)에 의하여, 스택으로부터 수집되거나 스택 내로 분산된다. 각각의 전기화학 전지 또는 스택이 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 추가의 구성 요소들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 상기 추가의 구성 요소들은, 예를 들어, 가스 확산층(gas diffusion layer), 집전체(current collector) 등을 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 제1 및 제2 전기화학 전지(20, 40)와 통신(예를 들어, 전기적 신호를 통해)하는 컨트롤러(70)를 포함하는데, 구체적인 예를 들면, 컨트롤러(70)는 전원 공급기(28, 35) 및 다른 공정 제어 성분(예를 들어, 밸브(75))과 통신한다. 상기 밸브(75)는, 양성자 교환 막(22, 52)을 통한 양성자의 흐름에 의해 물 공급원(54)으로부터 물 공급원(32)으로 전달된 물을 보충하기 위해, 물 공급원(32)으로부터 물 공급원(54)으로 물을 이동시키도록 열릴 수 있다. 상기 컨트롤러는 수소 요구 신호(hydrogen demand signal) 뿐만 아니라 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 유입부(68)에서 이용가능하다는 정보(예를 들어 압력 센서로부터의 정보) 및/또는 상기 제1 전기화학 전지에 의해 생성된 수소 가스의 양 또는 압력과 같은 다른 입력들(inputs)을 수신하도록 구성(예를 들어, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 프로그래밍을 통해)된다. 수소 요구 신호를 생성하기 위한 기준은, 도 1의 수소 분위기 열 처리 공정과 같이, 수행되는 수소 소모 작업의 구체적인 수요에 따라 달라질 것이다. 일부 예시적인 구현예에서, 상기 제1 전기화학 전지는 애노드 및 캐소드 사이에 인가되는 고정 또는 정전압(fixed or constant voltage)을 갖는다. 공급 스트림에 수소가 존재하지 않거나, 전류가 흐르지 않을 경우, 상기 제1 전기화학 전지의 전력 소모(power consumption) 및 작동은 상관적으로 자체 조절(self-regulating)된다. H2 수요의 부족양(balance)은 제1 전기화학 전지가 최대 용량으로 작동될 때 결정되는 제1 전기화학 전지의 총 전지-암페어(Amps)를 측정함으로써 적어도 부분적으로 결정될 수 있고, 제2 전지에 의해 보충된다. 상기 수소 요구 신호가 0보다 크고 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 충분한 양으로 이용가능하지 않을 때, 상기 컨트롤러는, 상기 전원 공급기(35)가 상기 애노드(44) 및 상기 캐소드(43) 사이에 전위(electrical potential)를 인가시키도록 함으로써, 뿐만 아니라, 다른 공정 장치(예를 들어, 펌프, 밸브, 압축기(66) 등)가 물 유입부(57)에 물 공급을 제공하고, 공정 사용(예를 들어, 수소 분위기 열 처리 공정(62))을 위하여 수소를 전달시키도록 함으로써, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시킬 것이다.
상기 수소 요구 신호가 0 보다 크고 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능할 때, 상기 컨트롤러는, 상기 전원 공급기(28)가 상기 애노드(24) 및 상기 캐소드(23) 사이에 전위(electrical potential)를 인가시키도록 함으로써, 뿐만 아니라, 다른 공정 장치가 유입부(60)에 제1 가스 공급을 제공하고 공정 사용을 위해 수소를 전달시키도록 함으로써, 1차 수소 공급원으로서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택(20)을 작동시킬 것이다. 이러한 작동 모드에서, 상기 컨트롤러는, 수소 요구 신호 및/또는 제1 전기화학 전지(20)의 수소 유출량에 기초하여, 2차 수소 공급원으로서 상기 제2 전기화학 전지(40)를 제어 가능하게 작동시킬 것이다. 일부 구현예들에서, “상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 1차 수소 공급원으로서 작동시키는 단계” 및 “상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 2차 수소 공급원으로서 제어 가능하게 작동시키는 단계”는 상기 제1 전기화학 전지 또는 스택이 특정 최대 전류(물론 최대 전류의 구체적인 값은 작동 조건에 의존할 수 있음)에서 작동되는 동안, 수소 요구 신호 및/또는 제1 전기화학 전지 또는 스택의 수소 유출량에 기초한 가변적인 유출량에서 상기 제2 전기화학 전지 또는 스택이 작동되는 것을 의미한다. 일부 구현예들에서, 상기 제1 전기화학 전지 스택의 수소 유출량은, 예를 들어, 라인(34)의 압력을 측정함으로써, 명시적으로 얻을 수 있다. 다른 구현예들에서, 상기 제1 전기화학 전지의 수소 유출량은 작동의 경과 시간 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 스택에 공급하는 제1 가스의 용량 및 수소 농도와 같은 다른 공정 조건들에 기초하여 간접적으로 결정될 수 있다.
2차 수소 공급원으로서 상기 제2 전기화학 전지 또는 스택의 작동은 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 가스가 이용가능할 때, 미리 결정된 전류에서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고, 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 수소 유출량에 응답하여 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 오프 상태(off state) 및 온 상태(on state) 사이에서 선택적으로 전환(toggle)시키도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 가스가 이용가능할 때, 미리 결정된 전류에서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고, 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 수소 유출량에 응답하여 가변 전류에서 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택에 인가된 전류는 전환될(toggled)수도 있고 가변적일 수도 있다.
상기 제2 전기화학 전지 또는 스택이 전환되는 경우 단순화된 공정 제어 방식(scheme)(100)에 대한 흐름도는 도 2에 도시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템 시작(105) 후, 이 공정(100)은 조회 블록(110)으로 진행하고, 여기서 수소 요구 신호가 0보다 큰지 여부를 결정한다. 만약 조회 결과가 ‘아니오’인 경우, 상기 공정 제어가 블록(115)으로 이동하고, 여기서 상기 제1 전지/스택 및 상기 제2 전지/스택이 오프(또는 대기) 상태로 설정되고, 상기 공정 제어 루프는 조회 블록(110)으로 되돌아간다. 만약 조회 블록(110)의 결과가 ‘예’인 경우, 상기 공정 제어는 조회 블록(120)으로 진행하고, 여기서 수소를 포함하는 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지/스택에 공급되도록 이용가능한지의 여부를 결정한다. 만약 조회 블록(120)의 결과가 ‘아니오’인 경우, 상기 공정 제어가 블록(125)으로 진행하고, 여기서 상기 제1 전지/스택이 오프(또는 대기) 상태로 설정되고, 상기 제2 전지/스택이 온 상태로 설정되고, 상기 공정 제어 루프는 조회 블록(110)으로 되돌아간다. 만약 조회 블록(120)의 결과가 ‘예’인 경우, 상기 공정 제어가 조회 블록(130)으로 진행하고, 여기서 상기 수소 요구 신호 및/또는 제1 전기화학 전지/스택의 수소 유출량이, 제2 전기화학 전지/스택의 활성화를 위한 수준(들)인지 여부를 결정한다. 이런 결정을 하는데 사용되는 구체적인 기준(예를 들어, 신호 수준들(signal levels))은 물론 공정 디자인 및 요구 조건의 상세한 내용에 따라 변화할 것이지만, 일반적으로는, 상기 제2 전기화학 전지/스택이 상기 제1 전기화학 전지/스택의 수소 유출량이 수소 요구를 만족하기에 충분하지 않은 경우 활성화되도록 특정될 것이다. 조회 블록(130)의 결과가 ‘아니오’인 경우, 상기 공정 제어가 블록(135)으로 진행하고, 여기서 상기 제1 전지/스택은 온 상태로 설정되고, 상기 제2 전지/스택은 오프(또는 대기) 상태로 설정된다. 조회 블록(130)의 결과가 '예'인 경우, 상기 공정 제어가 블록(140)으로 진행하고, 여기서 상기 제1 및 제2 전기화학 전지/스택 모두는 온 상태로 설정된다.
본 명세서에 기술된 예시적인 구현예들은, 종래에 사용되던, 구입한 수소의 저장 또는 현장(on-site) PEM 전기 분해 수소 시스템보다 훨씬 저렴한 비용으로 수소를 제공할 수 있다. 추가적으로, 상기 기술된 현장 전기 분해 수소 시스템에 의해 직면하는 최대 부하 크기결정(peak load sizing) 문제는 완화되는데, 이는, 수소 분위기 열 처리 공정과 같은 공정으로부터의 수소 요구의 수준이 높을수록 더 큰 수준의 수소-함유 제1 가스가 생성될 것이고, 이에 수반하여, 상기 제1 전기화학 전지/스택으로부터의 수소 생성 수준이 높아지기 때문이다. 상기 제1 전기화학 전지/스택으로부터 이러한 더 높은 수준의 수소 생성은, 종래의 현장 PEM 전기 분해 수소 시스템에 있어서 PEM 전해기로부터의 수소 생성을 보충하는데 종종 요구되는 다량의 보충 수소의 저장에 대한 필요성을 상쇄할 수 있으므로, 더 작은 수소 저장 버퍼(hydrogen storage buffer)가 대신 사용될 수 있다.
물론, 상기 언급한 바에 따르면, 도 1에 도시된 시스템은 예시적이고, 본 발명에 따른 시스템은 다양한 다른 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 제1 스택들이 병렬로 배치되고/되거나, 다수의 제2 스택들이 병렬로 배치되어 추가의 용량을 제공할 수 있다. 다수의 제1 스택들이 직렬로 배치되고/되거나, 다수의 제2 스택들이 직렬로 배치되어 더 큰 수소 압력 유출량 및/또는 순도를 제공할 수 있다. 또한, 실제 물리적 전기화학 전지 또는 스택은, 작동 파라미터에 의존하여, 상기 제1 전기화학 전지 또는 스택의 기능(즉, 수소 농도)을 수행하는 것 및 상기 제2 전기화학 전지 또는 스택의 기능(즉, 전기 분해)를 수행하는 것 사이에서 전환될 수 있다. 예를 들어, 수소가 전기화학 전지 또는 스택에 간헐적으로 공급될 수 있는데, 이 전기화학 전지 또는 스택은, 그렇지 않으면, 전기 분해 전지 또는 스택으로서 기능하게 된다. 일부 구현예들에서, PEM 전기화학 압축기는 종래 압축기(66) 대신에 사용될 수 있거나, 상기 제1 및 제2 전기화학 전지/스택(20, 40) 중 하나 또는 모두가 원하는 압력을 제공하기 위해 PEM 압축기 기능(functionality)을 포함하도록 구성될 수 있고, 따라서 선택적인 압축기(66)가 필요하지 않다. 또한, 상기 언급한 바와 같이, 도관(65)의 하류에 있는 수소 저장 버퍼는 시스템 내에 포함되거나, 또는 시스템의 외부에 있는 수소 소비 공정의 일부로서 포함될 수 있다. 뿐만 아니라, 통상의 기술 범위 내에서의 다른 변경 및/또는 추가가 이루어질 수 있다.
제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 물 유입부는 제2 막 전극 접합체의 애노드 측과 유체 연통되고, 상기 시스템은 제1 용량(volume)의 물을 더 포함하고, 상기 제1 용량의 물은 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 물 유입부와 유체 연통되고, 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통될 수 있다.
상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 물 유입부는 상기 제2 막 전극 접합체의 애노드 측과 유체 연통되고, 및 제1 용량의 물은 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 물 유입부와 유체 연통되고, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 양성자 교환 막의 애노드 측과 유체 연통될 수 있다.
본 발명은 한정된 수의 구현예들과 관련하여 상세하게 기술되었지만, 이는 본 발명을 쉽게 이해하기 위한 것이고 이러한 개시된 구현예들에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명은 지금까지 기술되지 않았으나, 본 발명의 사상 및 범위에 상응하는 임의의 수의 변화, 변경, 치환 또는 균등한 구성들을 포함하도록 변형될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 구현예들이 기술되었지만, 본 발명의 측면들은 오직 기술된 구현예들의 일부를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 것으로 간주되어서는 안되고, 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (32)

  1. 수소를 제공하는 시스템으로서, 상기 시스템은:
    양성자 교환 막(proton exchange membrane)에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제1 막 전극 접합체(membrane electrode assembly), 수소를 포함하는 제1 가스를 위한 유입부, 및 유출부를 포함하는 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택으로서, 상기 유입부는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통(fluid communication)되고, 상기 유출부는 상기 제1 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는, 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택;
    양성자 교환 막에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2 막 전극 접합체, 상기 제2 막 전극 접합체와 유체 연통되는 물 유입부, 및 상기 제2 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택; 및
    수소 요구 신호를 수신하도록 구성된, 상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택과 통신하는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 컨트롤러는,
    (i) 상기 수소 요구 신호가 0 초과이고, 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능하지 않을 때, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고,
    (ii) 상기 수소 요구 신호가 0 초과이고, 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능할 때, 1차 수소 공급원으로서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고, 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 수소 유출량(output)에 응답하여, 2차 수소 공급원으로서 상기 제2 전기화학 전지 또는 전기 스택을 제어 가능하게 작동시키는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 가스가 이용가능할 때 미리 결정된 전류에서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키도록, 그리고, 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 수소 유출량에 응답하여 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 오프 상태(off state) 및 온 상태(on state) 사이에서 선택적으로 전환(toggle)시키도록 구성된, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 제1 가스가 이용가능할 때 미리 결정된 전류에서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키도록, 그리고, 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 수소 유출량에 응답하여 가변 전류(variable current)에서 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키도록 구성된, 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 물 유입부는 상기 제2 막 전극 접합체의 애노드 측과 유체 연통되고, 상기 시스템은 제1 용량(volume)의 물을 더 포함하고, 상기 제1 용량의 물은 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 물 유입부와 유체 연통되고, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통되는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전기화학 전지 또는 스택의 캐소드 측 및 상기 제2 전기화학 전지 또는 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는 제2 용량의 물을 더 포함하는 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 각각의 상기 양성자 교환 막이 이오노머를 포함하는 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 각각의 상기 양성자 교환 막이 술폰산기를 갖는 플루오로카본 수지를 포함하는 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 유출부와 유체 연통되는 유입부를 갖는 압축기(compressor)를 더 포함하는 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 수소 유출량은 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 유출부의 가스 압력에 의해 표시되고, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택은 상기 가스 압력에 응답하여 제어 가능하게 작동되는, 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 유출부의 하류에 있는 수소 스트림에 위치하는 압력 스위치 또는 센서; 및, 상기 압력 스위치 또는 센서의 하류에 위치하는 압력 조절기;를 더 포함하는 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 제1 가스를 위한 유입부 및 유출부를 포함하는 하나 이상의 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 더 포함하고, 상기 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 유입부는 상기 하나 이상의 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통되고, 상기 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 유출부는 상기 하나 이상의 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는, 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시스템은 물 유입부 및 유출부를 포함하는 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 물 유입부는 상기 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택과 유체 연통되고, 상기 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 유출부는 상기 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는, 시스템.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 가스는 수소 이외의 하나 이상의 가스 성분을 더 포함하는, 시스템.
  15. 제1항의 시스템을 사용하여 하기의 단계를 포함하는 수소를 제공하는 방법:
    상기 수소 요구 신호를 수신하는 단계;
    상기 수소 요구 신호가 0 초과이고 수소를 포함하는 제1 가스가 이용가능할 때, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택으로서, 상기 양성자 교환 막에 의해 분리되는 상기 캐소드 및 상기 애노드를 포함하는 상기 제1 막 전극 접합체, 및 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통되는 상기 제1 가스를 위한 상기 유입부를 포함하는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시켜서, 상기 제1 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 상기 유출부에서 수소를 제공하고, 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 수소 유출량에 응답하여, 상기 양성자 교환 막에 의해 분리되는 상기 캐소드 및 상기 애노드를 포함하는 상기 제2 막 전극 접합체, 및 상기 제2 막 전극 접합체와 유체 연통되는 상기 물 유입부를 포함하는 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 제어 가능하게 작동시켜서, 상기 제2 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 상기 유출부에서 수소를 제공하는 단계; 및
    상기 수소 요구 신호가 0 초과이고 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능하지 않을 때, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시켜 상기 제2 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 상기 유출부에서 수소를 제공하는 단계.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 제1 가스가 이용가능할 때, 미리 결정된 전류에서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키는 단계, 및 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 수소 유출량에 응답하여, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 컨트롤러를 통하여 오프 상태 및 온 상태 사이에서 전환시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 가스가 이용가능할 때, 미리 결정된 전류에서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고, 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 수소 유출량에 응답하여, 가변 전류에서 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키는, 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 물 유입부는 상기 제2 막 전극 접합체의 상기 애노드 측과 유체 연통되고, 및 제1 용량의 물은 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 물 유입부와 유체 연통되고, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 양성자 교환 막의 애노드 측과 유체 연통되는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    제2 용량의 물은 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 양성자 교환 막의 캐소드 측 및 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 양성자 교환 막의 캐소드 측과 유체 연통되는, 방법.
  20. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 각각의 상기 양성자 교환 막이 이오노머를 포함하는, 방법.
  21. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 각각의 상기 양성자 교환 막이 술폰산기를 갖는 플루오로카본 수지를 포함하는, 방법.
  22. 삭제
  23. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 유출부로부터 수소를 압축하는 단계를 더 포함하는 방법.
  24. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 유출부의 가스 압력으로부터 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 수소 유출량을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택은 상기 가스 압력에 응답하여 제어 가능하게 작동되는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    수소 스트림의 압력 스위치 또는 센서는 상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택 유출부의 하류에 배치되고, 압력 조절기는 상기 압력 스위치 또는 센서의 하류에 배치되는, 방법.
  26. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택으로서,
    상기 하나 이상의 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통되는 상기 제1 가스를 위한 유입부 및 상기 하나 이상의 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 갖는 하나 이상의 추가 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택으로서,
    상기 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택과 유체 연통되는 물 유입부 및 상기 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 갖는 하나 이상의 추가 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  28. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가스는 수소 이외의 하나 이상의 가스 성분을 더 포함하는, 방법.
  29. 하기를 포함하는 수소를 제공하는 시스템:
    제1 전기화학 전지 또는 전지 스택으로서, 양성자 교환 막에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제1 막 전극 접합체, 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 애노드 측과 유체 연통되는 수소를 포함하는 제1 가스를 위한 유입부, 및 상기 제1 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택;
    양성자 교환 막에 의해 분리되는 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2 막 전극 접합체, 상기 제2 막 전극 접합체의 애노드 측과 유체 연통되는 물 유입부, 및 상기 제2 막 전극 접합체의 캐소드 측과 유체 연통되는 유출부를 포함하는 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택;
    상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 물 유입부와 유체 연통되고 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 상기 양성자 교환 막의 애노드 측과 유체 연통되는 제1 용량의 물, 또는 상기 제1 막 전극 접합체의 상기 캐소드 측 및 상기 제2 막 전극 접합체의 상기 캐소드 측과 유체 연통되는 제2 용량의 물; 및
    수소 요구 신호를 수신하도록 구성된, 상기 제1 및 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택과 통신하는 컨트롤러로서,
    (i) 상기 수소 요구 신호가 0 초과이고, 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능하지 않을 때, 상기 제2 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고,
    (ii) 상기 수소 요구 신호가 0 초과이고, 상기 제1 가스가 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택 유입부에서 이용가능할 때, 1차 수소 공급원으로서 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택을 작동시키고, 상기 수소 요구 신호 및/또는 상기 제1 전기화학 전지 또는 전지 스택의 수소 유출량(output)에 응답하여, 2차 수소 공급원으로서 상기 제2 전기화학 전지 또는 전기 스택을 제어 가능하게 작동시키는 컨트롤러.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 제1 용량의 물을 포함하는 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 제2 용량의 물을 포함하는 시스템.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 제1 용량의 물 및 상기 제2 용량의 물을 포함하는 시스템.
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