JP6935757B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。 The techniques disclosed herein relate to fuel cell systems.
特許文献1に、燃料電池システムが開示されている。その燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、調圧弁と、バイパス流路と、バイパス弁と、圧力センサと、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気(酸素)を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。調圧弁は、燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開く。圧力センサは、空気供給流路に設けられている。コントローラは、圧力センサの計測値が目標空気圧に一致するように、調圧弁とコンプレッサの一方を制御する。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell stack, a compressor, an air supply flow path, a pressure regulating valve, a bypass flow path, a bypass valve, a pressure sensor, and a controller. The compressor sends air (oxygen) to the fuel cell stack. The air supply flow path guides the air discharged by the compressor to the fuel cell stack. The pressure regulating valve is provided in a discharge flow path for discharging residual air from the fuel cell stack. The bypass flow path branches from the middle of the air supply flow path, and guides the air discharged by the compressor to the discharge flow path without passing through the fuel cell stack. The bypass valve is provided in the bypass flow path and opens when the pressure on the upstream side exceeds the set pressure. The pressure sensor is provided in the air supply flow path. The controller controls one of the pressure regulating valve and the compressor so that the measured value of the pressure sensor matches the target air pressure.
本明細書が開示する技術は、バイパス弁を使って圧力センサの異常を検知する機能を備えた燃料電池システムを提供する。 The technology disclosed herein provides a fuel cell system with the ability to detect anomalies in pressure sensors using bypass valves.
本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、排出流路と、圧力センサと、バイパス流路と、バイパス弁と、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。圧力センサは、空気供給流路の圧力を計測する。排出流路は、燃料電池スタックから残留空気を排出する。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧以上になると開くように構成されている。コントローラは、コンプレッサを制御する。コントローラは、圧力センサをチェックするため、バイパス弁が開くまでコンプレッサを駆動する。そしてコントローラは、バイパス弁が開いたときの圧力センサの計測値と設定圧の圧力差が所定の圧力差閾値よりも大きい場合に異常を通知する信号を出力する。なお、圧力差は、圧力センサの計測値と設定圧の圧力差の絶対値を用いる。 The fuel cell system disclosed herein includes a fuel cell stack, a compressor, an air supply flow path, a discharge flow path, a pressure sensor, a bypass flow path, a bypass valve, and a controller. The compressor sends air to the fuel cell stack. The air supply flow path guides the air discharged by the compressor to the fuel cell stack. The pressure sensor measures the pressure in the air supply flow path. The discharge channel discharges residual air from the fuel cell stack. The bypass flow path branches from the middle of the air supply flow path, and guides the air discharged by the compressor to the discharge flow path without passing through the fuel cell stack. The bypass valve is provided in the bypass flow path and is configured to open when the pressure on the upstream side exceeds the set pressure. The controller controls the compressor. The controller drives the compressor until the bypass valve opens to check the pressure sensor. Then, the controller outputs a signal for notifying an abnormality when the pressure difference between the measured value of the pressure sensor and the set pressure when the bypass valve is opened is larger than a predetermined pressure difference threshold value. For the pressure difference, the absolute value of the pressure difference between the measured value of the pressure sensor and the set pressure is used.
バイパス弁が開いたとき、空気供給流路の圧力は設定圧に等しい。従って、バイパス弁が開いたとき、圧力センサの計測値と設定圧との圧力差は、空気供給流路の実際の圧力と計測値の圧力差に等しい。別言すれば、圧力センサの計測値と設定圧の圧力差は、圧力センサの計測誤差に等しい。コントローラは、バイパス弁が開いたときの圧力センサの計測値と設定圧の圧力差、即ち計測誤差が所定の圧力差閾値よりも大きい場合、圧力センサの異常を通知する信号を出力する。この燃料電池システムは、バイパス弁を圧力センサの異常検知に用いることができる。 When the bypass valve opens, the pressure in the air supply flow path is equal to the set pressure. Therefore, when the bypass valve is opened, the pressure difference between the measured value of the pressure sensor and the set pressure is equal to the pressure difference between the actual pressure of the air supply flow path and the measured value. In other words, the pressure difference between the measured value of the pressure sensor and the set pressure is equal to the measurement error of the pressure sensor. When the pressure difference between the measured value of the pressure sensor and the set pressure when the bypass valve is opened, that is, the measurement error is larger than a predetermined pressure difference threshold value, the controller outputs a signal notifying the abnormality of the pressure sensor. In this fuel cell system, the bypass valve can be used for anomaly detection of the pressure sensor.
圧力センサの計測値と設定圧との圧力差が圧力差閾値よりも小さかった場合には、コントローラは、圧力センサの計測値を補正して用いることも好適である。具体的には、コントローラは、圧力差が圧力差閾値よりも小さい場合、圧力差に基づいて圧力センサの計測値を補正する。コントローラは、補正後の計測値が、燃料電池スタックへ供給すべき空気の目標空気圧に一致するようにコンプレッサを制御する。この燃料電池システムは、圧力センサの計測値を補正することによって、適切な圧力の空気を燃料電池スタックに供給することができる。 When the pressure difference between the measured value of the pressure sensor and the set pressure is smaller than the pressure difference threshold value, it is also preferable that the controller corrects the measured value of the pressure sensor and uses it. Specifically, when the pressure difference is smaller than the pressure difference threshold value, the controller corrects the measured value of the pressure sensor based on the pressure difference. The controller controls the compressor so that the corrected measurements match the target air pressure of the air to be supplied to the fuel cell stack. This fuel cell system can supply air of appropriate pressure to the fuel cell stack by correcting the measurement value of the pressure sensor.
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details of the techniques disclosed herein and further improvements will be described in the "Modes for Carrying Out the Invention" below.
図面を参照して実施例の燃料電池システム2を説明する。図1に、燃料電池システム2のブロック図を示す。燃料電池システム2は、燃料電池スタック30にて水素と酸素の電気化学反応により電気を生成する発電システムである。図1における破線は信号線を表している。
The fuel cell system 2 of the embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block diagram of the fuel cell system 2. The fuel cell system 2 is a power generation system that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the
燃料電池システム2は、走行用のモータを有する自動車に搭載されている。自動車は、燃料電池システム2で発電した電力でモータを駆動し、走行する。 The fuel cell system 2 is mounted on an automobile having a traveling motor. The automobile runs by driving a motor with the electric power generated by the fuel cell system 2.
実施例の燃料電池スタック30は、セルと呼ばれる多数の発電単位を直列に接続したものである。燃料電池スタック30は、燃料極(アノード)に水素が供給され、空気極(カソード)に酸素(空気)が供給されると発電する。
The
水素は、水素タンク31から水素供給流路32を通じて燃料電池スタック30の燃料極に送られる。水素供給流路32には、封止弁33とインジェクタ34と圧力センサ35が備えられている。封止弁33は、水素タンク31の口を開いたり閉じたりする弁である。燃料電池システム2が停止している間、封止弁33は閉じられている。インジェクタ34は、燃料電池スタック30に供給する水素ガス(燃料ガス)の供給量を調整する弁である。圧力センサ35は、水素供給流路32において、インジェクタ34の下流側に設けられている。圧力センサ35が計測する圧力は、インジェクタ34の下流側の圧力、即ち、燃料電池スタック30の燃料極へ供給される水素の圧力である。
Hydrogen is sent from the
燃料電池スタック30において反応で残った残留水素ガスは、水素排出流路36を通じて燃料電池スタック30から排出される。水素排出流路36は後述する排出流路10に合流している。水素排出流路36には、排出弁11が備えられている。
The residual hydrogen gas remaining in the reaction in the
水素ガスとの反応には、空気に含まれている酸素が用いられる。空気取り入れ口5から取り込んだ空気は、コンプレッサ4で圧縮され、空気供給流路6を通じて燃料電池スタック30の空気極に供給される。水素との反応で残った残留空気は、排出流路10を通じて大気へ排出される。排出流路10の途中には調圧弁9が備えられている。排出流路10の下流にはマフラ12が接続されている。空気供給流路6には、圧力センサ13と封止弁15が備えられている。
Oxygen contained in air is used for the reaction with hydrogen gas. The air taken in from the air intake port 5 is compressed by the compressor 4 and supplied to the air electrode of the
空気供給流路6の途中にバイパス流路8が接続されている。バイパス流路8は、空気供給流路6の途中から分岐し、排出流路10に接続している。バイパス流路8は、コンプレッサ4が圧縮した空気を、燃料電池スタック30を通さずに排出流路10へ導く。バイパス流路8の途中にバイパス弁20が備えられている。また、バイパス弁20には、弁の開状態と閉状態を検知する弁センサ7が備えられている。
A bypass flow path 8 is connected in the middle of the air supply flow path 6. The bypass flow path 8 branches from the middle of the air supply flow path 6 and is connected to the
コンプレッサ4、封止弁15、封止弁33、インジェクタ34、調圧弁9、排出弁11、バイパス弁20は、コントローラ3によって制御される。コントローラ3は、燃料電池スタック30の目標出力から水素ガスの圧力(目標水素圧)を決定する。コントローラ3は、燃料電池システム2のメインスイッチが入れられると、封止弁33を開き、燃料電池スタック30への水素ガスの供給を開始する。コントローラ3は、燃料電池スタック30に供給される水素ガスの圧力が、決定した目標水素圧に一致するようにインジェクタ34を制御する。コントローラ3は、インジェクタ34の下流に設けられている圧力センサ35の計測値をフィードバックし、燃料電池スタック30に供給される水素ガスの圧力が、目標水素圧に一致するようにインジェクタ34を制御する。
The compressor 4, the sealing
また、コントローラ3は、封止弁15を開き、空気を燃料電池スタック30へ供給できるようにする。コントローラ3は、燃料電池スタック30の内部での水素ガスと空気の圧力が等しくなるように、燃料電池スタック30に供給する空気の圧力(目標空気圧)を決定する。水素ガスの圧力と空気の圧力に差があると、燃料電池スタック30の劣化が進んでしまうからである。コントローラ3は、燃料電池スタック30に供給される空気圧(即ち、空気供給流路6の圧力)が目標空気圧に一致するように、コンプレッサ4と調圧弁9の少なくとも一方を制御する。コントローラ3は、空気供給流路6に設けられている圧力センサ13の計測値をフィードバックし、燃料電池スタック30に供給される空気の圧力(即ち、空気供給流路6の圧力)が、目標空気圧に一致するようにコンプレッサ4を制御する。なお、コントローラ3は、空気供給流路6の圧力が目標空気圧に一致するように、コンプレッサ4とともに調圧弁9を(あるいは調圧弁9のみを)制御してもよい。
Further, the controller 3 opens the sealing
反応で残った空気は排出流路10とマフラ12を通じて大気に放出される。コントローラ3は、排出弁11を制御し、反応で残った水素ガスを適度な割合で排出流路10に流し、残留空気と混合し、マフラ12を通じて排出する。
The air remaining in the reaction is released into the atmosphere through the
バイパス弁20を備えるバイパス流路8には、2つの役割がある。ひとつは、燃料電池スタック30を停止した後、高圧空気を、燃料電池スタック30を通さずにマフラ12に送り、マフラ12に残った水分を排出することである。もうひとつは、空気供給流路6の圧力が過度に高くなったときに内圧を下げるリリーフ弁としての役割である。
The bypass flow path 8 provided with the
さらに、本実施例の燃料電池システム2では、バイパス弁20を、圧力センサ13のチェック用にも利用する。バイパス弁20の上流は空気供給流路6につながっており、バイパス弁20の上流側の圧力は空気供給流路6の圧力に等しい。燃料電池システム2では、バイパス弁20の設定圧に所定の圧力値を設定し、バイパス弁が開いたときの圧力センサ13の計測値と設定圧から、圧力センサ13が適切に動作しているか否かをチェックする。
Further, in the fuel cell system 2 of this embodiment, the
図2に、バイパス弁20の一例の模式的構造を示す。バイパス弁20は、上流28の側の圧力(上流圧)が設定圧を超えると弁21が開くようになっている。弁21の回転軸にはモータ22が取り付けられている。また、弁21にはバネ23が取り付けられている。バネ23は、弁21をストッパ24に向けて付勢する。弁21がストッパ24に押し当てられた状態が、弁21が閉じている状態である。モータ22は、弁21に対して、開弁方向のトルクを加える。バネ23が弁21に加えるトルク(バネトルク)から、モータ22が弁21に加えるトルク(モータトルク)を差し引いたトルクが、弁21を閉状態に保持する保持トルクに相当する。上流圧が保持トルクを上回ると、弁21が開く。即ち、保持トルクが、バイパス弁20の設定圧に相当する。モータトルクを調整することで、バイパス弁20の設定圧を変更することができる。即ち、バイパス弁20は、上流28の側の圧力が設定圧を超えると開く弁であり、その設定圧が変更可能である。
FIG. 2 shows a schematic structure of an example of the
バイパス弁20は、上流圧が設定圧を超えているとき、上流圧が大きくなるにつれて弁21の開度が大きくなるように構成されている。バイパス弁20には、弁21が閉状態であるか、開状態であるかを検知する弁センサ7が付随しており、弁センサ7の検知結果はコントローラ3に送られる。
The
コントローラ3は、バイパス弁20を使って圧力センサ13の状態をチェックする。次に、コントローラ3が実行する圧力センサチェック処理を説明する。図3と図4に、圧力センサチェック処理のフローチャートを示す。図3、図4の処理は、例えば、燃料電池システム2を起動するとき、あるいは、停止するときに実施される。なお、後に、燃料電池スタック30の発電中に実行することができる圧力センサチェック処理についても言及する。
The controller 3 uses the
まず、コントローラ3は、適当な設定圧を決定する(ステップS3)。設定圧は、例えば、燃料電池スタック30の発電中によく採用される目標空気圧であってよい。次にコントローラ3は、決定された設定圧がバイパス弁20で実現されるように、モータ22を駆動する(ステップS4)。そして、コントローラ3は、バイパス弁20が開くまで、コンプレッサ4を駆動する(ステップS5、S6:NO、S5)。コンプレッサ4の制御パラメータは、回転数であってもよいし、消費電力であってもよいし、空気吐出量であってもよい。また、先に述べたように、コントローラ3は、弁センサ7からの情報により、バイパス弁20が開いたか否かを検知することができる。また、このとき、封止弁15は閉じておく。
First, the controller 3 determines an appropriate set pressure (step S3). The set pressure may be, for example, a target air pressure often adopted during power generation of the
バイパス弁20が開いたら(ステップS6:YES)、コントローラ3は、圧力センサ13の計測値と、バイパス弁20の設定圧との圧力差を、所定の圧力差閾値と比較する(ステップS7)。ここでの圧力差とは、圧力センサ13の計測値と設定圧との圧力差の絶対値を意味する。以下、圧力センサ13の計測値と設定圧との圧力差を圧力差dPsと称し、所定の圧力差閾値を圧力差閾値dPtと称する。圧力差dPsは、圧力センサ13の計測値と設定圧との圧力差の絶対値で与えられる。圧力差閾値dPtは、例えば20[kPa]に設定される。
When the
バイパス弁20が開いたということは、そのときの空気供給流路6の実際の圧力が設定圧に等しいことを意味する。そのときの圧力センサ13の計測値が設定圧からずれているということは、圧力センサ13の計測値が正確ではないことを意味する。圧力差dPsが、空気供給流路6の実際の圧力と圧力センサ13の計測値との差(誤差)に相当する。圧力差dPsが圧力差閾値dPtよりも大きい場合、即ち、計測値の誤差が圧力差閾値dPtよりも大きい場合は、コントローラ3は、圧力センサ13の計測値が全く使えないと判断し、異常を通知する信号を出力する(ステップS7:YES、ステップS8)。異常を通知する信号は、例えば、コントローラ3に接続されている表示装置14に送られる。信号を受けた表示装置14は、圧力センサ13で異常が発生したことを知らせるメッセージを表示する。
The fact that the
一方、圧力差dPsが圧力差閾値dPtよりも小さい場合、コントローラ3は、圧力差dPsを補正用オフセットとして記憶する(ステップS7:NO、S9)。コントローラ3は、燃料電池スタック30へ空気を送る際、圧力センサ13の計測値に補正用オフセットを加算した値を圧力センサ13の補正値として用いる。なお、補正用オフセットとして用いる圧力差dPsは、「設定圧−計測値」であり、この場合は正負の符号を含めて用いる。即ち、計測値よりも設定圧が大きい場合は、オフセットは正値となり、計測値よりも設定圧が小さい場合は、オフセットは負値となる。
On the other hand, when the pressure difference dPs is smaller than the pressure difference threshold dPt, the controller 3 stores the pressure difference dPs as a correction offset (step S7: NO, S9). When sending air to the
コントローラ3は、燃料電池スタック30で発電する際、圧力センサ13の計測値の補正値(計測値+オフセットdPs)が目標空気圧に一致するようにコンプレッサ4を制御する。補正用オフセットを採用することで、燃料電池スタック30へ送る空気の圧力を正確に制御することができるようになる。燃料電池システム2は、バイパス弁20を使って、圧力センサ13の計測値が適正であるか否かをチェックすることができる。
When the
図3のステップS9の後、補正用オフセットが適切か否かをチェックする処理を追加することも好適である。コントローラ3は、ステップS9でオフセットを設定した後、バイパス弁20を全開状態にする。あるいは、コントローラ3は、封止弁15と調圧弁9を全開状態にする。すなわち、空気供給流路6の圧力を大気圧と等しくする。そして、コントローラ3は、圧力センサ13の計測値に補正用オフセットを加えた値が、大気圧に等しいか否かをチェックする。補正後の計測値が大気圧に等しければ、補正用オフセットが適切であることが確認できる。
After step S9 in FIG. 3, it is also preferable to add a process for checking whether or not the correction offset is appropriate. After setting the offset in step S9, the controller 3 sets the
燃料電池スタック30の動作中に圧力センサ13をチェックする方法について説明する。先に述べたように、コントローラ3は、燃料電池スタック30の内部での水素ガスと空気の圧力が等しくなるように、燃料電池スタック30に供給する空気の圧力(目標空気圧)を決定する。そして、コントローラ3は、圧力センサ13の計測値(補正後の計測値)を使って、空気供給流路6の圧力が目標空気圧に一致するようにコンプレッサ4を駆動する。このとき、バイパス弁20の設定圧を、目標空気圧にマージンを加えた値に設定しておく。コントローラ3、バイパス弁20の上流側の圧力が設定圧になると開くように、モータ22を制御する。
A method of checking the
コントローラ3は、燃料電池スタック30の動作中にバイパス弁20が開いたら、そのときの圧力センサ13の計測値を設定圧(即ち、目標空気圧+マージン)と比較する。コントローラ3は、計測値と設定圧の圧力差(絶対値)が圧力差閾値よりも大きい場合、圧力センサ13で異常が生じていることを示す信号を出力する。信号は表示装置14に送られる。信号を受けた表示装置4は、圧力センサ13で異常が生じている旨を示すメッセージを表示する。また、コントローラ3は、直ちにコンプレッサ4を停止し、封止弁15、33を閉じる。即ち、燃料電池スタック30での発電を停止する。
When the
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図2で示した構造は、バイパス弁20の一例である。バイパス弁20の構造は、図2の構造に限られるものではない。バイパス弁20は、設定値を超える圧力が加わったときに開くことができ、設定値を変更できる構造であればよい。
The points to be noted regarding the technique described in the examples will be described. The structure shown in FIG. 2 is an example of the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described herein or in the drawings exhibit their technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
2:燃料電池システム
3:コントローラ
4:コンプレッサ
5:空気取り入れ口
6:空気供給流路
7:開度センサ
8:バイパス流路
9:調圧弁
10:排出流路
11:排出弁
12:マフラ
13、35:圧力センサ
14:表示装置
15、33:封止弁
20:バイパス弁
21:弁
22:モータ
23:バネ
24:ストッパ
28:上流
30:燃料電池スタック
31:水素タンク
32:水素供給流路
34:インジェクタ
36:水素排出流路
2: Fuel cell system 3: Controller 4: Compressor 5: Air intake port 6: Air supply flow path 7: Opening sensor 8: Bypass flow path 9: Pressure regulating valve 10: Discharge flow path 11: Discharge valve 12:
Claims (1)
前記燃料電池スタックに空気を送るコンプレッサと、
前記コンプレッサが吐出した空気を前記燃料電池スタックへ導く空気供給流路と、
前記燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路と、
前記空気供給流路の圧力を計測する圧力センサと、
前記空気供給流路の途中から分岐しており、前記コンプレッサが吐出した空気を、前記燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導くバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が所定の設定圧以上になると開くバイパス弁と、
前記コンプレッサを制御するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、前記バイパス弁が開くまで前記コンプレッサを駆動し、
前記バイパス弁が開いたときの前記設定圧と前記圧力センサの計測値との圧力差が所定の圧力差閾値よりも大きい場合に前記圧力センサの異常を通知する信号を出力し、
前記圧力差が前記圧力差閾値よりも小さい場合、前記圧力差に基づいて前記圧力センサの計測値を補正し、
補正後の計測値が、燃料電池スタックへ供給すべき空気の目標空気圧に一致するように前記コンプレッサを制御する、燃料電池システム。 With the fuel cell stack,
A compressor that sends air to the fuel cell stack,
An air supply flow path that guides the air discharged by the compressor to the fuel cell stack, and
A discharge channel for discharging residual air from the fuel cell stack, and
A pressure sensor that measures the pressure in the air supply flow path and
A bypass flow path that branches from the middle of the air supply flow path and guides the air discharged by the compressor to the discharge flow path without passing through the fuel cell stack.
A bypass valve provided in the bypass flow path and opened when the pressure on the upstream side exceeds a predetermined set pressure.
The controller that controls the compressor and
Is equipped with
The controller drives the compressor until the bypass valve opens.
When the pressure difference between the set pressure when the bypass valve is opened and the measured value of the pressure sensor is larger than a predetermined pressure difference threshold, a signal notifying the abnormality of the pressure sensor is output.
When the pressure difference is smaller than the pressure difference threshold value, the measured value of the pressure sensor is corrected based on the pressure difference.
A fuel cell system that controls the compressor so that the corrected measurements match the target air pressure of the air to be supplied to the fuel cell stack.
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