JP5892466B2 - Fuel cell device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas.
燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)とを用いて電力を得ることができる複数の燃料電池セルをケーシング内に収容し、それら複数の燃料電池セルに燃料ガスと発電用空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、起動初期時等の低温時において、迅速に昇温し、少しでも早く発電状態に移行することが要求される。その要求に応えるために、燃料ガスと発電用空気を燃焼させ、その燃焼熱を利用して燃料電池セルの昇温を図る燃料電池装置が知られている。その一つとして、特許文献1に開示されている燃料電池装置が挙げられる。 A plurality of fuel cells that can obtain power using fuel gas and power generation air (oxidant gas) are housed in a casing, and fuel gas and power generation air are supplied to the plurality of fuel cells. Various fuel cell devices that generate electricity have been proposed. In such a fuel cell device, it is required that the temperature is quickly raised at a low temperature such as at the initial stage of startup and the power generation state is shifted as soon as possible. In order to meet the demand, there is known a fuel cell device that burns fuel gas and power generation air and raises the temperature of the fuel cell using the combustion heat. One of them is a fuel cell device disclosed in Patent Document 1.
特許文献1に開示された燃料電池装置は、多数の円筒型燃料電池セルが列を成すようにして配置された燃料電池セル集合体の一端側に位置する一の燃料電池セルの先端上方に着火プラグが配置されている。上記一の燃料電池セル内部の燃料ガス流路を経由して、燃料電池セル先端から排出された燃料ガスは、この着火プラグが発した火花により着火され、この着火により生じた上記一の燃料電池セル先端の燃焼炎が、燃料電池セル集合体上部の一端側から他端側に向かって、順次、隣接する燃料電池セル先端から排出された燃料ガスに引火(火移り)していくことで、全ての燃料電池セル先端に燃焼が生じるよう構成されている。 The fuel cell device disclosed in Patent Literature 1 ignites above the tip of one fuel cell located on one end of a fuel cell assembly in which a large number of cylindrical fuel cells are arranged in a row. Plug is in place. The fuel gas discharged from the front end of the fuel cell via the fuel gas flow path inside the one fuel cell is ignited by a spark emitted from the ignition plug, and the one fuel cell generated by the ignition The combustion flame at the tip of the cell ignites (fires) the fuel gas discharged from the tip of the adjacent fuel cell, sequentially from one end to the other end of the upper part of the fuel cell assembly. Combustion occurs at the tip of all fuel cells.
ところが、上記構成においては、燃料電池セル集合体を構成している一部の燃料電池セルの燃料ガス排出部の形状不良や、燃料電池セル集合体へ供給される燃料ガスおよび発電用空気の分散不良等により、一部の燃料電池セルより排出される燃料ガスが所望の方向へ、あるいは、所望の量で排出されず、これによって、燃料電池集合体を構成する一部の燃料電池セルにおいて、燃料電池セルより排出された燃料ガスが、付近に生じている燃焼炎と接触できず、接触により生じる燃焼炎の燃料ガスへの引火が起こらなくなってしまうことがあった。同様に、燃料電池セルの設置角度や燃料電池セル間のピッチのばらつきに起因して、燃料電池セル集合体を構成する一部の燃料電池セルにおいて、引火が起らなくなってしまうことがあった。引火が起こらなくなるということは、つまり、火移りが途中で止まってしまうことであり、火移りが途中で止まってしまうと、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルより排出された未燃の燃料ガスが、燃料電池装置外部に放出されてしまうため、それらの燃料ガスを無駄にしてしまう。また、火移りが途中で止まってしまった場合、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルが存在するため、その分、燃料電池セル集合体に加えられる熱量が減少し、燃料電池装置の昇温速度が低下してしまう。したがって、燃料電池装置が発電可能な温度に達するまでの時間がより長くなってしまう。これは、使用者にとっては大変不便である。 However, in the above configuration, the shape of the fuel gas discharge part of a part of the fuel cells constituting the fuel cell assembly is poor, and the fuel gas supplied to the fuel cell assembly and the power generation air are dispersed. Due to a defect or the like, the fuel gas discharged from some of the fuel cells is not discharged in a desired direction or in a desired amount, whereby in some of the fuel cells constituting the fuel cell assembly, In some cases, the fuel gas discharged from the fuel cell cannot come into contact with the nearby combustion flame, and the combustion flame generated by the contact may not be ignited. Similarly, ignition may not occur in some fuel cells constituting the fuel cell assembly due to variations in the installation angle of the fuel cells and the pitch between the fuel cells. . The fact that ignition does not occur means that the fire transfer stops in the middle, and if the fire transfer stops in the middle, the unburned fuel discharged from the fuel cell that does not burn at the tip. Since the gases are released to the outside of the fuel cell device, these fuel gases are wasted. Also, if the fire transfer stops in the middle, there is a fuel cell that does not burn at the tip, so the amount of heat applied to the fuel cell assembly is reduced, and the temperature of the fuel cell device is increased. The speed will drop. Therefore, the time until the fuel cell device reaches a temperature at which power can be generated becomes longer. This is very inconvenient for the user.
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることが可能な燃料電池装置の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of improving the transferability of a combustion flame during an ignition operation.
本発明に係る燃料電池装置は、一端より燃料ガスを排出する燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルより構成され、略同一平面上から略同一方向へ燃料ガスが排出されるよう燃料電池セルが併設して配置された燃料電池セル集合体と、燃料電池セル集合体を覆うケーシングと、燃料電池セルへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池セルの外周へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、ケーシング内部であって、燃料電池セル外周を経由した酸化剤ガスと燃料電池セルより排出された燃料ガスを燃焼させるよう、燃料電池セルの燃料ガス排出方向側に燃料電池セル集合体に隣接して設けられた燃焼室と、燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火するために火花を発生する着火手段と、を有する燃料電池において、着火手段により火花を発生させる着火動作時に、着火動作前よりも燃焼室内の気体の流れを乱す乱れ増幅手段を有することを特徴とする。 The fuel cell device according to the present invention comprises a fuel cell that discharges fuel gas from one end and a plurality of the fuel cells, so that the fuel gas is discharged in substantially the same direction from substantially the same plane. A fuel cell assembly arranged side by side, a casing covering the fuel cell assembly, a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell, and an oxidant gas to the outer periphery of the fuel cell An oxidant gas supply means, and a fuel in the fuel gas discharge direction side of the fuel cell so that the oxidant gas passing through the outer periphery of the fuel cell and the fuel gas discharged from the fuel cell are burned. Ignition in a fuel cell having a combustion chamber provided adjacent to a battery cell assembly and ignition means for generating a spark to ignite fuel gas discharged from the fuel cell During ignition operation to generate a spark by stage, than before the ignition operation and having a turbulence amplifying means for disturbing the flow of the combustion chamber of the gas.
このように構成された本発明においては、燃焼室に燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の供給量で供給されている着火動作前よりも燃焼室内の気体の流れを乱すことにより、燃焼室内で生じている燃料電池セル先端の燃焼炎を前後左右により大きく揺らがせることができ、さらに、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルより排出された燃料ガスを、その燃料電池セルの周囲へより拡散させやすくすることがきる。これにより、燃料電池セル先端の燃焼炎と、その燃料電池セルに隣接する燃料電池セルより排出された燃料ガスが、着火動作前よりも接触しやすくなるため、引火が起こりやすくなる。したがって、燃焼炎が、順次、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルより排出される未燃の燃料ガスに引火しやすくなるため、着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることができる。 In the present invention configured as described above, the gas flow in the combustion chamber is generated by disturbing the gas flow in the combustion chamber more than before the ignition operation in which the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the combustion chamber at a predetermined supply amount. The combustion flame at the tip of the fuel cell is greatly shaken forward, backward, left, and right, and the fuel gas discharged from the fuel cell that does not burn at the tip is more diffused around the fuel cell. It can be made easier. As a result, the combustion flame at the tip of the fuel battery cell and the fuel gas discharged from the fuel battery cell adjacent to the fuel battery cell are more likely to come into contact with each other than before the ignition operation. Accordingly, the combustion flame is apt to be ignited sequentially to the unburned fuel gas discharged from the fuel cell in which no combustion occurs at the tip, so that the fire transfer property of the combustion flame during the ignition operation can be improved. .
本発明は、好ましくは、乱れ増幅手段は、燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段、ならびに、燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段の供給量を制御する制御手段から構成され、制御手段は、着火手段による着火動作時に、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段の少なくともどちらか一方より供給されるガスの供給量を変動させることにより燃焼室内の気体の流れを乱す。 In the present invention, preferably, the turbulence amplification means is composed of a fuel gas supply means and an oxidant gas supply means, and a control means for controlling the supply amounts of the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means. During the ignition operation by the ignition means, the flow of gas in the combustion chamber is disturbed by changing the amount of gas supplied from at least one of the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means.
このように構成された本発明においては、着火動作時に、少なくとも燃料ガスと酸化剤ガスのどちらか一方の供給量を変動させることにより、燃焼室内へ流入するガスの流量を変化させ、燃焼室内の気体の流れを乱す。したがって、発電を行う上で必須の燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を変動させるだけでよく、別途、気体の流れを乱すための装置を設ける必要がないため、設備コストを上昇させることなく、容易に火移り性を向上させることができる。 In the present invention configured as described above, at the time of the ignition operation, the flow rate of the gas flowing into the combustion chamber is changed by changing the supply amount of at least one of the fuel gas and the oxidant gas. Disturb gas flow. Therefore, it is only necessary to change the supply amount of fuel gas and oxidant gas essential for power generation, and it is not necessary to separately provide a device for disturbing the flow of gas, without increasing the equipment cost, Easily improve fire transfer.
本発明は、好ましくは、制御手段は、着火動作時に、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスの供給量を一定に保ち、なおかつ、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を変動させる。 In the present invention, it is preferable that the control means keeps the supply amount of the fuel gas supplied by the fuel gas supply means constant during the ignition operation, and the supply amount of the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means. Fluctuate.
このように構成された本発明においては、被着火物である燃料ガスの供給量を一定に保つことにより、燃料電池セルより排出される燃料ガスの排出流量が安定する。したがって、燃焼炎に大きな揺らぎを生じさせたとしても、失火しづらくなるため、より確実に火移り性を向上させることが可能となる。また、酸化剤ガスの供給量のみを変化させるため、酸化剤ガスに比べ高価な燃料ガスの供給量を、燃焼に必要な最低限の供給量に抑えることができ、経済的である。 In the present invention configured as described above, the discharge flow rate of the fuel gas discharged from the fuel cells is stabilized by keeping the supply amount of the fuel gas, which is an ignition object, constant. Therefore, even if a large fluctuation is generated in the combustion flame, it is difficult to misfire, so that it is possible to improve the fire transfer property more reliably. Further, since only the supply amount of the oxidant gas is changed, the supply amount of the fuel gas, which is more expensive than the oxidant gas, can be suppressed to the minimum supply amount necessary for combustion, which is economical.
本発明は、好ましくは、制御手段は、着火動作前に酸化剤ガス供給手段により供給される所定の供給量以下の範囲で、着火動作時に酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を変動させる。 In the present invention, preferably, the control means supplies the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means during the ignition operation within a range equal to or less than a predetermined supply amount supplied by the oxidant gas supply means before the ignition operation. Vary the amount.
このように構成された本発明においては、着火動作前の所定の供給量以下の範囲で酸化剤ガスの供給量を変動させるため、着火動作前よりも酸化剤ガスの供給量が大きくなることがない。したがって、供給量を大きくすることにより発生する燃焼炎の失火を防止することができ、より確実に火移り性を向上させることが可能となる。 In the present invention configured as described above, since the supply amount of the oxidant gas is varied within a predetermined supply amount before the ignition operation, the supply amount of the oxidant gas may be larger than that before the ignition operation. Absent. Accordingly, misfire of the combustion flame generated by increasing the supply amount can be prevented, and the fire transfer property can be improved more reliably.
本発明は、好ましくは、制御手段は、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を、異なる2つの供給量へ交互に変化させる。 In the present invention, preferably, the control means alternately changes the supply amount of the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means to two different supply amounts.
このように構成された本発明においては、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を、異なる2つの供給量へ交互に変化させるだけで良いので、簡単な制御で火移り性を向上させることができる。 In the present invention configured as described above, it is only necessary to alternately change the supply amount of the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply means to two different supply amounts. Can be improved.
本発明は、好ましくは、酸化剤ガス供給手段は、酸化剤ガスが燃料電池セル集合体を構成するセルの外周面に衝突する方向へ酸化剤ガスを供給する。
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In the present invention, preferably, the oxidant gas supply means supplies the oxidant gas in a direction in which the oxidant gas collides with an outer peripheral surface of a cell constituting the fuel cell assembly.
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このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体を構成する燃料電池セルの外周面に衝突することによって流れが乱された酸化剤ガスが燃焼室へ向かうため、燃焼室内の気体の流れをより乱すことが可能となり、より一層、火移り性を向上させることができる。 In the present invention configured as above, the oxidant gas whose flow is disturbed by colliding with the outer peripheral surface of the fuel cell constituting the fuel cell assembly is directed to the combustion chamber. The flow can be further disturbed, and the fire transfer property can be further improved.
本発明は、好ましくは、燃焼室には、燃焼室内の温度を検出する温度検出手段が設けられており、制御手段は、温度検出手段が検出した温度に基づき、着火状態が燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルの燃料ガス排出側先端に燃焼が生じている完全着火状態に至ったと判定するまで、酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させ続ける。 In the present invention, preferably, the combustion chamber is provided with temperature detection means for detecting the temperature in the combustion chamber, and the control means is based on the temperature detected by the temperature detection means, and the ignition state is a fuel cell assembly. The supply amount of the oxidant gas is continuously changed by the oxidant gas supply means until it is determined that a complete ignition state in which combustion occurs at the front end of the fuel gas discharge side of all the fuel cells constituting the fuel cell.
このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルの排出側先端に燃焼が生じるまで燃焼室内の気体の流れを乱し続けるため、確実に全ての燃料電池セルより排出された燃料ガスへ火移りさせることが可能となる。 In the present invention configured as described above, the flow of gas in the combustion chamber continues to be disturbed until combustion occurs at the discharge-side tips of all the fuel cells constituting the fuel cell assembly. It is possible to transfer to the fuel gas discharged from the battery cell.
本発明は、好ましくは、制御手段は、着火動作の開始から所定時間以内に着火状態が完全着火状態に至ったと判定しなかった場合のみ、酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させる。 In the present invention, preferably, the control means fluctuates the supply amount of the oxidant gas by the oxidant gas supply means only when it is not determined that the ignition state has reached the complete ignition state within a predetermined time from the start of the ignition operation. Let
このように構成された本発明においては、着火状態が完全着火状態でない場合のみ、酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させることによって燃焼室内の気体の流れを乱すため、酸化剤ガス供給手段に必要以上に負荷をかけることなく、効率的に火移り性を向上させることが可能となる。 In the present invention configured as described above, only when the ignition state is not a complete ignition state, the flow of the oxidant gas is changed by the oxidant gas supply means to disturb the gas flow in the combustion chamber. It is possible to efficiently improve the fire transfer property without imposing a load more than necessary on the gas supply means.
本発明の燃料電池装置によれば、着火動作時における火移り性を向上させることができる。 According to the fuel cell device of the present invention, it is possible to improve the fire transfer property during the ignition operation.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
図1は、本発明の一実施形態である燃料電池装置の全体構成図である。図1に示すように、本発明の一実施形態における燃料電池装置1は、燃料電池モジュール2と補機ユニット4を備えている。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a fuel cell device 1 according to an embodiment of the present invention includes a
まず、燃料電池モジュール2の主要な構成について説明する。燃料電池モジュール2は、ケーシング56を備え、このケーシング56内部下方の発電室6には、燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。発電室6の上方には、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)とが燃焼される燃焼室18が設けられており、燃焼室18における燃焼により燃焼ガスが発生するようになっている。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置されており、燃焼室18における燃焼の燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱により内部を通過する発電用空気を加熱するための熱交換器22が配置されている。
First, the main configuration of the
次に、補機ユニット4について説明する。補機ユニット4は、水道等の水供給源26からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク28と、この純水タンク28から燃料電池モジュール2へ供給する水の流量を調整する水流量調整ユニット30(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源32から燃料電池モジュール2へ供給する燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット34(燃料ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、空気供給源36から燃料電池モジュール2へ供給する発電反応用の空気の流量を調整する発電用空気流量調整ユニット38(酸化剤ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「空気ブロア」等)と、空気供給源36から燃料電池モジュール2へ供給する改質反応用の空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット40(モータで駆動される「空気ブロア」等)を備えている。さらに、補機ユニット4には、燃料ガスや発電用空気の供給量等を制御するための制御手段である制御部10が設置されている。
Next, the
次に、図2〜図5に基づき、本実施形態における燃料電池モジュール2の構造について、詳しく説明する。図2は、本実施形態における燃料電池モジュール2の斜視図であり、燃料電池モジュール2の高さ方向をy軸方向としている。このy軸に直交する平面に沿ってx軸及びz軸を定義し、燃料電池モジュール2の短手方向に沿った方向をx軸方向とし、燃料電池モジュール2の長手方向に沿った方向をz軸方向としている。図3以降において図中に記載しているx軸、y軸、及びz軸は、図2におけるx軸、y軸、及びz軸を基準としている。また、z軸の負方向に沿った方向をA方向とし、x軸の正方向に沿った方向をB方向としている。図3は、燃料電池モジュール2をその中央近傍において図2のA方向から見た断面図である。図4は、燃料電池モジュール2をその中央近傍において図2のB方向から見た断面図である。図5は、図2に示す燃料電池モジュール2から燃料電池セル集合体12を覆うケーシング56の一部を取り外した状態を示す斜視図である。
Next, based on FIGS. 2-5, the structure of the
燃料電池モジュール2は、上述したように、燃料電池セル集合体12を収容するケーシング56と、ケーシング56の上部に設けられている熱交換器22を備えている。ケーシング56の一方の長辺側面には、イグナイタ挿入口44が形成されており、このイグナイタ挿入口44に、燃焼室18での燃焼を誘発するために火花を発生するイグナイタ42(着火手段)が挿入設置されている。
As described above, the
そして、もう一方の長辺側面には、温度センサ挿入口46が形成されており、この温度センサ挿入口46に、燃焼室18内部の温度を検出する熱電対等の温度センサ48(温度検出手段)が挿入設置されている。また、このケーシング56には、燃料ガス・改質用空気供給管60と、水供給管62とが繋げられている。一方、熱交換器22には、発電用空気導入管74と、燃焼ガス排出管82とが繋げられている。
A temperature sensor insertion port 46 is formed on the other long side surface, and a temperature sensor 48 (temperature detection means) such as a thermocouple for detecting the temperature inside the
燃料ガス・改質用空気供給管60は、ケーシング56の内部に燃料ガス(都市ガス等の改質用の被改質ガス)と、燃料ガスを改質する際に用いられる空気を供給する管路であり、上流端が、燃料流量調整ユニット34と改質用空気流量調整ユニット40に繋げられている。水供給管62は、燃料ガスを改質する際に用いられる水を供給する管路であり、上流端は、水流量調整ユニット30に繋げられている。燃焼ガス排出管82は、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと発電用空気とを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。発電用空気導入管74は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気を供給する管路であり、上流端は、発電用空気流量調整ユニット38へ繋げられている。
The fuel gas / reforming
本実施形態の場合、水供給管62から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器(図に明示しない)は、改質器20の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、燃料ガス(被改質ガス)と空気とを混合するためのものである。
In the present embodiment, an evaporating mixer (not explicitly shown) for evaporating the water supplied from the
燃料ガス・改質用空気供給管60及び水供給管62は、ケーシング56の内部に導かれた後、共に改質器20に繋がれている。より具体的には、図4に示すように、改質器20の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
The fuel gas / reforming
改質器20は、燃料電池セル集合体12の上方に形成された燃焼室18の更に上方に配置されている。したがって、改質器20は、燃料ガス及び発電用空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器20としての役割とを果たすように構成されている。
The
改質器20の下流端(図4の左端)には、燃料供給管66の上端が接続されている。この燃料供給管66の下端側66aは、燃料ガスタンク68内に入り込むように配置されている。
The upper end of the
図3〜図5に示すように、燃料ガスタンク68は、燃料電池セル集合体12の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴(図示せず)が形成されている。改質器20を経由した燃料ガスは、これら複数の小穴(図示せず)によって燃料ガスタンク68内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体12を構成する各燃料電池セルユニット16の内側にある燃料ガス流路88(詳細は後述する)内に供給され、燃料電池セルユニット16内を上昇して、燃焼室18に至るようになっている。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール2の内部へ供給するための構造を、図3〜図5及び図6、図7に基づき説明する。図6は、図3に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図7は、図4に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器20の上方に、熱交換器22が設けられている。熱交換器22には、複数の燃焼ガス配管70と、この燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72とが設けられている。
Next, a structure for supplying power generation air to the inside of the
熱交換器22の上面における一端側(図4における右端)には、発電用空気導入管74が取り付けられている。この発電用空気導入管74により、発電用空気流量調整ユニット38から、発電用空気が、熱交換器22内に導入されるようになっている。
A power generation
熱交換器22の上側の他端側(図4における左端)には、図3に示すように、発電用空気流路72の出口ポート76aが一対形成されている。この出口ポート76aは、一対の連絡流路76につながっている。さらに、燃料電池モジュール2のケーシング56の幅方向(B方向:短辺側面方向)の両側の外側には、発電用空気供給路77が形成されている。
As shown in FIG. 3, a pair of
したがって、発電用空気供給路77には、発電用空気流路72の出口ポート76a及び連絡流路76から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路77は、燃料電池セル集合体12の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体12の下方側に対応する位置に、発電室6内の燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口78a、78bが形成されている。これらの吹出口78a、78bから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット16の外側面に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
Therefore, power generation air is supplied to the power generation
続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット16の上方にある燃焼室18では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室18内を上昇し、燃焼ガス集合部21に至る。燃焼ガス集合部21には、図7に示すように、開口21aが設けられており、開口21a内に燃焼ガスが導かれる。この開口21aを通った燃焼ガスは、熱交換器22の他端側に至る。熱交換器22内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70(燃焼ガス流路)が設けられている。これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃焼ガス排出管82が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
Subsequently, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air will be described. In the
次に、図8に基づき、燃料電池セルユニット16について説明する。図8は、本実施形態の燃料電池セルユニット16を示す部分断面図である。図8に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
Next, the
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
The
燃料電池セルユニット16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する連通流路98が形成されている。
Since the
続いて、図9に基づき、燃料電池セルスタック14について説明する。図9は、本実施形態における燃料電池セルスタック14を示す斜視図である。
Next, the
図9に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板68a及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
As shown in FIG. 9, the
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と、隣接する燃料電池セルユニット16の空気極である外側電極層92の外周面とを電気的に接続するものであり、これにより燃料電池セルユニット16が全て直列接続されるようになっている。
Further, a
図10は、燃料電池セル集合体12上方における、イグナイタ42と温度センサ48の配置位置を説明するための平面図である。図10に示すように、イグナイタ42は、A方向末端側に配置されている。イグナイタ42は、陽極43aと陰極(接地電極)43bよりなる着火プラグ43を先端に有し、図示しない電源から、これらの電極間に高電圧を印加することにより、陽極43a先端と陰極43b先端の隙間に火花放電を発生させ、このとき生じた火花によって、A方向末端側の燃料電池セルユニット16の排出口99から排出された燃料ガスに着火を行う。
FIG. 10 is a plan view for explaining the arrangement positions of the
本実施形態においては、イグナイタ42はA方向末端より2列目、B方向基端より2列目に配置された燃料電池セルユニット16の排出口99より排出された燃料ガスに着火を行うよう配置されている。なお、この着火により燃料電池セルユニット16先端に生じた燃焼炎が、順次、隣接するセルより排出される燃料ガスに引火していくことにより、燃料電池セル集合体12の上部全体で燃焼が生じるようになっている。
In the present embodiment, the
一方、温度センサ48は、A方向基端側に配置され、A方向基端側の燃料電池セル集合体12上方の温度の検出を行っており、本実施形態においては、この温度センサ48により検出された温度が、燃焼室18内の温度と同等であるとみなしている。
On the other hand, the
次に、図11に基づき、制御部10について説明する。図11は、本実施形態における制御部10周辺の電気的構成および制御部10の機能的構成を示すブロック図である。図11に示すように、制御部10には複数のセンサが接続されている。発電用空気流量検出センサ108は、発電室6に供給される発電用空気の流量を検出するためのものであり、発電用空気流量調整ユニット38に設けられている。改質用空気流量センサ110は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものであり、改質用空気流量調整ユニット40に設けられている。燃料流量センサ112は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものであり、燃料流量調整ユニット34に設けられている。水流量センサ114は、改質器20に供給される純水(水蒸気)の流量を検出するためのものであり、水流量調整ユニット30に設けられている。また、温度センサ48は、上述した通り、A方向基端側の燃料電池セル集合体12上方の温度の検出を行うものである。
Next, the
制御部10は、図示しないCPU、ROM、RAMおよびタイマ等を内蔵しており、CPUは、各種センサが検出した結果をデータとして取り込むとともに、ROMに記憶された各種のプログラムやRAMに記憶されたデータ等に基づいて、後述する各種処理や制御を行う。
The
本実施形態における制御部10は、これを機能的に捉えた場合、図11に示すように、流量比較処理部10aと、発電用空気流量制御部10bと、改質用空気流量制御部10cと、燃料流量制御部10dと、水流量制御部10eと、着火状態判定処理部10fと、着火制御部10gを有している。流量比較処理部10aは、各種流量センサ(108、110、112、114)の検出結果と、予めRAMに記憶されている各々の供給物の目標供給量とを比較して、それらの差を、各種流量調整ユニット(30、34、38、40)に対応する制御部(10b、10c、10d、10e)へ出力する。
When the
各種流量調整ユニット(30、34、38、40)に対応する制御部(10b、10c、10d、10e)は、流量比較処理部10aからの出力に基づき、各種流量調整ユニット(30、34、38、40)へ制御信号を出力し、それらの流量調整ユニットにおける供給量を制御する。例えば、発電用空気流量調整ユニット38が空気ブロワにより構成されている場合には、発電用空気流量制御部10bは、流量比較処理部10aからの出力に基づき、空気ブロワの回転数を制御する。同様に、燃料流量調整ユニット34が燃料ポンプにより構成されている場合には、燃料制御部10dは、流量比較処理部10aからの出力に基づき、燃料ポンプの回転数を制御する。
The control units (10b, 10c, 10d, 10e) corresponding to the various flow rate adjustment units (30, 34, 38, 40) are based on the output from the flow rate
着火状態判定処理部10fは、温度センサ48の検出結果が、予めRAMに記憶されている所定の温度以上である場合、燃料電池セル集合体12を構成する全ての燃料電池セルユニット16の先端に燃焼が生じている状態(完全着火状態)であると判定し、その判定結果を、着火制御部10gへ出力する。一方、温度センサ48の検出結果が、予めRAMに記憶されている所定の温度よりも低い場合は、完全着火状態ではないと判定し、その判定結果を発電用空気流量制御部10bへ出力する。
When the detection result of the
着火状態判定処理部10fからの出力を受けた着火制御部10gは、イグナイタ42をOFF状態にする。一方、着火状態判定処理部10fからの出力を受けた発電用空気流量制御部10bは、発電用空気の供給量が変動するよう、発電用空気流量調整ユニット38を制御する。
Upon receiving the output from the ignition state determination processing unit 10f, the
次に、本実施形態に係る燃料電池装置1の起動時の制御内容について説明する。なお、本実施形態にかかる燃料電池装置1は、起動を開始すると、燃料ガスに着火する燃焼運転、部分酸化改質反応(POX)、オートサーマル改質反応(ATR)、水蒸気改質反応(SR)を経て、発電運転に移行するものであるが、以下の説明では、本発明の要旨と直接関係のある、起動開始から着火動作が完了するまでの制御内容のみを取り上げ、その他の制御内容については説明を省略する。 Next, the control content at the time of starting of the fuel cell apparatus 1 according to the present embodiment will be described. The fuel cell device 1 according to the present embodiment, when starting, starts a combustion operation that ignites the fuel gas, a partial oxidation reforming reaction (POX), an autothermal reforming reaction (ATR), and a steam reforming reaction (SR). However, in the following description, only the control content from the start of start to the completion of the ignition operation, which is directly related to the gist of the present invention, will be taken up, and the other control content will be described. Will not be described.
図12は、本実施形態における燃料電池装置1の起動開始から着火動作が完了するまでの制御内容を示すフローチャートである。 FIG. 12 is a flowchart showing the contents of control from the start of startup of the fuel cell device 1 in this embodiment to the completion of the ignition operation.
ステップ131は、燃料電池装置1の起動開始のステップであり、燃料電池の起動を開始すると、制御部10は、改質用空気流量調整ユニット40により、所定の供給量で改質用空気の燃料電池モジュール2への供給を開始する(S132)。続いて、発電用空気流量調整ユニット38により、所定の供給量で発電用空気の燃料電池モジュール2への供給を開始する(S133)。次に、燃料流量調整ユニット34により所定の供給量で燃料ガスの燃料電池モジュール2への供給を開始する(S134)。
Step 131 is a step of starting the fuel cell device 1. When the fuel cell is started, the
これらのステップ(S131〜S133)を完了することにより、燃焼室18内での燃焼の準備が整うと、次に、イグナイタ42をON状態にして(S135)、着火動作を開始する。これにより、燃料電池セル集合体12の上記所定の燃料電池セルユニット16の排出口99より排出される燃料ガスへの着火が開始される。着火動作を開始した後、制御部10に内蔵されているタイマの動作を開始し、着火動作開始からの経過時間を計測する。その後、このタイマの計測した経過時間が、所定時間を越えたか否かの判定を行う(S136)。所定時間を越えていない場合(S136でNO)は、所定時間を越えたか否かの判定を繰り返し、所定時間を越えた場合(S136でYES)は、温度センサ48により検出された温度に基づき、着火状態が、完全着火状態であるか否かの判定を行う(S137)。
When preparation for combustion in the
完全着火状態であると判定した場合(S137でYES)は、イグナイタ42をOFF状態とし(S140)、着火動作を終了する(S141)。一方、完全着火状態でないと判定した場合(S137でNO)は、後述する発電用空気供給量変動制御を開始し、燃焼室18内の気体の流れを乱す(S138)。そして、発電用空気供給量変動制御を開始した後、再び、着火状態が完全着火状態であるか否かの判定を行う(S139)。完全着火状態でないと判定した場合(S139でNO)は、同一の判定を繰り返し、完全着火状態であると判定した場合(S139はYES)は、イグナイタ42をOFF状態とし(S140)、着火動作を終了する(S141)。
If it is determined that the ignition is complete (YES in S137), the
次に、上記制御内容について、図13に示すタイムチャートに基づき、説明する。なお、以下説明する制御内容は、あくまでも一具体例に基づく制御内容であって、制御部10により、完全着火状態であると判定されるタイミングは、当然、起動の度に異なるものである。
Next, the control content will be described based on the time chart shown in FIG. Note that the control content described below is based on a specific example, and the timing at which the
図13の時刻t0において、燃料電池装置1の起動を開始すると、まず、改質用空気流量調整ユニット40及び発電用空気流量調整ユニット38により、改質用空気及び発電用空気の供給を開始する。本実施形態においては、このときの改質用空気および発電用空気の供給量は、それぞれ5L/minおよび65L/minに設定されている。
When the start of the fuel cell device 1 is started at time t0 in FIG. 13, first, supply of reforming air and power generation air is started by the reforming air flow
次に、時刻t1において、燃料流量調整ユニット34により、改質器20への燃料ガスの供給を開始する。各燃料電池セルユニット16内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット16の上端からそれぞれ流出する。なお、本実施形態においては、時刻t1において供給が開始される燃料ガスの供給量は4L/minに設定されている。
Next, supply of fuel gas to the
次に、時刻t2において、イグナイタ42をON状態とし、着火動作を開始する。着火動作開始より所定時間経過した時刻t3において、着火状態が完全着火状態ではないと判定すると、発電用空気の供給量を55L/minまで減少させる。その後、所定時間taが経過した、時刻t4にて、発電用空気の供給量を再び65L/minに戻す。さらに、再び所定時間tbが経過した、時刻t5において、再び発電用空気の供給量を55L/minまで低下させ、さらに所定時間taが経過した時刻t6において、再び発電用空気の供給量を65L/minに戻す。その後、同様の操作を、着火状態が、完全着火状態に至ったと判定するまで繰り返す。そして、完全着火状態に至ったと判定した時刻t9において、イグナイタ42をOFF状態とし、着火動作を終了する。
Next, at time t2, the
上記本実施形態に係る燃料電池装置1においては、図13に示すタイムチャートにおける時刻t3から完全着火状態に至る(時刻t9)までの間、制御部10が、発電用空気の供給量を、異なる2つの供給量(65L/minおよび55L/min)へ周期的に変化させている。(本明細書においては、このように発電用空気供給量を異なる2つの供給量へ変化させる制御を「発電用空気供給量変動制御」と呼ぶ。)
In the fuel cell device 1 according to the present embodiment, the
これにより、燃焼室18に流入する発電用空気の流量が周期的に変化するため、この流量変化によって、燃焼室18内部の気体の流れは、燃焼に必要な所定の供給量で改質用空気や発電用空気や燃料ガスを供給する着火動作前よりも乱される。したがって、この乱れにより、燃料電池セル集合体12上部に生じている燃焼炎が、着火動作前よりも前後左右により大きく揺らぐと共に、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルユニット16より排出される燃料ガスが周囲に拡散しやすくなる。よって、先端に燃焼が生じている燃料電池セルユニット16の燃焼炎と、燃焼が生じていない隣接する燃料電池セルユニットより排出される燃料ガスが、より接触しやすくなるため、燃焼炎が燃料ガスへ引火しやすい状態となり、これにより、着火動作時の火移り性を向上させることができる。
As a result, the flow rate of the power generation air flowing into the
より具体的に説明すると、例えば、図13のタイムチャートにおいて、完全着火状態ではないと判定された時刻t3では、燃料電池セル集合体12を構成する多数の燃料電池セルユニット16の内、一部の燃料電池セルユニット16にのみ、燃焼が生じた状態となっている。したがって、この状態から、発電用空気供給量変動制御を行うことによって、図14に示すように、先端に燃焼が生じている燃料電池セルユニット16(図14の中央に位置する燃料電池セルユニット)の燃焼炎が、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルユニット16(図14の左右に位置する燃料電池セルユニット)より排出された燃料ガスに、より接触しやすくなる。よって、燃料ガスの排出方向が所望の排出方向と異なっていたり、排出量が所望の排出量と異なるなど、燃料ガスの排出状態が所望の状態でない場合であっても、着火動作時に、燃焼炎の燃料ガスへの引火が起りやすくなり、火移り性を向上させることができる。
More specifically, for example, in the time chart of FIG. 13, at time t <b> 3 when it is determined that the ignition state is not complete, a part of the many
このように、発電用空気供給量変動制御により、着火動作時における火移り性を向上させることによって、先端に燃焼が生じている燃料電池セルユニット16の燃焼炎が、燃焼が生じていない燃料電池セルユニット16より排出される燃料ガスへ、順次引火し、燃料電池セル集合体12を構成する全ての燃料電池ユニット16の先端に燃焼を生じさせることが可能となる。
As described above, by controlling the power supply air supply amount fluctuation control, the fire transfer property at the time of the ignition operation is improved, so that the combustion flame of the
また、本実施形態においては、イグナイタ42をON状態にした後、所定時間経過しても、完全着火状態ではないと判定された場合のみ発電用空気の供給量を変動させるため、完全着火状態であるにも関わらず、発電用空気の供給量を変動させることがない。したがって、発電用空気流量調整ユニット38に無駄に負荷をかけることがなく、効率的である。さらに、発電用空気供給量を変動させる際、一般的に、燃料電池セルユニット16先端の燃焼炎を失火させない程度の供給量に設定されている着火動作前の発電用空気供給量以下の範囲で発電用空気の供給量を変動させているため、発電用空気の供給量が大きくなりすぎて、燃焼炎を失火させてしまう心配もない。その上、制御部10が、着火状態が完全着火状態に至ったと判定するまで、発電用空気供給量変動制御を継続し続けるため、確実に燃料電池セル集合体12を構成する全ての燃料電池セルユニット16先端に燃焼を生じさせることができる。
Further, in the present embodiment, since the supply amount of the power generation air is changed only when it is determined that the ignition is not in the complete ignition state even after a predetermined time has elapsed after the
なお、本実施形態においては、発電用空気が、燃料電池セル集合体12を構成している燃料電池セルユニット16間を通りぬけるようにケーシング56側壁からケーシング56内部へ供給されているため、ケーシング56の側壁から供給された発電用空気は、燃料電池セルユニット16の外周面に衝突し、その流れが乱れた状態で、燃焼室18へ到達するようになっている。したがって、この構成により、燃焼室18内の気体の流れをより大きく乱すことができる。
In the present embodiment, the power generation air is supplied from the side wall of the
このように、着火動作時の火移り性を向上させることにより、着火状態が、より完全着火状態に至りやすくなるため、燃料電池セル集合体12や改質器20の昇温速度の低下に起因する起動速度の低下を防止することができる。
As described above, by improving the fire transfer property at the time of the ignition operation, the ignition state is more likely to reach the complete ignition state, which is caused by the decrease in the heating rate of the
本実施形態においては、燃焼室18内の気体の流れを乱すために、発電用空気供給量を変動させるよう構成されているが、もちろん、改質用空気供給量および燃料ガス供給量を変動させることにより、燃焼室18内の気体の流れを乱すよう構成することもできる。また、本実施形態においては、発電用空気供給量変動制御を行う際、発電用空気の供給量を、周期的に2つの供給量へ変化させているが、本発明は、これに限られるものではなく、任意のタイミングで供給量を変化させてももちろん構わない。このように供給量を変化させるタイミングが任意のタイミングであっても、同一の作用効果を得ることができる。
In the present embodiment, the power supply air supply amount is varied in order to disturb the gas flow in the
また、本実施形態において、温度センサ48は、燃焼室18内の温度を検出して着火状態を判定しているが、改質器20や熱交換器22の温度を検出して着火状態を判定しても構わない。
In the present embodiment, the
1…燃料電池装置
2…燃料電池モジュール
4…補機ユニット
6…発電室
10…制御部
12…燃料電池セル集合体
14…燃料電池セルスタック
16…燃料電池セルユニット
18…燃焼室
20…改質器
22…熱交換器
26…水供給源
28…純水タンク
30…水流量調整ユニット
32…燃料供給源
34…燃料流量調整ユニット
36…空気供給源
38…発電用空気流量調整ユニット
40…改質用空気流量調整ユニット
42…イグナイタ
43…着火プラグ
43a…陽極
43b…陰極
48…温度センサ
56…ケーシング
60…燃料ガス・改質用空気供給管
62…水供給管
66…燃料供給管
68…燃料ガスタンク
70…燃焼ガス配管
72…発電用空気流路
74…発電用空気導入管
76…連絡流路
76a…出口ポート
77…発電用空気供給路
78a、78b…吹出口
82…燃焼ガス排出管
84…燃料電池セル
86…内側電極端子
88…燃料ガス流路
90…内側電極層
92…外側電極層
94…電解質層
98…連通流路
99…排出口
108…発電用空気流量検出センサ
110…改質用空気流量センサ
112…燃料流量センサ
114…水流量センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (8)
複数の前記燃料電池セルより構成され、略同一平面上から略同一方向へ燃料ガスが排出されるよう前記燃料電池セルが併設して配置された燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体を覆うケーシングと、
前記燃料電池セルへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池セルの外周へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記ケーシング内部であって、燃料電池セル外周を経由した酸化剤ガスと燃料電池セルより排出された燃料ガスを燃焼させるよう、前記燃料電池セルの燃料ガス排出方向側に前記燃料電池セル集合体に隣接して設けられた燃焼室と、
前記燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火する着火手段と、
を有する燃料電池において、
前記着火手段による着火動作時に、着火動作前よりも前記燃焼室内の気体の流れを乱す乱れ増幅手段を有することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel battery cell for discharging fuel gas from one end;
A plurality of fuel cells, and a fuel cell assembly in which the fuel cells are disposed side by side so that fuel gas is discharged in substantially the same direction from substantially the same plane;
A casing covering the fuel cell assembly;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cells;
Oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the outer periphery of the fuel cell;
The fuel cell assembly is disposed on the fuel gas discharge direction side of the fuel cell so that the oxidant gas passing through the outer periphery of the fuel cell and the fuel gas discharged from the fuel cell are burned inside the casing. An adjacent combustion chamber;
And ignition means for igniting the fuel gas discharged from the fuel cell,
In a fuel cell having
Fuel cell system, characterized in that said at ignition operation by the ignition means and a turbulence amplifying means than before ignition operation disturb the flow in the combustion chamber of the gas.
前記制御手段は、前記着火手段による前記着火動作時に、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段の少なくともどちらか一方より供給されるガスの供給量を変動させることにより前記燃焼室内の気体の流れを乱すことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。 The turbulence amplification means is composed of the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means, and a control means for controlling the supply amounts of the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means,
The control means varies the amount of gas supplied from at least one of the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means during the ignition operation by the ignition means, thereby changing the amount of gas in the combustion chamber. The fuel cell device according to claim 1, wherein the flow is disturbed.
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