JP4956110B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
このような燃料電池システムによれば、推定手段が、第1流体の推定開始時の温度と推定終了時の温度とに基づいて、第1流体の温度変化量を算出する。そして、推定手段が、第1流体の温度変化量に基づいて、第2流体の温度変化量を推定する。次いで、推定手段が、第2流体の推定開始時の温度と、第2流体の温度変化量と、に基づいて、第2流体の推定終了時の温度を推定する。
これにより、推定終了時において、第2温度検出手段を作動させずに、第2流体の温度を把握することができ、燃料電池の温度を管理しつつ、システムの制御構成が簡易となる。また、第2温度検出手段の作動回数を減らすことによって、推定終了時における第2温度検出手段の電力消費を抑えることができる。
そこで、第1流体を酸化剤ガス又は冷却液とし、第2流体を燃料ガスとすれば、推定終了時に燃料ガス排出手段によって燃料ガスが排出され、燃料電池から排出された燃料ガスが前記断熱膨張の影響を受けてばらついていたとしても、この影響を受けずに、燃料電池の温度に本来依存する燃料ガスの温度を推定することができる。
このように、第2流体の温度を検出する第2温度検出手段を備えず、システム構成を簡易としつつ、第2流体の温度を把握し、燃料電池の温度を管理することができる。また、第2温度検出手段による電力消費を抑えることができる。
これにより、発電開始時(推定終了時)において第2温度検出手段を作動させる必要がなく、システム制御構成が簡易になると共に、電力消費を抑えることができる。
このようにして、第2流体の温度を把握しつつ、燃料電池システムを簡易な構成とでき、さらに、第2温度検出手段による電力消費を抑えることができる。
また、前記第2流体の温度は、前記冷却液の温度変化に遅れをもって変化するものであり、前記冷却液が前記放熱器をバイパスしている場合における前記遅れは、前記冷却液が前記放熱器を経由している場合における前記遅れよりも大きく、前記推定手段は、前記循環する冷却液が前記放熱器を経由しているか否かに基づいて、前記遅れの大小を推定し、前記循環する冷却液が前記放熱器を経由しているか否かと、前記冷却液の前記温度変化特性と、推定した前記遅れの大小と、を考慮して、前記第2流体の温度変化量を推定することを特徴とする。
以下、本発明の第1実施形態について、図面を適宜参照して説明する。
図1に示す第1実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池10の出力端子(図示しない)に接続された走行モータ51を備えている。走行モータ51は燃料電池10の発電電力によって駆動し、これにより、燃料電池自動車が走行するようになっている。
燃料電池10(燃料電池スタック)は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜(固体高分子膜)の両面をアノード(燃料極)及びカソード(空気極)で挟んでなるMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、MEAを挟む一対のセパレータと、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素、空気を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路11、カソード流路12(いずれも反応ガス流路)として機能している。
アノード系は、水素が貯蔵された水素タンク21と、遮断弁22と、エゼクタ23と、パージ弁24と、温度センサ25(第1温度検出手段)と、を主に備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、エゼクタ23、配管23aを順に介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、遮断弁22がECU70によって開かれると、水素がアノード流路11に供給されるようになっている。また、配管22aには、図示しない減圧弁が設けられており、水素が所定圧力に減圧されるようになっている。
アノード流路11の出口には、配管24a、パージ弁24、配管24bが順に接続されている。また、配管24aの途中は、配管24cを介して、エゼクタ23に接続されている。
因みに、温度センサ25、及び、後記する温度センサ32,44は、燃料電池10や図示しない蓄電装置(高圧バッテリ)等を電源として作動する。
カソード系は、コンプレッサ31(スーパーチャージャ)と、温度センサ32(第2温度検出手段)と、を主に備えている。
コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路12の入口に接続されている。そして、ECU70の指令に従ってコンプレッサ31が作動すると、酸素を含む空気が、カソード流路12に圧送されるようになっている。なお、配管31aには加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池10に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
ラジエータ液循環系は、ポンプ41と、サーモスタット42と、ラジエータ43(放熱器)とを主に備えている。
そして、ラジエータ液流路13の出口から、配管41a、ポンプ41、配管41b、サーモスタット42、配管42a、ラジエータ43、配管43a、ラジエータ液流路13の入口の順に接続されている。また、サーモスタット42は、配管42bを介して配管43aと接続されている。さらに、サーモスタット42は、ラジエータ液の温度が所定温度以上の場合に開き、配管41bと配管42aとが連通するように構成されており、所定温度未満の場合に閉じ、配管41bと配管42bとが連通するように構成されている。
また、サーモスタット42はECU70と接続されており、ECU70はサーモスタット42の開弁/閉弁を検知するように構成されている。
走行モータ51は、燃料電池自動車を走行させる電動モータであり、燃料電池10の出力端子(図示しない)に接続されている。なお、燃料電池10と走行モータ51との間には、ON/OFFスイッチであるコンタクタや、燃料電池10の出力を制御する制御器(いずれも図示しない)等が設けられている。
ECU70は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。
そして、ECU70は、IG61のON信号を検知すると、遮断弁22を開き、コンプレッサ31及びポンプ41を作動させ、燃料電池10の発電を開始するように構成されている。一方、ECU70は、IG61のOFF信号を検知すると、遮断弁22を閉じ、コンプレッサ31及びポンプ41を停止し、燃料電池10の発電を停止するように構成されている。つまり、第1実施形態では、IG61のON時は燃料電池10の発電開始時に相当し、IG61のOFF時は燃料電池10の発電停止時に相当する。
次に、燃料電池システム1の動作を、図2を主に参照して、ECU70に設定されたプログラム(フローチャート)の流れと共に説明する。なお、ここでは、IG61がOFFされ、燃料電池10の発電停止時(システム起動時)を推定開始時とし、その後、IG61がONされ、燃料電池10の発電開始時(システム停止時)を推定終了時とした場合を例示する。
因みに、判定時間t1は、IG61のOFF後、この時間以上経過していれば、温度低下が進み、温度Taと温度Tcとが略同一となる時間であり(図3参照)、事前試験等によって求められ、ECU70に記憶されている。また、このように温度Taと温度Tcとが略同一となる判定時間t1は、IG61のOFF時の燃料電池10の温度、つまり、温度Ta及び温度Tcや、外気温度に依存すると考えられる。例えば、温度Taが高い場合や外気温度が低い場合、判定時間t1が長くなるように補正する構成としてもよい。
次いで、ECU70は、温度変化量ΔTaと、図4のマップとに基づいて、OFF−ON間における温度Tcの温度変化量ΔTcを推定する。
なお、図4のマップは、温度Taの温度変化量ΔTaと、温度Tcの温度変化量ΔTcとの相関関係を示すデータベースであり、事前試験等によって求められ、ECU70に記憶されている。
そして、ECU70の処理は、エンドに進み、IG61のOFFからONにおける温度Tcの推定処理、温度センサ25及び温度センサ32の故障判定処理を終了する。
その後、ECU70の処理は、エンドに進む。
このような第1実施形態に係る燃料電池システム1によれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)ステップS106又はステップS107の処理により、ON時(推定終了時)において温度センサ32を作動させずに、温度Tcを把握することができる(図5参照)。
(2)また、温度センサ25、32が検出する流体(水素、空気)の熱マス等の違いにより、OFF後の温度Ta、Tcの温度変化量ΔTa、ΔTcが異なっていたとしても、算出された温度変化量ΔTaと図4のマップとに基づいて温度変化量ΔTcを推定し(S105)、この温度変化量ΔTcとOFF時の温度Tcとに基づいて、ON時の温度Tcを高精度で推定することができる。すなわち、例えば、実際に検出された温度Taに対して、一定温度をオフセットすることで温度Tcを推定する方法では、熱マス等の違いを考慮できないが、第1実施形態では、熱マス等を考慮しつつ温度Tcを推定することができる。
(3)さらに、ステップS109の故障判定処理により、温度センサ25、32が故障しているか否かを判定することができる(図5参照)。したがって、例えば、温度センサ25、32を利用して、温度Ta、Tcを常に検出する燃料電池システムにおいて、このような故障判定処理を併用すれば、温度センサ25又は温度センサ32の故障を検知することができる。これにより、異常高温での発電継続による燃料電池10の破損を防止することができる。
第1実施形態では、アノードオフガスの温度Taを基準として、カソードオフガスの温度Tcを推定する構成を例示したが、温度Tcを基準として、温度Taを推定する構成としてもよい。また、配管41aに燃料電池10から排出されたラジエータ液の温度Twを検出する温度センサ44(図8参照)を設け、温度Taを基準として温度Twを推定する構成としてもよいし、この逆でもよい。
さらに、例えば、温度Tc、温度Twに基づいて、温度Taをそれぞれ推定するように構成し、温度センサ25、32、44のいずれが故障しているかを判定する構成としてもよい。
次に、第2実施形態に係る燃料電池システム2について、図1、図6及び図7を参照して説明する。
図1に示すように、第2実施形態に係る燃料電池システム2は、第1実施形態に係る燃料電池システム1と機械的構成は同じであるがECU70に設定されているプログラムが異なる。そこで、このプログラムの流れに基づく、燃料電池システム2の動作について、図1、図6を主に参照して説明する。
なお、ここでは、IG61がONされた後の、燃料電池10の発電中において、推定開始時と推定終了時との区間における温度変化量ΔTaに基づいて、当該区間における温度変化量ΔTbを推定し、推定開始時の温度Tcと温度変化量ΔTcとに基づいて、推定終了時の温度Tcを推定する場合を例示する。さらに、この推定された温度Tcと、推定終了時に検出された温度Tcとを比較して、温度センサ25、32を故障判定する場合を例示する。さらにまた、検出された温度Tcと推定された温度Tcとの差が小さい場合、温度Tcを累積的に推定し、故障判定する場合を例示する。
そして、所定時間が経過したと判定した場合(S202・Yes)、ECU70の処理は、ステップS203に進む。一方、所定時間が経過していないと判定した場合(S202・No)、ステップS202の判定を繰り返す。
なお、後記するステップS213での判定がNoとなる場合、ステップS202での時間の起算点は、次のステップS203での温度Taの検出時刻とするように設定されている。
なお、後記するステップS213での判定がNoとなる場合、前回ステップS203で検出された温度Taと、今回ステップS203で検出された温度Taと、に基づいて、温度変化量ΔTaを算出する。
ステップS207において、ECU70は、1回目の推定が完了したことを一時的に記憶するために、FlagAに1を代入する。
このようにして、ステップS206、S208において、現在(今回)の温度Tcを把握することができるので、温度センサ32による検出回数を少なくすることができる。
そして、差の絶対値が、所定の判定閾値以下であると判定した場合(S210・Yes)、ECU70の処理は、ステップS211に進む。一方、差の絶対値が、所定の判定閾値以下でない場合(S210・No)、ECU70の処理はステップS212に進む。
ステップS212において、ECU70は、温度センサ25又は温度センサ32が故障していると認識する。そして、ECU70は、例えば、運転者に温度センサ25、32の点検を促すように、警告ランプを点灯させる。
その後、ECU70の処理は、エンドに進む。
そして、カウンタ数がn回以上であると判定した場合(S213・Yes)、ECU70の処理はステップS214に進む。一方、カウンタ数がn回以上でないと判定した場合(S213・No)、ECU70の処理は、ステップS202に進む。
ステップS215において、ECU70は、カウンタをリセットし、FlagAに0を代入する。
その後、ECU70の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
このような第2実施形態に係る燃料電池システム1によれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)ステップS206又はステップS208の処理により、現在(推定終了時)において、温度センサ32を作動させずに、温度Tcを把握することができる(図7参照)。
これに加えて、ステップS208では、前回推定された温度Tcと今回推定された温度変化量ΔTcとに基づいて、今回(現在)の温度Tcを推定するので、つまり、累積的に温度Tcを推定するので、1回目に温度Tcを実際に検出すれば、その後、検出することなく温度Tcを把握することができる(図7参照)。
(2)また、第1実施形態と同様に、水素と空気との熱マス等の違いが考慮された図4のマップを参照して、温度変化量ΔTcを推定するので、今回(現在)の温度Tcを高精度で推定することができる。
(3)さらに、ステップS210の故障判定処理により、温度センサ25、32が故障しているか否かを判定することができる。これに加えて、実際に検出された温度Tcと推定された温度Tcとの差が小さく、判定閾値以下である場合(S210・No)、累積的に推定した温度Tcに基づいて次回故障判定するので、誤判定が防止されている。
第2実施形態では、温度Taに基づいて温度Tcを推定する構成を例示したが、これに限定されず、温度Tc及び/又は温度Twに基づいて、温度Taを推定する構成としてもよい。このように温度Taを推定する構成とすれば、パージ弁24が開かれた場合、水素タンク21から流出する低温の水素によって実際の温度Taがばらつくことになるが、この影響を受けずに、燃料電池10の温度に依存した温度Taを把握することができる。
次に、第3実施形態に係る燃料電池システムについて、図8から図10を参照して説明する。
図8に示すように、第3実施形態に係る燃料電池システム3は、温度センサ44を備えている。温度センサ44は、配管41aの燃料電池10側に設けられており、燃料電池10から排出されたラジエータ液の温度Twを検出するようになっている。そして、温度センサ44はECU70と接続されており、ECU70は温度Twを検知するようになっている。
また、ここでは、ラジエータ液(第1流体)の温度Twを基準として、アノードオフガス(第2流体)の温度Taを推定する場合を例示する。そして、温度センサ44が第1温度検出手段に、温度センサ25が第2温度検出手段に、それぞれ相当する。
図8に示すサーモスタット42は、第1実施形態で説明したように、その内部を流れるラジエータ液の温度Twが所定温度以上である場合に開き、ラジエータ液がラジエータ43に流れる。したがって、図9に示すように、IG61がONされた後であって、燃料電池10が暖機中であり、ラジエータ液の温度Twが所定温度以上でない場合、サーモスタット42は閉じた状態にある。一方、燃料電池10の暖機が完了し、ラジエータ液の温度Twが所定温度以上となった場合、サーモスタット42が開いた状態にある。
この一理由としては、サーモスタット42が閉じている場合、ラジエータ液の熱がラジエータ43で放熱されず、ラジエータ液がアノードオフガスに対して昇温しやすいためと考えられる。
そして、このような温度Twの変化に対しての温度Taの遅れは、事前試験により求められ、ECU70に記憶されている。また、このような遅れを考慮することによって、温度Twの温度変化量ΔTwに基づいて、温度Taの温度変化量ΔTaを高精度で推定可能となる。
次に、このようなラジエータ液の温度変化特性、つまり、温度Twに対しての温度Taの遅れを考慮する、燃料電池システム3の動作について、図10を参照して説明する。
なお、第1実施形態、第2実施形態に対して、主に異なる部分のみを説明する。
そして、ステップS301において、ECU70は、サーモスタット42が開いているか否かを、サーモスタット42からの開弁/閉弁信号に基づいて判定する。そして、サーモスタット42は開いていると判定した場合(S301・Yes)、ECU70の処理はステップS302に進む。一方、サーモスタット42は開いていないと判定した場合(S301・No)、ECU70の処理はステップS303に進む。
その後、ECU70の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
その後、ECU70の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
このような第3実施形態に係る燃料電池システム3によれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)サーモスタット42の開閉状態によるラジエータ液の温度変化特性、つまり、温度Twに対しての温度Taの遅れに基づいて、温度変化量ΔTaを高精度で推定し、その結果として、推定終了時の温度Taを高精度で推定することができる。
第3実施形態では、サーモスタット42の開閉状態に基づいて、ラジエータ液の温度変化特性による遅れを把握する場合を例示したが、これに加えて、車風速(車速)や冷媒流量(ポンプ41の回転速度)に基づいて、ラジエータ液の温度変化特性を把握してもよい。具体的には、車風速が小さい場合や、冷媒流量が少ない場合、ラジエータ43における放熱量が低下すると考えられ、ラジエータ液は昇温しやすい温度変化特性となると考えられる。よって、このような場合、温度Twに対しての温度Taの遅れが大きくなるように補正する構成としてもよい。
次に、第4実施形態に係る燃料電池システムについて、図11、図12を参照して説明する。なお、第4実施形態に係る燃料電池システムは、カソードオフガス(第2流体)の温度Tcを検出する温度センサ32(図1参照、第2温度検出手段)を備えていない。以下、第1実施形態に対して異なる部分のみを説明する。
図11のステップS401において、ECU70は、温度センサ25によってIG61のOFF時の温度Taを実際に検出する。
このような第4実施形態に係る燃料電池システムによれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)温度Tc用の温度センサ32を備えずに、IG61のOFF時(推定開始時)及びON時(推定終了時)の温度Tcを把握することができる(図12参照)。すなわち、燃料電池システムの構成を簡易とすることができると共に、温度センサ32による電力消費を削除することができる。
次に、第5実施形態に係る燃料電池システムについて、図13、図14を参照して説明する。なお、第5実施形態に係る燃料電池システムは、カソードオフガス(第2流体)の温度Tc検出する温度センサ32(図1参照、第2温度検出手段)を備えていない。以下、第2実施形態に対して異なる部分のみを説明する。
ステップS501において、ECU70は、温度センサ25によってIG61のON時(推定開始時)の温度Taを実際に検出する。
ステップS502において、ECU70は、ON時の温度Tcを、例えば第4実施形態に係る推定方法によって推定する。
ステップS503において、ECU70は、現在(推定終了時)の温度Tcは、ステップS502で推定した温度Tcと、温度変化量ΔTcとの和であると推定する。
このような第5実施形態に係る燃料電池システムによれば、主に以下の効果を得ることができる。
(1)温度Tc用の温度センサ32を備えずに、温度Tcを累積的に推定することができる(図15参照)。これにより、燃料電池システムの構成を簡易とすることができると共に、温度センサ32による電力消費を削除することができる。
前記した各実施形態では、本発明が、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム1に適用された場合について説明したが、これに限定されず、例えば、自動二輪車や列車等の他、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや給湯システムに組み込まれた燃料電池システム等に、適用してもよい。
10 燃料電池
11 アノード流路
12 カソード流路
13 ラジエータ液流路
23 エゼクタ(燃料ガス循環系)
24 パージ弁(燃料ガス排出手段)
24c 配管(燃料ガス循環系)
25 温度センサ(第1温度検出手段、第2温度検出手段)
32 温度センサ(第2温度検出手段)
41 ポンプ(冷却液循環系)
42 サーモスタット(冷却液循環系)
43 ラジエータ(冷却液循環系)
44 温度センサ(第1温度検出手段)
51 走行モータ
70 ECU(推定手段、故障判定手段)
Ta アノードオフガスの温度
Tc カソードオフガスの温度
Tw ラジエータ液の温度
Claims (7)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを、当該燃料電池の上流側に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環系と、
循環する燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池を経由するように冷却液を循環させる冷却液循環系と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出された燃料ガス、前記燃料電池から排出された酸化剤ガス、前記燃料電池から排出された冷却液、のいずれか1つである第1流体の温度を検出する第1温度検出手段と、
前記燃料電池から排出された燃料ガス、前記燃料電池から排出された酸化剤ガス、前記燃料電池から排出された冷却液、のいずれか1つであって前記第1流体と異なる第2流体の温度を検出する第2温度検出手段と、
前記第1流体の温度に基づいて、第2流体の温度を推定する推定手段と、
を備え、
前記推定手段は、
前記第1流体の推定開始時の検出温度と推定終了時の検出温度とに基づいて、前記第1流体の温度変化量を算出し、
当該第1流体の温度変化量に基づいて、前記第2流体の温度変化量を推定し、
前記第2流体の推定開始時の検出温度と、前記第2流体の温度変化量と、に基づいて、当該第2流体の推定終了時の温度を推定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 推定終了時における前記第2流体の推定温度と検出温度との差が、所定値以下でない場合、前記第1温度検出手段又は前記第2温度検出手段が故障していると判定する故障判定手段を、さらに備えた
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを、当該燃料電池の上流側に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環系と、
循環する燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池を経由するように冷却液を循環させる冷却液循環系と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出された燃料ガス、前記燃料電池から排出された酸化剤ガス、前記燃料電池から排出された冷却液、のいずれか1つである第1流体の温度を検出する第1温度検出手段と、
前記第1流体の温度に基づいて、前記燃料電池から排出された燃料ガス、前記燃料電池から排出された酸化剤ガス、前記燃料電池から排出された冷却液、のいずれか1つであって前記第1流体と異なる第2流体の温度を推定する推定手段と、
を備え、
前記推定手段は、
前記第1流体の推定開始時の検出温度に基づいて、前記第2流体の推定開始時の温度を推定し、
前記第1流体の推定開始時の検出温度と推定終了時の検出温度とに基づいて、前記第1流体の温度変化量を算出し、
当該第1流体の温度変化量に基づいて、前記第2流体の温度変化量を推定し、
前記第2流体の推定開始時の推定温度と、前記第2流体の温度変化量と、に基づいて、推定終了時における前記第2流体の温度を推定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記推定開始時は前記燃料電池の発電停止時であり、前記推定終了時は前記燃料電池の発電開始時である
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記推定手段は、前記燃料電池の発電中に、前記第1流体の温度に基づいて、前記第2流体の温度を推定する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記第1流体は冷却液であり、
前記冷却液循環系は、冷却液の熱を外部に放熱する放熱器と、冷却液の温度が所定温度以上である場合に前記放熱器を経由するように冷却液を循環させ、冷却液の温度が所定温度以上でない場合に前記放熱器をバイパスするように冷却液を循環させるサーモスタットと、を備え、
前記冷却液は、前記放熱器をバイパスする場合には前記放熱器を経由する場合よりも昇温しやすいという温度変化特性を有し、
前記推定手段は、前記燃料電池の発電中に、前記循環する冷却液が前記放熱器を経由しているか否かと前記冷却液の前記温度変化特性とに基づいて、前記第2流体の温度変化量を推定する
ことを特徴とする請求項1から請求項3、請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記第2流体の温度は、前記冷却液の温度変化に遅れをもって変化するものであり、
前記冷却液が前記放熱器をバイパスしている場合における前記遅れは、前記冷却液が前記放熱器を経由している場合における前記遅れよりも大きく、
前記推定手段は、
前記循環する冷却液が前記放熱器を経由しているか否かに基づいて、前記遅れの大小を推定し、
前記循環する冷却液が前記放熱器を経由しているか否かと、前記冷却液の前記温度変化特性と、推定した前記遅れの大小と、を考慮して、前記第2流体の温度変化量を推定する
ことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
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