KR20160057980A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템에 있어서, 전류 제한 등의 다양한 제한을 피하면서, 요구 발전량을 만족하는 것을 우선시켜 연료 전지의 동작점을 결정하는 것을 가능하게 한다.
컨트롤러(70)는 스텝 S3에서 구한 전압 명령값 Vcom을, 스텝 S1에서 구한 전류 명령값 Icom으로 승산한 후, 이것을 스텝 S3에서 구한 최종 전압 명령값 Vfcom으로 제산함으로써, 최종 전류 명령값 Ifcom을 구하여, 난기 운전 시에 있어서의 동작점(Ifcom, Vfcom)을 결정하고(스텝 S5), 처리를 종료한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND OPERATION CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료를 전기 화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써 산화 반응에 수반하여 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전 시스템이며, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의해 끼움 지지하여 이루어지는 복수의 막-전극 접합체(셀)를 적층하여 이루어지는 스택 구조를 갖고 있다.
연료 전지는, 일반적으로 70 내지 80℃가 발전에 최적의 온도 영역으로 되어 있지만, 한랭지 등의 환경에서는, 기동하고 나서 최적 온도 영역에 도달할 때까지 장시간을 필요로 하는 경우가 있으므로, 각종 난기 시스템이 검토되고 있다. 예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 통상 운전에 비하여 발전 효율이 낮은 저효율 운전을 실시함으로써 차량에 탑재된 연료 전지의 자기 발열량을 제어하여, 차량 주행하면서 연료 전지를 난기하는 방법에 대해 개시되어 있다. 이러한 방법은, 연료 전지의 출력 전압을 그 전류·전압 특성(이하, IV 특성)에 기초하는 전압값보다도 낮은 전압값으로 설정하고, 연료 전지의 열손실을 증대시켜 자기 발열에 의한 난기 운전을 실시하는 것이기 때문에, 난기용 장치를 탑재할 필요가 없어, 편리성이 우수하다.
일본 특허 공개 제2002-313388호 공보
도 9는 종래의 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 동작점의 변화를 나타내는 개념도이며, 연료 전지의 IV 특성 라인 La1, 연료 전지의 동작 전압 라인 La2, 연료 전지의 등전력 라인(이하, 등파워 라인) La3, 연료 전지의 등발열 라인(이하, 등Q 라인) La4가 도시되어 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 요구 발전량 Preq 및 요구 발열량 Qreq에 기초하여, 연료 전지의 등파워 라인 La3과 등Q 라인 La4가 교차하는 교점, 즉 동작점 A(I1, V1)에서 난기 운전하고 있는 상태에서, 어떠한 이유에 의해 전류 제한(예를 들어, 연료 전지를 구성하는 셀의 전압 저하에 의한 전류 제한 등; 도 9에 있어서 파선으로 나타내는 전류 제한 라인 La5 참조)이 가해지면, 연료 전지의 동작점은, 동작 전압 라인 La2 위를 이동하여 동작점 A(I1, V1)으로부터 동작점 B(I2, V2)로 시프트한다. 이와 같이, 종래는, 연료 전지를 난기 운전하고 있는 상태에서 전류 제한이 가해지면, 설정되어 있는 동작 전압 라인 L2 위에서 연료 전지의 동작점을 시프트(달리 말하면, 동작 전압이 특정한 값을 취하도록 운전 동작점을 시프트)시킴으로써 전류 제한을 피하고 있었기 때문에, 최종적으로는 연료 전지의 요구 발전량 Preq를 만족할 수 없고(즉, 등파워 라인 L3 위에 연료 전지의 동작점이 없는 상태), 요구 발전량 Preq보다도 적은 발전량 Pmes밖에 발전할 수 없기 때문에, 연료 전지 시스템의 전력 응답성이 저하되어, 동력 성능의 저하를 야기한다는 문제가 지적되고 있었다.
본 발명은 이상에서 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템에 있어서, 전류 제한 등의 다양한 제한을 피하면서, 요구 발전량을 만족하는 것을 우선시켜 연료 전지를 동작시키는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법은, 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법이며, 요구 발전량과 요구 발열량으로부터 전류 목표값을 결정하는 제0 스텝과, 전류 목표값이 상한 전류 및 하한 전류의 범위로부터 벗어난 경우, 상한 전류 및 하한 전류의 범위 내에 들어가도록 전류 목표값을 전류 명령값으로서 설정하는 제1 스텝과, 요구 발전량을, 전류 명령값으로 제산함으로써, 전류 명령값에 대응하는 목표 전압값을 구하여, 목표 전압값이 상한 전압을 초과한 경우, 상한 전압의 범위 내에 들어가도록 목표 전압값을 전압 명령값으로서 설정하는 제2 스텝과, 전압 명령값이, 연료 전지의 전압 측정값으로 설정되는 소정 범위로부터 벗어나 있는 경우, 소정 범위에 들어가도록 전압 명령값을 최종 전압 명령값으로서 설정하는 제3 스텝과, 전압 명령값과 전류 명령값을 승산한 값을, 최종 전압 명령값으로 제산하여, 최종 전류 명령값을 얻는 제4 스텝과, 최종 전류 명령값 및 최종 전압 명령값으로 상기 연료 전지를 동작시키는 제5 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구성에 있어서는, 상한 전류로서, 이하에 나타내는 (A) 내지 (E) 중 적어도 1개의 최솟값이 설정되는 양태가 바람직하다.
(A) 연료 전지의 셀 전압 저하에 의해 제한되는 전류값
(B) 연료 전지와 보조 기기류에 의해 제한되는 전류값
(C) 연료 전지의 전압을 제어하는 전압 변환기의 최대 승압비에 의해 제한되는 전류값
(D) 연료 전지의 폰핑 수소에 의한 배기 수소 농도의 상승을 억제하기 위하여 제한되는 전류값
(E) 시스템 전체의 전력 허용량에 의해 제한되는 전류값
또한, 상기 구성에 있어서는, 하한 전류로서, 이하에 나타내는 (F) 내지 (H) 중 적어도 1개의 최댓값이 설정되는 양태도 바람직하다.
(F) 요구 발전량을, 고전위 회피 전압으로 제산하여 얻어지는 전류값
(G) 요구 발전량을, 상기 연료 전지의 성능 곡선에 대조하여 얻어지는 전류값
(H) 요구 발전량을, 발열 효율 유지 전압으로 제산하여 얻어지는 전류값
또한, 상기 구성에 있어서는, 상한 전압으로서, 전류 명령값을 연료 전지의 성능 곡선에 대조하여 얻어지는 전압값과, 발열 효율 유지 전압의, 작은 쪽이 설정되어도 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템은, 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템이며, 요구 발전량과 요구 발열량으로부터 전류 목표값을 결정하는 결정부와, 전류 목표값이 상한 전류 및 하한 전류의 범위로부터 벗어난 경우, 상한 전류 및 하한 전류의 범위 내에 들어가도록 전류 목표값을 전류 명령값으로서 설정하는 제1 설정부와, 요구 발전량을, 전류 명령값으로 제산함으로써, 전류 명령값에 대응하는 목표 전압값을 구하여, 목표 전압값이 상한 전압을 초과한 경우, 상한 전압의 범위 내에 들어가도록 목표 전압값을 전압 명령값으로서 설정하는 제2 설정부와, 전압 명령값이, 연료 전지의 전압 측정값으로 설정되는 소정 범위로부터 벗어나 있는 경우, 소정 범위에 들어가도록 전압 명령값을 최종 전압 명령값으로서 설정하는 제3 설정부와, 전압 명령값과 전류 명령값을 승산한 값을, 최종 전압 명령값으로 제산하여, 최종 전류 명령값을 얻는 도출부와, 최종 전류 명령값 및 최종 전압 명령값으로 연료 전지를 동작시키는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템에 있어서, 전류 제한 등의 다양한 제한을 피하면서, 요구 발전량을 만족하는 것을 우선시켜 연료 전지를 동작시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 난기 운전 시의 동작점의 결정 프로세스를 나타내는 흐름도.
도 3은 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 4a는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 4b는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 4c는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 5a는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 5b는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 5c는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 6a는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 6b는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 6c는 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
도 7은 전류 상한 역치 Iupl, 전류 하한 역치 Ilol 및 전압 상한 역치 Vupl의 결정 방법을 설명하기 위한 개념도.
도 8은 전압 상한 역치 Vupl의 결정 방법을 설명하기 위한 개념도.
도 9는 종래의 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
이하, 본 발명에 관한 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
A. 본 실시 형태
A-1. 구성
도 1은 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(10)을 탑재한 차량의 개략 구성이다. 또한, 이하의 설명에서는 차량의 일례로서 연료 전지 자동차(FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle)를 상정하지만, 차량뿐만 아니라 각종 이동체(예를 들어, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형 전원, 나아가 휴대형의 연료 전지 시스템에도 적용 가능하다.
연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것이며, 반응 가스(연료 가스, 산화 가스)의 공급을 받아 발전하는 연료 전지 스택(20)과, 산화 가스로서의 공기를 연료 전지 스택(20)에 공급하기 위한 산화 가스 공급계(30)와, 연료 가스로서의 수소 가스를 연료 전지 스택(20)에 공급하기 위한 연료 가스 공급계(40)와, 전력의 충방전을 제어하기 위한 전력계(50)와, 연료 전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각계(60)와, 시스템 전체를 제어하는 컨트롤러(ECU)(70)를 구비하고 있다.
연료 전지 스택(20)은 복수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자 전해질형 셀 스택이다. 연료 전지 스택(20)에서는, 애노드극에 있어서 (1) 식의 산화 반응이 발생하고, 캐소드극에 있어서 (2) 식의 환원 반응이 발생한다. 연료 전지 스택(20) 전체적으로는 (3) 식의 기전 반응이 발생한다.
Figure pat00001
연료 전지 스택(20)에는, 연료 전지 스택(20)의 출력 전압을 검출하기 위한 전압 센서(71), 발전 전류를 검출하기 위한 전류 센서(72), 나아가 셀 전압을 검지하기 위한 셀 전압 센서(73)가 설치되어 있다.
산화 가스 공급계(30)는 연료 전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화 가스가 흐르는 산화 가스 통로(34)와, 연료 전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(36)를 갖고 있다. 산화 가스 통로(34)에는, 필터(31)를 통하여 대기 중으로부터 산화 가스를 도입하는 공기 압축기(32)와, 연료 전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화 가스를 가습하기 위한 가습기(33)와, 산화 가스 공급량을 조정하기 위한 스로틀 밸브(35)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스 통로(36)에는 산화 가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정 밸브(37)와, 산화 가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스) 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(33)가 설치되어 있다.
연료 가스 공급계(40)는 연료 가스 공급원(41)과, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료 전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료 가스가 흐르는 연료 가스 통로(45)와, 연료 전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(45)로 귀환시키기 위한 순환 통로(46)와, 순환 통로(46) 내의 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(45)에 압송하는 순환 펌프(47)와, 순환 통로(46)에 분기 접속되는 배기 배수 통로(48)를 갖고 있다.
연료 가스 공급원(41)은, 예를 들어 고압 수소 탱크나 수소 흡수 합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들어, 35MPa 내지 70MPa)의 수소 가스를 저류한다. 차단 밸브(42)를 개방하면, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료 가스 통로(45)에 연료 가스가 유출된다. 연료 가스는, 레귤레이터(43)나 인젝터(44)에 의해, 예를 들어 200kPa 정도까지 감압되어, 연료 전지 스택(20)에 공급된다.
또한, 연료 가스 공급원(41)은, 탄화수소계의 연료로부터 수소 리치한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성된 개질 가스를 고압 상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성해도 된다.
레귤레이터(43)는 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 압력 조절하는 장치이며, 예를 들어 1차압을 감압하는 기계식의 감압 밸브 등으로 구성된다. 기계식의 감압 밸브는, 배압실과 압력 조절실이 다이어프램을 이격하여 형성된 하우징을 갖고, 배압실 내의 배압에 의해 압력 조절실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 갖는다.
인젝터(44)는 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브 시트로부터 이격시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자 구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(44)는 연료 가스 등의 기체 연료를 분사하는 분사 구멍을 갖는 밸브 시트를 구비함과 함께, 그 기체 연료를 분사 구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선 방향(기체 흐름 방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되고 분사 구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
배기 배수 통로(48)에는 배기 배수 밸브(49)가 배치되어 있다. 배기 배수 밸브(49)는 컨트롤러(70)로부터의 명령에 의해 작동함으로써, 순환 통로(46) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수 밸브(49)의 개방 밸브에 의해, 순환 통로(46) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려가, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소 농도를 올릴 수 있다.
배기 배수 밸브(49)를 통하여 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(36)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시하지 않음)에 의해 희석된다. 순환 펌프(47)는 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료 전지 스택(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는 연료 전지 스택용 컨버터(FDC)(51a), 배터리용 컨버터(BDC) (51b), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조 기기류(55)를 구비하고 있다. FDC(51a)는, 연료 전지 스택(20)의 출력 전압을 제어하는 역할을 담당하고 있으며, 1차측(입력측: 연료 전지 스택(20)측)에 입력된 출력 전압을, 1차측과 다른 전압값으로 변환(승압 또는 강압)하여 2차측(출력측: 인버터(53)측)으로 출력하고, 또한 반대로 2차측으로 입력된 전압을, 2차측과 상이한 전압으로 변환하여 1차측으로 출력하는 쌍방향의 전압 변환 장치이다. 이 FDC(51a)에 의한 전압 변환 제어에 의해, 연료 전지 스택(20)의 동작점(I, V)이 제어된다.
BDC(51b)는, 인버터(53)의 입력 전압을 제어하는 역할을 담당하고 있으며, 예를 들어 FDC(51a)와 마찬가지의 회로 구성을 갖고 있다. 또한, BDC(51b)의 회로 구성은, 상기에 한정하는 취지가 아니고, 인버터(53)의 입력 전압의 제어가 가능한 모든 구성을 채용할 수 있다.
배터리(52)는 잉여 전력의 저장원, 회생 제동 시의 회생 에너지 저장원, 연료 전지 차량의 가속 또는 감속에 수반하는 부하 변동 시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들어 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 이차 전지 등의 이차 전지가 적합하다.
트랙션 인버터(53)는 예를 들어 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이며, 컨트롤러(70)로부터의 제어 명령에 따라, 연료 전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전압을 삼상 교류 전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는 차륜(56L, 56R)을 구동하기 위한 모터(예를 들어 삼상 교류 모터)이며, 연료 전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조 기기류(55)는 연료 전지 시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들어, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또 각종 차량 탑재 보조 기기류(예를 들어, 공기 압축기, 인젝터, 냉각수 순환 펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
냉각계(60)는 연료 전지 스택(20) 내부를 순환하는 냉매를 흘리기 위한 냉매 통로(61, 62, 63, 64), 냉매를 압송하기 위한 순환 펌프(65), 냉매와 외기 사이에서 열교환하기 위한 라디에이터(66), 냉매의 순환 경로를 전환하기 위한 삼방 밸브(67) 및 연료 전지 스택(20)의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(74)를 구비하고 있다. 난기 운전이 완료된 후의 통상 운전 시에는 연료 전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)에서 냉각된 후, 냉매 통로(63)를 흘러 다시 연료 전지 스택(20)에 유입되도록 삼방 밸브(67)가 개폐 제어된다. 한편, 시스템 기동 직후에 있어서의 난기 운전 시에는, 연료 전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 62, 63)를 흘러 다시 연료 전지 스택(20)에 유입되도록 삼방 밸브(67)가 개폐 제어된다.
컨트롤러(70)는 CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스 등을 구비하는 컴퓨터 시스템이며, 연료 전지 시스템(10)의 각 부(산화 가스 공급계(30), 연료 가스 공급계(40), 전력계(50) 및 냉각계(60))를 제어하기 위한 제어 수단으로서 기능한다. 예를 들어, 컨트롤러(70)는 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동 신호 IG를 수신하면, 연료 전지 시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호 ACC나, 차속 센서로부터 출력되는 차속 신호 VC 등을 기초로 시스템 전체의 요구 전력을 구한다.
시스템 전체의 요구 전력은, 차량 주행 전력과 보기 전력의 합계값이다. 보기 전력에는 차량 탑재 보조 기기류(가습기, 공기 압축기, 수소 펌프 및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어 장치, 조타 장치 및 현가 장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승원 공간 내에 배치되는 장치(공조 장치, 조명 기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(70)는 연료 전지 스택(20)과 배터리(52) 각각의 출력 전력의 배분을 결정하고, 발전 명령값을 연산함과 함께, 연료 전지 스택(20)의 발전량이 요구 발전량 Preq를 만족하도록, 산화 가스 공급계(30) 및 연료 가스 공급계(40)를 제어한다. 또한 컨트롤러(70)는 FDC(51a) 등을 제어하여 연료 전지 스택(20)의 동작점을 제어한다. 컨트롤러(70)는 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 차속이 얻어지도록, 예를 들어 스위칭 명령으로서, U상, V상 및 W상의 각 교류 전압 명령값을 트랙션 인버터(53)에 출력하고, 트랙션 모터(54)의 출력 토크 및 회전수를 제어한다. 이하, 본 실시 형태의 특징의 하나인, 난기 운전 시에 있어서의 연료 전지 스택(20)의 동작점의 결정 프로세스의 개요에 대하여 설명한다.
A-2. 동작
<난기 운전 시에 있어서의 동작점의 결정 프로세스의 개요>
도 2는 컨트롤러(70)에 의해 실행되는 난기 운전 시의 동작점의 결정 프로세스를 나타내는 흐름도이며, 도 3 내지 도 6은 연료 전지 시스템에 있어서의 난기 운전 시의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도이다. 도 3에 있어서, L1은 연료 전지의 등파워 라인, L2는 연료 전지의 등Q 라인을 나타낸다.
컨트롤러(결정부)(70)는 도 3에 도시하는 요구 발전량 Preq(등파워 라인 L1)와 요구 발열량 Qreq(등Q 라인 L2)를 결정한 후, 결정된 요구 발전량 Preq과 요구 발열량 Qreq에 기초하여, 연료 전지 스택(20)의 전류 목표값 Itgt를 결정한다(스텝 S1). 여기서, 요구 발열량 Qreq 및 요구 발전량 Preq의 결정 방법에 대하여 상세하게 설명하면, 컨트롤러(70)는 온도 센서(74)로부터 출력되는 연료 전지 스택(20)의 온도를 나타내는 센서 신호 및 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호 ACC에 기초하여, 요구 발열량 Qreq를 결정한다. 무엇보다, 연료 전지 시스템(10)을 탑재한 차량이 정지하고 있을 때의 난기 운전에 있어서는, 메모리 등에 저장되어 있는 정지용 요구 발열량 Qreq가 이용되는 것으로 된다.
한편, 요구 발전량 Preq에 대해서는, 컨트롤러(70)는 차속에 따라 결정되는 최저 발전량 Pmin(예를 들어, 10kW 등)에 의해, 요구 발전량 Preq에 하한 역치(하한 가드)를 설정한다. 또한, 컨트롤러(70)는 차속 센서로부터 출력되는 차속 신호 VC에 기초하여 차속을 산출하여, 최저 발전량 Pmin을 결정한다. 또한, 컨트롤러(70)는 시동 시에 있어서의 난기 운전 시에는, 연료 전지 시스템(10)의 전체의 전력 허용량(즉 시스템 전체에서 끝까지 받을 수 있는 전력) 또는 영하용 최대 전력(즉 압축기 등의 동력 억제에 따라 결정되는 전력)의 임의의 작은 쪽을 발전 허용량 Pper로 하고, 요구 발전량 Preq에 상한 역치(상한 가드)를 설정한다. 또한, 영하용 최대 전력은, 컨트롤러(70)에 의해, 온도 센서(74)에 의해 검지되는 시동 직후의 연료 전지 스택(20)의 온도와 현시점에서의 연료 전지 스택(20)의 온도로부터 결정된다.
컨트롤러(제1 설정부)(70)는 스텝 S2로 진행되면, 전류 목표값 Itgt를, 전류 상한 역치 Iupl과 전류 하한 역치 Ilol로 제한하여, 전류 명령값 Icom을 얻는다(도 4a 내지 도 4c 참조). 또한, 전류 상한 역치 Iupl 및 전류 하한 역치 Ilol의 결정 방법은 후에 상세하게 설명하기 때문에, 여기에서는 생략한다. 예를 들어 도 4a에 도시한 바와 같이, 전류 목표값 Itgt가, 전류 상한 역치 Iupl 및 전류 하한 역치 Ilol의 범위 내에 있는 경우(즉, 전류 상한 역치 Iupl 및 전류 하한 역치 Ilol의 어느 제한에도 걸리지 않는 경우), 컨트롤러(70)는 전류 목표값 Itgt를, 그대로 전류 명령값 Icom으로서 설정한다. 한편, 전류 목표값 Itgt가 전류 하한 역치 Ilol을 하회하면, 컨트롤러(70)는 전류 하한 역치 Ilol을 전류 명령값 Icom으로서 설정한다(도 4b 참조). 마찬가지로, 전류 목표값 Itgt가 전류 상한 역치 Iupl을 상회하면, 컨트롤러(70)는 전류 상한 역치 Iupl을 전류 명령값 Icom으로서 설정한다(도 4c 참조).
이어서, 컨트롤러(제2 설정부)(70)는 스텝 S1에서 구한 요구 발전량 Preq를, 스텝 S2에서 결정한 전류 명령값 Icom으로 제산함으로써, 목표 전압값 Vtgt를 얻는다. 그리고, 컨트롤러(제2 설정부)(70)는 목표 전압값 Vtgt를, 전압 상한 역치 Vupl로 제한하여, 전압 명령값 Vcom을 얻는다(스텝 S3; 도 5a 내지 도 5c 참조). 또한, 전압 상한 역치 Vupl의 결정 방법은 후에 상세하게 설명하기 때문에, 여기에서는 생략한다. 예를 들어 도 5b에 도시한 바와 같이, 전압 목표값 Vtgt가, 전압 상한 역치 Vupl을 상회하지 않은 경우(즉, 전압 상한 역치 Vupl의 제한에 걸리지 않는 경우), 컨트롤러(70)는 전압 목표값 Vtgt를, 그대로 전압 명령값 Vcom으로서 설정한다(도 5b 참조). 한편, 전압 목표값 Vtgt가, 전압 상한 역치 Vupl을 상회하면, 컨트롤러(70)는 전압 상한 역치 Vupl을 전압 명령값 Vcom으로서 설정한다(도 5c 참조).
그리고, 컨트롤러(제3 설정부)(70)는 스텝 S3에서 설정한 전압 명령값 Vcom을, 전압 센서(71)에 의한 연료 전지 스택(20)의 전압 측정값 Vmes에 기초하여, 특정 범위 내로 제한하여, 최종 전압 명령값 Vfcom을 얻는다(스텝 S4). 예를 들어, 도 6a에 도시한 바와 같이, 전압 명령값 Vcom이, 전압 측정값 Vmes의 특정 범위 내(Vmes-a1<Vcom<Vmes+a2)에 있는 경우, 컨트롤러(70)는 전압 명령값 Vcom을, 그대로 최종 전압 명령값 Vfcom으로서 설정한다. 한편, 전압 명령값 Vcom이, 전압 측정값 Vmes의 특정 범위로부터 벗어나 있는 경우, 최종 전압 명령값 Vfcom이 전압 측정값 Vmes의 특정 범위에 들어가도록, 전압 명령값 Vcom을 제한한다. 구체적으로는, 도 6b에 도시한 바와 같이, 전압 명령값 Vcom이 전압 측정값 Vmes의 하한값을 하회하는 경우(Vcom<Vmes-a1), 컨트롤러(70)는 최종 전압 명령값 Vfcom으로서 전압 측정값 Vmes의 하한값(Vmes-a1)을 설정한다. 한편, 도 6c에 도시한 바와 같이, 전압 명령값 Vcom이 전압 측정값 Vmes의 상한값을 상회하는 경우(Vmes+a2<Vcom), 컨트롤러(70)는 최종 전압 명령값 Vfcom으로서 전압 측정값 Vmes의 상한값(Vmes+a2)을 설정한다. 이와 같이, 전압 명령값 Vcom을, 전압 측정값 Vmes(즉 실측값)의 특정 범위 내로 제한하는 것은, 전압 명령값이 실체로부터 괴리되는 것을 미연에 방지하기 위해서이다.
또한, 컨트롤러(도출부)(70)는 스텝 S3에서 구한 전압 명령값 Vcom을, 스텝 S2에서 구한 전류 명령값 Icom으로 승산한 후, 이것을 스텝 S3에서 구한 최종 전압 명령값 Vfcom으로 제산함으로써(하기 식 (4) 참조), 최종 전류 명령값 Ifcom을 구하여, 난기 운전 시에 있어서의 동작점(Ifcom, Vfcom)을 결정하고(스텝 S5), 처리를 종료한다. 이러한 처리의 후, 컨트롤러(제어부)(70)는 결정된 동작점에서 연료 전지 스택(20)을 동작시키게 된다.
Figure pat00002
상기 식 (4)로부터 명백해진 바와 같이, 동작점(Icom, Vcom)뿐만 아니라, 결정되는 최종적인 동작점(Ifcom, Vfcom)도 등파워 라인 L3에 존재하게 된다. 달리 말하면, 전류 제한 등의 다양한 제한이 존재하는 경우에도, 이들 제한을 피하면서, 요구 발전량을 만족하는 것을 우선시켜 연료 전지를 동작시킬(즉, 연료 전지의 동작점을 결정할) 수 있기 때문에, 연료 전지 시스템의 전력 응답성의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.
이어서, 전류 상한 역치 Iupl, 전류 하한 역치 Ilol 및 전압 상한 역치 Vupl의 결정 방법에 대하여 도 7 등을 참조하면서 설명한다. 또한, 도 7에서는, 어느 타이밍에 있어서 요구 발전량 Preq와 요구 발열량 Qreq로부터 구해지는 연료 전지 스택(20)의 동작점(I, V)과, 전류 상한 역치 Iupl, 전류 하한 역치 Ilol 및 전압 상한 역치 Vupl의 관계가 도시되어 있다.
<전류 상한 역치 Iupl의 결정 방법>
전류 상한 역치 Iupl에 대해서는, 이하에 나타내는 (A) 내지 (E)에 나타내는 전류 제한 중 적어도 1개의 최솟값(본 실시 형태에서는 1개), 즉 최소로 되는 전류 제한값을, 전류 상한 역치 Iupl로서 설정한다.
(A) 셀 전압 저하에 의해 제한되는 전류값(도 7에 도시하는 제1 전류 제한 A)
(B) 연료 전지 스택(20)과 보조 기기류(55) 등에 의해 제한되는 전류값(도 7에 도시하는 제2 전류 제한 B)
(C) FDC(51a)의 최대 승압비에 의해 제한되는 전류값(도 7에 도시하는 제3 전류 제한 C)
(D) 폰핑 수소에 의한 배기 수소 농도의 상승을 억제하기 위하여 제한되는 전류값(도 7에 나타내는 제4 전류 제한 D)
(E) 연료 전지 시스템(10)의 전체의 전력 허용량에 의해 제한되는 전류값(도 7에 나타내는 제5 전류 제한 E)
제1 전류 제한 A는, 연료 전지 스택(20)을 구성하는 부품을 보호하기 위한 전류 제한이며, 제2 전류 제한 B는, 연료 전지 스택(20)의 유닛 전체를 보호하기 위한 전류 제한이다. 또한, 제3 전류 제한 C는, FDC(51a)의 승압 배율에도 한계가 있기 때문에, 이 한계를 초과하지 않도록 설정되는 전류 제한이다. 또한, 제4 전류 제한 D는, 배기 수소 농도에 관한 법 규제를 준수하기 위하여 설정되는 전류 제한이며, 구체적으로는 폰핑 수소에 의한 배기 수소 농도의 상승을 고려하여 설정된다. 여기서, 폰핑 수소란, 연료 전지 스택(20)을 난기 운전하고 있을 때에 캐소드에 있어서 발생하는 수소를 의미한다. 구체적으로는, 난기 운전에 있어서 캐소드로의 산화 가스의 공급이 부족한 상태에서는(예를 들어 공기 화학 양론비<1.0), 부족한 산화 가스량에 따라 하기 식 (5)가 진행되어, 수소 이온과 전자가 재결합되어 수소가 생성된다. 생성된 수소는, 산소 오프 가스와 함께 캐소드로부터 배출되게 된다. 이와 같이, 괴리된 수소 이온과 전자가 재결합됨으로써 캐소드에서 생성되는 수소, 즉 캐소드에 있어서 생성되는 애노드 가스를 폰핑 수소라고 칭한다. 또한, 제5 전류 제한 E는, 시스템 전체에서 다 받을 수 있는 전력을 고려하여 설정되는 전류 제한이다.
Figure pat00003
여기서, 도 7에 검은 동그라미로 나타낸 바와 같이, 요구 발전량 Preq(등파워 라인 Lp1)와 요구 발열량 Qreq(등Q 라인 Lq1)로부터 구해지는 연료 전지 스택(20)의 동작점 P1(Itgt1, Vtgt1 )이, 제1 전류 제한 A 내지 제5 전류 제한 E에 걸리지 않는(즉, 동작점이 제1 전류 제한 A 내지 제5 전류 제한 E의 내측의 영역 내(도 7의 해칭 부분 참조)에 들어 있는) 경우에는, 이미 설명한 바와 같이(도 2의 스텝 S2 참조), 특별히 제한을 받지 않고, 전류 목표값 Itgt1이 그대로 전류 명령값 Icom으로서 설정된다.
한편, 도 7에 하얀 동그라미로 나타낸 바와 같이, 요구 발전량 Preq(등파워 라인 Lp2)와 요구 발열량 Qreq(등Q 라인 Lq2)로부터 구해지는 연료 전지 스택(20)의 동작점 P2(Itgt2, Vtgt2)가, 제1 전류 제한 A 내지 제5 전류 제한 E의 어느 한 쪽의 전류 제한(여기서는, 제4 전류 제한 D)에 걸리면, 이미 설명한 바와 같이(도 2의 스텝 S1 참조), 전류 목표값 Itgt2는 제4 전류 제한 D에 의한 전류 상한 역치 Iupl(도 7에서는, 제4 전류 제한 D의 라인과 등파워 라인 Lp2의 교점의 전류값)에 의해 제한되어, 전류 상한 역치 Iupl이 전류 명령값 Icom으로서 설정된다.
<전류 하한 역치 Ilol의 결정 방법>
전류 하한 역치 Ilol에 대해서는, 이하에 나타내는 (F) 내지 (H)에 나타내는 전류 제한 중 적어도 1개의 최댓값(본 실시 형태에서는 1개), 즉 최대로 되는 전류 제한값을, 전류 하한 역치 Ilol로서 설정한다.
(F) 요구 발전량을, 고전위 회피 전압으로 제산하여 얻어지는 전류값(도 7에 나타내는 제6 전류 제한 F)
(G) 요구 발전량을, 연료 전지 스택(20)의 성능 곡선(IV 특성 라인)에 대조하여 얻어지는 전류값(도 7에 나타내는 제7 전류 제한 G)
(H) 요구 발전량을, 발열 효율 유지 전압으로 제산하여 얻어지는 전류값(도 7에 나타내는 제8 전류 제한 H)
제6 전류 제한 F는, 연료 전지 스택(20)(촉매 금속 등)의 열화를 억제하기 위한 하한의 전류 제한이며, 제7 전류 제한 G는, 연료 전지 스택(20)의 IV 특성 라인으로부터 얻어지는 하한의 전류 제한, 또한 제8 전류 제한 H는 발열 효율을 유지하기 위한 하한의 전류 제한이다. 여기서, 발열 효율 유지 전압은, 온도 센서(74)에 의해 검지되는 시동 직후의 연료 전지 스택(20)의 온도와 현시점에서의 연료 전지 스택(20)의 온도로부터 결정되는 전압이다. 또한, 발열 효율 유지 전압을 결정하기 위한 맵이나 각 전류 제한을 설정하는 맵은, 컨트롤러(70)의 메모리 등에 저장되어 있다. 물론, 이들 전류 제한은, 맵을 이용하는 대신(혹은 이것에 추가하여) 각종 함수 등을 이용하여 축차 도출해도 된다.
여기서, 도 7에 검은 동그라미로 나타낸 바와 같이, 요구 발전량 Preq(등파워 라인 Lp1)와 요구 발열량 Qreq(등Q 라인 Lq1)로부터 구해지는 연료 전지 스택(20)의 동작점 P1(Itgt1, Vtgt1)이, 제6 전류 제한 F 내지 제8 전류 제한 H에 걸리지 않는(즉, 동작점이 제6 전류 제한 F 내지 제8 전류 제한 H의 내측의 영역 내(도 7의 해칭 부분 참조)에 들어 있는) 경우에는, 이미 설명한 바와 같이(도 2의 스텝 S1 참조), 특별히 제한을 받지 않고, 전류 목표값 Itgt1이, 그대로 전류 명령값 Icom으로서 설정된다.
한편, 도 7에 하얀 이중 동그라미로 나타낸 바와 같이, 요구 발전량 Preq( 등파워 라인 Lp3)와 요구 발열량 Qreq(등Q 라인 Lq3)로부터 구해지는 연료 전지 스택(20)의 동작점 P2(Itgt3, Vtgt3)가, 제6 전류 제한 F 내지 제8 전류 제한 H의 어느 한 쪽의 전류 제한(여기서는, 제6 전류 제한 F 내지 제8 전류 제한 H 모두)에 걸리면, 이미 설명한 바와 같이(도 2의 스텝 S1 참조), 전류 목표값 Itgt2는, 제8 전류 제한 H에 의한 전류 하한 역치 Ilol(도 7에서는, 제8 전류 제한 H의 라인과 등파워 라인 Lp3의 교점의 전류값)에 의해 제한되어, 전류 하한 역치 Ilol이 전류 명령값 Icom으로서 설정된다. 또한, 상술한 바와 같이, 전류 하한 역치 Ilol에 대해서는, 제6 전류 제한 F 내지 제8 전류 제한 H 중 최대로 되는 전류 제한값이, 전류 하한 역치 Ilol로서 설정되는 점에서, 도 7에 나타내는 예에서는, 제8 전류 제한 H에 의한 전류 하한 역치 Ilol이, 전류 명령값 Icom으로서 설정된다.
여기서, 경우에 따라서는, 제1 전류 제한 A 내지 제5 전류 제한 E에 의한 전류 상한 역치 Iupl과, 제6 전류 제한 F 내지 제8 전류 제한 H에 의한 전류 하한 역치 Ilol의 양쪽 제한이 동시에 걸리는 것도 상정된다. 이러한 경우에는, 연료 전지 시스템(10)에 끼치는 영향의 크기를 고려하여, 전류 상한 역치 Iupl에 의한 제한을 우선하는 것이 바람직하다. 즉, 전류 상한 역치 Iupl을 규정하는 제1 전류 제한 A 등은, 연료 전지 스택(20)을 구성하는 부품(전해질막 등)을 보호하기 위하여 설정되어 있는 점에서, 가령, 이러한 전류 제한이 준수되지 않게 되면, 연료 전지 스택(20)에 막대한 결함이 발생해 버린다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 전류 하한 역치 Ilol보다도 전류 상한 역치 Iupl에 의한 제한을 우선하고 있다. 무엇보다, 제1 전류 제한 A 내지 제8 전류 제한 H의 우선도에 대해서는, 시스템 설계자 등이 임의로 설정·변경 가능하게 해도 된다.
<전압 상한 역치 Vupl의 결정 방법>
전압 상한 역치 Vupl에 대해서는, 제7 전류 제한 G의 전압값(즉, 전류 명령값 Icom을, 연료 전지 스택(20)의 성능 곡선(IV 특성 라인)에 대조하여 얻어지는 전압값)과, 제8 전류 제한 H의 전압값(즉, 발열 효율 유지 전압의 전압값) 중 작은 쪽을 전압 상한 역치 Vupl로서 설정한다.
다만, 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같이, 상술한 제1 전류 제한 A 또는 제2 전류 제한 B 중 작은 쪽의 전류값이, 제7 전류 제한 G의 전류값(즉, 연료 전지 스택(20)의 성능 곡선(IV 특성 라인)에 대조하여 얻어지는 전류값)보다도, 작아질 때는, 전압 상한 역치 Vupl의 산출에 사용하는 제8 전류 제한 H의 전압값 V'(즉, 발열 효율 유지 전압의 전압값)을, 연료 전지 스택(20)의 개방단 전압 V0으로 한다. 이렇게 설정하는 것은, 제1 전류 제한 A 또는 제2 전류 제한 B 중 작은 쪽의 전류값이, 제7 전류 제한 G의 전류값보다도 작아진 상태에 있어서, 제8 전류 제한 H의 전압값 V'(즉, 발전 효율 유지 전압의 전압값)을 그대로 설정하고 있던 것으로는, 동작점의 퇴피처가 없어져 버리기 때문이다(도 8 참조). 이와 같이, 전압 상한 역치 Vupl의 산출에 사용되는 발열 효율 유지 전압의 전압값에 대해서는, 특정한 조건을 만족하는 것을 조건으로, 제8 전류 제한 H의 전압값 V'을 그대로 사용하는 것이 아니고, 연료 전지 스택(20)의 개방단 전압 V0으로 치환함으로써, 시스템 전체적으로 바람직한 동작점에서 연료 전지 시스템(10)을 난기 운전하는 것이 가능해진다.
<산업상 이용가능성>
본 발명은 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템에 적용하기에 적합하다.
10: 연료 전지 시스템
20: 연료 전지 스택
30: 산화 가스 공급계
40: 연료 가스 공급계
50: 전력계
60: 냉각계
70: 컨트롤러

Claims (5)

  1. 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법이며,
    요구 발전량과 요구 발열량으로부터 전류 목표값을 결정하는 제1 스텝과,
    상기 전류 목표값이 상한 전류 및 하한 전류의 범위로부터 벗어난 경우, 상기 상한 전류 및 상기 하한 전류의 범위 내에 들어가도록 상기 전류 목표값을 전류 명령값으로서 설정하는 제2 스텝과,
    상기 요구 발전량을, 상기 전류 명령값으로 제산함으로써, 상기 전류 명령값에 대응하는 목표 전압값을 구하여, 상기 목표 전압값이 상한 전압을 초과한 경우, 상기 상한 전압의 범위 내에 들어가도록 상기 목표 전압값을 전압 명령값으로서 설정하는 제3 스텝과,
    상기 전압 명령값이, 상기 연료 전지의 전압 측정값으로 설정되는 소정 범위로부터 벗어나 있는 경우, 상기 소정 범위에 들어가도록 상기 전압 명령값을 최종 전압 명령값으로서 설정하는 제4 스텝과,
    상기 전압 명령값과 상기 전류 명령값을 승산한 값을, 상기 최종 전압 명령값으로 제산하여, 최종 전류 명령값을 얻는 제5 스텝과,
    상기 최종 전류 명령값 및 상기 최종 전압 명령값으로 상기 연료 전지를 동작시키는 제6 스텝을 포함하는, 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상한 전류로서, 이하에 나타내는 (A) 내지 (E) 중 적어도 1개의 최솟값이 설정되는, 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
    (A) 상기 연료 전지의 셀 전압 저하에 의해 제한되는 전류값
    (B) 상기 연료 전지와 보조 기기류에 의해 제한되는 전류값
    (C) 상기 연료 전지의 전압을 제어하는 전압 변환기의 최대 승압비에 의해 제한되는 전류값
    (D) 상기 연료 전지의 폰핑 수소에 의한 배기 수소 농도의 상승을 억제하기 위하여 제한되는 전류값
    (E) 시스템 전체의 전력 허용량에 의해 제한되는 전류값
  3. 제2항에 있어서, 상기 하한 전류로서, 이하에 나타내는 (F) 내지 (H) 중 적어도 1개의 최댓값이 설정되는, 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
    (F) 상기 요구 발전량을, 고전위 회피 전압으로 제산하여 얻어지는 전류값
    (G) 상기 요구 발전량을, 상기 연료 전지의 성능 곡선에 대조하여 얻어지는 전류값
    (H) 상기 요구 발전량을, 발열 효율 유지 전압으로 제산하여 얻어지는 전류값
  4. 제3항에 있어서, 상기 상한 전압으로서, 상기 전류 명령값을 상기 연료 전지의 성능 곡선에 대조하여 얻어지는 전압값과, 상기 발열 효율 유지 전압의, 작은 쪽이 설정되는, 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  5. 저효율 운전에 의해 연료 전지를 난기하는 연료 전지 시스템이며,
    요구 발전량과 요구 발열량으로부터 전류 목표값을 결정하는 결정부와,
    상기 전류 목표값이 상한 전류 및 하한 전류의 범위로부터 벗어난 경우, 상기 상한 전류 및 상기 하한 전류의 범위 내에 들어가도록 상기 전류 목표값을 전류 명령값으로서 설정하는 제1 설정부와,
    상기 요구 발전량을, 상기 전류 명령값으로 제산함으로써, 상기 전류 명령값에 대응하는 목표 전압값을 구하여, 상기 목표 전압값이 상한 전압을 초과한 경우, 상기 상한 전압의 범위 내에 들어가도록 상기 목표 전압값을 전압 명령값으로서 설정하는 제2 설정부와,
    상기 전압 명령값이, 상기 연료 전지의 전압 측정값으로 설정되는 소정 범위로부터 벗어나 있는 경우, 상기 소정 범위에 들어가도록 상기 전압 명령값을 최종 전압 명령값으로서 설정하는 제3 설정부와,
    상기 전압 명령값과 상기 전류 명령값을 승산한 값을, 상기 최종 전압 명령값으로 제산하여, 최종 전류 명령값을 얻는 도출부와,
    상기 최종 전류 명령값 및 상기 최종 전압 명령값으로 상기 연료 전지를 동작시키는 제어부를 구비하는, 연료 전지 시스템.
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