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JP2011181424A - Fuel cell power generation system - Google Patents

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JP2011181424A
JP2011181424A JP2010046174A JP2010046174A JP2011181424A JP 2011181424 A JP2011181424 A JP 2011181424A JP 2010046174 A JP2010046174 A JP 2010046174A JP 2010046174 A JP2010046174 A JP 2010046174A JP 2011181424 A JP2011181424 A JP 2011181424A
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JP2010046174A
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Kunihiro Ukai
邦弘 鵜飼
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Abstract

【課題】貯湯槽の水の温度が高温な場合に貯湯槽内に析出する不純物を効率的に排出する。
【解決手段】燃料電池と、燃料電池から発生する熱を水で回収して貯める貯湯槽と制御部とを備える。貯湯槽は、底部近傍に水の排出口と貯湯槽内の水の温度を検出する温度検出部とを有する。貯湯槽内の水の温度における第一の上限温度が制御部に予め設けられる。制御部は温度検出部で検出される温度が第一の上限温度を上回り、燃料電池の運転を継続させる場合、排出口より貯湯槽内の水を排出させる。
【選択図】図1
An object of the present invention is to efficiently discharge impurities deposited in a hot water tank when the temperature of the water in the hot water tank is high.
A fuel cell, a hot water tank for collecting and storing heat generated from the fuel cell with water, and a control unit are provided. The hot water storage tank has a water outlet near the bottom and a temperature detection unit that detects the temperature of the water in the hot water storage tank. A first upper limit temperature in the temperature of the water in the hot water tank is provided in advance in the control unit. When the temperature detected by the temperature detection unit exceeds the first upper limit temperature and the operation of the fuel cell is continued, the control unit discharges water in the hot water storage tank from the discharge port.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関し、特にその利便性を向上させる制御に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation system, and more particularly, to control for improving its convenience.

固体高分子型燃料電池は、水素含有ガスを燃料ガスとし、酸素を含む空気を酸化剤として利用する。これら燃料ガスと酸化剤とを反応させることにより、発電を行う。一方、この発電に伴い熱も発生する。燃料電池においては、発電により発生する電力と熱とを外部に供給することができ、高いエネルギー効率を得ることができる。   A polymer electrolyte fuel cell uses a hydrogen-containing gas as a fuel gas and air containing oxygen as an oxidant. Electric power is generated by reacting these fuel gas and oxidant. On the other hand, heat is also generated with this power generation. In a fuel cell, electric power and heat generated by power generation can be supplied to the outside, and high energy efficiency can be obtained.

このような燃料電池システムにおいては、上記熱の回収方法として、発生する熱(排熱)により水を加熱し貯湯槽に蓄える方法がよく知られている(例えば、特許文献1)。そして、この加熱された湯を給湯等に利用することで排熱を効率的に利用している。従来の燃料電池システムを図5に示す。燃料電池システムは、酸化剤と燃料ガスから電力と熱を発生させる燃料電池103と、燃料電池103からの出力をAC/DC変換し外部電力負荷に供給するインバータ110と、燃料電池103から発生した熱を蓄える貯湯槽109とを備える。また燃料電池103で発生した熱を回収する冷却水を循環する燃料電池冷却水循環経路112と、貯湯槽109内の水を循環する貯湯槽水循環経路113と、燃料電池冷却水循環経路112を流れる水と貯湯槽水循環経路113を流れる水との間で熱交換を行う熱交換器107とをさらに備える。これにより、燃料電池103から発生する熱を貯湯槽109内に蓄えることができる。   In such a fuel cell system, a method of heating water with generated heat (exhaust heat) and storing it in a hot water storage tank is well known as the heat recovery method (for example, Patent Document 1). And exhaust heat is utilized efficiently by utilizing this heated hot water for hot water supply etc. A conventional fuel cell system is shown in FIG. The fuel cell system is generated from the fuel cell 103 that generates electric power and heat from the oxidant and the fuel gas, the inverter 110 that AC / DC converts the output from the fuel cell 103 and supplies it to an external power load, and the fuel cell 103 A hot water storage tank 109 for storing heat. Also, a fuel cell cooling water circulation path 112 that circulates cooling water that recovers heat generated in the fuel cell 103, a hot water tank water circulation path 113 that circulates water in the hot water tank 109, and water that flows through the fuel cell cooling water circulation path 112; A heat exchanger 107 that performs heat exchange with water flowing through the hot water tank water circulation path 113 is further provided. Thereby, the heat generated from the fuel cell 103 can be stored in the hot water tank 109.

上述した燃料電池システムにおいては、発電に伴う排熱を回収して貯湯槽109内の水を加熱するが、貯湯槽109が高温の湯ですでに満水となってしまった場合、燃料電池103の冷却が不十分となり、発電効率が低下もしくは発電不可となってしまう。このような場合には、発電を停止もしくは排熱をそのまま廃棄するなどして対応しなければならない。しかし、発電の停止や排熱の廃棄は、電力需要への柔軟な対応や、エネルギー効率の観点から望ましくない。   In the fuel cell system described above, exhaust heat associated with power generation is recovered to heat the water in the hot water storage tank 109. If the hot water storage tank 109 is already full of hot water, Cooling becomes insufficient, and power generation efficiency decreases or power generation becomes impossible. In such a case, the power generation must be stopped or the exhaust heat must be discarded as it is. However, it is not desirable to stop power generation or discard waste heat from the viewpoint of flexible response to power demand and energy efficiency.

そこで、電力需要に応じて、貯湯槽109内の水(湯)の温度を変化させる燃料電池発電システムが提案されている(例えば、特許文献2)。このシステムにおいては、貯湯槽109内の水(湯)の温度をある上限温度と下限温度との間の温度で変化させるように制御する。例えば、給湯の需要が少なく逆に電力需要が高い場合には、貯湯槽109内の水(湯)の温度を上限温度近傍(例えば80℃)に設定するよう制御される。これにより、電力需要と給湯需要に応じた効率的な燃料電池発電システムを実現している。   Therefore, a fuel cell power generation system that changes the temperature of water (hot water) in the hot water tank 109 in accordance with electric power demand has been proposed (for example, Patent Document 2). In this system, the temperature of the water (hot water) in the hot water storage tank 109 is controlled to change at a temperature between a certain upper limit temperature and a lower limit temperature. For example, when the demand for hot water supply is low and the demand for electric power is high, the temperature of water (hot water) in the hot water storage tank 109 is controlled to be close to the upper limit temperature (for example, 80 ° C.). As a result, an efficient fuel cell power generation system is realized in accordance with electric power demand and hot water supply demand.

特開2000−340244号公報JP 2000-340244 A 特開2006−294535号公報JP 2006-294535 A

しかし、貯湯槽109内のお湯の温度が、60℃を越す温度となると、水に含まれる金属イオン等が不溶化して(例えば、Ca成分から炭酸カルシウム)析出し沈殿物として貯湯槽109内に溜まり燃料電池103の運転動作に不具合をきたす原因となる。   However, when the temperature of the hot water in the hot water tank 109 exceeds 60 ° C., metal ions contained in the water are insolubilized (for example, calcium carbonate from the Ca component) and precipitated as precipitates in the hot water tank 109. This may cause problems in the operation of the accumulated fuel cell 103.

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、電力需要に応じて貯湯槽109のお湯の温度の上限温度を高温に変更した場合でも、沈殿物による燃料電池103の運転上の不具合を防止できる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and even when the upper limit temperature of hot water in the hot water storage tank 109 is changed to a high temperature in accordance with the power demand, the problem of operation of the fuel cell 103 due to the precipitate is reduced. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that can be prevented.

上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池と、燃料電池から発生する熱を水で回収して貯める貯湯槽と、制御部とを備える。貯湯槽は、底部近傍に水の排出口と貯湯槽内の水の温度を検出する温度検出部とを有する。貯湯槽内の水の温度における第一の上限温度が制御部に予め設けられる。制御部は、温度検出部で検出される温度が第一の上限温度を上回り、燃料電池の運転を継続させる場合、排出口より貯湯槽内の水を排出させる。   In order to solve the above-described problems, a fuel cell power generation system of the present invention includes a fuel cell, a hot water tank that collects and stores heat generated from the fuel cell with water, and a control unit. The hot water storage tank has a water outlet near the bottom and a temperature detection unit that detects the temperature of the water in the hot water storage tank. A first upper limit temperature in the temperature of the water in the hot water tank is provided in advance in the control unit. When the temperature detected by the temperature detection unit exceeds the first upper limit temperature and the operation of the fuel cell is continued, the control unit causes the water in the hot water tank to be discharged from the discharge port.

本発明の燃料電池発電システムによれば、貯湯槽内の水の温度が高くなることにより貯湯槽内の水から析出する不純物による沈殿物の影響を最小限に抑えることができる。よって、燃料電池発電システムの利便性を向上することができる。   According to the fuel cell power generation system of the present invention, it is possible to minimize the influence of precipitates caused by impurities precipitated from the water in the hot water storage tank due to the increase in the temperature of the water in the hot water storage tank. Therefore, the convenience of the fuel cell power generation system can be improved.

本発明の実施の形態1による燃料電池発電システムのブロック図1 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1による燃料電池発電システムにおける貯湯槽の模式図Schematic diagram of a hot water tank in the fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1による燃料電池発電システムにおける他の貯湯槽の模式図The schematic diagram of the other hot water storage tank in the fuel cell power generation system by Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態2による燃料電池発電システムのブロック図Block diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention 従来の燃料電池発電システムのブロック図Block diagram of a conventional fuel cell power generation system

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1による燃料電池発電システムのブロック図である。この燃料電池発電システムは、燃料処理機1と燃料電池3と制御部5と熱交換器7と貯湯槽9とを備える。燃料処理機1は、水蒸気と都市ガス等の原料ガスを改質反応させ、水素含有ガスを発生させる。燃料電池3はこの水素含有ガスを燃料とし、空気を用いて発電する。本実施の形態において、燃料電池3は固体高分子の薄膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention. This fuel cell power generation system includes a fuel processor 1, a fuel cell 3, a control unit 5, a heat exchanger 7, and a hot water tank 9. The fuel processor 1 causes a reforming reaction between water vapor and a raw material gas such as city gas to generate a hydrogen-containing gas. The fuel cell 3 uses the hydrogen-containing gas as fuel and generates power using air. In the present embodiment, the fuel cell 3 is a solid polymer fuel cell using a solid polymer thin film as an electrolyte.

水素含有ガスは燃料電池3の燃料極(図示せず)に供給され、燃料電池3内での発電に係る反応によって消費される。ただし燃料電池3は燃料ガス中の水素含有ガスを全て消費して発電に用いることはできないため、供給された水素含有ガスの内、約20%が二酸化炭素とともに排出ガスとして排出される。この排出ガスは燃料処理機1で燃焼させ、改質部(図示せず)の加熱に利用される。   The hydrogen-containing gas is supplied to a fuel electrode (not shown) of the fuel cell 3 and consumed by a reaction relating to power generation in the fuel cell 3. However, since the fuel cell 3 cannot consume all the hydrogen-containing gas in the fuel gas and can be used for power generation, about 20% of the supplied hydrogen-containing gas is discharged together with carbon dioxide as an exhaust gas. This exhaust gas is burned by the fuel processor 1 and used for heating a reforming section (not shown).

一方、酸化剤である酸素を含む空気は燃料電池3の空気極(図示せず)に供給される。酸素は燃料電池3内での発電に係る反応によって燃料極に供給された水素含有ガスと反応して水になる。この水由来の水蒸気と、未反応の酸素や反応しない窒素等が排出ガスとして排出される。   On the other hand, air containing oxygen as an oxidant is supplied to an air electrode (not shown) of the fuel cell 3. Oxygen reacts with the hydrogen-containing gas supplied to the fuel electrode by a reaction related to power generation in the fuel cell 3 to become water. This water-derived water vapor, unreacted oxygen, unreacted nitrogen and the like are discharged as exhaust gas.

燃料電池3で発電された電力はインバータ10を介して負荷11に供給される。なお、インバータ10は、燃料電池3で発電された電力を、負荷11に必要な電流状態、電圧等に変換するとともに、負荷11から要求される電力を検出し、制御部5にフィードバックし、制御部5での燃料電池の発電電力等の制御に用いられる。燃料電池3で発生した熱は貯湯槽9に蓄えられる。具体的には以下に説明するように燃料電池3で発生した熱を貯湯槽9に蓄える。燃料電池3は燃料電池3で発生した熱を回収する冷却水を循環させる燃料電池冷却水循環経路12を備える。冷却水により燃料電池3で発生した熱を回収することで、燃料電池3は冷却される。一方、貯湯槽9は、貯湯槽9内の水(湯)を循環する貯湯槽水循環経路13を備える。これら燃料電池冷却水循環経路12と貯湯槽水循環経路13との間には両循環経路を流れる水の熱交換を行う熱交換器7が設けられる。熱交換器7において、燃料電池冷却水循環経路12を流れる冷却水の持つ熱を、貯湯槽水循環経路13を流れる水に移動する。以上のように、燃料電池3で発生する熱を回収して貯湯槽9に蓄えることができる。図示していないが、これら冷却水および貯湯槽9内の水の循環のためのポンプや流量弁がそれぞれ設けられている。制御部5はこのポンプや流量弁の動作も制御する。また、貯湯槽9に蓄えられた水(湯)は暖房や給湯に利用される。   The electric power generated by the fuel cell 3 is supplied to the load 11 via the inverter 10. The inverter 10 converts the electric power generated by the fuel cell 3 into a current state and voltage required for the load 11, detects the electric power required from the load 11, and feeds it back to the control unit 5. This is used for controlling the power generated by the fuel cell in the unit 5. The heat generated in the fuel cell 3 is stored in the hot water tank 9. Specifically, the heat generated in the fuel cell 3 is stored in the hot water tank 9 as described below. The fuel cell 3 includes a fuel cell cooling water circulation path 12 that circulates cooling water that recovers heat generated in the fuel cell 3. The fuel cell 3 is cooled by recovering the heat generated in the fuel cell 3 by the cooling water. On the other hand, the hot water tank 9 includes a hot water tank water circulation path 13 for circulating water (hot water) in the hot water tank 9. A heat exchanger 7 is provided between the fuel cell cooling water circulation path 12 and the hot water tank water circulation path 13 for exchanging heat of water flowing through both circulation paths. In the heat exchanger 7, the heat of the cooling water flowing through the fuel cell cooling water circulation path 12 is transferred to the water flowing through the hot water tank water circulation path 13. As described above, the heat generated in the fuel cell 3 can be recovered and stored in the hot water tank 9. Although not shown, pumps and flow valves for circulating the cooling water and the water in the hot water tank 9 are provided. The controller 5 also controls the operation of this pump and flow valve. Moreover, the water (hot water) stored in the hot water tank 9 is used for heating and hot water supply.

次に、図2を参照しながら貯湯槽のより具体的な構成を説明する。図2は本実施の形態1による燃料電池発電システムにおける貯湯槽の模式図である。貯湯槽9は、市水流入口21と、給湯供給口22貯湯槽水循環経路入口13aと、貯湯槽水循環経路出口13bと、排出口23と、温度検出部24とを備える。   Next, a more specific configuration of the hot water tank will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram of a hot water tank in the fuel cell power generation system according to the first embodiment. The hot water storage tank 9 includes a city water inlet 21, a hot water supply port 22, a hot water tank water circulation path inlet 13 a, a hot water tank water circulation path outlet 13 b, a discharge port 23, and a temperature detection unit 24.

貯湯槽9内部への水の導入口である市水流入口21は水道等と接続され、貯湯槽9内に水を供給する。この際、水の供給量や供給時期は、給湯の使用量や貯湯槽9内の水(湯)の温度等に基づき制御部5によって制御される。なお、貯湯槽9内の水の温度は貯湯槽9に設けられる温度検出部24により測定され、制御部5に送られる。   A city water inlet 21, which is an inlet of water into the hot water tank 9, is connected to a water supply or the like, and supplies water into the hot water tank 9. At this time, the amount and timing of water supply are controlled by the control unit 5 based on the amount of hot water used, the temperature of the water (hot water) in the hot water storage tank 9, and the like. The temperature of the water in the hot water tank 9 is measured by a temperature detection unit 24 provided in the hot water tank 9 and sent to the control unit 5.

貯湯槽9外部への水の導出口である給湯供給口22からは、給湯設備等に貯湯槽9内の水(湯)を供給する。   Water (hot water) in the hot water tank 9 is supplied to a hot water supply facility or the like from a hot water supply port 22 that is a water outlet to the outside of the hot water tank 9.

貯湯槽9内の水(湯)は、(常時)貯湯槽水循環経路13を循環している。具体的には貯湯槽9内の水(湯)は、貯湯槽水循環経路入口13aから貯湯槽水循環経路13へと流れ込み、貯湯槽水循環経路出口13bから貯湯槽9内に再び流入する。貯湯槽水循環経路13には、燃料電池冷却水循環経路12と熱交換を行う熱交換器7が設けられている。つまり、貯湯槽9内の水は貯湯槽水循環経路13を流れることで、燃料電池3から発生した熱を回収した冷却水の熱により加熱される。これにより、燃料電池3で発生した熱を貯湯槽9内の水(湯)に蓄える。なお、貯湯槽9及び貯湯槽水循環経路13を循環する水(湯)の流量は、貯湯槽9内の水(湯)の温度や給湯の使用量等に基づき、制御部5によって制御されている。   Water (hot water) in the hot water tank 9 circulates through the hot water tank water circulation path 13 (always). Specifically, the water (hot water) in the hot water tank 9 flows into the hot water tank water circulation path 13 from the hot water tank water circulation path inlet 13a, and flows into the hot water tank 9 again from the hot water tank water circulation path outlet 13b. The hot water tank water circulation path 13 is provided with a heat exchanger 7 that performs heat exchange with the fuel cell cooling water circulation path 12. That is, the water in the hot water tank 9 flows through the hot water tank water circulation path 13 and is heated by the heat of the cooling water recovered from the fuel cell 3. Thereby, the heat generated in the fuel cell 3 is stored in the water (hot water) in the hot water tank 9. The flow rate of the water (hot water) circulating through the hot water tank 9 and the hot water tank water circulation path 13 is controlled by the control unit 5 based on the temperature of the water (hot water) in the hot water tank 9 and the amount of hot water used. .

なお、図2に示すように、市水流入口21と貯湯槽水循環経路入口13aと温度検出部24とは貯湯槽9の底部近傍に設けることが好ましい。また貯湯槽水循環経路出口13b及び給湯供給口22は貯湯槽9の上方に設けるのが好ましい。これは、貯湯槽9内においては、下部に比較的水の温度の低い領域が、上部に比較的水の温度の高い領域ができるためである。つまり、市水流入口21から供給される水は通常の水道水の温度(約10〜20℃)であるため、比較的水の温度の低い領域近辺に流入する方が温度変動が小さく効率が良い。逆に、給湯供給口22からは、温度の高い水(湯)を供給する必要があるため、水の温度の高い領域(上方)に設ける方が効率的に給湯を行うことができる。   As shown in FIG. 2, the city water inlet 21, the hot water tank water circulation path inlet 13 a, and the temperature detector 24 are preferably provided near the bottom of the hot water tank 9. The hot water tank water circulation path outlet 13b and the hot water supply port 22 are preferably provided above the hot water tank 9. This is because, in the hot water tank 9, a region where the temperature of water is relatively low is formed in the lower portion and a region where the temperature of water is relatively high is formed in the upper portion. That is, since the water supplied from the city water inlet 21 is a normal tap water temperature (about 10 to 20 ° C.), it is more efficient to flow in the vicinity of the region where the temperature of the water is relatively low. . On the contrary, since it is necessary to supply high temperature water (hot water) from the hot water supply port 22, it is possible to supply hot water more efficiently if it is provided in a high temperature region (above).

次に、制御部5による制御を説明する。上述したように、発電に伴って燃料電池3で発生した熱は、定常的に熱交換器7を経て貯湯槽9に蓄えられる。すなわち、燃料電池3は定常的に冷却水によって冷却されている。これは、燃料電池3は高温になりすぎると運転効率の減少や運転寿命の低下の恐れがあるためである。そのため、制御部5には、貯湯槽9内の水(湯)の温度に、所定の第1の上限温度(例えば60℃)を設定されている。これは、貯湯槽9の水の温度と燃料電池3の運転温度とは互いに連動しており、貯湯槽9内の水の温度が高くなると燃料電池3の運転温度も高くなるためでもある。この第1の上限温度は、燃料電池3の運転が問題なく行うことのできる温度であり、炭酸カルシウムの析出を防止し、レジオネラル菌等の細菌の発生を防止する温度を考慮して、決定すればよい。通常運転時には貯湯槽の水(湯)の温度は第1の上限温度以下となるように運転を制御する。ここで例えば、電力需要は高いが、給湯等の熱需要が低い場合、発電により発生する熱量に比べ、貯湯槽から利用される熱量が小さくなるため、結果として貯湯槽に蓄えられている熱量が増大していく。その結果、貯湯槽内の水(湯)の温度がどんどん上昇していくことになる。   Next, control by the control unit 5 will be described. As described above, the heat generated in the fuel cell 3 along with the power generation is constantly stored in the hot water tank 9 through the heat exchanger 7. That is, the fuel cell 3 is constantly cooled by the cooling water. This is because if the fuel cell 3 is too hot, there is a risk that the operating efficiency may decrease or the operating life may decrease. Therefore, a predetermined first upper limit temperature (for example, 60 ° C.) is set in the control unit 5 as the temperature of water (hot water) in the hot water tank 9. This is because the temperature of the water in the hot water tank 9 and the operating temperature of the fuel cell 3 are linked to each other, and the operating temperature of the fuel cell 3 increases as the temperature of the water in the hot water tank 9 increases. The first upper limit temperature is a temperature at which the operation of the fuel cell 3 can be performed without any problem, and is determined in consideration of a temperature that prevents the precipitation of calcium carbonate and the generation of bacteria such as Legionella. do it. During normal operation, the operation is controlled so that the temperature of the water (hot water) in the hot water storage tank is equal to or lower than the first upper limit temperature. Here, for example, when the demand for electric power is high but the demand for heat such as hot water supply is low, the amount of heat used from the hot water tank is smaller than the amount of heat generated by power generation, and as a result, the amount of heat stored in the hot water tank is reduced. It will increase. As a result, the temperature of the water (hot water) in the hot water tank rises steadily.

最終的に、貯湯槽内の水の温度が第1の上限温度に達しても、さらに燃料電池3に対して発電要求がある場合、制御部5では、運転を継続すべきかどうか判断する。例えば、負荷11での電力消費が多く、燃料電池3の運転を停止させると家庭と電力系統のブレーカーが落ちるが、燃料電池での発電を継続させると、ブレーカーが落ちる危険性を回避できる場合、制御部5は燃料電池3の運転を継続させる。結果として、制御部5は、第1の上限温度を上回る温度で運転を継続させる。   Finally, even when the temperature of the water in the hot water tank reaches the first upper limit temperature, if there is a power generation request for the fuel cell 3, the controller 5 determines whether or not to continue the operation. For example, if the load 11 consumes a large amount of power and the operation of the fuel cell 3 is stopped, the breaker of the home and the power system will drop, but if the power generation in the fuel cell is continued, the risk of the breaker falling can be avoided. The control unit 5 continues the operation of the fuel cell 3. As a result, the control unit 5 continues the operation at a temperature exceeding the first upper limit temperature.

なお、制御部5は、燃料電池3へ発電要求があることを例えば以下のようにして検出する。インバータ10が負荷11から発電要求があることを検出した場合に、インバータ10は制御部5に負荷11からの発電要求があることを伝達し、燃料電池3は負荷11からの発電要求があることを検出する。   The control unit 5 detects that there is a power generation request to the fuel cell 3, for example, as follows. When the inverter 10 detects that there is a power generation request from the load 11, the inverter 10 notifies the control unit 5 that there is a power generation request from the load 11, and the fuel cell 3 has a power generation request from the load 11. Is detected.

なお、このような場合に備え、上限温度に第二の上限温度を設定しておくことが望ましい。なお、第二の上限温度は、燃料電池の固体電解質の限界温度や水の沸点等を考慮して、例えば80〜90℃とすることが好ましい。ただし、第二の上限温度は、用いる電解質の種類や、燃料電池の構造等に応じて適宜設定するものであり、上記の範囲に限るものではない。   In such a case, it is desirable to set the second upper limit temperature as the upper limit temperature. The second upper limit temperature is preferably set to, for example, 80 to 90 ° C. in consideration of the limit temperature of the solid electrolyte of the fuel cell, the boiling point of water, and the like. However, the second upper limit temperature is appropriately set according to the type of electrolyte used, the structure of the fuel cell, and the like, and is not limited to the above range.

上述したように貯湯槽9内の水(湯)の温度が第1の上限温度を上回って運転を継続した結果、貯湯槽9内の水(湯)の温度が第2の上限温度に達した場合、制御部5は、燃料電池3の運転を停止させるようにするのが好ましい。これにより、燃料電池3の固体電解質の劣化や、水の沸騰による配管の劣化、損傷を防止できる。   As described above, the temperature of the water (hot water) in the hot water tank 9 exceeds the first upper limit temperature and the operation is continued. As a result, the temperature of the water (hot water) in the hot water tank 9 reaches the second upper limit temperature. In this case, it is preferable that the control unit 5 stops the operation of the fuel cell 3. Thereby, deterioration of the solid electrolyte of the fuel cell 3 and deterioration and damage of piping due to boiling of water can be prevented.

このように制御部5が第2の上限温度を上限として燃料電池を運転させ、貯湯槽9内の水(湯)の温度が第1の上限温度を超えると、貯湯槽9内の水(湯)から炭酸カルシウムをはじめとする不純物が析出し沈殿物を形成し始める。この不純物は、多量に析出し蓄積されることで貯湯槽9内の水の循環を妨げることがあるため、あまり好ましくない。   As described above, when the control unit 5 operates the fuel cell with the second upper limit temperature as the upper limit and the temperature of the water (hot water) in the hot water tank 9 exceeds the first upper limit temperature, the water (hot water) in the hot water tank 9 is reached. ) From which impurities such as calcium carbonate are deposited and a precipitate is formed. This impurity is not so preferable because it precipitates and accumulates in a large amount and may hinder the circulation of water in the hot water tank 9.

そのため制御部5は、第1の上限温度を上回り、燃料電池3の運転を継続する場合、排出口23より貯湯槽9内の水を排出する。これにより、沈殿物を貯湯槽9から排出する。これにより、貯湯槽9内に溜まった沈殿物を効果的に貯湯槽9外部に排出でき、燃料電池3の運転の不具合を防止できる。   Therefore, the controller 5 discharges water in the hot water tank 9 from the discharge port 23 when the temperature exceeds the first upper limit temperature and the operation of the fuel cell 3 is continued. Thereby, the deposit is discharged from the hot water tank 9. Thereby, the deposit accumulated in the hot water tank 9 can be effectively discharged to the outside of the hot water tank 9, and malfunction of the fuel cell 3 can be prevented.

なお、以下のような構成にすることでより効果的に沈殿物を排出することができる。制御部5は、第一の上限温度を上回って運転している期間を計測し、その期間を記憶する記憶部40を備える。制御部5は、第一の上限温度を上回って運転している期間が所定の期間を超えた場合には、貯湯槽9内の水(湯)を所定量だけ外部に排出する。これにより析出した不純物による沈殿物を貯湯槽9の外部に排出する。所定の期間や所定の量は、供給される水の成分や給湯使用状況等、状況に応じて異なるため、予め制御部5に上記所定の期間や所定の量を設定しておいても良い。   In addition, a precipitate can be discharged | emitted more effectively by setting it as the following structures. The control part 5 is provided with the memory | storage part 40 which measures the period which is operating exceeding 1st upper limit temperature, and memorize | stores the period. The controller 5 discharges a predetermined amount of water (hot water) in the hot water tank 9 to the outside when the operating period exceeding the first upper limit temperature exceeds a predetermined period. As a result, the precipitate due to the deposited impurities is discharged to the outside of the hot water tank 9. Since the predetermined period and the predetermined amount differ depending on the situation such as the component of the supplied water and the hot water supply usage state, the predetermined period and the predetermined amount may be set in the control unit 5 in advance.

なお、制御部5は、供給される水の成分に応じて上述した所定の期間を設定するようにしても良い。ここでいう水の成分とは例えば、水の硬度や、水に含まれる金属成分(例えばCa)の含有量等が挙げられる。例えば、供給される水の硬度が高い場合、より多くの不純物が析出するため、所定の期間を短くする。また、供給される水の硬度が小さい場合、不純物の析出は比較的少ないため、所定の期間を長くする。   The control unit 5 may set the predetermined period described above according to the component of the supplied water. Examples of the water component herein include the hardness of water and the content of a metal component (for example, Ca) contained in water. For example, when the hardness of the supplied water is high, more impurities are deposited, so the predetermined period is shortened. In addition, when the hardness of the supplied water is small, the precipitation of impurities is relatively small, so the predetermined period is extended.

なお、記憶部40は、第1の上限温度を上回って運転している期間における給湯量を記憶するようにしても良い。制御部5は、この給湯量と、貯湯槽に供給される水の成分とから、析出した不純物の量を概算し記憶部40に蓄積する。そして、蓄積した不純物の析出量に応じて排出する水(湯)の量を設定する。このようにすることにより、排出する水の量を適切に決定でき、必要最小限の水の排出で済ませることができる。   In addition, you may make it the memory | storage part 40 memorize | store the hot water supply amount in the period which is drive | operating exceeding 1st upper limit temperature. The controller 5 estimates the amount of precipitated impurities from the amount of hot water supplied and the components of the water supplied to the hot water tank, and accumulates them in the storage unit 40. Then, the amount of water (hot water) to be discharged is set according to the amount of accumulated impurities deposited. By doing in this way, the quantity of the water to discharge | emit can be determined appropriately and it can be completed by discharge | emission of the minimum required water.

貯湯槽9内の水の排出は、例えば以下のように行う。排出口23に図示しない開閉弁を設け、水の排出を行う場合に制御部5は開閉弁を開ける。そして、所定量だけ水を排出した後、制御部5は開閉弁を閉じる。ここで、排出した水の量は例えば、予め計測されている時間当たりに排出される水の量に開閉弁の動作時間を計測して、それらの乗数をとる方法等で検出する。なお、上記のように貯湯槽9内の水を排出した場合には、水の排出量に応じて、市水流入口21より水を供給するようにしても良い。   For example, the water in the hot water tank 9 is discharged as follows. An opening / closing valve (not shown) is provided at the discharge port 23, and the controller 5 opens the opening / closing valve when discharging water. And after discharging | emitting a predetermined amount of water, the control part 5 closes an on-off valve. Here, the amount of discharged water is detected by, for example, a method of measuring the operation time of the on-off valve to the amount of water discharged per unit time that has been measured in advance, and taking their multipliers. In addition, when the water in the hot water tank 9 is discharged as described above, the water may be supplied from the city water inlet 21 in accordance with the amount of water discharged.

次に、本実施の形態による他の貯湯槽を図3を用いて説明する。図3は本実施の形態1による他の貯湯槽の概略図である。図3に示す貯湯槽9は傾斜部30を有する点で上述した貯湯槽と異なる。具体的には、貯湯槽9の底部に排出口23に向かって傾斜する傾斜部30を有する。このような傾斜部30を有することで、貯湯槽9内で析出する不純物が排出口23近傍に集まりやすくなり、より効率的に貯湯槽9内に溜まった不純物を外部に排出できる。なお、傾斜部30の下端に排出口23を設けることがより好ましい。このようにすることで、貯湯槽9内に溜まった不純物をより効率的に外部に排出できる。   Next, another hot water storage tank according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view of another hot water storage tank according to the first embodiment. The hot water tank 9 shown in FIG. 3 differs from the hot water tank described above in that it has an inclined portion 30. Specifically, the bottom portion of the hot water tank 9 has an inclined portion 30 that is inclined toward the discharge port 23. By having such an inclined portion 30, impurities deposited in the hot water tank 9 are likely to gather near the discharge port 23, and the impurities accumulated in the hot water tank 9 can be discharged to the outside more efficiently. It is more preferable to provide the discharge port 23 at the lower end of the inclined portion 30. By doing in this way, the impurities accumulated in the hot water tank 9 can be discharged to the outside more efficiently.

(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2による燃料電池発電システムのブロック図である。なお、実施の形態1と同様の構成をなすものには同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a block diagram of a fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to what makes the structure similar to Embodiment 1, and detailed description is abbreviate | omitted.

本実施の形態では制御部5に、推定部41がさらに設けられている。制御部5は実施の形態1で説明した制御部5と同様の機能を少なくとも有する。上述のように貯湯槽9内の水の温度が第1の上限温度を上回って運転した場合、燃料電池3の冷却が十分に行えず動作温度が高くなり燃料電池3の固体電解質膜の劣化等によって燃料電池3の寿命が多少短くなる可能性がある。よって推定部41によって寿命を推定することにより燃料電池3の動作を制御する。具体的には以下のように寿命の推定を行う。推定部41には燃料電池3で発電された電力の電流値と電圧値とが入力される。推定部41は、制御部5が貯湯槽9内の水の温度を第1の上限温度以下で運転した場合に、これらの値から求められる電流−電圧特性から燃料電池3の寿命を推定する。   In the present embodiment, the control unit 5 is further provided with an estimation unit 41. The control unit 5 has at least the same function as the control unit 5 described in the first embodiment. As described above, when the temperature of the water in the hot water tank 9 is operated so as to exceed the first upper limit temperature, the fuel cell 3 cannot be sufficiently cooled, the operating temperature becomes high, and the solid electrolyte membrane of the fuel cell 3 deteriorates. As a result, the life of the fuel cell 3 may be somewhat shortened. Therefore, the operation of the fuel cell 3 is controlled by estimating the lifetime by the estimation unit 41. Specifically, the lifetime is estimated as follows. The estimation unit 41 receives a current value and a voltage value of the power generated by the fuel cell 3. The estimation part 41 estimates the lifetime of the fuel cell 3 from the current-voltage characteristics calculated | required from these values, when the control part 5 drive | operates the temperature of the water in the hot water storage tank 9 below a 1st upper limit temperature.

燃料電池3を同じ運転条件で動作させた場合、運転時間の経過に伴って燃料電池3の性能が低下し、電圧値が低下する。同じ運転条件とは、供給する水素含有ガス量、水素含有ガスの露点、動作温度、および燃料電池3から出力する電流値を同じにすることを意味する。寿命を予測する場合、電圧値の低下を予め測定/シミュレーションし、運転時間と電圧値低下をテーブル化する。そして寿命を予測したい時点での電圧値を測定する。電圧値と上述のテーブルから、測定した電圧値が、どの運転時間に相当するかを当てはめる。次に、寿命として設定している電圧値までの運転時間との差を計算する。このようにして燃料電池3の寿命を推定することができる。どの電圧値を燃料電池3の寿命と判断するかは個別機器で設定すればよい。例えば、電圧値の低下は発電効率の低下と同義なので、目標とする発電効率を下回る場合を燃料電池3の寿命としてもよい。あるいは、電圧が低下すると同じだけ発電させる場合、必要となる水素含有ガス量が多くなるので、燃料処理機1での水素含有ガス発生能力を考慮して、寿命を設定することもできる。   When the fuel cell 3 is operated under the same operating conditions, the performance of the fuel cell 3 is reduced with the passage of the operating time, and the voltage value is reduced. The same operating conditions mean that the amount of hydrogen-containing gas to be supplied, the dew point of the hydrogen-containing gas, the operating temperature, and the current value output from the fuel cell 3 are the same. When predicting the service life, the voltage value drop is measured / simulated in advance, and the operation time and voltage drop are tabulated. And the voltage value at the time of predicting the life is measured. From the voltage value and the above table, it is applied to which operating time the measured voltage value corresponds. Next, the difference from the operation time up to the voltage value set as the lifetime is calculated. In this way, the life of the fuel cell 3 can be estimated. What voltage value is determined as the life of the fuel cell 3 may be set by an individual device. For example, since a decrease in voltage value is synonymous with a decrease in power generation efficiency, the life of the fuel cell 3 may be set to be lower than the target power generation efficiency. Alternatively, when power generation is performed as much as the voltage decreases, the amount of hydrogen-containing gas required increases, so that the lifetime can be set in consideration of the hydrogen-containing gas generation capability of the fuel processor 1.

また推定部41は制御部5による燃料電池3の発電動作の変更に伴う燃料電池3の寿命の変化を推定する。すなわち、推定部41は貯湯槽9内の水の温度を第1の上限温度を上回って運転したことによる寿命への影響を寿命の変化として見積もる。例えば、第1の上限温度を上回って運転したことによって運転単位時間あたり寿命がどの程度短くなるかのデータを保持させておき、第1の上限温度を上回って運転した時間から寿命の短縮を見積もることができる。   Further, the estimation unit 41 estimates a change in the life of the fuel cell 3 due to a change in the power generation operation of the fuel cell 3 by the control unit 5. That is, the estimation unit 41 estimates the influence on the life due to the operation of the water in the hot water tank 9 above the first upper limit temperature as a change in the life. For example, data indicating how much the life per operating unit time is shortened by operating above the first upper limit temperature is retained, and the shortening of the life is estimated from the time of operation exceeding the first upper limit temperature. be able to.

記憶部40は推定部41で推定した燃料電池3の寿命の値を保持している。推定部41は、推定した燃料電池3の寿命の値が変化したとき、記憶部40に保持された燃料電池3の寿命の値を更新する。   The storage unit 40 holds the life value of the fuel cell 3 estimated by the estimation unit 41. The estimation unit 41 updates the life value of the fuel cell 3 held in the storage unit 40 when the estimated life value of the fuel cell 3 changes.

例えば家庭用の燃料電池発電システムには、10年程度の寿命を保証することが必要である。そのため燃料電池3は、通常運転で運転しても10年以上の寿命を有するように設計されている。このように短くなった寿命の値を記憶部40に保持することで、例えば第1の上限温度を上回って運転をすることを制限することができる。これによって確実に10年程度の寿命を確保することができる。   For example, it is necessary to guarantee a lifetime of about 10 years for a household fuel cell power generation system. Therefore, the fuel cell 3 is designed to have a life of 10 years or longer even when operating in normal operation. By holding the lifetime value thus shortened in the storage unit 40, for example, it is possible to limit the operation exceeding the first upper limit temperature. This ensures a lifetime of about 10 years.

逆に、通常の運転において比較的軽負荷で使われることが多い場合、燃料電池3の寿命が10年をはるかに超える状況もありうる。このように寿命に余裕がある場合、制御部5は積極的に第1の上限温度を上回って運転できる。すなわち、制御部5は、予め設定され記憶部40に記憶された燃料電池3の保証寿命の値と、実際に推定された燃料電池3の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて貯湯槽の水の温度を制御できる。このようにすれば、保証寿命を確保しつつ、負荷11の変動に柔軟に対応することができる。   On the other hand, when it is often used at a relatively light load in normal operation, there may be a situation where the life of the fuel cell 3 far exceeds 10 years. Thus, when there is room in the life, the control unit 5 can actively operate above the first upper limit temperature. That is, the control unit 5 compares the guaranteed lifetime value of the fuel cell 3 preset and stored in the storage unit 40 with the actually estimated lifetime value of the fuel cell 3, and according to the comparison result. The temperature of the hot water tank can be controlled. In this way, it is possible to flexibly cope with fluctuations in the load 11 while ensuring a guaranteed life.

以上のように、本発明の燃料電池発電システムでは、貯湯槽内の水の温度が所定の第1の上限温度を上回って、運転を継続した場合、貯湯槽内の水を排出することで貯湯槽内の沈殿物を排出する。これによって、燃料電池の運転上の不具合を防止でき、利便性を向上することができる。本発明にかかる燃料電池発電システムは、特に家庭での電力を安定的に供給するシステムとして有用である。   As described above, in the fuel cell power generation system of the present invention, when the temperature of the water in the hot water storage tank exceeds the predetermined first upper limit temperature and the operation is continued, the hot water storage water is discharged by discharging the water in the hot water storage tank. Drain the sediment in the tank. As a result, problems in the operation of the fuel cell can be prevented, and convenience can be improved. The fuel cell power generation system according to the present invention is particularly useful as a system for stably supplying electric power at home.

1 燃料処理機
3,103 燃料電池
5 制御部
7,107 熱交換器
9,109 貯湯槽
10,110 インバータ
11 負荷
12,112 燃料電池冷却水循環経路
13,113 貯湯槽水循環経路
13a 貯湯槽水循環経路入口
13b 貯湯槽水循環経路出口
21 市水流入口
22 給湯供給口
23 排出口
24 温度検出部
30 傾斜部
40 記憶部
41 推定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel processor 3,103 Fuel cell 5 Control part 7,107 Heat exchanger 9,109 Hot water tank 10,110 Inverter 11 Load 12,112 Fuel cell cooling water circulation path 13,113 Hot water tank water circulation path 13a Hot water tank water circulation path inlet 13b Hot water tank water circulation path exit 21 City water inlet 22 Hot water supply port 23 Discharge port 24 Temperature detection unit 30 Inclination unit 40 Storage unit 41 Estimation unit

Claims (14)

燃料電池と、
燃料電池から発生する熱を水で回収して貯め、底部近傍に設けられる水の排出口と、前記水の温度を検出する温度検出部とを有する貯湯槽と、
制御部と、を備え、
前記貯湯槽内の水の温度における第一の上限温度が前記制御部に予め設けられ、
前記制御部は、
前記温度検出部で検出される温度が前記第一の上限温度を上回り、前記燃料電池の運転を継続させる場合、
前記排出口より前記貯湯槽内の水を排出させる
燃料電池発電システム。
A fuel cell;
A hot water storage tank that collects and stores heat generated from the fuel cell with water, and has a water discharge port provided near the bottom, and a temperature detection unit that detects the temperature of the water;
A control unit,
A first upper limit temperature of water in the hot water tank is provided in the control unit in advance,
The controller is
When the temperature detected by the temperature detection unit exceeds the first upper limit temperature and the operation of the fuel cell is continued,
A fuel cell power generation system for discharging water in the hot water storage tank from the discharge port.
前記排出口より前記貯湯槽内の水を排出することで前記貯湯槽内の沈殿物を排出する
請求項1に記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the deposit in the hot water storage tank is discharged by discharging water in the hot water storage tank from the discharge port.
前記貯湯槽は、上部近傍に前記貯湯槽外部への水の導出口と、底部近傍に前記貯湯槽内部への水の導入口とを備える
請求項1に記載の燃料電池発電システム。
2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the hot water storage tank includes a water outlet to the outside of the hot water tank in the vicinity of the upper part and an inlet of water to the inside of the hot water tank in the vicinity of the bottom part.
さらに、前記貯湯槽内の水の温度に第二の上限温度が前記制御部に予め設けられ、
前記制御部は、前記温度検出部で検出される温度が前記第二の上限温度を上回る場合、前記燃料電池の運転を停止させる
請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
Further, a second upper limit temperature is provided in advance in the control unit for the temperature of the water in the hot water tank,
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit stops the operation of the fuel cell when the temperature detected by the temperature detection unit exceeds the second upper limit temperature.
前記第一の上限温度は、前記貯湯槽内の水から、前記沈殿物が析出する温度である請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池発電システム。 5. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the first upper limit temperature is a temperature at which the precipitate is deposited from water in the hot water storage tank. 前記第二の上限温度は、前記燃料電池を運転させる動作限界温度である請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5, wherein the second upper limit temperature is an operation limit temperature for operating the fuel cell. 前記制御部は、前記第一の上限温度を上回って前記燃料電池を運転させた期間を計測し記憶する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記期間が所定の期間に達した時に前記排出口から前記水を排出する
請求項1に記載の燃料電池発電システム。
The control unit further includes a storage unit that measures and stores a period during which the fuel cell is operated above the first upper limit temperature,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the control unit discharges the water from the discharge port when the period reaches a predetermined period.
前記記憶部は、前記所定の期間における前記貯湯槽からの給湯量を計測して記憶し、
前記制御部は、前記給湯量と貯湯槽内に供給される水の成分とから、排出する前記水の排出量を設定する
請求項7に記載の燃料電池発電システム。
The storage unit measures and stores the amount of hot water supplied from the hot water storage tank during the predetermined period,
The fuel cell power generation system according to claim 7, wherein the control unit sets a discharge amount of the water to be discharged from the hot water supply amount and a component of water supplied into the hot water storage tank.
前記制御部は、供給される水の成分から、前記所定の期間を設定する
請求項7に記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 7, wherein the control unit sets the predetermined period from a component of supplied water.
前記水の成分は、水の硬度、水に含まれる金属成分の量の少なくともいずれかを含む
請求項8または9に記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to claim 8 or 9, wherein the water component includes at least one of hardness of water and an amount of a metal component contained in water.
前記貯湯槽は、前記排出口に向かって下方に傾斜する傾斜部を有する
請求項1から10のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 10, wherein the hot water storage tank has an inclined portion inclined downward toward the discharge port.
前記制御部は、前記第一の上限温度以下で前記燃料電池を運転させた状態で、前記燃料電池の電流−電圧特性から前記燃料電池の寿命を推定するとともに、
前記第一の上限温度を上回って前記燃料電池を運転させたことに伴って生じる、前記燃料電池の寿命の変化を見積もる推定部をさらに備える請求項1に記載の燃料電池発電システム。
The control unit estimates the life of the fuel cell from the current-voltage characteristics of the fuel cell while operating the fuel cell at the first upper limit temperature or lower,
2. The fuel cell power generation system according to claim 1, further comprising an estimation unit configured to estimate a change in a life of the fuel cell, which is generated when the fuel cell is operated above the first upper limit temperature.
前記制御部は、前記推定部で推定した前記燃料電池の寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記推定部は、推定した前記燃料電池の寿命の値が変化したとき、前記記憶部に保持された前記燃料電池の寿命の値を更新する請求項12に記載の燃料電池発電システム。
The control unit further includes a storage unit that holds a life value of the fuel cell estimated by the estimation unit,
The fuel cell power generation system according to claim 12, wherein the estimation unit updates the value of the life of the fuel cell held in the storage unit when the estimated value of the life of the fuel cell changes.
前記制御部は、予め設定された前記燃料電池の保証寿命の値を保持する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記燃料電池の保証寿命の値と前記燃料電池の寿命の値とを比較し、その比較結果に応じて前記上限温度を変更する請求項12に記載の燃料電池発電システム。
The control unit further includes a storage unit that holds a preset value of the guaranteed lifetime of the fuel cell,
The said control part compares the value of the guaranteed lifetime of the said fuel cell memorize | stored in the said memory | storage part with the value of the lifetime of the said fuel cell, The said upper limit temperature is changed according to the comparison result. Fuel cell power generation system.
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