수소차 원리 1단계부터 마스터할 미래를 열 7가지 핵심 기술

우리가 매일 마주하는 복잡한 도시의 도로에서, 혹은 먼 미래를 상상할 때, 우리는 어떤 자동차가 달리고 있을지 궁금해하곤 합니다. 단순히 배기가스를 뿜지 않는다는 친환경적인 매력을 넘어, 전기를 만드는 과정 자체가 물만을 배출하는 혁신적인 기술, 바로 수소차가 그 중심에 있습니다. 하지만 과연 수소차는 어떤 원리로 움직이며, 그 속에 숨겨진 놀라운 기술들은 무엇일까요? '수소차'라는 단어를 들으면 어렴풋이 '친환경'이라는 이미지만 떠오르고, 그 속 깊은 과학과 공학의 세계는 마치 거대한 미지의 영역처럼 느껴지셨을 수도 있습니다. 오늘, 우리는 수소차가 움직이는 기본적인 원리부터, 미래를 현실로 만들 7가지 핵심 기술까지 단계별로 깊이 있게 탐구하며, 여러분이 수소차 전문가로 발돋움할 수 있도록 안내해 드릴 것입니다. 이 여정을 통해 단순한 이동 수단 그 이상을 의미하는 수소차가 에너지 전환 시대의 핵심 기술임을 함께 이해하고, 우리가 만들어갈 지속 가능한 미래에 대한 통찰력을 얻으시길 바랍니다.

수소차 작동 원리 이해

수소와 산소의 만남

수소차의 가장 기본적인 작동 원리는 마치 자연이 만든 작은 발전소와 같습니다. 깨끗한 에너지의 대명사인 **수소(H2)**와 우리가 숨 쉬는 공기 중의 **산소(O2)**가 만나 전기를 생성하는 것이죠. 이 과정은 '연료전지'라고 불리는 특별한 장치 안에서 일어납니다. 수소차는 주유소에서 기름을 넣듯 수소 충전소에서 고압으로 압축된 수소를 연료탱크에 채웁니다. 이 수소는 연료전지 스택으로 이동하고, 외부에서 흡입된 공기에서 분리된 산소와 만나게 됩니다.

이 만남은 단순한 화학 반응을 넘어섭니다. 연료전지 스택 내부에서는 수소가 양성자(H+)와 전자(e-)로 분리되고, 이 전자들은 외부 회로를 통해 흐르면서 전기를 만들어냅니다. 쉽게 말해, 수소와 산소가 '사랑'을 나눌 때 발생하는 부산물이 전기인 셈이죠. 이 전기는 수소차의 모터를 구동하고 각종 전장 부품에 에너지를 공급하는 역할을 합니다. 마치 작은 화학 공장이 자동차 엔진룸 안에서 끊임없이 전기를 생산하는 모습이라고 상상하시면 이해하기 쉬울 것입니다.

전기 생성 과정

수소차의 핵심인 연료전지 스택 내부에서 전기가 생성되는 과정은 양성자 교환막(PEM, Proton Exchange Membrane)을 중심으로 일어납니다. 먼저, 연료전지 스택의 수소극(Anode) 쪽에서는 촉매의 도움으로 수소 기체(H2)가 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리됩니다. 이때 분리된 전자들은 양성자 교환막을 통과하지 못하고, 외부 회로를 통해 **산소극(Cathode)**으로 이동하게 되는데, 이 전자의 흐름이 바로 우리가 사용하는 전기입니다.

동시에, 수소 이온(H+)은 양성자 교환막을 통과하여 산소극으로 이동합니다. 산소극에서는 외부에서 유입된 산소(O2)가 촉매 표면에서 이 전자(e-)와 수소 이온(H+)과 만나 반응하게 됩니다. 이 모든 과정이 매끄럽게 이루어져야 효율적으로 전기가 생성되며, 이 과정은 고도로 정밀하게 제어됩니다. 이처럼 수소와 산소의 화학 반응이 직접 전기로 변환되기 때문에, 내연기관처럼 열 에너지로 변환 후 운동 에너지로 바꾸는 복잡한 과정 없이 에너지 효율이 매우 높다는 장점을 가지고 있습니다.

물 배출의 친환경

수소차의 가장 매력적인 특징 중 하나는 바로 배기가스가 전혀 없다는 점입니다. 연료전지 스택의 산소극에서 수소 이온, 전자, 산소가 만나 반응한 최종 생성물은 바로 **순수한 물(H2O)**입니다. 이 물은 머플러를 통해 수증기 형태로 배출되거나, 액체 상태로 흘러나오기도 합니다. 마치 맑은 날 자동차에서 물이 떨어지는 모습을 본다면, 그것은 바로 수소차가 만들어낸 친환경적인 결과물이라고 할 수 있죠.

이처럼 물만을 배출한다는 것은 환경에 어떠한 오염 물질도 남기지 않는다는 것을 의미합니다. 미세먼지나 온실가스 배출의 주범인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 이산화탄소(CO2) 등이 전혀 발생하지 않으므로, 수소차는 대기오염 문제 해결에 결정적인 역할을 할 수 있는 궁극의 친환경 자동차로 평가받고 있습니다. 우리가 숨 쉬는 공기를 더욱 깨끗하게 만드는 데 기여하는 이 친환경적인 작동 방식이야말로 수소차가 미래 에너지 시스템의 핵심으로 주목받는 이유입니다.

연료전지 스택의 심장

스택의 핵심 구성

수소차의 심장이라고 불리는 연료전지 스택은 수소와 산소를 이용해 전기를 생산하는 핵심 장치입니다. 이 스택은 여러 개의 단일 전지가 직렬로 연결된 형태로, 각 단일 전지는 크게 **MEA(막전극 접합체)**와 **분리판(Bipolar Plate)**으로 구성됩니다. MEA는 다시 수소 이온을 통과시키는 **양성자 교환막(PEM)**을 중심으로 양쪽에 수소와 산소의 반응을 돕는 촉매층과 **가스 확산층(GDL)**으로 이루어져 있습니다. 이 모든 요소들이 정교하게 조립되어 하나의 강력한 발전소를 이룹니다.

구성 요소 주요 기능
양성자 교환막 수소 이온만 통과시키고 전자는 차단하여 외부 회로로 유도
촉매층 수소 및 산소 반응의 속도를 높여 전기 생성 효율 증대
가스 확산층 연료 가스(수소, 산소)를 촉매층으로 고르게 분배
분리판 각 전지에 가스를 공급하고 전자를 모으며 열 관리 기능 수행

분리판은 각 단일 전지 사이에서 가스 통로와 냉각수 통로를 형성하여 연료 가스 공급과 생성된 열 관리 역할을 동시에 수행합니다. 이처럼 각 구성 요소가 유기적으로 작동하여, 수소와 산소의 화학 에너지를 고효율의 전기 에너지로 직접 변환하는 마법 같은 일이 일어나는 것이죠.

고효율 전력 생산

연료전지 스택의 뛰어난 점은 단순히 전기를 생산하는 것을 넘어, 높은 효율로 전력을 생산한다는 데 있습니다. 기존의 화력 발전이 연료를 태워 열에너지를 만들고, 다시 이 열로 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산하는 복잡한 과정에서 많은 에너지 손실이 발생하는 것과 달리, 연료전지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환합니다. 이 때문에 중간 단계를 최소화하여 에너지 전환 효율이 매우 높아지며, 일반 내연기관 차량의 에너지 효율이 2030%대인 반면, 수소차의 연료전지 효율은 **5060% 이상**에 달합니다.

이러한 고효율 전력 생산은 수소차의 긴 주행 거리빠른 충전 시간이라는 실질적인 장점으로 이어집니다. 동일한 양의 연료로 더 많은 전기를 생산할 수 있으니 한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있고, 배터리 전기차에 비해 수소 충전 시간이 약 3~5분 정도로 훨씬 짧아 사용자 편의성도 높습니다. 연료전지 스택의 기술 발전은 곧 수소차의 성능을 좌우하는 핵심 요소이며, 연구자들은 더 적은 촉매를 사용하고 더 얇은 막을 개발하는 등 끊임없이 효율을 높이기 위한 노력을 이어가고 있습니다.

성능 향상 전략

연료전지 스택의 성능을 향상시키기 위한 전략은 크게 세 가지 방향으로 진행됩니다. 첫째, 촉매 기술의 발전입니다. 현재 촉매로는 주로 백금이 사용되는데, 백금은 가격이 비싸고 희귀하다는 단점이 있습니다. 따라서 백금 사용량을 줄이거나, 백금을 대체할 수 있는 새로운 비백금계 촉매를 개발하는 것이 중요한 과제입니다. 더 적은 양으로도 동일하거나 더 높은 효율을 낼 수 있는 촉매 개발은 수소차의 가격 경쟁력을 높이는 데 결정적인 역할을 할 것입니다.

둘째, 막전극 접합체(MEA) 및 분리판 기술의 최적화입니다. MEA의 성능은 연료전지의 출력과 내구성에 직접적인 영향을 미치므로, 수소 이온 전도도가 높고 내구성이 우수한 양성자 교환막 개발과 효율적인 가스 확산층 설계가 중요합니다. 또한, 분리판의 두께를 얇게 하면서도 강도와 전도성, 내식성을 유지하는 기술은 스택의 부피를 줄이고 출력 밀도를 높이는 데 기여합니다. 마지막으로 스택의 열 및 수분 관리 시스템을 정교하게 제어하여 최적의 작동 온도를 유지하고 막의 건조 또는 과도한 수분 축적을 방지하는 것이 성능 향상에 필수적입니다. 이러한 기술적 진보들이 모여 더욱 강력하고 안정적인 연료전지 스택을 만들어나가고 있습니다.

안전한 수소 저장 기술

고압 수소 탱크

수소차의 안전성에서 가장 중요한 부분은 바로 수소를 안전하게 저장하는 기술입니다. 수소는 에너지 밀도가 높아 적은 양으로도 많은 에너지를 낼 수 있지만, 기체 상태에서는 부피가 매우 크다는 특징이 있습니다. 따라서 수소차에서는 이 수소를 효율적으로 저장하기 위해 700기압(bar)의 초고압으로 압축하여 특수 제작된 고압 수소 탱크에 저장합니다. 이 탱크는 일반적인 LPG 탱크나 CNG 탱크와는 비교할 수 없을 정도로 높은 압력을 견뎌야 하므로, 첨단 복합 소재 기술이 집약되어 있습니다.

고압 수소 탱크는 주로 탄소섬유 복합재료를 여러 겹으로 감아 만들어지며, 내부에는 수소 기체와의 반응을 막고 기밀성을 유지하는 라이너가 적용됩니다. 이 복합재료는 강철보다 훨씬 가벼우면서도 인장 강도가 뛰어나 외부 충격에도 쉽게 파손되지 않도록 설계됩니다. 수소 탱크의 외벽은 마치 방탄조끼처럼 여러 겹의 재료로 이루어져 있으며, 가장 바깥층은 외부 충격으로부터 탱크를 보호하는 역할을 합니다. 이러한 기술 덕분에 수소 탱크는 고압임에도 불구하고 매우 안정적이고 견고하게 수소를 저장할 수 있습니다.

안전성 확보 시스템

수소차의 안전성은 고압 수소 탱크의 견고함에서 끝나지 않습니다. 만약의 사고에 대비하여 다양한 안전성 확보 시스템이 다중으로 적용되어 있습니다. 가장 대표적인 것이 온도 감지 및 폭발 방지 밸브입니다. 탱크 주변에 화재가 발생하여 온도가 급격히 상승할 경우, 이 밸브가 자동으로 작동하여 수소를 외부로 안전하게 방출시킵니다. 수소는 공기보다 가벼워 빠르게 확산되기 때문에, 밀폐된 공간이 아니라면 폭발보다는 연소의 형태로 사라지게 됩니다.

또한, 수소 누출 감지 센서가 차량 곳곳에 설치되어 미세한 수소 누출이라도 즉시 감지하여 운전자에게 경고하고, 자동으로 밸브를 잠가 추가적인 누출을 방지합니다. 충돌 시에는 수소 공급 라인이 자동으로 차단되고, 탱크가 파손될 위험이 있는 심각한 충격이 감지되면 수소를 강제로 배출하는 시스템도 갖추고 있습니다. 마치 비행기의 블랙박스처럼 탱크의 상태를 실시간으로 모니터링하는 시스템도 있어, 모든 상황에서 탑승자의 안전을 최우선으로 지킬 수 있도록 설계되어 있습니다.

수소 공급 제어

고압으로 저장된 수소를 연료전지 스택으로 안전하게 공급하는 것도 매우 중요한 기술입니다. 수소 공급 제어 시스템은 운전 상황에 따라 연료전지가 필요로 하는 적절한 양의 수소를 정밀하게 조절하여 공급하는 역할을 합니다. 이 시스템은 여러 단계의 감압 밸브와 유량 제어 장치를 통해 고압의 수소를 연료전지가 사용할 수 있는 낮은 압력으로 점진적으로 낮추면서 공급합니다. 마치 수도꼭지를 돌려 물의 양을 조절하듯이, 수소의 흐름을 정확하게 제어하는 것이죠.

수소 공급 라인 역시 특수 재질의 파이프와 이음새로 구성되어 고압과 수소의 특성을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 혹시 모를 파손에 대비하여 이중, 삼중의 안전 장치가 마련되어 있으며, 차량의 **통합 제어 유닛(VCU)**과 연동하여 수소의 흐름을 실시간으로 감시하고 제어합니다. 이러한 정교한 수소 공급 제어 기술 덕분에 연료전지 스택은 항상 최적의 효율로 작동할 수 있으며, 동시에 수소의 낭비 없이 안전하게 에너지를 생산할 수 있습니다.

에너지 효율 극대화

전력 변환 장치

연료전지 스택에서 생산된 전기는 사실 우리가 흔히 사용하는 교류(AC) 전기가 아닌 직류(DC) 전기입니다. 그리고 이 직류 전기의 전압은 차량의 주행 상태나 요구 전력량에 따라 계속해서 변동합니다. 따라서 이 전기를 자동차의 모터를 구동하거나 보조 배터리를 충전하는 데 적합한 형태와 전압으로 변환해주는 장치가 필요한데, 이것이 바로 **전력 변환 장치(Power Converter Unit, PCU)**입니다. PCU는 연료전지에서 나오는 직류 전력을 모터 구동에 필요한 교류 전력으로 바꾸거나, 높은 전압의 직류 전력을 낮은 전압으로 변환하여 다른 전장 부품에 공급하는 역할을 합니다.

이 장치는 **인버터(Inverter)**와 컨버터(Converter) 등의 핵심 부품으로 이루어져 있습니다. 인버터는 직류를 교류로, 컨버터는 직류의 전압을 변환하는 역할을 합니다. 특히 전기차 시대에 필수적인 회생 제동 시스템의 효율을 높이는 데에도 PCU의 역할이 중요합니다. 차량이 감속하거나 내리막길을 주행할 때 발생하는 운동 에너지를 다시 전기 에너지로 변환하여 배터리에 저장하는 회생 제동 과정에서도 PCU는 전력을 효율적으로 관리하고 변환합니다. 이러한 정교한 전력 변환 기술은 수소차의 전체적인 에너지 효율을 극대화하여 한 번 충전으로 더 먼 거리를 주행할 수 있게 해줍니다.

최적의 열 관리

수소차의 연료전지 스택은 전기를 생산하는 과정에서 상당량의 열을 발생시킵니다. 이 열은 약 60~80°C 수준으로, 스택의 성능과 내구성을 유지하기 위해서는 이 열을 효과적으로 관리하는 것이 매우 중요합니다. 너무 뜨거워지면 스택의 효율이 떨어지고 부품 수명이 단축될 수 있으며, 반대로 너무 차가우면 반응 속도가 느려져 전력 생산에 문제가 생길 수 있습니다. 따라서 수소차에는 **최적의 열 관리 시스템(Thermal Management System)**이 필수적으로 적용됩니다.

이 시스템은 라디에이터, 워터펌프, 냉각 팬, 그리고 다양한 온도 센서와 밸브로 구성되어 있습니다. 연료전지 스택에서 발생한 열은 냉각수를 통해 흡수되고, 이 냉각수는 라디에이터를 거쳐 외부 공기와 열교환하며 온도를 낮춥니다. 이때 냉각 팬이 작동하여 공기 흐름을 강제함으로써 열 교환 효율을 높입니다. 또한, 차가운 환경에서는 스택을 빠르게 예열하여 최적의 작동 온도를 확보하는 기능도 포함되어 있습니다. 이러한 정교한 열 관리 기술은 연료전지 스택이 항상 최적의 상태에서 고효율로 작동할 수 있도록 보장하며, 수소차의 전반적인 성능과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

공기 공급 시스템

연료전지가 원활하게 전기를 생산하기 위해서는 수소뿐만 아니라 산소의 충분한 공급이 필수적입니다. 이 산소는 대기 중의 공기로부터 얻어지는데, 공기 공급 시스템은 엔진의 터보차저와 유사한 역할을 하는 **공기 압축기(Air Compressor)**를 통해 외부 공기를 흡입하고 압축하여 연료전지 스택으로 보냅니다. 단순히 공기를 공급하는 것을 넘어, 스택의 요구 전력량에 맞춰 필요한 양의 공기를 정확한 압력으로 공급하는 것이 중요합니다.

공기 압축기는 수소차의 성능에 큰 영향을 미치는데, 고효율의 공기 압축기는 더 적은 에너지로 더 많은 공기를 공급하여 연료전지 효율을 높입니다. 또한, 공기 중의 불순물(먼지, 유해 가스 등)은 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있으므로, 공기 필터를 통해 깨끗하게 정화된 공기를 공급하는 것도 중요한 기능입니다. 이 모든 과정은 차량의 통합 제어 유닛(VCU)에 의해 정밀하게 제어되며, 스택의 반응에 필요한 산소를 안정적으로 공급함으로써 연료전지의 최대 성능을 끌어내는 데 기여합니다.

미래를 위한 통합 제어

수소 누출 감지

수소차의 안전을 보장하는 데 있어 가장 중요한 기술 중 하나는 바로 수소 누출 감지 시스템입니다. 만약의 경우 발생할 수 있는 수소 누출 상황을 즉각적으로 파악하고 대응하는 것은 탑승자의 안전뿐만 아니라 차량의 안정적인 운행에도 직결됩니다. 이를 위해 수소차에는 수소 연료탱크, 연료전지 스택, 수소 공급 라인 등 수소가 흐르는 주요 지점마다 고감도 수소 센서가 다수 설치되어 있습니다.

이 센서들은 대기 중의 수소 농도를 실시간으로 감지하며, 아주 미량의 수소 누출이라도 감지되면 즉시 차량의 중앙 제어 시스템으로 신호를 보냅니다. 신호가 감지되면 차량은 운전자에게 경고 메시지를 보내는 동시에, 수소 공급을 차단하고 외부로 안전하게 수소를 배출하는 비상 시스템을 작동시킵니다. 수소는 공기보다 가볍기 때문에 누출 시 빠르게 위로 확산되므로, 센서의 위치와 반응 속도는 초고속 감지 및 대응에 매우 중요합니다. 이러한 정교한 감지 및 대응 시스템 덕분에 수소차는 높은 안전성을 확보하고 있습니다.

안전 시스템 주요 기능 비고
수소 누출 감지 센서 미량의 수소 누출 즉시 감지 및 경고 차량 내 주요 지점에 다수 설치
자동 밸브 차단 누출 감지 시 수소 공급 라인 자동 차단 추가 누출 방지
압력 완화 밸브(PRV) 비정상적인 압력 상승 또는 화재 발생 시 수소 안전 배출 열 감지 기능 포함
충돌 감지 및 차단 충돌 시 수소 공급 라인 자동 차단 및 탱크 격리 탑승자 보호
탱크 모니터링 시스템 수소 탱크의 압력, 온도, 충전량 등 실시간 감시 이상 발생 시 경고

차량 제어 유닛

수소차의 복잡한 시스템들을 하나로 통합하고 제어하는 두뇌 역할을 하는 것이 바로 **차량 제어 유닛(Vehicle Control Unit, VCU)**입니다. VCU는 연료전지 스택의 전력 생산, 모터의 구동, 배터리의 충전 및 방전, 수소 공급 및 열 관리, 그리고 각종 안전 시스템에 이르기까지 수소차의 모든 작동을 통합적으로 관리하고 최적화합니다. 운전자가 가속 페달을 밟으면, VCU는 운전자의 의도를 파악하여 연료전지 스택에 필요한 전력을 생산하도록 지시하고, 모터로 적절한 구동력을 전달합니다.

또한, VCU는 주행 중 발생할 수 있는 다양한 상황에 유기적으로 대응합니다. 예를 들어, 갑작스러운 제동 시에는 회생 제동 시스템을 작동시켜 운동 에너지를 전기로 회수하고, 오르막길에서는 배터리의 추가 전력을 활용하여 충분한 출력을 확보합니다. 이 모든 제어는 초당 수천 번의 연산을 통해 실시간으로 이루어지며, 각 시스템 간의 최적의 균형을 찾아 수소차의 성능, 효율, 그리고 안전성을 극대화합니다. VCU는 마치 오케스트라의 지휘자처럼, 수소차라는 거대한 악기를 조율하여 완벽한 하모니를 만들어내는 핵심 기술이라 할 수 있습니다.

시스템 안전 통합

수소차의 안전은 단순히 개별 부품의 안전성 확보를 넘어, 모든 시스템이 유기적으로 연동하여 통합적인 안전망을 구축하는 데 있습니다. 시스템 안전 통합은 수소 누출 감지, 고압 수소 탱크의 안전 설계, 연료전지 스택의 보호, 그리고 VCU의 제어 로직에 이르기까지 모든 안전 관련 기능들이 하나의 완벽한 체인처럼 연결되어 작동하도록 설계하는 것을 의미합니다. 예를 들어, 수소 누출 감지 센서가 이상 신호를 보내면, VCU는 즉시 수소 공급을 차단하고, 동시에 폭발 방지 밸브를 열어 안전하게 수소를 배출하는 일련의 과정을 신속하고 정확하게 수행합니다.

또한, 사고 발생 시 탑승자 보호를 위한 충돌 안전 설계도 통합 안전의 중요한 부분입니다. 수소 탱크는 차량의 충돌 에너지 흡수 구역 바깥쪽에 배치되거나, 충돌 시에도 손상되지 않도록 강력하게 보호됩니다. 수소 공급 라인 역시 충돌 발생 시 자동으로 잠기는 안전 밸브가 적용되어 있습니다. 이러한 시스템 안전 통합은 수소차 개발의 최우선 가치이며, 가혹한 안전성 테스트국제적인 안전 기준을 통과하여 그 신뢰성을 입증받고 있습니다. 이처럼 다층적인 안전 시스템이 서로 긴밀하게 연결되어 있어, 수소차는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 안전하게 설계되고 운행될 수 있습니다.

수소차는 단순한 미래의 이동 수단이 아니라, 에너지 전환 시대의 핵심 기술입니다. 오늘 살펴본 7가지 핵심 기술, 즉 연료전지 스택, 수소 저장 탱크, 전력 변환 장치, 열 관리 시스템, 공기 공급 시스템, 수소 센서 및 안전 시스템, 그리고 차량 제어 유닛은 수소차의 안정적이고 효율적인 작동을 보장하며 지속 가능한 미래를 현실로 만들고 있습니다. 우리가 목격하고 있는 수소차의 발전은 단순히 기술적인 진보를 넘어, 탄소 배출 없는 깨끗한 세상을 향한 인류의 담대한 도전이며, 지구 환경을 보호하고 다음 세대에 더 나은 미래를 물려주기 위한 필수적인 여정입니다.

이러한 기술의 발전을 이해하는 것은 단순한 지식을 넘어, 우리가 만들어갈 친환경 미래에 대한 통찰력을 제공합니다. 수소차가 친환경적인 이유가 단지 배출가스가 없다는 것을 넘어, 고효율의 에너지 전환과 철저한 안전 시스템으로 무장했음을 알게 된 지금, 수소 사회에 대한 이해를 한층 더 높이셨기를 바랍니다. 앞으로 다가올 수소 사회에 대한 이해를 높이고, 기술 발전에 지속적인 관심을 가짐으로써 친환경 에너지 혁명을 함께 이끌어 나가는 데 동참하시길 바랍니다. 이 혁명의 중심에 서 있는 수소차와 함께, 더욱 푸르고 깨끗한 미래를 상상해 보세요!

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