CN102057528B - 燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池堆,作为一个例子的燃料电池堆10通过沿水平方向交替层叠第一发电单元(12a)和第二发电单元(12b)而构成。第一发电单元(12a)具备第一燃料气体流路(36)、第一氧化剂气体流路(50)、第二燃料气体流路(58)以及第二氧化剂气体流路(66),它们被设定为沿层叠方向相位彼此相同。第二发电单元(12b)具备被设定为沿层叠方向相位彼此相同的第一燃料气体流路(36)、第一氧化剂气体流路(50)、第二燃料气体流路(58)以及第二氧化剂气体流路(66),它们被设定为与第一发电单元(12a)相位不同。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆,该燃料电池堆具备发电单元,该发电单元通过金属隔板夹持在电解质的两侧设置了阳极侧电极和阴极侧电极的电解质—电极结构体,并且设置有向所述阳极侧电极供给燃料气体的波形形状的燃料气体流路和向所述阴极侧电极供给氧化剂气体的波形形状的氧化剂气体流路,第一发电单元和第二发电单元形成冷却介质流路并交替层叠而构成燃料电池堆。
背景技术
例如,固体高分子型燃料电池具备由一对隔板夹持电解质膜—电极结构体(MEA)的单位电池,其中所述电解质膜—电极结构体在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的两侧分别配设了阳极侧电极及阴极侧电极。该种燃料电池通常通过层叠规定个数的单位电池,而作为燃料电池堆使用。
在上述的燃料电池中,在一方的隔板的面内与阳极侧电极对置而设置有用于使燃料气体流动的燃料气体流路,并且在另一方的隔板的面内与阴极侧电极对置而设置有用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体流路。另外,在隔板间,根据需要沿所述隔板的面方向设置有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。
此时,在作为隔板使用薄板波形形状的金属隔板时,若在阳极侧的金属隔板的一面设置有燃料气体流动用的凹部,则在所述金属隔板的另一面形成作为所述凹部的背面形状的凸部。并且,若在阴极侧的金属隔板的一面设置有氧化剂气体流动用的凹部,则在所述金属隔板的另一面形成作为所述凹部的背面形状的凸部。
因此,通过波形蜿蜒前进的凹部形成燃料气体流路以及氧化剂气体流路,由此在单位电池之间,各凹部的背面形状重叠而形成向与燃料气体和氧化剂气体不同的方向流动的冷却介质流路。
例如,在日本特开2007-141553号公报(日本国)所公开的燃料电池堆中,如图11所示,该燃料电池堆通过层叠多个单位电池1而构成,各单位电池1在膜电极结构体2的两侧配置有金属隔板3、4。
膜电极结构体2在固体高分子电解质膜2a的两侧设置有阳极侧电极2b和阴极侧电极2c。在与阳极侧电极2b对置的隔板3上形成有朝向铅垂方向蜿蜒前进的多条燃料气体流路槽(凹部)5,另一方面,在与阴极侧电极2c对置的金属隔板4的面上形成有沿着铅垂方向蜿蜒前进的多条氧化剂气体流路槽(凹部)6。
在金属隔板3的燃料气体流路槽5的背面侧形成有与该燃料气体流路槽5的背面形状对应的槽部7,在金属隔板4的氧化剂气体流路槽6的背面侧形成有与该氧化剂气体流路槽6的背面形状对应的槽部8。因此,通过层叠各单位电池1,在所述电位电池1之间,槽部7、8重叠而形成沿水平方向延伸的冷却介质流路。
在上述的燃料电池堆中,为了在各单位电池1之间形成沿水平方向延伸的冷却介质流路,需要将相互重叠的槽部7、8彼此形成为不同的相位。因此,在通过金属隔板3、4夹持膜电极结构体2的状态下,燃料气体流路槽5和氧化剂气体流路槽6具有分别不同的相位而蜿蜒前进。
因此,当膜电极结构体2由形成燃料气体流路槽5的蜿蜒前进凸部和形成氧化剂气体流路槽6的蜿蜒前进凸部夹持时,上述蜿蜒前进凸部彼此向在层叠方向上错开(由于相位不同),从而所述膜电极结构体2可能受到剪切力。
发明内容
本发明用于解决这种问题,其目的在于提供一种能够以简单且经济的结构可靠地阻止电解质—电极结构体由于金属隔板而受到剪切力的燃料电池堆。
本发明涉及燃料电池堆,其具备发电单元,该发电单元通过金属隔板夹持在电解质的两侧设置了阳极侧电极和阴极侧电极的电解质—电极结构体,并且设置有向所述阳极侧电极供给燃料气体的波形形状的燃料气体流路和向所述阴极侧电极供给氧化剂气体的波形形状的氧化剂气体流路, 所述燃料电池堆在第一发电单元与第二发电单元之间形成冷却介质流路并通过交替地层叠所述第一发电单元和第二发电单元而构成。
第一发电单元被设定为燃料气体流路与氧化剂气体流路相位彼此相同,另一方面,第二发电单元被设定为所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路相位彼此相同且与所述第一发电单元相位不同。
另外,优选:第一及第二发电单元至少具有第一及第二电解质—电极结构体,所述燃料电池堆中顺次层叠有第一金属隔板、所述第一电解质—电极结构体、第二金属隔板、所述第二电解质—电极结构体以及第三金属隔板。
并且,优选:第一及第二发电单元中交替层叠电解质—电极结构体和金属隔板,并且在层叠方向两端配设有所述金属隔板。
根据本发明,在第一发电单元内和第二发电单元内,燃料气体流路和氧化剂气体流路被设定为相位彼此相同。因此,电解质—电极结构体不会被施加剪切力,从而能够良好地阻止电解质—电极结构体的损伤。并且,只要将第一发电单元和第二发电单元交替地层叠就能够简单且经济地构成燃料电池堆。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆的主要部分分解立体说明图。
图2是构成所述燃料电池堆的第一发电单元的主要部分的分解立体说明图。
图3是所述燃料电池堆的图2中的III-III线剖视说明图。
图4是所述燃料电池堆的局部剖视说明图。
图5是构成所述燃料电池堆的第二发电单元的主要部分分解立体说明图。
图6是在所述第一发电单元和所述第二发电单元之间形成的冷却介质流路的立体说明图。
图7是本发明的第二实施方式的燃料电池堆的主要部分分解立体说明图。
图8是构成所述燃料电池堆的第一发电单元的主要部分分解立体说明图。
图9是所述燃料电池堆的局部剖视说明图。
图10是构成所述燃料电池堆的第二发电单元的主要部分分解立体说明图。
图11是日本特开2007-141553号公报的燃料电池堆的说明图。
具体实施方式
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆10的主要部分分解立体说明图。
燃料电池堆10通过沿水平方向(箭头A方向)交替层叠第一发电单元12a和第二发电单元12b而构成。如图2及图3所示,第一发电单元12a中设置有第一金属隔板14、第一电解质膜—电极结构体(电解质—电极结构体)16a、第二金属隔板18、第二电解质膜—电极结构体16b以及第二金属隔板20。需要说明的是,第一发电单元12a也可以包括三个以上的MEA。
第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或在金属板的金属表面实施了防腐用的表面处理的金属板构成。第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而具有截面凹凸形状。
第一电解质膜—电极结构体16a的表面积设定为比第二电解质膜—电极结构体16b的表面积小。第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b例如具备水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜22和夹持所述固体高分子电解质膜22的阳极侧电极24及阴极侧电极26。阳极侧电极24构成具有比阴极侧电极26的表面积小的表面积的台阶型MEA。
阳极侧电极24及阴极侧电极26具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有白金合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成于固体高分子电解质膜22的两面。
如图2所示,在第一发电单元12a的长边方向的(箭头C方向)的上 端缘部设置有在箭头A方向相互连通的用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a以及用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔32a。
在第一发电单元12a的长边方向的(箭头C方向)的下端缘部设置有在箭头A方向相互连通的用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔32b以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
在第一发电单元12a的短边方向(箭头B方向)的一端缘部设置有在箭头A方向相互连通的用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔34a,并且在所述第一发电单元12a的短边方向的另一端缘部设置有用于排出所述冷却介质的冷却介质出口连通孔34b。
在第一金属隔板14的朝向第一电解质膜—电极结构体16a的面14a上形成有将燃料气体入口连通孔32a和燃料气体出口连通孔32b连通的第一燃料气体流路36。第一燃料气体流路36具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽(凹部)36a,并且在所述第一燃料气体流路36的入口及出口附近分别设置有具有多个压花的入口缓冲部38以及出口缓冲部40。
在第一金属隔板14的面14b上形成有将冷却介质入口连通孔34a和冷却介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路44的一部分。在面14b上形成有作为构成第一燃料气体流路36的多个波形流路槽36a的背面形状的多个波形流路槽(凹部)44a。
在第二金属隔板18的朝向第一电解质膜—电极结构体16a的面18a上形成有将氧化剂入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第一氧化剂气体流路50。第一氧化剂气体流路50具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽(凹部)50a。在第一氧化剂气体流路50的入口及出口附近设置有入口缓冲部52及出口缓冲部54。
在第二金属隔板18的朝向第二电解质膜—电极结构体16b的面18b上形成有将燃料气体入口连通孔32a和燃料气体出口连通孔32b连通的第二燃料气体流路58。第二燃料气体流路58具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽(凹部)58a,并且在所述第二燃料气体流路58的入口及出口附近设置有入口缓冲部60以及出口缓冲部62。第二燃料气体流路58为第一氧化剂气体流路50的背面形状,另一方面,入口缓冲部60及出口缓冲 部62为入口缓冲部52及出口缓冲部54的背面形状。
在第三金属隔板20的朝向第二电解质膜—电极结构体16b的面20a上形成有将氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第二氧化剂气体流路66。第二氧化剂气体流路66具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽(凹部)66a。在第二氧化剂气体流路66的入口及出口附近设置有入口缓冲部68及出口缓冲部70。
在第三金属隔板20的面20b上形成有冷却介质流路44的一部分。在面20b上形成有作为构成第二氧化剂气体流路66的多个波形流路槽66a的背面形状的多个波形流路槽(凹部)44b。
在第一发电单元12a中,第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50、第二燃料气体流路58以及第二氧化剂气体流路66被设定为波形形状沿着层叠方向相位彼此相同,并且波间距、振幅也被设定为相同。
如图4所示,在通过第一金属隔板14和第二金属隔板18夹持第一电解质膜—电极结构体16a时,形成第一燃料气体流路36的多个的波形流路槽36a的凸部36c和形成第一氧化剂气体流路50的多个波形流路槽50a的凸部50c被沿层叠方向设置在同一位置。
在通过第二金属隔板18和第三金属隔板20夹持第二电解质膜—电极结构体16b时,形成第二燃料气体流路58的多个波形流路槽58a的凸部58c和形成第二氧化剂流路66的多个波形流路槽66a的凸部66c被沿层叠方向配置在同一位置。
如图2以及图3所示,在第一金属隔板14的面14a、14b上,第一密封部件74绕该第一金属隔板14的外周端缘部而一体成形。在第二金属隔板18的面18a、18b上,第二密封部件76绕该第二金属隔板18的外周端缘部而一体成形。在第三金属隔板20的面20a、20b上,第三密封部件78绕该第三金属隔板20的外周端缘部而一体成形。
第一金属隔板14具有:将燃料气体入口连通孔32a和第一燃料气体流路36连通的多个外侧供给孔部80a及内侧供给孔部80b;将燃料气体出口连通孔32b和所述第一燃料气体流路36连通的多个外侧排出孔部82a及内侧排出孔部82b。
第二金属隔板18具有:将燃料气体连通孔32a和第二燃料气体流路 58连通的多个供给孔部84;将燃料气体出口连通孔32b和所述第二燃料气体流路58连通的多个排出孔部86。
如图1所示,第二发电单元12b中设置有第一金属隔板90、第一电解质膜—电极结构体16a、第二金属隔板92、第二电解质膜—电极结构体16b以及第三隔板94。需要说明的是,对于与第一发电单元12a相同的结构要素标记相同的参照符号,并省略其详细的说明。
如图5所示,在第一金属隔板90的面14a上形成具有多个波形流路槽36b的第一燃料气体流路36,另一方面,在面14b上形成有波形流路槽44c。
在第二金属隔板92的面18a上形成具有多个波形流路槽50b的第一氧化剂气体流路50,另一方面,在面18b上形成具有多个波形流路槽58b的第二燃料气体流路58。
在第三金属隔板94的面20a上形成具有多个波形流路槽66b的第二氧化剂气体流路66,另一方面,在面20b上形成多个波形流路槽44d。
在第二发电单元12b中,第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50、第二燃料气体流路58以及第二氧化剂气体流路66被设定为沿层叠方向相位彼此相同。第一发电单元12a和第二发电单元12b被设定为各自的第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50、第二气体流路58以及第二氧化剂气体流路66相位彼此不同(相反的相位),而波间距、振幅被设定为相同(参照图1)。
第一发电单元12a和第二发电单元12b相互层叠,由此在构成所述第一发电单元12a的第一金属隔板14与构成所述第二发电单元12b的第三金属隔板94之间形成沿箭头方向B延伸的冷却介质流路44。
在冷却介质流路44中,多个波形流路槽44a、44b被设定为相位不同。通过使波形流路槽44a和44d相互重叠,在它们之间形成在水平方向(箭头B方向)上连通的多个槽部44e(参照图4以及图6)。
以下,说明这样构成的燃料电池堆10的动作。
首先,如图1所示,向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体,并且向燃料气体入口连通孔32a供给含氢气体等燃料气体。并且,向冷却介质入口连通孔34a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
因此,在第一发电单元12a中,如图2所示,氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔30a被导入第二金属隔板18的第一氧化剂气体流路50及第三金属隔板20的第二氧化剂气体流路66。该氧化剂气体沿着第一氧化剂气体流路50向箭头C方向(重力方向)移动,供给第一电解质膜—电极结构体16a的阴极侧电极26,并且沿着第二氧化剂气体流路66向箭头C方向移动,供给第二电解质膜—电极结构体16b的阴极侧电极26。
另一方面,如图3所示,燃料气体从燃料气体入口连通孔32a通过外侧供给孔部80a向第一金属隔板14的面14b侧移动。并且,燃料气体在从内侧供给孔部80b被导入到面14a侧后被向入口缓冲部38输送,并沿着第一燃料气体流路36向重力方向(箭头C方向)移动,供给第一电解质膜—电极结构体16a的阳极侧电极24(参照图2)。
另外,如图3所示,燃料气体通过供给孔部84向第二金属隔板18的面18b侧移动。因此,如图2所示,燃料气体在面18b侧被供给到入口缓冲部60后,沿着第二燃料气体流路58向箭头C方向移动,供给第二电解质膜—电极结构体16b的阳极侧电极24。
因此,在第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b中,供给阴极侧电极26的氧化剂气体和供给阳极侧电极24的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗,进行发电。
接着,供给第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b的各阴极侧电极26而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b向箭头A方向排出。
供给第一电解质膜—电极结构体16a的阳极侧电极24而被消耗的燃料气体从出口缓冲部40通过内侧排出孔部82b被向第一金属隔板14的面14b侧导出。被导出到面14b侧的燃料气体通过外侧排出孔部82a再次向面14a侧移动,被向燃料气体出口连通孔32b排出。
另外,供给第二电解质膜—电极结构体16b的阳极侧电极24而被消耗的燃料气体从出口缓冲部62通过排出孔部86向面18a侧移动。该燃料气体被向燃料气体出口连通孔32b排出。
另一方面,如图4以及图5所示,被供给到冷却介质入口连通孔34a的冷却介质被导入在构成第一发电单元12a的第一金属隔板14与构成第 二发电单元12b的第三金属隔板94间形成的冷却介质流路44后,沿箭头B方向流通。该冷却介质将第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b冷却后,被向冷却介质出口连通孔34b排出。
另外,与所述第一发电单元12a同样,在第二发电单元12b中,通过第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b进行发电。
在这种情况下,在第一实施方式中,如图2所示,在第一发电单元12a中,第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50、第二燃料气体流路58以及第二氧化剂气体流路66被设置成沿层叠方向相位彼此相同。因此,如图4所示,第一电解质膜—电极结构体16a被形成第一燃料气体流路36的凸部36c和形成第一氧化剂气体流路50的凸部50c沿层叠方向夹持同一位置。
同样,第二电解质膜—电极结构体16b被形成第二燃料气体流路58的凸部58c和形成第二氧化剂气体流路66的凸部66c沿层叠方向夹持同一位置。由此,在第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b沿层叠方向被紧固保持时,所述第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b不会被施加剪切力。因此,具有能够良好阻止第一及第二电解质膜—电极结构体16a、16b损坏的效果。
而且,在第一发电单元12a和第二发电单元12b中,各自的第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50、第二燃料气体流路58以及第二氧化剂气体流路66被设定为相位彼此不同。因此,只要通过交替层叠第一发电单元12a和第二发电单元12b,就能在所述第一及第二发电单元12a、12b之间形成具有沿箭头B方向延伸的多个槽部44e的冷却介质流路44。
由此,只要将第一发电单元12a和第二发电单元12b交替层叠即可,因此具有能够以简单且经济的结构形成燃料电池堆10的优点。
图7是本发明的第二实施方式的燃料电池堆100的主要部分的分解立体说明图。需要说明的是,对于与第一实施方式中的燃料电池堆10相同的结构要素标注同一参照符号,并省略其详细的说明。
燃料电池堆100通过沿水平方向交替层叠第一发电单元102a和第二发电单元102b而构成。如图8以及图9所示,第一发电单元102a中设置有第一金属隔板104、电解质膜—电极结构体16以及第二金属隔板106。
在第一金属隔板104的朝向电解质膜—电极结构体16的面104a上形成有燃料气体流路108。该燃料气体流路108具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽108a。在第一金属隔板104的面104b上形成有构成冷却介质流路44的多个波形流路槽44a。
在第二金属隔板106的朝向电解质膜—电极结构体16的面106a上形成有氧化剂气体流路110。该氧化剂气体流路110具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽110a。在第二金属隔板106的面106b上形成有构成冷却介质流路44的一部分的多个波形流路槽44b。燃料气体流路108与氧化剂气体流路110被设定成沿层叠方向相位彼此相同。
第一金属隔板104具有:将燃料气体入口连通孔32a和燃料气体流路108连通的供给孔部112a;将燃料气体出口连通孔32b和所述燃料气体流路108连通的排出孔部112b。
如图7及图10所示,第二发电单元102b中设置有第一金属隔板114、电解质膜—电极结构体16以及第二金属隔板110。在第一金属隔板114的朝向电解质膜—电极结构体16的面114a上形成具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽108b的燃料气体流路108。
在第一金属隔板114的面114b上形成有构成冷却介质流路44的多个波形流路槽44c。在第二金属隔板116的朝向电解质膜—电极结构体16的面116a上形成有具有沿箭头C方向延伸的多个波形流路槽110b的氧化剂气体流路110。在第二金属隔板116的面116b上形成有构成冷却介质流路44的波形流路槽44d。
在第二发电单元102b中,燃料气体流路108和氧化剂气体流路110被设定成沿层叠方向相位彼此相同,并且设定为与第一发电单元102a的所述燃料气体流路108及所述氧化剂气体流路110相位不同。
通过交替层叠第一发电单元102a和第二发电单元102b,在它们之间形成具有沿箭头B方向延伸的多个槽部44e的冷却介质流路44。
在这样构成的第二实施方式中,在第一发电单元102a中,燃料气体流路108和氧化剂气体流路110被设定成波形形状沿层叠方向相位彼此相同(参照图9)。而且,波间距、振幅也被设定为相同。因此,电解质膜—电极结构体16被形成波形流路槽108a的凸部108c和形成波形流路槽110a的凸部110c沿层叠方向夹持同一位置。因此,电解质膜—电极结构体16不会被施加剪切力,从而能够良好地阻止电解质膜—电极结构体16的损坏。
同样,在第二发电单元102b内,燃料气体流路108和氧化剂气体流路110被设定成沿层叠方向位置彼此相同。由此,电解质膜—电极结构体16被形成波形流路槽108b的凸部108d和形成波形流路槽110b的凸部110d沿层叠方向夹持同一位置,因此能够阻止在所述电解质膜—电极结构体16上产生由剪切力引起的损伤。
并且,只要交替地层叠第一发电单元102a和第二发电单元102b就能够获得与上述实施方式1相同的效果。
Claims (3)
1.一种燃料电池堆,其具备发电单元(12a、12b),该发电单元(12a、12b)通过金属隔板(14、18、20、90、92、94、104、106、114、116)夹持在电解质(22)的两侧设置了阳极侧电极(24)和阴极侧电极(26)的电解质膜-电极结构体(16、16a、16b),并且设置有向所述阳极侧电极供给燃料气体的波形形状的燃料气体流路(36、58)和向所述阴极侧电极供给氧化剂气体的波形形状的氧化剂气体流路(50、66),所述燃料电池堆在第一发电单元(12a、102a)与第二发电单元(12b、102b)之间形成冷却介质流路(44)并通过交替地层叠所述第一发电单元(12a、102a)和第二发电单元(12b、102b)而构成,
所述燃料电池堆的特征在于,
所述第一发电单元被设定为在所述金属隔板(14、18、20、90、92、94、104、106、114、116)的平面内形成为波形的所述燃料气体流路与所述氧化剂气体流路在所述平面内相位彼此相同,
另一方面,所述第二发电单元被设定为在所述金属隔板(14、18、20、90、92、94、104、106、114、116)的平面内形成为波形的所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路在所述平面内相位彼此相同且与所述第一发电单元相位不同。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆,其特征在于,
所述第一及第二发电单元(12a、12b)至少具有第一及第二电解质膜-电极结构体(16a、16b),所述燃料电池堆中顺次层叠有第一金属隔板(14、90)、所述第一电解质膜-电极结构体(16a)、第二金属隔板(18、92)、所述第二电解质膜-电极结构体(16b)以及第三金属隔板(20、94)。
3.如权利要求1所述的燃料电池堆,其特征在于,
所述第一及第二发电单元(102a、102b)中交替层叠所述电解质膜-电极结构体(16)和所述金属隔板(104、106、114、116),并且在层叠方向两端配设有所述金属隔板。
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