CN102116680B - 燃料电池内部温度分布测量插片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池内部瞬态温度分布测量插片,是燃料电池内部温度分布的测量装置,它包括双面镀金不锈钢基片,在基片上设置有若干漏缝和筋,漏缝和筋与待测燃料电池流场板上的沟槽和脊在尺寸和形状上相同,在位置上相对应。在基片上漏缝之间筋的整个面上设有薄膜热电偶,薄膜热电偶是采用真空镀膜技术蒸镀四层薄膜形成的。薄膜热电偶测头的引出线利用印刷电路的方法延伸至基片的边缘,并在基片的边缘设有与外电路相连的标准接线口。本发明的燃料电池内部瞬态温度分布测量插片完全独立于被测量对象、结构简单、测量准确、使用范围广,可以在线测量燃料电池内部的温度分布情况。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池内部温度分布测量插片,涉及燃料电池内部温度分布的测量,特别涉及一种瞬态温度分布的测量装置。
背景技术
现有的燃料电池内部的温度分布测试方法,测量所需时间长,体积大,热容量大,对变化着的温度响应有滞后现象,不能满足高瞬态温度测量的需求,有些测量方法还需改变燃料电池自身的结构,因此薄膜型的热电偶由于测温时间短,准确性高,热容量小,能够测量瞬态温度的变化等日益受到国内外研究人员的重视。
由于燃料电池自身的结构使得其内部的温度测量较为困难,而且传统的用热电偶测量燃料电池内部温度的方法如将热电偶植入燃料电池的流道等需要频繁的拆卸电池,操作繁琐,并且每次测量时在燃料电池流道中放置热电偶的位置不能准确统一,在拆装电池前后测量得到的实验数据对比性较差,并且由于热电偶的宏观引线等会导致燃料电池的泄露问题,另外,这些测量方法对燃料电池的整体性能也有较大的影响。
目前国际上对燃料电池内温度分布的测量主要有如下几种技术:
1、将热电偶与燃料电池制作为一体:这种方法是将热电偶直接制作在经特殊加工的燃料电池的流场板上,最终与燃料电池制作成为一体,通过引线将信号传出。这种方法虽然能够测量燃料电池内部的温度分布情况,但该方法相当复杂,加工难度很大,制作成本较高,同时这种技术需要改变燃料电池原来的结构,需要为测量温度分布专门制造或改造一种特殊的燃料电池,因此测量出来的实验结果不能与同类型的燃料电池进行对比,并且此方法也不能普遍应用于其他类型的燃料电池。
2、远红外辐射测温:也即红外热成像技术,这种方法是利用被测物体的温度变化时产生的光和热的辐射强度来进行测温。用这种方法测量燃料电池内部温度的分布,测量技术独立于燃料电池,不需要在燃料电池内放置热电偶,也不需要有连接线,可远距离非接触测温,并且收集帧频高,空间分辨率高,测量方便,对电池的整体性能影响也不大,尤其对测量燃料电池外表面的温度分布非常实用,能够测量燃料电池整个流场区域的温度分布情况。但用该方法测量燃料电池内部的温度分布时,需要改变电池的结构,选用可以透过红外线的透明的材料做端板,以保证燃料电池密封的同时可以让红外辐射透过。但在有水珠存在等情况下,用该方法就不能得到燃料电池内部真实的温度分布,而在燃料电池中,有水珠产生是绝大多数工况下都会出现的情况。因此,这种方法的应用范围受到一定的限制。再者,此方法要是用于电池堆内部的温度测量,则只能用于离电池堆端板最近的单电池的温度测量。
3、将热电偶植入燃料电池中:这种方法有两种方式:1)将热电偶植入燃料电池的流道中进行测温。这种测量方法是将热电偶放入经过特殊加工的燃料电池的流道中,或者将热电偶放置在流道中特制的热电偶套中;2)将热电偶热压到膜电极组件的扩散层和催化层中。这两种方式均是通过测量燃料电池的局部温度,来估算出整个流场区域的温度分布情况,通过传感器或热电偶两端的引线输出信号。该测温方法能够得到燃料电池内部更为精确的温度值,结构简单、测量范围广,可以普遍用于燃料电池内部的温度测量,但是这种测量技术需要做的准备工作很多,操作复杂,并且某个热电偶可能坏掉而不能输出信号,也可能因为宏观引出线而导致燃料电池的泄漏等问题。另外,这种方法的响应时间、空间分辨率和测量精度都还不能满足目前瞬变温度的测量要求,测量出来的温度只是放置热电偶处的局部温度,而不是燃料电池内部的温度场。并且不能准确的在线测量电池内部的温度变化情况,每次放置热电偶的位置也不能准确统一,拆装电池相对比较麻烦,因此实验结果没有很好的对比性。
从上述可以看出,这些燃料电池内部温度分布测量方法的主要缺点有:
1、加工制作复杂,有些测温元件不能完全独立于被测的燃料电池;
2、需要改变燃料电池的原有结构,需采用特殊能透过红外辐射的透明材料,或经过特殊加工的流场板,因而得出的实验结果不能与同类型的燃料电池进行比较;
3、测量元件的灵敏度低、精度低;
4、使用不方便,准备工作繁琐,拆装电池不易;
5、不能普遍适用于所有类型的燃料电池。
综上所述,由于燃料电池内的温度分布不均匀且是瞬态的,至今为止还没有一种简单有效的方法,可以准确快速的测量燃料电池内部的温度分布。随着科技的发展、设备的小型化以及节能的需求,采用响应速度快、灵敏度高、体积小的薄膜热电偶来进行燃料电池内部温度分布的测量是一个重要的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种独立的燃料电池内部瞬态温度分布的测量装置,它是一种燃料电池的温度测量插片,其结构简单,热容量小,灵敏度高,使用方便,成本低,可以测量燃料电池内部的瞬态温度分布,并且无需对燃料电池进行频繁的拆卸,也不需对燃料电池原来的结构进行任何改造。另外,它可以在不破坏流场的情况下在线测量燃料电池内部的温度分布情况,并且可以测量燃料电池堆中任意一个或几个燃料电池单电池内的温度分布情况。
本发明的技术方案是这样实现的:燃料电池内部温度分布测量插片,包括导电良好的镀金不锈钢基片1、薄膜热电偶4、引出线5、与外电路相连接的标准接线口6、定位孔7;基片1上设置有若干个漏缝2,相邻的漏缝2之间设置有筋3;其特征在于:在基片1相邻漏缝2之间的筋3上设有薄膜热电偶4,在基片1的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6;薄膜热电偶4测头的引出线5延伸至基片1的边缘和与外电路相连接的标准接线口6相连;测量插片29夹装在膜电极组件31和燃料电池阳极流场板28之间,基片1上设置薄膜热电偶4的面朝向燃料电池的膜电极组件31,燃料电池组装好后,基片1上的薄膜热电偶4与燃料电池的膜电极组件31接触;
基片1上的薄膜热电偶4是采用真空镀膜技术在两个相邻漏缝2之间的筋3上设置有四层薄膜镀层:镀层的形状是根据掩膜设置的,有掩膜的地方就没有镀层,没有掩膜的地方就有镀层;首先根据设置的掩膜形状,在热电偶测头的金属镀层与基片1之间镀有厚为01-0.15μm的二氧化硅绝缘层,在二氧化硅绝缘层上镀有厚为0.08-0.1μm的镀铜层,镀铜层的形状为相互平行的条形,然后在二氧化硅绝缘层上设有与已有镀铜层首尾相衔接的成平行条形的镀镍层,镀镍层厚度为0.08-0.1μm,镀铜层与镀镍层首尾相接形成铜-镍薄膜热电偶;最后在铜-镍金属镀层上方镀有厚0.01-0.02μm的二氧化硅保护层,在热电偶测头与其引出线5的连接处20制作成圆形。
所述的镀层材料中,铜和镍组成的纯金属薄膜热电偶镀层可以选用铜和钴、钨和镍、钼和镍、锑和钴替代,也可以采用金属混合物材料如铜和康铜替代,另外,二氧化硅绝缘层材料可以采用氮化铝等代替。
掩膜中,热电偶金属镀层的形状可以为椭圆形、三角形、梯形、长方形、多边形、波浪形以及不规则形状。
基片1是一种导电性能良好的双面镀金不锈钢薄片,基片1的厚度为0.3-0.5mm,镀金层的厚度为0.08-0.1μm,基片1上设置与燃料电池位置相对应的定位孔7。
基片1上所设置的漏缝2和筋3与待测燃料电池流场板上的沟槽和脊在几何尺寸、几何形状上相同,在位置上相对应;基片1上漏缝2的形状可以是平行的、蛇形的、孔状的等。
基片1上的薄膜热电偶4的引出线5是采用印刷电路技术制成,延伸至基片1的末端,引出线5的宽为0.05-0.1mm,厚度不超过0.2μm,由基片1相邻漏缝2之间的筋3上印刷的四层薄膜构成:第一层为0.1-0.15μm厚的二氧化硅绝缘层,第二层为厚0.08-0.1μm的薄铜层,第三层为厚0.08-0.1μm的薄金层,最外层厚0.01-0.02μm的聚对二甲苯保护层;
引出线5前三层的形状、尺寸相同,位置一致,均延伸至基片1的末端,而最后的印刷层在形状和位置上与前三层相同,但长度比前三层短,延伸至离基片1末端还有5-8mm处。
薄膜热电偶4与其引出线5的连接处1制作成圆形。
在基片相邻漏缝之间的筋上采用真空镀膜技术镀有一定数量的薄膜热电偶,用来测量燃料电池内部的瞬态温度分布,薄膜热电偶的引出线采用印刷电路的方法引出。这种测量方法避免了现有技术中将微型温度传感器或热电偶植入流道中、热压到膜电极的扩散层和催化层中,或通过改变燃料电池的结构采用特殊的透明材料,以便利用红外测温技术进行燃料电池内部的温度测量等复杂工艺、高昂成本以及由于宏观引线导致燃料电池的燃料泄漏等问题。
由于基片上漏缝和筋的形状及尺寸与燃料电池流场板上沟槽和脊的形状及尺寸相同,位置相对应,因此燃料电池内部瞬态温度测量插片在燃料电池中安装好后,反应燃料可以通过流道经基片上的漏缝向燃料电池的膜电极组件扩散,不影响燃料的传输。本发明装置可适用于燃料电池单电池,安装在燃料电池流场板和膜电极组件之间;也适用于燃料电池组,其位置不仅可以放置在燃料电池流场板和膜电极组件之间,也可以放置在两块单电池之间,可以单测燃料电池阳极或阴极侧的瞬态温度分布情况,也可以同时测量燃料电池阴、阳两极的瞬态温度分布情况。这种测量方法不用改变燃料电池的结构如流道、膜电极组件等,可以用于燃料电池堆中任意单电池内的瞬态温度测量,可实现方便快速拆卸电池,同时由于插片很薄,所以其对燃料电池内部的运行工况影响也不大。
采用本发明的瞬态温度分布测量插片测量燃料电池内部的瞬态温度分布:可以使测量温度分布的装置独立于被测的燃料电池,无需对燃料电池的结构进行改造,大大简化了燃料电池内部温度分布测量的步骤;可实现方便快速的拆卸与组装电池;同时适用于燃料电池单电池与燃料电池组,不仅可以放置在燃料电池流场板与膜电极组件之间,也可以放置在两块单电池之间,既可以单独测量燃料电池阳极或阴极的温度分布,也可以同时测量燃料电池阴阳两极的温度分部;可适用于主动式燃料电池也可适用于被动式燃料电池。本发明的燃料电池内部温度分布测量装置结构简单、响应速度快、灵敏度高、制作加工容易、适用范围广,另外,这种测量方法使燃料电池内部的瞬态温度分布测量变得很方便,可以实时的在线测量燃料电池内部的温度分布情况。
附图说明
图1是孔状流道的燃料电池内部瞬态温度分布测量插片只有一个接线口的示意主观图;
图2是孔状流道的燃料电池内部瞬态温度分布测量插片有两个不同接线口的示意主观图
图3是燃料电池内部瞬态温度分布测量插片上单个薄膜热电偶测头的结构示意图;
图4是单个薄膜热电偶测头的制作流程图;
图5是单个薄膜热电偶测头引出线的镀层截面图;
图6是燃料电池内部瞬态温度分布测量插片在燃料电池中的放置图;
图7是平行流道的燃料电池内部瞬态温度分布测量插片示意主观图;
图8是蛇型流道单通道的燃料电池内部瞬态温度分布测量插片示意主观图;
图9是是蛇型流道双通道的燃料电池内部瞬态温度分布测量插片示意主观图。
图中1、镀金不锈钢基片,2、漏缝,3、筋,4、薄膜热电偶,5、引出线,6、与外电路相连接的标准接线口,7、定位孔;
8-11、各镀层掩膜:8、二氧化硅绝缘层掩膜,9、镀铜层掩膜,10、镀镍层掩膜,11、二氧化硅保护层掩膜;
12-15、各个镀层:12、二氧化硅绝缘层,13、镀铜层,14、镀镍层,15、二氧化硅保护层;
16-19、薄膜热电偶测头的制作过程:16、第一步骤,17、第二步骤,18、第三步骤,19、第四步骤;
20、薄膜热电偶测头与其引出线的连接处,21、铜-镍薄膜热电偶的节点;
22-25、薄膜热电偶引出线的各印刷层:22、引线首层二氧化硅绝缘层,23、引线第二层印刷薄铜层,24、引线第三层印刷薄金层,25、引线最后一层聚对二甲苯保护层;
(26~35)、燃料电池的两极端板,(27~34)、燃料电池的集电板,(28~33)、燃料电池的两极流场板,29、燃料电池内部瞬态温度测量插片,(30~32)、密封垫片,31、膜电极组件。
具体实施方式
附图是本发明的具体实施例;
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明:
参考图1、图2所示,瞬态薄膜热电偶插片的标准接线口的位置和数量可以根据需求来设定,基片1是导电良好的薄片,是在不锈钢板上双面镀金制成的。如图1、图2、图3所示,本发明包括镀金不锈钢基片1,镀金层厚为0.08-0.1μm,在基片1上设置有与燃料电池流道的沟槽和脊几何尺寸、几何形状相同,几何位置相对应的漏缝2和筋3,在筋3的整个面上镀有薄膜热电偶4,薄膜热电偶4的引出线5延伸至基片1的边缘,引出线5的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6。本发明的瞬态温度测量器件和引出线5均镀在厚0.3-0.5mm的基片1上,引出线5的宽为0.05-0.1mm,厚度不超过0.2μm,引出线5引到测量装置边缘与外电路相连接的标准数据接线口6处。通过与外电路相连接的标准数据接线口6,外部的数据采集和处理系统可以采集并计算燃料电池内部的温度数值,从而得出燃料电池内部的瞬态温度的分布情况。
如图3、图4所示,为单个薄膜热电偶的结构示意图及其制作流程图,图中8-11为薄膜热电偶的各镀层掩膜,8为二氧化硅绝缘层掩膜,9镀铜层掩膜,10镀镍层掩膜,11为二氧化硅保护层。12-15为各个镀层,12为二氧化硅绝缘层,13为镀铜层,14为镀镍层,15为二氧化硅保护层。16-19为薄膜热电偶测头的制作过程,16为第一步骤,在基片上镀二氧化硅绝缘层,17为第二步骤,在二氧化硅绝缘层上镀铜层,18为第三步骤,在二氧化硅绝缘层上镀镍层,镀镍层与镀铜层形成铜-镍薄膜热电偶,19为第四步骤,在薄膜热电偶测头上镀一薄层二氧化硅保护层,防止薄膜热电偶测头磨损。20为薄膜热电偶测头与其引出线的连接处,制作成圆形以便薄膜热电偶测头与其引出线的连接,21为铜-镍薄膜热电偶的节点。在筋3的整个面上镀有薄膜热电偶4,薄膜热电偶4是通过镀四层薄膜形成的:第一层镀厚0.1-0.2μm的二氧化硅绝缘层12,以保证信号的顺利传出,不受导电基片1及其他因素的干扰;第二层镀铜13,第三镀镍14,铜和镍的镀膜厚度均为0.08-0.1μm;第四层为厚0.01-0.02μm的二氧化硅薄膜用来保护薄膜热电偶测头,同时起到绝缘的作用。铜和镍组成的纯金属薄膜热电偶镀层可以选用铜和钴、钨和镍、钼和镍、锑和钴等替代,也可以采用金属混合物材料如铜和康铜等来替代,另外,二氧化硅绝缘层材料可以采用氮化铝等代替。薄膜热电偶的镀层形状是由掩膜的形状决定的,有掩膜的地方就没有镀层,没有掩膜的地方就有镀层,其中金属镀层掩膜的形状可以是图4中所示的形状,也可以为椭圆形、三角形、梯形、长方形、多边形、波浪形以及不规则形状等。
如图5所示,为薄膜热电偶4的引出线5的镀层截面图,在镀金不锈钢板基片1上采用印刷电路技术制作,首先印刷一层厚0.1-0.2μm的二氧化硅绝缘层22,其次印刷厚0.08-0.1μm的薄铜层23,第三层印刷厚0.08-0.1μm的薄金层24,最后印刷一薄层0.01-0.02μm的聚对二甲苯保护层25,引出线5的宽度为0.05-0.1mm,在引出线5的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6,并且引出线5的前三层在长度和宽度上完全相同,最后一层保护层25没有延伸至基片1的末端,只是延伸到距离基片1末端还有5-8mm处,这样就可以使信号顺利的通过与外电路相连接的标准接线口6传出。
参照图6,燃料电池内部温度分布测量插片29夹装在膜电极31和燃料电池阳极流场板28之间,燃料电池内部温度分布测量插片29的漏缝2和筋3与阳极流场板28上的沟槽和脊相对应,燃料电池内部温度分布测量插片29上镀有薄膜热电偶4的面朝向膜电极31,燃料电池组装好后,测量插片上的薄膜热电偶可以和膜电极31接触,因此能够测量燃料电池内部最为真实的温度分布情况。图中26和35为燃料电池的两极端板,27和34为燃料电池的集电板,28和33为燃料电池的两极流场板,29为燃料电池内部瞬态温度测量插片,30和32为密封垫片,31为膜电极,其中燃料电池内部温度分布测量插片29可以放置在如图所示燃料电池阳极流场板28和膜电极31之间,也可以放置在燃料电池阴极流场板33和膜电极31之间来测量燃料电池阴极侧温度的分布,也可以在阴、阳两极同时放置燃料电池内部温度分布测量插片,同时测量阴、阳两极的温度分布情况。
图7为平行流场的燃料电池内部温度分布测量插片示意主观图,图中镀金不锈钢基片1上的漏缝2与筋3与燃料电池平行流道流场板上的沟槽和脊在尺寸和形状上相同,在位置上相对应,因此燃料电池内部温度分布测量插片在燃料电池中安装好后不影响燃料的传递,对燃料电池的整体性能影响不大,测量插片上薄膜热电偶4的引出线5延伸至基片1的末端,另外,在引出线5与基片1的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6,以便传导测量得到的信号。
图8为蛇型单通道流场的燃料电池内部温度分布测量插片示意主观图,图中镀金不锈钢基片1上的漏缝2与筋3与燃料电池蛇型单通道流场板上的沟槽和脊在形状和尺寸上相同,在位置上相对应,测量插片上的薄膜热电偶4的引出线5延伸至基片1的末端,另外,在引出线5与基片1的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6,以便传导测量得到的信号。
图9为蛇型双通道流场的燃料电池内部温度分布测量装置示意主观图,图中镀金不锈钢基片1上的漏缝2与筋3与燃料电池蛇型双通道流场板上的沟槽和脊在形状和尺寸上相同,在位置上相对应,测量插片上的薄膜热电偶4的引出线5延伸至基片1的末端,另外,在引出线5与基片1的末端设置有与外电路相连接的标准接线口6,以便传导测量得到的信号。
本发明是通过在燃料电池的任意一个流场板和膜电极之间夹装一块很薄的燃料电池内部瞬态温度测量插片来测量燃料电池内部的温度分布,也可以同时在燃料电池的阴极和阳极夹装测量插片来测量阴、阳两极的温度分布情况。另外,还可以测量燃料电池堆中任一单电池内部或单电池之间的温度分布。这种测量技术使温度分布测量装置和燃料电池完全独立开来,可以对比燃料电池在放置温度测量插片和不放置时电池的性能,为插片或燃料电池的改进提供指导,并且用这种测温方法无需对原来的电池结构做任何改动,所以加工制作容易,测量方便,使用范围较广,将成为燃料电池内部温度分布测量的发展趋势。
Claims (5)
1.燃料电池内部温度分布测量插片,包括导电良好的镀金不锈钢基片(1)、薄膜热电偶(4)、引出线(5)、与外电路相连接的标准接线口(6)、定位孔(7);基片(1)上设置有若干个漏缝(2),相邻的漏缝(2)之间设置有筋(3);其特征在于:在基片(1)相邻漏缝(2)之间的筋(3)上设有薄膜热电偶(4),在基片(1)的末端设置有与外电路相连接的标准接线口(6);薄膜热电偶(4)测头的引出线(5)延伸至基片(1)的边缘和与外电路相连接的标准接线口(6)相连;测量插片(29)夹装在膜电极组件(31)和燃料电池阳极流场板(28)之间,基片(1)上设置薄膜热电偶(4)的面朝向燃料电池的膜电极组件(31),燃料电池组装好后,基片(1)上的薄膜热电偶(4)与燃料电池的膜电极组件(31)接触;
基片(1)上的薄膜热电偶(4)是采用真空镀膜技术在两个相邻漏缝(2)之间的筋(3)上设置有四层薄膜镀层:镀层的形状是根据掩膜设置的,有掩膜的地方就没有镀层,没有掩膜的地方就有镀层;首先根据设置的掩膜形状,在热电偶测头的金属镀层与基片(1)之间镀有厚为0.1-0.15μm的二氧化硅绝缘层,在二氧化硅绝缘层上镀有厚为0.08-0.1μm的镀铜层,镀铜层的形状为相互平行的条形,然后在二氧化硅绝缘层上设有与已有镀铜层首尾相衔接的成平行条形的镀镍层,镀镍层厚度为0.08-0.1μm,镀铜层与镀镍层首尾相接形成铜-镍薄膜热电偶;最后在铜-镍金属镀层上方镀有厚0.01-0.02μm的二氧化硅保护层,在热电偶测头与其引出线(5)的连接处(20)制作成圆形;
基片(1)上的薄膜热电偶(4)的引出线(5)是采用印刷电路技术制成,延伸至基片(1)的末端,引出线(5)的宽为0.05-0.1mm,厚度不超过0.2μm,由基片(1)相邻漏缝(2)之间的筋(3)上印刷的四层薄膜构成:第一层为0.1-0.15μm厚的二氧化硅绝缘层,第二层为厚0.08-0.1μm的薄铜层,第三层为厚0.08-0.1μm的薄金层,最外层厚0.01-0.02μm的聚对二甲苯保护层;
引出线(5)前三层的形状、尺寸相同,位置一致,均延伸至基片(1)的末端,而最后的印刷层在形状和位置上与前三层相同,但长度比前三层短,延伸至离基片(1)末端还有5-8mm处。
2.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布测量插片,其特征在于:所述的镀层材料中,铜和镍组成的纯金属薄膜热电偶镀层选用铜和钴、钨和镍、钼和镍、锑和钴替代,或采用金属混合物材料铜和康铜替代,另外,二氧化硅绝缘层材料采用氮化铝代替。
3.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布测量插片,其特征在于:掩膜中,热电偶金属镀层的形状为椭圆形、三角形、梯形、长方形、波浪形。
4.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布测量插片,其特征在于:基片(1)是一种导电性能良好的双面镀金不锈钢薄片,基片(1)的厚度为0.3-0.5mm,镀金层的厚度为0.08-0.1μm,基片(1)上设置与燃料电池位置相对应的定位孔(7)。
5.根据权利要求1所述的燃料电池内部温度分布测量插片,其特征在于:基片(1)上所设置的漏缝(2)和筋(3)与待测燃料电池流场板上的沟槽和脊在几何尺寸、几何形状上相同,在位置上相对应;基片(1)上漏缝(2)的形状是平行的、蛇形的、孔状的不同的形状。
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