CN113707901B - 极板及其制造方法、电池单体及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极板及其制造方法、电池单体及燃料电池。该极板包括：金属板，具有背面及与背面相背离的正面，正面具有沿第一方向依次布设的流体输入区、嵌合区及流体输出区，嵌合区设置有嵌合部，嵌合部包括凸部和/或凹部；及石墨板，叠置于嵌合区，并与嵌合部嵌合，石墨板背离金属板的一侧具有流场。如此，金属板对石墨板进行全覆盖支撑，且采用嵌合的方式结合稳固，充分利用了金属板强度高、厚度薄的优点，从而可以明显减小石墨板的厚度，进而显著减小极板的厚度，提高燃料电池的功率密度。

Description

极板及其制造方法、电池单体及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种极板及其制造方法、电池单体及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种电化学能量转化装置，其能量转换效率不受卡诺循环限制，可高效、清洁的把化学能直接转化为电能，并且生成物为纯水，真正做到零排放、零污染。质子交换膜燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空航天及水下潜器等民用与军用领域都展现出了广阔的应用前景。

极板是燃料电池的重要部件，主要起到传输热量、收集电流和提供气体通道等作用。由于金属极板具有导电导热性、机械加工性及强度好等优点，石墨极板具有耐腐蚀和密度低等优点，为了结合金属极板和石墨极板的优点，出现了金属和石墨复合的极板。然而，现有的金属和石墨复合的极板采用石墨板粘接至金属边框内的结构，石墨板与金属边框的结合强度较低，并且，由于石墨板脆性较大、强度较低，为了满足强度要求，需要增加石墨板的厚度，导致极板厚度较大，功率密度低。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中极板厚度较大，功率密度低，并且石墨板的结合强度较低的问题，提供一种改善上述缺陷的极板及其制造方法、电池单体、燃料电池。

一种极板，包括：金属板，具有背面及与所述背面相背离的正面，所述正面具有沿第一方向依次布设的流体输入区、嵌合区及流体输出区，所述嵌合区设置有嵌合部，所述嵌合部包括凸部和/或凹部；及

石墨板，叠置于所述嵌合区，并与所述嵌合部嵌合，所述石墨板背离所述金属板的一侧具有流场。

在其中一个实施例中，所述嵌合区还开设有贯穿所述金属板的所述正面和所述背面的通孔，所述石墨板朝向所述金属板的一侧具有与所述通孔对应的凸出部，所述凸出部嵌设于所述通孔。

在其中一个实施例中，所述凸出部穿出至所述金属板的所述背面的一端具有沿所述第一方向纵长延伸的第一水流道。

在其中一个实施例中，所述嵌合部包括第一嵌合部，所述第一嵌合部由所述嵌合区向所述金属板的所述背面凹陷形成，并在所述嵌合区形成与所述石墨板嵌合的凹槽，且在所述金属板的所述背面形成凸筋。

在其中一个实施例中，所述第一嵌合部包括多个，多个所述第一嵌合部分成多组沿所述第一方向间隔布设的嵌合组，每组所述嵌合组的多个所述嵌合部沿与所述第一方向垂直的第二方向间隔布设，每相邻两个所述凸筋之间形成沿所述第一方向纵长延伸的第二水流道。

在其中一个实施例中，所述金属板的所述正面凸设有凸台，所述凸台围绕所述嵌合区布设。

在其中一个实施例中，所述凸台具有沿其纵长延伸方向布设的进气段、围合段及出气段；

所述围合段高出所述石墨板具有所述流场的一侧表面；

所述流体输入区具有进气结构，所述进气段位于所述进气结构与所述嵌合区之间，且与所述石墨板具有所述流场的一侧表面平齐；

所述流体输出区具有出气结构，所述出气段位于所述出气结构与所述嵌合区之间，且与所述石墨板具有所述流场的一侧表面平齐。

一种电池单体，包括膜电极及两个如上任一实施例中所述的极板，两个所述极板层叠设置，且具有所述石墨板的一侧彼此朝向，所述膜电极设置于两个所述极板之间。

一种燃料电池，包括多个如实施例中所述的电池单体，多个所述电池单体依次堆叠设置。

一种如上任一实施例中所述极板的制造方法，包括步骤：

将所述石墨板置于所述金属板的所述嵌合区；

对所述石墨板具有流场的一侧加压，使得所述石墨板与所述嵌合部彼此嵌合；

对石墨板进行固化密封处理。

上述极板及其制造方法、电池单体及燃料电池，实际使用时，气体(即氢气、氧气或空气)由流体输入区进入石墨板的流场，并沿流场向流体输出区移动，最终由流体输出区输出。石墨板叠置在嵌合区，并与嵌合区的嵌合部嵌合，以与金属板形成一个整体，也就是说金属板对石墨板进行全覆盖支撑，且采用嵌合的方式结合稳固，充分利用了金属板强度高、厚度薄的优点，从而可以明显减小石墨板的厚度，进而显著减小极板的厚度，提高燃料电池的功率密度。

附图说明

图1为本发明一实施例中氧极板的结构示意图；

图2为图1所示的氧极板的金属板和石墨板的分解结构示意图；

图3为图1所示的氧极板的金属板的正面结构示意图；

图4为图1所示的氧极板的金属板的背面结构示意图；

图5为图1所示的氧极板的石墨板的具有流场的一侧结构示意图；

图6为图5所示的石墨板的朝向金属板的一侧结构示意图；

图7为本发明一实施例中氢极板的结构示意图；

图8为图7所示的氢极板的金属板和石墨板的分解结构示意图；

图9为本发明一实施例中极板的制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1，本发明一实施例提供了一种极板10，包括金属板11及石墨板12。金属板11具有背面及与该背面相背离的正面，该正面具有沿第一方向依次布设的流体输入区111、嵌合区112及流体输出区113。嵌合区112设置有嵌合部1121，该嵌合部1121包括凸部和/或凹部。石墨板12叠置于嵌合区112，并与嵌合部1121嵌合，石墨板12背离金属板11的一侧具有流场121。可选地，凸部可以是凸出于嵌合区112表面的呈规则形状或非规则形状的凸起。凹部可以是向嵌合区112内陷的呈规则形状或非规则形状的槽或孔。

上述极板10，实际使用时，气体(即氢气、氧气或空气)由流体输入区111进入石墨板12的流场121，并沿流场121向流体输出区113移动，最终由流体输出区113输出。石墨板12叠置在嵌合区112，并与嵌合区112的嵌合部1121嵌合，以与金属板11形成一个整体，也就是说金属板11对石墨板12进行全覆盖支撑，且采用嵌合的方式结合稳固，充分利用了金属板11强度高、厚度薄的优点，从而可以明显减小石墨板12的厚度，进而显著减小极板10的厚度，提高燃料电池的功率密度。

需要说明的是，利用石墨板12成型流场121，具有较好的稳定性和耐久性，从而大大提高了极板10的使用寿命。

具体到实施例中，石墨板12背离金属板11的一侧表面凸设有多条脊122(见图5所示)，每条脊122沿第一方向纵长延伸，多条脊122沿与第一方向垂直的第二方向间隔布设，以在每相邻两个脊122之间形成供气体通过的流道123，多个流道123形成上述流场121。

需要说明的是，第一方向为金属板11的纵长方向，第二方向为金属板11的宽度方向。可以理解的是，该第一方向和第二方向相互垂直，且与金属板11的厚度方向垂直。

请参见图3至图6所示，本发明的实施例中，嵌合区112还开设有贯穿金属板11的正面和背面的通孔1124，石墨板12朝向金属板11的一侧具有与通孔1124对应的凸出部124，该凸出部124嵌设于通孔1124。如此，利用凸出部124嵌设于通孔1124，进一步提高石墨板12与金属板11之间的结合强度，确保二者牢固结合。

具体到实施例中，嵌合区112开设有多个通孔1124，石墨板12朝向金属板11的一侧具有与多个通孔1124一一对应的多个凸出部124，每一凸出部124贯穿对应的一个通孔1124设置。

具体到实施例中，凸出部124贯穿至金属板11的背面的一端的尺寸大于通孔1124的尺寸，以使凸出部124与通孔1124形成铆接结构，进一步提高石墨板12与金属板11之间的结合强度，确保二者牢固结合。在制造时，可先将凸出部124穿过通孔1124，然后再对凸出部124穿出至金属板11的背面的一端施压，使得凸出部124穿出至金属板11的背面的一端在金属板11的厚度方向上的尺寸减小，而在金属板11宽度和长度方向上的尺寸增大至比通孔1124的尺寸大，进而形成铆接结构。

具体到实施例中，石墨板12的凸出部124穿出至金属板11的背面的一端具有沿第一方向纵长延伸的第一水流道125。如此，利用石墨板12的凸出部124穿出至金属板11的背面的一端的第一水流道125，作为金属板11的背面的水流场的一部分，有利于提高走水的顺畅性，简化结构，便于加工。

本发明的实施例中，嵌合部1121包括第一嵌合部1122，该第一嵌合部1122由嵌合区112向金属板11的背面内陷形成，并在嵌合区112形成与石墨板12嵌合的凹槽，且在金属板11的背面形成凸筋1125(见图4)，从而一方面形成凹槽以便于与石墨板12进行嵌合，另一方便形成凸筋1125以便于提高金属板11的强度刚度。进一步地，该第一嵌合部1122可采用冲压工艺成型，即在嵌合区112冲压形成凹槽，与此同时即在金属板11的背面形成于凸筋1125，加工方面快捷，成本较低，适合大批量生产。可选地，第一嵌合部1122沿第一方向纵长延伸，从而使得凹槽为沿第一方向纵长延伸的条形槽，并且凸筋1125为沿第一方向纵长延伸的条形凸筋。

具体到实施例中，第一嵌合部1122包括多个，多个第一嵌合部1122分成多组沿第一方向间隔布设的嵌合组A，每组嵌合组A的多个嵌合部1121沿与第一方向垂直的第二方向间隔布设，每相邻两个凸筋1125之间形成沿第一方向纵长延伸的第二水流道1126。如此，利用相邻两个第一嵌合部1122的凸筋1125形成第一水流道125，作为金属板11的背面的水流场的一部分，有利于提高走水的顺畅性，且结构简单，便于加工。需要说明的是，无需额外设计水流道，而是利用第一嵌合部1122的凸筋1125以及穿出至金属板11的背面的凸出部124形成水流程，有利于简化结构，简化加工工艺步骤，降低加工成本。

进一步地，每相邻两个嵌合组A之间均具有至少一个通孔1124，从而水流可通过第一水流道125从上一第二水流道1126流动至相邻的下一第二水流道1126，使得水的流动更加顺畅。

具体到实施例中，嵌合部1121还包括多个第二嵌合部1123，该第二嵌合部1123可以是凹坑，石墨板12嵌设于该凹坑内。嵌合区112靠近流体输入区111的一端具有多个第二嵌合部1123，嵌合区112靠近流体输出区113的一端具有多个第二嵌合部1123。如此，利用嵌合区112在第一方向上的两端的第二嵌合部1123与石墨板12嵌合，从而加强了石墨板12在第一方向上的两端与金属板11的结合强度，避免石墨板12在第一方向上的两端翘曲而与金属板11分离。

进一步地，嵌合区112在第一方向上的一端的多个第二嵌合部1123和与其相邻的嵌合组A之间设置有至少一个通孔1124。嵌合区112在第一方向上的另一端的多个第二嵌合部1123和与其相邻的嵌合组A之间设置有至少一个通孔1124。

本发明的实施例中，金属板11的正面凸设有凸台1127，该凸台1127围绕嵌合区112布设，从而利用凸台1127对嵌合区112内的石墨板12进行定位，一方面有利于石墨板12的安装，另一方面在对石墨板12进行加压时能够对石墨板12的周向进行限定。

具体到实施例中，凸台1127具有沿其纵长延伸方向布设的进气段a2、围合段a1及出气段a3。围合段a1高出石墨板12具有流场121的一侧表面。流体输入区111具有进气结构1115，进气段a2位于进气结构1115与嵌合区112之间，且与石墨板12具有流场121的表面平齐。如此，流体输入区111的气体从进气结构1115通过进气段a2进入石墨板12的流场121，并且，由于进气段a2与石墨板12具有流场121的一侧表面平齐，从而气流不会直接对石墨板12的端面进行吹扫，有利于提高极板10的密封性和可靠性。可选地，该进气结构1115可以是进气孔。

进一步地，流体输出区113具有出气结构1135，出气段a3位于出气结构1135与嵌合区112之间，且与石墨板12具有流场121的一侧表面平齐，从而石墨板12的流场121内的气流通过该出气段a3流出至出气结构1135，再由该出气结构1135排出。如此，由于出气段a3与石墨板12具有流场121的一侧表面平齐，使得气流能够顺畅的流出，同时也不会吹扫石墨板12的端面，有利于提高极板10的密封性和可靠性。可选地，该出气结构1135可以是出气孔。

基于上述极板10，本发明还提供一种电池单体，该电池单体包括膜电极及两个如上任一实施例中所述的极板10，两个极板10层叠设置，且两个极板10具有石墨板12的一侧彼此朝向，膜电极设置于两个极板10之间。如此，氢气由其中一个极板10的流体输入区111进入至该极板10的流场121，进而进入到膜电极中，氧气或空气由其中另一个极板10的流体输入区111进入至该极板10的流场121，进而进入至膜电极中，从而与氢气在膜电极中发生反应。

请参见图3、图7及图8所示，需要说明的是，供氧气或空气流通的极板10为氧极板10a，供氢气流通的极板10为氢极板10b。氧极板10a的流体输入区111与氢极板10b的流体输入区111相对，氧极板10a的流体输出区113与氢极板10b的流体输出区113相对。也就是说，氢气和氧气或空气从电池单体的同一端进入各自的流程121，并从电池单体的同一端排出。

进一步地，氧极板10a的流体输入区111还开设有第一气体输入通道口1112、第二气体输入通道口1114及第一冷却液输入通道口1113。如此，流经第一气体输入通道口1112的氧气或空气进入氧极板10的流场121区域。第二气体输入通道口1114供氢气流经。流经第一冷却液输入通道口1113的冷却液(可以是水)进入氧极板10的水流场。氧极板10a的流体输出区113还开设有第一气体输出通道口1134、第二气体输出通道口1132及第一冷却液输出通道口1133。如此，氧极板10a的流场121内的空气或氧气排出至第一气体输出通道口1134。第二气体输出通道口1132供由流场排出的氢气流经。氧极板10流场内的水和水流场内的水排出至第一冷却液输出通道口1133。

氢极板10b的流体输入区111还开设有第三气体输入通道口1112b、第四气体输入通道口1114b及第二冷却液输入通道口1113b。如此，流经第三气体输入通道口1112b的氢气进入氢极板10b的流场121区域。第四气体输入通道口1114b供氧气或空气流经。流经第二冷却液输入通道口1113b的冷却液(可以是水)进入氢极板10b的水流场。氢极板10b的流体输出区113还开设有第三气体输出通道口1132b、第四气体输出通道口1134b及第二冷却液输出通道口1133b。如此，氢极板10b的流场121内的氢气排出至第三气体输出通道口1132b。第四气体输出通道口1134b供有流场内排出的氧气或空气流经。氢极板10b的水流场内的水和水流场内的水排出至第二冷却液输出通道口1133b。

进一步地，氧极板10a的第一气体输入通道口1112与氢极板10b的第四气体输入通道口1114b相对应。氧极板10a的第二气体输入通道口1114与氢极板10b的第三气体输入通道口1112b相对应。氧极板10a的第一气体输出通道口1134与氢极板10b的第四气体输出通道口1134b相对应。氧极板10a的第二气体输出通道口1132与氢极板10b的第三气体输出通道口1132b相对应。

需要说明的是，氧极板10a和氢极板10b的区别主要在于流体输入区111和流体输出区113中各个通道口的排布方式不同，其它结构相类似，故在此不作赘述。

基于上述电池单体，本发明还提供一种燃料电池，该燃料电池包括多个如上任一实施例中所述的电池单体，多个电池单体依次堆叠设置。

基于上述极板10，本发明还提供一种极板10的制造方法，包括步骤：

S10、将石墨板12置于金属板11的嵌合区112。

具体地，在凸台1127的定位作用下，将石墨板12置于金属板11的嵌合区112，使得石墨板12的凸出部124插入嵌合区112的通孔1124。

S20、对石墨板12具有流场121的一侧加压，使得石墨板12与嵌合部1121彼此嵌合。

具体地，对石墨板12具有流场121的一侧和石墨板12的凸出部124穿出至金属板11的背面的一端同时加压，使得石墨板12与嵌合部1121彼此嵌合，并且使得凸出部124穿出至金属板11的背面的一端尺寸大于通孔1124的尺寸，进而使得凸出部124与通孔1124形成铆接结构。

S30、对石墨板12进行固化密封处理。

具体地，步骤S30具有包括步骤：

采用浸渗的方式，使得填充物质进入至石墨板12内部的间隙中，进行填充；

对石墨板12内部的填充物质进行固化，以增强石墨板12的强度；

对石墨板12进行清洗。

可选地，该填充物质可以是树脂等，一方面起到填充石墨板12内部间隙的作用，另一方面起到粘接固化石墨板12的作用。

具体到实施例中，在步骤S10之前还包括步骤：采用冲压工艺成型金属板11。采用压制工艺成型石墨板12。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种极板（10），其特征在于，包括：

金属板（11），具有背面及与所述背面相背离的正面，所述正面具有沿第一方向依次布设的流体输入区（111）、嵌合区（112）及流体输出区（113），所述嵌合区（112）设置有嵌合部（1121），所述嵌合部（1121）包括凸部和/或凹部；及

石墨板（12），叠置于所述嵌合区（112），并与所述嵌合部（1121）嵌合，所述石墨板（12）背离所述金属板（11）的一侧具有流场（121）；

所述嵌合区（112）还开设有贯穿所述金属板（11）的所述正面和所述背面的通孔（1124），所述石墨板（12）朝向所述金属板（11）的一侧具有与所述通孔（1124）对应的凸出部（124），所述凸出部（124）嵌设于所述通孔（1124）；

所述凸出部（124）穿出至所述金属板（11）的所述背面的一端具有沿所述第一方向纵长延伸的第一水流道（125）。

2.根据权利要求1所述的极板（10），其特征在于，所述石墨板（12）背离所述金属板（11）的一侧表面凸设有多条脊（122），每条所述脊（122）沿所述第一方向纵长延伸，多条所述脊（122）沿与所述第一方向垂直的第二方向间隔布设，以在每相邻两个所述脊（122）之间形成供气体通过的流道（123），多个所述流道（123）形成所述流场（121）。

3.根据权利要求1所述的极板（10），其特征在于，所述凸出部（124）贯穿至所述金属板（11）的背面的一端的尺寸大于所述通孔（1124）的尺寸，以使所述凸出部（124）与所述通孔（1124）形成铆接结构。

4.根据权利要求1所述的极板（10），其特征在于，所述嵌合部（1121）包括第一嵌合部（1122），所述第一嵌合部（1122）由所述嵌合区（112）向所述金属板（11）的所述背面凹陷形成，并在所述嵌合区（112）形成与所述石墨板（12）嵌合的凹槽，且在所述金属板（11）的所述背面形成凸筋（1125）。

5.根据权利要求4所述的极板（10），其特征在于，所述第一嵌合部（1122）包括多个，多个所述第一嵌合部（1122）分成多组沿所述第一方向间隔布设的嵌合组（A），每组所述嵌合组（A）的多个所述嵌合部（1121）沿与所述第一方向垂直的第二方向间隔布设，每相邻两个所述凸筋（1125）之间形成沿所述第一方向纵长延伸的第二水流道（1126）。

6.根据权利要求1所述的极板（10），其特征在于，所述金属板（11）的所述正面凸设有凸台（1127），所述凸台（1127）围绕所述嵌合区（112）布设。

7.根据权利要求6所述的极板（10），其特征在于，所述凸台（1127）具有沿其纵长延伸方向布设的进气段（a2）、围合段（a1）及出气段（a3）；

所述围合段（a1）高出所述石墨板（12）具有所述流场（121）的一侧表面；

所述流体输入区（111）具有进气结构（1115），所述进气段（a2）位于所述进气结构（1115）与所述嵌合区（112）之间，且与所述石墨板（12）具有所述流场（121）的一侧表面平齐；

所述流体输出区（113）具有出气结构（1135），所述出气段（a3）位于所述出气结构（1135）与所述嵌合区（112）之间，且与所述石墨板（12）具有所述流场（121）的一侧表面平齐。

8.一种电池单体，其特征在于，包括膜电极及两个如权利要求1至7任一项所述的极板（10），两个所述极板（10）层叠设置，且具有所述石墨板（12）的一侧彼此朝向，所述膜电极设置于两个所述极板（10）之间。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括多个如权利要求8所述的电池单体，多个所述电池单体依次堆叠设置。

10.一种如权利要求1至7中任一项所述极板（10）的制造方法，其特征在于，包括步骤：

将所述石墨板（12）置于所述金属板（11）的所述嵌合区（112）；

对所述石墨板（12）具有流场（121）的一侧加压，使得所述石墨板（12）与所述嵌合部（1121）彼此嵌合；

对石墨板（12）进行固化密封处理。

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