CN1507096A - 组装固体氧化剂燃料电池的方法和装置 - Google Patents

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R·S·布尔格奥伊斯
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M·R·杰克逊
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C·U·哈德维克
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Abstract

燃料电池(12)包括至少一个中空的集管(20)、阳极(82)、电解质(84)和阴极(86)。该至少一个中空的集管包括壁，在壁里面限定出腔室(36)。至少有一个孔穿过集管壁延伸，并与腔室流体连通。在集管壁上形成阳极。在阳极上淀积出电解质，并在电解质上淀积出阴极。

Description

组装固体氧化剂燃料电池的方法和装置
技术领域
本发明总地涉及发电，具体涉及组装固体氧化剂燃料电池的方法和装置。
背景技术
至少一些公知的发电系统利用燃料电池来发电。公知的燃料电池一般包括阳极(也就是通常所说的燃料电极)、阴极(也就是通常所说的氧化剂电极)、以及电解质。该燃料电池是电化学装置，与电池类似，它让燃料和氧化剂反应产生电力。但是，与电池不同的是，要连续将诸如氢之类的燃料和诸如空气之类的氧化剂供应给燃料电池，以便只要提供这些反应物，燃料电池就能持续发电。
燃料电池分别通过在阳极和阴极将燃料和氧化剂催化成电离的原子氢和氧，从而发出电力。在阳极的电离过程中，由氢脱离出的电子传导到阴极，在此它使氧发生电离。在固体氧化剂燃料电池的情况下，氧离子传导经过电解质，在电解质中它们与电离的氢结合，形成水作为工业废物并完成该过程。换句话说，电解质对燃料和氧化剂而言都是不可渗透的，它仅传导氧离子。该系列的电化学反应是燃料电池内发电的唯一方式。因此理想的是减少或消除反应物的任何混合，这种混合会导致不同的结合(例如不能发电的燃烧)从而降低了燃料电池的效率。
单个燃料电池以很低电压发电，一般每个电池约为1伏。因此一般按电串联方式将电池组装在燃料电池堆栈中，从而可以以有效电压发电。为了制造出电池堆栈，就要使用连接件将相邻的燃料电池以电串联方式连起来。一般，连接件还起到分隔流过燃料电池堆栈的反应物的作用。可耦合在一起的燃料电池的数量和/或燃料堆栈的工作效率受互连件的负面影响。例如，当燃料电池在高温下、例如在大约600摄氏度(℃)到1000摄氏度(℃)下的条件下工作时，至少某些公知的燃料电池连接件不足以维持流过燃料电池的反应物的隔离状态。
为了便于维持反应物间的分隔，至少一些公知的燃料电池有密封组件。例如，至少某些公知的燃料电池的密封件是利用玻璃或玻璃陶瓷制成的，但是玻璃或玻璃陶瓷密封件在热循环过程中并不可靠。其它一些公知的燃料电池具有利用云母材料、金属、陶瓷或复合材料制成的密封件。尽管这些密封件耐受热循环的能力一般要优于玻璃制成的密封件，但已证明该密封件基本不能提供气密的密封性。
发明内容
一方面，本发明提供了一种燃料电池。该燃料电池至少包括一个中空的集管、阳极、电解质和阴极。该至少一个中空的集管包括在第一端和第二端之间延伸的壁，从而在所述壁里面限定出了一个腔室。至少有一个开孔穿过集管壁，并与腔室流体连通。在集管壁上形成阳极。在阳极上淀积电解质，而在电解质上淀积阴极。
在本发明的另一方面中，提供了一种燃料电池组件。该燃料电池组件包括第一燃料电池和第二燃料电池。第一燃料电池和第二燃料电池电耦合在一起，这样在第一和第二燃料电池之间延伸出至少一个密闭的通路。第一和第二燃料电池每个都包括中空的集管、阳极、电解质和阴极。集管包括在第一端和第二端之间延伸的连续的壁，从而在壁里面限定出一个腔室。该壁包括至少一个穿过该壁、与腔室流体连通的孔。阳极位于集管壁上。电解质位于阳极上，阴极位于电解质上。
在另一方面中，提供了一种燃料电池组件的制造方法。该方法包括：制造燃料电池，该燃料电池包括中空的集管，中空的集管由壁构成，从而在其中限定出一个腔室；形成至少一个穿过集管壁的孔，并在集管壁上形成阳极，以使阳极布满至少一个孔的上方。该方法还包括在阳极上淀积电解质，在电解质上淀积阴极。
在本发明的另一方面中，提供了一种燃料电池组件的制造方法。该方法包括：制造第一燃料电池和第二燃料电池，第一和第二燃料电池每个都包括由壁形成的中空集管，从而在其中限定出一个腔室，并形成至少一个穿过每个集管壁的孔。该方法还包括在每个集管壁上形成阳极，以使阳极布满每个相应的集管壁孔的上方，在每个阳极上淀积电解质，在每个电解质上淀积阴极。
附图的简要说明
图1是示范性燃料电池堆栈的侧视图；
图2是处于初始制造阶段的可用于图1所示燃料电池堆栈的燃料电池的一部分；
图3是处于第一制造阶段的图2所示燃料电池的一部分；
图4是处于第二制造阶段的图2所示燃料电池的一部分；
图5是处于第三制造阶段的图2所示燃料电池的一部分；
图6是处于第四制造阶段的图2所示燃料电池的一部分；
图7是处于第五制造阶段的图2所示燃料电池的一部分；
图8是处于第六制造阶段的图2所示燃料电池的一部分；
图9是处于第七制造阶段的图2所示燃料电池的一部分；
图10是图9所示燃料电池沿线10-10剖开的横截面视图；
图11是示范性燃料电池堆栈的侧视图；
图12是可用于图1和11所示的燃料电池堆栈的集管的可选择实施例的侧面透视分解图；
图13是燃料电池堆栈的可选择实施例的侧视图。
具体实施方式
图1是示范性燃料电池堆栈10的横截面视图，该燃料电池堆栈10包括多个燃料电池12。相邻的燃料电池12被多个入口密封通路14和多个出口密封通路15隔开。密封通路14和15一般包括中空的电绝缘体(未示出)，该绝缘体可以但不限于由陶瓷材料制成。在一个实施例中，绝缘体通过密封件与集管20和端板16和18联结，所述密封件可以但不限于由玻璃或玻璃陶瓷材料制造。可以选择的是，绝缘体可通过诸如但不限于钎焊的其它制造工艺与集管20以及端板16和18联结。燃料电池堆栈10包括顶部堆栈板16、底部堆栈板18以及多个位于顶部堆栈板16和底部堆栈板18之间的多个集管20。每个集管20都包括外表面22。
在示范性实施例中，顶部堆栈板16、底部堆栈板18、以及集管20每个的尺寸都相等。在可选择的实施例中，在顶部堆栈板16、底部堆栈板18和/或集管20中至少有一个的尺寸与其余的燃料电池堆栈部件不同。顶部堆栈板16基本上是实心的，而底部堆栈板18基本上是中空的。堆栈板16和18都由导电材料制造。例如，堆栈板16和18可由能够在此处所述的高温条件下工作的导电材料来制造，这些材料例如是可导电的任何材料，或者是经过氧化后、其氧化物可导电的任何材料。每个集管20也都由导电材料制成，这些材料例如但不限于是能在此处所述的高温条件下工作的导电材料，它们例如但不限于是不锈钢。
图2是用于燃料电池堆栈10(图1所示)的燃料电池12的一部分。更准确而言，图2表示在初始制造阶段的燃料集管20。每个燃料集管20都包括顶壁30、底壁32、以及一对分别连接着顶壁30和底壁32的侧壁34。在示范性实施例中，集管20基本上是长方形，侧壁34基本上在顶壁30和底壁32之间垂直延伸。在可选择的实施例中，集管20不是长方形的，至少让侧壁34分别在顶壁30和底壁32之间倾斜延伸。
燃料集管20是中空的，它包括从燃料集管20的第一端38延伸到集管20的第二端40的通道36。具体而言，在示范性实施例中，通道36由每个相应的顶壁30、底壁32和侧壁34的内表面42、44和48来限定。因此，在示范性实施例中，通道36的横截面轮廓基本上为长方形。在另一实施例中，通道36的横截面轮廓不是长方形。在再一个实施例中，燃料集管20包括导流器、折流板或便于燃料在燃料集管20内分配的通道特征中的至少一种。
图3是处于第一制造阶段的燃料电池12的一部分。在该制造阶段，要在燃料集管20内形成供应孔50和回路孔52。具体而言，供应孔50和回路孔52每个都穿过燃料顶壁30、通道36、燃料集管底壁32。在示范性实施例中，孔50和52的尺寸相同。可选择的是，孔50和52的尺寸不同。另外，在示范性实施例中，孔50和52每个的横截面轮廓都基本上是圆形。可选择的是，孔50和/或孔52中至少有一个的横截面轮廓是非圆形。
在该制造阶段还要在燃料集管20中至少形成一个孔54。具体而言，在示范性实施例中，有多个孔54穿过燃料集管顶壁30一直延伸到通道36，但与孔50和52不同的是，孔52并未贯穿集管底壁32。在示范性实施例中，孔54基本上按共线结构排列，即孔54排成多行56，其中每一行56都包括多个沿线性序列排列的孔54。另外，在示范性实施例中，每个孔54的横截面轮廓都基本上是圆形。可选择的是，每个孔54的横截面轮廓都是非圆形的。
图4是在第二制造阶段示出的燃料电池12的一部分。在该制造阶段，有一对同样的端板60和62分别与集管的第一端38和第二端40机械联结。更准确而言，在示范性实施例中，每个端板60和62都这样与集管20联结，使得端板60和62在集管顶壁30和底壁32之间基本垂直地延伸。在可选择的实施例中，端板60和/或62中至少有一个是相对于顶壁30和/或底壁32与集管20倾斜联结。端板60和62可由导电材料制成，这些材料是诸如但不限于能够在此处所述的高温条件下工作的导电材料，它例如但不限于是不锈钢。在可选择的实施例中，端板60和62由非导电材料制成。
图5是处于第三制造阶段的燃料电池12的一部分。在该制造阶段，包括多个分流器72的阴极流场70与集管底壁32联结。在一个实施例中，阴极流场70与集管20机械联结。分流器72沿着底壁32在侧壁34之间延伸，并让每个分流器72布置在与孔54的相邻各行56相反的位置，并且在孔54的相邻各行56之间是基本平行的。在示范性实施例中，分流器72用作相邻集管20之间的电连接。例如，分流器72这样来构造：当燃料电池12处于堆栈布置(图1所示)中时，分流器72将电力从一个电池12的阳极传导到相邻电池12的阴极。在示范性实施例中，分流器72由导电材料制成，它们例如但不限于是能在此处所述的高温条件下工作的导电材料，例如但不限于是不锈钢。在一个实施例中，分流器72与顶壁32形成一体。
图6是处于第四制造阶段的燃料电池12的一部分。在该制造阶段，要在孔54中插入消耗性材料80，即短效掩模，并使材料80在孔54内基本上与集管顶壁30的外表面32相平。在一个实施例中，消耗性材料80包括但不限于环氧材料。
图7是处于随后的第五制造阶段中的燃料电池12的一部分。在该制造阶段，贯穿集管顶壁30以及孔内54形成的消耗性材料80的暴露部分形成阳极82。更具体而言，因为孔54(图3-6所示)填充了消耗性材料80(图6所示)，因此阳极82保持形成在导集管顶壁30上，而不会淀积在孔54和/或通道36内。阳极82通常在孔54上方延伸，但不从表面22上方延伸到孔50和52。此外，阳极82不会延伸到与侧壁34相邻的集管顶壁30的外周边。
然后利用公知的去除工艺去除消耗性材料80，这些工艺例如但不限于加热或燃烧。在可选择的实施例中，跨越集管20和孔54形成阳极82，但在形成阳极82之前，不将消耗性材料80插到导孔54中。在一个实施例中，阳极82可由多孔材料制造，它们例如但不限于包含氧化镍材料的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
图8是处于第六制造阶段的燃料电池12的一部分。在该制造阶段，要在阳极82上形成电解质层84。具体而言，是要形成表面积与阳极82的表面积至少同样大或者更大的电解质层84，这样层84直接结合到至少一部分集管顶壁表面22上。更具体而言，电解质层84结合到阳极82与每个孔50和52之间的表面22上，还结合到阳极82与侧壁34之间的表面22上。在示范性实施例中，电解质层84遍及表面22到达形成相邻侧壁34的外周边上。在一个实施例中，电解质层84可由诸如但不限于氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)之类的材料。
图9是处于第七制造阶段的燃料电池12的一部分。图10是沿燃料电池12的线10-10(图9中所示)剖开的横截面视图。在该制造阶段，阴极86形成在电解质层84上。在示范性实施例中，阴极86的表面积小于电解质层84的表面积，这样阴极86仅与电解质层84结合。阴极86包括但不限于镧锶镁(LSM)。
按照下面更详细描述的，使用过程中，当流体通过孔50进入集管20时，流体流被导引着通过通道36，穿过孔54与阳极82接触。然后流体流通过孔52从集管20中排出。
图11是包括多个按照上述方式制得的集管20的燃料电池堆栈10的横截面视图。相邻的燃料电池12分别被多个入口和出口密封件14和15隔开，这样燃料电池12形成了固体氧化剂燃料电池的平面布置，即燃料堆栈10，其中相邻的燃料电池12之间限定出氧化剂流动区域100。在一个实施例中，密封件14和15要加压安装，以便加强密封与气密性。另外，因为集管密封完全是金属对金属的，密封件14和15仅在孔50和52周围延伸，因此可减少密封件14和15的总长。于是，密封件14和15有助于降低堆栈10的组装成本。
诸如但不限于预重整燃料、和/或要在燃料电池堆栈10内进行重整的烃之类的燃料通过入口连接件90提供给燃料电池堆栈10。在进入入口连接件90之后，燃料经过每个入口密封件14，通过相应的孔50进入每个燃料集管20。
在进入每个孔50之后，燃料进入每个对应的集管通道36。燃料在从燃料堆栈10内通过孔52排出然后进入出口连接件92之前，流过每个阳极82上方，并与阳极82反应。在一个实施例中，连接件90和92是焊到堆栈10上的。燃料和氧化剂在每个燃料电池12内反应，所述燃料电池12在堆栈10内是串联连接的，由此将电压增大到有效电平。更具体而言，提供给堆栈10的燃料与氧发生电化学反应，产生直流(DC)电，以水为主产物。围绕堆栈10的氧化剂流过阴极86上方，并被导过用作内部连接的流场70。在一个实施例中，堆栈10这样设置：反应物流过相邻集管20的方向是基本上平行的且流动方向相反。在另一实施例中，堆栈10这样设置：流过相邻集管20的反应物方向基本上平行，且流动方向相同。在另一实施例中，集管20按以下方式布置在堆栈10内：反应物流过相邻集管20的方向基本上彼此垂直。
由于随着燃料和氧化剂反应产生电流，于是横跨堆栈端板96和98产生电压电势。端板96基本上与底部堆栈板18(图1所示)类似，它不包括阴极流动通道70。在示范性实施例中，端板96是正极端板。端板98基本上与顶部堆栈板16类似，它基本上是实心的，通道36并不穿过它延伸。
可将燃料电池12组装成竖直的堆栈10。更具体而言，将电池12组装成平面堆栈10以便于相邻燃料电池的阳极82、电解质84和阴极86的相互连接。因此，每个集管20至少包括两个集管孔50和52，这两个孔穿过每个互连接平面。端板96和98基本上密封了堆栈10，这样可在其中收集电流。流过互连集管20(它们被密封件14和15分开)的燃料穿过在每个集管20内形成的孔54湿润阳极82。在一个实施例中，燃料电池12包括位于每个对应的阳极区域上游的内部重整装置，用以由碳氢化合物形成H2和CO。
水(重整产物)和无用的燃料流过集管20，到达每个相应的排气口52。堆栈10将燃料流大体均等地分给堆栈10内串连联结的每一个燃料电池12中。在阴极侧，在每个集管20中或由与每个集管20联结的部件限定形成通路，以便让来自外侧堆栈10的氧化剂引导过阴极流场70，并在从堆栈10的相对侧被排出之前穿过阴极86。
在将电池单元12堆叠在一起时，氧化剂围绕在堆栈10周围，它们经流通区域孔100引导过堆栈10。为了将流过堆栈10的燃料与围绕并流过堆栈10的氧化剂分开，这样淀积电解质84：叠置阳极82，并且电解质84要直接密封到燃料集管20上。电解质84基本上不透气，以便在阴极86和阳极82之间传导氧离子。密封件14和15分别设置在孔50和52周围，便以进行各燃料电池12的密封。另外，密封件14和15有利于相邻燃料电池12的电绝缘，从而避免电池12之间的短路。
使用过程中，与某些其它公知的平面式燃料电池结构相比，该堆栈10有利于减少密封件数量。此外，堆栈10的基本平面型的集管化设计能提供独立的排气循环，并可进行堆栈10的多次分级。于是，可变化地选择串连联结的集管20的数量，以便优化堆栈10内的热传递。另外，与其它公知的燃料电池堆栈相比，因为堆栈10的最长电流流路是通过高导电性的金属，这就会便于降低与该堆栈10相关联的操作成本。于是，燃料电池堆栈10可与通过烧结和非烧结组装工艺制得的燃料电池一起使用。
图12是可与图1和11所示的燃料电池堆栈一起使用的可选择方案的集管的侧面透视分解图。更具体而言，集管200基本上与图4所示的集管20相类似，但它是利用可选择的制造方法组装得到的。更具体而言，集管200还可由导电材料制成，这些材料诸如但不限于能够在此处所述的高温条件下工作的导电材料，例如但不限于是不锈钢。
最初燃料集管200基本上是实心的，它包括顶壁202、底壁204和一对分别连接顶壁202和底壁204的侧壁206。集管200还包括一对分别在顶壁202和底壁204之间延伸的端壁208。在该示范性实施例中，集管20基本上是长方形的，侧壁206和端壁208在顶壁202和底壁204之间基本上垂直延伸。在可选择的实施例中，集管200不是长方形的。
在集管200内形成从顶壁202向底壁204延伸的腔室220。腔室220的横截面积要小于顶壁202的横截面积。因为腔室220基本上相对顶壁202为中心，腔室220不会延伸到侧壁206和端壁208。在一个实施例中，集管腔室220可通过压印得到。在可选择的实施例中，集管腔室220可通过机械加工得到。
在燃料集管200中形成了供料孔230和回路孔232，这些孔每个都穿过燃料集管底壁204延伸到燃料集管腔室220。在示范性实施例中，孔230和232的尺寸相同。可选择的是，孔230和孔232的尺寸不同。另外，在示范性实施例中，孔230和232每个的横截面轮廓基本上是圆形。可选择的是，孔230和/或孔232中至少有一个的横截面轮廓为非圆形。
其横截面轮廓的尺寸基本上与燃料集管顶壁202的相同的密封板240与顶壁202联结。密封板240包括能与阳极(图12中未示出)连通的中央孔242，它还包括尺寸基本上与各孔230和232的尺寸相同的供料孔244和回路孔246。于是，在将密封板240联结到顶壁202上之后，按照上面图5-11中所述的方式组装燃料集管200和各个燃料电池(图12中未示出)。
在可选择的实施例中，要利用两个以上的层来组装燃料集管200。例如，在一个实施例中，燃料集管200的密封板240联结到环形侧壁的壁组件(未示出)上，然后将壁组件联结到基本上与密封板240类似的下部密封板上，但该下部密封板不包括中央孔242。
图13是燃料电池堆栈300的可选择实施例的侧视图。燃料电池堆栈300基本上与图1和11所示的燃料电池堆栈10类似，在图13中利用与图1和11中相同的附图标记来标识堆栈300中与堆栈10中相同的部件。具体而言，燃料电池堆栈300包括被多个入口密封件14和多个出口密封件15隔开的多个集管302。
集管302与集管20(图1和11所示)类似，但每个集管302都与第一电极形成一体，这样每个集管302用作第一电极。在一个实施例中，集管302包括多个用以导引流体流从中流过的内部导向件。在集管302上形成与电解质层84(图8所示)类似的电解质层306，横跨电解质层306形成第二电极310。在一个实施例中，集管302是阳极，第一反应物是燃料。在另一实施例中，集管302是阴极，第一反应物是氧化剂。
横跨第二电解质层310形成电连接320，该电连接与在流场70内延伸的分流器72相互作用，并与集管302的底壁322联结。在示范性实施例中，连接320基本上是平面的。
上部和下部堆栈电流端子330和332还分别连接到燃料电池堆栈300上，这些端子按照与顶部堆栈板96和底部堆栈板98(图11所示)相同的方式起作用。在随着燃料和氧化剂反应而产生电流时，横跨堆栈端子330和332产生电压电势。在示范性实施例中，端子330的尺寸基本上与端子332的相同，它包括一对能让流体进入集管302内形成的供料孔和回路孔(未示出)的孔(未示出)。
上述燃料堆栈组装了多个燃料电池，这些燃料电池是利用大体平面状的集管化设计串连连接的，这样一个燃料电池的阴极与相邻燃料电池的导电燃料管接触。燃料管的表面特征提供了能让氧化剂流过阴极上方的微小间隙。燃料通过由燃料堆栈中一系列基本上共线的孔组成的内部集管供应到堆栈的适当部分。一系列绝缘部件将相邻燃料电池隔开，并提供相邻燃料电池间的密封。结果，这些燃料电池有利于按照成本效率和可靠的方式制造燃料堆栈。
上面已详细描述了燃料电池堆栈的示范性实施例。燃料电池堆栈并不限于此处所述的特定实施例，而是每个组件的部件可独立和分开地与此处所述的其它部件使用。每个燃料电池堆栈组件还可结合其它燃料电池堆栈部件使用。例如，在某些实施例中，堆栈内阳极和阴极的相对位置可以互换，类似地，为燃料流和氧化剂限定的通路也可互换。
虽然已按照各种特定实施例的方式描述了本发明，但本领域普通技术人员要认识到，还可利用在本发明的精神和范围内的改进来实践本发明。

Claims (13)

1.一种燃料电池(12)，它包括：
至少一个中空的集管(20)，它包括在第一端(38)和第二端(40)之间延伸的壁，在所述壁中限定一个腔室(36)，所述壁包括至少一个穿过壁与所述腔室流体连通的孔(54)；
位于所述集管壁上的阳极(82)；
位于所述阳极上的电解质(84)；以及
位于所述电解质上的阴极(86)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其中所述至少一个集管壁包括顶壁(30)、底壁(32)、以及多个侧壁(34)，所述多个侧壁在所述顶壁与所述底壁之间基本上垂直地延伸，所述集管孔(54)穿过所述顶壁延伸。
3.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其中所述至少一个中空的集管(20)还包括导电材料。
4.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其中所述阳极(82)直接结合到所述至少一个集管(20)上。
5.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其中所述电解质(84)至少与所述阳极(82)延伸范围相同，所述电解质直接结合到所述至少一个集管(20)上。
6.根据权利要求1所述的燃料电池(12)，其中所述电解质(84)基本上不透气，它被构造成能在所述阴极(86)与所述阳极(82)之间传导氧离子。
7.一种可与燃料电池组件(10)一起使用的集管(20)，所述集管包括在其中限定出腔室(36)的主体，所述主体在第一端(38)和第二端(40)之间延伸，所述主体包括至少一个连接件(320)和电极(82)，至少有一个孔(54)从中穿过与所述腔室流体连通。
8.根据权利要求7所述的集管(20)，它还包括顶壁(30)、底壁(32)和至少一个在所述顶壁和底壁之间基本垂直延伸的侧壁(34)，所述至少一个集管孔(54)穿过所述顶壁延伸。
9.根据权利要求8所述的集管(20)，其中所述侧壁(34)基本上是连续的并限定所述底壁(32)的范围。
10.根据权利要求7所述的集管(20)，它还包括导电材料。
11.根据权利要求7所述的集管(20)，它还包括淀积在所述集管上的阳极(82)。
12.根据权利要求7所述的集管(20)，它还包括淀积在所述集管上的电极(86)。
13.根据权利要求7所述的集管(20)，它还包括淀积在所述集管上的阴极(86)。
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