JP2006216333A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、セル電圧モニタとケーシングとを有効に離間させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が積層された積層体１４をケーシング２４に収容する。ケーシング２４を構成する少なくとも側板６０ｂには、それぞれ第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂに対応する開口部８０ａ、８０ｂが形成されるとともに、前記開口部８０ａ、８０ｂを周回する位置に所定数のボス部８２ａ、８２ｂが取り付けられる。ボス部８２ａ、８２ｂにセル電圧モニタが載置されてねじ止め固定されることにより、前記セル電圧モニタと第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂとの間隔が良好に長尺化される。
【選択図】図２

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を、箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備え、前記単位セルが複数積層されることにより燃料電池スタックが構成されている。

この単位セルにおいて、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

ところで、燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、通常、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。

例えば、特許文献１では、図９に示すように、複数のセル１が積層されるとともに、各セル１は、膜／電極アセンブリとセパレータ２とを重ねて構成されている。セパレータ２は、セル中央部にガス流路（図示せず）を形成する金属板３と、セル外周部に設けられる樹脂フレーム４とを有している。複数のセル１が積層されたスタック５には、複数のセル電圧モニタ６が取り付けられている。

各セル１において、樹脂フレーム４に第１の溝４ａと第２の溝４ｂとが互いに離間した位置に形成されている。そして、プラス極の金属板３又はマイナス極の金属板３のいずれかに、セル電圧モニタ６の端子（図示せず）が接触されている。

特開２００４−７９１９２号公報（図４、図５）

この場合、樹脂フレーム４に第１の溝４ａと第２の溝４ｂとが設けられて外部に露呈するプラス極又はマイナス極の金属板３の所定数に、セル電圧モニタ６が一体的に接触することにより、セル１のセル電圧を監視するように構成されている。

しかしながら、上記の特許文献１では、セル電圧モニタ６がスタック５に、直接、装着されている。このため、セル電圧モニタ６は、セパレータ２のセル電圧端子（金属板の露出部）に相当に近接しており、所望の沿面距離を確保することができず、電気的な障害が惹起され易いという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、セル電圧モニタとケーシングとを離間させることができ、簡単且つ経済的な構成で、電気的障害の発生を可及的に阻止することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を、箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックである。

ケーシングの少なくとも一の面には、各単位セル毎又は複数の単位セル毎にセル電圧を検出するために、前記単位セルに設けられた所望のセル電圧端子に対応する開口部が形成されるとともに、前記セル電圧端子に接続されるセル電圧モニタと前記一の面との間には、ボス部が設けられている。

また、ボス部は、前記一の面に固定されることが好ましい。固定方式としては、例えば、ボス部と一の面とにねじ構造を設けたり、前記ボス部と前記一の面とを皿ねじ等を介して固定したり、前一の面に肉厚部を形成して前記肉厚部と前記ボス部とにねじ構造を設けたり、前記ボス部を前記一の面に溶接乃至ロウ付け等で固着したりする方式が採用される。

本発明では、セル電圧モニタとケーシングの少なくとも一の面との間にボス部を設けるだけでよく、前記セル電圧モニタとケーシングとを良好に離間させることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、セル電圧モニタ等に電気的障害が発生することを可及的に阻止することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図である。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２４を備えている。

図３及び図４に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

図２及び図４に示すように、エンドプレート２０ａ側に配設される所定数の単位セル１２において、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の外周部には、矢印Ｃ方向上部一端側に位置して電解質膜・電極構造体３０で発生する電圧を検出するための第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂが一体的に形成される。第１セル電圧端子３５ａと第２セル電圧端子３５ｂとは、矢印Ｂ方向に互いに位置をずらして設けられる。

エンドプレート２０ｂ側に配設される他の所定数の単位セル１２において、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の外周部には、矢印Ｃ方向上部他端側に位置して電解質膜・電極構造体３０で発生する電圧を検出するための第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂが一体的に形成される。

単位セル１２の長辺方向（図４中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。第１シール部材５４は、後述するように、第１セル電圧端子３５ａの先端部近傍まで被覆する。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。第２シール部材５６は、後述するように、第２セル電圧端子３５ｂの先端部近傍まで被覆する。

図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。

ケーシング２４は、図２に示すように、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。側板６０ａ〜６０ｄは、薄板金属製プレートで構成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つの第１連結部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。第１連結部６６ａ〜６６ｄには、孔６７ａ〜６７ｄが貫通形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺下端には、マウント用ボス部６８ａ、６８ｂが形成される。このボス部６８ａ、６８ｂが、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック１０を、例えば、車両に搭載する。

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２連結部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２連結部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。第２連結部７０ａ、７０ｂには、孔７１ａ、７１ｂが形成されるとともに、第２連結部７２ａ、７２ｂには、孔７３ａ、７３ｂが形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各第２連結部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入されて、前記側板６０ａ、６０ｃが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２連結部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入されて、前記側板６０ｂ、６０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記ねじ孔７４に対応して孔部７６が形成される。各孔部７６に挿入される各ねじ７８がねじ孔７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図１参照）。

なお、アングル部材６２ａ〜６２ｄにねじ孔を形成する一方、側板６０ａ〜６０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材６２ａ〜６２ｄを前記側板６０ａ〜６０ｄの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。

図２に示すように、側板（ケーシング２４の一の面）６０ｂには、各単位セル１２毎又は複数の単位セル１２毎にセル電圧を検出するために、所望の第１セル電圧端子３５ａ又は第２セル電圧端子３５ｂに対応する開口部８０ａ、８０ｂが、前記単位セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行して設けられる。

側板６０ｂには、開口部８０ａ、８０ｂの周囲に位置してそれぞれ円柱状のボス部８２ａ、８２ｂが、例えば、４つずつ取り付けられる。図５に示すように、ボス部８２ａの一端部外周部には、ねじ部８４が形成される一方、側板６０ｂには、ねじ穴８６が形成されることにより、ねじ構造が構成される。ボス部８２ａの他端部には、所定の深さまでねじ穴８８が形成される。ボス部８２ｂと側板６０ｂには、図示しないが、同様のねじ構造が構成されている。

側板６０ｂには、開口部８０ａ、８０ｂを覆ってセル電圧モニタ９０ａ、９０ｂが取り付けられる（図１参照）。セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂは、各単位セル１２毎又は複数の前記単位セル１２毎にセル電圧を検出するため、第１セル電圧端子３５ａ及び／又は第２セル電圧端子３５ｂに電気的に接続される。

図５に示すように、セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂを構成する筐体部９２ａ、９２ｂには、側板６０ｂに取り付けられているボス部８２ａ、８２ｂの位置に対応して孔部９４が形成され、前記孔部９４に挿入されるボルト９６が、前記ボス部８２ａ、８２ｂのねじ穴８８に螺合される。側板６０ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部５８ａ、５８ｂを外部に露呈させるために、スリット状開口部９８ａ、９８ｂが形成される（図１及び図２参照）。

図２及び図３に示すように、スペーサ部材２２は、ケーシング２４の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材２２は、積層体１４の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体１４に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。なお、積層体１４の積層方向の長さの変動が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２２を用いなくてもよい。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

この燃料電池スタック１０では、先ず、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。

ところで、第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂは、図５に示すように、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の端面から突出形成されるとともに、この第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂの先端縁部を覆って、第１及び第２シール部材５４、５６による絶縁被膜長さＬが設定されている。この絶縁被膜長さＬは、所望の沿面距離を確保するために比較的長尺に設定されている。従って、第１セル電圧端子３５ａ及び／又は第２セル電圧端子３５ｂに接続されるセル電圧モニタ９０ａ、９０ｂは、側板６０ｂから矢印Ｃ方向に離間した位置に配置されることになる。

この場合、本実施形態では、側板６０ｂに、開口部８０ａ、８０ｂを周回する位置に対応してそれぞれ４つのボス部８２ａ、８２ｂが取り付けられている。そこで、セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂを構成する筐体部９２ａ、９２ｂを各ボス部８２ａ、８２ｂに当接させた状態で、孔部９４にボルト９６を挿入し、このボルト９６の先端部をボス部８２ａ、８２ｂのねじ穴８８に螺合する。このため、セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂは、側板６０ｂに対して該側板６０ｂの表面から所定の距離を確保した状態で取り付けられる。

このように、本実施形態では、ボス部８２ａ、８２ｂを側板６０ｂに取り付けるだけでよく、セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂとケーシング２４とを良好に離間させることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、所望の沿面距離を確保することが可能になり、セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂ等に電気障害等が発生することを可及的に阻止することができるという効果が得られる。

しかも、ボス部８２ａ、８２ｂは、側板６０ｂとは別体に構成されている。従って、ボス部８２ａ、８２ｂの高さ寸法を容易に且つ安価に設定することが可能になり、セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂの高さ調整が効率的に遂行されるという利点がある。

なお、本実施形態では、ボス部８２ａ、８２ｂと側板６０ｂとをねじ構造により固定しているが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、側板６０ｂに円形状凹部１００が形成されるとともに、この凹部１００の中心から離間した位置に皿ねじ用孔部１０２が設けられる。凹部１００に端部が嵌合するボス部１０４は、一端にねじ穴８８が設けられる一方、他端に小径なねじ穴１０６が前記ねじ穴８８に対して偏心した位置に設けられる。

このような構成において、側板６０ｂの凹部１００にボス部１０４の端部が嵌合された状態で、皿ねじ１０８が孔部１０２から前記ボス部１０４のねじ穴１０６に螺合する。これにより、ボス部１０４は、側板６０ｂに固定される。その際、ボス部１０４は、ねじ穴１０６が設けられた端部側に、中心から離間（偏心）して突起部を設け、この突起部を凹部１００に連通する図示しない穴部に嵌合することにより、前記ボス部１０４の回転防止を図ることができる。

また、図７に示す構造では、側板６０ｂには、略円柱状の肉厚部１１０が膨出形成されており、この肉厚部１１０の中央にねじ穴１１２が形成される。ボス部１１４は、一端側にねじ穴８８を有するとともに、他端側にねじ部１１６が膨出形成される。従って、このねじ部１１６が肉厚部１１０のねじ穴１１２にねじ込まれることにより、ボス部１１４を側板６０ｂにねじ止めすることができる。

さらに、図８に示す構造では、側板６０ｂには、凹部１２０が形成され、ボス部１２２の端部がこの凹部１２０に嵌合する。ボス部１２２と側板６０ｂとの間には、溶接処理又はロウ付け処理による固着部位１２４が設けられることにより、ボス部１２２が側板６０ｂに固着される。なお、ボス部１０４、１１４及び１２２は、略円柱状の他、矩形状等の種々の形状に設定することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池の断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 ボス部と側板との別の取り付け構造説明図である。 前記ボス部と前記側板とのさらに別の取り付け構造説明図である。 前記ボス部と前記側板とのさらにまた別の取り付け構造説明図である。 特許文献１のセル電圧モニタの燃料電池スタックへの組り付け構造説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ部材 ２４…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…金属セパレータ
３５、３５ａ…セル電圧端子 ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極 ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路 ６０ａ〜６０ｄ…側板
６２ａ〜６２ｄ…アングル部材 ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
８０ａ、８０ｂ…開口部
８２ａ、８２ｂ、１０４、１１４、１２２…ボス部
８４、１１６…ねじ部 ９０ａ、９０ｂ…セル電圧モニタ
９２ａ、９２ｂ…筐体部 ９４…孔部
９６…ボルト

Claims (2)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を、箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記ケーシングの少なくとも一の面には、各単位セル毎又は複数の単位セル毎にセル電圧を検出するために、前記単位セルに設けられた所望のセル電圧端子に対応する開口部が形成されるとともに、
   前記セル電圧端子に接続されるセル電圧モニタと前記一の面との間には、ボス部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記ボス部は、前記一の面に固定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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