JP2007220371A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールドに付着した水滴によるガス流路の閉塞を防止し、各セルへの反応ガスの流れと各セルの起電力が均一で特定のセルが損傷することがない、高性能で且つ耐久性のある燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜、電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極及び酸化剤極、燃料極及び酸化剤極に反応ガスを供給する流路を有する流路板を備えたセル１が、複数積層された積層体１１を備える。積層体１１の両脇に、燃料極入口マニホールド６、燃料極出口マニホールド７を配置し、燃料極出口マニホールド７の内部の天井に、傾斜部７１を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池本体の流路に反応ガスを流通させるマニホールドを備えた燃料電池に係り、特に、内部における凝縮水の処理に改良を施した燃料電池に関する。

燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを、電池本体に供給することにより、電気化学的に反応させ、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池は、発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。

このような燃料電池のうち、固体高分子膜を用いたものの構成を、図１２、図１３を参照して説明する。すなわち、燃料電池本体は、図１２に示すように、複数の単位セル１を積層した積層体１１を有し、その積層体１１の両端に、集電板２と締付板３を配置し、スタッド４及びナットと皿バネによって締め付けることにより構成されている。各セル１は、固体高分子膜の両端に、触媒を塗布した燃料極及び酸化剤極を配し、その両端に燃料極流路と酸化剤極流路を備えた燃料極流路板と酸化剤極流路板によって構成されている。

燃料電池本体の周囲には、図１３の断面図に示すように、燃料極入口マニホールド６、燃料極出口マニホールド７、酸化剤極入口マニホールド８及び酸化剤極出口マニホールド９が配置されている。燃料ガスは、燃料極入口マニホールド６に入り燃料極流路板５の燃料極流路１０を通り、燃料極出口マニホールド７から外部へ排出される。また、酸化剤ガスも同様に酸化剤極入口マニホールド８に入り図示しない酸化剤極流路板の酸化剤極流路を通り、酸化剤極出口マニホールド９から外部へ排出される。

このような燃料電池に使用される燃料ガスとしては、都市ガスなどを改質器により水素に改質し燃料電池に供給されるが、通常改質された燃料ガスには、蒸気が含まれている。このため、燃料電池に供給される際に、燃料ガスの露点が燃料極入口マニホールド内の温度より高い場合は、燃料極入口マニホールド内で燃料ガス中の水分が凝縮し、マニホールド内壁に水滴が付着する。この水滴がガス流路を塞いで特定のセルに供給されるガス流量が少なくなる問題がある。また、燃料電池本体から排出されるガスも、同様に蒸気を含んでおり、出口マニホールド内に溜まったドレンがガスの流れを阻害しセルの性能に影響を及ぼす問題がある。

これに対処するため、例えば、特許文献１〜３に示すような従来技術が提案されている。まず、特許文献１には、ガス入口マニホールドが積層面の上方に位置し、この天板に付着した水滴が、積層面に垂れてガス流路を閉塞することを防止するために、マニホールドを傾斜させ、ドレン排出口を設けた技術が開示されている。

特許文献２には、ガス流路全体を覆う仕切り板とドレン受けを設け、直接積層面に水滴が垂れることを防止した技術が開示されている。特許文献３には、マニホールドに溜まったドレンを、重力を利用して排出されやすくするために、マニホールドのガス進行方向に向かって低位になるように燃料電池本体を傾斜配置する技術が開示されている。

特開２００４−２０７１０６公報 特開２００４−１８５９３５公報 特開２００４−１４６３０３公報

ところで、従来の燃料電池においては、特許文献１や特許文献２において指摘されているように、積層面の上方に位置する天板から滴下する水滴によって、ガス流路が閉塞するという問題があった。これを回避するために、例えば、図１３に示した例では、燃料極入口マニホールド６と燃料極出口マニホールド７の天井面を、積層面と垂直の位置関係としている。

しかし、かかる場合には、天板に付着した水滴が積層面を伝わり、ガス流路を閉塞しセルの性能に影響を及ぼす問題が発見されている。特に、燃料ガスの流路が閉塞された場合は、電極の腐食が起きる可能性がある。そして、このような問題は、特許文献３に示されたように、マニホールド内のガスがガス進行方向に向かって低位になるように燃料電池本体を傾けても、解決できないことが分かった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、マニホールドに付着した水滴によるガス流路の閉塞を防止し、各セルへの反応ガスの流れと各セルの起電力が均一で特定のセルが損傷することがない、高性能で且つ耐久性のある燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも１枚以上積層された燃料電池において、前記流路に対して、反応ガスを流通させるマニホールドが複数設けられ、前記マニホールドのうち、少なくとも一つの内部の天井部には、傾斜が付けられていることを特徴とする。

以上のような本発明では、運転を継続することにより、マニホールドの内部の天井に凝縮する水滴は、天井に設けられた傾斜によって、セルの積層面側へ流れることなく、マニホールドの内壁へ流れる。その結果、セルにおける反応ガスの流路の閉塞を防止することができる。

以上のような本発明によれば、マニホールドに付着した水滴によるガス流路の閉塞を防止し、各セルへの反応ガスの流れと各セルの起電力が均一で特定のセルが損傷することがない、高性能で且つ耐久性のある燃料電池を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を、図面を参照して、具体的に説明する。なお、図１２、図１３に示した従来技術と同様の構成及び作用については、説明を一部省略する。

［第１の実施形態…図１〜３］
［構成］
まず、第１の実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。本実施形態は、図１に示すように、基本的な構成は図１３に示した従来技術と同様であり、セル１の積層体１１（図１２参照）の周囲に、複数のマニホールドが配設されている。各マニホールドは、燃料極流路板５の燃料極流路１０へ燃料ガスを流通させる燃料極入口マニホールド６及び燃料極出口マニホールド７、図示しない酸化剤極流路板の酸化剤極流路へ酸化剤ガスを流通させる酸化剤極入口マニホールド８及び酸化剤極出口マニホールド９として構成されている。

ここで、酸化剤極入口マニホールド８は積層体１１の上部に、酸化剤極出口マニホールド９は積層体１１の下部に位置している。一方、燃料極入口マニホールド６、燃料極出口マニホールド７は、積層体１１の両脇の流路板に接する位置に設けられ、セル１の積層方向に対して、垂直方向に相対する位置に配置されている。

そして、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド７の内部に、以下のような構造上の特徴がある。すなわち、図２に示すように、燃料極出口マニホールド７の内側面７０は、セル１の積層体１１の側面に相対している。そして、燃料極出口マニホールド７の内部の天板には、積層体１１から内側面７０に向けて、下向きとなる傾斜がつけられた傾斜部７１が設けられている。

［作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用は、以下の通りである。まず、本実施形態のような燃料電池の内部において、凝縮水が発生する際の一般的なメカニズムを述べる。すなわち、単位セルは、電気化学反応に伴い発熱する。そして、例えば、固体高分子形燃料電池では、固体高分子膜の耐熱性を考慮して、通常は冷却水等により単位セル内温度を７０℃〜８０℃程度に保持している。

一方、マニホールドの外壁は、外気あるいは燃料電池が組み込まれたパッケージ内と同じ温度となる。このため、マニホールドの内壁と外壁とでは、内壁の温度が高く、外壁の温度が低いという温度差が生じている。

ここで、燃料極出口マニホールド若しくは酸化剤極出口マニホールド（以下、出口マニホールドとする）には、セル内の燃料極流路、酸化剤極流路を通過した燃料ガス若しくは酸化剤ガスが排出される。セル内は、セルの内部に挟持されている電解質膜を加湿するため、あるいは電気化学反応により水が生成することから、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが、燃料極流路あるいは酸化剤極流路から出口マニホールドに排出される際には、相対湿度がほぼ１００％の状態となっている。

その結果、出口マニホールドの内壁においては、燃料ガス若しくは酸化剤ガス中に含まれる水分が凝縮することになる。このように凝縮されて発生した水滴は、運転を継続することで徐々に成長する。そして、出口マニホールドの天板に形成された水滴は、やがて重力の影響で地板へと移動するが、この水滴が、次のような問題を生じさせる。

例えば、図３の従来技術（白矢印は燃料ガスの流通方向）に示すように、水滴Ｗは直接滴下するか、セル１の積層面やこれと相対して接する燃料極出口マニホールド７の内面を伝わって地板に到達する。特に、セル１の積層面を伝わった場合、水滴Ｗによって燃料極流路１０若しくは酸化剤ガス流路が閉塞されることとなり、一時的に燃料ガス若しくは酸化剤ガスの流通が遮断される場合が生じる。

しかし、本実施形態においては、図２に示すように、燃料極出口マニホールド７の天板に、内側面７０に向かって下降する傾斜部７１が設けられている。このため、天板に形成された水滴Ｗは、セル１の積層面側へ流れることなく、この積層面と対向する燃料極出口マニホールド７の内壁を通過する。また、燃料極出口マニホールド７は、セル１の流路板と接しているため、セル１側の水滴Ｗも、傾斜部７１を伝って内側面７０を下降する。その結果、セル１における燃料極流路１０若しくは酸化剤極流路の閉塞を防止することが可能となる。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、燃料極出口マニホールド７の天板に傾斜部７１を設けることによって、セル１の積層面への水滴の流れとこれによるガス流通の阻害を防止できる。その結果、反応ガスの流量が各セル１にほぼ均一に流れるので、特定のセル１が反応ガスの欠乏によって損傷することが防止され、高性能で耐久性のある燃料電池を構成できる。

［第２の実施形態…図４、図５］
［構成］
本発明の第２の実施形態を、図４及び図５を参照して説明する。本実施形態は、基本的には上記の第１の実施形態と同様の構成であるが、燃料極出口マニホールド７が、リターンマニホールドとして構成されている場合の態様である。すなわち、例えば、燃料ガスは、セル１における電気化学反応と共に、水素のみが消費され、その他の成分は消費されない。従って、燃料極流路１０が後流になるに従って、水素濃度は低くなる。

そこで、本実施形態においては、図４及び図５に示すように、燃料極入口マニホールド６の内部に仕切り６１を設けることにより、一つのマニホールドで入口マニホールドと出口マニホールドの両方の機能を持たせている。他方の燃料極出口マニホールド７は、セル１の燃料極流路１０から排出された燃料ガスを、一旦合流させた後、その燃料ガスが排出された燃料極流路１０とは異なる燃料極流路１０に供給するように、燃料ガスをリターンさせるリターンマニホールドとなっている。

このようにリターンマニホールドとして構成された燃料極出口マニホールド７の天板には、上記の第１の実施形態と同様に、積層体１１から内側面７０に向けて、下向きとなる傾斜がつけられた傾斜部７１が設けられている。

［作用］
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、リターンマニホールドとして構成された燃料極出口マニホールド７の天板に、傾斜部７１が設けられているので、上記の第１の実施形態と同様に、天板に形成された水滴が、セル１の積層面を通過せず、セル１の積層面と対向する燃料極出口マニホールド７の内面を伝って地板に到達する。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、セル１の損傷を防止して高性能で耐久性のある燃料電池を構成できるとともに、リターンマニホールドを利用して燃料ガスを効率良く流通させることが可能となる。

［第３の実施形態…図６］
［構成］
本発明の第３の実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、図６に示すように、セル１における流路板８０（燃料極流路板若しくは酸化剤極流路板）とマニホールド８１とを一体的に形成した、いわゆる内部マニホールド構造としたものである。すなわち、流路板８０には、蛇行した流路８２が形成されており、その流路８２の両端に、セル１の積層方向に対する断面が半楕円形の穴であるマニホールド８１が設けられている。このように、マニホールド８１の断面が半楕円形となっているため、マニホールド８１の内部の天井が、流路８２側から外側にかけて下向きとなる傾斜部となっている。

［作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、積層された各セル１における流路板８０が連なることにより、連続したマニホールド８１の空間が形成されるが、その断面が半楕円形であり、天井が傾斜部となるため、マニホールド８１の上部から下部に水滴が滴下する場合に、流路８２側に流れてガス流通を阻害することがない。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、流路８２とマニホールド８１とが一体化した流路板８０を用いた積層体においても、ガス流通を阻害する水滴の流入を防止できるので、上記の第１の実施形態と同様に、セル１の損傷を防止して高性能で耐久性のある燃料電池を構成できるとともに、小型、省スペース化を実現できる。

［第４の実施形態…図７］
［構成］
本発明の第４の実施形態を、図７を参照して説明する。本実施形態は、図７（Ａ）に示すように、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド７がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド６の内部に仕切り６１が設けられている。

但し、本実施形態においては、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、燃料極出口マニホールド７の傾斜部７１から内側面７０にかけて、鉛直方向に、複数条の溝７２が形成されている。

［作用］
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、運転を継続するに従って、セル１の側面と対向する燃料極出口マニホールド７の傾斜部７１及び内側面７０に、水滴が凝縮していく。この水滴は、鉛直方向の溝７２に入ることにより下方への流れが促進されるので、内壁に付着したまま大きく成長することはなく、早期に底面に達する。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、凝縮した水滴の流れが溝７２によって促進されるので、凝縮水のセル１の積層面への流入が、より確実に防止される。

［第５の実施形態…図８、図９］
［構成］
本発明の第５の実施形態を、図８、図９を参照して説明する。本実施形態は、図８、図９に示すように、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド７がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド６の内部に仕切り６１が設けられている。

但し、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド７の外壁に、保温若しくは加熱するための手段が設けられている。例えば、図８は、保温材７３を設けたもの、図９は、ヒータ７４を設置したものである。

［作用］
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、燃料極出口マニホールド７の外壁に保温材７３あるいはヒータ７４を設置することにより、燃料極出口マニホールド７の外壁の温度を上げることができる。従って、セル１により高温となる燃料極出口マニホールド７の内壁の温度に、外壁の温度を近づけて、両者の温度差を小さくすることができるので、内部における水分の成長を抑制する作用が得られる。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、燃料極出口マニホールド７の内部での水分の凝縮を抑制できるので、凝縮水のセル１の積層面への流入が、より確実に防止される。

［第６の実施形態…図１０］
［構成］
本発明の第６の実施形態を、図１０を参照して説明する。本実施形態は、図１０に示すように、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド７がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド６の内部に仕切り６１が設けられている。

但し、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド７の底板に穴が形成され、これにドレンポート７５が設けられている。このドレンポート７５は、燃料極出口マニホールド７の内部に凝縮して下降してきた水分を、外部に排出する排出口である。

［作用］
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、運転を継続するに従って、燃料極出口マニホールド７の傾斜部７１及び内側面７０に、水滴が凝縮していく。この水滴は、傾斜部７１及び内側面７０を伝って底板に達するが、底板に設けられたドレンポート７５を介して、積層体１１の外部に円滑に排出される。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、凝縮した水滴の排出がドレンポート７５によって促進されるので、凝縮水のセル１の積層面への流入が、より確実に防止される。

［第７の実施形態…図１１］
［構成］
本発明の第７の実施形態を、図１１を参照して説明する。本実施形態は、基本的には、図１１に示すように、上記の第２の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド７がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド６の内部に仕切り６１が設けられている。

但し、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド７の内部に傾斜部を設けるのではなく、セル１を構成する流路板９０が、積層体１１における燃料極出口マニホールド７に向かう側面が下向きの傾斜となるように、台形状をなしている。つまり、流路板９０及びこれが積層された積層体１１の水平方向断面積が、上部に行くほど大きく、下部に行くほど小さくなっている。また、燃料極出口マニホールド７は、積層体１１の側面に合せて傾斜配置されている。

［作用］
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、リターンマニホールドとして構成された燃料極出口マニホールド７が、積層体１１の傾斜面に合せて傾斜配置されているので、その天井が傾斜部となる。このため、天板に形成された水滴が、セル１の積層面を通過せず、セル１の積層面と対向する燃料極出口マニホールド７の内面を伝って地板に到達する。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、燃料極出口マニホールド７の天井の傾斜部によって、第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、水滴がガス流路に流入する可能性のある箇所を、電池本体から離隔させることができるので、水滴の流入による弊害をより一層確実に防止することが可能となる。

［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、第１の実施形態においては、燃料極出口マニホールドの天板について、傾斜部を設けた例を示したが、燃料極入口マニホールについても、燃料極入口マニホールドに供給される燃料ガスがセル温度よりも高く、その露点が燃料入口ガスマニホールド温度よりも高い場合には、天板に水滴が形成され、セルの積層面を伝って地板に滴下する際、セルへのガスの流れを遮断する。

従って、燃料極入口マニホールドに対しても、天板に傾斜部を設けることによって、セルへの水滴の流入を防止してもよい。さらに、第２、第４、第５、第６及び第７の実施形態の燃料極入口マニホールドにおける仕切りに傾斜部を設けてもよい。

また、酸化剤極入口マニホールド及び酸化剤極出口マニホールドが、積層体の両脇に配置されている場合には、同様に天板に形成された水滴により、酸化剤の流通が遮断されることから、燃料極入口マニホールドあるいは酸化剤マニホールドに傾斜部を設けることで、上記と同様な効果が得られる。燃料極入口マニホールドあるいは酸化剤マニホールドに仕切り部を設けた場合にも、これに傾斜部を設けることができる。

また、第３の実施形態では、積層方向のマニホールド断面を半楕円形としているが、この形状には限定されない。つまり、セル積層面側から相対するマニホールド内面に向けて、流路板の断面積が小さくなるような傾斜を設ければ、同様な効果が得られる。また、上記の各実施形態において、マニホールド内壁に、撥水性を持たせるコーティング（例えば、フッ素樹脂加工など）を施すことによって、水滴の流れや排出をより一層促進させることができる。

また、第５の実施形態においては、リターンマニホールドのみに保温材あるいはヒータを取り付けているが、燃料極や酸化剤極の入口マニホールドあるいは出口マニホールドに保温材やヒータを取り付けても同様の効果が得られる。さらに、第７の実施形態においては、リターンマニホールドのみにドレンポートを設置しているが、燃料極や酸化剤極の入口マニホールドあるいは出口マニホールドにドレンポートを設置しても同様の効果が得られる。

本発明の燃料電池の第１の実施形態における垂直断面図。 図１の実施形態における燃料極出口マニホールド内部を示す斜視図。 従来の燃料電池の燃料極出口マニホールド内部を示す斜視図。 本発明の燃料電池の第２の実施形態における垂直断面図。 図４の実施形態の斜視図。 本発明の燃料電池の第３の実施形態における流路板を示す平面図。 本発明の燃料電池の第４の実施形態を示す斜視図（Ａ）、燃料極出口マニホールドの垂直断面図（Ｂ）、燃料極出口マニホールドの斜視図（Ｃ）。 本発明の燃料電池の第５の実施形態における保温材を用いた例を示す垂直断面図。 本発明の燃料電池の第５の実施形態におけるヒータを用いた例を示す垂直断面図。 本発明の燃料電池の第６の実施形態を示す垂直断面図。 本発明の燃料電池の第７の実施形態を示す斜視図。 従来の燃料電池の一例を示す垂直断面図。 図１２の燃料電池を構成するマニホールドを示す垂直断面図。

符号の説明

１…セル
２…集電板
３…締付板
４…スタッド
５…燃料極流路板
６…燃料極入口マニホールド
７…燃料極出口マニホールド
８…酸化剤極入口マニホールド
９…酸化剤極出口マニホールド
１０…燃料極流路
１１…積層体
６１…仕切り
７０…内側面
７１…傾斜部
７２…溝
７３…保温材
７４…ヒータ
７５…ドレンポート
８０…流路板
８１…マニホールド
８２…流路
９０…流路板

Claims (11)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも１枚以上積層された燃料電池において、
   前記流路に対して、反応ガスを流通させるマニホールドが複数設けられ、
   前記マニホールドのうち、少なくとも一つの内部の天井部には、傾斜が付けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記流路板は、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料極流路を有する燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極流路を有する酸化剤極流路板とを有し、
   前記マニホールドは、前記燃料極流路に燃料ガスを供給するための燃料極入口マニホールドと、前記酸化剤極流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口マニホールドと、前記燃料極流路からの燃料ガスを排出する燃料極出口マニホールドと、前記酸化剤極流路からの酸化剤ガスを排出する酸化剤極出口マニホールドとを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記マニホールドは、前記流路から排出された反応ガスを合流させた後、当該流路とは異なる流路に、当該反応ガスを供給するリターンマニホールドを有し、
   前記リターンマニホールドの内部の天井部に、前記傾斜が付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
4. 前記マニホールドが前記流路板と一体となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記マニホールドが前記流路板に接するように取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記マニホールドには、前記セル側からこれに対向する内面に向かって下向きとなるように、前記傾斜が付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記マニホールドには、その内側表面に溝が付けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記マニホールドは、保温性の高い材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 前記マニホールドには、加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
10. 前記マニホールドには、液体の排出口が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
11. 前記流路板の水平方向断面積が上部に行くほど大きくなっていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。

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