JP2011204512A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを電極面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが電極面を水平面にして重力方向に積層される燃料電池スタックに関する。 The present invention includes an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and a separator, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas in an electrode surface direction, and the reaction gas of the separator. The present invention relates to a fuel cell stack including a power generation cell in which a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole that are circulated in a stacking direction are formed, and the plurality of power generation cells are stacked in a gravity direction with an electrode surface as a horizontal plane.
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)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)を、セパレータによって挟持した単位セル(発電セル)を備えている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (an electrolyte / electrode structure) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. ) (MEA) is provided with a unit cell (power generation cell) sandwiched between separators.
この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、単位セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。 This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) of unit cells are stacked in order to obtain a desired power generation when used for in-vehicle use. Yes. In that case, the fuel cell stack generally includes a reaction gas flow channel for flowing a reaction gas along the electrode surface in the plane of the separator, and a reaction communicating with the reaction gas flow channel and penetrating in the stacking direction of the unit cells. A so-called internal manifold having a gas communication hole is employed.
この種の内部マニホールド型燃料電池スタックでは、冷却媒体や反応生成水を介して電流が流れる、所謂、液絡を防止するために、燃料電池システム全体の絶縁性を確保する必要がある。そこで、例えば、特許文献1に開示された燃料電池システムが知られている。 In this type of internal manifold type fuel cell stack, it is necessary to ensure insulation of the entire fuel cell system in order to prevent so-called liquid junction, in which current flows through a cooling medium and reaction product water. Therefore, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known.
この燃料電池システムは、図10に示すように、燃料電池1を備えるとともに、この燃料電池1は、一組の燃料電池スタック2が、スタックケース3内に収容されている。燃料電池スタック2は、セルモジュール2a、2bがエンドプレート4a、4b間に締結保持されるように併設されている。エンドプレート4aには、加湿された水素ガス、加湿された空気及び冷却液のそれぞれの供給配管5a、6a及び7aと、それぞれの排出配管5b、6b及び7bとが接続されている。これらの供給配管5a〜7a及び排出配管5b〜7bは、電気絶縁性部材で形成されている。
As shown in FIG. 10, this fuel cell system includes a fuel cell 1, and the fuel cell 1 includes a set of
しかしながら、上記の特許文献1では、例えば、水素ガスや空気が排出される排出配管5b、6bは、電気絶縁性部材で形成されているものの、各セルモジュール2a、2b内から凝縮水が連なって排出されるおそれがある。このため、積層されている各セルモジュール2a間及び2b間で液絡が惹起し、特に、セパレータとして金属セパレータが使用されている場合、電位差によって前記金属セパレータ表面に腐食電流が発生し易い。
However, in the above-mentioned Patent Document 1, for example, the
このため、金属セパレータの腐食により溶出される金属イオンが進入して電解質膜の機能が低下するとともに、前記腐食による前記金属セパレータの薄肉化(穴あき)が生じてガス遮断機能が低下するという問題がある。 For this reason, the metal ions eluted by the corrosion of the metal separator enter and the function of the electrolyte membrane is lowered, and the metal separator is thinned (perforated) by the corrosion and the gas blocking function is lowered. There is.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電セル間の液絡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。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of preventing liquid junctions between power generation cells as much as possible with a simple configuration.
本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを電極面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが電極面を水平面にして重力方向に積層される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention includes an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and a separator, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas in an electrode surface direction, and the reaction gas of the separator. The present invention relates to a fuel cell stack including a power generation cell in which a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole that are circulated in a stacking direction are formed, and the plurality of power generation cells are stacked in a gravitational direction with an electrode surface as a horizontal plane. is there.
この燃料電池スタックの積層方向下端部には、少なくとも反応ガス排出連通孔に連通するマニホールド部材が接続されるとともに、少なくとも前記反応ガス排出連通孔を形成する排出配管の下端部には、前記マニホールド部材の内部に突出して配設される突き出し部位が設けられている。 A manifold member communicating with at least the reaction gas discharge communication hole is connected to a lower end portion in the stacking direction of the fuel cell stack, and at least a manifold member communicating with the reaction gas discharge communication hole is connected to the manifold member. A protruding portion is provided so as to protrude inside.
また、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の下端には、下方に向かって傾斜するテーパ形状部が形成されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, it is preferable that a tapered portion inclined downward is formed at the lower end of the protruding portion of the discharge pipe.
さらに、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の外周部には、外部に突出する突起部が形成されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, it is preferable that a protruding portion protruding outward is formed on the outer peripheral portion of the protruding portion of the discharge pipe.
さらにまた、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の下端には、段部が形成されることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that a step is formed at the lower end of the protruding portion of the discharge pipe.
また、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の下端には、湾曲形状部が形成されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, it is preferable that a curved portion is formed at the lower end of the protruding portion of the discharge pipe.
本発明によれば、少なくとも反応ガス排出連通孔を形成する排出配管の下端部には、マニホールド部材の内部に突出して配設される突き出し部位が設けられている。このため、反応ガス排出連通孔に沿って重力方向に移動する結露水は、突き出し部位の作用下に、連続性(繋がり)が遮断されてマニホールド部材の内部に排出される。従って、簡単な構成で、発電セル間の液絡の発生を可及的に阻止することが可能になる。 According to the present invention, at least the lower end portion of the discharge pipe that forms the reaction gas discharge communication hole is provided with a protruding portion that protrudes into the manifold member. For this reason, the dew condensation water that moves in the direction of gravity along the reactive gas discharge communication hole is discharged to the inside of the manifold member with the continuity (connection) cut off under the action of the protruding portion. Accordingly, it is possible to prevent the occurrence of a liquid junction between the power generation cells as much as possible with a simple configuration.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の発電セル(単位セル)12が、電極面を水平面にして重力方向(矢印A方向)に積層された積層体14を設ける。積層体14の積層方向(矢印A方向)の一端(上端)には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが上方に向かって配設される。積層体14の積層方向の他端(下端)には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが下方に向かって配設される。
As shown in FIG. 1, the
エンドプレート20a、20bには、複数の連結バー21の両端が固定されており、前記エンドプレート20a、20b間には、積層方向に締め付け荷重が付与される。なお、エンドプレート20a、20b間に、図示しないタイロッドを介して積層方向に締め付け荷重を付与してもよく、また、ボックス状のケーシングを介して積層方向に締め付け荷重を付与してもよい。
Both ends of a plurality of connecting
図2及び図3に示すように、各発電セル12は、電解質膜・電極構造体(MEA)22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する第1金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26とを備える。
As shown in FIGS. 2 and 3, each
第1金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第1及び第2金属セパレータ24、26は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26に代えて、例えば、カーボンセパレータ(図示せず)を用いてもよい。
The
図2に示すように、発電セル12の矢印B方向(水平方向)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(反応ガス供給連通孔)28a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔30a、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(反応ガス排出連通孔)32bが設けられる。
As shown in FIG. 2, an oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the
発電セル12の矢印B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(反応ガス供給連通孔)32a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔30b、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(反応ガス排出連通孔)28bが設けられる。
The other end edge of the
第1金属セパレータ24の電解質膜・電極構造体22側の面24aには、例えば、矢印B方向(電極面方向)に延在する酸化剤ガス流路36が設けられる。酸化剤ガス流路36は、酸化剤ガス供給連通孔28a及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する。第1金属セパレータ24の面24aとは反対の面24bには、冷却媒体流路38が形成される。冷却媒体流路38は、冷却媒体供給連通孔30a及び冷却媒体排出連通孔30bに連通する。
On the
第2金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体22側の面26aには、燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとに連通し、矢印B方向(電極面方向)に延在する燃料ガス流路40が形成される。第2金属セパレータ26の面26aとは反対の面26bには、第1金属セパレータ24の面24bと重なり合うことにより、冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとに連通する冷却媒体流路38が形成される。
The
第1金属セパレータ24は、金属薄板上に第1シール部材42が一体に射出成形されるとともに、第2金属セパレータ26は、金属薄板上に第2シール部材44が一体に射出成形される。
In the
第1及び第2シール部材42、44は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
The first and
第1シール部材42は、第1金属セパレータ24の面24a側において、酸化剤ガス供給連通孔28a及び酸化剤ガス排出連通孔28bを酸化剤ガス流路36に連通する。第1シール部材42には、酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部46aと出口側ブリッジ部46bとが一体に成形される。
The
第2シール部材44は、第2金属セパレータ26の面26a側において、燃料ガス供給連通孔32a及び燃料ガス排出連通孔32bと燃料ガス流路40とを連通する。第2シール部材44には、燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部48aと出口側ブリッジ部48bが一体に成形される。
The
第2シール部材44は、第2金属セパレータ26の面26b側において、冷却媒体供給連通孔30a及び冷却媒体排出連通孔30bと冷却媒体流路38とを連通する。第2シール部材44には、冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部50aと出口側ブリッジ部50bが一体に成形される。
The
図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体22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(電解質)52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するカソード側電極54及びアノード側電極56とを備える。
As shown in FIGS. 2 and 3, the electrolyte membrane /
カソード側電極54及びアノード側電極56は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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ることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜52の両面に形成されている。
The
図4に示すように、燃料電池スタック10の積層方向下端部であるエンドプレート20bには、酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体供給連通孔30a、燃料ガス排出連通孔32b、燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体排出連通孔30b及び酸化剤ガス排出連通孔28bに、それぞれ連通するマニホールド部材60a、62a、64b、64a、62b及び60bが設けられる。
As shown in FIG. 4, an oxidant gas
エンドプレート20bには、酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体供給連通孔30a及び燃料ガス供給連通孔32aを形成する供給配管66a、66b及び66cと、酸化剤ガス排出連通孔28b、冷却媒体排出連通孔30b及び燃料ガス排出連通孔32bを形成する排出配管68a、68b及び68cが接続される。
The
図5に示すように、排出配管68aは、エンドプレート20b内に挿入されるとともに、重力方向に貫通して酸化剤ガス排出連通孔28bを形成する。排出配管68aの下端部には、マニホールド部材60bの内部に長さhだけ突出して配設される突き出し部位70が設けられる。なお、他の排出配管68b、68c及び供給配管66a〜66cは、上記の排出配管68aと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 5, the
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。
The operation of the
先ず、図4に示すように、エンドプレート20bのマニホールド部材60aを介して、酸化剤ガス供給連通孔28aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、マニホールド部材64aを介して、燃料ガス供給連通孔32aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、マニホールド部材62aを介して、冷却媒体供給連通孔30aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 4, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、図2に示すように、酸化剤ガス供給連通孔28aから第1金属セパレータ24に設けられた酸化剤ガス流路36に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路36を矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するカソード側電極54に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔32aから第2金属セパレータ26に設けられている燃料ガス流路40に導入される。燃料ガス流路40に導入された燃料ガスは、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するアノード側電極56に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極54に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極56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。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極54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28bに排出される。一方、アノード側電極56に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔32bに排出される。また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔30aから冷却媒体流路38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22を冷却した後、冷却媒体排出連通孔30bに排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode-
ところで、酸化剤ガス流路36では、酸化剤ガス供給連通孔28aから送られる酸化剤ガスが発電反応により使用されるとともに、水が生成されている。この生成水は、使用済みの酸化剤ガスに伴って、酸化剤ガス排出連通孔28bに排出されている。
By the way, in the oxidant
この場合、第1の実施形態では、例えば、図5に示すように、酸化剤ガス排出連通孔28bを形成する排出配管68aの下端部には、マニホールド部材60bの内部に長さhだけ突出して配設される突き出し部位70が設けられている。このため、使用済みの酸化剤ガスに伴って、酸化剤ガス排出連通孔28bに沿って重力方向に移動する結露水Wは、突き出し部位70の作用下に連続性(繋がり)が遮断されてマニホールド部材60bの内部に排出される。
In this case, in the first embodiment, for example, as shown in FIG. 5, the lower end portion of the
従って、簡単な構成で、発電セル12間の液絡が発生することを可及的に阻止することが可能になる。これにより、特に第1金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26には、電位差による腐食電流が発生することがなく、薄肉化によるガス遮断機能の低下を良好に阻止することができる。このため、各発電セル12を長期間にわたって効率的且つ良好に発電反応に使用することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a liquid junction between the
また、図4に示すように、燃料ガス排出連通孔32bを形成する排出配管68cの下端部には、同様にマニホールド部材64bの内部に突出して配設される突き出し部位70が設けられている。従って、燃料ガス排出連通孔32bに沿って重力方向に移動する結露水Wは、突き出し部位70に阻止されて連続性が良好に遮断され、液絡が防止される。
Further, as shown in FIG. 4, a protruding
なお、エンドプレート20bには、酸化剤ガス供給連通孔28a及び燃料ガス供給連通孔32aを形成する供給配管66a及び66cが設けられている。このため、酸化剤ガス供給連通孔28aに沿って重力方向に移動する結露水W及び燃料ガス供給連通孔32aに沿って重力方向に移動する結露水Wは、それぞれ連続性が良好に遮断され、液絡を阻止することができる。
The
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック80の一部断面説明図である。
FIG. 6 is a partial cross-sectional explanatory view of a
なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。ここで、第2の実施形態以降では、酸化剤ガス排出連通孔28bについてのみ説明するが、他の連通孔においても同様に構成されることは勿論である。
The same components as those of the
燃料電池スタック80では、積層方向下端部であるエンドプレート20bに、酸化剤ガス排出連通孔28bを形成する排出配管82が設けられる。排出配管82は、マニホールド部材60bの内部に長さhだけ突出して配設される突き出し部位84が設けられるとともに、前記突き出し部位84の下端には、下方に向かって傾斜する先細り形状のテーパ形状部86が形成される。従って、結露水Wが良好に排出され、液絡を阻止することができる。
In the
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック90の一部断面説明図である。
FIG. 7 is a partial cross-sectional explanatory view of a
燃料電池スタック90は、エンドプレート20bに装着され、酸化剤ガス排出連通孔28bを形成する排出配管92を備える。排出配管92の下端部には、マニホールド部材60bの内部に突出して配設される突き出し部位94が設けられる。突き出し部位94の外周部には、外部に突出する突起部96が形成される。これにより、突き出し部位94の外周の液繋がりを防止することができる。
The
図8は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック100の一部断面説明図である。
FIG. 8 is a partial cross-sectional explanatory view of a
燃料電池スタック100は、エンドプレート20bに装着され、酸化剤ガス排出連通孔28bを形成する排出配管102を備える。排出配管102の下端部には、マニホールド部材60bの内部に突出して配設される突き出し部位104が形成されるとともに、前記突き出し部位104の下端には、段部106が形成される。従って、突き出し部位104の下端では、段部106により液の連続的な繋がりが阻止される。
The
図9は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタック110の一部断面説明図である。
FIG. 9 is a partial cross-sectional explanatory view of a
燃料電池スタック110は、エンドプレート20bに装着され、酸化剤ガス排出連通孔28bを形成する排出配管112を備える。排出配管112の下端部には、マニホールド部材60bの内部に突出して配設される突き出し部位114が設けられるとともに、前記突き出し部位114の下端には、湾曲形状部116が形成される。
The
このように構成される第2の実施形態〜第5の実施形態では、突き出し部位84、94、104及び114の形状を種々変更することにより、酸化剤ガス排出連通孔28bに沿って自重により移動する凝縮水の連続性を、一層確実に遮断することができる他、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second to fifth embodiments configured as described above, the shape of the protruding
10、80、90、100、110…燃料電池スタック
12…発電セル 14…積層体
16a、16b…ターミナルプレート 18a、18b…絶縁プレート
20a、20b…エンドプレート 22…電解質膜・電極構造体
24、26…金属セパレータ 28a…酸化剤ガス供給連通孔
28b…酸化剤ガス排出連通孔 30a…冷却媒体供給連通孔
30b…冷却媒体排出連通孔 32a…燃料ガス供給連通孔
32b…燃料ガス排出連通孔 36…酸化剤ガス流路
38…冷却媒体流路 40…燃料ガス流路
42、44…シール部材 52…固体高分子電解質膜
54…カソード側電極 56…アノード側電極
66a、66b、66c…供給配管
68a、68b、68c、82、92、102、112…排出配管
70、84、94、104、114…突き出し部位
86…テーパ形状部 96…突起部
106…段部 116…湾曲形状部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池スタックの積層方向下端部には、少なくとも前記反応ガス排出連通孔に連通するマニホールド部材が接続されるとともに、
少なくとも前記反応ガス排出連通孔を形成する排出配管の下端部には、前記マニホールド部材の内部に突出して配設される突き出し部位が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 An electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte and a separator are stacked, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas in the electrode surface direction, and a flow of the reaction gas in the stacking direction of the separator A fuel cell stack including a power generation cell in which a reaction gas supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole are formed, wherein the plurality of power generation cells are stacked in a gravitational direction with an electrode surface as a horizontal plane,
A manifold member connected to at least the reaction gas discharge communication hole is connected to the lower end portion in the stacking direction of the fuel cell stack,
A fuel cell stack, characterized in that at least a lower end portion of a discharge pipe that forms the reaction gas discharge communication hole is provided with a protruding portion that protrudes into the manifold member.
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