JP2013179043A - 空気電池とこれを用いた組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】互いの接触抵抗を低減させられるような大きな荷重をかけて互いに積み重ねて使用するときにも変形を生じさせないようにする。
【解決手段】本発明は、組電池Ａとして互いに積み重ねて用いられる空気電池Ｂ１において、正極材２２と負極材３５との間に形成される電解液層２５に、その正極材２２又は負極材３５若しくはそれら双方に当接して変形を防止するための一又は二以上の変形防止材１２が配設され、その変形防止材１２の端面に、正極材２２又は負極材３５の少なくとも一方に当接し電解液の流動を許容する流動許容部Ｒが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気電池とこれを用いた組電池に関する。

この種の空気電池に関連する技術として、「水電池」とした名称において特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示された水電池は、二つの注水口が形成された第１，２端部と、金属製の負極内筒体と、負極内筒体に充填された酸化物質からなる粉末充填材と、この粉末充填材中に差し込まれた炭素からなる棒状の正極集電体とを含むものであり、その負極内筒体の内部には、当該内部を分離するための分離壁が設けられており、その内部の第２端部側に、粉末充填材が充填されていないスペース部を形成したものである。
また、他の関連する技術としては特許文献２に開示されたものがある。

登録実用新案第３１５２９９８号公報 特表２００５−５２７０６９号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の水電池を互いに積み重ねて使用する場合、互いの接触抵抗を減少させるために高い荷重をかけると、第２端部側に形成された粉末充填材が充填されていないスペース部に起因する変形を生じさせたり、破損する虞があるという課題が未解決のままである。
また、スペース部等が変形しない処置を講じても、それにより電解液と接する正極の一部において電解液が浸透できない領域が生じると電解液の注入及び拡散に時間がかかり起動が遅れるという課題がさらに生じる。

そこで本発明は、互いの接触抵抗を低減させられるような大きな荷重をかけて互いに積み重ねて使用するときにも変形を生じさせないようにし、かつ、電解液の注入及び拡散を迅速に行える空気電池とこれを用いた組電池の提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る空気電池は、組電池として互いに積み重ねて用いられるものである。
本発明においては、正極材と負極材との間に形成される電解液層に、その正極材又は負極材若しくはそれら双方に当接して変形を防止するための一又は二以上の変形防止材を配設し、その変形防止材の端面に、正極材又は負極材の少なくとも一方に当接して電解液の流動を許容する流動許容部を形成している。
同上の課題を解決するための本発明に係る組電池は、上記の空気電池を、互いに積み重ねたものである。

本発明によれば、次の効果を得ることができる。
空気電池を互いに積み重ねて組電池としたときにも、正極材又は負極材若しくはそれら双方に当接して変形を防止するための一又は二以上の変形防止材によって電解質層の変形を防止できる。
また、流動許容部により電解液の流動を許容するようにしているので、変形防止材を設けても電解液が浸透できない領域が生じないため起動を速やかに行うことができ、さらに電極の全面において電気化学反応を行うことができるため発電効率を高くすることができる。

本発明の第一の実施形態に係る空気電池を用いた組電池の断面図である。 （Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＩＢ‐ＩＩＢ線に沿う断面図である。 （Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＩＩＢ‐ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。 （Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＶＢ‐ＩＶＢ線に沿う断面図である。 本発明の第四の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図である。 （Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体及び液密通気膜を取り外した状態の平面図、（Ｂ）は、液密通気膜を取り付けた状態における（Ａ）に示すＶＩＢ‐ＶＩＢ線に沿う断面図である。 （Ａ）は、本発明の第六の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＶＩＩＢ‐ＶＩＩＢ線に沿う断面図である。 本発明の第七の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る空気電池を用いた組電池の断面図、図２（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、同図（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＩＢ‐ＩＩＢ線に沿う断面図である。

図１に示すように、本発明の一例に係る組電池Ａは、互いに上下に積み重ねた三つの空気電池Ｂ１…をケース５内に収容したものであり、それらの空気電池Ｂ１…には、矢印で示す荷重が付与されている。

ケース５は、空気電池Ｂ１…を積み重ねて収容できる高さにした円筒形の本体６と、この本体６の上下開口を閉塞する蓋部材７，８を有するものである。なお、図１においては、荷重の作用方向を記号Ｐで記している。

本発明の第一の実施形態に係る空気電池Ｂ１は、枠体１０、接点部材１５、正極構成部品２０、電解液層２５、セパレータ３０、負極材３５及び集電板４０を有して構成されている。
本実施形態において示す枠体１０は、耐電解液性のある樹脂製のものであるが、ＣＦ，ＧＦ等でＦＲＰ化したものを採用して、より高い強度を持たせることができる。

具体的には、ポリピロピレン、フッ素樹脂、アクリル、塩ビ、塩化ビニリデン、ポリイソブチレン、塩素化ポリエーテル、フラン樹脂、エポキシ、ナイロン等の汎用樹脂又はポリフェニレンサルファド、ポリエーテルエーテルケトン等のスーパーエンプラにより形成している。
「電解液」は、ＫＯＨや塩化物を主成分とした水溶液又は非水溶液である。

本実施形態において示す枠体１０は、上下両面を開口しかつ平面視長方形にした外枠材１１と、この外枠材１１の長手方向に沿う所定の間隔で、後記する正極材２２と負極材３５との間に配設される上記電解液層２５に配置され、かつ、正極材２２又は負極材３５若しくはそれら双方に当接して変形を防止するための５本の変形防止材１２が配設される。

さらに、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、変形防止材１２の正極材２２との当接面（図示上面）には、電解液の流動を許容する流動許容部Ｒが形成される。なお、図においては、流動許容部Ｒを明示するために、正極材２２等を取り外した状態で示している。

５本の変形防止材１２は、互いに所要の間隔にし、かつ、側壁１４，１４間に一体に架橋形成されており、それらの変形防止材１２によって、外枠材１１で囲繞された空間を、六つの電解液空間Ｓ１〜Ｓ６に区画形成している。
「電解液空間」は、注入された電解液を滞留させておくための空間である。

本実施形態においては、変形防止材１２がセパレータ３０を介して負極材３５に間接的に当接しているものを示しているが、変形防止材１２がセパレータ３０を介することなく負極材３５に直接当接する形態のものであってもよいことは勿論である。

本実施形態において示す流動許容部Ｒは、微細な凸部を複数形成したものであるが、変形防止材１２の端部を微細な凸部を有する流動許容部Ｒとしてもよい。すなわち、流動許容部Ｒが正極材２２と当接した場合にその当接領域を電解液が流動するように流動許容部Ｒが形成される。
また、変形防止材１２によって区画された両電解液空間Ｓ１〜Ｓ６を連通する多数の連通溝を形成してもよい。本実施形態では、変形防止材１２が直接正極材２２に面接触せずに、流動許容部Ｒの微細な凸部が実質的に点接触している。そのため、正極材２２を介しての加重（Ｐ）を支持しつつ当該当接領域においても電解液の流動、拡散を行わせている。

上記外枠材１１の両端壁１１ａ，１１ａの上端部内面には、接点部材１５の高さにほぼ一致する高さの段差とした接点嵌合部１３，１３が形成されている。
接点部材１５は導電性を有する金属製のものであり、下記の液密通気膜２１と正極材２２のそれぞれに導通接続され、かつ、図示上側において隣接する他の空気電池Ｂ１の集電板４０に導通接触させるためのものである。

本実施形態において示す接点部材１５は、接点嵌合部１３に嵌合する大きさにした板状体として形成されているとともに、その接点嵌合部１３に嵌合したときに、外枠材１１の上端面１１ｂと面一となる高さに形成されている。

本実施形態において示す正極構成部品２０は、液密通気膜２１と正極材２２とからなる。この正極構成部品２０は、正極材２２で酸素還元反応を行なうための触媒や導電パスを形成するための例えばカーボン粉で形成された導電層であり、触媒やカーボン粉を層として形成するためのバインダ等を含むものである。

液密通気膜２１は液密通気性を有するものであり、正極のガス供給（空気）を行なうための多数の微細な孔が形成され、かつ、電解液が外部に漏れ出さないようなフッ素樹脂製のものである。

本実施形態において示す液密通気膜２１は、接点部材１５と側壁１４，１４で囲繞される輪郭に一致する平面視長方形に形成されている。換言すると、下記の正極材２２の外面２２ａを被覆するように形成されている。

正極材２２は、触媒を含んだ導電性、かつ、多孔質な材料で形成されており、例えば、カーボン材料とバインダー樹脂とで形成され、多導電多孔体内に二酸化マンガン等の触媒が含まれているものである。

セパレータ３０は、上記した正極材２２と負極材３５とを分離するためのものである。
負極材３５は、例えばＬｉ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｍｇの純金属又は合金製のものである。集電板４０は導電性を有するとともに、電解液がカートリッジ外部に漏出させない材質のものであり、例えば、ステンレス、銅（合金）の他、金属表面に耐食性のある金属をメッキしたものである。

以上の構成からなる空気電池Ｂ１によれば、複数の空気電池を積層するときに、圧縮荷重による電解液層２５等の構成部品の変形を抑えるとともに、電解液を充填する空間を確保することができる。

また、本空気電池Ｂ１によれば、変形防止材１２と正極材２２との界面にも電解液を拡散させることができるので、電解液注入時において電解液が浸透しやすく迅速な起動が可能となる。
さらに、変形防止材１２に当接している正極材部分であっても十分な電気化学反応を行なわせることができるため、発電効率を向上させることができる。

またさらに、上記変形防止材１２の正極材２２に当接する面（図示上面）に親水処理を例えば塗布することにより施すようにしてもよい。親水処理は、電解液の注入時に、変形防止材１２の上面に電解液が浸透すればよく、親水処理の耐薬品性や耐久性は問わない。

この場合であっても、変形防止材１２の上面と正極材２２との間に電解液を浸透供給させることができ、変形防止材１２と接する正極材部分においても十分な電解液を供給し、この部分での反応を十分な反応を行なわせることができるため、発電性能を向上させることができる。
なお、本実施形態においては流動許容部Ｒを変形防止材１２と正極材２２との界面に形成したが、変形防止材１２とセパレータ３０（負極材３５）との界面に形成してもよい。以下の各実施形態においては流動許容部Ｒの図示は割愛する。

次に、図３（Ａ），（Ｂ）を参照して本発明の第二の実施形態に係る空気電池について説明する。図３（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、図３（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る空気電池Ｂ２は、上記した一方の側壁１４の外面に注液タンク４５を配設するとともに、その側壁１４であって、変形防止材１２Ａで区画された各電解液空間Ｓ１〜Ｓ４に臨む各位置に注入孔１４ａをそれぞれ形成した構造のものである。
本実施形態において示す変形防止材１２Ａは、外部から注入される電解液の注入方向αに対して直交しないように形成される。さらに、変形防止材１２Ａの上面が正極材２２の下面に当接し、かつ、下面が負極材３５の上面に当接する高さに形成されている。

すなわち、上記電解液の注入の流れの主軸方向αに対し、上面からみた変形防止材１２Ａの延在方向は直交しない構造である。
換言すれば、変形防止材１２Ａが規定する仮想面の法線方向は主軸方向αと平行ではなく、より好ましくは垂直である。従って、変形防止材１２Ａは両面において層流境界層を形成するため、電解液の流れの主軸が変形防止材１２Ａに直接衝突して渦の発生等により流れを妨げることなく層流が形成され、電解液Ｗの電解液空間全体への拡散を効果的に行うことができる。
また、電解液の注入後の起動を速やかに行うことができる。さらに、図示しない流動許容部Ｒが変形防止材１２Ａの端部に形成されることにより、高い発電効率を実現することができる。

次に、図４（Ａ），（Ｂ）を参照して本発明の第三の実施形態に係る空気電池について説明する。図４（Ａ）は、本実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、図４（Ｂ）は、（Ａ）に示すＩＶＢ‐ＩＶＢ線に沿う断面図である。なお上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る空気電池Ｂ３は、上記した一方の側壁１４の外面に注液タンク４５を配設するとともに、その側壁１４であって、変形防止材１２で区画形成された各電解液空間Ｓ１〜Ｓ４に臨む各位置に注入孔１４ａをそれぞれ形成した構造のものであることは、上記空気電池Ｂ３と同様である。なお、図４においては、枠体１０と注液タンク４５のみを示している。

また、変形防止材１２は、その延在方向が外部から注入される電解液Ｗの注入方向αに対して直交しないように、本実施形態においては、両端壁１１ａ，１１ａ間に電解液Ｗの注入方向αと平行に延出されて形成している。
これにより、外部から注入された電解液を電解液空間Ｓ１〜Ｓ４全域に良好に拡散させることができる。すなわち、電解液Ｗの拡散を効果的に行うことができるとともに、電解液の注入後の起動を速やかに行うことができる。

各変形防止材１２には、これらの両側に区画形成された例えば両電解液空間Ｓ１，Ｓ２内の電解液どうしを流通させるための電解液流通部が形成されている。
本実施形態においては、電解液流通部として、各変形防止材１２によって区画形成された両電解液空間Ｓ１，Ｓ２等どうしを連通する略円形の電解液流通孔１２ａを複数形成している。

これにより、両電解液空間Ｓ１，Ｓ２等内の電解液Ｗを電解液流通孔１２ａを通じて互いに流動させることができるため、電解液Ｗの拡散を効果的に行うことができるとともに、電解液を注入した後の起動を速やかに行うことができる。
なお、電解液流通孔は、互いに同形同大に形成することに限るものではなく、例えば規則的に大きさ等を異ならせた形態にしてもよい。また、孔という形態に限らず、切り欠きや溝という形態に形成してもよい。

図５を参照して本発明の第四の実施形態に係る空気電池について説明する。図５は、本実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る空気電池Ｂ４は、枠体１０の側壁１４，１４間に三本の変形防止材１２，１２，１２を架橋形成することにより、その枠体１０内を四つの電解液空間Ｓ１〜Ｓ４に区画形成したものである。
変形防止材１２，１２，１２のうちの両側の変形防止材１２，１２には、上記した電解液流通孔１２ａがそれぞれ複数形成されている。

側壁１４，１４の一方のものであって、最も両側に区画形成された電解液空間Ｓ１，Ｓ４に臨む位置には上記した注入口１４ａが形成されていない。すなわち、電解液空間Ｓ１，Ｓ４には、外部から電解液Ｗを直接注入できない構造になっている。
本実施形態においては、最も両側に区画形成された電解液空間Ｓ１，Ｓ４に臨む位置に、空気抜き孔１４ｂ，１４ｂが形成されている。

この構成においては、電解液空間Ｓ２，Ｓ３に電解液が注入されると、両側の変形防止材１２，１２に形成した電解液流通孔１２ａを通じて、電解液空間Ｓ１，Ｓ４に電解液を流通拡散させることができる。

すなわち、電解液Ｗの注入時に、内部に電解液Ｗが流れ込む順番を変形防止材１２によってコントロールし、また、電解液空間Ｓ１，Ｓ４に存在する空気を空気抜き孔１４ｂ，１４ｂを通じて速やかに押し出すことができる。また、速やかな電解液Ｗの注入が可能になり、注入から発電までの時間を短縮できる。

図６（Ａ），（Ｂ）を参照して本発明の第五の実施形態に係る空気電池について説明する。図６（Ａ）は、本実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体及び液密通気膜を取り外した状態の平面図、図６（Ｂ）は、液密通気膜を取り付けた状態における（Ａ）に示すＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿う断面図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る空気電池Ｂ５は、液密通気膜が上記したものと相違している。液密通気膜２１Ａは、空気流路をなす凹凸の溝部分２３が一定の間隔で形成されているとともに、その溝部分２３が電解液の注入方向αと直交するようにしている。

この構成によれば、荷重が掛かる液密通気膜２１の凹凸と変形防止材１２Ａとを直交させて形成しているので、正極材２２の変形を防止することができる。また、変形による正極材２２の破損や複数形成されたガス流路どうしの配流バラツキによる性能安定性の低下を防止することができる。

図７（Ａ），（Ｂ）を参照して本発明の第六の実施形態に係る空気電池について説明する。図７（Ａ）は、本実施形態に係る空気電池の一部をなす枠体の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿う断面図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る空気電池Ｂ６は、枠体の構造が相違している。
本実施形態において示す枠体１０Ａは、上下両面を開口しかつ平面視長方形にした外枠材１１と、この外枠材１１の長手方向に沿う所定の間隔で、正極材２２と負極材３５との間に配設される上記電解液層２５に配置され、かつ、正極材２２又は負極材３５若しくはそれら双方に当接して変形を防止するための３本の変形防止材１２Ａを配設し、かつ、外枠材１１の長手方向のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に一致して、第二の変形防止材１２Ｃが端壁１１ａ，１１ａ間に架橋形成したものである。
第二の変形防止材１２Ｃは、変形防止材１２Ａと同じ幅（高さ）にして形成されており、その下辺縁１２Ｃ′には、電解液を第二の変形防止材１２Ｃで二分された電解液空間Ｓ１ｂ（Ｓ２ｂ〜Ｓ４ｂ）から電解液空間Ｓ１ａ（Ｓ２ａ〜Ｓ４ａ）に流通させるための電解液流通溝１６が互いに所要の間隔にして複数形成されている。

この構成によれば、空気電池どうしを積み重ねたときの荷重を分担させることができるとともに、電解液流通溝１６を設けているので、注入時の電解液の拡散を妨げることがない。また、空気電池どうしを積み重ねたときの各空気電池の変形を抑制しつつ、効果的な注入によって起動時間を短縮することもできる。

図８を参照して本発明の第七の実施形態に係る空気電池について説明する。図８は、本実施形態に係る空気電池の断面図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る空気電池Ｂ７は、枠体の構造が相違している。
本実施形態において示す枠体１０Ｂは、上下両面を開口した平面視長方形にした外枠材１１と、この外枠材１１の長手方向に沿う所定の間隔で、正極材２２と負極材３５との間に配設される電解質層２５に配置され、その正極材２２又は負極材３５若しくはそれら双方に当接して変形を防止するための四本の変形防止材１２と変形防止材１７を配設した構造のものである。

変形防止材１７は、四本の変形防止材１２の中央に配設されており、これの上端面１７ａを他の変形防止材１２と面一とし、かつ、下端面１７ｂを集電板４０の上面に当接させる高さにして形成されている。

この構成によれば、放電によって負極材３５が消尽減滅しても、変形防止材１７が空気電池どうしを積み重ねたときの荷重を負担し続けることができるとともに、空気電池の変形を抑制することできる。

以上、本発明について詳細に説明したが、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上記した実施形態においては、変形防止材に電解液流通部を形成した例について説明したが、変形防止材を、これの両側に区画形成された両電解液空間において電解液を流通させられる多孔質材で形成してもよい。
これにより、隣り合う二つの電解液空間等内の電解液を互いに流動させることができるため、電解液の拡散を効果的に行うことができるとともに、電解液を注入した後の起動を速やかに行うことができる。

１１ 外枠材
１２，１７ 変形防止材
１２ａ 電解液流通部（電解液流通孔）
１２Ｃ 第二の変形防止材
１４ａ 注入孔
２１ 液密通気膜
２２ 正極材
２５ 電解液層
３５ 負極材
４０ 集電板
Ａ 組電池
Ｂ１〜Ｂ８ 空気電池
Ｒ 流動許容部

Claims (13)

1. 組電池として互いに積み重ねて用いられる空気電池において、
   正極材と負極材との間に形成される電解液層に、その正極材又は負極材若しくはそれら双方に当接して変形を防止するための一又は二以上の変形防止材が配設され、その変形防止材の端面に、正極材又は負極材の少なくとも一方に当接し電解液の流動を許容する流動許容部が形成されていることを特徴する空気電池。
2. 電解質層を囲繞する外枠材内に、この外枠材内に電解液空間を区画するようにして変形防止材を配設している請求項１に記載の空気電池。
3. 変形防止材の正極材に当接する面に親水処理を施している請求項１又は２に記載の空気電池。
4. 外部から注入される電解液の流れの主軸と変形防止材が規定する仮想面の法線とが平行とならないように構成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気電池構造。
5. 変形防止材には、この両側に区画形成された両電解液空間内の電解液どうしを流通させるための電解液流通部が複数形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気電池。
6. 変形防止材を、この両側に区画形成された両電解液空間において電解液を流通させられる多孔質材で形成している請求項１〜５のいずれか１項に記載の空気電池。
7. 変形防止材によって区画形成された電解液空間のうち、一又は二以上のものには電解液を注入するための注入孔が形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の空気電池。
8. 変形防止材を、ポリピロピレン、フッ素樹脂、アクリル、塩ビ、塩化ビニリデン、ポリイソブチレン、塩素化ポリエーテル、フラン樹脂、エポキシ、ナイロン等の汎用樹脂又はポリフェニレンサルファド、ポリエーテルエーテルケトン等のスーパーエンプラにより形成している請求項１〜７のいずれか１項に記載の空気電池。
9. 正極材上に積層形成された液密通気膜に、空気を流通させるための複数の流路が互いに平行に形成されており、それらの流路方向と枠体の変形防止材とが交差するように配設されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の空気電池。
10. 変形防止材によって区画形成された電解液空間をさらに区画する第二の変形防止材が形成されており、その第二の変形防止材に、この第二の変形防止材により区画した電解液空間内の電解液を互いに流通させるための電解液流通部が形成されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の空気電池。
11. 負極材に隣接させて集電板が配設されており、
    その集電板にいずれか一つの変形防止材を直接当接させている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の空気電池。
12. 流動許容部は複数の微細な凸部を有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の空気電池。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の空気電池を、互いに積み重ねていることを特徴とする組電池。

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