JP2017204464A - 燃料電池スタック、及びマニホールド - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールドを介した短絡を防止する。
【解決手段】燃料電池スタック１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１と、接合材３とを備えている。マニホールド２は、マニホールド本体２１と、天板２２とを有する。マニホールド本体２１は、内部空間を有する。天板２２は、マニホールド本体２１の上面を塞ぐ。天板２２は、絶縁性セラミックスで構成されている。各燃料電池セル１は、天板２２から上方に延びる。接合材３は、マニホールド２と燃料電池セル１とを接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マニホールド、及び燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セルとを備えている（特許文献１）。マニホールドは、複数の貫通孔を有している。各燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びている。詳細には、燃料電池セルの下端部がマニホールドの貫通孔に挿入されており、接合材によって燃料電池セルがマニホールドに固定されている。

各燃料電池セルは、集電部材を介して電気的に接続されている。そして、この電気的に接続された各燃料電池セルからの電流が外部回路へと流れる。

特開２０１５−１６４０９４号公報

上述したように構成された燃料電池スタックにおいて、各燃料電池セルがマニホールドを介して短絡してしまうおそれがある。そこで、本発明の課題は、マニホールドを介した短絡を防止することにある。

本発明の第１側面に係る燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セルと、接合材とを備えている。マニホールドは、マニホールド本体と、天板とを有する。マニホールド本体は、内部空間を有する。天板は、マニホールド本体の上面を塞ぐ。天板は、絶縁性セラミックスで構成されている。各燃料電池セルは、天板から延びる。接合材は、マニホールドと燃料電池セルとを接合する。

この構成によれば、天板が絶縁性のセラミックスによって形成されているため、一対の燃料電池セルが天板を介して短絡することを防止することができる。

好ましくは、天板は、複数の貫通孔を有している。そして、各燃料電池セルの下端部は、各貫通孔に挿入されている。

好ましくは、天板は、緻密性を有する。

好ましくは、マニホールド本体は、底壁と、底壁の周縁から上方に延びる側壁と、側壁の上端から外方に延びるフランジ部と、を有している。天板は、フランジ部に接合される。

本発明の第２側面に係るマニホールドは、複数の燃料電池セルにガスを分配するように構成されている。このマニホールドは、マニホールド本体と、天板とを備えている。マニホールド本体は、内部空間を有する。天板は、燃料電池セルが挿入される貫通孔を有する。また、天板は、マニホールド本体の上面を塞いでいる。マニホールドは、絶縁性セラミックスで構成されている。

本発明の第３側面に係る燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セルと、接合材と、を備えている。マニホールドは、マニホールド本体と、底板とを有している。マニホールド本体は、内部空間を有している。マニホールド本体は、絶縁性セラミックスで構成されている。底板は、マニホールド本体の下面を塞いでいる。各燃料電池セルは、マニホールド本体から延びている。接合材は、マニホールドと燃料電池セルとを接合している。

この構成によれば、マニホールド本体が絶縁性のセラミックスによって形成されているため、一対の燃料電池セルがマニホールド本体を介して短絡することを防止することができる。

好ましくは、マニホールド本体は、複数の貫通孔を有している。そして、各燃料電池セルの下端部は、各貫通孔に挿入されている。

好ましくは、マニホールド本体は、緻密性を有する。

好ましくは、マニホールド本体は、上壁と、上壁の周縁から下方に延びる側壁と、側壁の下端から外方に延びるフランジ部と、を有している。底板は、フランジ部に接合される。

本発明によれば、マニホールドを介して短絡することを防止できる。

燃料電池スタックの斜視図。 燃料電池スタックの断面図。 燃料電池スタックの断面図。 天板の平面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池スタックの拡大断面図。 燃料電池スタックの製造方法を示す断面図。 燃料電池スタックの製造方法を示す断面図。 変形例に係る燃料電池スタックの断面図。

［燃料電池スタック］
以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１〜図３に示すように、燃料電池スタック１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１と、第１接合材３とを備えている。なお、第１接合材３が、本発明の接合材に相当する。

［マニホールド］
マニホールド２は、各燃料電池セル１にガスを分配するように構成されている。マニホールド２は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスなどのガスが供給される。マニホールド２は、この内部空間と外部とを連通する複数の貫通孔２６を有している。

マニホールド２は、各燃料電池セル１を支持している。マニホールド２は、マニホールド本体２１と、天板２２とを備えている。マニホールド本体２１と天板２２とは、互いに別部材であって接合されている。なお、マニホールド本体２１と天板２２とは、一体的に形成されていてもよい。

マニホールド本体２１は、直方体状であって、上面が開口した内部空間を有する。詳細には、マニホールド本体２１は、底壁２３と、側壁２４と、フランジ部２５とを有している。底壁２３は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。側壁２４は、底壁２３の周縁部から上方に延びている。フランジ部２５は、側壁２４の上端部から外方に延びる部分である。フランジ部２５は、環状である。

マニホールド本体２１は、１つの部材によって構成されている。すなわち、底壁２３と側壁２４とフランジ部２５とは、１つの部材によって構成されている。例えば、マニホールド本体２１は、耐熱性を有するような金属によって形成される。より具体的には、マニホールド本体２１は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

天板２２は、マニホールド本体２１の上面を塞ぐように、マニホールド本体２１上に配置されている。詳細には、天板２２は、フランジ部２５上に配置されている。マニホールド２の内部空間を密閉するため、天板２２が全周に亘ってマニホールド本体２１と接合されている。例えば、天板２２とマニホールド本体２１とは、結晶化ガラスによって接合されている。

図４に示すように、天板２２は、複数の貫通孔２６を有している。各貫通孔２６は、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、各貫通孔２６は、マニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

天板２２は、絶縁性セラミックスによって構成されている。具体的には、天板２２は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（ステアタイト）、及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（フォルステライト）よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

天板２２は、緻密性を有している。詳細には、マニホールド２内に供給されたガスが天板２２を介して外部に漏れない程度の緻密性を有している。例えば、天板２２の気孔率は、１０％以下程度である。

［燃料電池セル］
図１から図３に示すように、各燃料電池セル１は、マニホールド２から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル１は、マニホールド２の天板２２から上方に延びている。燃料電池セル１の下端部１０１は、貫通孔２６内に挿入されている。なお、燃料電池セル１の下端部１０１が貫通孔２６内に挿入された状態において、燃料電池セル１の下端部１０１の外周面と貫通孔２６の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間に第１接合材３が充填されていてもよい。

各燃料電池セル１は、マニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。各燃料電池セル１は、第１集電部材４を介して互いに電気的に接続されている。第１集電部材４は、各燃料電池セル１の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル１を接続している。なお、第１集電部材４は、第２接合材５によって各燃料電池セル１に接合されている。第１集電部材４は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、第１集電部材４は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属などによって形成されている。

図５に示すように、燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１と、支持基板１２とを備えている。各発電素子部１１は、支持基板１２の両面に支持されている。なお、各発電素子部１１は、支持基板１２の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１１は、燃料電池セル１の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部１１は、電気的接続部１７（図６参照）によって互いに電気的に接続されている。また、燃料電池セル１の上端部１０２側において、支持基板１２の一方面に形成された発電素子部１１と他方面に形成された発電素子部１１とが第２集電部材６（図２参照）によって電気的に接続されている。なお、各発電素子部１１は、直列に接続されている。

支持基板１２は、燃料電池セル１の長手方向に延びる複数のガス流路１２１を内部に有している。ガス流路１２１は、マニホールド２の貫通孔２６を介して、マニホールド２の内部空間と連通している。

支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）は、燃料電池セル１の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１２１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１２１は、燃料電池セル１の長手方向の両端部において開口している。

図６に示すように、支持基板１２は、複数の第１凹部１２３を有している。各第１凹部１２３は、支持基板１２の両面に形成されている。各第１凹部１２３は支持基板１２の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。

支持基板１２は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板１２は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板１２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

各発電素子部１１は、燃料極１３、電解質１４、及び空気極１５を有している。また、各発電素子部１１は、反応防止膜１６をさらに有している。燃料極１３は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極１３は、燃料極集電部１３１と燃料極活性部１３２とを有する。

燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に配置されている。詳細には、燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に充填されており、第１凹部１２３と同様の外形を有する。各燃料極集電部１３１は、第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有している。燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に充填されている。

燃料極集電部１３１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部１３１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部１３１の厚さ、並びに第１凹部１２３の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部１３２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部１３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質１４は、燃料極１３上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４は、あるインターコネクタ１７１から他のインターコネクタ１７１まで長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１の長手方向において、電解質１４とインターコネクタ１７１とが交互に配置されている。

電解質１４は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。電解質１４は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、電解質１４は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１６は、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部１３２と略同一の形状であり、燃料極活性部１３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜１６は、電解質１４内のＹＳＺと空気極１５内のＳｒとが反応して電解質１４と空気極１５との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１６は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１６の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極１５は、反応防止膜１６上に配置されている。空気極１５は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極１５は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極１５は、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。空気極１５は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極１５の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１７は、隣り合う発電素子部１１を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部１７は、インターコネクタ１７１及び空気極集電膜１７２を有する。インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ１７１は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ１７１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ１７１は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ１７１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜１７２は、隣り合う発電素子部１１のインターコネクタ１７１と空気極１５との間を延びるように配置される。例えば、図６の左側に配置された発電素子部１１の空気極１５と、図６の右側に配置された発電素子部１１のインターコネクタ１７１とを電気的に接続するように、空気極集電膜１７２が配置されている。空気極集電膜１７２は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。

空気極集電膜１７２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電膜１７２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電膜１７２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜１７２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

図７に示すように、燃料電池セル１の下端部１０１は、緻密膜１８によって覆われている。詳細には、緻密膜１８は、支持基板１２を覆っている。緻密膜１８は、下端部側に形成された発電素子部１１と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜１８は、電気的接続部１７と電気的に接続されている。緻密膜１８は、空気極集電膜１７２と支持基板１２との間から近位側に向かって延びている。

緻密膜１８は、緻密膜１８の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１８の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。このガスシール機能を発揮するため、この緻密膜１８の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１８は、絶縁性セラミックスで構成されている。

具体的には、緻密膜１８は、上述した電解質１４と反応防止膜１６とによって構成することができる。緻密膜１８を構成する電解質１４は、支持基板１２を覆っており、インターコネクタ１７１から支持基板１２の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１８を構成する反応防止膜１６は、電解質１４と空気極集電膜１７２との間に配置されている。なお、緻密膜１８は、電解質１４のみで構成されていてもよいし、電解質１４及び反応防止膜１６以外の材料によって構成されていてもよい。

［第1接合材］
第１接合材３は、燃料電池セル１をマニホールド２に固定する。詳細には、第１接合材３は、燃料電池セル１とマニホールド２の天板２２とを接合している。第１接合材３は、燃料電池セル１の下端部１０１とマニホールド２の天板２２とを接合している。また、第１接合材３は、緻密膜１８と接触している。なお、燃料電池セル１がマニホールド２に固定された状態において、貫通孔２６とガス流路１２１とが連通している。

第１接合材３は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、第１接合材３の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第１接合材３は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

［発電方法］
以上のように構成された燃料電池スタック１００は、次のようにして発電する。マニホールド２を介して各燃料電池セル１のガス流路１２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１２の両面を酸素を含むガス（空気等）に曝すことにより、電解質１４の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。この燃料電池スタック１００を外部の負荷に接続すると、空気極１５において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

［製造方法］
次に、上述したように構成された燃料電池スタックの製造方法について説明する。

まず、マニホールド２と複数の燃料電池セル１とを準備する。そして、図８に示すように、第１集電部材４、及び第２接合材５によって、各燃料電池セル１を互いに接続し、セル集合体３００を作製する。なお、この段階では第２接合材５は焼成されておらず、各燃料電池セル１は互いに仮止めの状態である。

次に、図９に示すように、セル集合体３００の各燃料電池セル１の下端部１０１をマニホールド２の各貫通孔２６に挿入する。なお、各燃料電池セル１が厚さ方向に沿って所定の間隔を保持するための治具を用いてもよい。

次に、図２に示すように、貫通孔２６に挿入された燃料電池セル１とマニホールドの天板２２とを接合するように第１接合材３を塗布する。なお、第１接合材３は、燃料電池セル１の付け根に沿って塗布されている。また、第１接合材３は、燃料電池セル１の下端部１０１の外周面と貫通孔２６の内壁面との隙間に充填されていてもよい。

次に、第１接合材３及び第２接合材５に対して熱処理が加えられる。この熱処理によって、第１接合材３及び第２接合材５が固化され、燃料電池スタック１００が完成する。詳細には、第２接合材５は、熱処理を施されることによって焼成される。この結果、各燃料電池セル１と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３は、熱処理を施されることによって、非晶質材料の温度が結晶化温度まで到達する。そして、結晶化温度下にて材料の内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される第１接合材３が機能を発揮し、各燃料電池セル１の下端部１０１がマニホールド２の天板２２に固定される。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１を有している横縞型であったが、燃料電池セル１は、長手方向に延びる一つの発電素子部を有するような縦縞型であってもよい。

変形例２
天板２２は、それ自体は多孔質体であって、緻密膜によってコーティングされていてもよい。

変形例３
上記実施形態では、マニホールド本体２１は上面が開口しており、その上面を天板２２が塞いでいるが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、マニホールド本体２１は下面が開口しており、底板２７がマニホールド本体２１の下面を塞いでいてもよい。この場合、マニホールド本体２１は、絶縁性セラミックスによって構成されている。そして、マニホールド本体２１に複数の貫通孔２６が形成されており、この貫通孔２６に燃料電池セル１の下端部１０１が挿入されている。

詳細には、マニホールド本体２１は、上壁２８、側壁２４、及びフランジ部２５を有している。上壁２８には、上述した複数の貫通孔２６が形成されている。側壁２４は、上壁２８の周縁部から下方に延びている。フランジ部２５は、側壁２４の下端部から外方に延びている。底板２７は、このフランジ部２５に接合されている。

１ ：燃料電池セル
２ ：マニホールド
２１ ：マニホールド本体
２２ ：天板
２３ ：底壁
２４ ：側壁
２５ ：フランジ部
２６ ：貫通孔
３ ：第１接合材
１００ ：燃料電池スタック
１０１ ：下端部

Claims (6)

1. 内部空間を有するマニホールド本体、及び前記マニホールド本体の上面を塞ぐ絶縁性セラミックスで構成された天板、を有するマニホールドと、
   前記天板から延びる複数の燃料電池セルと、
   前記マニホールドと前記燃料電池セルとを接合する接合材と、
   を備える、燃料電池スタック。
2. 前記天板は、複数の貫通孔を有しており、
   前記各燃料電池セルの下端部は、各貫通孔に挿入されている、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記天板は、緻密性を有する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記マニホールド本体は、底壁と、前記底壁の周縁から上方に延びる側壁と、前記側壁の上端から外方に延びるフランジ部と、を有し、
   前記天板は、前記フランジ部に接合される、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
5. 複数の燃料電池セルにガスを分配するためのマニホールドであって、
   内部空間を有するマニホールド本体と、
   前記燃料電池セルが挿入される貫通孔を有し、前記マニホールド本体の上面を塞ぐ絶縁性セラミックスで構成された天板と、
   を備えるマニホールド。
6. 内部空間を有し絶縁性セラミックスで構成されたマニホールド本体、及び前記マニホールド本体の下面を塞ぐ底板、を有するマニホールドと、
   前記マニホールド本体から延びる複数の燃料電池セルと、
   前記マニホールドと前記燃料電池セルとを接合する接合材と、
   を備える、燃料電池スタック。

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