JP2018063865A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】発電セルの積層数が変わって全体の高さが変化したり、温度が上昇したりしても積層体の圧縮荷重を適切に維持可能で、全体サイズを大型化させることもなく、安定した発電特性を得ることのできる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】固体酸化物型燃料電池のスタック１０であって、発電セル２１とインターコネクタとが交互に複数積層されて構成された積層体２０と、積層体２０の積層方向の両端に配置された一対のエンドプレート３０，４０と、一対のエンドプレート３０，４０を平行に締め付け保持するとともに、積層体２０に圧縮荷重を付与する複数のタイロッド５０とを備え、複数のタイロッド５０のそれぞれは、少なくとも一部がタングステンで形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されて構成された積層体を備える固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell。以下では「ＳＯＦＣ」と記すこともある）の燃料電池スタックに関し、特に、積層体の圧縮荷重を適切に維持可能な燃料電池スタックに関する。

固体酸化物型燃料電池において、平板型構造の燃料電池スタック（セルスタック）は、酸化物導電体を用いた電解質層を挟んでアノード（燃料極）とカソード（空気極）とが配置された発電セルを有している。この発電セルの動作温度は、例えば７００〜８００℃程度である。

固体酸化物型燃料電池では、発電セルに対してアノード側に水素などの燃料ガス（アノードガス）を供給するとともにカソード側に空気（カソードガス）を供給し、電気化学反応を起こして電力を取り出す。空気供給管から供給される空気中の酸素はカソードで酸化物イオンとなり、電解質層を通ってアノードに至る。ここで燃料供給管から供給される燃料と反応して電子を放出し、電気と反応生成物（水や二酸化炭素）を生成する。

平板型構造の燃料電池スタックは、所要の電池出力を得るために、発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されて構成された積層体を備えているが、燃料電池スタックの発電特性を安定させるためには、積層体に所定の圧縮荷重を印加することが必要である。積層体に所定の圧縮荷重を印加する方法として、エンドプレート間に積層体とともにコイル状バネや保持プレートを配置し、エンドプレートどうしをタイロッドで締結する方法が知られている（例えば、特許文献１〜３）。

特開２０１１−６５９０９号公報 特開２０１２−３８６４６号公報 特開２０１３−２０８８６号公報

特許文献１や特許文献２のようにコイル状バネを用いる方法では、発電セルの積層数が変わって全体の高さが変化した場合などに、圧縮荷重が変化する問題が考えられる。コイル状バネやタイロッドの材質によっては、温度上昇時にそれらの熱膨張により積層体への加重が弱まって、アノードガスやカソードガスがリークしたり電気が流れにくくなったりする不具合も起こり得る。また、保持プレートを用いる方法では、保持プレートの熱膨張により圧縮荷重が付与されるものの、全体のサイズが大型化してしまう問題がある。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、発電セルの積層数が変わって全体の高さが変化したり、温度が上昇したりしても積層体の圧縮荷重を適切に維持可能で、全体サイズを大型化させることもなく、安定した発電特性を得ることのできる燃料電池スタックを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池スタックは、固体酸化物型燃料電池のスタックであって、発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されて構成された積層体と、前記積層体の積層方向の両端に配置された一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを平行に締め付け保持するとともに、前記積層体に圧縮荷重を付与する複数のタイロッドとを備え、前記複数のタイロッドのそれぞれは、少なくとも一部がタングステンで形成されていることを特徴とする。

ここで、前記タイロッドの両端部分がステンレスで形成されていてもよい。前記タイロッドは、少なくとも１本のタングステンロッドと少なくとも１本のステンレスロッドとが軸方向にネジ部、ピン部、または組継ぎ部によって互いに結合されて構成されてもよい。前記タイロッドのタングステンで形成されている部分またはタングステンロッドの合計長が、前記タイロッドの全長の１〜１０％であることが好ましい。

このような構成の燃料電池スタックによれば、発電セルの積層数が変わって全体の高さが変化したり、温度が上昇したりしても積層体の圧縮荷重を適切に維持可能で、全体サイズを大型化させることもなく、安定した発電特性を得ることができる。

また、本発明の燃料電池スタックにおいて、前記タイロッドの全体または少なくともタングステンで形成されている部分が、前記積層体のアノード流路内に配置されていてもよい。

このような構成の燃料電池スタックによれば、前記タイロッドのタングステンで形成されている部分の酸化および酸化膜の昇華を防止し、前記タイロッドの減肉による破断を回避可能となる。

本発明の燃料電池スタックによれば、発電セルの積層体の積層数が変わって全体の高さが変化したり、温度が上昇したりしても積層体の圧縮荷重を適切に維持可能で、全体サイズを大型化させることもなく、安定した発電特性を得ることができる。

なお、前記タイロッドの全体または少なくともタングステンで形成されている部分が、前記インターコネクタが有するアノード流路内に配置されている場合は、前記タイロッドのタングステンで形成されている部分の酸化および酸化膜の昇華を防止し、前記タイロッドの減肉による破断を回避可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタック１０全体の概観構成を示す斜視図である。 燃料電池スタック１０の各部を説明する分解斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はステンレスロッドとタングステンロッドの結合によるタイロッド５０の製作例を説明する外形図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタック１０Ａの主要部を説明する分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタック１０全体の概観構成を示す斜視図である。図２はこの燃料電池スタック１０の各部を説明する分解斜視図である。

第１実施形態に係る燃料電池スタック１０は、固体酸化物型燃料電池のスタックであって、発電セル２１とインターコネクタ（符号省略）とが交互に複数積層されて構成された積層体２０と、この積層体２０の積層方向の両端に配置された一対の下部エンドプレート３０および上部エンドプレート４０と、両エンドプレート３０，４０を平行に締め付け保持するとともに、積層体２０に圧縮荷重を付与する複数のタイロッド５０とを備えている。

積層体２０は、複数の発電セル２１がインターコネクタを介して矢印Ｚ方向（鉛直方向）に積層されることにより構成され、積層体２０の周辺部には、各発電セル２１に対するガス供給またはガス排出用のガス流路が形成される。積層体２０は、発電時の電池出力が１〜１０ｋＷクラスの発電ユニットを製造する場合には、例えば、数十から数百個の発電セル２１が含まれるように構成される。また、数十個単位の発電セル群の両端に電極プレートを配置して１つのモジュールとし、このモジュールを、絶縁プレートを介して積層することにより積層体２０を構成してもよい。発電セル２１は、固体酸化物型の平板構造のものであり、アノード支持型セル、カソード支持型セル、電解質支持型セル、金属支持型セルといった周知構造の中から所望のタイプを採用することができる。

積層体２０は、積層方向下端に配置された下部エンドプレート３０上に載置される。下部エンドプレート３０は、矢印Ｘ方向および矢印Ｙ方向の寸法が積層体２０の各寸法よりも大きな寸法に設定されるとともに、積層体２０のガス流路に対応する箇所に、カソードガス供給連通孔３０ａ、カソードガス排出連通孔３０ｂ、アノードガス供給連通孔３０ｃおよびアノードガス排出連通孔３０ｄが形成されている（図２参照）。下部エンドプレート３０にはさらに、周辺部に沿って複数のロッド挿通孔３０ｈが形成されている。これらのロッド挿通孔３０ｈは、例えば、下部エンドプレート３０の四隅近傍および各辺の略中央部に形成される。ただし、各辺では略中央部の一箇所に限らず、等間隔で複数箇所に形成されてもよい。なお、下部エンドプレート３０の下面には、各連通孔３０ａ〜３０ｄに対してガス供給またはガス排出を行うためのマニホールド（不図示）が装着される。

積層体２０の積層方向上端には、押さえプレート４１と上部エンドプレート４０とが積層される。押さえプレート４１は、積層体２０における発電セル支持領域とガス流路形成領域の荷重バランスを調整するプレートである。押さえプレート４１の矢印Ｘ方向および矢印Ｙ方向の寸法は、積層体２０の各寸法と同寸法に設定される。

上部エンドプレート４０は、矢印Ｘ方向および矢印Ｙ方向の寸法が下部エンドプレート３０に対応する大きさに設定されるとともに、ロッド挿通孔３０ｈと対応する位置に複数のロッド挿通孔４０ｈが形成されている。複数のロッド挿通孔４０ｈのぞれぞれには、タイロッド５０がそれぞれ挿通されるとともに、これらのタイロッド５０の先端部は下部エンドプレート３０のロッド挿通孔３０ｈにそれぞれ挿通される。そして、下部エンドプレート３０の下面から突出させた各タイロッド５０のネジ先に、それぞれ締結用の止めナットが取り付けられる。これにより両エンドプレート３０，４０は、平行に締め付け保持されるとともに、積層体２０には所定の面圧で圧縮荷重が付与される。

各タイロッド５０は、頭部を含む上部ロッド５０ａおよびネジ先を含む下部ロッド５０ｃと、これらの上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃを連結する短い中間ロッド５０ｂとが、軸方向にネジ部によって互いに結合されてボルト状に構成されている。各タイロッド５０の上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃはステンレス（例えば、ＳＵＳ３１０）製であり、中間ロッド５０ｂはタングステン製であるが、積層体２０を均一に締め付けるために、各タイロッド５０のすべてが同一仕様とされている。

ステンレス（ＳＵＳ３１０）およびタングステン（Ｗ）の各熱膨張係数は次の通りである。
ＳＵＳ３１０： １７．２［１０^−６・Ｋ^−１］
Ｗ ： ４．５［１０^−６・Ｋ^−１］
ステンレスのみで製作された従来タイプのタイロッドと、タングステンおよびステンレスで製作されたタイロッド５０を比較すると、燃料電池スタック１０を常温から動作温度（７００〜８００℃程度）まで昇温させたときのロッド材料の熱膨張率の差により、タイロッド５０は従来タイプのタイロッドに比べて軸方向の伸長が抑制される。そのため、積層体２０は、昇温に伴う積層方向への熱膨張が押さえ込まれることにる。その結果、燃料電池スタック１０の動作温度においても、常温で積層体２０に付与された圧縮荷重をほとんど低下させることなく、維持することが可能になる。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、ステンレスロッドとタングステンロッドの結合によるタイロッド５０の製作例を説明する外形図である。以下、３種類の製作例を順に説明するが、これらに限定されるものではない。

［製作例１：ネジ結合］
図３（Ａ）は、タングステンロッドとステンレスロッドとが軸方向にネジ部（雄ネジおよび雌ネジ）によって互いに結合される構成である。
タイロッド５０を構成する上部ロッド５０ａは、ステンレスロッドとされており、図面上方の基端側にタイロッド５０の頭部（ボルトヘッド）が形成されているとともに、図面下方の先端側に雌ネジが形成されている。また、タイロッド５０を構成する下部ロッド５０ｃは、ステンレスロッドとされており、図面上方の基端側に雌ネジが形成されているとともに、図面下方の先端側にタイロッド５０のネジ先となる雄ネジが形成されている。一方、タイロッド５０を構成する中間ロッド５０ｂは、タングステンロッドとされており、ロッド本体の両端側に雄ネジが形成されている。そして、上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃの雌ネジのそれぞれに、中間ロッド５０ｂの雄ネジを螺合することにより、１本のタイロッド５０が完成される。

このようなタイロッド５０を使用して、常温で積層体２０を圧縮限界まで締め付けた場合、燃料電池スタック１０の動作温度では、積層体２０の熱膨張の度合いにより、各ロッド５０ａ，５０ｂ，５０ｃ間の結合部には引張応力が作用することがある。そこで、剛性の高いタングステン製の中間ロッド５０ｂに雄ネジを形成する一方で、剛性の低いステンレス製の上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃに雌ネジを形成するのがよい。このようにすることで、タイロッド５０の結合部に過剰な引張応力が作用したとしても、雄ネジ部分が破断する虞がなくなる。

［製作例２：ピン結合］
図３（Ｂ）は、タングステンロッドとステンレスロッドとが軸方向にピン部（ピンおよびピン孔）によって互いに結合される構成である。
上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃは、製作例１と同様にステンレスロッドとされており、製作例１の雌ネジがピン孔とされている。一方、中間ロッド５０ｂは、製作例１と同様にタングステンロッドとされており、製作例１の雄ネジがピンとされている。そして、上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃのピン孔のそれぞれに、中間ロッド５０ｂのピンを軸方向から圧入することにより、１本のタイロッド５０が完成される。なお、ピンの圧入部分に対しては、軸直交方向から止めピン５１（またはイモネジ）を貫通させて抜け止めを施すのが好ましい。

［製作例３：組継ぎ結合］
図３（Ｃ）は、タングステンロッドとステンレスロッドとが軸方向に組継ぎ部（雄ジョイントおよび雌ジョイント）によって互いに結合される構成である。
この製作例では、組木細工などに用いられている組継ぎの手法が利用されている。上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃは、ステンレスロッドとされており、一端部に所定形状の雌ジョイント５２が設けられている。一方、中間ロッド５０ｂは、タングステンロッドとされており、ロッド本体の両端側に所定形状の雄ジョイント５３が設けられている。そして、上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃの雌ジョイント５２のそれぞれに、中間ロッド５０ｂの雄ジョイント５３を軸直交方向から圧入することにより、１本のタイロッド５０が完成される。なお、雄ジョイント５３は、拡径部と縮径部からなっており、雌ジョイント５２と雄ジョイント５３の段差部が噛み合うことにより、軸方向の抜け止めがなされる。

製作例１〜３の各タイロッド５０において、タングステン製の中間ロッド５０ｂの長さは、タイロッドの全長の１〜１０％となるように製作するのが好ましい。タングステンは高価かつ加工が難しい金属材料であるので、タイロッド５０の全体に占める中間ロッド５０ｂの割合を上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃとの結合に支障のない範囲で抑制するためである。例えば、全長が１０００ｍｍに設定されたタイロッド５０に対し、雄ネジ・ピン・雄ジョイントの部分を除く中間ロッド５０ｂの長さを５ｍｍ（全長に対して５％）に設定するとともに、雌ネジ・ピン孔・雌ジョイントの部分を含む上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃの合計長を９９５ｍｍに設定する。また、例えば、全長が５００ｍｍに設定されたタイロッド５０に対し、雄ネジ・ピン・雄ジョイントの部分を除く中間ロッド５０ｂの長さを５ｍｍ（全長に対して１０％）に設定するとともに、雌ネジ・ピン孔・雌ジョイントの部分を含む上部ロッド５０ａおよび下部ロッド５０ｃの合計長を４９５ｍｍに設定する。

なお、タングステンロッド（中間ロッド５０ｂ）は、ステンレスロッド（上部ロッド５０ａ；下部ロッド５０ｃ）より熱膨張率が小さければよいので、純タングステンに限らず、例えばニッケルなどとの合金も使用可能である。

燃料電池スタック１０の組み立て時には、下部エンドプレート３０上に積層体２０が載置された後、この積層体２０上に押さえプレート４１が配置される。押さえプレート４１上には、上部エンドプレート４０が配置される。

次に、複数のタイロッド５０が上部エンドプレート４０の各ロッド挿通孔４０ｈにそれぞれ挿通されるとともに、これらのタイロッド５０の先端部が下部エンドプレート３０の各ロッド挿通孔３０ｈにそれぞれ挿通される。そして、下部エンドプレート３０の下面から突出させた各タイロッド５０のネジ先に、それぞれ締結用の止めナットが取り付けられる。これにより、両エンドプレート３０，４０が平行に締め付け保持されるとともに、積層体２０には圧縮荷重が付与される。そして、発電セルおよびインターコネクタ間の面間シールや電気接続に必要な面圧を発生させる圧縮荷重が得られると、両エンドプレート３０，４０への締め付けが終了され、燃料電池スタック１０の組み立てが完了する。

以上で説明した第１実施形態の構成によれば、熱膨張係数が低いタングステン部分を含む各タイロッド５０は、燃料電池スタック１０を常温から動作温度（７００〜８００℃程度）まで昇温させたときの熱膨張が他の部材より相対的に少ないので、積層体２０の圧縮荷重を適切に維持可能であり、全体サイズを大型化させることもなく、安定した発電特性を得ることができる。

＜第２実施形態＞
図４は本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタック１０Ａの主要部を説明する分解斜視図である。この第２実施形態では、タイロッドの全体または少なくともタングステンで形成されている部分が、積層体２０Ａのアノード流路内に配置されていることを特徴とするが、以下では第１実施形態との相違点を主として説明する。

第１実施形態に係るタイロッド５０は、少なくとも一部がタングステンで形成されているが、タングステンは高温で酸化されやすく、また７００℃を超えると酸化膜が昇華してしまう。燃料電池スタック１０の動作温度（７００〜８００℃程度）でこの昇華が起こってしまうとタングステン部分の直径が次第に減少し、応力耐性の低下によりタイロッド５０が破断に至る虞がある。

一般的な燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックは、断熱領域に収容されているため、この断熱領域に不活性ガス（例えば、システムの起動時に生成したＰＯＸガスや、別途ボンベから導入したＮ_２ガス）を充満すれば、タングステン部分の酸化は生じず、第１実施形態におけるタイロッド５０の配置に問題はない。しかし、断熱領域に不活性ガスを導入できない場合には、別の手段によりタングステン部分を保護する必要がある。そこで、第２実施形態では、タイロッド５０を積層体２０Ａのアノード流路内に配置することにより、アノードガス（水素を含有する還元性の燃料ガス）を利用してタングステン部分の保護を図っている。

図４は、燃料電池スタック１０Ａの天地を逆にした状態で描かれており、上部エンドプレートと押さえプレートを省略してある。図４に示すように、燃料電池スタック１０Ａでは、下部エンドプレート３０Ａと積層体２０Ａとの間にマニホールドプレート３１Ａを介在させている。これにより、アノードガス供給ポート３０Ａｃから供給されたアノードガスを積層体２０Ａの各流路に対して分配するとともに、各流路からのアノードガスを再び集合してアノードガス排出ポート３０Ａｄへ排出することが可能になる。同様に、カソードガス供給ポート３０Ａａから供給されたカソードガスを分配するとともに、再び集合してカソードガス排出ポート３０Ａｂへ排出することが可能になる。

少なくとも一部がタングステンで形成されたタイロッドは、図示しない上部エンドプレートのロッド挿通孔および下部エンドプレート３０Ａのロッド挿通孔３０Ａｈに挿通されるが、その際に図４に示した破線に沿って、積層体２０Ａおよびマニホールドプレート３１Ａのアノードガス流路内にも挿通される。これにより、タングステン製の中間ロッド（図３の５０ｂ）が積層体２０Ａのアノードガス流路内に配置される。タイロッドは、第１実施形態と同様の長ボルトであり、下部エンドプレート３０Ａの外側にて止めナットで締め付ける。

タイロッドをアノードガス流路内に配置すると、アノードガス流路の断面積がタイロッドの断面積分だけ少なくなる。そこで、アノードガス流通時の圧力損失が増大しないよう、発電セルやインターコネクタの流路断面積を拡大した設計をすることが望ましい。

上部エンドプレートおよび下部エンドプレートをタイロッドで締め付け保持する構成では、各ロッド挿通孔において、ロッド外周と孔内周に隙間が生じる。そこで、この隙間からアノードガスがリークしないように、隙間に対するガスシールを施すことが望ましい。このガスシールには、例えば、発電セルとインターコネクタ間のガスシールのように封着用ガラスを使用することができる。具体的には、ロッド挿通孔が位置するタイロッド外周部分に封着用ガラスで形成したフィルム状のスリーブを装着しておき、燃料電池スタック１０Ａの焼成によりスリーブを溶融してロッド挿通孔とタイロッドの隙間を封止する。

第２実施形態においては、空気が流通するカソードガス流路には、タイロッドのタングステン部分を配置できないが、エンドプレートどうしの位置合わせなどのために、エンドプレートの前方側および後方側（図４参照）の辺に補助ロッド挿通孔を設けてもよい。この補助ロッド挿通孔に対して、全体がステンレス製の補助ロッドを挿通して適宜締め付けることにより、燃料電池スタック１０Ａの型崩れ（積層方向の傾斜や水平方向の捩れ）を防止できる。なお、補助ロッドは、積層体２０Ａに圧縮荷重を付与するものではないので、積層体２０Ａの圧縮荷重に影響しない程度の締付トルクで締結される。

補助ロッドを使用しない場合には、カソードガス流路の数や幅を減らした長方形の発電セルやインターコネクタを使用するとよい。このようにすれば、アノードガス流路内に配置したタイロッドのみでも、所定の圧縮荷重を積層体に付与することが可能になる。

以上で説明した第２実施形態の構成によれば、タイロッドのタングステンで形成されている部分の酸化および酸化膜の昇華を防止し、前記タイロッドの減肉による破断を回避可能となる。

上記した第１実施形態および第２実施形態においては、少なくとも一部がタングステンで形成されたタイロッドの使用に加えて、コイル状バネや熱膨張プレートなど、他の圧縮荷重付与手段を併用してもよい。その場合、追加的な圧縮荷重付与手段は、その仕様を緩和して安価に製作することができる。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、電解質層に酸化物導電体を用いた固体酸化物型燃料電池のスタックに特に好適である。

１０，１０Ａ 燃料電池スタック
２０，２０Ａ 積層体
２１ 発電セル
３０，３０Ａ 下部エンドプレート
３０ｈ ロッド挿通孔
３１Ａ マニホールドプレート
４０ 上部エンドプレート
４０ｈ ロッド挿通孔
４１ 押さえプレート
５０ タイロッド
５０ａ 上部ロッド（ステンレスロッド）
５０ｂ 中間ロッド（タングステンロッド）
５０ｃ 下部ロッド（ステンレスロッド）

Claims (5)

1. 固体酸化物型燃料電池のスタックであって、
   発電セルとインターコネクタとが交互に複数積層されて構成された積層体と、
   前記積層体の積層方向の両端に配置された一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレートを平行に締め付け保持するとともに、前記積層体に圧縮荷重を付与する複数のタイロッドと
   を備え、
   前記複数のタイロッドのそれぞれは、少なくとも一部がタングステンで形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記タイロッドの全体または少なくともタングステンで形成されている部分が、前記積層体のアノード流路内に配置されていることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記タイロッドの両端部分がステンレスで形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記タイロッドは、少なくとも１本のタングステンロッドと少なくとも１本のステンレスロッドとが軸方向にネジ部、ピン部、または組継ぎ部によって互いに結合されて構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記タイロッドのタングステンで形成されている部分またはタングステンロッドの合計長が、前記タイロッドの全長の１〜１０％であることを特徴とする燃料電池スタック。

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