JP2018181551A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】シール不良の発生を抑制すること。【解決手段】アノード側セパレータ２２ａ及びカソード側セパレータ２２ｃと、セパレータに積層方向で並んで配置されＭＥＧＡ２０の周りを囲む絶縁フレーム３０と、を有する単セル１０と、セパレータ及び絶縁フレームを貫通し流体が流通するマニホールドと、を備え、アノード側セパレータは、マニホールドとＭＥＧＡに重なって配置された流路との間を少なくとも延在する中空状の突出部からなるシール部５０と、シール部に交差して延在し、マニホールドとシール部に対してマニホールドとは反対側との間で流体を流通させる中空状の突出部からなる複数の流通部５２と、を有し、複数の流通部は幅狭間隔６２で隣接した流通部と幅広間隔６０で隣接した流通部とを含み、アノード側セパレータは複数の流通部が設けられた流通部領域６４以外におけるシール部の両側と流通部領域のうちの幅広間隔で隣接した流通部の間におけるシール部の両側とでカソード側セパレータ又は絶縁フレームに接合している、燃料電池。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

複数の単セルを貫通したマニホールドを備える燃料電池が知られている。マニホールドを流通する流体が外部に漏れることを抑制するために、マニホールドの周りにシール部を設けて流体を封止することが行われている。例えば、マニホールドの周りに位置する中空状の突出部からなるシール部をセパレータに設けることで流体を封止することが知られている（例えば、特許文献１）。

特表２００６−５０４８７２号公報

マニホールドと単セルの内部に設けられた流路との間で流体が流通するよう、中空状の突出部からなる複数の流通部を、中空状の突出部からなるシール部に交差して設けることが考えられる。このようなシール部と流通部とが設けられたセパレータを他方のセパレータ又は絶縁フレームに接合させる場合に、複数の流通部が設けられた流通部領域ではシール部の側方において十分な大きさの強度で接合されないことがある。この場合、流通部領域におけるシール部のシール線圧が低くなり、シール不良が生じることがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、シール不良の発生を抑制することを目的とする。

本発明は、１対のセパレータと、前記１対のセパレータの積層方向で前記１対のセパレータに並んで配置され、膜電極ガス拡散層接合体の周りを囲む絶縁フレームと、を有する単セルと、前記１対のセパレータ及び前記絶縁フレームを貫通し、流体が流通するマニホールドと、を備え、前記１対のセパレータのうちの一方のセパレータは、前記マニホールドと前記膜電極ガス拡散層接合体に重なって配置された流路との間を少なくとも延在する中空状の第１突出部からなるシール部と、前記シール部に交差して延在し、前記マニホールドと前記シール部に対して前記マニホールドとは反対側との間で前記流体を流通させる中空状の第２突出部からなる複数の流通部と、を有し、前記複数の流通部は、第１間隔で隣接した流通部と、前記第１間隔よりも広い第２間隔で隣接した流通部と、を含み、前記一方のセパレータは、前記複数の流通部が設けられた流通部領域以外における前記シール部の両側と前記流通部領域のうちの前記第２間隔で隣接した前記流通部の間における前記シール部の両側とで前記１対のセパレータのうちの他方のセパレータ又は前記絶縁フレームに接合している、燃料電池である。

本発明によれば、シール不良の発生を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解平面図、図１（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。 図２（ａ）は、図１（ａ）の領域Ａの拡大図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の流通部近傍でのアノード側セパレータの斜視図、図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図３は、比較例に係る燃料電池における図１（ａ）の領域Ａに相当する部分の平面図である。 図４（ａ）は、比較例におけるアノード側セパレータと絶縁フレームの接合を説明する図、図４（ｂ）は、実施例１におけるアノード側セパレータと絶縁フレームの接合を説明する図である。 図５（ａ）は、シール線圧の試験方法を説明する図、図５（ｂ）は、比較例におけるシール線圧の試験結果を示す図、図５（ｃ）は、実施例１におけるシール線圧の試験結果を示す図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、流通部領域におけるシール部のシール線圧が改善した理由を説明する図である。 図７は、実施例２における単セルの流通部近傍での斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セル１０の分解平面図、図１（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体２０の断面図である。なお、図１（ａ）では、図の明瞭化のために後述する流通部の図示は省略している。実施例１の燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。実施例１の燃料電池は、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。

図１（ａ）のように、単セル１０は、アノード側セパレータ２２ａと、カソード側セパレータ２２ｃと、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０と、ＭＥＧＡ２０を囲む絶縁フレーム３０と、を備える。アノード側セパレータ２２ａとカソード側セパレータ２２ｃとでＭＥＧＡ２０及び絶縁フレーム３０を挟んだ構成をしている。アノード側セパレータ２２ａ及びカソード側セパレータ２２ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。絶縁フレーム３０は、例えばゴム又はエラストマー樹脂（例えば熱可塑性エラストマー樹脂）などの弾性部材によって形成されているが、その他の弾性部材ではない絶縁部材で形成されていてもよい。

単セル１０は、アノード側セパレータ２２ａ、絶縁フレーム３０、及びカソード側セパレータ２２ｃを貫通するマニホールドを有する。マニホールドは、燃料ガス用の燃料ガス供給マニホールド３２及び燃料ガス排出マニホールド３４と、酸化剤ガス用の酸化剤ガス供給マニホールド３６及び酸化剤ガス排出マニホールド３８と、冷媒用の冷媒供給マニホールド４０及び冷媒排出マニホールド４２と、を含む。

アノード側セパレータ２２ａのＭＥＧＡ２０側の面には、燃料ガス供給マニホールド３２と燃料ガス排出マニホールド３４とを連通し、燃料ガスが流れるアノードガス流路２４ａが形成されている。カソード側セパレータ２２ｃのＭＥＧＡ２０側の面には、酸化剤ガス供給マニホールド３６と酸化剤ガス排出マニホールド３８とを連通し、酸化剤ガスが流れるカソードガス流路２４ｃが形成されている。アノード側セパレータ２２ａのＭＥＧＡ２０とは反対側の面及びカソード側セパレータ２２ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の面には、冷媒供給マニホールド４０と冷媒排出マニホールド４２とを連通し、冷媒が流れる冷媒流路２６が形成されている。アノードガス流路２４ａ、カソードガス流路２４ｃ、及び冷媒流路２６は、ＭＥＧＡ２０に重なって配置されている。

アノード側セパレータ２２ａには、マニホールドを流れる流体が外部に漏れることを抑制するためのシール部５０が設けられている。シール部５０は、マニホールドを囲んだり、マニホールドと流路をまとめて囲んだりなどして、マニホールドの周りに位置して設けられている。

図１（ｂ）のように、ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１４と、電解質膜１４の一方の面に設けられたアノード触媒層１６ａと、他方の面に設けられたカソード触媒層１６ｃと、を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１２を含む。電解質膜１４は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１６ａ及びカソード触媒層１６ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

ＭＥＡ１２の両側に１対のガス拡散層（アノードガス拡散層１８ａとカソードガス拡散層１８ｃ）が配置されている。ＭＥＡ１２と１対のガス拡散層とによってＭＥＧＡ２０が形成される。アノードガス拡散層１８ａ及びカソードガス拡散層１８ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。

図２（ａ）は、図１（ａ）の領域Ａの拡大図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の流通部５２近傍でのアノード側セパレータ２２ａの斜視図、図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図２（ｃ）は、複数の単セルが積層される前の断面を示し、図２（ｄ）は、複数の単セルが積層された後の断面を示している。なお、以下に説明する構造は、燃料ガス供給マニホールド３２、燃料ガス排出マニホールド３４、酸化剤ガス供給マニホールド３６、酸化剤ガス排出マニホールド３８、冷媒供給マニホールド４０、及び冷媒排出マニホールド４２のいずれの周辺においても適用できる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、アノード側セパレータ２２ａは、マニホールドを流れる流体が燃料電池の外部に漏れないように封止するシール部５０と、マニホールドとシール部５０に対してマニホールドとは反対側との間で流体を流通させる複数の流通部５２と、を有する。流通部５２は、シール部５０に交差して延在している。

シール部５０は、バネとしての機能が発揮されるように中空状の突出部で形成され、内側に中空５４を有する。シール部５０は、例えば上面に突起５８を有するが、突起５８は形成されていなくてもよい。流通部５２は、流体が流通するように中空状の突出部で形成され、内側に中空５６を有する。シール部５０の中空５４と流通部５２の中空５６とは連結していて、流通部５２を流れる流体はシール部５０の中空５４を介して流通する。シール部５０と流通部５２とは、例えばプレス加工によって形成される。なお、図１（ａ）において、酸化剤ガス排出マニホールド３８と冷媒流路２６との間に２本のシール部５０が並んで延在しているため、図２（ａ）における流通部５２は２本のシール部５０に交差して延在するが、図の明瞭化のために１本のシール部５０のみを図示している。

複数の流通部５２は、互いに並んで配置されている。複数の流通部５２の間隔は、一定ではなく、幅の広い箇所と幅の狭い箇所とがある。すなわち、複数の流通部５２は、幅の狭い幅狭間隔６２で隣接した流通部５２ａ、５２ｂと、幅の広い幅広間隔６０で隣接した流通部５２ｂ、５２ｃと、を含む。

図２（ｃ）のように、絶縁フレーム３０は、アノード側セパレータ２２ａのシール部５０及び複数の流通部５２が突出する側とは反対側の面に接合されている。アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０は、例えば接着剤や熱圧着などによって接合されている。アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の接合は、アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の両方から荷重をかけて行われる。

カソード側セパレータ２２ｃは、絶縁フレーム３０のアノード側セパレータ２２ａが接合された面とは反対側の面に接合されている。カソード側セパレータ２２ｃと絶縁フレーム３０は、例えば接着剤や熱圧着などによって接合されている。カソード側セパレータ２２ｃと絶縁フレーム３０の接合は、カソード側セパレータ２２ｃと絶縁フレーム３０の両方から荷重をかけて行われる。なお、アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０とカソード側セパレータ２２ｃとをこの順に積層し、アノード側セパレータ２２ａとカソード側セパレータ２２ｃの両方から荷重をかけることにより、アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０とカソード側セパレータ２２ｃとを一度に接合してもよい。

カソード側セパレータ２２ｃは、絶縁フレーム３０とは反対側の面のうちのアノード側セパレータ２２ａのシール部５０に対応する位置に中空状の突出部４４を有する。突出部４４は、例えばプレス加工によって形成される。突出部４４の絶縁フレーム３０とは反対側の面に弾性部材４６が設けられている。突出部４４及び弾性部材４６は、シール部５０の延在方向に沿って延在している。弾性部材４６は、例えばゴム又はエラストマー樹脂（例えば熱可塑性エラストマー樹脂）で形成されていて、塗工又はシート貼り付けによって形成される。なお、カソード側セパレータ２２ｃに突出部４４が設けられてなく、アノード側セパレータ２２ａのシール部５０に対応する位置の平坦面に弾性部材４６が設けられている場合でもよい。

図２（ｄ）のように、複数の単セル１０が積層されると、複数の単セル１０のうちの単セル１０ａのアノード側セパレータ２２ａに設けられたシール部５０の突起５８は、隣接する単セル１０ｂのカソード側セパレータ２２ｃに設けられた弾性部材４６に当接する。これにより、シール部５０が弾性変形をし、その反力によってマニホールドを流れる流体は封止される。また、カソード側セパレータ２２ｃに突出部４４が設けられている場合は、突出部４４も弾性変形をして反力が発生する。

実施例１の効果を説明するにあたり、比較例の燃料電池について説明する。図３は、比較例に係る燃料電池における図１（ａ）の領域Ａに相当する部分の平面図である。図３のように、複数の流通部５２は全て一定の間隔で並んでいて、その間隔は、上述した幅狭間隔６２となっている。このように、複数の流通部５２を幅狭間隔６２で並べているのは、流体の流通量を確保するためである。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

ここで、アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の接合について説明する。図４（ａ）は、比較例におけるアノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の接合を説明する図、図４（ｂ）は、実施例１におけるアノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の接合を説明する図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、アノード側セパレータ２２ａが絶縁フレーム３０に十分な大きさの強度で接合している領域をクロスハッチで示している。

アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の接合は、アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の両方から荷重をかけて行われるが、その際、直接押して荷重をかけた部位は十分な大きさの強度で接合するが、直接押されてない部位は直接荷重がかけられた部位に比べて接合強度が低下する。

比較例では、複数の流通部５２は幅狭間隔６２で並んでいるため、隣接する流通部５２の間に荷重をかけるための冶具を挿入することが難しい。流通部５２の上面に荷重をかけることも考えられるが、異なる高さの面を同時に押すことになるため難しく、また、流通部５２の変形等により接合面に荷重が伝わり難い。このため、図４（ａ）のように、アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０は、複数の流通部５２が設けられた流通部領域６４以外の領域ではシール部５０の両側で十分な大きさの強度で接合するが、流通部領域６４ではシール部５０の両側での接合強度が低くなる。

一方、実施例１では、複数の流通部５２は幅広間隔６０と幅狭間隔６２を有して並んでいる。このような幅広間隔６０を設けることで、荷重をかけるための冶具を挿入できるようになる。また、熱圧着の場合では熱が伝わり易くなる。このため、図４（ｂ）のように、アノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０は、流通部領域６４以外の領域でのシール部５０の両側と流通部領域６４のうちの幅広間隔６０で隣接した流通部５２の間の領域でのシール部５０の両側とで十分な大きさの強度で接合する。このようなことから、一定のピッチで幅広間隔６０を設けることが好ましい。

次に、発明者が行った試験について説明する。発明者は、比較例として図４（ａ）に示す試料、実施例１として図４（ｂ）に示す試料を作製して、シール部５０のシール線圧の試験を行った。図５（ａ）は、シール線圧の試験方法を説明する図である。図５（ａ）のように、シール線圧の試験は、Ｔｅｋｓｃａｎ社製のフィルム式圧力分布計測システムを用い、作製した４つの試料７０を積層し、２つ目と３つ目の試料７０の間にシートセンサ７２を挿入した状態で、４つの試料７０の上下方向から圧縮荷重を加えることで行った。

図５（ｂ）は、比較例におけるシール線圧の試験結果を示す図、図５（ｃ）は、実施例１におけるシール線圧の試験結果を示す図である。図５（ｂ）及び図５（ｃ）において、横軸は１つの試料７０あたりの圧縮ストローク量、縦軸は荷重をシール線長で割った平均シール線圧（荷重／シール線長）である。矩形状に延在したシール部５０のうちの流通部領域６４におけるシール線圧の試験結果を×で示し、流通部領域６４のない３つの直線部でのシール線圧の試験結果を○、△、◇で示している。

図５（ｂ）のように、比較例では、流通部領域６４におけるシール部５０のシール線圧（×印）が、流通部領域６４のない直線状のシール部５０のシール線圧（○、△、◇印）に比べて低くなっている。一方、図５（ｃ）のように、実施例１では、流通部領域６４におけるシール部５０のシール線圧（×印）が、流通部領域６４のない直線状のシール部５０のシール線圧（○、△、◇印）と同程度の大きさになっている。

このように、実施例１では、流通部領域６４におけるシール部５０のシール線圧が改善したのは以下の理由によるものと考えられる。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、流通部領域６４におけるシール部５０のシール線圧が改善した理由を説明する図である。図６（ａ）は、比較例での流通部領域６４におけるシール部５０のシールを説明する図であり、図６（ｂ）は、実施例１での流通部領域６４におけるシール部５０のシールを説明する図である。

比較例では、上述したように、流通部領域６４においてシール部５０の両側でのアノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の接合強度が低い。このため、図６（ａ）のように、弾性部材４６がシール部５０に当接してシール部５０が変形する際に、アノード側セパレータ２２ａが絶縁フレーム３０に対して滑り広がることが起こり得る。流通部５２の一端はマニホールドに接続していることから、少なくともマニホールド側に向かってアノード側セパレータ２２ａが滑り広がることが起こり得る。アノード側セパレータ２２ａが滑り広がると、シール部５０の弾性変形による反力が小さくなる。このため、比較例では、流通部領域６４におけるシール部５０のシール線圧が低くなったと考えられる。

一方、実施例１では、上述したように、流通部領域６４のうちの幅広間隔６０で隣接した流通部５２の間におけるシール部５０の両側でのアノード側セパレータ２２ａと絶縁フレーム３０の接合強度が十分に大きい。このため、図６（ｂ）のように、弾性部材４６がシール部５０に当接してシール部５０が変形する際に、アノード側セパレータ２２ａが絶縁フレーム３０に対して滑り広がることが抑制される。このため、実施例１では、シール部５０の弾性変形による大きな反力が得られ、シール線圧が改善したと考えられる。

実施例１によれば、図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、アノード側セパレータ２２ａに設けられた複数の流通部５２は、幅狭間隔６２で隣接した流通部５２ａ、５２ｂと、幅広間隔６０で隣接した流通部５２ｂ、５２ｃと、を含む。図４（ｂ）のように、アノード側セパレータ２２ａは、流通部領域６４以外におけるシール部５０の両側と流通部領域６４のうちの幅広間隔６０で隣接した流通部５２ｂ、５２ｃの間におけるシール部５０の両側とで絶縁フレーム３０に接合している。これにより、図５（ａ）から図６（ｂ）で説明したように、流通部領域６４におけるシール部５０のシール線圧を改善することができ、その結果、シール不良の発生を抑制することができる。

なお、実施例１において、アノード側セパレータ２２ａにシール部５０と流通部５２が設けられている場合を例に示したが、カソード側セパレータ２２ｃにシール部５０と流通部５２が設けられていてもよい。

図７は、実施例２における単セル１０の流通部５２近傍での斜視図である。図７のように、実施例２における単セル１０は、アノード側セパレータ２２ａ、カソード側セパレータ２２ｃ、絶縁フレーム３０の順に配置されている。アノード側セパレータ２２ａのシール部５０及び流通部５２が突出する側とは反対側の面にカソード側セパレータ２２ｃが接合されている。アノード側セパレータ２２ａは、実施例１と同様に、流通部領域６４以外におけるシール部５０の両側と流通部領域６４のうちの幅広間隔６０におけるシール部５０の両側とでカソード側セパレータ２２ｃに接合している。アノード側セパレータ２２ａとカソード側セパレータ２２ｃとは、例えば接着剤又はレーザ溶接などによって接合している。カソード側セパレータ２２ｃのアノード側セパレータ２２ａとは反対側の面に絶縁フレーム３０が接合されている。カソード側セパレータ２２ｃと絶縁フレーム３０とは、例えば接着剤又は熱圧着などによって接合している。

絶縁フレーム３０には弾性部材からなる突起５８ａが設けられていて、突起５８ａが隣接する単セル１０のシール部５０に当接することで、マニホールドを流れる流体は封止される。絶縁フレーム３０が弾性部材である場合、突起５８ａは絶縁フレーム３０によって形成されてもよいし、絶縁フレーム３０とは異なる部材で形成されてもよい。絶縁フレーム３０が弾性部材ではない場合、突起５８ａは絶縁フレーム３０に弾性部材が接合されることで形成される。

実施例１では、アノード側セパレータ２２ａとカソード側セパレータ２２ｃとで絶縁フレーム３０を挟持した単セル１０、すなわち、アノード側セパレータ２２ａ、絶縁フレーム３０、カソード側セパレータ２２ｃの順に積層された単セル１０の場合を例に示した。しかしながら、この場合に限られず、実施例２のように、アノード側セパレータ２２ａ、カソード側セパレータ２２ｃ、絶縁フレーム３０の順に積層された単セル１０の場合でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０〜１０ｂ 単セル
１２ 膜電極接合体
１４ 電解質膜
１６ａ アノード触媒層
１６ｃ カソード触媒層
１８ａ アノードガス拡散層
１８ｃ カソードガス拡散層
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ａ アノード側セパレータ
２２ｃ カソード側セパレータ
２４ａ アノードガス流路
２４ｃ カソードガス流路
２６ 冷媒流路
３０ 絶縁フレーム
３２ 燃料ガス供給マニホールド
３４ 燃料ガス排出マニホールド
３６ 酸化剤ガス供給マニホールド
３８ 酸化剤ガス排出マニホールド
４０ 冷媒供給マニホールド
４２ 冷媒排出マニホールド
４４ 突出部
４６ 弾性部材
５０ シール部
５２ 流通部
５４、５６ 中空
５８、５８ａ 突起
６０ 幅広間隔
６２ 幅狭間隔
６４ 流通部領域

Claims (1)

1. １対のセパレータと、前記１対のセパレータの積層方向で前記１対のセパレータに並んで配置され、膜電極ガス拡散層接合体の周りを囲む絶縁フレームと、を有する単セルと、
   前記１対のセパレータ及び前記絶縁フレームを貫通し、流体が流通するマニホールドと、を備え、
   前記１対のセパレータのうちの一方のセパレータは、前記マニホールドと前記膜電極ガス拡散層接合体に重なって配置された流路との間を少なくとも延在する中空状の第１突出部からなるシール部と、前記シール部に交差して延在し、前記マニホールドと前記シール部に対して前記マニホールドとは反対側との間で前記流体を流通させる中空状の第２突出部からなる複数の流通部と、を有し、
   前記複数の流通部は、第１間隔で隣接した流通部と、前記第１間隔よりも広い第２間隔で隣接した流通部と、を含み、
   前記一方のセパレータは、前記複数の流通部が設けられた流通部領域以外における前記シール部の両側と前記流通部領域のうちの前記第２間隔で隣接した前記流通部の間における前記シール部の両側とで前記１対のセパレータのうちの他方のセパレータ又は前記絶縁フレームに接合している、燃料電池。
   

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