JP4544872B2 - Fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell及beauty fuel cells.
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is stored in a storage container have been proposed as next-generation energy.
図3は、従来の固体電解質形燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル1を整列集合させ、一方の燃料電池セル1と他方の燃料電池セル1との間に金属フェルトからなる集電部材3を介在させ、一方の燃料電池セル1の燃料側電極1aと他方の燃料電池セル1の酸素側電極1bとを電気的に接続して構成されている。
Figure 3 shows a cell stack of a conventional solid electrolyte fuel cell, the cell stack is aligned set a plurality of
燃料電池セル1は、支持体1c上の外周面に多孔質な燃料側電極1a、緻密質な固体電解質1d、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極1bを順次設けて構成されており、固体電解質1d、酸素側電極1bから露出した支持体1cには、酸素側電極1bに接続しないようにインターコネクタ1eが設けられ、燃料側電極1aと電気的に接続している。
The
このインターコネクタ1eは、燃料側電極1aの内部を流れる燃料ガスと、酸素側電極1bの外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。 The interconnector 1e is a dense material that reliably shuts off the fuel gas flowing inside the fuel side electrode 1a and the oxygen-containing gas flowing outside the oxygen-side electrode 1b, and is hardly changed by the fuel gas and the oxygen-containing gas. New conductive ceramics are used.
一方の燃料電池セル1と他方の燃料電池セル1との電気的接続は、一方の燃料電池セル1の燃料側電極1aを、支持体1cに設けられたインターコネクタ1e、集電部材3を介して、他方の燃料電池セル1の酸素側電極1bに接続することにより行われている。
The electrical connection between one
燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収納して構成され、支持体1c内部に燃料ガス(水素)を供給し、酸素側電極1bに酸素含有ガスを供給して1000℃程度で発電される。 The fuel cell is configured by storing the cell stack in a storage container, supplying fuel gas (hydrogen) into the support 1c, supplying oxygen-containing gas to the oxygen side electrode 1b, and generating electric power at about 1000 ° C. The
このような燃料電池セル1では、一般に、支持体1cと、燃料側電極1aが、Niと、Y2O3を含有するZrO2(YSZ)とからなり、固体電解質1dがY2O3を含有するZrO2(YSZ)からなり、酸素側電極1bが遷移金属ペロブスカイト型酸化物から構成されている。
In such a
また、上記のような燃料電池セル1を製造する方法としては、近年では製造工程を簡略化し、且つ製造コストを低減するために、支持体1cと、燃料側電極1a、固体電解質1d、インターコネクタ1eを同時焼成する、いわゆる共焼結法が提案されている。この共焼結法は非常に簡単なプロセスで製造工程数も少なく、セルの製造時の歩留まり向上、コスト低減に有利である。
Further, as a method of manufacturing the
しかしながら、従来の燃料電池セル1では、支持体1cが、Niと、Y2O3を含有するZrO2とから構成されており、Niの熱膨張係数が16.3×10−6/℃、Y2O3を含有するZrO2の熱膨張係数が10.8×10−6/℃であるため、Y2O3を含有するZrO2からなる固体電解質1dに、支持体1cの熱膨張係数を近づけることが困難であり、セル製造工程を簡略化するため、支持体1cと固体電解質1dを同時焼成すると、固体電解質1dにクラックが発生したり、固体電解質1dが支持体1c上に形成された燃料側電極1aから剥離するという問題があった。
However, in the
そこで、近年においては、固体電解質と支持体の熱膨張係数を近づけるため、支持体を、Niと、ZrO2よりも熱膨張係数の低いムライト(3Al2O3・2SiO2)やスピネル(MgAl2O4、CaAl2O4)とから形成することが行われている(特許文献1参照)。
ところが、このような燃料電池セル1では、支持体1cと固体電解質1dを同時焼成したとしても、支持体1cの熱膨張係数を固体電解質1dの熱膨張係数に近づけることができるため、固体電解質1dのクラックや、固体電解質1dの燃料側電極1aからの剥離を抑制できるものの、同時焼成時に、支持体1cのMg、Al、Si等の成分が固体電解質1dに拡散し、固体電解質1dのイオン伝導度を低下させ、燃料電池セル1の発電性能を低くするという問題があった。
However, in such a
そこで、本出願人は、支持体1cとして鉄族金属及び/又は鉄族金属の酸化物と、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prから選ばれた1種以上の希土類元素の酸化物を主成分とすることを提案した(特願2002−024980)。
Therefore, the applicant of the present invention is the iron group metal and / or iron group metal oxide as the support 1c, and one kind selected from Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr. and it suggested as a main component oxides of the above rare earth elements (Japanese Patent Application No. 2002-024980).
この燃料電池セルによれば発電性能を向上できるが、さらなる出力向上のため、燃料電池セルを詳細に分析した結果、共焼結させた場合、酸素側電極と燃料側電極間での出力は向上するものの、燃料側電極とインターコネクタ間の電位降下が従来よりも若干大きくなっていることが判明した。 According to this fuel cell, the power generation performance can be improved. However, as a result of detailed analysis of the fuel cell to further improve the output, the output between the oxygen side electrode and the fuel side electrode is improved when co-sintered. However, it was found that the potential drop between the fuel electrode and the interconnector was slightly larger than before.
この電位降下が従来よりも若干大きくなる理由は明確ではないが、支持体とインターコネクタの界面の断面をEPMAにより分析した結果、例えば、支持体にY2O3を含有させた場合、インターコネクタに含有されるLa成分の拡散と、支持体に含有されるY成分の拡散が認められ、この界面に両者の偏析が観察された。このことから、両者の界面に、La−Y−O系からなる絶縁性の反応層が形成され、電位降下を大きくしていると推定される。 The reason why this potential drop is slightly larger than before is not clear. However, as a result of analyzing the cross section of the interface between the support and the interconnector by EPMA, for example, when the support contains Y 2 O 3 , the interconnector The diffusion of the La component contained in and the diffusion of the Y component contained in the support were observed, and segregation of both was observed at this interface. From this, it is presumed that an insulating reaction layer made of La—Y—O system is formed at the interface between the two, and the potential drop is increased.
本発明は、導電性支持体とインターコネクタ間の電位降下を小さくし、発電能力の高い燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention comprises a conductive support and a potential drop between the interconnector can be reduced, and to provide a high power generation capacity fuel cell及beauty fuel cells.
本発明の燃料電池セルは、導電性支持体上に、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極が順次設けられ、前記導電性支持体上の前記燃料側電極が設けられていない部位に、導電性中間膜を介してインターコネクタが設けられてなる燃料電池セルであって、前記導電性支持体が、Ni及び/又はNiOとセラミック粒子とからなり、前記導電性中間膜がNi及び/又はNiOと、希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2とからなることを特徴とする。
Fuel cell of the present invention, on the electrically conductive substrate, the fuel-side electrode, the solid electrolyte, the oxygen side electrodes are sequentially provided, at a portion where the fuel side electrode on the conductive support is not provided, the conductive a fuel cell comprising an interconnector is provided via sexual intermediate layer, wherein the conductive support is made of a Ni and / or NiO and ceramic particles, wherein the conductive intermediate layer is Ni and / or NiO And ZrO 2 or CeO 2 formed by dissolving a rare earth element as a solid solution.
このような燃料電池セルでは、一般にセラミックスから構成されるインターコネクタと、Ni及び/又はNiOとセラミック粒子とからなる導電性支持体との間に、Ni及び/又はNiOと、希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2とからなる導電性中間膜が形成されているため、インターコネクタと導電性支持体との間の中間膜により、同時焼成時における両者間の元素の相互拡散を抑制でき、導電性支持体とインターコネクタとの間の電位降下を小さくできるとともに、インターコネクタと導電性支持体との接合強度を向上できる。さらに、導電性中間膜はNi及び/又はNiOを含有しているため、インターコネクタと導電性支持体との間の導電性を向上できる。
In such a fuel cell, typically an interconnector made of a ceramic, between the Ni and / or the conductive support ing from the NiO and ceramic particles, and Ni and / or NiO, solid rare earth elements Since a conductive intermediate film made of dissolved ZrO 2 or CeO 2 is formed, the intermediate film between the interconnector and the conductive support allows mutual diffusion of elements between the two during simultaneous firing The potential drop between the conductive support and the interconnector can be reduced, and the bonding strength between the interconnector and the conductive support can be improved. Furthermore, since the conductive intermediate film contains Ni and / or NiO, the conductivity between the interconnector and the conductive support can be improved.
また、本発明の燃料電池セルは、導電性中間膜の希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2の存在比率が、前記導電性支持体の前記セラミック粒子の存在比率よりも少ないことを特徴とする。
Further, the fuel cell of the present invention, the abundance ratio of ZrO 2 or CeO 2 formed by a solid solution of a rare earth element of the conductive intermediate layer is that less than the presence ratio of the ceramic particles before Kishirube conductive support It is characterized by.
このような燃料電池セルでは、インターコネクタと、このインターコネクタが設けられた導電性支持体との間に、導電性支持体のセラミック粒子の存在比率よりも少ない存在比率で希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2を含有する導電性中間膜が形成されているため、導電性中間膜中のNi量が導電性支持体のNi量よりも多くなり、インターコネクタと導電性支持体との間の導電性を向上できる。
In such a fuel cell, a rare earth element is fixed between the interconnector and the conductive support provided with the interconnector at an abundance ratio smaller than the abundance ratio of the ceramic particles of the conductive support body. since the conductive intermediate layer containing ZrO 2 or CeO 2 formed by soluble are formed, the more than Ni of Ni amount Gashirube conductive support in the conductive intermediate layer, the interconnector and the conductive The conductivity between the conductive support can be improved.
さらに、本発明の燃料電池セルは、前記導電性支持体が、前記セラミック粒子として希土類元素の酸化物を含有してなるとともに、前記インターコネクタがランタン−クロム系酸化物材料からなり、前記導電性支持体、前記燃料側電極、前記固体電解質、前記導電性中間膜及び前記インターコネクタが同時焼結されていることを特徴とする。
Furthermore, the fuel cell of the present invention, the conductive support, together comprising an oxide of a rare earth element as the ceramic particles, the interconnector lanthanum - made of a chromium-containing oxide material, wherein the conductive The support, the fuel side electrode, the solid electrolyte, the conductive intermediate film, and the interconnector are simultaneously sintered.
このような燃料電池セルでは、導電性支持体とインターコネクタとの間に、Ni及び/又はNiOと、希土類元素を固溶してなるZrO2とを含有する導電性中間膜を設けることで、同時焼成時における両者間のLa及び希土類元素の相互拡散を抑制でき、導電性支持体とインターコネクタとの間の電位降下を小さくし、発電能力の高い燃料電池セルを提供できる。 In such a fuel cell, between the electrically conductive substrate and the interconnector, by providing a Ni and / or NiO, a conductive intermediate layer containing a ZrO 2 solid solution of rare earth ing In addition, it is possible to suppress the mutual diffusion of La and rare earth elements between the two at the time of simultaneous firing, to reduce the potential drop between the conductive support and the interconnector, and to provide a fuel cell with high power generation capability.
また、このような燃料電池セルでは、導電性支持体を希土類元素の酸化物とNi及び/又はNiOとを含有する組成物から構成することにより、導電性支持体が固体電解質に及ぼす悪影響を排除できるため、固体電解質のイオン伝導度を高くすることができ、発電性能に優れた燃料電池セルを提供できる。
In such a fuel cell, the conductive support is composed of a composition containing a rare earth element oxide and Ni and / or NiO, thereby eliminating the adverse effect of the conductive support on the solid electrolyte. Therefore, the ionic conductivity of the solid electrolyte can be increased, and a fuel cell excellent in power generation performance can be provided.
このような燃料電池セルでは、希土類元素の酸化物は、焼成時や発電中に鉄族金属及び/又は鉄族金属の酸化物との固溶、反応が殆どなく、また、導電性支持体に混合する希土類元素の酸化物、例えばY2O3は熱膨張係数が8.14×10−6/℃、Yb2O3はY2O3と殆ど同程度であり、希土類元素が固溶したZrO2の熱膨張係数(約10.8×10−6/℃)よりも遥かに小さいため、Y2O3、Yb2O3などの含有比率を制御することにより、導電性支持体の熱膨張係数を固体電解質の熱膨張係数に近づけることができる。また、さらに、熱膨張係数の小さい希土類元素の酸化物を用いることにより、導電性支持体のNi量を増加させることができ、導電性支持体の電気伝導度を向上させることができ、燃料電池セルの特性を向上させることができる。
In such a fuel cell, the rare earth element oxide hardly dissolves or reacts with the iron group metal and / or iron group metal oxide during firing or during power generation, and the conductive support is used as a conductive support. Oxides of rare earth elements to be mixed, for example, Y 2 O 3 has a thermal expansion coefficient of 8.14 × 10 −6 / ° C., Yb 2 O 3 is almost the same as Y 2 O 3 , and the rare earth elements are dissolved. Since it is much smaller than the thermal expansion coefficient of ZrO 2 (about 10.8 × 10 −6 / ° C.), by controlling the content ratio of Y 2 O 3 , Yb 2 O 3, etc. The expansion coefficient can be made close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte. Further, by using a rare earth element oxide having a small thermal expansion coefficient, the amount of Ni in the conductive support can be increased, the electrical conductivity of the conductive support can be improved, and the fuel cell Cell characteristics can be improved.
また、導電性支持体は、Ni及び/又はNiOと特定の希土類元素の酸化物を主成分とするため、導電性支持体と固体電解質とを同時焼成したとしても希土類元素が固体電解質に拡散しにくく、固体電解質のイオン伝導度や酸素側電極の導電率等に悪影響を及ぼすことがなく、さらに希土類元素が仮に同時焼成時に拡散したとしても、固体電解質はそもそもY2O3、Yb2O3等の希土類元素の酸化物が固溶したZrO2から構成されているため、固体電解質への影響を最小限に抑制できる。また、Y2O3、Yb2O3などの希土類元素の酸化物は、固体電解質の安定化剤として用いられており、燃料電池セルの元素種の増加を防止できる。
In addition, since the conductive support mainly contains Ni and / or NiO and a specific rare earth element oxide, the rare earth element diffuses into the solid electrolyte even if the conductive support and the solid electrolyte are simultaneously fired. The solid electrolyte does not adversely affect the ionic conductivity of the solid electrolyte, the conductivity of the oxygen side electrode, and the like, and even if the rare earth element diffuses during simultaneous firing, the solid electrolyte is originally Y 2 O 3 , Yb 2 O 3. Since it is composed of ZrO 2 in which an oxide of a rare earth element such as a solid is dissolved, the influence on the solid electrolyte can be suppressed to a minimum. Moreover, oxides of rare earth elements such as Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 are used as solid electrolyte stabilizers and can prevent an increase in the number of element types in the fuel cell.
さらに、本発明の燃料電池セルは、前記導電性支持体中の希土類元素の酸化物は、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prから選ばれた1種以上の希土類元素の酸化物であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、導電性支持体の希土類元素の酸化物を、熱膨張係数が小さい希土類元素の酸化物とすることで、導電性支持体中の鉄族金属量を増加させることができるため、導電性支持体の電気電導度を増加させることができ、燃料電池セルの発電能力を向上できる。
Furthermore, in the fuel cell according to the present invention, the oxide of the rare earth element in the conductive support is one or more selected from Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr. wherein the of an oxide of a rare earth element. In such a fuel cell, an oxide of a rare earth element of the conductive support, the support is an oxide of a small rare earth thermal expansion coefficient, to increase the iron group metal content of the conductive support in Therefore, the electrical conductivity of the conductive support can be increased, and the power generation capacity of the fuel cell can be improved.
また、本発明の燃料電池セルは、前記導電性中間膜の厚さが20μm以下であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、導電性中間膜には、微量ながらLa成分が拡散する傾向があるが、導電性中間膜を20μm以下と薄くすることで抵抗を減少させることができ、それにより導電性中間膜を通しての電位降下を小さくできる。さらに、導電性中間膜を薄くすることにより、導電性中間膜の熱膨張係数が、インターコネクタ、燃料側電極又は導電性支持体と異なる場合であっても、導電性中間膜における剥離を防止できる。 Further, the fuel cell of the present invention is characterized in that the thickness of the conductive intermediate layer is 20μm or less. In such a fuel cell, the conductive intermediate layer, tends to trace while La component is diffused, the conductive intermediate layer can reduce the resistance by thin as 20μm or less, thereby conducting Potential drop through the conductive interlayer can be reduced. Furthermore, by reducing the thickness of the conductive intermediate film, even if the thermal expansion coefficient of the conductive intermediate film is different from that of the interconnector, the fuel-side electrode, or the conductive support, it is possible to prevent peeling of the conductive intermediate film. .
さらに、本発明の燃料電池セルは、前記インターコネクタ表面にP型半導体からなる集電膜を設けたことを特徴とする。インターコネクタ表面に直接金属の集電部材を介して集電すると非オーム接触により、電位降下が大きくなる。オーム接触をし、電位降下を少なくするためには、インターコネクタにP型半導体を接続する必要があり、例えば、P型半導体であるペロブスカイト型酸化物を用いることが重要である。これにより、インターコネクタ表面に直接金属の集電部材を介して集電するよりも、インターコネクタと集電体界面の電位降下を小さくできる。 Furthermore, the fuel cell of the present invention is characterized in that a collector layer made of P-type semiconductor on the interconnector surface. If current is collected directly on the surface of the interconnector via a metal current collecting member, the potential drop increases due to non-ohmic contact. In order to make ohmic contact and reduce the potential drop, it is necessary to connect a P-type semiconductor to the interconnector. For example, it is important to use a perovskite oxide that is a P-type semiconductor. Accordingly, the potential drop at the interface between the interconnector and the current collector can be made smaller than when the current is collected directly on the surface of the interconnector via the metal current collector.
また、本発明の燃料電池セルは、前記導電性中間膜のZrO 2 又はCeO 2 に固溶された希土類元素が、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prからなる群より選択された少なくとも1種の元素を含むZrO2又はCeO2であることを特徴とする。 Further, the fuel cell of the present invention, before Kishirubeden intermediate film rare earth element is dissolved in ZrO 2 or CeO 2 of, Y, Lu, Yb, Tm , Er, Ho, Dy, Gd, Sm, Pr ZrO 2 or CeO 2 containing at least one element selected from the group consisting of
このような燃料電池セルでは、同時焼成時における両者間のLa及び希土類元素の相互拡散を抑制でき、電子伝導性を有するセラミック粒子であるZrO2又はCeO2により導電性中間膜を形成することから、導電性支持体とインターコネクタ間の電位降下を小さくし、発電能力の高い燃料電池セルを提供できる。 In such a fuel cell, it is possible to suppress mutual diffusion of La and rare earth elements between the two at the time of simultaneous firing, and the conductive intermediate film is formed from ZrO 2 or CeO 2 which are ceramic particles having electronic conductivity. The potential drop between the conductive support and the interconnector can be reduced, and a fuel cell with high power generation capability can be provided.
さらに、本発明の燃料電池セルは、導電性中間膜の希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2は35〜45体積%、前記導電性支持体の前記セラミック粒子は35〜65体積%であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、少ないセラミック粒子を含有する導電性中間膜が形成されているため、インターコネクタと導電性支持体との間の導電性を向上できる。
Furthermore, the fuel cell of the present invention, the conductive ZrO 2 or CeO 2 formed by a solid solution of a rare earth element of the intermediate layer is 35 to 45 vol%, the ceramic particles before Kishirube conductive support 35 to 65 volume %. In such a fuel cell, since the conductive intermediate film containing few ceramic particles is formed, the conductivity between the interconnector and the conductive support can be improved.
本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、導電性支持体と固体電解質の熱膨張差による燃料電池セルの破損を防止できるとともに、導電性支持体とインターコネクタの界面での電位降下を抑制できるため、発電性能の優れた燃料電池を提供できる。 The fuel cell according to the present invention is characterized in that a plurality of the fuel cells are accommodated in a storage container. In such a fuel cell, the fuel cell can be prevented from being damaged due to the difference in thermal expansion between the conductive support and the solid electrolyte, and the potential drop at the interface between the conductive support and the interconnector can be suppressed. An excellent fuel cell can be provided.
本発明の燃料電池セルでは、一般にセラミックスから構成されるインターコネクタと、Ni及び/又はNiOとセラミック粒子とからなる導電性支持体との間に、Ni及び/又はNiOと、希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2とからなる導電性中間膜が
形成されているため、インターコネクタと導電性支持体との間の導電性中間膜により、同時焼成時における両者間の元素の相互拡散を抑制でき、導電性支持体とインターコネクタとの間の電位降下を小さくできるとともに、インターコネクタと導電性支持体との接合強度を向上できる。さらに、導電性中間膜はNiを含有しているため、インターコネクタと導電性支持体との間の導電性を向上できる。
In the fuel cell of the present invention, generally the interconnector consists of ceramic, between the Ni and / or the conductive support ing from the NiO and ceramic particles, and Ni and / or NiO, solid rare earth elements Since a conductive intermediate film made of dissolved ZrO 2 or CeO 2 is formed, the conductive intermediate film between the interconnector and the conductive support allows the elements between the two to be simultaneously fired. Mutual diffusion can be suppressed , the potential drop between the conductive support and the interconnector can be reduced, and the bonding strength between the interconnector and the conductive support can be improved. Furthermore, since the conductive intermediate film contains Ni , the conductivity between the interconnector and the conductive support can be improved.
図1は、本発明の燃料電池セル33の横断面斜視図を示すもので、燃料電池セル33は断面が扁平状で、全体的に見て平板棒状(中空平板型)であり、その内部には複数のガス流路34が軸長方向に形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of a
この燃料電池セル33は、断面が扁平状で、全体的に見て長尺状平板のY,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prから選ばれた1種以上の希土類元素の酸化物とNi及び/又はNiOとを含有する導電性支持体33a(以下、支持体と略す場合がある。)の外面に、多孔質な燃料側電極33b、緻密質な固体電解質33c、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極33dを順次積層し、酸素側電極33dと反対側の支持体33aの外面に導電性中間膜33e(以下、中間膜と略す場合がある。)、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ33f、P型半導体材料からなる集電膜33gを形成して構成されている。
The
即ち、燃料電池セル33は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部mと、これらの弧状部mを連結する一対の平坦部nとから構成されており、一対の平坦部nは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの燃料電池セル33の平坦部nの一対のうち一方は、支持体33aの平坦部に、中間膜33e、インターコネクタ33f、集電膜33gを形成して構成され、他方の平坦部nは、支持体33aの平坦部に、燃料側電極33b、固体電解質33c、酸素側電極33dを形成して構成されている。
That is, the
導電性中間膜33eは、Ni及び/またはNiOと希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2 とからなる。
Conductive
希土類元素としては、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prからなる群より選択された少なくとも1種の元素が好適に用いられる。 Examples of the rare earth elements, Y, Lu, Yb, Tm , Er, Ho, Dy, Gd, Sm, at least one elemental selected from the group consisting of Pr is suitably used.
中間膜33e中のNi化合物のNi換算量は、導電性を向上するという点から、全量中35〜80体積%が望ましく、好ましくは50〜70体積%、さらには55〜65体積%が望ましい。言い換えると、中間膜33e中の希土類元素を固溶してなるZrO 2 又はCeO 2 は、20〜65体積%、好ましくは30〜50体積%、さらには35〜45体積%が望ましい。中間膜33e中のNi換算量を35体積%以上とすることで、Niの導電パスが増加し、中間膜33eの伝導度が向上し、電圧降下が小さくなる。また、Niを80体積%以下とすることで、支持体33aとインターコネクタ33fの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面での亀裂の発生を抑制できる。
The Ni conversion amount of the Ni compound in the
また、電位降下が小さくなるという点から中間膜33eの厚さは20μm以下が望ましく、さらに、10μm以下が望ましい。また、このように、中間膜33eの厚さを薄くすることにより、仮にインターコネクタ33f、支持体33aと中間膜33eとの熱膨張係数差が大きい場合であっても、その間における界面亀裂を抑制できる。拡散を防止するという点から6μm以上が望ましい。
In addition, the thickness of the
また、支持体33aの希土類元素は中希土類元素、重希土類元素が望ましい。中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質33cのY2O3を含有するZrO2の熱膨張係数より熱膨張係数が小さく、Niとのサーメット材としての支持体33aの熱膨張係数を固体電解質33cの熱膨張係数に近づけることができ、固体電解質33cのクラックや、固体電解質33cの燃料側電極33bからの剥離を抑制できる。熱膨張係数が小さい重希土類元素の酸化物を用いることで、支持体33a中のNiを多くでき、支持体33aの電気伝導度を上げることができるという点から、さらに、重希土類元素の酸化物を用いることが望ましい。
The rare earth element of the
なお、軽希土類元素のLa、Ce、Pr、Ndの酸化物は、希土類元素の酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質の熱膨張係数未満である範囲であれば、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても何ら問題はない。
Incidentally, La of the light rare earth elements, Ce, Pr, oxides of Nd, if the summed area of the thermal expansion coefficient of the oxide is less than the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte of the rare earth elements, middle rare earth elements, heavy rare earth There is no problem even if it is contained in addition to the elements.
また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素の酸化物を用いることにより原料コストを大幅に下げることができる。その場合も、複合希土類元素の酸化物の熱膨張係数は固体電解質の熱膨張係数未満であることが重要である。
In addition, the raw material cost can be significantly reduced by using an oxide of a complex rare earth element including a plurality of inexpensive rare earth elements in the course of purification. Also in that case, it is important that the thermal expansion coefficient of the oxide of the complex rare earth element is less than the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte.
このような導電性支持体33aは、セラミック粒子としての希土類元素の酸化物と、Ni及び/又はNiOを含有することが望ましく、希土類元素の酸化物は、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prから選ばれた1種以上の希土類元素の酸化物であることが望ましい。また、支持体33aは、希土類元素の酸化物を35〜65体積%と、Ni及び/又はNiOをNi換算で35〜65体積%含有することが望ましい。このような組成比とすることにより、導電性を確保できるとともに、固体電解質の熱膨張係数に近づけることができる。
Such
そして、本発明では、導電性中間膜33eの希土類元素を固溶してなるZrO2又はCeO2の存在比率が、導電性支持体33aのセラミック粒子の存在比率よりも少ないことが望ましい。逆に言えば、導電性中間膜33eのNi及び/又はNiOのNi換算の存在比率が、導電性支持体33aのNi換算の存在比率よりも多いことが望ましい。
In the present invention, it is desirable that the abundance ratio of ZrO 2 or CeO 2 formed by dissolving the rare earth element in the conductive
また、インターコネクタ33fは、ランタンークロム系酸化物材料からなり、低温焼結するため、通常MgやSr等の添加物が添加されて形成されている。このような添加物を添加する場合には、熱膨張係数が高くなりやすいが、上記したように、中間膜33eの厚みを20μm以下とすることにより、支持体33aとインターコネクタ33fの間の界面亀裂を抑制できる。
Further, the
このインターコネクタ33f表面には、P型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜33gを設けることが望ましい。インターコネクタ33f表面に直接金属の集電部材を配して集電すると非オーム接触により、電位降下が大きくなる。オーム接触をし、電位降下を少なくするためには、インターコネクタ33fにP型半導体からなる集電膜33gを接続することが望ましく、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種からなることが望ましい。
It is desirable to provide a
支持体33aの外面に設けられた燃料側電極33bは、Niと希土類元素が固溶したZrO2とから構成される。この燃料側電極33bの厚みは1〜30μmであることが望ましい。燃料側電極33bの厚みを1μm以上とすることで、燃料側電極33bとしての3層界面が十分に形成される。また、燃料側電極33bの厚みを30μm以下とすることで、固体電解質33cとの熱膨張差による界面剥離を防止できる。燃料側電極33bは、中間膜33eの両端に接合していることが望ましい。
The
この燃料側電極33bの外面に設けられた固体電解質33cは、例えば、3〜15モル%のY等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなる緻密質なセラミックスから構成される。希土類元素としては、安価であるという点からYもしくはYbが望ましい。
The
固体電解質33cの厚さは、10〜100μmであることが望ましい。固体電解質33cの厚さを10μm以上とすることで、ガス透過を防止できる。また、固体電解質33cの厚さを100μm以下にすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。
The thickness of the
また、酸素側電極33dは、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、または、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極33dは、800℃程度の中温域での電気伝導性が高いという点から(La,Sr)(Fe,Co)O3が望ましい。酸素側電極33dの厚さは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
The
そして、支持体33a外面の一部には、その軸長方向に燃料側電極33b、固体電解質33c及び酸素側電極33dが形成されていない部分を有しており、この固体電解質33c及び酸素側電極33dから露出した支持体33aの外面には、中間膜33e、ランタン−クロム系酸化物からなるインターコネクタ33f、集電膜33gが形成されている。
A part of the outer surface of the
インターコネクタ33fは、支持体33aの内外の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密質とされており、また、インターコネクタ33fの内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。
The
このインターコネクタ33fの厚みは、30〜200μmであることが望ましい。このインターコネクタ33fの端面と固体電解質33cの端面との間には、シール性を向上すべく例えば、Y2O3からなる接合層を介在させても良い。
The thickness of the
以上のような燃料電池セル33の製法について説明する。先ず、La、Ce、Pr、Ndの元素を除く希土類元素の酸化物粉末とNi及び/又はNiO粉末を混合し、この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した支持体材料を用い、押出成形して、扁平状の支持体成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。
The manufacturing method of the
次に、Ni及び/又はNiO粉末と希土類元素が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと、溶媒を混合し、作製したスラリーを用いてシート状の燃料側電極成形体を作製し、支持体成形体に積層する。 Next, Ni and / or NiO powder, a ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved, an organic binder, and a solvent are mixed, and a sheet-like fuel-side electrode molded body is manufactured using the prepared slurry, and the support is molded. Laminate on the body.
次に、希土類元素が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと、溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体を作製し、支持体成形体上の燃料側電極成形体上に前記シート状の固体電解質成形体を積層巻き付けし、乾燥する。なお、このとき脱脂を行ってもよい。 Next, using a solid electrolyte material in which a rare earth element solid solution ZrO 2 powder, an organic binder, and a solvent are mixed, a sheet-like solid electrolyte molded body is produced, and the fuel-side electrode molded body on the support molded body The sheet-like solid electrolyte molded body is laminated and wound on the substrate and dried. In addition, you may degrease at this time.
次に、Ni及び/又はNiO粉末と希土類元素が固溶したZrO2粉と有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いてシート状の中間膜成形体を作製し、支持体成形体に積層する。 Next, a sheet-like intermediate film molded body is produced using a slurry in which Ni and / or NiO powder, a rare earth element-dissolved ZrO 2 powder, an organic binder, and a solvent are mixed, and is laminated on the support body molded body. .
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製し、中間膜成形体上に積層する。 Next, a sheet-like interconnector molded body is produced using an interconnector material in which a lanthanum-chromium oxide powder, an organic binder, and a solvent are mixed, and is laminated on the intermediate film molded body.
これにより、支持体成形体の一方の平坦部の表面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体を順次積層するとともに、他方の平坦部の表面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製する。尚、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。 As a result, the fuel-side electrode molded body and the solid electrolyte molded body are sequentially laminated on the surface of one flat portion of the support molded body, and the intermediate film molded body and the interconnector molded body are laminated on the surface of the other flat portion. A laminated molded body is produced. Each molded body can be produced by sheet molding using a doctor blade, printing, slurry dip, spraying by spraying, or the like, or a combination thereof.
次に、積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成する。 Next, the multilayer molded body is degreased and cofired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
次に、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合し、ペーストを作製し、前記積層体をこのペースト中に浸漬し、固体電解質33b、インターコネクタ33fの表面に酸素側電極成形体、集電膜成形体をディッピングにより形成するか、または、直接スプレー塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、本発明の燃料電池セル33を作製できる。
Next, a transition metal perovskite oxide powder, which is a P-type semiconductor, and a solvent are mixed to prepare a paste, and the laminate is immersed in this paste, and the oxygen side is placed on the surfaces of the
尚、燃料電池セル33は、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体33a、燃料側電極33b、中間膜33e中のNi成分が、NiOとなっているため、その後、支持体33a側から還元性の燃料ガスを流し、NiOを800〜1000℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。
The
セルスタックは、図2に示すように、複数の燃料電池セル33が複数集合してなり、一方の燃料電池セル33と他方の燃料電池セル33との間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材43を介在させ、一方の燃料電池セル33の支持体33aを、該支持体33aに設けられたインターコネクタ33f、集電膜33g、集電部材43を介して他方の燃料電池セル33の酸素側電極33dに電気的に接続して構成されている。
As shown in FIG. 2, the cell stack is composed of a plurality of
集電部材43は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Pt、Ag、Ni基合金、Fe−Cr鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。
The current collecting
尚、符号42は、燃料電池セルを直列に接続するための導電部材である。
本発明の燃料電池は、図2のセルスタックを、収納容器内に収納して構成されている。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル33に導入する導入管が設けられており、燃料電池セル33が所定温度に加熱されることにより発電し、余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼して、収納容器外に排出される。
The fuel cell of the present invention is configured by storing the cell stack of FIG. 2 in a storage container. This storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air into the
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、円筒状の支持体を用いて円筒型燃料電池セルを作製してもよく、支持体を用いる燃料電池セルであれば形状は問わない。また、酸素側電極33dと固体電解質33cとの間に、反応防止層を形成しても良い。
In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, a cylindrical fuel cell may be produced using a cylindrical support, and the shape is not limited as long as the fuel cell uses a support. Further, a reaction preventing layer may be formed between the
また、上記形態では、支持体33a上に燃料側電極を形成した例について説明したが、本発明は、別個に支持体を有しない燃料側電極支持の燃料電池セルであってもよい。この場合には、燃料側電極に中間膜を介してインターコネクタが形成されることになる。
Moreover, although the said form demonstrated the example which formed the fuel side electrode on the
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.8〜1.0μmの表1に示す周期律表第3a族元素(RE)の酸化物を、焼成後におけるNi換算の体積比率が50体積%、RE酸化物の体積比率が50体積%になるように混合した。 First, NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm and an oxide of Group 3a element (RE) in the periodic table shown in Table 1 having an average particle diameter of 0.8 to 1.0 μm after firing are converted into Ni. The mixing was performed so that the ratio was 50% by volume and the volume ratio of the RE oxide was 50% by volume.
次に、この混合粉末に、ポアー剤、PVAからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを混合して形成した支持体材料を押出成形し、扁平状の支持体成形体を作製し、これを乾燥し、1000℃まで昇温し、脱脂、仮焼し、支持体成形体を作製した。 Next, a support material formed by mixing the mixed powder with an organic binder composed of a pore agent and PVA and a solvent composed of water is extruded to produce a flat support compact, It dried and heated up to 1000 degreeC, degreased and calcined, and produced the support body molded object.
次に、8モル%Y2O3を含有するZrO2(YSZ)粉末と、上記したNiO粉末とを焼成後におけるNi換算量が50体積%、YSZの体積比率が50体積%となるように添加し、さらに、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した燃料側電極33bとなるスラリーを作製し、上記YSZ粉末と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体に燃料側電極33bとなるスラリーを印刷し、固体電解質成形体側が外側になるように支持体成形体にまき付け、積層、乾燥した。
Next, the amount of Ni converted after firing ZrO 2 (YSZ) powder containing 8 mol% Y 2 O 3 and the above-described NiO powder is 50% by volume, and the volume ratio of YSZ is 50% by volume. In addition, a slurry to be a
次に、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.8μmの表1に示す希土類元素を8モル%含有するZrO2粉末を、焼成後における体積比率が表1に示す含有量になるように混合した。尚、NiOはNi換算量である。この混合粉末と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合し、シート状の中間膜成形体を作製した。 Next, the content of the NiO powder having an average particle size of 0.5 μm and the ZrO 2 powder containing 8 mol% of the rare earth elements shown in Table 1 having an average particle size of 0.8 μm, whose volume ratio after firing is shown in Table 1 It mixed so that it might become. NiO is a Ni conversion amount. This mixed powder, an organic binder made of an acrylic resin, and a solvent made of toluene were mixed to produce a sheet-like intermediate film molded body.
この後、平均粒径1.1μmのLa(MgCr)O3系材料と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いてシート状成形体を作製した。 Thereafter, a sheet-like molded body was produced using an interconnector material obtained by mixing a La (MgCr) O 3 -based material having an average particle diameter of 1.1 μm, an organic binder made of an acrylic resin, and a solvent made of toluene.
このインターコネクタシート状成形体に前記シート状の中間膜成形体を積層し、さらに、露出した支持体成形体の平坦部外面に中間膜成形体側が支持体成形体側になるように積層し、支持体成形体に燃料側電極成形体、固体電解質成形体、中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製した。次に、この積層成形体を脱脂処理し、さらに、大気中にて1500℃で同時焼成した。 The sheet-like intermediate film molded body is laminated on the interconnector sheet-shaped molded body, and further, the intermediate film molded body side is laminated on the outer surface of the flat portion of the exposed support molded body so that the support molded body side is supported. A laminated molded body in which a fuel-side electrode molded body, a solid electrolyte molded body, an intermediate film molded body, and an interconnector molded body were laminated on the body molded body was produced. Next, this laminated molded body was degreased and further fired at 1500 ° C. in the air.
次に、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、イソプロピルアルコールからなる混合液を作製し、前記積層成形体の固体電解質33cの表面、および、インターコネクタ33fの表面にそれぞれ噴霧塗布し、酸素側電極成形体と集電膜成形体を形成し、1150℃で焼き付け、酸素側電極33dと集電膜33gを形成し、燃料電池セル33を作製した。
Next, a mixed liquid composed of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder having an average particle diameter of 2 μm and isopropyl alcohol is prepared, and the surface of the
次に、この燃料電池セル33の支持体33a側から、水素ガスを流し、850℃で還元処理を施した。
Next, hydrogen gas was flowed from the
尚、支持体33aの幅は26mm、厚みは3.5mm、長さは200mmで、酸素側電極33dは、幅24mm、長さ130mmとした。燃料側電極33bの厚みは10μm、固体電解質33cの厚みは30μm、酸素側電極33dの厚みは50μm、インターコネクタ33fの厚みは50μm、集電膜33gの厚みは50μmであった。中間膜33eの厚みは、表1に示す。
The
なお、燃料側電極33b、固体電解質33c、酸素側電極33d、中間膜33e、インターコネクタ33f、集電膜33gの厚さは断面のSEM観察から求めた。
The thicknesses of the
このようにして作製した燃料電池セル33の酸素側電極33dと集電膜33gにPt製の集電部材を形成し、この集電部材に電圧線を取り付けると同時に、ガス流路34にPt線を差し込み、参照電極とし、燃料電池セル33を850℃に加熱し、酸素側電極33dに酸素含有ガスを供給し、燃料側電極33bに燃料ガスを供給し、発電させ、電流を取り出し、0.4A/cm2の電流密度の時の参照電極と集電体との間の電位降下を測定した。測定値を表1に示す。
表1から、支持体33aとインターコネクタ33fの間に中間膜33eを形成していない本発明の範囲外である試料No.1は、0.4A/cm2の電流密度の時の電位降下が110mVと大きかった。一方、支持体33aとインターコネクタ33fの間に、Niと希土類元素を固溶してなるZrO 2 とからなる中間膜33eを形成させることで電位降下を小さくできることがわかる。
From Table 1, it can be seen from Sample No. 1 that is outside the scope of the present invention in which the
即ち、本発明の試料No.3〜11、13〜26では、支持体33aとインターコネクタ33fの間にNiと希土類元素を含有するZrO2サーメットからなる中間膜33eを形成させることで、0.4A/cm2の電流密度の時の電位降下を53mV以下と小さくすることができ、燃料電池セル33の出力を大きくすることができた。
That is, the sample No. of the present invention. 3 to 11 and 13 to 26, by forming an
さらに、中間膜33e中のNi化合物のNi換算量が35〜80体積%の試料No.4〜11は、さらに0.4A/cm2の電流密度の時の電位降下を33mV以下と小さくでき、さらに、Ni化合物のNi換算量が50〜70体積%の試料No.5〜8では、0.4A/cm2の電流密度の時の電位降下を27mV以下に小さくすることができ、さらに55〜65体積%の試料No.6,7では電位降下を21mV以下に小さくすることができた。
Further, the sample No. 5 in which the Ni conversion amount of the Ni compound in the
中間膜33eに含有されるNi化合物のNi換算量を65体積%とし、中間膜33eの厚さを5〜30μmの範囲で変化させた試料No.13〜16についてみると、中間膜33eの厚さが20μmを超える試料No.16では電位降下が53mVとやや大きくなっていることから、中間膜33eの厚さは20μm以下、特には10μm以下が好ましいことが判る。
Sample No. 5 was obtained by changing the Ni conversion amount of the Ni compound contained in the
また、支持体33a中の希土類元素をYに固定し、中間膜33e中の希土類元素を変更した試料No.17〜No.21、支持体33a中と中間膜33e中の希土類元素を変更した試料No.22〜No.26はいずれも0.4A/cm2の電流密度の時の電位降下が37mV以下と小さくなった。
In addition, the sample No. 1 in which the rare earth element in the
一方、比較例の希土類元素が固溶したZrO2を含まないNi単独の中間膜33eを持つ試料No.2は、中間膜33eと支持体33a、インターコネクタ33fとの間で亀裂が観察され、0.4A/cm2の電流密度の時の電位降下が123mVと大きくなった。尚、Ni換算量が70〜85体積%では次第に電位降下が大きくなっているが、これは、Ni量が増加することにより、中間膜33eの熱膨張係数が大きくなり、インターコネクタとの熱膨張係数差により微小な亀裂が発生しているものと考えられる。
On the other hand, the sample No. 1 having an
また、比較例のNiを含まない希土類元素が固溶したZrO2単独の中間膜33eを持つ試料No.12は、中間層33eの抵抗が大きくなるために、0.4A/cm2の電流密度の時の電位降下が244mVと非常に大きくなった。
Further, sample No. 1 having an
実施例1に基づき、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.8μmの表2に示す希土類元素を20モル%含有するCeO2粉末を、焼成後における体積比率が表2に示す含有量になるように混合した中間膜材料を用いて、実施例1と同様にして燃料電池セルを作製し、評価した。 Based on Example 1, NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm and CeO 2 powder containing 20 mol% of the rare earth elements shown in Table 2 having an average particle diameter of 0.8 μm, the volume ratio after firing is shown in Table 2. A fuel cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 using the intermediate film material mixed so as to have the content shown.
さらに、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.8〜1.0μmのY2O3を、焼成後における体積比率が表2になるように混合した支持基板材料を用いて、実施例1と同様にして燃料電池セルを作製し、評価した。これらの結果を表2に記載した。
この表2から、支持体33aとインターコネクタ33fの間に、Niと希土類元素を固溶してなるCeO2 とからなる中間膜33eを形成させることで電位降下を小さくできることがわかる。
The Table 2, between the
33・・・燃料電池セル
33a・・・導電性支持体
33b・・・燃料側電極
33c・・・固体電解質
33d・・・酸素側電極
33e・・・導電性中間膜
33f・・・インターコネクタ
33g・・・集電膜
33 ...
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