JPH03501905A - アルカリ金属エネルギー交換装置および構成方法 - Google Patents

アルカリ金属エネルギー交換装置および構成方法

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JPH03501905A JP63508831A JP50883188A JPH03501905A JP H03501905 A JPH03501905 A JP H03501905A JP 63508831 A JP63508831 A JP 63508831A JP 50883188 A JP50883188 A JP 50883188A JP H03501905 A JPH03501905 A JP H03501905A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 アルカリ金属エネルギー変換HMおよび構成方法1可至且1 本発明は、例えばアルカリ金Il&電池および特にナトリウム硫黄電池(sod ium 5ulphur cell ) (Dヨウナフルカリ金属エネルギー変 換装置およびこのようなllaを構成する方法に関する。このような電池は通常 電池の作動温度で液状である陰極反応物質および陽極反応物質を分離する固体電 解質機素を使用しているのである。
11図11 このような装置の公知の構造は外部ケーシングと、こ素と、この絶縁機業に封止 された少なくとも1つの金属部材とを含んでいる。この構造は通常2つの電極区 域を両方とも互いに、また外部環境から遮断する装置の封止装置の部分を形成し ている。例えば、この装置の外部ケーシングは金属になすことができ、電極区域 の封止は何れもケーシングの金属および電解質機素の間に封止部が作られること を必要とする。しかし、ケーシングの金属は電解質機素から電気的に絶縁されて いなくてはならず、この絶縁は電気的絶縁機素を介在させることによって与えら れるのである。
ナトリウム硫黄1M池に応用されたこのような配置の例は英国公開公報第210 2622号(GB−A−2102622>に示されていて、このものは管状の電 解質機素を閉鎖するアルファアルミナの蓋を有する。中央に配置された集電装置 はアルファアルミナの蓋を通る開口内に取付けられ、この蓋によって電解質機素 から絶縁されている。電解質機素の外側の外部電極区域は周囲が電池のケーシン グに溶接された薄い金属の閉鎖部材によって封止され、また内周がアルファアル ミナの蓋に封止されている。後者の薄い金属の閉鎖部材およびアルファアルミナ の蓋の間の封止部は時には必要な接着を行うために薄い金属の閉鎖機素およびセ ラミックの蓋の間に柔らかな材料、例えばアルミニウムの中間層を使用して圧縮 接着を行うことによって作られるのである。
このような接着は絶縁機素、すなわちアルファアルミナのセラミックの蓋が電解 質機素に取付けられた後で行われる。何故ならばこの取付けは高温でグレージン グ(OIaZinl+ )によって行われるために、薄い金属の閉鎖機素および セラミックの蓋の間に中間層を使用して加熱圧縮接着により作られる封止部を破 壊する恐れがあるからである。
上述と異なり、ヨーロッパ公開公報節0166605号(EP−A−01666 05)は薄い金属部材を絶縁セラミックの蓋に直接加熱圧縮接着を行い、絶縁機 素が引続きグレージングによって電解質機素に接合される場合に行われるような 引続く温度サイクルによっても不利に影響されないようなこれら2つの薄い金属 部材と絶縁セラミックの蓋との間の封止部を形成することを記載している。絶縁 機素が電解質機素に接合される前に薄い金属部材および絶縁機素の藺にこのよう な封止部を形成する可能性はこのような封止部を作るのを著しく容易にする。例 えば、金属部材および絶縁機素の重ね合せ体が同時に互いに封止されて多数の封 止部の対を形成するのを可能になす。
ナトリウム硫黄電池およびその他のアルカリ金属エネルギー変換装置の封止は良 好な性能および安全性を保証するために電池の製造においては極めて重要である が、これらの電池の通常350℃のような高い作動温度のために特に困難な問題 である。硬化材(cement )を使用する接着技術は実際的でないことが証 明されている。
特に、薄い金属の閉鎖部材の周囲を金属ケーシングに溶接することによって行わ れる外部電極区域に対する封止は、加熱圧縮の間に薄い金属部材上に形成される 薄いフィルムの完全性、一般的には普通使用される材料による酸化アルミニウム の完全性に依存する。この薄いフィルムは金属部材を外側の、すなわち硫黄電極 区域の腐蝕性物質による腐蝕から保liするが、これらの腐蝕性物質は詳しくは 形成された多硫化物である。
従来、薄い金属部材は、これをアルファアルミナの蓋に加熱圧縮封止を行った後 で金属ケーシングに直接に溶接されていた。しかし、この方法は溶接による熱の ために溶接部の近辺の保護酸化アルミニウムフィルムの破壊を生じるのである。
電池が使用される時の多硫化物の発生は薄い金属部材の腐蝕を生じさせ、最後に は腐蝕部の破壊を生じさせる。
発明の記述 本発明によって、外部ケーシングと、このケーシングの内部を2つの電極区域に 分割する固体電解質機素と、この電解質機素に接合された電気的絶縁機素と、こ の絶縁機素に封止された少なくとも1つの第1の金属部材とを有するアルカリ金 属エネルギー変換装置を構成する方法は前記第1の金属部材をこれよりも実質的 に厚い他の金属部材に固定し、加熱圧縮接着によって前記第1の金属部材を前記 絶縁機素に封止し、前記他の金属部材を前記ケーシングに固定する諸工程を含ん でいる。
金属ケーシングに前記実質的に厚い金属部材を封止するこの配置は損傷を受けな いでいる薄い金属部材上に保護フィルムを生じさせ、従って従来使用されて来た 薄い金属部材を被mするような損傷を受け易い薄い保護フィルムに関連する問題 を排除するのである。このような他の金属部材はその厚さが大きいために腐蝕性 の多硫化物に対して抵抗力があり、従って保護のための薄いフィルムを必要とし ない。さらに、絶縁機素に対して封止する薄い金属部材を保持することはこの後 者の封止部における柔軟性の要求を満足させて加熱圧縮接着および引続くグレー ジング作業および電池の試験の間の熱膨張差に対処できるようになすのである。
本発明の他の特徴によって、外部ケーシングと、このケーシングの内部を2つの 電極区域に分割する固体電解質機素と、この電解質機素に接合された電気的絶縁 機素と、この絶縁機素およびケーシングに封止された少なくとも1つの金属部材 とを有するアルカリ金属エネルギー変換装置を構成する方法は、予め定められた 配置にてケーシングに接触するように前記金属部材の外周を形成し、前記金属部 材を加熱圧縮接着によって絶縁機素に固定し、この金属部材の一部分をケーシン グに溶接する諸工程を含み、これによって前記予め定められた配置が、ケーシン グによって一部分境界された電極区域からの腐蝕性物質が金属部材の前記部分に 侵入するのを実質的に阻止するようになすのである。
従って、腐蝕性物質、例えば保護酸化層が溶接に関連する熱によって損傷される 区域への多硫化物の侵入が実質的に減少される。その結果、外11電極区域に対 する腐蝕の破壊の可能性は実質的に排除されるのである。
乱1旦1玉皇jLffi 本発明の例が添付図面を参照して説明されるが、これらの図面の内、 第1図はナトリウム硫黄電池の公知の配置を通る概略的長手方向断面図であり、 第2図、第3図および第4図はそれぞれ本発明によるナトリウム硫黄電池の一部 分の配置を通る概略的長手方向断面図である。
詳細な説明 図面の第1図を参照し、中心ナトリウム型のナトリウム硫黄v4池が示されてい るが、この電池は円筒形のベータアルミナ電解質の管状機素14を含み、この管 状機素は27で示されるように一端部が一体的に閉じられ、他端部がアルファア ルミナ端部iitなわちプレート15によって閉じられている。端部プレート1 5は電解質機素14の一端部にグレージングにより封止されて電気的絶縁および 機械的封止を与えるようになっている。この封止された組立体内には電解質の管 状機素14の内側の円筒面に密接して鉄の箔機素(図示せず)またはメツシュ機 素(図示せず)があって、この面に隣接して毛細管区域を残し、芯を構成してい る。この組立体の内部には電池の作動温度で液状のナトリウム20が充填されて いて、毛細管は電解質の管状機素14の内面にわたって液状ナトリウム層を保持 している。集電ロッド21がこのナトリウム内に伸長し、アルファアルミナプレ ート15の開口22を貫通している。11解質機素14の円筒形部分の外側の廻 りには、3つの1/3円筒形の機素23および硫黄を含浸されたカーボンファイ バー材料の他のコツプ形のベース機素(図示せず)によって構成された環状のカ ソード構造が配置されている。これらの機素は電解質の管状機素14および外側 の金属ケーシング1の間にあって、カソード機素23はベータアルミナ電解質の 管状機素14およびケーシング1の両者に接触している。これらのカソード機素 は公知の方法で加熱された硫黄を含浸されたファイバー材料の圧縮により形成さ れるが、硫黄は冷却されて固化し、これによって管状機素を圧縮状態に保持して 電池の組立を容易になす。電池が作動温度、通常350℃まで上昇されると、硫 黄が溶解してファイバー材料の弾性が機素23をケーシング1および電解質の管 状機素14に対して良好な接触を行うようになす。
ケーシング1はインコネル600またはクロムメッキ(chroiized ) された軟鋼より作られ、その内面には耐腐蝕性の電子的伝導性の被W124を被 覆されてケーシングおよびカーボンファイバー材料の間に電子的伝導性の1路を 形成させるのが望ましい。
アルファアルミナプレート15は中央開口22を有する円板として形成されてい る。この円板はインコネル600またはフエクラOイA (Fecralloy  A )によって形成された環状金属部材25によってケーシング1内に封止さ れているが、このインコネル600またはフエクラロイALt溶接によってケー シングの周囲に固定され、また加熱圧縮接着によってプレート15の中央開口2 2の廻りの環状区域に固定されている。電池の中央区画は開口22を貫通し、内 側金属部材9に固定された集電装置21によって閉じられていて、この内側金属 部材9はまた加熱圧縮接着によって開口22の廻りのアルファアルミナに接着さ れている。部材9は環状金j1部材25から半径方向に内方に間隔をおかれてい て、これらの部材がアルファアルミナのプレートによって互いに電気的に絶縁さ れるようになっている。
電池の製造に際し、金属部材25および9は、電池に組立てられる前にアルファ アルミナのプレート15に接着される。この接着は高温にて加圧により、また真 空状態または不活性雰囲気内で行われるのである。
0.0750a* (3thou)の厚さの7:cり5rlイ金311材に対す る通常の接着条件は、 最大接着温度 −1000℃ 最高温度における時間−20分 接着圧力 −24゜5Naw” 接着室の真空 −4X 10−2torrである。
内側金属部材9は半径方向の大きさが比較的小さく、封止は圧力を支持ワッシャ ー10を通して与えて内側金属部材9の周縁を封止することによって行われる。
ワッシャー10の材料は、内側金属部材に接着されるようなものになされている 。外側環状金属部材25は内側金属部材の廻りの小さい環状区域にわたって、僅 かにこれから間隔をおかれた位置で他の支持ワッシャー11を通して圧力を与え ることによってアルファアルミナのプレートに封止されている。
強化ワッシャ〜8もまた内側金属部材である環状の部材9の上面に加熱圧縮接着 されている。この強化ワッシャー8は部材9の厚さよりも大きい厚さを有し、部 材9の内周部分を実質的に剛性に保持するのに役立つ。ワッシャー8の外径は部 材9a5よびアルファアルミナのプレート15の間の封止部の位置に対応する支 持ワッシャー10の直径よりも実質的に小さい。
開口22を通って伸長する中央の集電装置21は環状肩部7を有し、この肩部は 強化ワッシャー8の内縁に対して封止され、これに溶接されて要求される密封封 止状態を与えている。
環状部材9はこれの外周のみでアルファアルミナのプレート15に接着されてい るから、若干の撓み性が中央集電装置21との封止部およびプレート15に対す る封止部の間に与えられるのである。部09の材料は充分に簿くされて支持ワッ シャー10および強化ワッシャー8の間の、全体を26で示された区域に若干の 撓みを許すようになっている。
この技術を利用して、金属部材に対する端部プレート12を含む多数のa]組立 体が積重ねられて単一の作動で製造されることができるのである。
本発明はざらにNIi区域の外部、すなわち電解質管状機素14および外側金属 ケーシング1の間にある部分の封止に関している。
さて、今まで使用された符号が同じ部分を示すようになされている第2図に転じ 、第1の金属部材5が実質的に厚さのさらに大きい他の金属部材4に固定されて 示されている。
実質的に環状になし得るこの第1の金属部材5はその内周の狭い区域にてアルフ ァアルミナのセラミックのプレート15に固定されているが、接着圧力は第1の 金属部材5に接着されることのできる材料の環状金属ワッシャー6を通して与え られるのである。界面ワッシャー2が設けられて第1の金属部材5をこの界面ワ ッシャーおよび前記他の金属部材4の間に挟持し、電子ビーム溶接によって第1 の金属部材を定位置に固定するようになついてる。一般的に、フエクラロイが第 1の金属部材に使用され、インコネルが前記他の金属部材4および界面ワッシャ ー2に使用され、二oK(Silo K)が支持ワッシャーに使用されるのであ る。第1の金属部材5が前記他の金属部材に溶接されて靜1組立体を形成し、こ れが引続いて加熱圧縮接着によってセラミックのプレート15に固定されるのが 望ましい、最後に、前記他の金属部材4が金属ケーシング1に電子ビーム溶接さ れて外部電極区域に対する封止部を形成するようになされている。
ここで参照される電子ビーム溶接は実際上レーザー溶接またはマイクロパルスτ IGすなわちタングステン・不活性ガス溶接のような何れの他の低エネルギー溶 接技術に置換えることもできる。
この封止部の幾何学的条件は、当接部分が実質的にセルフジラギング(5elf −jiooir+g)を行うような接合部を形成するようなものである。従って 、電子ビーム溶接工程が容易にされ、高い溶接歩留りを可能になすのである。
さて第3図を参照し、前記実質的に厚い他の部材4は環状部材として形成されて いる。第1の金属部材5は外周が他の環状部材12および前記実質的に厚い他の 部材4の間に挟持されてこれに電子ビーム溶接によって固定されるのが望ましい 。引続いて、第1の金属部材は既述の加熱圧縮接着工程によりセラミックのプレ ート15に固定されるのである。環状の部材4は最後に電子ビーム溶接によって 金属ケーシング1に固定されて外部電極区域に対する封止部を形成する。便利な ように、環状の部材4および12は管から切割られたリングになすことができ、 このようにして能率のよい材料の使用を可能になす。
さて、第4図を参照し、第1の金属部材5は外周に立上げられたフランジ18を 有するように形成されている。
この部材5は既述の加熱圧縮工程によってセラミックのプレートに固定される。
引続いて、部材5の部分16がケーシング1に電子ビーム溶接される。立上げら れたフランジはこのケーシングに密に接触するように繭形されていて、これによ って外部電極区域からの腐蝕性拗質の侵入を実質的に阻止するようになっている 。環状金a部材17が金属部材5をケーシング1に対して密に挟持するように配 置されている。
便利なように、既述の実施例は何れも多数の第1の金属部材および絶縁機素の層 を重ね合せてこの重ね合せ体に接着圧力および熱を与えることによりこれらの第 1の金属部材が周時にそれぞれの絶縁セラミックのプレートに接着されるように 配置されることができる。
/2りJ 手続補正書(自発) 平成2年5月3日

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.外部ケーシングと、このケーシングの内部を2つの電極区域に分割する固体 の電解質機素と、この電解質機素に接合される電気的絶縁機素と、この絶縁機素 に封止された少なくとも1つの第1の金属部材とを有するアルカリ金属エネルギ ー変換装置を構成する方法において、前記第1の金属部材をこれよりも実質的に さらに厚い他の金属部材に固定して前記第1の金属部材を加熱圧縮接着によって 前記絶縁機素に封止し、前記他の金属部材を前記ケーシングに固定する諸工程を 含んでいるアルカリ金属エネルギー変換装置を構成する方法。
  2. 2.外部ケーシングと、このケーシングの内部を2つの電極区域に分割する固体 の電解質機素と、この電解質機素に接合される電気的絶縁機素と、この絶縁機素 および前記ケーシングに封止された少なくとも1つの第1の金属部材とを有する アルカリ金属エネルギー変換装置を構成する方法において、前記第1の金属部材 の外周を予め定められた配置にて前記ケーシングに接触するように形放し、前記 第1の金属部材を加熱圧縮接着によって前記絶縁機素に固定し、前記第1の金属 部材の一部分を前記ケーシングに溶接し、これにより前記予め定められた配置が 前記ゲージングに一部分接着された前記電極区域から前記第1の金属部材の前記 部分に対する腐蝕性物質の侵入を実質的に阻止するようになされているアルカリ 金属エネルギー変換装置を構成する方法。
  3. 3.第2の金属部材が前記第1の金属部材に固定され、これによって前記第1の 金属部材の一部分が前記第2の金属部材および前記実質的に厚い金属部材の間に 配置されるようになされている請求の範囲第1項に記載された方法。
  4. 4.前記第2の金属部材および前記実質的に厚い部材の少なくとも1つが実質的 に環状である請求の範囲第3項に記載された方法。
  5. 5.前記絶縁機素を前記電解質機素に接合する前に前記第1の金属部材が加熱圧 縮接着によって前記絶縁機素に直接に固定されている前掲請求の範囲の何れかに 記載された方法。
  6. 6.多数の前記第1の金属部材が、これらの第1の金属部材および前記絶縁機素 の層を重ね合せてこの重ね合せ体に接着圧力および熱を加えることによって同時 にそれぞれの絶縁機素に接着されるようになされている前掲請求の範囲の何れか に記載された方法。
  7. 7.前記予め定められた配置が前記ケーシングに密に接触するように配置された 立上げられたフランジを有する前記金属部材の外周を含んでいる請求の範囲第2 項および請求の範囲第2項に関連する前掲請求の範囲の何れかに記載された方法 。
  8. 8.前記フランジの一部分が前記環状の金属部材むよび前記ケーシングの間に配 置されている請求の範囲第7項に記載された方法。
  9. 9.前記外部ケーシングが円筒形で、前記電解質機素が管状で、前記第1の金属 部材が中央開口を有する環状であり、この中央開口を通って前記第1の金属部材 から絶縁されるように間隔をおかれて集電装置が伸長している前掲請求の範囲の 何れかに記載された方法。
  10. 10.前記第1の環状金属部材が加熱圧縮接着によって前記絶縁機素に、前記第 1の環状金属部材の内周の狭い内周区域にて固定されている請求の範囲第9項に 記載された方法。
  11. 11.接着を生じさせる圧力が前記第1の環状金属部材に接着されるようになさ れた材料の環状金属ワッシャーを通って与えられるようになされている請求の範 囲第9項または第10項に記載された方法。
  12. 12.前記環状金属部材が前記絶縁機素に固定され、前記電解質機素が引続いて 前記絶縁機素に接合された後で、前記外部ケーシングがその一端部の周囲を溶接 されて前記2つの電解質区域の外部を封止するようになされている請求の範囲第 9項から第11項の何れかに記載された方法。
  13. 13.前記絶縁機素が前記管状の電解質機素のための円板状のセラミックプレー トであり、内側金属機素が加熱圧縮接着によって前記プレートに固定されて集電 装置の廻りを封止するための金属機素を形成し、この集電装置が引続いて前記内 側金属機素および前記プレートの開口を透って挿入されるようになされている請 求の範囲第9項から第12項の何れかに記載された方法。
  14. 14.前記内側金属機素が前記第1の金属部材と同時に前記プレートに接着され ている請求の範囲第13項に記載された方法。
  15. 15.前記内側金属機素を前記プレートに接着するための圧力が前記金属部材に 接着されるようになされた材料の環状金属支持機素を通して与えられるようにな されている請求の範囲第13項または第14項に記載された方法。
  16. 16.前記内側金属機素が前述の第1の金属部材の内径よりも小さい外径を有す る平らな環状シートとして形成され、前記内側金属機素が前記プレートに外周の みにて加熱圧縮接着されている請求の範囲第13項から第15項の何れかに記載 された方法。
  17. 17.金属の強化ワッシャーが内周に近接して前記内側金属機素に接着され、前 記ワッシャーの外径が、前記内側金属機素が前記プレートに封止される位置にお ける直径よりも小さく、前記集電装置が電気的接続にて前記強化ワッシャーに封 止されている請求の範囲第16項に記載された方法。
  18. 18.前記絶縁セラミック機素がアルファアルミナによって形成され、前記電解 質機素がベータアルミナになされている前掲請求の範囲の何れかに記載された方 法。
  19. 19.外部ケーシングと、前記ケーシング内にあってこれの内部を2つの電極区 域に分割する固体電解質機素と、前記電解質機素に接合された電気的絶縁機素と 、加熱圧縮接着によって前記絶縁機素に固定され、実質的にさらに厚い他の金属 部材を接着されて前記外部ケーシングに接合され、前記電極区域の1つを封止す るようになされた第1の金属部材とを有するアルカリ金属エネルギー変換装置。
  20. 20.外部ケーシングと、前記ケーシング内にあってこれの内部を2つの電極区 域に分割する固体電解質機素と、前記電解質機素に接合された電気的絶縁機素と 、加熱圧縮接着によって前記絶縁機素に封止され、外周の一部分が前記ケーシン グに溶接された少なくとも1つの第1の金属部材とを有するアルカリ金属エネル ギー変換装置において、前記第1の金属部材の外周が予め定められた配置状態に 形成され、前記ケーシングによって一部分接着された前記電極区域から前記第1 の金属部材の外周の前記部分への腐蝕性物質の侵入を実質的に阻止するようにな されているアルカリ金属エネルギー変換装置。
  21. 21.前記第1の金属部材に固定された第2の金属部材を含み、これによって前 記第1の金属部材の一部分が前記第2の金属部材および前記実質的に厚い金属部 材の間に配置されるようになされている請求の範囲第19項に記載された装置。
  22. 22.少なくとも1つの前記第2の金属部材および前記実質的に厚い部材が環状 である請求の範囲第22項に記載された装置。
  23. 23.前記予め定められた配置が前記ケーシングに密に接触するように配置され た立上げられたフランジを有する前記金属部材の外周を含んでいる請求の範囲第 20項および請求の範囲第20項に関係する前掲請求の範囲の何れかに記載され た装置。
  24. 24.前記フランジの一部分が環状金属部材および前記ケーシングの間に配置さ れている請求の範囲第23項に記載された装置。
  25. 25.前記外部ケーシングが円筒形で、前記電解質機素が環状で、前記第1の金 属部材が中央開口を有する管状で、この開口を通って前記第1の金属部材から絶 縁されるようにして集電装置が伸長している請求の範囲第19項から第24項の 何れかに記載された装置。
  26. 26.前記第1の環状部材が加熱圧縮接着によって前記第1の環状部材の内周に 対する狭い内側区域にて前記絶縁機素に接着されている請求の範囲第25項に記 載された装置。
  27. 27.前記第1の環状金属部材が金属の支持ワッシャーおよび前記絶縁機素の間 に挟持されてこれら両者に環状区域にて加熱圧縮接着されている請求の範囲第2 6項に記載された装置。
  28. 28.前記絶縁機素が前記管状電解質機素のための円板状のセラミックプレート であって、加熱圧縮接着によって前記プレートに固定された内側金属部材があり 、これが集電装置の廻りの封止を行うための金属部材を形成している請求の範囲 第25項から第27項の何れかに記載された装置。
  29. 29.前記内側金属部材が環状金属支持機素および前記絶縁セラミックプレート の間に挟持されてこれら両者に環状区域にて加熱圧縮接着されている請求の範囲 第28項に記載された装置。
  30. 30.前記内側金属部材が前述の第1の金属部材の内径よりも小さい外径を有す る平らな環状シートとして形成されていて、前記内側金属部材が外周の廻りだけ で前記プレートに加熱圧縮接着されている請求の範囲第28項または第29項に 記載された装置。
  31. 31.内周に近接して前記内側金属部材に接着された金属の強化ワッシャーを有 し、このワッシャーの外径が、前記内側金属部材が前記プレートに封止される位 置における直径よりも小さく、前記集電装置が電気的接続にて前記強化ワッシャ ーに封止されている請求の範囲第30項に記載された装置。
  32. 32.前記第1の金属部材および/または前記他の金属部材がナトリウムおよび /または硫黄/ナトリウム多硫化物による化学的腐蝕に対して抵抗する鉄ベース またはニッケルペースの合金より形成されている前掲請求の範囲第19項から第 30項の何れかに記載された装置。
  33. 33.添付図面を参照して実質的に前述されたアルカリ金属エネルギー変換装置 。
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