燃料電池
【課題】電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備える燃料電池において、多孔体からの排水性を向上させる。
【解決手段】ガスの流路を構成する多孔体２０が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である球状物２２を埋め込む。
【解決手段】ガスの流路を構成する多孔体２０が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である球状物２２を埋め込む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備える燃料電池が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−４７２９９号公報
【特許文献２】特開２００７−３２３９７５号公報
【特許文献３】特開２００７−２４２５６４号公報
【特許文献４】特開２００４−６３０９８号公報
【特許文献５】特開２００４−６３０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池では、発電時に生成された生成水が、上記多孔体が有する空孔の内壁面に付着し、この付着した生成水は、上記空孔の内壁面で膜状に広がってしまう。この広がった水は、ガスの入口と出口との圧力差では動きにくいため、特に、燃料ガスや酸化剤ガスの流速が小さいときに、排水性が悪かった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備える燃料電池において、多孔体からの排水性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、前記ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備え、前記多孔体が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である球状物が埋め込まれている、燃料電池。
【０００８】
適用例１の燃料電池では、上記多孔体が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下の球状物が埋め込まれているので、発電時に生成された生成水（水蒸気）は、多孔体が有する空孔の内壁面ではなく、球状物の表面に付着して水滴となり、ガスの入口と出口との圧力差によって動きやすくなる。また、球状物は、他の形状のものと比較して、多孔体中のガスの流れを阻害しない。したがって、上記多孔体からの排水性を向上させることができる。また、上記球状物の直径が、上記多孔体が有する空孔の平均空孔径の１／２以上であるので、球状物が燃料ガスや酸化剤ガスの流れによって流されることはなく、所望の位置で排水性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）に、燃料電池１００の断面図を示し、図１（ｂ）に、後述する多孔体２０の表面図を示した。
【００１０】
図１（ａ）に示したように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面にガス流路を構成する多孔体２０をそれぞれ積層し、これらをセパレータ３０によって挟持することによって構成されている。膜電極接合体１０は、電解質膜１２の両面に、それぞれ、触媒層１４、および、ガス拡散層１６をこの順に接合したものである。
【００１１】
そして、本実施例の燃料電池１００において、多孔体２０が有する空孔の一部には、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である金属製の球状物２２が埋め込まれている。なお、多孔体２０は、予め球状物２２を含んだ基材を多孔体化するものとしてもよいが、本実施例では、多孔体２０を形成した後に、複数の球状物２２を所望の位置に押し込んで埋め込むものとした。この製造方法によれば、予め球状物２２を含んだ基材を多孔体化して多孔体２０を製造するよりも低コストで多孔体２０を製造することができる。
【００１２】
このような燃料電池１００において、多孔体２０が有する空孔の一部に球状物２２が埋め込まれていない場合には、発電時に生成された生成水は、上記空孔の内壁面に付着し、この付着した生成水は、上記空孔の内壁面で膜状に広がってしまう。この広がった水は、ガスの入口と出口との圧力差では動きにくいため、特に、燃料ガスや酸化剤ガスの流速が小さいときに、排水性が悪くなる。このため、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタックを構成した場合、排水性が悪い燃料電池１００における、発電量低下・不安定化、ガス配流のバラツキ増加、ガス不足の燃料電池１００における触媒層１４の劣化、氷点下での凍結増加、低温始動時間の増加、氷結による触媒層１４の劣化等、種々の不具合が生じる場合があった。
【００１３】
これに対し、第１実施例の燃料電池１００では、多孔体２０が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度の球状物２２が埋め込まれているので、発電時に生成された生成水（水蒸気）は、上記空孔の内壁面ではなく、球状物２２の表面に付着して水滴となり、ガスの入口と出口との圧力差によって動きやすくなる。また、球状物２２は、他の形状のものと比較して、多孔体２０中のガスの流れを阻害しない。したがって、多孔体２０からの排水性を向上させることができる。また、球状物２２の直径が、上記空孔の平均空孔径の１／２以上であるので、球状物２２が燃料ガスや酸化剤ガスの流れによって流されることはなく、所望の位置で排水性を確保できる。この結果、多孔体２０に生成水が滞留することに起因する、上述した種々の不具合の発生を抑制することができる。また、球状物２２は金属製であるので、多孔体２０全体としての導電性を増大させ、電気抵抗を減少させることができる。
【００１４】
Ｂ．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。燃料電池における多孔体２０全体の平面図を示した。第２実施例の燃料電池の構成は、第１実施例の燃料電池１００の構成とほぼ同じであり、多孔体２０が有する空孔の一部に球状物２２が埋め込まれている。そして、第２実施例の燃料電池では、多孔体２０における球状物２２の分布が第１実施例の燃料電池１００と異なっている。
【００１５】
図示するように、本実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内において、破線で囲った一部の領域に、複数の球状物２２を集合させた球状物群２２ｇが複数配置されている。そして、本実施例では、各球状物群２２ｇにおいて、複数の球状物２２は、多孔体２０における毛管長（約３ｍｍ）以下の間隔で配置するものとした。また、本実施例では、球状物群２２ｇの大きさ、すなわち、複数の球状物２２を集合させた領域の大きさを、多孔体２０における毛管長の４倍以下とした。
【００１６】
以上説明した第２実施例の燃料電池では、多孔体２０において、複数の球状物２２を集合させて球状物群２２ｇとしているので、発電時に生成された生成水が球状物２２の表面で水滴となるときに、球状物２２を集合させていない場合よりも水滴が大きくなり、この水滴は、ガスの圧力差で動きやすくなる。したがって、球状物群２２ｇを起点とした排水パスを作ることができ、多孔体２０からの排水性をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、本実施例の燃料電池では、各球状物群２２ｇにおいて、複数の球状物２２を、多孔体２０における毛管長以下の間隔で配置することによって、重力による水滴の垂れの影響を受けずに、排水することができる。
【００１８】
なお、本実施例の燃料電池において、球状物群２２ｇの大きさを多孔体２０における毛管長の４倍以下としたのは、球状物群２２ｇの大きさが大きいほど排水パスができやすいが、大きすぎると水の塊による発電不良が起きるからであり、球状物群２２ｇの大きさを多孔体２０における毛管長の４倍以下とすることによって、上述した発電不良が起きにくくなることが実験的に分かったからである。
【００１９】
Ｃ．第３実施例：
図３は、本発明の第３実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。燃料電池における多孔体２０全体の平面図を示した。第３実施例の燃料電池の構成は、第２実施例の燃料電池の構成とほぼ同じであり、多孔体２０の面内の一部の領域に、複数の球状物群２２ｇが配置されている。ただし、第３実施例の燃料電池では、多孔体２０における球状物群２２ｇの分布が第２実施例の燃料電池と異なっている。
【００２０】
図示するように、第３実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内において、図中に矢印で示したガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇが配置されている。このガスの流れ方向は、多孔体２０中に水が存在していない場合のガスの流れ方向であり、実験、または、数値計算によって求められる。
【００２１】
以上説明した第３実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内において、ガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇを配置しているので、多孔体２０内に、ガス流入口からガス流出口に向けて連通した排水パスを形成することができ、多孔体２０からの排水性をさらに向上させることができる。
【００２２】
Ｄ．第４実施例：
図４は、本発明の第４実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。燃料電池における多孔体２０全体の平面図を示した。第４実施例の燃料電池の構成は、第３実施例の燃料電池の構成とほぼ同じであり、多孔体２０の面内の一部の領域に、複数の球状物群２２ｇが配置されている。ただし、第４実施例の燃料電池では、多孔体２０における球状物群２２ｇの分布が第３実施例の燃料電池と異なっている。
【００２３】
図示するように、第４実施例の燃料電池では、第３実施例の燃料電池と同様に、多孔体２０の面内において、図中に矢印で示したガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇが配置されている。そして、多孔体２０の面内におけるガス流入口に比較的近い領域に、ガス流出口に比較的近い領域よりも多くの球状物群２２ｇが配置されている。
【００２４】
以上説明した第４実施例の燃料電池では、第３実施例の燃料電池と同様に、多孔体２０の面内において、ガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇを配置しているので、多孔体２０内に、ガス流入口からガス流出口に向けて連通した排水パスを形成することができ、多孔体２０からの排水性を向上させることができる。
【００２５】
また、本実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内におけるガス流入口に比較的近い領域に、ガス流出口に比較的近い領域よりも多くの球状物群２２ｇを配置することによって、上流からの排水量が少なくて生成水の水滴化が比較的困難な領域においても排水性を向上させることができる。逆に、上流からの排水量が多い下流側の領域に配置される球状物群２２ｇの数を少なくすることによって、生成水によるガス拡散阻害や発電不安定を起きにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第２実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。
【図３】本発明の第３実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。
【図４】本発明の第４実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００…燃料電池
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４…触媒層
１６…ガス拡散層
２０…多孔体
２２…球状物
２２ｇ…球状物群
３０…セパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備える燃料電池が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−４７２９９号公報
【特許文献２】特開２００７−３２３９７５号公報
【特許文献３】特開２００７−２４２５６４号公報
【特許文献４】特開２００４−６３０９８号公報
【特許文献５】特開２００４−６３０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池では、発電時に生成された生成水が、上記多孔体が有する空孔の内壁面に付着し、この付着した生成水は、上記空孔の内壁面で膜状に広がってしまう。この広がった水は、ガスの入口と出口との圧力差では動きにくいため、特に、燃料ガスや酸化剤ガスの流速が小さいときに、排水性が悪かった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備える燃料電池において、多孔体からの排水性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、前記ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備え、前記多孔体が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である球状物が埋め込まれている、燃料電池。
【０００８】
適用例１の燃料電池では、上記多孔体が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下の球状物が埋め込まれているので、発電時に生成された生成水（水蒸気）は、多孔体が有する空孔の内壁面ではなく、球状物の表面に付着して水滴となり、ガスの入口と出口との圧力差によって動きやすくなる。また、球状物は、他の形状のものと比較して、多孔体中のガスの流れを阻害しない。したがって、上記多孔体からの排水性を向上させることができる。また、上記球状物の直径が、上記多孔体が有する空孔の平均空孔径の１／２以上であるので、球状物が燃料ガスや酸化剤ガスの流れによって流されることはなく、所望の位置で排水性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）に、燃料電池１００の断面図を示し、図１（ｂ）に、後述する多孔体２０の表面図を示した。
【００１０】
図１（ａ）に示したように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面にガス流路を構成する多孔体２０をそれぞれ積層し、これらをセパレータ３０によって挟持することによって構成されている。膜電極接合体１０は、電解質膜１２の両面に、それぞれ、触媒層１４、および、ガス拡散層１６をこの順に接合したものである。
【００１１】
そして、本実施例の燃料電池１００において、多孔体２０が有する空孔の一部には、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である金属製の球状物２２が埋め込まれている。なお、多孔体２０は、予め球状物２２を含んだ基材を多孔体化するものとしてもよいが、本実施例では、多孔体２０を形成した後に、複数の球状物２２を所望の位置に押し込んで埋め込むものとした。この製造方法によれば、予め球状物２２を含んだ基材を多孔体化して多孔体２０を製造するよりも低コストで多孔体２０を製造することができる。
【００１２】
このような燃料電池１００において、多孔体２０が有する空孔の一部に球状物２２が埋め込まれていない場合には、発電時に生成された生成水は、上記空孔の内壁面に付着し、この付着した生成水は、上記空孔の内壁面で膜状に広がってしまう。この広がった水は、ガスの入口と出口との圧力差では動きにくいため、特に、燃料ガスや酸化剤ガスの流速が小さいときに、排水性が悪くなる。このため、燃料電池１００を複数積層して燃料電池スタックを構成した場合、排水性が悪い燃料電池１００における、発電量低下・不安定化、ガス配流のバラツキ増加、ガス不足の燃料電池１００における触媒層１４の劣化、氷点下での凍結増加、低温始動時間の増加、氷結による触媒層１４の劣化等、種々の不具合が生じる場合があった。
【００１３】
これに対し、第１実施例の燃料電池１００では、多孔体２０が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度の球状物２２が埋め込まれているので、発電時に生成された生成水（水蒸気）は、上記空孔の内壁面ではなく、球状物２２の表面に付着して水滴となり、ガスの入口と出口との圧力差によって動きやすくなる。また、球状物２２は、他の形状のものと比較して、多孔体２０中のガスの流れを阻害しない。したがって、多孔体２０からの排水性を向上させることができる。また、球状物２２の直径が、上記空孔の平均空孔径の１／２以上であるので、球状物２２が燃料ガスや酸化剤ガスの流れによって流されることはなく、所望の位置で排水性を確保できる。この結果、多孔体２０に生成水が滞留することに起因する、上述した種々の不具合の発生を抑制することができる。また、球状物２２は金属製であるので、多孔体２０全体としての導電性を増大させ、電気抵抗を減少させることができる。
【００１４】
Ｂ．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。燃料電池における多孔体２０全体の平面図を示した。第２実施例の燃料電池の構成は、第１実施例の燃料電池１００の構成とほぼ同じであり、多孔体２０が有する空孔の一部に球状物２２が埋め込まれている。そして、第２実施例の燃料電池では、多孔体２０における球状物２２の分布が第１実施例の燃料電池１００と異なっている。
【００１５】
図示するように、本実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内において、破線で囲った一部の領域に、複数の球状物２２を集合させた球状物群２２ｇが複数配置されている。そして、本実施例では、各球状物群２２ｇにおいて、複数の球状物２２は、多孔体２０における毛管長（約３ｍｍ）以下の間隔で配置するものとした。また、本実施例では、球状物群２２ｇの大きさ、すなわち、複数の球状物２２を集合させた領域の大きさを、多孔体２０における毛管長の４倍以下とした。
【００１６】
以上説明した第２実施例の燃料電池では、多孔体２０において、複数の球状物２２を集合させて球状物群２２ｇとしているので、発電時に生成された生成水が球状物２２の表面で水滴となるときに、球状物２２を集合させていない場合よりも水滴が大きくなり、この水滴は、ガスの圧力差で動きやすくなる。したがって、球状物群２２ｇを起点とした排水パスを作ることができ、多孔体２０からの排水性をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、本実施例の燃料電池では、各球状物群２２ｇにおいて、複数の球状物２２を、多孔体２０における毛管長以下の間隔で配置することによって、重力による水滴の垂れの影響を受けずに、排水することができる。
【００１８】
なお、本実施例の燃料電池において、球状物群２２ｇの大きさを多孔体２０における毛管長の４倍以下としたのは、球状物群２２ｇの大きさが大きいほど排水パスができやすいが、大きすぎると水の塊による発電不良が起きるからであり、球状物群２２ｇの大きさを多孔体２０における毛管長の４倍以下とすることによって、上述した発電不良が起きにくくなることが実験的に分かったからである。
【００１９】
Ｃ．第３実施例：
図３は、本発明の第３実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。燃料電池における多孔体２０全体の平面図を示した。第３実施例の燃料電池の構成は、第２実施例の燃料電池の構成とほぼ同じであり、多孔体２０の面内の一部の領域に、複数の球状物群２２ｇが配置されている。ただし、第３実施例の燃料電池では、多孔体２０における球状物群２２ｇの分布が第２実施例の燃料電池と異なっている。
【００２０】
図示するように、第３実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内において、図中に矢印で示したガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇが配置されている。このガスの流れ方向は、多孔体２０中に水が存在していない場合のガスの流れ方向であり、実験、または、数値計算によって求められる。
【００２１】
以上説明した第３実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内において、ガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇを配置しているので、多孔体２０内に、ガス流入口からガス流出口に向けて連通した排水パスを形成することができ、多孔体２０からの排水性をさらに向上させることができる。
【００２２】
Ｄ．第４実施例：
図４は、本発明の第４実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。燃料電池における多孔体２０全体の平面図を示した。第４実施例の燃料電池の構成は、第３実施例の燃料電池の構成とほぼ同じであり、多孔体２０の面内の一部の領域に、複数の球状物群２２ｇが配置されている。ただし、第４実施例の燃料電池では、多孔体２０における球状物群２２ｇの分布が第３実施例の燃料電池と異なっている。
【００２３】
図示するように、第４実施例の燃料電池では、第３実施例の燃料電池と同様に、多孔体２０の面内において、図中に矢印で示したガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇが配置されている。そして、多孔体２０の面内におけるガス流入口に比較的近い領域に、ガス流出口に比較的近い領域よりも多くの球状物群２２ｇが配置されている。
【００２４】
以上説明した第４実施例の燃料電池では、第３実施例の燃料電池と同様に、多孔体２０の面内において、ガスの流れ方向に沿って、複数の球状物群２２ｇを配置しているので、多孔体２０内に、ガス流入口からガス流出口に向けて連通した排水パスを形成することができ、多孔体２０からの排水性を向上させることができる。
【００２５】
また、本実施例の燃料電池では、多孔体２０の面内におけるガス流入口に比較的近い領域に、ガス流出口に比較的近い領域よりも多くの球状物群２２ｇを配置することによって、上流からの排水量が少なくて生成水の水滴化が比較的困難な領域においても排水性を向上させることができる。逆に、上流からの排水量が多い下流側の領域に配置される球状物群２２ｇの数を少なくすることによって、生成水によるガス拡散阻害や発電不安定を起きにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第２実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。
【図３】本発明の第３実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。
【図４】本発明の第４実施例としての燃料電池の一部を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００…燃料電池
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４…触媒層
１６…ガス拡散層
２０…多孔体
２２…球状物
２２ｇ…球状物群
３０…セパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、前記ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備え、
前記多孔体が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である球状物が埋め込まれている、
燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の少なくとも一方の表面に積層され、前記ガス拡散電極に供給されるガスの流路を構成する多孔体と、を備え、
前記多孔体が有する空孔の一部に、水に対する接触角が９０度以下であって、直径が平均空孔径の１／２以上である球状物が埋め込まれている、
燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１４０７８４（Ｐ２０１０−１４０７８４Ａ）
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１６５０７（Ｐ２００８−３１６５０７）
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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