JP4821111B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、単セルと呼ばれる構造を単位として形成されており、単セルは、電解質層と、電解質層の両面に設けられた触媒層と、触媒層のさらに外側に設けられたガス流路と、を備えている。燃料電池の構造の一例として、上記ガス流路を、カーボン多孔質体によって構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池では、触媒上で進行する電気化学反応に供されるガスは、カーボン多孔質体内に形成される空間を通過する。

特開平８−２５５６１９号公報 特開平６−３４９５０８号公報 特開２００２−３６７６５５号公報

燃料電池では、一般に、アノード側に供給される燃料ガスとしては、水素ガスや、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスが用いられ、カソード側に供給される酸化ガスとしては空気が用いられる。このように、活物質（酸素）濃度が低い空気を酸化ガスとして用いる場合には、燃料電池にガスを供給する際には、カソード側ガス流路に供給する酸化ガス流量を、アノード側ガス流路に供給する燃料ガス流量よりも、多くする必要がある。

ここで、燃料電池にガスを供給する際には、ガス流路における圧力損失を抑えることが望ましいが、上記のように一方のガス流路に供給するガス流量を相対的に多くする場合には、この一方のガス流路において圧力損失が大きくなってしまう。圧力損失を低減するには、ガス流路におけるガスが通過可能な空間をより大きくすればよいが、ガス流路を構成する多孔質体を大きくするという方法は、燃料電池全体が大型化してしまうため採用し難い。その他に、ガス流路を構成する多孔質体の気孔率を上昇させる方法も考えられる。ここで、カーボンは、導電性および耐食性に優れ、燃料電池の構成部材を形成する材料として優れた性質を有しているが、カーボン多孔質体の気孔率を上昇させることによってガスが通過可能な空間を確保しようとすると、カーボン多孔質体全体の強度が不十分となる可能性がある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の大型化や強度の低下を伴うことなくガス流路の空間を確保して、圧力損失を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と、
前記電解質層の両面に形成された触媒を備える電極と、
各々の前記電極上に配設されると共に、電子伝導性を有する多孔質体によって形成され、該多孔質体内に形成された細孔から成る空間が、前記電極に給排されるガスの流路となるガス流路形成部材と
を備え、
前記ガス流路形成部材のうち、供給されるガスの流量がより多い一方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、他方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材に比べて、靱性がより高い材料によって形成されると共に、気孔率がより高い多孔質体から成ることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、供給されるガスの流量がより多い一方の側のガス流路を形成するガス流路形成部材を、他方のガス流路を形成するガス流路形成部材よりも靱性が高い材料によって形成しているため、気孔率をより高くしても、ガス流路形成部材全体の強度を保つことができる。したがって、供給されるガスの流量がより多い側のガス流路形成部材を大型化しなくても、ガス流路形成部材の気孔率をより高くすることで、ガス流路となる空間を確保し、圧力損失を低減することができる。

本発明の燃料電池において、前記一方の側のガス流路は、カソード側のガス流路であり、前記他方のガス流路は、アノード側のガス流路であることとしても良い。例えば、カソード側に供給するガスとして簡便な空気を用いる場合には、カソード側に供給するガスの方がガス量がより多くなり、上記構成とすることで既述した効果が得られる。

本発明の燃料電池において、さらに、
各々の前記ガス流路形成部材の外側に隣接して設けられ、電子伝導性を有すると共に、前記ガス流路の外壁の一部を構成するセパレータを備え、
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、前記他方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材よりも、曲げ強度が強く、
前記一方の側の前記セパレータは、前記他方の側の前記セパレータよりも、厚みが薄く形成されていることとしても良い。

このような構成にすれば、曲げ強度がより強いガス流路形成部材を設けた一方の側では、セパレータの外部から印加される圧力が面内で不均一な場合であっても、ガス流路形成部材が、この不均一な面圧を吸収することができる。したがって、上記一方の側のセパレータをより薄く形成しても、電極および電解質層に印加される面圧を均一化することができる。このように、セパレータの薄型化が可能となることで、燃料電池をさらに小型化することができる。なお、セパレータは、例えば、ガス流路形成部材に当接する表面が平坦な板状部材とすることができる。この場合には、燃料電池は、表面が平坦な板状部材の積層体となり、燃料電池の構成および燃料電池の組み立て工程を簡素化できる。

また、上記燃料電池において、
前記燃料電池は、前記電解質層、前記電極、前記ガス流路形成部材および前記セパレータを備える単セルを複数積層することによって形成されており、
隣り合う前記単セル間には、各々の前記単セルが備える前記セパレータの間に、冷媒の流路を形成する中空部と、該中空部以外の領域である中実部とを備える冷媒流路形成部材が配設されていることとしても良い。

このような場合には、セパレータ外から単セル内部に印加される圧力が、冷媒流路形成部材における中空部に対応する領域ではより低くなり、中実部に対応する領域ではより高くなる。このように、単セルに印加される面圧が不均一となっても、供給されるガス流量が少ない上記他方の側では、セパレータの厚みを確保することによって、電極および電解質層に印加される面圧を均一化することができる。また、上記一方の側では、流路形成部材の曲げ強度をより強く形成することによって、電極および電解質層に印加される面圧を均一化することができる。

本発明の燃料電池において、前記他方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、カーボン多孔質体から成ることとしても良い。カーボン多孔質体は、耐食性に優れておりガス流路形成部材の構成部材として望ましいが、ガス流量が多い側の流路形成部材を、カーボンよりも靱性の高い材料で形成することにより、燃料電池全体を効果的に小型化することができる。

本発明の燃料電池において、
前記一方のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、金属製多孔質体から成ることとしても良い。

金属は、カーボンに比べて靱性が高い材料であり、金属を多孔質化することにより、カーボン多孔質体よりも曲げ強度の強い部材を容易に作製することができる。

このような金属製多孔質体は、例えば、チタン製とすることができる。チタンは、特に耐食性に優れた材料であり、燃料電池内部のガス流路を形成する部材の材料として適している。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

Ａ．燃料電池の構成：
本発明の実施例である燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図１は、実施例の燃料電池の構成の概略を現わす断面模式図である。図１に示すように、実施例の燃料電池は、複数の単セル２０を積層して構成されている。単セル２０は、電解質層を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２１と、ＭＥＡ２１を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス流路形成部材２２，２３と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するセパレータ２４，２５とを備えている。

ＭＥＡ２１は、電解質層３０と、電解質層３０を間に挟んでその表面に形成された電極であるアノード３１およびカソード３２を備えている。電解質層３０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。アノード３１およびカソード３２は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。アノード３１およびカソード３２を形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加することで、ペーストを作製すればよい。このペーストを、電解質層３０上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、アノード３１およびカソード３２を形成することができる。

ガス流路形成部材２２，２３は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。アノード側のガス流路形成部材２２は、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製多孔質体によって形成されている。また、カソード側のガス流路形成部材２３は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン製の発泡金属を用いている。ここで、本実施例では、アノード側に配設されるガス流路形成部材２２よりも、カソード側に配設されるガス流路形成部材２３の方が、気孔率がより高く形成されている。このように多孔質体から成るガス流路形成部材２２，２３は、電極とセパレータとの間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間を、電気化学反応に供されるガスが通過する。すなわち、アノード３１とセパレータ２４との間でガス流路形成部材２２内部の細孔によって形成される空間は、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路を形成する。また、カソード３２とセパレータ２５との間でガス流路形成部材２３内部の細孔によって形成される空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路を形成する。ここで、既述したようにガス流路形成部材２２よりもガス流路形成部材２３の方が気孔率が高く形成されており、また、ガス流路形成部材２２，２３は、ほぼ同じ厚みに形成されているため、単セル内燃料ガス流路よりも単セル内酸化ガス流路の方が、流路容積が大きくなっている。このようなガス流路形成部材２２，２３は、アノード３１あるいはカソード３２と接触することによって、集電を行なう。

セパレータ２４，２５は、電子伝導性を有する材料で形成されたガス不透過な部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属部材やカーボン部材によって形成することができる。本実施例のセパレータ２４，２５は、凹凸のない平坦な表面を有する薄板状に形成されている。また、カソード側に配設されるセパレータ２５は、アノード側に配設されるセパレータ２４に比べて、より薄く形成されている。

ここで、例えば、カソード側のセパレータ２５をガス流路形成部材２３と同種の金属、すなわちチタンによって形成し、セパレータ２５とガス流路形成部材２３とを溶接や拡散接合などにより接合してもよい。これにより、セパレータ２５とガス流路形成部材２３との間の接触抵抗を低減し、燃料電池の内部抵抗を低減することができる。あるいは、ガス流路形成部材と、このガス流路形成部材に隣接するセパレータとが異なる材料により形成される場合には、ガス流路形成部材と接触するセパレータ表面に、ガス流路形成部材と同じ材料から成る微粒子を埋め込むこととしても良い。このように、同種の材料同士が接触する接触部を確保することで、ガス流路形成部材とセパレータとの間の接触抵抗を低減することとしても良い。

なお、単セル２０の外周部には、単セル内燃料ガス流路および単セル内酸化ガス流路におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配設されている。また、単セル２０が積層されたスタック構造の外周部には、単セル２０の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路（ガス流路形成部材２２）内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル２０に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路（ガス流路形成部材２３）内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。図１では、単セル内燃料ガス流路における燃料ガス（Ｈ₂）と単セル内酸化ガス流路における酸化ガス（Ｏ₂）とは並行に流れるように記載しているが、これらのガスの流れは、ガスマニホールドの配置によって、上記した並行の他、対向、直交など異なる向きに流れることとしても良い。

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。

図１に示す燃料電池では、さらに、隣り合う単セルの間、すなわち、ある単セルを構成するセパレータ２４と、この単セルに隣接する単セルが備えるセパレータ２５との間には、冷媒流路形成部材２６が配設されている。冷媒流路形成部材２６は、電子伝導性を有する材料で形成された板状部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属部材や緻密質カーボンなどのカーボン部材によって形成されている。冷媒流路形成部材２６には、冷媒流路形成部材２６を厚み方向に貫通する所定の形状の貫通孔が設けられている。この貫通孔は、冷媒流路形成部材２６に隣接するセパレータ２４およびセパレータ２５に挟まれることで、冷媒流路３５（図１参照）を形成する。単セル２０が積層されたスタック構造の外周部には、既述したガスを給排するマニホールドに加えて、冷媒を給排するための冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドが設けられている（図示せず）。冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、各単セル間において冷媒流路形成部材２６によって形成される冷媒流路３５に分配され、冷媒流路３５内を流れつつスタック構造内部を冷却し、その後冷媒排出マニホールドに集合する。冷媒流路形成部材２６に設ける貫通孔は、このような冷媒流路として機能することができれば、任意の形状とすることができる。

Ｂ．効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、カソード側のガス流路形成部材２３を、アノード側のガス流路形成部材２２を構成するカーボンよりも靱性の高い材料であるチタンから成る多孔質体により形成しているため、ガス流路形成部材２３において、気孔率をより高くしても、強度を維持することができる。ここで、ガス流路形成部材２３の気孔率をより高くすることにより、ガス流路形成部材２３を大型化することなく、単セル内を酸化ガスが通過する空間をより大きく確保することが可能となり、燃料ガスに比べて流量の多い酸化ガスの流路において、圧力損失を低減することができる。このように圧力損失を低減できることにより、酸化ガスを供給するために消費するエネルギを削減して、燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。したがって、本実施例の燃料電池によれば、燃料電池の大型化や強度の低下を伴うことなく、酸化ガス流路における圧力損失を低減して、システム効率を向上させることができる。

このとき、ガス流量がより少ないアノード側では、カソード側のようにガス流路形成部材の気孔率を高くしなくても圧力損失の増大を抑えることができる。したがって、ガス流路形成部材２２をカーボン多孔質体により形成していても、ガス流路形成部材２２の強度が不十分になることがなく、また、圧力損失を低減するためにガス流路形成部材２２を大型化する必要もない。このようにアノード側のガス流路形成部材２２はカーボン多孔質体を用いているため、燃料ガス流路では極めて優れた耐食性を確保することができる。

さらに、本実施例の燃料電池では、ガス流路形成部材２３を構成するチタン多孔質体は、靱性に優れた材料により形成されていることに加えて、ガス流路形成部材２２を構成するカーボン多孔質体よりも曲げ強度に優れた部材であるといえる。このように曲げ強度に優れた部材でガス流路形成部材２３を形成することにより、カソード側のセパレータ２５を、アノード側のセパレータ２４に比べてより薄く形成することが可能となり、燃料電池全体をさらに小型化することが可能となる。すなわち、ガス流路形成部材２３の曲げ強度が優れているために、単セルに対して印加される面圧が不均一であっても、ガス流路形成部材２３が不均一な面圧を吸収して、ＭＥＡ２１にかかる面圧をより均一化することができるため、セパレータ２５を薄型化することができるのである。

ここで、各単セルに加えられる面圧が不均一になる主要な要因として、冷媒流路形成部材２６の形状が挙げられる。図２は、単セルにおいて面圧が不均一になる様子を示す説明図である。冷媒流路形成部材２６は、冷媒流路３５となる既述した貫通孔（中空部）と、実質的な部材として存在するその他の領域（中実部）と、を備えている。燃料電池では、単セルの積層方向に押圧力が加えられることによってスタック構造が保持されているが、冷媒流路形成部材２６を介して積層方向に押圧力が加えられると、単セル内では、上記中空部に対応する領域は、比較的弱い圧力がかかる低面圧領域となる。また、上記中実部に対応する領域は、比較的強い圧力がかかる高面圧領域となる。

このように面圧が不均一な状態では、低面圧領域では、高面圧領域に比べて、ガス流路形成部材２２，２３がＭＥＡ２１に対して押しつけられる力が弱い状態となる。したがって、低面圧領域では、ガス流路形成部材２２，２３と電極との間の接触抵抗が大きくなり、発電効率が部分的に低下する可能性がある。また、高面圧領域と低面圧領域とが生じると、電極上において、水素や酸素などの活物質が給排される効率や、生成水の移動効率、あるいは電子の移動効率なども不均一となり、発電効率が面内で部分的に低下する可能性がある。このように発電効率が面内で不均一になると、燃料電池全体としても発電効率が低下する。これに対して本実施例の燃料電池は、カソード側では、ガス流路形成部材２３を曲げ強度が強い部材で形成して不均一な面圧を吸収することによって、ＭＥＡ２１印加される面圧を均一化している。そのため、セパレータ２５をより薄く形成しても、ＭＥＡ２１に印加される面圧の不均一化を防止し、発電効率の低下を抑えることができる。なお、アノード側では、単セル外から加えられる面圧の不均一さが単セル内へと伝達されるのを抑えることができる程度に、セパレータ２４の厚みを確保しているため、セパレータ２４は、セパレータ２５よりも厚くなっている。

さらに、本実施例のような固体高分子型の燃料電池においては、ＭＥＡ２１に印加される面圧を均一化できることによって、燃料電池の耐久性を向上させることができる。すなわち、ＭＥＡ２１に印加される面圧が不均一になると、望ましくない程度に高い圧力が電解質層３０において部分的に加えられる場合があり、これにより電解質層３０が損傷を受ける可能性がある。本実施例のように流路形成部材の構成材料を選択してＭＥＡ２１に加えられる面圧を均一化することで、上記のような電解質層３０の損傷を防止し、燃料電池全体の耐久性を向上させることができる。

なお、上記説明では、冷媒流路形成部材２６の形状に起因して面圧の不均一が生じることとしたが、単セル内に印加される面圧の不均一さの原因は、冷媒流路形成部材２６の形状に起因する場合に限るものではない。単セル２０に対して単セル外から加えられる面圧不均一であれば、本実施例の燃料電池の構成により、同様に面圧の不均一さを緩和することができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
カソード側のガス流路形成部材２３は、チタン以外の材料により形成しても良い。すなわち、チタンを含有する金属は、純度の高いチタンの他、チタン合金も含めて、耐食性に優れた金属であり、強い酸化雰囲気となる単セル内酸化ガス流路を形成する部材の構成材料として望ましいが、他の材料を選択しても良い。例えば、ステンレス製の多孔質体や、ステンレス製の多孔質体表面をさらに金などの貴金属でメッキした部材等、他種の金属から成る多孔質体により、ガス流路形成部材２３を形成しても良い。アノード側で用いるカーボン多孔質体に比べて靱性の高い（あるいは脆性の低い）材料によって形成するならば、アノード側のガス流路形成部材よりも気孔率を高く形成しても、燃料電池の構成部材として充分な強度を保つことが可能となり、燃料電池を大型化することなく酸化ガス側の圧力損失を低減することができる。また、このような多孔質体が、アノード側で用いるカーボン多孔質体に比べて曲げ強度がより強い多孔質体であれば、単セル外部から加えられる圧力が面内で不均一となる場合にも、この面圧の不均一さを吸収して、電極表面における接触抵抗を面全体で良好に保つことができる。

Ｅ２．変形例２：
また、金属などの剛性の高い材料で形成したガス流路形成部材２３とＭＥＡ２１との間に、さらに、ガス流路形成部材２３に比べて柔らかく、電子伝導性を有する多孔質体からなる部材を設けても良い。例えば、ガス流路形成部材２３よりも薄く形成したカーボン多孔質体を設けることとしても良い。ここでいう柔らかさとは、部材を構成する材料の柔らかさを表わすものではなく、部材全体としての柔らかさを表わしており、例えば圧縮弾性率によって表わされる柔らかさをいう。このような柔らかい部材をガス流路形成部材２３とカソード３２との間に介在させることで、カソード３２上での接触面積をより大きく確保して、カソード３２における集電性を向上させることができる。また、柔らかい部材を介在させることで、ガス流路形成部材２３がＭＥＡ２１側に対してより強い圧力で押圧される場合にも、電解質層３０の損傷を防止することができる。

Ｅ３．変形例３：
実施例では、セパレータ２４，２５を、表面が平坦な板状部材としたが、異なる形状としても良い。例えば、単セル内ガス流路を形成する側の面において、凹凸形状が形成されていても良い。このような場合にも、セパレータとＭＥＡ２１との間に形成される単セル内ガス流路全体が、多孔質体であるガス流路形成部材によって形成されるならば、カソード側のガス流路形成部材の気孔率をより高くすると共に面圧の不均一さを吸収することによる同様の効果が得られる。

Ｅ４．変形例４：
実施例では、カソード側に供給されるガス流量をより多くして、カソード側のガス流路形成部材を、より靱性が高い材料によって形成すると共に、より気孔率が高い多孔質体によって形成したが、異なる構成としても良い。燃料ガスおよび酸化ガスとして選択するガスによって、いずれのガス流量が多い場合であっても、本発明を適宜適用することができる。

Ｅ５．変形例５：
また、実施例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしても良い。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。

実施例の燃料電池の構成の概略を現わす断面模式図である。 単セルにおいて面圧が不均一になる様子を示す説明図である。

符号の説明

２０…単セル
２１…ＭＥＡ
２２，２３…ガス流路形成部材
２４，２５…セパレータ
２６…冷媒流路形成部材
３０…電解質層
３１…アノード
３２…カソード
３５…冷媒流路

Claims (3)

1. 燃料電池であって、
   電解質層と、
   前記電解質層の両面に形成された触媒を備える電極と、
   各々の前記電極上において、前記電極との間に空間を形成するように設けられた、電子伝導性を有する金属製のセパレータと、
   前記電極と前記セパレータとの双方に接して、前記空間全体を占めるように配設されると共に、電子伝導性を有する多孔質体によって形成され、該多孔質体内に形成された細孔から成る空間が、前記電極に給排されるガスの流路となるガス流路形成部材と
   を備え、
   前記ガス流路形成部材のうち、供給されるガスの流量がより多い一方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、他方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材に比べて、靱性および曲げ強度がより高い金属材料によって形成されると共に、気孔率がより高い多孔質体から成り、
   前記他方の側のガス流路を形成する前記ガス流路形成部材は、カーボン多孔質体から成り、
   前記セパレータは、前記ガス流路形成部材に当接する表面が平坦な板状部材であり、
   前記一方の側のセパレータは、前記他方の側のセパレータよりも、厚みが薄く形成されており、
   前記燃料電池は、前記電解質層、前記電極、前記ガス流路形成部材および前記セパレータを備える単セルを複数積層することによって形成されており、
   隣り合う前記単セル間には、各々の前記単セルが備える前記セパレータの間に、冷媒の流路を形成する中空部と、該中空部以外の領域である中実部とを備える冷媒流路形成部材が配設されている
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記一方の側のガス流路は、カソード側のガス流路であり、前記他方のガス流路は、アノード側のガス流路である
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記金属製多孔質体は、チタン製である
   燃料電池。

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