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KR20070001149U - 연료 전지용 음극 유동장 판 - Google Patents

연료 전지용 음극 유동장 판

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Publication number
KR20070001149U
KR20070001149U KR2020070006859U KR20070006859U KR20070001149U KR 20070001149 U KR20070001149 U KR 20070001149U KR 2020070006859 U KR2020070006859 U KR 2020070006859U KR 20070006859 U KR20070006859 U KR 20070006859U KR 20070001149 U KR20070001149 U KR 20070001149U
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KR
South Korea
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substrate
flow field
field plate
channel structure
slot
Prior art date
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Ceased
Application number
KR2020070006859U
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English (en)
Inventor
슈 히스-밍
챙 티상-밍
카오 치-정
팬 춘-웨이
후앙 웨이-리
Original Assignee
안티그 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 고안에 따르면, 기판; 상기 기판의 일측면에 형성되며, 상기 기판에서 상기 기판의 일부 작은 영역을 파서 공동 영역(hollow area)으로 형성되는 션트부; 상기 기판 상에 형성되며 상기 션트부 및 적어도 하나의 슬롯 몸체 사이에 연결되는 유입 채널 구조; 상기 기판 상에 배열되고 형성되는 슬롯 몸체들로서, 상기 슬롯 몸체들 각각을 위한 형성부가 각각의 막 전극 조립체를 위한 음극의 형성부와 대응적으로 연결되는 슬롯 몸체들; 상기 기판 상에 형성되며 상기 슬롯 몸체들과 유출구 홀 사이에 연결된 유출 채널 구조; 및 상기 기판의 일측면에 형성되고 상기 유출 채널 구조에 연결된 유출구 홀로서, 상기 유출구 홀은 상기 기판의 일부 작은 영역을 공동 영역으로 파서 형성되는 유출구 홀을 포함하는 연료용 음극 유동장 판이 제공된다.
연료 전지, 음극, 전류 수집편, 유동장,

Description

연료 전지용 음극 유동장 판{Anode flow field board for fuel cell}
도 1은 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 연료 전지용 음극 유동장 판의 입체 구성도이며;
도 2는 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 전류 수집편에 대한 입체 구성도이며;
도 3은 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 전류 수집편을 갖춘 음극 유동장 판의 입체 구성도이며;
도 4는 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 전기 구성요소가 결합된 음극 유동장 판의 입체 구성도이며;
도 5는 본 고안에 따른 또 다른 바람직한 실시예의 전기 구성요소가 결합된 음극 유동장 판의 입체 구성도이며;
도 6은 본 고안에 따른 또 다른 변형된 실시예의 연료 전지용 음극 유동장 판의 도해(diagram)이며; 그리고,
도 7은 본 고안에 따른 또 다른 변형된 실시예의 추가적인 연료 전지용 음극 유동장 판에 대한 도해이다.
본 고안은 연료 전지용 유동장 판와 관련한 것이며, 보다 상세하게는, 특별히 전체 중량이 매우 가볍고, 낮은 제조 단가를 가지며 음극 연료와 음극 생성물이 보다 순조롭게 흐를 수 있는 유동장 환경을 제공하기 위하여 균일한 밀도를 유발시키는 혼합 과정을 갖는 유동장 판(Anode flow field board)에 관한 것이다.
연료 전지는 전극 반응을 통하여 연료에 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 위한 발전 장치이다. 다양한 형태의 연료 전지가 있으며, 분류 방법에도 여러가지가 있다. 연료 전지를 전해질 성질의 차이에 따라 분류하면, 알칼리성 연료 전지, 인산 연료 전지, 양성자 교환막 연료 전지, 용해된 탄산염 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지와 같은, 다섯 가지의 전해질 연료가 있다.
공지의 연료 전지 구조에 있어서, 유동장 판은 막 전극 조립체의 양 측면에 위치한다. 그리고 사용되는 재료는 높은 전기전도성, 높은 강도, 쉬운 제조성, 가벼운 무게 및 낮은 비용의 특징을 가져야 한다. 최근에는 유동장 판을 만들기 위한 재료로서 흑연, 알루미늄 그리고 스테인리스 강등이 사용되며, 일반적으로 흑연으로 만들어진다. 그리고 연료를 공급하기 위한 채널로서 유동 장 위에 채널을 가공하여 반응물이 채널을 통하여 확산층에 도착한 후 작용층으로 흘러들어가서 촉매층과 반응하도록 한다. 또한, 유동장 판은 전류를 전도하는 기능을 가지고 있어 반응으로부터 생성된 전류가 전도되고 적용되도록 함으로써 전류 수집판으로서의 기능을 갖는다.
그러나 공지의 흑연 판과 같은, 유동장 판은 체적이 크고 무게가 충분히 가 볍지 않았다. 따라서, 본 고안의 고안자는 공지의 유동장 판의 불편함을 인식하고, 신규한 음극 유동장 판을 개발하기 위하여 노력하였다.
본 고안의 주요 목적은 특히 전체적으로 가볍고, 낮은 제조 단가를 가지며 음극 연료와 음극 제조물이 보다 유연하게 유동할 수 있도록 유동장 환경이 제공되는 음극 유동장 판을 제공하는 것이다.
본 고안의 또 다른 목적은 전류 수집 기능을 갖는 음극 유동장 판을 제공하여, 연료 전지 자체의 부피 및 무게를 매우 줄일 수 있을 뿐 아니라 유동장 판의 전류 수집 기능을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
본 고안의 추가적인 목적은 균일한 밀도 및 균일한 유동 부피를 갖는 음극 유동장 판을 제공하여, 연료 혼합 후 연료의 전력 생성 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
이를 위하여 본 고안에 따르면, 기판, 상기 기판 상에 형성되는 션트부(shunt portion), 유입 채널 구조, 적어도 하나의 슬롯 몸체, 유출 채널 구조, 유출구 홀을 포함하는 연료 전지용 음극 유동장 판이 제공되며, 이때, 상기 션트부는 상기 기판의 작은 영역을 파내서 공동 영역을 형성함으로써 형성되며, 상기 유입 채널 구조는 상기 션트부와 상기 슬롯 몸체 사이에 연결되고, 상기 슬롯 몸체의 비열을 위하여 형성된 부분들은 각각의 막-전극 조립체를 위한 음극의 형성부와 연결되며; 상기 유출 채널 구조는 상기 슬롯 몸체와 유출구 홀 사이에 연결되고; 그 리고 상기 유출구 홀은 상기 유출 채널 구조에 연결되고, 상기 유출구 홀은 상기 기판의 작은 부분을 파내어 공동 영역으로 형성함으로써 이루어지도록 형성된다.
본 고안의 상기 목적 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1을 참조하면, 본 고안에 따른 음극 유동장 판(1)은 연료 전지에 적용되며, 이때 연료 전지에는 적어도 하나의 막 전극 조립체가 제공된다. 본 고안에 따른 음극 유동장 판(1)은, 기판(11), 션트부(12), 유입 채널 구조(13), 적어도 하나의 슬롯 몸체(14), 유출 채널 구조(15), 및 유출구 홀(16)을 포함하며, 이는 하기에서 상세하게 설명될 것이다.
기판(11)은 내화학성의 비전도체 엔지니어링 플라스틱 기판, 흑연 기판, 금속 기판, 플라스틱 탄소 기판, FR4 기판, FR5 기판, 에폭시 레진 기판, 유리섬유 기판, 세라믹 기판, 고분자 플라스틱 기판, 및 복합식 재료 기판 중에서 하나로 선택될 수 있다. 만일 션트부(12), 유입 채널 구조(13), 적어도 하나의 슬롯 몸체(14), 유출 채널 구조(15), 및 유출구 홀(16)이 기판(1)의 상부 표면 상에 형성된다면, 그들은 단일면 음극 유동장 판(1)를 형성할 것이다. 다른 한편으로, 만일 션트부(12), 유입 채널 구조(13), 적어도 하나의 슬롯 몸체(14), 유출 채널 구조(15), 및 유출구 홀(16)이 상기 기판(1)의 상부 표면과 하부 표면의 양측 상에 형성된다면, 그들은 양면 음극 유동장 판(1)를 형성할 것이다.
션트부(12)는 기판(11)의 일면에 형성되고, 상기 기판(11)의 작은 영역은 션트부(12)를 형성하기 위한 공동 영역으로 파여 진다. 션트부(12)의 공동 영역은 메 탄올 용액과 같은 유입 음극 연료를 수용할 수 있다. 상기 유입 음극 연료가 션트부(12)에 채워졌을 때, 음극 연료는 유입 채널 구조(13) 쪽으로 흐르게 될 것이다.
유입 채널 구조는 기판(11) 상에 형성되고 션트부(12) 및 적어도 하나의 슬롯 몸체(14) 사이에 연결된다. 유입 채널 구조(13)를 구현하기 위한 수단이 기판(11)의 표면으로부터 다수 개의 슬롯을 갖도록 파여 지고, 이와 같은 다수개의 슬롯의 단부들은 동일한 방향으로 션트부(12)에 연결된다. 동시에 상기 다수개의 슬롯의 단부들은 또 다른 방향으로 상기 슬롯 몸체(14)들과 연결된다. 유입 채널 구조(13)는 균일한 유동 체적을 갖는 설계를 채용하고 있어, 다수의 슬롯으로부터 흘러들어온 후의 션트부(12)로부터의 음극 연료는 균일한 유동 체적을 형성하기 위하여 슬롯 몸체(14)에 연결된 각각의 단부로부터 흘러나오는 음극 연료의 유출 부피를 가지게 된다. 적어도 하나의 슬롯 몸체(14)가 상기 기판(11) 상에 배열되고 형성되며, 각각의 슬롯 몸체(14)의 각각의 형성부는 각각의 막 전극 조립체를 위한 음극의 형성부와 대응적으로 연결된다. 이와 같은 슬롯 몸체(14)를 구현하기 위한 수단이 다수개의 평행한 슬롯을 형성하도록 상기 기판(11)의 표면으로부터 파여 진다. 유입 채널 구조(13)로부터의 음극 연료는 각각의 슬롯 몸체(14) 안으로 유동하여 들어오고; 그 후 각각의 막 전극 조립체의 음극으로 들어온 후; 추가적으로, 각각의 막 전극 조립체의 음극에서의 전기화학 반응에 의하여 생성된 음극 산출물이 각각의 슬롯 몸체(14) 안으로 유동할 것이며; 마지막으로, 음극 산출물 및 잔여 음극 연료가 유출 채널 구조(15)로 흐를 것이다.
한편, 슬롯 몸체(14)는 다른 구조를 채용할 수 있는데, 예를 들면, 격자 구 조를 형성하기 위하여 다수개의 교차하는 슬롯을 채용하고, 다수개의 격자형 슬롯 몸체가 상기 기판(11) 상에 배열되도록 형성될 수 있다. 또한, 슬롯 몸체(14)는 홈 구조를 체용하고, 홈이 파여진 영역을 형성하도록 상기 기판(11)의 표면으로부터 파여진다.
유출 채널 구조(15)는 상기 기판(11) 상에 형성되며,상기 슬롯 몸체(14)들과 유출구 홀(16) 사이에 연결된다. 상기 슬롯 몸체(14)에 매우 근접한 유출 채널 구조(15)의 일부의 설계는 슬롯 구조를 채용하고 있다. 상기 슬롯 구조를 위한 수단은 하나의 홈 이상을 형성하도록 상기 기판(11)의 표면으로부터 파여 진다. 유출구 홀(16)에 매우 근접한 유출 채널 구조(15)의 일부의 설계는 스트립-홀 구조를 채용하고 있다. 스트립-홀 구조는 하나의 공동 스트립-형 영역 이상을 형성하기 위하여 상기 기판(11)의 표면으로부터 파내어 짐으로써 형성된다.
스트립 홀 구조를 채용한 유출 채널 구조(15)의 일부에 대한 설계 사상은 음극 유동장 판(1)의 내부 압력을 줄이기 위하여 유출 채널을 확장하는 것이다. 따라서, 이와 같은 설계는 CO2 와 같은 음극 산출물, 혹은 거품들이 유출 채널 구조(15) 안에 남아있지 않고 유출구 홀(16)로 자연스럽게 배출될 수 있도록 한다.
유출구 홀(16)은 기판(11)의 일면에 형성되고, 유출 채널 구조(15)에 연결된다. 유출구 홀(16)은 공동 영역으로 기판(11)의 작은 부분을 파냄으로써 형성된다. 상기 유출구 홀(16)의 형성된 부분은 상기 기판(11)의 션트부(12)와 동일한 면에 형성되도록 선택될 수 있다. 음극 산출물과 상기 유출 채널 구조(15)로부터의 잔여 음극 연료가 상기 유출구 홀(16)로부터 음극 유동장 판(1)으로 흘러나갈 수 있다.
또한, 기판(11)의 표면은 추가로 인쇄 회로 기판을 채용하는 것과 같이, 회로를 구비하도록 형성되고, 녹색 페인트와 같은, 회로 기판의 표면상에 보호 페인트 층을 코팅하도록 형성될 수 있다. 프린트된 회로는 전기적으로 전류 수집편(17)에 연결된다.
또한, 본 고안은 더 나아가 적어도 하나의 전류 수집편(17)을 포함한다. 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 전류 수집편(17)이 도 2에 도시되며 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 전류 수집편을 구비한 음극 유동장 판이 도 3에 도시된다. 전류 수집편(17)을 위한 소재는 전도성 소재이고, 동시에 내식 및/또는 내산 기능이 있는 내 화학성 재료이다. 예를 들어, 스테인리스강(SUS316)편, 금박, 티타늄 금속, 흑연 재료, 탄소 금속 화합물 재료, 금속 합금 및 저임피던스 고분자 전도편 중 하나를 선택할 수 있다.
각각의 전류 수집편(17)은 각각의 슬롯 몸체(14)에 부착되고 고정된다. 상기 전류 수집편(17)은 적어도 하나의 플랜지(170)를 구비하고, 상기 플랜지는 슬롯 몸체(14)로부터 돌출된다. 전류 수집편(17)에 채용되는 구체적인 구조는 슬롯 몸체(14)의 구체적인 구조에 의하여 결정된다.
또한 각각의 전류 수집편(17) 및 각각의 슬롯 몸체(14) 사이에는 전기 전도편(미도시)이 추가로 부착되고 중간에 삽입된다. 전기전도편은 높은 전기 전도력을 갖는 재료를 채용할 수 있으며, 점 용접 방식을 사용하여, 상기 전기 수집편(17)과 상기 슬롯 몸체(14) 사이에 전기 전도편 층을 결합시킬 수 있다. 또는 열 압착 기 계를 이용하여 수지 필름, 혹은 내식 및/또는 내산 기능이 있는 접착체, 예를 들어 AB 아교를 사용하여 해당 전기 전도편을 전기 수집편(17)과 상기 슬롯 몸체(14) 사이에 결합시킬 수 있다. 추가로, 스퍼터링 및 스프레이 공정을 선택하여 상기 전기 수집편(17)의 하부 표면에 얇은 금속 층을 형성하도록 하거나, 혹은 상기 슬롯 몸체(14)의 상부 표면에 얇은 금속 층을 형성하도록 할 수 있다. 전기 전도편 및 얇은 금속 층의 재료는 금, 구리, 은, 탄소, 전기전도성이 높은 금속들 중에서 하나로 선택될 수 있다.
전기 전도편에는 적어도 하나의 플랜지가 제공되고, 상기 플랜지는 상기 슬롯 몸체(14)로부터 돌출된다.
도 4는 본 고안에 따른 바람직한 실시예의 전기 구성 요소들이 형성된 음극 유동장 판의 입체 구성 도면이다. 션트부(12)에 의하여 사용되어진 영역 이외의 기판(11)의 다른 표면, 유입 채널 구조(13), 적어도 하나의 슬롯 몸체(14), 유출 채널 구조(15) 및 유출구 홀(16)이 적어도 하나의 전기 구성요소(18)와 함께 형성되도록 구성될 수 있다. 이와 같은 전기 구성 요소(18)의 실시예들은, 예를 들어, 온도 센서, 밀도 센서, 액체 레벨 센서, 가열 장치, 냉각 장치 및 가열 필라멘트 등이다.
도 5는 본 고안에 따른 또 다른 바람직한 실시예의 전기 부품들을 구비하도록 형성된 음극 유동장 판의 입체 도면이다. 션트부(12)의 공동 영역에 의하여 형성된 내부 공간이 적어도 하나의 전기 부품(18)을 수용하도록 사용될 수 있다. 이와 같은 전기 부품(18)의 실시예들은, 예를 들어, 온도 센서, 밀도 센서, 액체 수 준 센서, 가열 장치, 냉각 장치, 및 가열 필라멘트 등이다.
도 6은 본 고안에 따른 또다른 변형 실시예의 연료 전지용 음극 유동장 판의 도해도이고, 도 7은 본 고안에 따른 추가적인 또다른 변형 실시예의 연료 전지용 음극 유동장 판의 도해도이다.
도 6 및 도 7은 션트부(12), 유입 채널 구조(13), 슬롯 몸체(14), 유출 채널 구조(15), 및 유출구 홀(16)과 같은, 기판(11) 상에 형성되는 부품들을 변형된 형상의 예로 도시한다. 당업자라면 또 다른 형상으로 수정할 수 있을 것이며, 이와 같은 변형은 본 고안의 범위 내이다.
본 고안에 따른 음극 유동장 판(1)은 메탄올 연료를 사용하는 연료 전지, 액체 연료를 사용하는 연료 전지, 가스 연료를 사용하는 연료 전지, 고체 연료를 사용하는 연료 전지와 같은, 다양한 연료 전지에 적용될 수 있을 것이다.
본 고안이 이상에서와 같이 설명되었다. 그러나 설명된 실시예들이 본 고안의 범위를 제한하는 것은 아니다. 그리고, 본 고안의 당업자들에게, 본 고안의 청구범위로부터 벗어나지 않는 변형 및 수정 본 고안의 사상 및 범위 이내이어야 한다는 점과 본 고안의 보호 범위가 하기의 청구항에서 규정되어야만 한다는 점을 명확하게 이해할 것이다.
본 고안에 따른 음극 유동장 판은 전체적인 무게가 매우 가볍고, 제조 비용이 낮으며, 음극 연료 및 음극 산출물이 보다 순조롭게 흐를 수 있는 유동장 환경을 제공한다. 이 모두가 본 고안의 장점이며 효능이 월등하게 향상된 부분이다.

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판의 일측면에 형성되며, 상기 기판에서 상기 기판의 일부 작은 영역을 파서 공동 영역(hollow area)으로 형성되는 션트부;
    상기 기판상에 형성되며 상기 션트부 및 적어도 하나의 슬롯 몸체 사이에 연결되는 유입 채널 구조;
    상기 기판 상에 배열되고 형성되는 슬롯 몸체들로서, 상기 슬롯 몸체들 각각을 위한 형성부가 각각의 막 전극 조립체를 위한 음극의 형성부와 대응적으로 연결되는 슬롯 몸체들;
    상기 기판 상에 형성되며 상기 슬롯 몸체들과 유출구 홀 사이에 연결된 유출 채널 구조; 및
    상기 기판의 일측면에 형성되고 상기 유출 채널 구조에 연결된 유출구 홀로서, 상기 유출구 홀은 상기 기판의 일부 작은 영역을 공동 영역으로 파서 형성되는 유출구 홀을 포함하는 연료용 음극 유동장 판.
  2. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 전류 수집편을 더 포함하고, 상기 전류 수집편은 전도성 재료로 만들어지며, 각각의 전류 수집편은 상기 각각의 슬롯 몸체들에 부착되고 고정되는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전류 유동장 판은 적어도 하나의 플랜지를 포함하고, 상기 플랜지는 상기 슬롯 몸체로부터 돌출되는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유입 채널 구조는 균일 유동 체적을 갖는 구조인, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 슬롯 몸체는 다수개의 평행 슬롯에 의해 형성되는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유출 채널 구조의 일부는 스트립형 공동 구조이며; 상기 유출 채널 구조의 다른 부분들은 슬롯 구조인, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은, 내화학성의 비전도체 엔지니어링 플라스틱 기판, 흑연 기판, 금속 기판, 플라스틱 탄소 기판, FR4 기판, FR5 기판, 에폭시 레진 기판, 유리섬유 기판, 세라믹 기판, 고분자 플라스틱 기판, 및 복합식 재료 기판 중에서 선택된 어느 하나인, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 추가로 인쇄 회로를 구비하도록 형성되고, 상기 인쇄 회로는 전기적으로 상기 전류 수집편에 연결되는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 전류 수집편은 스테인리스강(SUS316)편, 금박, 티타늄 금속, 흑연 재료, 탄소 금속 화합물 재료, 금속 합금 및 저임피던스 고분자 전도편 중에서 선택된 어느 하나인, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유동장 판은 단일면 유동장 판인, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 유동장 판은 양면 유동장 판인, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 슬롯 몸체는 상기 기판의 표면으로부터 홈이 파여진 구조인, 연료 전지 용 음극 유동장 판.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 슬롯 몸체는 다수의 교차된 슬롯을 구비하도록 형성된, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  14. 제 1항에 있어서,
    추가로 적어도 하나의 전기 부품을 포함하고, 상기 전기 부품은 상기 기판 상에 형성되는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 전기 부품은 온도 센서, 밀도 센서, 액체 수준 센서, 가열 장치, 냉각 장치 및 가열 필라멘트를 포함하는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 션트부의 내부 공간 안에 수용되는 적어도 하나의 전기 부품을 더 포함하는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 전기 부품은, 온도 센서, 밀도 센서, 액체 수준 센서, 가열 장치, 냉각 장치 및 가열 필라멘트를 포함하는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 션트부 및 유출구 홀은 상기 기판의 동일면 상에 형성되는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
  19. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 전도편을 더 포함하고, 상기 전도편은 각각의 전류 수집편 및 각각의 슬롯 몸체 사이에 형성되고 삽입되는, 연료 전지용 음극 유동장 판.
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