JPH04292866A - 発電装置 - Google Patents

発電装置

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JPH04292866A
JPH04292866A JP3080634A JP8063491A JPH04292866A JP H04292866 A JPH04292866 A JP H04292866A JP 3080634 A JP3080634 A JP 3080634A JP 8063491 A JP8063491 A JP 8063491A JP H04292866 A JPH04292866 A JP H04292866A
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JP
Japan
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fuel gas
gas supply
fuel
sofc
power generation
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Hidenobu Misawa
三澤 英延
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NGK Insulators Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、筒状の固体電解質型燃
料電池素子を用いて発電を行う発電装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】最近、燃料電池が発電装置として注目さ
れている。これは、燃料が有する化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換できる装置で、カルノーサイクル
の制約を受けないため、本質的に高いエネルギー変換効
率を有し、燃料の多様化が可能で(ナフサ、天然ガス、
メタノール、石炭改質ガス、重油等)、低公害で、しか
も発電効率が設備規模によって影響されず、極めて有望
な技術である。特に固体電解質型燃料電池(SOFC)
 は、1000℃の高温で作動するため電極反応が極め
て活発で、高価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせ
ず、分極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネル
ギー変換効率が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更に
、構造材は全て固体から構成されるため、安定且つ長寿
命である。
【0003】このうち、特に有底円筒状のSOFC素子
を用いた発電装置について図4に示す。図4においては
、有底円筒状の多孔質支持体16の表面に、空気電極1
7、固体電解質18、燃料電極19を順次形成し、有底
円筒状のSOFC素子8を構成する。このSOFC素子
8を発電室5内の所定位置に固定する。但し、通常はS
OFC素子8を直列及び並列に多数接続して集合電池を
構成するのであるが、図4においては便宜上SOFC素
子8を一個だけ図示する。発電室5の下方には燃料ガス
室23を設け、燃料ガス室23と発電室5とを有底部側
隔壁20で区分する。燃料ガス室23の下側には断熱隔
壁21が設けられる。発電室5の上方には排ガス室15
を設け、排ガス室15と発電室5とを開口端側隔壁13
で区分する。開口端側隔壁13には貫通孔13a を形
成し、この貫通孔13a にSOFC素子8の開口端部
を挿通する。排ガス室15の上側に断熱隔壁22を設け
、その貫通孔に酸化ガス供給管14を挿通し、保持する
。酸化ガス供給管14の先端開口は、SOFC素子8の
内側空間12にSOFC素子8の有底部へと向って開口
する。
【0004】この発電装置の動作時に、矢印Fのように
、酸化ガスを酸化ガス室より酸化ガス供給管14へと供
給すると、酸化ガス供給口より流出した酸化ガスが有底
部で反転し、多孔質支持体16の内側空間12内を流れ
、矢印Gのように排ガス室15内に流出する。一方、底
部の断熱隔壁21の燃料ガス供給孔21a より矢印A
のように燃料ガスを供給すると、燃料ガス室23内の圧
力が高くなるので、有底部側隔壁20の燃料ガス供給口
20a を通して燃料ガスが矢印Bのように発電室5内
へと供給される。この燃料ガスが燃料電極19の表面に
沿って流れると、燃料電極19の表面で上記燃料ガスと
固体電解質内を拡散してきた酸素イオンとが反応し、そ
の結果、空気電極17と燃料電極19との間に電流が流
れる。発電に使用された燃料ガスは、開口端側隔壁13
と、SOFC素子8の開口端部との間隙を通り抜け、矢
印Eのように排ガス室15内に流れる。 このSOFC素子8は1000℃程度の高温下で使用さ
れるため、シール部なしで構成できる図4に示す形態が
好ましい態様といえる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】SOFCの実用化にお
いてはコストの低減と電力密度の向上が必要である。こ
のためSOFC素子8を長尺化して一本当たりの発電出
力を上げることが要請されている。しかし、図4に示す
ような構成のSOFCにおいては、特に燃料ガス流の濃
度勾配に起因して著しい温度勾配が生ずるという問題が
あった。即ち、燃料ガス供給口20a の近辺では、ま
だ燃料含有量が多いため、この付近では電気化学的反応
に消費される燃料の量が多く、温度が上昇する。この温
度上昇によって、燃料電極19における酸素イオンと燃
料との電気化学的反応がますます活性化する。
【0006】一方、燃料ガス供給口20a から離れる
につれ、燃料ガス中の燃料濃度が減少し、この結果電気
化学的反応に消費される燃料の量が減少する。このため
、燃料電極19の温度があまり上昇せず、従って電気化
学的反応が一層不活発となる。しかも、濃度が減少した
燃料ガス中には、電気化学的反応の結果としてかなりC
O2 や水蒸気等が含まれており、これらが燃料電極1
9の表面に付着して反応を阻害するため、ますます反応
が不活発となる。このため、燃料ガス流の上流側と下流
側とでは大きな温度勾配が生じ、長期間発電装置を作動
させた場合にクラック発生の原因となりうるし、発電効
率自体にも悪影響がある。そして、この傾向は、SOF
C素子8が長くなるにつれて一層激しく、顕著になる。
【0007】本発明の課題は、筒状のSOFC素子を接
続した集合電池を発電室内に設置して発電を行う発電装
置において、発電室内を流れる燃料ガス中の燃料濃度の
勾配を小さくし、これにより生ずる温度差を低減するこ
とである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数の筒状固
体電解質型燃料電池素子を電気的に接続して集合電池を
構成し、この集合電池の正極と負極とを集電体に接続し
、電気的に接続された隣合う前記素子の間に燃料ガス供
給管を介在させ、前記集合電池と前記集電体と前記燃料
ガス供給管とを発電室に設置した発電装置であって、前
記素子の内側空間に酸化ガスを供給しかつ前記燃料ガス
供給管の側周面から前記発電室へと燃料ガスを供給する
ように構成した発電装置に係るものである。
【0009】燃料ガスとは、水素、改質水素、一酸化炭
素等の燃料を含むガスをいう。「酸化ガス」とは、酸素
、過酸化水素等の酸化剤を含むガスをいう。「筒状固体
電解質型燃料電池素子」は、有底筒状のSOFC素子と
、両端に開口を有する筒状のSOFC素子とを含む。隣
り合う前記素子の間に介在する燃料ガス供給管は、導電
性金属又は導電性セラミックスによって形成してもよく
、非導電性の材質によって形成してもよい。前者の場合
には、燃料ガス供給管が導電性であるので、隣り合う素
子にそれぞれ直接に燃料ガス供給管を接触させ、この燃
料ガス供給管によって隣り合う素子を電気的に接続して
よい。 燃料ガス供給管の周囲に導電性の材質、例えば金属フェ
ルトを付着させ、この金属フェルトを隣り合う前記素子
にそれぞれ接触させ、この金属フェルト等と導電性の燃
料ガス供給管とによって隣り合う素子を電気的に接続し
てよい。
【0010】燃料ガス供給管を非導電性の材質で形成し
た場合には、燃料ガス供給管を隣り合う素子の電気的接
続に使用することはできないので、隣り合う素子の電気
的接続は他の導電性の材質、例えば金属フェルトによる
。燃料ガス供給管は、直列に接続された素子の間に介在
させてもよいが、並列に接続された素子の間に介在させ
ることが好ましい。
【0011】
【実施例】図1は、本発明の実施例に係る発電装置を、
SOFC素子の長さ方向に対して垂直に切って見た概略
断面図、図2は同じ発電装置を、SOFC素子の長さ方
向に対して水平に切って見た概略断面図、図3は図1の
部分拡大図である。図4における部材と同一機能部材に
は同一符号を付し、その説明は省略する。
【0012】まず、有底円筒状のSOFC素子8を直列
及び並列に接続して集合電池を形成する。この際、図1
においては、直列に4列、並列に3列示したが、この列
数は変更してよい。有底円筒状の多孔質支持体16の外
周には空気電極17が設けられ、空気電極17の外周に
沿って固体電解質18、燃料電極19が配設され、また
図3において上側の領域では空気電極17上にインター
コネクター9が設けられ、この上に接続端子10を付着
させている。そして、SOFC素子8を直列接続するに
は、SOFC素子8の空気電極17と、隣接するSOF
C素子の燃料電極19とをインターコネクター9、接続
端子10、金属フェルト11を介して接続する。
【0013】このようにしてSOFC素子8を直列に例
えば4列接続する。一方、図1において左右方向に隣り
合うSOFC素子8の間に、それぞれ燃料ガス供給管6
を介在させる。この燃料ガス供給管6の数は、本実施例
においては、図2に示すように、SOFC素子8の長さ
方向にみて一列に2本毎とする。各燃料ガス供給管6の
外周には、所定間隔を置いて計4箇所で金属フェルト7
を付着させる。各金属フェルト7は、図3において左右
方向に隣り合うSOFC素子8の燃料電極19にそれぞ
れ接触している。 燃料供給管6は多孔質の導電性又は非導電性材料からな
っている。燃料供給管6が多孔質導電性材料からなると
きは、図3において左右方向に隣り合うSOFC素子8
は、金属フェルト7及び燃料供給管6によって電気的に
並列接続される。燃料供給管6が多孔質非導電性材料か
らなるときは、図3において左右方向に隣り合うSOF
C素子8は、金属フェルト7によって電気的に接続され
る。
【0014】このようにしてSOFC素子8を直列及び
並列に接続して、図1に示すようにSOFC素子8を配
置した集合電池を構成する。ただし、図1、図2におい
ては、便宜上、各SOFC素子8の詳細な構造等は図示
せず、またインターコネクター9と接続端子10とを一
体化して図示してある。このようにして構成した集合電
池の正極と負極とを、それぞれ金属フェルト11を介し
て集電板4に電気的に接続する。この集電板4は一対で
集合電池の集電体として作用するものであり、各集電板
4は図示しないリード線に接続されている。この集合電
池と集電板4とは、一体化された状態で発電室5に収容
される。
【0015】発電室5を形成する隔壁のうち、有底円筒
状のSOFC素子8の開口端部側には開口端側隔壁13
が設けられ、この開口端側隔壁13にはSOFC素子8
の位置に対応して円形貫通孔13a が設けられ、各円
形貫通孔13a にそれぞれSOFC素子8の開口端部
が挿通されている。各SOFC素子8の内側空間12に
はそれぞれ酸化ガス供給管14が挿入される。
【0016】発電室5を形成する隔壁のうち、SOFC
素子8の有底部側に設けられた有底部側隔壁20は、S
OFC素子8の長さ方向に対してほぼ垂直をなしている
。本実施例では、SOFC素子8の有底部が、有底部側
隔壁20上に載置されている。また、発電室5を形成す
る隔壁のうち、SOFC素子8からなる集合電池と2枚
の集電板4とを挟むように一対の側部隔壁3が設けられ
ている。これらの側部隔壁3は、SOFC素子8の長さ
方向に対してほぼ平行となっており、かつ一対の側部隔
壁3が互いにほぼ平行に配置されている。また、側部隔
壁3と集電板4とは、若干の間隔を置いて対向している
。有底部側隔壁20及び一対の側部隔壁3を包囲するよ
うに、断熱材からなる缶体1が形成され、缶体1と有底
部側隔壁20及び側部隔壁3との間に燃料ガス室2が設
けられる。缶体1の底部には燃料ガス供給口1aが設け
られている。
【0017】有底部側隔壁20には、複数の燃料ガス供
給口20a が互いに所定間隔を置いて規則的に設けら
れている。また、側部隔壁3及び集電板4には、それぞ
れ燃料ガス供給管6の配設位置に対応して、円形貫通孔
3a,4aが形成され、これらの円形貫通孔3a, 4
aに燃料ガス供給管6が挿通され、保持されている。各
燃料ガス供給管6の両端部は、それぞれ燃料ガス室2に
若干突き出している。
【0018】この発電装置を動作させるときは、酸化ガ
ス供給管14に矢印Fに示すように酸化ガスを供給する
。 この酸化ガスは、酸化ガス供給管14の先端にある開口
から吹き出し、SOFC素子8の有底部に衝突して向き
を変え、内側空間12内を上昇し、排ガス室15へと矢
印Gのように排出される。一方、燃料ガス供給口1aか
ら矢印Aのように燃料ガスを燃料ガス室2へと供給する
。これにより燃料ガス室2の圧力が上昇するので、各燃
料ガス供給口20a から矢印Bのように燃料ガスが発
電室5内へと供給される。
【0019】また、各燃料ガス供給管6の内側空間6a
は燃料ガス室2と連通しているので、燃料ガス室2から
内側空間6aへと矢印Cのように燃料ガスが流れる。各
燃料ガス供給管6は耐熱性の多孔質材料から形成されて
いるので、内側空間6aへと流入した燃料ガスは、矢印
Dのように、各燃料ガス供給管6の側周面から発電室5
に吹き出す。ここで、各SOFC素子8のインターコネ
クター9、及びSOFC素子8を直列方向に接続するた
めの金属フェルト11は、それぞれ帯状であってSOF
C素子8の長さ方向に沿って伸びている。このため、直
列方向に隣り合うSOFC素子8の間はこうした帯状の
インターコネクター9、金属フェルト11によってかな
り塞がれており、燃料ガス流が通りにくい。従って、各
燃料ガス供給管6の側周面からこの燃料ガス供給管6の
径方向へと向って放射状に吹き出した燃料ガスは、やが
て図2に矢印Hに示すように上昇し、この間発電に利用
される。
【0020】発電に充分利用され、減損した燃料ガスは
、最終的に各SOFC素子8と開口端側隔壁13との間
隙を通り抜け、矢印Eのように排ガス室15に流入し、
減損した酸化ガスと混合される。
【0021】空気電極17はドーピングされたか、又は
ドーピングされていない LaMnO3 , CaMn
O3 , LaNiO3 , LaCoO3 , La
CrO3 等の導電性ペロブスカイト形酸化物で製造で
き、ストロンチウムをドーピングしたLaMnO3が好
ましい。固体電解質18は、イットリア安定化ジルコニ
ア、イットリア部分安定化ジルコニア等で製造するのが
好ましい。燃料電極19は、一般にはニッケル−ジルコ
ニアサーメット又はコバルト−ジルコニアサーメットが
好ましい。インターコネクター9 としては、ドーピン
グされたか又はドーピングされていない、ペロブスカイ
ト形LaCrO3 , LaMnO3 等が好ましい。
【0022】本実施例によれば、多孔質材料で形成した
燃料ガス供給管6の側周面から燃料ガスを供給するので
、燃料ガス供給管6を有底部側隔壁20から離して設け
ることで、SOFC素子8の開口端部に近い側にも新鮮
で減損の少ない燃料ガスを常時供給できる。従って、発
電室5内における燃料濃度の勾配が小さくなり、均一化
されるので、SOFC素子8の長さ方向における温度勾
配も小さくできる。この結果、発電装置を長時間作動さ
せてもSOFC素子8にクラック等が発生しにくくなり
、また電気化学的反応のムラも少なくできることから各
SOFC素子8における発電効率も従来より向上させる
ことができる。
【0023】また、燃料ガス供給管6の側周面に金属フ
ェルト7を付着させ、各SOFC素子8の燃料電極には
直接燃料ガス供給管6を当接せず、金属フェルト7を当
接している。従って、SOFC素子8が温度変化に伴な
って膨脹、収縮しても、それによる変位は金属フェルト
7の変形によって吸収されるので、SOFC素子8にク
ラックが発生しにくい。
【0024】燃料ガス供給管6は、前述したように、多
孔質の導電性材料又は非導電性材料によって形成する。 このうち、多孔質の非導電性材料としては、多孔質のジ
ルコニア、アルミナ等の非導電性セラミックスが好まし
い。多孔質の導電性材料としては、耐還元金属粉末を焼
結してなる多孔質金属や耐還元金属粉末とセラミックス
粉末との混合物を焼結してなる多孔質サーメットが好ま
しい。ここで、セラミックス粉末としては、アルミナや
ジルコニアを主成分とするセラミックスの粉末を例示で
きる。耐還元金属粉末としては、Ni−Cr , Ni
−Fe−Cr ,Ni−Fe−Cr−Al , Co−
Ni−Cr , Fe−Cr , Fe−Cr−Al 
等の合金の粉末や、Ni , Co , Feの粉末を
例示できる。
【0025】燃料ガス供給管6の開気孔率としては、1
0〜90%とすることが好ましい。開気孔率が90%を
超えると、燃料ガス供給管6の強度が低下し、開気孔率
が10%未満であると、燃料ガスの透過量が少なくる。 また、燃料ガス供給管6の開気孔率には適当な勾配を付
し、発電室5内に燃料が均一に行き渡るようにする。
【0026】燃料ガス供給管6の開気孔率に勾配を設け
るには、以下の2つの方法を例示できる。 (1) 多孔質金属、多孔質サーメット又は多孔質セラ
ミックスからなる燃料ガス供給管6を焼成によって製造
する際に、燃料ガス供給管の形状をした粉末成形体の一
端部を保持し、この粉末成形体の他端におもりをつけて
粉末成形体を吊り下げる。これにより、粉末成形体の一
端部に近い側には比較的大きな荷重がかかって若干引き
延ばされ、開気孔率が大きくなる。また、粉末成形体の
他端部に近い側にはあまり荷重がかからないので、開気
孔率が比較的小さくなる。 (2) 多孔質金属、多孔質サーメット又は多孔質セラ
ミックスからなる管状の焼結体を作製する。次いで、こ
の焼結体の開気孔中へと充填材を含浸させてある程度開
気孔を充填し、次いで焼結体を乾燥又は加熱して充填材
を定着させる。この際、管状の焼結体の各部分における
充填材の含浸量を変えることで、この焼結体の開気孔率
に勾配を設けることがてきる。
【0027】また、燃料ガス供給管6の側周面からの燃
料ガスの透過量を制御するには、以下の方法がある。即
ち、燃料ガス供給管6を二重構造にする。具体的には、
まず多孔質金属からなる管状の焼結体を製作する。この
焼結体においては開気孔率を一定とする。次いで、この
焼結体にスラリーを帯状に複数列互いに間隔を置いて塗
布し、焼結する。この際、帯状に塗布したスラリーの幅
を大きくしたり、スラリーとスラリーとの間隔を小さく
すれば、燃料ガスの透過が抑えられる。逆に、帯状のス
ラリーの幅を小さくしたり、スラリー間の間隔を大きく
すれば、燃料ガスの透過が促進される。更に、スラリー
中に含有される耐還元金属粉末、セラミックス粉末の粒
径を小さくすれば燃料ガスが透過しにくくなり、これら
の粒径を大きくすれば燃料ガスが透過し易くなる。この
場合、管状の焼結体はバックアップ材として用い、スラ
リーを塗布して焼結した側を発電室へ向けることが好ま
しい。
【0028】上記の例では燃料ガス供給管6を多孔質材
料によって形成したが、緻密質の耐熱、耐還元性材料に
よって形成することもできる。この場合は、燃料ガス供
給管の壁面を貫通する燃料ガス供給口を幾つか設け、こ
れらの燃料ガス供給口から燃料ガスを吹き出させる。こ
れらの燃料ガス供給口の大きさ、位置、個数は、各SO
FC素子8に燃料が均等に行き渡るように最適化する。 この場合、燃料ガス供給管を形成するための材料として
は、ハステロイ合金、インコネル合金等のNi又はCo
系の合金が好ましい。
【0029】上記の実施例では、図1において左右方向
に隣り合うSOFC素子8に金属フェルト7を当接させ
た。 しかし、多孔質の導電性材料によって燃料ガス供給管6
を形成した場合には、燃料ガス供給管6を隣り合うSO
FC素子8の外周面に当接させ、これにより隣り合うS
OFC素子8を電気的に並列接続することもできる。ま
た、燃料ガス供給管6の位置、個数、内径、外径は適宜
に変更できる。現時点では、燃料ガスを効果的に発電室
5内に供給すると共に、集合電池の大型化を防ぐために
は、燃料ガス供給管6の外径を1〜8mmとするのが好
ましい。
【0030】上記の各実施例においては、各SOFC素
子8を上下方向に保持した。即ち、各SOFC素子8の
長さ方向は鉛直方向であった。しかし、各SOFC素子
8を水平方向に保持し、各SOFC素子8の長さ方向を
水平方向に一致させて発電装置を作製することもできる
【0031】更に、図1〜図3及び図4に示した各発電
装置を用い、SOFC素子の長さ方向における温度勾配
を測定した。但し、測定点としては、図2に示したよう
な測定点a,b,c,d,eを選択し、各測定点の間隔
はそれぞれ100mm とした。燃料ガスとしては、水
素96%、水蒸気4%のものを用い、酸化ガスとしては
大気を用いた。SOFC素子の温度を測定するには、熱
電対を用いた。 また、図1〜図3及び図4に示すSOFC素子の一本当
たりの出力も比較した。結果を下記に示す。 図4の発電装置       a          b       
   c          d          
e    1036℃      1020℃    
  1005℃       944℃       
870℃    出力   7.8W 図1〜図3の発電装置       a          b       
   c          d          
e    1022℃      1013℃    
  1047℃      1031℃      1
019℃    出力   10.6 W 以上の結果から解るように、図1〜図3の発電装置によ
れば、測定点a〜eの間の温度勾配を小さくでき、これ
により全体の出力を大きくできる。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、電気的に接続された隣
り合う筒状のSOFC素子の間に燃料ガス供給管を介在
させ、この燃料ガス供給管の側周面から発電室へと燃料
ガスを供給するように構成したので、新鮮で減損の少な
い燃料ガスを各SOFC素子の開口端部に近い側にも常
時供給できる。従って、発電室内における燃料濃度の勾
配が小さくなり、均一化されるので、SOFC素子の長
さ方向における温度勾配も小さくできる。この結果、発
電装置を長時間作動させてもSOFC素子にクラック等
が発生しにくくなり、また電気化学的反応のムラも少な
くできることから各SOFC素子における発電効率も従
来より向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る発電装置を、SOFC素
子の長さ方向に対して垂直に切って見た概略断面図であ
る。
【図2】本発明の実施例に係る発電装置を、SOFC素
子の長さ方向に対して水平に切って見た概略断面図であ
る。
【図3】図1の発電装置の一部を拡大して示す断面図で
ある。
【図4】従来の発電装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1  缶体 2, 23  燃料ガス室 3  側部隔壁 4  集電板 5  発電室 6  燃料ガス供給管 7  金属フェルト 8  有底円筒状のSOFC素子 11  帯状の金属フェルト 12  SOFC素子の内側空間 15  排ガス室 A, B, C, D, E, H  燃料ガスの流れ
F, G  酸化ガスの流れ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  複数の筒状固体電解質型燃料電池素子
    を電気的に接続して集合電池を構成し、この集合電池の
    正極と負極とを集電体に接続し、電気的に接続された隣
    合う前記素子の間に燃料ガス供給管を介在させ、前記集
    合電池と前記集電体と前記燃料ガス供給管とを発電室に
    設置した発電装置であって、前記素子の内側空間に酸化
    ガスを供給しかつ前記燃料ガス供給管の側周面から前記
    発電室へと燃料ガスを供給するように構成した発電装置
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