DE102006038173A1 - Separator plate e.g. bipolar plate, manufacturing method for fuel cell stack, involves molding channel structures on both sides of plate flat sides when loading with pressure, and connecting sheets with each other by common tool - Google Patents

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Abstract

The method involves providing channel structures (26, 28) on plate flat sides (22, 24), and pressing together a set of sheets (12, 14), which are laid together with its flat sides in areas (16), by pressure. Areas (18) lying between the areas (16) are detached from each other by impinging a medium by the pressure. The channel structures are molded on both sides of the plate flat sides when loading with the pressure. Another channel structure (30) between the sheets is molded when loading by the pressure. The sheets are connected with each other by a common tool. An independent claim is also included for a tool for manufacturing a separator plate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for producing a separator plate a fuel cell stack according to the preamble of the claim 1.

Separatorplatten wie etwa Bipolarplatten oder auch Endplatten werden bekanntermaßen als Trennelemente zwischen Einzelzellen in Brennstoffzellenstapeln oder zum Abschluss des Brennstoffzellenstapels eingesetzt. Häufig sind aufwändige Kanalstrukturen in die Separatorplatten eingearbeitet, die zur Medienversorgung der Kathode bzw. Anode der jeweiligen angrenzenden Einzelzelle dient. Metallische Separatorplatten werden dabei üblicherweise durch axiales oder isostatisches Prägen zweier Bleche hergestellt, die anschließend durch Laserschweißen miteinander verbunden werden müssen. Der Laserstrahl fährt nacheinander die Stellen ab, an denen die Platten miteinander verbunden werden sollen.separator such as bipolar plates or end plates are known to be separators between single cells in fuel cell stacks or at the end used the fuel cell stack. Often, elaborate channel structures incorporated into the Separatorplatten, the media supply the cathode or anode of the respective adjacent single cell is used. Metallic separator plates are usually by axial or isostatic imprinting made of two sheets, which are then laser welded together need to be connected. The laser beam is moving successively the places where the plates joined together should be.

Für einen Brennstoffzellenbetrieb sind Anodengas, Kathodengas und Kühlmittel notwendig. Um eine einwandfreie Trennung dieser Medien zu gewährleisten, müssend die Kathoden- und Anodenports an den Rändern der Platten gasdicht verschlossen sein. Der Kühlmedienport bleibt zur Kanalstruktur offen, damit das Kühlmedium durch die Kanalstruktur vom Eingangs- zum Ausgangsport strömen kann. Die Verbindungen zum Abdichten der Medien werden üblicherweise auf dem Grund eines Dichtungskanals angebracht, der am Rand der Platte angeordnet ist. Außerdem werden die Platten zusätzlich um Bereich der inneren, aktiven Zellfläche verbunden, um den elektrischen Widerstand der stromdurchflossenen Platte (Bipolarplatte) zu reduzieren.For one Fuel cell operation is anode gas, cathode gas and coolant necessary. To ensure proper separation of these media, having to the cathode and anode ports gas-tight at the edges of the plates to be introverted. The cooling media port remains open to the channel structure, so that the cooling medium through the channel structure from the entrance to Output port can flow. The connections for sealing the media usually become mounted on the bottom of a sealing channel, on the edge of the Plate is arranged. Furthermore the plates are additional connected to area of the inner, active cell area to the electrical Resistance of the current-carrying plate (bipolar plate) to reduce.

Wegen der feinen Strukturen in den Kanälen ist zum einen beim Prägen und beim Verbinden eine außerordentlich hohe Positioniergenauigkeit im Werkzeug notwendig. Der anschließende Prozessschritt des Laserschweißens erfordert zusätzliche Prozesszeit.Because of the fine structures in the channels is on the one hand when embossing and when connecting one extraordinarily high positioning accuracy in the tool necessary. The subsequent process step of laser welding requires additional process time.

Aus der US 2004/0170880 A1 ist eine Separatorplatte bekannt, die mit einer porösen Diffusionslage mittels Laser verschweißt ist. Kanalstrukturen werden ausgebildet, indem mit dem Laser Gräben in die Diffusionslage eingebrannt werden.Out the US 2004/0170880 A1 a separator plate is known which with a porous one Diffusion layer is welded by laser. Become channel structures formed by using the laser trenches burned into the diffusion layer become.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels mit einer zuverlässigen Abdichtung zwischen den verschiedenen Kanalstrukturen und kurzen Prozesszeiten.task The invention is the provision of a method for the production a separator plate of a fuel cell stack with a reliable seal between the different channel structures and short process times.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.advantageous Embodiments are listed in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels sieht vor, dass zwei mit ihren Flachseiten aneinander gelegte Bleche in ersten Bereichen mit einem ersten Druck aneinandergepresst und in zwischen den ersten Bereichen liegenden zweiten Bereichen durch Beaufschlagen mit einem Medium mit einem zweiten Druck voneinander entfernt werden. Die Bleche können Einzelbleche sein, die passend geschnitten oder gestanzt sind. Denkbar ist jedoch stattdessen auch ein doppelwandiger Körper, etwa flache Röhren. Das Ausgangsmaterial wird in ein Werkzeug eingelegt, durch Stempel in der gewünschten Kanalgeometrie fixiert und mit dem zweiten Druck so beaufschlagt, dass in bestimmten Bereichen die Bleche gezielt voneinander beabstandet werden. Das Verfahren ähnelt einem Innenhochdruckumformen. Soll nur eines der beiden Bleche verformt werden, bietet das Werkzeug auf einer Seite eine ebene Fläche zur Anlage des nicht zu verformenden Bleches und Stempel nur auf der zu verformenden Seite. Werden beide Bleche verformt, sind auf beiden Seiten Stempel vorgesehen. Der Anpressdruck wirkt vorzugsweise in den Bereichen, in denen eine Kanalstruktur nicht ausgeformt werden soll, besonders bevorzugt um solche Bereiche herum, welche im Blech Ports ausbilden sollen, wobei selbstverständlich jeweilige Zuführungen offen bleiben. Der Anpressdruck wirkt ferner bevorzugt in Bereichen der Dichtungsnut, um einen dichten Raum zwischen den Blechen für das Kühlmedium zu schaffen, sowie an Stegen zwischen Fluidkanälen, um einen guten elektrischen Kontakt für den elektrischen Stromfluss zu erhalten.The inventive method for producing a separator plate of a fuel cell stack provides that two with their flat sides juxtaposed plates pressed in first areas with a first pressure and in between the first areas lying second areas Apply to a medium with a second pressure from each other be removed. The sheets can Individual sheets be that cut or punched fit. Conceivable but instead is also a double-walled body, about flat tubes. The Starting material is placed in a tool, by stamp in the desired Fixed channel geometry and so applied to the second pressure, that in certain areas, the sheets are selectively spaced from each other. The procedure is similar a hydroforming. If only one of the two sheets is deformed The tool offers a flat surface on one side Installation of the sheet not to be deformed and stamp only on the to be deformed page. If both sheets are deformed, are on both Pages stamp provided. The contact pressure preferably acts in the areas where a channel structure should not be formed, particularly preferably around such areas, which in the sheet metal ports should train, of course, each feeds stay open. The contact pressure also acts preferably in areas the sealing groove to a tight space between the sheets for the cooling medium to create, as well as on webs between fluid channels to get a good electrical Contact for to get the electric current flow.

Beim Beaufschlagen mit dem ersten und dem zweiten Druck kann vorteilhaft die Kanalstruktur ausgeformt werden. Dabei bilden sich nicht nur auf wenigstens einer der Außenseiten der Bleche Erhebungen und Vertiefungen, die später als Medienkanäle und deren Trennungen dienen, sondern auch zwischen den Blechen, in denen später ebenfalls Medien geführt werden können.At the Applying the first and second pressures may be advantageous the channel structure are formed. Not only do they form on at least one of the outer sides the sheets surveys and depressions, which later became as media channels and their Separations serve, but also between the sheets, in which later also Media led can be.

Zur Herstellung einer Bipolarplatte kann die Kanalstruktur auf beiden Seiten der Plattenflachseite in einem einzigen Schritt ausgeformt werden.to Making a bipolar plate can change the channel structure on both Side of the plate flat side formed in a single step become.

Vorteilhaft werden die Bleche im gleichen Werkzeug miteinander verbunden und die Kanalstruktur in den Blechen ausgeformt. Ein Wechsel des Werkzeugs kann vermieden werden, die Prozesszeit wird erheblich verkürzt. Eine genaue Positionierung der Bleche entfällt, da die Kanalstruktur im Werkzeug vorgegeben ist und gegebenenfalls in beide Bleche gleichzeitig eingearbeitet wird.Advantageous the sheets are connected together in the same tool and the channel structure formed in the sheets. A change of the tool can be avoided, the process time is shortened considerably. A Precise positioning of the sheets is eliminated, since the channel structure in Tool is specified and optionally in both sheets simultaneously is incorporated.

Eine Verbindung zwischen den Blechen erfolgt vorzugsweise bei erhöhter Temperatur, indem die erhitzten Bleche aneinandergepresst und mit dem ersten Druck beaufschlagt werden.A connection between the sheets he preferably follows at elevated temperature by the heated sheets are pressed against each other and subjected to the first pressure.

Dabei können zweckmäßigerweise der erste Druck und die erhöhte Temperatur so abgestimmt werden, dass die Bleche in den ersten Bereichen diffusionsgeschweißt werden. Diffusionsschweißen erfolgt bei hohem Druck, der typischerweise im Bereich der Fließgrenze des zu verschweißenden Materials liegt, sowie bei einer Temperatur, die typischerweise zwischen 50% bis etwa 80% der Schmelztemperatur beträgt. Das Diffusionsschweißen kann als so genanntes HIP-Schweißen (hot isostatic pressure) oder mit uniaxial wirkender Kraft durchgeführt werden. Beim isostatischen Schweißen wirken von allen Seiten Kräfte auf die zu verschweißenden Teile ein, bei uniaxialem Einwirken wirkt Kraft nur von einer Seite auf die zu verschweißenden Teile ein.there can expediently the first pressure and the increased Temperature adjusted so that the sheets in the first areas diffusion welding become. diffusion welding occurs at high pressure, typically in the yield point to be welded Material lies, as well as at a temperature, which is typically between 50% to about 80% of the melting temperature. The diffusion welding can as so-called HIP welding (hot isostatic pressure) or performed with uniaxial force. At the isostatic welding work from all sides forces on the to be welded Parts, with uniaxial impact force acts only from one side the to be welded Parts.

Bei bevorzugten rostfreien Stählen 1.4404 oder 1.44035 mit Schmelztemperaturen zwischen etwa 1400°C und 1500°C liegt eine bevorzugte Temperatur beim Diffusionsschweißen im Bereich zwischen etwa 700°C bis 1200°C. Denkbar ist jedoch auch eine deutlich niedrigere Temperatur unterhalb von 500°C, bevorzugt unterhalb von 300°C.at preferred stainless steels 1.4404 or 1.44035 with melting temperatures between about 1400 ° C and 1500 ° C is a preferred temperature in diffusion welding in the range between about 700 ° C to 1200 ° C. It is also conceivable, however, a significantly lower temperature below 500 ° C, preferred below 300 ° C.

Ein günstiger Druck beim Diffusionsschweißen bei den genannten Stählen liegt im Bereich von etwa 50-100 N/mm2 bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1000°C, wobei der Druck um so höher sein sollte, je niedriger die Temperatur ist. Bei einer Verwendung von anderen Materialien könne die geeigneten Parameter durch Tests leicht herausgefunden werden.A favorable pressure in the diffusion welding in the mentioned steels is in the range of about 50-100 N / mm 2 at a temperature between 700 ° C and 1000 ° C, the pressure should be the higher, the lower the temperature. When using other materials, the appropriate parameters can be easily found by testing.

Insgesamt können Arbeitsschritte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingespart werden. Der Positionieraufwand ist erheblich geringer, die Anforderung an die Genauigkeit der Werkzeuge kann reduziert werden. Die Zeit zum Fügen der Bleche kann verkürzt werden. Es sind besonders geringe Kanalgrundbreiten möglich.All in all can Steps are saved with the method according to the invention. Of the Positioning effort is significantly lower, the requirement for Accuracy of the tools can be reduced. The time to join the Sheets can be shortened become. There are particularly low channel widths possible.

Eine erfindungsgemäße Separatorplatte ist aus zwei Blechen gebildet, die in ersten Bereichen durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden sind.A Separator plate according to the invention is formed of two sheets, which in first areas by diffusion welding together are connected.

Die Separatorplatte ist vorzugsweise als Bipolarplatte ausgestaltet.The Separator plate is preferably designed as a bipolar plate.

Ein erfindungsgemäßes Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens weist Stempel auf, die entsprechend einer Kanalstruktur einer Separatorplatte ausgebildet sind, sowie Mittel zur Zuführung eines unter hohem Druck stehenden Mediums zwischen zwei die Separatorplatte bildenden Blechen.One inventive tool to carry out of the method has stamps corresponding to a channel structure a separator plate are formed, and means for supplying a under high pressure medium between two the separator plate forming sheets.

Vorzugsweise sind die Stempel heizbar, um die Bleche bei der Durchführung des Verfahrens auf eine erhöhte Temperatur bringen und/oder halten zu können.Preferably the stamps are heatable to the sheets in the implementation of the Procedure to an increased Temperature can bring and / or keep.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.The The invention is explained in more detail below with reference to a drawing.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 schematisch einen Schnitt durch ein bevorzugtes Werkzeug mit einer eingelegten Separatorplatte, und 1 schematically a section through a preferred tool with an inserted separator plate, and

2 eine bevorzugte Separatorplatte nach dem Ausbau aus dem Werkzeug. 2 a preferred separator plate after removal from the tool.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigt 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein bevorzugtes Werkzeug 50, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, um eine bevorzugte, als Bipolarplatte ausgebildete Separatorplatte 10 herzustellen, die in 2 separat dargestellt ist.To illustrate the invention shows 1 in a schematic representation of a section through a preferred tool 50 , with which the method according to the invention can be carried out, to a preferred, designed as a bipolar plate separator plate 10 to manufacture in 2 is shown separately.

Zwei Bleche 12, 14 werden in das Werkzeug 50 eingelegt und auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, beispielsweise zwischen 200°C und 600°C, während obere und untere Stempel 32, 36 mit Vorsprüngen 34, 38 gegen die Bleche 12, 14 angelegt werden und diese in ersten Bereichen 16 fixieren, in denen die Bleche 12, 14 später verbunden sein sollen. Die Vorsprünge 34, 38 sind entsprechend der später gewünschten Kanalstruktur 26, 28 der Plattenflachseiten 22, 24 der Separatorplatte 10 ausgebildet.Two sheets 12 . 14 be in the tool 50 loaded and heated to an elevated temperature, for example, between 200 ° C and 600 ° C, while upper and lower punches 32 . 36 with projections 34 . 38 against the sheets 12 . 14 be created and these in first areas 16 fix in which the sheets 12 . 14 to be connected later. The projections 34 . 38 are according to the later desired channel structure 26 . 28 the plate flat sides 22 . 24 the separator plate 10 educated.

Die mit ihren Flachseiten aneinander gelegten Bleche 12, 14 werden anschließend in zwischen den ersten Bereichen 16 liegenden zweiten Bereichen 18 mit einem unter hohem Druck stehenden Medium (Fluid, d.h. Gas oder Flüssigkeit) beaufschlagt, das zwischen die Bleche 12, 14 eingeleitet wird. Dadurch entfernt sich das Blech 12 vom Blech 14 und wölbt sich in die Freiräume zwischen den Vorsprüngen 34 hinein, während sich das Blech 14 in Freiräume zwischen den Vorsprüngen 38 hineinwölbt.The sheets laid one on the other with their flat sides 12 . 14 are then in between the first areas 16 lying second areas 18 with a high pressure medium (fluid, ie gas or liquid) is applied, between the sheets 12 . 14 is initiated. This will remove the sheet 12 from the sheet metal 14 and bulges in the spaces between the protrusions 34 into it while the sheet metal 14 in free spaces between the projections 38 into warp.

Dadurch wird die Kanalstruktur 26, 28 der Separatorplatte 10 ausgeformt. Gleichzeitig bildet sich zwischen den Blechen 12, 14 eine Kanalstruktur 30 aus, die beispielsweise für ein Kühlmedium verwendet werden kann.This will change the channel structure 26 . 28 the separator plate 10 formed. At the same time forms between the sheets 12 . 14 a channel structure 30 from, for example, can be used for a cooling medium.

Die Kanalstruktur 26, 28 wird in diesem Beispiel auf beiden Seiten der Plattenflachseite 22, 24 ausgeformt und dient im Einsatz beispielsweise zur Versorgung einer an die erste Plattenflachseite 22 angrenzenden Anode und einer an die zweite Plattenflachseite 24 angrenzenden Kathode mit den entsprechenden Reaktionsmedien, während im Inneren durch die Kanalstruktur 30 ein Kühlmedium strömt.The channel structure 26 . 28 in this example, it is on both sides of the plate flat side 22 . 24 formed and used in use, for example, to supply a to the first plate flat side 22 adjacent anode and one to the second plate flat side 24 adjacent cathode with the ent speaking reaction media while inside through the channel structure 30 a cooling medium flows.

Gleichzeitig wird der erste Druck weiter aufrechterhalten, und die Bleche 12, 14 werden in den Bereichen 16 unter Wirkung von Druck und Wärme durch Diffusionsvorgänge an einer Kontaktzone 40 miteinander verschweißt.At the same time, the first pressure is maintained, and the sheets 12 . 14 be in the fields 16 under the influence of pressure and heat by diffusion processes at a contact zone 40 welded together.

Dadurch, dass die Bleche 12, 14 im gleichen Werkzeug 50 miteinander verbunden und die Kanalstrukturen 26, 28, 30 ausgeformt werden, kann erheblich Prozesszeit eingespart werden.Because of the sheets 12 . 14 in the same tool 50 interconnected and the channel structures 26 . 28 . 30 can be molded, significantly process time can be saved.

Der Druck und die Temperatur zum Verbinden sowie der Druck zum Verformen der Bleche 12, 14 müssen auf die verwendeten Materialien, Wandstärken und Kanaltiefen abgestimmt werden.The pressure and the temperature to connect and the pressure to deform the sheets 12 . 14 must be matched to the materials used, wall thicknesses and channel depths.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte (10) einer Brennstoffzelle, bei der wenigstens auf einer Plattenflachseite (22, 24) eine Kanalstruktur (26, 28) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei mit ihren Flachseiten aneinander gelegte Bleche (12, 14) in ersten Bereichen (16) mit einem ersten Druck aneinandergepresst und in zwischen den ersten Bereichen (16) liegenden zweiten Bereichen (18) durch Beaufschlagen mit einem Medium mit einem zweiten Druck voneinander entfernt werden.Method for producing a separator plate ( 10 ) of a fuel cell, wherein at least on a plate flat side ( 22 . 24 ) a channel structure ( 26 . 28 ) is provided, characterized in that two with their flat sides adjacent sheets ( 12 . 14 ) in the first areas ( 16 ) are pressed against each other at a first pressure and in between the first regions ( 16 ) second areas ( 18 ) are removed by applying a second pressure medium. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beaufschlagen mit dem ersten und dem zweiten Druck die Kanalstruktur (26, 28) ausgeformt wird.A method according to claim 1, characterized in that when exposed to the first and the second pressure, the channel structure ( 26 . 28 ) is formed. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beaufschlagen mit dem ersten und dem zweiten Druck eine weitere Kanalstruktur (30) zwischen den Blechen (12, 14) ausgeformt wird.A method according to claim 2, characterized in that when subjected to the first and the second pressure, a further channel structure ( 30 ) between the sheets ( 12 . 14 ) is formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (26, 28) auf beiden Seiten der Plattenflachseite (22, 24) ausgeformt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the channel structure ( 26 . 28 ) on both sides of the plate flat side ( 22 . 24 ) is formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (12, 14) im gleichen Werkzeug (50) miteinander verbunden und die Kanalstruktur (26, 28, 30) ausgeformt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sheets ( 12 . 14 ) in the same tool ( 50 ) and the channel structure ( 26 . 28 . 30 ) is formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (12, 14) bei erhöhter Temperatur mit dem ersten Druck aneinandergepresst und mit dem zweiten Druck beaufschlagt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sheets ( 12 . 14 ) are pressed against each other at elevated temperature with the first pressure and acted upon by the second pressure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck und die erhöhte Temperatur so abgestimmt werden, dass die Bleche (12, 14) in den ersten Bereichen (16) diffusionsgeschweißt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first pressure and the elevated temperature are adjusted so that the sheets ( 12 . 14 ) in the first areas ( 16 ) are diffusion welded. Separatorplatte einer Brennstoffzelle, bei der auf wenigstens einer Plattenflachseite (22, 24) eine Kanalstruktur (26, 28) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bleche (12, 14), bei denen wenigstens in einem die Kanalstruktur (26, 28) ausgebildet ist, in ersten Bereichen (16) durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden sind.Separator plate of a fuel cell, in which on at least one plate flat side ( 22 . 24 ) a channel structure ( 26 . 28 ), characterized in that two sheets ( 12 . 14 ), in which at least in one the channel structure ( 26 . 28 ), in first areas ( 16 ) are joined together by diffusion bonding. Separatorplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (26, 28) auf beiden Plattenflachseiten (22, 24) ausgebildet ist.Separator plate according to claim 8, characterized in that the channel structure ( 26 . 28 ) on both plate surfaces ( 22 . 24 ) is trained. Werkzeug zur Herstellung einer Separatorplatte, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Stempel (32, 36) entsprechend einer Kanalstruktur (26, 28) einer Separatorplatte (10) ausgebildet sind und Mittel zur Zuführung eines unter hohem Druck stehenden Mediums zwischen zwei die Separatorplatte (10) bildenden Blechen (12, 14) vorgesehen sind.Tool for producing a separator plate, in particular according to one of claims 1 to 7, characterized in that stamp ( 32 . 36 ) according to a channel structure ( 26 . 28 ) a separator plate ( 10 ) are formed and means for supplying a high pressure medium between two the separator plate ( 10 ) forming sheets ( 12 . 14 ) are provided. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel (32, 36) heizbar sind.Tool according to claim 10, characterized in that the punches ( 32 . 36 ) are heatable.
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