JP5330135B2 - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、組立が簡単且つ容易な構造を有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell having a structure that is simple and easy to assemble.
燃料電池は、電解質膜の両面に触媒層を配置し、その触媒層に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する装置である。 A fuel cell is a device that arranges catalyst layers on both sides of an electrolyte membrane, supplies fuel gas and oxidant gas to the catalyst layers, and generates electricity by an electrochemical reaction.
例えば、一般的な固体高分子型燃料電池では、イオン交換膜で形成された固体高分子膜の両面に白金あるいは白金化合物等からなる触媒層と多孔質カーボンペーパー等で構成されたガス拡散層を配置した電極と、さらにその両面に配置されたガス供給用の流路を備えたガス不透過性のセパレータとを複数枚積層した構造の燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に配置され、燃料電池積層体における燃料と酸化剤の化学反応によって発生した電流を燃料電池積層体の外部に導通させるための集電板と、それぞれの積層部材を互いに近接する方向に締付けて保持する締付板が設置されている。 For example, in a general polymer electrolyte fuel cell, a gas diffusion layer composed of a catalyst layer made of platinum or a platinum compound and porous carbon paper is provided on both sides of a solid polymer membrane formed of an ion exchange membrane. A fuel cell stack having a structure in which a plurality of electrodes and gas impermeable separators having gas supply channels disposed on both sides thereof are stacked, and disposed at both ends of the fuel cell stack A current collector plate for conducting a current generated by a chemical reaction between the fuel and the oxidant in the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack, and a clamp that holds the stack members in a direction close to each other. Attached plate is installed.
また、電極とセパレータとには、中央の電池反応部の外周側にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを流通させるためのマニホルド穴が設けられ、それぞれの部材を積層した状態でマニホルド穴が連結され、燃料ガスマニホルドと酸化剤ガスマニホルドが形成される。 The electrode and the separator are provided with manifold holes for circulating fuel gas and oxidant gas on the outer peripheral side of the central battery reaction part, and the manifold holes are connected in a state where the respective members are laminated. A fuel gas manifold and an oxidant gas manifold are formed.
ところで、このような構成の燃料電池を製造する場合、電極部材またはセパレータ部材には比較的高価な材料を使用しているため、材料費を低減する目的で電極部材またはセパレータ部材は電池反応部にのみ使用し、電極部材またはセパレータ部材の外周のマニホルド部には比較的安価な樹脂材料を枠状に一体成型したり、厚さ方向に2分割された枠状の樹脂材料を両面から接合したりする方法が提案されている(例えば、特許文献1,2)。
By the way, when manufacturing a fuel cell having such a configuration, a relatively expensive material is used for the electrode member or the separator member. Therefore, the electrode member or the separator member is used as a battery reaction part in order to reduce the material cost. A relatively inexpensive resin material is integrally molded in a frame shape on the outer periphery of the electrode member or separator member, or a frame-shaped resin material divided into two in the thickness direction is joined from both sides Have been proposed (for example,
しかしながら、電極部材またはセパレータ部材の外周部に安価な樹脂材料を使用しても、樹脂材料を電極部材またはセパレータ部材の外周に一体成型したり、複雑な形状の樹脂材料を成型した後に電極部材またはセパレータ部材の外周に接合したりする方法では、多大な手間と時間を要し、作業効率が悪いばかりでなく、経済的にも不利である。 However, even if an inexpensive resin material is used for the outer periphery of the electrode member or the separator member, the resin material is integrally formed on the outer periphery of the electrode member or the separator member, or after the resin material having a complicated shape is molded, In the method of joining to the outer periphery of the separator member, much labor and time are required, not only the working efficiency is bad, but also economically disadvantageous.
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は組立が簡単且つ容易に行うことができる経済的に有利な燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an economically advantageous fuel cell that can be easily and easily assembled.
上記目的を達成するため、本発明は電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された燃料電池電極と、この燃料電池電極の前記アノード電極と前記カソード電極にそれぞれ接触させて配置された燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を有するセパレータとを備えた単位電池を複数個積層して構成された燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に設置され締付け手段により前記燃料電池積層体を互いに近接する方向に締付けるための締付板とから構成される燃料電池において、前記単位電池は、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方の外周部に前記セパレータの燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路にそれぞれ連通するマニホルド穴を有する枠部材が配置され、この枠部材と前記燃料電池電極または前記セパレータの周縁部の全周との間に跨って配置された接着用シートを接着剤により、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方と前記枠部材とにそれぞれ接着して一体化された構造としたものである。 To achieve the above object, the present invention provides a fuel cell electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane, respectively, and is disposed in contact with the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell electrode, respectively. A fuel cell stack comprising a plurality of unit cells each having a fuel gas flow path and a separator having an oxidant gas flow path, and the fuel installed by clamping means installed at both ends of the fuel cell stack. A fuel cell comprising a clamping plate for clamping a cell stack in a direction approaching each other, wherein the unit cell is a fuel gas flow path of the separator at an outer periphery of at least one of the fuel cell electrode or the separator. And a frame member having manifold holes respectively communicating with the oxidant gas flow passages, and the frame member and the fuel cell battery Alternatively, an adhesive sheet disposed across the entire periphery of the peripheral edge of the separator is bonded to and integrated with at least one of the fuel cell electrode or the separator and the frame member with an adhesive. It is structured.
また、本発明は、電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された燃料電池電極と、この燃料電池電極の前記アノード電極と前記カソード電極にそれぞれ接触させて配置された燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路となるガス流通路を有する2つのセパレータとを備えた単位電池を複数個積層して構成される燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に設置され締付け手段により前記燃料電池積層体を互いに近接する方向に締付けるための締付板とから構成される燃料電池において、前記一つのセパレータは、片面に第1のガス流通路が形成され周縁部に段差部を有する片面溝付きセパレータであり、前記もう一つのセパレータは、一方の面に第2のガス流通路が形成されると共に、他方の面に冷却水流通路が形成され周縁部に段差部を有する両面溝付きセパレータであり、前記燃料電池電極の該周部に配置され、該燃料電池電極が収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する電極枠部材と、前記片面溝付きセパレータの外周部に配置され、該片面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する片面溝付きセパレータ枠部材と、前記両面溝付きセパレータの外周部に配置され、該両面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する両面溝付きセパレータ枠部材と、前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材との間、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材との間及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材との間に跨ってそれぞれ配置された接着用シートとを有し、前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材と、前記各接着用シートとを接着剤によりそれぞれ接着して一体化した枠付き電極及び枠付きセパレータを構成し、前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータ枠部材及び両面溝付きセパレータ枠部材のガスマニホルド穴は、前記片面溝付きセパレータ及び両面溝付きセパレータの該当するガス流通路に連通し、また冷却水マニホルド穴は、前記両面溝付きセパレータの冷却水流通路に連通する構造としたものである。 The present invention also provides a fuel cell electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane, and a fuel gas flow disposed in contact with the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell electrode, respectively. A fuel cell stack comprising a plurality of unit cells each having a channel and two separators having gas flow passages serving as oxidant gas flow passages, and fastening means installed at both ends of the fuel cell stack In the fuel cell comprising a clamping plate for clamping the fuel cell stack in a direction close to each other, the one separator has a first gas flow passage formed on one side and a stepped portion on the peripheral portion. The other separator has a second gas flow passage formed on one surface and a cooling water flow passage formed on the other surface. A separator with a double-sided groove having a stepped portion at the peripheral edge, and is disposed in the peripheral portion of the fuel cell electrode, and has an opening for receiving the fuel cell electrode and a manifold hole through which fuel gas, oxidant gas and cooling water flow. An electrode frame member having a single-side grooved separator frame member disposed on an outer peripheral portion of the single-sided grooved separator and having an opening in which the single-sided grooved separator is accommodated and a manifold hole through which fuel gas, oxidant gas and cooling water flow. And a double-sided grooved separator frame member disposed on the outer periphery of the double-sided grooved separator and having an opening for receiving the double-sided grooved separator and a manifold hole through which fuel gas, oxidant gas and cooling water flow, and the fuel The step part which has in the peripheral part of the separator with a single-sided groove | channel between the outer peripheral part of a battery electrode and the said electrode frame member, and the said single-sided grooved separator An adhesive sheet disposed between the frame member and a step portion provided on a peripheral edge of the double-sided grooved separator and the double-sided grooved separator frame member, and an outer periphery of the fuel cell electrode A step portion provided on a peripheral portion of the one-side grooved separator, a step portion provided on a peripheral portion of the single-side grooved separator, and a double-sided grooved separator frame member; A gas manifold of the electrode frame member, the single-side grooved separator frame member, and the double-sided grooved separator frame member, comprising a framed electrode and a framed separator integrated by bonding each of the bonding sheets with an adhesive. The hole communicates with the corresponding gas flow passage of the single-sided grooved separator and the double-sided grooved separator, and the cooling water manifold hole In this structure, the separator is connected to the cooling water flow path of the separator.
本発明によれば、電極部材またはセパレータ部材の外周部に樹脂材料を使用して、電極部材またはセパレータ部材と、その外周に設置された枠部品とを接着シートで接合する構成とすることで、組立を簡単且つ容易に行うことができる経済的に有利な燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a resin material is used for the outer periphery of the electrode member or separator member, and the electrode member or separator member and the frame component installed on the outer periphery thereof are joined with an adhesive sheet. An economically advantageous fuel cell that can be easily and easily assembled can be provided.
(第1の実施形態)
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(First embodiment)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、本発明による燃料電池の全体構成について述べる。 First, the overall configuration of the fuel cell according to the present invention will be described.
図1は本発明による燃料電池の第1の実施形態を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a fuel cell according to the present invention.
図1において、100は燃料電池で、この燃料電池100は複数個の単位電池1を積層した燃料電池積層体2と、この燃料電池積層体2の積層方向の両端に設置された締付板3と、これら締付板3の四隅部分を燃料電池積層体2の単位電池積層方向にそれぞれ貫通し、互いに締付板3が接近する方向に一体的に締付けるタイロッド4とから構成されている。
In FIG. 1,
また、締付板3の周辺部には、燃料電池積層体2を構成する各単位電池1にそれぞれ設置されたマニホルド穴に燃料ガス、冷却水および空気を導入または排出するための燃料配管5と冷却水配管6および空気配管7が設置されている。
In addition, a
次に本発明の第1の実施形態における単位電池1の構成について図2乃至図22を参照しながら説明する
図2は単位電池1を示す斜視図、図3は図2の単位電池1を電極側から見た平面図、図4(a)〜(d)は図2をA−A線、B−B線、C−C線、D−D線に沿って切断した断面図、図5(a)〜(d)は図4の(a)〜(d)の断面図の各構成部品を部品毎に分解して示す分解図、図6〜図22は図5(a)〜(d)のそれぞれの構成部品をその上方から見た平面図である。
Next, the configuration of the
図2乃至図5において、11は燃料電池電極で、この燃料電池電極11は電解質膜8とその両面にそれぞれ配置されたガス透過性のアノード電極9とカソード電極10とを互いに接合して構成され、アノード電極9とカソード電極10の外周部分には図6(a),(b)に示すようにそれぞれガス不透過性のアノード電極エッジ部9aとカソード電極エッジ部10aとが形成されている。
2 to 5,
また、15は燃料電池電極11のアノード電極9に接触させて配置されるガス不透過性で導電性の素材からなる片面溝付きセパレータで、この片面溝付きセパレータ15は図7に示すように片面、すなわちアノード電極9との接触面側に燃料ガス溝15aが形成され、その外周部分にアノード電極エッジ部9aに対応させて段差部15bが形成されている。
さらに、20は片面溝付きセパレータ15のアノード電極9側とは反対側の面に接触させて配置されるガス不透過性で導電性の素材からなる両面溝付きセパレータで、この両面溝付きセパレータ20は図8(a),(b)に示すように片面溝付きセパレータ15との接触側の面(表面)に冷却水を流通させるための冷却水溝20aが形成され、これとは反対側の面(裏面)に空気を流通させるための空気溝20bが形成され、その外周部分にはアノード電極エッジ部9aに対応させて段差部20cが形成されている。
Further,
一方、12は燃料電池電極11の外周側に配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の電極枠部材、13はこの電極枠部材12の図示下面とアノード電極エッジ部9aに対応する片面溝付きセパレータ15の外周部分に有する段差部15bとの間に跨って配置された電極枠接着用シートで、この電極枠接着用シート13と電極枠部材12およびアノード電極エッジ部9aとの間に接着剤14として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置されている。
On the other hand, 12 is a frame-shaped electrode frame member made of a gas-impermeable material disposed on the outer peripheral side of the
ここで、電極枠部材12は、図9に示すように中央に開口部12aを有し、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴12b、空気を流通する空気マニホルド穴12c、冷却水を流通する冷却水マニホルド穴12d、四隅部分にはタイロッド4を挿通するためのタイロッド貫通穴12eがそれぞれ設けられている。
Here, as shown in FIG. 9, the
また、電極枠接着用シート13および接着剤14は、図10および図11に示すように電極枠部材12と比較し中央の開口部13a,14aのみが電極枠部材12の開口部12aより小さく、且つ開口端が片面溝付きセパレータ15の外周部分に有する段差部15bに挿入し得る大きさに形成されている以外は電極枠部材12とほぼ同一形状の枠状部品である。
Further, as shown in FIGS. 10 and 11, the electrode
この場合、燃料電池電極11の外周面と電極枠部材12の開口端との間並びに電極枠接着用シート13および接着剤14の開口端と片面溝付きセパレータ15の外周部分に有する段差部15bの垂直面との間にギャップがあっても燃料ガスが漏れたり、接着強度が損なわれたりすることはない。
In this case, the
また、16は片面溝付きセパレータ15の外周側に配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の片面溝付きセパレータ枠部材、17はこの片面溝付きセパレータ枠部材16の図示下面と両面溝付きセパレータ20の段差部20cに対応する片面溝付きセパレータ15の下面との間に跨って配置されたセパレータ接着用シートで、このセパレータ接着用シート17と片面溝付きセパレータ枠部材16および片面溝付きセパレータ15との間に接着剤18として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。
ここで、片面溝付きセパレータ枠部材16は、図12に示すように中央に開口部16aを有し、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴16b、空気を流通する空気マニホルド穴16d、冷却水を流通する冷却水マニホルド16d、四隅部分にはタイロッド4を挿通させるためのタイロッド貫通穴16eがそれぞれ設けられている。
Here, as shown in FIG. 12, the single-side grooved
そして、片面溝付きセパレータ枠部材16には、燃料マニホルド穴16bから片面溝付きセパレータ15の燃料ガス溝15aに燃料ガスを流通させるための燃料ガス連絡部16fにより燃料マニホルド穴16bと開口部16aが接続され、連続した開口部16gが形成されている。
The
また、セパレータ接着用シート17および接着剤18は、図14および図15に示すように片面溝付きセパレータ枠部材16と比較し中央の開口部17a,18aのみが片面溝付きセパレータ枠部材16の開口部16aより小さく、且つ開口端が両面溝付きセパレータ20の外周部分に有する段差部20cに挿入し得る大きさに形成されている以外は片面溝付きセパレータ枠部材16とほぼ同一形状の枠状部品である。
Further, as shown in FIGS. 14 and 15, the
この場合、片面溝付きセパレータ15の外周面と片面溝付きセパレータ枠部材16の開口端との間並びにセパレータ接着用シート17および接着剤18の開口端と両面溝付きセパレータ20の外周部分に有する段差部20cの垂直面との間にギャップがあっても冷却水が漏れたり、接着強度が損なわれたりすることはない。
In this case, the level difference between the outer peripheral surface of the single-side
他方、片面溝付きセパレータ枠部材16と前述した電極枠接着用シート13とは、連続した開口部16gと空気マニホルド穴16cと冷却水マニホルド穴16dのそれぞれの周辺を囲むように接着剤19として、図13に示すような形状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。
On the other hand, the
さらに、21は両面溝付きセパレータ20の外周側に有する段差部20cに配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の両面溝付きセパレータ枠部材、22は両面溝付きセパレータ20の段差部20cの下方に位置する外周側に配置されるガス不透過性の材料からなる枠状の両面溝付きセパレータ段差部枠部材、23はこの両面溝付きセパレータ枠部材21の図示下面と両面溝付きセパレータ20の段差部20cとの間に跨って配置されるセパレータ接着用シートで、このセパレータ接着用シート23と両面溝付きセパレータ枠部材21との間に接着剤24として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。
Furthermore, 21 is a frame-shaped double-sided grooved separator frame member made of a gas-impermeable material disposed on the stepped
また、両面溝付きセパレータ20の外周側に有する段差部20cの上段面とセパレータ接着用シート23および両面溝付きセパレータ段差部枠部材22と両面溝付きセパレータ接着用シート23との間に接着剤25として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。
Further, an adhesive 25 is provided between the upper surface of the stepped
ここで、両面溝付きセパレータ枠部材21は、図16に示すように中央に開口部21aを有し、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴21b、空気を流通する空気マニホルド穴21c、冷却水を流通する冷却水マニホルド21d、四隅部分にはタイロッド4を挿通させるためのタイロッド貫通穴21eがそれぞれ設けられている。
Here, as shown in FIG. 16, the double-sided grooved
そして、両面溝付きセパレータ枠部材21には、冷却水マニホルド穴21dから両面溝付きセパレータ20の冷却水溝20aに冷却水を流通させるための冷却水連絡部21fにより冷却水マニホルド穴21dと開口部21aが接続され、連続した開口部21gが形成される。
The double-sided grooved
また、セパレータ接着用シート23は、図17示すように両面溝付きセパレータ枠部材21と比較し冷却水マニホルド穴21dが冷却水連絡部21fにより開口部21aに接続されない以外は両面溝付きセパレータ枠部材21とほぼ同一形状の枠状部品である。また、接着剤24は、図18に示すように両面溝付きセパレータ枠部材21と同一形状である。
Further, as shown in FIG. 17, the
さらに、両面溝付きセパレータ段差部枠部材22は、図19に示すように空気マニホルド穴21cから両面溝付きセパレータ20の図8(b)に示す空気溝20bに空気を流通させるための空気連絡部21hにより空気マニホルド穴21cと開口部21aが接続され、連続した開口部21iが形成される。
Further, as shown in FIG. 19, the double-sided grooved separator step
また、両面溝付きセパレータ段差部枠部材22とセパレータ接着用シート23との間には、図20に示すように開口部21iと燃料マニホルド穴21bと冷却水マニホルド穴21dのそれぞれの周辺を囲むように接着剤25として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。
Further, between the separator stepped
他方、両面溝付きセパレータ枠部材21と前述した片面溝付きセパレータ接着用シート17とは、開口部21gと燃料マニホルド穴21bと空気マニホルド穴21cのそれぞれの周辺を囲むように図21に示すような形状の接着剤26として、例えばシート状に成型されたホットメルト接着剤が配置される。
On the other hand, as shown in FIG. 21, the double-sided grooved
このように燃料電池電極11、片面溝付きセパレータ15および両面溝付きセパレータ20の外周側に配置された電極枠部材12、片面溝付きセパレータ枠部材16、両面溝付きセパレータ枠部材21および両面溝付きセパレータ段差部枠部材22のそれぞれの間に電極枠接着用シート13とその両面側にシート状の接着剤14,19、セパレータ接着用シート17とその両面側に接着剤18,26、セパレータ接着用シート23とその両面側にシート状の接着剤24,25とを重ね合せるように配置した上で全体を加熱圧着することで、それぞれの部材が次のような状態で接合される。
Thus, the
すなわち、燃料電池電極11の外周部の全周が電極枠接着用シート13と接着されるとともに、電極枠部材12と電極枠接着用シート13とは開口部12aと燃料マニホルド穴12bと空気マニホルド穴12cと冷却水マニホルド穴12dのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤14により接着される。
That is, the entire outer periphery of the
また、片面溝付きセパレータ15の外周部の全周はセパレータ接着用シート17と接着されるとともに、片面溝付きセパレータ枠部材16とセパレータ接着用シート17とは、開口部16gと空気マニホルド穴16cと冷却水マニホルド穴16dのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤18により接着される。
In addition, the entire circumference of the outer peripheral portion of the single-side
このとき、電極枠接着用シート13と片面溝付きセパレータ枠部材16とは、開口部16gと空気マニホルド穴16cと冷却水マニホルド穴16dのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤19により接着される。
At this time, the electrode
さらに、両面溝付きセパレータ枠部材21とセパレータ接着用シート23は、開口部21gと燃料マニホルド穴21bと空気マニホルド穴21cのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤24により接着され、また、両面溝付きセパレータ20の段差部20cの全周はセパレータ接着用シート23と接着されるとともに、両面溝付きセパレータ段差部枠部材22とセパレータ接着用シート23は、開口部21iと燃料マニホルド穴21bと冷却水マニホルド穴21dのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤25により接着される。
Further, the double-sided grooved
このとき、セパレータ接着用シート17と両面溝付きセパレータ枠部材21とは、開口部21gと燃料マニホルド穴21bと空気マニホルド穴21cのそれぞれの周辺を囲むように配置された接着剤25により接着される。
At this time, the
このようにして組立られる単位電池1を複数個積層する場合には、隣接した単位電池1同士の間をシールする必要があるため、単位電池1の隣接する積層間にシール材27が設けられる。
When stacking a plurality of
このシール材27は、図22に示すように中央に開口部27aを有する枠状の部品であり、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴27bと空気を流通する空気マニホルド穴27cと冷却水を流通する冷却水マニホルド穴27dと四隅部分にはタイロッド4を挿通するためのタイロッド貫通穴27eがそれぞれ設けられている。
As shown in FIG. 22, the sealing
次に上記のように構成された第1の実施形態における燃料電池の作用について述べる。 Next, the operation of the fuel cell according to the first embodiment configured as described above will be described.
第1の実施形態において、締付板3の一方の燃料配管5から導入された燃料ガスは、単位電池1の各部材の燃料マニホルド穴に流通し、片面溝付きセパレータ枠部材16の一方の燃料ガス連絡部16fを経由して片面溝付きセパレータ15の燃料ガス溝15aに導入され、燃料電池電極11のアノード電極9で消費された後に、未使用の燃料ガスおよび燃料ガス中の燃料以外の成分は、片面溝付きセパレータ枠部材16の他方の燃料ガス連絡部16fを経由して締付板3の他方の燃料配管5から排出される。
In the first embodiment, the fuel gas introduced from one
このとき、片面溝付きセパレータ枠部材16および接着剤19、接着剤18を除く単位電池1のそれぞれの部材では、互いに隣接する部材間の接着剤またはシール材により、燃料マニホルド穴の周囲がシールされているため、燃料ガスが燃料マニホルド穴から片面溝付きセパレータ枠部材16の燃料ガス連絡部16f以外の空間に侵入することはない。
At this time, in each member of the
また、片面溝付きセパレータ15の燃料ガス溝15aに導入された燃料ガスは片面溝付きセパレータ15と片面溝付きセパレータ枠部材16の隙間に侵入するが、セパレータ接着用シート17と片面溝付きセパレータ15とが接着材18によりシールされているため、燃料ガスが両面溝付きセパレータ20の冷却水溝20a側へ漏れ出ることを防止できる。
In addition, the fuel gas introduced into the
同様に片面溝付きセパレータ15の燃料ガス溝15aに導入された燃料ガスは、燃料電池電極11のアノード電極エッジ9aと接着剤14と電極枠接着用シート13とでシールされているため、燃料電池電極11の外周部を経由して燃料電池電極11側へ漏れ出ることを防止できる。
Similarly, since the fuel gas introduced into the
同様に空気マニホルド穴に導入された空気と冷却水マニホルドに導入された冷却水も、それぞれの部材および部材間の接着剤によりシールされ、それぞれ異なる系へ漏れ出ることを防止できる。 Similarly, the air introduced into the air manifold hole and the cooling water introduced into the cooling water manifold are sealed by the respective members and the adhesive between the members, and can be prevented from leaking to different systems.
このように第1の実施形態では、図7〜図22に示すように単位電池1に使用する部材のうち、燃料電池電極11と片面溝付きセパレータ15と両面溝付きセパレータ20とを除いたそれぞれの部材は厚さ方向に均一な形状を有し、平板状またはシート状の材料からの打抜きなどの切断加工により容易に製作が可能である。また、それぞれの枠部材および接着用シートは予め準備した金型に樹脂材料を流し込むモールド加工でも製作が容易であるが、この際も形状が比較的単純であるため、製作が容易である。
Thus, in 1st Embodiment, as shown in FIGS. 7-22, each remove | excluding the
また、第1の実施形態では、それぞれの接着用シートを同一の形状とすることが可能なので、複数の製造機材を使用する必要がなく、製造が簡単且つ容易である。 Further, in the first embodiment, since the respective adhesive sheets can be formed in the same shape, it is not necessary to use a plurality of production equipment, and the production is simple and easy.
さらに、接着剤として、シート状に成型されたホットメルト接着剤を用いてそれぞれの接着用シートとセパレータ部品または電極部品とそれぞれの枠部材とを所定の配置で重ね合せた上で全体を加熱圧着しているので、それぞれの部材の接合が簡単且つ容易に実施することが可能である。 In addition, using hot melt adhesive molded into a sheet as an adhesive, each adhesive sheet, separator component or electrode component, and each frame member are overlaid in a predetermined arrangement, and the whole is thermocompression bonded Therefore, the joining of each member can be performed easily and easily.
なお、上記実施形態では接着用シートとセパレータ部品または電極部品とそれぞれの枠部材とをシート状に成型されたホットメルト接着剤を用いて全体を加熱圧着することで、それぞれの部材間を接合するようにしたが、これらを安定した状態で重ね合せることが難しいときは接着樹脂により各部材間を仮接着した状態で、全体を加熱圧着するようにしてもよい。 In the above embodiment, the members are bonded together by hot-pressing the entire sheet using a hot-melt adhesive formed into a sheet shape between the adhesive sheet, the separator component or the electrode component, and each frame member. However, when it is difficult to superimpose these in a stable state, the whole may be thermocompression-bonded in a state where the members are temporarily bonded with an adhesive resin.
(第2の実施形態)
図23は本発明による燃料電池の第2の実施形態における単位電池の構成部品を図5と同様に図3に準じて切断して分解した状態を示す断面図で、同一部品には同一符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 23 is a sectional view showing a state in which the constituent parts of the unit cell in the second embodiment of the fuel cell according to the present invention are cut and disassembled according to FIG. 3 in the same manner as FIG. A description thereof will be omitted.
第2の実施形態においては、図23に示すようにシート状またはロール材として供給されるポリエチレンテレフタレート等の基材の両面にポリエステル等の接着層を形成した後、基材と接着層とを同時に切断加工することで所定形状の接着剤付き接着用シートを製作し、これらの接着剤付き接着用シートとそれぞれの部材を貼り合わせることで単位電池を構成するようにしたものである。 In the second embodiment, as shown in FIG. 23, after forming an adhesive layer such as polyester on both surfaces of a base material such as polyethylene terephthalate supplied as a sheet or roll material, the base material and the adhesive layer are simultaneously formed. A unit battery is configured by manufacturing a bonding sheet with an adhesive having a predetermined shape by cutting and bonding the adhesive sheet with an adhesive and each member.
本実施形態と第1の実施形態との相違点は、接着シートと接着剤を同時に切断加工することにより接着剤14と接着剤19、接着剤18と接着剤26、接着剤24と接着剤25が接着剤付き接着用シートと同一形状となり、接着剤の一部がガスまたは冷却水の流通路に対して露出していることである。 The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the adhesive 14 and the adhesive 19, the adhesive 18 and the adhesive 26, and the adhesive 24 and the adhesive 25 are obtained by simultaneously cutting the adhesive sheet and the adhesive. Is the same shape as the adhesive sheet with adhesive, and a part of the adhesive is exposed to the gas or cooling water flow passage.
一般に燃料電池では燃料電池反応部に外部から不純物が混入することにより電池特性が低下する傾向にあるため、接着剤としては不純物の溶出の少ない材料を使用することが望ましい。 In general, in a fuel cell, cell characteristics tend to be deteriorated due to external impurities mixed into the fuel cell reaction part. Therefore, it is desirable to use a material with less impurity elution as an adhesive.
次に上記のように構成された第2の実施形態における燃料電池の作用について述べる。 Next, the operation of the fuel cell in the second embodiment configured as described above will be described.
第2の実施形態においては、第1の実施形態と同様に燃料マニホルド穴に導入された燃料ガスと空気マニホルド穴に導入された空気と冷却水マニホルドに導入された冷却水がそれぞれの部材および部材間の接着剤によりシールされるため、それぞれ異なる系へ漏れ出ることを防止できる。 In the second embodiment, as in the first embodiment, the fuel gas introduced into the fuel manifold hole, the air introduced into the air manifold hole, and the cooling water introduced into the cooling water manifold are the respective members and members. Since it is sealed with an adhesive in between, it is possible to prevent leakage into different systems.
このように第2の実施形態では、シート状またはロール材として供給される基材の両面に接着層を形成した後、基材と接着層とを同時に切断加工することで所定形状の接着剤付き接着用シートを製作するようにしているので、その製作に要する手間や時間を大幅に短縮することができる。 Thus, in 2nd Embodiment, after forming an adhesive layer on both surfaces of the base material supplied as a sheet form or a roll material, a base material and an adhesive layer are cut simultaneously, and adhesive of a predetermined shape is attached. Since the adhesive sheet is manufactured, the labor and time required for the manufacturing can be greatly reduced.
また、本実施形態では、それぞれの接着剤付き接着用シートは全て同一形状とすることが可能なので、製造のために複数の製造機材を使用する必要がなく、製造が容易である。 Moreover, in this embodiment, since the adhesive sheets with adhesives can all have the same shape, it is not necessary to use a plurality of manufacturing equipment for manufacturing, and manufacturing is easy.
さらに、第1の実施形態と同様にそれぞれの枠部品も平板状またはシート状の材料からの打抜きなどの切断加工またはモールド加工により容易に製作することができる。 Further, similarly to the first embodiment, each frame component can also be easily manufactured by cutting or molding such as punching from a plate-like or sheet-like material.
また、それぞれの接着剤付き接着用シートとセパレータ部品または電極部品とそれぞれの枠部材とを所定の配置で重ね合せて接着することで、それぞれの部材の接合を容易に行うことができる。 Moreover, each member can be easily joined by overlapping and bonding each adhesive sheet with an adhesive, a separator component or an electrode component, and each frame member in a predetermined arrangement.
このように本実施形態では、単位電池の組立を簡単且つ容易に行うことができ、作業性の優れたものとなし得る。 As described above, in this embodiment, the unit battery can be assembled easily and easily, and the workability can be improved.
(第3の実施形態)
図24は本発明による燃料電池の第3の実施形態における単位電池の片面溝付きセパレータ枠部材を示す斜視図である。
(Third embodiment)
FIG. 24 is a perspective view showing a separator frame member with a single-side groove of a unit cell in a third embodiment of the fuel cell according to the present invention.
第3の実施形態においては、第1の実施形態の片面溝付きセパレータ枠部材16に代えて、図24に示すような片面溝付きセパレータ枠部材28を配置したもので、その他の構成は第1の実施形態と同じである。
In the third embodiment, instead of the single-side grooved
本実施形態の片面溝付きセパレータ枠部材28は、第1の実施形態の片面溝付きセパレータ枠部材16と同様に中央に開口部28aを有する枠状の部品であり、その枠部には燃料ガスを流通する燃料マニホルド穴28b、空気を流通する空気マニホルド穴28c、冷却水を流通する冷却水マニホルド28d、四隅部分にはタイロッド4を挿通させるためのタイロッド貫通穴28eがそれぞれ設けられているが、燃料マニホルド穴28bから片面溝付きセパレータ15の燃料ガス溝15aに燃料ガスを流通させるための燃料ガス連絡部28fは片面溝付きセパレータ枠部材28の片面に成型された燃料ガス連絡部であり、この燃料ガス連絡部28fの連絡溝のリブ上面は隣接する電極枠接着用シート13と接触するように形成されている。
The single-sided grooved
次に上記のように構成された第3の実施形態における燃料電池の作用について述べる。 Next, the operation of the fuel cell according to the third embodiment configured as described above will be described.
第3の実施形態では、第1の実施形態と同様に燃料マニホルド穴に導入された燃料ガスと空気マニホルド穴に導入された空気と冷却水マニホルドに導入された冷却水がそれぞれの部材および部材間の接着剤によりシールされるため、それぞれ異なる系へ漏れ出ることを防止できる。 In the third embodiment, as in the first embodiment, the fuel gas introduced into the fuel manifold hole, the air introduced into the air manifold hole, and the cooling water introduced into the cooling water manifold are separated from each other and between the members. Therefore, it is possible to prevent leakage into different systems.
また、燃料ガス連絡部28fの連絡溝のリブ上面は隣接する電極枠接着用シート13と接触するように形成されているため、電極枠接着用シート13は電極枠部材12と片面溝付きセパレータ枠部材28とに挟持されており、電極枠部材12に接着剤14にて接合されている電極枠接着用シート13が電極枠部材12から剥離することを防止できる。
Further, the upper surface of the rib of the communication groove of the fuel
このように第3の実施形態では、単位電池の組立を簡単且つ容易に行うことができ、電極枠接着用シート13と電極枠部材12との剥離を防止し、長期の運転において信頼性の高いものとなし得る。
As described above, in the third embodiment, the unit battery can be assembled easily and easily, the peeling of the electrode
(第4の実施形態)
図25(a)〜(d)は本発明による燃料電池の第4の実施形態における単位電池の構成部品を図4と同様に図3に準じてA−A線、B−B線、C−C線、D−D線に沿ってそれぞれ切断して示す断面図、図26(a)〜(d)は図25の(a)〜(d)にそれぞれ対応する切断部における構成部品を部品毎に分解した状態を示す断面図で、図4および図5と同一部品には同一符号を付してその説明を省略する。
(Fourth embodiment)
25 (a) to 25 (d) show the components of the unit cell in the fourth embodiment of the fuel cell according to the present invention in the same manner as in FIG. 4, according to FIG. 3, along the lines AA, BB, C- Sectional drawing which cuts and shows each along a C line and a DD line, FIG.26 (a)-(d) shows the component in the cutting part corresponding to (a)-(d) of FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an exploded state, and the same components as those in FIGS. 4 and 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第4の実施形態では、図25および図26(a)〜(d)に示すように燃料電池電極11のアノード電極9に接触させてガス不透過性で導電性の素材からなる両面溝付きセパレータ30を配置し、この両面溝付きセパレータ30のアノード電極9側とは反対側の面にガス不透過性で導電性の素材からなる片面溝付きセパレータ31を接触させて配置する構成としたものである。
In the fourth embodiment, as shown in FIGS. 25 and 26 (a) to (d), a double-sided grooved separator made of a gas-impermeable and conductive material in contact with the
この両面溝付きセパレータ30は、アノード電極9との接触面側に燃料ガス溝30aを形成し、また、片面溝付きセパレータ31との接触側の面に冷却水を流通させるための冷却水溝30bを形成したもので、その外周部分にはアノード電極エッジ部9aに対応させて上向き段差部30cと下向き段差部30dが形成されている。
This double-sided
また、片面溝付きセパレータ31は、両面溝付きセパレータ30との接触面と反対側の面に空気を流通させるための空気溝31aを形成したものである。
The single-sided
一方、燃料電池電極11の外周側に配置される電極枠部材12、両面溝付きセパレータ30の燃料ガス溝30aに対応する外周側に配置されるセパレータ枠部材16および冷却水溝30bに対応する外周側に配置されるセパレータ枠部材26、片面溝付きセパレータ31の空気溝に対応する外周側に配置されるセパレータ段差部枠部材22については第1の実施形態と同様であり、またこれらの枠部材を燃料電池電極11のエッジ部分と各セパレータに接着剤によりそれぞれ接着する構成については前述した実施形態と全く同様である。
On the other hand, the
このように両面溝付きセパレータと片面溝付きセパレータとを第1の実施形態とは逆にして配置する構成としても、前述と全く同様の作用効果を得ることができる。 As described above, even when the double-sided grooved separator and the single-sided grooved separator are arranged opposite to those of the first embodiment, the same effects as those described above can be obtained.
なお、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実施できるものである。 The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
例えば、第1の実施形態の単位電池1は、片側に燃料電池電極11を配置し、これとは反対側に両面溝付きセパレータ20を配置して、シール材27を介して複数の単位電池1を積層する構成のものであるが、燃料電池電極11を挟んで一方の面側に両面溝付きセパレータ20を、他方の面側に片面溝付きセパレータ15を配置して単位電池を構成した上で両面溝付きセパレータ20と片面溝付きセパレータ15のそれぞれの枠部品をシール材を介して積層することも可能である。
For example, in the
また、前述した各実施形態では、電極枠部材12、セパレータ枠部材16、両面セパレータ枠部材21およびセパレータ段差部枠部材22相互間に接着用シートの両面側に接着剤を設ける構成について述べたが、これら何れか任意の枠部材間に設けられる接着剤に代えて弾性を有するシール材を設けるようにしてもよい。
In each of the above-described embodiments, the configuration in which the adhesive is provided on both sides of the adhesive sheet between the
さらに、シール材の形状として枠部材側の下面に断面が半円弧状の溝を設け、この溝にOリング状のシール材を嵌合するようにしてもよい。 Further, as a shape of the sealing material, a groove having a semicircular cross section may be provided on the lower surface on the frame member side, and an O-ring sealing material may be fitted into this groove.
また、前述した第3の実施形態では、片面溝付きセパレータ枠部材28の片面に燃料ガスを流通させるための燃料ガス連絡溝28fを設けたが、枠部品の開口部と空気マニホルド穴との連絡部や枠部品の開口部と冷却水マニホルド穴との連絡部を連絡溝として、リブ表面が隣接する部材と接触する構成とすることも可能である。
In the third embodiment described above, the fuel
さらに、燃料電池電極11、片面溝付きセパレータ15、両面溝付きセパレータ20の何れか1つまたは2つの部材を枠部材に相当する部分を含む大きさとし、この枠部材に相当する部分に燃料、冷却水、空気の各マニホルド穴を設けることで枠部材を設けない構成とすることも可能である。
Furthermore, one or two members of the
1…単位電池、2…燃料電池積層体、3…締付板、4…タイロッド、5…燃料配管、6…冷却水配管、7…空気配管、8…電解質膜、9…アノード電極、9a…アノード電極エッジ部、10…カソード電極、10a…カソード電極エッジ部、11…燃料電池電極、12…電極枠部材、12a…開口部、12b…燃料マニホルド穴、12c…空気マニホルド穴、12d…冷却水マニホルド穴、12e…タイロッド貫通穴、13…電極枠接着用シート、14,18,19,24,25,26…接着材、15…片面溝付きセパレータ、15a…燃料ガス溝、15b…段差部、16…片面溝付きセパレータ枠部材、16a…開口部、16b…燃料マニホルド穴、16c…空気マニホルド穴、16d…冷却水マニホルド穴、16e…タイロッド貫通穴、16g…連続した開口部、17,23…セパレータ接着用シート、20…両面溝付きセパレータ、20a…冷却水溝、20b…空気溝、20c…段差部、21…両面溝付きセパレータ枠部材、21a…開口部、21b…燃料マニホルド穴、21c…空気マニホルド穴、21d…冷却水マニホルド穴、21e…タイロッド貫通穴、21f…冷却水連絡部、21g…連続した開口部、21h…空気連絡部、21i…連続した開口部、22…両面溝付きセパレータ段差部枠部材、27…シール材、27a…開口部、27b…燃料マニホルド穴、27c…空気マニホルド穴、27d…冷却水マニホルド穴、27e…タイロッド貫通穴、28…片面溝付きセパレータ枠部材、28a…開口部、28b…燃料マニホルド穴、28c…空気マニホルド穴、28d…冷却水マニホルド穴、28e…タイロッド貫通穴、28f…燃料ガス連絡部、30…両面溝付きセパレータ、31…片面溝付きセパレータ、30a…燃料ガス溝、30b…冷却水溝、30c…上向き段差部、30d…下向き段差部、31…片面溝付きセパレータ、31a…空気溝
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記単位電池は、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方の外周部に前記セパレータの燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路にそれぞれ連通するマニホルド穴を有する枠部材が配置され、この枠部材と前記燃料電池電極または前記セパレータの周縁部の全周との間に跨って配置された接着用シートを接着剤により、前記燃料電池電極または前記セパレータの少なくとも一方と前記枠部材とにそれぞれ接着して一体化されていることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are respectively disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a fuel gas flow path and an oxidant gas flow channel disposed in contact with the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell electrode, respectively A fuel cell stack formed by stacking a plurality of unit cells each having a separator having a path, and tightening the fuel cell stack in a direction approaching each other by fastening means installed at both ends of the fuel cell stack A fuel cell comprising a clamping plate for
In the unit cell, a frame member having manifold holes communicating with the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path of the separator is disposed on at least one outer peripheral portion of the fuel cell electrode or the separator, and the frame member and An adhesive sheet disposed between the fuel cell electrode or the entire periphery of the peripheral edge of the separator is bonded to at least one of the fuel cell electrode or the separator and the frame member with an adhesive. A fuel cell characterized by being integrated.
前記一つのセパレータは、片面に第1のガス流通路が形成され周縁部に段差部を有する片面溝付きセパレータであり、前記もう一つのセパレータは、一方の面に第2のガス流通路が形成されると共に、他方の面に冷却水流通路が形成され周縁部に段差部を有する両面溝付きセパレータであり、
前記燃料電池電極の外周部に配置され、該燃料電池電極が収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する電極枠部材と、
前記片面溝付きセパレータの外周部に配置され、該片面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する片面溝付きセパレータ枠部材と、
前記両面溝付きセパレータの外周部に配置され、該両面溝付きセパレータが収まる開口部と燃料ガス及び酸化剤ガス並びに冷却水が流通するマニホルド穴を有する両面溝付きセパレータ枠部材と、
前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材との間、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材との間及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材との間に跨ってそれぞれ配置された接着用シートとを有し、
前記燃料電池電極の外周部と前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記片面溝付きセパレータ枠部材及び前記両面溝付きセパレータの周縁部に有する段差部と前記両面溝付きセパレータ枠部材と、前記各接着用シートとを接着剤によりそれぞれ接着して一体化した枠付き電極及び枠付きセパレータを構成し、
前記電極枠部材、前記片面溝付きセパレータ枠部材及び両面溝付きセパレータ枠部材のガスマニホルド穴は、前記片面溝付きセパレータ及び両面溝付きセパレータの該当するガス流通路に連通し、また冷却水マニホルド穴は、前記両面溝付きセパレータの冷却水流通路に連通していることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell electrode in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, a fuel gas flow passage disposed in contact with the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell electrode, and an oxidant gas flow, respectively. A fuel cell stack comprising a plurality of unit cells each having two gas separators having gas flow passages, and the fuel cell stack by clamping means installed at both ends of the fuel cell stack In a fuel cell composed of a clamping plate for clamping in a direction close to each other,
The one separator is a single-sided grooved separator having a first gas flow passage on one side and a stepped portion on the peripheral edge, and the second separator has a second gas flow passage on one side. And a double-sided grooved separator having a cooling water flow passage formed on the other surface and a stepped portion on the peripheral edge,
An electrode frame member disposed on the outer periphery of the fuel cell electrode, and having an opening for receiving the fuel cell electrode and a manifold hole through which fuel gas, oxidant gas and cooling water flow;
A single-sided grooved separator frame member disposed on the outer peripheral portion of the single-sided grooved separator and having a manifold hole through which fuel gas, oxidant gas, and cooling water flow, and an opening for receiving the single-sided grooved separator;
A separator frame member with a double-sided groove that is disposed on the outer periphery of the separator with a double-sided groove and has a manifold hole through which the separator with the double-sided groove fits and a fuel gas, an oxidant gas, and cooling water flow;
Between the outer periphery of the fuel cell electrode and the electrode frame member, between the stepped portion on the peripheral edge of the single-side grooved separator and the separator frame member with single-side groove and on the peripheral edge of the double-sided grooved separator. An adhesive sheet disposed between the stepped portion and the separator grooved member with a groove on both sides,
The outer peripheral part of the fuel cell electrode, the electrode frame member, the step part provided at the peripheral part of the separator with the single-side groove, the step part provided at the peripheral part of the separator frame member with the single-side groove and the double-sided groove and the double-sided groove A separator electrode with a frame and a separator with a frame, which are integrated by adhering a separator frame member with each adhesive sheet with an adhesive,
Gas manifold holes of the electrode frame member, the separator frame member with a single-sided groove, and a separator frame member with a double-sided groove communicate with the corresponding gas flow passages of the separator with a single-sided groove and the separator with a double-sided groove, and a cooling water manifold hole Is in communication with the cooling water flow passage of the separator with groove on both sides.
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