(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のスタック；
前記スタックに荷重を付加するとともに前記スタックを通過して反応物質フィードフローの流れを導くように構成される第１および第２のバッフル；
前記スタックに上方に配置されるトップブロック；および
前記スタックの下方に配置されたベース
を含む、燃料電池アセンブリであって、
前記第１のバッフルが前記スタックの第１の側面に配置されるとともに、前記反応物質フィードフローの流れが、前記第１および前記第２のバッフルによって、前記スタックを通過して前記スタックの第３の側面から該第３の側面とは反対側の前記スタックの第４の側面に導かれるように、前記第２のバッフルが前記第１の側面と反対側の前記スタックの第２の側面に配置され、
前記第１のバッフルおよび前記第２のバッフルは、前記ベースと前記トップブロックとに接続され、前記スタックに荷重を付加し、
前記バッフルがセラミック材料を含み、かつ
前記セラミック材料がセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）を含む、
燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池アセンブリにおいて、
前記ＣＭＣが、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムまたは炭化ケイ素を含むマトリックスと、酸化アルミニウム、炭素または炭化ケイ素を含むファイバーと、を含む、燃料電池アセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池アセンブリにおいて、
前記第１のバッフルが、前記第１のバッフルの第１の端部で第１の切欠きに配置された第１のインサートと、前記第１のバッフルの第２の端部で第２の切欠きに配置された第２のインサートとによって、それぞれ、前記ベースと前記トップブロックとに連結される、連結されたバッフルプレートであって、互いに接続される複数のプレート型の部品から形成される、該連結されたバッフルプレートを含む、燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
燃料電池のスタック；
前記スタックに荷重を付加するとともに前記スタックを通過して反応物質フィードフローの流れを導くように構成される第１および第２のバッフル；
前記スタックに上方に配置されるトップブロック；および
前記スタックの下方に配置されたベース
を含む、燃料電池アセンブリであって、
前記第１のバッフルが、前記スタックの第１の側面に配置されるとともに、前記反応物質フィードフローの流れが前記第１および前記第２のバッフルによって、前記スタックを通過して前記スタックの第３の側面から該第３の側面とは反対側の前記スタックの第４の側面に導かれるように、第２のバッフルが前記第１の側面と反対側の前記スタックの第２の側面に配置され、
前記第１のバッフルは、第１の連結されたバッフルプレートであって、互いに接続される複数のプレート型の部品から形成される、該第１の連結されたバッフルプレートを含むとともに、前記第２のバッフルは、第２の連結されたバッフルプレートであって、互いに接続される複数のプレート型の部品から形成される、該第２の連結されたバッフルプレートを含み、；
前記第１および前記第２の連結されたバッフルプレートは、前記ベースと前記トップブロックに連結され、前記スタックに荷重を付加し、；
前記第１の連結されたバッフルプレートが第１の端部および該第１の端部の反対側の第２の端部を含み、該第１の端部が第１の切欠きを含み、前記第２の端部が第２の切欠きを含む、
燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池アセンブリであって、
複数のインサートをさらに備えるとともに、前記インサートが前記第１および第２の切欠きに嵌め込まれて前記第１の連結されたバッフルプレートを連結するように構成される、燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池アセンブリにおいて、
前記インサートがボウタイ形状またはドッグボーン形状を有する、燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
前記トップブロックと前記スタックの間に配置され、請求項４に記載の燃料電池アセンブリにおける第１および第２のバッフルでスタックに荷重を付与するように構成される、スプリング圧縮アセンブリであって、
セラミック板バネ、
前記バネの第１の側面に圧力を及ぼすように構成されるテンショナ、および、
前記板バネの前記第１の側面とは反対側の第２の側面に配置されるボトムプレートであって、前記ボトムプレートが前記バネから前記スタックに荷重を伝達するように構成されるボトムプレート、を備えた、
スプリング圧縮アセンブリ。
【請求項８】
燃料電池のスタック；
前記スタックに荷重を付加するとともに前記スタックを通過して反応物質フィードフローの流れを導くように構成される第１および第２のバッフル；
前記スタックに上方に配置されるトップブロック；
前記スタックの下方に配置されたベース；および
前記トップブロックと前記スタックの間に配置され、前記第１および前記第２のバッフルで前記スタックに荷重を付与するように構成される、スプリング圧縮アセンブリであって、
セラミック板バネ；
前記バネの第１の側面に圧力を付加するように構成されたテンショナ；および
前記バネの第１の側面と反対側の前記バネの第２の側面に配置され、前記バネから前記スタックに荷重を伝達するように構成される、ボトムプレート
を含む、スプリング圧縮アセンブリ
を含む、燃料電池アセンブリであって、
前記反応物質フィードフローの流れが前記第１および前記第２のバッフルによって前記スタックを通過して前記スタックの第３の側面から該第３の側面とは反対側の前記スタックの第４の側面に導かれるように、前記第１のバッフルが前記スタックの第１の側面に配置され、第２のバッフルが該第１の側面と反対側の第２の側面に配置され、かつ
前記テンショナが前記バネの上面に接触する湾曲した側面を備えるドーム型テンショナを含み、前記バネの下面の端部に接触するロッド型のバネ支持部をさらに含む、
燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
燃料電池スタックに、該燃料電池スタックの頂面に垂直である積み重ね方向に圧縮力を付与する方法であって、
前記燃料電池スタックの少なくとも２つの側面に隣接するように配置された複数のセラミックサイドバッフルを準備する工程、および、
前記燃料電池スタックおよび前記複数のセラミックサイドバッフルに連結されるように、前記燃料電池スタック上にセラミック圧縮メカニズムを設ける工程、
を含み、
前記複数のセラミックサイドバッフルが燃料電池スタックに圧縮応力を付与するとともに反応物質フィードフローの流れを導き、かつ前記圧縮メカニズムが前記燃料電池スタックに圧縮応力を付与し、
前記圧縮メカニズムがセラミック板バネを含み、各サイドバッフルが複数の連結されたセラミックバッフルプレートを含む、
燃料電池スタックに圧縮力を付与する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連する出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００９年９月３０日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６１／２７２，４９４に基づく優先権を主張するものであり、その内容は全てここに参照として取り込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、燃料電池システムコンポーネント（例えば、スタック圧縮装置および方法）に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国出願番号１１／６５６，５６３（２００７年１月２３日に出願され、米国出願公開公報２００７／０１９６７０４として公開され、その内容が全てここに参照として取り込まれる。）は、図１に示されるように、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックがベース上に配置された燃料電池システムを開示する。くさび形状のセラミックサイドバッフル２２０（例えば、水平方向において不均一な厚さを有する略三角形状の断面形状を有する）が、隣接する燃料電池スタック１４（または、燃料電池スタックのコラム）の間に配置されている。バッフル２２０は、陰極フィードを陰極流路に導くとともに、陰極フィードがスタック１４のそれぞれを通過するように隣接するスタックの間を埋めるものである。バッフル２２０は、バッフル２２０のそれぞれの中央に設けられた固定用穴２２４に挿入されるタイロッド２２２により、所定の位置に固定される。好ましくは、バッフル２２０は、導電性がなく、適切なセラミック材料から単一の部材として作られている。図１は、燃料通流マニホールドも示しており、スタックコラムのスタックと燃料注入口と排気流路とがそのマニホールドに接続されている。
【０００４】
この従来技術のシステムにおいて、ＳＯＦＣスタックは、圧縮荷重を維持している。圧縮荷重は、上側圧縮プレート２３０、タイロッド２２２、下側圧縮プレート９０、および、下側圧縮プレート９０の下部に設けられた圧縮スプリングアセンブリにより、維持される。圧縮スプリングは、荷重を、下側圧縮プレート９０に直接付与するとともに、上側圧縮プレート２３０にタイロッド２２２を介して付与する。バッフル２２０を貫通する穴またはフィード通路２２４は、ヒートシンクとして働き、これによりシステム効率を低下させる。
【０００５】
他の態様において、荷重は、ベース２３９を通じて伝達される（これが唯一のシステムのゼロ・データムである場合）。ベース２３９を貫通する貫通孔またはフィード通路は、ベース２３９から要求された荷重を引くべく用いられる。
【発明の概要】
【０００６】
一の態様は、電気化学的セルのスタックに荷重を付加するとともに反応物質フィードフローの流れを導くように構成されたバッフル、に関連する。一の側面において、バッフルは、複数のバッフルプレートから構成される。一の側面において、バッフルプレートは、一端に∨字型の（ダブテイル型の）突起を有し、他端に∨字型の（ダブテイル型の）切欠きを有する。
【０００７】
他の態様は、固体酸化物セルのスタック、少なくとも１つのバッフル、トップブロック、および、ベースを含むとともに、少なくとも１つのバッフルアセンブリがベース上に垂直に配列され且つトップブロックと連結されている、燃料電池アセンブリに関連する。
【０００８】
他の態様は、電気化学的セルのスタックに荷重を付加するように構成されたスプリング圧縮アセンブリに関連する。スプリング圧縮アセンブリは、スプリング、スプリングの第１の端部に圧力を与えるように構成されたテンショナ、および、スプリングの第１の端部と反対側の第２の端部に設けられたボトムプレートを含む。ボトムプレートは、スプリングからの荷重を電気化学的セルのスタックに伝達する。
【０００９】
他の態様は、電気化学的セルのスタックの端部に設けられるとともに電気化学的セルのスタックに荷重を付加するように構成された複数のバッフルプレートを含むキットに関連する。複数のバッフルプレートはカットアウトを含む。キットは、カットアウトに適応し複数のバッフルプレートを連結するように構成されたインサートも含む。
【００１０】
他の態様は、ベース上に設けられた燃料電池スタック、および、少なくとも燃料電池スタックの２つの端部に隣接するように設けられた複数のサイドバッフル（燃料電池スタックに圧縮応力を与える。）を含む燃料電池システムに関連する。
【００１１】
他の態様は、燃料電池システムに関連する。燃料電池システムは、燃料電池スタック、および、重力および燃料電池スタックの質量を燃料電池スタックに圧縮力を与えるべく用いる内部圧縮デバイスを含む。
［本発明１００１］
電気化学的セルのスタックに荷重を付与するとともに前記スタックへの反応物質フィードフローの流れを導くように構成されるバッフル。
［本発明１００２］
本発明１００１のバッフルにおいて、
前記バッフルが貫通孔を有さない、バッフル。
［本発明１００３］
本発明１００１のバッフルにおいて、
前記反応物質が酸化剤である、バッフル。
［本発明１００４］
本発明１００１のバッフルにおいて、
前記バッフルがセラミック材料から構成される、バッフル。
［本発明１００５］
本発明１００４のバッフルにおいて、
前記セラミック材料がセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）を含む、バッフル。
［本発明１００６］
本発明１００４のバッフルにおいて、
前記ＣＭＣが、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムまたは炭化ケイ素を含むマトリックスと、酸化アルミニウム、炭素または炭化ケイ素を含むファイバーと、を含む、バッフル。
［本発明１００７］
本発明１００１のバッフルにおいて、
前記バッフルがプレート型バッフルである、バッフル。
［本発明１００８］
本発明１００７のバッフルにおいて、
前記バッフルが複数の連結されたバッフルプレートを含む、バッフル。
［本発明１００９］
本発明１００８のバッフルにおいて、
前記バッフルプレートのそれぞれの第１の端部が凸部を備えるとともに第２の端部が切欠きを備え、前記第１の端部の前記凸部が隣接するバッフルプレートの前記第２の端部の切欠きと連結する、バッフル。
［本発明１０１０］
本発明１００８のバッフルにおいて、
前記バッフルプレートのそれぞれが第１の端部および前記第１の端部とは反対側の第２の端部を有し、前記第１の端部が第１の切欠きを有し、前記第２の端部が第２の切欠きを有する、バッフル。
［本発明１０１１］
本発明１０１０のバッフルであって、
複数のインサートをさらに備えるとともに、前記インサートが前記第１および第２の切欠きに適合して隣接するバッフルを連結するように構成される、バッフル。
［本発明１０１２］
本発明１０１１のバッフルにおいて、
前記インサートがボウタイ形状またはドッグボーン形状を有する、バッフル。
［本発明１０１３］
本発明１０１２のバッフルにおいて、
前記インサートが前記切欠きを完全には満たさない、バッフル。
［本発明１０１４］
固体酸化物セルのスタック、
少なくとも１つの本発明１００７のバッフル、
トップブロック、および、
ベース、を備える固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、
前記少なくとも１つのバッフルが前記ベース上に垂直に配列され、前記バッフルの前記トップバッフルプレートが前記トップブロックを連結する、固体酸化物燃料電池アセンブリ。
［本発明１０１５］
本発明１０１４の固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、
前記アセンブリが、前記スタックの第１の側面上に第１の垂直に配列されたバッフルを備えるとともに、前記スタックの第２の側面上に第２の垂直に配列されたバッフルを備える、アセンブリ。
［本発明１０１６］
本発明１０１５の固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、
前記ベースが前記第１および第２の垂直に配列されたバッフルのボトムバッフルプレートを連結する、アセンブリ。
［本発明１０１７］
本発明１０１５の固体酸化物燃料電池アセンブリであって、
ボトムブロックをさらに備え、前記ボトムブロックが前記第１および第２の垂直に配列されたバッフルのボトムバッフルプレートを連結する、アセンブリ。
［本発明１０１８］
本発明１０１４の固体酸化物燃料電池アセンブリであって、
前記スタックに荷重を付与するためのスプリングまたはバンドをさらに備える、アセンブリ。
［本発明１０１９］
本発明１０１８の固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、
前記スプリングが、セラミック板バネ、コイルスプリング、トーションスプリングまたは渦巻きスプリングまたはテンションバンドを有するバンドを備える、アセンブリ。
［本発明１０２０］
本発明１０１９の固体酸化物燃料電池アセンブリにおいて、
前記アセンブリがドーム型のテンショナの湾曲した側に接触するテンションバンドを備える、アセンブリ。
［本発明１０２１］
セラミック板バネ、
前記バネの第１の端部に圧力を及ぼすように構成されるテンショナ、および、
前記バネの前記第１の端部とは反対側の第２の端部に配置されるボトムプレートであって、前記ボトムプレートが前記バネから前記電気化学的セルのスタックに荷重を伝達するように構成されるボトムプレート、を備え、
電気化学的セルのスタックに荷重を付与するように構成される、スプリング圧縮アセンブリ。
［本発明１０２２］
本発明１０２１のスプリング圧縮アセンブリにおいて、
前記テンショナが前記バネの上面の中央部に下向きの力を及ぼすロッドを有する、アセンブリ。
［本発明１０２３］
本発明１０２１のスプリング圧縮アセンブリにおいて、
前記テンショナが前記バネの上面に接触する湾曲した側面を備えるドーム型テンショナを含み、前記バネの下面の端部に接触するロッド型のバネ支持部をさらに有する、アセンブリ。
［本発明１０２４］
本発明１０２１のスプリング圧縮アセンブリであって、
前記電気化学的セルのスタックの端部に位置するように構成されるセラミックブロックをさらに備え、前記ブロックが前記電気化学的セルのスタックの一または複数の側面上に配置されたバッフルを連結するように構成される、アセンブリ。
［本発明１０２５］
本発明１０２１のスプリング圧縮アセンブリにおいて、
前記バネが、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から構成されるとともに前記セルが固体酸化物燃料電池セルを有する、アセンブリ。
［本発明１０２６］
燃料電池スタックに圧縮力を付与する方法であって、
前記燃料電池スタックの少なくとも２つの側面に隣接するように配置された複数のセラミックサイドバッフルを準備する工程、および、
前記燃料電池スタックおよび前記複数のセラミックサイドバッフルに連結されるように、前記燃料電池スタック上にセラミック圧縮メカニズムを設ける工程、
を含み、
前記複数のセラミックサイドバッフルが燃料電池スタック上に圧縮応力を付与するとともに反応物質フィードフロー流れを導き、前記圧縮メカニズムが前記燃料電池スタックに圧縮応力を付与するように構成される、方法。
［本発明１０２７］
本発明１０２６の燃料電池スタックに圧縮力を付与する方法において、
前記圧縮メカニズムがセラミック板バネを有し、各サイドバッフルが複数の連結されたセラミックバッフルプレートを有する、方法。
［本発明１０２８］
本発明１０２７の燃料電池スタックに圧縮力を付与する方法において、
前記圧縮メカニズムが、前記スプリングに下向きの力を付与するテンショナ、および、前記テンショナおよび前記バネ上に位置するセラミックブロックをさらに有する、方法。
［本発明１０２９］
本発明１０２６の燃料電池スタックに圧縮力を付与する方法であって、
一時的な引き締めメカニズムを前記圧縮メカニズム上に取り付ける工程、
前記引き締めメカニズムを用いて前記スタックおよび前記圧縮メカニズムに圧縮力を付与する工程、
前記圧縮メカニズムを前記サイドバッフルに連結する工程、および、
前記一時的な引き締めメカニズムを取り外す工程、をさらに有する、方法。
［本発明１０３０］
本発明１０２９の燃料電池スタックに圧縮力を付与する方法において、
前記連結する工程が、前記圧縮メカニズムを前記サイドバッフルにダブテイル連結すること、または、セラミックインサートを前記圧縮メカニズムのそれぞれの切欠きおよび前記サイドバッフルに挿入すること、を含み、
前記引き締めメカニズムが、少なくとも１つのボルト、ネジ、テンションバンドまたはブラケットを有する、方法。
［本発明１０３１］
本発明１０２７の燃料電池スタックに圧縮力を付与する方法において、
前記スタックが作動温度に達したときに前記スタックに所望の大きさの力が生じるように、前記バッフルおよび前記板バネの熱膨張が前記スタックの熱膨張と適合するように構成される、方法。
［本発明１０３２］
電気化学的セルのスタックの側面に取り付けられるバッフルに連結され、前記電気化学的セルのスタックに荷重を付与するように構成される複数のバッフルプレートであって、
前記複数のバッフルプレートが切欠きを有する複数のバッフルプレート、および、
前記切欠きに適合し、前記複数のバッフルプレートを連結するように構成される複数のインサート、を有するキット。
［本発明１０３３］
本発明１０３２のキットにおいて、
前記バッフルがセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から構成され、前記インサートがボウタイ形状またはドッグボーン形状を有し、前記インサートが前記切欠きを完全には満たさない、キット。
［本発明１０３４］
ベース上に設けられた燃料電池スタック、および、
前記燃料電池スタックの少なくとも２つの側面に隣接するように配置された複数のサイドバッフルであって、前記複数のサイドバッフルが前記燃料電池スタックに圧縮応力を与えるように構成される複数のサイドバッフル、を備える、燃料電池システム。
［本発明１０３５］
本発明１０３４の燃料電池システムであって、
前記複数のサイドバッフルに動作可能に接続されるとともに前記燃料電池スタックに圧縮応力を与えるように構成されるスプリング圧縮アセンブリをさらに備える、燃料電池システム。
［本発明１０３６］
本発明１０３５の燃料電池システムにおいて、
前記複数のサイドバッフルがセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から構成され、前記スプリング圧縮アセンブリがＣＭＣ材料をから構成される板バネを備え、前記燃料電池スタックが固体酸化物燃料電池スタックを備える、燃料電池システム。
［本発明１０３７］
本発明１０３４の燃料電池システムであって、
前記ベース上に下側セラミックブロックをさらに備え、前記下側セラミックブロックが前記燃料電池スタックの少なくとも２つの側面に隣接するように配置される前記複数のサイドバッフルに取り付けられるように構成される、燃料電池システム。
［本発明１０３８］
本発明１０３５の燃料電池システムであって、
前記スプリング圧縮アセンブリが上側セラミックブロックをさらに備え、前記上側セラミックブロックが前記燃料電池スタックの少なくとも２つの側面に隣接するように配置される前記複数のサイドバッフルに取り付けられるように構成される、燃料電池システム。
［本発明１０３９］
燃料電池スタック、および、
前記燃料電池スタックに圧縮力を及ぼすために重力と前記燃料電池スタックの質量とを用いる内部圧縮デバイス、を備える燃料電池システム。
［本発明１０４０］
本発明１０３９の燃料電池システムにおいて、
前記内部圧縮デバイスが、
前記燃料電池スタックを横切るように設けられる硬いクロスメンバー、
前記燃料電池スタックの少なくとも２つの側面に隣接するとともに前記クロスメンバーに取り付けられるテンションメンバー、および、
前記テンションメンバーに取り付けられて前記燃料電池スタックの下部に設けられるレバーであって、前記レバーが前記燃料電池スタックの質量および重力による力を前記テンションメンバーに伝達し、それによって前記燃料電池スタックに圧縮力を与えるように構成されるレバー、を備える燃料電池システム。
［本発明１０４１］
本発明１０４０の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックが、高熱膨張係数材料からなるプレートを前記硬いクロスメンバーの下にさらに備える、燃料電池システム。
［本発明１０４２］
本発明１０３９の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの上部が丸められた端部を有し、
前記内部圧縮デバイスが、
前記上部をまたいで前記燃料電池スタックの少なくとも２つの側面に沿って降りるストラップであって、前記ストラップが第１および第２の端部を有するストラップ、および、
前記ストラップの前記第１および第２の端部に取り付けられ、前記燃料電池スタックの下部に設けられるレバーであって、前記レバーが前記燃料電池スタックの質量および重力による力を前記ストラップに伝達し、それによって前記燃料電池スタックに前記圧縮力を与えるように構成されるレバー、
を備える燃料電池システム。
［本発明１０４３］
本発明１０３９の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの上部および下部が丸められた端部を有し、
前記内部圧縮デバイスが、
前記燃料電池スタックの周辺を囲む閉ループベルト、および、
前記閉ループベルトに取り付けられ、前記燃料電池スタックの下部に設けられるレバーであって、前記レバーが前記燃料電池スタックの質量および重力による力を前記閉ループベルトに伝達し、それによって前記燃料電池スタックに前記圧縮力を与えるように構成されるレバー、
を備える燃料電池システム。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術としての燃料電池アセンブリの三次元図である。
【図２】プレート型サイドバッフルを備えた燃料電池スタックのコラムの一の態様を表す側面図である。
【図３Ａ】ダブテイル連結を備えたプレート型サイドバッフルの一の態様を表す三次元図である。
【図３Ｂ】サイドバッフルに設けられたスプリング圧縮アセンブリを備えた図３Ａの態様を表す三次元図である。
【図４】ダブテイル連結およびボウタイ／ドッグボーン連結を備えたプレート型サイドバッフルの一の態様を表す三次元図である。
【図５】ダブテイル連結および空隙無し充填のボウタイ／ドッグボーン連結を備えたプレート型サイドバッフルの一の態様を表す三次元図である。
【図６】スプリング圧縮デバイスの一の態様を表す三次元図である。
【図７】スプリング圧縮デバイスの他の態様を表す三次元図である。
【図８】スプリング圧縮デバイスの更に他の態様を表す三次元図である。
【図９】図８のスプリング圧縮デバイスの一部を参考のための示力図とともに表した側面図である。
【図１０】スプリング圧縮デバイスに圧力を与えるように用いられ得る外部ブラケットの三次元図である。
【図１１】サイドバッフル、ボウタイ連結または板バネに用いられ得るセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）の微細構造を表す顕微鏡写真である。
【図１２】図１１のＣＭＣのより高倍率な顕微鏡写真である。
【図１３】図１１および図１２のＣＭＣのより高倍率な顕微鏡写真である。
【図１４】内部圧縮デバイスの一の態様の側面図である。
【図１５】内部圧縮デバイスの他の態様の側面図である。
【図１６】内部圧縮デバイスの他の態様の側面図である。
【図１７】内部圧縮デバイスの他の態様の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明者らは、穴およびフィード通路２２４がヒートシンクを形成することに起因してシステム効率が低下することを見出した。また、発明者らは、穴２２４が排除可能であり、新たに設計されたバッフル２２０によって燃料電池スタック１４に圧縮荷重を付与することが可能であることも見出した。バッフル自体によって圧縮応力を与えることにより、タイロッド２２２が排除可能であり、これにより、穴２２４も排除可能である。そして、一の態様において、バッフルは、バッフルを垂直に貫通する穴とともに穴に挿入されるタイロッドを排除する。
【００１４】
図２は、第１の態様を表す。この態様において、２つのサイドバッフル２２０は、燃料電池スタック１４の一または複数を含むコラムの向かい合う端部に設けられる。しかし、それよりも多い又はそれよりも少ないバッフル２２０が、断面形状が長方形以外のスタックに対して用いられ得る。さらに、一または複数のマニホールド２０４が、燃料電池スタック１４のコラムにおいて用いられ得る。一例としての燃料マニホールドが、上述した米国出願番号１１／６５６，５６３に記載されている。必要に応じて、任意の数の燃料マニホールド２０４が、隣接する燃料電池スタック１４の間に設けられ得る。さらに、燃料電池スタック１４のコラムにおける燃料電池スタック１４の数は必要に応じて選択されればよく、図２に示される燃料電池スタック１４の数に制限されない。
【００１５】
この態様において、サイドバッフル２２０は、燃料電池スタック１４（または、スタックのコラム）に圧縮荷重を付与するべく用いられる。この態様は、コストのかかるフィード通路および結果としてのタイロッド・ヒートシンクを排除するとともに、同じ部分（すなわち、サイドバッフル２２０）を２つの目的のために用いる。つまり、スタック１４に荷重を付与する目的、および、陰極フィードフローの流れを導く目的（例えば、図１に示されるリング型のスタックの配置について、陰極注入流（例えば、空気または他の酸化剤）が、リング型配置の外部のマニホールドからスタックを通過して供給されてもよく、または、リング型配置の内部のマニホールドへの陰極排気流としての排気から供給されてもよい。）である。サイドバッフル２２０は、燃料電池スタック１４（または、スタック１４のコラム）をシステムにおける金属コンポーネントから電気的に絶縁している。スタックにおける荷重は、任意の一または複数の荷重源（例えば、システムのベース２３９、スタック１４またはスタックのコラムの下部のブロック、スタック１４上のスプリングアセンブリなど）から与えられ得る。
【００１６】
好ましくは、セラミックサイドバッフル２２０は、くさび形状であるよりもプレート形状を有し、単一のセラミック部品から形成されるよりもプレート型の部品または構成要素（例えば、バッフルプレート２２０）から形成される。プレート形状のバッフルおよびプレートは、好ましくは、２つの主面および一または複数の（例えば、４つの）端面を有する。一の態様において、一または複数の端面は、主面の面積の大きくとも５分の１の面積を有し得る。あるいは、一または複数の端面は、主面の面積の大きくても４分の１または３分の１の面積を有し得る。好ましくは、プレートは、均一な幅と厚さとを有し、主面の方向から見た場合に実質的に長方形の形状を有し、断面形状として実質的に長方形の形状を有する。別の態様において、セラミックサイドバッフル２２０は、断面形状として長方形ではなくてくさび形を有し得る。つまり、一の端面の幅が向かい合う端面の幅よりも広くてもよい。しかし、従来技術としてのバッフル２２０が隣接する電極スタック１４の間を完全に充填しているのとは異なり、本態様のサイドバッフル２２０は、サイドバッフル２２０の間に空間が存在するように構成されている。別の言い方をすると、本態様のサイドバッフル２２０は、燃料電池スタック１４の間の空間を完全には充填していない。好ましくは、バッフルプレート２０２は、高温材料（例えば、アルミナまたは他の適切なセラミック）から形成される。一の態様において、バッフルプレート２０２は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から形成される。ＣＭＣは、例えば、酸化アルミニウム（例えば、アルミナ）、酸化ジルコニウムまたは炭化ケイ素を含み得る。他のマトリックス材料も選択され得る。ファイバーは、アルミナ、炭素、炭化ケイ素または他の適切な材料から作られ得る。マトリックスとファイバーとの任意の組み合わせが、用いられ得る。さらに、ファイバーは、ＣＭＣの疲労特性を向上させるように設計された界面層にて覆われてもよい。望ましくは、ＣＭＣバッフルは、接合された独立したバッフルよりも単一のＣＭＣ材料から形成され得る。ＣＭＣ材料は、バッフル強度および耐クリープ性を高め得る。バッフルがアルミナまたはアルミナファイバー／アルミナマトリックスＣＭＣから形成されている場合、この材料は、典型的なＳＯＦＣ作動温度（例えば、７００℃超）にて比較的良好な熱導体となり得る。隣接するスタックまたはコラムの間にて熱的に分離されることが望ましい場合、バッフルは、熱的に絶縁性のセラミックまたはＣＭＣ材料から形成され得る。
【００１７】
バッフルプレート２０２は、図３〜図５に示されるように、複数がつなぎ合わされてもよい。例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、セラミックプレート成形バッフルプレート２０２は、ダブテイル３０５を用いて互いに接続されてもよい。より一般に、セラミックプレート成形バッフル２０２は、一または複数の突起３０３を一の端部に有し、一または複数の切欠き３０４を逆の端部に有する。突起３０３および切欠き３０４は、図示されるダブテイル３０５のように角度を有してもよく、または、典型的なジグソーパズルのように丸みを有してもよく、他の適切な形状を有してもよい。突起３０３（および対応する切欠き３０４）は、例えば、シャムロック形状（クローバー形状）のようなより複雑な形状を有してもよい。図３Ｂに示されるように、突起３０３（または、切欠き３０４）は、燃料電池スタック１４に圧縮荷重を付与するべく用いられるスプリング圧縮アセンブリ６００にバッフルを接続するためにも用いられ得る（詳細について後述される。）。
【００１８】
図４に示される他の構成において、ボウタイ型のセラミックインサート４０６が、バッフルプレート２０２間を接続するために用いられている。インサート４０６は、好ましくは、幅の狭い中央部と幅の広い端部またはダブテイル部とを備える。端部は丸められてもよい（すなわち、ドッグボーン型のボウタイ形状インサート）。ボウタイ型インサート４０６の端部は、バッフルプレート２０２における対応する円形または準円形の切欠き３０４に嵌め込まれる。本態様において、セラミックプレート成形バッフルプレート２０２は、バッフルプレート２０２の向かい合う端部に一または複数の切欠き３０４を含み得る。この構成において、インサートの端部は切欠きをちょうど埋める。この構成は、従来技術と比較してバッフル２２０の全体としての強度を高め、バッフルプレート２０２間の接触点での応力を小さくする。インサート４０６は、バッフルプレート２０２の材料と同一の材料（例えば、アルミナもしくはＣＭＣ）または異なる材料から構成され得る。さらに、従来技術と同様に、ボウタイ型インサート４０６は、トップバッフルプレート２０２およびアセンブリ６００の部材（例えば、ブロック６０３）のそれぞれの切欠きにインサートをはめ込むことにより、トップバッフルプレート２０２をスプリング圧縮アセンブリ６００に接続するために用いられ得る。
【００１９】
図５に示される他の態様において、インサート４０６は、バッフルプレート２０２における円形または準円形の切欠き３０４を完全には埋めない。インサート４０６は、一般的なボウタイ形状を有しているが、完全に丸められた端部ではなく平らな端部５０１を含んでいる。そして、空の領域５０２が、インサート４０６の上または下のそれぞれの切欠き３０４に残る。
【００２０】
バッフルプレート２０２は、図３に示されるような先の尖ったダブテイル３０５、または、図４に示されるようなボウタイ型のインサート４０６を用いてベース２３９に接続され得る。他の構成において、図５では、スタック１４のコラムが、システムベース２３９に直接取り付けられるのではなく、コラムの下部に設けられた連結ブロック５０３に取り付けられている。コラムの荷重は、コラムを取り囲む「檻（ケージ）」を形成する連結ブロック５０３から付与される。例えば、連結ブロック５０３は、アルミナまたはＣＭＣのようなセラミック材料から構成され得るとともに、セラミックバッフルおよびシステムベース２３９に独立して取り付けられる（例えば、インサート、ダブテイルまたは他の構成によって取り付けられる）。セラミックブロックを用いることにより、ヒートシンクが生成され難くなり、セラミックバッフルが金属ベースに繋がって境界面での熱膨張問題が生じるが排除される。
【００２１】
図３Ａおよび図３Ｂに示されるダブテイル突起３０３は、好ましくは、ベース２３９または連結ブロック５０３からボトムバッフルプレート２０２内に伸びている。または、ボウタイ型インサート４０６が、プレート２０２およびブロック５０３の切欠きのそれぞれに嵌め込まれる図５に示されるように、ボトムバッフルプレート２０２をベースまたは連結ブロック５０３に取り付けるために用いられ得る。しかし、他の構成において、突起３０３は、ボトムバッフルプレート２０２からベース２３９または連結ブロック５０３内に伸びてもよい。ダブテイル３０５またはインサート４０６以外の任意の他の適切な取り付け方法も、用いられ得る。図４および図５は、スタックコラムにおけるスタックと燃料注入口とマニホールドに接続される排気流路との間の燃料配流マニホールド２０４も示している。
【００２２】
図６は、上述した任意のサイドバッフル２２０とともに用いられ得るスプリング圧縮アセンブリ６００の態様を表す。スプリング圧縮アセンブリ６００は、燃料電池スタック１４または燃料電池スタック１４のコラムに圧縮荷重を付与するために用いられ得る。スプリング圧縮アセンブリ６００は、スプリング６１１を含む。図示されるように、スプリング６１１は、セラミック（例えば、ＣＭＣまたはアルミナ）板バネである。ＣＭＣスプリングは、所定の方向に配列された耐クリープ性ファイバーをマトリックス内に含み得る点で有利である。セラミックスプリングは、高温領域においても存在し得るとともに、スタックに荷重を付与するコンポーネントからの熱膨張の差からの移動を可能にする。しかし、任意の他のタイプのスプリングまたはスプリングの組み合わせが用いられ得る。例えば、スプリング６１１は、コイルスプリング、ねじりスプリング、または、渦巻きスプリングであってもよい。
【００２３】
スプリング圧縮アセンブリ６００は、スプリング６１１が圧縮荷重を生じさせることができる弾力性のある面を有するように構成されたボトムプレート６０７を含み得る。好ましくは、ボトムプレート６０７は、スプリング６１１がボトムプレート６０７からずれることを防ぐように構成された保持バリア６０８を含む。板バネを用いるとき、ボトムプレート６０７はスプリング支持部６０４も含み得る。本構成において、スプリング６１１は、応力が生じていない状態において、スプリング支持部６０４（例えば、ロッドまたはバー型突起またはプレート６０７上のリッジ）の上部に配置され得る（図７も参照。）。
【００２４】
一の態様において、アッパープレート６０１の上部、つまりスプリング６１１のボトムプレート６０７からは反対側、に設けられる。アッパープレート６０１は、スプリングテンショナ６１２および本態様ではロッドをアッパープレート６０１の下部に含み得る。スプリングテンショナ６１２は、好ましくはアッパープレート６０１のほぼ中央に配置される。スプリング圧縮アセンブリ６００は、スプリング圧縮アセンブリ６００がサイドバッフル２２０に取り付けられ得る切欠き３０４（図示されるようにバッフルからのインサート４０６を受け入れる）または突起３０３のいずれかを含み得るアッパーブロック６０３も有し得る。
【００２５】
アセンブリをバッフル２２０に接続する工程中、一時的な締め付けメカニズムがスプリング圧縮アセンブリ６００に取り付けられ得る。図６に示される例において、このメカニズムは、ブラケット６０２を含む。ブラケット６０２は、図示されるようにボトムプレート６０７にボルトにて取り付けられ、または、任意の適切なメカニズムによって取り付けられ得る。本例において圧力プレート６０５を備える一時的なテンショナが、ブラケット６０２に移動可能に取り付けられる。図示されるように、圧力プレート６０５は、細長いスロット６０６内をスライドするロッド６０９によってブラケット６０２に移動可能に取り付けられる。
【００２６】
スプリング圧縮アセンブリ６００によって付加された圧縮荷重は、圧力調整メカニズム６１０によって調整され得る。圧力調整メカニズム６１０は、例えば、回転に応じて上昇または下降するネジまたはボルトであり得る。図６に示される態様において、圧力調整メカニズム６０６を下降させると、圧力プレート６０５が下方に移動する。圧力プレート６０５が下方に移動すると、アッパーブロック６０３およびアッパープレート６０１も下方に移動される。アッパープレート６０１が下がると、スプリングテンショナ６１２がスプリング６１１の中央に対して押し付けられて湾曲し、スプリング６１１に荷重を付与する。
【００２７】
使用に際しては、アッパーブロック６０３がサイドバッフル２２０に接続されるまで（例えば、フックで留められるまで）圧力調整メカニズム６１０は降下される（そして、スプリング６１１が圧縮される。）。サイドバッフル２２０がダブテイル、インサートまたは他の構造によって一旦接続されると、圧力調整メカニズム６１０は緩められてブラケット６０２が開放される。スプリング６１１の力（従来は圧力調整メカニズム６１０によって「保持」されていた。）は、本例においてはサイドバッフル２２０を伝達する。スタックにおける圧縮力の調整は、スプリング圧縮アセンブリ６００とスタック１４（スプリング圧縮アセンブリ６００のボトムプレート６０７の下に設けられる。）の上部との間においてシム（図示省略）を調整することによって達成される。そして、メカニズム６１０および構成要素６０５，６０６を含むブラケット６０２は、コラムが実行モードになる前に燃料電池コラムから取り外される。
【００２８】
図７は、スプリング圧縮アセンブリ６００Ａの別の態様を表す。本態様は、これまでの態様と似ている。しかし、ロッド型スプリングテンショナ６１２がドーム型スプリングテンショナ６１２Ａ（ドームの湾曲した側がスプリングの上面と接触する。）に置き換えられている。ロッド型スプリング支持部６０４は、スプリング６１１の下面の端部に接触し、スプリングが湾曲することを可能にする。さらに、本態様は、スペーサ７０２を含む。スペーサ７０２は、開口部６１０Ａを通じてスプリング６１１に荷重を付与するためのボルトまたはネジ（明確化のため図示省略）のように、ブロック６０３とスプリング６１１との距離を狭めて一時的な締め付けメカニズムから要求される調整量を小さくする。
【００２９】
図８および図９は、圧縮アセンブリ６００Ｂのさらに他の態様を表す。本態様において、アセンブリは、ブロック６０３の下に設けられたテンションバンド８０２を含む。アセンブリ６００Ｂは、好ましくは、板バネに代えてテンションバンド８０２を用いる。しかし、望ましくは、テンションバンドは、上記態様にて述べたスプリングと組み合わせて用いられ得る。テンションバンド８０２は、バックルまたは他のアタッチメント８０４を介してプルロッドまたはハンドル６０９に取り付けられる。本態様において、ロッド６０９は、ロッド６０９が外部のメカニズム（図示省略）によって引き離され、テンションバンド８０２が引き伸ばされるとともに、スプリングテンショナ６１２Ｂに下向きの力が加えられる。バンド８０２は、アセンブリ６００Ｂ内に保持されるものであり、バンドは高温耐性材料によって構成される。図９に示されるように、テンションバンド８０２における力は、テンションバンド８０２の材料の降伏強度、テンションバンド８０２の偏位θの大きさ、および、テンションバンド８０２の長さＬ（ハンドル６０９に与えられる力の大きさに応じて異なる。）に関連する。そして、スタックへ与えられ圧縮の大きさは、材料、長さＬおよび偏位θの大きさを選択することにより、正確に見積もることができる。
【００３０】
図１０は、一時的な締め付けメカニズムの他の態様を表し、同メカニズムはスプリング圧縮アセンブリ６００Ｃ（例えば、図７に示されるドーム型テンショナを備えたアセンブリ）に圧縮を与えるべく用いられる外部ブラケット１００２を備える。本態様において、２つの外部ブラケット１００２が、ブラケット１００２のフリンジ１００２を介してスプリング圧縮アセンブリ６００Ｃの上部に設けられ得る。外部ブラケット１００２の上部に力を加えること、または、外部ブラケット１００２の穴１００８を介して外部ブラケット１００２に外部からの力を与えるアタッチメントによって外部ブラケットを引き下げることにより、圧力が外部ブラケット１００２に与えられ得る。燃料電池スタック１４のコラムが十分に圧縮されたとき、ボウタイ型インサート４０６が外部ブラケット１００２の側面の開口部またはウィンドウ１００６から挿入され、サイドバッフル２２０をアッパーブロック６０３に接続される。
【００３１】
そして、上記態様にて述べたように、スタックまたはコラムが作動温度に達したときにスタックまたはコラムにおける所望の大きさの力が得られるように、スタックまたはコラム（圧縮されたエレメント）の熱膨張は、締め付けメカニズム（主にバッフルおよび／またはスプリング）の熱膨張と適合されるべきである。
【００３２】
さらに、上記態様において述べたように、一時的な締め付けメカニズム（例えば、圧縮メカニズム６００〜６００Ｃに設けられる上述されたブラケット、ボルトまたはネジ）を取り付け、締め付けメカニズム（例えば、ブラケットにおける圧力プレートを下げること、ボルトまたはネジを締めること、テンションバンドを伸ばすこと、ブラケットを引き降ろすこと等）を用いてスタック１４および圧縮メカニズムに圧縮応力を与え、圧縮メカニズムをサイドバッフルに繋げ（例えば、ブロック６０３をトップバッフルプレート２０２に接続するためのダブテイル３０５またはインサート４０６を用いる。）、一時的な締め付けメカニズムを取り外すこと、により、圧縮メカニズム（すなわち、圧縮アセンブリ６００〜６００Ｃ）がバッフル２２０に接続される。
【００３３】
図１１〜図１３は、スプリング６１１に用いられ得る代表的なＣＭＣの顕微鏡写真である。サイドバッフルプレート２０２および／またはインサート３０２もＣＭＣ材料によって構成され得る。図７〜図９に示されるＣＭＣ材料は、アルミナマトリックスおよびアルミナファイバーを有する。他のＣＭＣ材料も用いられ得る。図示される特定のＣＭＣは、引き伸ばされた粒と円形または楕円形の断面を有するファイバーとから構成されるマトリックスを有する。等軸粒および織りファイバーを含む（しかし、これに限られない）他の微細構造が用いられ得る。図示された態様において、ファイバーの直径は、約１２ミクロンである。他の直径（１，２，３，４，５，１０，１５，２０，２５，５０および１００ミクロンを含むが、これらに限られない。）を有するファイバーも用いられ得る。
【００３４】
図１４〜図１７は、内部圧縮デバイス１４００を有する燃料電池スタック１４を表す。内部圧縮デバイス１４００は、燃料電池スタックに圧縮力を与えるために重力と燃料電池スタック１４の質量とを用いるように構成される。図１４は、内部圧縮デバイス１４００が燃料電池スタック１４の上部を横切るように配置される硬いクロスメンバー１４０２を含む態様を表す。テンションメンバー１４０４が、硬いクロスメンバー１４０２に取り付けられ、燃料電池スタック１４の少なくとも２つの端部に隣接するように配置される。内部圧縮デバイス１４００は、テンションメンバー１４０４に取り付けられるレバー１４０６を含んでもよい。レバー１４０６は、燃料スタックの質量および重力による力をテンションメンバー１４０４に伝達し、それによって燃料電池スタック１４に圧縮力を与えるように、構成される。
【００３５】
図１５は、内部圧縮デバイス１４００の他の態様を表す。この態様は、燃料電池スタック１４の上部を横切るように配置される硬いクロスメンバー１４０２、燃料電池スタック１４の端部に隣接するように設けられるテンションメンバー１４０４、燃料電池スタック１４の下に設けられるレバー１４０６を含む。しかし、本態様において、燃料電池スタックは、熱膨張係数の高い材料にて構成されたプレート１４０８を硬いクロスメンバーの下に有し得る。燃料電池スタック１４の温度が高くなるにつれて、プレート１４０８は膨張し、硬いクロスメンバー１４０２に上向きの応力が生じるとともに燃料電池スタック１４に下向きの応力が生じる。
【００３６】
この態様を他の観点から述べると、熱膨張係数の高い材料は、他の形状（プレート状ではない）形状を有してもよい。本態様において、レバー１４０６およびテンションメンバー１４０４は、室温において燃料電池スタック１４にほとんど又は全く力を付与しないように構成される。燃料電池スタックがその作動温度にある場合に熱膨張係数の高い材料の膨張によって生じる力が所定の圧縮力（テンションメンバー１４０４およびレバー１４０６を介して燃料電池スタック１４に与えられる。）を生じさせるように、熱膨張係数の高い材料およびその形状が選択される。
【００３７】
図１６は、内部圧縮デバイス１４００の他の態様を表す。本態様において、燃料電池スタック１４の上部は丸められた端部１０１０を有する。さらに、内部圧縮デバイス１４００は、燃料電池スタック１４の上部をまたいで燃料電池スタック１４の少なくとも２つの側面に沿って降りるストラップ１４１２を含む。ストラップは、例えば、織られたセラミック材料１４１３によって構成され得る。レバー１４０６は、ストラップの端部に設けられて燃料電池スタック１４の下部に配置されている。レバー１４０６は、燃料電池スタック１４の質量および重力による力をストラップ１４１２に伝達し、それによって燃料電池スタック１４に圧縮力を与えるように、構成されている。
【００３８】
図１７は、内部圧縮デバイス１４００のさらに他の態様を表す。本態様において、燃料電池スタック１４の上部および下部は、丸められた端部を有する。しかし、内部圧縮デバイス１４００は、燃料電池スタック１４の周囲を囲む閉ループベルト１４１４を含む。上記態様のように、内部圧縮デバイス１４００は、燃料電池スタック１４の下部のレバー１４０６を含む。レバー１４０６は、閉ループベルトに取り付けられる。燃料電池スタック１４の質量および重力がレバー１４０６に作用し、これによって燃料電池スタックに圧縮力が与えられる。
【００３９】
上記は特定の好ましい態様について述べたものであるが、本発明はそれらに限定されないと理解されるであろう。当業者であれば、開示された態様に種々の改変をなし得るであろうし、そのように改変された態様は本発明の範囲内であることが意図されている。ここに引用される全ての公報、特許出願および特許は、その全てが参照としてここに取り込まれる。
【図１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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