JP2001068128A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents
燃料電池用セパレータ及びその製造方法Info
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 軽量かつ高強度であり、耐熱性、耐食性、ガ
ス不透過性に優れたアモルファスカーボン製の燃料電池
用セパレータの提供、及びこのアモルファスカーボン製
の燃料電池用セパレータを容易に得ることができる製造
方法の提供。 【解決手段】 少なくとも一方の面にアノードガス又は
カソードガスの流路を有し、かつアノードガスとカソー
ドガスを分離する機能を有する燃料電池用セパレータに
おいて、この燃料電池用セパレータ4は、懸濁重合法に
よって合成されたフェノール樹脂を成形加工し、得られ
た成形加工品を炭化焼成して得られるアモルファスカー
ボンよりなる燃料電池用セパレータ。
ス不透過性に優れたアモルファスカーボン製の燃料電池
用セパレータの提供、及びこのアモルファスカーボン製
の燃料電池用セパレータを容易に得ることができる製造
方法の提供。 【解決手段】 少なくとも一方の面にアノードガス又は
カソードガスの流路を有し、かつアノードガスとカソー
ドガスを分離する機能を有する燃料電池用セパレータに
おいて、この燃料電池用セパレータ4は、懸濁重合法に
よって合成されたフェノール樹脂を成形加工し、得られ
た成形加工品を炭化焼成して得られるアモルファスカー
ボンよりなる燃料電池用セパレータ。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アモルファスカー
ボン製の燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関す
るものである。
ボン製の燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、低公害で高い発電効率を持
つ次世代の発電装置として期待されている。この燃料電
池の種類としては、電解質の種類により、アルカリ型、
リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体電解質型
などがある。これらの燃料電池には、水素含有ガス(ア
ノードガス)と酸素含有ガス(カソードガス)との電気
化学反応により起電力を生ずる単位電池と、積層された
単位電池の隣合う単位電池間に介在し、隣り合う単位電
池双方の電極と接触して、これら単位電池間を電気的に
接続するとともに反応ガスを分離する作用をなす燃料電
池用セパレータ(以下、セパレータ)とが備えられてい
る。このようなセパレータの素材としては、リン酸型燃
料電池及び固体高分子型燃料電池には黒鉛系材料やチタ
ン合金などが使用され、溶融炭酸塩型燃料電池にはNi
/SUSクラッド材が使用されている。
つ次世代の発電装置として期待されている。この燃料電
池の種類としては、電解質の種類により、アルカリ型、
リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体電解質型
などがある。これらの燃料電池には、水素含有ガス(ア
ノードガス)と酸素含有ガス(カソードガス)との電気
化学反応により起電力を生ずる単位電池と、積層された
単位電池の隣合う単位電池間に介在し、隣り合う単位電
池双方の電極と接触して、これら単位電池間を電気的に
接続するとともに反応ガスを分離する作用をなす燃料電
池用セパレータ(以下、セパレータ)とが備えられてい
る。このようなセパレータの素材としては、リン酸型燃
料電池及び固体高分子型燃料電池には黒鉛系材料やチタ
ン合金などが使用され、溶融炭酸塩型燃料電池にはNi
/SUSクラッド材が使用されている。
【0003】また、アルカリ型、リン酸型、固体高分子
型など比較的低温で動作する燃料電池には、動作温度を
安定させる目的でセパレータの片側に冷却水を流すため
の溝を備えていたり、特開平10−162842号公報
に開示されているように放熱フィンのような突起を備え
たセパレータが考えられている。
型など比較的低温で動作する燃料電池には、動作温度を
安定させる目的でセパレータの片側に冷却水を流すため
の溝を備えていたり、特開平10−162842号公報
に開示されているように放熱フィンのような突起を備え
たセパレータが考えられている。
【0004】上記セパレータに要求される特性としては
導電性を有すること、ガス透過性が小さいこと、軽量で
あること、耐熱性及び耐食性があること、アノードガス
及びカソードガスと反応しないことなどである。セパレ
ータの導電性は比電気抵抗が小さいほど好ましく、比電
気抵抗が大きいと燃料電池の内部抵抗の増大を招き、発
電ロスを生じる。実用上は10-2〜10-6Ω・cmであ
るものが好適である。
導電性を有すること、ガス透過性が小さいこと、軽量で
あること、耐熱性及び耐食性があること、アノードガス
及びカソードガスと反応しないことなどである。セパレ
ータの導電性は比電気抵抗が小さいほど好ましく、比電
気抵抗が大きいと燃料電池の内部抵抗の増大を招き、発
電ロスを生じる。実用上は10-2〜10-6Ω・cmであ
るものが好適である。
【0005】セパレータがステンレスやチタン系合金な
どのような耐食性のある金属などよりなるものは、耐熱
性及び導電性に優れているものの、電解質によるイオン
化や加工の困難さ、重量が大となるなどの問題があっ
た。
どのような耐食性のある金属などよりなるものは、耐熱
性及び導電性に優れているものの、電解質によるイオン
化や加工の困難さ、重量が大となるなどの問題があっ
た。
【0006】特開平10−334927号公報には、熱
硬化性樹脂などに導電性フィラー(例えば黒鉛粉末、カ
ーボンファイバー)を混ぜ込んだ樹脂製セパレータが開
示されているが、このようなセパレータは軽量である
が、耐食性及び耐熱性が低い、ガス不透過性が劣る、強
度が低いなどの問題があった。
硬化性樹脂などに導電性フィラー(例えば黒鉛粉末、カ
ーボンファイバー)を混ぜ込んだ樹脂製セパレータが開
示されているが、このようなセパレータは軽量である
が、耐食性及び耐熱性が低い、ガス不透過性が劣る、強
度が低いなどの問題があった。
【0007】それに対し、人造黒鉛などの黒鉛系の素材
よりなるセパレータは軽量かつ耐食性に優れているが靭
性に乏しく脆いため、振動や応力に弱くセパレータとし
て使用した場合、セパレータ自体が破壊されて形状を維
持できない、亀裂が生じ気密性を維持できないなどの問
題が生じ、また、機械的な加工が金属材料に比べ困難で
あるにもかかわらず、アノードガス及びカソードガスの
流路となる溝を形成するために、座繰りなどの切削加工
が必要であり、加工コストが高いなどの問題があった。
よりなるセパレータは軽量かつ耐食性に優れているが靭
性に乏しく脆いため、振動や応力に弱くセパレータとし
て使用した場合、セパレータ自体が破壊されて形状を維
持できない、亀裂が生じ気密性を維持できないなどの問
題が生じ、また、機械的な加工が金属材料に比べ困難で
あるにもかかわらず、アノードガス及びカソードガスの
流路となる溝を形成するために、座繰りなどの切削加工
が必要であり、加工コストが高いなどの問題があった。
【0008】また、アモルファスカーボン製のセパレー
タの場合は、フラン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド
樹脂などの熱硬化性樹脂を圧縮成形し、その後炭化焼成
して製造している。この場合、その熱硬化性樹脂の特性
から圧縮成形法により成形体を得ることしかできず、か
つ、平板状のような単純形状の成形体しか得ることがで
きなかった。そのため量産性に欠け、さらに炭化焼成後
にアノードガス及びカソードガスの流路となる溝を形成
するための座繰りなどの切削加工が必要であった。とこ
ろが、アモルファスカーボン材は、機械的な加工が金属
材料に比べ非常に困難であるため、座繰りなどの切削加
工を施すとかなりのコストアップになるなどの問題があ
った。
タの場合は、フラン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド
樹脂などの熱硬化性樹脂を圧縮成形し、その後炭化焼成
して製造している。この場合、その熱硬化性樹脂の特性
から圧縮成形法により成形体を得ることしかできず、か
つ、平板状のような単純形状の成形体しか得ることがで
きなかった。そのため量産性に欠け、さらに炭化焼成後
にアノードガス及びカソードガスの流路となる溝を形成
するための座繰りなどの切削加工が必要であった。とこ
ろが、アモルファスカーボン材は、機械的な加工が金属
材料に比べ非常に困難であるため、座繰りなどの切削加
工を施すとかなりのコストアップになるなどの問題があ
った。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】かかる状況に鑑み、本
発明の課題は、軽量かつ高強度であり、耐熱性、耐食
性、ガス不透過性に優れたアモルファスカーボンよりな
る燃料電池用セパレータの提供、及びそれを容易に製造
する方法の提供にある。
発明の課題は、軽量かつ高強度であり、耐熱性、耐食
性、ガス不透過性に優れたアモルファスカーボンよりな
る燃料電池用セパレータの提供、及びそれを容易に製造
する方法の提供にある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究を行った結果、後述するようなア
モルファスカーボンよりなる燃料電池用セパレータ、及
びその製造方法によると、上記課題が解決されることを
見出し、本発明に到達した。
を解決すべく鋭意研究を行った結果、後述するようなア
モルファスカーボンよりなる燃料電池用セパレータ、及
びその製造方法によると、上記課題が解決されることを
見出し、本発明に到達した。
【0011】すなわち、本発明の要旨は、第1に、少な
くとも一方の面にアノードガス又はカソードガスの流路
を有し、かつアノードガスとカソードガスを分離する機
能を有する燃料電池用セパレータにおいて、この燃料電
池用セパレータは、懸濁重合法によって合成されたフェ
ノール樹脂を炭化焼成して得られるアモルファスカーボ
ンよりなることを特徴とする燃料電池用セパレータであ
り、第2に、少なくとも一方の面にアノードガス又はカ
ソードガスの流路を有し、かつアノードガスとカソード
ガスを分離する機能を有する燃料電池用セパレータにお
いて、この燃料電池用セパレータは、密度が1.3〜
1.6g/cm3 であり、比電気抵抗が4〜20×10
-3Ω・cmであり、かつガス透過率が10-9〜10-12
cm2 /sであるアモルファスカーボンよりなることを
特徴とする燃料電池用セパレータであり、第3に、前記
これらの燃料電池用セパレータの一部又は全部に耐食
性、耐熱性、及び導電性を備えた被膜を形成させたもの
であることを特徴とする燃料電池用セパレータであり、
第4に、懸濁重合法によって合成したフェノール樹脂成
形材料を成形加工し、得られた成形加工品を炭化焼成す
ることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法で
あり、第5に、懸濁重合法によって合成したフェノール
樹脂成形材料を、予め焼成収縮を見込んだ金型を用いて
射出成形し、得られた成形加工品を炭化焼成することを
特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
くとも一方の面にアノードガス又はカソードガスの流路
を有し、かつアノードガスとカソードガスを分離する機
能を有する燃料電池用セパレータにおいて、この燃料電
池用セパレータは、懸濁重合法によって合成されたフェ
ノール樹脂を炭化焼成して得られるアモルファスカーボ
ンよりなることを特徴とする燃料電池用セパレータであ
り、第2に、少なくとも一方の面にアノードガス又はカ
ソードガスの流路を有し、かつアノードガスとカソード
ガスを分離する機能を有する燃料電池用セパレータにお
いて、この燃料電池用セパレータは、密度が1.3〜
1.6g/cm3 であり、比電気抵抗が4〜20×10
-3Ω・cmであり、かつガス透過率が10-9〜10-12
cm2 /sであるアモルファスカーボンよりなることを
特徴とする燃料電池用セパレータであり、第3に、前記
これらの燃料電池用セパレータの一部又は全部に耐食
性、耐熱性、及び導電性を備えた被膜を形成させたもの
であることを特徴とする燃料電池用セパレータであり、
第4に、懸濁重合法によって合成したフェノール樹脂成
形材料を成形加工し、得られた成形加工品を炭化焼成す
ることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法で
あり、第5に、懸濁重合法によって合成したフェノール
樹脂成形材料を、予め焼成収縮を見込んだ金型を用いて
射出成形し、得られた成形加工品を炭化焼成することを
特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。図1は、燃料電池(単電池セル)の基本的な構成
例を示す概略斜視図である。ここで1はアノード、2は
電解質膜、3はカソードである。4はセパレータであ
り、表裏両面にアノードガス及びカソードガスなどの反
応ガスの流路となる溝5が多数形成されている。反応ガ
スの流路となる溝5は少なくとも一方の面に備えられて
いれば良く、燃料電池の動作温度を安定させるため、片
側の面に冷却水などの熱媒体を流すことができる溝を備
えても良い。
する。図1は、燃料電池(単電池セル)の基本的な構成
例を示す概略斜視図である。ここで1はアノード、2は
電解質膜、3はカソードである。4はセパレータであ
り、表裏両面にアノードガス及びカソードガスなどの反
応ガスの流路となる溝5が多数形成されている。反応ガ
スの流路となる溝5は少なくとも一方の面に備えられて
いれば良く、燃料電池の動作温度を安定させるため、片
側の面に冷却水などの熱媒体を流すことができる溝を備
えても良い。
【0013】本発明において、セパレータ4は、懸濁重
合法によって合成したフェノール樹脂成形材料を成形加
工し、得られた成形加工品を炭化焼成して得られるアモ
ルファスカーボンよりなる。成形加工方法は、常法の成
形加工方法を採用することができるが、フェノール樹脂
成形材料を予め焼成時の寸法収縮を見込んだ寸法形状の
金型を用い射出成形法により成形加工することが好まし
い。焼成時の寸法収縮を見込んだ金型を用いて射出成形
して、セパレータの外形や、片面又は表裏両面に溝を形
成させ、得られた成形加工品を炭化焼成すると、切削加
工のような後加工を必要とせず、あるいは少なくするこ
とができて、良好な形状のアモルファスカーボン製の燃
料電池用セパレータを量産性良く製造することができ
る。
合法によって合成したフェノール樹脂成形材料を成形加
工し、得られた成形加工品を炭化焼成して得られるアモ
ルファスカーボンよりなる。成形加工方法は、常法の成
形加工方法を採用することができるが、フェノール樹脂
成形材料を予め焼成時の寸法収縮を見込んだ寸法形状の
金型を用い射出成形法により成形加工することが好まし
い。焼成時の寸法収縮を見込んだ金型を用いて射出成形
して、セパレータの外形や、片面又は表裏両面に溝を形
成させ、得られた成形加工品を炭化焼成すると、切削加
工のような後加工を必要とせず、あるいは少なくするこ
とができて、良好な形状のアモルファスカーボン製の燃
料電池用セパレータを量産性良く製造することができ
る。
【0014】炭化焼成は真空又は不活性ガス雰囲気中で
行うことが好ましく、不活性ガスとしては窒素ガス、ヘ
リウムガス、アルゴンガス等が挙げられ、炭化焼成温度
は、700〜1600℃が好ましく、800〜1500
℃がより好ましい。炭化焼成温度が700℃未満では樹
脂成形品が完全にアモルファスカーボン化することが困
難であり、1600℃を超えると過剰焼成となり、黒鉛
化が進む傾向にある。
行うことが好ましく、不活性ガスとしては窒素ガス、ヘ
リウムガス、アルゴンガス等が挙げられ、炭化焼成温度
は、700〜1600℃が好ましく、800〜1500
℃がより好ましい。炭化焼成温度が700℃未満では樹
脂成形品が完全にアモルファスカーボン化することが困
難であり、1600℃を超えると過剰焼成となり、黒鉛
化が進む傾向にある。
【0015】懸濁重合法によって合成したフェノール樹
脂を炭化焼成して得られるアモルファスカーボンは、真
空中又は不活性ガス雰囲気中では2000℃以上の耐熱
性を有する材料であり、密度が1.3〜1.6g/cm
3 (高密度アモルファスカーボンでは1.6g/cm3
を越えるものもある)と軽量であり、かつ曲げ強度が1
0〜21kg/mm2 、ショアー硬度が90〜120と
高強度であり、硫酸や塩酸などの酸に強く耐食性があ
る。また、導電性は比電気抵抗が4〜20×10 -3Ω・
cmであり、燃料電池用セパレータに要求される特性を
十分満たすほど小さく、ガス不透過性も10-9〜10
-12 cm2 /sと非常に小さいなど、優れた特性を有す
る材料であり、このような特性を有するアモルファスカ
ーボンは、燃料電池用セパレータとして好適に使用でき
る。なお、懸濁重合法によって合成したフェノール樹脂
を炭化焼成したアモルファスカーボンでなくても、この
ような性質を満足するアモルファスカーボンは燃料電池
用セパレータとして好適に使用可能である。
脂を炭化焼成して得られるアモルファスカーボンは、真
空中又は不活性ガス雰囲気中では2000℃以上の耐熱
性を有する材料であり、密度が1.3〜1.6g/cm
3 (高密度アモルファスカーボンでは1.6g/cm3
を越えるものもある)と軽量であり、かつ曲げ強度が1
0〜21kg/mm2 、ショアー硬度が90〜120と
高強度であり、硫酸や塩酸などの酸に強く耐食性があ
る。また、導電性は比電気抵抗が4〜20×10 -3Ω・
cmであり、燃料電池用セパレータに要求される特性を
十分満たすほど小さく、ガス不透過性も10-9〜10
-12 cm2 /sと非常に小さいなど、優れた特性を有す
る材料であり、このような特性を有するアモルファスカ
ーボンは、燃料電池用セパレータとして好適に使用でき
る。なお、懸濁重合法によって合成したフェノール樹脂
を炭化焼成したアモルファスカーボンでなくても、この
ような性質を満足するアモルファスカーボンは燃料電池
用セパレータとして好適に使用可能である。
【0016】アモルファスカーボンは、酸化性雰囲気中
では概ね500℃が耐熱温度であり、それより高温では
アモルファスカーボンの構成元素である炭素と酸素が反
応するため、徐々に消耗し減量する。このため上記アモ
ルファスカーボン製のセパレータは主にアルカリ型燃料
電池、リン酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池など比
較的低温で動作する燃料電池に使用するのに好適であ
る。500℃以上で長時間使用するような場合、つまり
溶融炭酸塩型、固体酸化物型などのように高温で使用す
る燃料電池の場合は、上記アモルファスカーボンを基材
とし、その表面の一部又は全部に耐食性、耐熱性、及び
導電性を備えた膜を形成することで軽量なセパレータを
得ることができる。
では概ね500℃が耐熱温度であり、それより高温では
アモルファスカーボンの構成元素である炭素と酸素が反
応するため、徐々に消耗し減量する。このため上記アモ
ルファスカーボン製のセパレータは主にアルカリ型燃料
電池、リン酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池など比
較的低温で動作する燃料電池に使用するのに好適であ
る。500℃以上で長時間使用するような場合、つまり
溶融炭酸塩型、固体酸化物型などのように高温で使用す
る燃料電池の場合は、上記アモルファスカーボンを基材
とし、その表面の一部又は全部に耐食性、耐熱性、及び
導電性を備えた膜を形成することで軽量なセパレータを
得ることができる。
【0017】上記耐食性、耐熱性、及び導電性を備えた
膜としては、例えば導電性セラミック、耐熱合金などの
膜が挙げられ、導電性セラミックの膜としては炭化珪
素、炭化チタン、窒化チタン、LaCoO3 系、LaM
nO3 系、LaCrO3 系ペロブスカイト型酸化物など
を挙げることができ、耐熱合金の膜としてはNi基耐熱
合金膜、Fe基耐熱合金膜などを挙げることができる。
膜の形成方法としては、溶射法、スパッタリング法、熱
CVD(化学蒸着)法、プラズマCVD(化学蒸着)
法、イオンプレーティング法などが挙げられる。アモル
ファスカーボン基材の表面に形成される膜は、厚さが1
0μm〜100μmとなるように形成させることが好ま
しい。厚さが10μm未満では耐食性、耐熱性、導電性
が十分満たされず、100μmを超えるとかなりコスト
高となる。
膜としては、例えば導電性セラミック、耐熱合金などの
膜が挙げられ、導電性セラミックの膜としては炭化珪
素、炭化チタン、窒化チタン、LaCoO3 系、LaM
nO3 系、LaCrO3 系ペロブスカイト型酸化物など
を挙げることができ、耐熱合金の膜としてはNi基耐熱
合金膜、Fe基耐熱合金膜などを挙げることができる。
膜の形成方法としては、溶射法、スパッタリング法、熱
CVD(化学蒸着)法、プラズマCVD(化学蒸着)
法、イオンプレーティング法などが挙げられる。アモル
ファスカーボン基材の表面に形成される膜は、厚さが1
0μm〜100μmとなるように形成させることが好ま
しい。厚さが10μm未満では耐食性、耐熱性、導電性
が十分満たされず、100μmを超えるとかなりコスト
高となる。
【0018】なお、本発明に用いられるセパレータのサ
イズは特に限定されるものではなく目的に応じて設計変
更できるものであって、またその平面形状及び溝形状も
目的に応じて種々に変更可能である。
イズは特に限定されるものではなく目的に応じて設計変
更できるものであって、またその平面形状及び溝形状も
目的に応じて種々に変更可能である。
【0019】本発明に用いられるフェノール樹脂原料
は、例えば特開平4−159320号公報に開示されて
いるように、ノボラック樹脂をヘキサメチレンテトラミ
ンのようなアルカリ触媒兼メチレン架橋剤及び懸濁安定
剤の存在下、水媒体中で懸濁重合を行う方法(自己硬化
型変性ノボラック樹脂法)により、フェノール及びホル
ムアルデヒドを塩基性触媒及び懸濁安定剤の存在下、水
性媒体中にて懸濁重合を行う方法等の重合法(固形レゾ
ール樹脂法)などにより製造されるものを好適に採用す
ることができる。
は、例えば特開平4−159320号公報に開示されて
いるように、ノボラック樹脂をヘキサメチレンテトラミ
ンのようなアルカリ触媒兼メチレン架橋剤及び懸濁安定
剤の存在下、水媒体中で懸濁重合を行う方法(自己硬化
型変性ノボラック樹脂法)により、フェノール及びホル
ムアルデヒドを塩基性触媒及び懸濁安定剤の存在下、水
性媒体中にて懸濁重合を行う方法等の重合法(固形レゾ
ール樹脂法)などにより製造されるものを好適に採用す
ることができる。
【0020】これらの方法によれば、真球状に近い球状
フェノール樹脂原料が得られる。粒径の大きな成形原料
を得るには、上記微粒体を造粒して所定の粒度の原料を
調製する方法が有効である。そして、さらに、フェノー
ル樹脂原料として特開平6−206234号に開示され
ているように、水分含有量が1重量%以下、粒径が50
μm以上で、ディスクキュアー法で測定した熱流動性が
60〜160mmである粒状フェノール樹脂の表層に、
融点が30〜160℃の高級脂肪酸などの低表面張力物
質が対フェノール樹脂組成比0.2〜5重量%被覆され
てなるフェノール樹脂成形材料を用いると高精度の成形
品が得られる点で好ましい。
フェノール樹脂原料が得られる。粒径の大きな成形原料
を得るには、上記微粒体を造粒して所定の粒度の原料を
調製する方法が有効である。そして、さらに、フェノー
ル樹脂原料として特開平6−206234号に開示され
ているように、水分含有量が1重量%以下、粒径が50
μm以上で、ディスクキュアー法で測定した熱流動性が
60〜160mmである粒状フェノール樹脂の表層に、
融点が30〜160℃の高級脂肪酸などの低表面張力物
質が対フェノール樹脂組成比0.2〜5重量%被覆され
てなるフェノール樹脂成形材料を用いると高精度の成形
品が得られる点で好ましい。
【0021】本発明において、上記フェノール樹脂原料
には、同一種類の樹脂の硬化物を添加混合することがで
きる。この樹脂硬化物を含む成形材料は、成形加工した
後、成形品を炭化焼成することにより均一なアモルファ
スカーボン材料が得られる。前記樹脂硬化物としては、
Cステージまで硬化させた真球状のフェノール樹脂が好
ましい。その粒径は500μm以下、より好ましくは5
〜100μmであることが望ましい。またディスクキュ
アー法で測定した熱流動性が0〜10mmであることが
望ましい。樹脂硬化物の添加量は、樹脂硬化物を添加し
た全フェノール樹脂成形材料に対して、20〜60重量
%、より好ましくは30〜50重量%であることが望ま
しい。この範囲内では、射出成形時に気泡等を含むこと
なく、成形機のシリンダー内での可塑化溶融状態での熱
安定性に優れ、金型内での硬化性も優れており、しかも
均一なフェノール樹脂成形体を生産性良く得ることが可
能である。20重量%以下の添加量では、十分なシリン
ダー内での熱安定性が得られず、また70重量%では、
溶融樹脂の流動性が低下するので好ましくない。
には、同一種類の樹脂の硬化物を添加混合することがで
きる。この樹脂硬化物を含む成形材料は、成形加工した
後、成形品を炭化焼成することにより均一なアモルファ
スカーボン材料が得られる。前記樹脂硬化物としては、
Cステージまで硬化させた真球状のフェノール樹脂が好
ましい。その粒径は500μm以下、より好ましくは5
〜100μmであることが望ましい。またディスクキュ
アー法で測定した熱流動性が0〜10mmであることが
望ましい。樹脂硬化物の添加量は、樹脂硬化物を添加し
た全フェノール樹脂成形材料に対して、20〜60重量
%、より好ましくは30〜50重量%であることが望ま
しい。この範囲内では、射出成形時に気泡等を含むこと
なく、成形機のシリンダー内での可塑化溶融状態での熱
安定性に優れ、金型内での硬化性も優れており、しかも
均一なフェノール樹脂成形体を生産性良く得ることが可
能である。20重量%以下の添加量では、十分なシリン
ダー内での熱安定性が得られず、また70重量%では、
溶融樹脂の流動性が低下するので好ましくない。
【0022】
【作用】従来の燃料電池用セパレータにおいては、前記
したようにガス不透過性、耐食性、耐熱性、軽量性など
の要求や、成形加工性に関する要求を十分に満たすもの
がなかった。しかし、本発明の燃料電池用セパレータ
は、懸濁重合法によって合成されたフェノール樹脂を成
形加工し、さらに成形品を炭化焼成して得られるアモル
ファスカーボンよりなるので、軽量で比電気抵抗が小さ
く、耐食性、ガス不透過性に優れ、成形加工性も良い。
特に、成形加工方法として予め焼成収縮を見込んだ金型
を用いて射出成形する方法を採用すると、複雑な加工を
することができ、切削加工の様な後加工が不要であり、
量産性にも優れるので加工費を低くすることができる。
また、このセパレータを積層して燃料電池に用いると、
性能が維持され、寿命が長く信頼性があり、燃料電池も
軽量にすることができる。
したようにガス不透過性、耐食性、耐熱性、軽量性など
の要求や、成形加工性に関する要求を十分に満たすもの
がなかった。しかし、本発明の燃料電池用セパレータ
は、懸濁重合法によって合成されたフェノール樹脂を成
形加工し、さらに成形品を炭化焼成して得られるアモル
ファスカーボンよりなるので、軽量で比電気抵抗が小さ
く、耐食性、ガス不透過性に優れ、成形加工性も良い。
特に、成形加工方法として予め焼成収縮を見込んだ金型
を用いて射出成形する方法を採用すると、複雑な加工を
することができ、切削加工の様な後加工が不要であり、
量産性にも優れるので加工費を低くすることができる。
また、このセパレータを積層して燃料電池に用いると、
性能が維持され、寿命が長く信頼性があり、燃料電池も
軽量にすることができる。
【0023】
【実施例】次に本発明を実施例によって具体的に説明す
るが、本発明はこれら実施例により限定されない。
るが、本発明はこれら実施例により限定されない。
【0024】参考例 ノボラック樹脂(三井東圧化学(株)製#600)15
0重量部を160℃で溶融して、完全けん化ポリビニル
アルコール(重合度約2000)1重量部を溶解した9
0℃の熱水(220重量部)中へ攪拌しながら投入して
分散し懸濁系を形成し、続いてヘキサミン24重量部を
40重量部の温水に溶解して添加し、さらに同温度にて
20分間攪拌を続けて懸濁重合を行い、反応を終了後懸
濁体を固液分離し、乾燥してフェノール樹脂成形材料を
得た。このフェノール樹脂成形材料の特性を表1に示
す。ただし、表1に示すこれらの特性は次の方法で測定
した。
0重量部を160℃で溶融して、完全けん化ポリビニル
アルコール(重合度約2000)1重量部を溶解した9
0℃の熱水(220重量部)中へ攪拌しながら投入して
分散し懸濁系を形成し、続いてヘキサミン24重量部を
40重量部の温水に溶解して添加し、さらに同温度にて
20分間攪拌を続けて懸濁重合を行い、反応を終了後懸
濁体を固液分離し、乾燥してフェノール樹脂成形材料を
得た。このフェノール樹脂成形材料の特性を表1に示
す。ただし、表1に示すこれらの特性は次の方法で測定
した。
【0025】熱流動性(HPF)は、JIS−K−69
11(1979)5.3.2〔成形材料(円板式)〕の
方法に基づき、試料2gを160℃で1分間1145k
gの荷重下で熱プレスし、形成される円板の直径(最長
径と最短径の平均値)から求めた。平均粒径は、試料を
ガラスプレート上に展開して顕微鏡写真を撮り、任意に
選んだ100個の粒径を測定して、その平均値で示し
た。水分は、赤外線ヒーターを用い、試料10gを80
℃で30分間加熱しその重量減少から求めた。
11(1979)5.3.2〔成形材料(円板式)〕の
方法に基づき、試料2gを160℃で1分間1145k
gの荷重下で熱プレスし、形成される円板の直径(最長
径と最短径の平均値)から求めた。平均粒径は、試料を
ガラスプレート上に展開して顕微鏡写真を撮り、任意に
選んだ100個の粒径を測定して、その平均値で示し
た。水分は、赤外線ヒーターを用い、試料10gを80
℃で30分間加熱しその重量減少から求めた。
【0026】
【表1】
【0027】実施例1 上記フェノール樹脂成形材料を、予め焼成収縮を見込ん
だ金型を用いて射出成形して、縦125mm×横125
mm、厚さ2.5mmで、表裏両面にガスの流路となる
深さ1.0mm、幅1.2mmの溝を備えた成形体を得
た。この成形体を高性能焼成炉を用い窒素ガス雰囲気中
1500℃で炭化焼成することにより、縦100mm×
横100mm、厚さ2.0mmで表裏両面にガスの流路
となる深さ0.8mm、幅1.0mmの溝を備えたアモ
ルファスカーボン製の燃料電池用セパレータを得た。
だ金型を用いて射出成形して、縦125mm×横125
mm、厚さ2.5mmで、表裏両面にガスの流路となる
深さ1.0mm、幅1.2mmの溝を備えた成形体を得
た。この成形体を高性能焼成炉を用い窒素ガス雰囲気中
1500℃で炭化焼成することにより、縦100mm×
横100mm、厚さ2.0mmで表裏両面にガスの流路
となる深さ0.8mm、幅1.0mmの溝を備えたアモ
ルファスカーボン製の燃料電池用セパレータを得た。
【0028】実施例2 実施例1と同様に射出成形を行って得られた成形体を高
性能焼成炉を用い窒素ガス雰囲気中1000℃で炭化焼
成することにより、縦100mm×横100mm、厚さ
2.0mmで表裏両面にガスの流路となる深さ0.8m
m、幅1.0mmの溝を備えたアモルファスカーボン製
の燃料電池用セパレータを得た。
性能焼成炉を用い窒素ガス雰囲気中1000℃で炭化焼
成することにより、縦100mm×横100mm、厚さ
2.0mmで表裏両面にガスの流路となる深さ0.8m
m、幅1.0mmの溝を備えたアモルファスカーボン製
の燃料電池用セパレータを得た。
【0029】実施例3 表1記載のフェノール樹脂成形材料に、Cステージまで
硬化させた中心粒径が10μmの真球状フェノール樹脂
硬化物を、フェノール樹脂硬化物を添加した全フェノー
ル樹脂成形材料に対して、50重量%混ぜた成形材料
を、予め焼成収縮を見込んだ金型を用いて射出成形を行
い、縦125mm×横125mm、厚さ2.5mmで表
裏両面にガスの流路となる深さ1.0mm、幅1.2m
mの溝を備えた成形体を得た。この成形体を高性能焼成
炉を用い窒素ガス雰囲気中900℃で炭化焼成して、縦
100mm×横100mm、厚さ2.0mmで表裏両面
にガスの流路となる深さ0.8mm、幅1.0mmの溝
を備えたアモルファスカーボン製の燃料電池用セパレー
タを得た。
硬化させた中心粒径が10μmの真球状フェノール樹脂
硬化物を、フェノール樹脂硬化物を添加した全フェノー
ル樹脂成形材料に対して、50重量%混ぜた成形材料
を、予め焼成収縮を見込んだ金型を用いて射出成形を行
い、縦125mm×横125mm、厚さ2.5mmで表
裏両面にガスの流路となる深さ1.0mm、幅1.2m
mの溝を備えた成形体を得た。この成形体を高性能焼成
炉を用い窒素ガス雰囲気中900℃で炭化焼成して、縦
100mm×横100mm、厚さ2.0mmで表裏両面
にガスの流路となる深さ0.8mm、幅1.0mmの溝
を備えたアモルファスカーボン製の燃料電池用セパレー
タを得た。
【0030】実施例4 実施例1と同様な方法で作成したセパレータを基材と
し、その全面にスパッター法により炭化珪素の膜を30
μmの厚さに形成してアモルファスカーボン製の燃料電
池用セパレータを得た。
し、その全面にスパッター法により炭化珪素の膜を30
μmの厚さに形成してアモルファスカーボン製の燃料電
池用セパレータを得た。
【0031】実施例5 実施例1と同様な方法で作成したセパレータを基材と
し、その全面にプラズマ溶射法によりLaCrO3 粉末
を吹き付けて厚み30μmの膜を形成させてアモルファ
スカーボン製の燃料電池用セパレータを得た。
し、その全面にプラズマ溶射法によりLaCrO3 粉末
を吹き付けて厚み30μmの膜を形成させてアモルファ
スカーボン製の燃料電池用セパレータを得た。
【0032】比較例1 セパレータの基材には厚さ0.3mmのステンレス鋼
(SUS304)を用い、プレス成形により基材の表裏
両面にガスの流路となる溝を形成した。溝の形状は溝部
のトータル断面積が実施例1と同様になるようにした。
これにより縦100mm×横100mm、厚み1.44
mmで表裏にガスの流路となる深さ1.14mm、幅
0.7mmの溝を備えたステンレス製の燃料電池用セパ
レータを得た。
(SUS304)を用い、プレス成形により基材の表裏
両面にガスの流路となる溝を形成した。溝の形状は溝部
のトータル断面積が実施例1と同様になるようにした。
これにより縦100mm×横100mm、厚み1.44
mmで表裏にガスの流路となる深さ1.14mm、幅
0.7mmの溝を備えたステンレス製の燃料電池用セパ
レータを得た。
【0033】比較例2 密度が2.0g/cm3 である人造黒鉛ブロックから、
縦100mm×横100mm、厚み2.0mmの人造黒
鉛平板を切り出した。前記人造黒鉛平板の表裏両面に切
削により座繰り加工を施してガスの流路となる溝を形成
した。これにより幅100mm×横100mm、厚み
2.0mmで表裏両面にガスの流路となる深さ約0.8
mm、幅約1.0mmの溝を備えた人造黒鉛製の燃料電
池用セパレータを得た。
縦100mm×横100mm、厚み2.0mmの人造黒
鉛平板を切り出した。前記人造黒鉛平板の表裏両面に切
削により座繰り加工を施してガスの流路となる溝を形成
した。これにより幅100mm×横100mm、厚み
2.0mmで表裏両面にガスの流路となる深さ約0.8
mm、幅約1.0mmの溝を備えた人造黒鉛製の燃料電
池用セパレータを得た。
【0034】比較例3 中心粒径が100μmの人造黒鉛粉末と熱硬化性フェノ
ール樹脂を(人造黒鉛粉末):(フェノール樹脂)=5
0重量%:50重量%の配合比で、押し出し機にて混練
した後、金型温度150℃のホットプレス機を用いて圧
縮成形した。金型にはガスの流路となる溝が形成されて
おり、縦100mm×横100mm、厚さ2.0mmで
表裏両面にガスの流路となる深さ約0.8mm、幅1.
0mmの溝を備えた黒鉛粉末入り樹脂製の燃料電池用セ
パレータを得た。
ール樹脂を(人造黒鉛粉末):(フェノール樹脂)=5
0重量%:50重量%の配合比で、押し出し機にて混練
した後、金型温度150℃のホットプレス機を用いて圧
縮成形した。金型にはガスの流路となる溝が形成されて
おり、縦100mm×横100mm、厚さ2.0mmで
表裏両面にガスの流路となる深さ約0.8mm、幅1.
0mmの溝を備えた黒鉛粉末入り樹脂製の燃料電池用セ
パレータを得た。
【0035】実施例1〜3及び比較例1〜3によって得
られたセパレータの性能評価はセパレータ1枚当たりの
重量、比電気抵抗、耐食性、ガス不透過性について行
い、表2の結果を得た。
られたセパレータの性能評価はセパレータ1枚当たりの
重量、比電気抵抗、耐食性、ガス不透過性について行
い、表2の結果を得た。
【0036】
【表2】
【0037】実施例1〜3のセパレータは焼成収縮を見
込んだ金型で射出成形することにより切削加工のような
後加工を必要とせず、安価に大量生産することができる
ものであった。材料的に軽量でしかも耐食性、ガス不透
過性に優れており、比電気抵抗も十分に小さかった。実
施例1〜3のセパレータは燃料電池のセパレータとして
満足な特性を有するものであった。
込んだ金型で射出成形することにより切削加工のような
後加工を必要とせず、安価に大量生産することができる
ものであった。材料的に軽量でしかも耐食性、ガス不透
過性に優れており、比電気抵抗も十分に小さかった。実
施例1〜3のセパレータは燃料電池のセパレータとして
満足な特性を有するものであった。
【0038】上記実施例4〜5及び比較例1〜3によっ
て得られたセパレータを空気中1000℃にて所定時間
加熱し、耐酸化性試験を行い、セパレータの重量変化に
よって評価した。その結果を表3に示す。
て得られたセパレータを空気中1000℃にて所定時間
加熱し、耐酸化性試験を行い、セパレータの重量変化に
よって評価した。その結果を表3に示す。
【0039】
【表3】
【0040】実施例4〜5、比較例1〜3において、実
施例4〜5は空気中1000℃で1000時間加熱して
もほとんど重量変化が起こらず、耐酸化性があるセパレ
ータであることが分かる。比較例1では重量の増加が大
きく、セパレータ表面が酸化され酸化被膜が形成されて
いる。形成された酸化被膜により導電性が低下する不都
合があった。比較例2、3は空気中1000℃で激しく
酸化されその主構成元素である炭素がCO2 となり放出
され重量減少した。
施例4〜5は空気中1000℃で1000時間加熱して
もほとんど重量変化が起こらず、耐酸化性があるセパレ
ータであることが分かる。比較例1では重量の増加が大
きく、セパレータ表面が酸化され酸化被膜が形成されて
いる。形成された酸化被膜により導電性が低下する不都
合があった。比較例2、3は空気中1000℃で激しく
酸化されその主構成元素である炭素がCO2 となり放出
され重量減少した。
【0041】次に、実施例1〜5のセパレータを電解質
板、アノード電極、カソード電極と共に積層して燃料電
池を製造した。この燃料電池は、全体が非常に軽量であ
り、セパレータが耐食性に優れていることから長寿命で
あった。
板、アノード電極、カソード電極と共に積層して燃料電
池を製造した。この燃料電池は、全体が非常に軽量であ
り、セパレータが耐食性に優れていることから長寿命で
あった。
【0042】
【発明の効果】本発明のアモルファスカーボン製の燃料
電池用セパレータは、軽量かつ高強度であり、耐熱性、
耐食性、ガス不透過性に優れたものであり、また本発明
の方法によれば、このようなアモルファスカーボン製の
燃料電池用セパレータを容易に製造することができ、特
に、予め焼成収縮を見込んだ金型を用いて射出成形する
と、切削加工のような後加工を必要とせず、あるいは少
なくすることができて、量産性良くアモルファスカーボ
ン製の燃料電池用セパレータを得ることができる。した
がって、このセパレータを備えた燃料電池は軽量かつ長
寿命で信頼性があるものである。
電池用セパレータは、軽量かつ高強度であり、耐熱性、
耐食性、ガス不透過性に優れたものであり、また本発明
の方法によれば、このようなアモルファスカーボン製の
燃料電池用セパレータを容易に製造することができ、特
に、予め焼成収縮を見込んだ金型を用いて射出成形する
と、切削加工のような後加工を必要とせず、あるいは少
なくすることができて、量産性良くアモルファスカーボ
ン製の燃料電池用セパレータを得ることができる。した
がって、このセパレータを備えた燃料電池は軽量かつ長
寿命で信頼性があるものである。
【図1】燃料電池の基本構成例を示す斜視図である。
1 アノード 2 電解質膜 3 カソード 4 セパレータ 5 溝
Claims (5)
- 【請求項1】 少なくとも一方の面にアノードガス又は
カソードガスの流路を有し、かつアノードガスとカソー
ドガスを分離する機能を有する燃料電池用セパレータに
おいて、この燃料電池用セパレータは、懸濁重合法によ
って合成されたフェノール樹脂を炭化焼成して得られる
アモルファスカーボンよりなることを特徴とする燃料電
池用セパレータ。 - 【請求項2】 少なくとも一方の面にアノードガス又は
カソードガスの流路を有し、かつアノードガスとカソー
ドガスを分離する機能を有する燃料電池用セパレータに
おいて、この燃料電池用セパレータは、密度が1.3〜
1.6g/cm3 であり、比電気抵抗が4〜20×10
-3Ω・cmであり、かつガス透過率が10-9〜10-12
cm2 /sであるアモルファスカーボンよりなることを
特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の燃料電池用セパレ
ータの一部又は全部に耐食性、耐熱性、及び導電性を備
えた被膜を形成させたものであることを特徴とする燃料
電池用セパレータ。 - 【請求項4】 懸濁重合法によって合成したフェノール
樹脂成形材料を成形加工し、得られた成形加工品を炭化
焼成することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電
池用セパレータの製造方法。 - 【請求項5】 懸濁重合法によって合成したフェノール
樹脂成形材料を、予め焼成収縮を見込んだ金型を用いて
射出成形し、得られた成形加工品を炭化焼成することを
特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータ
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000119532A JP2001068128A (ja) | 1999-06-24 | 2000-04-20 | 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11-178064 | 1999-06-24 | ||
| JP17806499 | 1999-06-24 | ||
| JP2000119532A JP2001068128A (ja) | 1999-06-24 | 2000-04-20 | 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001068128A true JP2001068128A (ja) | 2001-03-16 |
Family
ID=26498372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000119532A Pending JP2001068128A (ja) | 1999-06-24 | 2000-04-20 | 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001068128A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004059766A1 (en) * | 2002-12-24 | 2004-07-15 | Showa Denko K. K. | Curable composition, cured product thereof, molded product thereof and use as fuel cell separator |
| JP2005336478A (ja) * | 2004-04-28 | 2005-12-08 | Showa Denko Kk | 硬化性組成物、その硬化物およびその成形体 |
| EP1880438A1 (de) * | 2005-05-03 | 2008-01-23 | BASF Fuel Cell GmbH | Brennstoffzellen mit geringerem gewicht und volumen |
| US7329698B2 (en) | 2001-08-06 | 2008-02-12 | Showa Denko K.K. | Conductive curable resin composition and separator for fuel cell |
| WO2010116674A1 (ja) | 2009-03-30 | 2010-10-14 | 昭和電工株式会社 | シートプレス成形方法および燃料電池用セパレータの製造方法 |
| WO2010116620A1 (ja) | 2009-03-30 | 2010-10-14 | 昭和電工株式会社 | シートプレス成形方法および燃料電池用セパレータの製造方法 |
| US8252484B2 (en) | 2006-09-29 | 2012-08-28 | Showa Denko K.K. | Separator for fuel cell having electrically conducting flow path part |
| US8252483B2 (en) | 2006-09-29 | 2012-08-28 | Showa Denko K.K. | Fuel cell separator having a corrugated electrically conducting flow path |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS5420991A (en) * | 1977-07-18 | 1979-02-16 | Kanebo Ltd | Production of impermeable carbon molded product |
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| JPS63318075A (ja) * | 1987-06-19 | 1988-12-26 | Kureha Chem Ind Co Ltd | 燃料電池用リブ付きセパレ−タ−及びその製法 |
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| JPH1160897A (ja) * | 1997-08-26 | 1999-03-05 | Unitika Ltd | フェノール樹脂成形材料 |
-
2000
- 2000-04-20 JP JP2000119532A patent/JP2001068128A/ja active Pending
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| US7816432B2 (en) | 2002-12-24 | 2010-10-19 | Showa Denko K.K. | Curable composition, cured product thereof, molded product thereof and use as fuel cell separator |
| US8053501B2 (en) | 2002-12-24 | 2011-11-08 | Showa Denko K.K. | Curable composition, cured product thereof, molded product thereof and use as fuel cell separator |
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| WO2010116674A1 (ja) | 2009-03-30 | 2010-10-14 | 昭和電工株式会社 | シートプレス成形方法および燃料電池用セパレータの製造方法 |
| WO2010116620A1 (ja) | 2009-03-30 | 2010-10-14 | 昭和電工株式会社 | シートプレス成形方法および燃料電池用セパレータの製造方法 |
| US9789634B2 (en) | 2009-03-30 | 2017-10-17 | Showa Denko K.K. | Sheet press molding method and method of manufacturing fuel cell separator |
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