CN102593485A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够以简单的结构容易且可靠地将易滞留在反应面内的重力方向下方的生成水从所述反应面排出的燃料电池。燃料电池(10)具备电解质膜-电极结构体(28)和阴极侧隔板(30)及阳极侧隔板(32)。在阴极侧隔板(30)上设有使氧化剂气体沿着反应面的长度方向流通的氧化剂气体流路(34),并且在阳极侧隔板(32)上设有使燃料气体沿着所述反应面的长度方向流通的燃料气体流路(36)。在阴极侧隔板(30)上的反应面的重力方向下方,且在电解质膜-电极结构体(28)与所述阴极侧隔板(30)之间设有用于将生成水从氧化剂气体流路(34)排出的阴极侧排水槽(46)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池,其沿水平方向层叠有在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板,并且反应面为铅垂姿态且在水平方向上具有长条的横长形状,该燃料电池设有使作为反应气体的氧化剂气体或燃料气体沿着所述反应面的长度方向流通的反应气体流路。
背景技术
例如,固体高分子型燃料电池通过一对隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA),该电解质膜-电极结构体(MEA)在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别设有阳极电极及阴极电极。燃料电池通常层叠多个而构成燃料电池堆,并且除了定置用之外,还作为车载用装入燃料电池车辆,从而作为车载用燃料电池系统使用。
在上述的燃料电池中,在隔板的面内设有用于使燃料气体流向阳极电极的燃料气体流路(以下,也称为反应气体流路)和用于使氧化剂气体流向阴极电极的氧化剂气体流路(以下,也称为反应气体流路)。而且,按照各发电单元或按照多个发电单元,沿着隔板的面方向设置用于使冷却介质流动的冷却介质流路。
在此种燃料电池中,为了确保良好的离子传导性,而需要对电解质膜进行保湿。因此,采用对作为反应气体的氧化剂气体(例如,空气)或燃料气体(例如,氢气)进行加湿而向燃料电池供给的方式。
此时,存在加湿用的水分未被电解质膜吸收而发生液状化,滞留于反应气体流路的情况。另一方面,在燃料电池中,由于发电反应而在阴极电极产生生成水,并且所述生成水经由电解质膜向阳极电极逆扩散。因此,在重力的作用下水分容易冷凝而滞留在反应气体流路的重力方向下端侧,从而可能因冷凝水而引起溢流(flooding)。
因此,作为以有效地排出气体并高效地进行排水为目的的燃料电池,已知有例如专利文献1所公开的固体高分子型燃料电池。如图11所示,该燃料电池具备框体1,在该框体1的一方的面侧嵌入有电池单元2和阴极侧流路基板3,并且在所述框体1的另一方的面侧嵌入有阳极侧流路基板4。
电池单元2通过在固体高分子电解质2a上配置阴极2b及阳极2c而构成。在阴极侧流路基板3上形成有多个阴极侧流路3a,另一方面,在阳极侧流路基板4上形成有多个阳极侧流路4a。
在框体1的上游部形成有一对水导入岐管孔5a、将所述水导入岐管孔5a与阳极侧流路4a连通的槽孔5b、一对燃料气体导入岐管孔6a、将所述燃料气体导入岐管孔6a与所述阳极侧流路4a连通的槽孔6b。在框体1的下游部形成有一对燃料气体导出岐管孔7a、将所述燃料气体导出岐管孔7a与阳极侧流路4a连通的槽孔7b、一对水导出岐管孔8a、将所述水导出岐管孔8a与阳极侧流路4a连通的槽孔8b。
并且,通过了阳极侧流路4a后的未反应的燃料气体从槽孔7b通过燃料气体导出岐管孔7a被向电池外排出,且通过了所述阳极侧流路4a后的水从槽孔8b通过水导出岐管孔8a被向电池外排出。
【专利文献1】日本专利第3123992号公报
然而,在上述的专利文献1中,框体1沿着燃料气体流动方向相当长。因此,当以朝向水平的方式配置阴极侧流路3a时,燃料电池整体的高度方向的尺寸变大,存在将所述燃料电池搭载于车辆时的搭载空间受限这样的问题。
而且,在阴极侧流路3a中,因发电而产生生成水。该生成水向重力方向(箭头G方向)下方移动而可能滞留,因而存在引起氧化剂气体的供给不足这样的问题。
发明内容
本发明用于解决此种问题,其目的在于提供一种能够以简单的结构容易且可靠地将易滞留在反应面内的重力方向下方的生成水从所述反应面排出的燃料电池。
本发明涉及一种燃料电池,其沿水平方向层叠有在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板,并且反应面为沿着重力方向的铅垂姿态且在水平方向上具有长条的横长形状,该燃料电池设有使作为反应气体的氧化剂气体或燃料气体沿着所述反应面的长度方向流通的反应气体流路。
在该燃料电池中,在反应面的重力方向下方,且在位于电解质膜-电极结构体与隔板之间的位置设有用于将生成水从反应气体流路排出的排水槽。
另外,在该燃料电池中,优选在一方的隔板与电解质膜-电极结构体的一方的面之间形成有使氧化剂气体沿着反应面的长度方向流通的作为反应气体流路的氧化剂气体流路和位于所述氧化剂气体流路的重力方向下方且用于将生成水从所述氧化剂气体流路排出的一方的排水槽,并且在另一方的隔板与所述电解质膜-电极结构体的另一方的面之间形成有使燃料气体沿着所述反应面的长度方向流通的作为所述反应气体流路的燃料气体流路和位于所述燃料气体流路的重力方向下方且用于将生成水从所述燃料气体流路排出的另一方的排水槽。
此外,在该燃料电池中,优选电解质膜-电极结构体具备围绕电极的外周的框状的框构件,所述框构件的所述电极侧的端部配置在反应气体流路的下端部与排水槽的连结部位,并且在隔板上将所述连结部位切口而形成有使所述反应气体流路与所述排水槽连通的连通槽。
此外,在该燃料电池中,优选所述燃料电池具备与反应气体流路的出口侧连通且沿着电解质膜-电极结构体与隔板的层叠方向贯通的反应气体出口连通孔,并且设有将排水槽和反应气体出口连通孔连结的排水路。
另外,在该燃料电池中,优选所述燃料电池具备与反应气体流路的出口侧连通且沿着电解质膜-电极结构体与隔板的层叠方向贯通的反应气体出口连通孔,并且设有与所述反应气体出口连通孔的下方相邻且沿着层叠方向贯通而与排水槽连结的排水连通孔。
【发明效果】
在本发明中,当反应气体在水平方向上沿着长条的反应面流通时,因反应而生成水,并且该水易滞留在所述反应面的重力方向下方。此时,在反应面的重力方向下方设有排水槽,移动到所述反应面的重力方向下方的水被收容在所述排水槽而被向燃料电池的外部排出。
因此,能够以简单的结构,容易且可靠地将易滞留在反应面内的重力方向下方的生成水从所述反应面排出。因此,燃料电池能够良好地维持最佳的发电环境。
附图说明
图1是装入有本发明的第一实施方式的燃料电池的燃料电池系统的简要说明图。
图2是所述燃料电池的分解立体说明图。
图3是所述燃料电池的主要部分剖视说明图。
图4是构成所述燃料电池的阴极侧隔板的主视说明图。
图5是构成所述燃料电池的阳极侧隔板的主视说明图。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池的分解立体说明图。
图7是构成所述燃料电池的阴极侧隔板的主视说明图。
图8是构成所述燃料电池的阳极侧隔板的主视说明图。
图9是本发明的第三实施方式的燃料电池的分解立体说明图。
图10是所述燃料电池的主要部分剖视说明图。
图11是专利文献1所公开的燃料电池的分解立体说明图。
符号说明:
10、80、100…燃料电池
12…燃料电池系统
14…燃料电池堆
16…氧化剂气体供给装置
18…燃料气体供给装置
20…冷却介质供给装置
22…固体高分子电解质膜
24…阴极电极
26…阳极电极
28、82、102…电解质膜-电极结构体
29…框构件
30、84、104…阴极侧隔板
32、86、106…阳极侧隔板
34…氧化剂气体流路
36…燃料气体流路
38…冷却介质流路
40a…氧化剂气体供给连通孔
40b…氧化剂气体排出连通孔
42a…燃料气体供给连通孔
42b…燃料气体排出连通孔
44a…冷却介质供给连通孔
44b…冷却介质排出连通孔
46…阴极侧排水槽
48、54、92、94…排水路
49、55…连结部位
50、56…连通槽
52…阳极侧排水槽
60、62…密封构件
64…空气泵
68…加湿器
88…阴极侧排水连通孔
90…阳极侧排水连通孔
108…保护膜
具体实施方式
如图1所示,装入了本发明的第一实施方式的燃料电池10的燃料电池系统12具备燃料电池堆14、向所述燃料电池堆14供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置16、向所述燃料电池堆14供给燃料气体的燃料气体供给装置18、用于向所述燃料电池堆14供给冷却介质的冷却介质供给装置20。燃料电池系统12例如构成车载用燃料电池系统,而搭载于未图示的燃料电池车辆(燃料电池机动车)。
燃料电池堆14通过将多个燃料电池10层叠而构成。如图2及图3所示,各燃料电池10具备电解质膜-电极结构体(MEA)28,该电解质膜-电极结构体(MEA)28通过利用阴极电极24和阳极电极26夹持例如在全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜22而成。
阳极侧电极24及阴极侧电极26具有由碳素纸等构成的气体扩散层和将在表面担载有铂合金(或Ru等)的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜22的两面。
电解质膜-电极结构体28具备对阴极电极24及阳极电极26的外周进行围绕的框状的框构件29。如图3所示,框构件29例如由树脂框构成,并且设定成如下的厚度,即,将从阴极电极24及阳极电极26的外周突出的固体高分子电解质膜22的端缘部埋设且构成与所述阴极电极24及所述阳极电极26连续的同一表面。即,通过阴极电极24及阳极电极26夹持固体高分子电解质膜22而成的MEA整体的厚度与框构件29的厚度设定为相同。
电解质膜-电极结构体28使面方向朝向铅垂方向(箭头C方向)而以立位姿态配置,并且阴极电极24及阳极电极26的反应面为铅垂姿态且在水平方向(箭头B方向)上具有长条的横长形状。
电解质膜-电极结构体28由长条的横长形状的阴极侧隔板30及阳极侧隔板32夹持,并沿着水平方向(箭头A方向)层叠。阴极侧隔板30及阳极侧隔板32例如由碳隔板或金属隔板构成。
在阴极侧隔板30与电解质膜-电极结构体28之间设有氧化剂气体流路(反应气体流路)34,并且在阳极侧隔板32与所述电解质膜-电极结构体28之间设有燃料气体流路(反应气体流路)36。在阴极侧隔板30与阳极侧隔板32之间设有冷却介质流路38。
如图2及图4所示,氧化剂气体流路34具有使氧化剂气体沿着反应面的长度方向(箭头B方向)流通的多根流路槽34a。在流路槽34a的流动方向两端设有缓冲部34b。如图5所示,燃料气体流路36同样具有使燃料气体沿着反应面的长度方向(箭头B方向)流通的多根流路槽36a。在流路槽36a的流动方向两端设有缓冲部36b。
如图2所示,在燃料电池10上设有沿各燃料电池10的层叠方向相互连通的供给氧化剂气体例如含氧气体(以下,也称为空气)的氧化剂气体供给连通孔(反应气体供给连通孔)40a、供给燃料气体例如含氢气体(以下,也称为氢气)的燃料气体供给连通孔(反应气体供给连通孔)42a、供给冷却介质的冷却介质供给连通孔44a、排出所述氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔(反应气体排出连通孔)40b、排出所述燃料气体的燃料气体排出连通孔(反应气体排出连通孔)42b以及排出所述冷却介质的冷却介质排出连通孔44b。
氧化剂气体供给连通孔40a设置在燃料电池10的长度方向(箭头B方向)一端侧的上方角部,燃料气体供给连通孔42a设置在所述燃料电池10的长度方向另一端侧的上方角部。氧化剂气体排出连通孔40b设置在燃料电池10的长度方向另一端侧的下方角部,并且燃料气体排出连通孔42b设置在所述燃料电池10的长度方向一端侧的下方角部。冷却介质供给连通孔44a设置在燃料电池10的长度方向另一端侧的中央,另一方面,冷却介质排出连通孔44b设置在所述燃料电池10的长度方向一端的中央。
如图3及图4所示,在阴极侧隔板30上的位于反应面的重力方向下方的位置、即位于比氧化剂气体流路34的下端靠下方的位置,且在电解质膜-电极结构体28与所述阴极侧隔板30之间设有用于将生成水从所述氧化剂气体流路34排出的阴极侧排水槽(一方的排水槽)46。
阴极侧排水槽46在阴极侧隔板30的面内沿着长度方向(箭头B方向)延伸设置,所述阴极侧排水槽46和氧化剂气体排出连通孔40b经由排水路48连结。氧化剂气体排出连通孔40b的底面配置在比阴极侧排水槽46靠下方距离h的位置。需要说明的是,阴极侧排水槽46的底面朝着排水路48向水平方向下方倾斜(参照图4中的双点划线),从而能够进一步提高排水性。
在阴极侧隔板30上,在配置于重力方向的最下位的流路槽34a与阴极侧排水槽46的连结部位49上形成有将该连结部位49切口而成的多个连通槽50。电解质膜-电极结构体28的框构件29配置在连结部位49的至少一部分处。
如图3及图5所示,在阳极侧隔板32的位于反应面的重力方向下方的位置即位于比燃料气体流路36的下端靠下方的位置,且在电解质膜-电极结构体28与所述阳极侧隔板32之间设有用于将生成水从所述燃料气体流路36排出的阳极侧排水槽(另一方的排水槽)52。
阳极侧排水槽52在阳极侧隔板32的面内沿着长度方向(箭头B方向)延伸设置,所述阳极侧排水槽52和燃料气体排出连通孔42b经由排水路54连结。需要说明的是,阳极侧排水槽52向朝着排水路54的水平方向下方倾斜(参照图5中的双点划线),从而能够进一步提高排水性。
在阳极侧隔板32上,在配置于重力方向的最下位的流路槽36a与阳极侧排水槽52的连结部位55上形成有将该连结部位55切口而成的多个连通槽56。电解质膜-电极结构体28的框构件29配置在连结部位55的至少一部分处。
如图2所示,在阴极侧隔板30上一体或分别地设有第一密封构件60,并且在阳极侧隔板32上一体或分别地设有第二密封构件62。第一密封构件60及第二密封构件62使用例如EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、硅氟橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等密封材料、缓冲材料或填密材料。
如图1所示,氧化剂气体供给装置16具备对来自大气的空气进行压缩而供给的空气泵64,所述空气泵64配设在空气供给流路66。在空气供给流路66配设有在供给气体(供给空气)与排出气体(排出空气)之间交换水分和热量的加湿器68,并且所述空气供给流路66与燃料电池堆14的氧化剂气体供给连通孔40a连通。
氧化剂气体供给装置16具备与氧化剂气体排出连通孔40b连通的空气排出流路70。空气排出流路70与加湿器68的加湿介质通路(未图示)连通,并且在该空气排出流路70设有能够进行开度调整的背压控制阀72,该背压控制阀72用于调整从空气泵64通过空气供给流路66向燃料电池堆14供给的空气的压力。
燃料气体供给装置18具备未图示的积存高压氢的氢罐。在燃料气体供给装置18中,将从氢罐供给的氢气向燃料电池堆14供给,并使包含未被所述燃料电池堆14使用的未使用的氢气在内的排气循环,而再次作为燃料气体向所述燃料电池堆14供给。
冷却介质供给装置20具备未图示的冷却介质泵及散热器,以使冷却介质向燃料电池堆14循环。
以下,说明这样构成的燃料电池10的动作。
如图1所示,经由构成氧化剂气体供给装置16的空气泵64,向空气供给流路66输送空气。该空气在通过加湿器68被加湿后,向燃料电池堆14的氧化剂气体供给连通孔40a供给。如图2所示,被加湿后的空气沿着在燃料电池堆14内的各燃料电池10上设置的氧化剂气体流路34在水平方向上移动,从而向阴极电极24供给。
如图1所示,使用完的空气被从氧化剂气体排出连通孔40b向空气排出流路70排出而向加湿器68输送。由此,使用完的空气作为加湿介质而对新供给的空气进行加湿后,经由背压控制阀72向外部排出。
另一方面,从燃料气体供给装置18供给的氢气向燃料电池堆14的燃料气体供给连通孔42a供给。被供给到燃料电池堆14内的氢气沿着各燃料电池10的燃料气体流路36在水平方向上移动,从而向阳极电极26供给(参照图2)。
使用完的氢气从燃料气体排出连通孔42b排出,并且来自阴极电极24侧的水分经由固体高分子电解质膜22向阳极电极26侧移动,该使用完的氢气作为被该水分加湿后的燃料气体,再次向燃料电池堆14供给。因此,向阴极电极24供给的空气与向阳极电极26供给的氢气发生电化学反应,从而进行发电。
另外,在冷却介质供给装置20中,将冷却介质导入到燃料电池堆14内。冷却介质沿着冷却介质流路38在水平方向上移动,从而将燃料电池10冷却,之后冷却介质从冷却介质排出连通孔44b返回。
如上所述,当燃料电池堆14内的各燃料电池10发电时,由于发电反应而在氧化剂气体流路34中产生生成水。氧化剂气体流路34沿着水平方向长条地形成,生成水从所述氧化剂气体流路34的中途向重力下方向移动而易滞留在反应面的重力方向下方。
这种情况下,在第一实施方式中,如图3及图4所示,在阴极侧隔板30上的位于比氧化剂气体流路34的下端靠下方的位置,且在电解质膜-电极结构体28与所述阴极侧隔板30之间设有阴极侧排水槽46。因此,移动到氧化剂气体流路34的下端侧的生成水通过多个连通槽50而被收容到阴极侧排水槽46中,之后经由排水路48向氧化剂气体排出连通孔40b排出。然后,生成水与排出空气同样地向燃料电池堆14的外部即空气排出流路70排出。
由此,在第一实施方式中,能够以简单的结构,容易且可靠地将易滞留在反应面内的重力方向下方的生成水从所述反应面排出。因此,燃料电池10能够得到可良好地维持最佳的发电环境这样的效果。
另一方面,在燃料气体流路36中存在从氧化剂气体流路34在固体高分子电解质膜22中进行了逆扩散的生成水。该生成水从燃料气体流路36的中途向重力下方向移动而易滞留在反应面的重力方向下方。
在此,如图3及图5所示,在阳极侧隔板32上的位于比燃料气体流路36的下端靠下方的位置,且在电解质膜-电极结构体28与所述阳极侧隔板32之间设有阳极侧排水槽52。因此,移动到燃料气体流路36的下端侧的生成水通过多个连通槽56被收容到阳极侧排水槽52中,之后经由排水路54向燃料气体排出连通孔42b排出。然后,生成水与排出氢气同样地向燃料电池堆14的外部排出。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池80的分解立体说明图。
需要说明的是,对与第一实施方式的燃料电池10相同的构成要素标注相同的参照符号并省略其详细的说明。而且,在以下说明的第三实施方式中,也同样地省略其详细的说明。
燃料电池80通过阴极侧隔板84和阳极侧隔板86夹持电解质膜-电极结构体82。在燃料电池80上设有与氧化剂气体排出连通孔40b的下方相邻且沿着层叠方向(箭头A方向)贯通的阴极侧排水连通孔88,并且设有与燃料气体排出连通孔42b的下方相邻且沿着所述层叠方向贯通的阳极侧排水连通孔90。
如图7所示,在阴极侧隔板84上设有阴极侧排水槽46,并且所述阴极侧排水槽46和阴极侧排水连通孔88经由排水路92连通。
如图8所示,在阳极侧隔板86上设有阳极侧排水槽52,并且所述阳极侧排水槽52和阳极侧排水连通孔90经由排水路94连通。优选阴极侧排水连通孔88的底面位于比阴极侧排水槽46靠下方的位置,且优选阳极侧排水连通孔90的底面位于比阳极侧排水槽52靠下方的位置。需要说明的是,底面位置也可以是仅将阴极侧排水连通孔88和阳极侧排水连通孔90中的任一方配置在下方。
在这样构成的第二实施方式中,设有用于从氧化剂气体流路34排水的专用的阴极侧排水连通孔88和用于从燃料气体流路36排水的专用的阳极侧排水连通孔90。由此,除了分别地完成排水处理之外,还能得到与上述的第一实施方式同样的效果。
图9是本发明的第三实施方式的燃料电池100的分解立体说明图。
燃料电池100通过阴极侧隔板104和阳极侧隔板106夹持电解质膜-电极结构体102。如图10所示,电解质膜-电极结构体102具备固体高分子电解质膜22a,并且所述固体高分子电解质膜22a具有与阴极侧隔板104及阳极侧隔板106同等的外形尺寸。在固体高分子电解质膜22a的外周缘部设有与阴极侧隔板104及阳极侧隔板106的外周缘部的一部分重合的保护膜(框构件)108。
在阴极侧隔板104及阳极侧隔板106设有连结部位49、55,并且在所述连结部位49、55未设置连通槽。电解质膜-电极结构体102在连结部位49、55处配置有具备多孔质的气体扩散层的阴极电极24及阳极电极26,因此即便不设置连通槽,也能够经由多孔质的气体扩散层排出生成水。
在这样构成的第三实施方式中,由于在连结部位49、55未设置连通槽,因此除了进一步简化结构之外,还能得到与上述的第一实施方式同样的效果。

Claims (5)

1.一种燃料电池,其沿水平方向层叠有在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体和隔板,并且反应面为沿着重力方向的铅垂姿态且在水平方向上具有长条的横长形状,该燃料电池设有使作为反应气体的氧化剂气体或燃料气体沿着所述反应面的长度方向流通的反应气体流路,所述燃料电池的特征在于,
在所述反应面的重力方向下方,且在位于所述电解质膜-电极结构体与所述隔板之间的位置设有用于将生成水从所述反应气体流路排出的排水槽。
2.根据权利要求1所述的燃料电池,其特征在于,
在一方的隔板与所述电解质膜-电极结构体的一方的面之间形成有使所述氧化剂气体沿着所述反应面的长度方向流通的作为所述反应气体流路的氧化剂气体流路和位于所述氧化剂气体流路的重力方向下方且用于将生成水从所述氧化剂气体流路排出的一方的排水槽,并且在另一方的隔板与所述电解质膜-电极结构体的另一方的面之间形成有使所述燃料气体沿着所述反应面的长度方向流通的作为所述反应气体流路的燃料气体流路和位于所述燃料气体流路的重力方向下方且用于将生成水从所述燃料气体流路排出的另一方的排水槽。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于,
所述电解质膜-电极结构体具备围绕所述电极的外周的框状的框构件,所述框构件的所述电极侧的端部配置在所述反应气体流路的下端部与所述排水槽的连结部位,并且在所述隔板上将所述连结部位切口而形成有使所述反应气体流路与所述排水槽连通的连通槽。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的燃料电池,其特征在于,
所述燃料电池具备与所述反应气体流路的出口侧连通且沿着所述电解质膜-电极结构体与所述隔板的层叠方向贯通的反应气体出口连通孔,并且设有将所述排水槽和所述反应气体出口连通孔连结的排水路。
5.根据权利要求1~3中任一项所述的燃料电池,其特征在于,
所述燃料电池具备与所述反应气体流路的出口侧连通且沿着所述电解质膜-电极结构体与所述隔板的层叠方向贯通的反应气体出口连通孔,并且设有与所述反应气体出口连通孔的下方相邻且沿着所述层叠方向贯通而与所述排水槽连结的排水连通孔。
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