JP2005259424A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電反応中に生成される水あるいは水蒸気の凝縮水等がセパレータを貫通して形成されるマニホールド内に滞留した場合でも、セパレータ反応ガス流路から効果的に排水することができる燃料電池。
【解決手段】電解質膜電極複合体を挟んで両側にセパレータを配置して構成する単位セルを複数個設置して積層体を形成した燃料電池セルスタックにおいて、上記セパレータを貫通して形成されるマニホールドの下端高さ位置を、セパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部の下端高さ位置よりも低い位置に設定したことを特徴とする燃料電池。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池に係わり、特に反応により生成される水や凝縮水を反応ガス流路から効果的に排水する燃料電池に関するものである。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸化剤極との電極触媒で被覆した膜電極複合体の両側をガス拡散層で挟む。さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータを配置して構成する単位セルを複数個設置して積層体を形成し、この積層体の両端を締付板により締め付けて燃料電池セルスタックを構成する。この燃料電池セルスタックを膜電極複合体の面内方向が水平方向に対して垂直となるように積層設置する。

固体高分子形燃料電池の反応式を次に示す。
燃料極 ： Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻
酸化剤極 ： ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ＋ １／２ Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
全体 ： Ｈ_２ ＋ １／２ Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
固体高分子形燃料電池では、ガス拡散層内を拡散してきた燃料ガス中に含まれる水素（Ｈ_２）は燃料極に至ると電子（ｅ⁻）を放出してプロトン（Ｈ^＋）になる。プロトン（Ｈ^＋）は燃料極側から酸化剤極側に固体高分子電解質膜を経て移動するが、電子（ｅ⁻）は燃料極側から酸化剤極側に移動することができないため、外部回路を経由して酸化剤極側に移動する。

一方、酸化剤極側では、前記の固体高分子電解質膜を経て移動したプロトン（Ｈ^＋）と外部回路から送られてくる電子（ｅ⁻）と酸化剤ガス（空気）中の酸素とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。その生成水の大部分は未反応ガス中に蒸発し、そのままセルスタック外に排出されるが、過飽和となる状態では水として残留する。

固体高分子形燃料電池では、発電を行う場合には反応ガスを燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するだけではなく、固体高分子膜に水分を供給する必要がある。燃料極側から固体高分子膜を介して酸化剤極側にプロトン（Ｈ^＋）が移動する伝導性は、固体高分子膜に水分を充分に供給することにより著しく向上するためである。固体高分子膜に水分を供給するために、反応ガスに水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を添加して燃料電池セルに水を供給する。

電池反応により燃料ガス中の水素（Ｈ_２）および酸化剤ガス中の酸素（Ｏ_２）が消費されると、固体高分子電解質膜を加湿するために燃料ガスおよび酸化剤ガスに添加供給された水蒸気は、未反応の排出ガスが過飽和となると、凝縮水として反応ガス流路内に液体として存在することとなる。

また、水蒸気を添加した燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池セルスタックに供給する場合に、特に寒冷地にて起動する際に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの湿度に対応する露点よりも配管表面温度が低くなると、添加した水蒸気が凝縮する。その結果、燃料ガスまたは酸化剤ガスとともに反応ガス流路に供給され、凝縮水として反応ガス流路内に液体として存在することになる。

セパレータの燃料ガスおよび酸化剤ガスを流すためのセパレータ反応ガス流路内は水が滞留し易く、また、その水を除去しない場合、燃料ガスや酸化剤ガスの拡散の障害となり、電池反応が著しく低下して、電池性能が低下する。

このような点を考慮して、例えば特許文献１に、燃料電池セルスタックからの排水姓を良好とするための技術として、セパレータの貫通マニホールド下端高さ位置より燃料電池セルスタックに接続する配管の下端高さ位置を低く設定する燃料電池の配管構造の技術が開示されている。

また、特許文献２では、燃料ガス出口貫通マニホールドおよび酸化剤ガス出口貫通マニホールドの少なくともいずれか一方を発電時の設置状態において鉛直方向の底部側に配置する技術が開示されている。

また、反応ガス流路の出入口間に凝縮水排水用のマニホールドを設けた技術が開示されている。さらに、ガス反応中に生成される水あるいは水蒸気の凝縮後の凝縮水などが反応ガス流路内に流れないように、水封トラップを設けることにより、反応ガスがマニホールド内の水を排出するマニホールドなど生成水や凝縮水を効果的に取り除き、電池性能をより一層向上させる燃料電池の技術が開示されている。

この水封トラップは、セルスタック内で生成された凝縮水の排出のために燃料ガス出口貫通マニホールドと燃料ガス中の凝縮水排出口とを接続する場合および酸化剤ガス出口貫通マニホールドと酸化剤ガス中の凝縮水排出口とを接続する場合が記載されている。

また、寒冷地での起動時など、燃料ガスおよび酸化剤ガスの湿度に対応する露点よりも配管表面温度が低くなり、添加した水蒸気が凝縮し、液体として反応ガス流路に供給されるのを防止するため、燃料ガス供給口と燃料ガス中の凝縮水排出口とを水封トラップで接続する場合についても記載されている。

特開２００２−３４３４００号公報

特開２００３−１６８４６８号公報

上記、特許文献１に開示された配管構造では、生成水や凝縮水が出口貫通マニホールドからガス配管に排出できれば問題ないが、貫通マニホールド内に水が滞留した場合、その水がセパレータ反応ガス流路に流れ、反応ガスの流れが悪くなり、電池性能を著しく低下させるという問題があった。また、寒冷地での起動時など、燃料ガスおよび酸化剤ガスの湿度に対応する露点よりも配管表面温度が低くなり、添加した水蒸気が凝縮し、一時的に液体となって燃料ガスあるいは酸化剤ガスとともに反応ガス流路に供給され、反応ガスの流れが悪くなり、電池性能を著しく低下させるという問題があった。

また、特許文献２に開示された固体高分子形燃料電池技術では、水封トラップを設けるため、未反応ガスがバイパスして凝縮水排水口から排出されることなく凝縮水のみが選択的に排出されるようにしている反面、配管構造が複雑となる問題があった。

本発明で解決しようとする課題は、電池反応によって生じる生成水あるいは凝縮水が、貫通マニホールド内に滞留してもセパレータの反応ガス流路から排出することができ、電池性能の低下を防止することである。

本発明によれば、電解質膜電極複合体を挟んで両側にセパレータを配置して構成する単位セルを複数個設置して積層体を形成した燃料電池セルスタックにおいて、上記セパレータを貫通して形成されるマニホールドの下端高さ位置を、セパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部の下端高さ位置よりも低い位置に設定したことを特徴とする燃料電池が提供される。これにより、電池反応によって生じる生成水あるいは凝縮水が、貫通マニホールド内に滞留してもセパレータの反応ガス流路から排出することができ、電池性能の低下を防止することができる。また、寒冷地などでの起動時にセルスタックの燃料ガス供給口あるいは酸化剤ガス供給口までの配管内で凝縮した凝縮水が貫通マニホールド内に滞留しても燃料ガスや酸化剤ガスを反応ガス流路に供給することができ、電池性能をより一層向上させることができる燃料電池を提供することができる。

即ち、本発明に係わる燃料電池は、セルスタック構造を複雑化することなく、貫通マニホールド内に生成水あるいは凝縮水が滞留しても、セパレータ反応ガス流路から水分を排出することを可能とした。また、起動時に燃料ガス入口貫通マニホールド内に一時的に凝縮水が滞留した場合にも燃料ガスを反応ガス流路に供給することができ、あるいは、酸化剤ガス入口貫通マニホールド内に一時的に凝縮水が滞留した場合にも酸化剤ガスを反応ガス流路に供給することができる。そのため、セパレータを貫通して形成されるマニホールドの下端高さ位置をセパレータ反応ガス流路のマニホールドとの開口部下端高さ位置よりも低い位置に設定したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、電池反応によって生成する水及び加湿用として添加した水がセパレータのガス流路を閉塞して燃料電池の性能が低下するのを効果的に防止する。また、燃料電池スタックに燃料ガス及び／又は酸化剤ガスと共にセルスタックに供給される水がセルスタック内でガス流路を閉塞するのを防止する。これにより、電池性能が低下するのを防止することが出来る。

以下、本発明に係わる燃料電池の各種の実施形態を、図面および図面を引用して説明する。

（実施例１）
図５は、本発明における燃料電池の実施例１によるセパレータ構造を示すものである。本実施形態に係わる燃料電池セルスタックは、図７に示すように、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸化剤極とからなる電極触媒で被覆した電解質膜電極複合体４の両側をガス拡散層５で挟む。更にその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータ７を、ガスをシールするためのガスケット６を介して配置して構成する単位セル３を複数個設置して燃料電池積層体２を形成する。このようにして構成された燃料電池積層体２の両端を締付板８により締め付けて燃料電池セルスタック１を構成する。この燃料電池セルスタック１を膜電極複合体４の面内方向が水平方向に対して垂直となるように積層設置する。

このような構成を備える燃料電池において、例えば、図５は、燃料ガス用セパレータ反応ガス流路を紙面の表面に配置し、酸化剤ガス用セパレータ反応ガス流路を紙面の裏面に配置したセパレータを示したものである。図１は本実施例１の構成による燃料電池セルスタックの分解斜視図を示したものである。燃料ガスは、燃料ガス供給口１６からセルスタック１に供給され、燃料ガス入口貫通マニホールド１１より各セパレータに分配され、燃料ガス用セパレータ反応ガス流路９（紙面の表面）を通過した後、燃料ガス出口貫通マニホールド１２を経て、燃料ガス排出口１７から排出される。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口１８からセルスタック１に供給され、酸化剤ガス入口貫通マニホールド１３より各セパレータに分配され、酸化剤ガス用セパレータ反応ガス流路（紙面の裏面）を通過した後、酸化剤ガス出口貫通マニホールド１４を経て、酸化剤ガス排出口１９から排出される。本構成では、セルスタック発電時の設置状態において、燃料ガス供給口１６を燃料ガス排出口１７より鉛直方向の上側に設置し、酸化剤ガス供給口１８を酸化剤ガス排出口１９より鉛直方向の上側に設置した場合である。

燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれのセパレータ反応ガス流路９を通過する間に、電解質膜電極複合体を介して燃料電池の電気化学反応が生じ、燃料ガス用セパレータ反応ガス流路では、燃料ガス中の水素が消費される。固体高分子電解質膜を加湿するために燃料ガスに添加された水蒸気のうち、未反応の燃料ガスにおいて過飽和となった水蒸気が凝縮して凝縮水がセパレータ反応ガス流路に発生する。この凝縮水は、未反応燃料ガスとともに燃料ガス出口貫通マニホールドに排出される。

燃料電池セルスタックにおいて、出口貫通マニホールドの上流側から下流側に向かって、凝縮水は合流するセル数の分、増加していく。凝縮水が一時的に出口貫通マニホールドに滞留した場合でも、セパレータ反応ガス流路から凝縮水を伴った未反応燃料ガスの排出が効率的に行われない可能性が考えられる。しかしながら、本発明における燃料電池に適用するセパレータであれば、セパレータを貫通して形成される燃料ガス出口貫通マニホールド１２の下端高さ位置をセパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部１０下端高さ位置より低い位置に設定することができる。これにより、凝縮水の滞留を出口貫通マニホールドの下方に留めることができる。これにより、セパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部１０が閉塞することを防ぐことができるため、未反応ガスの排出経路が確保され、効率的に凝縮水をセパレータ反応ガス流路から出口貫通マニホールドに排出することができる。

一方、酸化剤ガス用セパレータ反応ガス流路では、電解質膜電極複合体を介して燃料電池の電気化学反応で水が生成されて生成水が生じる。また、酸化剤ガス（空気）中の酸素が消費され、固体高分子電解質膜を加湿するために酸化剤ガスに添加された水蒸気が凝縮する。この生成水および凝縮水のうち、未反応の酸化剤ガスにおいて過飽和となった水分がセパレータ反応ガス流路から未反応酸化剤ガスとともに酸化剤ガス出口貫通マニホールドに排出される。前記燃料ガスの場合と同様に、本発明におけるセパレータであれば、それを貫通して形成される酸化剤ガス出口貫通マニホールド１２の下端高さ位置をセパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部１０下端高さ位置よりも低い位置に設定することにより、凝縮水の滞留を出口貫通マニホールドの下方に留めることができる。これにより、セパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部１０が閉塞することを防ぐことができ、未反応ガスの排出経路が確保され、効率的に生成水や凝縮水をセパレータ反応ガス流路から出口貫通マニホールドに排出することができる。

また、電解質膜を加湿するために水蒸気を添加した燃料ガスを燃料電池セルスタック１に供給する場合に、特に寒冷地において起動する際に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの露点よりも配管表面温度が低くなると、燃料ガス供給口１６までの配管内で、燃料ガスが過飽和な状態になる可能性がある。その場合には添加した水蒸気が凝縮して液体として、燃料ガスとともに反応ガス流路に供給され、反応ガス流路内に液体として存在することになる。しかしながら、本発明における燃料電池に適用するセパレータであれば、セパレータを貫通して形成される燃料ガス入口貫通マニホールド１１の下端高さ位置をセパレータ反応ガス流路のマニホールドとの開口部１０下端高さ位置より低い位置に設定することができる。これにより、凝縮水を燃料ガス入口貫通マニホールド１１の下方に一時的に留めることができる。これにより、セパレータ反応ガス流路のマニホールドとの開口部１０が閉塞することを防ぐことができる。また、燃料ガスの供給経路が確保され、起動時に一時的に滞留している凝縮水に影響されることなく、燃料ガスを燃料ガス入口貫通マニホールド１１からセパレータ反応ガス流路９に供給することができる。

同様にして、電解質膜を加湿するために水蒸気を添加した酸化剤ガスを燃料電池セルスタック１に供給する場合にも、酸化剤ガス入口貫通マニホールド１３の下端高さ位置をセパレータ反応ガス流路のマニホールドとの開口部１０の下端高さ位置より低い位置に設定する。

これにより、酸化剤ガスとともに凝縮水が酸化剤ガス供給口１８から供給された場合でも凝縮水を酸化剤ガス入口貫通マニホールド１３の下方に一時的に留めることができる。したがって、セパレータ反応ガス流路のマニホールドとの開口部１０が閉塞することを防ぐことができるため、酸化剤ガスの供給経路が確保され、起動時に一時的に滞留している凝縮水に影響されることなく、酸化剤ガスを酸化剤ガス入口貫通マニホールド１３からセパレータ反応ガス流路９に供給することができる。

（実施例２）
図２は、本発明における燃料電池の実施例２によるセルスタックの分解斜視図を示すものである。本構成では、セルスタック発電時の設置状態において、燃料ガス供給口１６を燃料ガス排出口１７より鉛直方向の下側に設置し、酸化剤ガス供給口１８を酸化剤ガス排出口１９より鉛直方向の下側に設置した場合である。燃料ガスは、燃料ガス供給口１６からセルスタック１に供給され、燃料ガス入口貫通マニホールド１１より各セパレータに分配され、燃料ガス用セパレータ反応ガス流路９（紙面の表面）を通過した後、燃料ガス出口貫通マニホールド１２を経て、燃料ガス排出口１７から排出される。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口１８からセルスタック１に供給され、酸化剤ガス入口貫通マニホールド１３より各セパレータに分配され、酸化剤ガス用セパレータ反応ガス流路（紙面の裏面）を通過した後、酸化剤ガス出口貫通マニホールド１４を経て、酸化剤ガス排出口１９から排出される。

本発明における燃料電池に適用するセパレータを用いると、実施例１と同様に、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給口１６、１８までの配管内で生じた凝縮水が入口貫通マニホールド１１，１３に流入した場合でもその凝縮水に影響されることなく、セパレータ反応ガス流路９に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給することができる。この場合、燃料ガス入口貫通マニホールド１１および酸化剤ガス入口貫通マニホールド１３が、それぞれ燃料ガス出口貫通マニホールド１２および酸化剤ガス出口貫通マニホールド１４より鉛直方向の下方に配置するのが好ましい。このように構成すれば、入口貫通マニホールド部及び、出口貫通マニホールド部に適用することができ、セパレータ反応ガス流路内にて生じた生成、凝縮水が一時的に出口貫通マニホールド１２、１４に滞留した場合でも未反応ガスの排出経路が確保される。したがって、効率的にセパレータ反応ガス流路に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給、排出することができる。

（実施例３）
図３は、本発明における燃料電池の実施例３によるセルスタック分解斜視図を示すものである。本構成では、セルスタック発電時の設置状態において、燃料ガス供給口１６を燃料ガス排出口１７より鉛直方向の上側に設置し、酸化剤ガス供給口１８を酸化剤ガス排出口１９より鉛直方向の下側に設置した場合である。

本発明における燃料電池に適用するセパレータであれば、実施例１や実施例２と同様に、入口貫通マニホールド部に適用することにより、セパレータ反応ガス流路９に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給することができる。それは、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの供給口１６、１８までの配管内で生じた凝縮水が入口貫通マニホールド１１，１３に流入した場合でもその凝縮水に影響されないからである。さらに、出口貫通マニホールド部に適用すれば、セパレータ反応ガス流路内にて生じた生成、凝縮水が一時的に出口貫通マニホールド１２、１４に滞留した場合でも未反応ガスの排出経路が確保される。したがって、効率的にセパレータ反応ガス流路に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給、排出することができる。

（実施例４）
図４は、本発明における燃料電池の実施例４によるセルスタックの分解斜視図を示すものである。本構成では、セルスタック発電時の設置状態において、燃料ガス供給口１６を燃料ガス排出口１７より鉛直方向の下側に設置し、酸化剤ガス供給口１８を酸化剤ガス排出口１９より鉛直方向の上側に設置した場合である。

本発明における燃料電池に適用するセパレータであれば、実施例１や実施例２と同様に、入口貫通マニホールド部に適用することができる。これにより、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの供給口１６、１８までの配管内で生じた凝縮水が入口貫通マニホールド１１，１３に流入した場合でもその凝縮水に影響されることなく、セパレータ反応ガス流路９に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給することができる。また、出口貫通マニホールド部に適用すれば、セパレータ反応ガス流路内において生じた生成、凝縮水が一時的に出口貫通マニホールド１２、１４に滞留した場合でも未反応ガスの排出経路が確保される。したがって、効率的にセパレータ反応ガス流路に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給、排出することができる。

以上説明した本発明の実施例によれば、セパレータに設けられた燃料ガス貫通マニホールド下端高さ位置を燃料ガス流路の貫通マニホールドへの開口部下端高さ位置より低い位置に設定するので、凝縮水が貫通マニホールド内に一時的に滞留した場合でも、燃料ガスを安定して排出することができる。そのため、燃料利用率を更に向上させることができる。

また、本発明に係わる燃料電池では、セパレータに設けられた酸化剤ガス貫通マニホールドの下端高さ位置を酸化剤ガス流路の貫通マニホールドへの開口部下端高さ位置よりも低い位置に設定することが出来る。そのため、反応による生成水や凝縮水が貫通マニホールド内に一時的に滞留した場合でも、酸化剤ガスを安定して排出することができるため、酸化剤利用率を更に向上させることができる。

また、本発明に係わる燃料電池では、セパレータに設けられた燃料ガス入口貫通マニホールド下端高さ位置を燃料ガス流路の貫通マニホールドとの開口部下端高さ位置より低い位置に設定する。そのため、燃料ガス供給入口までに生じた凝縮水が貫通マニホールド内に一時的に滞留した場合でも、燃料ガスを安定して供給することができるため、燃料利用率を更に向上させることができる。

また、本発明に係わる燃料電池では、セパレータに設けられた酸化剤ガス入口貫通マニホールド下端高さ位置を酸化剤ガス流路の貫通マニホールドとの開口部下端高さ位置より低い位置に設定することが出来る。そのため、酸化剤ガス供給入口までに生じた凝縮水が貫通マニホールド内に一時的に滞留した場合でも、酸化剤ガスを安定して供給することができるため、酸化剤利用率を更に向上させることができる。

本発明に係わる燃料電池の第１実施形態による燃料電池セルスタックの分解斜視図。 本発明に係わる燃料電池の第２実施形態による燃料電池セルスタックの分解斜視図。 本発明に係わる燃料電池の第３実施形態による燃料電池セルスタックの分解斜視図。 本発明に係わる燃料電池の第４実施形態による燃料電池セルスタックの分解斜視図。 本発明に係わる燃料電池の第１〜第４実施形態に適用する燃料電池セパレータ構造を示す模式的平面図。 従来技術における燃料電池セパレータ構造を示す模式的平面図。 燃料電池セルスタックの構造の一例を示す展開図。

符号の説明

１…燃料電池セルスタック、２…燃料電池積層体、３…単位セル、４…電解質膜電極複合体、５…ガス拡散層、６…ガスケット、７…セパレータ、８…締付板、９…セパレータ反応ガス流路、１０…セパレータ反応ガス流路のマニホールドへの開口部、１１…燃料ガス入口貫通マニホールド、１２…燃料ガス出口貫通マニホールド、１３…酸化剤ガス入口貫通マニホールド、１４…酸化剤ガス出口貫通マニホールド、１５…冷却水用貫通マニホールド、１６…燃料ガス供給口、１７…燃料ガス排出口、１８…酸化剤ガス供給口、１９…酸化剤ガス排出口。

Claims (7)

1. 電解質膜電極複合体を挟んで両側にセパレータを配置して構成する単位セルを複数個設置して積層体を形成した燃料電池セルスタックにおいて、上記セパレータを貫通して形成されるマニホールドの下端高さ位置を、セパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部の下端高さ位置よりも低い位置に設定したことを特徴とする燃料電池。
2. 上記積層体の両端を締付板により締め付けて構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 上記燃料電池セルスタックを、上記電解質膜電極複合体の面内方向が水平方向に対して垂直となるように積層設置する燃料電池であって、上記セパレータを貫通して形成されるマニホールドの下端高さ位置をセパレータ反応ガス流路のマニホールドヘの開口部下端高さ位置より低い位置に設定したことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の燃料電池。
4. マニホールドとセパレータ反応ガス流路との高さ位置に関する前記設定が、燃料ガスの入口貫通マニホールドに適用されている請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. マニホールドとセパレータ反応ガス流路との高さ位置に関する前記設定が、燃料ガスの入口貫通マニホールドおよび出口貫通マニホールドに適用されている請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
6. マニホールドとセパレータ反応ガス流路との高さ位置に関する前記設定が、酸化剤ガスの入口貫通マニホールドに適用されている請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
7. マニホールドとセパレータ反応ガス流路との高さ位置に関する前記設定が、酸化剤ガスの入口貫通マニホールドおよび出口貫通マニホールドに適用されている請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
   

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