JP2005339814A - 燃料電池システムおよびイオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 循環されるオフガスの圧力損失を好適に抑制して、生成水に含まれる不純物成分を適切に除去することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池２から排出されたオフガスを燃料電池２に再び供給するガス循環系１９を備えた燃料電池システム１において、ガス循環系１９は、周壁に連通部４３が形成され、オフガスおよび生成水からなる流体が流れる配管３０と、配管３０の外周に設けられ、連通部４３を覆うケース３３と、配管３０との間のケース３３の内部に収容され、流体が含有する不純物成分を吸着するイオン交換樹脂部材３４と、を備えた燃料電池システム１である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に供されるガスの配管系にイオン交換樹脂部材を設置した燃料電池システムおよびイオン交換器に関するものである。

従来、固体高分子型の燃料電池システムのイオン交換器として、円盤状の陽イオン交換性フィルタと陰イオン交換性フィルタとを重ね、これをホルダに収容したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、イオン交換器は、燃料電池とこれに酸素ガスを圧送するコンプレッサとの間のガス流路に設置されている。
特開２００１−３１３０５７号公報（第５頁）

このような従来のイオン交換器では、酸素ガスに含有するイオン性不純物を除去することができるものの、酸素ガスが円盤状のイオン交換フィルタを通過する構成であるため、酸素ガスの圧力損失が大きかった。圧力損失が大きいために、これを考慮して酸素ガスの元圧を高く設定する必要があるなど、設計上煩雑化し易い上に、燃料電池システム全体の燃費を低下させ易い問題があった。
また一般に、燃料電池での電気化学反応によって生成される生成水には、汚れ成分や溶出成分などの不純物成分が含まれているところ、特許文献１では、燃料電池から排出されたオフガスを再び燃料電池に供給するガス循環系に、イオン交換器を適用する点については何ら考慮がされていない。このため、従来の燃料電池システムでは、不純物成分を含んだオフガスが燃料電池に供されるため、燃料電池の機能を損なう（特に電解質膜を損傷する）おそれがあった。
もっとも、特許文献１に記載のイオン交換器をガス循環系に単純に設置したのでは、上記と同様に、オフガスの圧力損失が大きくなってしまう。

本発明は、循環されるオフガスの圧力損失を好適に抑制して、生成水に含まれる不純物成分を適切に除去することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。また、この種の燃料電池システムに適切に供することができるイオン交換器を提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出されたオフガスを燃料電池に再び供給するガス循環系を備えた燃料電池システムにおいて、ガス循環系は、周壁に連通部が形成され、オフガスおよび生成水からなる流体が流れる配管と、配管の外周に設けられ、連通部を覆うケースと、配管との間のケース内に収容され、連通部からケース内に流出した流体が含有する不純物成分を吸着するイオン交換樹脂部材と、を備えたものである。

この構成によれば、オフガスおよび生成水は連通部からケース内に流出して、イオン交換樹脂部材に達することができる。これにより、オフガスはもとより生成水についても、これに含有される汚れ成分や溶出成分などの不純物成分をイオン交換樹脂部材で適切に除去することができ、清浄化されたオフガスを燃料電池に供給することが可能となる。また、ケース内に配管を位置させてその連通部から流体を流出させ得る構成であるため、ケース内いっぱいにイオン交換樹脂部材が設けられるような構成に比べ、オフガスの圧力損失を低減することができる。
なお、「ガス循環系」は、水素ガスの循環系でも、酸素ガスの循環系でもどちらでもよい。また、燃料電池システムを搭載した代表機器としては燃料電池車両が挙げられる。

この場合、配管は、ケースの上流側に連結され、ケース内に位置するインナー部の周壁に連通部を形成した入口管と、ケースの下流側に連結され、ケース内から流体を排出するための出口管と、からなることが、好ましい。

この構成によれば、簡易な構成により、入口管のインナー部からケース内に流入した流体をイオン交換樹脂部材に通過させた後、出口管から流出させることができる。

この場合、入口管のインナー部の端部は、閉塞されていることが、好ましい。

この構成によれば、オフガスおよび生成水は入口管から出口管に直接的に流れないで、オフガスおよび生成水をケース内のイオン交換樹脂部材に確実に通過させることができる。これにより、入口管の端部が開口している場合に比べ、特にオフガスに含まれる不純物成分をイオン交換樹脂部材に確実に吸着させることができる。

同様に、入口管のインナー部の端部は、ケース内に開口しており、入口管には、入口管の内壁の周方向に流体を導く旋回流発生手段が、連通部の上流側に配設されていることが、好ましい。

この構成によれば、連通部の上流側で流体は旋回流となる。これにより、オフガスと生成水とは分離され、生成水については入口管の周壁の連通部から好適に流出させて、その不純物成分をイオン交換樹脂部材により除去することができると共に、オフガスについては大きな圧力損失を受けることなく出口管へと排出することができる。

これらの場合、出口管は、ケースに分離可能に連結されるためのフランジ部を有しており、ケースは、入口管のインナー部を囲繞すると共にイオン交換樹脂部材を収容した外管部と、外管部の下流側の端部に設けられ、出口管のフランジ部に連結されるフランジ部と、を有していることが、好ましい。

この構成によれば、出口管およびケースの各フランジ部により両者を連結することができる一方、その連結を簡単に分離することができる。これにより、使用によりイオン交換樹脂部材の機能が低下した場合であっても、ケースやイオン交換樹脂部材など全体を交換することなく、イオン交換樹脂部材を単品で容易に交換することができる。

これらの場合、出口管のフランジ部とケースのフランジ部との間には、これらの間をシールするシール部材が設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、簡単な構成により両フランジ部の間を気密にまたは水密にシールすることができる。

これらの場合、出口管側のフランジ部の内部は、上流側に向かってロート状に拡開して形成され、前記外管部の内部と当該出口管の管路内とを連通することが、好ましい。

この構成によれば、出口管のフランジ部を有効に利用して、出口管の管路内とケース内とを連通することができ、特にイオン交換樹脂部材を通過した生成水を出口管に適切に導くことができる。

これらの場合、連通部は、配管の周壁に千鳥状に配置されていることが、好ましい。

この構成によれば、連通部の径（面積）を大きくとることができ、オフガスの圧力損失の低減等に好適に寄与することができる。

本発明のイオン交換器は、流体が含有する不純物成分を吸着するイオン交換樹脂部材と、イオン交換樹脂部材を内部に収容し、流体が導入されるケースと、ケース内に配置されるインナー部を有し、インナー部の周壁にケース内に流体を流出させるための連通部が形成された配管と、を備え、イオン交換樹脂部材は、連通部に臨んでケース内に収容されているものである。

この構成によれば、連通部からケース内に流出した流体はイオン交換樹脂部材に達し、流体に含有されている汚れ成分や溶出成分などの不純物成分がイオン交換樹脂部材で適切に除去される。また、ケース内に配管のインナー部を位置させてその連通部から流体を流出させる構成であるため、ケース内いっぱいにイオン交換樹脂部材を設けるような構成に比べ、流体の圧力損失を低減することができる。
なお、流体には、例えば燃料電池システムに供される水素ガスや酸素ガスなどの気体や、その電気反応により生成される生成水などの液体のほか、これらが混合したものが含まれる。

この場合、配管は、ケースの上流側に連結され、インナー部を有する入口管と、ケースの下流側に連結され、ケース内から流体を排出するための出口管と、からなることが、好ましい。

この構成によれば、簡易な構成により、入口管のインナー部からケース内に流入した流体をイオン交換樹脂部材に通過させた後、出口管から流出させることができる。

本発明の他の燃料電池システムは、上記した本発明のイオン交換器を、燃料電池に供されるガスの配管系に備えたものである。

この構成によれば、イオン交換器により清浄化されたガスを燃料電池に適切に供給することができる。なお、ガスの配管系には、燃料電池から排出されたオフガスを燃料電池に再び供給するガス循環系のみならず、燃料電池に一度も供されていないガス（新たなガス）を燃料電池に初めて供給するガス供給系が含まれる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に再び供給されるオフガスの圧力損失を好適に抑制して、生成水に含まれる不純物成分を適切に除去することができる。したがって、燃料電池の電解質膜への影響を好適に回避することができるなど、燃料電池の製品寿命を延ばしてシステム全体の信頼性を高めることができる。

本発明のイオン交換器によれば、流体の圧力損失を増大させることなく、流体に含有される不純物成分を適切に除去することができ、上記のような燃料電池システムに適切に供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムおよびイオン交換器について説明する。この燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池から排出されたガスをイオン交換器に通過させて再び燃料電池に供給するものであるが、本発明の特徴部分は、イオン交換器におけるガスの圧損を好適に抑制する点にある。以下では、イオン交換器を燃料電池システムの水素ガスの循環系に適用した例について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、多数のセルを積層したスタック構造からなる固体高分子電解質型の燃料電池２を備え、燃料電池２は、酸素ガス（空気）および水素ガスの供給を受けて電力を発生する。燃料電池システム１の酸素ガス配管系３は、加湿器４により加湿された酸素ガスを燃料電池２に供給する供給流路５と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器４に導く循環流路６と、を有している。供給流路５には、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器４に圧送するコンプレッサ７が設けられている。

燃料電池システム１の水素ガス配管系１１は、高圧の水素ガスを貯留した水素タンク１２と、水素タンク１２の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路１３と、燃料電池２から排出された水素オフガス（未反応の水素ガス）を供給流路１３に戻すための循環流路１４と、循環流路１４の水素オフガスを供給流路１３に還流させるポンプ１５と、を有している。供給流路１３の上流側には、水素タンク１２からの新たな水素ガスの圧力を調整するレギュレータ１６が介設され、レギュレータ１６の下流側の合流点Ａに循環流路１４が接続されている。合流点Ａで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池２に供給される。

このような燃料電池システム１は、燃料電池２での電気化学反応によって水が生成されるが、この生成水が水素オフガスと共に燃料電池２から循環流路１４へと排出される。生成水には、一般に、燃料電池２内の部品や循環流路１４等の配管要素から溶出された溶出成分のほか、取り込まれる外気の酸素ガスに混入している汚れ成分などの不純物成分が含有されている。そしてこの不純物成分は、水素オフガス中に粒子状態で飛んでいる水分にも含まれている場合がある。特に、イオン性物質を含む不純物成分が水素オフガスと共に燃料電池２に再び供給されると、セルの電解質膜（イオン交換膜）の機能を阻害するおそれがある。

そこで本実施例の循環流路１４には、水素オフガスおよび生成水が含有する不純物成分を除去するイオン交換器１７を設置している。また、イオン交換器１７の下流側の循環流路１４に、イオン交換器１７を通過して清浄化された水素オフガスおよび生成水を互いに分離させる気液分離器１８を設置している。気液分離器１８で分離された生成水は、図外のドレイン弁を介して気液分離器１８の外部に排出される一方、水素オフガスはポンプ１５に送られ、合流点Ａに達する。

すなわち、本実施例の燃料電池システム１は、清浄化された水素オフガスを燃料電池２に再び供給する水素ガス循環系１９を有し、水素ガス循環系１９は、主として、供給流路１３、循環流路１４、ポンプ１５、イオン交換器１７、および気液分離器１８によって構成されている。以下、イオン交換器１７の構成について詳述する。

図２および図３に示すように、イオン交換器１７は、水素オフガスおよび生成水からなる流体が流れる配管３０を有し、この配管３０は、上流端が燃料電池２に通じる入口管３１と、下流端が気液分離器１８に通じる出口管３２と、で構成されている。またイオン交換器１７は、入口管３１と出口管３２との間に配設され、これらに連結されるケース３３と、ケース３３の内部に収容され、水素オフガスおよび生成水が含有する不純物成分を吸着するイオン交換樹脂部材３４と、を備えている。入口管３１、出口管３２およびケース３３は、同軸上に配設されており、循環流路１４の一部を構成している。

入口管３１は、その下流側に、ケース３３内に位置するインナー部４２を有している。インナー部４２は、ケース３３内の奥部まで挿入されており、その端部はキャップ４１によって閉塞されている。なお、キャップ４１を用いなくとも、入口管３１の下流端を予め閉塞端として形成してもよい。

インナー部４２の周壁には、多数のパンチ穴４３（連通部）が穿設されている。ケース３３によって大きく覆われた多数のパンチ穴４３は、入口管３１の内部とケース３３内とを連通している。したがって、入口管３１を流れる水素オフガスおよび生成水は、多数のパンチ穴４３を通過してケース３３内へと流入する。

多数のパンチ穴４３は、インナー部４２の周壁に周方向に亘って且つ軸方向に亘って千鳥状に配置されている。より詳細には、周方向に４つのパンチ穴４３を均等に配置してなるパンチ穴列が、インナー部４２の軸方向に等間隔で１６列（複数列）を配列され、且つ隣接するパンチ穴列は４５度位相がずれて配列されている。なお、連通部としては、多数のパンチ穴からなる連通孔に限らず、スリットや部分的に網目状である連通部など、入口管３１は、その配管内部と配管外部（ケース３３内）とを連通する連通部を有する配管であればよい。

ケース３３は、入口管３１および出口管３２よりも径の大きい円筒部５１と、円筒部５１の上流側の端部と入口管３１とを連結するコーン部５２と、円筒部５１の下流側の端部に設けられたフランジ部５３と、で構成されている。コーン部５２は、下流側に向かって拡開する円錐台状のコーン本体６１と、コーン本体６１の上流端部に設けられ、入口管３１の外周壁にロウ付けや溶接により固着される上流側固着部６２と、コーン本体６１の下流端部に設けられ、円筒部５１の外周壁にロウ付けや溶接により固着される下流側固着部６３と、で一体に形成されている。

円筒部５１は、軸方向に所定の長さ延在し、その軸心に入口管３１のインナー部４２が挿入されている。円筒部５１とコーン部５２とは、インナー部４２を囲繞する外管部となっており、イオン交換樹脂部材３４を挟んで多数のパンチ穴４３に臨んでいる。フランジ部５３は、その軸心に、入口管３１に取り付けたキャップ４１が位置されている。フランジ部５３は、円筒部５１の下流端の周縁部から径方向に突出しており、出口管３２の後述するフランジ部７２に連結される。

出口管３２は、入口管３１と同一の内径で構成された管路部７１と、管路部７１の上流側に設けられ、ケース３３のフランジ部５３に分離可能に連結されたフランジ部７２と、を有している。出口管３２のフランジ部７２の内部には、上流側に向かってロート状に拡開して形成された連通流路部７５が形成されており、連通流路部７５は、径の異なるケース３３内と出口管３２の管路部７１内とを連通する。

出口管３２のフランジ部７２は、連通流路部７５の外側に環状に形成された取付け溝７７を有し、取付け溝７７には、フランジ部７２とフランジ部５３との間を気密にシールするＯリング７６（シール部材）が装着されている。フランジ部５３およびフランジ部７２の外形は、同一の輪郭を有しており、その連結状態では、両フランジ部５３，７２の外面はほぼ面一になる。両フランジ部５３，７２の連結は、これらの軸線を挟んだ２箇所をボルトなどの締結手段により締結されることでなされ、この締結手段を解除して両者を分離することで、ケース３３内のイオン交換樹脂部材３４を適宜交換することができるようになっている。なお、両フランジ部５３，７２の分離状態では、Ｏリング７６は取付け溝７７から抜け落ちないようになっている。

イオン交換樹脂部材３４は、カチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂を有する粒子状または繊維状のイオン交換樹脂を、通水性を有する収容布に収容されることで構成されている。イオン交換樹脂部材３４は、水素オフガスおよび生成水の不純物成分をイオン交換により吸着する。イオン交換樹脂部材３４は、多数のパンチ穴４３を有するインナー部４２の外周面に密接すると共に、ケース３３内の内周壁に密接している。すなわち、イオン交換樹脂部材３４は、コーン部５２と円筒部５１とに亘ってケース３３内を埋めるようにインナー部４２との間に充填されている。多数のパンチ穴４３から流出した水素オフガスおよび生成水は、不純物成分が収容布を通過してイオン交換樹脂に吸着されて、出口管３２へと排出される。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１によれば、水素ガス循環系１９にイオン交換器１７を設けているため、水素オフガスおよび生成水からなる流体に含有される不純物成分を除去することができる。特に、インナー部４２の端部がキャップ４１により閉塞されているため、流体は入口管３１から出口管３２に直接的に流れないで、イオン交換樹脂部材３４を確実に通る。

これにより、生成水はもとより水素オフガス中に粒子状態で飛んでいる水分に含まれる不純物成分についても、イオン交換樹脂部材３４で確実に除去することができる。したがって、気液分離器１８では浄化された生成水を外部に排出することができると共に、燃料電池２には浄化された水素オフガスを供給することができ、燃料電池２の電解質膜を損傷することを適切に防止することができる。

また、入口管３１にケース３３内に臨むインナー部４２を設けているため、ケース３３内いっぱいにイオン交換樹脂部材３４を充填する場合に比べ、水素オフガスの圧力損失を低減することができる。さらに、ケース３３と出口管３２との間でフランジシール構造を採用しているため、イオン交換樹脂部材３４を容易に交換することができる。すなわち、使用によりイオン交換樹脂部材３４が劣化した場合であっても、イオン交換器１７全体を交換することなく、イオン交換樹脂部材３４を単品で交換することができる。

なお、以上の説明では、出口管３２にフランジ部７２を設け、ケース３３の下流側にフランジ部５３を設けたが、この種のフランジシール構造の位置はこれに限るものではない。例えば、ケース３３の下流側固着部６３をフランジ部として構成し、これに連結される円筒部５１の上流側にフランジ部を設けるようにしてもよい。もっとも、本実施例のような構成とする方が、イオン交換樹脂部材３４の交換の作業性が高い。

次に、図４および図５を参照して、実施例２に係る燃料電池システム１について実施例１との相違点を中心に説明する。本実施例のイオン交換器１７では、入口管３１のインナー部４２の端部は、キャップ４１を装着されておらず、出口管３２に向かってケース３３内で開口している。そして本実施例の入口管３１には、旋回流発生手段９１が多数のパンチ穴４３の上流側に配設されている。

旋回流発生手段９１は、流体（水素オフガスおよび生成水）の流れに対し入口管３１の周方向への速度成分を付与する機能を有するものであり、流体を入口管３１の内壁の周方向に導いて、多数のパンチ穴４３の上流側で流体を旋回流とさせる。これにより、流体は水素オフガスと生成水とに分離されてインナー部４２に流れ込むことになる。旋回流発生手段９１は、例えば、ステンレスの板状部材をねじることで形成されたねじりリボンで構成され、入口管３１の内部に固定される。

本実施例によれば、インナー部４２に流れ込んだ水素オフガスについては、積極的に出口管３２へと流出させることができるため、イオン交換器１７の位置における圧損を極めて低減することができる。一方、インナー部４２に流れ込んだ生成水については、多数のパンチ穴４３からケース３３内に流出させてイオン交換樹脂部材３４に臨ませることができ、生成水の不純物成分を確実に除去することができる。そして清浄化された生成水については、連通流路部７５を介して出口管３２へと流出させることができ、ここで水素オフガスと合流されて気液分離器１８に送られることになる。

なお、本実施例の構成は、水素オフガスの全流量は必ずしもイオン交換樹脂部材を通過するものでない。このため、本実施例は水素オフガス中に含まれる不純物成分が少ないような場合に特に有効となる。また言うまでもないが、本実施例においても、気液分離器１８では、清浄化された生成水を外部に排水することが可能となる。

なお、上記各実施例では、イオン交換器１７を気液分離器１８の上流側に設置した場合について説明したが、イオン交換器１７を気液分離器１８の下流側に設置することもできる。この場合には、イオン交換器１７のイオン交換樹脂部材３４を通過する生成水は微量となるため、イオン交換樹脂部材３４の製品寿命を高めることができる効果がある。

なお、以上の各実施例では、イオン交換器１７を水素ガスのガス循環系１９に適用した例について説明したが、もちろん、主として循環流路６により構成される酸素ガスのガス循環系に適用してもよい。もっとも、ガス循環系のみならず、燃料電池２に一度も供されていない新たな水素ガスまたは酸素ガスを燃料電池２供給するガス供給系の例えば供給流路１３や供給流路５にイオン交換器１７を適用することもできる。

実施例１に係る燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。 実施例１に係るイオン交換器を示す斜視図である。 実施例１に係るイオン交換器を示す半断面図である。 実施例２に係るイオン交換器を示す斜視図である。 実施例２に係るイオン交換器を示す半断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、３ 酸素ガス配管系、１１ 水素ガス配管系、１４ 循環流路、１７ 気液分離器、１８ イオン交換器、１９ 水素ガス循環系、３０ 配管、３１ 入口管、３２ 出口管、３３ ケース、３４ イオン交換樹脂部材、４２ インナー部、４３ パンチ穴、５１ 円筒部（外管部）、５２ コーン部（外管部）、５３ フランジ部、７２ フランジ部、７５ 連通流路部、７６ Ｏリング（シール部材）、９１ 旋回流発生手段

Claims (11)

1. 燃料電池から排出されたオフガスを当該燃料電池に再び供給するガス循環系を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記ガス循環系は、
   周壁に連通部が形成され、前記オフガスおよび生成水からなる流体が流れる配管と、
   前記配管の外周に設けられ、前記連通部を覆うケースと、
   前記配管との間の前記ケース内に収容され、前記連通部から当該ケース内に流出した前記流体が含有する不純物成分を吸着するイオン交換樹脂部材と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記配管は、
   前記ケースの上流側に連結され、当該ケース内に位置するインナー部の周壁に前記連通部を形成した入口管と、
   前記ケースの下流側に連結され、当該ケース内から前記流体を排出するための出口管と、
   からなる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記入口管のインナー部の端部は、閉塞されている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記入口管のインナー部の端部は、前記ケース内に開口しており、
   前記入口管には、当該入口管の内壁の周方向に前記流体を導く旋回流発生手段が、前記連通部の上流側に配設されている請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記出口管は、前記ケースに分離可能に連結されるためのフランジ部を有しており、
   前記ケースは、
   前記入口管のインナー部を囲繞すると共に前記イオン交換樹脂部材を収容した外管部と、
   前記外管部の下流側の端部に設けられ、前記出口管のフランジ部に連結されるフランジ部と、
   を有している請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記出口管のフランジ部と前記ケースのフランジ部との間には、これらの間をシールするシール部材が設けられている請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記出口管側のフランジ部の内部は、上流側に向かってロート状に拡開して形成され、前記外管部の内部と当該出口管の管路内とを連通する請求項５または６に記載の燃料電池システム。
8. 前記連通部は、前記配管の周壁に千鳥状に配置されている請求項１ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 流体が含有する不純物成分を吸着するイオン交換樹脂部材と、
   前記イオン交換樹脂部材を内部に収容し、前記流体が導入されるケースと、
   前記ケース内に配置されるインナー部を有し、前記インナー部の周壁に当該ケース内に前記流体を流出させるための連通部が形成された配管と、を備え、
   前記イオン交換樹脂部材は、前記連通部に臨んで前記ケース内に収容されているイオン交換器。
10. 前記配管は、
    前記ケースの上流側に連結され、前記インナー部を有する入口管と、
    前記ケースの下流側に連結され、前記ケース内から前記流体を排出するための出口管と、
    からなる請求項９に記載のイオン交換器。
11. 請求項９または１０に記載のイオン交換器を、燃料電池に供されるガスの配管系に備えた燃料電池システム。
    
    

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