JP2006066161A - 燃料電池用膜・電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水分の蒸発に基づく炭化水素系高分子電解質膜の収縮を防止し、もって電解質膜とガス拡散電極の接合性を向上させることができる燃料電池用膜・電極接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】ホットプレスに際して、プレス装置１０に水分供給機構１１を設けることによって、あるいは炭化水素系固体高分子電解質膜２をガス拡散電極３で挟持して成る積層体１のさらに外側に湿潤状態の含水体を配置することによって、ガス拡散電極３を介して電解質膜２の接合界面に水分を補給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に用いられる膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を得るためのホットプレス技術に係わり、炭化水素系高分子から成るプロトン伝導性固体高分子膜をガス拡散電極で挟持した構造を有する膜・電極接合体の製造方法に関するものである。

プロトン伝導性固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、他のタイプの燃料電池と比較して低温で作動することから、自動車などの移動体用動力源として期待され、その実用も進んでいる。
このような固体高分子形燃料電池においては、プロトン伝導性固体高分子膜を挟んで１対の電極（酸素極と燃料極）に、水素を含有する燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式で示される反応が生じ、電気エネルギーが取出される。
カソード反応（酸素極）： ２Ｈ^＋＋２e⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
アノード反応（燃料極）： Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２e⁻

固体高分子形燃料電池に使用されるガス拡散電極は、高分子電解質膜と同種あるいは異種のイオン交換樹脂（高分子電解質）で被覆された触媒担持カーボン微粒子を含有する電極触媒層と、この触媒層に反応ガスを供給すると共に触媒層に発生する電荷を集電するガス拡散層から成り、当該ガス拡散層の電極触媒層の側を高分子電解質膜に対向させた状態で接合することによって膜・電極接合体が形成される。なお、ガス拡散層には、一般に、カーボン繊維を用いて作成されたカーボンペーパーや織布、不織布が用いられる。
そして、このような膜電極接合体をガス流路を備えたセパレータ（ガス流路形成部材）を介して多数積層することによって燃料電池が構成される。

電解質膜にガス拡散電極を接合するにはホットプレスが適用され、通常、電解質膜をガス拡散電極で挟持した積層物をホットプレス機によって加圧・加熱を行なうようにしている。このとき、上記ガス拡散電極の電解質膜と接する側には電解質と電極触媒の混合物が塗布されており、加熱によって電解質が溶けて接合剤として働くようになっている。

このような固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、従来、フッ素系高分子材料と炭化水素系高分子材料が知られているが、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸やパーフルオロカーボンスルフォン酸（商品名（登録商標）：ナフィオン）、エチレン‐テトラフルオロエチレン共重合体などにようなフッ素系の高分子材料が主に使用されていた（例えば、特許文献１及び２参照）。
特開２０００−２２３１３４号公報 特開２００２−１５１０９９号公報

一方、炭化水素系電解質膜は、上記したフッ素系電解質膜に較べて、
（１）高価なフッ素を使用しないためコストを大幅に低減することができる
（２）フッ素系化合物と比較してリサイクル性がよい
（３）耐熱性が高く、高温運転が可能なため自動車へ搭載した場合ラジエターの小型化 が可能である
といった利点があることから、現在も盛んに研究が行われており、最近では上記のようなフッ素系電解質膜に匹敵する性能を備えたものも開発されるようになってきている。

しかしながら、炭化水素系電解質膜においては、電解質膜が乾燥していると、ホットプレスによっても電解質膜とガス拡散電極を接合できないため、電解質膜を水中に浸したり、恒湿槽内に放置したりして電解質膜を加湿しておく必要がある一方、膨潤度の大きい電解質膜に従来のようなホットプレスによる接合方法を適用した場合、ホットプレス時に電解質膜から水分が抜けて、当該電解質膜が収縮する結果、十分に接合できないという問題点があった。

すなわち、ガス拡散電極の電解質膜と接する側には、上記したように、電極触媒（カーボン粉末の表面に白金微粒子を担持したもの）と電解質（アイオノマまたはバインダと呼ばれる）の混合物が塗布されており、この電解質がホットプレス時に溶け、電解質膜とガス拡散電極を接合するための接合剤の役目を果たすことになる。

このとき、バインダとしてパーフルオロカーボンスルフォン酸等のフッ素系電解質を用いた場合には、プレス温度としては、フッ素系電解質のガラス転移点付近である１３０℃程度が採用される場合が多く、電解質膜もフッ素系電解質である場合、当該電解質膜表面も１３０℃程度の温度で溶けるため、特に水分を与えるなどの操作を行わなくても電解質膜とガス拡散電極を接合させることができる。
一方、炭化水素系電解質膜のガラス転移点は、一般に高く（ガラス転移点を示す前に分解してしまうものも多い）、１３０℃程度では膜表面が溶けないため、フッ素系電解質膜を用いた場合と比較すると、ガス拡散電極との接合性が悪い。

そのため炭化水素系電解質膜とガス拡散電極を接合する場合、電解質膜を純水に浸したり、恒湿槽内に保管したりするなどの前処理が行われることが多い。これは、膜に水分を与えることによって高分子鎖間の分子間力が緩む結果、膜表面が軟化し電極が接合しやすくなると考えられていることによる。
しかし、炭化水素系電解質膜は一般的に吸水時の膨潤が大きく、通常の方法によってホットプレスを行うと、電解質膜中の水分がホットプレス中に抜け、膜が収縮する結果、電解質膜とガス拡散電極をうまく接合することができないことになる。

本発明は、炭化水素系高分子電解質膜を用いた従来の燃料電池用膜・電極接合体のホットプレスにおける上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、水分の蒸発に基づく炭化水素系電解質膜の収縮を防止し、もって電解質膜とガス拡散電極の接合性を向上させることができる燃料電池用膜・電極接合体の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成するために、膜・電極接合体の構造やホットプレス条件などについて鋭意検討を重ねた結果、高分子電解質膜に水分を補給しながらホットプレスすることによって、電解質膜を過度に膨潤させることなく、接合面のみを適度に湿潤させることができ、上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法においては、炭化水素系固体高分子電解質膜をガス拡散電極で挟持して成る積層体をホットプレスするに際して、プレス装置に水分供給手段を設け、該水分供給機構によってガス拡散電極の外側からガス拡散電極へ水分を供給するようにしており、本発明の他の製造方法においては、上記積層体のさらに外側に湿潤した含水体を配置した状態でホットプレスするようにしたことを特徴としている。

本発明の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法によれば、ホットプレスに際して、プレス装置に水分供給手段を設けることによって、あるいは炭化水素系固体高分子電解質膜をガス拡散電極で挟持して成る積層体のさらに外側に湿潤状態の含水体を配置することによって、ガス拡散電極を介して電解質膜の表面に水分を補給するようにしていることから、電解質膜を過度に膨潤させることなく、電解質膜の接合表面のみを適度に湿潤させることができ、膨張度の大きい炭化水素系固体高分子電解質膜であっても、ガス拡散電極との安定した接合が可能になる。

以下、本発明の燃料電池用膜・電極触接合体の製造方法について、さらに詳細に説明する。

本発明の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法は、プレス装置に備えた水分供給手段によって、あるいは水を含ませたろ紙などの含水体によって膜・電極接合体の接合面に水分を供給するようにしているので、ホットプレス中における電解質膜の収縮が防止され、電解質膜とガス拡散電極との接合性が向上することになる。

本発明において、炭化水素系固体高分子電解質膜としては、特に限定されないが、例えばＰＩ（ポリイミド）、ＰＢＩ（ポリベンズイミダゾール）、ＰＢＯ（ポリベンズオキサゾール）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルフォン）、ＰＰＢＰ（ポリフェノキシベンゾイルフェニレン）のような炭化水素電解質材料をスルフォン化したものを使用することができる。

図１（ａ）は、本発明による燃料電池用膜・電極接合体の製造方法の一実施形態を示す概略断面図であって、当該製造方法においては、加圧盤１０，１０の内側面に水分供給機構（水分供給機構）１１，１１を備えたプレス装置によって、炭化水素系高分子材料から成る電解質膜２を触媒層３ａとカーボンペーパーなどのガス拡散層３ｂから成るガス拡散電極３で、触媒層３ａが電解質膜２に接するように挟持して成る積層体１をホットプレスするようにしている。
水分供給機構１１は、図１（ｂ）に示すように、積層体１との当接面に多数の蒸気噴出孔１１ａを備え、プレス装置の外部から供給された蒸気をホットプレス中に積層体１に向けて噴出するようになっている。

積層体１は外面がカーボンペーパー等から成る多孔質体（ガス拡散層３ｂ）であるため、蒸気は触媒層３ａ及び電解質膜２まで到達し、到達した蒸気は触媒層３ａ及び電解質膜２を湿潤させる。これによって、ホットプレス中に触媒層３ａ及び電解質膜２は常に湿潤した状態になり、膜２と触媒層３ａの接合を可能にする。
ホットプレス終了後は、すぐに加圧を解除することなく、蒸気の代わりに、例えば乾燥空気等を供給しながら冷却することが望ましく、これによって、加圧解除後の膜・電極接合体の変型を最小限に抑えることができる。

図２は、本発明による燃料電池用膜・電極接合体の製造方法の他の実施形態を示す概略断面図であって、当該製造方法においては、上記同様に炭化水素系高分子材料から成る電解質膜２をガス拡散電極３により挟持して成る積層体１のさらに外側を水分を含ませた含水体４，４で覆った状態で当該積層体１にホットプレスを施すようにしている。
したがって、上記した実施形態と同様に、ホットプレス中には、含水体４，４に含まれる水分がガス拡散電極３のガス拡散層３ｂを介して触媒層３ａ及び電解質膜２に極給され、接合界面を湿潤状態にし、電解質膜２とガス拡散電極３，３との接合が可能になる。

なお、図２においては、図示しないプレス機と積層体１の間に、ＰＴＦＥシート６及び金属板７を挟むようにしているが、このＰＴＦＥシート６は、プレス時におけるガス拡散電極３のガス拡散層３ｂ（カーボンペーパーなど）の挫屈を防止するためであり、金属板７は上記ＰＴＦＥシート６とプレス機の加圧盤が癒着するのを防止することを目的としている。

このとき、含水体４に含ませる水分量については、電解質膜２の厚さ１ｃｍ当たりの含水量として０．１〜１ｇ／ｃｍ^２の範囲、すなわち含水体４の面積１ｃｍ^２について、０．１〜１ｇの水分を含浸させるようにすることが望ましい。
すなわち、電解質膜２の厚さ１ｃｍ当たりの含水量が０．１ｇ／ｃｍ^２に満たない場合には、電解質膜２の接合面に十分な水分を供給することができず、電解質膜２とガス拡散電極３とを良好な状態に接合することができず、逆に１ｇ／ｃｍ^２を超えた場合には、電解質膜２にあらかじめ水分を与えた場合と同様に、電解質膜２の膨張・収縮の原因となり、良好な接合ができなくなる傾向があることによる。

なお、上記含水体４としては、各種素材からなる布や不織布、発泡性材料などを用いることができるが、適度の含水性や耐熱性、入手のし易さ、価格などの点からろ紙を用いることが望ましい。
また、ろ紙のような含水体４を用いることなく、図１に示したように、プレス装置１０に備えた水分供給手段１１を用いて接合面に水分を供給する場合にも、これと同様の水分量となるように、水蒸気の供給量を制御することが望ましい。

上記含水体４の大きさとしては、水を含んだ含水体４が電解質膜２に直接接触すると、接触部分だけが縮れて電解質膜２が変形する可能性があるため、ガス拡散電極３からはみ出ないように、ガス拡散電極３の形状寸法と同じか、これよりも小さいことが好ましいことになる。

また、積層体１のホットプレスに際しては、ガス拡散電極３と接していない部分の電解質膜２がホットプレス時に変形することがないとは言えない。
セルの組み立てに際しては、ガス拡散電極３と接していない電解質膜２の外周部にガスケットが当たるため、この部分が変形していると反応ガスがセル外にリークする原因となる。

したがって、図３に示すように、ガス拡散電極３と接していない部分の電解質膜２を高分子シート８，８で覆った状態で、ホットプレスを行なうようにすることによって、電解質膜２の変形を抑えることができる。これは、高分子シート８で覆うことにより電解質膜２の露出部からの水分の放散が防止されるためと考えられる。
なお、図３においては、含水体４，４を配置した状態で、さらに高分子シート８，８で覆った例を示しているが、含水体４を用いることなく、プレス装置１０に備えた水分供給機構１１から水蒸気を供給する場合にも高分子シート８を適用できることは言うまでもない。

このような高分子シートとしては、ホットプレス時の高温・高圧条件下で溶解・分解したり破れたりしないことが要求され、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（４フッ化エチレン‐パーフルオロアルコキシエチレン共重合体）といったフッ素系高分子材料や、ＰＩ（ポリイミド）、（ＰＥＥＫ）ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリフェノキシベンゾイルフェニレン（ＰＰＢＰ）などのエンジニアリングプラスチックを使用することが好ましく、これらの中では、柔軟性が高く、破損し難いことから、とくにＰＦＡを使用することが望ましい。

それでも、電解質膜２の種類によっては、変形が起こる可能性がないとは言えず、このようなその場合には、図４に示すように、高分子シート８，８の上から、上記含水体４と略同じ弾性率を有する乾燥状態の弾性体９，９、例えばろ紙で挟み込むことにより、ホットプレス時にガス拡散電極３と接しない部分がプレス圧によって、より強く固定され電解質膜２の変形を防止することができる。

電解質膜２とガス拡散電極３，３とを接合するためのホットプレス条件としては、プレス温度が低過ぎると、ガス拡散電極３に接合剤（バインダ）として塗布されているフッ素系電解質が溶けず、うまく接合することができない。また、逆に温度が高過ぎると、電解質膜２を構成する高分子材料の分解を招くことになる。但し、バインダとして例えば炭化水素系電解質のような他の材料を使用した場合には、フッ素系電解質とガラス転移点が異なるためプレス時の最低温度が変わる可能性がある。
また、炭化水素系電解質のガラス転移点も材料によって異なるので、最高温度も一概に決定することは難しいが、概ね１２０〜２５０℃、さらに好ましくは１２０〜１８０℃の温度範囲とすることが望ましい。

一方、プレス圧力については、低過ぎると、ガス拡散電極３を接合することができず、逆に高過ぎると接合はできるものの、電解質膜３を傷つけてしまい、反応ガスのクロスリーク、すなわち、燃料ガスである水素ガスと酸化ガスである空気や酸素ガスとが電解質膜２で十分に遮断されず、これらのガスが混じってしまう現象を引き起こすことになるため、１〜２０ＭＰａの範囲、さらに好ましくは２〜１０ＭＰａの範囲とすることが望ましい。

そして、上記のようなホットプレス条件、すなわちピーク温度及びピーク圧力に到るまでの昇温加圧条件、降温降圧条件については、室温以上１００℃以下の比較的低温の状態から加圧を開始し、ホットプレスの終了後、室温以上１００℃以下の温度まで冷却したのちに圧力を解除するようになすことが望ましい。なお、本発明において「室温」とは、１５℃から３０℃程度を意味し、したがって本発明方法における加圧の開始及び終了温度は、１５〜１００℃の範囲ということになる。

このように、１００℃を超える温度領域に加熱される前の状態で加圧を開始し、終了時においても１００℃を超える温度領域では加圧状態を維持するのは、電解質膜２からの水分の放散が大きい温度領域で圧を抜いてしまうことによって、電解質膜２の収縮が促進されるのを防止するためである。言い換えると、電解質膜２から水分が放散され易い温度領域では、電解質膜２が常に加圧状態にあって、電解質膜２の変形が拘束されているので、水分が蒸発したとしてもその変形を最小限に抑えることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

（実施例１）
まず、炭化水素系固体高分子電解質膜２としてＰＥＳ（ポリエーテルスルフォン）をスルフォン化したもの（厚さ：３０μｍ）を使用し、これを７０ｍｍ×７０ｍｍの正方形に切断した。
一方、Ｐｔ（白金）微粒子を担持させたカーボンブラック粉末から成る電極触媒と高分子電解質であるパーフルオロカーボンスルフォン酸を厚さ３００μｍのカーボンペーパーに塗布して乾燥させたのち、５０ｍｍ×５０ｍｍに切断して、ガス拡散電極３とした。

次に、上記サイズに切断した電解質膜２の中央部をガス拡散電極３，３によって挟持することによって、図１に示すような積層体１を得た。

そして、この積層体１をホットプレスするに際しては、図１に示したような水分供給機構１１を加圧盤１０に設置したプレス装置を用い、加熱を開始する前、すなわち室温（２０℃）の状態で８ＭＰａに加圧し、１３０℃に昇温後、水分供給機構１１から水蒸気を供給しながら３分間保持することによって、電解質膜２とガス拡散電極３，３とを接合した。
接合後、１００℃まで冷却されるのを待って、加圧状態を解除し、図に示すような膜・電極接合体を得た。なお、このときの水蒸気の総供給量は、水に換算して３７．５ｇであった。

そして、このようにして得られた膜・電極接合体の接合状態や、電解質膜２の変形状態を目視により観察すると共に、当該接合体をガス流路を備えた図示しないセパレータ及び集電体で挟んで固体高分子形燃料電池の単セルとし、１Ａ／ｃｍ^２における出力電圧を計測した。これらの結果を表１に示す。

（実施例２）
上記積層体１の電解質膜２の周縁部におけるガス拡散電極３からの露出部分に、上記電解質膜２及びガス拡散電極３の大きさ（５０ｍｍ×５０ｍｍ）に合わせて枠状に切断したＰＦＡ（４フッ化エチレン‐パーフルオロアルコキシエチレン共重合体）から成る厚さ２５μｍの高分子シート８，８を重ねたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰返し、本例の膜・電極接合体を得た。
得られた接合体について、接合状態や変形状態を観察すると共に、同様に出力電圧を計測した。これらの結果を表１に併せて示す。

（実施例３）
上記実施例１と同様に作製した積層体１の両側に、図２に示すように、５０ｍｍ×５０ｍｍに切断した厚さ０．２ｍｍのろ紙に４０ｍｇの水を含浸させて成る含水体４，４を配置した状態で、図示しないプレス装置にＰＴＦＥシート６及び金属板７と共にセットし、上記実施例１と同様の条件のもとにホットプレスすることによって、電解質膜２とガス拡散電極３，３とを接合した。
得られた接合体について、接合状態や変形状態を観察すると共に、同様に出力電圧を計測した。これらの結果を表１に併せて示す。

（実施例４）
図３に示すように、上記積層体１の電解質膜２の周縁部におけるガス拡散電極３からの露出部分に、上記電解質膜２及びガス拡散電極３の大きさに合わせて枠状に切断したＰＦＡから成る厚さ２５μｍの高分子シート８，８を重ねた状態でホットプレスしたこと以外は、上記実施例３と同様の操作を繰返し、本例の膜・電極接合体を得た。
得られた接合体について、接合状態や変形状態を観察すると共に、同様に出力電圧を計測した。これらの結果を表１に併せて示す。

（実施例５）
図４に示すように、図３に示した高分子シート８，８の上に、さらに当該高分子シート８と同様の枠状に切断した乾燥状態のろ紙を弾性体９，９として重ねた状態でホットプレスしたことを除いて、上記実施例３と同様の操作を繰返し、本例の膜・電極接合体を得た。
得られた接合体について、接合状態や変形状態を観察すると共に、同様に出力電圧を計測した。これらの結果を表１に併せて示す。

（比較例１）
含水体４としてのろ紙を使用することなく、電解質膜２をガス拡散電極３，３で挟持して成る積層体１をホットプレスしたことを除いて、上記実施例３と同様の操作を繰返し、本例の膜・電極接合体を得た。
得られた接合体について、接合状態や変形状態を観察すると共に、同様に出力電圧を計測した。これらの結果を表１に併せて示す。

表１の結果から明らかなように、プレス装置１０に設けた水分供給機構１１や、積層体１の外側に配置した含水状態のろ紙４によって、ガス拡散電極３から電解質層２の接合面に水分を補給することによって電解質膜２の収縮を防止することができ、良好な接合が可能になることが確認された。また、電解質膜２におけるガス拡散電極３との非接触部分を高分子シート８、さらにろ紙（弾性体）９で覆うことによって、当該部分の変形を防止することができることが確認された。

本発明による燃料電池用膜・電極接合体の製造方法の一実施形態を説明する概略断面図である。 本発明による燃料電池用膜・電極接合体の製造方法の他の実施形態を示す概略断面図である。 図２に示した燃料電池用膜・電極接合体の製造方法の好適形態を示す概略断面図である。 図２に示した燃料電池用膜・電極接合体の製造方法の他の好適形態を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 積層体
２ 電解質膜
３ ガス拡散層
４ 含水体
８ 高分子シート
９ 弾性体
１０ 加圧盤（プレス装置）
１１ 水分供給機構（水分供給手段）

Claims (11)

1. 炭化水素系固体高分子電解質膜をガス拡散電極で挟持して成る積層体を、ガス拡散電極の外側からガス拡散電極へ水分を供給する水分供給手段を備えたプレス装置を用いてホットプレスすることを特徴とする燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
2. 炭化水素系固体高分子電解質膜をガス拡散電極で挟持して成る積層体のさらに外側に含水体を配置した状態でホットプレスすることを特徴とする燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
3. 上記含水体の含水量が電解質膜の厚さ１ｃｍ当たり０．１〜１ｇ／ｃｍ^２の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
4. 上記含水体がろ紙であることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
5. 上記含水体の寸法形状がガス拡散電極と同じか、これよりも小さいことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
6. 含水体との非接触部分を該含水体と実質的に同じ弾性率を有し、乾燥した状態の弾性体で覆うことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
7. 上記弾性体がろ紙であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
8. 電解質膜のガス拡散電極との非接触部分を高分子シートで覆うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
9. ホットプレス温度が１２０〜２５０℃であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
10. ホットプレス圧力が１〜２０ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。
11. 積層体に対する加圧を室温以上１００℃以下の温度で開始し、ホットプレス後、室温以上１００℃以下の温度まで冷却した状態で上記積層体に対する加圧を解除することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法。

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