JP7113180B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、スタックの集電板の出力端子に、電力変換回路基板と接続するための電力ケーブルを取り付けた燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させて、電気と熱を同時に発生させるものである。

固体高分子型の燃料電池は、電解質膜－電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）を一対のセパレータで挟んだセルで構成されている。

ＭＥＡは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（以下、「電解質膜」ともいう）の両主面に一対の電極を備えている。

セパレータは、ＭＥＡの両面に配置されてＭＥＡを機械的に固定すると共に、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するため導電性を有している。

セパレータのＭＥＡと接触する面には、電極に水素や空気などの反応ガスを供給し、且つ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路となる溝が形成されている。セパレータのＭＥＡと接触する面と反対の面には、反応により発生した熱を回収する冷却水を供給排出するための冷却水流路となる溝が形成されている。

多くの燃料電池は、ＭＥＡとセパレータを数多く重ねた積層構造を採っており、さらにその積層方向の両端には、反応によって発生した電気を外部に取り出すための一対の集電板が配されている。このような積層体をスタックと呼ぶ。

スタックは、セルを貫通してセパレータのガス流路に反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールドと、セルを貫通してセパレータの冷却水流路に冷却水を供給排出する冷却水マニホールドを有している。

スタックで発生した電流は、集電板と電気的に接続された電力変換回路基板によって調整されたのち、燃料電池システムの外部へと取り出される。集電板と電力変換回路基板は電力ケーブルで接続されており、集電板には、電力ケーブルを取り付けるための端子が設けられている。

燃料電池システム内におけるスタックと電力変換回路基板の位置関係は、レイアウトの都合により様々な形態を採ることができ、スタックの下方に電力変換回路基板を配置しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された燃料電池システムの概略構成を示すものである。図５に示すように、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムは、燃料電池本体（スタックに相当）１１２の下部に端子１１２ｄ，１１２ｃを配置することによって、燃料電池本体１１２の端子１１２ｄ，１１２ｃと、燃料電池本体１１２の下方に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータ（電力変換回路基板に相当）１１６ａ，１１６ｂと、を接続する電力ケーブルの長さを、燃料電池本体１１２の上部に端子を配置した場合よりも、短くして、電力ケーブルのＩＲ損による電力ロスを小さくしている。

実用新案登録第３１７８２６７号公報

しかしながら、従来の構成では、燃料電池本体１１２の下部に端子１１２ｄ，１１２ｃが設けられ、電力変換回路基板の役割を担うＤＣ／ＤＣコンバータ１１６ａ，１１６ｂが燃料電池本体１１２の下方に配置されている為、燃料電池本体１１２内部で冷却水の漏水が発生し、その水が、端子１１２ｄ，１１２ｃから電力ケーブルに伝わった場合に、電力ケーブルを伝わった水が電力変換回路基板まで到達すると、電力変換回路基板が短絡してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電力変換回路基板がスタックの下方に配置されることを想定して、電力ケーブルを接続する端子をスタックの下方に突出させた構成であって、スタック内部で冷却水の漏水が発生した場合においても、その水が電力ケーブルを介して電力変換回路基板に到達しない燃料電池スタックを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、セルを略水平方向に多数積層したセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の両端に配置される一対の集電板と、を有するセルスタック本体と、前記セルスタック本体における前記積層方向の両端に配置される一対の端板と、一対の前記集電板のそれぞれと電気的に接続される一対の電力ケーブルと、を備えた、燃料電池スタックであって、前記セル積層体は、前記セルで発電時に発生する熱を回収する冷却水が流れる冷却水流路を有しており、一対の前記集電板のそれぞれは、前記集電板の下端面よりも下方に突出して前記電力ケーブルの一端が取り付けられる出力端子を備え、一対の前記端板は、前記出力端子よりも下方に突出する脚部が一体に設けられ、少なくとも一つの前記脚部は、前記電力ケーブルを前記脚部の外側に引き出す案内部を有し、前記出力端子から前記案内部までの前記電力ケーブルの最下点が、前記案内部よりも前記出力端子側に位置するように構成されたものである。

これによって、電力ケーブルはスタック下部の出力端子部から外側に向かって登り勾配を有することになり、スタック内部で冷却水の漏水が発生した場合においても、その水は電力ケーブルを電力変換回路基板側に向かう方向に伝わらないので、電力変換回路基板側に水が流れることが無くなる為、電力変換回路基板に水が到達せず、電力変換回路基板は水が原因で短絡しない。

本発明の燃料電池スタックは、電力変換回路基板がスタックの下方に配置されることを想定して、電力ケーブルを接続する端子をスタックの下方に突出させているが、スタック内部で冷却水の漏水が発生した場合においても、電力ケーブルから電力変換回路基板に水が到達せず、水で電力変換回路基板が短絡しない。

さらに、スタックの下方に電力変換回路基板を配置することで、万が一スタックから水素などの可燃性の燃料ガスが漏れた場合でも、これらの燃料ガスは空気よりも軽くスタックの上方へ流れていくため、高電圧となる電力変換回路基板に流入しない為、引火などの不具合が発生する可能性が低くなる。これにより燃料電池システムの安全性を高めることができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを、積層方向に平行な一対の冷却水マニホールドの中心軸を含む平面で切断した場合の断面を示す概略断面図 本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを、積層方向に垂直な平面で切断した場合の断面を示す概略断面図 本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの概略図 本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの外観斜視図 従来の燃料電池システムの概略図

第１の発明は、セルを略水平方向に多数積層したセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の両端に配置される一対の集電板と、を有するセルスタック本体と、前記セルスタック本体における前記積層方向の両端に配置される一対の端板と、一対の前記集電板のそれぞれと電気的に接続される一対の電力ケーブルと、を備えた燃料電池スタックであって、前記セル積層体は、前記セルで発電時に発生する熱を回収する冷却水が流れる冷却水流路を有しており、一対の前記集電板のそれぞれは、前記集電板の下端面よりも下方に突出して前記電力ケーブルの一端が取り付けられる出力端子を備え、一対の前記端板は、前記出力端子よりも下方に突出する脚部が一体に設けられ、少なくとも一つの前記脚部は、前記電力ケーブルを前記脚部の外側に引き出す案内部を有し、前記出力端子から前記案内部までの前記電力ケーブルの最下点が、前記案内部よりも前記出力端子側に位置するように構成されたものである。

これによって、電力ケーブルはスタック下部の出力端子部から外側に向かって登り勾配を有することになり、スタック内部で冷却水の漏水が発生した場合においても、その水は電力ケーブルを電力変換回路基板側に向かう方向に伝わらないので、電力変換回路基板側に水が流れることが無くなる為、電力変換回路基板に水が到達せず、電力変換回路基板は短絡せず、安全性の高い燃料電池システムを構成することが出来る。

第２の発明は、特に、第１の発明における前記冷却水流路が、冷却水入口が冷却水出口よりも上方に位置し、冷却水は、前記セルに対して上から下に向かって流れる構成とするものである。

この構成によって、重力により冷却水が流れやすくなり、効率よくスタックの熱を回収することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、前記セルに反応ガスを供給排出する反応ガス流路を有し、前記反応ガス流路の反応ガス入口は、反応ガス出口よりも上方に位置し、前記反応ガスは、前記セルに対して上から下に向かって流れる構成とするものである。

この構成によって、スタックの上部に反応ガス入口と冷却水入口が互いに近接して位置することになる。反応ガス入口付近では反応ガスの濃度が高いために発電反応が集中して起こることから、この付近のスタック温度がより高くなるが、冷却水入口が反応ガス入口付近にあることで効率的に冷却することができ、反応ガス入口付近の温度上昇を抑制することができる。

これにより、スタックの上部と下部の温度分布をより均一化することができるため、高温による局所的な劣化を抑制することができ、その結果、スタックの耐久性を向上させることができる。

また、スタック内の反応ガス流路で凝縮水が発生した場合でも、反応ガスの流れと重力を利用して凝縮水をスタックの反応ガス出口から排出することができ、反応ガス流路で発生した凝縮水が反応ガスの流れを妨げることを抑制できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを、積層方向に平行な一対の冷却水マニホールドの中心軸を含む平面で切断した場合の断面を示す概略断面図であり、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを、積層方向に垂直な平面で切断した場合の断面を示す概略断面図である。

図３は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの概略図であり、図４は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの外観斜視図である。

図１から図４に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１５に用いられるスタック１は、ＭＥＡ２を一対のセパレータ３で挟んだセル４ａを、多数積層した積層体４の積層方向の両端に一対の集電板５を備える。

スタック１に積層方向の締結圧力を与えて一体として保持するため、一対の集電板５における積層体４と対向する面と反対側の面に（集電板５のさらに外側に）一対の端板６を配置し、環状バンド２２で両端板６を、積層体４と一対の集電板５と一対の端板６が積層方向に圧縮される力が加わるように締結する。

スタック１は、セル４ａを貫通してセル４ａに反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールド７と、セル４ａを貫通してセル４ａで発電時に発生する熱を回収する冷却水を供給排出する冷却水マニホールド８とを有している。

スタック１を、積層方向に平行な一対の冷却水マニホールド８の中心軸を含む平面で切断した場合の断面を示す図１では、反応ガスマニホールド７が示されていないが、スタック１を、積層方向に平行な一対の反応ガスマニホールド７の中心軸を含む平面で切断した場合の断面は、図１の冷却水マニホールド８と冷却水入口９と冷却水出口１０を、反応ガスマニホールド７と反応ガス入口１３と反応ガス出口１４に、それぞれ置き換えた構成に相当する。

集電板５は、スタック１の下部から電流を取り出す出力端子１２を備える。出力端子１２はスタック１の積層部分の下面から下方に突出している。なお、一対の端板６には出力端子１２よりも下方に突出する脚部６ａが一体に設けられる。

一対の端板６のうちの一方の端板６には、反応ガスマニホールド７の反応ガス入口１３及び反応ガス出口１４、冷却水マニホールド８の冷却水入口９及び冷却水出口１０がそれぞれ設けられている。

反応ガスは、空気などの酸化剤ガスがＭＥＡの一方の電極（カソード）に必要となり、水素などの燃料ガスがＭＥＡの他方の電極（アノード）に必要となるため、反応ガス入口１３及び反応ガス出口１４は、それぞれ二つずつ設けられている。

燃料電池システム１５の筐体内において、スタック１の下方に電力変換回路基板１６が
配置され、電力変換回路基板１６は、電力変換回路基板１６の上部に接続端子１６ａを備え、スタック１と電力変換回路基板１６の接続端子１６ａとは、出力端子１２と電力ケーブル１７によって電気的に接続されている。

スタック１で発電した電力は、電力変換回路基板１６で調整されたのち、燃料電池システム１５の外部へと取り出される。電力変換回路基板１６は、昇圧回路やインバータ回路などの回路類と電圧センサーや電流センサーなどのセンサー類などから構成される。

スタック１には、空気ブロア１８から一方の反応ガス入口１３に空気が供給され、発電に使用された後の余剰なガス（主に空気）は一方の反応ガス出口１４から排出される。また、燃料改質器１９から他方の反応ガス入口１３に水素を含む燃料ガスが供給され、発電に使用された後の余剰なガス（主に燃料ガス）は他方の反応ガス出口１４から燃料改質器１９に備えられたバーナーへと供給され、燃料改質器１９の温度を維持するためにバーナーの燃焼に用いられる。

燃料改質器１９には、燃料ガスの原料となる都市ガスなどの原料ガスが燃料電池システム１５の外部から供給され、燃料改質器１９によって原料ガスが水素を含む燃料ガスへと改質される。

スタック１には、熱交換器２０から冷却水入口９に冷却水が供給される。そして、冷却水入口９にからスタック１に流入した冷却水は、スタック１内を流れているときに、発電によってスタック１で発生した熱を回収する。そして、スタック１で発生した熱を回収した冷却水は、冷却水出口１０から再び熱交換器２０へと戻される。

熱交換器２０には、スタック１から熱交換器２０に戻される冷却水よりも温度の低い温水が、貯湯槽２１から供給される。そして、熱交換器２０において、貯湯槽２１から供給される温水と、スタック１から戻された冷却水とが熱交換して、温水は冷却水との熱交換によって温度が高められた後、再び貯湯槽２１へと戻される。貯湯槽２１からは温水が燃料電池システム１５の外部へと供給され、代わりに外部から水が補給される。

本実施の形態の燃料電池スタック１は、セル４ａを略水平方向に多数積層したセル積層体４と、セル積層体４の積層方向の両端に配置される一対の集電板５と、を有するセルスタック本体と、セルスタック本体における積層方向の両端に配置される一対の端板６と、一対の集電板５のそれぞれと電気的に接続される一対の電力ケーブル１７と、を備えた燃料電池スタック１である。

セル積層体４は、セル４ａで発電時に発生する熱を回収する冷却水が流れる冷却水流路を有しており、一対の集電板５のそれぞれは、集電板５の下端面よりも下方に突出して電力ケーブル１７の一端が取り付けられる出力端子１２を備える。一対の端板６は、出力端子１２よりも下方に突出する脚部６ａが一体に設けられる。

一対の脚部６ａのうちの一方の脚部６ａは、電力ケーブル１７を脚部６ａの外側に引き出す案内部６ｂを有し、出力端子１２から案内部６ｂまでの電力ケーブル１７の最下点が案内部６ｂよりも出力端子１２側に位置するように構成されている。

本実施の形態は、スタック１の下方に電力変換回路基板１６が配置され、スタック１と電力変換回路基板１６とが、スタック１の積層部分の下面から下方に突出した出力端子１２と電力ケーブル１７によって電気的に接続されていることを特徴の一つとしている。

これにより、電力ケーブル１７の長さを短くすることができる。下方とは、電力変換回
路基板１６の上端面がスタック１の下端面と同じ高さか低い位置にあることを言う。電力変換回路基板１６がスタック１よりも大幅に下方にあると電力ケーブル１７の長さが長くなってしまうため、スタック１の近傍に配置することが好ましい。

また、スタック１の下部に配置された集電板５の端子を出力端子１２と呼んでいるが、出力端子１２はスタック１の下端面、つまり集電板５の下端面よりも下方に突出していることが好ましい。これにより、スタック１と電力変換回路基板１６を接続する電力ケーブル１７の長さを短くすることができる。

この構成によって、スタック１の出力端子１２と電力変換回路基板１６とを電力ケーブル１７で接続する場合において、電力ケーブル１７の長さを短くすることができるため、電力ケーブル１７のＩＲ損による電力ロスを小さくすることができる。

また、スタック１の下方に電力変換回路基板１６を配置することで、万が一スタック１から水素などの可燃性の燃料ガスが漏れた場合でも、これらの燃料ガスは空気よりも軽くスタック１の上方へ流れていくため、高電圧となる電力変換回路基板１６に流入する可能性が低くなり、引火などの不具合が発生する可能性を低くすることができる。

さらに、端板６の下部には下方に突出する脚部６ａと電力ケーブル１７を引き出す為の案内部６ｂが設けられている。案内部６ｂは、端板６の脚部６ａにリブ形状で複数個設けられ、電力ケーブル１７がスタック１下部の出力端子１２からスタック１の外側に向かって登り勾配を有するように、それぞれのリブ高さを変えている。

この構成によって、スタック１内部で冷却水の漏水が発生して、出力端子１２または案内部６ｂを介して、電力ケーブル１７に水が伝わった場合においても、電力ケーブル１７に沿って低い方に流れた後に、電力ケーブル１７の外周面における下側になる部分と接触する案内部６ｂまたは出力端子１２における電力ケーブル１７よりも低い部分に流れることになり、電力ケーブル１７を電力変換回路基板１６側に向かう方向に水が流れることが無くなる為、電力ケーブル１７から電力変換回路基板１６に水が到達せず、電力変換回路基板１６は水が原因で短絡しなくなる。

出力端子１２の他の構成として、集電板５の下端面と同じ高さで水平方向に突出している構成や、集電板５の下端面よりも高い位置で水平方向に突出している構成なども採ることができる。

集電板５の形状としては、積層されるセパレータ３やＭＥＡ２と同じ面積を有する長方形の板に、端子が突出した形状であることが一般的である。集電板５の出力端子１２と電力ケーブル１７の接続は、確実な接続を確保するためにボルトとナットを使用することが一般的である。

従って、ボルトを挿入するためのボルトを入れる穴があいている。あるいはＵ字端子形状でも良い。電力ケーブル１７の取り付け作業性をより良くするために、あらかじめ集電板５の出力端子１２部または、電力ケーブル１７の端子部にカシメナットが付けることが好ましい。

集電板５の材質としては、アルミや真鍮など導電率の高い金属が使用される。さらに、セパレータ３と接する部分および電力ケーブル１７と接する部分には、接触抵抗が低く耐食性の高い、金などの金属によるメッキあるいはカーボンコートなどを施していることが好ましい。

スタック１における冷却水入口９及び冷却水出口１０の配置は、種々の位置を採ることができるが、冷却水入口９が冷却水出口１０よりも上方に位置し、冷却水が、セル４ａに対して上方から下方に向かって流れることが好ましい。

これにより、重力方向に冷却水が流れることになり、冷却水が詰まることなく流れやすくなり、効率よくスタックの熱を回収することができる。

スタック１における反応ガス入口１３および反応ガス出口１４の配置は、種々の位置を採ることができるが、冷却水入口９が冷却水出口１０よりも上方に位置し、冷却水が、セル４ａに対して上方から下方に向かって流れる構成の場合には、反応ガス入口１３が反応ガス出口１４よりも上方に位置し、反応ガスが、セル４ａに対して上方から下方に向かって流れることが好ましい。

これにより、発電反応が集中して起こる反応ガス入口１３付近の温度をより低く抑えることができる。スタック１の上部と下部の温度分布をより均一化することができるため、スタック１の耐久性を向上させることができる。

本実施の形態では、スタック１の側面を囲むように環状バンド２２を配置して、環状バンド２２が端板６を締結する力でスタック１を一体として固定している。スタック１の端板６を締結する方法としては、他に複数のボルトとナットを用いる方法もあるが、環状バンド２２を用いることで構造を簡易にすることができ、また、スタック１の組み立ての作業性も向上するため、より好ましい。

環状バンド２２の下端は、スタック１（脚部６ａを除く）の下端面と同じ高さか下端面よりも高い位置となるように配置されており、出力端子１２に電力変換回路基板１６と接続するための電力ケーブル１７を取り付ける際の障害とならない構成となっている。

また、スタック１の側面を囲むように環状バンド２２を配置して、環状バンド２２が端板６を締結する力でスタック１を一体として固定している為、出力端子１２が環状バンド２２の邪魔にならない。

スタック１の下部（下面の四隅）には、端板６と一体に構成された脚部６ａが下方に突出している。脚部６ａの高さは、出力端子１２がスタック１（脚部６ａを除く）の下端面よりも下方に突出している長さよりも高くなっており、スタック１を平坦な台の上に設置した場合でも出力端子１２が台と接触しないようになっている。

脚部６ａは、出力端子１２に意図せず人の手や導電性の物体などが接触して危険にならないように出力端子１２を保護する役割もある。一方で、出力端子１２に電力変換回路基板１６と接続するための電力ケーブル１７を取り付ける際の障害とならないよう、隣接する脚部６ａの間に電力ケーブル１７や工具を挿入できるだけの隙間が設けられている。

出力端子１２は、電力ケーブル１７を接続することができる範囲で、可能な限り短く構成される。これにより、端子でのＩＲ損による電力ロスを低減することができる。

また、本実施の形態におけるスタック１の冷却水入口９が、冷却水出口１０よりも上方に位置し、冷却水が、セル４ａに対して上から下に向かって流れるので、冷却水が流れやすくなり、効率よくスタックの熱を回収することができる。

また、本実施の形態におけるスタック１の反応ガスマニホールド７の反応ガス入口１３が、反応ガスマニホールド７の反応ガス出口１４よりも上方に位置し、反応ガスが、セル
４ａに対して上から下に向かって流れることによって、スタック１の上部に反応ガス入口１３と冷却水入口９が互いに近接して位置することになる。

反応ガス入口１３付近では反応ガスの濃度が高いために発電反応が集中して起こることから、この付近のスタック１の温度がより高くなるが、冷却水入口９が反応ガス入口１３の付近（近傍）にあることで効率的に冷却することができ、反応ガス入口１３の付近（近傍）の温度上昇を抑制することができる。

これにより、スタック１の上部と下部の温度分布をより均一化することができるため、高温による局所的な劣化を抑制することができ、その結果、スタック１の耐久性を向上させることができる。

さらに、スタック１内の反応ガス流路で凝縮水が発生した場合でも、反応ガスの流れと重力を利用して凝縮水をスタック１の反応ガス出口１４から排出することができ、反応ガス流路で発生した凝縮水が反応ガスの流れを妨げることを抑制できる。

本発明の燃料電池スタックは、スタックとスタックの下方に配置された電力変換回路基板を接続する電力ケーブルの最下点部がスタック下部の出力端子側に位置するように構成することにより、スタック内部で冷却水の漏水が発生した場合においても、電力ケーブルを介して電力変換基板側に水が流れることが無くなる為、家庭用コージェネレーション用をはじめとする多様な方式の燃料電池システムの燃料電池スタック等の用途にも適用できる。

１ スタック
２ ＭＥＡ
３ セパレータ
４ 積層体
４ａ セル
５ 集電板
６ 端板
６ａ 脚部
６ｂ 案内部
７ 反応ガスマニホールド
８ 冷却水マニホールド
９ 冷却水入口
１０ 冷却水出口
１２ 出力端子
１３ 反応ガス入口
１４ 反応ガス出口
１５ 燃料電池システム
１６ 電力変換回路基板
１７ 電力ケーブル

Claims (3)

1. セルを略水平方向に多数積層したセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の両端に配置される一対の集電板と、を有するセルスタック本体と、
   前記セルスタック本体における前記積層方向の両端に配置される一対の端板と、
   一端が一対の前記集電板のそれぞれと接続され、他端が前記セルスタック本体の下方かつ上面視で重ならない位置に配置された電力変換回路基板に電気的に接続される一対の電力ケーブルと、
   を備えた、燃料電池スタックであって、
   前記セル積層体は、前記セルで発電時に発生する熱を回収する冷却水が流れる冷却水流路を有しており、
   一対の前記集電板のそれぞれは、前記集電板の下端面よりも下方に突出して前記電力ケーブルの一端が取り付けられる出力端子を備え、
   一対の前記端板は、前記出力端子よりも下方に突出する脚部が一体に設けられ、
   少なくとも一つの前記脚部は、前記電力ケーブルを前記端板よりも外側に引き出す案内部を有し、
   前記出力端子から前記案内部までの前記電力ケーブルの最下点が、前記案内部よりも前記出力端子側に位置するように構成される、
   燃料電池スタック。
2. 前記冷却水流路は、冷却水入口が冷却水出口よりも上方に位置し、冷却水は、前記セルに対して上から下に向かって流れる、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記スタックは、前記セルに反応ガスを供給排出する反応ガス流路を有し、
   前記反応ガス流路の反応ガス入口は、前記反応ガス流路の反応ガス出口よりも上方に位置し、前記反応ガスは、前記セルに対して上から下に向かって流れる、
   請求項２に記載の燃料電池スタック。

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