KR102484847B1 - 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치 - Google Patents

연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명은 막전극접합체의 양쪽면에 각각 개스킷을 가부착하는 단계; 상기 막전극접합체와 개스킷들이 가부착된 가결합체의 양쪽면에 각각 가압지지시트를 접촉되게 위치시키는 단계; 상기 막전극접합체를 열보호하는 열보호필름을 상기 가압지지시트들에 각각 접촉되게 위치시키는 단계; 상기 가압지지시트들과 열보호필름들이 위치한 막전극접합체와 개스킷들의 가결합체를 두 개의 롤러 사이를 통과시키면서 가열 가압하여 가결합체를 본결합시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 막전극접합체와 개스킷의 결합체에 대한 두께를 균인하게 할 뿐만 아니라 막전극접합체에 주름 등의 변형을 최소화하고 또한 막전극접합체와 개스킷을 결합시키는 작업 속도를 빠르게 한다.

Description

연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치{APPARATUS FOR ATTACHING GASKET AND MEA OF FUEL CELL AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 같은 연료를 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치다. 연료전지는 막전극접합체(MEA)와, 그 막전극 접합체의 양면에 위치하며 유로가 구비된 분리판(일명, 바이폴라플레이트라고 함)과, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 그 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부와, 전기 발생부로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 구성된다. 이 밖에, 연료전지는 다양한 방법으로 만들어질 수 있다.
연료전지의 두 개 분리판 사이에 위치하는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 전해질막과, 전해질막에 형성되어 전극 반응이 일어나는 촉매층과, 촉매층에 형성되어 투입 열료가 확산되는 가스확산층을 포함한다. 막전극접합체의 테두리에 반응기체나 물의 누출을 방지하기 위하여 개스킷(Gasket)이 결합되며, 개스킷은 분리판들에 의해 지지된다.
연료전지의 막전극접합체와 개스킷을 결합하는 종래 방법은 개스킷의 원단인 두 장의 사각형 필름들에 각각 접착제를 도포하고 그 접착제가 도포된 두 장의 사각형 필름을 도포면이 서로 접촉되게 부착시키고 부착된 두 장의 사각형 필름들의 가운데 부분을 막전극접합체의 크기보다 작게 펀칭하여 노출구멍을 형성한다. 그리고 부착된 두 장의 사각형 필름을 분리하고 그 분리된 두 장의 사각형 필름들을 각각 막전극접합체의 양쪽면에 부착시키되, 사각형 필름의 노출구멍 테두리 부분이 막전극접합체의 테두리에 접착되게 부착시켜 가결합시킨다. 가결합된 막전극접합체와 개스킷들을 평판 프레스의 판형 전용지그에 안착시키고 가열 가압하여 본결합시킨다.
그러나, 이와 같은 종래 방법은 가결합된 막전극접합체와 개스킷들이 판형 전용지그에 의해 가열 가압되므로 막전극접합체와 가스킷들이 판형 전용지그와 면접촉된 상태에서 가열 가압되어 본결합된 막전극접합체와 개스킷들의 결합체의 두께가 불균일하게 될 뿐만 아니라 막전극접합체의 주름이 형성되어 막전극접합체의 가스 누설 수치가 높고 제품의 성능 균일성이 떨어지게 된다.
본 발명의 목적은 막전극접합체와 개스킷의 결합체에 대한 두께를 균인하게 할 뿐만 아니라 막전극접합체에 주름 등의 변형을 최소화하는 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 막전극접합체와 개스킷을 결합시키는 작업 속도를 향상시키는 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 막전극접합체의 양쪽면에 각각 개스킷을 가부착하는 단계; 상기 막전극접합체와 개스킷들이 가부착된 가결합체의 양쪽면에 각각 가압지지시트를 접촉되게 위치시키는 단계; 상기 막전극접합체를 열보호하는 열보호필름을 상기 가압지지시트들에 각각 접촉되게 위치시키는 단계; 및 상기 가압지지시트들과 열보호필름들이 위치한 막전극접합체와 개스킷들의 가결합체를 두 개의 롤러 사이에 통과시키면서 가열 가압하여 가결합체를 본결합시키는 단계를 포함하는 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법이 제공된다.
또한, 막전극접합체의 양쪽면에 각각 개스킷이 결합된 가결합체의 양쪽면에 각각 접촉되게 위치하는 가압지지시트들; 상기 가압지지시트들에 각각 접촉되게 위치하는 열보호필름; 상기 가결합체의 양쪽면에 각각 가압지지시트들과 열보호필름들이 위치한 접합체를 가압시키는 복수 개의 롤러들; 상기 롤러에 장착되어 열을 발생시키는 히터유닛을 포함하는 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합장치가 제공된다.
본 발명은 막전극접합체와 개스킷을 가결합한 가결합체의 양쪽에 위치하는 개스킷들에 각각 개스킷 형상과 상응하는 형상의 가압지지시트를 접촉시키고 그 가압지지시트들에 각각 열보호필름을 접촉시킨 상태에서 두 개의 롤러들 사이를 통과시켜 가열 가압하게 되므로 롤러들에 의해 가압지지시트가 개스킷들만을 균일한 압력으로 가열 가압하게 되어 막전극접합체와 개스킷들의 결합체 두께가 일정하게 된다.
또한, 본 발명은 막전극접합체와 개스킷을 가결합한 가결합체의 양쪽에 위치하는 개스킷들에 각각 개스킷 형상과 상응하는 형상인 가압지지시트를 접촉시키고 그 가압지지시트들에 각각 열보호필름을 접촉시키게 되므로 가압지지시트에 의해 막전극접합체와 열보호필름 사이에 공기층이 형성되어 두 개의 롤러들 사이를 통과하면서 가열 가압될 때 공기층과 열보호필름에 의해 열이 막전극접합체에 전달되는 것이 최소화되고 두 개의 롤러들에 의해 선접촉되면서 가열 가압되어 롤러에서 발생되는 열에 의한 노출이 최소화되어 막전극접합체의 열에 의한 주름 변형을 최소화시키게 된다.
또한, 본 발명은 막전극접합체와 개스킷을 가결합한 가결합체의 양쪽에 위치하는 개스킷들에 각각 가압지지시트를 접촉시키고 그 가압지지시트들에 각각 열보호필름을 접촉시킨 접합체가 두 개의 롤러들 사이를 통과하면서 가열 가압되어 본 결합되므로 작업 속도가 빠르게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법의 일실시예를 도시한 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법의 일실시예에서 막전극접합체와 개스킷의 결합과정을 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법의 일실시예에서 가결합체와 가압지지시트의 결합과정을 도시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법의 일실시예에서 2차 접합체와 열보호필름의 결합과정을 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법의 일실시예에서 3차 접합체가 롤러들에 의해 가열 가압되는 과정을 도시한 정면도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합장치의 일예를 도시한 개략도.
이하, 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법의 일실시예를 도시한 순서도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법의 일실시예는, 먼저, 막전극접합체(10)의 양쪽면에 각각 개스킷(20)을 가부착하는 단계(S10)가 진행된다(도 2 참조). 막전극접합체(10)는 사각형태의 박막인 전해질막(Membrane)과, 그 전해질막에 구비되는 촉매층인 전극(Electrode)을 포함한다. 개스킷(20)의 일예로, 개스킷(20)은 막전극접합체(10)의 크기보다 큰 얇은 사각형태의 막(film)이며 내부에 막전극접합체(10)의 크기보다 작은 사각형의 노출구멍(21)이 구비되어 개스킷(20)의 노출구멍(21) 테두리 부분이 막전극접합체(10)의 테두리 부분에 접합되되, 개스킷(20)은 막전극접합체(10)의 양쪽면에 각각 결합된다. 개스킷(20)의 일예로, 개스킷(20)은 PET (Polyethylene Terephthalate) Film인 것이 바람직하다. 개스킷(20)은 한쪽면에 접착제층(22)이 구비되어 두 개의 개스킷(20)들은 접착제층(22)이 서로 접합되어 부착됨과 아울러 두 개의 개스킷(20)들의 노출구멍(21) 테두리 부분이 각각 막전극접합체(10)의 양쪽면 테두리 부분에 각각 접착된다. 개스킷(20)은 연료전지 내부에 공급된 반응가스의 누출을 방지한다. 개스킷(20)은 막전극접합체(10)와 바이폴라플레이트(미도시)의 형상에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
막전극접합체(10)의 양쪽면에 개스킷(20)을 각각 가부착한 다음, 막전극접합체(10)와 개스킷(20)들이 가부착된 가결합체(A)의 양쪽면에 각각 가압지지시트를 위치시키는 단계(S20)가 진행된다(도 3 참조). 가압지지시트(30)는 개스킷(20)의 형상 및 크기가 같은 것이 바람직하다. 즉, 가압지지시트(30)는 개스킷(20)의 크기와 같은 사각시트(31)와, 그 사각시트(31)의 내부에 관통 형성된 노출구멍(32)을 포함하며, 노출구멍(32)은 개스킷(20)의 노출구멍(21) 크기와 같다. 한 장의 가압지지시트(30)는 가결합체(A)의 한쪽면에 접촉되며 다른 한 장의 가압지지시트(30)는 가결합체(A)의 다른 한쪽면에 접촉된다. 즉, 한 장의 가압지지시트(30)는 가결합체(A)의 한쪽 개스킷(20)에 접촉되고 다른 한 장의 가압지지시트(30)는 가결합체(A)의 다른 한쪽 개스킷(20)에 접촉되되, 가압지지시트(30)의 노출구멍(32)과 개스킷(20)의 노출구멍(21)이 일치하게 접촉되며, 이로 인하여 가결합체의 양쪽면에 가압지지시트(30)가 각각 접촉된 상태에서 가압지지시트(30)의 노출구멍(32)으로 막전극접합체(10)가 노출된다. 가압지지시트(30)는 롤러로 가압시 가압력이 개스킷(20)에 충분히 전달되도록 탄성력을 가지는 재질인 것이 바람직하다. 가압지지시트(30)의 한쪽면인 개스킷(20)에 접촉되는 접촉면에 패턴홈(33)이 구비되는 것이 바람직하다. 패턴홈(33)은 가압지지시트(30)를 롤러로 가압시 개스킷(20)과 막전극접합체(10)의 접착면 사이에 미세 기포들이 형성된 경우 그 미세기포들을 배출시키는 통로를 형성한다. 패턴홈(33)의 일예로, 패턴홈(33)은 접촉면 전체에 걸쳐 사각형홈이 서로 연결되게 가로 방향과 세로 방향으로 배열된 형태이다. 패턴홈(33)의 다른 일예로, 패턴홈(33)은 접촉면 전체에 걸쳐 육각형홈이 서로 연결되게 가로 방향과 세로 방향으로 배열된 형태이다. 패턴홈(33)의 또 다른 일예로, 패턴홈(33)은 접촉면 전체에 걸쳐 직선홈들이 일정 간격으로 배열된 형태이다. 패턴홈(33)은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 개스킷(20)과 접촉되는 가압지지시트(30)의 접촉면에 밀림방지층이 구비됨이 바람직하다. 밀림방지층의 일예로, 밀림방지층은 접착제층이다. 접착제층의 접착점도는 가압지지시트(30)가 개스킷(20)에 접촉시킨 상태에서 측면힘을 받을 때 밀리지 않고 가압지지시트(30)를 개스킷(20)으로부터 분리할 때 쉽게 떨어지는 정도의 점도인 것이 바람직하다.
가결합체(A)의 양쪽면에 각각 가압지지시트(30)를 위치시킨 다음 막전극접합체(10)를 열보호하는 열보호필름(40)을 가압지지시트(30)들에 각각 접촉되게 위치시키는 단계(S30)가 진행된다(도 4 참조). 열보호필름(40)은 가압지지시트(30)의 노출구멍(32)보다 크며, 내부에 노출구멍(32)이 구비되지 않는다. 열보호필름(40)의 크기는 개스킷(20)의 크기와 같은 것이 바람직하다. 열보호필름(40)의 일예로, 열보호필름(40)은 내열성이 우수한 폴리이미드필름(Polyimide film)인 것이 바람직하다. 열보호필름(40)은 가결합체(A)에 가압지지시트(30)가 부착된 2차 접합체(B)의 양쪽면에 각각 접촉되도록 위치하되, 열보호필름(40)의 한쪽면이 2차 접합체의 개스킷(20) 노출구멍(21)을 복개하도록 개스킷(20)의 한쪽면에 접촉되게 위치한다.
가압지지시트(30)들에 각각 열보호필름(40)을 위치시킨 다음 가압지지시트(30)들과 열보호필름(40)들이 위치한 막전극접합체(10)와 개스킷(20)들의 가결합체를 두 개의 롤러들 사이에 통과시키면서 가열 가압하여 가결합체를 본결합시키는 단계(S40)가 진행된다(도 5 참조). 막전극접합체(10)와 개스킷(20)이 가결합된 가결합체(A)의 양쪽면에 가압지지시트(30)와 열보호필름(40)이 각각 위치한 3차 접합체(E)를 두 개의 롤러(50)들 사이를 통과시키게 되면 3차 접합체(E)가 롤러(50)들에 지속적으로 선접촉되면서 이동하게 되며, 이때 롤러(50)들이 가압지지시트(30)를 가압함과 동시에 열로 가열하여 그 가압지지시트(30)에 가압되는 압력과 열이 막전극접합체(10)와 개스킷(20)들의 접착부분에 전달되어 막전극접합체(10)와 개스킷(20)이 본접합된다. 개스킷(20)과 가압지지시트(30)의 노출구멍(32)에 의해 노출된 막전극접합체(10) 부분은 가압이 최소화됨과 아울러 열보호필름(40)에 의해 열에 의한 영향이 최소화된다.
두 개의 롤러(50)들 사이를 통과한 접합체에서 열보호필름(40)과 가압지지시트(30)를 각각 분리시킨다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합장치의 일예를 도시한 개략도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합장치의 일실시예는, 가압지지시트(30), 열보호필름(40), 복수 개의 롤러(50)들, 히터유닛(60)을 포함한다.
가압지지시트(30)는 막전극접합체(10)의 양쪽면에 각각 접착제에 의해 개스킷(20)이 가부착된 가결합체(A)의 양쪽면에 각각 접촉되게 위치한다. 막전극접합체(10)와 개스킷(20)의 가결합체(A)는 위에서 설명한 바와 같다. 가압지지시트(30)의 일예로, 가압지지시트(30)는 개스킷(20)의 크기와 같은 사각시트(31)와, 그 사각시트(31)의 내부에 관통 형성된 노출구멍(32)을 포함하며, 노출구멍(32)은 개스킷(20)의 노출구멍(21) 크기와 같다. 한 장의 가압지지시트(30)는 가결합체(A)의 한쪽면에 접촉되며 다른 한 장의 가압지지시트(30)는 가결합체(A)의 다른 한쪽면에 접촉된다. 가압지지시트(30)는 위에서 설명한 가압지지시트(30)의 실시예와 같다.
열보호필름(40)은 가압지지시트(30)들에 각각 접촉되게 위치한다. 열보호필름(40)은 가압지지시트(30)의 노출구멍(32)보다 크며, 내부에 노출구멍이 구비되지 않는다. 열보호필름(40)의 실시예는 위에서 설명한 열보호필름(40)의 실시예와 같다.
복수 개의 롤러(50)들은 가결합체의 양쪽면에 가압지지시트(30)들과 열보호필름(40)들이 각각 접촉된 접합체를 가압시킨다. 복수 개의 롤러(50)들은 두 개인 것이 바람직하다. 두 개의 롤러(50)들은 각각 원통 형태로 형성되며 서로 평행하게 위치하며, 각각 롤러(50)에 롤러축이 결합된다. 두 개의 롤러(50)들 중 한 개의 롤러축에 회전력을 발생시키는 롤러구동유닛(미도시)이 연결되며, 롤러구동유닛에 의해 롤러(50)가 회전하게 된다. 롤러(50)들의 유입측에 유입가이드판(60)이 위치한다.
히터유닛(70)은 롤러(50)에 장착되어 열을 발생시킨다. 히터유닛(70)에서 발생되는 열이 롤러(50)에 전달되어 롤러(50)를 가열시킨다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법 및 장치의 작용과 효과를 설명한다.
먼저, 막전극접합체(10)의 양쪽면에 각각 개스킷(20)이 결합된 가결합체의 개스킷(20)들에 각각 가압지지시트(30)를 접촉시키고, 가결합체에 가압지지시트(30)가 각각 접촉된 접합체의 양쪽면인 가압지지시트(30)들에 각각 열보호필름(40)을 접촉시키고 그 열보호필름(40)이 접촉된 접합체를 유입가이드판에 위치시킨다. 히터유닛에 의해 롤러(50)를 가열시키고 롤러(50)들을 회전시킨다. 유입가이드판에 위치한 어셈블리를 회전하는 롤러(50)들을 사이를 통과시킨다. 열보호필름(40)이 접촉되어 커버된 어셈블리가 두 개의 롤러(50)들 사이를 통과하게 되면 접합체가 롤러(50)들에 지속적으로 선접촉되면서 이동하게 되며, 이때 롤러(50)들이 가압지지시트(30)를 가압함과 동시에 열로 가열하여 그 가압지지시트(30)에 가압되는 압력과 열이 막전극접합체(10)와 개스킷(20)들의 접착부분에 전달되어 막전극접합체(10)와 개스킷(20)이 본접합된다. 개스킷(20)과 가압지지시트(30)의 노출구멍(32)에 의해 노출된 막전극접합체(10) 부분은 가압이 최소화됨과 아울러 열보호필름(40)에 의해 열에 의한 영향이 최소화된다.
이와 같이, 본 발명은 막전극접합체(10)와 개스킷(20)을 가결합한 가결합체(A)의 양쪽에 위치하는 개스킷(20)들에 각각 개스킷 형상과 상응하는 형상의 가압지지시트(30)를 접촉시키고 그 가압지지시트(30)들에 각각 열보호필름(40)을 접촉시킨 상태에서 두 개의 롤러(50)들 사이를 통과시켜 가열 가압하게 되므로 롤러(50)들에 의해 가압지지시트(30)가 개스킷(20)들만을 균일한 압력으로 가열 가압하게 되어 막전극접합체(10)와 개스킷(20)들의 결합체 두께가 일정하게 된다.
또한, 본 발명은 막전극접합체(10)와 개스킷(20)을 가결합한 가결합체(A)의 양쪽에 위치하는 개스킷(20)들에 각각 개스킷 형상과 상응하는 형상인 가압지지시트(30)를 접촉시키고 그 가압지지시트(30)들에 각각 열보호필름(40)을 접촉시키게 되므로 가압지지시트(30)에 의해 막전극접합체(10)와 열보호필름(40) 사이에 공기층이 형성되어 두 개의 롤러(50)들 사이를 통과하면서 가열 가압될 때 공기층과 열보호필름(40)에 의해 열이 막전극접합체(10)에 전달되는 것이 최소화되고 두 개의 롤러(50)들에 의해 선접촉되면서 가열 가압되어 롤러(50)에서 발생되는 열에 의한 노출이 최소화되어 막전극접합체(10)의 열에 의한 주름 변형을 최소화시키게 된다.
또한, 본 발명은 막전극접합체(10)와 개스킷(20)을 가결합한 가결합체(A)의 양쪽에 위치하는 개스킷(20)들에 각각 가압지지시트(30)를 접촉시키고 그 가압지지시트(30)들에 각각 열보호필름(40)을 접촉시킨 접합체가 두 개의 롤러(50)들 사이를 통과하면서 가열 가압되어 본 결합되므로 작업 속도가 빠르게 된다.
10; 막전극접합체 20; 개스킷
30; 가압지지시트 40; 열보호필름
50; 롤러 60; 히터유닛

Claims (4)

  1. 막전극접합체의 양쪽면에 각각 개스킷을 가부착하는 단계;
    상기 막전극접합체와 개스킷들이 가부착된 가결합체의 양쪽면에 각각 가압지지시트를 접촉되게 위치시키는 단계;
    상기 막전극접합체를 열보호하는 열보호필름을 상기 가압지지시트들에 각각 접촉되게 위치시키는 단계;
    상기 가압지지시트들과 열보호필름들이 위치한 막전극접합체와 개스킷들의 가결합체를 두 개의 롤러 사이에 통과시키면서 가열 가압하여 가결합체를 본결합시키는 단계; 및
    상기 두 개의 롤러들 사이를 통과한 접합체에서 상기 열보호필름과 가압지지시트를 각각 분리시키는 단계를 포함하며,
    상기 가압지지시트의 개스킷 접촉면에, 상기 가압지지시트가 상기 개스킷에 접촉된 상태에서 측면힘을 받을 때 밀리지 않고 가압지지시트를 개스킷으로부터 분리할 때 쉽게 떨어지는 밀림방지층이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 열보호필름은 상기 가압지지시트의 노출구멍보다 크게 형성되며, 내부에 노출구멍이 구비되지 않은 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합방법.
  4. 막전극접합체의 양쪽면에 각각 개스킷이 결합된 가결합체의 양쪽 개스킷에 각각 접촉되게 위치하는 가압지지시트들;
    상기 가압지지시트들에 각각 접촉되되, 상기 개스킷의 노출구멍을 복개하도록 상기 가압지지시트에 접촉되게 위치하는 열보호필름;
    상기 가결합체의 양쪽면에 각각 가압지지시트들과 열보호필름들이 위치한 접합체를 가압시키는 복수 개의 롤러들;
    상기 롤러에 장착되어 열을 발생시키는 히터유닛을 포함하며,
    상기 가압지지시트들과 열보호필름은 상기 롤러들에 의해 가압된 후 상기 개스킷으로부터 분리되며,
    상기 가압지지시트의 개스킷 접촉면에 가압시 상기 개스킷과 막전극접합체의 접착면 사이에 형성되는 미세 기포들을 배출시키는 패턴홈이 구비되고, 상기 가압지지시트의 개스킷 접촉면에 밀림방지층이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극접합체 개스킷 결합장치.
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