(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極のパージ時に燃料電池から排出される燃料を滞留させる所定容積の滞留領域と、
前記燃料電池から排出される空気を通流させるとともに、該空気に前記滞留領域からの前記燃料を混合させて希釈する所定容積の希釈領域と、
前記滞留領域から前記希釈領域へ前記燃料を通流させる通流部と、
を備え、
前記滞留領域は前記希釈領域よりも上方に配置され、
前記燃料を前記滞留領域に溜めた後に、前記滞留領域に溜まった燃料が所定圧になると、押し出されるようにして前記燃料が希釈領域に送られることを特徴とする排出燃料希釈器。
【請求項２】
前記希釈領域を、前記空気の排出時に発生する音を消失させる消音器と一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の排出燃料希釈器。
【請求項３】
前記滞留領域および／または前記希釈領域に、火炎抑制手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排出燃料希釈器。
【請求項４】
前記通流部を、前記滞留領域内のうち前記燃料の流れに対し上流方向に設けたことを特徴とする請求項１、乃至請求項３の何れか１項に記載の排出燃料希釈器。
【請求項５】
前記滞留領域の容積を前記燃料電池の最大出力時のパージ量以上としたことを特徴とする請求項１、乃至請求項４の何れか１項に記載の排出燃料希釈器。
【請求項６】
燃料と空気とを供給されて発電を行う燃料電池と、
該燃料電池から排出される燃料を、供給される前記燃料と混合する燃料循環流路と、
該燃料循環流路に設けられ、前記燃料を一時的に前記燃料循環流路外に排出するパージ流路と、を備え、
前記請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の前記排出燃料希釈器を有することを
特徴とする排出燃料希釈式燃料電池システム。
【請求項７】
パージ燃料の放出時に、前記空気の不足を補う空気をエアコンプレッサから供給するバイパスシステムを設けたことを特徴とする請求項６に記載の排出燃料希釈式燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排出燃料希釈器、および排出燃料希釈式燃料電池システムに関し、詳しくは電気自動車の動力源となる水素を燃料とする燃料電池のパージ時の水素の処理を行う排出燃料希釈器、および排出燃料希釈式燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車（以下、「車両」という。）の動力源となる燃料電池が純水素（以下、「水素」という。）を燃料とする場合、燃料電池への水素供給は、その利用効率を上げる（燃費を良くする）ために循環系を採用している。循環方式としては、負圧を発生させて水素を吸引するエゼクタや、水素ポンプなどを利用する。そしてエゼクタと水素ポンプとに共通することとして、パージ工程がある。パージというのは、循環系の水素を一時的に外部に放出することである。
【０００３】
パージの目的は、次の2つである。
（１）車両走行中またはアイドリング停車中などに燃料電池のセル電圧が低下する現象を回復させるため。
（２）車両が停止したとき、燃料電池のカソードとアノードの極間差圧が過大になるのを防ぐために、カソード側の圧力変化に応じてアノード側を追従させるため。
【０００４】
また、セル電圧を回復させる目的は次の2つである。
（１）水素の循環を継続させていると、アノード系内にカソードからの透過N2  が蓄積して反応を阻害するので、排出する必要があること。
（２）供給水や生成水の結露水が燃料電池内に滞留（flooding）し、燃料電池の出力が低下してしまうため、パージによってガスの流速を上げて結露水を系外に排出させること。
【０００５】
そして燃料電池の燃料に水素を用いる場合、従来はパージ配管から高濃度の水素を放出していた。また触媒などによって水素を燃焼処理して放出するような例も見られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら高濃度の水素を放出した瞬間に、例えば車外の路上などに何らかの火種（裸火）があると、アフターバーン（後燃焼）のような瞬間的な燃焼が起き、見た目が良くないという問題があった。
このようなパージをしたことによる水素の燃焼特性は図９に示すように、水素濃度が４％（容量％、以下同様。）を超えると燃え易くなり、１８．３％を超えるとデトネ―ション（detonation：爆ごう）範囲となって、瞬間的かつ爆発的な燃焼が起こる。
【０００７】
また、水素を触媒処理する場合は、図１０に示すようにパージそのものが一定間隔で間歇的な作動なので、触媒の温度を高く保つことや、空気の混合方法が極めて難しく、複雑なシステムにならざるを得ないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、パージが間歇的に行われることに着目して、燃料電池の燃料のパージと次のパージの間に時間をかけて、燃料の燃焼可能下限濃度以下に希釈して排気することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る排出燃料希釈器は、燃料極のパージ時に燃料電池から排出される燃料を滞留させる所定容積の滞留領域と、前記燃料電池から排出される空気を通流させるとともに、該空気に前記滞留領域からの前記燃料を混合させて希釈する所定容積の希釈領域と、前記滞留領域から前記希釈領域へ前記燃料を通流させる通流部と、を備え、前記燃料を前記滞留領域に溜めた後に、押し出されるようにして前記燃料が希釈領域に送られることを特徴とする。
【００１０】
このような構成の排出燃料希釈器では、パージ時に燃料電池から排出された燃料は滞留領域に入り、一時滞留する。そして燃料電池から希釈領域に排出された空気にこの燃料を通流させて混合し、希釈した上で排気する。
【００１１】
また、本発明に係わる排出燃料希釈器は、前記滞留領域を前記希釈領域よりも上方に配置したことを特徴とする。
【００１２】
このような構成の排出燃料希釈器では、水素のような空気よりも軽い気体を燃料とした場合、燃料電池から排出された燃料は滞留領域に入ってからここに留まり、滞留領域全体を使って上方から下方へ充分に拡散した後でなければ、下方にある希釈領域に通流しない。特に通流板がセラミックスのような多孔板の場合、通気抵抗があるのでより通流し難い。
【００１３】
また、本発明に係わる排出燃料希釈器は、前記希釈領域を、前記空気の排出時に発生する音を消失させる消音器と一体に形成したことを特徴とする。
【００１４】
このような構成の排出燃料希釈器では、消音器が希釈領域を兼ねることとなる。消音器は所定の開口率を備えた多孔板を所定のピッチで配置した構成なので、時間をかけて希釈する希釈領域として好適である。
【００１５】
また、本発明に係わる排出燃料希釈器は、前記滞留領域および／または前記希釈領域に、火炎抑制手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
このような構成の排出燃料希釈器では、希釈領域から排出された燃料が万一燃焼しても、滞留領域および／または希釈領域に設けられた火炎抑制手段によって、滞留領域および／または希釈領域に燃焼が伝播することがない。
【００１７】
また、本発明に係わる排出燃料希釈器は、前記通流部を、前記滞留領域内のうち前記燃料の流れに対して上流方向に設けたことを特徴とする。
【００１８】
このような構成の排出燃料希釈器では、燃料電池から排出された燃料は滞留領域の上流から下流に向かって通流してしばらく滞留し、滞留領域全体を使うように下流から上流にまわり込んでのちに上流側の通流部から希釈領域に通流する。
【００１９】
また、本発明に係わる排出燃料希釈器は、前記滞留領域の容積を前記燃料電池の最大出力時のパージ量以上としたことを特徴とする。
【００２０】
このような構成の排出燃料希釈器では、燃料電池の最大出力時の燃料のパージ量は最大量になるが、これら全てのパージ燃料が滞留領域に滞留したのち希釈領域に通流して希釈される。
【００２５】
また、本発明に係わる排出燃料希釈式燃料電池システムでは、燃料と空気を供給されて発電を行う燃料電池と、該燃料電池から排出される燃料を、供給される前記燃料と混合する燃料循環流路と、該燃料循環流路に設けられ、前記燃料を一時的に前記燃料循環流路外に排出するパージ流路とを備え、前記排出燃料希釈器を有することを特徴とする。
【００２６】
このような構成の排出燃料希釈式燃料電池システムでは、パージ時に燃料電池から排出された燃料は燃料循環流路を通って排出燃料希釈器に入り、燃料電池のカソードから排出された空気と混合して希釈されパージ流路を通って排気される。
【００２７】
また、本発明に係わる排出燃料希釈式燃料電池システムは、パージ燃料の放出時に、空気の不足を補う空気をエアコンプレッサから供給するバイパスシステムを設けたことを特徴とする。
【００２８】
このような構成の排出燃料希釈式燃料電池システムでは、燃料電池から排出される空気が充分でない場合でも、パージ燃料を希釈すべき空気が常に補充されてパージ燃料を希釈する。ここで「バイパス」とは燃料電池を通らずに通流可能な流路をさす。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る排出燃料希釈器について実施の形態を説明する。
【００３０】
参照する図面において、図１は燃料電池搭載型電気自動車における本発明に係る排出燃料希釈器を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【００３１】
図１に示すように、燃料電池搭載型電気自動車（以下、「車両」という。）１の略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が搭載されている。燃料電池システムボックス２の内部には、温調手段３、燃料電池４、排出燃料希釈器５および加湿手段６が車両１の前方から後方に向かって順に載置されている。ただし本発明に係る排出燃料希釈器５と、加湿手段６は並列の配置である。燃料電池システムはこれらのほか、図示せぬラジエタ、高圧水素容器などから構成される。
【００３２】
燃料電池４は、前記高圧水素容器に貯留された燃料となる純水素（以下、「水素」という。）と、車外から取り入れた空気を供給されて発電を行い、前記車両１を駆動するための電気を供給する。この燃料電池４を好適に作動させるために、温調手段３で燃料電池４の温度調整を行い、加湿手段６で燃料電池４に供給される水素や空気を加湿する。
【００３３】
図２は本発明の排出燃料希釈器の一実施例を示す一部透視斜視図である。
排出燃料希釈器５は、ＢＯＸ状の容器であり、この容器は隔壁８によって上下２つの部分に区画され、上方に滞留領域９、下方に希釈領域１０が形成される。滞留領域９には、間歇的に行われるパージ時に、前記燃料電池４から排出される水素がパージ水素配管１１を通して通流され滞留する。また希釈領域１０には、前記燃料電池４(図１)から排出される空気がカソードオフガス（空気）配管１２を通して通流される。カソードオフガス（空気）配管１２と反対側の下流側の希釈領域１０には、排気管１３が設けられている。
【００３４】
滞留領域９内の水素の流れの上流側の隔壁８には、滞留領域９から希釈領域１０へ燃料を通流させる通流部１４を設ける。通流部１４は全面に亘って多数の孔１５を有する。この孔１５を通して滞留領域９から希釈領域１０へ通流した水素は、希釈領域１０内の空気と混合して希釈される。
【００３５】
通流部１４を形成する部材として、例えばパンチングメタルや、多孔質セラミックス、素焼きの陶磁器などの多孔体がある。パンチングメタルは、打抜金網またはPerforated  Metalとも呼ばれ、金属を主体とした素材に対して打抜き加工を行い製造される。セラミックスの素材としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、コージイエライト、ムライト、ゼオライト、チタン酸カリウム、アパタイト、炭化ケイ素、窒化ケイ素などである。
【００３６】
通流部１４を形成するこれら多孔体としての性能は、孔の形状、孔径の大きさ、孔径の分布状況によって決まるので、孔１５の孔径及び通流部１４の有効面積（隔壁８に対する通流部１４の面積）を、滞留領域９から希釈領域１０に通流する水素がパージと次のパージの間に時間をかけてゆっくり希釈できる大きさに設定する。
【００３７】
パージ時に前記燃料電池４(図１)から排出された水素は、パージ水素配管１１を通って真直ぐ滞留領域９内を進み、流れが淀むと図２に矢印で示すように、押し出されるようにしてUターンをし、流れの上流側の通流部１４を通って希釈領域１０へ時間をかけてゆっくり通流する。時間をかけて通流することにより、希釈領域１０に入った水素は、前記燃料電池４(図１)から排出されカソードオフガス配管１２を通って希釈領域１０に入ってくる空気と少しずつ混合して希釈される。このときの水素の希釈濃度は、水素の燃焼可能下限濃度（４％：容量％、以下同様。）以下になるように、前述の孔１５の孔径及び通流部１４の有効面積を設定する。水素の燃焼可能下限濃度（４％）以下に希釈された水素は排気管１３から排気される。
【００３８】
通流部１４の有効面積は、隔壁８に対する開口部を有する通流部の面積が最初の１／２よりは１／４、１／４よりは１／８の方が、滞留領域９から希釈領域１０に通流する水素がパージと次のパージの間に時間をかけてよりゆっくり通流し、希釈することができる。
【００３９】
希釈領域１０の排気管１３の入り口に、火炎抑制手段としての逆火防止フィルタ１６や金網を設ける。このような逆火防止フィルタ１６は、希釈領域１０に臨むカソードオフガス配管１２および／または滞留領域９に臨むパージ水素配管１１にも設ける。
【００４０】
この逆火防止フィルタ１６によって、希釈領域１０の排気管１３から排気された希釈された水素が万一燃焼を起こしても消炎されるので、滞留領域９および／または希釈領域１０に燃焼が伝播することがない。さらにカソードオフガス配管１２および／またはパージ水素配管１１を通してより上流側に燃焼が伝播する心配もない。
【００４１】
図３（ａ）および図３（ｂ）は排出燃料希釈器の別実施例を示す断面図である。
この別実施例の排出燃料希釈器２０は、消音器２１の周囲を取り囲むように水素チャンバー２２を形成した構成である。水素チャンバー２２内は、パージ水素配管２３から入ってくる水素の滞留領域２４となる。消音器２１は、例えば所定の開口率を備えた多孔板を所定のピッチで配置した構成であり、前記燃料電池４（図１）からカソードオフガス配管２５を通って空気を排出する際に発生する音を消音させる。また、消音器２１内は滞留領域２４からの水素と空気を混合させる希釈領域２６を兼ねる。消音器２１が希釈領域を兼ねることにより、省スペース化を図ることができ、燃料電池システムをコンパクトに形成することができる。消音器２１のカソードオフガス配管２５に近い側の壁には通流部２７が設けられ、孔２８が形成されている。またパージ水素配管２３およびカソードオフガス配管２５と反対側の水素チャンバーの壁には、排気管２９が設けられている。
【００４２】
パージ時に前記燃料電池４(図１)から排出された水素は、パージ水素配管２３を通って真直ぐ滞留領域２４内を進み、図３に矢印で示すように上流側の通流部１４を通って消音器２１内の希釈領域２６へ時間をかけてゆっくり通流する。時間をかけて通流することにより、希釈領域２６に入った水素は、前記燃料電池４(図１)から排出されカソードオフガス配管２５を通って希釈領域２６に入ってくる空気と少しずつ混合して希釈され、排気管２９から排気される。
通流部２７の位置は、（ａ）のように希釈領域２６の側面に設けるほか、水素の拡散状態や通流速度などに応じて（ｂ）のように希釈領域２６の上面に設けても、また好適である。
パージ水素配管２３からの水素には水分が多く含まれるため、水素チャンバー２２の内壁で結露する場合が有るが、希釈領域２６の側部孔３０から希釈領域２６内に入り空気とともに系外に排出される。
【００４３】
図４はパージ総量と水素チャンバーの容積との関係を示す図である。
図において、希釈領域２６の容積を前記燃料電池４(図１)の最大出力時のパージ量以上の大きさにし、全てのパージに対応できるように設定する。同様に滞留領域２４についても、その容積を前記燃料電池４(図１)の最大出力時のパージ量以上の大きさにし、全てのパージに対応できるように設定する。
【００４４】
図５は本発明の排出燃料希釈器による作用を説明する図である。
図５（ａ）は車両を運転している通常の状態を示し、前記燃料電池４(図１)から排出された空気が希釈領域１０を通って排気管１３から排気される。
【００４５】
図５（ｂ）は水素をパージした瞬間の状態を示し、パージは車両運行中に一定の間隔で間歇的に作動する。前記燃料電池４(図１)から排出された水素は、滞留領域９に一度溜められる。滞留領域９の水素が所定圧になると、押し出されるようにしてカソードオフガスの上流側の通流部１４の孔１５から少しずつゆっくりと水素が希釈領域に送られる。この間も前記燃料電池４(図１)から空気が排出され、希釈領域１０を通って排気管１３から排気されている。
【００４６】
図５（ｃ）はパージと次のパージの間に、滞留領域９内の水素がゆっくりと通流部１４を通って希釈領域１０内に拡散していく状態を示す。水素は希釈領域１０内の空気と混合して希釈され、水素の燃焼可能下限濃度（４％）以下の安全な濃度に希釈されて、排気管１３から排気される。
【００４７】
図６は均等希釈のイメージを示す図である。
この図は、水素の燃焼可能下限濃度（４％）以下の安全な濃度に希釈された水素が、前記排気管１３（図５）から排気されるときの排気管１３（図５）出口での濃度の推移を示すものである。水素の濃度は、パージから次のパージの間まで連続して排気されているが、この間水素の濃度は略均等の状態で排気される。
このようにパージ水素を滞留領域に一旦溜めてから、次のパージまで希釈領域内の空気で均等に希釈することができれば、水素の燃焼可能下限濃度（４％）よりもずっと希釈された安全な水素濃度にすることができる。
【００４８】
図７は均等希釈ができた場合の排出燃料希釈器出口での水素の濃度を示す図である。
この図によれば燃料電池によって発電された電流が最も低い例えば１０Ａのときでも、水素濃度は水素の燃焼可能下限濃度（４％）よりも低い約２％である。電流が高くなればさらに水素濃度を１％以下にすることができることを示している。
【００４９】
次に図８を参照して本発明に係る排出燃料希釈式燃料電池システムについて実施の形態を説明する。
この排出燃料希釈式燃料電池システム４０は、燃料である水素と空気を供給されて発電を行う燃料電池４１と、燃料電池４１から排出される燃料を、供給される前記水素と混合する燃料循環流路４２と、燃料循環流路４２に設けられ、水素を一時的に燃料循環流路４２外に排出するパージ流路４３と、排出燃料希釈器４４とを有する。またパージ水素の放出時に、空気（酸素）の不足を補うように、燃料電池４１を通らずに空気をエアコンプレッサ４５から供給するバイパスシステムを設けた。このバイパスシステムは、任意に開閉できるバイパス弁４６を備える。また、５０は燃料電池４１から排出される空気を確実に排出させ、逆流を止めるための一方向弁である。
【００５０】
この排出燃料希釈式燃料電池システム４０によれば、パージ水素はパージ流路４３から排出燃料希釈器４４の滞留領域４７に排出されて滞留する。一方、燃料電池４１から排出された空気は一方向弁５０を通り、希釈ガスとして排出燃料希釈器４４の希釈領域４８に通流される。滞留領域４７内の水素は通流部４９を通って希釈領域４８に入り、空気（酸素）と混合して水素の燃焼可能下限濃度（４％）以下に希釈され、排気される。なお、燃料電池４１から排出された空気の量が希釈ガスの量としてが充分でない場合はエアコンプレッサ４５からバイパス弁４６を通って供給される空気（酸素）が補充される。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る排出燃料希釈器では、パージ時に燃料電池から排出された燃料は滞留領域に入り、所定圧になると通流部を通って希釈領域に入り、燃料電池から希釈領域に排出された空気と混合し、希釈した上で排気されるので、燃料の燃焼可能下限濃度以下の濃度に希釈して排気することができ、外部に火種（裸火）があっても引火して燃焼する虞がない。
【００５２】
また、本発明に係る排出燃料希釈器では、水素のような空気よりも軽い気体を燃料とした場合、燃料電池から排出された燃料は滞留領域に入ってからここに留まり、滞留領域内で充分拡散するまで下方にある希釈領域に通流しないので、希釈領域内の空気と時間をかけてゆっくりと混合することとなり、水素の燃焼可能下限濃度以下の濃度に希釈し易くなる。
【００５３】
また、本発明に係る排出燃料希釈器では、消音器が希釈領域を兼ねることとなるので、省スペース化を図ることができ、燃料電池システムをコンパクトに形成することができる。
【００５４】
また、本発明に係る排出燃料希釈器では、希釈領域から排出された燃料が万一燃焼しても、滞留領域および／または希釈領域に設けられた火炎抑制手段によって、滞留領域および／または希釈領域に燃焼が伝播することがないので、確実に運転できる。
【００５５】
また、本発明に係る排出燃料希釈器では、燃料電池から排出された燃料は滞留領域の上流から下流に向かって通流してしばらく滞留し、滞留領域内に燃料が行きわたってからUターンして流れの上流側の通流部から希釈領域に通流するので、希釈領域内の空気と時間をかけてゆっくりと混合されることとなり、燃料の燃焼可能下限濃度以下の濃度に希釈し易くなる。
【００５６】
また、本発明に係る排出燃料希釈器では、燃料電池の最大出力時の燃料のパージ量は最大量になるが、これら全てのパージ燃料が滞留領域に滞留したのち希釈領域に通流して希釈されるので、どのようなパージ量のときでも燃料を安定して希釈することができ、希釈濃度のバラツキがない。
【００５９】
また、本発明に係る排出燃料希釈式燃料電池システムでは、パージ時に燃料電池から排出された燃料は燃料循環流路を通って燃料希釈器に入り、燃料電池から排出された空気と混合して希釈されパージ流路を通って排気されるので、燃料の燃焼可能下限濃度以下の濃度に希釈して排気することができる。
【００６０】
また、本発明に係る排出燃料希釈式燃料電池システムでは、パージ燃料を希釈すべき空気が常に補充されてパージ燃料を希釈するので、燃料電池から排出される空気が充分でない場合でも、燃料を常に安定して供給して一定の希釈濃度に希釈することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池搭載型電気自動車における本発明に係る排出燃料希釈器を含む燃料電池システムボックスのレイアウトを示す図である。
【図２】本発明の排出燃料希釈器の一実施例を示す一部透視斜視図である。
【図３】排出燃料希釈器の別実施例を示す断面図である。
【図４】パージ総量と水素チャンバーの容積との関係を示す図である。
【図５】本発明の排出燃料希釈器による作用を説明する図である。
【図６】均等希釈のイメージを示す図である。
【図７】均等希釈ができた場合の排出燃料希釈器出口での水素の濃度を示す図である。
【図８】本発明に係る排出燃料希釈式燃料電池システムを示す図である。
【図９】水素の最高到達濃度を示す図である。
【図１０】水素濃度の推移イメージを示す図である。
【符号の説明】
１  ：燃料電池搭載型電気自動車
２  ：燃料電池システムボックス
４，４１  ：燃料電池
５，２０，４４  ：排出燃料希釈器
８  ：隔壁
９，２４，４７  ：滞留領域
１０，２６，４８  ：希釈領域
１１，２３  ：パージ水素配管
１３，２９  ：排気管
１４，２７，４９  ：通流部
１５，２８  ：孔
１６  ：逆火防止フィルタ
２１  ：消音器
２２  ：水素チャンバー
４０  ：排出燃料希釈式燃料電池システム
４２  ：燃料循環流路
４３  ：パージ流路
４５  ：エアコンプレッサ
４６  ：バイパス弁
５０  ：一方向弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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