JP2009277521A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、放熱による熱ロスが少なく、熱回収効率の高い燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】複数の単セルの積層体１１と、積層体１１の両端に配した一対の集電板１２ａ，１２ｃと、集電板１２ａ，１２ｃの外側に配した一対の端板１３ａ，１３ｃと、集電板１２ａ，１２ｃの間に押圧力を与えるように設けた複数の弾性体１４と、弾性体１４の周囲を覆うように配置した断熱材１８とで構成し、弾性体１４からの放熱を低減し、放熱による熱ロスで燃料電池スタックからの熱回収効率が低下することを抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等に用いる燃料電池スタックに関するものである。

固体高分子型燃料電池では、高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を密着して配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散電極層を配置してアノードおよびカソードを構成した膜−電極接合体（以降、ＭＥＡと称する）を、一対の導電性のセパレータで挟持したものを燃料電池の基本構成とし、この基本構成を単セルと呼ぶ。

そして両セパレータの、ＭＥＡのアノードとカソードとに接する面には、それぞれガス流路が設けてあり、このガス流路を通して、アノードおよびカソードにそれぞれ水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと総称する場合がある）とが供給される。

そしてアノードにおいて、電極反応により燃料ガス中の水素原子から電子が解放されて水素イオンが生成されるとともに、この電子がセパレータを介して外部回路（負荷）を通じてカソードに到達する。

一方、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソードに到達し、カソードにおいて水素イオンと電子と酸化剤ガス中の酸素とが結合して水が生成される。

なお、セパレータとＭＥＡとの間には、反応ガスが所定の領域から漏れ出ないようにするためのシール構造を備えたＭＥＡガスケットが設けられている。

一般的に、燃料電池は必要電力を得るために、単セルを電気的に直列に複数積層して締結した状態（燃料電池スタックと呼ぶ）で用いられる。すなわち単セルのアノード側セパレータと隣接する単セルのカソード側セパレータとを電気的に接続するように重ねて単セルの積層体を構成する。

また、アノード側セパレータおよび／またはカソード側セパレータのガス流路が設けていない側の面には、反応領域に対応する領域に溝が設けてあり、隣接する単セルのセパレータと合わさることで冷却水流路を構成している。

発電の際にはこの冷却水流路に冷却水や不凍液などを流通させることによって、燃料電池スタックの温度を所定の温度にコントロールするとともに、発生した熱を外部で利用することが可能となる。なお、隣接する単セル間には、この冷却水が所定の領域から漏れ出ないようにするための冷却水シールが配置されている。

燃料電池スタックは、単セルの積層体の両端に外部回路と接続して電力を取り出すための端子を備えた集電板を備え、さらにその外側には一対の端板を備える。そして、この一対の端板間を締結治具によって締結することによって構成されている。

また、集電板の積層方向の外側には、弾性体（例えばコイルバネや皿バネなど）が配置され、燃料電池スタックによって保持構造や配置順序に違いはあるが、セパレータとＭＥＡとの間に押圧力を与えて密着性を高めている。

また、この弾性体は、ＭＥＡガスケットおよび冷却水シールにも押圧力を与え、シール性を発揮させている。また、燃料電池スタックの発電時と発電停止時に生じる温度差による燃料電池スタック構成部品の熱膨張・収縮による締結の緩みやシール性の低下、さらには長期間の使用による燃料電池スタック構成材料のクリープによる締結の緩みやシール性の低下を抑制する機能も果たしている。

弾性体を保持する構造は、例えば、端板と集電板との間に弾性体を挟み込み、端板間を締結治具で締結して弾性体を圧縮するものや、端板を貫通する締結ロッドの端部と端板との間に弾性体を配置し、締結ロッドの端部と端板とで弾性体を圧縮するものが一般的である。

なお、セパレータとＭＥＡとの押圧力は、反応面内で均一であることが好ましい。すなわち反応面内での押圧力はセパレータとＭＥＡとの間の接触抵抗に密接に関係するので、押圧力の分布が発電の分布を引き起こし、ＭＥＡの耐久性を低下させることが考えられるためである。よって一般的な燃料電池スタックでは、複数の弾性体を反応面の押圧力が均一になるように配慮して配置している。

また、図５に示す別の従来の燃料電池スタック３１は、図６に示すように複数のコイルバネ３２を第１のケーシング３３および第２のケーシング３４でアッセンブリ化したスプリングモジュール３５を集電板３６と端板３７との間に配置し、ＭＥＡとセパレータとの接触圧の均一化を図っている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２８８６１８号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池スタック３１では、以下のような課題があった。

すなわち、特にコージェネレーションシステムで用いられる燃料電池スタック３１では、発電の効率を高めるとともに、発電の際に同時に発生した熱を冷却水等の冷却媒体で燃料電池スタック３１の外部に搬送し、その熱を有効に利用するために、燃料電池スタック３１からの放熱による熱ロスを極力減らし、熱回収効率を高めることが求められている。

しかし、従来の燃料電池スタック３１では、弾性体からの放熱による熱ロスが発生し、熱回収効率が低下するという課題があった。また、上記従来の燃料電池スタック３１のように、弾性体３２をケーシング３３，３４でアッセンブリ化したスプリングモジュール３５を用いた燃料電池スタック３１では、弾性体３２からの直接的な放熱に加え、弾性体３２からケーシング３３，３４への伝熱によって、ケーシング３３，３４からの放熱による熱ロスがあるという課題があった。

本発明の燃料電池スタックは、上記従来の課題を解決するものであり、放熱による熱ロスが少ない燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、弾性体の周囲を断熱材で覆うようにしたものであり、これによって弾性体からの放熱を低減することができる。

本発明の燃料電池スタックは、弾性体からの放熱を低減することができるために、燃料電池スタックの熱ロスを低減し、熱回収効率が低下するのを抑制することができる。

第１の発明における燃料電池スタックは、複数の単セルの積層体と、積層体の両端に配した一対の集電板と、集電板の外側に配した一対の端板と、集電板の間に押圧力を与えるように設けた複数の弾性体と、弾性体の周囲を覆うように配置した断熱材とで構成され、弾性体からの放熱を抑制することにより、この放熱による熱回収効率の低下を抑制することができる。

第２の発明における燃料電池スタックは、特に第１の発明において、断熱材を、前記弾性体が収まる穴を設けた略板状に形成したものであり、弾性体からの放熱を抑制することにより、弾性体からの放熱による熱回収効率の低下を抑制することができる。加えて、断熱材に弾性体が収まる構造であるために、燃料電池スタックの構造が大きくなることがない。

第３の発明における燃料電池スタックは、特に第２の発明において、弾性体が集電板と端板との間に位置するとともに、集電板と端板で覆われるものであり、前記第２の発明の効果に加えて弾性体の位置を断熱材で規制することが可能となるために、比較的簡単な構成で弾性体の位置決めが可能となる。しかも、断熱材が集電板と端板で覆われていることにより、断熱材の保護が図られる。

第４の発明における燃料電池スタックは、特に第３の発明において、端板に弾性体の少なくとも一部が収まる凹部が設けられているもので、複数の弾性体の位置を断熱材および端板で規制することが可能となるために、比較的簡単な構成で弾性体の位置決めが可能となる。さらに加えて断熱材の位置を端板で規制することになるため、断熱材の位置決めが可能となる。

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が、この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は本発明による実施の形態１における燃料電池スタックを構成する単セルの分解図である。

図１に示すように、固体高分子型燃料電池の単セル１０は、高分子電解質膜２１をカソードとアノードとを形成する一対の電極２２で挟んで構成したＭＥＡ２３と、ＭＥＡ２３の外周を保持し、ＭＥＡ２３と一体化された電気的絶縁物の樹脂で形成された枠体１を、一対のアノード側セパレータ２４ａとカソード側セパレータ２４ｃとからなるカーボン製のセパレータ２４で挟み込んで構成されている。枠体１とセパレータ２４は互いに主面の大きさが同じ矩形状に形成されている。

アノード側セパレータ２４ａ、カソード側セパレータ２４ｃ、および枠体１の主面における一方の側部（図１で示す左側で、以降、第１の側部と称す）の上部には、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド孔２が形成され、他方の側部（図１で示す右側で、以降、第２の側部と称す）の下部には、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド孔３が形成されている。

第２の側部の上部には、外部から酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド孔４が形成され、第１の側部の下部には、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド孔５が形成されている。

さらに、アノード側セパレータ２４ａ、カソード側セパレータ２４ｃ、および枠体１の酸化剤ガス入口マニホールド孔４の上部で内側には冷却水入口マニホールド孔６が形成され、酸化剤ガス出口マニホールド孔５の下部で内側には冷却水出口マニホールド孔７が形成されている。

燃料ガス入口マニホールド孔２，燃料ガス出口マニホールド孔３，酸化剤ガス入口マニホールド孔４，酸化剤ガス出口マニホールド孔５，冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７は、単セルの厚み方向に貫通するように、それぞれが対応して設けられている。

そして、燃料ガス入口マニホールド孔２，燃料ガス出口マニホールド孔３，酸化剤ガス入口マニホールド孔４，酸化剤ガス出口マニホールド孔５，冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７は、後述するように、複数の単セルを積層して燃料電池スタックとした際に、それぞれ燃料ガス供給マニホールド，燃料ガス排出マニホールド，酸化剤ガス供給マニホールド，酸化剤ガス排出マニホールド，冷却水供給マニホールド，冷却水排出マニホールドを構成する。

また、枠体１のカソード側には、電極２２と酸化剤ガス入口マニホールド孔４と酸化剤ガス出口マニホールド孔５とを囲う領域と、燃料ガス入口マニホールド孔２と、燃料ガス出口マニホールド孔３と、冷却水入口マニホールド孔６と、冷却水出口マニホールド孔７との各孔外周をそれぞれ囲う領域とに、各領域に流通する所定の反応ガスまたは冷却水が当該領域外に漏れ出ないようにするためのＭＥＡガスケット２５が設けてある。

また、枠体１のアノード側には、カソード側と同様に、電極２２と燃料ガス入口マニホールド孔２と燃料ガス出口マニホールド孔３とを囲う領域と、酸化剤ガス入口マニホールド孔４と、酸化剤ガス出口マニホールド孔５と、冷却水入口マニホールド孔６と、冷却水出口マニホールド孔７との各孔外周をそれぞれ囲う領域とに、各領域に流通する反応ガスまたは冷却水が当該領域外に漏れ出なくするためのＭＥＡガスケット（図示せず）が設けてある。

また、アノード側セパレータ２４ａのＭＥＡ２３と接する面（以降、この面をアノード側セパレータの正面とする）には、燃料ガス入口マニホールド孔２と燃料ガス出口マニホールド孔３とを結び、電極２２に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路２６が設けてある。

この燃料ガス流路２６は、枠体１のアノード側の電極２２と燃料ガス入口マニホールド孔２と燃料ガス出口マニホールド孔３とを囲うＭＥＡガスケット（枠体１の背面につき図示せず）で外部とシールされた領域内に対応する位置に、実質、水平方向に延びる水平部と、鉛直方向に延びる鉛直部とを複数組み合わせてサーペンタイン状に形成されている。

具体的には第１の側部側にある燃料ガス入口マニホールド孔２から、水平方向に第２の側部に向かって延び、ＭＥＡガスケットで囲まれた領域内の第２の側部近傍で、鉛直方向下向きに向きを変えて所定の距離下向きに延びた後、再び第１の側部に向かって水平に延びる。そしてそこから、所定の回数上記流路パターンをＭＥＡガスケットで囲まれた領域内で繰り返して、最終的に燃料ガス出口マニホールド孔３に到達する構成である。

そして、燃料ガス流路２６が設けられた領域は、燃料ガス入口マニホールド孔２および燃料ガス出口マニホールド孔３と接続される水平部の一部を除いて電極２２と接する領域と概ね重なる。これにより、燃料ガスを電極２２の全面に行き渡らせることが可能となる。

また、カソード側セパレータ２４ｃのＭＥＡ２３と接する面（以降、この面をカソード側セパレータの正面とする）には、アノード側セパレータ２４ａの正面と同様に、酸化剤ガス入口マニホールド孔４と酸化剤ガス出口マニホールド孔５とを結び、電極２２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（図示せず）がサーペンタイン状に設けられている。

酸化剤ガス流路が設けられた領域は、酸化剤ガス入口マニホールド孔４および酸化剤ガス出口マニホールド孔５と接続される水平部の一部を除いて電極２２と接する領域と概ね重なる。これにより、酸化剤ガスを電極２２の全面に行き渡らせることが可能となる。

また、カソード側セパレータの正面でない側の主面（以降、この面をカソード側セパレータの背面とする）には、冷却水入口マニホールド孔６と冷却水出口マニホールド孔７とを結ぶ冷却水流路８が設けてある。

さらに、カソード側セパレータの背面には、冷却水流路８と冷却水入口マニホールド孔６と冷却水出口マニホールド孔７とを囲む領域と、燃料ガス入口マニホールド孔２と、燃料ガス出口マニホールド孔３と、酸化剤ガス入口マニホールド孔４と、酸化剤ガス出口マニホールド孔５の各孔外周の領域をそれぞれ囲む冷却水シール９を設け、各領域に流通する所定の反応ガスおよび冷却水が外部に漏れ出ないようにしてある。

冷却水流路８は、水平方向に延びる水平部と、鉛直方向に延びる鉛直部とで実質的に構成されている。

具体的には、冷却水流路８は、第２の側部の上側にある冷却水入口マニホールド孔６から鉛直下向きに所定距離延びてから、第１の側部側に向きを変えて第２の側部に至り、再度、鉛直下向きに向きを変える。

そして所定の距離下向きに延びた後、今度は第２の側部に向かって水平方向に延びて第２の側部に至り、第２の側部で下向きに向きを変えて所定の距離延びた後、今度は第１の側部に向かって水平に延びる。そして、この水平と鉛直の流路パターンを所定回数繰り返し、最後は、第１の側部下側にある冷却水出口マニホールド孔７に接続する。

この冷却水流路８が設けられた領域は、カソード側セパレータの正面に酸化剤ガス流路が設けられた領域および、アノード側セパレータの正面の燃料ガス流路２６が設けられた領域、すなわち電極２２の領域と概ね重なる。

ただし、冷却水入口マニホールド孔６および冷却水出口マニホールド孔７と接続される鉛直部の一部は、前記領域の外側に位置する。

図２は図１に示す単セルを複数積層して構成した燃料電池スタックの斜視図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ断面図である。ただし、図２における左側面を図３では上として示している。

図２に示すように、燃料電池スタックは図１に示す単セルを、単セルのアノード側セパレータ２４ａと、隣接する単セルのカソード側セパレータ２４ｃとが電気的に接続するようにして複数枚積層した積層体１１の両端に一対の集電板（第１の集電板１２ａ，第２の集電板１２ｃ）を配置し、さらにその両端に一対の端板（第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃ）を配置し、第１の端板１３ａと第２の端板１３ｃの間を締結ボルト（図示せず）で締結したものである。

集電板１２には、第１の集電板１２ａおよび第２の集電板１２ｃの２種類があり、第１の集電板１２ａには、燃料ガス排出マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却水排出マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、第２の集電板１２ｃには燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却水供給マニホールドとに対応した貫通穴が設けてある。

また、集電板（第１の集電板１２ａ，第２の集電板１２ｃ）の一部が積層体１１の主面形状から突出し、端子部１２ｄを形成して外部負荷（図示せず）と接続されている。

ところで、この集電板は、燃料電池スタックで発生した電力を、少ない電気的損失で長期間にわたって外部回路に取り出すために、積層体１１との接触抵抗が小さく、かつ耐食性に優れ、更には導電性が良いことが求められる。

よって金属製の集電板が使われることが一般的である。しかしながら金属製の集電板は、複雑な形状を成形した場合は、成形・加工コストが高価になることや燃料電池スタックの重量が増加するため、板厚の比較的薄い金属板（厚さが１〜５ｍｍ程度）をプレス成形で打ち抜いた様な比較的簡単な形状のものを用いるのが望ましい。

本実施の形態の燃料電池スタックでは、真鍮の薄板（厚さ２ｍｍ）を集電板形状にプレス加工で打ち抜いたものに金メッキを施し、平面度および耐食性、導電性を向上させたものを集電板として用いた。

端板（第１の端板１３ａ，第２の端板１３ｃ）は電気絶縁性の樹脂で形成され、第２の端板１３ｃには、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却水供給マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、さらに第２の端板１３ｃの第２の集電板１２ｃに対向する主面の反対面には、燃料ガスを燃料電池スタックに導入する燃料ガス入口配管１５、酸化剤ガスを燃料電池スタックに導入する酸化剤ガス入口配管１６、そして冷却水を燃料電池スタックに導入する冷却水入口配管１７が設けてある。

また、第１の端板１３ａには、燃料ガス排出マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却水排出マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、さらに第１の端板１３ａの第１の集電板１２ａに対向する面の反対面には、燃料ガスをスタックから排出する燃料ガス出口配管と、酸化剤ガスをスタックから排出する酸化剤ガス出口配管と、冷却水を排出する冷却水出口配管とが設けてある。

また、図３に示すように集電板１２と端板１３との間には、複数のコイルバネ１４が、ＭＥＡとセパレータとの接触圧が反応面内で均一になるように応力分布解析等によって考慮された配置で設けられている。さらに、端板１３のコイルバネ１４が配置される位置には、コイルバネ１４の一部が挿入される凹部１３ｄが設けてあり、燃料電池スタックの組み立ての際などにコイルバネ１４が所定の位置からずれるのを防止している。

また、図３に示すように集電板１２と端板１３との間には、板状の断熱材１８が設けてある。この断熱材１８には、集電板１２と端板１３とによって圧縮されたコイルバネ１４が収まる貫通穴１８ａが設けてあり、この貫通穴１８ａの内壁によってコイルバネ１４は自重によって落下しない程度に保持される。

また、断熱材１８の厚さは燃料電池スタックを締結した際に、端板と集電板との間に生じる隙間と同等の厚さをもたせている。すなわちコイルバネの自然長よりも薄く、燃料電池スタックを構成する部材を積層していく際には、断熱材にコイルバネを挿入しても、コイルバネが完全に断熱材に埋まることはなく、一部が断熱材から出ていることになる。

なお、本実施の形態１に示す燃料電池スタックでは、断熱材１８としてグラスウールを芯材に用いた硬質で板状の真空断熱材を用いたが、シリコーンスポンジのような比較的軟質で圧縮が可能なものでもよく、この場合は、断熱材の厚さは上記の関係でなくとも良い。

この構成により、集電板の端板と対する面およびコイルバネの外周面が断熱材によって覆われているために、積層体で生じた熱の放熱が少なくなり、放熱によって冷却水による熱の回収の効率が低下することを抑制することができる。

なお、本実施の形態１による構成では、集電板からコイルバネを介して端板に伝わって逃げる熱は減少させることを期待できないが、発熱源である積層体に近い集電板からの直接の放熱に比べれば、その放熱量は小さいことが予想され、また、本実施の形態１の断熱材に設けた貫通穴の一方を塞ぎ、貫通穴でなくして穴の底面でコイルバネの圧縮を行うようにすれば、コイルバネを伝わって端板から逃げる熱を減少させることも可能である。ただし、その場合も発熱源に近い集電板側で断熱するほうが、放熱の影響をより小さくする効果が期待できる。

また、断熱材は燃料電池スタックを組み立てる際にも重要な役割を果たす。すなわち、燃料電池スタックを組み立てる際には、あらかじめ作成した複数の単セルを、冷却水シールを間に挟み込みながら積層していくが、一方の端板に複数のコイルバネおよび断熱材を所定の位置に配置してからその上に一方の集電板を乗せ、さらにその上に単セルの積層体を形成していく。

この際、端板に設けた凹部および断熱材に設けた貫通穴がコイルバネの位置を所定の位置に配置することを容易にする。さらに他方の集電板を積層体の上に配置した後にさらにコイルバネを配置する際には、断熱材を先に集電板の上に配置してからその貫通穴にコイルバネを配置することにより、コイルバネの位置を所定の位置に配置することを容易にすることが可能である。

なお、本実施の形態１の燃料電池スタックでは、コイルバネと断熱材を集電板と端板との間に配置したが、図４に示すように、コイルバネを端板の外側で、端板間を締結する締結ロッド１９によってコイルバネの内穴を貫通される状態で保持した燃料電池スタックにおいても、コイルバネの周囲を断熱材で覆うことによって、放熱による熱回収効率の低下を抑制することが可能である。

また、本実施の形態１では、弾性体としてコイルバネを用いたが、板バネや皿バネなどの別の形態の弾性体でも、本実施の形態の効果を妨げることはない。

以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの単セルの分解図 同実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図 図２のＡ−Ａ断面図 同実施の形態１の燃料電池スタックの別の形態を示す一部断面図 従来の燃料電池スタックの側面図 従来の燃料電池スタックのスプリングモジュールの断面図

符号の説明

１ 枠体
２ 燃料ガス入口マニホールド孔
３ 燃料ガス出口マニホールド孔
４ 酸化剤ガス入口マニホールド孔
５ 酸化剤ガス出口マニホールド孔
６ 冷却水入口マニホールド孔
７ 冷却水出口マニホールド孔
８ 冷却水流路
９ 冷却水シール
１０ 単セル
１１ 積層体
１２ 集電板
１２ａ 第１の集電板
１２ｃ 第２の集電板
１２ｄ 端子部
１３ 端板
１３ａ 第１の端板
１３ｃ 第２の端板
１３ｄ 凹部
１４ コイルバネ
１５ 燃料ガス入口配管
１６ 酸化剤ガス入口配管
１７ 冷却水入口配管
１８ 断熱材
１８ａ 貫通穴
２１ 高分子電解質膜
２２ 電極
２３ ＭＥＡ
２４ セパレータ
２４ａ アノード側セパレータ
２４ｃ カソード側セパレータ
２５ ＭＥＡガスケット
２６ 燃料ガス流路

Claims (4)

1. 複数の単セルの積層体と、前記積層体の両端に配した一対の集電板と、前記集電板の外Ｐ側に配した一対の端板と、前記集電板の間に押圧力を与えるように設けた複数の弾性体と、前記弾性体の周囲を覆うように配置した断熱材とで構成される燃料電池スタック。
2. 前記断熱材を、前記弾性体が収まる穴を設けた略板状に形成した請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記弾性体が、前記集電板と前記端板との間に位置するとともに、前記集電板と前記端板で覆われる請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記端板には、前記弾性体の少なくとも一部が収まる凹部が設けられている請求項３に記載の燃料電池スタック。

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