JP2012249486A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の劣化を招くことなく、発電された電力を効率よく補機に供給できる発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池装置２を備えた発電システム１において、燃料電池の補機に電力を供給する補機電源部７に発電部５からの電力を供給するにあたり、発電部５から補機電源部７に供給される電流量（供給電流量）を検出する電流センサ１３を設ける。そして、燃料電池装置２の制御部８がパワーコンディショナ４の制御部１９にコンバータ１６の入力電流制御の制御目標値を与えるに際して、発電部５の発電電流量から上記電流センサ１３で検出される供給電流量を差し引いた値を制御目標値としてパワーコンディショナ４の制御部１９に与える。
【選択図】図１

Description

この発明は発電システムに関し、より詳細には、発電部として燃料電池を備えた発電システムにおける燃料電池の補機に対する電力供給技術に関する。

近時、家庭用の発電システムにおいて、燃料電池による発電（燃料電池発電）と太陽電池による発電（太陽光発電）とを組み合わせて使用する発電システムが提供されている。

この種の発電システムでは、燃料電池や太陽電池で発電される直流電力を家庭負荷（電力負荷）で使用できるようにするために、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であるパワーコンディショナを備えているが、従来の発電システムでは、図２に示すように、太陽電池ａと燃料電池ｂのそれぞれにパワーコンディショナｃを接続していたことから（パワーコンディショナを２基使用していたことから）、これら二基のパワーコンディショナｃ、ｃにおいて、ほぼ同様の機能を有するインバータｅや表示部ｆなどが重複して設けられるという無駄が生じていた。

そのため、最近では、このような構成上の無駄をなくすために、図３（ａ）に示すように、１基のパワーコンディショナｇを太陽電池ａと燃料電池ｂとで共用するように構成した発電システムが提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

すなわち、この図３（ａ）に示す発電システムでは、パワーコンディショナｇに、太陽電池用のコンバータｄ_aと燃料電池用のコンバータｄ_bとを設け、これらコンバータｄ_a，ｄ_bで昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータとして１基のインバータｅを共用し、表示部についても太陽電池発電と燃料電池発電とに共用される１基の表示部ｆを用いている。

特開２００２−１３６１１２号公報 特開２００５−１５１６６２号公報

ところで、このように太陽電池発電と燃料電池発電とでインバータを共用するという発想の下では、燃料電池ｂの補機（図示せず）に対する電力の供給は、たとえば、図３（ａ）に示すように、系統（商用電源）に接続されたコンセントｉを介して行うようにすることが考えられる。この場合、燃料電池ｂにはＡＣ／ＤＣコンバータを備えた補機電源ｈが備えられ、この補機電源ｈに上記コンセントｉを介して交流電力を供給することになる。すなわち、燃料電池ｂが発電していないときには、商用電源からの交流電力を補機電源ｈに与えるようにし、また、燃料電池ｂが発電しているときには、図３（ｂ）に示すように、燃料電池ｂで発電されインバータｅで交流に変換された交流電力を補機電源ｈに与えるようにして、いずれの場合も補機電源ｈのＡＣ／ＤＣコンバータで直流電力に変換して補機に電力を供給するように構成される。

しかしながら、このような構成では、燃料電池ｂが発電している場合の補機への電力の供給は、一旦インバータｅで交流に変換した電力を再び補機電源ｈで直流に変換して供給することになるため、直流から交流の変換によるロスで発電効率が低下するという問題がある。

そのため、出願人はこのような変換ロスの低減を目的として、図４に示すように、補機電源ｈに燃料電池ｂの発電部ｋから出力される直流電力を補機用の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを搭載し（図４（ｂ）参照）、燃料電池ｂが発電していないときは、商用電源からの交流電力を補機電源ｈのＡＣ／ＤＣコンバータに与える一方、燃料電池ｂが発電しているときには、燃料電池ｂで発電された直流電力を直接補機電源ｈのＤＣ／ＤＣコンバータに与えるようにすることを考えた。

しかし、このような構成にした場合には、図４（ｂ）に示すように、燃料電池ｂの発電部ｋで発電された電流の一部が補機電源ｈに流れることになるから、燃料電池用のコンバータｄ_bに入力電流制御を行うコンバータを採用すると、補機電源ｈに流れる電流分だけ余分に電流が消費されることとなり、パワーコンディショナｇと補機電源ｈとで消費される電流量（消費電流量）が発電部ｋで発電される発電電流量を超えることになってしまう。つまり、発電電流＜消費電流となってしまい、燃料電池ｂの発電部ｋを劣化させる要因となってしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、燃料電池の劣化を招くことなく、発電された電力を効率よく補機に供給できる発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発電システムは、発電部として燃料電池を有する燃料電池装置と、上記発電部で発電された電力を系統に連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナとを備えた発電システムであって、上記燃料電池装置は補機に電力を供給する補機電源部を備えるとともに、この補機電源部が上記発電部の発電出力から直接電力供給を受けられるように構成されたものにおいて、上記発電部から補機電源部への供給電流量を検出する電流検出手段を備え、制御部が、上記発電部の発電電流量と、上記電流検出手段によって検出される上記補機電源部への供給電流量との差を演算し、その演算結果を入力電流制御値としてパワーコンディショナの入力電流制御を行うことを特徴とする。

この請求項１に係る発電システムでは、燃料電池装置の補機電源部に対して、燃料電池装置の発電部から直接電力を供給できるようにするにあたり、発電部から補機電源部に供給される電流量（供給電流量）を検出する電流検出手段を設けて、燃料電池装置の発電部が発電しているときに補機電源部に流れる電流量を検出する。そして、パワーコンディショナにおけるコンバータの入力電流制御を行う際に、制御部は、発電部で発電される電流量（発電電流量）とこの供給電流量との差を求めて燃料電池装置からパワーコンディショナに供給される電流量を求め、この電流量をコンバータの入力電流制御の制御目標値（入力電流制御値）として用いる。そのため、この請求項１に係る発電システムでは、燃料電池装置の発電部で発電された発電電流の一部を補機電源部に供給するように構成しても、パワーコンディショナで消費される消費電流量が発電電流量を超えることが回避され、燃料電池装置の発電部の劣化が防止される。つまり、発電部の劣化を招くことなく、発電された電力を効率よく補機に供給することができる。

また、本発明の請求項２に記載の発電システムは、請求項１に係る発電システムにおいて、上記制御部が、燃料電池装置の制御部とパワーコンディショナの制御部とで構成されており、上記燃料電池の制御部は、上記入力電流制御値を演算してその結果をパワーコンディショナの制御部に送信し、上記パワーコンディショナの制御部は、受信した上記入力電流制御値に基づいてパワーコンディショナを制御するように構成されていることを特徴とする。

この請求項２に係る発電システムでは、発電システムの制御部として、燃料電池装置の制御部とパワーコンディショナの制御部とを用いる。そして、上述したパワーコンディショナで行う入力電流制御の制御目標値(入力電流制御値)の演算を燃料電池装置側の制御部で行い、パワーコンディショナの制御部にはその演算結果を送信するようにしている。そのため、パワーコンディショナの制御部には、発電部の発電電流量から補機電源部に流れる供給電流量分が差し引かれた値が入力電流制御の制御目標値として与えられることになり、パワーコンディショナ側の構成に何らの変更を加えることなく、発電部で発電された電力を補機電源部に供給する構成を採用することができる。

本発明によれば、発電システムが燃料電池装置の発電部から補機電源部への供給電流量を検出する電流検出手段が備え、制御部が燃料電池装置の発電部の発電電流量と電流検出手段によって検出される補機電源部への供給電流量との差を演算し、その演算結果をパワーコンディショナにおける入力電流制御の制御値としてパワーコンディショナを制御するので、燃料電池装置の発電部で発電された発電電流の一部を補機電源部に供給するように構成しても、パワーコンディショナでの消費電流量が発電部での発電電流量を超えることがなく、燃料電池装置の発電部の劣化が防止される。

本発明に係る発電システムの概略構成の一例を示しており、図１（ａ）は同発電システムの回路ブロック図を、図１（ｂ）は同発電システムにおける補機電源部およびパワーコンディショナに対する電力供給経路を示す説明図である。 従来の発電システムの一例の概略構成を示すブロック図である。 従来の発電システムの他の一例の概略構成を示しており、図３（ａ）は同発電システムの回路ブロック図を、図３（ｂ）は同発電システムにおいて燃料電池の発電時における補機電源部に対する電力供給経路を示す説明図である。 図３に示す発電システムの改変例を示しており、図４（ａ）は同発電システムの回路ブロック図を、図４（ｂ）は同発電システムにおける補機電源部およびパワーコンディショナに対する電力供給経路を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した発電システムの概略構成を示している。この発電システム１は、発電部として燃料電池と太陽電池とを有する家庭用の発電システムであって、図１に示すように、燃料電池装置２と、太陽電池パネル３と、パワーコンディショナ４とを主要部として備えている。

燃料電池装置２は、天然ガスなどの水素を含む燃料ガスと、空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを供給し、水素と酸素を化学反応させて直流電力を得る発電部（燃料電池）５を有する発電設備であって、この発電部５の周辺機器からなる補機６（図１（ｂ）参照）と、補機６に電力を供給する補機電源部７と、燃料電池装置２の各部を制御する制御部（以下、「ＦＣ制御部」と称する）８とを主要部として備えている。

ここで、上記発電部５としては、たとえば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などの公知の構成を備えた燃料電池が使用される。また、補機は、燃料電池装置２の筐体（図示せず）内に上記発電部５などとともに収容されており、発電部５の起動準備時や発電運転時に電力を消費するブロワやポンプなどの電力負荷で構成されている。

上記補機電源部７は、商用電源などの系統Ａから供給される交流電力または上記発電部５からパワーコンディショナ４を介することなく直接供給される直流電力から補機６に供給する直流電力を生成するための電源装置であって、交流電力を所望の電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）の直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ９と、直流電力を所望の電圧（たとえば、ＤＣ２４Ｖ）の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１０とを備えている（図１（ｂ）参照）。

この補機電源部７のＡＣ／ＤＣコンバータ９は、図１（ｂ）に示すように、その入力側が系統Ａ（具体的には系統Ａから交流電力の供給を受ける図示しない配電盤など）と電源線１１を介して接続されている。また、補機電源部７のＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、その入力側が上記発電部５と電源線１２を介して接続されており、発電部５で発電される直流電力の一部がこのＤＣ／ＤＣコンバータ１０に供給されるように構成されている。

そして、本発明では、この電源線１２に電流センサ（電流検出手段）１３が備えられており、発電部５から補機電源部７に供給される電流量（供給電流量）を検出できるように構成されている。

上記ＦＣ制御部８は、燃料電池装置２の各部の動作を制御する制御装置であって、図示しないマイコンをその制御中枢として備えている。このＦＣ制御部８は、燃料電池装置２の各部に設けられる各種センサ類（たとえば、上記電流センサ１３）と電気的に接続され、これらセンサ類で得られる情報を取得するとともに、後述するパワーコンディショナ４の制御部１９と通信接続されており、パワーコンディショナ４の制御部１９と制御情報をやり取りしながら、発電部５の発電制御や補機電源部７の電源切替制御などの各種制御を行うように構成されている。なお、図１において、符号１４は電流センサ１３との接続のための電装線を、また、符号１５はパワーコンディショナ４の制御部１９との通信線をそれぞれ示している。

ここで、このＦＣ制御部８による発電部５の発電制御は、パワーコンディショナ４の制御部１９から与えられる系統Ａからの購入電力に関する情報に基づいて行われる。すなわち、この発電制御では、ＦＣ制御部８は、系統Ａからの購入電力を少なくし、かつ、発電部５で発電された電力が無駄なくパワーコンディショナ４で消費されるように発電部５の発電量を制御するようになっている。

具体的には、ＦＣ制御部８は、系統Ａからの購入電力が増えて購入電力が所定の閾値を超えると（購入電力＞閾値になると）、発電部５での発電電力を上昇させる。そして、発電部５での発電電力の上昇に伴って購入電力が少なくなり（購入電力≒０となり）、かつ、パワーコンディショナ４の入力電流制御の制御値と実際の入力電流が近似したときには（入力電流制御値≒入力電流値となっているときには）、発電部５での発電電力をそのまま維持する一方、購入電力が少ない状態で（購入電力≒０となり）、かつ、パワーコンディショナ４の入力電流制御の制御値が実際の入力電流よりも大きくなったときには（入力電流制御値＞入力電流値となったときには）、発電部５での発電電力を低下させる。なお、このような発電電力の制御は、発電部５に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの供給量をＦＣ制御部８が制御することによって行うようになっている。

また、この発電制御に関連して、ＦＣ制御部８は、発電部５での発電電流に基づいてパワーコンディショナ４に対して、コンバータ１６の入力電流制御を行うための制御目標値（入力電流制御値）を送信するようになっている（詳細は後述する）。

一方、上記太陽電池パネル３は、周知のごとく、複数の太陽電池セルをパネル状に接続配列してなる発電設備であって、太陽光のエネルギを直流電力に変換するように構成されている。

パワーコンディショナ４は、上記燃料電池装置２および太陽電池パネル３で発電される直流電力を系統Ａに連系可能な交流電力に変換するインバータ装置であって、図１に示すように、燃料電池装置２用のコンバータ１６と、太陽電池パネル３用のコンバータ１７と、これらコンバータ１６，１７に共用されるインバータ１８と、パワーコンディショナ４の各部を制御する制御部（以下、「ＰＣ制御部」と称する）１９とを主要部として備えている。

上記コンバータ１６，１７は、上記インバータ１８において系統Ａに連系可能な電圧（たとえば、ＡＣ２００Ｖ）の交流電力を生成できるように、燃料電池装置２の発電部５や太陽電池パネル３から供給される直流電力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータで構成されている。各コンバータ１６，１７の具体的な構成・制御については、各コンバータ１６，１７に接続される発電設備の特性に応じて決定されており、本実施形態では、燃料電池装置２の発電部（燃料電池）５が接続されるコンバータ１６には絶縁型で、かつ、入力電流制御されるコンバータが用いられている。一方、太陽電池パネル３が接続されるコンバータ１７には非絶縁型または絶縁型で、かつ、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）のコンバータが用いられている。

これらコンバータ１６，１７は、それぞれ昇圧した直流電力がインバータ１８に供給されるように、各コンバータ１６，１７の出力が接続点２０で接続され、この接続点２０がインバータ１８のＤＣリンク部（図示せず）に接続されている。

上記インバータ１８は、上記コンバータ１６，１７で昇圧された直流電力を系統Ａに連系可能な電圧・周波数の交流電力（たとえば、単相三線式２００Ｖ）に変換するＤＣ−ＡＣインバータで構成されており、このインバータ１８は上記ＤＣリンク部の電圧が一定になるように制御される。

上記ＰＣ制御部１９は、パワーコンディショナ４の各部の動作を制御する制御装置であって、図示しないマイコンを制御中枢として備えている。そして、このＰＣ制御部１９は、パワーコンディショナ４の各部に備えられる各種センサ類で得られる情報や上記ＦＣ制御部８から得られる制御情報などに基づいて、コンバータ１６，１７やインバータ１８などの制御を行うように構成されている。

具体的には、たとえば、このＰＣ制御部１９は、上記コンバータ１６の制御に関して、上記ＦＣ制御部８から与えられる入力電流制御値（制御目標値）に基づいて、コンバータ１６の入力電流制御を行う。また、上記ＦＣ制御部８での発電制御に関連して、各種センサ類から得られる情報に基づいて系統Ａからの購入電力を算出し、その結果をＦＣ制御部８に対して送信する。

しかして、このように構成された発電システム１においては、燃料電池装置２の発電部５または太陽電池パネル３の少なくともいずれか一方が発電を開始した場合には、上記ＰＣ制御部１９は、発電を開始した発電設備が接続されているコンバータ１６，１７を運転させるとともに、インバータ１８を動作させて、コンバータ１６，１７から出力される直流電力をインバータ１８で交流電力に変換し、系統Ａに連系させるようになっている。

そこで、次に、本発明に係る発電システム１の特徴的な動作について説明する。
Ａ：補機電源部７の電源切替制御
上述したように、本発明に係る発電システム１では、補機電源部７には、系統Ａから交流電力の供給を受けるＡＣ／ＤＣコンバータ９と、燃料電池装置２の発電部５から直流電力の供給を受けるＤＣ／ＤＣコンバータ１０とが備えられているが、補機６に対する電力供給は、これらＡＣ／ＤＣコンバータ９およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０のいずれか一方により行われるようになっており、その切替制御（電源切替制御）を上記ＦＣ制御部８が行うように構成されている。

具体的には、上記ＦＣ制御部８は、発電部５が発電停止状態（発電部５が正常に発電を開始するに至るまでの起動準備中を含む）にあるときには、補機電源部７のＡＣ／ＤＣコンバータ９を動作（このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の動作は停止）させて、系統Ａから供給される交流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ９で所望の電圧の直流電力に変換して補機６に電力を供給する。すなわち、発電部５が発電を行っていない状態では補機６に対して発電部５から電力を供給できないので、この場合には系統Ａから供給される電力を用いて、補機６を動作可能な状態にしておく。

そして、発電部５が発電状態にあるとき（発電部５が正常に発電を行っているとき）には、上記ＦＣ制御部８は、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作させるとともに、ＡＣ／ＤＣコンバータ９の動作を停止させて、発電部５で発電された直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１０で所望の電圧の直流出力に変換して補機６に供給する。つまり、発電部５が発電を開始した後は、発電部５で発電された直流電力を用いて補機６を動作させる。

このように、本発明の発電システム１では、燃料電池装置２の発電部５が発電しているときには、補機６を動作させる電力として発電部５で発電された電力を用いるので、系統Ａからの購入電力を抑制することができる。しかも、このときに補機６に供給される電力は、発電部５で発電した電力を一旦パワーコンディショナ４で交流電力に変換することなく発電部５から直接補機電源部７に供給されるので、直流から交流に変換することによる変換ロスがなく、発電効率の低下を招くことなく補機６に電力を供給することができる。

Ｂ：コンバータ１６の入力電流制御値（制御目標値）の演算
上述したように、燃料電池装置２が接続されるコンバータ１６は、ＦＣ制御部８から送信される入力電流制御値に基づいて入力電流制御が行われるようになっているが、ここで発電部５の発電電流値をそのまま入力電流制御値（制御目標値）としてＰＣ制御部１９に与えるようにすると、発電部５が発電中は補機電源部７に発電電流の一部を供給するようになっている本発明の発電システム１では、パワーコンディショナ４と補機電源部７とで消費される電流量（消費電流量）が発電部５で発電される発電電流量を超えて発電部５の劣化を招くおそれがある。

そのため、本発明に係る発電システム１では、そのような事態が起きないように、コンバータ１６の入力電流制御値を決定するＦＣ制御部８において、発電部５の発電電流量から上記電流センサ１３で検出される補機電源部７への供給電流量を減算して（発電電流量と補機電源部７への供給電流量の差を演算して）、その結果をコンバータ１６の入力電流制御値としてパワーコンディショナ４に送信するように構成されている。

このように、本発明の発電システム１では、コンバータ１６の入力電流制御の制御目標値の設定にあたり、発電部５の発電電流量と補機電源部７への供給電流量との差を求めることによって、パワーコンディショナ４に実際に供給される電流値を制御目標値とすることができるので、パワーコンディショナ４および補機６で消費される消費電流量が発電部５の発電電流量を超えることが回避され、発電部５の劣化が防止される。したがって、本発明の発電システムでは、上述した補機電源部７の電源切替制御とあいまって、発電部５の劣化を防止しつつ、発電された電力を効率よく補機６に供給できる発電システムが提供することができるようになる。

しかも、本発明の発電システム１では、パワーコンディショナ４で行うコンバータ１６の入力電流制御の制御目標値(入力電流制御値)の演算が燃料電池装置２側のＦＣ制御部８で行われ、パワーコンディショナ４のＰＣ制御部１９にはその演算結果が送信されるので、パワーコンディショナ４側の構成に何らの変更を加えることなく、発電部５で発電された電力を補機電源部７に供給する本願発明を適用することができる。つまり、燃料電池装置２を交換するだけで既設の発電システムにも本発明を適用することができる。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、パワーコンディショナ４に接続される発電設備として燃料電池装置２と太陽電池パネル３を用いた場合を示したが、本発明に係る発電システム１は、発電部５から直接電力供給を受けることができる補機電源部６を備えた燃料電池装置２を発電設備として備えている発電システムに適用されるものであることから、燃料電池装置２に他の発電設備が併設されていなくてもよい。また、太陽電池パネル３に代えて他の直流の発電設備を併設する構成であってもよい。

また、上述した実施形態では、コンバータ１６の入力電流制御値（制御目標値）の演算を燃料電池装置２側のＦＣ制御部８で行うように構成した場合を示したが、発電部５の発電電流量と電流センサ１３で検出される補機電源部７への供給電流量とをパワーコンディショナ４のＰＣ制御部１９に送信し、ＰＣ制御部１９でこれらに基づいてコンバータ１６の入力電流制御値を演算するように構成することも可能である。また、電流センサ１３の検出結果をＦＣ制御部８を介さずにＰＣ制御部１９に送信するように構成し、ＦＣ制御部８からは発電電流量を送信し、これらに基づいてＰＣ制御部１９で上述した入力電流制御の制御目標値(入力電流制御値)の演算を行うように構成することも可能である。

さらに、上述した実施形態では、発電システム１の制御部が、燃料電池装置２のＦＣ制御部８と、パワーコンディショナ４のＰＣ制御部１９とで構成される場合を示したが、たとえば、これら制御部８，１９を一体にした制御部を燃料電池装置２またはパワーコンディショナ４に設けるか、もしくはこれらとは独立した制御装置を設けるように構成することもできる。

１ 発電システム
２ 燃料電池装置
３ 太陽電池パネル
４ パワーコンディショナ
５ 発電部（燃料電池）
６ 補機
７ 補機電源部
８ ＦＣ制御部（燃料電池装置の制御部）
９ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３ 電流センサ（電流検出手段）
１６，１７ コンバータ
１８ インバータ
１９ ＰＣ制御部（パワーコンディショナの制御部）

Claims (2)

1. 発電部として燃料電池を有する燃料電池装置と、前記発電部で発電された電力を系統に連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナとを備えた発電システムであって、前記燃料電池装置は補機に電力を供給する補機電源部を備えるとともに、この補機電源部が前記発電部の発電出力から直接電力供給を受けられるように構成されたものにおいて、
   前記発電部から補機電源部への供給電流量を検出する電流検出手段を備え、
   制御部が、前記発電部の発電電流量と、前記電流検出手段によって検出される前記補機電源部への供給電流量との差を演算し、その演算結果を入力電流制御値としてパワーコンディショナの入力電流制御を行うことを特徴とする発電システム。
2. 前記制御部は、燃料電池装置の制御部とパワーコンディショナの制御部とで構成されており、
   前記燃料電池の制御部は、前記入力電流制御値を演算してその結果をパワーコンディショナの制御部に送信し、前記パワーコンディショナの制御部は、受信した前記入力電流制御値に基づいてパワーコンディショナを制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

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