JP4809113B2 - 熱交換型改質器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば炭化水素等の改質原料から水素含有の改質ガスを得るための改質反応を、改質部において加熱部からの熱供給を受けつつ行う熱交換型改質器に関する。

積層された複数のプレート間に、炭化水素原料を改質して水素含有ガスを生成するための改質流路と、改質流路に改質反応用の熱を供給するために燃料ガスを燃焼させる燃焼流路とを形成した直交流熱交換型の燃料改質器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、プレート間の各部における燃焼反応の発熱分布と改質反応の吸熱分布とが調整されるように、プレート間に触媒の非担持領域を設定する技術が記載されている。
特開２００４−２４４２３０明細書

上記従来の直交流熱交換型の燃料改質器では、燃焼反応による高発熱部位と改質反応による高吸熱部位とを一致させるための工夫を行っているが、吸発熱部位を一致させて熱交換効率を向上させる点について改善の余地があった。

本発明は、上記事実を考慮して、加熱部と改質部との熱交換効率が良好な熱交換型改質器を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る熱交換型改質器は、改質反応用の改質触媒がスラリ状の触媒担体を介して担持され、水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された改質原料から水素を含有する改質ガスを生成するための改質部と、前記改質部のガス流と同じ方向のガス流を生じさせるように隔壁を介して前記改質部に隣接されると共に触媒燃焼用の酸化触媒がスラリ状の触媒担体を介して担持され、供給された燃料の触媒燃焼に伴って生じた熱を前記改質部に供給するための加熱部と、一端側が前記改質原料の供給口とされると共に他端側が前記改質部における前記改質原料の流入側に連続した改質原料導入部と、一端側が前記燃料の供給口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃料の流入側に連続し、前記改質原料導入部による改質原料の流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃料を前記加熱部に導く燃料導入部と、を備えている。

請求項１記載の熱交換型改質器では、改質部において加熱部から燃焼による熱供給を受けつつ、供給された改質ガスを改質触媒に接触させて改質反応を生じさせ（促進し）、水素を含有する改質ガスを得る。改質反応は、改質触媒の担持範囲における上流側（改質原料供給側）の端部近傍に高吸熱部位を生じさせ、燃焼反応は、酸化触媒の担持範囲における上流側（燃料供給側）の端部近傍に高発熱部位を生じさせる。

ここで、改質部における改質原料（改質ガス）の流れ方向と、加熱部における燃料又は燃焼ガスの流れ方向とが一致しているため、換言すれば、加熱部と改質部とで並行流熱交換型の改質器を構成しているため、加熱部における燃焼反応による高発熱部位と改質部における改質反応による高吸熱部位とを、それぞれの触媒担持範囲におけるガス流方向の同じ側（上流側）で生じさせることができる。すなわち、吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づける（吸発熱の分布傾向を一致させる）ことができる。

そして、本熱交換型改質器では、改質部の上流端に連続する改質原料導入部と、改質部と並行流を成す（熱交換器としての媒体入口を略一致させている）加熱部の上流端に連続する燃料導入部とが、互いに異なる方向に媒体の流れを生じさせるように構成されているため、換言すれば、改質原料導入部と燃料導入部とで擬似的に交差流部を構成しているため、改質原料の供給口と燃料の供給口とを独立して開口させることができる。これにより、改質原料、燃料をそれぞれ独立して改質部、加熱部の同じ側に供給することができ、上記の通り吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づけた並行流型の熱交換型改質器を構成することができる。

このように、請求項１記載の熱交換型改質器では、加熱部と改質部との熱交換効率が良好である。また、改質原料導入部を流れる改質原料と燃料導入部を流れる燃料との熱交換が行われるため、運転の安定性（ロバスト性）が向上し、変動（例えば改質原料の温度変化）に対し安定な運転が可能となる。

請求項２記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項１記載の熱交換型改質器において、前記燃料導入部は、全体が前記酸化触媒の非担持領域とされている。

請求項２記載の熱交換型改質器では、燃料導入部には酸化触媒が担持されないので、該燃料導入部では触媒燃焼を生じることがない。これにより、触媒燃焼に伴う発熱が改質部によって消費されずに局所的な高温部が生じてしまうことが防止される。特に、改質原料導入部に改質触媒を担持した構成においても、改質原料導入部とで上記した擬似的な交差流部を形成する燃料導入部に酸化触媒を担持した場合には、高発熱部位と高吸熱部位との不一致による局所的な高温部が生じ得るが、燃料導入部に酸化触媒を担持しないことによって、局所的な高温部が生じることが効果的に防止される。

請求項３記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項１又は請求項２記載の熱交換型改質器において、前記改質部と加熱部とは、それぞれ複数設けられて少なくとも一部が隣接するように積層されており、前記改質原料導入部は、前記改質部の各層に設けられて前記改質原料の供給口の開口面を一致させており、燃料導入部は、前記加熱部の各層に設けられて前記燃料の供給口の開口面を一致させている。

請求項３記載の熱交換型改質器では、複数の改質部と加熱部とが積層されることで、少なくとも一部の改質部と加熱部とが隣接している。なお、加熱部は、改質部と同数かそれよりも少なく設けられ、それらの全てが積層方向の両側でそれぞれ改質部に隣接することが好ましい。ここで、各層の改質部にそれぞれ一致した開口面で開口する改質原料導入部が設けられ、かつ各層の加熱部にそれぞれ一致した開口面で開口する燃料導入部が設けられているため、改質原料、燃料をそれぞれ独立して各改質部、加熱部の同じ側に供給することができ、上記の通り吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づけた並行流型の熱交換型改質器を、熱交換効率の良好な積層構造で構成することができる。

請求項４記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項３記載の熱交換型改質器において、平板状に形成された平板部に、他の平板部との間に前記改質部を構成する熱交換部と、前記熱交換部に対する前記改質原料の供給側において該改質原料を所定方向に案内する立壁が立設され前記他の平板部との間に前記改質原料導入部を構成する改質原料ガイド部とが形成されている改質部形成用プレート部材と、平板状に形成された平板部に、一方側の面に前記酸化触媒が担持されて他の平板部との間に前記加熱部を構成する熱交換部と、前記熱交換部に対する前記燃料の供給側において該燃料を前記改質部形成用プレート部材の所定方向と交差する方向に案内する立壁が立設され前記他の平板部との間に前記燃料導入部を構成する燃料ガイド部とが形成されている加熱部形成用プレート部材と、を所定のパターンで積層することで構成されている。

請求項４記載の熱交換型改質器では、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定のパターンで積層することで、各平板部の熱交換部間に改質部、加熱部が形成されると共に、各平板部の改質原料ガイド部と燃料ガイド部との間に改質原料導入部、燃料導入部がそれぞれ形成される。すなわち、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定のパターンで積層することで、並行流型の熱交換部の上流側にそれぞれ独立して開口する改質原料の供給口、燃料の供給口を有する改質原料導入部、燃料導入部が一体に構成される。

請求項５記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項３又は請求項４記載の熱交換型改質器において、前記複数の改質原料導入部の改質原料の供給口が開口する集合空間を形成し、該複数の改質原料導入部に改質原料を分散して供給するための改質原料用マニホルドと、前記複数の燃料導入部の燃料の供給口が開口する集合空間を形成し、該複数の燃料導入部に燃料を分散して供給するための燃料用マニホルドと、をさらに備えた。

請求項５記載の熱交換型改質器では、各層の改質部に改質原料を導入するための改質原料導入部の各供給口が改質原料用マニホルドで開口すると共に、各層の加熱部に燃料を導入するための燃料導入部の各供給口が燃料用マニホルドで開口している。このため、改質原料用マニホルドから各層の改質原料導入部を経由して各層の改質部に改質原料を均等に分配することができ、同様に、燃料用マニホルドから各層の燃料導入部を経由して各層の加熱部に燃料を均等に分配することが可能になる。特に、燃料用マニホルドに燃料と支燃ガスとの混合器を設けることで、各層の加熱部の直上流で予混合した混合ガスを該各層の加熱部に供給することが可能となる。この場合、局所的に燃料濃度の高い部分が生じることが防止され、加熱部内で局所的な高温部が発生することが防止される。

請求項６記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の熱交換型改質器において、一端側が前記改質ガスの排出口とされると共に他端側が前記改質部における前記改質ガスの流出側に連続した改質ガス導出部と、一端側が前記加熱部の燃焼排ガスの排出口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃焼排ガスの排出側に連続し、前記改質ガス導出部による改質ガスの流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃焼排ガスを前記燃焼排ガスの排出口に導く燃焼排ガス排出部と、をさらに備えた。

請求項６記載の熱交換型改質器では、改質部の下流端に連続する改質ガス導出部と、改質部と並行流を成す（熱交換器としての媒体出口を略一致させている）加熱部の下流端に連続する燃焼排ガス排出部とが、互いに異なる方向に媒体の流れを生じさせるように構成されているため、換言すれば、改質ガス導出部と燃焼排ガス排出部とで擬似的に交差流部を構成しているため、改質ガスの排出口と燃焼排ガスの排出口とを独立して開口させることができる。これにより、改質ガス、燃焼排ガスをそれぞれ独立して改質部、加熱部の同じ側から排出させることができ、上記の通り吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づけた並行流型の熱交換型改質器を構成することができる。

なお、複数の改質部と複数の加熱部とを少なくとも一部の改質部と加熱部とが隣接するように積層した構成においては、各層の改質部に改質ガス導出部を設けると共に、各層の加熱部に燃焼排ガス排出部を設けることが好ましい。特に、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定パターンで積層する構成においては、改質部形成用プレート部材の平板部における熱交換部に対し改質原料ガイド部と反対側に、改質ガスを別途所定方向に案内する立壁が立設され他の平板部との間に改質ガス導出部を構成する改質ガスガイド部が形成されると共に、加熱部形成用プレート部材の平板部における熱交換部に対し燃料ガイド部とは反対側に、燃焼排ガスを前記改質部形成用プレート部材の別途所定方向と交差する方向に案内する立壁が立設され他の平板部との間に燃料導入部を構成する排ガスガイド部が形成された構成とすることが好ましい。この構成では、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定パターンで積層することで、並行流型の熱交換器に対する各媒体の出入口を独立して設けることができる。

以上説明したように本発明に係る熱交換型改質器は、加熱部と改質部との熱交換効率が良好である。

本発明の第１の実施形態に係る熱交換型改質器１０について、図１乃至図６に基づいて説明する。先ず、熱交換型改質器１０が適用された燃料電池システム１１の全体システム構成を説明し、次いで、熱交換型改質器１０の詳細構造を説明することとする。

（燃料電池システムの全体構成）
図４には、燃料電池システム１１のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１１は、水素を消費して発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための熱交換型改質器（改質器）１０とを主要構成要素として構成されている。

燃料電池１２は、アノード電極（燃料極）１４とカソード電極（空気極）１６との間に、図示しない電解質を挟んで構成されており、主にアノード電極に供給される水素とカソード電極１６に供給される酸素とを電気化学反応させて発電を行う構成とされている。燃料電池１２としては、種々の形式のものを採用することができるが、この実施形態では、中温域（３００℃〜６００℃程度）で運転されると共に、発電に伴ってカソード電極１６で水が生成されるプロトン伝導型の電解質を有する燃料電池（例えば、固体高分子型や水素分離膜型の燃料電池）が採用されている。

熱交換型改質器１０は、図４に示される如く、燃料電池１２のアノード電極１４に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部としての改質流路１８と、改質流路１８が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部として燃焼流路２０とを含んで構成されている。改質流路１８には、改質触媒２２が担持されており、供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気）を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。

改質流路１８における改質反応には、以下の式（１）乃至（４）で表されるように、式（１）で示す水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（Ｃ_ｘＨ_ｙ）等の可燃性ガス、及び二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。

Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ_２ … （１）
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎ／２Ｏ_２ → ｎＣＯ ＋ ｍ／２Ｈ_２ … （２）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２ … （３）
ＣＯ＋３Ｈ_２ ⇔ ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ … （４）
この改質反応の中で主となる式（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ改質流路１８は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池１２に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。燃焼流路２０は、この改質流路１８における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。燃焼流路２０は、酸化触媒２４を担持して改質流路１８に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒２４接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。また、式（２）の部分酸化反応は発熱反応であり、この部分酸化反応による発熱は、燃焼流路２０からの熱と併せて水蒸気改質反応に供されるようになっている。

熱交換型改質器１０は、燃焼流路２０で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を後述するプレート部５２を介して改質流路１８に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒（流体）を介して改質流路１８を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質流路１８に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。

そして、燃料電池システム１１は、改質流路１８に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ２６を備えており、原料ポンプ２６の吐出部は原料供給ライン２８を介して改質流路１８の原料入口１８Ａに接続されている。炭化水素原料は、上記した改質反応には寄与しない硫黄成分（硫黄化合物）をわずかに含んでいる。この炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段等によって、気相又は微粒化状態で改質流路１８に供給されるようになっている。

また、改質流路１８の改質ガス出口１８Ｂは、下流端がアノード電極１４の燃料入口１４Ａに接続された改質ガス供給ライン３０の上流端に接続されている。これにより、改質流路１８で生成された改質ガスが燃料電池１２のアノード電極１４に供給されるようになっている。一方、アノード電極１４のオフガス出口１４Ｂには、アノードオフガスライン３２の上流端が接続されており、アノードオフガスライン３２の下流端はガス混合器３３の燃料入口３３Ａに接続されている。ガス混合器３３は、後述する支燃ガス供給ライン４６から供給された冷却オフガスとアノードオフガスとを略均一に混合するようになっている。ガス混合器３３の混合ガス出口３３Ｂは、燃焼流路２０の燃料（混合ガス）入口２０Ａに接続されている。

以上により、燃料電池システム１１では、改質流路１８で生成された改質ガス中の水素が燃料電池１２で消費され、この消費された水素を除く残余成分がアノードオフガスとして燃焼流路２０に導入され、そのうちの可燃成分（水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、メタン（ＣＨ_４）、二酸化炭素（ＣＯ_２））が燃焼流路２０で燃料として消費されるようになっている。この燃焼流路２０の排ガス出口２０Ｂには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン３４が接続されている。

また、燃料電池システム１１は、カソード電極１６にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ３６を備えており、カソード用空気ポンプ３６の吐出部は、下流端がカソード電極１６の空気入口１６Ａに接続されたカソード用空気供給ライン３８の上流端が接続されている。さらに、カソード電極１６のオフガス出口１６Ｂには、水蒸気供給ライン４０の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン４０の下流端は、改質流路１８の水蒸気入口１８Ｃ接続されている。これにより、カソード電極１６で生成された水蒸気、該カソード電極１６で消費されなかった酸素を含むカソードオフガスが改質流路１８に供給される構成である。そして、カソードオフガス中の水蒸気が式（１）の水蒸気改質反応に利用され、酸素が式（２）の部分酸化反応に利用されるようになっている。すなわち本実施形態に係る熱交換型改質器１０は、酸素を含有するカソードオフガスを改質流路１８に供給することで、炭化水素減量中の炭素量に対する供給酸素量の割合であるＯ／Ｃ比がある特定の条件で運転される構成とされている。

さらに、燃料電池システム１１は、燃料電池１２に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ４２を備えており、冷却用空気ポンプ４２の吐出部は、下流端が燃料電池１２の冷媒流路（図示省略）の入口１２Ａに接続された冷却用空気ライン４４の上流端に接続されている。この冷媒流路の出口１２Ｂは、支燃ガス供給ライン４６の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン４６は、ガス混合器３３の支燃ガス入口３３Ｃに接続されており、ガス混合器３３に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。これにより、燃焼流路２０では、アノードオフガスライン３２からのアノードオフガスと支燃ガス供給ライン４６からの冷却オフガスとがガス混合器３３にて混合された混合ガスを内蔵した酸化触媒２４に接触させて、触媒燃焼を生じさせる構成とされている。

なお、燃料電池システム１１は、例えば、水蒸気供給ライン４０にカソードオフガス中の水蒸気のみを選択的に透過させる分離膜（ポリイミドやセラミック等の多孔体分離膜）を設けたり、改質用の水蒸気を系外から導入したりすることで、改質流路１８に酸素が供給されない構成又は炭化水素原料中の炭素に対する供給酸素量（Ｏ／Ｃ比）が小さくなる構成とすることができる。これらの構成では、熱交換型改質器１０における改質反応の主反応が水蒸気改質反応となり、部分酸化反応が行われないか又は部分酸化反応による発熱量が極めて小さくなる。

（熱交換型改質器の構成）
図１には、熱交換型改質器１０の積層コア部６５が分解斜視図にて示されている。この図に示される如く、熱交換型改質器１０は、積層された複数の改質部形成用プレート部材、加熱部形成用プレート部材としての単位プレート部材５０、５１間に改質部としての改質流路１８、加熱部としての燃焼流路２０が、単位プレート部材５０、５１の平板部としてのプレート部５２を隔壁として隔てられた独立したガス流路として形成されている。この実施形態では、改質流路１８と燃焼流路２０とは積層方向（プレート部５２の厚み方向）に交互に配置されており、プレート部５２を介して隣接している。以下、具体的に説明する。

単位プレート部材５０は、平板状に形成されたプレート部５２を備えている。プレート部５２は、平面視で、長方形状とされた熱交換部としての並行流部５２Ａの長手方向両側に、それぞれ流れ方向変換部５２Ｂ、５２Ｃが連設されて構成されている。この実施形態では、流れ方向変換部５２Ｂ、５２Ｃは、それぞれ並行流部５２Ａ（長方形）の短辺に底辺を一致させた如き三角形状に形成されており、このためプレート部５２は全体として略六角形状に形成されている。各単位プレート部材５０は、プレート部５２の周縁から改質流路１８の形成側に立設された外壁５４を備えている。

外壁５４は、方向変換部５２Ｂ、５２Ｃの各一辺部分を除きプレート部５２の全周から立設されることで、積層された単位プレート部材５０、５１間に改質流路１８を形成するスペーサ機能、改質流路１８からのガス流出を防止する外壁機能を果たすと共に、流れ方向変換部５２Ｂ側のガス入口５０Ａ、流れ方向変換部５２Ｃ側のガス出口５０Ｂを形成している。ガス入口５０Ａ、ガス出口５０Ｂは、プレート部５２の図心に対し対称に形成されており、それぞれ流れ方向変換部５２Ｂ、５２Ｃにおける外壁５４の長手方向に沿った並行流部５２Ａとは反対向きの矢印Ｃ１方向、矢印Ｃ２方向を向いて開口している。

また、単位プレート部材５０のプレート部５２における改質流路１８の形成側からは、改質流路１８を複数の平行流路に区画する複数の立壁（隔壁）５６が立設されている。各立壁５６は、ガス入口５０Ａからガス出口５０Ｂまで、外壁５４と略平行とされており、改質流路１８を複数の分割流路（マイクロチャンネル）５８に区画する構成とされている。各分割流路５８は、上記したガス入口５０Ａ、ガス出口５０Ｂの対称配置によって、ガス入口５０Ａからガス出口５０Ｂまでの流路長が略一定となるクランク状に形成されている。

そして、各分割流路５８における並行流部５２Ａにおいて該並行流部５２Ａの長手方向に沿う各立壁５６の隔壁部５６Ａにて区画された部分は、それぞれ熱交換流路５８Ａとされている。一方、各分割流路５８における流れ方向変換部５２Ｂから各立壁５６のうち矢印Ｃ１方向に沿う入口ガイド壁５６Ｂが立設された部分は、改質原料ガイド部としての改質原料ガイド流路５８Ｂとされている。さらに、各分割流路５８における流れ方向変換部５２Ｃから各立壁５６のうち矢印Ｃ２方向に沿う出口ガイド壁５６Ｃが立設された部分は、改質ガスガイド部としての改質ガスガイド流路５８Ｃとされている。

単位プレート部材５１は、単位プレート部材５０を構成するプレート部５２と同じ形状のプレート部５２を備えており、またプレート部５２の周縁から燃焼流路２０の形成側に立設された外壁６０を備えている。外壁６０は、方向変換部５２Ｂ、５２Ｃにおける各一辺部分を除きプレート部５２の全周から立設されることで、積層された単位プレート部材５１、５０間に燃焼流路２０を形成するスペーサ機能、燃焼流路２０からのガス流出を防止する外壁機能を果たすと共に、流れ方向変換部５２Ｂ側のガス入口５１Ａ、流れ方向変換部５２Ｃ側のガス出口５１Ｂを形成している。

ガス入口５１Ａは、並行流部５２Ａに対し単位プレート部材５０のガス入口５０Ａと長手方向の同じ側（図１の矢印Ａ側）において、ガス入口５０Ａが開口する矢印Ｃ１方向とは異なる（並行流部５２Ａの長手方向に対し対称となる）矢印Ｄ１方向を向いて開口するように形成されている。また、ガス出口５１Ｂは、並行流部５２Ａに対し単位プレート部材５０のガス出口５０Ｂと長手方向の同じ側（図１の矢印Ｂ側）において、ガス出口５０Ｂが開口する矢印Ｃ２方向とは異なる（並行流部５２Ａの長手方向に対し対称となる）矢印Ｄ２方向を向いて開口するように形成されている。

また、単位プレート部材５１のプレート部５２における改質流路１８の形成側からは、燃焼流路２０を複数の平行流路に区画する複数の立壁（隔壁）６２が立設されている。各立壁６２は、ガス入口５１Ａからガス出口５１Ｂまで、外壁６０と略平行とされており、燃焼流路２０を複数の分割流路（マイクロチャンネル）６４に区画する構成とされている。各分割流路６４は、上記したガス入口５１Ａ、ガス出口５１Ｂの対称配置によって、ガス入口５１Ａからガス出口５１Ｂまでの流路長が略一定となるクランク状に形成されている。

そして、各分割流路６４における並行流部５２Ａにおいて該並行流部５２Ａの長手方向に沿う各立壁５６の隔壁部６２Ａにて区画された部分は、それぞれ熱交換流路６４Ａとされている。一方、各分割流路６４における流れ方向変換部５２Ｂから各立壁６２のうち矢印Ｄ１方向に沿う入口ガイド壁６２Ｂが立設された部分は、燃料ガイド部としての混合ガスガイド流路６４Ｂとされている。さらに、各分割流路６４における流れ方向変換部５２Ｃから各立壁６２のうち矢印Ｄ２方向に沿う出口ガイド壁６２Ｃが立設された部分は、燃焼排ガスガイド部としての燃焼排ガスガイド流路６４Ｃとされている。

以上説明した熱交換型改質器１０は、上記の通りガス入口５０Ａ、５１Ａが並行流部５２Ａ（熱交換流路５８Ａ、６４Ａ）に対する同じ側（矢印Ａ側）に位置すると共に、ガス出口５０Ｂ、５１Ｂが並行流部５２Ａに対する同じ側（矢印Ｂ側）に位置することで、各層の熱交換流路５８Ａ、熱交換流路６４Ａでのガス流れ方向がそれぞれ同じ方向（矢印Ｆ方向）とされている。

また、以上説明した単位プレート部材５０、単位プレート部材５１は、例えばステンレス鋼などの金属材や中実の（多孔体ではない）セラミック材にて、各部（プレート部５２・外壁５４・立壁５６、又はプレート部５２・外壁６０・立壁６２）が一体的に形成されている。また、それぞれ複数の単位プレート部材５０と単位プレート部材５１とは、積層された状態でプレート部５２と外壁５４又は外壁６０（各立壁５６、６２）とが、例えばロウ材を用いたろう付けや拡散接合によって気密に接合されて、熱交換型改質器１０の積層コア部６５を構成している。なお、図２に示される如く、熱交換型改質器１０は、この実施形態では、最上部には外壁５４等が立設されない平板状のプレート部５２（カバー）が積層されて、改質流路１８を閉止している。

図２に示される如く、積層コア部６５には、各層のガス入口５０Ａが開口する集合空間を形成する改質入口マニホルド６６が接続されている。また、積層コア部６５には、各層のガス出口５０Ｂが開口する集合空間を形成する改質出口マニホルド６８が接続されている。さらに、積層コア部６５には、各層のガス入口５１Ａが開口する集合空間を形成する燃焼入口マニホルド７０が接続されている。さらにまた、積層コア部６５には、各層のガス出口５１Ｂが開口する集合空間を形成する燃焼出口マニホルド７２が接続されている。各マニホルド６６、６８、７０、７２は、それぞれ矩形筒状に形成され、一方の開口端が最上下層のプレート部５２及び各層の外壁５４、外壁６０の端部にロウ付け等によって接合されている。

改質入口マニホルド６６には、改質原料（炭化水素）及び水蒸気（カソードオフガス）を導入するための原料入口１８Ａ及び水蒸気入口１８Ｃが設けられており、改質出口マニホルド６８には、改質ガスを放出するための改質ガス出口１８Ｂが設けられている。また、燃焼入口マニホルド７０には、ガス混合器３３からの混合ガスを導入するための燃料入口２０Ａが設けられており、燃焼出口マニホルド７２には、燃焼排ガスを排出するための排ガス出口２０Ｂが設けられている。

そして、以上説明した熱交換型改質器１０（積層コア部６５）は、単位プレート部材５０における分割流路５８の内面に改質触媒２２が担持されており、単位プレート部材５１における分割流路６４の内面に酸化触媒２４が担持されている。各立壁５６、６２の図示を省略した分解平面図である図３に示される如く、改質触媒２２は、分割流路５８（改質流路１８）におけるガス入口５０Ａ側の一部を除く所定範囲に亘って担持されており、酸化触媒２４は、分割流路６４（燃焼流路２０）におけるガス入口５１Ａ側の一部を除く所定範囲に亘って担持されている。

より具体的には、図３に示される如く、改質触媒２２は、改質原料が供給されるガス流れ方向の上流側（矢印Ａ側）の端部である上流側担持端２２Ａが、各分割流路５８における熱交換流路５８Ａ（並行流部５２Ａ）と改質原料ガイド流路５８Ｂ（流れ方向変換部５２Ｂ）との境界部に略一致している。一方、酸化触媒２４は、燃料が供給されるガス流れ方向の上流側（矢印Ａ側）の端部である上流側担持端２４Ａが、各分割流路６４における熱交換流路６４Ａ（並行流部５２Ａ）と混合ガスガイド流路６４Ｂ（流れ方向変換部５２Ｂ）との境界部に略一致している。なお、酸化触媒２４の上流側担持端２４Ａは、改質触媒２２の上流側担持端２２Ａと一致するか、該上流側担持端２２Ａよりも若干下流側に位置している。

熱交換型改質器１０では、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示される如く、積層コア部６５をガス出口５０Ｂ、ガス出口５１Ｂ側からスラリ状の触媒担体７５を貯留した貯槽７６に浸漬することで、改質流路１８の分割流路５８と燃焼流路２０の分割流路６４とに触媒担体を設置し、その後各分割流路５８、６４に設置された触媒担体７５に改質触媒２２、酸化触媒２４を担持させている。上流側担持端２２Ａ、上流側担持端２４Ａ（制御ライン）で触媒担体を停止させるために、各分割流路５８、６４の代表的な一部又は全部に配置され触媒担体を検出する触媒センサ７４の検出信号を用いている。この熱交換型改質器１０の製造方法を具体的に説明する。

熱交換型改質器１０を製造するに当たっては、図２に示される如く単位プレート部材５０、５１を交互に積層し、各外壁５４、６０の自由端を隣接する単位プレート部材５０、５１のプレート部５２に接合する。これにより、積層コア部６５が形成される。次いで、図５（Ａ）に示される如く、積層コア部６５の各分割流路５８、６４に触媒担持位置センサ７４をセットする。触媒担持位置センサ７４は、その先端に設けられたスラリ検知部７４Ａに触媒担体が接触すると図示しない報知手段（表示装置や報知音発生装置等）にＯＮ信号を出力するようになっている。したがって、触媒担持位置センサ７４は、スラリ検知部７４Ａが各分割流路５８、６４における改質触媒２２の上流側担持端２２Ａ、酸化触媒２４の上流側担持端２４Ａの制御目標位置に位置するように、ガス入口５０Ａ、５１Ａ側から代表的な一部の分割流路５８、６４に挿入される。

このように触媒担持位置センサ７４がセットされた積層コア部６５をガス出口５０Ｂ、ガス出口５１Ｂ側から貯槽７６内の触媒担体７５に浸漬する。マイクロチャンネル構造の積層コア部６５では、毛管現象によって各分割流路５８、６４内の触媒担体７５の表面が貯槽７６内の表面よりも高位になることを考慮して、報知手段からの報知があるまで（触媒担持位置センサ７４が触媒担体７５を検知するまで）、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示される如く、徐々に（低速で）積層コア部６５を触媒担体７５に浸漬させる。報知手段の作動後は、積層コア部６５を貯槽７６から引き上げ、余剰の触媒担体７５をガス入口５０Ａ、５１からのエアブロー等によって各分割流路５８、６４から除去する。

次いで、図５（Ｃ）に示される如く、ガス出口５０Ｂから各分割流路５８内に改質触媒２２を供給して、各分割流路５８内の触媒担体７５に改質触媒２２を担持させる。また、ガス出口５１Ｂから各分割流路６４内に酸化触媒２４を供給して、各分割流路６４内の触媒担体７５に酸化触媒２４を担持させる。これにより、各分割流路５８における熱交換流路５８Ａ、改質ガスガイド流路５８Ｃに改質触媒２２が担持されると共に改質原料ガイド流路５８Ｂには改質触媒２２が担持されず、かつ各分割流路６４における熱交換流路６４Ａ、燃焼排ガスガイド流路６４Ｃに酸化触媒２４が担持されると共に混合ガスガイド流路６４Ｂには酸化触媒２４が担持されない積層コア部６５が構成されている。

そして、積層コア部６５における各層のガス入口５０Ａ、５１Ａ、ガス出口５０Ｂ、５１Ｂの開口部に、改質入口マニホルド６６、燃焼入口マニホルド７０、改質出口マニホルド６８、燃焼出口マニホルド７２を接合する。これにより、図２に示される如き熱交換型改質器１０の製造が完了する。

次に、実施形態の作用を説明する。

上記構成の燃料電池システム１１では、原料ポンプ２６、カソード用空気ポンプ３６の作動によって、原料供給ライン２８から熱交換型改質器１０の改質流路１８に炭化水素原料、水蒸気（カソードオフガス）が導入される。熱交換型改質器１０の改質流路１８内では、燃焼流路２０からの熱供給を受けつつ導入された炭化水素原料を水蒸気と共に改質触媒２２に接触させることで式（１）の水蒸気改質反応、式（２）の部分酸化反応を含む改質反応（上式（１）〜（４）参照）が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。

改質流路１８で生成された改質ガスは、アノード電極１４の燃料入口１４Ａからアノード電極１４に供給される。燃料電池１２では、アノード電極１４に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質を経由してカソード電極１６に移動して該カソード電極１６に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極１４から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。

この発電によって燃料電池１２では、アノード電極１４に供給された改質ガス中の水素、カソード電極１６に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量（負荷の電力消費量）に応じて消費され、カソード電極１６では水（運転温度において水蒸気）が生成される。この水蒸気を含むガスは、上記の通りカソードオフガスとしてカソード電極１６から水蒸気供給ライン４０に押し出され、水蒸気入口１８Ｃから改質流路１８に導入される。

一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード電極１４から排出され、このアノードオフガスは、アノードオフガスライン３２を経由して、熱交換型改質器１０の燃焼流路２０に供給される。また、燃焼流路２０には、支燃ガス供給ライン４６から燃料電池１２を冷却した後の冷却オフガスが供給される。この燃焼流路２０では、燃料であるアノードオフガス中の可燃成分を、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスと共に酸化触媒２４に接触させることで触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、プレート部５２を介して改質流路１８に供給される。この熱によって改質流路１８では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度（改質ガス温）を改質反応に必要な温度に保つ。

以上により、燃料電池システム１１では、熱交換型改質器１０に炭化水素原料を供給すると共に、燃料電池１２の各排出ガス（水蒸気を含むカソードオフガス、可燃成分を含むアノードオフガス、酸素を含む冷却オフガス）を有効利用して、該燃料電池１２に供給する水素を生成する熱交換型改質器１０の運転を維持する。

ところで、改質流路１８における改質反応は、改質原料の入口側すなわち改質触媒２２担持範囲の上流側担持端２２Ａ側で吸熱のピークを生じる。また、燃焼流路２０における燃焼反応は、燃料の入口側すなわち酸化触媒２４担持範囲の上流側担持端２４Ａ側で発熱のピークを生じる。このため、例えば、直交流型の熱交換型改質器では、改質部と加熱部とでガス流れ方向が交差するので、構造上、局所的な高温部が発生してしまう問題がある。また例えば、対向流型の熱交換型改質器は、改質部と加熱部との吸発熱のピークが熱交換部におけるガス流方向反対側の端部で生じるので、改質器における熱交換器としては不向きである。

ここで、熱交換型改質器１０では、改質流路１８の熱交換流路５８Ａと燃焼流路２０の熱交換流路６４Ａとでガス流れ方向が同じである並行流型熱交換器を構成しているため、換言すれば、改質反応において改質原料が供給されるガス入口５０Ａ側で生じる吸熱のピークと、燃焼反応において燃料が供給されるガス入口５１Ａ側で生じる発熱のピークとをガス流れ方向の同じ側に制御することができるため、改質流路１８と燃焼流路２０との間の熱交換効率が向上する。これにより、熱交換型改質器１０では、燃焼流路２０での発熱を有効に利用して効率的に改質による水素生成を行うことができる。

このように、第１の実施形態に係る熱交換型改質器１０では、燃焼流路２０と改質流路１８との熱交換効率が良好である。

またここで、熱交換型改質器１０では、実質的に並行流型熱交換器を構成する熱交換流路５８Ａ、６４Ａの上流側に位置する改質原料ガイド流路５８Ｂと混合ガスガイド流路６４Ｂとが交差流熱交換部を構成しているため、この熱交換によって変動に対し安定した運転が可能になる（ロバスト性が向上する）。図６に実験例を示す。図６は、供給される混合ガスの温度が４００℃で一定である場合の分割流路６４のガス流れ方向各部温度分布を示す線図であって、実線は分割流路５８に供給される改質原料の温度が６００℃の場合、破線は分割流路５８に供給される改質原料の温度が４００℃の場合を示している。この図から、分割流路５８への流入ガス温度が２００℃変化しても、分割流路６４の最高温度の上昇は３０℃に抑えられることが判る。すなわち、熱交換型改質器１０では、ガス入口温度に依存した反応場温度の急変を効果的に抑制することができる。

さらに、熱交換型改質器１０では、改質原料ガイド流路５８Ｂと混合ガスガイド流路６４Ｂとが構成する交差流熱交換部に改質触媒２２、酸化触媒２４が担持されていないため、改質原料ガイド流路５８Ｂ、混合ガスガイド流路６４Ｂで改質反応、燃焼反応が生じることがない。このため、直交流型の熱交換型改質装置では問題となる吸発熱位置のアンバランスに起因する局所的な高温部位の発生が防止される。改質原料ガイド流路５８Ｂ、混合ガスガイド流路６４Ｂに改質触媒２２、酸化触媒２４を担持した構成では、各分割流路５８（改質出口マニホルド６８）から排出される改質ガスの温度が６５０℃に制御した場合の改質原料ガイド流路５８Ｂの最高温度が略８００℃であったのに対し、熱交換型改質器１０では、各分割流路５８（改質出口マニホルド６８）から排出される改質ガスの温度が６５０℃に制御した場合の改質原料ガイド流路５８Ｂの最高温度が略１８０℃である実験結果が得られた。

以上により、熱交換流路５８Ａと熱交換流路６４Ａとで構成する並行流熱交換部の上流に改質原料ガイド流路５８Ｂ、混合ガスガイド流路６４Ｂで構成する交差流熱交換部（擬似直交流部）を設けることで、改質流路１８と燃焼流路２０との理想的な反応場（熱バランス）を形成することができ、しかもシステムとしてのロバスト性を向上することが実現された。

また、触媒担持位置センサ７４を用いて触媒担体７５の設置範囲すなわち改質触媒２２、酸化触媒２４の担持範囲を制御するため、改質触媒２２、酸化触媒２４の上流側担持端２２Ａ、２４Ａを精度良く形成することができる。すなわち、多数の単位プレート部材５０、５１を積層した積層コア部６５では、各分割流路５８、６４の内部を目視することができないが、触媒担持位置センサ７４を用いることで、図７（Ａ）に示される如く改質原料ガイド流路５８Ｂ、混合ガスガイド流路６４Ｂに触媒が担持されてしまったり、図７（Ｂ）に示される如く熱交換流路５８Ａ、６４Ａへの触媒担持量が不足したり、図７（Ｃ）に示される如く改質触媒２２と酸化触媒２４との担持範囲が大きく異なってしまうことが防止される。

また、熱交換型改質器１０の積層コア部６５では、実質的に並行流型熱交換器を構成する熱交換流路５８Ａ、６４Ａの上流側に位置する改質原料ガイド流路５８Ｂと混合ガスガイド流路６４Ｂとが交差流（擬似直交流）部を構成しているため、各層で開口面を一致させたガス入口５０Ａと各層で開口面を一致させたガス入口５１Ａとを、開口方向が異なる独立した開口部として構成することができた。これにより、上記の如く吸発熱のバランスが良好な並行流型でありながら、各層のガス入口５０Ａが開口する集合空間を形成する改質入口マニホルド６６、各層のガス入口５１Ａが開口する集合空間を形成する燃焼入口マニホルド７０を接続する構成が実現された。このため、各層のガス入口５０Ａ、５１Ａに個別に改質原料、混合ガス（燃料としてのアノードオフガス）を供給する構成と比較して、各分割流路５８、６４への流量分配の均一性を向上することができる。

特に、燃焼入口マニホルド７０を設けることで、各分割流路６４（燃焼流路２０）に混合ガスを供給するガス混合器３３をガス入口５１Ａの直前に配置することが可能となる。このようなガス混合器３３を、単位プレート部材５０、５１から流れ方向変換部５２Ｃ、出口ガイド壁５６Ｃ、６２Ｃを取り除いた如き単位プレートを交互に積層して構成されたマイクロチャンネル構造の下流に設けた混合空間として構成すれば、該ガス混合器３３を燃焼入口マニホルド７０（に連続する矩形断面配管）内に配設（構成）することが可能となる。

さらに、熱交換型改質器１０の積層コア部６５では、実質的に並行流型熱交換器を構成する熱交換流路５８Ａ、６４Ａの下流側に位置する改質ガスガイド流路５８Ｃと燃焼排ガスガイド流路６４Ｃとが交差流（擬似直交流）部を構成しているため、ガス出口５０Ｂ、５１Ｂを開口方向が異なる独立した開口部として構成することができた。これにより、上記の如く吸発熱のバランスが良好な並行流型でありながら、各層のガス出口５０Ｂが開口する集合空間を形成する改質出口マニホルド６８、各層のガス出口５１Ｂが開口する集合空間を形成する燃焼出口マニホルド７２を接続する構成が実現された。このため、上記した改質入口マニホルド６６、燃焼入口マニホルド７０の設置効果をと併せて、各層のガス出口５０Ｂ、５１Ｂから個別に改質ガス、燃焼排ガスを排出する構成と比較して、各分割流路５８、６４への流量分配の均一性を一層向上することができる。

なお、上記各実施形態では、熱交換型改質器１０が燃料電池システム１１に適用された例を示したが、本発明はこれに限定されず、改質原料から水素含有ガスを得るための各種熱交換型改質器であれば足り、用途によって限定されることはない。

また、上記各実施形態では、改質流路１８を形成するための単位プレート部材５０と燃焼流路２０を形成するための単位プレート部材５１とを交互に積層して熱交換型改質器１０、７０、８０、９０を構成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、２層の改質流路１８に対し１層の燃焼流路２０が配置されるように単位プレート部材５０、単位プレート部材５１を積層しても良い。

さらに、上記各実施形態では、略矩形状の並行流部５２Ａ（熱交換流路５８Ａ、６４Ａ）に対し略三角形状の流れ方向変換部５２Ｂ、５２Ｃ（ガスガイド流路５８Ｂ、６４Ｂ、５８Ｃ、６４Ｃ）が一体化された単位プレート部材５０、５１を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、各種形状の流れ方向変換部５２Ｂ、５２Ｃを設けることができる。また、これら流れ方向変換部５２Ｂ等と共にガスガイド流路５８Ｂ等を構成するガイド壁５６Ｂ等は、直線形状ある構成には限定されず、例えば湾曲形状等としても良い。

本発明の実施形態に係る熱交換型改質器の要部を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る熱交換型改質器の斜視図である。 本発明の実施形態に係る熱交換型改質器の要部を示す分解平面図である。 本発明の実施形態に係る熱交換型改質器が適用された燃料電池システムの概略システムフロー図である。 本発明の実施形態に係る熱交換型改質器の触媒担持過程を示す図であって、（Ａ）は触媒担体の流入状態を示す模式図、（Ｂ）は触媒担体の流入停止状態の模式図、（Ｃ）は触媒導入状態の模式図である。 本発明の実施形態に係る熱交換型改質器の燃焼流路の温度分布を示す線図である。 （Ａ）〜（Ｃ）のそれぞれは、触媒担持の不具合例を示す模式図である。

符号の説明

１０ 熱交換型改質器
１８ 改質流路（改質部）
２０ 燃焼流路（加熱部）
２２ 改質触媒
２４ 酸化触媒
５０ 単位プレート部材（改質部形成用プレート部材）
５０Ａ ガス入口（改質原料の供給口）
５０Ｂ ガス出口（改質ガスの排出口）
５１ 単位プレート部材（加熱部形成用プレート部材）
５１Ｂ ガス出口（燃料の供給口）
５１Ａ ガス入口（燃焼排ガスの排出口）
５２ プレート部（平板部）
５６ 立壁
５８ 分割流路（改質部）
５８Ａ 熱交換流路（熱交換部）
５８Ｂ 改質原料ガイド流路（改質原料ガイド部）
６２ 立壁
６４ 分割流路（加熱部）
６４Ａ 熱交換流路（熱交換部）
６４Ｂ 混合ガスガイド流路（燃料ガイド部）
６５ 積層コア部
６６ 改質入口マニホルド（改質原料用マニホルド）
７０ 燃焼入口マニホルド（燃料用マニホルド）

Claims (6)

1. 改質反応用の改質触媒がスラリ状の触媒担体を介して担持され、水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された改質原料から水素を含有する改質ガスを生成するための改質部と、
   前記改質部のガス流と同じ方向のガス流を生じさせるように隔壁を介して前記改質部に隣接されると共に触媒燃焼用の酸化触媒がスラリ状の触媒担体を介して担持され、供給された燃料の触媒燃焼に伴って生じた熱を前記改質部に供給するための加熱部と、
   一端側が前記改質原料の供給口とされると共に他端側が前記改質部における前記改質原料の流入側に連続した改質原料導入部と、
   一端側が前記燃料の供給口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃料の流入側に連続し、前記改質原料導入部による改質原料の流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃料を前記加熱部に導く燃料導入部と、
   を備えた熱交換型改質器。
2. 前記燃料導入部は、全体が前記酸化触媒の非担持領域とされている請求項１記載の熱交換型改質器。
3. 前記改質部と加熱部とは、それぞれ複数設けられて少なくとも一部が隣接するように積層されており、
   前記改質原料導入部は、前記改質部の各層に設けられて前記改質原料の供給口の開口面を一致させており、
   燃料導入部は、前記加熱部の各層に設けられて前記燃料の供給口の開口面を一致させている請求項１又は請求項２記載の熱交換型改質器。
4. 平板状に形成された平板部に、他の平板部との間に前記改質部を構成する熱交換部と、前記熱交換部に対する前記改質原料の供給側において該改質原料を所定方向に案内する立壁が立設され前記他の平板部との間に前記改質原料導入部を構成する改質原料ガイド部とが形成されている改質部形成用プレート部材と、
   平板状に形成された平板部に、他の平板部との間に前記加熱部を構成する熱交換部と、前記熱交換部に対する前記燃料の供給側において該燃料を前記改質部形成用プレート部材の所定方向と交差する方向に案内する立壁が立設され前記他の平板部との間に前記燃料導入部を構成する燃料ガイド部とが形成されている加熱部形成用プレート部材と、
   を所定のパターンで積層することで構成されている積層コア部を含む請求項３記載の熱交換型改質器。
5. 前記複数の改質原料導入部の改質原料の供給口が開口する集合空間を形成し、該複数の改質原料導入部に改質原料を分散して供給するための改質原料用マニホルドと、
   前記複数の燃料導入部の燃料の供給口が開口する集合空間を形成し、該複数の燃料導入部に燃料を分散して供給するための燃料用マニホルドと、
   をさらに備えた請求項３又は請求項４記載の熱交換型改質器。
6. 一端側が前記改質ガスの排出口とされると共に他端側が前記改質部における前記改質ガスの流出側に連続した改質ガス導出部と、
   一端側が前記加熱部の燃焼排ガスの排出口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃焼排ガスの排出側に連続し、前記改質ガス導出部による改質ガスの流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃焼排ガスを前記燃焼排ガスの排出口に導く燃焼排ガス排出部と、
   をさらに備えた請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の熱交換型改質器。

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