KR101856299B1 - 연료전지 스택 인클로저 - Google Patents

연료전지 스택 인클로저 Download PDF

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Abstract

외부 공기와의 접촉을 차단시킨 밀폐구조로 외부 이물질 유입을 방지할 수 있으며, 수밀 성능을 유지하여 내부의 연료전지 스택의 성능을 최적으로 유지할 수 있는 연료전지 스택 인클로저가 개시된다. 상기 연료전지 스택 인클로저는, 연료전지 스택의 하부에 배치되며, 배수구가 형성된 하부면을 갖는 하부 하우징; 상기 하부 하우징의 외부에서 상기 배수구를 폐쇄하는 실링캡; 및 상기 실링캡에 상기 하부 하우징 방향으로의 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함한다.

Description

연료전지 스택 인클로저{FUEL CELL STACK ENCLOSURE}
본 발명은 연료전지 스택 인클로저에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 공기와의 접촉을 차단시킨 밀폐구조로 외부 이물질 유입을 방지할 수 있으며, 수밀 성능을 유지하여 내부의 연료전지 스택의 성능을 최적으로 유지할 수 있는 연료전지 스택 인클로저에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제(산소)를 공급하기 위해 공기를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 셀이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 셀은 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리 (MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치한다. 그리고 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다. 또한, 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드와 대면하는 막-전극 어셈블리의 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치한다. 그리고 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치한다. 그리고 스택의 양단에는 엔드 플레이트가 위치하여 적층된 셀의 구조를 잡아준다.
연료전지 스택은 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소가 공급되는 전극에서는 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 공기가 공급되는 전극에서는 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응이 일어난다. 일반적으로, 연료 전지에 사용되는 전극 촉매는 탄소 재료로 구성된 촉매 지지체에 백금 촉매와 조촉매(Ru, Co, Cu 등)를 포함하는 촉매가 주로 사용된다. 즉, 수소는 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급된다. 따라서 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해된다. 그리고 이 중에서 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 이와 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통하여 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 결합하여 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이 때 일어나는 수소 이온의 이동에 의해, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 물 이외에 열도 부수적으로 발생하게 된다.
한편, 일반적으로 상기 고전압이 형성되는 스택을 물리적으로 보호하기 위해 인클로저로 연료전지 스택을 하우징을 하여 밀폐 구조를 형성한다. 하지만, 인클로저 내부와 외부의 온도차로 인한 결로 현상에 의해 인클로저 내부에 물이 생성될 수 있으며, 연료전지 스택 자체에서 발생하는 물 중 일부가 인클로저 내로 유출될 수 있으므로, 인클로저 내부의 물을 인클로저 외부로 배출하기 위한 수단이 필요하다.
종래에는, 인클로저 내부의 수분(물)을 배출하기 위한 수단으로서, 인클로저의 하부 하우징에 제습용 홀을 형성하였다. 그러나, 이러한 종래의 제습용 홀은 외부의 이물질이 인클로져 내부로 유입시킬 수 있어 연료전지 스택의 기능적 문제를 발생시킬 수 있는 문제가 있었다. 특히, 종래의 제습용 홀은 그 위치, 크기 및 개수에 따라 제습 성능이 좌우되고, 홀의 개수가 증가함에 따라 제습 효과가 증대하는 대신 밀폐 성능이 저하되는 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1526421 B JP 2008-084564 A
이에 본 발명은, 외부 공기와의 접촉을 차단시킨 밀폐구조로 외부 이물질 유입을 방지할 수 있으며, 수밀 성능을 유지하여 내부의 연료전지 스택의 성능을 최적으로 유지할 수 있는 연료전지 스택 인클로저를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
연료전지 스택의 하부에 배치되며, 배수구가 형성된 하부면을 갖는 하부 하우징;
상기 하부 하우징의 외부에서 상기 배수구를 폐쇄하는 실링캡; 및
상기 실링캡에 상기 하부 하우징 방향으로의 탄성력을 제공하는 탄성부재;
를 포함하는 연료전지 스택 인클로저를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하부 하우징은, 외곽에서 중심부로 갈수록 하부 방향으로 기울어진 경사면을 포함하며, 상기 하부면은 상기 경사면의 단부에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 경사면과 하부면은 연료전지 스택 인클로저 내부의 물이 저장되는 저장 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 탄성 부재는, 상기 하부면 상에 저장된 물의 하중이 사전 설정된 크기 이상인 경우 인장되어 상기 실링캡을 하부로 밀어내면서 상기 저장된 물을 외부로 배출되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 연료전지 스택과 상기 하부면 사이에 배치되는 제습 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 연료전지 스택과 상기 하부면 사이에 배치되는 필터 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 필터 부재와 상기 하부면 사이에 배치되는 제습 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 필터 부재는 다공체 막 또는 부직포 또는 종이로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배수구는 상기 하부면의 하부로 연장된 관 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실링캡은 상기 배수구의 단면적보다 넓은 면적을 갖는 판상부 및 상기 판상부로부터 상기 배수구 내로 연장되어 상기 배수구의 내주면과 대면하는 측면을 갖는 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
연료전지 스택의 하부에 배치되며, 배수구가 형성된 하부면을 갖는 하부 하우징;
상기 하부 하우징의 외부에서 상기 배수구를 폐쇄하는 실링캡;
상기 실링캡에 상기 하부 하우징 방향으로의 탄성력을 제공하는 탄성부재;
상기 연료전지 스택과 상기 하부면 사이에 배치되는 필터 부재; 및
상기 필터 부재와 상기 하부면 사이에 배치되는 제습 부재;를 포함하며,
상기 탄성 부재는, 상기 하부면 상에 저장된 물의 하중이 사전 설정된 크기 이상인 경우 인장되어 상기 실링캡을 하부로 밀어내면서 상기 저장된 물을 외부로 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저를 제공한다.
상술한 바와 수단을 갖는 연료전지 스택 인클로저에 따르면, 추가적인 전원이나 구동력 없이 연료전지 스택 인클로저 내부의 물 배출을 구현할 수 있어 시스템을 단순화 할 수 있고, 차량이 정지 시에도 작동이 가능하므로 수분에 의한 문제를 현저하게 감소시킬 수 있다.
특히, 상기 연료전지 스택 인클로저에 따르면, 제습 부재에 의해 연료전지 스택의 여러 작동 조건에서도 일정 수준의 건조상태를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 수분이 저장되지 않은 정상 상태에서는 실링캡에 의해 밀폐 구조가 유지되므로 이물질 등으로부터 연료전지 스택을 효과적으로 보호할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 하부 하우징을 도시한 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 하부 하우징 중 배수구 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 물 배출 상태를 도시한 측단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 하부 하우징을 도시한 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 하부 하우징 중 배수구 부분을 확대 도시한 도면이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 측단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저는, 하부 하우징(10)과, 실링캡(20) 및 탄성부재(30)를 포함하여 구성된다.
하부 하우징(10)은 연료전지 스택 인클로저의 하부에 배치되는 것으로, 측면부 하우징 및 상부 하우징과 결합하여 내부에 연료전지 스택을 배치할 수 있는 밀폐된 공간을 형성할 수 있다. 즉, 하부 하우징(10)은 연료전지 스택 인클로저의 하부에 배치되는 하우징으로 그 상부에 연료전지 스택이 배치된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 하부 하우징(10)은 배수구(H)가 형성된 하부면(11)을 갖는다. 하부면(11)의 상부, 즉, 연료전지 스택과 하부면(11) 사이의 공간에는 연료전지 스택 인클로저 내부에서 생성되는 물이 저장되었다가 특정 조건이 만족되는 경우 배수구(H)를 통해 연료전지 스택 인클로저의 외부로 배출될 수 있다. 물이 배출되는 작용에 대해서는 후술하기로 한다.
특히, 하부 하우징(10)은 그 외곽에서 중심부로 갈수록 하부 방향으로 기울어진 경사면(12)을 포함하며, 경사면(12)의 단부는 하부면(11)과 연결되는 구조를 가질 수 있다. 경사면(12)과 하부면(11)은 연료전지 스택 인클로저 내부의 물이 저장되는 저장 공간(S)을 형성할 수 있다. 경사면(12)에 의해 하부면(11)에 형성된 배수구(H) 방향으로 물이 흐를 수 있는 경로가 형성되며, 이후 배수구(H)를 통해 물이 배출될 때 물의 배출을 더욱 용이하게 할 수 있다.
실링캡(20)은 하부 하우징(10)의 외부에서 배수구(H)를 폐쇄하도록 배치된다. 실링캡(20)은 연료전지 스택 인클로저 내부에 물이 저장되지 않은 경우 배수구(H)를 폐쇄하여 연료전지 스택 인클로저 내부의 밀폐 상태를 확고하게 구현하기 위해 탄성을 갖는 재질인 고무 또는 실리콘 등으로 제작될 수 있다. 또한, 밀폐 상태를 견고하게 유지할 수 있도록 배수구(H)의 면적보다 넓은 면적을 갖는 판상부(21)와 상기 판상부(21)로부터 배수구(H) 내로 연장되어 배수구의 내주면과 대면하는 측면을 갖는 돌출부(22)로 구성될 수 있다.
이러한 구조의 실링캡(20)을 더욱 효과적으로 적용하기 위해, 배수구(H)는 하부면(11)의 하부로 연장된 관 형태를 갖는 것이 바람직하며, 배수구(H)를 구성하는 관의 단부에 실링캡(20)이 배치될 수 있다.
탄성부재(30)는 일단이 하부면(11)의 하부에 결합되고 타단이 실링캡(20)에 결합되어, 실링캡(20)에 탄성력을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 연료전지 스택 인클로저는 물을 배출하는 경우를 제외하고는 밀폐 구조를 유지하여야 하므로, 탄성부재(30)가 실링캡(20)으로 제공하는 탄성력은 상부 방향, 즉 연료전지 스택 인클로저의 방향으로 실링캡(20)에 탄성력을 제공하는 것이 바람직하다.
상기 탄성부재(30)는 코일 스프링의 형태로 구현될 수 있으며, 코일 스프링은 배수구(H)가 하부면의 하부로 연장된 관의 형상을 갖는 경우, 관 형상의 배수구(H) 외측을 감싸는 형태로 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저의 물 배출 상태를 도시한 측단면도이다.
전술한 것과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태는 연료전지 스택 인클로저 내에 물이 발생하게 되는 경우 중력에 의하여 하부 하우징(10)의 하부면 상으로 물이 포집될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태는, 포집된 물의 하중이 탄성부재인 코일 스프링의 스프링 상수에 따라 사전에 결정되는 소정 크기 이상인 경우, 스프링(30)이 하부 방향으로 인장되면서 실링캡(20)을 하부로 밀어내어 배수구(H)가 개방됨으로써, 도 4에 도시된 것과 같이 포집된 물(H2)이 연료전지 스택 인클로저의 외부로 배출될 수 있다. 물 배출 이후 스프링(30)의 탄성 복원력에 의해 실링캡(20)은 다시 배수구(H)를 폐쇄하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시형태는 제습 부재(40)와 필터 부재(50)를 더 포함할 수 있다. 도 1 및 도 3에 도시된 실시형태는 제습 부재(40)와 필터 부재(50)를 모두 포함하는 예에 관한 것이나, 다른 실시형태에서는 제습 부재(40)와 필터 부재(50) 중 하나만 포함할 수도 있다.
제습 부재(40)와 필터 부재(50)는 기본적으로 연료전지 스택과 하부면(11) 사이에 배치될 수 있으며, 제습 부재(40)와 필터 부재(50)를 모두 포함하는 예에서는 연료전지 스택과 제습 부재(40) 사이에 필터 부재(50)가 배치될 수 있다.
제습 부재(40)는 연료전지 스택 인클로저 내부에서 발생된 수분, 습기를 흡수하여 제습하는 기능을 한다. 제습 부재(40)는 조해성 물질인 벤토나이트 점토(Bentonite clay), 염화 칼슘(CaCl), 수산화 나트륨(NaOH) 등의 성분을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시형태는 제습 부재(40)를 안착시키기 위한 제습제 안착용 다공 플레이트(60)를 포함할 수 있다.
제습 부재(40)는 연료전지 스택 인클로저 내부에서 발생된 수분을 흡수하지만, 연료전지 스택 인클로저 내부에서 생성되는 수분이 제습 부재(40)가 갖는 수분 포집력을 벗어 나거나 제습 부재(40)가 수분을 흡수하여 액상의 수분, 즉 물을 생성하는 경우, 하부 하우징(10)의 하부면(11) 상에 물이 고여 저장될 수 있다. 하부면(11) 상에 저장된 물의 양이 일정 수준 이상이면 전술한 것과 같이 스프링(30)이 인장되어 실링캡(20)이 하부로 이동되어 배수구(H)가 개방되고 저장되었던 물이 외부로 배출될 수 있다.
필터(50)는 그 하부의 제습 부재(40)를 구성하는 재료 또는 하부면(11) 상에 저장된 물이 그 상부에 배치되는 연료전지 스택으로 이동하는 것을 차단하기 위해 마련될 수 있다.
필터(50)는 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 등을 소재로하는 다공체 막 또는 부직포 또는 종이류로 구현될 수 있다.
PTFE 다공체 막은 마이크로 사이즈의 다공체를 형성하며 공기 및 증기는 투과가 가능하지만 액체 상태의 물과 먼지는 투과하지 않는 특징을 갖는다. 연료전지 스택 운전 시, 연료전지 스택 인클로저의 내부 습도가 상승하는 경우 기체 상태의 수분(H1)은 PTFE 다공체막을 선택적으로 투과하며 제습 부재(50)에 의해 흡수될 수 있다.
부직포 또는 종이류는 PTFE 다공체 막과 같이 마이크로 사이즈의 다공체를 형성하고 있다. 부직포 또는 종이류는, 공기 및 증기를 투과시키는 것이 가능하지만 먼지를 투과시키지 않는다. 또한, 액상의 수분에 대하여 흡습성을 갖는다. 공기 및 증기가 투과된다는 점에서 전술한 PTFE 다공체 막과 동등 수준의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 액상의 수분이 부직포 또는 종이류의 상면에 고인 경우에도 액상의 수분을 중력 방향으로 투과킬 수 있다. 부직포 또는 종이류로 제작된 필터에 이해 투과된 액체 상태의 수분은 제습 부재(40)와 만나 반응을 하여 배수구(H)로 포집 되거나 배수구(H)로 직접 포집될 수 있다.
즉, 연료전지 스택 운전 혹은 정지상태에서 인클로저 내부에 증기 상태의 수분이 증가한 경우에는 PTFE 다공체 막으로 구현된 필터를 채용하여 연료전지 스택 인클로저 내부 수분관리가 가능하며, 연료전지 스택 인클로저 내부에 액체 상태의 수분이 증가한 경우에는 부직포나 종이류를 필터로 적용하여 액체 상태의 수분을 흡수한 후 최종적으로 배수구(H)에 포집하여 수분 관리를 할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저는, 추가적인 전원이나 구동력 없이 연료전지 스택 인클로저 내부의 물 배출을 구현할 수 있어 시스템을 단순화 할 수 있고, 차량이 정지 시에도 작동이 가능하므로 수분에 의한 문제를 현저하게 감소시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택 인클로저는, 제습 부재에 의해 연료전지 스택의 여러 작동 조건에서도 일정 수준의 건조상태를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 수분이 저장되지 않은 정상 상태에서는 실링캡에 의해 밀폐 구조가 유지되므로 이물질 등으로부터 연료전지 스택을 효과적으로 보호할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 하부 하우징 11: 하부면
12: 경사면 20: 실링캡
21: 판상부 22: 돌출부
30: 탄성 부재 40: 제습 부재
50: 필터 부재 H: 배수구

Claims (11)

  1. 연료전지 스택의 하부에 배치되며, 배수구가 형성된 하부면을 갖는 하부 하우징;
    상기 하부 하우징의 외부에서 상기 배수구를 폐쇄하는 실링캡;
    상기 실링캡에 상기 하부 하우징 방향으로의 탄성력을 제공하는 탄성부재; 및
    상기 연료전지 스택과 상기 하부면 사이에 배치되어 상기 하부 하우징의 하부면에 저장된 물이 연료전지 스택으로 이동하는 것을 차단시키는 필터 부재를 포함하고,
    상기 실링캡은 상기 배수구의 단면적보다 넓은 면적을 갖는 판상부 및 상기 판상부로부터 상기 배수구 내로 연장되어 상기 배수구의 내주면과 대면하는 측면을 갖는 돌출부를 포함하며,
    상기 탄성 부재는, 일단이 상기 하부면의 하부에 결합되고 타단이 실링캡의 판상부 상부에 결합되어 상기 하부면 상에 저장된 물의 하중이 사전 설정된 크기 이상인 경우 인장되어 상기 실링캡을 상기 배수구의 하부로 밀어내면서 상기 저장된 물을 외부로 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 하우징은, 외곽에서 중심부로 갈수록 하부 방향으로 기울어진 경사면을 포함하며,
    상기 하부면은 상기 경사면의 단부에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 경사면과 하부면은 연료전지 스택 인클로저 내부의 물이 저장되는 저장 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택과 상기 하부면 사이에 배치되는 제습 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터 부재와 상기 하부면 사이에 배치되는 제습 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터 부재는 다공체 막 또는 부직포 또는 종이인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 배수구는 상기 하부면의 하부로 연장된 관 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 인클로저.
  10. 삭제
  11. 삭제
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