KR102645544B1 - 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 기술 분야는 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소 생산 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 암모니아 연료 기반의 고온형 연료전지와 수소 정제장치가 결합되어 고효율로 전력과 고순도의 수소를 생산할 수 있는 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명의 기술 분야는 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 암모니아 연료 기반의 고온형 연료전지와 수소 정제장치가 결합되어 고효율로 전력과 고순도의 수소를 생산할 수 있는 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템에 관한 것이다.
최근 암모니아 연료 적용 수소생산 시스템은 암모니아가 수소 운반체로써의 다양한 이점을 가지고 있으며 암모니아가 질소와 수소만의 화합물로 존재하여 분해(개질)되면 생성 결과물이 질소와 수소만 발생하여 환경의 문제가 되는 COx가 없는 친환경 공정이 될 수 있으므로 많은 관심이 부각되고 있다.
그러나 암모니아를 장치에 공급하기 위해 사용되는 기화기나 분해(개질) 시 사용되는 개질기의 경우 대량으로 기화시키거나 개질 반응이 일어날 수 있는 온도인 400℃ 이상의 환경으로 유지시켜 줄 수 있는 열원이 필요하다.
열원으로써 전기히터 등의 전력을 사용하게 되면 대량의 전력과 사용 시간이 필요하여 생산 효율이 떨어지고 고비용의 제어 장치가 필요해진다. 반면에 열원으로 가연성 가스를 버너에 공급하여 연소열을 사용하게 되면 수소생산 비용이 좀 더 감소되고 탄화수소 연료 기반의 개질 장치보다는 적은 양의 탄소 산화물 배출이 가능해지나, 버너 연소 시 COx가 발생되기 때문에 친환경의 이점이 감소되거나, 또는 COx를 제거해주는 장치가 추가로 필요하다.
고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우도 고온의 환경에서 작동하기 때문에 시동 시까지는 열원 공급이 필요하나, 일단 작동이 시작된 후 발전 시에는 수소와 산소의 반응열로 인해 우수한 단열시스템이 갖추어져 있는 경우, 외부 열원 없이 자열 운전이 가능해지는 장점이 있다.
상기와 같은 이유로 인해 SOFC의 작동을 중단하고 상온으로 온도를 냉각하면 운전 효율이 크게 감소하고, 또한 금속과 세라믹의 복합체인 스택의 각 소재에 대한 열팽창계수 차이가 발생하여 기계적 내구성이 감소하게 되기 때문에 중단 없이 연속적으로 운전하는 것이 효율적이다.
따라서 상기와 같은 문제점으로 전력의 수요가 없어도 SOFC는 그 작동이 중단되기 어려워 시스템의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 배기가스에 탄소성분이 포함되지 않는 암모니아를 연료로 사용하는 암모니아 연료 기반의 고온형 연료전지와 수소 정제장치가 결합하여 고효율의 전력 및 고순도의 수소를 생산할 수 있는 복합 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 암모니아의 연료 이용률이 전력과 수소 수요 상황에 따라 제어됨으로써 전체 시스템의 에너지 효율이 향상되는 복합 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 시스템을 이용하여 전력, 수소, 또는 전력과 수소의 동시 생산방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 암모니아 연료를 적용한 고온형 연료전지의 탄소성분이 없는 고온의 배기가스를 활용하여 고순도 수소생산 시스템에 적용함으로써 시스템의 에너지 효율을 향상시키고, 또한 전력 및 수소의 각 수요에 따라 연료전지의 연료 이용률을 제어하여 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시키는 복합 시스템을 제공한다.
구체적으로 상기 시스템은, 일정한 연료 공급량에서 연료전지의 연료 이용률 50%를 기준으로 하여 i) 전력의 수요가 적고 수소의 수요가 많을 때는 연료전지의 연료 이용률을 감소시키는 모드(‘제1 모드’); ii) 전력의 수요가 많고 수소의 수요가 적을 때는 연료전지의 연료 이용률을 증가시키는 모드(‘제2 모드’); iii) 전력과 수소의 수요가 비슷할 때는 연료전지의 연료 이용률을 50%로 유지하는 모드(‘제3 모드’)를 포함하여, 전력 또는 수소의 수요 상황에 따라 유동적으로 상기 3가지 모드를 전환시키는 시스템이다.
상기 3가지 모드는 더욱 구체적으로,
상기 전력의 수요가 적고 수소의 수요가 많은 경우의 제1 모드에서는 고온형 연료전지의 작동 시 연료 이용률을 50% 미만으로, 바람직하게는 10% 내지 20%로 감소시키는 단계를 포함하고,
상기 전력의 수요가 많고 수소의 수요가 적은 경우의 제2 모드에서는 고온형 연료전지의 작동 시 연료 이용률을 50% 초과 내지 전력 밀도가 최대값이 되는 인가 전류 조건인 최대 90% 미만까지로 증가시키는 단계를 포함하며,
상기 전력과 수소의 수요가 비슷할 때는 연료전지의 연료 이용률을 50%로 유지시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 시스템은, 상기와 같은 각각의 상황에 따라 유동적으로 3가지 모드 간의 전환이 가능하여 전체 시스템의 우수한 에너지 효율이 이루어진다.
상기 시스템의 연료전지로부터 얻어진 전기는 B-ESS(전기 저장장치)로 저장되며, 저장된 전기는 전기응용장치로 활용되고, 그 일부는 또한 가열 히터 장치에 사용되어 수소 생산량이 전력 생산량보다 증가할 경우 수소 생산(흡열 반응)으로 빼앗긴 연료전지의 열원을 보충하게 된다. 한편, 상기 연료전지에서 발생된 배기가스 중 미반응의 수소는 수소정제장치를 통하여 수소만 추출하여 H-ESS(수소 저장장치)로 저장되며 저장된 수소는 수소 응용장치로 활용된다.
본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템은, 기존의 시스템 대비 에너지 효율이 우수하여 매우 경제적이다. 또한, 에너지의 저장 및 사용이 매우 편리하므로 신재생에너지 분야에서도 활용도가 매우 큰 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 전체적인 구성을 모식적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 셀의 단위 면적당 성능 경향을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 셀의 단위 면적당 전류밀도에 따른 전압 경향을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 수소 정제장치의 구성을 모식적으로 도시한 것이다.
도 5의 표는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 암모니아 연료 공급량 및 연료 이용률에 따른 전력과 수소의 생산량을 계산하기 위하여 상기의 도 4의 성능을 가지는 셀을 확장하여 계산한 값을 나타낸 표이다.
도 2는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 셀의 단위 면적당 성능 경향을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 셀의 단위 면적당 전류밀도에 따른 전압 경향을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 수소 정제장치의 구성을 모식적으로 도시한 것이다.
도 5의 표는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 암모니아 연료 공급량 및 연료 이용률에 따른 전력과 수소의 생산량을 계산하기 위하여 상기의 도 4의 성능을 가지는 셀을 확장하여 계산한 값을 나타낸 표이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
하기에서 본 발명의 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템은, 발전 연료로써 암모니아를 사용하고 전력 수요와 수소 수요의 상황에 따라 연료전지의 연료 이용률을 제어하는 방식을 특징으로 한다.
고온형 연료전지는 고온의 환경에서 작동하는 발전 장치이며 발전율, 즉 연료 이용률이 감소함에 따라 배가스에 포함되는 수소(미사용 수소)의 양은 증가하게 된다. 따라서 연료 이용률을 제어함에 따라 배가스 중의 수소의 양을 제어할 수 있다.
상기 배가스 중의 수소의 양을 제어하는 수단은 연료전지의 외부 전류를 연료전지시스템 내의 인버터를 이용하여 조절하는 것이며, 이로써 연료전지 스택을 이용하여 전력 및 수소의 생산을 조절할 수 있게 된다. 상기 외부 전류은 0.0 초과 ~ 0.5 A/cm2이다.
예시적으로 전류의 조절에 따른 연료 이용률을 구체적으로 설명하면, 상기 제1 모드인 수소의 수요가 많은 경우에는,
외부 전류를 0.1A/cm2 이하로 조절하여, 전력이 100mW/cm2 이하로 되면, 연료 이용률은 20% 이하, 예를 들어 약 10~20%이다. 배가스 수소는 공급 수소 연료(암모니아의 수소환산량)의 80~90%이며, 이때 수소생산량은 배가스 수소x수소정제효율 80% 이어서 약 64~72%(암모니아의 수소 환산량)이다.
한편, 상기 제2 모드인 전력의 수요가 많은 경우에는,
외부 전류를 0.4A/cm2 이상으로 조절하여, 전력이 250mW/cm2으로 되면, 연료 이용률은 80~90%이다. 배가스 수소는 공급 수소 연료(암모니아의 수소 환산량)의 10~20%이며, 이때 수소생산량은 배가스 수소x수소정제효율 80% 이어서 약 8~16%(암모니아의 수소 환산량)이다.
상기와 같이 고온형 연료전지의 연료 발전율은 연료전지시스템 내의 인버터 장치로 전류를 제어하여 조정할 수 있다. 상기 인버터 장치는 연료전지로부터 나오는 발전량을 자동으로 관리해주는 전기전력변환장치이며, 상기 변환된 전기는 전력저장장치(B-ESS)에 충전시킬 수 있다.
또한, 연료공급량을 일정하게 유지시킨 후에 인버터 장치에서 연료전지에 인가하는 전압을 낮추거나 전류값을 상승시킬수록 연료 발전율은 증가하며, 연료 소비량은 인가하는 전류값에 비례하기 때문에 소비되고 남은 연료의 잔량은 연료 발전율에 반비례하게 된다. 이와 같은 방법으로 본 발명의 시스템에서의 연료 이용률을 조절하여 연료 발전율을 조절할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 연료 이용률 및 연료 발전율의 관계를 도 2에서 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 셀의 단위 면적당 성능을 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 2의 그래프에서 280mW/cm2의 전력을 생산하기 위해서는 0.5A/cm2의 전류를 인가해주어야 하며, 100mW/cm2의 전력을 생산하기 위해선 0.1A/cm2의 전류를 인가해주어야 하는 것으로 나타내고 있다.
도 2로부터 0.5A/cm2의 전류밀도 조건에서의 스택의 최대 전력밀도는 280mW/cm2이고, 이때 연료 이용률은 90%가 되는 것을 알 수 있다. 또한, 0.5A/cm2 이상부터는 전력 밀도가 상승하지 않고 감소하게 되며 스택의 내구성도 떨어지게 되는 작동조건이 된다.
한편, 상기 스택의 최소 전력밀도는 0.05A/cm2의 전류밀도 조건에서의 전력밀도가 50mW/cm2이고, 이때 연료 이용률은 10%가 된다. 또한, 0.05A/cm2 미만부터는 발열 반응으로 인하여 연료전지 스택의 온도는 암모니아의 개질 반응인 수소화 반응(흡열 반응)으로 인한 온도 감소로 낮아지게 되며, 이러한 연료전지 스택의 낮은 온도는 연료전지 스택의 성능이 떨어지게 하는 작동조건이 된다.(도 3 참조)
특히, 일반적인 수소나 탄화수소 연료를 사용하는 고온형 연료전지의 경우는 연료와 함께 스팀을 공급시켜주며, 이때 공급된 스팀은 초기 반응의 활성화 에너지를 낮추는 영향을 주는 요소가 되나, 암모니아 기반의 연료전지는 암모니아가 수분에 잘 녹기 때문에 암모니아 연료에는 스팀을 혼합하지 않는다. 따라서 암모니아 기반 고온형 연료전지의 경우는, 발전 시 초기 반응(수소+산소=>물)에 필요한 활성화 에너지가 크다. 따라서, 상기 암모니아 기반의 고온형 연료전지는 스팀이 공급되지 않아 초기 반응에 필요한 활성화 에너지가 높기 때문에 도면 3과 같이 저전류 조건을 유지하게 되면 저항이 크게 작용하는 조건이 되어 에너지 효율이 감소된다.
도 5의 표는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 암모니아 연료 공급량 및 연료 이용률에 따른 전력과 수소의 생산량을 계산한 것이며, 상기 계산은 본 발명 시스템에 관한 도 2로 나타내어지는 단위면적당 셀을 확장한 스택의 성능을 계산한 값을 나타낸 표이다.
상기 계산의 계산 조건은 1.8.kW급 고온형 연료전지, 8 x 8cm의 면적 셀, 작동조건은 0.65V/cell에 30층의 적층셀 스택, 스택 4개의 모듈, 발전효율은 연료 이용률 80%일 때 47.5%, 수소정제장치의 고순도 수소 회수율은 80%의 운전 조건을 기준으로 계산되었으며, 도 5의 표 값에서 나타나듯이 전류의 제어에 따라 암모니아 공급량에 대한 연료 이용률의 비율 경향은 동일하다. 그러나 연료전지의 규모, 수소정제장치의 종류 및 유형에 따라 변동될 수도 있다.
도 5의 표에 기재된 각각 요인의 계산식은 아래의 식으로 계산된다
1. 수소환산 공급량 = 암모니아 공급량 × (수소/암모니아 분해 반응의 화학양론비(=3/2))
2. 연료 이용률(%) = (수소환산 소비량 ÷ 수소환산 공급량) × 100
3. 생산전력(W) = 인가전류 × 전압(V)
4. 수소환산 소비량 = 수소환산 공급량 x 연료 이용률 = (인가전류(A) × 60(s/min) × 몰부피(0℃,1기압)) ÷ (전자수(n) × 패러데이상수(F))
5. 수소생산량 = (수소환산 공급량 - 수소환산 소비량) × 수소정제효율
상기 식 1의 암모니아 공급량은 연료전지시스템의 용량에 따라 일정하게 유지되며, 예를 들어 1kW급 연료전지시스템에서는 4~8 L/min의 속도로 공급되고, 2kW급에서는 8~16 L/min의 공급속도, 20kW급에서는 80~160 L/min의 공급속도을 가진다. 이와 같이 암모니아 공급량은 연료전지시스템의 용량에 따라 비례적으로 공급될 수 있다.
한편, 공급되는 암모니아 연료의 양은 연료공급장치로 유량을 변화시킬 수 있으며, 또한, 소비되는 연료의 양은 전류값에 비례하므로 전류값을 조절하는 인버터 장치로 전력 생산량 및 수소생산량을 제어할 수 있는 것이다.
상기 시스템의 전류값은 상기 식 4에 의해 수소가 산소와 반응하여 물이 되는 반응량, 즉 수소 소비량에 비례하므로, 전류값을 이용하여 수소 소비량을 계산할 수 있는 것이다.
암모니아 기반의 고온형 연료전지 배가스는 암모니아가 약 100% 분해된 수소 및 질소의 혼합 가스로 배출되며, 연동된 수소 정제장치가 연료전지로부터 분해되어 배출된 수소와 질소를 분리시킴으로써 연료전지에서의 전력과 동시에 고순도 수소가 생산되어 공급되는 시스템을 구성할 수 있다.
특히, 이렇게 생산된 수소의 일부는 암모니아 연료에 혼합되어 사용되어 고온형 연료전지의 발전효율을 크게 향상시킬 수도 있다.
또한, 고온형 연료전지인 고체산화물 연료전지(SOFC)는 스택 내부에 적층되어 있는 셀의 애노드 전극면에 암모니아를 수소와 질소로 분해할 수 있는 촉매 소재가 포함되어 있으며, 따라서 고온의 온도 환경만 유지되면 연료전지가 미작동 상태이거나 저전력 가동 상태에서도 암모니아를 분해시킬 수 있는 장치, 즉 개질기 장치로 병행될 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 시스템은, 고온형 연료전지를 통하여 생산된 전력은 배터리형 에너지 저장 시스템(B-ESS)에 저장되어 전기차 등의 전기응용장치로 소모되고, 고온형 연료전지의 배가스에서 배출된 미반응 수소, 즉 개질된 수소는 질소를 제거하는 정제장치를 통해 고순도로 정제되어 수소형 에너지 저장 시스템(H-ESS)에 저장되어 수소차 등의 수소 응용장치로 소모되는 것과 같이 양방향 에너지 생산 방식의 시스템이다. 또한, 본 발명의 시스템은 전력과 수소의 수요 상황에 따라 유동적으로 연료공급량 및 이용률을 제어함으로써 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 시스템이다.
이하에서는 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 고순도 수소생산 시스템의 구성에 대하여 설명한다.
본 발명의 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 고순도 수소생산 시스템의 구성은 도 1에 모식적으로 도시된 바와 같이, 공기 공급장치(1); 암모니아 공급장치(2); 불활성 가스 공급장치(3); 가연성 가스 공급장치(4); 고온형 연료전지(5); Water Trap(6); 수소정제장치(7); 수소 저장장치(H-ESS)(8); 전력저장장치(B-ESS)(9); 수소 응용장치(10); 전기 응용장치(11); Tail gas 저장 및 처리 장치(12); 연료전지 공기극 및 버너의 배가스 배출장치(13); 및 가열히터(14);를 포함한다.
- 공기 공급장치
공기 공급장치(1)는 고온형 연료전지(5)의 내부 스택에 있는 공기 라인에 산소를 포함하는 공기와 함께 초기 승온 시 내부 버너로 공급되는 가연성 가스를 발화시키는 원료로 공기를 공급하는 장치로서 유량펌프, MFC, 공기 블로워 등이 사용될 수 있다.
- 암모니아 공급장치(2)
암모니아 공급장치(2)는 고온형 연료전지(5)의 내부 스택에 있는 연료라인에 액체 또는 기체상의 암모니아를 공급하는 장치이며 유량펌프, MFC 등이 사용될 수 있다.
- 불활성 가스 공급장치(3)
불활성 가스 공급장치(3)는 연료라인에 Ar, N2, He 등의 고온에서 금속과 반응하지 않는 불활성 가스를 공급하는 장치로서 고온형 연료전지의 초기 작동 전 준비 또는 위험(Emergency) 상황에 공급되며, 유량을 제어할 수 있는 유량펌프, MFC 등이 사용될 수 있다. 또한, 불활성 가스 공급은 수소 정제장치(7)에서 배출되는 질소를 포함하는 tail gas를 tail gas 저장 및 처리 장치(12)를 통해 일부를 공급받아 사용할 수 있다(미도시).
- 가연성 가스 공급장치(4)
가연성 연료 공급장치(4)는 고온형 연료전지(5) 시스템 내부에 있는 버너에 공급되고 점화되어 시스템을 스택 작동온도까지 승온시키는데 필요한 연소성 가스 원료의 공급장치이다. 상기 연소성 가스 연료는 공기와 반응하여 점화장치에 의한 발화가 가능한 수소, 프로판 및 탄화수소 계열 가스 등의 가연성 가스일 수 있으며, 상기 공급장치로서 유량펌프, MFC 등이 사용될 수 있다. 시동 후 가연성 연료에 의해 발생되는 열원은 스택의 작동온도를 유지할 수 있을 정도만 사용되며 스택의 반응열만으로 유지가 가능해지면 가연성 연료의 공급을 중단할 수 있다.
또한, 연료전지의 작동온도 유지를 위한 추가 열원이 필요할 경우에는 수소저장장치(H-ESS)(8)에서 일부의 수소가 가연성 연료로 사용될 수 있다.
- 고온형 연료전지(5)
고온형 연료전지(5)는 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등과 같이 작동온도가 600℃ 이상인 연료전지 장치이며, 공기 공급장치(1) 및 암모니아 공급장치(2)에서 공급된 공기와 암모니아, 또는 암모니아 개질 수소를 이용하여 전기를 발생시키고 이 발생된 전기는 전력저장장치(B-ESS)(9)에 저장된다. SOFC의 연료라인 배출가스는 Water Trap(6)과 수소 정제장치(7)를 거쳐 고순도 수소로 수소 저장장치(H-ESS)(8)에 저장된다.
한편, 고온형 연료전지(5)는 스택 내부에 적층된 각각의 셀에 니켈, 루테늄 등의 암모니아 분해를 유도하는 촉매 소재 성분이 포함되어 있어 발전을 위한 작동 시가 아니여도 고온의 환경에서 암모니아를 통과만 시키면 수소와 질소로 분해할 수 있는 개질기 역할을 할 수 있다.
또한, 고온형 연료전지(5)의 연료극 영역과 공기극 영역이 교차적으로 분리 적층 되어 있어 두 영역 간의 열원을 교환시킬 수 있는 열교환기 역할도 할 수 있다.
- Water Trap(6)
Water Trap(6)은 고온형 연료전지(5)에서 전력 생산 후에 발생되는 배출 가스 중의 물을 제거하는 장치이다.
- 수소 정제장치(7)
수소 정제장치(7)는 연료라인의 암모니아 가스가 고온형 연료전지(5) 내부의 개질기 역할을 하는 스택을 통과한 후에 분해되어 생성된 질소를 제거하고, 고순도의 수소로 정제시키기 위한 장치이다. 암모니아의 분해로 생성된 질소와 수소를 분리하기 위하여 수소 정제장치(7)로서 PSA, VPSA, 수소 분리막, 수소 분리막과 PSA가 결합된 하이브리드 PSA 등의 장치가 사용될 수 있다. 바람직하게는 VPSA 장치가 사용될 수 있다.
상기 PSA는 기체나 용액의 분자 특성과 흡착제 물질에 대한 친화성에 따라 가압 상태에서 가스 혼합물로부터 일부 가스 종을 분리하는 데 사용되는 기술로써 특정한 흡착물질 (제올라이트, 활성탄, 분자체(molecular sieve) 등)은 고압에서 선택도가 높은 성분들을 우선적으로 흡착하게 되고 선택도가 낮은 성분들은 흡착탑 밖으로 배출하며, 흡착된 물질을 탈착하여 재생 시에는 저압으로 운영되게 된다.
PSA 공정구성은 기본적으로 흡착제 물질을 채우고 압력을 가할 수 있는 베셀로 구성되고 테일 가스 버퍼 탱크, 밸브 스키드로 구성되게 된다. PSA 공정 구성은 크게 4가지 기본 공정 단계가 있고, 흡착, 탈압, 재생, 재가공의 단계를 거치게 된다
PSA에 수소 및 질소의 혼합 가스가 공급될 때 압력은 고온형 연료전지에서 배출되는 혼합 가스의 압력을 0.8 ~ 1.0 MpaG 미만으로 조절하여 공급해야 하며, 상기 혼합 가스를 정압, 정량으로 공급하기 위하여 버퍼 탱크를 구비할 수 있다.
질소 탈착의 효율을 높이기 위하여 질소 탈착 시 진공펌프를 적용할 수 있으며, 진공펌프가 적용된 PSA 공정은 VPSA라고 한다. 본 발명에서는 수소 정제장치로서 VPSA 장치를 사용하였으며, VPSA 장치 및 작동 방식은 도 4에서 도시하고 있다.
상기 VPSA의 작동 방법은 도 4의 A PSA 정제탑에서 질소 흡착이 진행되고 있을 때, B PSA 정제탑에 질소 흡착을 위한 준비 단계 (A PSA 정제탑에서 생성된 수소가 일부 B PSA 정제탑으로 흘러 들어가게 하여 B PSA 정제탑의 분위기를 수소 분위기로 유지해 주는 단계)를 거친다. 상기 A PSA 정제탑의 질소 흡착이 완료되면 A PSA 정제탑에 주입되었던 수소 및 질소를 포함하는 합성가스는 B PSA 정제탑으로 주입되게 되고 B PSA 정제탑에서 질소를 흡착하게 된다. 이때 C PSA 정제탑 및 D PSA 정제탑은 재가공 상태로 내부 분위기를 수소 상태로 유지하고 있다. 즉, A PSA 정제탑, B PSA 정제탑, C PSA 정제탑 및 D PSA 정제탑 각각의 PSA 정제탑에 압축된 혼합 가스가 주입되어, 질소를 흡착, 탈착, 및 cleaning의 단계를 반복하게 된다.
구체적인 VPSA의 작동 방법을 보면, 도 4의 정제탑에는 1번부터 24번의 on/off valve가 설치되어 있으며, A PSA 정제탑에서 질소를 흡착할 때 2번, 10번가 열리고 나머지 밸브는 닫혀있어야 하며, B PSA 정제탑에서 질소를 흡착하기 위한 준비 단계에서는 12번, 15번, 24번 밸브가 열려야 한다. 이렇게 A, B, C, D의 PSA 정제탑에서 질소를 흡착하고, 탈착하기 위한 동작을 위하여 1 ~ 24번 밸브가 on/off valve의 작동 순서에 의해 자동으로 작동되어야 한다. On/off valve의 개수와 작동 순서는 PSA 정제탑의 개수와 PSA 구성에 따라 다르다. 질소 탈착 시 해당 흡착탑에서 질소 탈착을 위한 밸브가 열리면 진공펌프가 가동되어 탈착 효율을 증가시키게 된다. 또한, 질소 탈착 시 cleaning gas 혹은 Rinse gas로 생산된 수소가 일부 사용되게 되기 때문에 tail gas 중에 수소가 일부 포함되게 된다.
상기의 각 PSA 정제탑 공정에서 배출된 tail gas는 tail gas 저장 및 처리 장치(12)로 이송되어 공정 purge용 가스로 사용될 수 있다.
상기 PSA는 공급되는 질소의 농도에 따라 흡탈착 변환 주기가 달라지기 때문에 두기 이상으로 설치하여 흡착제의 양 및 흡탈착 주기를 구분하여 사용될 수 있다. 예를 들면 질소의 농도가 50% 이상일 경우 흡착제의 양이 많고 흡탈착 주기가 짧은 PSA에 공급되어 처리되고 질소의 농도가 50% 이하일 경우 상대적으로 흡착제의 양이 적고 흡탈착 주기가 긴 PSA에 공급되어 처리될 수 있다. PSA에 공급되는 원료의 질소 농도는 연료전지의 연료 공급량 및 연료 발전율에 따라 예상할 수 있다.
상기 PSA 등의 수소 정제장치는 필요에 따라 그 수를 정할 수 있으며, 예를 들어 하나의 수소 정제장치에 시스템 내의 다수개의 연료전지 모듈이 연결되어 수소가 정제될 수 있다.
- 수소 저장장치(H-ESS)(8)
수소 저장장치(8)는 수소의 흡탈착이 가능한 수소저장 합금이나 액화장치, 고압저장 장치 등과 같은 상시로 수소를 저장하고 배출시킬 수 있는 장치이며, 수소 정제장치(7)에서 정제된 고순도의 수소를 저장 및 보관하는 장치이다. 저장된 수소는 주로 수소 응용장치(10)로 소모되며 수소 수요가 적을 때는 발전효율의 향상을 위하여 저장된 수소의 일부가 고온형 연료전지(5)에 공급되는 암모니아와 혼합되어 사용되거나 연료전지의 버너에 공급되어 가연성 연료로 사용될 수 있다.
- 전력 저장장치(B-ESS)(9)
전력 저장장치(9)는 충, 방전이 가능한 이차전지의 모듈로 구성되어 있으며, 고온형 연료전지(5)에서 발생된 전기를 저장하는 장치이다. 저장된 전기는 주로 전기 응용장치(6)로 소모되며 전력 수요가 적을 때는 저장된 전기의 일부가 수소 정제장치(7)의 전력 소스로 소모될 수 있다.
- 수소 응용장치(10)
수소 응용장치(10)는 수소 저장장치(8)에 저장된 수소를 활용하는 장치이며 수소전기차, 수소버스, 수소 트레인 등의 수소를 연료로 하는 모든 장치가 될 수 있다.
- 전기 응용장치
전기 응용장치(11)는 전력 저장장치(9)에 저장된 전기를 활용하는 장치이며 자동차용, 가정용, 산업용 등의 전기로 구동되는 모든 장치가 될 수 있다.
- Tail gas 저장 및 처리 장치(12)
Tail gas 저장 및 처리 장치(12)는 수소 정제장치(7)에서 제거된 질소 및 수소의 혼합 가스를 배출하는 장치이며, 질소가 대부분인 혼합 가스가 배출되기 때문에 배출된 가스는 tail gas 저장 및 처리 장치(12)에 저장되어 연료전지 및 PSA 공정 purge 가스로 사용될 수 있다.
- 연료전지 공기극 및 버너 배가스 배출장치(13)
연료전지 공기극 및 버너 배가스 배출장치(13)는 고온형 연료전지에서 공기 라인 및 작동 초기 가연성 가스 라인(버너 발화 후)에서 배출된 잔류가스를 배출하는 장치이다.
- 가열히터(14)
가열히터(14)는 고온형 연료전지(5)에 전기적으로 열원을 공급해주는 장치로써 발열체로 온도를 제어하며, 수소 생산량이 전력 생산량보다 증가할 경우 열원의 보충을 위해 사용 되고 필요한 전력원은 전력 저장장치(9)에서 공급될 수 있다.
상기 고온형 연료전지에서 전력 생산은 발열 반응이고, 수소생산은 흡열 반응이어서, 수소의 생산 시에는 고온형 연료전지의 작동 환경이 작동 필요 온도(700 ~ 800℃)보다 감소하게 되어 고온형 연료전지의 성능이 떨어질 수 있으므로 상기 가열히터(14)에 의한 열원의 보충으로 고온형 연료전지의 성능 저하를 방지하는 역할을 한다.
상기와 같은 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 구성에서 암모니아 공급장치(2)의 연료 공급량 및 고온형 연료전지(5)의 연료 이용률은 전력 및 수소의 수요에 따라 조정될 수 있다.
도 1에 모식적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템의 작동은 공기, 암모니아, 불활성 가스, 가연성 가스, 전력 라인의 흐름으로 진행된다.
우선, 공기 라인은 공기 공급장치에서 공기가 공급되어 고온형 연료전지(5) 시스템에 전달되어 전력 생산에 소모되거나 가연성 가스와 혼합되어 발화제로 소모되고 연료전지 공기극 배가스 장치(13)로 배출된다.
다음으로 암모니아 라인은 액상 암모니아가 암모니아 공급장치(2)를 통해 고온형 연료전지(5)에 공급되어 전력 생산에 소모되거나 미반응 가스인 수소와 질소, 수분으로 이루어진 가스가 연료극 배가스로 배출되어 수분은 Water Trap(6)에서, 그리고 질소는 PSA와 같은 수소 정제장치(7)에서 제거된다. 상기 수분 및 질소가 제거된 수소는 수소 저장장치(8)로 전달되어 수소 응용장치(10)에 활용되거나 수소 저장 용량이 한계치일 경우 암모니아 라인으로 공급되어 암모니아 연료와 혼합시키거나, 또는 고온형 연료전지(5)의 작동온도 유지에 필요한 열 공급용 버너에 공급되어 연료전지의 발전효율을 향상시키는데 사용될 수 있다. 또한, 수소 정제장치(7)에서 배출된 tail gas는 tail gas 저장 및 처리 장치(12)로 배출된다.
그리고 불활성 가스 라인은 고온형 연료전지(5)의 작동 전 준비 단계에 공급되는 퍼지 가스가 공급되는 라인이며, 불활성 가스 공급장치(3)에서 공급되어 암모니아 라인과 동일한 흐름으로 공급 및 배출된다. 또한, 수소 정제장치(7)에서 배출된 tail gas가 tail gas 저장 및 처리 장치(12)를 통해 불활성 가스 라인에 공급될 수 있다.
또한, 가연성 가스 라인은 초기에 고온형 연료전지(5)의 작동 환경을 고온으로 형성하는데 필요한 가연성 가스가 가연성 가스 공급장치(4)로부터 공급되는 라인이며, 고온형 연료전지(5) 시스템 내부의 버너 장치에 가연성 가스가 공급되어 점화되고 열순환을 통해 작동온도까지 시스템을 승온시킨다. 연료전지 작동 후에는 반응열로 인해 추가 열원이 필요 없어지므로 가연성 가스의 공급이 중단된다.
마지막으로 전력 라인은 고온형 연료전지(5)의 작동 시 발생하는 전력이 흐르는 라인이며 연료전지에서 생산된 전력은 전력 저장장치(9)에 공급되어 전기 응용장치(11)에 활용되거나, 또는 수소 정제장치(7)의 작동 전원으로 사용될 수 있다.
하기에서는 본 발명의 시스템에서의 암모니아 공급량 및 연료 이용률에 따른 수소, 전력의 생산 조절방법의 공정에 대하여 설명한다.
도 5의 표에 도시된 바와 같이 전력 및 수소의 수요에 따라 연료전지에 공급하는 암모니아의 공급량을 일정하게 유지하면서(예를 들어 4LPM, 8LPM, 12LPM, 16LPM 등) 연료전지의 전력 생산에 사용되는 연료 이용률을 50%를 기준으로 하여 아래 3가지의 상황에 따라 본 발명의 시스템을 제어할 수 있다.
우선, 상기 제1 모드인 전력의 수요가 적고 수소 수요가 많을 때는, 고온형 연료전지의 작동 시 연료 이용률을 감소시키면 배가스의 수소 배출량이 증가하게 되며, 전력 생산에 따라 배출된 물, 및 수소와 질소의 혼합 가스가 1차적으로 water trap을 거치면서 물이 제거된다. 이후 상기 혼합 가스는 수소 정제장치를 통해 질소가 제거되어 고순도의 수소로 수소저장장치(H-ESS)에 저장되어 수소 응용장치에서 소모된다. 한편, 연료전지의 연료 이용률의 감소에 따라 적은 량으로 생산된 전력은 연동되어 있는 전력저장장치(B-ESS)에 전기가 공급 저장되고, 이 저장된 전기는 고순도 수소 정제장치나 전기 응용장치에 쓰일 수 있으므로, 전체적으로 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
다음으로 상기 제2 모드인 전력의 수요가 많고 수소 수요가 적을 때는 고온형 연료전지의 연료 이용률을 증가시키고, 이에 따라 배가스의 수소 배출량이 감소하게 된다. 상기 전력의 생산에 따라 배출되는 물, 및 수소와 질소의 혼합 가스는 Water Trap을 거쳐 물이 제거된 후, 다음으로 수소 정제장치를 통해 질소가 제거되어 고순도의 수소가 수소저장장치(H-ESS)에 저장되고 수소 응용장치에서 소모된다. 또한, 연료전지의 늘어난 연료 이용률에 따라 많은 양으로 생산된 전력은 연동되어 있는 전력저장장치(B-ESS)에 전기가 공급되어 고순도 수소 정제장치나 전기 응용장치에 소모될 수 있어, 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
마지막으로 상기 제 3 모드인 전력과 수소 수요가 비슷할 때는 고온형 연료전지의 작동 시 연료 이용률을 50%로 유지하면, 이때 연료전지의 전력 생산에 소비되는 수소량과 배가스의 수소 배출량은 서로 이론적으로는 동일하다. 단, 최종적인 수소의 생산에 필요한 PSA(수소정제장치) 등의 효율에 따라 상기 소비 수소량과 배출 수소량에 차이가 있을 수 있다. 상기 전력 생산 시 배출되는 물과 수소와 질소의 혼합 가스가 1차적으로 water trap을 거쳐 물이 제거된다. 이후 수소와 질소의 혼합 가스는 수소 정제장치를 통해 질소가 제거되어 고순도의 수소가 수소저장장치(H-ESS)에 저장되고 수소 응용장치에 소모된다. 또한, 동시에 연료전지의 연료 이용률에 따라 생산된 전력은 연동되어 있는 전력저장장치(B-ESS)에 전기가 공급되어 고순도 수소 정제장치나 전기응용장치에 소모됨으로써 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 도 5의 표에 도시된 바와 같은 연료전지에 공급하는 암모니아의 공급량은 연료전지 안의 전극 촉매량 또는 셀의 면적 및 갯수에 따라 결정될 수 있으며, 암모니아의 공급량이 증가하면 연료전지 안의 전극 촉매량에 따라 암모니아 개질 가능 한계량까지 증가시킬 수 있고, 이에 따른 수소는 비례하게 생산할 수 있다. 또한, 셀의 면적 및 갯수에 따라 전기의 생산량이 조절되며, 상기 셀의 면적 및 개수의 규모가 커질수록 암모니아의 공급량은 증가되어야 한다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명은, 충청북도에서 지원하고 ㈜원익머트리얼즈 단독으로 수행한 ‘수소·이차전지 소재부품 기술개발(R＆D) 지원사업’의 연구과제(과제명: 암모니아 기반 고체산화물 연료전지 전극 소재 및 셀 제조 기술개발, 과제번호: CBTP-B-20-04-R001, 연구 기간: 2020.11.01.~2021.10.31)의 결과이다.
(1) 공기 공급장치
(2) 암모니아 공급장치
(3) 불활성 가스 공급장치
(4) 가연성 가스 공급장치
(5) 고온형 연료전지
(6) Water Trap
(7) 수소 정제장치
(8) 수소 저장장치(H-ESS)
(9) 전력저장장치(B-ESS)(9)
(10) 수소 응용장치(10)
(11) 전기 응용장치
(12) Tail gas 저장 및 처리 장치
(13) 연료전지 공기극 및 버너의 배가스 배출장치
(14) 가열히터
(2) 암모니아 공급장치
(3) 불활성 가스 공급장치
(4) 가연성 가스 공급장치
(5) 고온형 연료전지
(6) Water Trap
(7) 수소 정제장치
(8) 수소 저장장치(H-ESS)
(9) 전력저장장치(B-ESS)(9)
(10) 수소 응용장치(10)
(11) 전기 응용장치
(12) Tail gas 저장 및 처리 장치
(13) 연료전지 공기극 및 버너의 배가스 배출장치
(14) 가열히터
Claims (8)
- 암모니아 연료 기반의 고온형 연료전지와 수소 정제장치가 결합하여 전력 및 고순도의 수소를 생산할 수 있는 전력 및 수소생산 복합 시스템에 있어서,
상기 시스템은, 전력 및 수소의 수요에 따라 일정한 연료 공급량에서 연료전
지의 연료 이용률을 기준으로 하여
i) 전력의 수요가 적고 수소의 수요가 많을 때는 연료전지의 연료 이용률을
50% 미만으로 감소시키는 모드(‘제1 모드’);
ii) 전력의 수요가 많고 수소의 수요가 적을 때는 연료전지의 연료 이용률을
50% 초과 90% 미만으로 증가시키는 모드(‘제2 모드’); 및
iii) 전력과 수소의 수요가 비슷할 때는 연료전지의 연료 이용률을 50%로 유
지하는 모드(‘제3 모드’)를 포함하고,
상기 시스템은 공기 라인, 암모니아 라인, 불활성 가스 라인, 가연성 가스 라인, 및 전력 라인의 흐름이 진행되어 작동되는 것이며,
상기 가연성 가스 라인은 초기에 고온형 연료전지(5)의 작동 환경을 고온으로 형성하는데 필요한 가연성 가스가 가연성 가스 공급장치(4)로부터 공급되는 라인이며, 고온형 연료전지(5) 내부의 버너 장치에 가연성 가스가 공급되어 점화되고 열순환을 통해 작동온도까지 시스템을 승온시킨 후, 연료전지 작동 후에는 반응열로 인해 추가 열원이 필요 없어지므로 가연성 가스의 공급이 중단되는 것이고,
상기 시스템은 암모니아 열분해 장치를 별도로 가지지 않는 것을 특징으로 하는, 전력 및 수소생산 복합 시스템 - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 모드의 연료 이용률은 10% 내지 20%로 더 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전력 및 수소생산 복합 시스템 - 청구항 1에 있어서,
상기 연료 이용률은 연료전지의 외부 전류를 연료전지시스템 내의 인버터를 이용하여 조절함으로써 배가스 중의 수소의 양이 조절되는 것인 것을 특징으로 하는, 전력 및 수소생산 복합 시스템 - 청구항 3에 있어서,
상기 연료전지의 외부 전류는 0.0 초과 ~ 0.5 A/cm2인 것을 특징으로 하는, 전력 및 수소생산 복합 시스템 - 청구항 1에 있어서,
상기 시스템은 공기 공급장치(1); 암모니아 공급장치(2); 불활성 가스 공급장치(3); 가연성 가스 공급장치(4); 고온형 연료전지(5); Water Trap(6); 수소정제장치(7); 수소 저장장치(H-ESS)(8); 전력저장장치(B-ESS)(9); 수소 응용장치(10); 전기 응용장치(11); Tail gas 저장 및 처리 장치(12); 연료전지 공기극 및 버너의 배가스 배출장치(13); 및 가열히터(14);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 및 수소생산 복합 시스템 - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 공기 라인은 공기 공급장치에서 공기가 공급되어 고온형 연료전지(5)에 전달되어 전력 생산에 소모되거나 가연성 가스와 혼합되어 발화제로 소모되고 연료전지 공기극 배가스 장치(13)로 배출되며,
상기 암모니아 라인은 액상 암모니아가 암모니아 공급장치(2)를 통해 고온형 연료전지(5)에 공급되어 전력 생산에 소모되거나 미반응 가스인 수소와 질소, 수분으로 이루어진 가스가 연료극 배가스로 배출되는 것을 특징으로 하는, 전력 및 수소생산 복합 시스템 - 청구항 1에 있어서,
상기 불활성 가스 라인은 고온형 연료전지(5)의 작동 전 준비 단계에 공급되는 퍼지 가스가 공급되는 라인으로서, 불활성 가스 공급장치(3)에서 공급되어 암모니아 라인과 동일한 흐름으로 공급 및 배출되고,
상기 전력 라인은 고온형 연료전지(5)의 작동 시 발생하는 전력이 흐르는 라인이며, 연료전지에서 생산된 전력은 전력 저장장치(9)에 공급되어 전기 응용장치(11)에 활용되거나, 또는 수소 정제장치(7)의 작동 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 전력 및 수소생산 복합 시스템
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|---|---|---|---|
| KR1020210086939A KR102645544B1 (ko) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210086939A KR102645544B1 (ko) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템 |
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| KR20230006127A KR20230006127A (ko) | 2023-01-10 |
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ID=84893869
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210086939A KR102645544B1 (ko) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | 암모니아 연료 적용 고온형 연료전지 복합 수소생산 시스템 |
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| KR (1) | KR102645544B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2017082670A (ja) * | 2015-10-28 | 2017-05-18 | 株式会社Kri | エンジンシステム及びエンジンシステムの運転方法 |
Family Cites Families (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2013078142A2 (en) | 2011-11-21 | 2013-05-30 | Saudi Arabian Oil Company | Method and a system for combined hydrogen and electricity production using petroleum fuels |
| AU2018214190B2 (en) * | 2017-01-31 | 2023-02-02 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Method and system for producing hydrogen, electricity and co-production |
| US10991963B2 (en) * | 2018-07-10 | 2021-04-27 | Cummins Enterprise Llc | Fuel cell system and control method thereof |
-
2021
- 2021-07-02 KR KR1020210086939A patent/KR102645544B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017082670A (ja) * | 2015-10-28 | 2017-05-18 | 株式会社Kri | エンジンシステム及びエンジンシステムの運転方法 |
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