KR101380038B1 - 전압검출이 가능한 가스킷 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

전압검출이 가능한 가스킷 및 이를 구비한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 애노드 전극과 캐소드 전극에서의 수소함유연료와 산소함유기체의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전기 발생부를 갖는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 전기 발생부는, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극이 양면에 각각 제공되어 있는 이온전도성 고분자막을 갖는 전극막 조립체와; 상기 전극막 조립체의 애노드 전극과 캐소드 전극에 각각 대면하고 상기 수소함유연료와 산소함유기체가 유동하는 유동채널을 각각 갖는 한 쌍의 분리판과; 상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 테두리를 둘러싸도록 상기 이온전도성 고분자막의 양측에 위치하여 유체누출을 방지하는 한 쌍의 가스킷을 포함하고, 상기 가스킷 중 적어도 하나는 비전도성 재질의 제1프레임과 전도성 재질의 제2프레임으로 이루어진 전압검출 가스킷인 것을 특징으로 하므로, 전도성 재질의 프레임을 갖는 전압검출 가스킷을 사용해서 단위전지에서 발생되는 전압을 측정함으로써 바이폴라 플레이트를 통한 전압검출시 바이폴라 플레이트가 손상되는 현상을 방지하면서 전압을 정확하게 검출할 수 있다.
전압검출 가스킷, 전압 검출기, 분리판, 이온전도성 고분자막

Description

전압검출이 가능한 가스킷 및 이를 구비한 연료전지 시스템{GASKET BEING CAPABLE OF MEASURING VOLTAGE AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 전압검출 가스킷을 갖는 전기 발생부의 일부를 나타낸 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 전압검출 가스킷의 사시도;
도 4는 종래 기술에 따라서 세퍼레이터에 전압검출 단자가 제공된 상태를 나타낸 도면;
도 5는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 단면도;
도 6은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 단면도;
도 7은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 전기 발생부
110 : 전극막 조립체
120A : 가스킷
120B : 전압검출 가스킷
130 : 분리판
200 : 연료 공급부
300 : 산소 공급부
[특허문헌 1] 일본 특허 공개번호 제2005-183308호
[특허문헌 2] 일본 특허 공개번호 제2005-019042호
[특허문헌 3] 일본 특허 공개번호 제1997-199147호
[특허문헌 4] 일본 특허 공개번호 제1996-007911호
본 발명은 연료전지의 개발과정이나, 최적화 튜닝과정 또는 실제 동작 중에 전기 발생부의 전압을 측정할 수 있는 전압측정수단에 관한 것이고, 더 상세하게 전기 발생부에서의 유체유출을 방지하면서 전압을 측정할 수 있도록 전압측정단자를 갖는 개스킷 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 전기를 생성하는 발전 시스템으로서, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전기 발생부를 갖는다. 상기 전기 발생부는 선택적 이온투과특성을 갖는 이온전도성 고분자막과, 상기 고분자막의 양 측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 이루어진 단위전지가 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 이때, 인접하는 단위전지들 사이에는 수소와 산소를 상기 애노드 전극과 캐소드 전극에 각각 공급하기 위한 바이폴라 플레이트가 제공된다.
상술된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기가 생성될 때 전기 발생부에서의 전압을 측정하기 위한 수단은 종래 공지되어 있다.
예를 들어, 일본 특허 공개번호 제2005-183308호(특허문헌 1)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 전압 검출부의 전압검출용 단자가 세퍼레이터의 단자 접속부에 접촉시킨 구조의 연료전지가 도시되어 있다. 상기 특허문헌 1에 있어서, 양극측 전극에 수소가스를 공급하는 한편 캐소드측 전극에 공기를 공급하면서 전압 검출부에 의해서 발전셀의 회로전압을 검출합니다.
일본 특허 공개번호 제2005-019042호(특허문헌 2)에는 도 5에 도시된 바와 같이 연료전지 단셀이 가지는 세퍼레이터에는 냉각수용 유로가 형성되고, 전압 평가부는 세퍼레이터에 형성된 냉각수용 유로의 부근에 배치되어 있는 연료전지 스택이 개시되어 있다.
일본 특허 공개번호 제1997-199147호(특허문헌 3)에는 도 6에 도시된 바와 같이 기판에 촉매를 도포하고 형성된 연료극 및 산화제극의 사이에 전해질층을 끼우고 형성된 단위전지와 가스 분리판을 교대로 여러개씩 적층하여 서브 스택에 있어서, 적어도 2개의 단위전지의 연료극 또는 산화제극의 적어도 한편의 전위를 측정한 전위측정수단이 개시되어 있습니다.
그리고, 일본 특허 공개번호 제1996-007911호(특허문헌 4)에는 도 7에 도시 된 바와 같이 서브 스택(Ts)에 있어서 양단의 셀(C) 각각에 전압측정용 단자(14)를 전기적으로 접속시킨 구조가 개시되어 있습니다. 전압측정용 단자(14)는 서브스택의 단부의 셀과 냉각부(7)에 의해서 협지되고 또한 서브 스택의 단부의 셀과 집전판(8)에 의해서 협지되어 있습니다.
연료전지 단위셀의 전압을 측정하기 위한 종래 기술에 있어서, 핀과 같은 형상의 검침기를 단위셀을 구성하는 바이폴라 플레이트에 꽂는 방식은 안정된 접촉을 보장할 수 없어 정확한 전압측정이 어려웠다. 또한, 개발과정이나 튜닝과정에서 전압검출 회수가 많아질수록 단위셀의 바이폴라 플레이트가 손상되거나 또는 접촉이 불량해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전압측정과정에서 바이폴라 플레이트가 손상되는 것을 방지하기 위하여 가스킷을 통해서 전압을 검출할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 유체유출 방지기능과 전압검출기능을 갖는 가스킷을 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전기 발생부를 갖는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 전기 발생부는, 애노드 전극과 캐소드 전극이 양면에 각각 제공되어 있는 이온전도성 고분자막을 갖는 전극막 조립체와; 상기 전극막 조립체의 애노드 전극과 캐소드 전극에 각각 대면하고 상기 전극에 제공하고자 하는 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유동채널을 갖는 한 쌍의 분리판과; 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 각각의 테두리를 둘러싸도록 상기 이온전도성 고분자막의 양측에 위치하여 유체누출을 방지하는 한 쌍의 가스킷을 포함하고, 상기 가스킷 중 적어도 하나는 비전도성 재질의 제1프레임과 전도성 재질의 제2프레임으로 이루어진 전압검출 가스킷인 것을 특징으로 한다.
상기 전압검출 가스킷에는 전압검출 단자가 제공되고, 특히 상기 전압검출 단자는 상기 제2프레임에 제공된다.
제1프레임은 분리판에 접촉하고, 제2프레임은 이온전도성 고분자막에 접촉한다.
상기 제1프레임과 제2프레임은 상기 이온전도성 고분자막의 일면에 제공된 전극과 상기 분리판에 형성된 유동채널이 면접촉할 수 있도록 관통되어 있는 관통창과, 상기 관통창을 둘러싸는 테두리부로 이루어진다.
상기 테두리부는 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극 각각의 테두리를 둘러싸도록 형성된다.
상기 분리판에는 냉매가 유동할 수 있는 냉매유동채널이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지용 가스킷은 비전도성 재질의 제1프레임과 전도성 재질의 제2프레임으로 구성되고, 상기 가스킷은 전압검출 가스킷 인 것을 특징으로 한다.
상기 가스킷은 전압검출단자를 더 포함하고, 상기 전압검출단자는 상기 제2프레임에 제공된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전압검출 가스킷을 갖는 전기 발생부의 일부를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전압검출 가스킷의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 하나 이상의 단위전지가 제공되어 있고 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발생부(100)과, 전기 발생부(100)에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부(200)와, 전기 발생부(100)에 산소함유기체를 공급하는 산소 공급부(300)를 갖는다.
여기에서, 수소함유연료는 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료; 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 액체 원연료 또는 수소와 같은 기체 원연료를 의미하고, 상기 수소는 바람직하게 상술된 액체 원연료로부터 얻어질 수 있다.
연료 공급부(200)는 상술된 액체 원연료를 전기 발생부(100)에 직접 공급하는 직접 메탄올 연료전지에 있어서 원연료 공급탱크(미도시)를 포함할 수 있다. 한편, 기체 원연료를 전기 발생부(100)에 공급하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 연료 공급부(200)는 액체 원연료가 저장되어 있는 원연료 저장부(미도시)와, 상기 원연료 저장부로부터 공급되는 액체 원연료에 대한 개질과정을 통해서 얻어지는 수소를 주성분으로 하는 개질연료, 즉 기체 원연료를 전기 발생부(100)에 공급하기 위한 개질기(미도시)로 구성될 수 있다.
이하에서는 직접 메탄올 연료전지를 기준으로 하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 전기 발생부(100)에 제공된 단위전지는 선택적 이온 투과성을 갖는 이온전도성 고분자막(112)과 이온전도성 고분자막(112)의 양면에 제공된 애노드 전극(114) 및 캐소드 전극(116)으로 이루어진 전극막 조립체(110)(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 애노드 전극(114)과 캐소드 전극(116)에 수소함유연료와 산소함유기체를 각각 공급하는 분리판(130)을 갖는다.
이온전도성 고분자막(112)은 애노드 전극(114)의 촉매층(미도시)에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(116)의 촉매층에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 이온전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 이온전도성 고분자막(112)으로서는 예를 들어 퍼플루오로셀포네이트 수지(Nafion)로 제조된 과불화불소산 수지막, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 박막 지지체에 과불화설폰산(perfluorinated sulfonic acid) 등의 수지용액이 코팅되어 있는 막, 다공성의 비이온전도성 고분자 지지체에 양이온 교환수지 및 무기 실리케이트가 피복되어 있는 막 등이 사용된다.
전극막 조립체(110)에 있어서, 전극, 예를 들어 캐소드 전극(116)은 카본종이(carbon paper)와 같은 제1다공성 지지층과, 상기 제1다공성 지지층에 순차적으로 적층된 촉매물질의 제1확산층과 제1촉매층으로 이루어진다. 상기 제1다공성 지 지층은 분리판(130)의 일면에 형성된 산소공급유로(134)를 통해 공급되는 산소의 유입경로 뿐만 아니라 하기에 설명되는 바와 같이 상기 제1촉매층에서 이루어지는 전기화학반응의 부산물인 물(H2O)의 유출경로를 제공한다. 상기 제1촉매층에 있어서, 상기 제1다공성 지지층과 제1확산층을 경유하여 제공되는 산소는 하기 반응식 1의 환원반응이 이루어진다.
캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O ‥‥‥‥ (1)
상기 제1확산층은 상기 제1다공성 지지층과 제1촉매층 사이에 개재되어 산소공급유로(134)를 통해 공급되는 산소가 상기 제1촉매층에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 환원반응을 통해 생성되는 물이 상기 제1다공성 지지층으로 배출되도록 작용한다.
마찬가지로, 애노드 전극(114)은 카본종이(carbon paper)와 같은 제2다공성 지지층와, 상기 제2다공성 지지층에 순차적으로 적층된 촉매물질의 제2확산층과 제2촉매층으로 이루어진다. 상기 제2다공성 지지층은 분리판(130)의 일면에 형성된 연료공급유로(132)를 통해 공급되는 수소함유연료의 유입경로 뿐만 아니라 하기에 설명되는 바와 같이 상기 제2촉매층에서 이루어지는 전기화학반응의 부산물인 이산화탄소(CO2)의 유출경로를 제공한다. 상기 제2촉매층에 있어서, 상기 제2다공성 지지층과 제2확산층을 경유하여 제공되는 수소함유연료는 하기 반응식 2의 산화반응이 이루어진다.
애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_ ‥‥‥‥ (2)
상기 제2확산층은 상기 제2다공성 지지층과 제2촉매층 사이에 개재되어 연료공급유로(132)를 통해 공급되는 수소함유연료가 상기 제2촉매층에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 산화반응을 통해 생성되는 이산화탄소가 상기 제2다공성 지지층으로 배출되도록 작용한다.
따라서, 전기 발생부(100)에 있어서, 애노드 전극(114)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 캐소드 전극(116)에서는 수소이온과 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로, 전기 발생부(100)에 있어서, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하고, 상술된 산화반응과 환원반응이 수행되는 동안 전자의 흐름을 통해서 전류를 생산한다.
한편, 전기 발생부(100)의 단위전지에 있어서, 전극막 조립체(110)의 이온전도성 고분자막(112)와 분리판(130) 사이에는 유체유출을 방지하기 위한 가스킷(120A, 120B)이 제공된다. 가스킷(120A, 120B)은 분리판의 연료공급유로(132)를 통해 애노드 전극(114)에 공급되는 수소함유연료와 분리판의 산소공급유로(134)를 통해 캐소드 전극(116)에 공급되는 산소가 전극막 조립체(110)의 이온전도성 고분자막(112)와 분리판(130) 사이를 통해서 외부로 유출되는 것을 방지하기 위하여 제공된다. 즉, 가스킷(120A, 120B)은 전극막 조립체(110)의 이온전도성 고분자막(112)과 분리판(130) 사이에서 애노드 전극(114)과 캐소드 전극(116) 각각의 테 두리를 둘러싸도록 제공된다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 가스킷은 유체유출을 방지하면서 단위전지에서 생성되는 전압을 검출할 수 있는 전압검출 가스킷(120B)으로 작용한다. 도면에서, 전압검출 가스킷(120B)은 전극막 조립체(110)의 애노드 전극 측에 제공되어 있지만 이에 한정되지 않고 캐소드 전극 측 또는 양측에 제공될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전압검출 가스킷(120B)은 비전도성 재질의 제1프레임(122)과, 전도성 재질의 제2프레임(124)으로 이루어진다. 전압검출 가스킷(120B)이 애노드 전극 측에 제공되어 있는 상태에서, 제1프레임과 제2프레임(122, 124)은 애노드 전극과 분리판(130)의 연료공급유로(132)이 면접촉할 수 있도록 관통되어 있는 관통창(122a, 124a)과, 관통창(122a, 124a)을 둘러싸는 테두리부(122b, 124b)로 이루어진다. 테두리부(122b, 124b)는 바람직하게 애노드 전극의 테두리를 둘러싸도록 형성된다. 이때, 제2프레임(124)에는 테두리부(124b)로부터 외부로 연장하는 전압검출 단자(124c)가 제공된다. 제1프레임(122)은 분리판(130)에 접하도록 위치되고 제2프레임(124)은 이온전도성 고분자막(112)에 접하도록 위치된다. 이는 전극막 조립체(110)에서 이루어지는 전기화학반응의 결과 생성되는 전류가 제2프레임(124)으로 흐를 수 있도록 하기 위함이다.
상술된 바와 같이, 전압검출 가스킷(120B)이 이온전도성 고분자막(112)의 일측과 분리판 사이에 제공된 상태에서, 일반적인 재질의 가스킷(120A)은 이온전도성 고분자막(112)의 타측과 다른 분리판 사이에 제공된다. 그러나, 이온전도성 고분자막(112)의 양측에 본 발명에 따른 전압검출 가스킷(120B)이 제공될 수도 있다.
분리판(130)에 있어서, 전극막 조립체(110)의 애노드 전극(114)에 대면하고 있는 일측면에는 수소함유연료가 유동할 수 있는 연료공급유로(132)가 제공되고, 캐소드 전극(116)에 대면하고 있는 타측면에는 산소함유기체가 유동할 수 있는 산소공급유로(134)가 제공된다. 이러한 분리판(130)에는 상술된 전기화학반응 과정에서 발생되는 열을 제거하기 위하여 냉매가 유동할 수 있는 냉매유동채널(136)이 제공된다.
상술된 구조의 전기 발생부를 갖는 연료전지 시스템에 있어서, 그 개발 과정, 최적화 튜닝과정 또는 실제 동작 중에 각 단위전지의 전압을 측정하여 정상 가동여부를 판단하게 된다. 즉, 전압 검출기(미도시)를 전압검출 가스킷(120B)의 제2프레임(124b)에 제공된 전압검출 단자(124c)에 접촉시켜서 단위전지별 전압을 측정하게 된다. 이러한 전압 검출기는 일반적으로 전압검출 단자(124c)에 통전가능하게 접속되는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출되는 단위전지의 전압을 측정하는 전압 표시부를 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
연료 공급부(200)로부터 저농도의 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 소정 농도의 메탄올이 전기 발생부(100)에 공급된다. 전기 발생부(100)에 있어서, 소정 농도의 메탄올은 분리판(130)의 연료공급유로(132)를 통해서 단위전지 특히 전극막 조립체(110)의 애노드 전극(114)에 용이하게 공급된다. 산소 공급부(300)로부터 공급되는 산소는 전기 발생부(100)에서 분리판(130)의 산 소공급유로(134)를 통해서 단위전지 특히 전극막 조립체(110)의 캐소드 전극(116)에 공급된다.
애노드 전극(114)에 있어서, 제2다공성 지지층과 제2확산층을 경유하여 제공된 수소함유연료는 제2촉매층에서 산화되고, 그 결과 수소이온과 전자 및 이산화탄소가 생성된다. 이때, 수소이온은 이온전도성 고분자막(112)을 통해서 캐소드 전극(116)의 제1촉매층으로 이동하고 이산화탄소는 제2다공성 지지층을 경유하여 분리판(130)의 연료공급유로(132)를 통해서 외부로 배출된다.
캐소드 전극(116)에 있어서, 제1다공성 지지층과 제1확산층을 경유하여 제공된 산소는 제1촉매층에서 수소이온과 반응하고, 그 결과 물이 생성된다. 이러한 물은 제1다공성 지지층을 경유하여 분리판(130)의 산소공급유로(134)를 통해서 외부로 배출된다.
이때, 상기 전압 측정기의 전압 검출부를 전압검출 단자(124c)에 접촉시켜서 상술된 화학반응과정에서 단위전지에서 생성되는 전압을 측정한다. 상기 전압 측정기에 의해서 측정되는 전압의 크기에 의해서 각 단위전지의 정상 가동여부를 판단한다.
상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.
본 발명에 따르면, 전도성 재질의 프레임을 갖는 전압검출 가스킷을 사용해서 단위전지에서 발생되는 전압을 측정함으로써 바이폴라 플레이트를 통한 전압검출시 바이폴라 플레이트가 손상되는 현상을 방지하면서 전압을 정확하게 검출할 수 있다.

Claims (11)

  1. 애노드 전극과 캐소드 전극에서의 수소함유연료와 산소함유기체의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전기 발생부를 갖는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 전기 발생부는,
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극이 양면에 각각 제공되어 있는 이온전도성 고분자막을 갖는 전극막 조립체와;
    상기 전극막 조립체의 애노드 전극과 캐소드 전극에 각각 대면하고 상기 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유동채널을 각각 갖는 한 쌍의 분리판과;
    상기 이온전도성 고분자막과 상기 분리판 사이에서 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 각각의 테두리를 둘러싸도록 배치되어 유체누출을 방지하는 한쌍의 가스킷을 포함하고,
    상기 가스킷 중 적어도 하나는 비전도성 재질의 제1프레임과 전도성 재질의 제2프레임으로 이루어진 전압검출 가스킷인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압검출 가스킷에는 전압검출 단자가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압검출 단자는 상기 제2프레임에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2프레임은 상기 이온전도성 고분자막에 접촉하고 상기 제1프레임은 분리판에 접촉하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1프레임과 제2프레임은 상기 이온전도성 고분자막의 일면에 제공된 전극과 상기 분리판에 형성된 유동채널이 면접촉할 수 있도록 관통되어 있는 관통창과, 상기 관통창을 둘러싸는 테두리부로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 테두리부는 상기 애노드 전극의 테두리를 둘러싸도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 테두리부는 상기 캐소드 전극의 테두리를 둘러싸도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리판에는 냉매가 유동할 수 있는 냉매유동채널이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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