KR20100136716A - 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 셧다운시 공기 유입을 차단하는 에어 차단 밸브 및 냉시동성 개선을 위한 건조가스 퍼지를 위한 밸브를 동시 개폐 작동 가능하게 동축으로 연결시킨 새로운 구조의 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 셧다운시 공기극으로 공기가 들어가는 것을 차단하는 에어 차단 밸브와, 물 제거를 위한 건조가스 퍼지용 바이패스 밸브를 구동수단에 의하여 동시 개폐 가능하도록 동축으로 연결하여 하나로 통합시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치를 제공한다.
연료전지 스택, 밸브 장치, 에어 차단 밸브, 바이패스 밸브, 공기극, 냉시동성
Description
본 발명은 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 셧다운시 공기 유입을 차단하는 에어 차단 밸브 및 냉시동성 개선을 위한 건조가스 퍼지를 위한 밸브를 동시 개폐 작동 가능하게 동축으로 연결시킨 새로운 구조의 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치에 관한 것이다.
연료전지 차량의 시동 과정인 스타트 업 및 셧다운(start-up/shut-down)과정에서 연료전지 스택의 촉매 열화가 심각하게 발생되는 것으로 알려져 있으며, 도 에 9에 도시된 운전모드별 촉매 열화 기여도에서 보는 바와 같이 아이들 및 로딩 사이클에 비하여 연료전지 스타트 업 및 셧다운시, 스택내 각 전극(공기극 및 연료극) 촉매의 열화가 많이 발생되는 것으로 보고되고 있다.
이러한 연료전지 차량의 시동 과정 즉, 스타트 업 및 셧다운(start-up/shut-down)과정에서 전극 촉매에 대한 열화가 발생되는 메카니즘을 첨부한 도 7을 참조로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료전지 셧다운시, 연료극(100: anode: 수소극)에 잔존하는 수소와 공기극(200: cathode)에 잔존하는 공기(산소 및 질소)간의 화학적 반응이 발생하고, 그에 따른 OCV가 발생하게 되는 바, 이 OCV는 스택내의 촉매 담지 카본의 부식 초래와 함께 스택의 내구성 저하를 초래하게 되므로, 일종의 저항체인 COD(300: Cathode Oxygen Depletion)가 스택의 양단자에 연결되어 OCV를 제거하게 된다.
그럼에도 불구하고, 공기극에 분압에 의한 산소가 침입하여, 연료극으로 넘어가는 크로스오버(crossover) 현상이 발생하게 된다.
이후, 연료전지 스타트 업이 이루어질 때, 연료전지의 정상적인 전기 생성을 위한 반응가 일어남과 함께, 첨부한 도 8에 도시된 바와 같이 연료극(100)으로 산소가 넘어가는 크로스오버 현상으로 인해 연료극에서 비정상적인 물 생성이 초래되고, 공기극(200)의 출구측에서는 탄소담지 및 카본 부식에 따른 촉매 이탈이 발생하여 스택의 성능을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래 기술의 일례로서, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 공기극 입구 및 출구에 각각 제1 및 제2에어 차단 밸브(400a, 400b: air shut-off)를 별도로 설치하여, 연료전지 시동 과정 즉, 연료전지 셧다운에서 스타트 업 사이에 촉매 열화를 발생시키는 원인인 공기(산소)가 공기극으로 침입하는 것을 차단하고 있다.
한편, 빙점 이하의 조건에서 연료전지 차량의 스타트 업(start-up)이 용이하게 이루어지도록 셧다운(shut-down)전에 연료전지 스택의 공기극내 물을 얼지 않게 미리 제거해야 하는 바, 이러한 물 제거를 위한 하나의 방법으로 공기블로워를 이 용한 가스 퍼지(gas purge)법이 사용되고 있으나, 퍼지되는 배출수가 가습기를 통해 스택으로 재순환되어 물 제거가 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다.
즉, 도 6a에 도시된 바와 같이 스택의 공기극(200)에서 배출되는 습윤 상태의 가스(wet gas)를 가습기(500)를 통해 퍼지하고 있으므로, 가습기(500)내의 습윤상태 가스가 공기블로워(600)로부터 공급되는 건조공기를 가습시키면서 다시 스택의 공기극(200)으로 순환되어 물 제거가 완전하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
이러한 점을 감안하여, 첨부한 도 6b에 도시된 바와 같이 물 제거를 위한 다른 방법으로서 연료전지 스택내에 공기블로워(600)로부터의 건조공기만을 공급하는 건조공기 퍼지 방법이 적용되고 있으며, 특히 연료전지 스택의 공기극(200)내의 물을 효과적으로 제거하고자 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 가습기 입구측에 가습기 바이패스밸브(400c)를 설치하여 공기극으로 들어가는 습윤가스를 바이패스시키는 방법이 적용되고 있다.
상기한 습윤 상태의 가스(wet gas)를 가습기를 통해 퍼지하는 방법과, 건조공기만을 공급하는 건조공기 퍼지 방법에 대한 시험 결과를 나타낸 도 6c 및 도 6d에서 보는 바와 같이, 습윤 상태의 가스(wet gas)를 가습기를 통해 퍼지하는 방법은 스택내의 잔존수 결빙으로 인한 연료전지 셀 전압 강하로 시동이 불가함을 알 수 있었고, 반면에 건조공기만을 공급하는 건조공기 퍼지 방법은 잔존수 결빙으로 인한 셀전압 강하가 없고 시동이 가능함을 알 수 있었다.
이에, 가습기 입구측에 가습기 바이패스밸브를 설치하여 공기극으로부터 유입되는 습윤가스를 외부로 바이패스시키는 방법이 보다 유리함을 알 수 있다.
이와 같이, 종래에는 연료전지 시동 과정에서 촉매 열화를 발생시키는 공기(산소)가 공기극으로 침입하는 것을 차단하기 위한 에어 차단 밸브를 공기극 입구 및 출구측에 별도로 설치하고, 또한 공기극으로 들어가는 습윤가스를 가습기로 바이패스시키기 위해 가습기 입구측에 별도의 가습기 바이패스밸브를 더 설치함에 따라, 밸브 설치 공간을 확보하는데 어려움이 있고, 밸브 장착 구조가 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 여러개의 밸브를 별도로 설치함에 따른 비용 증대가 크게 발생하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지 셧다운시 공기극으로 공기가 유입되는 것을 차단하는 에어 차단 밸브와, 물 제거를 위한 건조가스 퍼지용 바이패스 밸브를 하나의 모듈로 통합함으로써, 연료전지 셧다운시 공기극으로 공기가 유입되는 것을 차단하여 스택내 촉매 열화 방지 및 스택 내구성을 향상을 도모할 수 있고, 효과적인 물 제거를 통해 냉시동성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 셧다운시 공기극으로 공기가 들어가는 것을 차단하는 에어 차단 밸브와, 물 제거를 위한 건조가스 퍼지용이면서 에어 차단 기능을 겸비하는 바이패스 밸브를 소정의 구동수단에 의하여 동시 개폐 가능하도록 동축으로 연결하여 하나로 통합시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치를 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 에어 차단 밸브는 2웨이 밸브로서 가습기 출구와 공기극 입구간의 공기공급라인에 형성되는 제1하우징과, 이 제1하우징내에 회전 가능하게 내설되는 제1밸브판으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 바이패스 밸브는 3웨이 밸브로서 공기극 출구와 가습기 입구간의 공기배출라인과 외기와 통하는 분기라인이 서로 만나는 곳에 형성되되, 상기 제1하우징과 일직선상에 위치하게 형성되는 제2하우징과, 이 제2하우징내에 회전 가능하게 내설되는 제2밸브판으로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 구동수단은 제1하우징내의 제1밸브판과 제2하우징내의 제2밸브판을 동축으로 연결하는 구동축과, 이 구동축의 일단에 연결되는 감속기어와, 감속기어와 치합되는 구동기어를 갖는 모터로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1하우징 및 제2하우징은 원통형 형상으로 형성되고, 상기 제1밸브판 및 제2밸브판은 각 하우징내 표면을 따라 회전하도록 부채꼴 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단에 의하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 공기극으로 공기가 유입되는 것을 차단하는 에어 차단 밸브와, 물 제거를 위한 건조가스 퍼지용 바이패스 밸브를 하나의 모듈로 통합함으로써, 스택내 촉매 열화 방지 및 스택 내구성을 향상을 도모할 수 있고, 효과적인 물 제거를 통해 냉시동성을 향상시킬 수 있음은 물론, 밸브 구성을 위한 부품수를 절감하여 원가절감을 실현할 수 있다.
즉, 본 발명의 통합형 밸브 장치에 의거, 연료전지 셧다운시 공기극에 분압에 의한 산소가 침입하는 것을 차단하여, 크로스오버 현상에 의한 공기극의 카본 부식에 따른 촉매 이탈 현상을 방지할 수 있고, 그에 따라 스택내 촉매 열화 방지 및 스택 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 통합형 밸브 장치에 의거, 연료전지 셧다운전에 건조공기만이 공기극으로 들어가도록 하여, 공기극내 물이 외기로 원할하게 배출되도록 함으로써, 빙점 이하의 조건에서도 잔존수 결빙으로 인한 셀전압 강하가 없이 냉시동성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치를 나타내 는 사시도이다.
연료전지 시동 과정 즉, 연료전지 셧다운에서 스타트 업 사이에 촉매 열화를 발생시키는 공기(산소)가 공기극으로 침입하는 것을 차단하고자, 가습기 출구(12)와 연료전지 스택의 공기극 입구(14) 사이에 에어 차단 밸브(10)를 설치하고, 스택의 공기극내 물 제거를 위한 건조가스 퍼지용이면서 공기극에 대한 에어 차단 기능을 겸비하는 바이패스 밸브(20)를 스택의 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22) 사이에 설치하되, 상기 에어 차단 밸브(10)와 바이패스 밸브(20)를 동시 개폐 작동 가능하도록 동축으로 연결하여 하나로 통합시킨 점에 특징이 있다.
상기 에어 차단 밸브(10)는 가습기 출구(12)와 공기극 입구(14)간의 공기공급라인(16) 즉, L자형으로 수직 절곡되는 부위의 공기공급라인(16)내에 설치되는 2웨이 밸브로서, L자형으로 수직 절곡되는 부위의 공기공급라인(16)에 형성된 원통형의 제1하우징(17)과, 이 제1하우징(17)내에 회전 가능하게 내설되어 제1하우징(17)의 내표면을 따라 회전하는 제1밸브판(18)으로 구성된다.
상기 바이패스 밸브(20)는 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22)간의 공기배출라인(25)과, 외기와 통하도록 공기배출라인(25)으로부터 분기된 분기라인(26)이 서로 만나는 위치에 설치되는 3웨이 밸브로서, 상기 에어 차단 밸브(10)의 제1하우징(17)과 일직선상에 위치되는 원통형의 제2하우징(27)과, 이 제2하우징(27)내에 회전 가능하게 내설되어 제2하우징(27)의 내표면을 따라 회전하는 제2밸브판(28)으로 구성된다.
이때, 상기 에어 차단 밸브(10)의 제1밸브판(18) 및 상기 바이패스 밸브(20) 의 제2밸브판(28)은 원통형으로 만들어진 제1 및 제2하우징(17,27)의 내표면을 따라 용이하게 회전되도록 부채꼴 형상으로 구비된다.
상기 에어 차단 밸브(10)의 제1밸브판(18)과 상기 바이패스 밸브(20)의 제2밸브판(28)은 동축으로 연결되어 동시에 회전되며 개폐 작동하게 되는 바, 그 회전 개폐 작동을 위한 구동수단의 일 실시예는 다음과 같다.
상기 구동수단의 일 실시예로서, 제1하우징(17)내의 제1밸브판(18)과 제2하우징(27)내의 제2밸브판(28) 즉, 부채꼴 형상의 중심부(뽀족한 부분)를 동축으로 연결하는 구동축(30)을 포함한다.
또한, 상기 제1하우징(17)으로부터 연장된 구동축(30)의 일단부에는 감속기어(32)가 장착되고, 이 감속기어(32)에는 모터(36)의 축에 장착되는 구동기어(38)와 치합된다.
따라서, 상기 모터(36)의 구동과 함께 구동기어(38)가 회전하면, 감속기어(32)에서 감속이 이루어진 회전력이 구동축(30)에 전달되고, 연이어 구동축(30)의 회전에 따라 상기 제1밸브판(18)과 제2밸브판(28)이 동시에 회전하며 개폐 작동을 하게 된다.
여기서, 상기 에어 차단 밸브의 제1밸브판 및 상기 바이패스 밸브의 제2밸브판이 개폐 작동하는 예를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 연료전지의 스타트 업후 정상 작동 모드에서 본 발명의 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치가 작동된 상태를 나타내는 사시도이다.
연료전지 스타트 업후, 정상적인 전기 생성을 위하여 스택으로 수소 및 공기 공급이 정상적으로 이루어져야 하므로, 가습기 출구(12)와 연료전지 스택의 공기극 입구(14)간의 공기공급라인(16)을 열림 상태로 유지해야 하며, 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22)간의 공기배출라인(25)도 분기라인(26)을 막는 동시에 열림 상태로 유지해야 한다.
따라서, 상기 공기공급라인(16)의 제1하우징(17)내에 설치된 제1밸브판(18)은 가습기 출구(12)와 공기극 입구(14)를 서로 연통시키는 열림 위치(중립 위치)에 위치되고, 또한 상기 공기배출라인(25)의 제2하우징(27)내에 설치된 제2밸브판(28)도 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22)를 서로 연통시키는 열림 위치(중립 위치)에 위치하며, 이때 제2밸브판(28)은 외기와 통하는 분기라인(26)을 막아주게 된다.
이에 따라, 공기블로워로부터 공기가 가습기에서 가습된 후, 공기공급라인(16)을 따라 스택의 공기극으로 들어가서, 연료극의 수소와 반응하여 전기를 생성하게 된다.
물론, 상기 스택의 공기극 출구(24)로부터 배출된 습윤 상태의 공기는 공기배출라인(25)을 따라 가습기 입구(22)를 통해 가습기로 유입되어, 공기블로워로부터의 건조공기를 가습시키는 역할을 하게 된다.
첨부한 도 3은 연료전지 셧다운시 본 발명의 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치가 작동된 상태를 나타내는 사시도이다.
연료전지 셧다운에서 스타트 업 사이에 촉매 열화를 발생시키는 공기(산소)가 공기극으로 침입하는 것을 차단하고자, 연료전지 스택의 공기공급라인(16)을 닫힘 상태로 유지해야 하고, 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22)간의 공기배출라 인(25)도 닫힘 상태로 유지해야 한다.
따라서, 상기 공기공급라인(16)의 제1하우징(17)내에 설치된 제1밸브판(18)은 상기한 구동수단의 구동에 의하여 중립 위치에서 시계반대방향으로 90도 회전하여 가습기 출구(12)와 공기극 입구(14)를 서로 막아주는 닫힘 위치에 위치되고, 또한 상기 공기배출라인(25)의 제2하우징(27)내에 설치된 제2밸브판(28)도 제1밸브판(18)과 함께 중립 위치에서 시계반대방향으로 90도 회전하여 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22)를 서로 막아주는 닫힘 위치에 위치하게 되며, 이때에도 제2밸브판(28)은 외기와 통하는 분기라인(26)을 막아주게 된다.
이에 따라, 가습기 출구(12)와 공기극 입구(14)가 제1밸브판(18)에 의하여 막힌 상태이면서, 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22)도 제2밸브판(28)에 의하여 막힌 상태가 됨에 따라, 연료전지 셧다운시 즉, 셧다운에서 스타트 업 사이에 공기극으로 분압에 의한 산소가 침입하는 것을 제1 및 제2밸브판(18,28)에서 용이하게 차단하여 기존의 크로스오버(crossover) 현상을 방지할 수 있고, 크로스오버 현상에 의한 공기극의 카본 부식에 따른 촉매 이탈 현상을 방지할 수 있으며, 결국 스택내 촉매 열화 방지 및 스택 내구성을 향상시킬 수 있다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치의 또 다른 작동예로서, 연료전지 셧다운(shut-down)전에 연료전지 스택의 공기극내 물을 제거하는 상태를 나타내는 사시도이다.
빙점 이하의 조건에서 연료전지 차량의 스타트 업(start-up)이 용이하게 이루어지도록 셧다운(shut-down)전에 연료전지 스택의 공기극내 물을 얼지 않게 미리 제거해야 하는 바, 건조공기만을 스택으로 공급하여 물 배출이 용이하게 이루어지도록 한다.
따라서, 상기 공기공급라인(16)의 제1하우징(17)내에 설치된 제1밸브판(18)은 상기한 구동수단의 구동에 의하여 중립 위치에서 시계방향으로 90도 회전하여 가습기 출구(12)와 공기극 입구(14)를 서로 연통시키는 열림 상태를 계속 유지하게 되고, 또한 상기 공기배출라인(25)의 제2하우징(27)내에 설치된 제2밸브판(28)은 제1밸브판(18)과 함께 중립위치에서 시계방향으로 90도 회전하여 공기극 출구(24)와 가습기 입구(22)를 서로 막아주는 닫힘 위치를 유지하되, 공기극 출구(24)와 분기라인(26)을 연통시키는 위치로 이동하게 된다.
이에 따라, 공기블로워로부터 건조공기가 가습기를 통과하되, 제2밸브판(28)이 가습기 입구(22)를 차단한 상태이므로, 건조공기는 습윤공기를 수용하지 못한 가습기를 통과하여 건조 상태를 유지하면서 통과하게 되고, 계속해서 공기공급라인(16)을 따라 스택의 공기극으로 들어가는 건조공기의 압력에 의하여 공기극내의 잔존하는 물이 공기극 출구(24)로 용이하게 배출되고, 연이어 공기극 출구(24)로부터 배출된 물이 분기라인(26)을 통해 외기로 배출되어진다.
이때, 가습기 입구(22)가 제2밸브판(28)에 의하여 막힌 상태이므로, 공기극 출구로부터의 습윤공기는 가습기로 들어가지 못하고, 분기라인(26)을 통해 외기로 배출된다.
이와 같이, 본 발명의 제1 및 제2밸브판(18,28)의 개폐 작동에 의하여, 건조공기만이 공기극으로 들어가 물 배출이 원할하게 이루어지도록 함으로써, 빙점 이 하의 조건에서도 잔존수 결빙으로 인한 셀전압 강하가 없이 냉시동성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치로서, 연료전지의 스타트 업후 정상 작동 모드에서의 밸브 위치를 나타내는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치로서, 연료전지 셧다운시 밸브 작동 위치를 나타내는 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치로서, 연료전지 셧다운(shut-down)전에 공기극내 물을 제거하는 밸브 위치를 나타낸 사시도,
도 5는 종래의 연료전지 스택에 에어 차단 밸브와, 가습기 바이패스 밸브가 별도로 설치된 상태를 설명하는 개략도,
도 6a 및 도 6b는 습윤가스 퍼지를 통해 물 배출을 하는 상태와, 건조가스 퍼지를 통해 물 배출을 하는 상태를 설명하는 개략도,
도 6c 및 도 6d는 습윤가스 퍼지와 건조가스 퍼지를 통해 이루어지는 물 배출 효율을 설명하는 시험결과 그래프,
도 7 및 도 8은 연료전지 차량의 시동 과정인 스타트 업 및 셧다운과정에서 전극 촉매에 대한 열화가 발생되는 메카니즘을 설명하는 개략도,
도 9는 연료전지 차량의 운전모드별 촉매 열화 빈도를 설명하는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 에어 차단 밸브 12 : 가습기 출구
14 : 공기극 입구 16 : 공기공급라인
17 : 제1하우징 18 : 제1밸브판
20 : 바이패스 밸브 22 : 가습기 입구
24 : 공기극 출구 25 : 공기배출라인
26 : 분기라인 27 : 제2하우징
28 : 제2밸브판 30 : 구동축
32 : 감속기어 36 : 모터
38 : 구동기어
Claims (5)
- 연료전지 셧다운시 공기극으로 공기가 들어가는 것을 차단하는 에어 차단 밸브와, 물 제거를 위한 건조가스 퍼지용이면서 에어 차단 기능을 겸비하는 바이패스 밸브를 소정의 구동수단에 의하여 동시 개폐 가능하도록 동축으로 연결하여 하나로 통합시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 에어 차단 밸브는 2웨이 밸브로서 가습기 출구와 공기극 입구간의 공기공급라인에 형성되는 제1하우징과, 이 제1하우징내에 회전 가능하게 내설되는 제1밸브판으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 바이패스 밸브는 3웨이 밸브로서 공기극 출구와 가습기 입구간의 공기배출라인과 외기와 통하는 분기라인이 서로 만나는 곳에 형성되되 제1하우징과 일직선상에 위치하게 형성되는 제2하우징과, 이 제2하우징내에 회전 가능하게 내설되는 제2밸브판으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 구동수단은 제1하우징내의 제1밸브판과 제2하우징내의 제2밸브판을 동축으로 연결하는 구동축과, 이 구동축의 일단에 연결되는 감속기어와, 감속기어와 치합되는 구동기어를 갖는 모터로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치.
- 청구항 4에 있어서,상기 제1하우징 및 제2하우징은 원통형 형상으로 형성되고, 상기 제1밸브판 및 제2밸브판은 각 하우징내 표면을 따라 회전하도록 부채꼴 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치.
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