KR20160121076A - Hydrogen supply system of submarine and management method thereof - Google Patents

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KR20160121076A
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길영미
최영복
우일국
변윤철
오준
정승교
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Abstract

Disclosed are a hydrogen system of a submarine, and a method for operating the same. According to one aspect of the present invention, the present invention provides the hydrogen supply system of a submarine, comprising: a hydrogen generating device having a burner; a fuel cell receiving hydrogen generated in the hydrogen generating device to be consumed; and a sterling engine which can be operated by using remaining heat of the burner used in the hydrogen generating device.

Description

잠수함의 수소 시스템 및 그 운용 방법{HYDROGEN SUPPLY SYSTEM OF SUBMARINE AND MANAGEMENT METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a submarine hydrogen system,

본 발명의 실시예는 잠수함의 수소 공급 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버너를 구비한 수소발생장치에서 남는 열을 스털링 엔진에 공급하여 열효율을 높이고 추가 동력원을 확보할 수 있는 잠수함의 수소 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것이다.
An embodiment of the present invention relates to a submarine hydrogen supply system and a method of operating the submarine. More particularly, the present invention relates to a submarine capable of supplying thermal energy remaining in a hydrogen generator having a burner to a Stirling engine, And a method of operating the hydrogen system.

잠수함은 수중을 잠항할 수 있으며, 이를 위해 함내의 전원을 공급받아 동작하는 추진모터 등에 의해 회전력이 발생되고, 이 회전력이 프로펠러까지 전달되어 추진력을 발생시킨다.
The submarine is submerged in water, and a torque is generated by a propulsion motor that operates with power supplied from the cabin, and this torque is transmitted to the propeller to generate propulsion.

연료전지를 사용하는 잠수함의 경우, 연료개질기(Reformer)에서 수소가 생산되는 경우가 있다. 여기서, 연료개질기는 탄화수소 및 알코올 계열 연료와 수증기 및 산소와 반응하여 수소를 생산하는 장치를 말한다. In the case of a submarine using a fuel cell, hydrogen may be produced in a fuel reformer. Here, the fuel reformer refers to a device that produces hydrogen by reacting with hydrocarbons and alcohol-based fuel, water vapor, and oxygen.

이와 다른 예로서, 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 경우가 있다. 이러한 장치를 금속연료 수소발생기라 한다. 금속연료라 함은, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등의 금속으로서, 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있는 연료를 말한다.
As another example, hydrogen may be generated using a metal fuel. Such a device is referred to as a metal fuel hydrogen generator. The metal fuel refers to a metal such as aluminum, magnesium, zinc, or sodium having high purity and capable of reacting with an acidic / alkaline solution under specific conditions to generate hydrogen.

한편, 이와 같은 연료개질기 또는 금속연료 수소발생기를 갖춘 잠수함의 수소 시스템 내에 버너가 구비되는 경우가 있는데, 버너의 남는 열을 활용할 수 있는 기술적 방안이 요청된다.
On the other hand, there is a case where a burner is provided in the hydrogen system of a submarine equipped with such a fuel reformer or a metal-fuel hydrogen generator, and a technical solution for utilizing the remaining heat of the burner is required.

잠수함(대한민국 공개특허공보 제10-2009-0101089호)Submarine (Korean Patent Publication No. 10-2009-0101089)

본 발명은 버너를 구비한 수소발생장치에서 남는 열을 스털링 엔진에 공급하여 열효율을 높이고 추가 동력원을 확보할 수 있는 잠수함의 수소 시스템을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a hydrogen system for a submarine capable of supplying thermal energy remaining in a hydrogen generator having a burner to a Stirling engine to increase thermal efficiency and secure an additional power source.

또한, 본 발명은 버너를 구비한 수소발생장치에서 남는 열을 스털링 엔진에 공급하여 열효율을 높이고 추가 동력원을 확보할 수 있는 잠수함의 수소 시스템의 운용 방법을 제공하고자 한다.
It is another object of the present invention to provide a method for operating a hydrogen system of a submarine which can supply thermal energy remaining in a hydrogen generator having a burner to a Stirling engine to increase thermal efficiency and secure an additional power source.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned here will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 잠수함의 수소 공급 시스템으로서, 버너를 구비한 수소발생장치; 상기 수소발생장치에서 발생된 수소를 공급받아 소비하는 연료전지; 및 상기 수소발생장치에서 사용된 상기 버너의 남는 열을 이용하여 구동 가능한 스털링 엔진;을 포함하는 잠수함의 수소 공급 시스템을 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a hydrogen supply system for a submarine, comprising: a hydrogen generator having a burner; A fuel cell for supplying and consuming hydrogen generated in the hydrogen generator; And a Stirling engine that can be driven using the remaining heat of the burner used in the hydrogen generator.

상기 수소발생장치는, 탄화수소 및 알코올 계열 연료와 수증기 및 산소와 반응하여 수소를 발생시키는 연료개질기(Reformer)이거나, 또는 금속연료를 공급받아 수소를 발생시키는 금속연료 수소발생기일 수 있다. The hydrogen generator may be a reformer for generating hydrogen by reacting with hydrocarbons and alcohol-based fuel, steam and oxygen, or a metal-fuel hydrogen generator for generating hydrogen by receiving metal fuel.

상기 스털링 엔진은, 상기 버너의 남는 열을 공급받아 상기 잠수함의 추가 동력원으로 이용될 수 있다. 예를 들면, 상기 스털링 엔진은 연료전지 이외에 추가적인 동력원으로 이용될 수 있는데 비상용으로 사용 가능하여 열 효율을 높일 수 있다. The Stirling engine may be used as an additional power source of the submarine by receiving the remaining heat of the burner. For example, the Stirling engine can be used as an additional power source in addition to a fuel cell, and can be used for emergency use, thereby improving the thermal efficiency.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 잠수함의 수소 공급 시스템의 운용 방법으로서, (a) 상기 수소발생장치에서 발생된 수소를 연료전지로 공급하는 단계; (b) 상기 수소발생장치 내부의 상기 버너의 남는 열을 스털링 엔진에 공급하는 단계; 및 (c) 상기 버너의 남는 열을 공급받은 상기 스털링 엔진이 잠수함의 추가 동력원으로 이용되는 단계;를 포함하는 잠수함의 수소 공급 시스템의 운용 방법을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of operating a submarine hydrogen supply system, comprising: (a) supplying hydrogen generated in the hydrogen generator to a fuel cell; (b) supplying the remaining heat of the burner inside the hydrogen generator to the Stirling engine; And (c) the Stirling engine supplied with the residual heat of the burner is used as an additional power source for the submarine.

상기 (a) 단계에서, 상기 수소발생장치는 탄화수소 및 알코올 계열 연료와 수증기 및 산소와 반응하여 수소를 발생시키는 연료개질기(Reformer)이거나, 또는 금속연료를 공급받아 수소를 발생시키는 금속연료 수소발생기일 수 있다.
In the step (a), the hydrogen generator may be a reformer for generating hydrogen by reacting with hydrocarbons and alcohol-based fuel, steam and oxygen, or a metal-fuel hydrogen generator for generating hydrogen by receiving a metal fuel .

본 발명에 의하면, 버너를 구비한 수소발생장치에서 남는 열을 스털링 엔진에 공급하여 열효율을 높이고 추가 동력원을 확보할 수 있는 장점이 있다.
According to the present invention, there is an advantage that heat remaining in the hydrogen generating apparatus having a burner can be supplied to the Stirling engine to increase thermal efficiency and secure an additional power source.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 시스템을 간략히 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 시스템의 운용 방법을 간략히 도시한 순서도.
1 is a conceptual view schematically showing a hydrogen system of a submarine according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart schematically illustrating a method of operating a hydrogen system of a submarine according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

그리고 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 잠수함의 수소 시스템 및 그 운용 방법에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a hydrogen system for a submarine according to embodiments of the present invention and a method for operating the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 시스템을 간략히 도시한 개념도이다. 1 is a conceptual view briefly showing a hydrogen supply system of a submarine according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 이에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 시스템(100)은 수소발생장치(110), 버너(120), 연료전지(130), 그리고 스털링 엔진(140)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a submarine hydrogen system 100 according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen generator 110, a burner 120, a fuel cell 130, and a Stirling engine 140 do.

수소발생장치(110)는 연료전지(130)가 탑재된 잠수함 내에서 수소를 발생시키는 장치를 말한다. The hydrogen generator 110 is a device for generating hydrogen in a submarine on which the fuel cell 130 is mounted.

일 예로서, 상기 수소발생장치(110)는 연료개질기(Reformer)일 수 있다. 이 경우, 탄화수소 및 알코올 계열 연료와 수증기 및 산소와 반응하여 수소를 발생시키도록 구성될 수 있다. As an example, the hydrogen generator 110 may be a fuel reformer. In this case, it may be configured to react with hydrocarbons and alcohol-based fuel, water vapor, and oxygen to generate hydrogen.

또 다른 예로서, 상기 수소발생장치(110)는 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 금속연료 수소발생기일 수 있다. 여기서, 금속연료라 함은, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등의 금속으로서, 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있는 연료를 말한다.As another example, the hydrogen generator 110 may be a metal-fuel hydrogen generator that generates hydrogen using metal fuel. Here, the metal fuel refers to a metal such as aluminum, magnesium, zinc, or sodium having high purity and capable of reacting with an acidic / alkaline solution under specific conditions to generate hydrogen.

전술한 바와 같이, 상기 수소발생장치(110)는 연료개질기 또는 금속연료 수소발생기일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. As described above, the hydrogen generator 110 may be a fuel reformer or a metal-fuel hydrogen generator, but is not limited thereto.

이와 같이, 수소발생장치(110)에서 발생된 수소는 잠수함(1)의 연료전지(130)로 공급되어 소비될 수 있다. As described above, hydrogen generated in the hydrogen generator 110 can be supplied to the fuel cell 130 of the submarine 1 and consumed.

한편, 수소발생장치(110)의 내부에 버너(120)가 구비될 수 있다.Meanwhile, the burner 120 may be provided in the hydrogen generator 110.

상기 버너(120)는 상기 수소발생장치(110)에서 필요한 열을 발생시키는데, 버너의 남는 열을 활용하는 방안이 기존에는 전무하였다. The burner 120 generates heat necessary for the hydrogen generator 110, but there has been no method for utilizing the remaining heat of the burner.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 버너(120)의 남는 열을 활용하기 위한 방안으로서 스털링 엔진(140)이 설치될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a Stirling engine 140 may be installed as a means for utilizing the remaining heat of the burner 120.

상기 스털링 엔진(140)은 상기 수소발생장치(110)에서 사용된 상기 버너(120)의 남는 열을 공급받을 수 있다. The Stirling engine 140 may receive the remaining heat of the burner 120 used in the hydrogen generator 110.

여기서, 스털링 엔진(stirling engine)(140)은 관용적으로 알려진 바와 같이 닫힌 공간 안의 가스를 서로 다른 온도에서 압축ㅇ팽창시켜 열에너지를 운동에너지로 바꾸는 장치를 말한다. Here, the Stirling engine 140 refers to a device that compresses and expands gas in a closed space at different temperatures to transform thermal energy into kinetic energy, as is conventionally known.

이러한 스털링 엔진은 기타 다른 열기관에 비해 높은 열효율을 가질 수 있으며, 또 가스를 태울 때 폭발행정이 없기 때문에 엔진의 떨림, 소음이 낮은 장점이 있다. 또한, 외연기관이라는 점에서 화석연료뿐 아니라 석유, 천연가스를 비롯하여 폐열, 태양열 등의 모든 열원을 활용할 수 있는 장점이 있다. Such a Stirling engine can have a higher thermal efficiency than other heat engines, and also has advantages of low engine vibration and noise because there is no explosion stroke when burning gas. In addition, since it is an external combustion engine, it has the advantage of utilizing all the heat sources such as fossil fuel, oil, natural gas, waste heat, and solar heat.

이와 같이, 상기 스털링 엔진(140)은 버너(120)의 남는 열을 공급받을 수 있으며, 상기 연료전지(130)이외에 잠수함의 추가 동력원으로 이용될 수 있는데 비상시에 운용이 가능한 장점이 있으며, 열효율이 향상되는 효과를 가져올 수 있다.
As described above, the Stirling engine 140 can receive the remaining heat of the burner 120, and can be used as an additional power source for the submarine in addition to the fuel cell 130. The Stirling engine 140 has an advantage of being able to operate in an emergency, It is possible to obtain an improved effect.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 시스템의 운용 방법을 간략히 도시한 순서도이다. 2 is a flowchart briefly showing a method of operating a hydrogen supply system for a submarine according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 시스템의 운용 방법은 수소 공급단계(S100), 버너의 남는 열을 스털링 엔진에 공급하는 단계(S200), 그리고 스털링 엔진을 잠수함의 추가 동력원으로 이용하는 단계(S300)를 포함한다. Referring to FIG. 2, a method of operating a submarine hydrogen supply system according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen supply step S100, a step S200 of supplying the remaining heat of the burner to the Stirling engine, As an additional power source of step S300.

먼저, 수소발생장치에서 발생된 수소를 연료전지로 공급하는 단계(S100)가 수행될 수 있다. First, step S100 of supplying hydrogen generated in the hydrogen generator to the fuel cell may be performed.

이 단계에서, 상기 수소발생장치는 연료개질기 또는 금속연료 수소발생기일 수 있다. At this stage, the hydrogen generator may be a fuel reformer or a metal-fuel hydrogen generator.

만일, 연료개질기 일 경우, 탄화수소 및 알코올 계열 연료와 수증기 및 산소와 반응하여 수소를 발생시키도록 구성될 수 있다. If it is a fuel reformer, it can be configured to generate hydrogen by reacting with hydrocarbons and alcohol-based fuel, water vapor and oxygen.

이와 달리, 금속연료 수소발생기 일 경우, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등의 금속연료를 특정 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응시켜 수소를 발생시키도록 구성될 수 있다. Alternatively, in the case of a metal-fuel hydrogen generator, a metal fuel such as aluminum, magnesium, zinc, sodium, etc. may be reacted with an acidic / alkaline solution under specific conditions to generate hydrogen.

다음으로, 수소발생장치 내부의 상기 버너의 남는 열을 스털링 엔진에 공급하는 단계(S200)가 수행될 수 있다. Next, a step S200 of supplying the remaining heat of the burner in the hydrogen generator to the Stirling engine may be performed.

그 다음으로, 버너의 남는 열을 공급받은 스털링 엔진이 잠수함의 추가 동력원으로 이용되는 단계(S300)가 수행될 수 있다. 이에 따라 열효율을 향상시킬 수 있으며, 잠수함 내에 추가적인 동력원을 확보하여 안정성을 추구할 수 있다.
Next, a step S300 may be performed in which the Stirling engine supplied with the remaining heat of the burner is used as an additional power source for the submarine. As a result, thermal efficiency can be improved, and stability can be sought by securing an additional power source in the submarine.

상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 버너를 구비한 수소발생장치에서 남는 열을 스털링 엔진에 공급하여 열효율을 높이고 추가 동력원을 확보할 수 있다.
As described above, according to the constitution and the function of the present invention, the heat remaining in the hydrogen generator having the burner can be supplied to the Stirling engine to increase thermal efficiency and secure additional power source.

지금까지 본 발명인 잠수함의 수소 시스템 및 그 운용 방법에 관하여 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였다. The hydrogen system of the submarine of the present invention and the method of operating the same are described with reference to preferred embodiments.

전술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The foregoing embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than the foregoing description. It is intended that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

1: 잠수함
10: 압력선체
100: 잠수함의 수소 시스템
110: 수소발생장치(예: 연료개질기 또는 금속연료 수소발생기)
120: 버너
130: 연료전지
140: 스털링 엔진1: Submarine
10: Pressure hull
100: Submarine hydrogen system
110: Hydrogen generator (eg fuel reformer or metal-fuel hydrogen generator)
120: Burner
130: Fuel cell
140: Stirling engine

Claims (5)

잠수함의 수소 공급 시스템으로서,
버너를 구비한 수소발생장치;
상기 수소발생장치에서 발생된 수소를 공급받아 소비하는 연료전지; 및
상기 수소발생장치에서 사용된 상기 버너의 남는 열을 이용하여 구동 가능한 스털링 엔진;을 포함하는,
잠수함의 수소 공급 시스템.
As a hydrogen supply system for a submarine,
A hydrogen generator having a burner;
A fuel cell for supplying and consuming hydrogen generated in the hydrogen generator; And
And a Stirling engine that can be driven using the remaining heat of the burner used in the hydrogen generator.
Submarine hydrogen supply system.
제1항에 있어서,
상기 수소발생장치는,
탄화수소 및 알코올 계열 연료와 수증기 및 산소와 반응하여 수소를 발생시키는 연료개질기(Reformer)이거나,
또는 금속연료를 공급받아 수소를 발생시키는 금속연료 수소발생기인 것을 특징으로 하는,
잠수함의 수소 공급 시스템.
The method according to claim 1,
The hydrogen generator includes:
A fuel reformer that reacts with hydrocarbons and alcohol-based fuel, water vapor, and oxygen to generate hydrogen,
Or a metal-fuel hydrogen generator for generating hydrogen by receiving a metal fuel.
Submarine hydrogen supply system.
제1항에 있어서,
상기 스털링 엔진은,
상기 버너의 남는 열을 공급받아 상기 잠수함의 추가 동력원으로 이용되는,
잠수함의 수소 공급 시스템.
The method according to claim 1,
In the Stirling engine,
The submarine is used as an additional power source of the submarine,
Submarine hydrogen supply system.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 잠수함의 수소 공급 시스템의 운용 방법으로서,
(a) 상기 수소발생장치에서 발생된 수소를 연료전지로 공급하는 단계;
(b) 상기 수소발생장치 내부의 상기 버너의 남는 열을 스털링 엔진에 공급하는 단계; 및
(c) 상기 버너의 남는 열을 공급받은 상기 스털링 엔진이 잠수함의 추가 동력원으로 이용되는 단계;를 포함하는,
잠수함의 수소 공급 시스템의 운용 방법.
A method of operating a hydrogen supply system of a submarine as claimed in any one of claims 1 to 3,
(a) supplying hydrogen generated in the hydrogen generator to a fuel cell;
(b) supplying the remaining heat of the burner inside the hydrogen generator to the Stirling engine; And
(c) the Stirling engine supplied with the remaining heat of the burner is used as an additional power source of the submarine.
How to operate the submarine hydrogen supply system.
제4항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 수소발생장치는 탄화수소 및 알코올 계열 연료와 수증기 및 산소와 반응하여 수소를 발생시키는 연료개질기(Reformer)이거나, 또는 금속연료를 공급받아 수소를 발생시키는 금속연료 수소발생기인 것을 특징으로 하는 잠수함의 수소 공급 시스템의 운용 방법. 5. The method of claim 4,
In the step (a)
Wherein the hydrogen generator is a reformer for generating hydrogen by reacting with hydrocarbons and alcohol-based fuel, steam and oxygen, or a metal-fuel hydrogen generator for generating hydrogen by receiving a metal fuel. How to operate the supply system.
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