KR20160135229A - 전기화학 셀을 운반하는 장치 및 방법 - Google Patents

전기화학 셀을 운반하는 장치 및 방법 Download PDF

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클라우스-미카엘 파세왈드
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지니어스 패턴트버베르텅 게엠베하 앤드 코 카게
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Abstract

전기화학 셀, 특히 리튬 이온-기반 셀 및/또는 리튬 이온 중합체 셀의 안전-임계 상태를 방지하고 제어하면서, 사용된, 손상된 또는 결함 있는 전기화학 셀을 운반하는 장치로서, 외부 주위 벽, 베이스, 및 폐쇄될 수 있는 뚜껑을 구비하고, 상기 주위 벽, 베이스, 및 뚜껑은 이들 벽 사이에 공간을 한정하고, 내부 공간에는 벌크 물질로 비활성, 비전도성, 불연성 및 흡수성을 갖는 중공 유리 과립으로 구성된 내연성 물질로만 충전되고, 상기 내연성 물질에 투과성이 있는 바스킷은 상기 공간 내에 배열되고 적어도 하나의 전기화학 셀을 수용한다.

Description

전기화학 셀을 운반하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSPORTING ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은, 공간을 한정하는 컨테이너를 갖고, 갈바니 셀(galvanic cell), 특히 리튬 이온-기반 셀 및/또는 리튬 이온 중합체 셀의 안전 임계 상태(safety critical condition)를 방지하고 제어하면서, 사용된, 손상된 또는 결함 있는 갈바니 셀을 운반하는 장치로서, 상기 공간은, 느슨하게 충전된 형태로, 비활성, 비전도성, 불연성 및 흡수성을 갖는 중공 유리 과립(hollow glass granulate)의 내연제(flame retardant)로만 충전된, 상기 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 사용된, 손상된 또는 결함 있는 갈바니 셀을 저장하고 운반하는 방법에 관한 것이다.
본 경우에, 본 발명의 범위 내에서 갈바니 셀은 화학적 에너지를 전기적 에너지로 자발적으로 변환하는 장치인 것으로 이해되고, 이 갈바니 셀은 다음 3개의 그룹으로 분할된다:
a) 구어체로 배터리라고도 언급되는 제1차 셀. 이 제1차 셀은 셀이 단 한번만 충전되고 방전될 수 있는 것이 특징이다. 이 방전은 비가역적이고 제1차 셀은 더 이상 전기적으로 충전될 수 없다.
b) 구어체로 재충전가능한 배터리라고도 언급되는 제2차 셀. 방전 후, 제2차 셀은 방전 방향과 반대 방향의 전류에 의해 재충전될 수 있다. 특히, 리튬 이온-기반 셀이 본 발명의 범위 내에서 고려된다.
c) 또한 제3차 셀이라고도 언급되는 연료 셀. 이 갈바니 셀의 경우에, 화학적 에너지 담체가 외부에서 연속적인 방식으로 제공된다. 이것에 의해 연속적인 동작이 가능하고 이것은 원리적으로 시간적 제한이 없다.
원리적으로, 본 발명은 모든 3개의 유형의 갈바니 셀에 적용될 수 있으나, 특히 금속 이온-기반 셀에 및 보다 특히 리튬-이온 기반 셀 및/또는 리튬 이온 중합체 셀과 관련된 것이다.
간략화를 위해, 심지어 모든 유형의 갈바니 셀을 언급할 때에도 이후에서는 "배터리"라는 용어만이 사용된다.
요즘, 리튬 이온-기반 셀이 중량에 비해 그 용량이 유리하기 때문에 여러 영역에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 특히, 이 셀은 전기 차량과 하이브리드 차량, 예를 들어, 재충전가능한 배터리에 의해 동작되는 승용차 또는 이륜차에 사용되는 것이 장래에 상당히 증가될 것으로 예상된다.
배터리, 특히 리튬 이온 배터리가 고장날 때, 화학 물질(전해질)과 입자들이 배터리의 내부로부터 누설되어 나올 수 있다. 이렇게 방출된 물질은, 고체, 액체 또는 기체 형태로 존재하거나 및 이들의 조합으로 존재하는데, 예를 들어, 입자, 먼지, 막(film), 에어로졸, 액체, 액적 연무(droplet mist)로 존재한다. 나아가, 화학적 반응 및/또는 전기적 반응이 발생해서 상당한 양의 열이 일어날 수 있다.
이 물질은 부분적으로 매우 반응성이 높고 건강에 유해하다. 또한 방출된 물질은 발화(ignite)되어 화재 및/또는 폭발을 야기할 수 있다.
그리하여, 거의 모든 리튬 이온 배터리에서, 예를 들어, 헥사플루오로인산리튬(lithium hexafluorophosphate)이 전해질로 사용되는데, 이는 배터리가 손상된 경우 누설되어 나와서 매우 반응성이 높고 독성 화합물(플루오르화수소산 등)로 분해될 수 있다.
모든 안전 조치에도 불구하고, 안전 임계 상태가 발생하면, 대응-조치들이 도입되어야 한다. 예를 들어, 화재가 발생하면, 화재-대처 조치와, 환경 오염을 회피하는 조치가 요구된다.
본 경우에, 안전 임계 상태는,
- 전해질이 누설되고 시간-지연 후 부식성(aggressive) 및 독성 화합물(예를 들어, 리튬 셀에서 플루오르화수소산(hydrofluoric acid))이 형성될 수 있는 것;
- 셀이 전해질의 끓는점을 넘어서까지 가열되는 것;
- 가스가 형성되는 것;
- 안전 밸브가 개방되고 및/또는 하우징이 파손되는 것;
- 가스가 누설되는 것;
- 산소의 유입으로 발화가능한 가스 혼합물이 형성되는 것;
- 셀 내부 또는 셀 외부의 발화 소스에서 발화된 후 가스 혼합물이 폭발하는 것;
- 갈바니 셀의 성분들이 연소하여 연기 가스가 형성되는 것;
- 주위 물질과 디바이스로 화재가 확산되는 것을 포함한다.
갈바니 셀, 특히 금속 이온-기반 셀, 및 보다 특히 선호되는 리튬 이온-기반 셀의 경우에 이들 안전 임계 상태는 방지되거나 또는 적어도 폭넓게 금지되어야 한다.
DE 10 2006 019 739 B4는, 소화제(extinguishing agent)를 사용하여 위험한 물체에서 화제를 소화하는 시스템으로서, 소화제를 위한 적어도 하나의 저장 컨테이너를 구비하고, 저장 컨테이너로부터 소화제를 화재로 운반하는 파이프워크 시스템을 구비하고, 소화제를 저장 컨테이너로부터 파이프워크 시스템을 통해 화재로 운송하는 운송 수단을 구비하는, 상기 시스템을 개시한다. 사용되는 소화제는, 적어도 1000도의 온도에 내열성이 있고 0.1 mm 내지 5 mm의 직경을 갖는 중공 둥근 과립이다. 이 시스템은 이미 성공적인 것으로 입증되었으나, 능동 운송 수단, 센서 등을 요구하여, 산업적 설비에 더 고려될 수 있을 것 같다.
EP 2 167 439 B1은, 적어도 1000℃의 온도에 내열성이 있고 0.1 mm 내지 5 mm의 둥근 과립의 직경을 갖는 중공 유리 구체의 중공 둥근 과립으로 구성된 내연제의 사용을 개시하며, 이 내연제는, 위험한 물체 상으로 지속적으로 적용하고 및/또는 위험한 물체를 내연제로 지속적으로 충전하는 것에 의해 화재를 방지한다. 이 아이디어도 또한 성공적인 것으로 입증되었으나, 특히 연료 저장소에서 떠 있게 적용하는데 적절하거나 또는 케이블 덕트 등을 충전하는데 적절하다.
WO 2011/015411 A1은 칼슘염 수용액과 겔형 소화제를 사용하는 하나 또는 복수의 배터리 셀, 바람직하게는 리튬 이온 셀에서 화재에 대처하거나 및/또는 화재를 방지하는 방법을 개시한다.
WO 2010/149611 A1은, 배터리를 안전하게 분쇄하는 방법으로서, a) 분쇄될 하나 또는 복수의 배터리를 제공하는 단계; 및 b) 제공된 배터리를 기계적으로 분쇄하는 단계를 포함하고, 분쇄 공정은, i) 배터리에서 화재를 억제하거나 감소시키기에 적절한 적어도 하나의 금속 내연제; 및 ii) 산 및/또는 염기와 결합하기에 적절한 적어도 하나의 결합제의 존재 하에서 수행되는, 상기 방법을 개시한다.
DE 10 2010 035 959 A1은, 안전 디바이스, 및 충전 물질로 충전된 위험한 제품을 위한 컨테이너를 구비할 수 있는, 위험한 제품을 위한 운반 장치, 특히 전기화학 에너지 저장 디바이스를 개시한다.
이에 비해, 본 발명의 목적은, 취급이 용이하고, 갈바니 셀의 안전 임계 상태를 방지하고 제어하면서, 사용된, 손상된 또는 결함 있는 갈바니 셀을 운반하고 저장하는 대안을 제공하는 것이다.
본 목적은 청구항 1에 설명된 장치 및 청구항 9에 설명된 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따라, 내연제에 투과성이 있고 적어도 하나의 갈바니 셀을 수용하는 바스킷(basket)이 공간에 배열된 경우, 배터리를 상기 내연제에 도입하고 특히 상기 내연제로부터 상기 배터리를 들어올리는 공정이 간략화되는 것으로 인식된다.
사실, 이런 방식으로 해당 배터리를 컨테이너의 외부로부터 상기 바스킷 안으로 로딩하고, 상기 바스킷을 전체로서 내연제로 충전된 컨테이너 안으로 내리는 것이 가능하다. 유사한 방식에서, 상기 컨테이너를 비우는 것이 간단하고, 이를 위해 상기 바스킷만을 들어올리면 된다. 두 경우에, 투과성 대문에 상기 내연제는 상기 바스킷 안으로 통과하여 (또는 바스킷 밖으로 유동하여) 상기 배터리를 둘러싸서, 배터리들이 매립된다(또는 노출된다).
바람직하게는, 상기 바스킷은 선택적으로 분말로 코팅된 와이어(wire)로 구성된 와이어 바스킷이다.
바람직하게는, 상기 바스킷은 비전도성 물질로 구성된다.
상기 컨테이너의 벽으로부터 거리가 유지되는 것을 보장하기 위해, 상기 바스킷에는 스페이서(spacer)들이 제공될 수 있다. 그리하여, 상기 바스킷은 내연제로 충전된 컨테이너 안에만 도입되어야 한다. 그리하여 심지어 운반되는 동안 흔들림과 급격한 움직임이 있는 경우에도 이 거리가 "자동적으로" 유지된다.
나아가, 상기 바스킷에는 개별 배터리들을 위한 격실(compartment)을 형성하기 위하여 내부에 파티션이 제공되고, 이에 따라 개별 배터리들이 서로에 대해 요구된 거리를 항상 유지할 수도 있다.
가장 간단한 경우에, 상기 스페이서들은 예를 들어 상기 바스킷의 일부로 형성되고 바깥쪽으로 돌출하는 브래킷(bracket) 구조물로 구성될 수 있다.
상기 스페이서들은 베이스(base)에 배열되거나 및/또는 상기 바스킷의 측벽에 배열되고, 이에 따라 상기 베이스로부터 및/또는 상기 측벽으로부터 거리가 유지되고 이 거리는 내연제로 충전될 수 있다.
메쉬의 폭 또는 개구의 사이즈는 상기 내연제의 사이즈에 적응될 수 있다.
상기 바스킷에는 수동 취급 또는 기계적 취급, 예를 들어, 밖으로 꺼내는 것을 간략화하기 위하여 홀더(holder)가 제공될 수 있다. 이 홀더는 예를 들어 브래킷 핸들, 구멍 등일 수 있다.
선호되는 내연제는 중공 유리 과립으로만 구성되는데, 즉 이 내연제는 중공 유리 과립만을 포함하고 그밖에 추가적인 성분을 포함하지는 않는다. 바람직하게는, 상기 중공 유리 과립은 중공 둥근 과립이거나 또는 중공 구역을 갖는 둥근 과립이고, 이 과립은 적어도 1000℃의 온도에 내열성이 있고 바람직하게는 0.1 mm 내지 10 mm의 평균 직경을 구비한다. 0.1 mm 내지 5 mm의 평균 직경이 보다 선호된다.
사용되는 중공 유리 과립은, 안전 위험에 따라 계산된 입자 사이즈(grain size), 및 냉각에 의해 발화를 회피하고, 질식 및/또는 산소 차단에 의해 화재를 소화하고, 인화성 가스 혼합물이 형성되는 것을 방지하는 공동(cavity) 부분을 구비하고, 안전 위험에 따라 계산된 입자 사이즈는 폭발, 즉 폭발성 대기를 방지하고, 산소를 변위시켜 발화 소스를 방지한다. 나아가, 이 중공 유리 과립은 전기 전도성을 전혀 갖지 않는다. 나아가, 이 과립은 흡수성이어서, 셀로부터 누설되어 나오는 전해질을 흡수할 수 있다.
상기 시스템에 의해 과립은 문제 없이 재사용될 수 있고, 이 과립은 실제로 마모가 없다. 시스템이 사용 후 낡아지거나 또는 오염되었을 때에는 내연제만을 교체하면 된다.
본 발명은 또한 청구항 9에 청구된 저장 및 운반 방법에 관한 것이다.
이에 따라, 해당 갈바니 셀은 전술된 장치에서 안전 임계 상태를 방지하는 저장/운반을 위한 내연제로 기능하는 중공 유리 과립에 직접 매립되거나 개별적으로 매립된다.
소화제의 방출 및/또는 소화제의 사용을 트리거하기 위한 능동적인 모니터링이 요구되지 않는다.
상기 저장 및/또는 운반은, 갈바니 셀들이 높이, 폭 및 깊이에 있어서 서로 소정의 거리에 매립되는 적절한 유형의 위험 제품 컨테이너에서 수행될 수 있다.
상기 중공 유리 과립의 특정 내연제는, 사용된, 손상된 또는 결함 있는 배터리 또는 갈바니 셀, 특히 리튬 이온-기반 셀을 저장하고 운반하기에 적절한 것으로 입증되었다.
사용되는 상기 중공 유리 과립의 특성이 전술되고 이는 또한 매립 절차에서 사용된다. 상기 내연제는, 특정 층 두께의 구체를 밀집 팩킹함에 따라 공기를 변위시켜 밀봉하는 방식으로 둥근 과립이 갈바니 셀 위로 적층되기 때문에 잠재적인 화재를 "질식"시키는 것으로 작용한다.
상기 둥근 과립은 비활성의 유리 물질로 구성된다. 이것에 의해 특히 효과적으로 충전되고, 유동하며 돌아다니는 능력(creeping capability)이 있고, 이에 따라 신뢰성 있게 운반할 수 있는 특성이 있고, 심지어 좁아서 그렇지 않은 경우 불량하게 액세스가능한 영역, 예를 들어, 갭에서도, 화재 영역을 커버하는 특성이 있다. 그리하여, 이것은 또한 잠재적인 화재에 산소가 공급되는 것을 방지한다.
바람직하게는, 상기 저장 및/또는 운반은, 배터리들이 중공 유리 과립 내에 매립되고, 선택적으로 높이, 폭 및 깊이에 있어서 서로 소정의 거리에 매립되는, 내화성 물질로 구성된 컨테이너(외부 주변 벽), 예를 들어, 위험 제품 또는 안전 컨테이너에서 수행된다. 복수의 리튬 이온-기반 셀이 삽입된 경우에 서로 대략 10 mm의 셀 높이에 대해 각 경우에 (높이, 폭, 깊이가) 적어도 대략 30 mm의 거리를 유지하는 것이 특히 바람직한 것으로 밝혀졌다.
외부 팩킹의 측벽(= 주변 벽)과 리튬 이온 셀 사이에는 적어도 2 cm, 바람직하게는 5 내지 20 cm, 특히 10 cm의 거리가 유지되어야 한다.
상기 외부 팩킹은 예를 들어 적절한 사이즈의 금속으로 구성될 수 있고, 그 베이스는 적어도 30 mm, 바람직하게는 5 내지 20 cm, 특히 10 cm의 층 두께를 구비하는 특정 중공 유리 과립 층으로 커버된다. 그러나, 합성 물질로 구성된 컨테이너도 또한 적절하다.
복수의 갈바니 셀이 운반되는 경우, 갈바니 셀들 사이에 적어도 100 mm의 자유 공간이 유지되도록 갈바니 셀들이 이 베이스 상에 놓여야 한다. 상기 자유 공간은 동일한 특정 중공 유리 과립으로 충전된다. 이 갈바니 셀의 제1 층은 동일한 방식으로 이 제1 층 위에 추가적인 셀 층이 놓일 수 있다. 상기 셀은 상부가 적어도 100 mm의 층 두께를 갖는 특정 중공 유리 과립 층으로 커버된다. 그리하여, 모든 갈바니 셀은 모든 측면이 적어도 100 mm의 층 두께를 갖는 특정 중공 유리 과립 층으로 둘러싸인다.
셀들이 발화되는 경우에, 폐쇄된 (안전) 컨테이너는 화재 및 오염의 확산을 방지한다. 중공 유리 과립은 짧은 시간 기간 내에 일어나는 화재를 질식시키거나 또는 심지어 상기 화재가 발전하지 않게 한다.
셀은 안전 위험에 따라 계산된 다량의 중공 유리 과립 내에 직접 매립된다.
본 발명의 추가적인 특징과 상세는 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 리튬 이온 배터리를 수집, 저장, 및 운반하는 본 발명에 따른 컨테이너의 개략 측단면도, 및
도 2는 도 1의 컨테이너를 라인 A-A를 따라 절단한 단면도.
도 1 및 도 2는 내화성 물질로 구성되고 전체적으로 참조 부호 1로 지시된 폐쇄가능한 컨테이너를 도시한다. 간략화를 위해, 제공되는 뚜껑은 도 1 및 도 2에서는 생략되어 있다.
컨테이너(1)는 내부에 공간(4)이 있게 외부 벽(2)과 베이스(3)(및 미도시된 뚜껑)에 의해 한정되고, 이 공간(4)은 중공 유리 과립(5)으로 충전된다.
중공 유리 과립(5)은 비활성, 비전도성, 불연성 및 흡수성이고, 적어도 1000℃를 초과하는 온도에서만 용융된다. 이 과립은 (스크린 분석에 따라) 0.1 내지 5 mm의 평균 직경을 구비한다.
공간(4)에는 바스킷(6)이 삽입되고 이 바스킷은 분말로 코팅된 와이어 메쉬로 구성되고, 이 메쉬의 폭은 중공 유리 과립(5)이 이 메쉬를 통과하거나 또는 방해 없이 유동할 수 있도록 구성된다.
결함 있는 배터리(B)가 바스킷(6) 안에 놓인다.
중공 유리 과립(5)이 바스킷의 메쉬를 통해 자유로이 유동할 수 있기 때문에, 배터리(B)는 모든 측면이 중공 유리 과립(5)에 의해 둘러싸이거나 또는 바스킷 내부에 매립되고, 제어되지 않은 임계 상태가 발생할 위험이 최소화되거나 또는 방지된다.
바스킷(6)이 컨테이너(1) 내에 도입되고 이 컨테이너로부터 제거되는 것을 보장하기 위하여, 이 바스킷은 각 경우에 바스킷(6)의 상부 에지(6B)로부터 안쪽으로 돌출하는 2개의 브래킷 핸들(7)을 구비한다.
나아가, 바스킷에는 밑면에 2개의 스페이서(8)가 제공되고, 이 2개의 스페이서는 각각 와이어 브래킷으로 구성되고 바스킷의 길이방향으로 서로 이격되어 있다.
브래킷(8)은 초기에 바스킷 베이스(6C)로부터 아래쪽으로 컨테이너의 베이스(3)까지 림(limb)(8A)으로 연장되고, 그리하여 컨테이너의 베이스(3)로부터 컨테이너 내부에 배열되는 바스킷(6) 또는 배터리(B)의 거리를 결정한다.
이후, 브래킷(8)은 컨테이너(1)의 측벽(6A)에 이르기까지 바깥쪽으로 측방향으로 연장되고, 이 이유로 추가적인 림(8B)은 벤딩된다. 그리하여, 바스킷(6)은 또한 컨테이너(1) 내에서 측방향에 위치되어, 슬립(slip)될 수 없어서, 측벽(6A)으로부터의 거리가 고정된다.
(도 1의 관찰 방향에서) 남아 있는 컨테이너 크기에서 바스킷(6)의 거리는 유사하게 바스킷(6) 그 자체 또는 추가적인 브래킷(9)(도 2 참조, 점선으로 도시)에 의해 고정된다.
이에 따라 배터리(B)는 바스킷(6) 안에 놓일 수 있고, 바스킷은 컨테이너(1) 안으로 도입될 수 있고, 여기서 이미 부분적으로 도입된 중공 유리 과립(5)은 바스킷의 메쉬를 통해 유동하고 이에 따라 배터리(B)를 둘러싼다. 이후, 추가적인 중공 유리 과립(5)이 추가될 수 있고, 컨테이너(1) 내 공간(4)을 완전히 채우거나 또는 원하는 충전 레벨까지 채우고 나서 배터리(B)를 커버할 수 있다.
1: 위험 제품 컨테이너
2: 벽
3: 베이스
4: 공간
5: 중공 유리 과립
6: 바스킷
6A: 바스킷의 측벽
6B: 바스킷의 에지
6C: 바스킷의 베이스
7: 브래킷 핸들
8: 브래킷
8A: 림
8B: 림
9: 브래킷
B: 리튬 이온 중합체 배터리 모듈

Claims (10)

  1. 공간을 한정하는 컨테이너를 갖고, 갈바니 셀의 안전 임계 상태를 방지하고 제어하면서, 사용된, 손상된 또는 결함 있는 갈바니 셀, 특히 리튬 이온-기반 셀 및/또는 리튬 이온 중합체 셀을 운반하는 장치로서, 상기 공간은 느슨하게 충전된 형태로, 비활성, 비전도성, 불연성 및 흡수성을 갖는 중공 유리 과립의 내연제로만 충전되고, 상기 공간에는 바스킷이 배열되고, 상기 바스킷은 내연제에 투과성이고, 적어도 하나의 갈바니 셀을 수용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바스킷은 와이어 바스킷인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 바스킷은 분말로 코팅된 와이어로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바스킷에는 스페이서가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스페이서는 브래킷 구조물로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스페이서는 상기 베이스에 배열되거나 및/또는 상기 바스킷의 측벽에 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 유리 과립은 중공 둥근 과립 또는 중공 구역을 갖는 둥근 과립이고, 상기 과립은 적어도 1000℃의 온도에 내열성이 있고, 바람직하게는 0.1 mm 내지 10 mm, 특히 0.1 mm 내지 5 mm의 평균 직경을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 주변 벽은 종래의 위험 제품 컨테이너인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 사용된, 손상된 또는 결함 있는 갈바니 셀, 특히 리튬 이온-기반 셀을 저장하고 운반하는 방법으로서, 상기 갈바니 셀은 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 청구된 장치에서 안전 임계 상태를 방지하는 저장/운반을 위한 내연제로 기능하는 중공 유리 과립 내에 직접 매립되고 개별적으로 매립되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 저장 및/또는 운반은, 상기 갈바니 셀들이 높이, 폭 및 깊이에 있어서 서로 소정의 거리에 매립되는 적절한 유형의 위험 제품 컨테이너에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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