KR20240058696A - 수소제조 발전 시스템 및 수조제조 발전 방법 - Google Patents

수소제조 발전 시스템 및 수조제조 발전 방법 Download PDF

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김선엽
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 수소의 제조 과정에서 생성되는 반응 생성물을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 수소 제조 발전 시스템 및 수소 제조 발전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 수소를 생성하는 수소 생성부, 상기 수소 생성부에서 생성된 수소를 정제하는 수소 정제부, 상기 수소 정제부에서 전달되며 수소를 포함하는 반응 생성물을 연소하여 전력을 생산하는 수소엔진 발전기, 및 상기 수소 정제부에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 저농도수소 공급라인을 포함할 수 있다.

Description

수소제조 발전 시스템 및 수조제조 발전 방법{HYDROGEN PRODUCTION POWER GENERATIING SYSTEM AND HYDROGEN PRODUCTION POWER GENERATIING METHOD}
본 발명은 수소를 제조하고 수소를 제조하는 과정에서 발생된 반응 생성물을 이용하여 전력을 생산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
천연가스, 액화석유가스 및 가솔린 등 화석연료와 암모니아와 같은 연료에서 개질(Reforming), 분해(Decomposition) 또는 탈수소화(Dehydrogenation)하는 과정에서 반응기, 열교환기 및 수증기 발생장치 등 주변장치가 안정화되기까지 원하지 않는 순도의 수소가 포함된 가스가 발생한다.
수소가 포함된 합성가스를 고순도 수소로 정제하는 압력순환식 흡착장치, 분리막 등에서도 정제장치가 안정화되어 원하는 순도의 수소가 발생하기까지 수소가 포함된 가스가 배출되며, 수소가 분리되고 배출되는 오프가스에도 잔여 수소가 존재한다.
또한, 수소발생장치와 연료전지가 직접 연결되는 경우에는 연료전지의 발전량이 감소에 따라 수소 생성량보다 수소 사용량이 낮아지고 저장용량을 초과하는 경우에는 잔여 수소가 발생할 수 있다.
또한, 수전해장치에서도 수소생산이 필요하지 않은 상황에서도 산소와 수소가 혼합되지 않도록 일정 부하 이상으로 수소를 생산하여 잔여 수소가 발생할 수 있다.
이러한, 시동과정과 부하 변동 과정에서 반응기와 정제장치가 안정화될 때까지 발생하는 원하지 않는 순도의 수소를 포함한 가스는 버너 또는 촉매 연소기를 통해서 수소를 연소시키고 배출되는데, 수소를 포함한 가스를 버너 또는 촉매연소기를 사용하여 연소하여 배출하면 열로 에너지가 손실되며, 촉매 연소기에 고가의 촉매를 사용하는 경우에는 비용이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 오프가스를 버너에서 연소하여 개질, 분해 또는 탈수소화 반응기에 필요한 열을 공급하는 경우, 안정적인 연소를 위해서 버퍼 탱크 및 순환장치 등 시스템 구성이 복잡해지는 문제가 있다.
또한, 수소발생장치와 연료전지가 직접 연결되어 있는 시스템이나 수전해장치에서 잔여 수소가 발생하는 경우, 수소발생장치의 수소 생성량을 낮추기 위해서는 시간이 소요되며 잔여 수소를 저장하기 위한 추가 장치가 필요한 문제가 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 수소의 제조 과정에서 생성되는 반응 생성물을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 수소 제조 발전 시스템 및 수소 제조 발전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 수소를 생성하는 수소 생성부, 상기 수소 생성부에서 생성된 수소를 정제하는 수소 정제부, 상기 수소 정제부에서 전달되며 수소를 포함하는 반응 생성물을 연소하여 전력을 생산하는 수소엔진 발전기, 및 상기 수소 정제부에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 저농도수소 공급라인을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 상기 수소 정제부에서 외부로 수소를 공급하는 수소 배출라인과 상기 수소 배출라인에 설치된 배출제어 밸브와 상기 저농도수소 공급라인에 설치된 저농도제어 밸브와 상기 수소 정제부에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도를 판단하고 상기 배출제어 밸브와 상기 저농도제어 밸브의 개폐를 제어하는 제1 농도 판단부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 농도 판단부는 상기 수소 생성부에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제1 기준 농도보다 더 낮으면 상기 배출제어 밸브를 닫고 상기 저농도제어 밸브를 개방하며, 상기 반응 생성물의 수소 농도가 상기 제1 기준 농도 이상인 경우에는 상기 배출제어 밸브를 개방하고 상기 저농도제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 상기 수소 생성부에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 중간 공급라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 상기 수소 생성부에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소 정제부로 전달하는 수소 전달라인과 상기 중간 공급라인에 설치된 중간제어 밸브와 상기 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브와 상기 수소 생성부에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도를 판단하고 상기 전달제어 밸브와 상기 중간제어 밸브의 개폐를 제어하는 제2 농도 판단부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 농도 판단부는 상기 수소 생성부에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제2 기준 농도보다 더 작은 경우에는 상기 전달제어 밸브를 닫고 상기 정간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응 생성물의 수소 농도가 상기 제2 기준 농도 이상인 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 농도 판단부는 상기 수소 생성부의 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우에는 상기 전달제어 밸브를 닫고 상기 정간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응기의 온도가 상기 기준 온도 범위 이내인 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제2 농도 판단부는 상기 수소 생성부의 반응기의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 작은 경우에는 상기 전달제어 밸브를 닫고 상기 정간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응기의 운전시간이 상기 기준 시간보다 더 큰 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 부하의 수요 변화를 감지하고, 상기 배출제어 밸브와 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 제어하는 부하추종 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 부하추종 제어부는 부하의 수요가 감소하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 감소시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 증가시키며, 부하의 수요가 증가하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 증가시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 상기 수소 정제부에서 배출되는 오프가스를 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 오프가스 공급라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 수소엔진 발전기로 공기를 공급하는 공기 공급라인에는 상기 저농도수소 공급라인과 상기 중간 공급라인과 상기 오프가스 공급라인에서 전달된 오프가스, 중간생성물을 공기와 혼합하는 혼합기가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 방법은 수소를 생성하는 수소 생성 단계, 상기 수소 생성 단계에서 생성된 수소를 정제하는 수소 정제 단계, 상기 수소 정제 단계에서 정제된 반응 생성물에 포함된 수소의 농도를 판단하는 정제 농도 판단 단계, 상기 수소 정제 단계에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 저농도수소 공급 단계, 및 수소를 포함하는 반응 생성물을 연소하여 전력을 생산하는 수소엔진 발전 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 정제 농도 판단 단계는 상기 수소 정제 단계에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제1 기준 농도 보다 더 낮으면 수소를 외부로 공급하는 배출 라인에 설치된 배출제어 밸브를 닫고, 반응생성물을 상기 엔진 발전기로 공급하는 저농도 공급라인에 설치된 상기 저농도제어 밸브를 개방하며, 상기 반응 생성물의 수소 농도가 상기 제1 기준 농도 보다 더 높으면 상기 배출제어 밸브를 개방하고, 상기 저농도제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 방법은 상기 수소 생성 단계에서 배출되는 수소의 농도를 판단하는 생산 농도 판단 단계와 상기 수소 생성 단계에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 중간 공급 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 상기 생산 농도 판단 단계는 상기 수소 생성 단계에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제2 기준 농도보다 더 낮으면 수소 정제부로 반응 생성물을 공급하는 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브를 닫고, 상기 엔진 발전기로 공급하는 중간 공급라인에 설치된 상기 중간제어 밸브를 개방하며, 상기 수소 생성 단계에서 배출되는 상기 반응생성물의 수소 농도가 상기 제2 기준 농도보다 더 높으면 상기 전달제어 밸브를 개방하고, 상기 중간제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 생산 농도 판단 단계는 수소를 생산하는 수소 생성부의 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 벗어나면, 수소 정제부로 반응 생성물을 공급하는 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브를 닫고, 상기 엔진 발전기로 공급하는 중간 공급라인에 설치된 상기 중간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응기의 온도가 상기 기준 온도 범위 이내이면, 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 생산 농도 판단 단계는 수소를 생산하는 수소 생성부의 반응기의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 작으면, 수소 정제부로 반응 생성물을 공급하는 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브를 닫고, 상기 엔진 발전기로 공급하는 중간 공급라인에 설치된 상기 중간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응기의 운전시간이 상기 기준 시간보다 더 큰 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 방법은 부하의 수요 변화를 감지하고, 상기 배출제어 밸브와 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 제어하는 부하추종 제어 단계를 더 포함하고, 상기 부하추종 제어 단계는 부하의 수요가 감소하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 감소시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 증가시키며, 부하의 수요가 증가하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 증가시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 방법은 오프가스 공급라인을 통해서 상기 수소 정제부에서 배출되는 오프가스를 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 오프가스 공급 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 수소제조 발전 시스템은 수소엔진 발전기와 저농도 공급라인을 포함하여 수소 정제 과정에서 발생하는 저농도 수소를 수소엔진 발전기로 공급하여 수소의 낭비를 막고 전력을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템(101)은 연료를 가열하고 개질하여 수소를 생산, 정제하는 시스템이다. 여기서 연료는 천연가스, 액화석유가스, 가솔린, 암모니아 등 다양한 연료가 적용될 수 있다.
수소 제조 발전 시스템(101)은 수소 생성부(110), 수소 정제부(120), 수소엔진 발전기(130), 수소 전달라인(114), 전달제어 밸브(115), 수소 배출라인(123), 배출제어 밸브(125), 제1 농도 판단부(121), 저농도 공급라인(161), 저농도제어 밸브(162)를 포함할 수 있다.
수소 생성부(110)는 연료, 물 및 공기 등을 공급받아서 열을 이용하여 연료를 개질하여 수소를 생산하는 장치이다. 또한 수소 생성부(110)는 연료를 개질하여 수소를 생산할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 수소 생성부는 수전해장치 등 물을 전기분해하거나 다른 방법으로 수소를 생성하는 장치로 이루어질 수도 있다.
수소 생성부(110)는 버너(113)와 반응기(112)를 포함하며, 버너(113)에는 연료와 공기가 공급될 수 있다. 버너(113)는 탄화수소계 연료, 암모니아 및 수소 정제부의 오프가스 등을 연소하여 열을 생성하고, 생성된 열을 반응기로 공급할 수 있다. 반응기(112)는 촉매를 이용하여 공급된 연료를 개질하여 수소를 생성할 수 있다.
반응기(112)는 수증기 개질, 자기열개질, 열분해, 촉매 부분 산화 등의 방식으로 수소를 생성할 수 있다. 다만, 반응기(112)는 다양한 구조로 이루어질 수 있으며, 본 발명이 특정한 반응기의 구조에 제한되는 것은 아니다. 수소 생성부(110)는 수소를 포함하는 반응생성물을 생성하는데, 반응생성물에는 수소와 불순물을 포함하고 있다.
수소 정제부(120)는 수소 생성부(110)에서 전달된 반응생성물에서 수소를 분리하여 고순도 수소를 생성한다. 수소 정제부(120)는 수소 분리막, 압력스윙흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 또는 진공압력스윙흡착(Vacuum Pressure Swing Adsorption, VPSA) 방식으로 수소를 정제할 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 수소 정제부(120)는 다양한 방법으로 수소를 정제할 수 있다.
수소 전달라인(114)은 수소 생성부(110)와 수소 정제부(120)를 연결하며, 수소 생성부(110)에서 생성된 반응 생성물을 수소 정제부(120)로 전달한다. 전달제어 밸브(115)는 수소 전달라인(114)에 설치되어 수소 전달라인(114)을 통해서 이동하는 반응 생성물의 유량을 제어한다.
수소 배출라인(123)은 수소 정제부(120)에 연결되어 수소 정제부(120)에서 정제된 고순도 수소를 수요지(150)에 공급한다. 수요지(150)는 수소를 저장하는 저장소, 연료전지 등이 될 수 있다. 배출제어 밸브(125)는 수소 배출라인(123)에 설치되어 수소 배출라인(123)을 통해서 배출되는 수소의 유량을 제어한다.
수소엔진 발전기(130)는 수소를 포함하는 연료를 연소하여 전력을 생산하는 장치이며, 수소를 연소하는 엔진과 전력을 생산하는 발전기가 일체로 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 수소엔진 발전기(130)는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 다양한 구조로 이루어질 수 있다. 수소엔진 발전기(130)에는 수소엔진 발전기(130)로 공기를 공급하는 공기 공급라인(131)과 연료를 추가적으로 공급하는 보조연료 공급라인(169)이 연결될 수 있다.
저농도 공급라인(161)은 수소 정제부(120)에서 생성된 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 전달한다. 저농도 공급라인(161)은 기 설정된 기준농도보다 낮은 농도의 수소를 포함하는 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 전달할 수 있다.
저농도 공급라인(161)은 수소엔진 발전기(130)로 반응 생성물을 직접 공급하거나 공기 공급라인(131)과 연결되어 공기 공급라인(131)을 통해서 수소엔진 발전기(130)로 반응 생성물을 공급할 수 있다. 공기 공급라인(131)에는 혼합기(132)가 설치될 수 있는데, 공기와 반응 생성물은 혼합기(132)에서 혼합되어 수소엔진 발전기로 공급될 수 있다. 혼합기(132)는 연료를 분사하는 페그, 고압의 반응 생성물로 공기를 가속하는 이젝터, 와류를 형성하는 스월러 등을 포함할 수 있다.
저농도 공급라인(161)에는 저농도 공급라인(161)을 통해서 이동하는 반응 생성물의 유량을 제어하는 저농도제어 밸브(162)가 설치될 수 있다.
제1 농도 판단부(121)는 수소 정제부(120)와 연결되어 수소 정제부(120)에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도를 측정하고, 배출제어 밸브(125)와 저농도제어 밸브(162)의 개폐를 제어한다.
제1 농도 판단부(121)는 반응 생성물의 수소 농도를 기 설정된 제1 기준 농도와 비교하여 반응 생성물의 수소 농도가 제1 기준 농도보다 낮으면 배출제어 밸브(125)를 닫고 저농도제어 밸브(162)를 개방한다. 따라서 반응 생성물의 수소 농도가 낮으면 수소 정제부(120)에서 배출되는 반응 생성물이 수소엔진 발전기(130)로 공급될 수 있다.
제1 농도 판단부(121)는 수소 농도가 제1 기준 농도 이상인 경우에는 배출제어 밸브(125)를 개방하고 저농도제어 밸브(162)를 닫는다. 따라서 반응 생성물의 수소 농도가 충분히 높으면 수소 정제부(120)에서 배출되는 반응 생성물이 수요지(150)로 공급될 수 있다.
수소 생성 초기에는 농도가 낮은 반응 생성물이 대량으로 생산되면, 저농도 수소를 포함하는 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 공급하여 전력을 생산할 수 있다. 수소엔진 발전기(130)에서 생산된 전력은 계통에 공급되거나 전력저장장치에 저장될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법에 대해서 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법은 수소 생성 단계(S101), 수소 정제 단계(S102), 정제 농도 판단 단계(S103), 저농도 수소 공급 단계(S104), 수소엔진 발전 단계(S105)를 포함할 수 있다.
수소 생성 단계(S101)는 버너(113)에서 생성된 열을 이용하여 반응기(112)에서 연료를 개질하여 수소를 생성한다. 수소 생성 단계(S101)에서 생성된 수소는 반응 생성물에 포함되며 반응 생성물은 수소, 수분, , 탄화수소 등을 포함할 수 있다. 수소 생성 단계(S101)는 수증기 개질, 자기열개질, 열분해, 촉매 부분 산화 등의 방법으로 수소를 생성할 수 있다.
수소 정제 단계(S102)는 수소 생성 단계(S101)에서 생성된 수소를 정제하며, 반응생성물에서 수소를 분리하여 고순도 수소를 생성한다. 수소 정제 단계(S102)는 수소 분리막, 압력스윙흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 또는 진공압력스윙흡착(Vacuum Pressure Swing Adsorption, VPSA) 방식으로 수소를 정제할 수 있다.
정제 농도 판단 단계(S103)는 수소 정제 단계(S102)에서 정제된 반응 생성물에 포함된 수소의 농도를 판단한다. 정제 농도 판단 단계(S103)는 수소 정제부(120)에서 정제된 후에 배출되는 소수의 농도를 기 설정된 제1 기준 농도와 비교하여 판단한다.
정제 농도 판단 단계(S103)는 반응 생성물의 수소 농도가 제1 기준 농도보다 더 낮으면 배출라인(123)에 설치된 배출제어 밸브(125)를 닫고, 저농도 공급라인(161)에 설치된 저농도제어 밸브(162)를 개방한다.
또한, 정제 농도 판단 단계(S103)는 반응 생성물의 수소 농도가 제1 기준 농도 이상인 경우에는 배출제어 밸브(125)를 개방하고, 저농도제어 밸브(162)를 닫는다. 정제 농도 판단 단계(S103)에서 반응 생성물의 수소 농도가 제1 기준 농도 이상이면 정제된 고농도 수소를 수요지(150)에 공급한다.
저농도 수소 공급 단계(S104)는 수소 정제 단계(S102)에서 생성된 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 전달한다. 저농도 수소 공급 단계(S104)는 저농도 공급라인(161)을 통해서 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 공급하되 수소엔진 발전기의 실린더 내부로 직접 공급되거나 공기 공급라인(131)에 설치된 혼합기(132)를 이용하여 공기와 반응 생성물을 혼합하여 수소엔진 발전기(130)로 공급한다.
수소엔진 발전 단계(S105)는 수소를 포함하는 반응 생성물을 연소하여 전력을 생산하며, 생산된 전력을 계통에 공급하거나, 전력저장장치에 저장할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 수소 제조 과정에서 생성되되 저농도의 수소를 포함하는 반응 생성물을 이용하여 효율적으로 전력을 생산할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템(102)은 제2 농도 판단부(118), 중간 공급라인(116), 중간제어 밸브(117), 오프가스 공급라인(163)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템과 동일한 구조 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
중간 공급라인(116)은 수소 생성부(110)에서 생성된 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 전달한다. 중간 공급라인(116)은 기 설정된 기준농도보다 낮은 농도의 수소를 포함하는 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 전달할 수 있다.
중간 공급라인(116)은 공기 공급라인(131)과 연결되어 공기 공급라인(131)을 통해서 수소엔진 발전기(130)로 반응 생성물을 공급할 수 있다. 중간 공급라인(116)에는 중간 공급라인(116)을 통해서 이동하는 반응 생성물의 유량을 제어하는 중간제어 밸브(117)가 설치될 수 있다.
오프가스 공급라인(163)은 수소 정제부(120)와 연결되어 수소 정제부(120)에서 배출되는 오프가스를 수소엔진 발전기(130)로 공급한다. 오프가스 공급라인(163)은 공기 공급라인(131)과 연결되어 공기 공급라인(131)을 통해서 수소엔진 발전기(130)로 반응 생성물을 공급할 수 있다.
수소 정제부(120)에서 배출되는 오프가스에는 다량의 수소가 포함되는데, 오프가스가 수소엔진 발전기(130)로 공급되면 오프가스를 이용하여 전력을 생산하고, 시스템 구성과 제어를 단순화하고 연료 이용 효율이 향상될 수 있다.
제2 농도 판단부(118)는 수소 생성부(110)와 연결되어 수소 생성부(110)에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도를 측정하고, 전달제어 밸브(115)와 중간제어 밸브(117)의 개폐를 제어한다.
제2 농도 판단부(118)는 반응기(112)에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도를 기 설정된 제2 기준 농도와 비교하여 반응 생성물의 수소 농도가 제2 기준 농도보다 낮으면 전달제어 밸브(115)를 닫고 중간제어 밸브(117)를 개방한다. 따라서 반응 생성물의 수소 농도가 낮으면 수소 생성부(110)에서 배출되는 반응 생성물이 수소엔진 발전기(130)로 공급될 수 있다.
제2 농도 판단부(118)는 반응기(112)에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도가 제2 기준 농도 이상인 경우에는 전달제어 밸브(115)를 개방하고 중간제어 밸브(117)를 닫는다. 따라서 반응 생성물의 수소 농도가 충분히 높으면 반응 생성물이 수소 생성부(110)에서 수소 정제부(120)로 이동할 수 있다.
제 2 농도 판단부(118)는 기 설정된 반응기(112)의 온도 또는 기 설정된 반응기의 운전시간을 기준으로 밸브들을 제어할 수 있다.
즉, 제 2 농도 판단부(118)는 반응기(112)의 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우에는 전달제어 밸브(115)를 닫고 중간제어 밸브(117)를 개방하며, 반응기(112)의 온도가 기 설정된 기준 온도 범위 이내인 경우에는 전달제어 밸브(115)를 개방하고 중간제어 밸브(117)를 닫을 수 있다. 여기서 기준 온도 범위는 반응기(112)의 정상 작동 온도 범위로서 반응기의 종류에 따라 상이하게 설정될 수 있다.
또한, 제 2 농도 판단부(118)는 반응기(112)의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 작은 경우에는 전달제어 밸브(115)를 닫고 중간제어 밸브(117)를 개방하며, 반응기(112)의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 큰 경우에는 전달제어 밸브(115)를 개방하고 중간제어 밸브(117)를 닫을 수 있다.
수소엔진 발전기(130)는 소수를 포함하는 연료를 연소하여 전력을 생산하는 장치로서, 수소 생성부(110)에서 전달된 반응 생성물, 수소 정제부(120)에서 전달된 반응 생성물과 오프가스를 연소하여 전력을 생산한다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법은 수소 생성 단계(S201), 생산 농도 판단 단계(S202), 중간 수소 공급 단계(S203), 수소 정제 단계(S204), 정제 농도 판단 단계(S205), 저농도 수소 공급 단계(S206), 오프가스 공급 단계(S207), 수소엔진 발전 단계(S208)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법은 생산 농도 판단 단계(S202), 중간 수소 공급 단계(S203), 오프가스 공급 단계(S207), 수소엔진 발전 단계(S208)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 가습 방법과 동일한 과정으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
생산 농도 판단 단계(S202)는 수소 생성 단계(S201)에서 생산된 반응 생성물에 포함된 수소의 농도를 판단한다. 생산 농도 판단 단계(S202)는 수소 생성부(110)에서 배출되는 소수의 농도를 제2 기준 농도와 비교하여 판단한다.
생산 농도 판단 단계(S202)는 수소 생성부(110)에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도가 제2 기준 농도보다 더 낮으면 수소 전달라인(114)에 설치된 전달제어 밸브(115)를 닫고, 중간 공급라인(116)에 설치된 중간제어 밸브(117)를 개방한다.
또한, 생산 농도 판단 단계(S202)는 수소 생성부(110)에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도가 제2 기준 농도보다 더 높으면 전달제어 밸브(115)를 개방하고, 중간제어 밸브(117)를 닫는다. 생산 농도 판단 단계(S202)에서 반응 생성물의 수소 농도가 제2 기준 농도 이상이면 생상된 반응 생성물을 수소 정제부(120)로 공급한다.
또한, 생산 농도 판단 단계(S202)는 기 설정된 반응기의 온도 또는 기 설정된 반응기의 운전시간을 기준으로 밸브들을 제어할 수도 있다.
생산 농도 판단 단계(S202)는 반응기(112)의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 더 낮은 경우에는 전달제어 밸브(115)를 닫고 중간제어 밸브(117)를 개방하며, 반응기(112)의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 더 높은 경우에는 전달제어 밸브(115)를 개방하고 중간제어 밸브(117)를 닫을 수 있다.
또한, 생산 농도 판단 단계(S202)는 반응기(112)의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 작은 경우에는 전달제어 밸브(115)를 닫고 중간제어 밸브(117)를 개방하며, 반응기(112)의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 큰 경우에는 전달제어 밸브(115)를 개방하고 중간제어 밸브(117)를 닫을 수 있다.
중간 수소 공급 단계(S203)는 수소 생성 단계(S201)에서 생성된 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 전달한다. 중간 수소 공급 단계(S203)는 중간 공급라인(116)을 통해서 반응 생성물을 수소엔진 발전기(130)로 공급하되 수소엔진 발전기의 실린더 내부로 직접 공급되거나 공기 공급라인(131)으로 반응 생성물을 공급하여 공기와 반응 생성물을 혼합하여 수소엔진 발전기(130)로 공급한다.
오프가스 공급 단계(S207)는 오프가스 공급라인(163)을 통해서 수소 정제부(120)에서 배출되는 오프가스를 수소엔진 발전기(130)로 전달한다. 오프가스 공급 단계(S207)는 공기 공급라인(131)으로 오프가스를 공급할 수 있다.
수소엔진 발전 단계(S208)는 수소 생성 과정에서 생성된 반응 생성물, 수소 정제 과정에서 생성된 반응 생성물 오프가스를 연소하여 전력을 생산하며, 생산된 전력을 계통에 공급하거나, 전력저장장치에 저장할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템을 도시한 도면이다.
본 제3 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템은 부하추종 제어부를 제외하고는 상기한 제2 실시예에 따른 수소 제조 발전 시스템과 동일한 구조 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
수소 배출라인(123)은 수소 정제부(120)에 연결되어 수소 정제부(120)에서 정제된 고순도 수소를 부하(151)에 공급한다. 부하(151)는 수소연료전지 및 수소저장장치 등이 될 수 있다. 부하추종 제어부(152)는 부하(151)의 수요 변화를 감지하고 배출제어 밸브(125)와 저농도제어 밸브(162)의 개방도를 제어한다.
부하추종 제어부(152)는 부하의 수요가 감소하면 배출제어 밸브(125)의 개방도를 감소시키고, 저농도제어 밸브(162)의 개방도를 증가시킨다. 이에 따라 부하(151)로 유입되는 수소의 유량을 감소되고, 수소엔진 발전기(130)로 유입되는 수소의 유량의 증가할 수 있다.
부하추종 제어부(152)는 부하(151)의 수요가 증가하면 배출제어 밸브(125)의 개방도를 증가시키고, 저농도제어 밸브(162)의 개방도를 감소시킨다. 이에 따라 부하(151)로 유입되는 수소의 유량을 증가되고, 수소엔진 발전기(130)로 유입되는 수소의 유량의 감소할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법은 수소 생성 단계(S301), 생산 농도 판단 단계(S302), 중간 수소 공급 단계(S303), 수소 정제 단계(S304), 정제 농도 판단 단계(S305), 저농도 수소 공급 단계(S306), 오프가스 공급 단계(S307), 부하추종 제어 단계(S308), 수소엔진 발전 단계(S309)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 수소 제조 발전 방법은 부하추종 제어 단계(S308)를 제외하고는 상기한 제2 실시예에 따른 가습 방법과 동일한 과정으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
부하추종 제어 단계(S308)는 부하(151)의 수요 변화를 감지하고, 배출제어 밸브(125)와 저농도제어 밸브(162)의 개방도를 제어한다. 부하추종 제어 단계(S308)는 부하의 수요가 감소하면 배출제어 밸브(125)의 개방도를 감소시키고, 저농도제어 밸브(162)의 개방도를 증가시킨다. 이에 따라 부하(151)로 유입되는 수소의 유량을 감소되고, 수소엔진 발전기(130)로 유입되는 수소의 유량의 증가할 수 있다.
부하추종 제어 단계(S308)는 부하(151)의 수요가 증가하면 배출제어 밸브(125)의 개방도를 증가시키고, 저농도제어 밸브(162)의 개방도를 감소시킨다. 이에 따라 부하(151)로 유입되는 수소의 유량을 증가되고, 수소엔진 발전기(130)로 유입되는 수소의 유량이 감소할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
101, 102, 103: 수소 제조 발전 시스템
110: 수소 생성부 112: 반응기
113: 버너 114: 수소 전달라인
115: 전달제어 밸브 116: 중간 공급라인
117: 중간제어 밸브 118: 제2 농도 판단부
120: 수소 정제부 121: 제1 농도 판단부
123: 수소 배출라인 125: 배출제어 밸브
130: 수소엔진 발전기 132: 혼합기
150: 수요지 151: 부하
152: 부하추종 제어부 161: 저농도 공급라인
162: 저농도제어 밸브 163: 오프가스 공급라인
169: 보조연료 공급라인

Claims (20)

  1. 수소를 생성하는 수소 생성부;
    상기 수소 생성부에서 생성된 수소를 정제하는 수소 정제부;
    상기 수소 정제부에서 전달되며 수소를 포함하는 반응 생성물을 연소하여 전력을 생산하는 수소엔진 발전기;
    상기 수소 정제부에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 저농도 공급라인;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수소 정제부에서 외부로 수소를 공급하는 수소 배출라인,
    상기 수소 배출라인에 설치된 배출제어 밸브와 상기 저농도 공급라인에 설치된 저농도제어 밸브, 및
    상기 수소 정제부에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도를 판단하고 상기 배출제어 밸브와 상기 저농도제어 밸브의 개폐를 제어하는 제1 농도 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 농도 판단부는, 상기 수소 생성부에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제1 기준 농도보다 더 낮으면 상기 배출제어 밸브를 닫고 상기 저농도제어 밸브를 개방하며, 상기 반응 생성물의 수소 농도가 상기 제1 기준 농도보다 더 높은 경우에는 상기 배출제어 밸브를 개방하고 상기 저농도제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 수소 생성부에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 중간 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 수소 생성부에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소 정제부로 전달하는 수소 전달라인,
    상기 중간 공급라인에 설치된 중간제어 밸브와 상기 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브, 및
    상기 수소 생성부에서 배출되는 반응 생성물의 수소 농도를 판단하고 상기 전달제어 밸브와 상기 중간제어 밸브의 개폐를 제어하는 제2 농도 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 농도 판단부는 상기 수소 생성부에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제2 기준 농도보다 더 작은 경우에는 상기 전달제어 밸브를 닫고 상기 정간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응 생성물의 수소 농도가 상기 제2 기준 농도 보다 더 높은 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 농도 판단부는 상기 수소 생성부의 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우에는 상기 전달제어 밸브를 닫고 상기 정간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응기의 온도가 상기 기준 온도 범위 이내인 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 농도 판단부는 상기 수소 생성부의 반응기의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 작은 경우에는 상기 전달제어 밸브를 닫고 상기 정간제어 밸브를 개방하며, 상기 반응기의 운전시간이 상기 기준 시간보다 더 큰 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    부하의 수요 변화를 감지하고, 상기 배출제어 밸브와 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 제어하는 부하추종 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 부하추종 제어부는 부하의 수요가 감소하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 감소시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 증가시키며, 부하의 수요가 증가하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 증가시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  11. 제4 항에 있어서,
    상기 수소 정제부에서 배출되는 오프가스를 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 오프가스 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 수소엔진 발전기로 공기를 공급하는 공기 공급라인에는 상기 저농도 공급라인과 상기 중간 공급라인과 상기 오프가스 공급라인에서 전달된 오프가스, 중간생성물을 공기와 혼합하는 혼합기가 설치된 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 시스템.
  13. 수소를 생성하는 수소 생성 단계;
    상기 수소 생성 단계에서 생성된 수소를 정제하는 수소 정제 단계;
    상기 수소 정제 단계에서 정제된 반응 생성물에 포함된 수소의 농도를 판단하는 정제 농도 판단 단계;
    상기 수소 정제 단계에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 저농도수소 공급 단계;
    수소를 포함하는 반응 생성물을 연소하여 전력을 생산하는 수소엔진 발전 단계;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 정제 농도 판단 단계는 상기 수소 정제 단계에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제1 기준 농도 보다 더 낮으면 수소를 외부로 공급하는 수소 배출라인에 설치된 배출제어 밸브를 닫고, 상기 엔진 발전기로 반응생성물을 공급하는 저농도 공급라인에 설치된 상기 저농도제어 밸브를 개방하며,
    상기 반응 생성물의 수소 농도가 상기 제1 기준 농도 보다 더 높으면 상기 배출제어 밸브를 개방하고, 상기 저농도제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 수소 생성 단계에서 배출되는 반응 생성물의 수소의 농도를 판단하는 생산 농도 판단 단계와 상기 수소 생성 단계에서 생성된 반응 생성물을 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 중간 공급 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 생산 농도 판단 단계는 상기 수소 생성 단계에서 배출되는 상기 반응 생성물의 수소 농도가 기 설정된 제2 기준 농도보다 더 낮으면 수소 정제부로 반응 생성물을 공급하는 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브를 닫고, 상기 엔진 발전기로 공급하는 중간 공급라인에 설치된 상기 중간제어 밸브를 개방하며,
    상기 수소 생성 단계에서 배출되는 상기 반응생성물의 수소 농도가 상기 제2 기준 농도보다 더 높으면 상기 전달제어 밸브를 개방하고, 상기 중간제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 생산 농도 판단 단계는 수소를 생산하는 수소 생성부의 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우에는, 수소 정제부로 반응 생성물을 공급하는 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브를 닫고, 상기 엔진 발전기로 공급하는 중간 공급라인에 설치된 상기 중간제어 밸브를 개방하며,
    상기 반응기의 온도가 상기 기준 온도 범위 이내인 경우에는, 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 생산 농도 판단 단계는 수소를 생산하는 수소 생성부의 반응기의 운전시간이 기 설정된 기준 시간보다 더 작으면, 수소 정제부로 반응 생성물을 공급하는 수소 전달라인에 설치된 전달제어 밸브를 닫고, 상기 엔진 발전기로 공급하는 중간 공급라인에 설치된 상기 중간제어 밸브를 개방하며,
    상기 반응기의 운전시간이 상기 기준 시간보다 더 큰 경우에는 상기 전달제어 밸브를 개방하고 상기 중간제어 밸브를 닫는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
  19. 제14 항에 있어서,
    부하의 수요 변화를 감지하고, 상기 배출제어 밸브와 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 제어하는 부하추종 제어 단계를 더 포함하고,
    상기 부하추종 제어 단계는 부하의 수요가 감소하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 감소시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 증가시키며, 부하의 수요가 증가하면 상기 배출제어 밸브의 개방도를 증가시키고, 상기 저농도제어 밸브의 개방도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
  20. 제13 항에 있어서,
    오프가스 공급라인을 통해서 상기 수소 정제부에서 배출되는 오프가스를 상기 수소엔진 발전기로 전달하는 오프가스 공급 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소제조 발전 방법.
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