KR20230012407A - 연료전지용 비드타입 분리판 및 그 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적층시 외부 압력으로부터 비드씰 부분이 변형되어 기밀성이 감소하는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 비드타입 분리판 및 그 조립체에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 비드타입 분리판은 연료전지용 비드타입 분리판으로서, 판형으로 형성되어 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 아우터 비드씰이 형성되고, 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 매니폴드 관통홀이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 이너 비드씰이 형성되며, 상기 이너 비드씰 중 적어도 어느 하나의 이너 비드씰에는 상기 아우터 비드씰과 연통되는 적어도 하나 이상의 연결 비드씰이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 비드타입 분리판은 연료전지용 비드타입 분리판으로서, 판형으로 형성되어 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 아우터 비드씰이 형성되고, 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 매니폴드 관통홀이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 이너 비드씰이 형성되며, 상기 이너 비드씰 중 적어도 어느 하나의 이너 비드씰에는 상기 아우터 비드씰과 연통되는 적어도 하나 이상의 연결 비드씰이 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지용 비드타입 분리판 및 그 조립체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적층시 외부 압력으로부터 비드씰 부분이 변형되어 기밀성이 감소하는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 비드타입 분리판 및 그 조립체에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
일반적인 연료전지 스택은 가장 안쪽에 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 연료극(anode) 및 공기극(cathode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극 집합체의 바깥 부분, 즉 연료극 및 공기극이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 가스확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 가스켓을 사이에 두고 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트가 결합된다.
따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 전선을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
한편, 상기 분리판은 반응가스인 수소 및 공기와 냉각용도의 냉각수가 각각의 채널로 유입 및 배출되도록 하는 역할을 하는 구성요소로서, 지지역할을 하는 랜드와, 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.
즉, 일반적인 분리판은 랜드와 채널(유로)이 반복적으로 굴곡된 구조로 되어 있기 때문에 가스확산층과 마주보는 일면쪽의 채널은 수소 또는 공기와 같은 반응가스가 흐르는 공간으로 활용되고, 동시에 반대쪽 채널은 냉각수가 흐르는 공간으로 활용됨에 따라, 수소/냉각수 채널을 갖는 분리판 1장과, 공기/냉각수 채널을 갖는 분리판 1장 등 총 2장의 분리판으로 하나의 단위셀을 구성할 수 있다.
한편, 분리판에는 반응가스 또는 냉각수가 유입되고 배출되는 통로인 복수의 매니폴드 관통홀이 형성되고, 입구측 매니폴드 관통홀과 출구측 매니폴드 관통홀 사이에는 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 반응면이 형성된다. 이때 유로는 전술된 랜드와 채널의 반복되는 구조에 의해서 형성된다.
그리고, 반응면과 입구측 매니폴드 관통홀 및 출구측 매니폴드 관통홀 사이에는 반응가스 또는 냉각수가 확산될 수 있도록 확산부가 형성될 수 있다.
한편, 매니폴드 관통홀과 반응면 및 확산부는 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되거나 유동되는 공간으로서, 기밀을 위하여 그 둘레를 따라 기밀라인이 가스켓에 의해 형성된다.
일반적으로 기밀라인은 분리판의 표면에 고무재질의 가스켓을 소정 두께로 사출하여 형성한다.
하지만, 일반적인 기밀라인의 형성방법으로 기밀라인을 형성하는 경우에는 가스켓의 사용량이 증대되고, 가스켓의 품질에 따라 영역별로 기밀라인의 품질에 편차가 발생되는 문제가 있었다.
그래서, 일반적인 기밀라인의 문제점을 해결하고자 다른 방법으로 기밀라인을 형성하는 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다.
그 대표적인 예가 비드 타입의 기밀라인을 형성하는 것이다.
도 1은 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 보여주는 평면도이고, 도 2는 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 보여주는 일부 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체(10)는 판형으로 제작되는 한 쌍의 분리판(10a, 10b)이 서로 맞대어져서 접착된다. 이때 각 분리판(10a, 10b)에는 일반적인 분리판과 마찬가지로 반응가스 또는 냉각수가 유입되고 배출되는 통로인 복수의 매니폴드 관통홀(11)이 형성된다. 그리고, 입구측 매니폴드 관통홀(11)과 출구측 매니폴드 관통홀(11) 사이에는 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 반응면(12)이 형성된다. 그리고, 반응면(12)과 입구측 매니폴드 관통홀(11) 및 출구측 매니폴드 관통홀(11) 사이에는 반응가스 또는 냉각수가 확산될 수 있도록 확산부(13)가 형성된다.
그리고, 각각의 분리판(10a, 10b)에는 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 아우터 비드씰(14)이 형성되고, 복수의 매니폴드 관통홀(11)이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 이너 비드씰(15)이 형성된다.
이때, 아우터 비드씰(14)과 이너 비드씰(15)의 표면에 고무재질의 실링재인 가스켓(미도시)을 도포하여 아우터 비드씰(14)과 이너 비드씰(15)에 의한 기밀 효과를 달성할 수 있다.
한편, 복수의 매니폴드 관통홀(11)은 판형의 분리판(10a, 10b)을 관통하여 형성하고, 유로를 형성하는 랜드 및 채널과 아우터 비드씰(14) 및 이너 비드씰(15)은 분리판(10a, 10b)에 요철을 형성시켜 형성한다. 그래서, 랜드 및 채널의 형성을 위하여 실시되는 프레스 공정 시에 아우터 비드씰(14) 및 이너 비드씰(15)의 형성을 동시에 할 수 있기 때문에 별도의 공정이 추가로 실시되지는 않는다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 한 쌍의 분리판(10a, 10b)이 접합되면서 각 분리판(10a, 10b)에 형성된 아우터 비드씰(14)로 이루어지는 아우터 기밀라인(14a)이 형성되고, 복수의 이너 비드씰(15)로 이루어지는 복수의 이너 기밀라인(15a)이 형성된다.
한편, 도 3a 내지 도 3c는 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에서 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 보여주는 도면으로서, 도 3a는 반응가스인 수소가 배출되는 수소 출구측 매니폴드 관통홀(11a)에서 수소가 유동되는 경로를 보여주는 도면이고, 도 3b는 냉각수가 유입되는 냉각수 입구측 매니폴드 관통홀(11b)에서 냉각수가 유동되는 경로를 보여주는 도면이며, 도 3c는 반응가스인 공기가 유입되는 공기 입구측 매니폴드 관통홀(11c)에서 공기가 유동되는 경로를 보여주는 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이 반응면(12)에서 반응되고 잔류된 수소는 분리판 조립체(10)의 하면을 통하여 유동된 다음 분리판 조립체(10)를 구성하는 한 쌍의 분리판(10a, 10b) 계면에 형성되는 수소 배출유로(16)를 통과한 다음 수소 출구측 매니폴드 관통홀(11a)을 통하여 연료전지 스택의 외부로 배출된다.
그리고, 도 3b에 도시된 바와 같이 연료전지 스택의 외부로부터 유입된 냉각수는 냉각수 입구측 매니폴드 관통홀(11b)을 통하여 유동된 다음 분리판 조립체(10)를 구성하는 한 쌍의 분리판(10a, 10b) 계면에 형성되는 냉각수 유입유로(17)를 통과한 다음 반응면(12)으로 유입된다.
그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이 연료전지 스택의 외부로부터 유입된 공기는 공기 입구측 매니폴드 관통홀(11c)을 통하여 유동된 다음 분리판 조립체(10)를 구성하는 한 쌍의 분리판(10a, 10b) 계면에 형성되는 공기 유입유로(18)를 통과한 다음 분리판 조립체(10)의 상면을 통하여 유동되어 반응면(12)으로 유입된다.
따라서, 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체(10)에서 반응가스인 수소 및 공기와 냉각수는 입구측 매니폴드 관통홀(11)로 유입된 다음 반응면(12)을 통과한 후 출구측 매니폴드 관통홀(11)로 배출되는 동안 아우터 기밀라인(14a) 및 이너 기밀라인(15a)과는 아무 관계없이 유동된다.
따라서, 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체(10)에서 아우터 기밀라인(14a)과 이너 기밀라인(15a)의 내부는 비어있는 상태이기 때문에 다수의 단위셀을 적층시켜 연료전지 스택을 구성하는 경우에 단위셀이 압축되면서 아우터 비드씰(14)과 이너 비드씰(15)의 구조 변형이 일어나고 이에 따라 면압이 감소하여 기밀성이 저하되는 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 단위셀의 적층시 외부 압력으로부터 비드씰의 구조가 변형되면서 기밀성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 비드타입 분리판 및 그 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은 냉각수가 원하지 않는 영역으로 흘러 들어가 분리판 내부가 부식되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 비드타입 분리판 및 그 조립체를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 비드타입 분리판은 연료전지용 비드타입 분리판으로서, 판형으로 형성되어 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 아우터 비드씰이 형성되고, 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 매니폴드 관통홀이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 이너 비드씰이 형성되며, 상기 이너 비드씰 중 적어도 어느 하나의 이너 비드씰에는 상기 아우터 비드씰과 연통되는 적어도 하나 이상의 연결 비드씰이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연결 비드씰은 복수의 매니폴드 관통홀 중 반응가스가 유입되는 매니폴드 관통홀의 둘레를 따라 형성되는 이너 비드씰에 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응가스가 유입되는 매니폴드 관통홀은 공기가 유입되는 매니폴드 관통홀인 것을 특징으로 한다.
상기 분리판에는, 반응가스 또는 냉각수가 유입되는 매니폴드 관통홀과 반응가스 또는 냉각수가 배출되는 매니폴드 관통홀 사이에 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 반응면이 형성되고, 공기가 유입되는 매니폴드 관통홀과 상기 반응면 사이에는 공기가 유입되는 매니폴드 관통홀로부터 유입된 공기가 상기 반응면으로 유입되는 복수의 공기 유입유로가 형성되며, 상기 이너 비드씰은 상기 공기 유입유로와 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연결 비드씰의 폭은 이너 비드씰에서 아우터 비드씰 방향으로 갈수록 동일하거나 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 아우터 비드씰 및 이너 비드씰의 표면에는 실링재가 도포되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체는 비드타입으로 형성된 한 쌍의 분리판이 서로 접합되는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체로서, 판형으로 형성되어 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 제 1 아우터 비드씰이 형성되고, 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 제 1 매니폴드 관통홀이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 제 1 이너 비드씰이 형성되는 제 1 분리판과; 판형으로 형성되어 상기 제 1 분리판과 접합되어 일체화되되, 상기 제 1 아우터 비드씰이 형성된 위치와 대응되는 위치에 제 1 아우터 비드씰의 돌출방향과 반대방향으로 돌출된 제 2 아우터 비드씰이 형성되고, 상기 제 1 이너 비드씰이 형성된 위치와 대응되는 위치에 제 1 이너 비드씰의 돌출방향과 반대방향으로 돌출된 복수의 제 2 이너 비드씰이 형성되는 제 2 분리판을 포함하고, 상기 제 1 분리판과 제 2 분리판이 접합되면서 상기 제 1 아우터 비드씰과 제 2 아우터 비드씰로 이루어지는 아우터 기밀라인이 형성되고, 상기 복수의 제 1 이너 비드씰과 제 2 이너 비드씰로 이루어지는 복수의 이너 기밀라인이 형성되며, 상기 복수의 이너 기밀라인 중 적어도 어느 하나의 이너 기밀라인에는 상기 아우터 기밀라인과 연통되는 적어도 하나 이상의 연결 기밀라인이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 분리판에는 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되도록 상기 제 1 분리판에 형성되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀이 형성된 위치와 대응되는 위치에 복수의 제 2 매니폴드 관통홀이 형성되고, 상기 연결 기밀라인은 복수의 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀 중 반응가스가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀의 둘레를 따라 형성되는 이너 기밀라인에 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응가스가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀은 공기가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 분리판에는, 반응가스 또는 냉각수가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀과 반응가스 또는 냉각수가 배출되는 제 1 매니폴드 관통홀 사이에 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 제 1 반응면이 형성되고, 공기가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀과 상기 제 1 반응면 사이에는 공기가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀로부터 유입된 공기가 상기 제 1 반응면으로 유입되는 복수의 제 1 공기 유입유로가 형성되며, 상기 제 1 이너 비드씰은 상기 제 1 공기 유입유로와 연통되도록 형성되고, 제 2 분리판에는, 반응가스 또는 냉각수가 유입되는 제 2 매니폴드 관통홀과 반응가스 또는 냉각수가 배출되는 제 2 매니폴드 관통홀 사이에 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 제 2 반응면이 형성되고, 공기가 유입되는 제 2 매니폴드 관통홀과 상기 제 2 반응면 사이에는 공기가 유입되는 제 2 매니폴드 관통홀로부터 유입된 공기가 상기 제 2 반응면으로 유입되는 복수의 제 2 공기 유입유로가 형성되며, 상기 제 2 이너 비드씰은 상기 제 2 공기 유입유로와 연통되도록 형성되며, 상기 제 1 분리판과 제 2 분리판이 접합되면서 상기 제 1 공기 유입유로와 제 2 공기 유입유로로 이루어지는 복수의 공기 유입라인이 형성되고, 상기 이너 기밀라인은 상기 공기 유입라인과 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연결 기밀라인의 단면적은 이너 기밀라인에서 아우터 기밀라인 방향으로 갈수록 동일하거나 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 아우터 기밀라인 및 이너 기밀라인의 표면에는 실링재가 도포되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기밀성 확보를 위하여 비드타입 분리판의 비드씰에 의해 형성되는 기밀라인의 내부로 반응가스를 유동시켜서 기밀라인 내부의 압력을 증가시킬 수 있다.
이에 따라 단위셀의 적층시 외부 압력에 의해 비드씰이 변형되는 것을 방지할 수 있기 때문에 기밀라인의 강성이 높은 수준으로 유지되어 면압을 균일하게 유지할 수 있어 연료전지 스택의 구동 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기밀라인의 내부로 냉각수가 원하지 않게 유입되는 것을 방지할 수 있기 때문에 냉각수에 의해서 기밀라인 내부가 부식되는 것을 방지할 수 있어 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 아우터 비드씰과 이너 비드씰을 연통시키는 연결 비드씰도 아우터 비드씰과 이너 비드씰을 형성하는 프레스 성형과정에서 함께 형성할 수 있기 때문에 추가적인 원가 상승이 없고, 기밀라인 내부에 충진되는 유체도 반응가스인 공기를 사용하기 때문에 추가적인 비용 상승이 없이 전술된 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 보여주는 평면도이고,
도 2는 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 보여주는 일부 단면도이며,
도 3a 내지 도 3c는 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에서 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 구성하는 제 1 분리판을 보여주는 평면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 구성하는 제 2 분리판을 보여주는 평면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체의 요부를 보여주는 도면이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체의 요부에서 공기가 유입되는 경로를 보여주는 도면이고,
도 8a 및 도 8b는 비교예와 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에서 공기가 유동되는 경로를 보여주는 도면이다.
도 2는 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 보여주는 일부 단면도이며,
도 3a 내지 도 3c는 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에서 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 경로를 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 구성하는 제 1 분리판을 보여주는 평면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 구성하는 제 2 분리판을 보여주는 평면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체의 요부를 보여주는 도면이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체의 요부에서 공기가 유입되는 경로를 보여주는 도면이고,
도 8a 및 도 8b는 비교예와 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에서 공기가 유동되는 경로를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 구성하는 제 1 분리판을 보여주는 평면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체를 구성하는 제 2 분리판을 보여주는 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체의 요부를 보여주는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체의 요부에서 공기가 유입되는 경로를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체(1)는 전체적으로 종래의 비드타입 분리판 조립체(10)와 유사한 구조로 형성된다.
예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체(1)는 각각 판형으로 제작되는 한 쌍의 분리판(100, 200)이 서로 맞대어져서 접착되어 일체화된다. 이때 한 쌍의 분리판(100, 200)을 각각 제 1 분리판(100)과 제 2 분리판(200)이라고 지칭한다. 그래서 제 1 분리판(100)은 캐소드(cathode)측 분리판으로서, 도 2 및 도 5에서 한 쌍의 분리판 중 상측에 배치된 분리판에 해당되고, 제 2 분리판(200)은 애노드(anode)측 분리판으로서, 도 2 및 도 5에서 한 쌍의 분리판 중 하측에 배치된 분리판에 해당된다.
제 1 분리판(100)과 제 2 분리판(200)은 서로 대면되는 면을 기준으로 서로 대칭되도록 형성되기 때문에 그 형상 및 구성요소에 대해서는 제 1 분리판(100)을 기준으로 설명하고 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 4와 같이 제 1 분리판(100)은 판형으로 형성되어 양측으로 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀(110)이 형성된다. 이때 제 1 매니폴드 관통홀(110)은 반응가스 또는 냉각수가 유입되는 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110f, 110c, 110b)과 반응가스 또는 냉각수가 배출되는 출구측 제 1 매니폴드 관통홀(110a, 110d, 110e)로 구분된다. 그래서, 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 분리판(100)의 일측으로는 반응가스인 수소가 유입되는 1 개의 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110f)과 냉각수 및 반응가스인 공기가 각각 배출되는 2개의 출구측 제 1 매니폴드 관통홀(110e, 110d)이 형성된다. 그리고, 제 1 분리판(100)의 타측으로는 반응가스인 수소가 배출되는 1 개의 출구측 제 1 매니폴드 관통홀(110a)과 냉각수 및 반응가스인 공기가 각각 유입되는 2개의 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110b, 110c)이 형성된다. 그래서 수소와 공기는 서로 반대 방향으로 유동되고, 냉각수는 공기와 같은 방향으로 유동된다. 물론 제시된 매니폴드 관통홀(110)의 기능은 분리판의 형상 및 제품 사양에 따라 그 위치가 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
또한, 제 1 분리판(100)에는 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110f, 110c, 110b)과 출구측 제 1 매니폴드 관통홀(110a, 110d, 110e) 사이, 바람직하게는 제 1 분리판의 일측에 형성되는 제 1 매니폴드 관통홀(110d, 110e, 110f)와 타측에 형성되는 제 1 매니폴들 관통홀(110a, 110b, 110c) 사이에 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 제 1 반응면(120)이 형성된다. 그리고, 제 1 반응면(120)과 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110f, 110c, 110b) 및 출구측 제 1 매니폴드 관통홀(110a, 110d, 110e) 사이에는 반응가스 또는 냉각수가 확산될 수 있도록 제 1 확산부(130)가 형성된다.
한편, 제 1 분리판(100)에는 제 1 반응면(120), 제 1 확산부(130) 및 복수의 제 1 매니폴드 관통홀(110)을 모두 둘러싸도록 제 1 분리판(100)의 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 제 1 아우터 비드씰(140)이 형성된다. 그리고, 복수의 제 1 매니폴드 관통홀(110)이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 제 1 이너 비드씰(150)이 형성된다.
그리고, 복수의 제 1 이너 비드씰(150) 중 적어도 어느 하나의 제 1 이너 비드씰(150)에는 제 1 아우터 비드씰(140)과 연통되는 적어도 하나 이상의 제 1 연결 비드씰(160)이 형성된다. 이때 제 1 연결 비드씰(160)의 개수, 형태 및 위치는 제 1 분리판(100)의 형상 및 크기에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
또한, 공기가 유입되는 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110c)과 제 1 반응면(120) 사이, 바람직하게는 공기가 유입되는 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110c)과 제 1 확산부(130) 사이에는 공기가 유입되는 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110c)로부터 유입된 공기가 제 1 확산부(130)를 거쳐 제 1 반응면(120)으로 유입되도록 하는 복수의 제 1 공기 유입유로(111)가 형성된다. 이때 제 1 공기 유입유로(111)는 제 1 이너 비드씰(150) 및 제 1 아우터 비드씰(140)과 동일한 방향으로 돌출된 형태로 형성된다.
특히, 제 1 이너 비드씰(150)은 제 1 공기 유입유로(111)와 연통되도록 형성된다. 그래서, 도 7과 같이 공기가 유입되는 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110c)로부터 유입된 공기가 제 1 공기 유입유로(111)로 유입되어 일부는 제 1 이너 비드씰(150)로 유동된 다음 제 1 연결 비드씰(160)을 통하여 제 1 아우터 비드씰(140)로 유동된다. 그리고, 공기가 유입되는 입구측 제 1 매니폴드 관통홀(110c)로부터 유입된 공기 중 나머지 공기는 제 1 확산부(130)를 거쳐 제 1 반응면(120)으로 유입되도록 한다.
한편, 제 2 분리판(200)은 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 분리판(100)과 마찬가지로 판형으로 형성되어 양측으로 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 제 2 매니폴드 관통홀(210)이 형성된다. 그리고, 제 2 분리판(200)에는 제 1 분리판(100)과 마찬가지로 제 2 반응면(220) 및 제 2 확산부(230)가 형성된다.
또한, 제 2 분리판(200)에는 제 2 반응면(220), 제 2 확산부(230) 및 복수의 제 2 매니폴드 관통홀(210)을 모두 둘러싸도록 제 2 분리판(200)의 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 제 2 아우터 비드씰(240)이 형성된다. 그리고, 복수의 제 2 매니폴드 관통홀(210)이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 제 2 이너 비드씰(250)이 형성된다.
그리고, 복수의 제 2 이너 비드씰(250) 중 적어도 어느 하나의 제 2 이너 비드씰(250)에는 제 2 아우터 비드씰(240)과 연통되는 적어도 하나 이상의 제 2 연결 비드씰(260)이 형성되고, 공기가 유입되는 입구측 제 2 매니폴드 관통홀(210c)과 제 2 확산부(230) 사이에 복수의 제 2 공기 유입유로(211)가 형성된다.
이때 제 2 분리판(200)에 형성되는 제 2 아우터 비드씰(240), 복수의 제 2 이너 비드씰(250), 제 2 공기 유입유로(211) 및 제 2 연결 비드씰(260)은 제 1 분리판(100)에 형성되는 제 1 아우터 비드씰(140), 복수의 제 1 이너 비드씰(150), 제 1 공기 유입유로(111) 및 제 1 연결 비드씰(160)이 형성된 위치와 대응되는 위치에 형성되고, 제 1 분리판(100)에 형성되는 제 1 아우터 비드씰(140), 복수의 제 1 이너 비드씰(150), 제 1 공기 유입유로(111) 및 제 1 연결 비드씰(160)의 돌출방향과 반대방향으로 돌출된다.
그래서, 제 1 분리판(100)과 제 2 분리판(200)이 서로 대면되어 접합되면서 제 1 아우터 비드씰(140)과 제 2 아우터 비드씰(240)로 이루어지는 아우터 기밀라인(140a)이 형성된다. 그리고, 복수의 제 1 이너 비드씰(150)과 제 2 이너 비드씰(250)로 이루어지는 복수의 이너 기밀라인(150a)이 형성된다. 이렇게 내부가 빈 아우터 기밀라인(140a) 및 이너 기밀라인(150a)을 형성하기 위하여 제 1 분리판(100)은 제 1 아우터 비드씰(140) 및 복수의 제 1 이너 비드씰(150)이 돌출되는 방향과 반대면이 제 2 분리판(200)에 대면되고, 제 2 분리판(200)은 제 2 아우터 비드씰(240) 및 복수의 제 2 이너 비드씰(250)이 돌출되는 방향과 반대면이 제 1 분리판(100)에 대면된다.
특히, 복수의 이너 기밀라인(150a) 중 적어도 어느 하나의 이너 기밀라인(150a)에는 아우터 기밀라인(140a)과 연통되는 적어도 하나 이상의 연결 기밀라인(160a)이 형성된다. 이때 연결 기밀라인(160a)은 제 1 분리판(100)의 제 1 연결 비드씰(160)과 제 2 분리판(200)의 제 2 연결 비드씰(260)이 서로 대면되면서 이루어진다.
한편, 본 실시예에서는 연결 기밀라인(160a)이 형성되는 이너 기밀라인(150a)은 복수의 이너 기밀라인(150a) 중 공기가 유입되는 유입측 이너 기밀라인(150a)에 형성되는 것이 바람직하다. 그 이유는 이너 기밀라인(150a), 연결 기밀라인(160a) 및 아우터 기밀라인(140a)에 충진되는 유체로 냉각수가 선택되는 경우에는 냉각수에 의한 제 1 분리판(100)과 제 2 분리판(200)의 부식이 발생할 수 있고, 반응가스 중 수소는 공기에 비해 가격이 비싸고 분자량이 작아 휘발성이 강하기 때문에 공기로 이너 기밀라인(150a), 연결 기밀라인(160a) 및 아우터 기밀라인(140a)을 충진하는 것이 유리하기 때문이다.
그리고, 제 1 분리판(100)의 제 1 연결 비드씰(160)의 폭은 제 1 이너 비드씰(150)에서 제 1 아우터 비드씰(140) 방향으로 갈수록 동일하거나 점점 증가하는 것이 바람직하다. 마찬가지로 제 2 분리판(200)의 제 2 연결 비드씰(260)의 폭은 제 2 이너 비드씰(250)에서 제 2 아우터 비드씰(240) 방향으로 갈수록 동일하거나 점점 증가하는 것이 바람직하다. 그래서, 제 1 연결 비드씰(160)과 제 2 연결 비드씰(260)에 의해 형성되는 연결 기밀라인(160a)의 단면적은 이너 기밀라인(150a)에서 아우터 기밀라인(140a) 방향으로 갈수록 동일하거나 증가되는 것이 바람직하다. 그 이유는 공기가 유동되는 방향으로 단면적이 동일하거나 점점 증가되도록 하여 아우터 기밀라인(140a)으로 유동되는 공기가 원활하게 유동되도록 하기 위함이다.
한편, 제 1 분리판(100)의 제 1 아우터 비드씰(140) 및 제 1 이너 비드씰(150)의 표면에는 고무재질의 실링재(미도시)가 도포되는 것이 바람직하다. 마찬가지로 제 2 분리판(200)의 제 2 아우터 비드씰(240) 및 제 2 이너 비드씰(250)의 표면에는 고무재질의 실링재(미도시)가 도포되는 것이 바람직하다. 그래서, 아우터 기밀라인(140a) 및 이너 기밀라인(150a)의 표면에는 고무재질의 실링재가 도포됨에 따라 단위셀의 적층시 아우터 기밀라인(140a) 및 이너 기밀라인(150a)에 의해 연료전지 스택의 기밀성이 유지되도록 한다.
다음으로, 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에 따른 비교예와 본 발명의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에 따른 실시예에서 공기가 유동되는 경로를 도면을 참조하여 비교하였다.
도 8a 및 도 8b는 비교예와 실시예에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에서 공기가 유동되는 경로를 보여주는 도면으로서, 도 8a는 종래의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에 따른 비교예를 보여주고, 도 8b는 본 발명의 연료전지용 비드타입 분리판 조립체에 따른 실시예를 보여준다.
도 8a에서 알 수 있듯이, 종래 기술에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체(10)의 경우에는 공기가 유입되는 입구측 매니폴드 관통홀(10c)을 통하여 유입된 공기가 공기 유입유로(18)를 통하여 확산부(13)로 유입되고, 확산부(13)에서 확산된 공기는 반응면(12)으로 유입된다. 그리고, 반응면(12)을 통과한 공기는 공기 배출유로(18a)를 통하여 출구측 매니폴드 관통홀(11d)로 유동된 다음 외부로 배출된다.
따라서 유입된 공기는 이너 기밀라인(15a) 및 아우터 기밀라인(14a)으로 유동되지 않는다.
반면에, 도 8b에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 연료전지용 비드타입 분리판 조립체(1)의 경우에는 공기가 유입되는 제 1 입구측 매니폴드 관통홀(110c) 및 제 2 입구측 매니폴드 관통홀(210c)을 통하여 유입된 공기가 공기 유입유로(111)로 유입되어 일부는 이너 기밀라인(150a)을 유입되고 나머지는 비교예와 마찬가지로 제 1 확산부(130)로 유입되어 확산된 다음 제 1 반응면(120)으로 유입된다. 그리고, 제 1 반응면(120)을 통과한 공기는 공기 배출유로(111a)를 통하여 출구측 매니폴드 관통홀(110d)로 유동된 다음 외부로 배출된다.
이때 이너 기밀라인(150a)으로 유입된 공기는 연결 기밀라인(160a)을 통하여 아우터 기밀라인(140a)으로 유입되면서 이너 기밀라인(150a), 연결 기밀라인(160a) 및 아우터 기밀라인(140a)에 충진된다. 이렇게 충진된 공기는 이너 기밀라인(150a), 연결 기밀라인(160a) 및 아우터 기밀라인(140a) 내부의 압력을 증가시켜서 단위셀의 적층시 이너 기밀라인(150a), 연결 기밀라인(160a) 및 아우터 기밀라인(140a)이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이너 기밀라인(150a), 연결 기밀라인(160a) 및 아우터 기밀라인(140a)의 내부에 공기가 충진되면서 냉각수가 이너 기밀라인(150a), 연결 기밀라인(160a) 및 아우터 기밀라인(140a)의 내부로 유입되는 것을 예방할 수 있고, 이에 따라 제 1 분리판(100) 및 제 2 분리판(200)이 냉각수에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
1, 10: 분리판 조립체
10a, 10b: 분리판
11: 매니폴드 관통홀 12: 반응면
13: 확산부 14: 아우터 비드씰
14a: 아우터 기밀라인 15: 이너 비드씰
15a: 이너 기밀라인 16: 수소 배출유로
17: 냉각수 유입유로 18: 공기 유입유로
100: 제 1 분리판 110: 제 1 매니폴드 관통홀
111: 제 1 공기 유입유로 120: 제 1 반응면
130: 제 1 확산부 140: 제 1 아우터 비드씰
140a: 아우터 기밀라인 150: 제 1 이너 비드씰
150a: 이너 기밀라인 160: 제 1 연결 비드씰
160a: 연결 기밀라인
11: 매니폴드 관통홀 12: 반응면
13: 확산부 14: 아우터 비드씰
14a: 아우터 기밀라인 15: 이너 비드씰
15a: 이너 기밀라인 16: 수소 배출유로
17: 냉각수 유입유로 18: 공기 유입유로
100: 제 1 분리판 110: 제 1 매니폴드 관통홀
111: 제 1 공기 유입유로 120: 제 1 반응면
130: 제 1 확산부 140: 제 1 아우터 비드씰
140a: 아우터 기밀라인 150: 제 1 이너 비드씰
150a: 이너 기밀라인 160: 제 1 연결 비드씰
160a: 연결 기밀라인
Claims (12)
- 연료전지용 비드타입 분리판으로서,
판형으로 형성되어 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 아우터 비드씰이 형성되고,
반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 매니폴드 관통홀이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 이너 비드씰이 형성되며,
상기 이너 비드씰 중 적어도 어느 하나의 이너 비드씰에는 상기 아우터 비드씰과 연통되는 적어도 하나 이상의 연결 비드씰이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 연결 비드씰은 복수의 매니폴드 관통홀 중 반응가스가 유입되는 매니폴드 관통홀의 둘레를 따라 형성되는 이너 비드씰에 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판.
- 청구항 2에 있어서,
상기 반응가스가 유입되는 매니폴드 관통홀은 공기가 유입되는 매니폴드 관통홀인 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판.
- 청구항 3에 있어서,
상기 분리판에는,
반응가스 또는 냉각수가 유입되는 매니폴드 관통홀과 반응가스 또는 냉각수가 배출되는 매니폴드 관통홀 사이에 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 반응면이 형성되고,
공기가 유입되는 매니폴드 관통홀과 상기 반응면 사이에는 공기가 유입되는 매니폴드 관통홀로부터 유입된 공기가 상기 반응면으로 유입되는 복수의 공기 유입유로가 형성되며,
상기 이너 비드씰은 상기 공기 유입유로와 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 연결 비드씰의 폭은 이너 비드씰에서 아우터 비드씰 방향으로 갈수록 동일하거나 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판.
- 청구항 1에 있어서.
상기 아우터 비드씰 및 이너 비드씰의 표면에는 실링재가 도포되는 것을 특징으로 하는 비드타입 분리판.
- 비드타입으로 형성된 한 쌍의 분리판이 서로 접합되는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체로서,
판형으로 형성되어 외곽을 따라 실링을 위하여 돌출된 제 1 아우터 비드씰이 형성되고, 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 제 1 매니폴드 관통홀이 형성된 각 영역의 둘레를 따라 실링을 위하여 돌출된 복수의 제 1 이너 비드씰이 형성되는 제 1 분리판과;
판형으로 형성되어 상기 제 1 분리판과 접합되어 일체화되되, 상기 제 1 아우터 비드씰이 형성된 위치와 대응되는 위치에 제 1 아우터 비드씰의 돌출방향과 반대방향으로 돌출된 제 2 아우터 비드씰이 형성되고, 상기 제 1 이너 비드씰이 형성된 위치와 대응되는 위치에 제 1 이너 비드씰의 돌출방향과 반대방향으로 돌출된 복수의 제 2 이너 비드씰이 형성되는 제 2 분리판을 포함하고,
상기 제 1 분리판과 제 2 분리판이 접합되면서 상기 제 1 아우터 비드씰과 제 2 아우터 비드씰로 이루어지는 아우터 기밀라인이 형성되고, 상기 복수의 제 1 이너 비드씰과 제 2 이너 비드씰로 이루어지는 복수의 이너 기밀라인이 형성되며,
상기 복수의 이너 기밀라인 중 적어도 어느 하나의 이너 기밀라인에는 상기 아우터 기밀라인과 연통되는 적어도 하나 이상의 연결 기밀라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체.
- 청구항 7에 있어서,
상기 제 2 분리판에는 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되도록 상기 제 1 분리판에 형성되는 복수의 제 1 매니폴드 관통홀이 형성된 위치와 대응되는 위치에 복수의 제 2 매니폴드 관통홀이 형성되고,
상기 연결 기밀라인은 복수의 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀 중 반응가스가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀의 둘레를 따라 형성되는 이너 기밀라인에 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체.
- 청구항 8에 있어서,
상기 반응가스가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀은 공기가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀 및 제 2 매니폴드 관통홀인 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제 1 분리판에는, 반응가스 또는 냉각수가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀과 반응가스 또는 냉각수가 배출되는 제 1 매니폴드 관통홀 사이에 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 제 1 반응면이 형성되고, 공기가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀과 상기 제 1 반응면 사이에는 공기가 유입되는 제 1 매니폴드 관통홀로부터 유입된 공기가 상기 제 1 반응면으로 유입되는 복수의 제 1 공기 유입유로가 형성되며, 상기 제 1 이너 비드씰은 상기 제 1 공기 유입유로와 연통되도록 형성되고,
제 2 분리판에는, 반응가스 또는 냉각수가 유입되는 제 2 매니폴드 관통홀과 반응가스 또는 냉각수가 배출되는 제 2 매니폴드 관통홀 사이에 반응가스 또는 냉각수가 유동되는 유로가 형성되는 제 2 반응면이 형성되고, 공기가 유입되는 제 2 매니폴드 관통홀과 상기 제 2 반응면 사이에는 공기가 유입되는 제 2 매니폴드 관통홀로부터 유입된 공기가 상기 제 2 반응면으로 유입되는 복수의 제 2 공기 유입유로가 형성되며, 상기 제 2 이너 비드씰은 상기 제 2 공기 유입유로와 연통되도록 형성되며,
상기 제 1 분리판과 제 2 분리판이 접합되면서 상기 제 1 공기 유입유로와 제 2 공기 유입유로로 이루어지는 복수의 공기 유입라인이 형성되고,
상기 이너 기밀라인은 상기 공기 유입라인과 연통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체.
- 청구항 7에 있어서,
상기 연결 기밀라인의 단면적은 이너 기밀라인에서 아우터 기밀라인 방향으로 갈수록 동일하거나 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체.
- 청구항 7에 있어서,
상기 아우터 기밀라인 및 이너 기밀라인의 표면에는 실링재가 도포되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 비드타입 분리판 조립체.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| KR20210092673 | 2021-07-15 |
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|---|---|---|---|
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP6563966B2 (ja) | 2017-02-03 | 2019-08-21 | 本田技研工業株式会社 | 発電セル |
| JP6731008B2 (ja) | 2017-02-02 | 2020-07-29 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池及び燃料電池用金属セパレータ |
-
2022
- 2022-03-07 KR KR1020220028813A patent/KR20230012407A/ko unknown
Patent Citations (2)
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| JP6731008B2 (ja) | 2017-02-02 | 2020-07-29 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池及び燃料電池用金属セパレータ |
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