KR100804727B1 - Bipolar plate for fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 박막전극조립체의 양쪽에 배치되며, 수소와 산소를 각각 공급해주기 위한 가스 유로 및 수소와 산소의 직접 접촉을 방지하기 위한 분리판이 금속소재로 일체로 형성된 연료전지용 바이폴라 플레이트에 있어서, 분리판은, 그 가장자리를 따라 가스 유로와 동일한 폭과 깊이를 가지는 그루브(Groove)가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이폴라 플레이트가 제공된다. 개시된 연료전지용 바이폴라 플레이트에 따르면, 분리판과 가스 유로를 일체로 스탬핑 가공하여 성형하므로 저렴한 비용으로 연료전지용 바이폴라 플레이트의 대량생산이 가능하며, 분리판의 내부에 형성된 각각의 채널과 동일한 폭과 깊이를 가지는 그루브를 분리판의 가장자리를 따라 2중 배열 구조로 형성되도록 하여 분리판의 가스 유로가 성형 되는 부분과 가장자리 부분이 정밀금형으로부터 고른 압착력을 받도록 함으로써, 스템핑 가공시 분리판의 가장자리 부분이 뒤틀리는 현상을 방지되는 효과가 있다.According to the present invention, in a bipolar plate for a fuel cell, which is disposed on both sides of a thin film electrode assembly, a gas flow path for supplying hydrogen and oxygen, and a separator for preventing direct contact between hydrogen and oxygen are integrally formed of a metal material. The separator is provided with a bipolar plate for a fuel cell, characterized in that grooves having a width and a depth equal to the gas flow path are formed along the edge thereof. According to the disclosed fuel cell bipolar plate, the separator and the gas flow path are integrally stamped and molded, thereby enabling mass production of the fuel cell bipolar plate at low cost, and having the same width and depth as each channel formed in the separator. Branches are formed in a double arrangement along the edge of the separator plate so that the gas flow path of the separator plate and the edge portion receive even compressive force from the precision mold, so that the edges of the separator plate are twisted during stamping. There is an effect to prevent the phenomenon.
연료전지, 바이폴라 플레이트, 스탬핑, 그루브 Fuel Cell, Bipolar Plate, Stamping, Groove
Description
도 1은 연료전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a fuel cell,
도 2는 종래 연료전지용 바이폴라 플레이트의 평면도이고,2 is a plan view of a bipolar plate for a conventional fuel cell,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 평면도이고,3 is a plan view of a bipolar plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention,
도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV shown in FIG. 3.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100...연료전지용 바이폴라 플레이트 110...분리판Bipolar plate for
120...가스 유로 130...매니폴드부120
140...그루브140 ... Groove
본 발명은 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 고분자 전해질 연료전지의 연료인 수소와 산소 가스가 흐르게 되는 유로를 형성시켜 가스 흐름을 원활하게 함으로써, 유속의 급격한 변화에 의한 압력 강하를 감소시키고, 반응 가스를 일정하게 공급될 수 있도록 하는 연료전지용 바이폴라 플 레이트에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar plate, and more particularly, by forming a flow path through which hydrogen and oxygen gas, which are fuels of a polymer electrolyte fuel cell, flow, thereby smoothing gas flow, thereby reducing pressure due to a sudden change in flow rate. The present invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, which reduces the power consumption and enables a constant supply of reaction gas.
일반적으로 연료전지는 발전중 진동이나 소음이 없으며, 탄화수소계열의 연료에 포함된 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적 방법으로 반응시켜 직접 전기를 생산하므로, 화학에너지가 기계적 에너지로의 변환과정을 거치는 내연기관에 비하여 발전효율이 높고, 전기와 열을 동시에 사용할 수 있으며, 사용되는 연료도 천연가스, 메탄올, 나프타 또는 석탄 등을 사용할 수 있기 때문에 연료의 다양화가 가능하고, 특히 이산화탄소의 배출량을 억제할 수 있으므로 환경오염문제를 해결할 수 있어 최근 들어 국외는 물론 국내에서도 활발한 연구가 진행되고 있다.In general, fuel cells have no vibration or noise during power generation, and produce electricity directly by reacting hydrogen contained in a hydrocarbon-based fuel with oxygen in the air by electrochemical method, so that chemical energy is converted into mechanical energy. Compared to the engine, the power generation efficiency is high, electricity and heat can be used simultaneously, and the fuel used can also use natural gas, methanol, naphtha, or coal, so that fuel can be diversified, and in particular, carbon dioxide emissions can be suppressed. Therefore, it is possible to solve the environmental pollution problem. Recently, active researches are being carried out both domestically and abroad.
도 1은 연료전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a fuel cell.
도면을 참고하여 연료전지의 작동원리를 설명하면, 연료극(Anode;5)으로 흐른 수소가 전자와 수소 이온으로 분리되고 수소 이온은 전해질(6)을 통하여 이동하면서 공기극(Cathode;7)에서 전자, 산소 이온, 수소 이온이 합쳐져 물을 생성한다. 이때 연료극(5)에서 생성된 전자는 전해질(6)을 통과하지 못하고 외부회로(미도시)를 통하여 공기극(7)으로 이동하게 된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물을 생성하게 되며, 연료극(5)과 공기극(7)에서는 반응을 촉진하기 위하여 촉매 층을 형성한다.Referring to the operation of the fuel cell with reference to the drawings, the hydrogen flowing to the anode (Anode) 5 is separated into electrons and hydrogen ions, the hydrogen ions are moved through the electrolyte (6) electrons in the cathode (Cathode) 7, Oxygen ions and hydrogen ions combine to form water. At this time, the electrons generated in the
분리판(3)은 연료극(5), 전해질(6) 및 공기극(7)으로 구성된 박막전극조립체 (MEA;Membrane Eloctrode Assembly;4)의 양쪽에 붙어 있으면서 연료인 수소와 산소를 공급해주는 역할과 전류를 수집하는 역할 및 수소와 산소의 직접 접촉시 폭발, 연소 등의 위험성을 방지하는 역할을 수행한다. 따라서, 분리판(3)은 기체투과율이 낮아야 하고, 활발한 전자이동을 위하여 전기전도성이 좋아야 한다.The
가스 유로(2)는 분리판(3)과 일체형 또는 분리형으로 형성이 가능하고, 각 전극(5,7)에 수소와 산소를 공급함과 동시에 전해질(6)에 물을 공급하고 반응물인 물을 제거하는 역할을 수행하므로 내부식성이 좋아야 한다.The
이러한 분리판(3)과 그 양쪽 면에 형성된 가스 유로(2)를 포함하는 바이폴라 플레이트(1)는 높은 전기전도성을 가져야 하고, 가벼워야 하며, 기체투과율이 낮아야 하고, 대량생산시 가격경쟁력이 있어야 하며, 부식에 강한 특성을 가질 것을 필요로 하고 있다.The
이와 같은 바이폴라 플레이트의 재료로는 탄소계열 소재 중에서 그라파이트 (Graphite)가 주로 사용된다. 그러나 상기 그라파이트는 기계가공시 가공비용이 과다하고, 소재 자체의 취성(脆性) 때문에 취급 보관이 어려우며, 크기가 크고 무게를 줄이기 곤란하므로 대량생산이 곤란한 단점이 있다.As a material of such a bipolar plate, graphite is mainly used among carbon-based materials. However, the graphite has a disadvantage in that the processing cost is excessive during machining, the handling and storage is difficult due to the brittleness of the material itself, and the size is large and the weight is difficult to reduce, making mass production difficult.
사실 본 출원인은 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속재질의 분리판(11)을 스탬핑(Stemping) 가공하여 상기 분리판(11)에 가스 유로(12)를 일체로 성형한 연료전지용 바이폴라 플레이트(10)에 대해 개시함으로써, 이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한바 있다.In fact, as shown in FIG. 2, the present inventors stamped a
이와 같은 연료전지용 바이폴라 플레이트(10)에 따르면, 스테인리스 스틸 소재로 제조되어 높은 전기전도성과 내부식성 및 낮은 기체투과율을 가짐과 동시에, 구조적으로도 견고한 내구성을 가지며, 분리판(11)과 가스 유로(12)를 일체로 스탬핑 가공하여 성형하므로 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.According to the
그러나 이와 같은 본 출원인의 선행기술의 경우, 분리판(11)을 스템핑 가공하여 가스 유로(12)를 성형하는 과정에서, 가스 유로(12)가 성형 되는 부분과 가스 유로(12)가 성형 되지 않는 외측 가장자리 부분 사이에 발생하는 압착력(壓搾力)의 차이에 의하여 분리판(11)의 가장자리 부분에 뒤틀림 현상이 발생할 수 있으며, 이 때문에 연료전지용 바이폴라 플레이트(10)의 실링(Sealing) 성능이 저하되어 가스 유로(12)를 흐르는 가스가 연료전지 내부로 유출될 위험이 있다.However, in the prior art of the present applicant, in the process of forming the
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 스템핑 가공 과정에서 분리판 전체가 고른 압착력을 받도록 함으로써 분리판의 뒤틀림 현상이 발생하지 않도록 구조를 개선한 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide a bipolar plate for a fuel cell improved structure so that the entire separation plate receives a uniform pressing force during the stamping process so that the distortion of the separation plate does not occur. There is this.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.Other objects and advantages of the invention will be described below and will be appreciated by the embodiments of the invention. In addition, the objects and advantages of the invention may be realized by the means and combinations indicated in the claims.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 바이폴라 플레이트는, 박막전극조립체의 양쪽에 배치되며, 수소와 산소를 각각 공급해주기 위한 가스 유로 및 수소와 산소의 직접 접촉을 방지하기 위한 분리판이 금속소재로 일체로 형성된 연료전지용 바이폴라 플레이트에 있어서, 그 가장자리를 따라 상기 가스 유로와 동일한 폭과 깊이를 가지는 그루브(Groove)가 형성된 것을 특징으로 하는 분리 판을 포함한다.The bipolar plate for a fuel cell of the present invention for achieving the above object is disposed on both sides of the thin film electrode assembly, the gas flow path for supplying hydrogen and oxygen, and the separator plate for preventing direct contact of hydrogen and oxygen is metal A bipolar plate for a fuel cell integrally formed with a material, the separator comprising a separator having a groove having the same width and depth as the gas flow path along an edge thereof.
여기서, 상기 그루브는, 상기 분리판의 가장자리를 따라 한 쌍이 형성되는 2중 배열구조인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the groove has a double arrangement structure in which a pair is formed along the edge of the separator.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.3 is a plan view of a bipolar plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV shown in FIG.
먼저, 도 3을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이폴라 플레이트(100)는, 분리판(110)과, 상기 분리판(110)에 일체로 형성되는 가스 유로(120)와, 매니폴드부(130) 및 그루브(140)를 포함한다.First, referring to FIG. 3, the
상기 분리판(110)은, 박막전극조립체의 양쪽에 붙어 있으면서 연료인 수소와 산소를 공급해주는 역할과 전류를 수집하는 역할 및 수소와 산소의 직접 접촉시 폭 발, 연소 등의 위험성을 방지하는 역할을 수행하는 것으로서, 높은 전기전도성과 내부식성 및 낮은 기체투과율을 가지는 금속재질로 형성되며, 바람직하게는, 내식성이 강하고 정밀주조가 용이한 스테인리스 스틸인 SUS 304 재질일 수 있다.The
상기 가스 유로(120)는, 상기 분리판(110)과 동일한 재질로 상기 분리판(110)의 일면 또는 양면에 일체로 형성되며, 제1 및 제2채널부(121,122)를 포함하는 사행형상으로 형성되는 것이 바람직하다.The
상기 제1채널부(121)는, 다수의 채널을 포함하며, 상기 분리판(110) 표면의 일측에서 시작되어 상기 분리판(110) 표면의 중심부를 거쳐 상기 분리판(110) 표면의 타측까지 일체로 형성된다. 여기서, 상기 제1채널부(121)에 포함된 각각의 채널은 서로 평행하게 인접하여 배치된다.The
이러한 상기 제1채널부(121)의 각 채널은, 항상 분리판(110)의 두 변에는 평행하고 다른 두 변에는 수직한 상태를 유지하면서 수회에 걸쳐 수직방향으로 꺾여 상기 분리판(110) 표면의 중심부로 이어진 후, 중심부로부터 상기 분리판(110) 표면의 타측으로 이어진다. 그럼으로써, 상기 각 채널은, 각각의 총 길이가 직선형으로 형성된 채널의 경우보다 더욱 길어져서, 가스가 반응할 수 있는 충분한 통로를 제공하여 보다 효율적인 가스반응 환경을 제공한다.Each channel of the
또한, 상기 각각의 채널들은, 각 단면 형상이 “ㄷ” 자형을 유지하여 가스의 흐름을 방해하지 않으면서 수 회의 직각 꺾임을 통하여 직선부 길이가 변화되면서 각각의 총 길이가 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 바이폴라 플레이트의 전체 활성면에 걸쳐 반응가스에 의해 부여되는 압력과 유량이 균일하게 유지될 수 있다.In addition, it is preferable that each of the channels has the same length as the straight portion is changed through several right angle bends without interrupting the flow of gas by maintaining the cross-sectional shape of the letter “c”. Do. Thereby, the pressure and flow rate imparted by the reaction gas over the entire active surface of the bipolar plate can be kept uniform.
또한, 상기 제2채널부(122)는, 상기 제1채널부(121)와 동일한 형상을 가지며, 상기 제1채널부(121)와 서로 대칭되도록 배치되는 것이 바람직하다.In addition, the
다음으로, 상기 매니폴드부(130)는, 상기 가스 유로(120)의 양 끝단에 배치되며, 연료공급 매니폴드(131)와, 공기공급 매니폴드(132)와, 연료배출 매니폴드(133) 및 공기배출 매니폴드(134)를 포함한다.Next, the
상기 연료공급 매니폴드(131)는, 박막전극조립체에 연료전지의 연료기체인 수소를 공급하며, 상기 공기공급 매니폴드(132)는, 박막전극조립체에 공기를 공급한다.The
아울러, 연료배출 매니폴드(133)는 반응하지 않은 배기가스를 제거하며, 산화환원반응에 의해 생성된 물과 남은 공기는, 상기 공기배출 매니폴드(134)를 통하여 배출된다.In addition, the
마지막으로, 상기 그루브(140)는, 분리판(110)에 형성된 가스 유로(120)의 외측에 형성되는 것으로서, 상기 가스 유로(120)와 동일한 폭과 깊이로 형성되며, 분리판(110)의 가장자리를 따라 한 쌍이 형성되는 2중 배열 구조인 것이 바람직하다.Finally, the
아래에 상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트(100)를 제조하는 과정에 대하여 간략히 설명한다.Below is a brief description of the process of manufacturing the
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트(100)를 제조하기 위해서는, 먼저 성형재료금속을 절삭하여 소정의 두께와 크기를 갖는 분리 판(110)을 성형한다. 상기 성형재료금속은 내식성이 강하고 정밀주조가 용이한 스테인리스 스틸인 SUS 304 재질인 것이 바람직하다.In order to manufacture the
또한, 상기 분리판(110)은, 그 두께가 0.5∼1.0㎜인 것이 바람직한데, 이는, 분리판(110)의 두께가 0.5㎜ 미만이면 형체를 유지하기 위한 강성이 부족한 동시에 형성되는 가스 유로(120)의 깊이가 낮아 흐를 수 있는 가스량이 적을 뿐 아니라 가스 흐름이 원활하지 못하게 되기 때문이며, 분리판(110)의 두께가 1.0㎜을 초과하게 되면 이 분리판(110)의 강성이 필요 이상 증가하여 후술할 스탬핑 가공과정에서 가스 유로(110)를 제대로 형성시킬 수 없기 때문이다.In addition, it is preferable that the thickness of the separating
다음으로, 상기 분리판(110)이 형성되면 상기 분리판(110)을 스탬핑 가공한다. 상기 스탬핑 가공과정은, 분리판(110)을 정밀금형으로 눌러 찍어내어 분리판(110)에 가스 유로(120)를 일체로 성형하는 과정으로, 이에 따라 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트(100)는, 복잡한 기계가공을 필요로 하지 않고 분리판(110)에 가스 유로(120)를 형성하는 과정이 단순화됨으로써, 저렴한 비용으로 대량생산이 가능한 장점을 갖는다.Next, when the
한편, 이와 같이 분리판(110)을 정밀금형으로 눌러 찍어내어 분리판(110)과 가스 유로(120)를 일체로 성형하는 과정에서, 가스 유로(120)가 성형 되는 부분과 가스 유로(120)가 성형 되지 않는 외측 가장자리 부분 사이에 발생하는 압착력의 차이에 의하여 분리판(110)의 가장자리 부분에 뒤틀림 현상이 발생할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트(100)는, 분리판(110)의 가장자리를 따라 그루브(140)가 형성되도록 함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 즉, 분리판(110)의 내부에 형성된 각각의 채널(121,122)과 동일한 폭과 깊이를 가지는 그루브(140)를 분리판(110)의 가장자리를 따라 2중 배열 구조로 형성되도록 하여 분리판(110)의 가스 유로(120)가 성형 되는 부분과 가장자리 부분이 정밀금형으로부터 고른 압착력을 받도록 함으로써, 분리판(110)의 가장자리 부분이 뒤틀리는 현상을 방지하였다.On the other hand, in the process of forming the
마지막으로, 이러한 스템핑 가공과정이 완료되면, 장기 사용시 부식을 방지하기 위하여 부식방지처리를 수행한다.Finally, when this stamping process is completed, the anti-corrosion treatment is performed to prevent corrosion in long-term use.
상기 연료전지용 바이폴라 플레이트의 재료로 사용되는 SUS 304 재질은 열처리가 곤란하기 때문에, 부식방지처리방법으로서, 금속표면에 암모니아가스나 질소가스를 이용해 표면에 질소화합물 층을 형성하여 높은 경도와 탁월한 내마모성 효과 및 내식성 효과를 얻을 수 있는 크롬 메탈 질화처리 방법을 이용하는 것이 바람직하다.Since the SUS 304 material used as the material of the bipolar plate for fuel cells is difficult to heat treatment, as a corrosion prevention method, a nitrogen compound layer is formed on the surface using ammonia gas or nitrogen gas on the metal surface to have high hardness and excellent wear resistance effect. And a chromium metal nitride treatment method capable of obtaining a corrosion resistance effect.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited embodiment and drawing, this invention is not limited by this, The person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 발명의 연료전지용 바이폴라 플레이트에 따르면, 분리판과 가스 유로를 일체로 스탬핑 가공하여 성형하므로 저렴한 비용으로 연료전지용 바이폴라 플레이트의 대량생산이 가능하며, 분리판의 내부에 형성된 각각의 채널과 동일한 폭과 깊 이를 가지는 그루브를 분리판의 가장자리를 따라 2중 배열 구조로 형성되도록 하여 분리판의 가스 유로가 성형 되는 부분과 가장자리 부분이 정밀금형으로부터 고른 압착력을 받도록 함으로써, 스템핑 가공시 분리판의 가장자리 부분이 뒤틀리는 현상을 방지되는 효과가 있다.According to the fuel cell bipolar plate of the present invention, since the separation plate and the gas flow path are integrally formed and molded, mass production of the fuel cell bipolar plate is possible at a low cost, and the same width as that of each channel formed in the separator plate. Grooves having a depth are formed in a double arrangement along the edge of the separator plate so that the gas flow path of the separator plate and the edge portion receive evenly compressive force from the precision mold. This warping phenomenon is prevented.
또한, 스테인리스 스틸 소재로 제조되어 높은 전기전도성과 내부식성 및 낮은 기체투과율을 가짐과 동시에, 구조적으로도 견고한 내구성을 가지며, 가스 유로가 사행형상으로 형성되어, 가스가 반응할 수 있는 충분한 통로를 제공하여 효율적인 가스반응 환경을 제공한다는 장점이 있다.In addition, it is made of stainless steel, which has high electrical conductivity, corrosion resistance and low gas permeability, and has structurally robust durability, and the gas flow path is formed in a meandering shape to provide a sufficient passage for gas to react. Therefore, there is an advantage of providing an efficient gas reaction environment.
Claims (2)
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KR1020060072068A KR100804727B1 (en) | 2006-07-31 | 2006-07-31 | Bipolar plate for fuel cell |
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