KR20070036500A - Fuel cell system and stack using therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체와, 상기 전극막 조립체의 양단에 위치하는 바이폴라 플레이트를 구비하여 전기를 생성하는 단위전지와; 상기 바이폴라 플레이트에 전기통전이 가능하게 접촉하는 집전판과; 상기 집전판에 전기통전이 가능하게 접촉하는 엔드 플레이트와; 상기 바이폴라 플레이트와 집전판 사이에 개재되는 전도성 접착제층으로 구성된 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 단위전지 바람직하게는 전기 발생부의 양측 단부에 제공된 최외곽 플레이트와 전기를 집전하는 집전판 사이에 전도성 접착제층을 개재시킴으로써 최외곽 플레이트와 집전판 사이의 접촉저항을 감소시켜 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.The present invention provides an electrode film assembly comprising a polymer film, an anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the polymer film, and a bipolar plate positioned at both ends of the electrode film assembly to generate electricity; A current collector plate in electrical contact with the bipolar plate; An end plate in electrical contact with the current collector plate; A stack composed of a conductive adhesive layer interposed between the bipolar plate and the current collector plate, and a fuel cell system having the same, preferably between the outermost plate provided at both ends of the unit cell and the current collector plate for collecting electricity By interposing a conductive adhesive layer on the substrate, the contact resistance between the outermost plate and the current collector plate may be reduced, thereby improving power generation efficiency of the fuel cell system.
최외곽 플레이트, 집전판, 전도성 접착제층, 엔드 플레이트 Outermost plate, current collector plate, conductive adhesive layer, end plate
Description
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면;1 shows schematically a fuel cell system according to the invention;
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 연료 공급부의 다른 예를 나타낸 도면;2 is a view showing another example of a fuel supply unit of the fuel cell system shown in FIG. 1;
도 3은 본 발명에 따라서 전도성 접착제층이 개재되어 있는 스택의 구조를 나타낸 도면;3 is a view showing a structure of a stack having a conductive adhesive layer interposed according to the present invention;
도 4는 스택의 일단부에 구성요소들이 순차적으로 배열되어 있는 것을 나타낸 분해 사시도.4 is an exploded perspective view showing components arranged sequentially at one end of a stack.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
10 : 스택10: stack
12 : 전극막 조립체12: electrode film assembly
14 : 바이폴라 플레이트14 bipolar plate
14a : 최외곽 플레이트14a: outermost plate
16 : 전도성 접착제층16: conductive adhesive layer
17 : 집전판17: current collector
18 : 엔드 플레이트18: end plate
20 : 연료공급부20: fuel supply unit
22 : 원연료 탱크22: raw fuel tank
24 : 개질기24: reformer
30 : 공기 공급부30: air supply
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 단위전지에서 발생되는 전기를 집전하는 집전판과 단위전지의 최단부에 위치하는 바이폴라 플레이트 사이의 접촉저항을 저감시킬 수 있도록 전도성 접착제층을 개재시킨 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system that generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and more particularly, between a current collector plate for collecting electricity generated from a unit cell and a bipolar plate positioned at the shortest end of the unit cell. The present invention relates to a stack having a conductive adhesive layer interposed therebetween and a fuel cell system having the same.
일반적으로, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 화학적인 반응에 의해 전기에너지로 바꾸는 발전장치로서, 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 날로 증가되는 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 연구개발되고 있다. 수소는 대체적으로 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 수소함유연료를 개질함으로써 얻어질 수 있다.In general, a fuel cell system is a power generation device that converts electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is being researched and developed as an alternative to solve the difficulty of securing power and increasing global environmental problems caused by the increase in power demand. . Hydrogen is generally an alcohol fuel such as methanol and ethanol; It can be obtained by reforming a hydrogen-containing fuel such as a hydrocarbon-based fuel such as methane, propane, butane or natural gas-based fuel such as liquefied natural gas.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류된다. 또한, 연료전지 시스템은 그 종류에 따라서 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.The fuel cell system includes a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a solid oxide fuel cell (SOFC) depending on the type of electrolyte used. ), Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), alkaline fuel cells (AFC) and direct methanol fuel cells (DMFC). In addition, the fuel cell system may be applied to various applications such as mobile power supply, transportation, distributed generation, etc. according to the type of fuel used according to the type and the operating temperature, the output range and the like.
고분자 전해질형 연료전지와 직접 메탄올 연료전지는 이동전원용으로 널리 연구되고 있다. 이러한 연료전지들은 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 복수개 적층되어 있는 스택을 갖고 있다. 스택의 기본구조는 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 복수개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해서 체결된 구조로 이루어진다. 단위전지는 전해질막의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되어 있는 MEA와, 상기 MEA의 양측에 각각 위치하고 유체유동용 채널이 형성되어 있는 세퍼레이터, 즉 바이폴라 플레이트로 이루어진다.Polymer electrolyte fuel cells and direct methanol fuel cells have been widely studied for mobile power sources. These fuel cells basically have a stack in which a plurality of unit cells for generating electricity are stacked. The basic structure of the stack consists of a structure in which a plurality of unit cells stacked between end plates are fastened by bolts and nuts. The unit cell includes an MEA having anode and cathode electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane, and a separator, that is, a bipolar plate, each having a channel for fluid flow and formed on both sides of the MEA.
상기 바이폴라 플레이트는 애노드 전극과 캐소드 전극에 수소함유연료와 산소를 각각 공급하면서 애노드 전극과 캐소드 전극에서 각각 생성되는 이산화탄소와 물을 외부로 배출시키도록 작용한다.The bipolar plate serves to discharge carbon dioxide and water generated at the anode electrode and the cathode electrode to the outside while supplying hydrogen-containing fuel and oxygen to the anode electrode and the cathode electrode, respectively.
이때, 단위전지에서 발생되는 전기를 집전하기 위한 집전판이 단위전지의 양측 최단부에 위치하는 바이폴라 플레이트(이하, '최외곽 플레이트'라 함)와 엔드 플레이트 사이에 제공된다. 집전판은 전기를 집전하는 기능 뿐만 아니라 볼트와 너트의 체결시 최외곽 플레이트의 취성을 보강하기 위하여 제공된다. 그러나, 최외곽 플레이트와 집전체 사이에는 약 300mΩ의 접촉저항이 존재하며, 이는 연료전지 시스템의 발전효율을 저하시키는 문제점이 발생하게 된다.In this case, a current collector plate for collecting electricity generated from the unit cell is provided between the bipolar plate (hereinafter, referred to as the 'outermost plate') and the end plate positioned at both ends of the unit cell. The current collector plate is provided to reinforce the brittleness of the outermost plate when the bolt and nut are fastened as well as the function of collecting current. However, a contact resistance of about 300 mPa exists between the outermost plate and the current collector, which causes a problem of lowering power generation efficiency of the fuel cell system.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단위전지를 구성하는 최외곽 플레이트와 이에 대면하는 집전판 사이에서의 접촉저항을 감소시킬 수 있도록 이들 사이에 전도성 접착제층이 개재되어 있는 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention is proposed to solve the conventional problems as described above, the conductive adhesive layer is interposed therebetween so as to reduce the contact resistance between the outermost plate constituting the unit cell and the current collector plate facing it It is an object of the present invention to provide a stack and a fuel cell system having the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 스택은 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체와, 상기 전극막 조립체의 양단에 위치하는 바이폴라 플레이트를 구비하여 전기를 생성하는 단위전지와; 상기 바이폴라 플레이트에 전기통전이 가능하게 접촉하는 집전판과; 상기 집전판에 전기통전이 가능하게 접촉하는 엔드 플레이트와; 상기 바이폴라 플레이트와 집전판 사이에 개재되는 전도성 접착제층으로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the stack is provided with an electrode membrane assembly consisting of a polymer electrode and an anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the polymer membrane, and a bipolar plate located at both ends of the electrode membrane assembly to provide electricity A unit cell to generate; A current collector plate in electrical contact with the bipolar plate; An end plate in electrical contact with the current collector plate; Characterized in that it consists of a conductive adhesive layer interposed between the bipolar plate and the collector plate.
상기 전도성 접착제층은 실버 페이스트, 카본 페이스트 또는 골드 페이스트 등의 전도성 접착제로 이루어진다.The conductive adhesive layer is made of a conductive adhesive such as silver paste, carbon paste or gold paste.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발전부와, 상기 전기 발전부에 통전가능하게 접촉하는 집전판을 갖는 스택과; 상기 스택에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와; 상기 스택에 산소를 공급하는 산소 공급부로 이루어지고,According to another embodiment of the present invention, a fuel cell system comprises: a stack having an electric power generation unit for generating electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and a current collector plate in electrical contact with the electric power generation unit; A fuel supply unit supplying hydrogen-containing fuel to the stack; An oxygen supply unit for supplying oxygen to the stack,
상기 집전판과 전기 발전부 사이에 전기통전이 가능하게 개재된 전도성 접착제층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. It characterized in that it further comprises a conductive adhesive layer interposed between the current collector plate and the electrical power generation portion to enable electrical conduction.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 대하여 설명한다.Hereinafter, a stack according to the present invention and a fuel cell system having the same will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 하나 이상의 단위전지가 적층되어 있는 스택(10)과, 스택(10)에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부(20)와, 스택(10)에 산소를 공급하는 산소 공급부(30)를 갖는다. Referring to FIG. 1, a fuel cell system according to the present invention includes a
여기에서, 수소함유연료는 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료; 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 원연료 또는 수소와 같은 액체 또는 기체 연료를 의미하고, 상기 수소는 바람직하게 상술된 원연료를 개질함으로써 얻어질 수 있다. Here, the hydrogen-containing fuel may be an alcohol fuel such as methanol or ethanol; Hydrocarbon fuels such as methane, propane and butane; It means a raw fuel such as natural gas-based fuel such as liquefied natural gas or a liquid or gaseous fuel such as hydrogen, and the hydrogen can preferably be obtained by modifying the above-described raw fuel.
연료 공급부(20)는 상술된 원연료를 스택(10)에 직접 공급하는 직접 메탄올 연료전지에 있어서 원연료 공급탱크(미도시)로만 구성될 수 있다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 개질수소를 스택(10)에 공급하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 연료 공급부(20)는 원연료가 저장되어 있는 원연료 저장부(22)와, 원연료 저장부(22)로부터 공급되는 원연료에 대한 개질과정을 통해서 얻어지는 수소를 주성분으로 하는 개질연료를 스택(10)에 공급하기 위한 개질기(24)로 구성될 수 있다.The
이하에서는 직접 메탄올 연료전지를 기준으로 하여 설명한다.Hereinafter, the direct methanol fuel cell will be described.
도 3을 참조하면, 스택(10)은 고분자막(12a)과, 고분자막(12a)의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극(12b, 12c)으로 이루어진 전극막 조립체(12)(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 갖는다. Referring to FIG. 3, the
전극막 조립체(12)에 있어서, 전극은 카본종이와 같은 다공성 지지체 위에 촉매물질을 도포시킴으로써 제조된다. 애노드 전극(12b)은 수소함유연료에 함유된 수소가스를 산화시켜 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시키면서 이러한 산화과정의 부산물로 생성되는 이산화탄소를 외부로 배출시킨다. 캐소드 전극(12c)은 산소와 수소이온의 화학반응이 이루어지면서 이러한 화학반응결과 생성되는 물을 외부로 배출시킨다.In the
또한, 스택(10)은 인접하는 전극막 조립체(12)의 사이에 대면하는 상태로 개재되어 수소와 산소를 전극막 조립체(12)의 애노드 전극(12b)과 캐소드 전극(12c)에 각각 공급하는 바이폴라 플레이트(14)를 포함한다. 미설명 도면부호 11은 전극막 조립체(12)와 그 양측에 위치하는 바이폴라 플레이트(14)로 구성된 단위전지(11a~11n)의 복수개가 적층되어서 전기를 발생시키는 전기 발생부를 나타낸다.In addition, the
도 4를 상세히 참조하면, 스택(10)은 전기 발생부(11)의 양측 단부에 위치하는 바이폴라 플레이트(14a), 즉 최외곽 플레이트(14a)의 외부면에 순차적으로 제공된 집전판(17)과 엔드 플레이트(18)를 더 포함한다.Referring to FIG. 4 in detail, the
본 발명에 따르면, 최외곽 플레이트(14a)와 집전판(17) 사이에는 전도성 접착제층(16)이 제공되어 최외곽 플레이트(14a)와 집전판(17) 사이의 접촉저항을 저하시킨다. 전도성 접착제층(16)은 예를 들어, 실버 페이스트, 카본 페이스트 또는 골드 페이스트와 같은 전도성 접착제를 최외곽 플레이트(14a)의 외부면에 도포시킴으로써 제공될 수 있다. 또는, 전도성 접착제층(16)은 최외곽 플레이트(14a)의 외부면에 대향하는 대향면에 상술된 전도성 접착제를 도포시킴으로써 형성될 수 있다.According to the present invention, the conductive
예를 들어, 실버 페이스트 또는 카본 페이스트가 전도성 접착제로서 사용된 경우에 최외곽 플레이트(14a)와 집전판(17) 사이의 접촉저항을 약 70mΩ 정도로 저하시킬 수 있다. 또한, 골드 페이스트가 전도성 접착제로서 사용된 경우에 최외곽 플레이트(14a)와 집전판(17) 사이의 접촉저항을 약 20mΩ 정도로 저하시킬 수 있다. 이와 같이 최외곽 플레이트(14a)와 집전판(17) 사이의 접촉저항을 저하시킴으로써, 전기 발생부(11)에서 발생되는 전기를 효과적으로 집전함으로써 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.For example, when silver paste or carbon paste is used as the conductive adhesive, the contact resistance between the
도 3을 다시 참조하면, 애노드 전극(12b)과 캐소드 전극(12c) 각각의 외부면에는 수소함유연료와 산소를 각각 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(14)가 대면한 상태로 제공된다. 애노드 전극(12b)에 대면하는 바이폴라 플레이트(14)의 일면에 는 수소함유연료가 유동하는 연료공급유로(미도시)가 형성되는 반면에 캐소드 전극(12c)에 대면하는 타면에는 공기중의 산소가 유입되는 산소공급유로(미도시)가 형성된다.Referring again to FIG. 3,
바이폴라 플레이트(14)의 일면에 대면한 상태로 제공되는 애노드 전극(12b)은 상기 일면에 형성된 연료공급유로를 통해 공급되는 수소함유연료를 산화반응에 의해 수소이온과 전자로 변환시키는 촉매층과, 상기 수소함유연료가 상기 촉매층에 균일하게 분산되도록 작용하면서 이산화탄소를 외부로 배출시키는 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer)을 갖는다. 유사하게, 바이폴라 플레이트(14)의 타면에 대면한 상태로 제공되는 캐소드 전극(12c)은 상기 타면에 형성된 산소공급유로를 통해 공급되는 산소와 수소이온을 화학반응시키는 촉매층과, 상기 산소가 상기 촉매층에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 화학반응을 통해 생성되는 물을 외부로 배출시키는 기체 확산층으로 구성된다.The anode electrode 12b provided to face one surface of the
그리고, 고분자막(12a)은 애노드 전극(12b)의 촉매층에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(12c)의 촉매층에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 고분자막(12a)으로서는 예를 들어 퍼플루오로셀포네이트 수지(Nafion)로 제조된 과불화불소산 수지막, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 박막 지지체에 과불화설폰산(perfluorinated sulfonic acid) 등의 수지용액이 코팅되어 있는 막, 다공성의 비전도성 고분자 지지체에 양이온 교환수지 및 무기 실리케이트가 피복되어 있는 막 등이 사용된다.In addition, the polymer membrane 12a has a function of ion exchange for transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode 12b to the catalyst layer of the
상술된 바와 같은 구성요소들로 이루어진 스택(10)은 전기 발생부(11)에 공급되는 수소함유연료 및 공기의 누출을 방지하고 또한 전지로서의 구조를 형성하기 위하여 전기 발생부(11)를 구성하는 단위전지들을 소정의 압력으로 가압하여 하나로 체결시키기 위한 체결부재(미도시)를 갖는다. The
상기 체결부재는 예를 들어 엔드 플레이트(18)의 테두리 부분에 형성된 다수의 관통구멍(미도시)에 각각 관통하는 복수개의 관통봉(미도시)과, 상기 관통봉의 양단부에 형성된 나사부에 나사체결되는 너트(미도시)를 갖는다. 따라서, 상기 관통봉들이 상기 관통구멍을 관통한 상태에서 상기 관통봉의 단부에 형성된 나사부에 너트를 나사체결함으로써 전기 발생부(11)는 엔드 플레이트(18)에 의해서 압착된 상태로 유지된다.For example, the fastening member may be screwed into a plurality of through bars (not shown) respectively penetrating through a plurality of through holes (not shown) formed in the edge portion of the
이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the fuel cell system according to the present invention will be described.
연료 공급부(20)로부터 공급되는 수소함유연료는 스택(10)에서 바이폴라 플레이트(14)의 연료공급유로를 통해서 전기 발생부(11) 특히 전극막 조립체(12)의 애노드 전극(12b)에 공급된다. 산소 공급부(30)로부터 공급되는 산소는 스택(10)에서 바이폴라 플레이트(14)의 산소공급유로를 통해서 전기 발생부(11) 특히 전극막 조립체(12)의 캐소드 전극(12c)에 공급된다.Hydrogen-containing fuel supplied from the
애노드 전극(12b)에서의 수소산화반응에 의해서 수소이온과 이산화탄소가 생성되며 이때 수소이온은 전해질막(12a)을 통해서 캐소드 전극(12c)으로 이동하고 이산화탄소는 바이폴라 플레이트(14)의 연료공급유로를 통해서 외부로 배출된다. 캐소드 전극(12c)에서의 산소환원반응에 의해서 생성되는 물은 캐소드 전극(12c)으로부터 바이폴라 플레이트(14) 측으로 용이하게 이동한 후에 산소공급유로를 통해서 외부로 배출된다. 한편, 애노드 전극(12b)에서 생성되는 전자가 캐소드 전극(12c)으로 이동함으로써 전기가 생성된다. 이때, 개별적인 단위전지(11a~11n)에서 생성되는 전기는 전기통전이 가능하게 서로 연결되어 있는 바이폴라 플레이트(14)를 경유하여 집전판(17)에 집전된 후에 엔드 플레이트(18)에 제공된 출력단자를 통해서 외부 부하로 급전된다.Hydrogen ions and carbon dioxide are produced by the hydrogen oxidation reaction at the anode electrode 12b. At this time, the hydrogen ions move to the
이때, 최외곽 플레이트(14a)와 집전판(17) 사이에 제공되어 있는 전도성 접착제층(16)에 의해서 최외곽 플레이트(14a)와 집전판(17) 사이의 접촉저항을 저하시킴으로써 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.In this case, the contact resistance between the
본 발명에 따르면, 단위전지 바람직하게는 전기 발생부의 양측 단부에 제공된 최외곽 플레이트와 전기를 집전하는 집전판 사이에 전도성 접착제층을 개재시킴으로써 최외곽 플레이트와 집전판 사이의 접촉저항을 감소시켜 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the unit cell preferably reduces the contact resistance between the outermost plate and the current collector plate by interposing a conductive adhesive layer between the outermost plate provided at both ends of the electricity generating unit and the current collector plate for collecting electricity. Improve the power generation efficiency of the system.
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KR1020050091597A KR20070036500A (en) | 2005-09-29 | 2005-09-29 | Fuel cell system and stack using therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20070036500A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160051319A (en) * | 2014-11-03 | 2016-05-11 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell having condensate water eliminating part and method for manufacturing the same |
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2005
- 2005-09-29 KR KR1020050091597A patent/KR20070036500A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160051319A (en) * | 2014-11-03 | 2016-05-11 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell having condensate water eliminating part and method for manufacturing the same |
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WITN | Withdrawal due to no request for examination |