KR20230042777A - End plater for fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 스택용 엔드플레이트에 관한 것으로서 구체적으로는 연료전지 스택에서 면압이 전체적으로 균일하게 분포되도록 하는 엔드플레이트 구성에 관한 것이다.The present invention relates to an end plate for a fuel cell stack, and more particularly, to an end plate configuration that uniformly distributes surface pressure throughout the fuel cell stack.
연료전지(Fuel Cells)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 최근 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 등등 다양한 분야에 응용될 수 있다.Fuel cells are devices that generate electricity while generating water by electrochemically reacting hydrogen and oxygen.
일반적인, 연료전지 스택의 각 구성을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.A brief look at each configuration of a typical fuel cell stack is as follows.
연료전지 스택에서, 가장 안쪽에 주요 구성 부품인 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly, 전극막)가 위치하는데, 막전극접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.In the fuel cell stack, the membrane electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly, electrode membrane) is located at the innermost part, which is a solid polymer electrolyte membrane that can move hydrogen cations (protons) and , It consists of a catalyst layer, that is, a cathode and an anode, coated so that hydrogen and oxygen can react on both sides of the electrolyte membrane.
또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되며 위치하고, 상기 가스확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 경질 재질의 엔드플레이트가 결합된다.In addition, a gas diffusion layer (GDL), a gasket, etc. are stacked and located on the outer part of the electrode film, that is, the outer part where the cathode and anode are located, and fuel is supplied to the outside of the gas diffusion layer and generated by the reaction A separator plate having a flow path for discharging water is positioned, and an end plate made of a hard material for supporting each of the components described above is coupled to the outermost part.
따라서, 연료전지의 애노드에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하며, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드극으로 이동하게 된다. 캐소드극에서는 애노드극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다. Therefore, at the anode of the fuel cell, the oxidation reaction of hydrogen proceeds to generate hydrogen ions (Proton) and electrons (Electron), and the generated hydrogen ions and electrons move to the cathode electrode through the electrolyte membrane and the separator, respectively. . In the cathode electrode, water is generated through an electrochemical reaction in which hydrogen ions and electrons moved from the anode electrode and oxygen in the air participate, and electrical energy is generated from the flow of these electrons.
이러한 연료전지 스택에 있어서, 엔드플레이트는 스택내에서 고른 면압이 유지되도록 각 구성들을 지지하여야 하는데, 고른 면압을 유지하는 것은 스택내 유체의 누설 방지, 셀간 전기 접촉저항의 감소와 관련하여 스택 성능을 좌우하는 중요한 인자이다. In such a fuel cell stack, the end plate should support each component so that an even surface pressure is maintained within the stack. Maintaining an even surface pressure improves stack performance in terms of preventing leakage of fluid in the stack and reducing electrical contact resistance between cells. is an important factor influencing
기존의 엔드플레이트 구조는 플라스틱 재질이기 때문에 균일한 면압 분포를 발휘하기 어려운 문제가 있었다.Since the existing end plate structure is made of plastic, it is difficult to achieve a uniform surface pressure distribution.
본 발명은 연료전지 스택의 최양단에 위치하는 엔드플레이트를 개선하여 연료전지 스택 내에 균일한 면압이 유지되도록 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a technique for maintaining a uniform surface pressure in a fuel cell stack by improving an end plate located at the uppermost end of a fuel cell stack.
본 발명은, 연료전지 스택의 양측단에 배치되어 막전극접합체를 양측에서 결합하는 엔드플레이트로서, 일측면에 제1결합부(115)을 갖고, 플라스틱 소재로 이루어지는 제1엔드플레이트(110); 및 상기 제1엔드플레이트의 외측에 위치하고, 상기 제1결합부에 결합되는 제2결합부(125)를 갖는 제2엔드플레이트(120);로 이루어져서, 상기 제1결합부에 제2결합부가 결합되어 상기 막전극접합체로 균일한 면압을 가하게 되는 것이 특징이다. 상기 제2엔드플레이트(120)는 제1엔드플레이트 보다는 경질 소재로 이루어지며, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다.The present invention is an end plate disposed at both ends of a fuel cell stack and coupled to a membrane electrode assembly from both sides, and includes a
상기 제1결합부(115)와 제2결합부(125)는, 각각 서로 대응되어 결합되는 결합돌기와 결합홈 중 어느 하나로 이루어진다.The
상기 제1결합부(115)는 결합홈의 형상이며, 상기 제2결합부는 결합돌기의 형상을 이루고, 상기 제1엔드플레이트는, 연료전지 스택의 양측단에 배치되는 엔드플레이트를 서로 결합하기 위한 장볼트가 장착되는 볼트 장착공(118)을 4개 구비하고, 상기 4개의 볼트 장착공이 단변(L1)과 장변(L2)을 갖는 직사각형의 네 꼭지점을 이룰 때, 상기 결합홈은, 그 중심이 상기 직사각형의 마주보는 두 개의 단변 상에 위치하도록, 서로 나란히 배치되는 제1열(115-1)과 제2열(115-2)을 포함한다.The
상기 결합홈은, 상기 제1열(115-1)과 제2열(115-2)의 최외곽에 배치되는 결합홈 사이에 위치하는 제3열(115-3) 및 제4열(115-4)을 더 포함할 수 있고, 상기 제3열(115-3)과 제4열(115-4)을 이루는 결합홈의 중심은, 상기 제1열(115-1)과 제2열(115-2)의 최외곽에 배치되는 결합홈의 중심을 연결한 선 상에 위치하는 것이 좋다.The coupling grooves are located between the coupling grooves disposed at the outermost portions of the first column 115-1 and the second column 115-2, and the third column 115-3 and the fourth column 115- 4) may further include, and the center of the coupling groove forming the third column 115-3 and the fourth column 115-4 is the first column 115-1 and the second column 115 -2) It is better to be located on the line connecting the center of the coupling groove disposed on the outermost side.
상기 결합홈(115)의 직경(D)은 상기 직사각형 단변(L1)의 길이(SL)와 아래와 같은 관계식을 갖는다. 관계식: 0.05×SL<d<0.5×SLThe diameter (D) of the
본 발명에 따른 엔드플레이트는 상기 구성에 의해서 연료전지 스택의 양단을 결합하면서 연료전지 스택 내에 균일한 면압이 유지되도록 하는 유리한 효과가 발휘된다.The end plate according to the present invention exhibits an advantageous effect of maintaining a uniform surface pressure in the fuel cell stack while coupling both ends of the fuel cell stack by the above configuration.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 개념적인 모습이며,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 엔드플레이트의 모습이며,
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 엔드플레이트에 형성되는 결합홈의 모습이며,
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 엔드플레이트에 형성되는 결합홈 또는 결합돌기의 최적의 형상을 구하기 위한 과정으로 무게와 표면적의 관계를 보여주는 그래프이다.1 is a conceptual view of a fuel cell stack according to the present invention,
2 is a view of an end plate of a fuel cell stack according to the present invention,
3 to 5 are views of coupling grooves formed in an end plate of a fuel cell stack according to the present invention;
6 and 7 are graphs showing the relationship between weight and surface area in a process for obtaining an optimal shape of a coupling groove or coupling protrusion formed on an end plate of a fuel cell stack according to the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. In addition, the terms used are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout the present specification.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 개념적인 모습이며, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 엔드플레이트의 모습이며, 도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 엔드플레이트에 형성되는 결합홈의 모습이며, 도 6과 도 7은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 엔드플레이트에 형성되는 결합홈 또는 결합돌기의 최적의 형상을 구하기 위한 과정으로 무게와 표면적의 관계를 보여주는 그래프이다.1 is a conceptual view of a fuel cell stack according to the present invention, FIG. 2 is a view of an end plate of a fuel cell stack according to the present invention, and FIGS. 3 to 5 are views of an end plate of a fuel cell stack according to the present invention. Figures 6 and 7 are graphs showing the relationship between weight and surface area in a process for obtaining the optimal shape of a coupling groove or coupling protrusion formed on an end plate of a fuel cell stack according to the present invention. .
본 발명은, 연료전지 스택의 양측단에 배치되어 막전극접합체를 양측에서 결합하는 엔드플레이트이며, 연료전지의 작동원리 내지 연료전지의 양측 엔드플레이트 내측에 위치하는 막전극접합체의 구조 등은 본 발명의 핵심 내용이 아니므로 이들에 대한 설명은 생략하도록 한다.The present invention is an end plate disposed at both ends of a fuel cell stack and coupled to membrane electrode assemblies from both sides, and the operating principle of the fuel cell and the structure of the membrane electrode assembly located inside the end plates on both sides of the fuel cell are described in the present invention. Since it is not the core content of the , the description of these will be omitted.
본 발명은 연료전지 스택의 양측단에 구비되어 결합하는 엔드플레이트로서, 본 발명에서는 두 가지 소재로 이루어지고 서로 결합되는 엔드플레이트라는 점과 이들을 결합하기 위해 돌기와 홈 구조를 갖도록 한 점 그리고 돌기와 홈의 수치와 개수 등의 형상을 특정한 점 등이 특징이다.The present invention is an end plate provided at both ends of a fuel cell stack and coupled to each other. In the present invention, the end plate is made of two materials and coupled to each other, has a structure of protrusions and grooves to couple them, and of the protrusions and grooves. It is characterized by points specifying the shape such as number and number.
구체적으로 보면, 본 발명의 엔드플레이트는 연료전지 스택 내측에 위치하는 제1엔드플레이트(110)와 외측에 위치하는 제2엔드플레이트(120)로 이루어진다. Specifically, the end plate of the present invention includes a
제1엔드플레이트(110)는 일측면에 제1결합부(115)을 갖고, 플라스틱 소재로 이루어지고, 제2엔드플레이트(120)는 상기 제1엔드플레이트의 외측에 위치하고, 상기 제1결합부에 결합되는 제2결합부(125)를 갖고 금속 소재로 이루어진다. The
여기서, 상기 제1결합부(115)와 제2결합부(125)는, 각각 서로 대응되어 결합되는 결합돌기와 결합홈 중 어느 하나로 이루어진다. 즉, 제1엔드플레이트(110)에 결합홈이 형성되고, 제2엔드플레이트(120)에 결합돌기가 형성될 수도 있고, 제1엔드플레이트(110)에 결합돌기가 형성되고, 제2엔드플레이트(120)에 결합홈이 형성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 그 중 하나의 예로서, 제1엔드플레이트(110)에 결합홈(115)이 형성되고, 제2엔드플레이트(120)에 결합돌기(125)가 형성된 것을 예로 들어 본 발명을 설명하도록 한다. Here, the
상기 결합홈(115)은 원형의 형상을 이루고, 상기 결합돌기(125) 역시 원형의 형상을 이루고, 상기 결합돌기는 상기 결합홈에 억지끼움 방식으로 서로 결합된다. 이때, 제2엔드플레이트의 재질은 강성이 큰 금속으로 이루어지고, 제1엔드플레이트의 재질은 강성이 작은 금속 또는 플라스틱으로 이루어지도록 하여, 제2엔드플레이트가 내측의 제1엔드플레이트의 변형을 억제하여 전체 연료전지 스택의 면압 분포를 균일하게 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 기존의 제품과 같이 금속만을 사용한 엔드플레이트에 비해 보다 경량한 스택 설계가 가능하여 지고, 엔드플레이트의 변형이 작아져 전체 스택의 구조적 안정성이 향상된다.The
본 발명에서는 상기 결합홈(115) 및 이에 대응하는 결합돌기(125)의 크기와 개수 배치 구조에 대하여 최적의 형상을 도출하였다. 이하에서는 이에 대해 설명한다. In the present invention, the optimal shape was derived for the size and number arrangement structure of the
연료전지 스택의 양측단에 배치되는 엔드플레이트는 장볼트(150)를 이용하여 서로 결합하게 되는데, 엔드플레이트(제1 및 제2엔드플레이트)에는 상기 장볼트(150)가 장착되는 볼트 장착공(118)이 구비된다. 상기 엔드플레이트는 개략적으로 직사각형의 플레이트 형상을 이루는 것이 일반적이며, 본 발명에서는 상기 볼트 장착공(118)을 상기 엔드플레이트 상에 4곳에 위치하도록 하여 4개의 볼트 장착공이 단변(L1)과 장변(L2)을 갖는 직사각형의 네 꼭지점을 이루도록 하였다.The end plates disposed at both ends of the fuel cell stack are coupled to each other using
이 때, 상기 결합홈(115)은, 그 중심이 4개의 볼트 장착공이 이루는 상기 직사각형의 마주보는 두 개의 단변 상에 위치하도록 하였다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이, 서로 나란히 배치되는 제1열(115-1)과 제2열(115-2)로 이루어진다. At this time, the
또한, 본 발명에서는 결합홈을 제1열(115-1)과 제2열(115-2)뿐 아니라 이들 사이에도 배치되는 제3열(115-3) 및 제4열(115-4)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제3열(115-3) 및 제4열(115-4)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1열(115-1)과 제2열(115-2)의 최외곽에 배치되는 결합홈 사이에 위치하는 것으로, 제3열(115-3)과 제4열(115-4)을 이루는 결합홈의 중심은 상기 제1열(115-1)과 제2열(115-2)의 최외곽에 배치되는 결합홈의 중심을 연결한 선 상에 위치하도록 한다.In addition, in the present invention, the third row 115-3 and the fourth row 115-4 disposed between the coupling grooves as well as the first row 115-1 and the second row 115-2 can include more. And, as shown in FIG. 5, the third column 115-3 and the fourth column 115-4 are at the top of the first column 115-1 and the second column 115-2. It is located between the coupling grooves disposed on the outside, and the center of the coupling grooves forming the third column 115-3 and the fourth column 115-4 is the first column 115-1 and the second column ( 115-2) to be located on the line connecting the center of the coupling groove disposed at the outermost part.
그리고, 상기 결합홈(115)의 직경(D)은 상기 직사각형 단변(L1)의 길이(SL)와 다음과 같은 관계식을 갖는 것이 좋다. Also, the diameter D of the
관계식: 0.05×SL<d<0.5×SLRelation: 0.05×SL<d<0.5×SL
즉, 상기 결합홈의 직경(D)은 볼트 장착공이 이루는 사각형의 단변의 길이(D)의 5/100배에서 1/2배 사이의 수치를 갖는 것이 좋다.That is, it is preferable that the diameter (D) of the coupling groove has a value between 5/100 and 1/2 times the length (D) of the short side of the square formed by the bolt mounting hole.
이것은 강성이 작은 제1엔드플레이트의 변형을 강성이 큰 제2엔드플레이트가 억제하는 역할을 하기 때문에 단순히 강성이 큰 금속을 많이 사용하여 변형이 작아질 것이지만, 이러한 효과를 극대화 시키기 위해 표면적이 넓은 돌기와 홈을 사용하는 것이 좋을 것이므로 결합돌기와 결합홈의 지름과 개수에 대해 최적화할 필요가 있었다.This is because the second end plate with high stiffness suppresses the deformation of the first end plate with low stiffness, so the deformation will be reduced by simply using a lot of metal with high stiffness, but in order to maximize this effect, protrusions and Since it would be better to use grooves, it was necessary to optimize the diameter and number of coupling protrusions and coupling grooves.
그리고, 이를 위해, 엔드플레이트의 무게 증가율과 표면적 증가율 및 이들의 상대적 비를 아래 식과 같이 도출해 보았다. 아래 식에서 D는 결합홈의 직경이다.And, for this purpose, the weight increase rate and surface area increase rate of the end plate and their relative ratio were derived as follows. In the equation below, D is the diameter of the coupling groove.
그리고, 무게증가율/표면적 증가율의 비는 도 6과 도 7의 그래프에서 도시되고 있는데, 결합홈의 지름이 58mm 이상이 될 때 무게 증가의 효과가 더 커지고, 지름이 작아질 수록 표면적 증가율의 효과가 극대화된다. 그런데, 경량화를 위해서는 무게 증가 효과를 줄이면서 표면적의 효과는 높이는 것이 좋다. 즉, 결합돌기(결합홈)의 지름은 이 범위내에서 작을 수록, 그리고 그 개수는 많을 수록 효과가 극대화 된다. 이를 통해, 결합홈의 지름의 범위는 엔드플레이트의 짧은 변의 길이(SL)를 기준으로 0.05배 ~ 0.5배의 수치범위를 도출하였다.In addition, the ratio of weight increase rate/surface area increase rate is shown in the graphs of FIGS. 6 and 7. When the diameter of the coupling groove is 58 mm or more, the effect of weight increase increases, and as the diameter decreases, the effect of the surface area increase rate increases. is maximized However, in order to reduce the weight, it is better to increase the effect of the surface area while reducing the effect of increasing the weight. That is, the smaller the diameter of the coupling protrusion (coupling groove) within this range, and the larger the number, the more the effect is maximized. Through this, a numerical range of 0.05 to 0.5 times the diameter of the coupling groove was derived based on the length (SL) of the short side of the end plate.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also made according to the present invention. falls within the scope of the rights of
Claims (6)
일측면에 제1결합부(115)을 갖고, 플라스틱 소재로 이루어지는 제1엔드플레이트(110); 및
상기 제1엔드플레이트의 외측에 위치하고, 상기 제1결합부에 결합되는 제2결합부(125)를 갖는 제2엔드플레이트(120);로 이루어져서,
상기 제1결합부와 제2결합부가 서로 결합되어 상기 막전극접합체로 균일한 면압을 가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.An end plate disposed at both ends of the fuel cell stack to couple the membrane electrode assembly from both sides,
a first end plate 110 having a first coupling part 115 on one side thereof and made of a plastic material; and
A second end plate 120 located outside the first end plate and having a second coupling portion 125 coupled to the first coupling portion;
The end plate for a fuel cell stack, characterized in that the first coupling portion and the second coupling portion are coupled to each other to apply a uniform surface pressure to the membrane electrode assembly.
상기 제1결합부(115)와 제2결합부(125)는, 각각 서로 대응되어 결합되는 결합돌기와 결합홈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.According to claim 1,
The end plate for a fuel cell stack, characterized in that the first coupling portion 115 and the second coupling portion 125 are any one of coupling protrusions and coupling grooves that are coupled to each other in correspondence with each other.
상기 제1결합부(115)는 결합홈의 형상이며, 상기 제2결합부는 결합돌기의 형상을 이루고,
상기 제1엔드플레이트는, 연료전지 스택의 양측단에 배치되는 엔드플레이트를 서로 결합하기 위한 장볼트가 장착되는 볼트 장착공(118)을 4개 구비하고,
상기 4개의 볼트 장착공이 단변(L1)과 장변(L2)을 갖는 직사각형의 네 꼭지점을 이룰 때,
상기 결합홈은, 그 중심이 상기 직사각형의 마주보는 두 개의 단변 상에 위치하도록, 서로 나란히 배치되는 제1열(115-1)과 제2열(115-2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.According to claim 2,
The first coupling portion 115 has a shape of a coupling groove, and the second coupling portion has a shape of a coupling protrusion,
The first end plate has four bolt mounting holes 118 in which long bolts for coupling end plates disposed at both ends of the fuel cell stack to each other are mounted,
When the four bolt mounting holes form four vertexes of a rectangle having a short side (L1) and a long side (L2),
The coupling groove includes a first row (115-1) and a second row (115-2) disposed side by side so that the center is located on two opposite short sides of the rectangle. Endplates for cell stacks.
상기 제1열(115-1)과 제2열(115-2)의 최외곽에 배치되는 결합홈 사이에 위치하는 제3열(115-3) 및 제4열(115-4)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.The method of claim 3, wherein the coupling groove,
A third column 115-3 and a fourth column 115-4 located between the outermost coupling grooves of the first column 115-1 and the second column 115-2 are further included. End plate for a fuel cell stack, characterized in that to do.
상기 제3열(115-3)과 제4열(115-4)을 이루는 결합홈의 중심은, 상기 제1열(115-1)과 제2열(115-2)의 최외곽에 배치되는 결합홈의 중심을 연결한 선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.According to claim 4,
The center of the coupling groove forming the third column 115-3 and the fourth column 115-4 is disposed at the outermost of the first column 115-1 and the second column 115-2. An end plate for a fuel cell stack, characterized in that located on a line connecting the centers of the coupling grooves.
상기 결합홈(115)의 직경(D)은 상기 직사각형 단변(L1)의 길이(SL)와 아래와 같은 관계식을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.
관계식: 0.05×SL<d<0.5×SL
According to claim 3,
The end plate for a fuel cell stack, characterized in that the diameter (D) of the coupling groove (115) has the following relational expression with the length (SL) of the rectangular short side (L1).
Relation: 0.05×SL<d<0.5×SL
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JP2009158381A (en) * | 2007-12-27 | 2009-07-16 | Toyota Motor Corp | Fuel cell stack |
KR20110059982A (en) * | 2009-11-30 | 2011-06-08 | 현대자동차주식회사 | End plate for fuel cell stack |
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