KR102436230B1 - 연료전지 스택의 재활용 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 재활용 방법 및 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택 구동 중 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하고, 핀홀이 발생한 단위 셀을 선택적으로 도전성 물질을 충진하는 방법으로 나머지 단위 셀을 포함한 연료전지 스택을 구동 가능하도록 하며, 간단하면서도 효과적인 방법으로 연료전지 스택을 재활용할 수 있다.

Description

연료전지 스택의 재활용 방법 및 시스템{Method and system for recycling fuel cell stack with pinholes}
본 발명은 연료전지 스택의 재활용 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료 내의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템으로, 메탄올 또는 에탄올과 같은 탄화수소계 연료의 개질 혹은 수전해를 통해 생산된 수소 기체와, 대기 중의 산소 기체를 연료로 사용하며, 수소와 산소의 반응으로 물이 형성되는 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하기 때문에 기존의 내연 기관에 비해 높은 출력과 높은 변환 효율을 갖는 청정 에너지원에 속한다.
기본적으로 연료전지 스택은 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체가 위치하고, 이 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.
또한 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로가 형성된 분리판이 위치한다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 배열하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
이와 같은 방식으로 복수의 단위 셀이 적층된 연료전지 스택은 구동 중 전해질 막의 열화에 의해 특정 셀에 핀홀(pinhole)이 발생할 수 있는데, 단 하나의 단위 셀에 핀홀이 생성되더라도 전체 스택의 구동이 불가능하게 되는 문제점이 있다.
또한, 핀홀을 통하여 공급된 수소와 산소의 혼합이 일어나는데, 이때 혼합된 수소와 산소에 의해 열이 발생하여 안전상으로 심각한 문제가 발생할 수 있으며, 인접한 다른 단위 셀의 열화를 야기할 수 있다.
Z. Wang, O. Yaegashi, H. Sakaue, T. Takahagi, and S. Shingubara, "Bottom-Up Fill for Submicrometer Copper Via Holes of ULSIs by Electroless Plating", J. Electrochemical Society, 151 (12) C781-C785 (2004) B.T. Huang, Y. Chatillon, C. Bonnet, F. Lapicque, S. Leclerc, M. Hinaje, and S. Rael, "Experimental Investigation of Pinhole Effect on MEA/cell aging in PEMFC", Int. J. Hydrogen Energy, 38 543-550 (2013) Vitaliy V. Khutoryanskiy, "Beyond PEGylation: Alternative surface-modification of nanoparticles with mucus-inert biomaterials", Advanced Drug Delivery Reviews, 124 140-149 (2018)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 구동 중 특정 단위 셀에 핀홀이 발생한 연료전지 스택을 재활용하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 연료전지 스택의 재활용 방법에 있어서, 상기 연료전지 스택은 복수의 단위 셀을 포함하고, 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하는 단계; 연료전지 스택에 공급되는 수소 및 산소를 차단하는 단계; 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하는 단계; 및 상기 화학물질 A 및 B가 반응하여 형성한 전도성 고체 물질 C가 상기 핀홀을 메우는 단계;를 포함하는 연료전지 스택의 재활용 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 복수의 단위 셀을 포함하는 연료전지 스택; 상기 단위 셀의 핀홀 발생 여부를 검출하는 검출 유닛; 화학물질 A를 저장하고 공급하는 화학물질 A 공급 유닛; 화학물질 B를 저장하고 공급하는 화학물질 B 공급 유닛; 상기 검출 유닛으로부터 신호를 전달받고, 상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛에 공급 신호를 전송하는 제어 유닛;을 포함하고, 특정 단위 셀에 핀홀 발생 시 상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛은 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 화학물질 B를 공급하고, 상기 화학물질 A 및 B는 반응하여 전도성 고체 물질 C를 생성하는 연료전지 스택의 재활용 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지 스택의 재활용 방법 및 시스템은 연료전지 스택 구동 중 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하고, 핀홀이 발생한 단위 셀을 선택적으로 도전성 물질을 충진하는 방법으로 나머지 단위 셀을 포함한 연료전지 스택을 구동 가능하도록 하며, 간단하면서도 효과적인 방법으로 연료전지 스택을 재활용할 수 있다.
도 1은 연료전지 스택의 정상적인 운전 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 연료전지 스택의 특정 단위 셀에 핀홀이 발생한 후 수소와 공기의 혼합이 일어난 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하여 전도성 고체 물질 C를 형성하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 재활용되는 연료전지 스택을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 따라 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하여 전도성 고체 물질 C를 형성하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하여 전도성 고체 물질 C를 형성하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명의 일 구현예에 따라 무전해 구리 도금 방법에 의해 단위 셀의 핀홀 및 유로를 메우는 과정을 나타낸 도면이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 측면은 연료전지 스택의 재활용 방법에 있어서, 상기 연료전지 스택은 복수의 단위 셀을 포함하고, 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하는 단계; 연료전지 스택에 공급되는 수소 및 산소를 차단하는 단계; 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하는 단계; 및 상기 화학물질 A 및 B가 반응하여 형성한 전도성 고체 물질 C가 상기 핀홀을 메우는 단계;를 포함하는 연료전지 스택의 재활용 방법을 제공한다.
연료전지 스택은 일반적으로 수십 개에서 수백 개의 단위 셀이 직렬로 연결되어 구성된다. 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀의 애노드는 수소를, 캐소드는 산소를 공급받는다. 정상적인 단위 셀의 운전 과정에서는 수소와 산소가 막전극접합체에 의해 격리되며, 서로 혼합되지 않는다. 도 1은 연료전지 스택의 정상적인 운전 과정을 나타낸 도면이다. 하지만, 단위 셀이 열화되는 과정에서 분리막에 핀홀이 발생할 수 있는데, 이때 발생한 핀홀을 통해 수소와 산소의 혼합이 일어날 수 있다. 도 2는 연료전지 스택의 특정 단위 셀에 핀홀이 발생한 후 수소와 공기의 혼합이 일어난 과정을 나타낸 도면이다. 이러할 경우, 핀홀이 발생한 단위 셀은 전류값이 크게 저하되며, 단위 셀이 직렬로 연결된 연료전지 스택의 전체 전류 값 역시 크게 감소한다. 뿐만 아니라, 혼합된 수소와 산소에 의해 열이 발생하여 안전상으로 심각한 문제가 발생할 수 있으며, 인접한 다른 단위 셀의 열화를 야기할 수 있다. 따라서 핀홀이 발생한 특정 단위 셀에 의해 연료전지 스택 전체를 사용할 수 없게 되거나, 단위 셀 교체를 위해 연료전지 스택을 분해해야하는 등의 문제가 있었다.
본 발명의 연료전지 스택의 재활용 방법은 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하고, 상기 검출한 단위 셀을 선택적으로 핀홀을 전도성 고체 물질 C로 메운다. 전도성 고체 물질 C에 의해 핀홀이 메워진 단위 셀은 기능이 정지되고 마치 도선과 같은 역할을 수행하도록 한다. 즉, 특정 단위 셀을 제외한 나머지 연료전지 스택은 정상적인 구동이 가능하도록 하는 방법에 관한 것이다. 특정 단위 셀에 해당하는 만큼의 출력 손실은 있으나, 나머지 단위 셀의 정상적인 구동이 가능하기 때문에, 연료전지 스택의 분해와 더불어 단위 셀을 교체하는 등의 복잡한 과정 없이도 연료전지 스택을 재활용할 수 있다.
상기 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하는 단계에서는 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하기 위한 방법은 기존의 알려진 핀홀이 발생한 단위 셀을 진단 및 검출하기 위한 방법이 제한 없이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하는 단계는, 상기 복수의 단위 셀 각각의 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)을 측정함으로써 수행되는 것일 수 있다. 상기 OCV는 통상적으로 전해질 막의 상태를 확인하기 위하여 사용되는 방법 중 하나이다. 핀홀이 발생한 단위 셀의 OCV는 초기 측정된 OCV에 비하여 현저하게 감소한 값을 가지게 된다. 따라서, 측정되는 OCV 값의 감소(OCV decay)를 통해 단위 셀의 핀홀 발생 여부를 확인할 수 있다.
다음으로 상기 연료전지 스택에 공급되는 수소 및 산소를 차단한 후, 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하여 전도성 고체 물질 C를 형성하여 핀홀을 메운다. 도 3은 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하여 전도성 고체 물질 C를 형성하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 재활용되는 연료전지 스택을 나타낸 도면이다. 상기 전도성 고체 물질 C는 핀홀뿐만 아니라 분리판의 유로까지 메우는 것이 바람직할 수 있다. 상술한 바와 같이, 핀홀이 발생한 단위 셀이 도선과 같은 역할을 수행해야하므로, 전자가 지나갈 수 있는 통로가 충분히 형성되기 위해 수소 유로-핀홀-공기 유로가 서로 전도성 고체물질 C로 연결된 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하는 단계는 상기 화학물질 A 및 B를 상기 연료전지 스택의 수소 공급관 및 산소 공급관에 공급하고, 상기 수소 유로 및 공기 유로에 공급되는 화학물질은 서로 다른 것일 수 있다.
연료전지 스택은 수소 공급관 및 공기 공급관을 통해 수소 및 공기를 각각 공급받는다. 상기 수소 공급관 및 공기 공급관은 각 단위 셀의 분리판에 형성된 수소 유로 및 산소 유로와 연결된다. 상기 수소 공급관 및 공기 공급관에 공급된 수소 및 산소는 각 단위 셀의 수소 유로 및 산소 유로로 분배된다.
따라서, 연료전지 스택에 수소 및 산소 공급을 차단한 후 수소 공급관 및 공기 공급관에 화학물질 A 및 B를 분리 공급할 경우, 공급된 화학물질 A 및 B는 각 단위 셀의 수소 유로 및 산소 유로로 분배된다. 여기서 정상적인 단위 셀의 경우 화학물질 A 및 B가 혼합되지 않고, 각각 수소 유로 및 산소 유로를 통해 회수된다. 반면 핀홀이 발생한 단위 셀의 경우 핀홀에 의해 화학물질 A 및 B가 서로 혼합하게 되므로 서로 반응하여 전도성 고체 물질 C를 형성할 수 있는 것이다.
여기서 화학물질 A 및 B가 각각 다른 공급관에 분리되어 공급되는 것이 문제될 뿐, 공급되는 공급관의 종류는 문제되지 않는다. 예를 들어, 화학물질 A가 수소 공급관으로 공급되고, 화학물질 B가 공기 공급관으로 공급될 수도 있으며, 반대로 화학물질 B가 수소 공급관으로 공급되고, 화학물질 A가 공기 공급관으로 공급될 수도 있다. 핀홀이 생성된 단위 셀에서만 화학물질 A 및 B가 혼합되어 전도성 고체 물질 C를 형성하면 연료전지 스택의 재활용이 가능하기 때문에, 화학물질 A와 화학물질 B가 분리되어 수소 공급관과 산소 공급관에 공급될 수만 있다면 문제되지 않는다.
상기 연료전지 스택은 상기 단위 셀마다 독립적으로 수소 및 공기의 공급이 제어되고, 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하는 단계는 상기 화학물질 A 및 B를 상기 검출한 핀홀이 발생한 단위 셀의 수소 유로 및 공기 유로에 공급하고, 상기 수소 유로 및 공기 유로에 공급되는 화학물질은 서로 다른 것일 수 있다.
단위 셀마다 독립적인 수소 및 공기의 공급이 제어되는 경우에는 핀홀이 발생한 특정 단위 셀에만 조작을 가하면 되므로 불필요한 화학물질 낭비되거나, 정상적인 단위 셀의 유로에 공급되어 미처 제거되지 못하고 잔여하는 등의 문제가 최소화될 수 있다.
다만, 상기와 같이 단위 셀별로 수소 및 공기의 공급을 제어하기 위해서는 연료전지 스택의 수소 공급관과 단위 셀의 수소 유로의 연결부 및 연료전지 스택의 공기 공급관과 단위 셀의 공기 유로의 연결부 각각에 개폐가 조절되는 장치가 추가되는 것이 요구될 수 있다. 도 5는 단위 셀별로 수소 및 공기의 공급이 제어되는 경우 단위 셀 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하여 전도성 고체 물질 C를 형성하는 단계를 나타낸 도면이다.
예를 들어, 상기 연료전지 스택은 상기 연료전지 스택의 수소 공급관과 상기 복수의 단위 셀의 수소 유로를 연결하는 배관에 위치하여 개폐를 조절하는 복수의 제1 밸브 및 상기 연료전지 스택의 공기 공급관과 상기 복수의 단위 셀의 공기 유로를 연결하는 배관에 위치하여 개폐를 조절하는 복수의 제2 밸브를 더 포함할 수 있다.
이러할 경우, 정상적인 단위 셀의 제1 밸브 및 제2 밸브는 폐쇄하고, 핀홀이 발생한 단위 셀의 제1 밸브 및 제2 밸브는 개방하여, 연료전지 스택의 수소 공급관 및 공기 공급관에 화학물질 A 및 화학물질 B를 각각 분리하여 공급할 수 있다. 따라서, 핀홀이 발생한 단위 셀의 수소 유로 및 공기 유로에만 화학물질 A 및 B가 공급될 수 있다.
한편, 연료전지 모듈은 연료전지 스택을 하나 이상 포함하여 구성된다. 일반적으로 연료전지 모듈은 추가적으로 수소, 공기, 냉각수, 배출물 등이 이동하는 배관 시스템, 스택에 의해 생산된 전기가 이동하는 배선, 스택의 제어 또는 모니터링을 위한 부분 등을 더욱 포함한다. 본 발명의 연료전지 스택의 재활용 방법은 연료전지 모듈에도 적용될 수 있다. 핀홀이 발생한 단위 셀을 포함하는 연료전지 모듈의 수소 배관 및 공기 배관을 통하여 화학물질 A 및 B를 분리 공급하면, 연료전지 스택의 수소 공급관 및 공기 공급관 통해 단위 셀의 수소 유로 및 공기 유로에 화학물질 A 및 B가 이동하며, 핀홀이 발생한 단위 셀에서만 혼합되어 반응을 일으킬 뿐, 정상적인 단위 셀에서는 혼합이 일어나지 않고 회수되므로, 연료전지 모듈의 경우에도 적용될 수 적용되어 연료전지 스택의 재활용에 사용될 수 있다. 연료전지 모듈이 복수의 연료전지 스택을 포함할 경우, 각 연료전지 스택에 공급되는 수소 및 산소를 조절하는 장치에 의해 핀홀이 발생한 단위 셀을 포함하지 않는 다른 연료전지 스택에는 화학물질 A 및 B가 공급되지 않도록 조절할 수도 있다. 도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 연료전지 모듈에 화학물질 A 및 B를 공급하여 핀홀이 발생한 셀에 전도성 고체 물질 C를 형성하는 단계를 나타낸 도면이다.
상기 핀홀이 발생한 단위 셀에 화학물질 A 및 B를 공급하여 전도성 고체 물질 C를 형성하여 상기 핀홀을 메우는 단계는 단위 셀을 구성하는 전해질 막과 분리판 사이에 각기 다른 반응물질이 공급된 후 전해질 막의 핀홀에서 접촉하여 전도성 고체 물질을 생성할 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 일 구현예에 따르면 무전해도금(elctroless plating) 방법을 이용하는 것일 수 있다. 즉, 도금 용액과 환원 용액을 각각 공급하여 핀홀과 유로의 벽면에 전도성이 높은 금속을 도금하여 메우는 방법을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀은 일반적으로 가장 안쪽에 위치하고 전해질 막에 전극층이 접합된 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓 등이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로가 형성된 분리판을 포함한다. 상기 단위 셀의 가장 안쪽에 위치하는 전해질 막과 분리판의 사이로 한쪽에는 도금 용액을 공급하고, 다른 한쪽에는 환원 용액이 각각 공급되고, 상기 도금 용액과 환원 용액은 핀홀을 통해 서로 혼합하게 된다. 도금 용액과 환원 용액의 혼합에 의해 전도성 금속이 핀홀과 분리판에 형성된 유로에 도금된다. 도금되는 금속이 성장하여 핀홀과 유로를 모두 메우면, 단위 셀은 단순히 전자가 이동하는 통로가 되는 도선과 같은 역할을 수행하며, 나머지 단위 셀이 정상적인 작동을 하는데 영향을 미치지 않아, 연료전지 스택을 재활용할 수 있게 되는 것이다.
상기한 무전해도금 방법의 일 예로, 무전해 구리 도금에 관하여 서술한다. 무전해 구리 도금의 경우 상기 화학물질 A는 구리 도금 용액이고, 상기 화학물질 B는 환원 용액이고, 상기 전도성 고체 물질 C는 구리일 수 있다.
상기 구리 도금 용액은 CuSO4ㅇ5H2O 및 비스(3-설포프로필)디설파이드(bis(3-sulfopropyl)disulfide, SPS)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 핀홀뿐만 아니라 분리판의 유로도 구리에 의해 메워지는 것이 바람직하다. 핀홀과 유로 모두 고르게 구리로 메우기 위해서는 도금되는 구리의 성장 속도를 적절히 조절할 필요가 있다. 예를 들어, 지나치게 성장이 빠르게 이루어질 경우, 유로에 충분히 구리가 성장하지 못한 상태에서 핀홀이 구리에 의해 막혀버릴 수 있다. 이 경우 화학물질 A 및 B는 더 이상 혼합될 수 없기 때문에, 유로에 충분한 도금이 이루어질 수 없다.
여기서 구리의 성장속도는 SPS의 농도, 구리 도금 용액의 유속 및 환원 용액의 유속으로 조절될 수 있다. 상기 구리 도금 용액의 비스(3-설포프로필)디설파이드의 농도는 0.01 mg/L 내지 1.5 mg/L이고, 상기 구리 도금 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm 의 유속으로 공급되고, 상기 환원 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm 의 유속으로 공급될 수 있다. 상기 범위에서 SPS 농도, 구리 도금 용액의 유속, 환원 용액의 유속이 선택되는 것이 핀홀과 유로 모두 구리로 충분히 메울 수 있다는 점에서 바람직하다. 상기 범위를 벗어날 경우, 핀홀과 유로를 모두 구리로 도금되지 못할 수 있을 뿐만 아니라, 수소 또는 공기 공급라인에서 도금 반응이 일어나 공급라인을 막거나, 핀홀이 발생하지 않은 다른 셀에서 도금 반응이 일어날 수도 있다는 점에서 바람직하지 못하다.
상기 환원 용액은 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA), 트리에틸렌테트라민(TETA) 및 다이에틸렌트리아민(DETA) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물, 환원제, 안정제 및 표면 활성제를 포함할 수 있다.
상기 환원제는 글리옥실산(glyoxylic acid), 옥살산(oxalic acid) 및 아세트산(acetic acid) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 안정제는 2,2'-디피리딘, 페난트롤린(phenanthroline) 및 터피리딘 (terpyridine) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 표면 활성제는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리(2-알킬-2-옥사졸린)(poly(2-alkyl-2-oxazolines)) 및 폴리글리시돌(polyglycidol) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 도 7는 본 발명의 일 구현예에 따라 무전해 구리 도금 방법에 의해 단위 셀의 핀홀 및 유로를 메우는 과정을 나타낸 도면이다. 상기한 무전해 구리 도금 방법은 예시에 불과하며, 상술한 바와 같이 전도성 고체 물질로 핀홀 및 단위 셀의 유로를 메울 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
예를 들어, 니켈의 무전해도금을 위해 화학물질 A로 NiSO4ㅇ6H2O 및 NaAc의 혼합물, 화학물질 B로 NaH2PO2ㅇH2O 및 Na3C6H5O7 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 은의 무전해도금을 위해 화학물질 A로 AgNO3, 화학물질 B로 NH4OH 및 N2H4ㅇH2O 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있고, 금의 무전해도금을 위해 화학물질 A로 HAuCl4, 화학물질 B로 H2O2를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 복수의 단위 셀을 포함하는 연료전지 스택; 상기 단위 셀의 핀홀 발생 여부를 검출하는 검출 유닛; 화학물질 A를 저장하고 공급하는 화학물질 A 공급 유닛; 화학물질 B를 저장하고 공급하는 화학물질 B 공급 유닛; 상기 검출 유닛으로부터 신호를 전달받고, 상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛에 공급 신호를 전송하는 제어 유닛;을 포함하고, 특정 단위 셀에 핀홀 발생 시 상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛은 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 화학물질 B를 공급하고, 상기 화학물질 A 및 B는 반응하여 전도성 고체 물질 C를 생성하는 연료전지 스택의 재활용 시스템을 제공한다.
상기 검출 유닛은 상기 단위 셀의 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)를 측정하여 핀홀 발생 여부를 검출할 수 있다.
상기 전도성 고체 물질 C는 상기 핀홀과 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 수소 유로 및 공기 유로를 모두 메울 수 있다.
상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛은 상기 화학물질 A 및 화학물질 B를 상기 연료전지 스택의 수소 공급관 및 산소 공급관에 공급하고, 상기 수소 공급관 및 산소 공급관에 공급되는 화학물질은 서로 다른 것일 수 있다.
상기 연료전지 스택은 상기 연료전지 스택의 수소 공급관과 상기 복수의 단위 셀의 수소 유로를 연결하는 배관에 위치하여 개폐를 조절하는 복수의 제1 밸브; 및 상기 연료전지 스택의 공기 공급관과 상기 복수의 단위 셀의 공기 유로를 연결하는 배관에 위치하여 개폐를 조절하는 복수의 제2 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 화학물질 A는 구리 도금 용액이고, 상기 화학물질 B는 환원 용액이고, 상기 전도성 고체 물질 C는 구리일 수 있다.
상기 구리 도금 용액은 CuSO4ㅇ5H2O 및 비스(3-설포프로필)디설파이드(bis(3-sulfopropyl)disulfide, SPS)를 포함할 수 있다.
상기 구리 도금 용액의 비스(3-설포프로필)디설파이드의 농도는 0.01 mg/L 내지 1.5 mg/L이고, 상기 구리 도금 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm 의 유속으로 공급되고, 상기 환원 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm 의 유속으로 공급될 수 있다.
상기 환원 용액은 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA), 트리에틸렌테트라민(TETA) 및 다이에틸렌트리아민(DETA) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물, 환원제, 안정제 및 표면 활성제를 포함할 수 있다.
상기 환원제는 글리옥실산(glyoxylic acid), 옥살산(oxalic acid) 및 아세트산(acetic acid) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 안정제는 2,2'-디피리딘, 페난트롤린(phenanthroline) 및 터피리딘 (terpyridine) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 표면 활성제는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리(2-알킬-2-옥사졸린)(poly(2-alkyl-2-oxazolines)) 및 폴리글리시돌(polyglycidol) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
이상으로 연료전지 스택의 재활용 시스템에 관한 구체적인 내용은 연료전지 스택의 재활용 방법과 중복되어 생략한다.
전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 연료전지 스택의 재활용 방법에 있어서,
    상기 연료전지 스택은 복수의 단위 셀을 포함하고,
    핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하는 단계;
    연료전지 스택에 공급되는 수소 및 산소를 차단하는 단계;
    상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하는 단계; 및
    상기 화학물질 A 및 B가 반응하여 형성한 전도성 고체 물질 C가 상기 핀홀을 메우는 단계;를 포함하고,
    상기 화학물질 A는 구리 도금 용액이고,
    상기 화학물질 B는 환원 용액이고,
    상기 전도성 고체 물질 C는 구리이고,
    상기 구리 도금 용액은 CuSO4·5H2O 및 비스(3-설포프로필)디설파이드(bis(3-sulfopropyl)disulfide, SPS)를 포함하고,
    상기 구리 도금 용액의 비스(3-설포프로필)디설파이드의 농도는 0.01 mg/L 내지 1.5 mg/L이고,
    상기 구리 도금 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm의 유속으로 공급되고,
    상기 환원 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm의 유속으로 공급되는 것인 연료전지 스택의 재활용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀홀이 발생한 단위 셀을 검출하는 단계는
    상기 복수의 단위 셀 각각의 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)을 측정함으로써 수행되는 것인 연료전지 스택의 재활용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학물질 A 및 B가 반응하여 형성한 전도성 고체 물질 C가 상기 핀홀을 메우는 단계는
    상기 전도성 고체 물질 C가 상기 핀홀과 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 수소 유로 및 공기 유로를 모두 메우는 것인 연료전지 스택의 재활용 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하는 단계는 상기 화학물질 A 및 B를 상기 연료전지 스택의 수소 공급관 및 산소 공급관에 공급하고,
    상기 수소 공급관 및 산소 공급관에 공급되는 화학물질은 서로 다른 것인 연료전지 스택의 재활용 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은 상기 단위 셀마다 독립적으로 수소 및 공기의 공급이 제어되고,
    상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 B를 공급하는 단계는 상기 화학물질 A 및 B를 상기 검출한 핀홀이 발생한 단위 셀의 수소 유로 및 공기 유로에 공급하고,
    상기 수소 유로 및 공기 유로에 공급되는 화학물질은 서로 다른 것인 연료전지 스택의 재활용 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 복수의 단위 셀을 포함하는 연료전지 스택;
    상기 단위 셀의 핀홀 발생 여부를 검출하는 검출 유닛;
    화학물질 A를 저장하고 공급하는 화학물질 A 공급 유닛;
    화학물질 B를 저장하고 공급하는 화학물질 B 공급 유닛;
    상기 검출 유닛으로부터 신호를 전달받고, 상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛에 공급 신호를 전송하는 제어 유닛;을 포함하고,
    특정 단위 셀에 핀홀 발생 시 상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛은 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 내부에 화학물질 A 및 화학물질 B를 공급하고,
    상기 화학물질 A 및 B는 반응하여 전도성 고체 물질 C를 생성하고,
    상기 화학물질 A는 구리 도금 용액이고,
    상기 화학물질 B는 환원 용액이고,
    상기 전도성 고체 물질 C는 구리이고,
    상기 구리 도금 용액은 CuSO4·5H2O 및 비스(3-설포프로필)디설파이드(bis(3-sulfopropyl)disulfide, SPS)를 포함하고,
    상기 구리 도금 용액의 비스(3-설포프로필)디설파이드의 농도는 0.01 mg/L 내지 1.5 mg/L이고,
    상기 구리 도금 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm의 유속으로 공급되고,
    상기 환원 용액은 1300 ccm 내지 2000 ccm의 유속으로 공급되는 것인 연료전지 스택의 재활용 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 검출 유닛은 상기 단위 셀의 개방회로전압(open circuit voltage, OCV)를 측정하여 핀홀 발생 여부를 검출하는 것인 연료전지 스택의 재활용 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전도성 고체 물질 C는 상기 핀홀과 상기 핀홀이 발생한 단위 셀의 수소 유로 및 공기 유로를 모두 메우는 연료전지 스택의 재활용 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 화학물질 A 공급 유닛 및 화학물질 B 공급 유닛은 상기 화학물질 A 및 화학물질 B를 상기 연료전지 스택의 수소 공급관 및 산소 공급관에 공급하고,
    상기 수소 공급관 및 산소 공급관에 공급되는 화학물질은 서로 다른 것인 연료전지 스택의 재활용 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은 상기 연료전지 스택의 수소 공급관과 상기 복수의 단위 셀의 수소 유로를 연결하는 배관에 위치하여 개폐를 조절하는 복수의 제1 밸브; 및
    상기 연료전지 스택의 공기 공급관과 상기 복수의 단위 셀의 공기 유로를 연결하는 배관에 위치하여 개폐를 조절하는 복수의 제2 밸브를 더 포함하는 연료전지 스택의 재활용 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
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