KR102278267B1 - Energy recycling apparatus and method using groundwater of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an energy recycling apparatus and method using groundwater of a fuel cell system, in which the high-temperature hot water (energy) generated from the heat generated by a stack (power generation unit) of the fuel cell system is recovered and recycled by an integrated high-temperature recovery heat exchanger, thereby reducing a size of an entire system, eliminating the limitation of an installation space, reducing fuel costs due to reheating of a boiler. In addition, when hot water is not used, the system uses groundwater to cool the recovered hot water and supply back to the stack of the fuel cell system, so that the energy can recycled and operated without disposing of hot water. Accordingly, one or more fuel cell systems can be installed and interlocked with a high temperature recovery heat exchanger, a cooling heat exchanger, a hot water storage tank (or built-in heat exchange pipe), and a cooling water tank, which are disposed adjacent to each other. And, the heat exchangers, which are individually installed in the fuel cell system, can be installed in an integrated way, thereby reducing a size of the entire fuel cell system, recovering the heat generated by the fuel cell system (hot water) at high temperature, utilizing hot water, and saving boiler facility installation costs and fuel costs.

Description

연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치 및 방법{Energy recycling apparatus and method using groundwater of fuel cell system}Energy recycling apparatus and method using groundwater of fuel cell system

본 발명은 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 연료전지시스템의 스택(발전부)에서 발생한 배열로 생성한 고온의 온수(에너지)를 통합 고온회수용 열교환기로 회수하여 재활용함으로써 전체 시스템의 크기는 줄여 설치 공간의 제약을 해소하고 보일러의 재가열에 따른 연료비를 절감시키며, 급탕수(온수)의 활용이 적을 때에는 지하수를 이용하여 회수한 온수를 냉각하여 다시 연료전지시스템의 발전부(스택)에 공급함으로써 온수의 폐기 없이 에너지를 재활용하여 운전하도록 한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy recycling device and method using groundwater in a fuel cell system, and in particular, by recovering hot water (energy) generated by heat generated from a stack (power generation unit) of a fuel cell system with an integrated high-temperature recovery heat exchanger. By recycling, the size of the entire system is reduced to eliminate the limitation of installation space, and the fuel cost due to reheating of the boiler is reduced. When the use of hot water (hot water) is low, it cools the recovered hot water using groundwater to restore the fuel cell system. It relates to an energy recycling apparatus and method using groundwater of a fuel cell system that allows energy to be recycled and operated without disposing of hot water by supplying it to a power generator (stack).

일반적으로 연료전지시스템은 연료전지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 전기화학반응을 이용하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이러한 연료전지시스템은 연료를 원하는 상태의 수소가스로 개질하여 스택(발전부)에 보내고, 대기중의 산소를 유입시켜 전기화학반응에 의해 전력을 생산하고 배열(Heat)을 발생한다.In general, a fuel cell system is a device for generating electrical energy using a fuel cell, and converts chemical energy of fuel into electrical energy using an electrochemical reaction. Such a fuel cell system reforms fuel into hydrogen gas in a desired state, sends it to a stack (power generation unit), introduces oxygen in the atmosphere, generates electricity through an electrochemical reaction, and generates heat.

연료전지시스템은 도시가스 등의 연료를 수소로 개질하는 개질부, 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택(발전부), 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 개질부에 공급 및 스택부에 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 개질부에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치, 개질부의 수증기 개질 반응 과정에 공급하는 물과 스택부의 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하는 물탱크, 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터, 시스템의 기동/정지/발전상태 유지 동작/제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants) 등으로 구성된다.The fuel cell system consists of a reforming unit that reforms fuel such as city gas into hydrogen, a stack (power generation unit) that produces electricity by an electrochemical reaction between reformed hydrogen and oxygen, and oxygen to lower the concentration of carbon monoxide generated during the reforming process. An air supply device for supplying the reforming unit and oxygen required to the stack unit, an exhaust system for exhausting the gas generated from the reforming unit to the outside air, water supplied to the steam reforming reaction process of the reforming unit and cooling water to maintain a constant temperature of the stack unit It is composed of a water tank for storage, an inverter that converts the power produced by the fuel cell stack into alternating current, and a number of peripheral devices (Balance of Plants) that perform start/stop/power generation status maintenance operation/control functions of the system.

선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0807875호의 "연료전지 열병합 발전시스템"이 개시된 바 있다.As a prior art, the "fuel cell cogeneration system" of Korean Patent Publication No. 10-0807875 has been disclosed.

도 1은 종래 연료전지시스템의 제품 개념도로서, 선행기술인 제10-0807875호의 제품으로 구현한 경우를 보인 것이다. 도 2는 도 1의 제품 적용도로서 연료전지시스템(10)을 복수로 구성한 경우를 보인 개념 도이다.1 is a conceptual diagram of a product of a conventional fuel cell system, and shows a case in which the product of the prior art No. 10-0807875 is implemented. FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a case in which a plurality of fuel cell systems 10 are configured as a product application diagram of FIG. 1 .

여기서 참조번호 10은 연료전지시스템, 20은 개질부, 22는 공기공급장치, 24는 배기장치, 30은 스택부, 40은 물탱크, 42는 열교환기이다. 여기서 개질부(20), 스택부(30) 및 열교환기(40)는 모두 연료전지시스템(10) 내부에 설치된다.Here, reference numeral 10 denotes a fuel cell system, 20 a reforming unit, 22 an air supply device, 24 an exhaust device, 30 a stack unit, 40 a water tank, and 42 a heat exchanger. Here, the reforming unit 20 , the stack unit 30 , and the heat exchanger 40 are all installed inside the fuel cell system 10 .

또한, 참조번호 50은 보일러, 52는 보일러(50) 내부에 설치된 보조버너, 60은 온수저장탱크, 70은 방열기이다. 또한, 도 2의 참조번호 62는 저온수 탱크, 64는 보일러 급탕 탱크, 66은 감압밸브, 68은 가압펌프이다.In addition, reference numeral 50 denotes a boiler, 52 denotes an auxiliary burner installed inside the boiler 50, 60 denotes a hot water storage tank, and 70 denotes a radiator. In FIG. 2, reference numeral 62 denotes a low-temperature water tank, 64 denotes a boiler hot water supply tank, 66 denotes a pressure reducing valve, and 68 denotes a pressurization pump.

이러한 선행기술(등록특허 제10-0807875호)에 따르면, 연료전지시스템(10)의 케이스의 내부에 연료를 개질하는 개질부(20), 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 발전하는 스택부(30), 급기를 통해 산소를 연료전지시스템(10)에 공급하는 공기공급장치, 스택부(30)의 온도를 일정하게 유지시키도록 냉각기능을 수행하는 열교환기(42)를 구비한 물탱크(40), 시스템의 기동/정지/발전상태 유지 동작/제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants, BOP)(도면상에 미 도시) 등으로 이루어진다.According to this prior art (Registration Patent No. 10-0807875), the reforming unit 20 for reforming fuel inside the case of the fuel cell system 10, and the stack unit generating power by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen ( 30), an air supply device for supplying oxygen to the fuel cell system 10 through supply air, and a water tank having a heat exchanger 42 that performs a cooling function to maintain a constant temperature of the stack unit 30 ( 40), and a number of peripheral devices (Balance of Plants, BOP) (not shown in the drawing) that perform start/stop/power generation state maintenance operation/control functions of the system, and the like.

열교환기(42)를 통해 회수되는 폐열을 온수로 저장하는 물탱크(40)는 냉각수 순환용 배관으로 연결하고, 개질 과정에서 발생되는 폐 가스를 배출시키는 배기장치(24)와 연결된 배기통로에는 물탱크(40)와 연결된 원통형 열교환기(42)를 결합시켜 폐가스의 열을 회수할 수 있다.The water tank 40 for storing the waste heat recovered through the heat exchanger 42 as hot water is connected to a cooling water circulation pipe, and the exhaust passage connected to the exhaust device 24 for discharging the waste gas generated in the reforming process is provided with water. By combining the cylindrical heat exchanger 42 connected to the tank 40, it is possible to recover the heat of the waste gas.

또한, 도 1의 온수저장탱크(60)는 연료전지시스템(10)을 복수로 설치할 경우, 도 2와 같이 저온수 탱크(62)와 보일러 급탕 탱크(64)로 구분하여 구성할 수 있다. 또한, 도 2의 보일러 급탕 탱크(64)에 온수를 추가로 가열하여 공급하기 위하여 보일러(50) 내부에 보조버너(52)가 설치되고, 보조버너(52)에서 발생하는 폐 가스를 배출하는 배기통로에 물탱크(40)의 원통형 열교환기(42)를 결합시켜 폐 가스의 열을 회수할 수 있다.In addition, when a plurality of fuel cell systems 10 are installed, the hot water storage tank 60 of FIG. 1 may be divided into a low temperature water tank 62 and a boiler hot water supply tank 64 as shown in FIG. 2 . In addition, an auxiliary burner 52 is installed inside the boiler 50 to additionally heat and supply hot water to the boiler hot water supply tank 64 of FIG. 2 , and an exhaust pipe for discharging waste gas generated from the auxiliary burner 52 . The heat of the waste gas can be recovered by coupling the cylindrical heat exchanger 42 of the water tank 40 to the furnace.

또한, 연료전지시스템(10)의 케이스 외부에는 온수 순환용 배관 및 연료전지시스템(10)의 케이스 내부의 물탱크(40)와 연통되게 연결되는 보조 물탱크인 저온수 탱크(62)와 보일러 급탕 탱크(64)를 설치하고, 온수의 유동을 제어하여 연료전지시스템의 배열(Heat)을 회수하기도 한다.In addition, on the outside of the case of the fuel cell system 10 , a low-temperature water tank 62 , which is an auxiliary water tank connected in communication with a pipe for circulating hot water and a water tank 40 inside the case of the fuel cell system 10 , and boiler hot water supply The tank 64 is installed and the flow of hot water is controlled to recover the heat of the fuel cell system.

그러나 이러한 선행기술은 다음과 같은 문제점이 있다.However, this prior art has the following problems.

즉, 1대 이상의 연료전지시스템(10)의 케이스 내부에 열교환기(42), 물탱크(40)를 구성함으로써 연료전지시스템의 외형 크기가 커져야 하고 또한 제조원가가 상승하게 된다.That is, by configuring the heat exchanger 42 and the water tank 40 inside the case of one or more fuel cell systems 10 , the external size of the fuel cell system must be increased, and the manufacturing cost is increased.

또한, 연료전지시스템(10)의 스택부(30)에서 발생한 배열(Heat)을 회수하여 물탱크(40)에 저장하였다가 스택부(30)의 냉각수로 공급하게 되는데, 냉각수의 공급 가능 온도 이하로 저장하려면 급탕수를 적게 사용하는 계절을 고려하여 용량이 커야 된다. 이 때문에 연료전지시스템(10) 크기의 약 1/2이 물탱크(30)의 크기로서, 연료전지시스템(10)을 여러 대를 설치하는 경우에는 설치 면적이 많이 필요한 단점을 유발한다.In addition, heat generated in the stack unit 30 of the fuel cell system 10 is recovered, stored in the water tank 40, and then supplied as the cooling water of the stack unit 30, which is below the supplyable temperature of the cooling water. In order to store it as a furnace, the capacity must be large considering the season when hot water is used less. For this reason, about 1/2 of the size of the fuel cell system 10 is the size of the water tank 30 , and when several fuel cell systems 10 are installed, a large installation area is required.

또한, 연료전지시스템(10)의 스택부(30)는 고분자 전해질형으로 구성할 수 있다. 고분자 전해질형의 스택부(30)는 건물용이나 주택용으로 주로 사용한다. 이러한 고분자 전해질형의 경우에는 작동온도가 25 ~ 80℃가 되어, 스택부(30)를 냉각시켜 일정한 온도를 유지하여야 발전 효율증가 및 성능을 장시간 유지할 수 있다. 여기서 스택부(30)의 배열회수방식이 물탱크(40)에 저장된 물을 순환펌프로 스택부로 공급하고, 공급된 물은 스택부의 배열을 회수하여 물탱크(40)로 순환시키며, 연료전지시스템의 외부에 설치된 온수저장탱크(60)의 물이 물탱크(40)에 내장된 열교환기(42)를 통하여 열을 회수한 후 온수저장탱크(60)에 저장하는 방식을 사용한다.In addition, the stack unit 30 of the fuel cell system 10 may be formed of a polymer electrolyte type. The polymer electrolyte stack unit 30 is mainly used for buildings or houses. In the case of such a polymer electrolyte type, the operating temperature is 25 ~ 80 °C, and the stack unit 30 is cooled to maintain a constant temperature to increase the power generation efficiency and maintain the performance for a long time. Here, the heat recovery method of the stack unit 30 supplies the water stored in the water tank 40 to the stack unit with a circulation pump, and the supplied water recovers the heat from the stack unit and circulates it to the water tank 40, and the fuel cell system The method of storing the water in the hot water storage tank 60 after recovering heat through the heat exchanger 42 built in the water tank 40 is used.

스택부(30)의 냉각수로 공급하는 물탱크(40)는 스택부(30)의 냉각수로 공급할 수 있는 온도 이상으로는 물을 저장할 수 없으므로 배열을 회수하는 온도가 통상 38 ~ 42℃로 낮다. 따라서 온수를 사용하려면 보일러(50)로 2차 가열하여 급탕수로 사용한다.Since the water tank 40 supplied with the cooling water of the stack unit 30 cannot store water above the temperature that can be supplied as the cooling water of the stack unit 30, the temperature for recovering the heat is usually as low as 38 to 42°C. Therefore, in order to use hot water, it is used as hot water by second heating with the boiler 50.

온수를 적게 사용하는 건물 및 계절에는 스택부(30)에 물탱크(40)의 온수 온도를 스택부(30)를 냉각시킬 수 있는 온도로 낮추기 위하여 온수를 방류시키고 낮은 온도의 보급수를 물탱크(40)에 공급받아 물의 온도를 낮추어 스택부(30)에 냉각수로 공급하므로 온수를 재활용하지 못하고 방류시켜야 하는 한계가 있다. 통상적으로 스택부(30)의 온도는 정온 60 ~ 70℃로 유지하며, 스택부(30)의 냉각수 공급온도는 38 ~ 42℃로 공급한다.In buildings and seasons that use less hot water, hot water is discharged to the stack unit 30 to lower the hot water temperature of the water tank 40 to a temperature that can cool the stack unit 30, and low-temperature make-up water is supplied to the water tank. As the cooling water is supplied to the stack unit 30 by lowering the temperature of the water supplied to the 40 , there is a limitation in that the hot water cannot be recycled and must be discharged. Typically, the temperature of the stack unit 30 is maintained at a constant temperature of 60 to 70°C, and the cooling water supply temperature of the stack unit 30 is supplied at 38 to 42°C.

또한, 물탱크(40)에 공급되는 물의 압력은 건물의 배관에 사용하는 압력에 비례한다. 따라서 물탱크(40)의 건물 배관 압력을 스택부(30)가 견딜 수 없어, 보급수 입구에 감압밸브(66)를 설치하고, 압력이 낮으면 건물의 급탕수로 공급이 안 되어 추가로 설치한 가압펌프(68)로 승압을 시켜 건물에 공급해야만 한다. 그러나 급탕수를 사용하여 압력이 낮아지지 않으면 급탕배관의 압력은 전반적으로 상승하게 되어 감압밸브(66)의 잦은 고장이 발생하게 되고, 이러한 감압밸브(66)의 고장시 스택부(30)에 높은 압력의 냉각수가 공급되게 되고, 이에 따라 높은 압력의 냉각수로 인하여 스택부의 파손이 발생하는 문제점이 있다.In addition, the pressure of water supplied to the water tank 40 is proportional to the pressure used in the pipe of the building. Therefore, the stack unit 30 cannot withstand the pressure of the building piping of the water tank 40, so a pressure reducing valve 66 is installed at the inlet of the make-up water, and when the pressure is low, the hot water of the building cannot be supplied and additionally installed. It must be supplied to the building by increasing the pressure with one pressurizing pump (68). However, if the pressure is not lowered by using hot water, the pressure of the hot water supply pipe increases as a whole, and frequent failure of the pressure reducing valve 66 occurs. There is a problem in that the pressure of the cooling water is supplied, and thus the stack portion is damaged due to the high pressure of the cooling water.

이러한 선행기술의 문제점을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.The problems of the prior art will be described in more detail as follows.

첫째, 연료전지시스템(10)의 스택부(30)의 배열(Heat)을 물탱크(40)에 내장된 열교환기(42)를 통하여 열을 회수한 후 연료전지시스템(10) 내부에 있는 물탱크(40)에 저장하여 스택부(30)의 냉각수로 공급하는 구조인데, 냉각수로 공급할 수 있는 온도 이상으로는 배열을 회수할 수 없어 회수온도가 통상 38 ~ 42℃로 낮아 회수된 배열을 방류하거나, 보일러(50)로 2차 가열(55 ~ 60℃)하여 급탕수로 사용함으로 보일러의 추가 설치가 필요하다는 단점이 있다.First, after recovering heat from the heat of the stack part 30 of the fuel cell system 10 through the heat exchanger 42 built into the water tank 40 , the water inside the fuel cell system 10 . The structure is stored in the tank 40 and supplied with the cooling water of the stack unit 30. Since the heat cannot be recovered above the temperature that can be supplied as the cooling water, the recovery temperature is usually low to 38 ~ 42 ℃, and the recovered heat is discharged. Alternatively, secondary heating (55 to 60° C.) with the boiler 50 is used as hot water, so additional installation of a boiler is required.

둘째, 연료전지시스템이 발전 중에는 항상 온수가 발생하는데, 온수의 사용량이 적은 건물 및 온수 사용량이 적은 계절에는 배열 회수(Heat Recovery)된 온수를 방류시키고 낮은 온도의 보급수를 공급받아야 하므로 온수를 재활용하지 못하고 방류시키는 문제점이 있다.Second, hot water is always generated during power generation of the fuel cell system. In buildings with little hot water usage and in the season when hot water usage is low, hot water recovered from heat recovery (Heat Recovery) must be discharged and supplied with low-temperature make-up water, so hot water is recycled. There is a problem of not being able to do it and releasing it.

셋째, 연료전지시스템(10)은 발전 시 발생하는 전기와 배열회수(Heat Recovery)까지 포함하면 85 ~ 95% 사이의 고효율 발전시스템이나, 건물용이나 주택용으로 사용하는 고분자전해질형(PEMFC)은 발전 효율은 35 ~ 38%이고, 열 효율이 발전효율보다 높은 50 ~ 55%로서, 상기한 바와 같이 열(온수) 활용 방법이 미비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.Third, the fuel cell system 10 is a high-efficiency power generation system of 85 to 95% when including electricity generated during power generation and heat recovery, but a polymer electrolyte type (PEMFC) used for buildings or houses generates power. The efficiency is 35 to 38%, and the thermal efficiency is 50 to 55% higher than the power generation efficiency, and as described above, there is a disadvantage in that the economic efficiency is lowered due to the insufficient method of utilizing heat (hot water).

넷째, 연료전지시스템(10) 내부에 있는 물탱크(40)에 공급되는 물의 압력은 건물의 배관에 사용하는 압력인데, 이처럼 건물 배관의 압력을 갖는 물이 물탱크(40)를 통해 스택부(30)에 공급되면 스택부(30)가 압력에 의해 파손될 수 있어, 보급수 입구에 감압밸브(66)를 설치하여 스택부(30)가 견딜 수 있는 압력(통상 1 ~ 3 Kg/㎡)으로 공급하여야만 했다. 그래서 보급수의 압력을 감압(1 ~ 3Kg/㎡) 시킨 후 스택부(30)의 배열을 회수한 후 건물의 급탕수로 공급하려면 가압펌프(68)로 승압시켜야 한다. 최근에 건축되는 건축물은 지하의 기계실에 연료전지시스템(10)을 설치하는데, 건축물의 자연 수두압력이 높아(약 5 ~ 10 Kg/㎡) 감압된 압력으로는 건물의 급탕수로 사용할 수 없어 가압펌프(68)로 승압을 시켜 건물에 공급하여 급탕수를 사용한다. 그러나 배열을 회수한 온수를 건물의 급탕 배관에 공급하기 위하여 가압펌프(68)로 가압을 하면, 건물의 급탕 배관 내에는 항상 고압의 자연 수두압력이 걸려 있는 상태가 되고, 이 때문에 건물의 급탕 배관 내에 걸려 있는 압력 이상으로 가압하여야 한다. 이때 급탕수는 수요자가 간헐적, 집중적으로 사용하여 수요자가 사용하지 않으면 가압펌프(68)로 가압한 만큼 전체적인 배관시스템 압력은 상승하게 되어 감압밸브(66)의 고장이 발생하며, 감압밸브(66)의 고장으로 높은 압력의 보급수가 고가의 스택부(30)를 파손시키는 현상이 발생하게 된다. 건물에 필요한 장비류 및 수배전반 등은 지하층에 위치하여 설치하는데, 연료전지시스템의 파손 및 고장을 방지하기 위하여 자연 수두압력이 낮은 옥상에 설치하여야 하는 설치 장소의 제약 등 문제점이 발생하게 된다.Fourth, the pressure of water supplied to the water tank 40 inside the fuel cell system 10 is the pressure used for the pipe of the building. As such, the water having the pressure of the building pipe passes through the water tank 40 to the stack unit ( When supplied to 30), the stack unit 30 may be damaged by pressure, so a pressure reducing valve 66 is installed at the inlet of the make-up water to reduce the pressure (usually 1 to 3 Kg/m2) that the stack unit 30 can withstand. had to supply Therefore, after the pressure of the make-up water is reduced (1 ~ 3Kg/m2), the heat of the stack unit 30 is recovered, and then the pressure must be increased by the pressurization pump 68 to supply the hot water of the building. Recently built buildings install the fuel cell system 10 in the underground machine room, and the natural head pressure of the building is high (about 5 ~ 10 Kg/m2), so the reduced pressure cannot be used as hot water in the building. The pressure is increased with the pump 68 and supplied to the building to use the hot water. However, if the hot water recovered from the exhaust heat is pressurized with the pressure pump 68 to supply the hot water supply pipe of the building, a high-pressure natural head pressure is always applied in the hot water supply pipe of the building, and for this reason, the hot water supply pipe of the building The pressure must be higher than the pressure applied inside. At this time, the hot water is used intermittently and intensively by the consumer, and if the consumer does not use it, the pressure of the overall piping system rises as much as the pressurized pump 68 is used, and the pressure reducing valve 66 malfunctions, and the pressure reducing valve 66. Due to the failure of the high-pressure make-up water, a phenomenon occurs in which the expensive stack part 30 is damaged. Equipment and switchboards necessary for a building are located on the basement floor and installed, but in order to prevent damage and failure of the fuel cell system, problems arise such as restrictions on the installation site that must be installed on the roof, where the natural head pressure is low.

또한, 일반적인 연료전지시스템 및 선행기술은 산업 구조적인 측면에서, 정부의 신·재생에너지 보급 촉진 정부 및 수소 경제 육성정책에 대응할 수 없는 단점이 있다. 예를 들어, 건물용에는 연료전지시스템의 용량을 증가시켜 설치해야 하는 데, 현재의 제품에는 모든 장비가 연료전지시스템 케이스 내부에 내장되어 연료전지시스템의 외형 크기가 크며, 다수의 연료전지시스템을 사용할 경우 각 제품에 중복하여 구성품이 구성된다. 이로 인하여 제품 제조원가가 상승하고, 연료전지시스템에서 배열(고온 온수)을 활용하려면 연료전지시스템 외부에 열을 저장하는 온수저장탱크, 연료전지시스템의 배열을 급탕수로 사용할 수 있는 온도까지 온수의 온도를 재가열하는 보일러, 순환시키는 펌프 및 배관, 제어부가 필요하여 이중적인 비용이 발생하는 문제점이 있다. In addition, the general fuel cell system and prior art have a disadvantage in that they cannot respond to the government's policies to promote the supply of new and renewable energy and the hydrogen economy in terms of industrial structure. For example, for buildings, it is necessary to increase the capacity of the fuel cell system and install it. In the current product, all equipment is built inside the case of the fuel cell system, so the external size of the fuel cell system is large, and a number of fuel cell systems are installed. When used, the components are duplicated for each product. Due to this, the product manufacturing cost increases, and in order to utilize heat (hot water) in the fuel cell system, the hot water storage tank that stores heat outside the fuel cell system, and the temperature of the hot water up to the temperature at which the heat from the fuel cell system can be used as hot water. There is a problem in that double costs occur because a boiler for reheating, a pump and piping for circulation, and a control unit are required.

대한민국 등록특허 10-0807875호Republic of Korea Patent No. 10-0807875

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 연료전지시스템 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 복수의 연료전지시스템의 스택(발전부)에서 발생한 고온의 온수(에너지)를 통합 고온회수용 열교환기로 회수하여 재활용함으로써 전체 시스템의 크기는 줄여 설치 공간의 제약을 해소하고 보일러의 재가열에 따른 연료비를 절감시킬 수 있도록 한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been proposed to solve the problems occurring in the general fuel cell system and the prior art as described above, and the high-temperature hot water (energy) generated in the stack (power generation unit) of a plurality of fuel cell systems is integrated into a high-temperature circuit. The purpose of providing an energy recycling device and method using the groundwater of a fuel cell system is to reduce the size of the entire system by recycling it with a receiving heat exchanger, thereby solving the limitation of the installation space and reducing the fuel cost due to the reheating of the boiler. There is this.

본 발명의 다른 목적은 연료전지시스템에서 급탕수(온수)의 활용이 적을 때에는 지하수를 이용하여 회수한 온수를 냉각하여 다시 연료전지시스템의 발전부(스택)에 공급함으로써 온수의 폐기 없이 에너지를 재활용하여 운전하도록 한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to recycle energy without disposing of hot water by cooling the hot water recovered using groundwater and supplying it to the power generation unit (stack) of the fuel cell system when the utilization of hot water (hot water) in the fuel cell system is low. To provide an energy recycling device and method using the groundwater of a fuel cell system to be operated.

본 발명의 또 다른 목적은 공사를 위해 지하층을 깊이 팔 때 지하층에서 발생하는 지하수(침출수)를 냉각수로 활용하도록 하여 지하수 폐기에 따른 비용을 절감함과 동시에 지하수를 에너지로 재활용할 수 있도록 한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to use the groundwater (leachate) generated in the basement as a coolant when the basement is dug deep for construction, thereby reducing the cost of disposing of groundwater and recycling the groundwater as energy. An object of the present invention is to provide an energy recycling device and method using groundwater in the system.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치"는, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 하나 이상의 연료전지시스템; 상기 하나 이상의 연료전지시스템의 스택부에서 회수된 고온의 온수 유량을 감지하는 유량감지센서; 상기 하나 이상의 연료전지시스템에서 출력되는 고온의 온수를 에너지로 통합 회수하는 고온회수용 열교환기; 상기 고온회수용 열교환기를 통해 회수한 고온의 온수를 저장하며, 저장한 고온의 온수를 급탕수로 공급하는 온수저장탱크; 상기 고온회수용 열교환기를 통과하여 1차 열교환이 이루어진 물을 2차 열교환하여 저온의 물을 상기 하나 이상의 연료전지시스템에 냉각수로 공급하는 냉각용 열교환기; 상기 고온회수용 열교환기에서 고온 온수를 회수하도록 고온 온수 회수용 물을 공급하는 제1순환펌프; 지하수를 상기 냉각용 열교환기에 공급되는 열 교환용 냉각수로 저장하는 냉각수 탱크; 상기 냉각수탱크에 저장된 냉각수를 상기 냉각용 열교환기에 공급하는 제2순환펌프; 상기 냉각수 탱크에 지하수를 냉각수로 공급하는 지하수 탱크; 상기 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 공급하는 제3순환펌프; 상기 온수저장탱크의 온수 온도를 측정하는 제1온도센서; 상기 냉각용 열교환기에서 상기 연료전지시스템으로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서; 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 제3온도센서; 상기 유량감지센서에서 감지한 유량 값 및 상기 제1 내지 제3 온도센서에서 각각 측정한 온도 값을 기초로 상기 제1 내지 제3 순환펌프의 기동 및 정지를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the "energy recycling apparatus using groundwater of a fuel cell system" according to the present invention includes one or more fuel cell systems that generate electric power by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; a flow rate sensor for detecting a flow rate of hot water recovered from the stack portion of the one or more fuel cell systems; a high-temperature recovery heat exchanger for integrally recovering the high-temperature hot water output from the one or more fuel cell systems as energy; a hot water storage tank for storing the hot water recovered through the high temperature recovery heat exchanger and supplying the stored hot water as hot water; a cooling heat exchanger for supplying low-temperature water to the one or more fuel cell systems as a cooling water by secondary heat-exchanging water that has undergone primary heat exchange through the high-temperature recovery heat exchanger; a first circulation pump for supplying high-temperature hot water recovery water to recover high-temperature hot water from the high-temperature recovery heat exchanger; a cooling water tank for storing groundwater as cooling water for heat exchange supplied to the cooling heat exchanger; a second circulation pump supplying the cooling water stored in the cooling water tank to the cooling heat exchanger; an underground water tank supplying groundwater to the cooling water tank as cooling water; a third circulation pump for supplying the groundwater stored in the groundwater tank to the cooling water tank as a cooling water; a first temperature sensor for measuring the hot water temperature of the hot water storage tank; a second temperature sensor for measuring a temperature of the coolant supplied from the cooling heat exchanger to the fuel cell system; a third temperature sensor for measuring the temperature of the cooling water stored in the cooling water tank; It characterized in that it comprises a control unit for controlling the start and stop of the first to third circulation pumps based on the flow rate value detected by the flow rate sensor and the temperature value measured by the first to third temperature sensors, respectively. .

상기에서 연료전지시스템은 연료를 수소로 개질하는 개질부, 상기 개질부에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택부, 상기 개질부에서의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부에 공급하고, 상기 스택부에 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 상기 개질부에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치, 상기 개질부의 수증기 개질 반응과정에 공급하는 물과 상기 스택부의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하고, 상부가 개방되어 내부의 물의 압력은 대기압이 되도록 하는 물탱크, 상기 스택부의 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터를 포함하고, In the fuel cell system, a reforming unit for reforming fuel into hydrogen, a stack unit for generating electric power by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen reformed in the reforming unit, and the concentration of carbon monoxide generated during the reforming process in the reforming unit An air supply device for supplying oxygen to the reforming unit to lower it and supplying oxygen required to the stack unit, an exhaust device for exhausting the gas generated in the reforming unit to the outside air, water supplied to the steam reforming reaction process of the reforming unit, and A water tank that stores cooling water that maintains the temperature of the stack portion at a constant temperature, an upper portion is opened so that the pressure of the water inside becomes atmospheric pressure, and an inverter that converts power produced by the fuel cell stack of the stack portion into AC ,

상기에서 온수저장탱크는 온수의 고온층과 저온층을 구획하는 성층형성용 디퓨저가 탱크 내부에 구비된 것을 특징으로 한다.In the above, the hot water storage tank is characterized in that a diffuser for forming a stratification for partitioning a hot layer and a low temperature layer of hot water is provided inside the tank.

상기에서 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수는 상기 고온회수용 열교환기와 상기 냉각용 열교환기를 순차 통해 냉각수로 재활용되어 상기 연료전지시스템에 재공급되어 온수 배출 방지로 에너지 낭비를 방지하는 것을 특징으로 한다.The high-temperature hot water discharged from the fuel cell system is recycled as cooling water through the high-temperature recovery heat exchanger and the cooling heat exchanger in sequence, and is re-supplied to the fuel cell system to prevent energy waste by preventing hot water discharge. .

상기에서 냉각수 탱크는 냉각수로 저장되는 지하수의 수위를 검출하는 수위 검출 센서를 포함하고,In the above, the cooling water tank includes a water level detection sensor for detecting the level of groundwater stored as cooling water,

상기 제어부는 상기 수위 검출 센서에 의해 검출되는 수위가 미리 설정된 설정 레벨 이상이면 상기 냉각수 탱크에 저장된 지하수를 지상의 하수도에 방류하는 제4순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 지하수를 지상의 하수도에 방류하는 것을 특징으로 한다.When the water level detected by the water level detection sensor is equal to or higher than a preset level, the controller activates a fourth circulation pump that discharges the groundwater stored in the cooling water tank to the ground sewer, and discharges the ground water stored in the cooling water tank to the ground sewer. characterized in that

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법"은,In order to achieve the above object, the "energy recycling method using groundwater of a fuel cell system" according to the present invention,

(a) 제어부에서 적어도 하나 이상의 연료전지시스템이 운전중이고 유량감지센서를 통해 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 제2온도센서(TS-2)를 이용하여 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하는 단계; (b) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프를 기동시켜 온수저장탱크에 저장된 물을 고온회수용 열교환기에 순환시키는 단계; (c) 상기 제어부에서 제1온도센서를 이용하여 온수저장탱크의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하는 단계; (d) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도가 제2순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프를 정지시키는 단계; (e) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각용 열교환기에 순환시키는 단계; (f) 상기 제어부에서 제3온도센서를 이용하여 냉각수 탱크의 냉각수 온도(T3)를 측정하는 단계; (g) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T3)가 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 제3순환펌프를 기동시켜 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 공급하는 단계; (h) 상기 제어부에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 제3순환펌프의 기동을 유지하고, 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 제3순환펌프를 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(a) When at least one fuel cell system is in operation in the control unit and hot water discharged from the fuel cell system is sensed through the flow rate sensor, the second temperature sensor TS-2 is used to re-supply to the fuel cell system Measuring the cooling water temperature (T2); (b) If the coolant temperature (T2) measured by the control unit is equal to or greater than a first preset value for controlling the start of the first circulation pump, the first circulation pump is started to recover the water stored in the hot water storage tank at a high temperature circulating in a heat exchanger; (c) measuring the hot water temperature (T1) of the hot water storage tank using the first temperature sensor in the control unit, and comparing the hot water temperature (T1) with the cooling water temperature (T2); (d) the controller stops the second circulation pump when the hot water temperature T1 is higher than the cooling water temperature T2 or the cooling water temperature is less than a second set value preset to control the start of the second circulation pump making; (e) in the controller, when the hot water temperature T1 is lower than the cooling water temperature T2 or the cooling water temperature is equal to or higher than the second set value, the second circulation pump is started to convert the groundwater stored in the cooling water tank into the cooling water. circulating in a heat exchanger for cooling; (f) measuring the cooling water temperature (T3) of the cooling water tank using a third temperature sensor in the control unit; (g) supplying the groundwater stored in the groundwater tank to the cooling water tank as cooling water by starting a third circulation pump when the cooling water temperature T3 measured by the control unit is equal to or greater than a third preset value; (h) if the cooling water temperature (T2) in the control unit is equal to or greater than the second set value and the cooling water temperature (T2) is higher than the cooling water temperature (T3), the third circulation pump is maintained to start, and the cooling water temperature ( and stopping the third circulation pump when T2) is less than the second set value and the cooling water temperature T2 is lower than the cooling water temperature T3.

또한, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법"은,In addition, the "energy recycling method using the groundwater of a fuel cell system" according to the present invention,

(i) 상기 제어부에서 상기 냉각수 탱크의 수위(WL)를 측정하고, 상기 측정한 냉각수 수위가 미리 설정된 설정 레벨 미만이면 제3순환펌프를 기동시켜 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 저장하고, 상기 냉각수 수위가 상기 설정 레벨 이상이면 제4순환펌프를 기동시켜 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 지상의 하수도에 방류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.(i) the control unit measures the water level (WL) of the cooling water tank, and if the measured cooling water level is less than a preset level, the third circulation pump is started to store the groundwater stored in the groundwater tank as a cooling water in the cooling water tank and discharging the coolant stored in the coolant tank to a ground sewer by activating a fourth circulation pump when the coolant level is higher than or equal to the set level.

본 발명에 따르면 연료전지시스템을 1대 이상 설치하고, 상호 인접하게 배치된 고온회수용 열교환기, 냉각용 열교환기, 온수저장탱크(또는 열 교환 파이프 내장형), 냉각수 탱크, 냉동기(응축기, 증발기)를 연료전지시스템과 연동시킴으로써, 연료전지시스템에 개별로 설치되는 열교환기를 통합으로 설치함으로써 전체 연료전지시스템의 크기를 줄일 수 있으며, 연료전지시스템에서 발생한 배열(온수)을 고온으로 회수할 수 있어 급탕수로 활용함으로써 보일러의 시설 설치비 및 연료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, at least one fuel cell system is installed, and a heat exchanger for high temperature recovery, a heat exchanger for cooling, a hot water storage tank (or built-in heat exchange pipe), a cooling water tank, and a refrigerator (condenser, evaporator) are arranged adjacent to each other. By interlocking with the fuel cell system, the size of the entire fuel cell system can be reduced by integrating heat exchangers installed individually in the fuel cell system, and heat (hot water) generated from the fuel cell system can be recovered at a high temperature to provide hot water supply. By using it as a water channel, it is possible to reduce the facility installation cost and fuel cost of the boiler.

또한, 온수를 적게 사용하는 건물 및 온수를 적게 사용하는 계절에는 연료전지시스템에서 발생한 배열을 방류함으로 발생하는 비용을, 지하수를 이용한 냉각수로 냉각시켜 연료전지시스템에 재활용함으로써, 에너지 절감을 도모할 수 있는 효과가 있다(방류로 인한 상하수도 요금보다 냉각시키는 전기 비용이 절감된다).In addition, in buildings that use less hot water and in the season when hot water is used less, the cost of discharging heat generated from the fuel cell system can be cooled with cooling water using groundwater and recycled to the fuel cell system, thereby saving energy. There is a positive effect (the electricity cost for cooling is reduced compared to the water and sewage charges due to discharge).

또한, 지하층 공사시 발생하는 지하수를 지상의 하수도에 바로 방류하지 않고, 이를 냉각수로 저장한 상태에서 연료전지시스템으로부터 회수한 고온의 온수를 냉각하는 데 활용함으로써, 수돗물을 냉각수로 활용하여 배열을 회수한 온수를 하수관에 방류하는 비용을 절감하고, 지하수를 냉각수로 활용함으로써 냉각수를 생성하는 비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, the underground water generated during basement construction is not immediately discharged into the underground sewer, but is stored as cooling water and used to cool the high-temperature hot water recovered from the fuel cell system, thereby recovering heat by using tap water as cooling water. It has the effect of reducing the cost of discharging hot water to a sewer pipe and reducing the cost of generating cooling water by using groundwater as cooling water.

또한, 산업 구조적인 측면에서 보면, 연료전지시스템 케이스 내부에는 개질부, 스택부, 인버터, 연료전지시스템 운전에 필요한 제어장치 등의 필수부분만 구성하고, 물탱크와 같은 외부 부품을 통합하여 외부에 구현함으로써, 연료전지시스템의 제조원가 절감과 제품의 크기를 작게 제작할 수 있는 효과도 있다.In addition, from an industrial structural point of view, only essential parts such as the reforming unit, stack unit, inverter, and control device necessary for fuel cell system operation are composed inside the fuel cell system case, and external components such as a water tank are integrated to provide external components. By implementing it, there is an effect of reducing the manufacturing cost of the fuel cell system and making the product smaller in size.

또한, 기술적인 측면에서 보면, 건물용이나 주택용으로 주로 사용하는 형식인 고분자 전해질형의 경우에는 작동온도가 25 ~ 80℃로 스택부는 분리막에 촉매제를 나노입자의 두께로 사용하며, 발전 시에는 수소와 산소의 화학반응으로 산화작용과 환원작용을 반복적 지속적으로 이루어지면서 반응열이 발생한다. 이에 본 발명에서는 스택부에는 물을 순환시켜 일정한 온도를 유지하는 냉각부를 마련하고, 냉각부에 공급되는 물의 온도를 냉각시킬 수 있는 온도(38 ~ 42℃) 이하로 공급하여 스택부의 온도를 일정(통상 60 ~ 70℃)하게 유지시켜 발전을 함으로써 발전 효율을 높일 수 있게 된다. 또한, 스택부에 높은 온도가 공급되면 백금 촉매제가 고온에 이온화하거나, 분리막에서 이탈하는 현상으로 효율 저하 및 성능을 장시간 유지할 수 없게 되는 데, 본 발명에 따르면 지하수를 냉각수로 활용하여 연료전지시스템의 스택부의 온도를 일정하게 유지시켜줄 수 있고, 감압밸브로 물의 압력을 감압시키지 않으므로, 가압 펌프 등을 이용할 필요가 없어 높은 압력에 의한 스택부의 파손 등을 예방할 수 있는 장점도 있다.In addition, from a technical point of view, in the case of the polymer electrolyte type, which is a type mainly used for buildings or houses, the operating temperature is 25 ~ 80℃, and the stack part uses a catalyst in the separator with a thickness of nanoparticles, and hydrogen during power generation. Reaction heat is generated as the oxidation and reduction actions are repeatedly and continuously carried out through the chemical reaction of oxygen and oxygen. Accordingly, in the present invention, a cooling unit for maintaining a constant temperature by circulating water is provided in the stack unit, and the temperature of the water supplied to the cooling unit is supplied to a temperature that can be cooled (38 ~ 42 ℃) or less to keep the temperature of the stack unit constant ( Usually 60 ~ 70 ℃), it is possible to increase the power generation efficiency by generating power. In addition, when a high temperature is supplied to the stack part, the efficiency decreases and performance cannot be maintained for a long time due to the phenomenon that the platinum catalyst is ionized at a high temperature or separated from the separator. It is possible to maintain a constant temperature of the stack portion, and since the pressure of water is not reduced by the pressure reducing valve, there is no need to use a pressurization pump, etc., so that damage of the stack portion due to high pressure can be prevented.

즉, 본 발명은 연료전지시스템 케이스 내부에 있는 물탱크는 개방형 구조로 제작되어 감압밸브를 사용하여 물의 압력을 감압시키지 않으므로, 가압펌프가 필요 없고 연료전지시스템은 건물의 급탕수 및 시수의 압력과 별개로 운전되어 스택부에 압력이 미치지 않아 연료전지시스템의 파손을 원천적으로 차단 할 수 있다.That is, in the present invention, since the water tank inside the fuel cell system case is manufactured in an open structure and does not reduce the pressure of water by using a pressure reducing valve, there is no need for a pressurization pump, and the fuel cell system is capable of reducing the pressure of hot water and municipal water in a building. Since it is operated separately, no pressure is applied to the stack, damage to the fuel cell system can be fundamentally prevented.

또한, 연료전지시스템은 스택부의 냉각수 공급뿐만 아니라 개질부에도 수증기 개질 방식으로 물이 필요한데, 본 발명에 따르면 개방형 냉각용 물탱크에서 대기압으로 스택부 및 개질부에 물을 공급함으로 고층건물의 다양한 수압과 관계없이 적용을 할 수 있는 장점도 있다.In addition, the fuel cell system requires water in the steam reforming method not only to supply cooling water to the stack but also to the reforming unit. According to the present invention, water is supplied to the stack unit and the reforming unit at atmospheric pressure from the open type water tank for cooling, so that various water pressures of high-rise buildings There is also the advantage that it can be applied irrespective of the

또한, 연료전지시스템 스택부에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기로 1차로 열을 회수하고, 수요자의 급탕수사용량이 적은 건물 및 급탕수사용량이 적은 계절에는 온수저장탱크의 하부층에서 순환되는 온수의 온도가 높아 열교환이 이루어지지 않아 연료전지시스템의 스택부에 냉각수로 공급할 온도보다 높게 되는 경우가 발생한다. 이때, 지하수를 활용한 냉각수로 연료전지시스템의 배열을 냉각용 열교환기로 공급하여 고온의 온수를 2차로 냉각시켜 안정된 온도로 스택부에 공급함으로써 스택부의 성능과 효율을 유지하고 내구 수명을 연장할 수 있는 장점도 있다.In addition, the heat generated in the fuel cell system stack unit is primarily recovered as a heat exchanger for high-temperature recovery, and the temperature of the hot water circulated in the lower layer of the hot water storage tank in the building where the consumer uses a small amount of hot water and in the season when the amount of hot water consumption is small. The temperature is higher than the temperature to be supplied as cooling water to the stack part of the fuel cell system because heat exchange is not performed due to the high temperature. At this time, it is possible to maintain the performance and efficiency of the stack part and extend the durability life by supplying the fuel cell system array to the cooling heat exchanger with cooling water using groundwater to cool the high-temperature hot water to the stack part and supply it to the stack part at a stable temperature. There are also advantages.

또한, 연료전지시스템 스택부에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기로 열을 회수하여 온수저장탱크의 상층부로 유입시켜 온도성층을 형성하고, 온수를 저장함으로써 급탕수로 바로 사용할 수 있는 온도(55 ~ 60℃)로 보일러의 추가 가열 없이 급탕수로 사용할 수 있도록 함으로써, 보일러를 설치할 필요가 없어 보일러 시설비 절약과 보일러의 연료비용 절감과 연료전지시스템의 배열 활용도를 높일 수 있는 다양한 효과도 있다.In addition, heat generated in the fuel cell system stack is recovered with a high-temperature recovery heat exchanger, introduced into the upper part of the hot water storage tank to form a thermal layer, and the hot water is stored at a temperature (55 to 60) that can be used immediately as hot water. ℃), so that hot water can be used without additional heating of the boiler, there is no need to install a boiler, so there are various effects that can save boiler facility costs, reduce boiler fuel costs, and increase the utilization of heat in the fuel cell system.

도 1은 종래 연료전지시스템의 제품 구성도,
도 2는 도 1의 제품 적용도로서 연료전지시스템을 복수로 구성한 경우의 적용 예시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 구성도,
도 4는 도 3을 적용한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치의 실시 예 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 에너지 재활용방법을 보인 흐름도이다.
1 is a product configuration diagram of a conventional fuel cell system;
FIG. 2 is an application view of a case in which a plurality of fuel cell systems are configured as a product application diagram of FIG. 1;
3 is a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention;
4 is a configuration diagram of an embodiment of an energy recycling device using groundwater of a fuel cell system to which FIG. 3 is applied;
5 is a flowchart illustrating an energy recycling method of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an apparatus and method for recycling energy using groundwater in a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present invention described below should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to best describe his invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so various equivalents and It should be understood that there may be variations.

먼저, 본 발명은 개질부, 스택부(발전부), 공기공급장치, 배기장치, 인버터, 물탱크, 다수의 주변장치(BOP)가 케이스의 내부에 수용된 연료전지시스템을 적어도 1대 이상 설치하고, 상호 인접하게 배치된 고온회수용 열교환기, 냉각용 열교환기, 온수저장탱크, 냉각수 탱크, 펌프 및 배관을 연결하여, 연료전지시스템마다 개별로 설치한 열교환기를 통합으로 설치함으로써 비용절감 및 케이스 크기는 줄였다.First, the present invention installs at least one fuel cell system in which a reforming unit, a stack unit (power generation unit), an air supply device, an exhaust device, an inverter, a water tank, and a plurality of peripheral devices (BOP) are accommodated in a case, and , by connecting heat exchangers for high temperature recovery, cooling heat exchangers, hot water storage tanks, cooling water tanks, pumps, and pipes arranged adjacent to each other and installing heat exchangers installed individually for each fuel cell system in an integrated manner, cost reduction and case size has been reduced

아울러 연료전지시스템에서 발생한 온수(배열)를 고온으로 회수할 수 있어 급탕수로 사용 가능하게 하여 보일러의 연료비를 절감하고, 온수사용량이 적은 건물 및 온수사용량이 적은 계절에 발생하는 연료전지시스템의 배열을 방류 후 수돗물의 공급이 없이 지하수를 이용하여 효율적으로 배열을 냉각시켜 연료전지시스템에 재활용함으로써 고성능 유지와 내구수명 연장 및 경제성을 향상하였다.In addition, hot water (heat) generated from the fuel cell system can be recovered at a high temperature so that it can be used as hot water, thereby reducing fuel costs for boilers. After discharging the waste, it uses groundwater without supply of tap water to efficiently cool the waste heat and recycle it to the fuel cell system, thereby maintaining high performance, extending the lifespan and improving economic feasibility.

아울러 지하층 공사시 발생하는 지하수를 지상의 하수도에 바로 방류하지 않고, 이를 냉각수로 저장한 상태에서 연료전지시스템으로부터 회수한 고온의 온수를 냉각하는 데 활용함으로써, 수돗물을 냉각수로 활용하여 배열을 회수한 온수를 하수도에 방류하는 비용을 절감하고, 지하수를 냉각수로 활용함으로써 별도의 냉각수를 생성하는 비용도 절감할 수 있도록 하였다.In addition, the underground water generated during basement construction is not immediately discharged into the ground sewer, but is stored as cooling water and used to cool the high-temperature hot water recovered from the fuel cell system, thereby recovering heat by using tap water as cooling water. The cost of discharging hot water to the sewage system was reduced, and the cost of generating a separate cooling water by using groundwater as cooling water was also reduced.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A more detailed explanation of this is as follows.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지시스템(100)의 구성도로서, 개질부(110), 공기공급장치(130), 배기장치(140), 스택부(발전부)(120), 물탱크(150), 인버터(160)를 포함할 수 있다.3 is a block diagram of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention, and is a reforming unit 110 , an air supply unit 130 , an exhaust unit 140 , and a stack unit (power generation unit) 120 . , a water tank 150 and an inverter 160 may be included.

개질부(110)는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지시스템(100)에서 연료(ex, 도시가스 등)를 수소로 개질한다.The reformer 110 reforms fuel (eg, city gas, etc.) into hydrogen in the fuel cell system 100 that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

발전부인 스택부(120)는 개질부(110)에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산한다.The power generation unit, the stack unit 120 , generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen reformed in the reforming unit 110 .

공기공급장치(130)는 개질부(110)에서의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 개질부(110)에 공급하고, 스텍부(120)에 필요한 산소를 공급한다.The air supply device 130 supplies oxygen to the reformer 110 in order to lower the concentration of carbon monoxide generated during the reforming process in the reformer 110 , and supplies oxygen required to the stack unit 120 .

배기장치(140)는 개질부(110)에서 발생한 가스를 외기로 배기한다.The exhaust device 140 exhausts the gas generated in the reforming unit 110 to the outside air.

물탱크(150)는 개질부(110)의 수증기 개질반응과정에 공급하는 물과 스택부(120)의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 공급 및 저장하고, 상부가 개방되어 내부의 물의 압력은 대기압이 되도록 한다.The water tank 150 supplies and stores water supplied to the steam reforming process of the reforming unit 110 and cooling water that maintains the temperature of the stack unit 120 at a constant temperature, and the upper part is opened so that the pressure of water inside is to atmospheric pressure.

인버터(160)는 스택부(120)의 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환한다.The inverter 160 converts power generated in the fuel cell stack of the stack unit 120 into AC.

이러한 연료전지시스템(100)의 설치 구조와 운전방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.The installation structure and operation method of the fuel cell system 100 will be briefly described as follows.

첫째, 연료전지시스템(100) 케이스 내부의 물탱크(150)는 개방형으로서, 단면적이 작고 높이가 긴 구조로 하여 물탱크(150)에서 스택부(120)로 순환시키는 펌프(P)에는 수위가 부족함이 없어 펌프(P)의 공회전을 예방하며, 건물의 높은 보급수 압력이 미처도 물탱크(150)의 압력은 대기압을 유지한다.First, the water tank 150 inside the case of the fuel cell system 100 is of an open type and has a small cross-sectional area and a long structure, so that the water level in the pump P that circulates from the water tank 150 to the stack unit 120 is Since there is no shortage, idling of the pump P is prevented, and the pressure of the water tank 150 is maintained at atmospheric pressure even when the high make-up water pressure of the building is not reached.

둘째, 1대 이상의 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 회수된 배열로 생성된 고온 온수를 묶은 배관에 1차로 후술하는 고온회수용 열교환기(210)를 통과하여 고온을 방출하고, 2차로 냉각용 열교환기(220)를 거쳐 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에 냉각수로 재공급할 수 있는 온도까지 열을 방출하여 각 연료전지시스템(100)의 물탱크(150)에 공급한다. 이로써 연료전지시스템에서 방출되는 배열(온수)은 적정한 온도로 냉각되어 재활용됨으로써, 에너지 낭비를 방지할 수 있게 된다. 여기서 연료전지시스템에서 전력 생산 후 발생하는 배열(온수)을 "에너지"라고 명명한다.Second, the high-temperature hot water generated by the heat recovered from the stack unit 120 of one or more fuel cell systems 100 is first passed through a heat exchanger 210 for high-temperature recovery, which will be described later, in a pipe bundled with heat, Second, through the cooling heat exchanger 220 , heat is emitted to a temperature at which the cooling water can be re-supplied to the stack unit 120 of the fuel cell system 100 to the water tank 150 of each fuel cell system 100 . supply As a result, the heat (hot water) discharged from the fuel cell system is cooled to an appropriate temperature and recycled, thereby preventing energy waste. Here, the heat generated after power generation in the fuel cell system (hot water) is called “energy”.

도 4는 도 3을 적용한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활장치의 구성도이다.4 is a block diagram of an energy rehabilitation apparatus using groundwater of the fuel cell system to which FIG. 3 is applied.

1대 이상의 연료전지시스템(100 - 100+N))의 스택부(120)에서 회수된 고온의 온수를 통합하는 배관에 흐르는 유량을 감지하는 유량감지센서(A), 연료전지시스템(100 - 100+N)의 내부 물탱크(150)에서 배출되는 고온의 온수를 에너지로 통합 회수하는 고온회수용 열교환기(210), 상기 고온회수용 열교환기(210)를 통해 회수한 고온의 온수를 저장하며, 저장한 고온의 온수를 급탕수로 공급하는 온수저장탱크(310), 상기 고온회수용 열교환기(210)를 통과하여 1차 열교환이 이루어진 물을 2차 열 교환하여 저온의 물을 상기 하나 이상의 연료전지시스템(100 - 100+N)에 냉각수로 공급하는 냉각용 열교환기(220), 상기 고온회수용 열교환기(210)에서 고온 온수를 회수하도록 고온 온수 회수용 물을 공급하는 제1순환펌프(P-1), 지하수를 상기 냉각용 열교환기(220)에 공급되는 열교환용 냉각수로 저장하는 냉각수 탱크(410), 상기 냉각수탱크(410)에 저장된 냉각수를 상기 냉각용 열교환기(220)에 공급하는 제2순환펌프(P-2), 상기 냉각수 탱크(410)에 지하수를 냉각수로 공급하는 지하수 탱크(420), 상기 지하수 탱크(420)에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크(410)에 공급하는 제3순환펌프(P-3), 상기 온수저장탱크(310)의 온수 온도를 측정하는 제1온도센서(TS-1), 상기 냉각용 열교환기(220)에서 상기 연료전지시스템(100 - 100+N)으로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서(TS-2), 상기 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 제3온도센서(TS-3), 상기 유량감지센서(A)에서 감지한 유량 값 및 상기 제1 내지 제3 온도센서(TS-1 - TS3)에서 각각 측정한 온도 값을 기초로 상기 제1 내지 제3 순환펌프(P-1 - P-3)의 기동 및 정지를 제어하는 제어부(500)를 포함한다.A flow rate sensor (A) that detects a flow rate flowing through a pipe integrating the high-temperature hot water recovered from the stack unit 120 of one or more fuel cell systems (100 - 100+N), the fuel cell system (100 - 100) The high temperature recovery heat exchanger 210 that integrates and recovers the high temperature hot water discharged from the internal water tank 150 of +N as energy, and stores the high temperature hot water recovered through the high temperature recovery heat exchanger 210, , the hot water storage tank 310 for supplying the stored hot water as hot water supply water, and the second heat exchange of water that has undergone primary heat exchange through the high temperature recovery heat exchanger 210 to exchange low temperature water with the one or more The cooling heat exchanger 220 for supplying cooling water to the fuel cell system 100 - 100+N, and a first circulation pump for supplying high-temperature hot water recovery water to recover the high-temperature hot water from the high-temperature recovery heat exchanger 210 (P-1), a cooling water tank 410 for storing groundwater as cooling water for heat exchange supplied to the cooling heat exchanger 220, and cooling water stored in the cooling water tank 410 to the cooling heat exchanger 220 A second circulation pump (P-2) for supplying, a groundwater tank 420 for supplying groundwater to the cooling water tank 410 as cooling water, and groundwater stored in the groundwater tank 420 as cooling water to the cooling water tank 410 The fuel cell system 100 in the third circulation pump P-3 to supply, the first temperature sensor TS-1 measuring the hot water temperature of the hot water storage tank 310, and the cooling heat exchanger 220 - 100+N) a second temperature sensor (TS-2) for measuring the temperature of the cooling water supplied, a third temperature sensor (TS-3) for measuring the temperature of the cooling water stored in the cooling water tank (410), the flow rate Based on the flow rate value detected by the detection sensor (A) and the temperature value measured by the first to third temperature sensors (TS-1 - TS3), the first to third circulation pumps (P-1 - P-) 3) includes a control unit 500 for controlling the start and stop.

상기 온수저장탱크(310)는 온수의 고온층과 저온층을 구획하는 성층형성용 디퓨저가 탱크 내부에 구비된다.The hot water storage tank 310 is provided with a diffuser for forming a stratification that partitions a hot layer and a low temperature layer of hot water inside the tank.

상기 냉각수 탱크(410)는 냉각수로 저장되는 지하수의 수위를 검출하는 수위 검출 센서(411)를 포함하고, 상기 제어부(500)는 상기 수위 검출 센서(411)에 의해 검출되는 수위가 미리 설정된 설정 레벨 이상이면 상기 냉각수 탱크(410)에 저장된 지하수를 지상의 하수도에 방류하는 제4순환펌프(P-4)를 기동시켜 냉각수 탱크(410)에 저장된 지하수를 지상의 하수도에 방류한다.The cooling water tank 410 includes a water level detection sensor 411 that detects a water level of groundwater stored as cooling water, and the control unit 500 sets the water level detected by the water level detection sensor 411 to a preset level. If this is the case, the fourth circulation pump P-4 that discharges the underground water stored in the cooling water tank 410 to the ground sewer is activated to discharge the ground water stored in the cooling water tank 410 to the ground sewer.

도 4에 적용되는 연료전지시스템(100 - 100+N)은 도 3에 도시한 연료전지시스템(100)의 구성과 동일하며, 작용 역시 동일하다.The fuel cell system 100 - 100+N applied to FIG. 4 is the same as the configuration of the fuel cell system 100 shown in FIG. 3, and the operation is also the same.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the energy recycling device using the groundwater of the fuel cell system according to the present invention configured as described above will be described in detail as follows.

연료전지시스템(100 - 100+N)의 설치 용량 및 건물의 급탕 부하량을 고려하여 연료전지시스템 외부에 설치하는 온수저장탱크(310)의 용량을 결정하여 설치한다. 온수저장탱크(310)는 원통 입형으로 제작되어 중간부를 기준으로 상부는 고온의 온수 저장부가 구비되고, 하부는 저온의 온수 저장부가 되도록 탱크 내부의 중앙부까지 배관을 연결하여 상부에 연결된 배관 말단에는 상부 방향으로, 하부에 연결된 배관 말단에는 하부 방향으로 디퓨저를 설치하여 온도 성층을 이루도록 한다.The capacity of the hot water storage tank 310 installed outside the fuel cell system is determined and installed in consideration of the installed capacity of the fuel cell system (100 - 100+N) and the hot water supply load of the building. The hot water storage tank 310 is manufactured in a cylindrical vertical shape, and the upper part is provided with a hot water storage part based on the middle part, and the lower part is a low temperature hot water storage part. In the direction, at the end of the pipe connected to the lower part, a diffuser is installed in the lower direction to achieve a temperature stratification.

여기서 각각의 연료전지시스템(100 - 100+N)의 구성 및 동작은 동일하므로, 이하 하나의 연료전지시스템(예를 들어, 100)에 대해서만 예시로 설명하기로 한다.Here, since the configuration and operation of each fuel cell system 100 - 100+N are the same, only one fuel cell system (eg, 100) will be described as an example.

연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 발생한 배열(온수)을, 온수저장탱크(310)의 하부 쪽에 위치한 저온부의 물을 제1순환펌프(P-1)의 기동을 통해 고온회수용 열교환기(210)로 순환시켜 1차로 열을 회수하여 온수저장탱크(310)의 상부 고온부에 저장하여 급탕수로 사용한다.The heat (hot water) generated in the stack unit 120 of the fuel cell system 100 is recovered at a high temperature by starting the first circulation pump (P-1) of the low temperature water located at the lower side of the hot water storage tank 310 . The heat is primarily recovered by circulation through the heat exchanger 210 and stored in the upper high temperature part of the hot water storage tank 310 to be used as hot water.

고온회수용 열교환기(210)에서 1차로 열 회수 후에도 연료전지시스템(100)의 냉각수로 활용할 수 있는 온도보다 높은 경우는(제2온도센서(TS-2)의 온도를 기준으로 판단), 제어부(500)의 제어에 의해 냉각수 탱크(410)의 하부 쪽 냉각수를 제2순환펌프(P-2)로 냉각용 열교환기(220)에 순환시켜 다시 열을 회수한다. 이러한 동작에 의해 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에 공급하는 물은 냉각수로 사용할 수 있는 안정된 온도의 물로 연료전지시스템(100) 케이스 내에 있는 물탱크(150)에 공급한다.If the temperature that can be used as the coolant of the fuel cell system 100 is higher than the temperature that can be used as the coolant of the fuel cell system 100 even after the first heat recovery from the high temperature recovery heat exchanger 210 (determined based on the temperature of the second temperature sensor TS-2), the controller The cooling water at the lower side of the cooling water tank 410 is circulated to the cooling heat exchanger 220 by the second circulation pump P-2 under the control of 500 to recover heat again. By this operation, the water supplied to the stack unit 120 of the fuel cell system 100 is supplied to the water tank 150 in the case of the fuel cell system 100 as water at a stable temperature that can be used as cooling water.

냉각수 탱크(410)는 적어도 하나 이상 설치되는 연료전지시스템(100)의 용량 및 건물의 급탕 부하량과 계절에 따른 급탕수의 사용량을 고려하여 용량 및 규격을 결정하여 설치한다. 냉각수 탱크(410)는 냉각용 열교환기(220)와 가까운 거리에 설치하여 냉각수 탱크(410)와 부착된 제3온도센서(TS-3)의 설정 값에 따라 제3순환펌프(P-3)의 운전을 제어한다.The cooling water tank 410 is installed by determining the capacity and specification in consideration of the capacity of the fuel cell system 100 installed at least one or more, the load of hot water supply in the building, and the amount of hot water used according to the season. The cooling water tank 410 is installed at a close distance to the cooling heat exchanger 220, and according to the set value of the cooling water tank 410 and the attached third temperature sensor TS-3, the third circulation pump P-3 control the operation of

아울러 냉각수 탱크(410)에 저장되는 냉각수는 지하층 공사를 통해 획득한 지하수를 이용한다. 지하층 공사시에 발생한 지하수는 지하수 탱크(420)에 저장된다. 지하층에서 발생한 지하수를 바로 사용하지 않고 지하수 탱크(420)에 저장함으로써 침출수인 지하수의 오물을 어느 정도는 지하수 탱크(420)에서 거르고 사용할 수 있다. 필요에 따라 필터 등을 이용하여 이물질을 걸러냄으로써 배관 등이 이물질로 인해 막혀 모터와 같은 장비의 고장이 발생하는 것도 방지할 수도 있다. 필터 등을 이용하지 않고 지하층 공사에서 발생한 지하수를 바로 사용하는 것도 시스템에 전혀 문제는 없다.In addition, the cooling water stored in the cooling water tank 410 uses groundwater obtained through basement construction. Groundwater generated during basement construction is stored in the groundwater tank 420 . By storing the groundwater generated in the underground layer in the groundwater tank 420 instead of using it immediately, the filth of the groundwater that is the leachate can be filtered and used in the groundwater tank 420 to some extent. If necessary, by filtering out foreign substances using a filter or the like, it is also possible to prevent a failure of equipment such as a motor due to clogging of pipes and the like due to foreign substances. There is no problem with the system even if the groundwater generated from the basement construction is directly used without using a filter or the like.

냉각수 탱크(410)의 내부에는 지하수인 냉각수의 수위를 측정하는 수위 검출 센서(411)가 내장되어, 실시간으로 냉각수 탱크(410) 내의 지하수 수위를 검출한다. 검출된 냉각수 수위 정보는 제어부(500)에 전달되며, 제어부(500)는 전달되는 냉각수의 수위와 설정 레벨을 비교하여, 냉각수 수위가 상기 설정 레벨 이상이 되면, 제4순환펌프(P-4)를 기동시켜, 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수(지하수)를 지상의 하수도에 방류한다. 이로써 냉각수 탱크(410)에는 적정량의 지하수가 저장되도록 한다.A water level detection sensor 411 for measuring the level of the cooling water, which is groundwater, is built in the cooling water tank 410 to detect the level of the groundwater in the cooling water tank 410 in real time. The detected coolant level information is transmitted to the controller 500, and the controller 500 compares the delivered coolant level with a set level, and when the coolant level is higher than or equal to the set level, the fourth circulation pump (P-4) to discharge the cooling water (underground water) stored in the cooling water tank 410 to the sewage on the ground. Accordingly, an appropriate amount of groundwater is stored in the cooling water tank 410 .

최근의 도심지 건축물은 인구 밀집도 등의 사유로 좁은 공간의 대지에 높은 용적율을 적용하여 고층건물을 건축하고 있다. 이로 인하여 지상의 건물높이에 비례하여 지하를 깊이 파서 주차장 및 기계실 등을 설치하여 지하층을 유용하게 사용하고 있다. 이때 지하층을 깊이 파게 되면 지하층에서 지하수(침출수)가 발생하게 된다.In recent downtown buildings, high-rise buildings are being built by applying a high floor area ratio to a narrow space due to reasons such as population density. For this reason, in proportion to the height of the building above the ground, the basement is dug deep and a parking lot and a machine room are installed to use the basement floor effectively. At this time, if the basement is dug deep, groundwater (leachate) is generated in the basement.

또한, 수도권에서는 지하철 및 고속열차 노선의 교차로 인하여 지하철 및 고속 열차의 역사 및 선로의 깊이는 점점 지하를 깊이 파게 되어 지하층에서 지하수(침출수)가 발생하게 된다.In addition, in the metropolitan area, due to the intersection of subway and high-speed train lines, the depth of subway and high-speed train stations and tracks is gradually dug underground, and groundwater (leachate) is generated in the basement.

이로 인하여 지하층의 토사와 접하는 외벽은 토압에 견딜 수 있도록 많은 보강을 하여야 하고, 또한 토사 측에 있는 지하수를 지하층 최저부에서 지하수를 건물 내부로 유입시켜야 건축물이 안전하게 지탱할 수 있다.For this reason, the outer wall in contact with the soil and sand in the basement must be reinforced a lot to withstand the earth pressure, and the groundwater on the soil side must be introduced into the building from the lowest part of the basement floor to safely support the building.

현재는 토사 측에서 발생하는 지하수(침출수)를 건축물이 최저부에서 건물 내부로 유입시켜 지하수 유입탱크에 저장하였다 펌프로 지상의 하수도로 방류한다.Currently, the groundwater (leachate) generated from the soil and sand is introduced into the building from the lowest part of the building, stored in the groundwater inflow tank, and discharged to the ground sewer with a pump.

또한, 서울시의 일부 지역인 청계천구간에서는 지하수를 유입탱크에 저장하여 펌프로 청계천 상류에 방류시켜 시민의 편익을 위한 공원으로 활용하는 구간이 있기도 하나, 대부분은 지하수 유입탱크에 저장하였다가 지상의 하수도에 방류하고 있다.Also, in the Cheonggyecheon section, which is a part of Seoul, groundwater is stored in an inflow tank and discharged upstream of the Cheonggyecheon by a pump to be used as a park for the convenience of citizens. are stocked in

여기서 서울시의 상하수도 요금에 따르면 유출지하수를 하수도에 방류시 1㎥당 400원 비용이 발생한다.Here, according to the city's water and sewerage rates, 400 won per cubic meter of discharged underground water is incurred.

따라서 본 발명에서는 상기와 같이 지하층 공사시 발생한 지하수를 바로 지상의 하수도에 방류하지 않고 이를 냉각수로 활용하여 연료전지시스템(100)의 에너지를 회수하는 용도로 활용한다.Therefore, in the present invention, as described above, the underground water generated during the construction of the basement is not immediately discharged into the sewer above the ground, but is utilized as a cooling water to recover the energy of the fuel cell system 100 .

즉, 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수인 지하수는 제2순환펌프(P-2)를 통해 냉각용 열교환기(220)를 순환하여 다시 냉각수 탱크(410)에 회수되는 데, 이때, 냉각용 열교환기(220)에서 고온회수용 열교환기(210)에서 1차 열교환이 이루어진 연료전지시스템(100)의 온수(배열)를 상기 지하수로 열 교환하여 연료전지시스템(100)에서 사용하기 적정한 온도로 낮추어 연료전지시스템(100)에 공급한다.That is, the groundwater, which is the cooling water stored in the cooling water tank 410 , circulates the cooling heat exchanger 220 through the second circulation pump P-2 and is recovered to the cooling water tank 410 again. At this time, the cooling heat exchange The hot water (array) of the fuel cell system 100, which has undergone primary heat exchange in the high-temperature recovery heat exchanger 210 in the unit 220, is exchanged with the groundwater to lower the temperature to an appropriate temperature for use in the fuel cell system 100. It is supplied to the fuel cell system 100 .

지하수의 온도는 깊이 및 계절에 따라 상이하나, 통상 지하 50 - 100m 정도에서는 사계절 동안 10 - 18℃의 수온을 유지한다.The temperature of the groundwater varies depending on the depth and season, but in general, the water temperature is maintained at 10 - 18 ℃ at about 50 - 100 m underground during the four seasons.

이와 같이 지하층 공사시 발생한 지하수를 바로 지상의 하수도에 방류하지 않고 냉각수로 활용하여 연료전지시스템의 에너지를 회수하는 용도로 재활용함으로써 지하수 처리 비용을 절감할 수 있으며, 연료전지시스템(100)의 냉각을 위해 사용하는 수돗물의 방류, 방열 및 냉각하기 위하여 낭비되는 전기에너지도 절약할 수 있게 되는 것이다.As such, the groundwater treatment cost can be reduced by recycling the groundwater generated during the basement construction for the purpose of recovering the energy of the fuel cell system by using it as cooling water instead of directly discharging it to the sewage system above the ground. Electric energy wasted for discharging, dissipating, and cooling the tap water used for this purpose can also be saved.

또한, 온수저장탱크(310)의 하부에는 보급수를 공급하는 공급노즐(N-1), 탱크의 중간보다 약간 낮은 위치에 고온회수용 열교환기(220)와 제1순환펌프(P-1)로 공급하는 공급노즐(N-3), 온수탱크 높이에서 아래로부터 2/3 기점에는 고온회수용 열교환기(220)를 거쳐 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 발생한 배열을 회수한 고온을 온수저장탱크(310)에 유입하는 공급노즐(N-4), 온수저장탱크(310)의 최상층에는 연료전지시스템(100)의 배열을 급탕수로 바로 사용할 수 있는 온수(55 ~ 60℃)로 공급하는 공급 노즐(N-2)이 부착된다.In addition, a supply nozzle (N-1) for supplying make-up water to the lower portion of the hot water storage tank 310, a high-temperature recovery heat exchanger 220 and a first circulation pump (P-1) at a position slightly lower than the middle of the tank Heat generated in the stack unit 120 of the fuel cell system 100 is recovered from the supply nozzle (N-3) supplied to the On the uppermost layer of the supply nozzle (N-4) and the hot water storage tank 310 for introducing high temperature into the hot water storage tank 310, the arrangement of the fuel cell system 100 can be directly used as hot water (55 ~ 60 ℃). ) is attached to the supply nozzle (N-2) for supplying.

아울러 온수저장탱크(310)의 하부 측에서 고온회수용 열교환기(210)로 연결되는 배관에는 제1순환펌프(P-1)를 설치하고, 고온회수용 열교환기(210)를 유동하여 열을 회수한 온수는 온수저장탱크(310)의 상부로 유입시키며, 탱크의 하부와 연결된 탱크 내부의 배관에는 하부 측 방향, 탱크의 상부와 연결된 탱크 내부의 배관에는 상부 측 방향의 디퓨저를 구비하여 온도성층을 이룬다.In addition, a first circulation pump (P-1) is installed in the pipe connected to the heat exchanger 210 for high temperature recovery from the lower side of the hot water storage tank 310, and heat is transferred by flowing the heat exchanger 210 for high temperature recovery. The recovered hot water is introduced into the upper part of the hot water storage tank 310, and a diffuser is provided on the pipe inside the tank connected to the lower part of the tank in the lower side direction, and the pipe inside the tank connected to the upper part of the tank has a diffuser in the upper direction. make up

또한, 냉각수 탱크(410)의 하부 측에서 냉각용 열교환기(220)로 연결되는 배관에는 제2순환펌프(P-2)를 설치하고, 냉각용 열교환기(220)를 유동하여 열을 회수한 냉각수는 냉각수 탱크(410)의 상부로 유입시킨다. 이로써 연료전지시스템(100)의 물탱크(150)에는 스택부(120)의 냉각수로 공급할 수 있는 온도까지 열을 방출하여 안정된 온도의 냉각수가 공급된다.In addition, a second circulation pump (P-2) is installed in the pipe connected to the cooling heat exchanger 220 from the lower side of the cooling water tank 410, and the heat is recovered by flowing the cooling heat exchanger 220. The cooling water flows into the upper portion of the cooling water tank 410 . As a result, heat is emitted to the water tank 150 of the fuel cell system 100 to a temperature that can be supplied to the cooling water of the stack unit 120 , and cooling water at a stable temperature is supplied.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법을 보인 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating an energy recycling method using groundwater in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법은, (a) 제어부(500)에서 적어도 하나 이상의 연료전지시스템(100 - 100+N)이 운전중이고 유량감지센서(A)를 통해 연료전지시스템(100 - 100+N)으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 제2온도센서(TS-2)를 이용하여 연료전지시스템(100 - 100+N)으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하는 단계(S101 - S104), (b) 상기 제어부(500)에서 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프(P-1)의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프(P-1)를 기동시켜 온수저장탱크(310)에 저장된 물을 고온회수용 열교환기(210)에 순환시키는 단계(S105 - S106), (c) 상기 제어부(500)에서 제1온도센서(TS-1)를 이용하여 온수저장탱크(310)의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하는 단계(S108, S110), (d) 상기 제어부(500)에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도(T2)가 제2순환펌프(P-2)의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프(P-2)를 정지시키는 단계(S109), (e) 상기 제어부(500)에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프(P-2)를 기동시켜 냉각수 탱크(410)에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각용 열교환기(220)에 순환시키는 단계(S111), (f) 상기 제어부(500)에서 제3온도센서(TS-3)를 이용하여 냉각수 탱크(410)의 냉각수 온도(T3)를 측정하는 단계(S112), (g) 상기 제어부(500)에서 측정한 냉각수 온도(T3)가 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 제3순환펌프(P-3)를 기동시켜 지하수 탱크(420)에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크(410)에 공급하는 단계(S113 - S114), (h) 상기 제어부(500)에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 제3순환펌프(P-3)의 기동을 유지하고, 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 제3순환펌프(P-3)를 정지시키는 단계(S118 - S119)를 포함한다.As shown in this figure, in the method for recycling energy using groundwater of a fuel cell system according to the present invention, (a) at least one fuel cell system (100 - 100+N) is in operation in the control unit 500 and a flow rate sensor ( When hot water discharged from the fuel cell system 100 - 100+N is detected through A), the second temperature sensor TS-2 is used to re-supply to the fuel cell system 100 - 100+N. Steps (S101 - S104) of measuring the cooling water temperature (T2), (b) the cooling water temperature (T2) measured by the control unit (500) is set in advance to control the start of the first circulation pump (P-1) If it is equal to or greater than 1 set value, starting the first circulation pump (P-1) to circulate the water stored in the hot water storage tank 310 to the high temperature recovery heat exchanger 210 (S105 - S106), (c) the above The control unit 500 measures the hot water temperature T1 of the hot water storage tank 310 using the first temperature sensor TS-1, and compares the hot water temperature T1 with the cooling water temperature T2 (S108). , S110), (d) in the controller 500, the hot water temperature (T1) is higher than the cooling water temperature (T2) or the cooling water temperature (T2) to control the start of the second circulation pump (P-2) Step (S109) of stopping the second circulation pump (P-2) if it is less than a second set value preset for this purpose (S109), (e) the hot water temperature (T1) in the control unit 500 is lower than the cooling water temperature (T2) Or, when the cooling water temperature T2 is equal to or greater than the second set value, the second circulation pump P-2 is activated to circulate the groundwater stored in the cooling water tank 410 to the cooling heat exchanger 220 as cooling water. Steps (S111), (f) measuring the coolant temperature T3 of the coolant tank 410 using the third temperature sensor TS-3 in the controller 500 (S112), (g) the controller If the coolant temperature T3 measured in 500 is equal to or greater than the third preset value, the third circulation pump P-3 is started to convert the groundwater stored in the groundwater tank 420 into the coolant tank ( 410) in the steps (S113 - S114), (h) when the cooling water temperature T2 in the control unit 500 is equal to or greater than the second set value and the cooling water temperature T2 is higher than the cooling water temperature T3 Maintaining the start of the third circulation pump P-3, and when the coolant temperature T2 is less than the second set value and the coolant temperature T2 is lower than the coolant temperature T3, the third circulation and stopping the pump (P-3) (S118 - S119).

또한, 본 발명에 따른 "연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법"은, (i) 상기 제어부(500)에서 상기 냉각수 탱크(410)의 수위(WL)를 측정하고, 상기 측정한 냉각수 수위가 미리 설정된 설정 레벨 미만이면 제3순환펌프(P-3)를 기동시켜 지하수 탱크(420)에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크(410)에 저장하고, 상기 냉각수 수위가 상기 설정 레벨 이상이면 제4순환펌프(P-4)를 기동시켜 상기 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수를 지상의 하수도에 방류하는 단계(S115 - S117)를 포함할 수 있다.In addition, in the "energy recycling method using groundwater of a fuel cell system" according to the present invention, (i) the control unit 500 measures the water level (WL) of the cooling water tank 410, and the measured cooling water level is If it is less than the preset level, the third circulation pump (P-3) is activated to store the groundwater stored in the groundwater tank 420 as the cooling water in the cooling water tank 410, and if the cooling water level is above the set level, the fourth It may include a step (S115 - S117) of starting the circulation pump (P-4) and discharging the coolant stored in the coolant tank (410) to the ground sewer.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The energy recycling method using the groundwater of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail as follows.

먼저, 연료전지시스템(100)이 동작하지 않는 상황에서는 제1 내지 제4 순환펌프(P-1 - P-4)가 정지되며(S102), 연료전지시스템(100)의 동작으로 발전이 시작되면(S101), 제어부(500)는 1대 이상의 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에서 회수된 고온의 온수를 묶은 배관에 물의 순환을 감지하는 유량감지센서(A)를 통해 물의 순환을 감지한다(S103). 이때 물의 순환이 감지되면 제1순환펌프(P-1)를 기동하여 연료전지시스템(100)의 스택부(120)의 고온의 배열을 고온회수용 열교환기(210)와 냉각용 열교환기(220)를 통과시켜 열을 방출한 낮은 온도의 물은 연료전지시스템(100)에 내장된 물탱크(150)로 이동시킨다. 물탱크(150)에 저장된 낮은 온도의 물은 순환펌프(P)로 연료전지시스템(100)의 스택부(120)에 순환시켜 안정된 온도의 냉각수를 공급한다. 온수저장탱크(310)의 중간 하부의 저온의 물은 고온회수용 열교환기(210)로 순환시켜 연료전지시스템(100)의 스택부(120)의 고온의 배열을 회수하여 온수저장탱크(310)에 저장하여 급탕수로 사용한다. 1대 이상의 연료전지시스템(100)들에서 발생한 배열을 고온회수용 열교환기(210)와 연결된 배관에 부착된 유량감지센서(A)에서 물의 순환이 없는 것이 감지되면 제1순환펌프(P-1)는 정지한다.First, in a situation where the fuel cell system 100 does not operate, the first to fourth circulation pumps P-1 to P-4 are stopped (S102), and when power generation is started by the operation of the fuel cell system 100 , (S101), the control unit 500 controls the circulation of water through the flow rate sensor (A) that detects the circulation of water in the pipe bundled with the high-temperature hot water recovered from the stack unit 120 of one or more fuel cell systems 100 . Detect (S103). At this time, when the circulation of water is sensed, the first circulation pump P-1 is started and the high temperature arrangement of the stack unit 120 of the fuel cell system 100 is transferred to the high temperature recovery heat exchanger 210 and the cooling heat exchanger 220 . ), the low-temperature water that has released heat is moved to the water tank 150 built in the fuel cell system 100 . The low-temperature water stored in the water tank 150 is circulated to the stack unit 120 of the fuel cell system 100 by the circulation pump P to supply cooling water at a stable temperature. The low-temperature water in the middle lower portion of the hot water storage tank 310 is circulated to the high-temperature recovery heat exchanger 210 to recover the high-temperature heat from the stack unit 120 of the fuel cell system 100, and the hot water storage tank 310 It is stored and used as hot water. When it is detected that there is no water circulation in the flow rate sensor (A) attached to the pipe connected to the heat exchanger 210 for high temperature recovery of the heat generated in one or more fuel cell systems 100 , the first circulation pump P-1 ) stops.

다음으로, 연료전지시스템(100)으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하고(S104), 상기 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프(P-1)의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면 제1순환펌프(P-1)를 기동시킨다(S105 - S106).Next, the coolant temperature T2 supplied to the fuel cell system 100 is measured (S104), and the measured coolant temperature T2 is used in advance to control the start of the first circulation pump P-1. If it is greater than or equal to the first set value, the first circulation pump (P-1) is started (S105 - S106).

이어, 온수저장탱크(310)에 설치된 제1온도센서(TS-1)로 측정한 온수온도(T1)와 물탱크(150)로 공급되는 배관에 부착된 제2온도센서(TS-2)의 냉각수 온도(T2)를 비교한다(S107, S108, S110). 이때, 온수온도(T1)가 냉각수 온도(T2)보다 높거나 냉각수 온도(T2)가 제2설정온도(통상 38 ~ 42℃) 미만이면, 단계 S109로 이동하여 제2순환펌프(P-2)를 정지시킨다. 이와는 달리, 냉각수 온도(T2)가 온수온도(T1)보다 높거나 냉각수 온도(T2)가 제2설정온도 이상이면, 냉각용 열교환기(220)와 연결된 제2순환펌프(P-2)가 기동하여 냉각수탱크(310)의 저온의 물을 냉각용 열교환기(220)로 통과시켜 연료전지시스템(100)으로부터 회수되는 배열을 냉각하여 연료전지시스템(100)의 내부에 있는 물탱크(150)로 공급한다(S111).Next, the hot water temperature T1 measured by the first temperature sensor TS-1 installed in the hot water storage tank 310 and the second temperature sensor TS-2 attached to the pipe supplied to the water tank 150 The cooling water temperature T2 is compared (S107, S108, S110). At this time, if the hot water temperature (T1) is higher than the cooling water temperature (T2) or the cooling water temperature (T2) is less than the second set temperature (normally 38 ~ 42 ℃), move to step S109 to the second circulation pump (P-2) to stop On the other hand, if the coolant temperature T2 is higher than the hot water temperature T1 or the coolant temperature T2 is equal to or higher than the second set temperature, the second circulation pump P-2 connected to the cooling heat exchanger 220 is started. The low-temperature water in the cooling water tank 310 is passed through the cooling heat exchanger 220 to cool the heat recovered from the fuel cell system 100 to the water tank 150 inside the fuel cell system 100. supply (S111).

다음으로, 냉각수탱크(410)에 부착된 제3온도센서(TS-3) 온도 값(T3)이 제3설정온도(통상 30 ~ 35℃) 값 이상이면 냉각수탱크(410)와 지하수 탱크(420) 사이에 연결된 제3순환펌프(P-3)를 기동하여 지하수 탱크(420)의 지하수를 냉각수 탱크(410)로 공급하여 냉각수 탱크(410)에 저장되는 물을 설정온도(통상 15 ~ 20℃)까지 냉각시켜 냉각수탱크(410)에 저장한다(S112 - S114).Next, when the temperature value T3 of the third temperature sensor TS-3 attached to the cooling water tank 410 is equal to or greater than the third set temperature (normally 30 to 35° C.), the cooling water tank 410 and the underground water tank 420 ) to start the third circulation pump (P-3) connected between ) and stored in the cooling water tank 410 (S112 - S114).

이어, 냉각수탱크(410)의 제3온도센서(TS-3)의 냉각수 온도(T3)와 물탱크(150)로 공급되는 배관에 부착된 제2온도센서(TS-2)의 온도 값(T2)을 비교하여, 냉각수탱크(410)의 제3온도센서(TS-3)의 온도 값이 작거나, 물이 설정온도(통상 15 ~ 20℃)까지 냉각되면 제3순환펌프(P-3)를 정지시킨다(S118 - S119).Next, the cooling water temperature T3 of the third temperature sensor TS-3 of the cooling water tank 410 and the temperature value T2 of the second temperature sensor TS-2 attached to the pipe supplied to the water tank 150 ), when the temperature value of the third temperature sensor (TS-3) of the cooling water tank 410 is small or the water is cooled to a set temperature (usually 15 ~ 20 ℃), the third circulation pump (P-3) to stop (S118 - S119).

또한, 온수저장탱크(310)에 설치된 제1온도센서(TS-1)의 온도(T1)와 물탱크(150)로 공급되는 배관에 부착된 제2온도센서(TS-2)의 온도(T2)를 비교하여 같거나, 제2온도센서(TS-2)의 온도 값(T2)이 설정온도(통상 38 ~ 42℃)일 때 고온회수용 열교환기(210)와 연결된 제1순환펌프(P-1)는 기동을 정지한다.In addition, the temperature T1 of the first temperature sensor TS-1 installed in the hot water storage tank 310 and the temperature T2 of the second temperature sensor TS-2 attached to the pipe supplied to the water tank 150 ), or when the temperature value (T2) of the second temperature sensor (TS-2) is the set temperature (normally 38 ~ 42 ℃), the first circulation pump (P) connected to the high temperature recovery heat exchanger 210 -1) stops the start.

한편, 냉각수 탱크(410)의 수위(WL)를 측정하고, 상기 측정한 냉각수 수위가 미리 설정된 설정 레벨 미만이면 제3순환펌프(P-3)를 기동시켜 지하수 탱크(420)에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크(410)에 저장하고, 상기 냉각수 수위가 상기 설정 레벨 이상이면 제4순환펌프(P-4)를 기동시켜 상기 냉각수 탱크(410)에 저장된 냉각수를 지상의 하수도에 방류한다(S115 - S117).On the other hand, the water level (WL) of the cooling water tank 410 is measured, and if the measured cooling water level is less than a preset level, the third circulation pump P-3 is started to convert the groundwater stored in the groundwater tank 420 into cooling water. is stored in the coolant tank 410, and when the coolant level is above the set level, the fourth circulation pump P-4 is activated to discharge the coolant stored in the coolant tank 410 to the ground sewer (S115). - S117).

이와 같이 본 발명은 개질부, 스택, 공기공급장치, 인버터, 물탱크, 다수의 주변장치(BOP)가 케이스의 내부에 수용된 연료전지시스템을 1대 이상 설치하고, 상호 연료전지시스템에 인접하게 고온회수용 열교환기, 냉각용 열교환기, 온수저장탱크(또는 열 교환 파이프가 내장된 온수저장탱크), 냉각수탱크, 펌프 및 배관을 연결하여, 연료전지시스템마다 개별로 설치한 열교환기를 통합적으로 설치함으로써 비용절감 및 시스템의 크기를 줄일 수 있다. As described above, the present invention installs one or more fuel cell systems in which a reformer, a stack, an air supply device, an inverter, a water tank, and a plurality of peripheral devices (BOP) are accommodated inside the case, and the high temperature is adjacent to the mutual fuel cell system. By connecting a heat exchanger for recovery, a heat exchanger for cooling, a hot water storage tank (or a hot water storage tank with a built-in heat exchange pipe), a cooling water tank, a pump, and a pipe, the heat exchanger installed individually for each fuel cell system is integrated. Cost reduction and system size can be reduced.

아울러 연료전지시스템에서 발생한 온수를 고온으로 회수할 수 있어 급탕수로 사용 가능하게 하여 2차 가열에 따른 보일러의 연료비를 절감할 수도 있다.In addition, since hot water generated in the fuel cell system can be recovered at a high temperature, it can be used as hot water, thereby reducing the fuel cost of the boiler due to secondary heating.

또한, 연료전지시스템을 1대 이상 설치한 배열을 지하수 및 냉각수탱크, 냉각용 열교환기를 이용하여 온수사용량이 적은 건물 및 온수사용량이 적은 계절에도 연료전지시스템을 1대 이상에서 발생한 온수를 방류 없이 계속 발전하도록 하여, 연료전지시스템의 효율을 높이게 된다.In addition, the hot water generated by one or more fuel cell systems is continuously operated without discharging in buildings with low hot water consumption and in seasons with low hot water consumption by using underground water, cooling water tanks, and cooling heat exchangers in an array in which one or more fuel cell systems are installed. By generating power, the efficiency of the fuel cell system is increased.

특히, 지하층 공사시 발생하는 지하수를 지상의 하수도에 바로 방류하지 않고, 이를 냉각수로 저장한 상태에서 연료전지시스템으로부터 회수한 고온의 온수를 냉각하는 데 활용함으로써, 수돗물을 냉각수로 활용하여 배열을 회수한 온수를 하수도에 방류하는 비용을 절감하고, 지하수를 냉각수로 활용함으로써 별도의 냉각수를 생성하는 비용도 절감할 수 있게 된다.In particular, the underground water generated during basement construction is not immediately discharged into the underground sewer system, but is stored as cooling water and used to cool the high-temperature hot water recovered from the fuel cell system, thereby recovering heat by using tap water as a cooling water. It is possible to reduce the cost of discharging hot water to the sewer, and to reduce the cost of generating a separate cooling water by using groundwater as cooling water.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.Although the invention made by the present inventor has been described in detail according to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and it is common knowledge in the art that various changes can be made without departing from the gist of the present invention. self-evident to those who have

100 - 100+N: 연료전지시스템
110: 개질부
120: 스택부
130: 배기장치
140: 공기공급장치
150: 물탱크
160: 인버터
210: 고온회수용 열교환기
220: 냉각용 열교환기
310: 온수저장탱크
410: 냉각수탱크
420: 지하수 탱크
100 - 100+N: fuel cell system
110: reforming unit
120: stack unit
130: exhaust device
140: air supply
150: water tank
160: inverter
210: heat exchanger for high temperature recovery
220: heat exchanger for cooling
310: hot water storage tank
410: coolant tank
420: groundwater tank

Claims (6)

수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 하나 이상의 연료전지시스템; 상기 하나 이상의 연료전지시스템의 스택부에서 회수된 고온의 온수 유량을 감지하는 유량감지센서; 상기 하나 이상의 연료전지시스템에서 출력되는 고온의 온수를 에너지로 통합 회수하는 고온회수용 열교환기; 상기 고온회수용 열교환기를 통해 회수한 고온의 온수를 저장하며, 저장한 고온의 온수를 급탕수로 공급하는 온수저장탱크; 상기 고온회수용 열교환기를 통과하여 1차 열교환이 이루어진 물을 2차 열교환하여 저온의 물을 상기 하나 이상의 연료전지시스템에 냉각수로 공급하는 냉각용 열교환기; 상기 고온회수용 열교환기에서 고온 온수를 회수하도록 고온 온수 회수용 물을 공급하는 제1순환펌프; 지하수를 상기 냉각용 열교환기에 공급되는 열교환용 냉각수로 저장하는 냉각수 탱크; 상기 냉각수탱크에 저장된 냉각수를 상기 냉각용 열교환기에 공급하는 제2순환펌프; 지하수를 저장하고 상기 냉각수 탱크에 저장한 지하수를 냉각수로 공급하는 지하수 탱크; 상기 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 공급하는 제3순환펌프; 상기 온수저장탱크의 온수 온도를 측정하는 제1온도센서; 상기 냉각용 열교환기에서 상기 연료전지시스템으로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서; 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수의 온도를 측정하는 제3온도센서; 및 상기 유량감지센서에서 감지한 유량 값 및 상기 제1 내지 제3 온도센서에서 각각 측정한 온도 값을 기초로 상기 제1 내지 제3 순환펌프의 기동 및 정지를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
적어도 하나 이상의 연료전지시스템이 운전중이고 상기 유량감지센서를 통해 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 상기 제2온도센서를 이용하여 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하고, 측정한 냉각수 온도(T2)가 상기 제1순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프를 기동시켜 온수저장탱크에 저장된 물을 고온회수용 열교환기에 순환시키며, 상기 제1온도센서를 이용하여 온수저장탱크의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하여, 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도가 제2순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프를 정지시키며, 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각용 열교환기에 순환시키며, 상기 제3온도센서를 이용하여 냉각수 탱크의 냉각수 온도(T3)를 측정하여, 측정한 냉각수 온도(T3)가 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 제3순환펌프를 기동시켜 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 공급하며, 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 제3순환펌프의 기동을 유지하고, 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 제3순환펌프를 정지시키며, 상기 냉각수 탱크의 수위(WL)를 측정하고, 상기 측정한 냉각수 수위가 미리 설정된 설정 레벨 미만이면 제3순환펌프를 기동시켜 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 저장하고, 상기 냉각수 수위가 상기 설정 레벨 이상이면 제4순환펌프를 기동시켜 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 지상의 하수도에 방류하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치.
one or more fuel cell systems that generate electric power by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; a flow rate sensor for detecting a flow rate of hot water recovered from the stack portion of the one or more fuel cell systems; a high-temperature recovery heat exchanger for integrally recovering the high-temperature hot water output from the one or more fuel cell systems as energy; a hot water storage tank for storing the hot water recovered through the high temperature recovery heat exchanger and supplying the stored hot water as hot water; a cooling heat exchanger for supplying low-temperature water to the one or more fuel cell systems as a cooling water by secondary heat-exchanging water that has undergone primary heat exchange through the high-temperature recovery heat exchanger; a first circulation pump for supplying high-temperature hot water recovery water to recover high-temperature hot water from the high-temperature recovery heat exchanger; a cooling water tank for storing groundwater as cooling water for heat exchange supplied to the cooling heat exchanger; a second circulation pump supplying the cooling water stored in the cooling water tank to the cooling heat exchanger; a groundwater tank storing groundwater and supplying the groundwater stored in the cooling water tank as cooling water; a third circulation pump for supplying the groundwater stored in the groundwater tank to the cooling water tank as a cooling water; a first temperature sensor for measuring the hot water temperature of the hot water storage tank; a second temperature sensor for measuring a temperature of the coolant supplied from the cooling heat exchanger to the fuel cell system; a third temperature sensor for measuring the temperature of the cooling water stored in the cooling water tank; and a control unit for controlling starting and stopping of the first to third circulation pumps based on the flow rate value detected by the flow rate sensor and the temperature value measured by the first to third temperature sensors, respectively,
The control unit is
When at least one fuel cell system is in operation and hot water discharged from the fuel cell system is sensed through the flow rate sensor, the temperature T2 of the cooling water supplied back to the fuel cell system is measured using the second temperature sensor. and, when the measured cooling water temperature T2 is equal to or greater than a first set value preset to control the start of the first circulation pump, the first circulation pump is started and the water stored in the hot water storage tank is circulated to the heat exchanger for high temperature recovery. and measure the hot water temperature (T1) of the hot water storage tank using the first temperature sensor, compare the hot water temperature (T1) and the cooling water temperature (T2), and the hot water temperature (T1) is the cooling water temperature (T2) ) or the cooling water temperature is less than a second set value preset to control the start of the second circulation pump, the second circulation pump is stopped, and the hot water temperature (T1) is lower than the cooling water temperature (T2) or When the cooling water temperature is equal to or greater than the second set value, the second circulation pump is started to circulate the groundwater stored in the cooling water tank to the cooling heat exchanger as cooling water, and the cooling water temperature of the cooling water tank (T3) using the third temperature sensor. ), and if the measured coolant temperature (T3) is equal to or greater than the third preset value, the third circulation pump is started to supply the groundwater stored in the groundwater tank to the coolant tank as coolant, and the coolant temperature (T2) is If the second set value or more and the cooling water temperature T2 is higher than the cooling water temperature T3, the third circulation pump is maintained, and the cooling water temperature T2 is less than the second set value and the cooling water temperature When (T2) is lower than the coolant temperature (T3), the third circulation pump is stopped, the water level (WL) of the coolant tank is measured, and if the measured coolant level is less than a preset level, the third circulation pump to store the groundwater stored in the groundwater tank as cooling water in the cooling water tank, and when the cooling water level is above the set level, the fourth circulation pump is activated to discharge the cooling water stored in the cooling water tank to the ground sewer. doing An energy recycling device using groundwater from a fuel cell system.
청구항 1에서, 상기 연료전지시스템은 연료를 수소로 개질하는 개질부, 상기 개질부에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택부, 상기 개질부에서의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부에 공급하고, 상기 스택부에 필요한 산소를 공급하는 공기공급장치, 상기 개질부에서 발생한 가스를 외기로 배기하는 배기장치, 상기 개질부의 수증기 개질 반응과정에 공급하는 물과 상기 스택부의 온도를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하고, 상부가 개방되어 내부의 물의 압력은 대기압이 되도록 하는 물탱크, 상기 스택부의 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터를 포함하고,
상기 온수저장탱크는 온수의 고온층과 저온층을 구획하는 성층형성용 디퓨저가 탱크 내부에 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치.
The method according to claim 1, The fuel cell system is a reforming unit for reforming fuel into hydrogen, a stack unit for generating electric power by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen reformed in the reforming unit, carbon monoxide generated in the reforming process in the reforming unit An air supply device for supplying oxygen to the reforming unit and supplying oxygen required to the stack unit in order to lower the concentration of an exhaust unit exhausting the gas generated in the reforming unit to the outside air, and supplying to the steam reforming reaction process of the reforming unit A water tank that stores water and cooling water that maintains the temperature of the stack part at a constant temperature, the upper part is opened so that the pressure of the water inside becomes atmospheric pressure, and an inverter that converts electric power produced by the fuel cell stack of the stack part into alternating current including,
The hot water storage tank is an energy recycling device using groundwater of a fuel cell system, characterized in that a diffuser for forming a stratification for partitioning a high temperature layer and a low temperature layer of hot water is provided in the tank.
청구항 1에서, 상기 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수는 상기 고온회수용 열교환기와 상기 냉각용 열교환기를 순차 통해 냉각수로 재활용되어 상기 연료전지시스템에 재공급되어 온수 배출 방지로 에너지 낭비를 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치.
The method according to claim 1, wherein the high-temperature hot water discharged from the fuel cell system is recycled as cooling water through the heat exchanger for high-temperature recovery and the heat exchanger for cooling in sequence, and re-supplied to the fuel cell system to prevent energy waste by preventing the discharge of hot water. An energy recycling device using groundwater of a fuel cell system.
청구항 1에서, 상기 냉각수 탱크는 냉각수로 저장되는 지하수의 수위를 검출하는 수위 검출 센서를 포함하고,
상기 제어부는 상기 수위 검출 센서에 의해 검출되는 수위가 미리 설정된 설정 레벨 이상이면 상기 냉각수 탱크에 저장된 지하수를 지상의 하수도에 방류하는 제4순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 지하수를 지상의 하수도에 방류하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치.
The method according to claim 1, wherein the cooling water tank comprises a water level detection sensor for detecting the level of the groundwater stored as cooling water,
When the water level detected by the water level detection sensor is equal to or higher than a preset level, the controller activates a fourth circulation pump that discharges the groundwater stored in the cooling water tank to the ground sewer, and discharges the ground water stored in the cooling water tank to the ground sewer An energy recycling device using groundwater of a fuel cell system, characterized in that
청구항 1 내지 청구항 4중 어느 하나의 청구항에 기재된 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용장치를 이용하여 연료전지시스템의 에너지를 재활용하는 방법으로서,
(a) 제어부에서 적어도 하나 이상의 연료전지시스템이 운전중이고 유량감지센서를 통해 연료전지시스템으로부터 배출되는 고온의 온수가 감지되면, 제2온도센서(TS-2)를 이용하여 연료전지시스템으로 재공급되는 냉각수 온도(T2)를 측정하는 단계;
(b) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T2)가 제1순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제1설정 값 이상이면, 제1순환펌프를 기동시켜 온수저장탱크에 저장된 물을 고온회수용 열교환기에 순환시키는 단계;
(c) 상기 제어부에서 제1온도센서를 이용하여 온수저장탱크의 온수온도(T1)를 측정하고, 온수온도(T1)와 냉각수 온도(T2)를 비교하는 단계;
(d) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 높거나 상기 냉각수 온도가 제2순환펌프의 기동을 제어하기 위해 미리 설정된 제2설정 값 미만이면 제2순환펌프를 정지시키는 단계;
(e) 상기 제어부에서 상기 온수온도(T1)가 상기 냉각수 온도(T2)보다 낮거나 상기 냉각수 온도가 상기 제2설정 값 이상이면 상기 제2순환펌프를 기동시켜 냉각수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각용 열교환기에 순환시키는 단계;
(f) 상기 제어부에서 제3온도센서를 이용하여 냉각수 탱크의 냉각수 온도(T3)를 측정하는 단계;
(g) 상기 제어부에서 측정한 냉각수 온도(T3)가 미리 설정된 제3설정 값 이상이면 제3순환펌프를 기동시켜 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 공급하는 단계; 및
(h) 상기 제어부에서 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 이상이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 높으면 상기 제3순환펌프의 기동을 유지하고, 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 제2설정 값 미만이고 상기 냉각수 온도(T2)가 상기 냉각수 온도(T3)보다 낮으면 상기 제3순환펌프를 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법.
A method of recycling energy of a fuel cell system using the energy recycling device using the groundwater of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
(a) When at least one fuel cell system is in operation in the control unit and hot water discharged from the fuel cell system is sensed through the flow rate sensor, the second temperature sensor TS-2 is used to re-supply to the fuel cell system Measuring the cooling water temperature (T2);
(b) If the coolant temperature (T2) measured by the control unit is equal to or greater than a first preset value for controlling the start of the first circulation pump, the first circulation pump is started to recover the water stored in the hot water storage tank at a high temperature circulating in a heat exchanger;
(c) measuring the hot water temperature (T1) of the hot water storage tank using the first temperature sensor in the control unit, and comparing the hot water temperature (T1) with the cooling water temperature (T2);
(d) the controller stops the second circulation pump when the hot water temperature T1 is higher than the cooling water temperature T2 or the cooling water temperature is less than a second set value preset to control the start of the second circulation pump making;
(e) in the controller, when the hot water temperature T1 is lower than the cooling water temperature T2 or the cooling water temperature is equal to or higher than the second set value, the second circulation pump is started to convert the groundwater stored in the cooling water tank into the cooling water. circulating in a heat exchanger for cooling;
(f) measuring the cooling water temperature (T3) of the cooling water tank using a third temperature sensor in the control unit;
(g) supplying the groundwater stored in the groundwater tank to the cooling water tank as cooling water by starting a third circulation pump when the cooling water temperature T3 measured by the control unit is equal to or greater than a third preset value; and
(h) if the cooling water temperature (T2) in the control unit is equal to or greater than the second set value and the cooling water temperature (T2) is higher than the cooling water temperature (T3), the third circulation pump is maintained to start, and the cooling water temperature ( and stopping the third circulation pump when T2) is less than the second set value and the cooling water temperature T2 is lower than the cooling water temperature T3. recycling method.
청구항 5에서, (i) 상기 제어부에서 상기 냉각수 탱크의 수위(WL)를 측정하고, 상기 측정한 냉각수 수위가 미리 설정된 설정 레벨 미만이면 제3순환펌프를 기동시켜 지하수 탱크에 저장된 지하수를 냉각수로 상기 냉각수 탱크에 저장하고, 상기 냉각수 수위가 상기 설정 레벨 이상이면 제4순환펌프를 기동시켜 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 지상의 하수도에 방류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 지하수를 이용한 에너지 재활용방법.The method according to claim 5, (i) The control unit measures the water level (WL) of the cooling water tank, and if the measured cooling water level is less than a preset level, the third circulation pump is started to convert the groundwater stored in the groundwater tank into the cooling water. Storing the coolant in a coolant tank, and activating a fourth circulation pump when the coolant level is higher than or equal to the set level to discharge the coolant stored in the coolant tank to the groundwater of the fuel cell system, further comprising: Energy recycling method.
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