KR102576021B1 - Fuel cost reduction device and method using waste heat from fuel cell reformer - Google Patents

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Abstract

개질 과정에서 발생하는 폐가스의 폐열을 활용하여 온수의 효율을 증대하여 생산하고, 배기 및 급기를 이중관으로 형성하여 대류현상을 이용한 낮은 공기로 온수를 냉각시킨 저온수를 배열회수 열교환기에 공급하여 스택(발전부)의 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄여 연료비와 방류 비용을 절감하도록 한 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치 및 방법에 관한 것으로서, 연료전지시스템의 운전이 시작되면 제어부에서 제1 내지 제3 온도센서로 온도를 측정하고, 연료전지시스템의 운전 방식에 따라 측정한 측정 온도에 따라 순환펌프를 제어하여 연료전지시스템의 운전을 제어하며, 온수 사용이 발생하면 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브를 폐쇄하고, 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브를 개방하여, 개질부 폐가스를 배열회수 열교환기로 회수시켜 온수를 예열하도록 하며, 운전 중 온수 비사용시, 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브를 폐쇄하고, 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브를 개방하여, 저온의 급기로 온수를 냉각시킨 저온수를 배열회수 열교환기에 공급하여 스택부의 배열을 냉각시켜, 온수의 방류수를 줄이는 방식을 통해, 연료전지시스템의 연료비를 절감한다.The efficiency of hot water is increased by utilizing the waste heat of waste gas generated during the reforming process, and the exhaust and supply air are formed in a double pipe, and the low-temperature water cooled by low air using the convection phenomenon is supplied to the heat recovery heat exchanger to create a stack ( This relates to a fuel cost reduction device and method using waste heat from a fuel cell reformer to reduce fuel costs and discharge costs by cooling the heat of the power generation unit to reduce hot water discharge. When the operation of the fuel cell system begins, the control unit The temperature is measured with a third temperature sensor, and the operation of the fuel cell system is controlled by controlling the circulation pump according to the measured temperature measured according to the operation method of the fuel cell system. When hot water is used, the first temperature sensor for exhaust and supply air is used. And the third direction change valve is closed, and the second direction change valve for utilizing the reformer waste gas is opened to recover the reformer waste gas to the heat recovery heat exchanger to preheat the hot water. When hot water is not used during operation, the reformer waste gas is The second direction change valve for utilization is closed, and the first and third direction change valves for exhaust and supply air are opened, and the low temperature water cooled by the low temperature supply air is supplied to the heat recovery heat exchanger to maintain the stack portion. The fuel cost of the fuel cell system is reduced by cooling and reducing the discharge of hot water.

Figure R1020230051113
Figure R1020230051113

Description

연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치 및 방법{Fuel cost reduction device and method using waste heat from fuel cell reformer}Fuel cost reduction device and method using waste heat from fuel cell reformer}

본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히 개질 과정에서 발생하는 폐가스의 폐열을 활용하여 온수를 생산하고, 배기 및 급기를 이중관으로 형성하여 대류현상을 이용한 낮은 공기로 열교환하여 스택(발전부)의 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄여 연료비와 방류 비용을 절감하도록 한 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system. In particular, hot water is produced by utilizing the waste heat of waste gas generated during the reforming process, and the exhaust and supply air are formed in a double pipe to exchange heat with low air using a convection phenomenon to generate heat in the stack (power generation unit). It relates to a fuel cost reduction device and method using waste heat from a fuel cell reformer to reduce fuel and discharge costs by cooling the exhaust heat and reducing hot water discharge.

일반적으로 연료전지시스템은 연료(도시가스 등)를 이용하여 전기와 열에너지를 생성하는 장치로서, 전기화학반응을 이용하여 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이러한 연료전지시스템은 연료를 원하는 상태의 수소가스로 개질하여 스택(발전부)에 보내고, 대기중의 산소를 유입시켜 전기화학반응에 의해 전력과 배열(Heat)을 생산한다.In general, a fuel cell system is a device that generates electricity and heat energy using fuel (such as city gas), and converts the chemical energy of the fuel into electrical energy using an electrochemical reaction. This fuel cell system reforms fuel into hydrogen gas in the desired state, sends it to the stack (power generation unit), and introduces oxygen from the atmosphere to produce power and heat through electrochemical reactions.

이러한 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 스택에 필요한 산소를 공급하는 급기관, 개질부에서 연료를 연소시키는 과정에서 발생한 폐가스를 외기로 배기하는 배기관, 개질부의 수증기 개질 반응 과정에 공급하는 물과 스택부를 일정 온도로 유지시키는 냉각수를 저장하는 물탱크, 스택부의 배열을 회수하는 배열 회수용 열교환기, 연료전지 스택에서 생산된 전력을 교류로 변환하는 인버터, 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants) 등으로 구성된다.This fuel cell system includes a reforming unit that reformes fuel such as city gas into hydrogen, a stack (power generation unit) that produces power through 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 pipe that supplies the oxygen required for the reforming section and the stack, an exhaust pipe that exhausts waste gas generated during the combustion of fuel in the reforming section to the outside air, and water that supplies water to the steam reforming reaction process in the reforming section and the stack at a certain temperature. A water tank that stores the coolant that is maintained, a heat exchanger for heat recovery that recovers the heat from the stack, an inverter that converts the power produced by the fuel cell stack into alternating current, and performs system start, stop, power generation maintenance operations, and control functions. It consists of a number of peripheral devices (Balance of Plants).

도 1은 종래 연료전지시스템(10)의 개념도로서, 연료전지시스템(10)의 케이스 내부에 연료를 개질하는 개질부(20), 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 발전하는 스택부(30), 급기를 통해 산소를 연료전지(10)에 공급하는 공기공급장치(급기관)(22), 개질부(20)에서 연료를 연소시키는 과정에서 발생한 폐가스를 외기로 배기하는 배기관(24), 스택부(30)의 온도를 일정하게 유지시키도록 배열회수 및 냉각기능을 수행하는 열교환기(42)를 구비한 물탱크(40), 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants, BOP) 등으로 이루어진다.Figure 1 is a conceptual diagram of a conventional fuel cell system 10, which includes a reforming unit 20 for reforming fuel inside the case of the fuel cell system 10, and a stack unit 30 for generating power by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. , an air supply device (supply pipe) 22 that supplies oxygen to the fuel cell 10 through air supply, an exhaust pipe 24 that exhausts waste gas generated in the process of burning fuel in the reformer 20 to the outside air, and a stack. A water tank (40) equipped with a heat exchanger (42) that performs heat recovery and cooling functions to keep the temperature of the unit (30) constant, and a system that performs system start, stop, power generation maintenance operations, and control functions. It consists of a number of peripheral devices (Balance of Plants, BOP), etc.

여기서 개질부(20), 스택부(30), 물탱크(40) 등은 상기 연료전지시스템(10)의 내부에 설치된다.Here, the reforming unit 20, the stack unit 30, the water tank 40, etc. are installed inside the fuel cell system 10.

아울러 연료인 도시가스 등의 공급을 제어하는 밸브, 흡기 밸브, 개질된 수소의 공급을 제어하는 밸브, 배열의 이송을 제어하는 밸브, 냉각수의 이동을 제어하는 밸브 등을 제어하는 제어장치인 제어부(50)가 상기 연료전지시스템(10)의 케이스 내부에 통상 설치된다. 필요에 따라 제어장치인 제어부(50)는 연료전지시스템(10)의 외부에 설치될 수도 있다.In addition, the control unit (control device) that controls the valve that controls the supply of city gas, etc., the intake valve, the valve that controls the supply of reformed hydrogen, the valve that controls the transfer of heat, and the valve that controls the movement of coolant. 50) is usually installed inside the case of the fuel cell system 10. If necessary, the control unit 50, which is a control device, may be installed outside the fuel cell system 10.

도 1에서 참조번호 60은 보일러, 70은 온수저장탱크, 80은 방열기이다. In Figure 1, reference number 60 is a boiler, 70 is a hot water storage tank, and 80 is a radiator.

도면에는 도시하지 않았지만, 종래 연료전지시스템은, 저온수탱크, 보일러 급탕탱크, 감압밸브, 가압펌프 등이 추가로 설치될 수 있다.Although not shown in the drawing, a conventional fuel cell system may be additionally installed with a low-temperature water tank, a boiler hot water tank, a pressure reducing valve, a pressure pump, etc.

이와 같이 구성된 종래 연료전지시스템(10)은, 열교환기(42)를 통해 회수되는 배열을 온수로 저장하는 물탱크(40)는 스택의 냉각수 순환용 배관으로 연결하고, 개질 과정에서 발생하는 폐가스를 배출시키는 배기장치(24)와 연결된 배기통로에는 물탱크(40)와 연결된 열교환기(42)를 결합시켜 폐가스의 열을 회수할 수 있다.In the conventional fuel cell system 10 configured in this way, the water tank 40, which stores the heat recovered through the heat exchanger 42 as hot water, is connected to the piping for circulating coolant of the stack, and waste gas generated during the reforming process is connected to the stack. The heat of the waste gas can be recovered by combining a heat exchanger 42 connected to the water tank 40 in the exhaust passage connected to the exhaust device 24.

도 1에서 온수저장탱크(70)는 연료전지시스템(10)을 복수로 설치할 경우, 저온수 탱크와 보일러 급탕 탱크로 구분하여 구성할 수 있다.In FIG. 1, when multiple fuel cell systems 10 are installed, the hot water storage tank 70 can be divided into a low-temperature water tank and a boiler hot water tank.

아울러 보일러 급탕 탱크에 온수를 추가로 가열하여 공급하기 위하여 보일러(60)를 추가할 수 있으며, 보일러의 보조 버너에서 발생하는 고온의 폐가스를 배출하는 배기통로에 물탱크(40)와 연결된 열교환기(42)를 결합시켜 폐가스의 열을 회수할 수 있다.In addition, a boiler 60 can be added to additionally heat and supply hot water to the boiler hot water tank, and a heat exchanger ( 42) can be combined to recover heat from waste gas.

그러나 이와 같은 종래의 연료전지시스템은 다음과 같은 문제점이 있다.However, this conventional fuel cell system has the following problems.

예컨대, 고분자 전해질형의 연료전지는 건물용이나 주택용으로 주로 사용하는 데, 이러한 고분자 전해질형의 경우에는 작동온도가 25 ~ 80℃가 되어, 스택부(30)를 냉각시켜 일정한 온도를 유지하여야 발전 효율증가 및 성능을 장시간 유지할 수 있다. 그러나 스택부(30)의 열관리 방식이 배열 회수용 열교환기(42)를 통하여 열을 회수한 후 물탱크(40)에 저장하는 방식을 사용하는 데, 물탱크(40)에서의 물은 스택부(30)의 냉각수로 공급해야 하므로, 스택부(30)의 냉각수로 공급할 수 있는 온도 이상으로는 배열을 회수할 수 없어 물탱크(40)로 회수된 온도는 통상 40 ~ 45℃로 낮다. 따라서 보일러(60)로 2차 가열하여 급탕수로 사용하거나, 급탕수가 불필요할 때는 온수를 배수시키는 문제점이 발생하여 온수 활용이 미미하다는 한계가 있다.For example, polymer electrolyte type fuel cells are mainly used for buildings or houses. In the case of this polymer electrolyte type, the operating temperature is 25 to 80°C, so the stack part 30 must be cooled to maintain a constant temperature to generate power. Increased efficiency and performance can be maintained for a long time. However, the heat management method of the stack unit 30 uses a method of recovering heat through the heat exchanger 42 for heat recovery and then storing it in the water tank 40, and the water in the water tank 40 is stored in the stack unit. Since it must be supplied with the coolant of (30), the heat cannot be recovered at a temperature higher than the temperature that can be supplied with the coolant of the stack unit (30), so the temperature recovered to the water tank (40) is usually low, at 40 to 45°C. Therefore, there is a problem of secondary heating with the boiler 60 and using it as hot water, or draining the hot water when hot water is not needed, which limits the use of hot water.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This is explained in more detail as follows.

첫째, 연료전지시스템(10)의 스택부(30)의 배열(Heat)을 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 40 ~ 45℃로 낮아, 보일러(60)로 2차 가열(55 ~ 60℃)하여 급탕수로 사용하므로, 보일러의 추가 설치와 보일러 가동에 따른 연료비 증가가 발생하는 단점이 있다.First, the heat of the stack part 30 of the fuel cell system 10 is recovered through the heat exchanger 42 and then stored in the water tank 40 inside the fuel cell system 10 to form a stack. It is structured to supply the cooling water to the unit 30, but heat cannot be recovered above the temperature that can be supplied as the cooling water, so the recovery temperature is usually low at 40 to 45°C, and secondary heating (55 to 60 degrees Celsius) is performed by the boiler 60. ℃) and used as domestic hot water, it has the disadvantage of increasing fuel costs due to additional installation of boilers and boiler operation.

둘째, 연료전지시스템(10)은 발전 시 발생하는 전기와 배열회수(Heat Recovery)까지 포함하면 85 ~ 95% 사이의 고효율 발전시스템이나, 건물용이나 주택용으로 사용하는 고분자전해질형(PEMFC)의 발전 효율은 35 ~ 38%이고, 열 효율이 발전효율보다 높은 50 ~ 55%로서, 상기한 바와 같이 열(온수) 활용 방법이 미비하면 경제성이 떨어지는 단점이 있다.Second, the fuel cell system 10 is a high-efficiency power generation system of 85 to 95%, including electricity generated during power generation and heat recovery, but is a polymer electrolyte type (PEMFC) power generation system used for buildings and houses. The efficiency is 35 to 38%, and the thermal efficiency is 50 to 55%, which is higher than the power generation efficiency. As mentioned above, if the method of utilizing heat (hot water) is insufficient, it has the disadvantage of being less economical.

셋째, 개질부의 보조 버너에서 발생하는 폐가스를 배출하는 배기통로에 원통형 열교환기를 결합시켜 폐가스의 열을 회수하여 열 효율을 높이는 방법을 사용하였으나, 계절별, 시간대별, 건물의 용도에 따라 온수를 적게 사용하거나 온수를 사용하지 않을 때는 스택부의 냉각수로 사용하는 물의 온도가 높아 물탱크의 온수를 방류시키고 저온의 물을 공급받아 스택부 냉각수로 공급하는 방식이므로, 상하수도 요금의 증가로 경제성이 매우 저하되는 문제점이 있다.Third, a method was used to recover heat from the waste gas and increase thermal efficiency by combining a cylindrical heat exchanger with the exhaust passage that discharges the waste gas generated from the auxiliary burner of the reforming unit. However, less hot water is used depending on the season, time of day, and use of the building. Or, when hot water is not used, the temperature of the water used as coolant in the stack is high, so the hot water in the water tank is discharged and low-temperature water is supplied as coolant in the stack. Therefore, the economic feasibility is greatly reduced due to an increase in water and sewage charges. There is.

대한민국 등록특허 10-0807875(2008.02.20. 등록)(연료전지 열병합 발전시스템)Republic of Korea registered patent 10-0807875 (registered on February 20, 2008) (fuel cell combined heat and power generation system) 대한민국 등록특허 10-2134786(2020.07.10. 등록)(연료전지시스템의 에너지 재활용장치 및 방법)Republic of Korea registered patent 10-2134786 (registered on July 10, 2020) (energy recycling device and method for fuel cell system)

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 연료전지시스템에서 발생하는 제반 문제를 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 개질 과정에서 발생하는 폐가스의 폐열을 활용하여 온수를 생산함으로써, 연료비 절감을 도모하도록 한 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention was proposed to solve various problems occurring in the conventional fuel cell system as described above, and is a fuel cell reforming method to reduce fuel costs by producing hot water by utilizing the waste heat of the waste gas generated during the reforming process. The purpose is to provide a fuel cost reduction device and method using negative waste heat.

본 발명의 다른 목적은, 배기 및 급기를 이중관으로 형성하고, 고온의 폐가스와 저온의 급기 간의 온도차로 인한 대류현상을 이용한 낮은 온도의 공기로 열교환하여 온수를 냉각시킨 저온수로 스택(발전부)의 배열을 냉각시켜, 온수의 방류수를 줄여 연료비와 방류 비용을 절감하도록 한 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to form a double pipe for exhaust and supply air, and to form a low-temperature water stack (power generation unit) in which hot water is cooled by heat exchange with low-temperature air using the convection phenomenon caused by the temperature difference between high-temperature waste gas and low-temperature supply air. To provide a fuel cost reduction device and method using waste heat from a fuel cell reformer to reduce fuel and discharge costs by cooling the exhaust heat and reducing hot water discharge.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치"는,In order to achieve the above-mentioned purpose, the “fuel cost reduction device using waste heat of the fuel cell reformer” according to the present invention,

연료를 수소로 개질하는 개질부;A reforming unit that reformes fuel into hydrogen;

상기 개질부에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택부;A stack unit that produces power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen reformed in the reformer;

상기 개질부의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부에 공급하고, 상기 스택부에 필요한 산소를 공급하며, 상기 개질부에서 발생한 폐가스와 폐열을 외기로 배기하는 급기 및 배기장치;An air supply and exhaust device that supplies oxygen to the reformer to lower the concentration of carbon monoxide generated during the reforming process, supplies necessary oxygen to the stack, and exhausts waste gas and heat generated in the reformer to the outside air;

상기 개질부의 수증기 개질 반응 과정에 공급하는 물과 상기 스택부의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 냉각수를 저장 및 공급하는 물탱크;a water tank that stores and supplies water supplied to the steam reforming reaction process of the reforming unit and cooling water to maintain the temperature of the stack unit at a constant temperature;

상기 스택부에서 생산된 전력을 교류로 변환하여 계통으로 공급하는 인버터;an inverter that converts the power produced in the stack unit into alternating current and supplies it to the system;

상기 개질부에서 발생한 고온의 폐가스의 폐열을 회수하거나, 대기의 공기를 이용하여 상기 스택부의 배열을 사용하지 않은 온수의 온도를 냉각시키는 폐열회수 열교환기;a waste heat recovery heat exchanger that recovers waste heat from high-temperature waste gas generated in the reforming unit or cools the temperature of hot water not used in the stack unit using atmospheric air;

상기 급기 및 배기장치와 상기 개질부와 상기 폐열회수 열교환기의 사이에 구비된 관로에 구비되어 급기 및 배기의 방향을 전환하는 제1 내지 제3 방향전환밸브;First to third direction change valves provided in a pipe provided between the air supply and exhaust device, the reformer, and the waste heat recovery heat exchanger to change the direction of air supply and exhaust;

상기 폐열회수 열교환기에서 획득한 열과 상기 스택부의 배열을 이용하여 열교환을 통해 온수의 온도를 높이거나 냉각시키는 배열회수 열교환기;A heat recovery heat exchanger that increases or cools the temperature of hot water through heat exchange using the heat obtained from the waste heat recovery heat exchanger and the arrangement of the stack portion;

상기 물탱크에서 상기 스택부로 이동하는 물의 온도를 측정하며, 상기 스택부에서 배열회수 열교환기로 공급되는 배열의 온도를 측정하며, 온수저장탱크에서 공급한 온수가 폐열회수 열교환기에서 열교환 후 배열회수 열교환기로 이송되는 온수의 온도를 측정하는 제1 내지 제3 온도센서;The temperature of the water moving from the water tank to the stack is measured, the temperature of the heat supplied from the stack to the heat recovery heat exchanger is measured, and the hot water supplied from the hot water storage tank is heat exchanged in the waste heat recovery heat exchanger and then heat exchanged in the waste heat recovery heat exchanger. First to third temperature sensors that measure the temperature of hot water transported to the device;

상기 제1 내지 제3 온도센서의 감지 온도와 온수의 사용 유무 및 상기 스택부의 배열 냉각에 따라 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브의 작동을 제어하여, 온수 사용시에는 개질부의 폐열을 회수하여 연료비 절감을 도모하고, 온수 비사용시에는 낮은 온도의 공기로 열교환하여 온수를 냉각시킨 저온수로 스택부 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄이는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The operation of the first to third direction switching valves is controlled according to the detection temperature of the first to third temperature sensors, the use of hot water, and the cooling of the stack portion, and when hot water is used, waste heat from the reformer is recovered to reduce fuel costs. It is characterized by including a control unit that reduces the discharge of hot water by cooling the stack arrangement with low-temperature water cooled by heat exchange with low-temperature air when hot water is not used.

상기에서 급기 및 배기장치는 내측에 배기관이 형성되고 그 배기관의 외면을 감싸고 급기관이 형성되는 이중관으로 형성된 것을 특징으로 한다.In the above, the air supply and exhaust device is characterized in that it is formed as a double pipe in which an exhaust pipe is formed on the inside and an air supply pipe is formed surrounding the outer surface of the exhaust pipe.

상기에서 급기관은 상기 배기관을 중심으로 분기되는 형태이며, 상기 배기관은 상기 개질부의 폐가스를 바로 배기하거나 상기 폐열회수 열교환기를 통과한 폐가스를 배기하도록 분기관이 형성된 것을 특징으로 한다.In the above, the supply pipe is branched around the exhaust pipe, and the exhaust pipe is characterized in that the branch pipe is formed to directly exhaust the waste gas of the reformer or to exhaust the waste gas that has passed through the waste heat recovery heat exchanger.

상기에서 급기 및 배기장치는 급기시 고온의 배기와 저온의 급기 간의 온도차로 인한 대류현상을 이용하여 급기를 공급하는 것을 특징으로 한다.In the above, the air supply and exhaust device is characterized by supplying air using a convection phenomenon caused by a temperature difference between high-temperature exhaust and low-temperature supply air during supply air.

상기에서 제어부는,In the above, the control unit,

온수가 필요할 경우, 상기 개질부에서 배기되는 폐가스를 상기 폐열회수 열교환기로 공급하여, 폐열 회수를 통해 온수를 예열시켜 연료비를 절감하도록 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.When hot water is needed, the first to third direction switching valves are controlled to supply the waste gas exhausted from the reformer to the waste heat recovery heat exchanger and preheat the hot water through waste heat recovery to reduce fuel costs.

상기에서 제어부는,In the above, the control unit,

온수가 불필요할 경우, 외부의 낮은 온도의 급기를 상기 폐열회수 열교환기로 공급하여 온수를 냉각시킨 후 급ㆍ배기 이중관의 배기관을 통하여 배기시키고, 냉각된 저온수는 배열회수 열교환기로 공급하여, 상기 스택부의 배열을 냉각시켜 온수 방류수를 줄이도록 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.When hot water is not needed, external low-temperature supply air is supplied to the waste heat recovery heat exchanger to cool the hot water and then exhausted through the exhaust pipe of the supply/exhaust double pipe, and the cooled low-temperature water is supplied to the heat recovery heat exchanger to cool the stack. The first to third direction change valves are controlled to reduce hot water discharge by cooling the unit array.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감방법"은,In order to achieve the above-described object, the “fuel cost reduction method using waste heat from the fuel cell reformer” according to the present invention,

(a) 연료전지시스템의 운전이 시작되면 제어부에서 제1 내지 제3 온도센서로 온도를 측정하고, 연료전지시스템의 운전 방식에 따라 상기 제1 내지 제3 온도센서로 측정한 측정 온도에 따라 상기 운전 방식에 대응하는 순환펌프를 제어하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계;(a) When the operation of the fuel cell system begins, the control unit measures the temperature using the first to third temperature sensors, and according to the temperature measured by the first to third temperature sensors according to the operation method of the fuel cell system, the control unit measures the temperature using the first to third temperature sensors. Controlling the operation of the fuel cell system by controlling a circulation pump corresponding to the operation method;

(b) 상기 연료전지시스템의 운전 중 온수 사용이 발생하면, 상기 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브를 폐쇄하고, 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브를 개방하여, 폐열회수 열교환기로 개질부 폐열을 회수시켜 온수를 예열하는 단계;(b) If hot water is used during operation of the fuel cell system, the first and third direction change valves for exhaust and supply air are closed, and the second direction change valve for utilizing waste gas from the reformer is opened to heat the waste heat. Preheating hot water by recovering waste heat from the reformer using a recovery heat exchanger;

(c) 상기 연료전지시스템의 운전 중 온수 비사용시, 상기 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브를 폐쇄하고, 상기 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브를 개방하여, 저온의 급기로 폐열회수 열교환기에서 온수를 냉각시킨 저온수를 배열회수 열교환기로 공급하여 스택부 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.(c) When hot water is not used during operation of the fuel cell system, the second direction change valve for utilizing the reformer waste gas is closed, and the first and third direction change valves for the exhaust and supply air are opened, It is characterized in that it includes the step of supplying low-temperature water cooled by hot water from the waste heat recovery heat exchanger to the heat recovery heat exchanger to cool the stack portion and reduce the discharge of hot water.

상기에서 (c)단계는,In step (c) above,

배기되는 고온의 폐가스와 저온의 급기 간의 온도차를 이용한 대류현상으로 급기를 폐열회수 열교환기에 공급하여 온수를 냉각시킨 후 급ㆍ배기 이중관의 배기관을 통하여 배기시키고, 냉각된 저온수로 배열회수 열교환기에서 스택부의 배열을 냉각시켜 스택부의 냉각수로 공급하는 것을 특징으로 한다.A convection phenomenon using the temperature difference between the discharged high-temperature waste gas and the low-temperature supply air supplies the supply air to the waste heat recovery heat exchanger, cools the hot water, and then exhausts it through the exhaust pipe of the supply and exhaust double pipe, and the cooled low-temperature water is used in the heat recovery heat exchanger. It is characterized in that the arrangement of the stack is cooled and supplied as coolant to the stack.

본 발명에 따르면 연료전지시스템에서 발생한 폐가스의 폐열과 배열을 고온으로 회수하여 급탕수 가열에 활용함으로써, 보일러의 사용을 억제할 수 있어 연료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the waste heat and waste heat of waste gas generated from the fuel cell system are recovered at high temperature and used to heat hot water, thereby suppressing the use of boilers and reducing fuel costs.

특히, 계절적 요인, 시간대별, 건물의 용도에 따라 온수가 불필요할 때 온수를 방류하지 않아 상하수도 요금을 절약하는 효과가 있으며, 급기관과 배기관을 이중관으로 구성하여 급기와 폐가스(배기)의 온도차에 의한 대류현상을 이용하여 강재 급기 및 배기를 하지 않아 송풍팬을 제거할 수 있어, 송풍팬 구동 전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.In particular, it has the effect of saving water and sewerage charges by not discharging hot water when it is not needed depending on seasonal factors, time of day, or the use of the building. The supply and exhaust pipes are composed of double pipes to reduce the temperature difference between the supply and waste gas (exhaust). By using the convection phenomenon, the blower fan can be removed by not supplying or exhausting steel air, which has the effect of saving blower fan driving power.

또한, 온수의 비사용시, 스택부 냉각수로 공급되는 온수를 외기의 낮은 온도의 공기를 동력으로 순환시키지 않고 급기관과 배기관을 이중관으로 구성시켜 온도차에 의한 대류현상으로 외기의 낮은 온도의 공기를 자연 순환시켜 냉각시킴으로써 전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.In addition, when hot water is not used, the hot water supplied as stack cooling water is not circulated using the low-temperature air of the outdoor air as power, but the supply pipe and exhaust pipe are configured as double pipes, so that the low-temperature air of the outdoor air is naturally transported through convection due to the temperature difference. There is an effect of saving power by circulating and cooling.

또한, 산업 구조적인 측면에서 보면, 정부의 신·재생에너지보급 촉진 정부 및 수소 경제 육성정책에 따라 건물용에는 연료전지시스템의 용량을 증가시켜 설치하여야 하는 데, 개질부의 폐열을 이용하여 필요에 따라 추가로 열을 회수하거나, 온수를 냉각시키는 장치를 연료전지시스템 케이스 내부에 구축할 수 있어, 연료전지시스템의 외형 크기가 작고, 별도 기능의 보일러, 방열기를 설치하지 않아도 되므로 연료전지시스템의 제조원가 절감과 제품의 크기를 작게 제작할 수 있는 효과도 있다.In addition, from an industrial structural perspective, in accordance with the government's policy to promote the supply of new and renewable energy and to foster the hydrogen economy, the capacity of the fuel cell system must be increased and installed for buildings. A device that recovers additional heat or cools hot water can be built inside the fuel cell system case, reducing the external size of the fuel cell system and reducing the manufacturing cost of the fuel cell system by eliminating the need to install a separate boiler or radiator. There is also the effect of being able to manufacture smaller products.

또한, 스택부의 온도 유지를 위해, 냉각수를 이용한 수냉 방법과 폐열을 이용한 공냉 방법을 함께 사용함으로써, 스택부의 냉각수 온도를 일정하게 유지시킬 수 있어 제품의 성능을 장시간 유지할 수 있는 장점도 있다.In addition, by using both a water cooling method using coolant and an air cooling method using waste heat to maintain the temperature of the stack section, the coolant temperature of the stack section can be kept constant, which has the advantage of maintaining product performance for a long time.

또한, 연료전지시스템 개질부에서 발생한 폐열은 온수가 필요할 때는 폐열회수 열교환기에 열을 전달하여 열교환을 통해 대기 중으로 낮은 온도로 배출되고, 온수사용이 불필요할 때에는 급기관과 배기관이 이중관으로 구성되어 외기로 이동하는 과정에서 폐열이 냉각되어 낮은 온도로 외기로 배출시킬 수 있어, 외부 환경 영향을 최소화할 수 있다.In addition, when hot water is needed, the waste heat generated from the fuel cell system reformer transfers heat to the waste heat recovery heat exchanger and is discharged into the atmosphere at a low temperature through heat exchange. When hot water is not needed, the supply pipe and exhaust pipe are composed of double pipes to provide external air. In the process of moving to the waste heat, it can be cooled and discharged to the outside air at a low temperature, minimizing the impact on the external environment.

또한, 개질부의 폐가스의 폐열을 폐열회수 열교환기에서 1차로 열교환 후, 스텍부에서 발생한 배열을 배열회수 열교환기에 2차로 열을 회수하여 급탕수로 공급할 수 있어 연료전지시스템의 배열 활용도를 높여 운전 경제성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.In addition, after the waste heat from the waste gas of the reforming unit is first heat exchanged in the waste heat recovery heat exchanger, the heat generated in the stack unit can be recovered secondarily in the heat recovery heat exchanger and supplied as domestic hot water, increasing the utilization of the heat generated by the fuel cell system and operating economy. There is also an effect that can improve.

도 1은 종래 연료전지시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치의 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치의 온수 사용 및 비사용시 배기 및 급기 흐름 예시이고,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감방법을 보인 흐름도이다.1 is a configuration diagram of a conventional fuel cell system;
Figure 2 is a configuration diagram of a fuel cost reduction device utilizing waste heat from a fuel cell reformer according to the present invention;
Figure 3 is an example of exhaust and supply air flows when hot water is used and not used in the fuel cost reduction device using waste heat from the fuel cell reformer according to the present invention;
Figure 4 is a flow chart showing a method of reducing fuel costs by utilizing waste heat from a fuel cell reformer according to the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a fuel cost reduction device and method using waste heat from a fuel cell reformer according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached 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 limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to explain his/her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.

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 the entire technical idea of the present invention, and therefore various equivalents and It should be understood that variations may exist.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치의 온수 사용 및 비사용시 배기 및 급기 흐름 예시이다.Figure 2 is a configuration diagram of a fuel cost reduction device utilizing waste heat from a fuel cell reformer according to the present invention, and Figure 3 is a configuration diagram of a fuel cost reduction device utilizing waste heat from a fuel cell reformer according to the present invention. Exhaust and supply air when hot water is used and not used. This is an example flow.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치(100)는 도시가스 등의 연료를 수소(H2)로 개질하는 개질부(110), 상기 개질부(110)에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택부(발전부)(120), 상기 개질부(110)의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부(110)에 공급하고, 상기 스택부(120)에 필요한 산소를 공급하며, 상기 개질부(110)에서 발생한 폐가스(배기가스)와 폐열을 외기로 배기하는 급기 및 배기장치(130)를 포함할 수 있다.A fuel cost saving device 100 utilizing waste heat from a fuel cell reformer according to a preferred embodiment of the present invention includes a reforming unit 110 that reformes fuel such as city gas into hydrogen (H2), and reforming in the reforming unit 110. A stack unit (power generation unit) 120 that produces power by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and oxygen is supplied to the reforming unit 110 to lower the concentration of carbon monoxide generated during the reforming process of the reforming unit 110. It may include an air supply and exhaust device 130 that supplies necessary oxygen to the stack unit 120 and exhausts waste gas (exhaust gas) and waste heat generated in the reforming unit 110 to the outside air.

여기서 급기 및 배기장치(130)와 개질부(110) 및 스택부(120)와 연결되는 급기관에는 공기 필터가 구비되어, 상기 급기 및 배기장치(130)를 통해 공급된 급기에 포함된 이물질 등을 여과할 수 있다. 아울러 상기 공기 필터를 통해 공급되는 급기는 블로워(blower)(174)를 통해 개질부(110)에 공급되고, 블로워(blower)(175)를 통해 스택부(120)에 공급될 수 있다.Here, the air supply pipe connected to the air supply and exhaust device 130, the reforming unit 110, and the stack unit 120 is equipped with an air filter, such as foreign substances contained in the air supplied through the air supply and exhaust device 130, etc. can be filtered. In addition, the air supplied through the air filter may be supplied to the reforming unit 110 through a blower 174 and may be supplied to the stack unit 120 through a blower 175.

여기서 급기 및 배기장치(130)는 내측에 배기관(131)이 형성되고 그 배기관(131)의 외면을 감싸고 급기관(132)이 형성되는 이중관으로 형성될 수 있다.Here, the air supply and exhaust device 130 may be formed as a double pipe in which an exhaust pipe 131 is formed on the inside and an air supply pipe 132 is formed surrounding the outer surface of the exhaust pipe 131.

상기 급기관(132)은 상기 배기관(131)을 중심으로 분기되는 형태이며, 상기 배기관(131)은 상기 개질부(110)의 폐가스를 바로 배기하거나 폐열회수 열교환기(160)를 통과한 폐가스를 배기하도록 분기관이 형성될 수 있다.The air supply pipe 132 is branched around the exhaust pipe 131, and the exhaust pipe 131 directly exhausts the waste gas from the reformer 110 or exhausts the waste gas that has passed through the waste heat recovery heat exchanger 160. A branch pipe may be formed to exhaust air.

또한, 상기 급기관에서 분기된 급기관은 폐열회수 열교환기(160)를 통과 후 급기 및 배기장치(130)의 배기관(131)과 연결하여 배기되도록 분기관이 형성될 수 있다.In addition, a branch pipe may be formed so that the air supply pipe branched from the air supply pipe passes through the waste heat recovery heat exchanger 160 and is then connected to the exhaust pipe 131 of the air supply and exhaust device 130 for exhaustion.

이러한 급기 및 배기장치(130)는 급기시 고온의 배기(폐가스)와 저온의 급기 간의 온도차로 인한 대류현상을 통해 급기의 온도를 낮추어 공급할 수 있다.This air supply and exhaust device 130 can supply air by lowering the temperature of the supply air through a convection phenomenon caused by a temperature difference between high-temperature exhaust (waste gas) and low-temperature supply air.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치(100)는 상기 개질부(110)의 수증기 개질 반응 과정에 공급하는 물과 상기 스택부(120)의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 냉각수를 저장 및 공급하는 물탱크(140), 상기 스택부(120)에서 생산된 전력을 교류로 변환하여 계통으로 공급하는 인버터(150), 상기 개질부(110)에서 발생한 고온의 폐가스 폐열을 회수하거나, 대기의 공기를 이용하여 상기 스택부(120)의 배열을 사용하지 않은 온수의 온도를 냉각시키는 폐열회수 열교환기(160)를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cost saving device 100 utilizing the waste heat of the fuel cell reformer according to a preferred embodiment of the present invention adjusts the temperature of the water supplied to the steam reforming reaction process of the reformer 110 and the stack unit 120. A water tank 140 for storing and supplying cooling water to maintain a constant temperature, an inverter 150 for converting the power produced in the stack unit 120 into alternating current and supplying it to the system, and converting the power generated in the reforming unit 110 into alternating current. It may include a waste heat recovery heat exchanger 160 that recovers high-temperature waste gas waste heat or uses atmospheric air to cool the temperature of hot water that is not used in the array of the stack unit 120.

이러한 폐열회수 열교환기(160)는 온수가 필요할 경우, 상기 개질부(110)에서 배기되는 폐가스의 폐열을 회수하여 급탕용 온수를 예열시켜, 보일러를 이용한 가열을 제거하여 보일러 사용에 따른 연료비를 절감할 수 있다.When hot water is needed, this waste heat recovery heat exchanger 160 recovers the waste heat of the waste gas exhausted from the reformer 110 and preheats the hot water for hot water supply, eliminating heating using a boiler to reduce fuel costs due to boiler use. can do.

또한, 폐열회수 열교환기(160)는 온수가 불필요할 경우, 상기 급기 및 배기장치(130)의 급기관(132)을 통해 낮은 온도의 급기로 상기 폐열회수 열교환기(160)에서 온수를 냉각시킨 후, 상기 급기 및 배기장치(130)의 분기된 배기관(131)을 통하여 배기시키고, 상기 폐열회수 열교환기(160)에서 냉각된 온수는 상기 배열회수 열교환기(180)로 공급되어 스택부(120)의 배열을 냉각시켜, 온수 방류수를 줄여 상하수도 요금을 절감하도록 도모해줄 수 있다.In addition, when hot water is not needed, the waste heat recovery heat exchanger 160 cools the hot water in the waste heat recovery heat exchanger 160 with low temperature supply air through the air supply pipe 132 of the air supply and exhaust device 130. Afterwards, the air is exhausted through the branched exhaust pipe 131 of the air supply and exhaust device 130, and the hot water cooled in the waste heat recovery heat exchanger 160 is supplied to the heat recovery heat exchanger 180 to form the stack unit 120. ) can help reduce water and sewage bills by cooling the array, thereby reducing hot water discharge.

또한, 상기 폐열회수 열교환기(160)의 내부에는 송풍팬을 설치하여, 개질부(110)의 고온 폐열회수 및 온수의 냉각 효율을 증대시켜, 상기 배열회수 열교환기(180)에 공급하여 상기 스택부(120)의 배열을 회수하거나 냉각시켜 효율을 극대화할 수 있다.In addition, a blowing fan is installed inside the waste heat recovery heat exchanger 160 to increase the efficiency of recovering high-temperature waste heat and cooling hot water of the reformer 110 and supplying it to the heat recovery heat exchanger 180 to the stack. Efficiency can be maximized by recovering or cooling the array of unit 120.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치(100)는 상기 급기 및 배기장치(130)와 상기 개질부(110)의 사이 및 상기 폐열회수 열교환기(160)의 사이에 분기된 급기 및 배기관에 급기 및 배기의 방향을 전환하는 제1 내지 제3 방향전환밸브(171 - 173)를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cost reduction device 100 utilizing the waste heat of the fuel cell reformer according to a preferred embodiment of the present invention is provided between the air supply and exhaust device 130 and the reformer 110 and the waste heat recovery heat exchanger 160. ) may include first to third direction change valves 171 to 173 that change the direction of air supply and exhaust to the air supply and exhaust pipes branched between.

상기 제1 방향전환밸브(171)는 상기 개질부(110)에서 발생하는 폐가스를 배기하는 배기관(131) 사이에 형성된 관로에 구비되어, 폐가스를 바로 배기하거나 배기를 차단하는 역할을 한다.The first direction switching valve 171 is provided in a pipe formed between the exhaust pipes 131 that exhaust the waste gas generated in the reforming unit 110, and serves to directly exhaust the waste gas or block the exhaust gas.

상기 제2방향전환밸브(172)는 상기 개질부(110)에서 발생한 폐가스가 상기 배열회수 열교환기(160)로 공급되는 관로에 구비되어, 상기 개질부(11)에서 발생한 폐가스가 상기 배열회수 열교환기(160)로 회수되거나 차단하는 역할을 한다.The second direction switching valve 172 is provided in a pipe through which waste gas generated in the reforming unit 110 is supplied to the heat exchanger 160, and the waste gas generated in the reforming unit 11 is supplied to the heat exchanger for heat recovery. It plays a role in recovering or blocking the air (160).

상기 제3방향전환밸브(173)는 상기 급기관(132)을 통해 공급된 급기를 상기 페열회수 열교환기(160)로 공급하거나 차단하는 역할을 한다.The third direction switching valve 173 serves to supply or block the air supplied through the air supply pipe 132 to the waste heat recovery heat exchanger 160.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치(100)는 상기 폐열회수 열교환기(160)에서 획득한 열과 상기 스택부(120)의 배열을 이용하여 열교환을 통해 온수의 온도를 높이거나 냉각시키는 역할을 한다. 여기서 연료전지시스템에서 전력 생산 후 발생하는 배열(온수)은 "에너지"가 될 수 있다.In addition, the fuel cost reduction device 100 utilizing the waste heat of the fuel cell reformer according to a preferred embodiment of the present invention performs heat exchange using the heat obtained from the waste heat recovery heat exchanger 160 and the arrangement of the stack unit 120. It serves to increase or cool the temperature of hot water. Here, the waste heat (hot water) generated after power generation in the fuel cell system can be “energy.”

이러한 배열회수 열교환기(180)는 온수 사용시 스택부(120)의 배열(온수)을 회수하여 열교환을 통해 온수를 가열하는 역할을 하며, 온수 비사용시 폐열회수 열교환기(160)에서 냉각된 저온의 온수를 이용하여 상기 스택부(120)의 배열을 냉각하는 역할을 한다.This heat recovery heat exchanger 180 serves to recover the heat (hot water) from the stack unit 120 when hot water is used and heat the hot water through heat exchange. When hot water is not used, the low temperature cooled in the waste heat recovery heat exchanger 160 is used. It serves to cool the array of the stack unit 120 using hot water.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치(100)는 상기 물탱크(140)에서 상기 스택부(120)로 이동하는 물의 온도를 측정하며, 상기 스택부(120)에서 배열회수 열교환기(180)로 공급되는 배열의 온도를 측정하며, 상기 온수저장탱크(200)에서 공급한 온수가 폐열회수 열교환기(160)에서 열교환 후 배열회수 열교환기(180)로 이송되는 온수의 온도를 측정하는 제1 내지 제3 온도센서(191 - 193)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 온도센서(191 - 193)에서 각각 측정된 온도 측정값은 후술하는 제어부(195)에 전달된다.In addition, the fuel cost reduction device 100 utilizing waste heat from the fuel cell reformer according to a preferred embodiment of the present invention measures the temperature of water moving from the water tank 140 to the stack unit 120, and measures the temperature of the water moving from the water tank 140 to the stack unit 120. The temperature of the heat supplied from (120) to the heat recovery heat exchanger (180) is measured, and the hot water supplied from the hot water storage tank (200) is exchanged in the waste heat recovery heat exchanger (160) and then transferred to the heat recovery heat exchanger (180). It may include first to third temperature sensors 191 - 193 that measure the temperature of the hot water being transported. The temperature measurement values measured by the first to third temperature sensors 191 to 193 are transmitted to the control unit 195, which will be described later.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치(100)는 상기 제1 내지 제3 온도센서(191 - 193)의 감지 온도와 온수의 사용 유무 및 상기 스택부(120)의 배열 회수 및 냉각에 따라 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브(171 - 173)의 작동을 제어하여, 온수 사용시에는 개질부(110)의 폐열을 회수하여 연료비 절감을 도모하고, 온수 비사용시에는 스택부(120) 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄이는 제어부(195)를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cost saving device 100 utilizing waste heat from the fuel cell reformer according to a preferred embodiment of the present invention determines the detection temperature of the first to third temperature sensors 191 to 193, whether hot water is used, and the stack unit. By controlling the operation of the first to third direction switching valves (171 - 173) according to the heat recovery and cooling of (120), when using hot water, waste heat of the reformer (110) is recovered to reduce fuel costs, and hot water When not in use, it may include a control unit 195 that cools the array of the stack unit 120 to reduce the discharge of hot water.

이러한 제어부(195)는 중앙처리장치(CPU), 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등과 같은 제어장치로 구현할 수 있다.This control unit 195 can be implemented with a control device such as a central processing unit (CPU), controller, microcomputer, or microprocessor.

상기 제어부(195)는 온수가 필요할 경우, 상기 개질부(110)에서 배기되는 폐가스를 상기 폐열회수 열교환기(160)로 공급하여, 폐열 회수를 통해 온수를 예열시켜 연료비를 절감하도록 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브(171 - 173)를 제어할 수 있다.When hot water is needed, the control unit 195 supplies the waste gas exhausted from the reformer 110 to the waste heat recovery heat exchanger 160, and preheats the hot water through waste heat recovery to reduce fuel costs. The third direction switching valves (171 - 173) can be controlled.

또한, 상기 제어부(195)는 온수가 불필요할 경우, 외부의 낮은 온도의 급기를 상기 폐열회수 열교환기(160)로 공급하여 온수를 냉각시킨 후, 급기 및 배기장치(130)의 배기관(131)을 통하여 배기시키고, 냉각된 온수는 배열회수 열교환기(180)로 공급하여, 상기 스택부(120)의 배열(온수)을 냉각시켜 온수 방류수를 줄이도록 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브(171 - 173)를 제어할 수 있다.In addition, when hot water is not needed, the control unit 195 cools the hot water by supplying external low-temperature supply air to the waste heat recovery heat exchanger 160, and then connects the exhaust pipe 131 of the air supply and exhaust device 130. and the cooled hot water is supplied to the heat recovery heat exchanger 180, so as to cool the heat (hot water) of the stack unit 120 and reduce the discharge of hot water through the first to third direction change valves 171. - 173) can be controlled.

온수저장탱크(200)는 급탕용 온수를 저장하는 탱크로서, 연료전지시스템의 구성과는 별개의 독립된 장치로 구성될 수 있다.The hot water storage tank 200 is a tank that stores hot water for hot water supply, and may be configured as an independent device separate from the configuration of the fuel cell system.

여기서 급기 및 배기장치(130), 개질부(110), 스택부(120), 물탱크(140), 인버터(150), 폐열회수 열교환기(160), 배열회수 열교환기(180) 등은 연료전지시스템으로서, 연료전지시스템의 케이스 내부에 내장되어, 연료전지시스템의 외형 크기를 작게 구현할 수 있으며, 특히, 별도 기능의 보일러, 방열기를 설치하지 않아도 되므로 연료전지시스템의 제조원가 절감과 제품의 크기를 작게 제작할 수 있도록 도모해준다.Here, the air supply and exhaust device 130, the reformer 110, the stack 120, the water tank 140, the inverter 150, the waste heat recovery heat exchanger 160, and the heat recovery heat exchanger 180 are used as fuel. As a battery system, it is built inside the case of the fuel cell system, making it possible to reduce the external size of the fuel cell system. In particular, there is no need to install a separate boiler or radiator, thereby reducing the manufacturing cost of the fuel cell system and increasing the size of the product. It helps to make it small.

도 4는 본 발명에 따른 "연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감방법"을 보인 흐름도로서, (a) 연료전지시스템의 운전이 시작되면 제어부(195)에서 제1 내지 제3 온도센서(191 - 193)로 온도를 측정하고, 연료전지시스템의 운전 방식에 따라 상기 제1 내지 제3 온도센서(191 - 193)로 측정한 측정 온도에 따라 상기 운전 방식에 대응하는 순환펌프(174 - 178)를 제어하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계(S101 - S103), (b) 상기 연료전지시스템의 운전 중 온수 사용이 발생하면, 상기 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브(171, 173)를 폐쇄(close)하고, 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브(172)를 개방(open)하여, 개질부 폐가스의 폐열을 폐열회수 열교환기(160)로 회수시켜 온수를 예열하는 단계(S104 - S106), 및 (c) 상기 연료전지시스템의 운전 중 온수 비사용시, 상기 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브(172)를 폐쇄하고, 상기 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브(171, 173)를 개방하여, 상기 급기관(132)으로 유입된 저온의 공기를 상기 폐열회수 열교환기(160)에 공급하여 온수를 냉각시킨 후 상기 급기 및 배기장치(130)의 배기관(131)을 통하여 배기시키고, 상기 폐열회수 열교환기(160)에서 냉각된 온수는 상기 배열회수 열교환기(180)로 공급되어 스택부의 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄이는 단계(S107 - S109)를 포함할 수 있다.Figure 4 is a flowchart showing the "fuel cost reduction method using waste heat of the fuel cell reformer" according to the present invention. (a) When the operation of the fuel cell system begins, the control unit 195 detects the first to third temperature sensors 191 - 193), and according to the operation method of the fuel cell system, circulation pumps 174 to 178 corresponding to the operation method are operated according to the measured temperature measured by the first to third temperature sensors 191 to 193. Controlling the operation of the fuel cell system (S101 - S103), (b) when hot water is used during operation of the fuel cell system, the first and third direction change valves 171 for the exhaust and supply air, 173) is closed and the second direction switching valve 172 for utilizing the reformer waste gas is opened to recover the waste heat of the reformer waste gas to the waste heat recovery heat exchanger 160 to preheat the hot water. Steps (S104 - S106), and (c) when hot water is not used during operation of the fuel cell system, the second direction switching valve 172 for utilizing waste gas from the reformer is closed, and the first and second valves for exhaust and supply air are closed. By opening the third direction switching valves 171 and 173, the low-temperature air flowing into the air supply pipe 132 is supplied to the waste heat recovery heat exchanger 160 to cool the hot water, and then the air supply and exhaust device 130 ) is exhausted through the exhaust pipe 131, and the hot water cooled in the waste heat recovery heat exchanger 160 is supplied to the heat recovery heat exchanger 180 to cool the stack portion to reduce the discharge of hot water (S107 - S109) may be included.

상기 (c)단계는 배기되는 고온의 폐가스와 저온의 급기 간의 온도차를 이용한 대류현상으로 급기를 상기 급기관(132)으로 유입된 저온의 공기로 상기 폐열회수 열교환기(160)에서 온수를 냉각시킨 후 상기 급기 및 배기장치(130)의 배기관(131)을 통하여 배기시키고, 상기 폐열회수 열교환기(160)에서 냉각된 온수는 상기 배열회수 열교환기(180)로 공급되어 스택부의 배열을 냉각시키는 스택부 냉각수로 공급할 수 있다.In step (c), the hot water is cooled in the waste heat recovery heat exchanger 160 with the low-temperature air flowing into the supply pipe 132 through a convection phenomenon using the temperature difference between the discharged high-temperature waste gas and the low-temperature supply air. Then, the air is exhausted through the exhaust pipe 131 of the air supply and exhaust device 130, and the hot water cooled in the waste heat recovery heat exchanger 160 is supplied to the heat recovery heat exchanger 180 to cool the heat of the stack portion. It can be supplied as secondary coolant.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치 및 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The fuel cost reduction device and method utilizing waste heat from the fuel cell reformer according to the preferred embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail as follows.

먼저, 연료전지시스템의 운전이 시작되면 제어부(195)에서 제1 내지 제3 온도센서(191 - 193)로 온도를 측정하고, 연료전지시스템의 운전 방식에 따라 상기 제1 내지 제3 온도센서(191 - 193)로 측정한 측정 온도에 따라 상기 운전 방식에 대응하는 순환펌프(174 - 178)를 적절히 제어하여 연료전지시스템의 운전을 제어한다(S101 - S103). 여기서 연료전지시스템은 운전을 시작하면 전력 생산과 배열 발생이 동시에 이루어지며, 온수 사용 운전과 온수 비사용 운전으로 운전 방식이 구분될 수 있다.First, when the operation of the fuel cell system begins, the control unit 195 measures the temperature using the first to third temperature sensors 191 - 193, and the first to third temperature sensors ( The operation of the fuel cell system is controlled by appropriately controlling the circulation pumps (174 - 178) corresponding to the operation method according to the measured temperature (S101 - 193) (S101 - S103). Here, when the fuel cell system starts operating, power production and heat generation occur simultaneously, and the operation method can be divided into hot water use operation and hot water nonuse operation.

본 발명의 연료전지시스템은 크게 온수 사용 운전과 온수 비사용 운전으로 대별되며, 이를 구분하여 설명하면 다음과 같다.The fuel cell system of the present invention is largely divided into hot water use operation and hot water non-use operation, which are separately explained as follows.

연료 전지시스템의 운전 시작시 급기 및 배기장치(130)의 급기관(132)을 통해 공급된 급기는 공기 필터를 통해 이물질 등이 제거된 후 블로워(Blower)(174)를 통해 개질부(110)에 공급되고, 블로워(blower)(175)를 통해 스택부(120)에 공급된다.When the operation of the fuel cell system starts, the air supplied through the air supply pipe 132 of the air supply and exhaust device 130 has foreign substances removed through an air filter, and then is sent to the reformer 110 through a blower 174. and is supplied to the stack unit 120 through a blower 175.

온수 사용 운전이나 운전 비사용 운전 모두 발전부인 스택부(120)에서 전력 생산이 이루어지며, 이렇게 생산된 전력은 인버터(150)를 통해 교류로 변환하여 전력계통으로 공급된다.In both the operation using hot water and the operation not using hot water, power is produced in the stack unit 120, which is a power generation unit, and the power produced in this way is converted to alternating current through the inverter 150 and supplied to the power system.

먼저, 온수 사용시의 연료전지시스템의 운전 제어 과정을 설명하면 다음과 같다.First, the operation control process of the fuel cell system when using hot water is explained as follows.

연료전지시스템의 스택부(120)에서 발생된 배열 및 개질부(110)의 폐가스의 폐열을 회수하여 건물의 급탕수 또는 온수가 필요할 때는, 제어부(195)는 물탱크(150)와 스택부(120)로 연결되는 배관 사이에 설치된 온도센서(TS-1)(191)의 온도 값과, 스택부(120)와 스택부(120)의 배열을 회수하는 배열회수 열교환기(180) 사이에 연결된 배관에 설치된 온도센서(TS-2)(192)의 온도 값, 온수를 사용하고 낮아진 온수가 열을 취득하기 위하여 폐열회수 열교환기(160) 후단 배관에 설치된 온도센서(TS-3)(193)의 온도 값을 감지한다.When the waste heat of the waste gas of the waste heat and reforming unit 110 generated in the stack unit 120 of the fuel cell system is needed and hot water or hot water for the building is needed, the control unit 195 operates the water tank 150 and the stack unit ( The temperature value of the temperature sensor (TS-1) (191) installed between the pipes connected to 120) and the heat exchanger (180) connected between the stack unit (120) and the heat recovery heat exchanger (180) that recovers the heat of the stack unit (120). Temperature value of the temperature sensor (TS-2) (192) installed in the pipe, temperature sensor (TS-3) (193) installed in the pipe at the rear of the waste heat recovery heat exchanger (160) to acquire heat from the lowered hot water after using hot water. Detect the temperature value.

스택부(120)의 배열을 회수하는 배열회수 열교환기(180)로 연결된 급탕수 배관에 설치된 온도센서(TS-2)(192)의 온도 값, 온수를 사용하고 낮아진 온수가 열을 취득하기 위하여 폐열회수 열교환기(160) 후단 배관에 설치된 온도센서(TS-3)(193)의 온도 값을 감지한다.Temperature value of the temperature sensor (TS-2) (192) installed in the hot water supply pipe connected to the heat recovery heat exchanger (180) that recovers the heat from the stack unit (120), to obtain heat from the lowered hot water after using hot water. The temperature value of the temperature sensor (TS-3) (193) installed in the pipe at the rear of the waste heat recovery heat exchanger (160) is detected.

이어, 온도센서(TS-1)(191)의 온도 값이 설정 온도(예를 들어, 45℃) 이하이며, 온도센서(TS-2)(192)의 온도 값이 온도센서(TS-3)(193)의 온도 값보다 높을 때는 개질부(110)에서 발생한 고온의 폐가스를 외기로 배출시키는 배기관에 설치된 제1방향전환밸브(171)를 폐쇄한다. 아울러 배기관에서 분기된 배기관에 설치된 제2방향전환밸브(172)는 개방하며, 급ㆍ배기 이중관의 급기관에서 분기된 급기관에 설치된 제3방향전환밸브(173)는 폐쇄한다. 이로써 개질부(110)에서 발생한 고온의 폐가스가 개방된 제2방향전환밸브(172)를 통해 폐열회수 열교환기(160)로 공급된다.Next, the temperature value of the temperature sensor (TS-1) (191) is below the set temperature (e.g., 45°C), and the temperature value of the temperature sensor (TS-2) (192) is below the set temperature (e.g., 45°C). When the temperature is higher than the temperature value of (193), the first direction switching valve 171 installed in the exhaust pipe that discharges the high temperature waste gas generated in the reforming unit 110 to the outside air is closed. In addition, the second direction switching valve 172 installed in the exhaust pipe branched from the exhaust pipe is opened, and the third direction switching valve 173 installed in the air supply pipe branched from the supply pipe of the supply/exhaust dual pipe is closed. Accordingly, the high-temperature waste gas generated in the reforming unit 110 is supplied to the waste heat recovery heat exchanger 160 through the open second direction switching valve 172.

폐열회수 열교환기(160)는 회수된 고온의 폐열을 이용하여 건물의 급탕수로 사용 후 낮아진 온도의 온수와 열교환하여 1차로 급탕용 온수를 가열한다. 이후, 폐열회수 열교환기(160)에서 1차 예열된 온수는 스택부(120)의 배열회수 열교환기(180)로 공급되며, 스택부(120)에서 발생한 고온의 배열을 회수하여 2차로 열교환을 하여 고온의 급탕수를 생성한다(S104 - S106, S110). 이렇게 생성된 급탕수는 온수저장탱크(200)에 저장된다.The waste heat recovery heat exchanger 160 uses the recovered high-temperature waste heat to exchange heat with hot water at a lower temperature after being used as hot water for the building, thereby first heating the hot water for domestic hot water. Afterwards, the hot water preheated first in the waste heat recovery heat exchanger 160 is supplied to the heat recovery heat exchanger 180 of the stack part 120, and the high temperature heat generated in the stack part 120 is recovered to perform secondary heat exchange. This generates high-temperature hot water (S104 - S106, S110). The hot water produced in this way is stored in the hot water storage tank 200.

이렇게 개질부에서 발생한 고온의 폐열과 스택부에서 발생한 고온의 배열을 이용하여 급탕용 온수를 가열함으로써, 급탕용 온수 생성이 가능하며, 이로써, 기존과 같이 급탕용 온수 가열을 위한 보일러를 제거할 수 있어, 보일러 사용에 따른 연료비를 절감할 수 있게 되는 것이다.In this way, it is possible to generate hot water for hot water supply by heating the hot water for hot water supply using the high-temperature waste heat generated in the reforming section and the high-temperature array generated in the stack section. As a result, it is possible to eliminate the boiler for heating hot water for hot water supply as in the past. Therefore, it is possible to reduce fuel costs due to boiler use.

다음으로, 온수 비사용시의 연료전지시스템의 운전 제어 과정을 설명하면 다음과 같다.Next, the operation control process of the fuel cell system when hot water is not used is explained as follows.

상기 연료전지시스템(100)의 운전 제어시, 건물의 급탕수 또는 온수의 사용이 불필요할 때는, 상기 개질부(110)의 폐가스의 폐열과 저온의 급기를 이용하여 온수를 냉각시킨 저온수로 스택부(120)에서 발생하는 배열을 냉각하여 스택부(120)의 온도 유지에 활용하도록 한다.When controlling the operation of the fuel cell system 100, when it is unnecessary to use the building's hot water or hot water, the hot water is cooled using the waste heat of the waste gas of the reformer 110 and the low-temperature supply air, and the stack is stacked with low-temperature water. The heat generated in the unit 120 is cooled and used to maintain the temperature of the stack unit 120.

예컨대, 제어부(195)는 물탱크(150)와 스택부(120)로 연결되는 배관 사이에 설치된 온도센서(TS-1)(191)의 온도 값과, 스택부(120)와 스택부(120)의 배열을 회수하는 배열회수 열교환기(180) 사이에 연결된 배관에 설치된 온도센서(TS-2)(192)의 온도 값, 온수의 비사용으로 높아진 온수의 열을 냉각하기 위하여 폐열회수 열교환기(160)의 후단 배관에 설치된 온도센서(TS-3)(193)의 온도 값을 감지한다.For example, the control unit 195 determines the temperature value of the temperature sensor (TS-1) 191 installed between the water tank 150 and the pipe connected to the stack unit 120, and the stack unit 120 and the stack unit 120. ), the temperature value of the temperature sensor (TS-2) (192) installed in the pipe connected between the heat recovery heat exchanger (180), which recovers the waste heat recovery heat exchanger to cool the heat of the hot water that has increased due to the non-use of hot water. The temperature value of the temperature sensor (TS-3) (193) installed in the downstream pipe of (160) is detected.

이어, 상기 온도센서(TS-1)(191)의 온도 값이 설정 온도(예를 들어, 45℃) 이상일 때 및 온도센서(TS-2)(192)의 온도 값이 온도센서(TS-3)(193)의 온도 값보다 높을 때는, 개질부(110)에서 발생한 고온의 폐가스를 외기로 배출시키는 배기관에 설치된 제1방향전환밸브(171)를 개방한다. 아울러 배기관에서 분기된 배기관에 설치된 제2방향전환밸브(172)는 폐쇄하며, 급ㆍ배기 이중관의 급기관에서 분기된 급기관에 설치된 제3방향전환밸브(173)를 개방한다(S107).Next, when the temperature value of the temperature sensor (TS-1) (191) is higher than the set temperature (e.g., 45°C) and the temperature value of the temperature sensor (TS-2) (192) is higher than the temperature sensor (TS-3) ) When the temperature is higher than the value of (193), the first direction switching valve 171 installed in the exhaust pipe that discharges the high-temperature waste gas generated in the reforming unit 110 to the outside air is opened. In addition, the second direction switching valve 172 installed in the exhaust pipe branched from the exhaust pipe is closed, and the third direction switching valve 173 installed in the air supply pipe branched from the supply pipe of the supply/exhaust dual pipe is opened (S107).

이에 따라 개질부(110)에서 발생한 고온의 폐가스는 이중관인 급기 및 배기장치(130)의 배기관(131)을 통해 배출시킨다. 이때, 이중관으로 이루어진 급기 및 배기장치(130)의 급기관(132)에서 분기된 급기관으로 유입된 저온의 외부 공기는 상기 배기관(131)으로 배출되는 고온의 폐가스와의 온도차에 의한 대류현상으로 인해 폐열회수 열교환기(160)로 공급된다.Accordingly, the high-temperature waste gas generated in the reforming unit 110 is discharged through the exhaust pipe 131 of the double pipe air supply and exhaust device 130. At this time, the low-temperature external air flowing into the supply pipe branched from the supply pipe 132 of the double-pipe air supply and exhaust device 130 is a convection phenomenon caused by the temperature difference with the high-temperature waste gas discharged through the exhaust pipe 131. As a result, the waste heat is supplied to the heat exchanger (160).

이에 따라 급ㆍ배기 이중관의 급기관으로 유입된 저온의 외부 공기는 상기 폐열회수 열교환기(160)에서 건물의 급탕수로 사용하지 않은 고온의 온수를 열교환하여 1차로 냉각시킨 후 열을 회수하여 급ㆍ배기 이중관의 배기관에 연결되어 배기된다.Accordingly, the low-temperature outside air flowing into the supply pipe of the supply/exhaust double pipe is first cooled by heat exchanging high-temperature hot water that is not used as hot water for the building in the waste heat recovery heat exchanger (160), and then heat is recovered and supplied as supply water. ㆍIt is connected to the exhaust pipe of the exhaust double pipe and is exhausted.

상기 폐열회수 열교환기(160)는 건물의 급탕수로 사용하지 않은 고온의 온수를 급ㆍ배기 이중관의 급기관으로 유입된 저온의 외부 공기와 열 교환하여 1차로 냉각시킨 후 배열회수 열교환기(180)로 공급한다.The waste heat recovery heat exchanger (160) first cools the high-temperature hot water that is not used as the building's hot water by heat-exchanging it with the low-temperature external air flowing into the supply pipe of the supply/exhaust double pipe, and then exchanges it with the heat recovery heat exchanger (180). ) is supplied.

상기 폐열회수 열교환기(160)는 상기 저온의 외부 공기와 건물의 급탕수로 사용하지 않은 고온의 온수를 열 교환하여 1차로 냉각시킨 후 배열회수 열교환기(180)로 공급한다.The waste heat recovery heat exchanger (160) performs heat exchange between the low-temperature outside air and the high-temperature hot water that is not used as hot water for the building, cools it first, and then supplies it to the heat recovery heat exchanger (180).

상기 배열회수 열교환기(180)는 상기 1차로 냉각된 저온수를 이용하여 상기 스택부(120)에서 발생한 고온의 배열(온수)을 2차로 열 교환하여 스택부(120)의 배열을 냉각시킨다(S108).The heat recovery heat exchanger 180 uses the primarily cooled low-temperature water to secondarily heat exchange the high-temperature waste heat (hot water) generated in the stack unit 120 to cool the array of the stack unit 120 ( S108).

이렇게 냉각된 배열은 물탱크(140)에 저장된 후, 상기 스택부(120)의 냉각수로 사용된다. 이에 따라 급탕수 및 온수를 사용하지 않을 때 기존과 같이 스택부(120)의 배열이 물탱크(140)에 저장된 후 방류되는 온수 방류수를 줄일 수 있어, 온수 방류에 따른 방류 비용을 절감하고, 아울러 시수의 사용량을 줄여 상하수도 요금을 절감할 수 있게 되는 것이다(S109).The cooled array is stored in the water tank 140 and then used as coolant for the stack unit 120. Accordingly, when domestic hot water and hot water are not used, the arrangement of the stack unit 120 can reduce the amount of hot water discharged after being stored in the water tank 140 as before, thereby reducing the discharge cost due to hot water discharge. By reducing the amount of city water used, water and sewage charges can be reduced (S109).

이상 상술한 본 발명에 따르면 연료전지시스템에서 발생한 폐가스의 폐열과 배열을 고온으로 회수하여 급탕수 가열에 활용함으로써, 보일러의 사용을 억제할 수 있어 연료비를 절감할 수 있다.According to the present invention described above, waste heat and heat from waste gas generated from the fuel cell system are recovered at high temperature and used to heat hot water, thereby suppressing the use of boilers and reducing fuel costs.

또한, 계절적 요인, 시간대별, 건물의 용도에 따라 온수가 불필요할 때, 스택부에서 발생한 배열(온수)을 방류하지 않아 상하수도 요금을 절약할 수 있으며, 급기관과 배기관을 이중관으로 구성하여 급기와 폐가스(배기)의 온도차에 의한 대류현상을 이용하여 자연스럽게 배기 방출 및 급기가 가능하여, 급기 및 배기를 하는 송풍팬을 제거할 수 있어, 송풍팬 구동 전력도 절감할 수 있다.In addition, when hot water is not needed depending on seasonal factors, time of day, or the use of the building, water and sewage charges can be saved by not discharging waste heat (hot water) generated in the stack. The supply and exhaust pipes are made of double pipes, so the supply and exhaust pipes are made of double pipes. By using the convection phenomenon caused by the temperature difference of the waste gas (exhaust), it is possible to naturally discharge and supply air, and the blower fan that supplies and exhausts air can be eliminated, thereby saving blower fan driving power.

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 embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the gist of the invention, as is known in the art. It is self-evident to those who have it.

100: 연료전지 개질부의 폐열을 활용한 연료비 절감장치(연료전지시스템)
110: 개질부
120: 스택부
130: 급기 및 배기장치
131: 배기관
132: 흡기관
140: 물탱크
150: 인버터
160: 폐열회수 열교환기
171 - 173: 제1 내지 제3 방향전환밸브
174 - 175: 블로워
176 - 178: 순환펌프
180: 배열회수 열교환기
191 - 193: 제1 내지 제3 온도센서
195: 제어부 100: Fuel cost reduction device using waste heat from the fuel cell reformer (fuel cell system)
110: reforming unit
120: Stack part
130: Air supply and exhaust device
131: exhaust pipe
132: intake pipe
140: water tank
150: inverter
160: Waste heat recovery heat exchanger
171 - 173: first to third direction change valves
174 - 175: Blower
176 - 178: Circulation pump
180: Heat recovery heat exchanger
191 - 193: first to third temperature sensors
195: control unit

Claims (9)

연료를 수소로 개질하는 개질부;
상기 개질부에서 개질된 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 스택부;
상기 개질부의 개질 과정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 산소를 상기 개질부에 공급하고, 상기 스택부에 필요한 산소를 공급하며, 상기 개질부에서 발생한 폐가스와 폐열을 외기로 배기하는 급기 및 배기장치;
상기 개질부의 수증기 개질 반응 과정에 공급하는 물과 상기 스택부의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 냉각수를 저장 및 공급하는 물탱크;
상기 스택부에서 생산된 전력을 교류로 변환하여 계통으로 공급하는 인버터;
상기 개질부에서 발생한 고온의 폐가스의 폐열을 회수하거나, 대기의 공기를 이용하여 상기 스택부의 배열을 사용하지 않은 온수의 온도를 냉각시키는 폐열회수 열교환기;
상기 급기 및 배기장치와 상기 개질부와 상기 폐열회수 열교환기의 사이에 구비된 관로에 구비되어 급기 및 배기의 방향을 전환하는 제1 내지 제3 방향전환밸브;
상기 폐열회수 열교환기에서 획득한 열과 상기 스택부의 배열을 이용하여 열교환을 통해 온수의 온도를 높이거나 냉각시키는 배열회수 열교환기;
상기 물탱크에서 상기 스택부로 이동하는 물의 온도를 측정하며, 상기 스택부에서 배열회수 열교환기로 공급되는 배열의 온도를 측정하며, 온수저장탱크에서 공급한 온수가 폐열회수 열교환기에서 열교환 후 배열회수 열교환기로 이송되는 온수의 온도를 측정하는 제1 내지 제3 온도센서; 및
상기 제1 내지 제3 온도센서의 감지 온도와 온수의 사용 유무 및 상기 스택부의 배열 회수 및 냉각에 따라 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브의 작동을 제어하여, 온수 사용시에는 개질부의 폐열을 회수하여 연료비 절감을 도모하고, 온수 비사용시에는 낮은 온도의 공기로 열교환하여 온수를 냉각시킨 저온수로 스택부 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄이는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치.
A reforming unit that reformes fuel into hydrogen;
A stack unit that produces power through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen reformed in the reformer;
An air supply and exhaust device that supplies oxygen to the reformer to lower the concentration of carbon monoxide generated during the reforming process, supplies necessary oxygen to the stack, and exhausts waste gas and heat generated in the reformer to the outside air;
a water tank that stores and supplies water supplied to the steam reforming reaction process of the reforming unit and cooling water to maintain the temperature of the stack unit at a constant temperature;
an inverter that converts the power produced in the stack unit into alternating current and supplies it to the system;
a waste heat recovery heat exchanger that recovers waste heat from high-temperature waste gas generated in the reforming unit or cools the temperature of hot water not used in the stack unit using atmospheric air;
First to third direction change valves provided in a pipe provided between the air supply and exhaust device, the reformer, and the waste heat recovery heat exchanger to change the direction of air supply and exhaust;
A heat recovery heat exchanger that increases or cools the temperature of hot water through heat exchange using the heat obtained from the waste heat recovery heat exchanger and the arrangement of the stack portion;
The temperature of the water moving from the water tank to the stack is measured, the temperature of the heat supplied from the stack to the heat recovery heat exchanger is measured, and the hot water supplied from the hot water storage tank is heat exchanged in the waste heat recovery heat exchanger and then heat exchanged in the waste heat recovery heat exchanger. First to third temperature sensors that measure the temperature of hot water transported to the device; and
The operation of the first to third direction switching valves is controlled according to the detection temperature of the first to third temperature sensors, the use of hot water, and heat recovery and cooling of the stack, and when hot water is used, waste heat from the reformer is recovered. A control unit that reduces fuel costs and reduces the discharge of hot water by cooling the stack arrangement with low-temperature water that cools the hot water by exchanging heat with low-temperature air when hot water is not used, using waste heat from the fuel cell reformer. Fuel cost saving device.
 청구항 1에서, 상기 급기 및 배기장치는 내측에 배기관이 형성되고 그 배기관의 외면을 감싸고 급기관이 형성되는 이중관으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치.
In claim 1, the air supply and exhaust device is a fuel cost reduction device using waste heat of a fuel cell reformer, characterized in that the air supply and exhaust device is formed as a double pipe in which an exhaust pipe is formed on the inside and an air supply pipe is formed surrounding the outer surface of the exhaust pipe.
 청구항 2에서, 상기 급기관은 상기 이중관의 배기관을 중심으로 분기되는 형태이며, 상기 배기관은 상기 개질부의 폐가스를 바로 배기하거나 상기 폐열회수 열교환기를 통과한 폐가스를 배기하도록 분기관이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치.
In claim 2, the air supply pipe is branched around the exhaust pipe of the double pipe, and the exhaust pipe is formed to directly exhaust waste gas from the reforming unit or to exhaust waste gas that has passed through the waste heat recovery heat exchanger. A fuel cost reduction device that uses waste heat from the fuel cell reformer.
 청구항 1에서, 상기 급기 및 배기장치는 급기시 고온의 배기와 저온의 급기 간의 온도차로 인한 대류현상을 통해 자연 배기와 급기를 수행하며, 개질부의 폐가스의 온도를 낮추어 배기시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치.
In claim 1, the air supply and exhaust device performs natural exhaust and supply air through a convection phenomenon caused by a temperature difference between high-temperature exhaust and low-temperature supply air during supply air, and lowers the temperature of the waste gas in the reforming section to exhaust the fuel cell. A fuel cost saving device that uses waste heat from the reformer.
 청구항 1에서, 상기 제어부는,
온수가 필요할 경우, 상기 개질부에서 배기되는 폐가스를 상기 폐열회수 열교환기로 공급하여, 폐열 회수를 통해 온수를 예열시켜 연료비를 절감하도록 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치.
In claim 1, the control unit,
When hot water is needed, the first to third direction change valves are controlled to supply the waste gas exhausted from the reformer to the waste heat recovery heat exchanger and preheat the hot water through waste heat recovery to reduce fuel costs. A fuel cost saving device that uses waste heat from the battery reformer.
 청구항 1에서, 상기 제어부는,
온수가 불필요할 경우, 외부의 낮은 온도의 급기로 온수를 폐열회수 열교환기에서 1차 열교환하여 온수를 냉각시켜 상기 배열회수 열교환기로 공급하여, 상기 배열회수 열교환기에서 스택부의 배열을 냉각시켜 온수 방류수를 줄이도록 상기 제1 내지 제3 방향전환밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치.
In claim 1, the control unit,
When hot water is not needed, the hot water is first heat exchanged in the waste heat recovery heat exchanger by supplying hot water at an external low temperature, cooling the hot water and supplying it to the heat recovery heat exchanger, and cooling the heat of the stack in the heat recovery heat exchanger to produce hot water effluent. A fuel cost reduction device using waste heat from a fuel cell reformer, characterized in that the first to third direction switching valves are controlled to reduce .
 청구항 1에서, 상기 폐열회수 열교환기 내부에는 송풍팬을 설치하여 개질부의 고온 폐열회수와 온수를 냉각시켜 상기 배열회수 열교환기에 공급하여 상기 스택부의 배열 회수 및 온수의 냉각 효율을 극대화시켜 열효율 증대와 방류수를 줄이는 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치.
In claim 1, a blower fan is installed inside the waste heat recovery heat exchanger to cool the high-temperature waste heat recovery and hot water from the reforming unit and supply it to the heat recovery heat exchanger, thereby maximizing the cooling efficiency of heat recovery and hot water from the stack unit to increase thermal efficiency and effluent water. A fuel cost reduction device using waste heat from a fuel cell reformer, characterized by reducing.
청구항 1 내지 청구항 7중 어느 하나의 청구항에 기재된 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감장치를 이용하여 연료전지시스템의 연료비를 절감하는 방법으로서,
(a) 연료전지시스템의 운전이 시작되면 제어부에서 제1 내지 제3 온도센서로 온도를 측정하고, 연료전지시스템의 운전 방식에 따라 상기 제1 내지 제3 온도센서로 측정한 측정 온도에 따라 상기 운전 방식에 대응하는 순환펌프를 제어하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계;
(b) 상기 연료전지시스템의 운전 중 온수 사용이 발생하면, 상기 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브를 폐쇄하고, 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브를 개방하여, 개질부 폐가스를 폐열회수 열교환기로 공급하여 온수를 예열하는 단계; 및
(c) 상기 연료전지시스템의 운전 중 온수 비사용시, 상기 개질부 폐가스 활용을 위한 제2방향전환밸브를 폐쇄하고, 상기 배기 및 급기를 위한 제1 및 제3 방향전환밸브를 개방하여, 저온의 급기로 상기 폐열회수 열교환기에서 온수를 냉각시킨 후 배기관을 통하여 배기하고, 상기 폐열회수 열교환기에서 냉각된 온수는 상기 배열회수 열교환기로 공급하여 스택부의 배열을 냉각시켜 온수의 방류수를 줄이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 개질부의 폐열을 이용한 연료비 절감방법.




A method of reducing fuel costs of a fuel cell system using a fuel cost reduction device using waste heat from a fuel cell reformer according to any one of claims 1 to 7, comprising:
(a) When the operation of the fuel cell system begins, the control unit measures the temperature using the first to third temperature sensors, and according to the temperature measured by the first to third temperature sensors according to the operation method of the fuel cell system, the control unit measures the temperature using the first to third temperature sensors. Controlling the operation of the fuel cell system by controlling a circulation pump corresponding to the operation method;
(b) If hot water is used during operation of the fuel cell system, the first and third direction change valves for exhaust and supply air are closed, and the second direction change valve for utilizing waste gas from the reformer is opened to reform. Preheating hot water by supplying secondary waste gas to a waste heat recovery heat exchanger; and
(c) When hot water is not used during operation of the fuel cell system, the second direction change valve for utilizing the reformer waste gas is closed, and the first and third direction change valves for the exhaust and supply air are opened, Cooling the hot water in the waste heat recovery heat exchanger with a supply air and then discharging it through an exhaust pipe, and supplying the hot water cooled in the waste heat recovery heat exchanger to the heat recovery heat exchanger to cool the heat exchanger of the stack unit to reduce the discharge of hot water. A fuel cost reduction method using waste heat from a fuel cell reformer, characterized in that.




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