CN101013757A - 具有消声器的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有用以减小向燃料电池提供空气时产生的噪声的消声器的燃料电池系统。该燃料电池系统的一个实施例包括：送气机，提供空气；发电机，通过空气和燃料之间的电化学反应发电；消声器，设置在送气机的一端。消声器包括长度互不相同的第一管和第二管。消声器具有相对小的结构，因此可减少对安装空间的限制，并可实现更为紧凑的燃料电池系统。另外，即使在两个或更多个频率下存在相当大的噪声分量，与各频率对应的消声器串联连接，从而减小了噪声。

Description

具有消声器的燃料电池系统

本申请要求于2006年2月2日在韩国知识产权局提交的第10-2006-0010296号韩国专利申请的权益，该申请的内容公开于此，以资参考。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地讲，涉及一种具有用来减小送气机出现的噪声的消声器的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是利用氢和氧之间的电化学反应将化学能转换成电能的发电装置。燃料电池的示例包括在大约100℃和更低的温度下工作的聚合物电解质膜燃料电池(PMFC)和直接甲醇燃料电池、在大约150℃至大约200℃的温度下工作的磷酸盐燃料电池、在大约600℃至大约700℃的高温下工作的熔融碳酸盐燃料电池、在大约1000℃及更高的温度下工作的固体氧化物燃料电池。这些燃料电池以相同或相似的原理工作，但是使用种类互不相同的燃料、催化剂、电解质等。

在这些燃料电池中，直接甲醇燃料电池(DMFC)在相对低的温度下工作，并直接采用甲醇作为燃料而无需使用产生氢的重整器(reformer)，从而直接燃料电池可具有紧凑的结构。直接甲醇燃料电池通过甲醇和氧之间的化学反应发电。在直接甲醇燃料电池的工作期间，持续地向燃料电池提供空气，以提供用于反应的氧。

其它燃料电池通常通过氢和氧之间的化学反应发电。在这些燃料电池的工作期间，因为需要氧来使这些电池工作，所以持续地向电池提供空气。此外，这样的燃料电池可使用重整器来产生氢。同样，因为重整器需要氧来产生氢，所以还要持续地向重整器提供空气。

送气机用来向上述的燃料电池提供空气。通常，送气机包括回转式叶片泵、膜片泵等。这样的泵通过重复地压缩空气和使空气膨胀来提供空气，由此产生了周期性或持续性的噪声。消声器或消音器可用来减小噪声。

发明内容

一个实施例提供了一种具有减小送气机出现的噪声的小型消声器的燃料电池。

另一实施例提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：发电机，被构造为通过空气和燃料之间的电化学反应发电；送气机，被构造为向所述发电机提供空气，所述送气机包括入口和出口；消声器，与所述送气机的入口和出口之一流体相通。所述消声器包括：第一空气通道，具有第一端和第二端，所述第一空气通道在所述第一空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第一空气通道延伸的第一长度；第二空气通道，具有第一端和第二端，所述第二空气通道在所述第二空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第二空气通道延伸的第二长度，所述第二空气通道的第一端连接到所述第一空气通道的第一端，所述第二空气通道的第二端连接到所述第一空气通道的第二端，所述第二长度不同于所述第一长度。

所述消声器可连接到所述送气机的入口，从而空气通过所述消声器流动到所述入口。所述消声器可连接到所述送气机的出口，从而空气通过消声器从所述送气机流动到所述发电机。所述消声器可位于所述送气机的入口和出口之一处或其附近。所述系统还可包括外壳，用于围住所述消声器和所述送气机。

所述送气机可被构造为产生噪声，其中，所述噪声的第一部分穿过所述第一空气通道行进，其中，所述噪声的第二部分穿过所述第二空气通道行进，其中，当所述噪声的第一部分和第二部分在所述第二空气通道的第二端处或其附近相遇时，所述噪声的第一部分和第二部分基本上彼此相消干涉。所述第一空气通道沿着所述第一空气通道可具有大体一致的截面面积，所述第二空气通道沿着所述第二空气通道可具有大体一致的截面面积。

所述第一空气通道的截面面积可以与所述第二空气通道的截面面积基本上相同。所述第一空气通道的截面面积可以不同于所述第二空气通道的截面面积。通常由等式1表示所述第二长度和所述第一长度之差(ΔL)：

等式1

$\mathrm{\ΔL}=\frac{c(2n+1)}{2\mathrm{fn}}$

其中，c为声速，n为大于或等于0的整数；其中，fn为将要去除的噪声的频率分量。

所述第一空气通道可以基本上是直的。所述第二空气通道可以成螺旋形地包围所述第一空气通道。

所述消声器还可包括具有第一端和第二端的第三空气通道，所述第三空气通道在所述第三空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第三空气通道延伸的第三长度，所述第三空气通道的第一端连接到所述第一空气通道的第一端，所述第三空气通道的第二端连接到所述第一空气通道的第二端，所述第三长度不同于所述第一长度。所述第三长度可不同于所述第二长度。

所述消声器还可包括：第三空气通道，具有第一端和第二端，所述第三空气通道在所述第三空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第三空气通道延伸的第三长度，所述第三空气通道的第一端连接到所述第一空气通道的第一端和第二端之一；第四空气通道，具有第一端和第二端，所述第四空气通道在所述第四空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第四空气通道延伸的第四长度，所述第四空气通道的第一端连接到所述第三空气通道的第一端，所述第四空气通道的第二端连接到所述第三空气通道的第二端，所述第四长度不同于所述第三长度。

所述第三长度可以不同于所述第一长度。所述第四长度可以不同于所述第二长度。所述第三空气通道可以基本上是直的，所述第四空气通道可以成螺旋形地包围所述第三空气通道。

所述第一空气通道和所述第二空气通道中的至少一个可包括管。所述燃料电池系统可包括直接甲醇燃料电池系统或聚合物电解质膜燃料电池系统。

在示例性实施例中，一种燃料电池系统包括：送气机，提供空气；发电机，通过空气和燃料之间的电化学反应发电；消声器，设置在所述送气机的一端内，并包括长度互不相同的第一管和第二管。

所述第一管的相对端连接到所述第二管的相对端并与所述第二管的相对端相通，所述第一管和所述第二管分别具有预定的截面面积。

当所述第二管和所述第一管之间的长度差假设为ΔL，且与噪声对应的频率假设为fn时， $\mathrm{fn}=\frac{c(2n+1)}{2\mathrm{\ΔL}}$ (这里，c＝声速，n＝0，1，2，3，···)

所述第一管的长度短于所述第二管的长度，所述第一管被所述第二管包围，两个或更多个消声器串联连接。此外，所述燃料电池系统包括直接燃料电池系统。

附图说明

通过以下结合附图的对某些实施例的描述，本公开将变得清楚且更容易理解，在附图中：

图1是根据一个实施例的具有消声器的直接甲醇燃料电池系统的示意图；

图2是根据另一实施例的具有消声器的聚合物电解质膜燃料电池系统的示意图；

图3是根据一个实施例的消声器的透视图；

图4是图3的消声器的侧面图；

图5是根据另一实施例的消声器的透视图；

图6是图5的消声器的侧面图。

具体实施方式

以下，将参照附图描述本发明的某些实施例，其中，相同的标号表示相同或功能相似的元件。另外，为了方便，会夸大附图中示出的元件的形状和大小。

图1是根据一个实施例的具有消声器150的直接甲醇燃料电池系统100的示意图。参照图1，直接甲醇燃料电池系统100可包括燃料容器110、水容器111、燃料混合器113、第一流体泵120、第二流体泵121、第三流体泵123、发电机130、送气机140、消声器150和第二电池160。

燃料容器110存储燃料(例如甲醇)，并通过第一流体泵120将燃料提供给燃料混合器113。水容器111存储水，并通过第二流体泵121将水提供给燃料混合器113。燃料混合器113将燃料和水混合，并通过第三流体泵123将燃料和水的混合物提供给发电机130。

送气机140被构造为向发电机130提供空气。送气机140具有第一端(或入口)和第二端(或出口)。第一端被构造为从消声器150接收空气。第二端被构造为向发电机130提供空气。在示出的实施例中，送气机140通过第一端吸入空气，并通过第二端将空气排到发电机130。

消声器150被构造为减小在送气机140工作期间出现的噪声。示出的消声器150位于送气机140的第一端(入口)附近。在另一实施例中，消声器150可位于送气机140和发电机130之间。在又一实施例中，消声器150可在送气机140的第一端和第二端中的一端处至少局部地位于送气机140内部。外壳是一种用来保护消声器和送气机的机壳，外壳可以是根据实施例的燃料电池系统的外机壳。下面将描述消声器150的详细构造。

发电机130被构造为通过电化学反应产生电能。可用下面的反应方程式1来表示发电机130内的电化学反应。

反应方程式1

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极：3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

总反应：CH₃OH+3/2O₂→CO₂+2H₂O

参照上面的反应方程式1，在发电机130的阳极(未示出)处，甲醇和水相互反应，生成二氧化碳、氢离子和电子。阳极处生成的氢离子通过电解质膜(未示出)移动到阴极(未示出)，并与阴极提供的氧反应，从而生成水。此外，阳极内生成的电子通过外部电路移动。这里，利用回收单元(未示出)使发电机130内产生的未反应的燃料和水返回至燃料混合器113。

第二电池160被构造为提供用于驱动第一流体泵120、第二流体泵121、第三流体泵123和送气机140的动力。

图2是根据另一实施例的具有消声器150的聚合物电解质膜燃料电池系统200的示意图。聚合物电解质膜燃料电池系统200包括燃料容器110、水容器111、第一流体泵120、第二流体泵121、重整器170、发电机180、送气机140和141、消声器150及二次电池160。在图1和图2中，相同的标号表示相同或功能相似的元件，因而将省略重复的描述。

重整器170可包括重整反应单元(未示出)和一氧化碳去除器(未示出)。重整反应单元被构造为重整燃料以生成含有氢作为主要成分的重整气体。一氧化碳(CO)去除器被构造为从重整气体中去除一氧化碳。重整反应单元通过诸如蒸汽重整(SR)、部分氧化(POX)、自热重整(ATR)等催化反应使燃料转化为含有氢的重整气体。此外，CO去除器通过诸如水煤气变换(WGS)、优先CO氧化(PROX)等催化反应从重整气体中去除一氧化碳。具体地讲，在CO去除器中，PROX的催化反应需要氧。一部分燃料流经热源(未示出)，热源使燃料燃烧，从而向重整反应单元和CO去除器提供热。此时，热源在使燃料燃烧时需要氧。

通过送气机141的操作提供重整器170所需的氧。在示出的实施例中，送气机141的通过其引入空气的第一端设置有消声器150，以减小由于送气机141的操作带来的噪声。

发电机180通过重整器170提供的氢和送气机140提供的氧之间的电化学反应发电。送气机140的第一端设置有消声器150，以减小由于送气机140的操作带来的噪声。

可用下面的反应方程式2来表示发电机180内的电化学反应。

反应方程式2

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总反应：H₂+1/2O₂→H₂O+电流+热

参照上面的反应方程式2，在发电机180的阳极(未示出)处，氢分子转变为氢离子和电子。阳极处生成的氢离子通过电解质膜(未示出)移动到阴极(未示出)，并在阴极处与氧反应，从而生成水。此外，阳极处生成的电子沿着外部电路移动。这里，利用回收单元(未示出)使发电机180内产生的未反应的燃料和水回收至水容器111。

二次电池160被构造为提供用于驱动第一流体泵120、第二流体泵121、送气机140和141的动力。技术人员应该理解，消声器可用于具有送气机的各种其它构造的燃料电池系统。

图3是根据一个实施例的消声器150的透视图。参照图3和图4，示出的消声器150包括空心直管151和空心非直管152。在其它实施例中，管151和152可具有不同的其它形状和构造。示出的非直管152成螺旋形地包围直管151。在其它实施例中，非直管152可以相对于直管151布置成各种其它构造。术语“管”通常指用于传送包括气体、液体或气液混合物的流体的管道。此外，术语“管”可以与“导管”互换使用。

在示出的实施例中，非直管152具有第一端和第二端。非直管152的第一端和第二端均连接到直管151。非直管152的两端与直管151空气相通。在示出的实施例中，非直管152的两端连接到直管151的端部。在其它实施例中，非直管152的两端可在除了端部之外的部分处连接到直管151。这种构造使得进入消声器150的部分空气穿过直管151，而其余部分的空气穿过非直管152。噪声包括穿过直管151的第一部分和穿过非直管152的第二部分。在非直管152的第二端处，噪声的第一部分与噪声的第二部分具有180°的相位差。因此，噪声的第一部分和第二部分相互抵消。

在示出的实施例中，直管151和非直管152各自具有预定的截面面积。管151、152的截面面积可以沿着管151、152的长度基本上一致。在其它实施例中，管151、152的截面面积可以沿着管151、152变化。

图4是图3的消声器150的侧面图。在图4中示出的“A”和“B”之间的部分中，直管151和152的长度分别为L1和L2。直管151的长度L1短于非直管152的长度L2。

在根据一个实施例的消声器150中，穿过直管151行进的声波可与穿过非直管152行进的声波相消干涉。由此，可以减弱穿过消声器150行进的噪声的声能。消声器150的入口和出口之间的声能比，即，传输损耗(TL)的值可以根据频带宽度而改变。只要管的截面面积一致，就可基于管的长度选择频带宽度。因此，可以调整管的长度，使得噪声的频带宽度等于最大传输损耗的频带宽度。

在消声器150中，可以根据等式1来选择非直管152和直管151的长度之差(ΔL)。

等式1

$\mathrm{\ΔL}=L2-L1=\frac{c(2n+1)}{2\mathrm{fn}}$

在等式1中，在频率fn引起共振(相消干涉)。c为声速，n为等于或大于0的整数(n＝0，1，2，3，···)。

如果在操作送气机140、141(参照图2)时，在某一频率下存在相当大的噪声分量，则可调整非直管152的长度L2和直管151的长度L1之差，以在该频率下发生共振，从而通过相消干涉减弱噪声分量。

例如，如果送气机140、141(参照图2)在大约300Hz的频率下具有相当大的噪声分量，则可按下式确定非直管152的长度L2和直管151的长度L1之差，从而减弱了噪声分量。

等式2

在非直管152和直管151的长度差(L2-L1)为大约0.572m的情况下，还可在除了300Hz的频率之外，在大约900Hz、大约1500Hz等频率下有效地减小噪声。

图5是根据另一实施例的消声器250的透视图。图6是图5的消声器250的侧面图。消声器250包括第一直管251、第二直管253、第一非直管252和第二非直管254。

第一直管251和第一非直管252分别具有预定的截面面积。此外，第一直管251和第一非直管252的截面面积可以彼此相同。

在图6中示出的“C”和“D”之间的部分内，第一直管251和第一非直管252的长度分别为L3和L4。第一直管251的长度L3短于第一非直管252的长度L4。此外，第一直管251被第一非直管252成螺旋形地包围。另外，第一直管251的相对端连接到第一非直管252的相对端并与第一非直管252的相对端相通。在其它实施例中，管251、252可具有不同的其它形状和构造。

第二直管253和第二非直管254分别具有预定的截面面积。此外，第二直管253和第二非直管254的截面面积可以彼此相同。

在图6中示出的“E”和“F”之间的部分内，第二直管253和第二非直管254的长度分别为L5和L6。第二直管253的长度L5短于第二非直管254的长度L6。此外，第二直管253被第二非直管254成螺旋形地包围。另外，第二直管253的相对端连接到第二非直管254的相对端并与第二非直管254的相对端相通。在其它实施例中，管253、254可具有不同的其它形状和构造。

图5的消声器250与图3的消声器150基本上相似。然而，如果在操作送气机140、141(见图2)时，在两个不同的频率下存在相当大的噪声分量，则可将图5的消声器250构造成减小两个噪声分量。

可调整第一非直管252的长度L4和第一直管251的长度L3之差，以在这两个频率中的一个频率下发生共振。此外，可调整第二非直管254的长度L6和第二直管253的长度L5之差，以在这两个频率中的另一频率下发生共振，从而通过相消干涉减弱噪声分量。

例如，如果送气机140、141(参照图2)在大约600Hz和大约900Hz的频率下具有相当大的噪声分量，则可按下式确定第一非直管252的长度L4和第一直管251的长度L3之差，用于减弱大约600Hz的频率下的噪声分量。可按下式确定第二非直管254的长度L6和第二直管253的长度L5之差，用于减弱大约900Hz的频率下的噪声分量。

在消声器250中，两组长度不同的直管和非直管相互连接，但不限于此。可选择的，如果在操作送气机时在三个或更多个频率下存在相当大的噪声分量，则可串联地相互连接多组直管和非直管，从而同时减弱三个或更多个噪声分量。

在根据实施例的具有消声器的燃料电池系统中，能够减小由于送气机的连续工作引起的持续产生的噪声。此外，消声器具有相对小的结构，所以可减少安装空间方面的限制，并可实现更紧凑的燃料电池系统。另外，即使在两个或更多个频率下存在相当大的噪声分量，串联连接的消声器也能有效地减小噪声。

已经示出和描述了一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对实施例进行改变，本发明的范围限定在权利要求及其等同物内。

Claims (19)

1、一种燃料电池系统，包括：

发电机，被构造为通过空气和燃料之间的电化学反应发电；

送气机，被构造为向所述发电机提供空气，所述送气机包括入口和出口；

消声器，与所述送气机的入口和出口之一流体相通，所述消声器包括

第一空气通道，具有第一端和第二端，所述第一空气通道在所述第一空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第一空气通道延伸的第一长度；

第二空气通道，具有第一端和第二端，所述第二空气通道在所述第二空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第二空气通道延伸的第二长度，所述第二空气通道的第一端连接到所述第一空气通道的第一端，所述第二空气通道的第二端连接到所述第一空气通道的第二端，所述第二长度不同于所述第一长度。

2、如权利要求1所述的系统，其中，所述消声器连接到所述送气机的入口，从而空气通过所述消声器流动到所述入口。

3、如权利要求1所述的系统，其中，所述消声器连接到所述送气机的出口，从而空气通过所述消声器从所述送气机流动到所述发电机。

4、如权利要求1所述的系统，其中，所述消声器位于所述送气机的入口和出口之一处或其附近。

5、如权利要求1所述的系统，还包括外壳，用于围住所述消声器和所述送气机。

6、如权利要求1所述的系统，其中，所述送气机被构造为产生噪声，其中，所述噪声的第一部分穿过所述第一空气通道行进，其中，所述噪声的第二部分穿过所述第二空气通道行进，其中，当所述噪声的第一部分和第二部分在所述第二空气通道的第二端处或其附近相遇时，所述噪声的第一部分和第二部分基本上彼此相消干涉。

7、如权利要求1所述的系统，其中，所述第一空气通道沿着所述第一空气通道具有大体一致的截面面积，其中，所述第二空气通道沿着所述第二空气通道具有大体一致的截面面积。

8、如权利要求7所述的系统，其中，所述第一空气通道的截面面积与所述第二空气通道的截面面积基本上相同。

9、如权利要求7所述的系统，其中，所述第一空气通道的截面面积不同于所述第二空气通道的截面面积。

10、如权利要求1所述的系统，其中，通常由等式1表示所述第二长度和所述第一长度之差ΔL：

等式1

$\mathrm{\ΔL}=\frac{c(2n+1)}{2\mathrm{fn}}$

其中，c为声速，n为大于或等于0的整数；

其中，fn为将要去除的噪声的频率分量。

11、如权利要求1所述的系统，其中，所述第一空气通道基本上是直的。

12、如权利要求1所述的系统，其中，所述第二空气通道成螺旋形地包围所述第一空气通道。

13、如权利要求1所述的系统，其中，所述消声器还包括：

第三空气通道，具有第一端和第二端，所述第三空气通道在所述第三空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第三空气通道延伸的第三长度，所述第三空气通道的第一端连接到所述第一空气通道的第一端和第二端之一；

第四空气通道，具有第一端和第二端，所述第四空气通道在所述第四空气通道的第一端和第二端之间具有沿着所述第四空气通道延伸的第四长度，所述第四空气通道的第一端连接到所述第三空气通道的第一端，所述第四空气通道的第二端连接到所述第三空气通道的第二端，所述第四长度不同于所述第三长度。

14、如权利要求13所述的系统，其中，所述第三长度不同于所述第一长度。

15、如权利要求13所述的系统，其中，所述第四长度不同于所述第二长度。

16、如权利要求13所述的系统，其中，所述第三空气通道基本上是直的，其中，所述第四空气通道成螺旋形地包围所述第三空气通道。

17、如权利要求1所述的系统，其中，所述第一空气通道和所述第二空气通道中的至少一个包括管。

18、如权利要求1所述的系统，其中，所述燃料电池系统包括直接甲醇燃料电池系统或聚合物电解质膜燃料电池系统。

19、如权利要求1所述的系统，其中，两个或更多个消声器串联连接。

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