CN103178279B

CN103178279B - 消音器以及包括该消音器的燃料电池系统

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Publication number: CN103178279B
Application number: CN201210338894.6A
Authority: CN
Inventors: 许晋硕; 李元豪; 金詠栽; 崔钟鹿
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: KR20130073710A; US20130164643A1; JP2013134992A; JP6184689B2; EP2608303B1; CN103178279A; US8794377B2; EP2608303A1

Abstract

本发明提供了一种消音器以及包括该消音器的燃料电池系统。消音器安装在燃料电池系统中。该消音器包括：多个扩展腔，用于连续地减小在燃料电池系统内流动的空气的声学噪音；以及至少一个谐振器，用于减小从至少一个扩展腔接收的空气在另一频带中的声学噪音，该另一频带与上述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。

Description

消音器以及包括该消音器的燃料电池系统

技术领域

本公开涉及燃料电池系统，更具体地，涉及用于减少燃料电池系统的声学噪音的消音器（silencer）。

背景技术

燃料电池是一种环境友好的替代能源技术，其从丰富地存在于地球上的材料（诸如氢）产生电能，并已经与太阳能电池等一起引起了人们的关注。为了在燃料电池中发电，燃料、水和空气被供应到燃料电池。因此，在燃料电池系统中采用数个用于供应这些材料的机械装置，声学噪音在驱动这些机械装置时产生。由于如果燃料电池系统的声学噪音过大则会使使用者或附近的其他人感到不适，所以正在研发用于减少在燃料电池系统中产生的声学噪音的装置。

发明内容

本发明提供一种用于降低燃料电池系统中产生的在预定频段的声学噪音的消音器，其中该消音器具有能够安装在燃料电池系统的内部空间中的小的体积。

本发明提供一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中安装有消音器。

其他的方面将在下面的描述中被部分地阐述，并将从该描述部分地变得明显，或者可以通过给出的实施例的实施而学习得到。

根据本发明的一个方面，提供一种安装在燃料电池系统中的消音器，该消音器包括：多个扩展腔（expansion chamber），连接到燃料电池系统的预定设备以连续地减小从该预定设备释放的空气的声学噪音；以及至少一个谐振器，连接到多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与被多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同，其中多个扩展腔中的任意一个包括从预定设备接收空气的入口管，多个扩展腔中的另一个包括释放已经流入到多个扩展腔中的空气的出口管，并且在多个扩展腔之间插设有居间管。

多个扩展腔和至少一个谐振器的至少一个空腔（cavity）可以通过采用多个分隔壁划分消音器的内部空间而形成。至少一个谐振器中的第一谐振器的空腔可以与多个扩展腔中的至少一个扩展腔共享多个分隔壁的一部分，第二谐振器的空腔可以与其他扩展腔共享多个分隔壁的一部分，其中该其他扩展腔的数量可以比该至少一个扩展腔的数量多。多个分隔壁的数量可以与多个扩展腔的数量和至少一个谐振器的空腔的数量的总和成比例。每个空腔的体积可以与上述另一频带的中心频率的大小成反比。

在多个扩展腔当中的第一扩展腔和第二扩展腔之间的第一分隔壁中插设的第一居间管的出口的端部可以设置为比在第二扩展腔和第三扩展腔之间的第二分隔壁中插设的第二居间管的入口的端部更靠近该第二分隔壁，因此从第一居间管的出口释放到第二扩展腔中的空气以回流（backflow）的形式流入到第二居间管的入口中。

至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部（neck）可以突出到与该每个谐振器连接的扩展腔内，由此连接到每个谐振器的扩展腔的内部空气流入到每个谐振器的颈部的孔口中，且流入到每个谐振器的颈部的孔口中的空气从每个谐振器的颈部的孔口被释放到与每个谐振器连接的扩展腔。至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部的长度可以与另一频带的中心频率的大小成反比，该另一频带与多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同，并且每个谐振器的颈部的截面积大小可以与另一频带的中心频率的大小成比例，该另一频带与多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。

预定设备可以是用于将空气供应到燃料电池系统的燃料电池的气泵，且出口管可以连接到燃料电池系统的燃料电池的阴极处的入口，由此从上述出口管释放的空气流入到燃料电池的阴极处的入口中。

根据本发明的另一个方面，一种燃料电池系统包括：燃料电池，利用燃料来发电；平衡设备（BOP），用于至少将燃料和空气供应到燃料电池；以及消音器，插设在BOP的气泵与燃料电池的阴极处的入口之间以减小从气泵释放的空气的声学噪音。

消音器可以包括多个扩展腔，该多个扩展腔用于连续地减小从气泵释放的空气的声学噪音。消音器还可以包括至少一个谐振器，该至少一个谐振器连接到多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的空气的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。

在气泵和气泵的支座（holder）之间可以插设第一橡胶密封件（rubberpacking），且在支座和燃料电池系统的内框架之间可以插设第二橡胶密封件。第一橡胶密封件的硬度可以高于第二橡胶密封件的硬度。

附图说明

通过下面结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，附图中：

图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图；

图2A至2D是根据本发明实施例的消音器的外部形状的示意图；

图3A和3B是根据本发明实施例的消音器的外部形状的示意图；

图4是示出根据本发明实施例的消音器内的气流的示意图；

图5A和5B是根据本发明另一实施例的消音器的内部形状的示意图；

图6A和6B是根据本发明另一实施例的消音器的内部形状的示意图；

图7A至7D是图3A和3B的消音器的壳体的示意图；

图8是其中安装有消音器的图7A至7D的壳体的示意图；

图9是示出在采用图3A和3B的消音器之前和之后测量的声学噪音结果的曲线图；以及

图10A和10B是用于描述图1的气泵的安装方法的示意图。

具体实施方式

现在，将详细参照实施例，实施例的示例在附图中示出。燃料电池系统通常包括：燃料电池，用于发电；平衡设备（balance of plants，BOP），构成用于将燃料、水和空气供应到燃料电池的燃料电池外围装置；以及转换器，用于将从燃料电池输出的电力转换并供应至负载。由于本发明的实施例涉及用于降低在燃料电池系统内流动的气体的声学噪音的消音器，所以与形成燃料电池的堆叠、BOP及转化器有关的细节将不在这里描述，以防止使本发明的要点不清楚。通常，燃料电池设计成堆叠形状，在该堆叠形状中根据负载所需要的电力而将多个电池串联或并联组合。在下文，一个电池以及将多个电池组合的堆叠都被简单地称为燃料电池。

图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图。参照图1，根据当前实施例的燃料电池系统包括燃料电池10、燃料存储单元20、控制器30、气泵41、水回收泵42、循环泵43、给料泵44、第一分离器51、第二分离器52、第一热交换器61、第二热交换器62、阀模块70、混合器80、传感器90以及消音器100。通常，用于将燃料、水、空气等供应到燃料电池10的元件，即上述除燃料电池10之外的元件被称为BOP。如图1所示，数个连接BOP的各元件的管道被提供在BOP的各元件之间。此外，图1的燃料电池系统可以包括除图1所示元件之外的元件。例如，在图1的燃料电池系统中，用于检测燃料电池10的温度的热敏电阻可以安装在燃料电池10中，用于去除流动经过连接到传感器90的管道等的燃料中的杂质的过滤器可以安装在管道中，或者风扇可以安装在第一热交换器61和第二热交换器62中以冷却第一热交换器61和第二热交换器62。

燃料电池10是发电设备，其通过利用电化学反应将燃料中的化学能直接转换成电能来产生直流（DC）电。燃料电池10的示例包括固态氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）、聚合物电解质隔膜燃料电池（polymerelectrolyte membrane fuel cell，PEMFC）以及直接甲醇燃料电池（directmethanol fuel cell，DMFC）。具体地，图1所示的燃料电池系统是应用了驱动DMFC的BOP的燃料电池系统。然而，下面描述的降低气泵41的声学噪音的技术特征也可以应用到其他类型的燃料电池。

另外，不同于重整甲醇以增加氢浓度的非直接甲醇燃料电池，DMFC在甲醇和水于燃料电池10的阳极彼此直接反应时产生氢离子和电子而不用重整甲醇。因此，由于DMFC不需要这样的重整工艺，所以DMFC可以小型化，且主要被用于便携燃料电池系统。

在DMFC的阳极，发生反应CH₃OH+H₂O->6H++6e-+CO₂；在阴极，发生反应3/2O₂+6H++6e-->3H₂O。质子（H+）经由燃料电池10中的质子交换隔膜而被传输，电子（e-）经由外部电路从阳极传输到阴极。电力通过这样的过程产生。具体地，在DMFC中存在催化剂使得燃料电池10中的反应平稳地进行。通常，催化剂由铂形成，且可能在工艺期间的温度过高时劣化。因此，不供应纯甲醇到燃料电池，而是供应被适量的水稀释的甲醇（即，具有适合浓度的甲醇水溶液）到燃料电池10。在下文，供应到燃料电池10的阳极处的入口的甲醇水溶液将被简单地称作燃料。

由此，适合量的甲醇、水和空气被供应到燃料电池10，使得燃料电池10中的反应平稳进行并同时防止燃料电池10的劣化。控制器30控制气泵41、给料泵44、循环泵43和水回收泵42，以基于由传感器90检测的燃料的浓度、温度等来调节供应至燃料电池10的燃料、水及空气的量。燃料电池10通过利用从混合器80供应至燃料电池10的阳极处的入口的具有合适浓度的燃料来发电。在燃料电池10的发电过程期间，构成上述反应过程的副产物的二氧化碳和未反应的燃料从燃料电池10的阳极处的出口被释放，且构成上述反应过程的副产物的水从燃料电池10的阴极处的出口被释放。

第一分离器51通过从自燃料电池10的阳极处的出口释放的副产物和未反应的燃料分离甲醇和水来回收甲醇和水。从燃料电池10的阴极处的出口释放的副产物包括蒸汽形式的水分，其为取决于燃料电池10中的反应热的高温流体。该副产物在经过第一热交换器61时通过第一热交换器61的热交换过程冷却，一些水在此时被回收。第二分离器52通过从该冷却的副产物分离水来回收水并在该回收过程之后将构成剩余副产物的二氧化碳释放到外部。第一分离器51和第二分离器52可以通过离心方法等从副产物及燃料电池10释放的未反应燃料分离甲醇和燃料。水回收泵42吸入被第二分离器52回收的水，且将吸入的水释放到第一分离器51。因此，第一分离器51释放低浓度的燃料，在该低浓度的燃料中被第一分离器51回收的甲醇和被第一分离器51和第二分离器52回收的水混合。

燃料存储单元20是用于存储燃料的容器，且可以具有任意形状例如圆柱形或箱形。燃料存储单元20可以制造为使得燃料能够被再次填充。此外，燃料存储单元20可以可拆卸地连接到图1的燃料电池系统，且通常被称作燃料筒（cartridge）。燃料存储单元20存储具有高浓度的燃料，例如100%的甲醇。

阀模块70可以插设在燃料流通管线101与燃料供应管线102连接的位置处，以控制通过燃料流通管线101而在燃料电池10内流通的低浓度燃料的流动以及通过燃料供应管线102而从燃料存储单元20供应到燃料电池10的高浓度燃料的流动。这里，燃料流通管线101表示使从燃料电池10释放的未反应燃料流回到燃料电池10的路径中的管道，而燃料供应管线102表示从燃料存储单元20新近供应燃料到燃料电池10的路径中的管道。

根据阀模块70的燃料流量控制，循环泵43吸入经由燃料流通管线101而从阀模块70传输的低浓度燃料和经由燃料供应管线102而从阀模块70传输的高浓度燃料中的至少一种，并将吸入的燃料经由第二热交换器62释放到混合器80。从循环泵43释放的燃料的温度在燃料通过第二热交换器62时通过第二热交换器62的热交换操作而被调节。混合器80将从循环泵43释放的低浓度燃料和高浓度燃料混合，并将通过这样的混合过程产生的具有合适浓度的燃料供应至燃料电池10。

第一热交换器61通过被设置在燃料电池10释放的水所流经的管线的预定点处（例如，被设置在燃料电池10的阴极的出口处）来控制从燃料电池10的阴极释放的水的温度。第二热交换器62通过被设置在供应到燃料电池10的燃料所流经的管线的预定点处（例如，在循环泵43和混合器80之间）来控制供应到燃料电池10的阳极处的入口的燃料的温度。第一热交换器61和第二热交换器62可以实现为金属管、槽等，使得在燃料电池系统的管道内流动的流体与管道外的介质平稳地交换热量。

为了在燃料电池10中发电，数个机械装置诸如上述的泵和分离器在燃料电池系统中被驱动，声学噪音会在驱动这些机械装置时产生。如果燃料电池系统的声学噪音过大，会使使用者或附近的人感到不适，因此需要降低燃料电池系统的大的声学噪音。此外，即使燃料电池系统的声学噪音不大，在预定频段的声学噪音也需要根据情况而降低。例如，为了防止军事装置由于其声学噪音而暴露给敌人，仅这样的声学噪音是允许的，其在距军事装置10m的位置处在50Hz至10kHz的频带内具有在1/3倍频程单元中的声压级。

另外，气泵41可以包括：泵腔，具有用于接收外部空气的入口和用于释放空气的出口；电机，根据从控制器30输出的控制信号旋转；以及隔板，根据电机的旋转来重复使泵腔内的空间收缩和扩展的操作。气泵41可以通过根据由于隔板重复收缩和扩展的操作引起的起伏压吸入外部空气而将空气供应到燃料电池10的阴极处的入口。气泵41的声学噪音可以分成由气泵41的自振动产生的声学噪音以及当气泵41内的空气以预定速度运动而与物体诸如泵腔的内壁碰撞产生的声学噪音。

例如，当气泵41的电机的旋转频率为约80Hz并且电机的一个旋转使隔板振动4次时，隔板的振动频率为约320Hz。因而，当气泵41的隔板以约320Hz振动时，该振动使气泵41振动且使气泵41的内部空气与气泵41的内壁碰撞，结果会产生在约500Hz至约2kHz的频带中的声学噪音。此外，由于图1的燃料电池系统是采用DMFC的便携式燃料电池系统，所以燃料电池系统的内部空间非常小。在下文，能够在这样小的体积中降低燃料电池系统的气泵41内产生的预定频带的声学噪音的消音器将被描述为具有能够被安装在燃料电池系统的内部空间中的小体积的消音器。然而，对于本领域技术人员明显的，下面描述的消音器不仅用于降低气泵41中产生的声学噪音，还降低图1的燃料电池系统的其他元件中产生的声学噪音。

图2A至2D是根据本发明实施例的消音器100的外部形状的示意图。图2A是消音器100的外部形状的前视图，图2B是消音器100的外部形状的左视图，图2C是消音器100的外部形状的右视图，图2D是消音器100的外部形状的立体图。图1所示的消音器100实现为盒形，但是备选地，消音器100可以具有任何形状，诸如圆柱形。然而，如果图1的燃料电池系统具有盒形并且燃料电池系统中的外围装置也具有盒形，则消音器100可以具有盒形以增加燃料电池系统的内部空间的利用率。

图3A和3B是根据本发明实施例的消音器100的内部形状的示意图。图3A是消音器100的内部形状的前视图，图3B是消音器100的内部形状的立体图。参照图3A和3B，消音器100包括第一至第三扩展腔111至113以及第一谐振器211和第二谐振器212。第一扩展腔111包括入口管1110，该入口管1110通过被连接到例如气泵41的设备而用于接收来自气泵41的空气且释放来自图1的燃料电池系统的空气。此外，第三扩展腔113包括出口管1130，该出口管1130用于释放已经流入第一至第三扩展腔111至113的空气。出口管1130连接到用于从图1的燃料电池系统吸入空气的设备，例如燃料电池10的阴极处的入口，从而从出口管1130释放的空气流入到燃料电池10的阴极处的入口中。此外，第一居间管1112和第二居间管1123插设在第一至第三扩展腔111至113之间以将它们连接。

通常，在扩展消音器中，入射到扩展消音器上的一些声波被反射而其余的声波由于入口管的截面积和扩展腔的截面积之间的差异而行进到扩展腔，然后行进到扩展腔的声波中的一些被反射而其余的声波由于扩展腔的截面积与出口管的截面积之间的差异而行进到出口管。由此，由于入射到扩展消音器上的一些声波被反射，所以声学噪音通过扩展消音器减小。如果A1表示扩展消音器的入口管和出口管的截面积，A2表示扩展腔的截面积，L表示扩展腔的长度，则扩展消音器的传输损耗可以由下面的公式1来计算。在公式1中，f表示要通过扩展消音器减小的声学噪音的目标频率，c表示声速。

[公式1]

TL = 10 \log [1 + \frac{1}{4} {(m - \frac{1}{m})}^{2} \sin^{2} KL] dB, m = \frac{A_{2}}{A_{1}}, K = - \frac{2 πf}{c}

如公式1所示，当扩展消音器的入口管和出口管的截面积与扩展腔的截面积的比大且KL为nπ/2(n=1,3,5，...)时，即当L为nc/4f(n=1,3,5，...)时，扩展消音器的传输损耗最大。在燃料电池系统的整个内部空间当中，图3A和3B的消音器100安装在除消音器100之外的元件所占据的空间的剩余空间中。由此，由于图3A和3B所示的消音器100的体积必须小于或等于该剩余空间的体积，所以增大扩展消音器的入口管和出口管的截面积与扩展腔的截面积的比的能力是有限的。因此，根据当前实施例的消音器100包括用于连续减小从气泵41释放的空气的声学噪音的第一扩展腔111至第三扩展腔113，以增加传输损耗同时克服空间上的限制。第一扩展腔111至第三扩展腔113使得由于扩展消音器的入口管和出口管的截面积与扩展腔的截面积之间的差异所引起的声反射能连续地发生多次，从而在小的空间中产生了大的传输损耗。

由此，当采用多个扩展腔时，每个扩展腔的长度减小。因此，在每个扩展腔中具有高传输损耗的频带，即在每个扩展腔中声学噪音被减小的频带，增加。例如，当气泵41产生的声学噪音在约500Hz至约2kHz的频带时，第一扩展腔111至第三扩展腔113可以对于在等于或大于约1.5kHz的频带中的声学噪音具有优良的声学噪音减小性能，而对于在从约500Hz至约1.5kHz的频带中的声学噪音具有低的声学噪音减小性能。因此，图3A和3B的消音器100包括连接到第一扩展腔111的第一谐振器211和连接到第三扩展腔113的第二谐振器212，以满足声学噪音在约500Hz至约2kHz的频带中小于或等于1/3倍频程中的预定声压级的条件。第一谐振器211减小已经流入到第一扩展腔111中的空气的在与第一扩展腔111至第三扩展腔113降低的声学噪音的频带不同的另外频带中的声学噪音。第二谐振器212减小已经流入到第三扩展腔113中的空气的在与第一扩展腔111至第三扩展腔113降低的声学噪音的频带不同的另外频带中的声学噪音。

当测量已经通过第一扩展腔111至第三扩展腔113的空气的声学噪音并对1/3倍频程单元中测量的声学噪音进行快速傅立叶变换（Fast FourierTransform，FFT）时，可以根据1/3倍频程单元中的频率来检测声压级。消音器100的设计者可以参考该检测结果以检测具有妨碍消音器100的目标声学噪音条件的声压级的频率，该目标声学噪音条件例如为仅允许在从约50Hz到约10kHz的频带中小于或等于1/3倍频程单元中的目标声压级的声学噪音的条件。然后，设计者可以通过参照具有妨碍声学噪音条件的声压级的频率来针对已经通过第一扩展腔111至第三扩展腔113的空气的声学噪音再次确定要减小的目标频率。

备选地，第一扩展腔111至第三扩展腔113可以通过采用以上的公式1来模拟，并且声压级可以从第一扩展腔111至第三扩展腔113的模型根据已经通过第一扩展腔111至第三扩展腔113的空气在1/3倍频程单元中的频率来预测。设计者可以通过参照这样的预测结果针对已经通过第一扩展腔111至第三扩展腔113的空气的声学噪音再次确定要减小的目标频率。例如，如果具有妨碍声学噪音条件的声压级的频率被分成1kHz附近的频带和2kHz附近的频带，则被第一谐振器211和第二谐振器212减小的频带的中心频率可以被确定为1kHz和2kHz。

通常，当已经流入到谐振器中的空气用作弹簧时谐振器具有产生谐振频率的声波的结构。被谐振器反射的反相声波抵消与反射波具有相同谐振频率的声波。这种谐振器的示例包括亥姆霍兹谐振器（Helmholtz resonator）。当V表示亥姆霍兹谐振器的腔体积，L表示亥姆霍兹谐振器的颈部长度，A表示颈部的截面积时，亥姆霍兹谐振器的谐振频率可以基于下面的公式2来计算。在公式2中，c表示声速。

[公式2]

f = \frac{c}{2 π} \sqrt{\frac{A}{VL}} Hz

如公式2所示，亥姆霍兹谐振器的谐振频率由空腔体积、颈部长度及颈部截面积决定，且谐振频率不受亥姆霍兹谐振器形状的影响。图3A和3B的第一谐振器211和第二谐振器212是亥姆霍兹谐振器，其中第一谐振器211包括突出到第一扩展腔111内的颈部2111以及空腔2112，第二谐振器212包括突出到第三扩展腔113内的颈部2121以及空腔2122。

这样，由于第一谐振器211的颈部2111突出到第一扩展腔111内，所以连接第一谐振器211的第一扩展腔111的内部空气流入到第一谐振器211的颈部2111的孔口中，并且该空气被从第一谐振器211的颈部2111的孔口释放到连接第一谐振器211的第一扩展腔111中。类似地，由于第二谐振器212的颈部2121突出到第三扩展腔113内，所以连接第二谐振器212的第三扩展腔113的内部空气流入到第二谐振器212的颈部2121的孔口中，并且该空气被从第二谐振器212的颈部2121的孔口释放到连接第二谐振器212的第三扩展腔113中。

如公式2所示，第一谐振器211的颈部2111的长度以及空腔2112的体积与要被第一谐振器211减小的频带的中心频率的大小（即，与第一扩展腔111至第三扩展腔113中减小的声学噪音的频带不同的另一频带的中心频率的大小）成反比，且第一谐振器211的颈部2111的截面积大小与要被第一谐振器211减小的频带的中心频率的大小成比例。类似地，第二谐振器212的颈部2121的长度以及空腔2122的体积与要被第二谐振器减小的频带的中心频率的大小（即，与第一扩展腔111至第三扩展腔113减小的声学噪音的频带不同的另一频带的中心频率的大小）成反比，且第二谐振器212的颈部2121的截面积大小与要被第二谐振器212减小的频带的中心频率的大小成比例。

因此，消音器100的设计者可以调节第一谐振器211的颈部2111的长度和截面积以及空腔2112的体积，以实现具有设计者选择的频率（例如，2kHz的谐振频率）的谐振器。类似地，消音器100的设计者可以调节第二谐振器212的颈部2121的长度和截面积以及空腔2122的体积，以实现具有设计者选择的频率（例如，1kHz的谐振频率）的谐振器。例如，当第一谐振器211的颈部2111的长度为6mm，颈部2111的内径为2mm，且空腔2112的体积为411mm³时，第一谐振器211具有1931Hz的谐振频率。此外，当第二谐振器212的颈部2121的长度为10mm，颈部2121的内径为2mm，且空腔2122的体积为912mm³时，第二谐振器212具有1004Hz的谐振频率。

如上所述，图1的燃料电池系统是便携式小型燃料电池系统，因此图3A和3B的消音器100被安装在安装燃料电池系统的其他元件之后剩余的空间中。因此，消音器100与安装在一般燃料电池系统中的消音器相比是非常小的。此外，随着第一扩展腔111至第三扩展腔113的内部体积的增大，传输损耗增加。换言之，为了在图3A和3B的消音器100所允许的空间内尽可能大地增加第一扩展腔至第三扩展腔的体积，第一扩展腔111至第三扩展腔113、第一谐振器211的空腔2112及第二谐振器212的空腔2122形成为使得在消音器100的内部空间中没有闲置空间。参照图3A和3B，第一扩展腔111至第三扩展腔113、第一谐振器211的空腔2112以及第二谐振器212的空腔2122通过由多个分隔壁来划分消音器100的内部空间而形成。

这样，由于第一扩展腔111至第三扩展腔113、第一谐振器211的空腔2112以及第二谐振器212的空腔2122在通过利用多个分隔壁划分消音器100的内部空间而形成的空间中，所以第一扩展腔111至第三扩展腔113以及空腔2112和空腔2122共享分隔壁，结果在消音器100的内部空间中不存在闲置空间。这里，分隔壁的数目与第一扩展腔111至第三扩展腔113的数目及第一谐振器211的空腔2112和第二谐振器212的空腔2122的数目的总和成比例。换言之，分隔壁的数目随着第一扩展腔111至第三扩展腔113、第一谐振器211的空腔2112及第二谐振器212的空腔2122的数目的增加而增加。在图3A和3B的消音器100中，采用了六个分隔壁以形成三个扩展腔和两个空腔。

如上所述，第二谐振器212的目标谐振频率为第一谐振器211的目标谐振频率的大约一半。谐振器的谐振频率可以通过调节谐振器的颈部的长度和截面积来调节，但是对于消音器100的设计者可能难以获得期望的谐振频率。这表明，当第二谐振器212的空腔2122的体积是第一谐振器211的空腔2112的体积的大约两倍时，获得具有目标谐振频率的第一谐振器211和第二谐振器212。参照图3A和3B，第一谐振器211的空腔2112与第一扩展腔111共享一个分隔壁，而第二谐振器212的空腔2122与第二扩展腔112和第三扩展腔113共享两个分隔壁。因而，当第一扩展腔111至第三扩展腔113的形状和体积几乎相同时，第一谐振器211的空腔2112可以与第一扩展腔111共享一个分隔壁并且第二谐振器212的空腔2122可以与第二扩展腔112和第三扩展腔113共享两个分隔壁，因此第二谐振器212的空腔2122的体积可以是第一谐振器211的空腔2112的体积的差不多两倍。

参照图3A和3B，插设在第一扩展腔111和第二扩展腔112之间的分隔壁中的第一居间管1112的入口位于第一扩展腔111内，而第一居间管1112的出口位于第二扩展腔112内。插设在第二扩展腔112和第三扩展腔113之间的分隔壁中的第二居间管1123的入口位于第二扩展腔112内，而第二居间管1123的出口位于第三扩展腔113内。因此，第一居间管1112的出口和第二居间管1123的入口位于第二扩展腔112内。在图3的实施例中，为了减小在第二扩展腔112内流动的空气的声学噪音，消音器100的设计者可以调节第一居间管1112和第二居间管1123的长度，使得第一居间管1112的出口的端部比第二居间管1123的入口的端部更靠近第二扩展腔112和第三扩展腔113之间的分隔壁。

这样，由于第一居间管1112的出口的端部比第二居间管1123的入口的端部更靠近第二扩展腔112和第三扩展腔113之间的分隔壁，所以从第一居间管1112的出口释放到第二扩展腔112中的空气向后流到第二居间管1123的入口。从第一居间管1112的出口释放到第二扩展腔112中的空气沿向前的方向运动，然后在第二扩展腔112和第三扩展腔113之间的分隔壁处被反射之后向后运动。然后，沿该向后的方向运动的空气在第一扩展腔111和第二扩展腔112之间的分隔壁处被反射并因此再次沿向前的方向运动。如果第一居间管1112和第二居间管1123的长度调节为使得在第二扩展腔112内向前方向的空气和向后方向的空气具有相反的相位或具有与相反相位接近的相位，则向前方向的空气的声压与向后方向的空气的声压相抵消，并因此被减小。

图4是示出在根据本发明实施例的消音器100内空气的流动的示意图。参照图4，空气经由入口管1110流入到第一扩展腔111中，第一扩展腔111内的空气流动到第一谐振器211的颈部2111的孔口，然后空气又从第一谐振器211的颈部2111的孔口被释放到第一扩展腔111中。第一扩展腔111内的空气经由第一居间管1112流入到第二扩展腔112中，然后空气沿向前的方向运动，然后通过在第二扩展腔112和第三扩展腔113之间的分隔壁处被反射空气沿向后的方向运动。沿向后的方向运动的空气在第一扩展腔111和第二扩展腔112之间的分隔壁处被反射以再次沿着向前的方向运动，然后经由第二居间管1123流入到第三扩展腔113中。第三扩展腔113的内部空气流动到第二谐振器212的颈部2121的孔口，然后又从第二谐振器212的颈部2121的孔口被释放到第三扩展腔113中。

图5A和5B是根据本发明另一实施例的消音器100的内部形状的示意图。参照图5A和5B，消音器100包括两个扩展腔和一个谐振器。图3A和3B的消音器100包括三个扩展腔（即第一扩展腔111至第三扩展腔113）以克服消音器100的空间限制并增加传输损耗。如果图5A和5B的消音器100的使用环境所要求的传输损耗比图3的消音器100的使用环境低，则消音器100可以如图5A和5B所示仅包括两个扩展腔。此外，如果对于已经通过两个扩展腔的空气的声学噪音而言要再次减小的目标频率的数目是1，则消音器100可以如图5A和5B所示仅包括一个谐振器。图5A和5B的谐振器的空腔的体积可以通过移动分隔壁来调节。如果对于已经通过两个扩展腔的空气的声学噪音而言要再次减小的目标频率的数目是2，则可以在两个扩展腔中安装两个谐振器。

图6A和6B是根据本发明另一实施例的消音器100的内部形状的示意图。参照图6A和6B，消音器100包括四个扩展腔和两个谐振器。图3A和3B的消音器100包括三个扩展腔（即第一扩展腔111至第三扩展腔113）以克服消音器100的空间限制并增加传输损耗。如果图6A和6B的消音器100的使用环境所要求的传输损耗比图3A和3B的消音器100的使用环境高，则消音器100可以如图6A和6B所示包括四个扩展腔。具体地，为了增加传输损耗，消音器100中的下部空间的一部分可以被分配为扩展腔的空间而非图5A和5B所示的谐振器的空腔。如图6A和6B所示，消音器100可以包括两个谐振器。然而，如果对于已经通过四个扩展腔的空气的声学噪音而言要再次减小的目标频率的数目是3，则除了图6A和6B所示的两个谐振器之外还可以安装一个谐振器。

图7A和7D是图3A和3B的消音器100的壳体的示意图。图7A是壳体的外部形状的前视图，图7B是壳体的外部形状的侧视图，图7C是壳体的外部形状的立体图，图7D是壳体的内部形状的前视图。参照图7A至7D，消音器100的壳体具有稳定地安装在图1的燃料电池系统内的结构，并包括将与用于支撑燃料电池系统内的设备元件的内框架相结合的插口（socket）。例如，消音器100的壳体具有与燃料电池系统的内部形状相对应的形状，即具有分配给消音器100的空间的形状。

图8是示出其中安装有消音器100的图7A至7D的壳体的示意图。参照图8，气泵41的出口与消音器100的入口管1110相互结合，燃料电池10的阴极处的入口与消音器100的出口管1130相互结合。如图8所示，气泵41的出口与消音器100的入口管1110结合使得气泵41的出口插入到消音器100的入口管1110中。此外，燃料电池10的阴极处的入口与消音器100的出口管1130结合使得燃料电池10的阴极处的入口插入到消音器100的出口管1130中。如图8所示，消音器100的壳体的插口结合到燃料电池系统的内框架，由此消音器100被固定在燃料电池系统内。

图9是示出在使用图3A和3B的消音器100之前和之后声学噪音的测量结果的曲线图。在距燃料电池系统10m的位置处测量燃料电池系统的声学噪音，且根据测量的声学噪音在从约20Hz至约20kHz的频带中在1/3倍频程单元中检测到的声压级在图9中示出。如上所述，军事规格仅允许在距军事设备10m的位置处在从50Hz至10kHz的频带中在1/3倍频程单元中小于或等于预定声压级的声学噪音。参照图9，在从50Hz至10kHz的频带中对于1/3倍频程中的每个频率示出三个一组的条。在三个一组的条当中，左边的条示出在消音器100应用到燃料电池系统之前测量的声学噪音，中间的条示出在消音器100应用到燃料电池系统之后测量的声学噪音，右边的条示出根据军事规格的声压级。

如图9所示，在安装消音器100之前燃料电池系统的声学噪音在50Hz至500Hz的频带中满足军事规格的声学噪音条件，但在从500Hz至10kHz的频带不满足声学噪音条件。具体地，由于在50Hz附近的低频带中燃料电池系统的声学噪音的声压级与军事规格的声压级相比明显地小，所以即使声压级在该低频带中有些增加也可以满足军事规格。如上所述，图3A和3B的消音器100的第一扩展腔111至第三扩展腔113对于1.5kHz之后的频带中的声学噪音具有优良的声学噪音减小性能，但是对于500Hz到1.5kHz频带中的声学噪音具有低的声学噪音减小性能。由此，在本发明的实施例中采用多个扩展腔（即，第一扩展腔111至第三扩展腔113）以通过在1.5kHz之后的频带中提高声学噪音减小性能而牺牲在500Hz至1.5kHz的频带中的声学噪音减小性能来满足军事规格。

此外，如上所述，由于仅采用第一扩展腔111至第三扩展腔113无法满足军事规格的声学噪音条件，所以在本发明的实施例中采用具有约2kHz的谐振频率的第一谐振器211和具有约1kHz的谐振频率的第二谐振器212。如图9所示，在2kHz附近的从1400Hz至2600Hz的频带中的声压级被第一谐振器211减小，并且在1kHz附近的从700Hz至1300Hz的频带中的声压级被第二谐振器212减小。

此外，通过使用上述第一扩展腔111至第三扩展腔113以及第一谐振器211和第二谐振器212可能不能完全满足军事规格的声学噪音条件。如图9所示，通过采用图3A和3B的消音器100在500Hz至2.5kHz的频带中声压级被显著减小，而有些频带仍然无法满足军事规格的声学噪音条件。这可以通过采用除图3A和3B的消音器100之外的声学噪音减小装置来解决。例如，由气泵41的自振动产生的声学噪音可以通过改进气泵41的安装方法来减小。

图10A和10B是用于描述图1的气泵41的安装方法的示意图。图10A示出气泵41以及一体地结合到气泵41的支座。图10B示出安装在燃料电池系统的内框架中的气泵41。如图10A所示，用于将气泵41安装在燃料电池系统中的支座被结合到气泵41的顶部和底部。结合到气泵41的顶部的支座包括要被结合到燃料电池系统的内框架的两个插口。类似地，结合到气泵41的底部的支座包括要被结合到燃料电池系统的内框架的两个插口。为了减小由气泵41的自振动产生的声学噪音，具有圆柱形状且具有X形缝隙的橡胶密封件被压入到每个插口的中央。

参照图10A，具有环形的橡胶密封件插设在气泵41和气泵41的支座之间，以减小由气泵41的自振动产生的声学噪音。参照图10B，具有圆柱形的橡胶密封件插设在气泵41的支座和燃料电池系统的内框架之间。通过由橡胶密封件（该密封件被压入到支座的每个插口中）的缝隙来紧固螺栓和螺母，气泵41的支座可以安装在燃料电池系统的内框架中。

插设在气泵41和气泵41的支座之间的橡胶密封件的硬度可以高于插设在气泵41的支座和燃料电池系统的内框架之间的橡胶密封件的硬度。例如，插设在气泵41和气泵41的支座之间的橡胶密封件的硬度可以是70%，而插设在气泵41的支座和燃料电池系统的内框架之间的橡胶密封件的硬度可以是30%。气泵41和气泵41的支座可以被一体地结合以固定气泵41。因此，具有较高硬度的橡胶密封件可以插设在气泵41和气泵41的支座之间。此外，由于气泵41的支座和燃料电池系统的内框架通过由压入插口的橡胶密封件的缝隙来紧固螺栓和螺母来结合，所以橡胶密封件即使硬度低也不会影响气泵41的固定。因此，具有较低硬度的橡胶密封件可以插设在气泵41的支座和燃料电池系统的内框架之间从而尽可能多地减少气泵41的自振动。

应当理解，这里描述的示范性实施例应被认为仅是说明性的而不是为了限制的目的。对每个实施例中的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他实施例中的其他相似特征或方面。

本申请要求于2011年12月23日提交至韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2011-0141704的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

Claims

1.一种安装在燃料电池系统中的消音器，该消音器包括：

多个扩展腔，连接到所述燃料电池系统的预定设备以连续地减小从该预定设备释放的空气的声学噪音；以及

至少一个谐振器，连接到所述多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与被所述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同，

其中所述多个扩展腔中的任一个包括从所述预定设备接收空气的入口管，所述多个扩展腔中的另一个包括释放已经流入到所述多个扩展腔中的空气的出口管，并且在所述多个扩展腔之间插设有居间管，

其中所述居间管的入口位于相邻扩展腔中的一个扩展腔内，其出口位于所述相邻扩展腔中的另一个扩展腔内，使得通过所述入口管接收的空气经由所述居间管被依次传输到所述多个扩展腔的每个中。

2.根据权利要求1所述的消音器，其中所述多个扩展腔和所述至少一个谐振器的至少一个空腔通过由多个分隔壁划分所述消音器的内部空间而形成。

3.根据权利要求2所述的消音器，其中所述至少一个谐振器中的第一谐振器的空腔与所述多个扩展腔中的至少一个扩展腔共享所述多个分隔壁的一部分，第二谐振器的空腔与其他扩展腔共享所述多个分隔壁的一部分，其中所述其他扩展腔的数量比所述至少一个扩展腔的数量多。

4.根据权利要求2所述的消音器，其中所述多个分隔壁的数量与所述多个扩展腔的数量和所述至少一个谐振器的空腔的数量的总和成比例。

5.根据权利要求2所述的消音器，其中每个所述空腔的体积与所述另一频带的中心频率的大小成反比。

6.根据权利要求2所述的消音器，其中在所述多个扩展腔当中的第一扩展腔和第二扩展腔之间的第一分隔壁中插设的第一居间管的出口的端部设置为比在所述第二扩展腔和第三扩展腔之间的第二分隔壁中插设的第二居间管的入口的端部更靠近所述第二分隔壁，由此从所述第一居间管的出口释放到所述第二扩展腔中的空气以回流的形式流入到所述第二居间管的入口中。

7.根据权利要求1所述的消音器，其中所述至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部突出到与该每个谐振器连接的扩展腔内，连接到该每个谐振器的扩展腔的内部空气流入到该每个谐振器的颈部的孔口中，且流入到该每个谐振器的颈部的孔口中的空气从该每个谐振器的颈部的孔口被释放到与该每个谐振器连接的扩展腔。

8.根据权利要求2所述的消音器，其中所述至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部的长度与所述另一频带的中心频率的大小成反比，且每个谐振器的颈部的截面积大小与所述另一频带的中心频率的大小成比例，所述另一频带与被所述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。

9.根据权利要求1所述的消音器，其中所述预定设备是用于将空气供应到所述燃料电池系统的燃料电池的气泵，且所述出口管连接到所述燃料电池系统的在所述燃料电池的阴极处的入口，由此从所述出口管释放的空气流入到在所述燃料电池的所述阴极处的入口中。

10.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池，利用燃料来发电；

平衡设备，用于至少将燃料和空气供应到所述燃料电池；以及

消音器，插设在所述平衡设备的气泵与所述燃料电池的阴极处的入口之间以减小从该气泵释放的空气的声学噪音，

其中所述消音器包括多个扩展腔，该多个扩展腔用于连续地减小从所述气泵释放的空气的声学噪音，

其中在所述多个扩展腔之间插设有居间管，所述居间管的入口位于相邻扩展腔中的一个扩展腔内，其出口位于所述相邻扩展腔中的另一个扩展腔内，使得进入所述消音器的空气经由所述居间管被依次传输到所述多个扩展腔的每个中。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述消音器还包括至少一个谐振器，该至少一个谐振器连接到所述多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的空气的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与被所述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。

12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中在所述气泵和所述气泵的支座之间插设有第一橡胶密封件，且在所述支座和所述燃料电池系统的内框架之间插设有第二橡胶密封件。

13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述第一橡胶密封件的硬度大于所述第二橡胶密封件的硬度。