JP2006253110A - 防音及び防塵構造のポンプ及びこれを採用した燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】防音及び防塵構造のポンプ及びこれを採用した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜とこの電解質膜の両面に接合されるアノード電極及びカソード電極を具備し、これらアノード電極とカソード電極にそれぞれ供給される水素を含む燃料及び酸化剤の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部１００と、この電気発生部に酸化剤を供給する第１ポンプ２００を具備した燃料供給部１５０、そして下部フレーム１１０上に設置されて、第１ポンプ２００が固定される固定フレーム１２０を含み、第１ポンプ２００は下部フレーム１１０から離隔されて、固定フレーム１２０に結合される第１固定部材１６２によって固定支持される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ポンプ及びこれを採用した燃料電池システムに関し、特に、固定構造とポンプハウジング構造を改善してポンプによる震動及び騷音を大幅に減少させることができる防音及び防塵構造のポンプ及びこれを採用した燃料電池システムに関する。
燃料電池は、メタノール、エチルアルコール、天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含有されている水素と酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
燃料電池は、使われる電解質（electrolyte)の種類によって、燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型燃料電池、アルカリ型燃料電池などに分類される。
これらそれぞれの燃料電池は基本的に同じ原理によって作動するが、使われる燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。
その中で、高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)は、他の燃料電池に比べて出力特性がはるかに高く、作動温度が低く、同時に早い始動及び応答特性とともに、ポータブル電子機器用のような移動用(transportable)電源や自動車用動力源のような輸送用電源は勿論、住宅、公共建物の停止型（stationary）発電所のような分散用電源など、その応用範囲が広いという長所を持つ。
上述した高分子電解質型燃料電池はスタック(stack)、改質器(reformer)、燃料タンク及び燃料ポンプなどを具備する。そして高分子電解質型燃料電池は燃料ポンプの作動で燃料タンク内の燃料を改質器に供給して、この改質器で燃料を改質して水素気体を発生させ、スタックでこの水素気体と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
また、燃料電池には、高分子電解質型燃料電池と類似するが、液状のメタノール燃料を直接スタックに供給することができる直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)がある。
直接メタノール型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは違って改質器を使わないため、小型化にさらに有利である。
燃料電池スタックは、通常、膜−電極アセンブリー(Membrane Electrode Assembly: MEA)とセパレーター(separator)からなる単位燃料電池が数個ないし数十個積層された構造を持つ。
ここで、膜−電極アセンブリーは、高分子電解質膜を間に置いてアノード電極("燃料極"または"酸化電極"と言う場合もある)とカソード電極("空気極"または"還元電極"と言う場合もある)が接続された構造を持つ。
そして、燃料電池スタックは圧縮密封される。これはスタック内部の圧力が高いが、酸素減少のような不均一な作動条件を防止するためのものである。
図１は、高分子電解質膜を含む一般的な燃料電池の動作原理を概略的に現わした図面である。図１を参照すれば、燃料電池１０の膜−電極アセンブリー２０は、高分子電解質膜１２、燃料極触媒層１４及び空気極触媒層１６を含む。
燃料電池１０の燃料供給口から水素気体または水素を含む燃料が燃料極触媒層１４に供給されれば、燃料極触媒層１４で電気化学的酸化反応が起きながら水素イオン（H+）と電子（e-）にイオン化されて酸化される。
イオン化された水素イオンは、燃料極触媒層１４から高分子電解質膜１２を通じて空気極触媒層１６に移動し、電子は燃料極触媒層１４から外部電線１８を通じて空気極触媒層１６に移動するようになる。
空気極触媒層１６に移動した水素イオンは、空気極触媒層１６に供給される酸素と電気化学的還元反応を起こして反応熱と水を生成させる。そして電子の移動によって電気エネルギーが発生される。
上述した高分子電解質型燃料電池と直接メタノール型燃料電池の電気化学的反応を反応式にそれぞれ現わせば、下記反応式１及び反応式２のようになる。
（反応式１）
アノード電極: H2 → 2H+ + 2e-
カソード電極: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
（反応式２）
アノード電極: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
カソード電極: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
一方、燃料電池システムは、燃料ポンプや空気ポンプなどを利用して燃料電池スタックに水素を含む燃料と空気を供給するアクティブ型(active)燃料電池システムと、ポンプを使わないで燃料または空気を供給するパッシブ型(passive)燃料電池システムに区分することができる。
その中で、アクティブ型燃料電池システムはパッシブ型燃料電池システムより高い出力を得ることができるが、通常多数の燃料電池が積層された構造で圧縮密封されるから、そのような構造の燃料電池スタックは所定の内部圧力を持つ。
したがって、所定の内部圧力を持つ燃料電池スタックに酸素欠乏を考慮した十分な量の空気を供給するためには、高出力の空気ポンプを使わなければならない。
このように従来のアクティブ型燃料電池システムでは、高出力の空気ポンプを使わなければならず、それによって比較的大きい騷音とともに震動が発生するようになるという短所がある。
また、従来のアクティブ型燃料電池システムは、通常空気ポンプ以外に少なくとも一つの燃料ポンプを具備する。この場合、従来のアクティブ型燃料電池システムでは燃料ポンプによる騷音と震動がさらに発生されるという短所がある。
このようなポンプの騷音と震動は燃料電池のより長い継続的な作動を妨害する。
さらに、アクティブ型燃料電池システムをノート型パソコン、ＰＭＰ(portable multimedia player)、ポータブルＤＶＤ(digital video disc)プレーヤー、ＰＤＡ(personal digital assistant)、携帯電話、キャムコーダなどの電子機器の電源供給装置として使用する場合、燃料電池システムの騷音と震動は電子機器使用者に不便をもたらすから、使用者の便宜をはかって電子機器の円滑な利用のためにも燃料電池の騷音発生は防止されなければならない。
一方、従来の燃料電池システムに関する技術を記載した文献としては、下記特許文献１等がある。
特開平０９−８８８２１号公報
本発明は、上述した問題点を考慮して導出されたもので、その目的は、ポンプの震動を吸収するように固定フレームの側面及び上部面にポンプが固定された燃料電池システムを提供することである。
本発明のまた別の目的は、固定フレームの側面及び上部面に固定される空気ポンプを騷音及び震動に対する吸収遮断效果が優れたハウジングに挿入設置して空気ポンプによる騷音及び震動がより一層大幅に減少される防音及び防塵構造のポンプ及びこれを採用した燃料電池システムを提供することである。
上述した目的を果たすために、本発明の実施形態によれば、電解質膜とこの電解質膜の両面に接合されるアノード電極及びカソード電極を具備し、これらアノード電極とカソード電極にそれぞれ供給される水素を含む燃料及び酸化剤の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部と、この電気発生部に酸化剤を供給する第１ポンプを具備した燃料供給部、そして下部フレーム上に設置されて、第１ポンプが固定される固定フレームを含み、第１ポンプは下部フレームから離隔されて、固定フレームに結合される第１固定部材によって固定支持される燃料電池システムが提供される。
望ましくは、第１固定部材はベルト構造の固定部材であり、緩衝部材が第１ポンプの側面と固定フレームの間に挿入設置されることが望ましい。
また、上述した燃料電池システムの燃料供給部は、電気発生部に水素を含む燃料を供給する第２ポンプをさらに含み、この時、第２ポンプは下部フレームから離隔されて固定フレームの中で上部固定フレームの上部にぶら下げられるように第２固定部材によって固定支持される。
また、第２ポンプは固定フレームに結合されたサブ固定フレームのサブ上部面/下部面またはサブ側面に第２固定部材によって固定支持されることができる。
この場合、固定フレームとサブ固定フレームの結合構造とサブ固定フレーム自体が持つ弾性によって第２ポンプで発生される震動をより效果的に吸収・減少させることができる。ここで、第２固定部材は、ねじ結合構造の固定部材である。
また、上述した燃料電池システムでは、固定フレームの上部面/下部面または側面にポンプを固定させるポンプ固定構造に加えて、固定フレームに固定されるポンプを防音及び防塵效果が優れたハウジングに挿入設置される構造を提供する。
望ましくは、上述した固定フレームの上部面/下部面または側面に固定される空気ポンプは、内部で発生された騷音を吸収及び遮断する二重金属ハウジング本体、及び流体の流入及び流出のための流入孔と流出孔を具備するハウジングと、このハウジングに挿入設置されて流体が流入される流入管と、流出孔を貫通して流入された流体が所定圧力に流出される流出管を具備したポンプを含む。
ここで、二重金属ハウジング本体は音エネルギーを熱エネルギーに変換して騷音を吸収する多孔性第１金属ハウジング本体、そして第１金属ハウジング本体を取り囲んで音エネルギーが外部に伝達されることを遮断する第２金属ハウジング本体を具備する。
また、上述した固定フレームの上部面/下部面または側面に固定される空気ポンプ、真空壁からなり開口部が形成されたハウジング本体、及びハウジング本体の開口部を覆って流体の流入と流出のための流入孔及び流出孔が形成された蓋を具備するハウジング、そしてハウジングに挿入設置されて、流体が流入される流入管、及び流出管を貫通して流入された流体が所定圧力に流出される流出管を具備するポンプを含む。
ここで、騷音は、燃料電池の使用者が不快に感じる音として主に空気ポンプ内のモーター回転や圧力によって発生される。震動は、空気ポンプ内のモーター回転及び圧力によってポンプから発生される上下または左右の繰り返し運動を現わす。そして震動は騷音を発生させる。
以上説明したように、燃料電池システムに搭載されるポンプを固定フレームの側面及び上部に固定することで、ポンプの震動を適切に吸収及び遮断することができる。したがって、燃料電池システムの震動を大きく減少させることができる。
また、固定フレームの側面及び上部に固定される空気ポンプを吸音率が優れた二重金属ハウジングや真空ハウジングに挿入設置することで、従来の燃料電池システムに比べて震動と騷音が大幅に減少された燃料電池システムを提供することができる。
また、燃料電池システムが搭載されたノート型パソコンなどのアプリケーションで低騷音及び無震動特性を大幅に高めることができるという利点がある。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。図面で各構成要素の厚さや大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張された。図面上で同一符号は同じ要素を指す。
図２は、本発明による燃料電池システムを概略的に現わすブロック図である。
図２を参照すれば、燃料電池システムはポータブル燃料電池分野に相応しくて、特にノート型パソコンやキャムコーダのような電子機器の電源供給装置として使用するのに適合するように基本的にポンプ固定構造を利用してポンプによって発生される震動及び騷音を大幅に減少させる。
このために本実施形態による燃料電池システムは燃料電池１００、第１ポンプ２００、第２ポンプ３００及び制御部４００を含む。
具体的には、燃料電池１００は電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの単位燃料電池(図示せず)を含む。ここで、単位燃料電池は電気化学的な反応によって所定の電圧及び電流を発生させる電気発生部を現わす。
燃料電池１００は、複数の単位燃料電池が積層されたスタック構造を含む。この場合、燃料電池スタックはその内部の酸素欠乏による逆效果、例えば、出力低下等を防止するために通常圧着密封される。
上述した電気発生部は、通常水素と酸素の酸化還元反応によって電気エネルギーを発生させる膜−電極アセンブリー(membrane-electrode assembly: MEA)と、膜−電極アセンブリーの両面に密着されて膜−電極アセンブリーに水素を含む燃料と酸素または空気を供給するセパレーター（separator）からなる。
膜−電極アセンブリーは、高分子電解質膜とその両面に接合されるアノード電極及びカソード電極を含む。セパレーターは燃料電池１００の構造によって省略されることができる。
上述した構成によって、燃料電池１００は電気エネルギーを発生させ、反応生成物として得られる水と二酸化炭素を流出する。この時、燃料電池１００で反応しない未反応燃料及び空気は、二酸化炭素及び水とともに燃料電池１００の外部に排出される。未反応燃料はリサイクルのための循環経路を通じて燃料電池１００に再度供給されることができる。
また、燃料電池１００は直列及び/または並列接続された複数の単位燃料電池によって、所定電圧、例えば、２４Ｖを外部負荷に印加する。この時、燃料電池１００から外部負荷に印加される電圧は、ＤＣ−ＤＣ変換器などの電力変換器によって所定レベルに変換された後、上述した所定電圧で印加されることができる。
ここで、外部負荷はノート型パソコン、衛星放送受信機、ＰＭＰ、ポータブルＤＶＤプレーヤー、ＰＤＡ、キャムコーダなどのような電子機器を含む。
第１ポンプ２００は、燃料電池１００のカソード側に結合され、酸素や空気を燃料電池１００内のカソード電極に供給する。第１ポンプ２００は空気ポンプまたは送風機を含む。
第１ポンプ２００は、燃料電池１００のより長い持続的な作動のために圧着密封された構造の燃料電池１００内に必要以上の酸素量を含む十分な空気を供給する。
第２ポンプ３００は、燃料電池１００のアノード側に結合され、燃料タンク(図示せず)に保存された水素または水素を含む燃料、例えば、メタノールなどのような水素化合物や水とメタノールが混合した混合燃料を燃料電池１００内のアノード電極に供給する。ここで、第２ポンプ３００は燃料ポンプである。
制御部４００は、第１ポンプ２００及び第２ポンプ３００の動作を制御する。制御部４００は燃料電池１００の作動を要求するスタート信号に応答して第１ポンプ２００及び第２ポンプ３００の動作をオンオフ制御するための制御信号を、これらポンプ２００、３００に与える。
また、制御部４００は、第１ポンプ２００及び第２ポンプ３００に必要な電力を供給するために、バッテリー、キャパシター、常用電源、燃料電池などの多様な電源供給装置の中で少なくともいずれか一つが第１ポンプ２００及び第２ポンプ３００に電気的に接続されるように制御する。
この場合、制御部４００は、燃料電池１００の初期駆動の時、バッテリー、キャパシター、常用電源の中でいずれか一つの電源を第１及び第２ポンプ２００、３００に接続させ、燃料電池１００の定常駆動の時、燃料電池１００を電源として第１及び第２ポンプ２００、３００に接続させることができる。
図３は、本発明の好適な実施形態による防音及び防塵構造のポンプが採用された燃料電池システムを現わす斜視図である。
本実施形態はポンプ固定構造をより理解しやすく説明するためのもので、本発明を明確で簡潔に現わすために、システム内の制御部、電力系統などの他の構成要素を略した。
図３を参照すれば、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１００、下部フレーム１１０、第１及び第２垂直固定フレーム１２０、１２２、上部固定フレーム１３０、燃料タンク１５０、第１ないし第３流路管１５４、１５６、１５８、第１固定部材１６２、第２固定部材１６４、緩衝部材１７０、空気ポンプ２００及び燃料ポンプ４００を含む。
具体的には、第１及び第２垂直固定フレーム１２０、１２２は下部フレーム１１０上に所定間隔を置いて固定設置される。上部固定フレーム１３０は第１及び第２垂直固定フレーム１２０、１２２が互いに結合されるようにこれらフレーム１２０、１２２の上端にボルト及びナットなどの結合部材１４２によって結合される。
燃料電池１００は、第２垂直固定フレーム１２２の前面側に設置される。燃料電池１００の前面部には燃料電池内部で反応しない燃料と二酸化炭素などの反応生成物を排出する排出管１０２が図示されている。
また、図３にすべて図示されていないが、燃料電池１００は水素と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる電気発生部のアノード側流入口及び流出口１０２とカソード側流入口及び流出口を具備する。
図３において、カソード側流入口及び流出口は、燃料電池１００の裏側側面に形成されている（図示せず）。
燃料タンク１５０は、第１垂直固定フレーム１２０の後面側に配置される。燃料タンク１５０の上部には燃料注入のための燃料注入口１５２が形成されている。
空気ポンプ２００は、第１垂直固定フレーム１２０の側面にベルト形状の第１固定部材１６２によって固定支持される。この時、空気ポンプ２００は下部フレーム１１０に触れないように所定高さに離隔されて設置される。
また、空気ポンプ２００と第１垂直固定フレーム１２０の間には緩衝部材１７０が挿入設置される。緩衝部材１７０として適する材料としては多孔性軟性部材または弾性部材、例えば、ゴム板を挙げることができる。
このような構成は、空気ポンプ２００による震動がシステムに伝達されないように空気ポンプの震動を遮断する。図３において、空気ポンプ２００の上部面には空気が流入される流入孔が図示されている。
サブ固定フレーム１４０は第２垂直固定フレーム１２２の側面に結合部材１４２によって固定結合される。サブ固定フレーム１４０は、アルファベットのＵ字形状に形成される。
燃料ポンプ４００は、サブ固定フレーム１４０上に置かれ、サブ固定フレーム１４０の一側面にねじ結合構造の第２固定部材１６４によって結合される。この時、燃料ポンプ４００の底面側には緩衝部材１７０が挿入される。
また、図３に図示されていないが、サブ固定フレーム１４０を貫通して燃料ポンプ４００と螺子結合される部分には、サブ固定フレーム１４０の一側面と燃料ポンプ４００の間に緩衝部材がさらに挿入される。
このような構成は燃料ポンプ４００による震動がシステムに伝達されないように燃料ポンプ４００の震動を遮断する。
そして、燃料タンク１５０に保存された水素を含む燃料は、第１流路管１５４を通じて燃料ポンプ４００に流入され、第２流路管１５６を通じて燃料ポンプ４００から燃料電池１００のアノード側流入口に流入される。
これと共に、空気ポンプ２００に吸入された空気は、空気ポンプ２００の下端面側から延長される第３流路管１５８を通じて燃料電池１００のカソード側に流入される。
上述した構成によって、燃料電池システムは、空気ポンプ及び燃料ポンプの震動を效果的に遮断する。
図４は、図３の燃料電池システムに図示された燃料ポンプの他の固定構造を現わす図面である。図４を参照すれば、燃料ポンプ４００は垂直固定フレーム１２０に結合されたサブ固定フレーム１４０の下部面にぶら下げられるように固定されることができる。
この時、下部フレーム１１０と燃料ポンプ３００の間に緩衝部材１７０が挿入され、サブ固定フレーム１４０の下部面と燃料ポンプ４００の間にゴム板などの緩衝部材１７２が挿入される。
また、燃料ポンプ４００は上記と類似の構造を利用して上部フレーム１３０の下部面にぶら下げられるように固定されることができる。
上述した二つの場合、燃料ポンプ４００の震動が下部フレーム１１０に伝達されることを基本的に遮断しながら固定フレーム１２０、１３０に伝達されることも遮断することができる。したがって、燃料ポンプ４００による燃料電池システムの震動及び騷音を減少させることができる。
図５は、本発明の実施形態による燃料電池システムの空気ポンプの一例を現わす断面図である。図５を参照すれば、本実施形態による防音及び防塵構造の空気ポンプ２００は、酸素または空気を流入して流出する時、ハウジング２１０内部に設置されたポンプの動作騷音と、これらを通じて流入及び流出される空気による騷音が外部に伝達されないように音エネルギーを吸収して遮断する。
このために、空気ポンプ２００はハウジング２１０、ポンピング部２２０、電動部２３０、吸音材２４０及びフィルター２５０を含む。ここで、ポンピング部２２０及び電動部２３０は空気ポンプを形成する。
具体的には、ハウジング２１０は、シリンダ形状の二重金属ハウジング本体２１１、２１２と、この二重金属ハウジング本体２１１、２１２の両側開口部を覆う第１及び第２蓋２１６、２１８を具備し、チャンバ状に形成されて内部２１４の音エネルギーを吸収して遮断し、ポンプの騷音を最小化する。
シリンダ型の二重金属ハウジング本体２１１、２１２は、音エネルギーに対する吸収及び遮断特性が優れたハウジング構造を形成する。つまり、本実施形態によるシリンダ型二重金属ハウジング本体２１１、２１２は、多孔性第１金属ハウジング本体とこの第１金属ハウジング本体を取り囲む第２金属ハウジング本体からなる二重構造のハウジング２１０を形成する。
第１金属ハウジング本体２１１は、金属多孔体、すなわち、発泡金属で両面が開放された構造の円筒形状に形成される。第１金属ハウジング本体２１１は、独立気泡の集合体であり、各気泡を画定する隔膜に形成された微細な割れ目を通じて各気泡がお互いに通じる構造に形成される。
このような構造は、隔膜の波面と音波が摩擦されるようにして音エネルギーが熱エネルギーに変換されることで優れた吸音效果を現わす。
第１金属ハウジング本体２１１に使用することに適する発泡金属としては、例えば、超軽量性、不燃性、高強度、吸音性及び耐湿性が優れた発泡アルミニウム等を挙げることができる。
第２金属ハウジング本体２１２は、第１金属ハウジング本体２１１を取り囲む円筒形状に形成される。また、第２金属ハウジング本体２１２は高密度部材としてゴムやプラスチックより騷音遮断效果が優れた金属部材で形成される。第２金属ハウジング本体２１２に適する金属としては、例えば、軽量性、不燃性、高強度、遮音性及び耐湿性が優れたアルミニウム等を挙げることができる。
また、第２金属ハウジング本体２１２は、第１金属ハウジング本体２１１の吸音效果を高めるために第１金属ハウジング本体２１１と所定間隔を置いて配置されることができる。
この場合、第２金属ハウジング本体２１２の内表面には所定間隔の高さを持った隔壁２１３が形成される。このような隔壁２１３は突起状やストライプ状またはメッシュ状に形成されることができる。
上述した第１金属ハウジング本体２１１と第２金属ハウジング本体２１２は、直接接合されるか、その間に所定の空間、例えば、空気層を設けて形成することができる。また、第１金属ハウジング本体２１１と第２金属ハウジング本体２１２の間に所定の吸音材破片が満たされることができる。
第１蓋２１６は、ポンプ２００内部の騷音を遮断するように適切な厚さのゴム部材で形成され、流入孔が配置されるハウジング２１０の一側開口部を緻密に覆う。つまり、第１蓋２１６はハウジング２１０の一側開口部の形状に対応して円板形状に形成され、ポンピング部２２０の流入管２２２、２２３に酸素または空気が流入されるように開放された二つの流入孔２１７ａ、２１７ｂを具備し、断面から見る時、ハウジング２１０の一側開口部を角括弧(square bracket)状に覆ってハウジング２１０の一側開口部を支持する。
第２蓋２１８は、ポンプ２００内部の騷音を遮断するように適切な厚さのゴム部材で形成され、ハウジング２１０の他側開口部を緻密に覆う。つまり、第２蓋２１８はハウジング２１０の他側開口部の形状に対応して円板形状に形成され、ポンピング部２２０の流出管２２４が貫く流出孔２１９を具備し、断面から見る時、ハウジング２１０の他側開口部を角括弧状に覆ってハウジング２１０の他側を支持する。
ポンピング部２２０は、流入管２２２、２２３及び流出管２２４を具備したチャンバ状でハウジング２１０内に設置される。ポンピング部２２０は外部空気を流入管２２２、２２３に流入して流出管２２４に流出する。
このために、ポンピング部２２０は回転力またはポンピング力を発生させるプロペラ(propeller)２２６を具備する。ここで、プロペラ２２６は回転力またはポンピング力を得るための手段の一例である。プロペラ２２６はその中心部で電動部２３０の回転軸２３２に結合される。
電動部２３０は、ポンプ２００外部の電源供給装置、例えば、バッテリー、キャパシター、常用電源や燃料電池から供給される電気エネルギーによって駆動される。
電動部２３０は、電気モーター及び電源供給装置に接続される電源線２３４を含む。また、電動部２３０は回転軸２３２を具備し、この回転軸２３２はプロペラ２２６に電動部２３０の回転力を伝達する。
電源線２３４は、第１及び第２金属ハウジング本体２１１、２１２に形成されたホールを通じて外部に引き出される。勿論、電源線２３４は第１蓋２１６を通じて外部に引き出されることができる。
一方、上述したポンピング部２２０と電動部２３０は、ハウジング２１０内部で空気を圧縮するための空気ポンプの一例であり、本発明の騷音防止構造を具備した空気ポンプは、上述したモーターとプロペラを利用した回転型機械的装置の応用構造以外に往復型機械的装置の応用、例えば、ピストン往復運動を利用した空気ポンプを利用して容易に具現可能である。
吸音材２４０は、ハウジング２１０内部でポンピング部２２０及び電動部２３０を取り囲む。ハウジング２１０内での效果的な配置のために、吸音材２４０は所定の破片２４２、２４４、２４６、２４８に分けられて設置される。
第１及び第２吸音材破片２４２、２４４はポンピング部２２０の円形側面を取り囲むように設置され、第３吸音材破片２４６はポンピング部２２０の流出管２２４に対応するホール２４７を具備してポンピング部２２０と第２蓋２１８の間に設置され、第４吸音材破片２４８は第１蓋２１６の二つの流入孔２１７ａ、２１７ｂに対応される二つのホール２４９ａ、２４９ｂを具備して電動部２３０と第１蓋２１６の間に設置される。
また、吸音材２４０は音エネルギーの吸収率が優れた纎維状材料や弾性材料または弾性多孔質材料によって形成される。このような吸音材２４０はハウジング２１０内部の騷音を吸収するだけでなく、ハウジング２１０に挿入設置されたポンプを安定的に固定支持する。
フィルター２５０は、ハウジング２１０の内部２１４に流入される空気を浄化する。つまり、フィルター２５０は空気に含まれた微細ほこり、粉塵、塩分、二酸化炭素などのように燃料電池に悪影響を与える成分やガスをとり除く。
このために、フィルター２５０はハウジング２１０の一側開口部で第４吸音材２４８と第１蓋２１６の間に設置され、これらによって支持固定される。このようなフィルター２５０は円形シート状に形成され、複数個が重なって使われることができる。勿論、フィルター２５０は空気浄化機能を持つならば、既存の適切な他の形態のフィルターで代替使用が可能である。
上述した防音及び防塵構造の空気ポンプを製作して燃料電池システムに設置する過程を簡略的に説明する。
まず、第１直径を持った円筒状の多孔性第１金属ハウジング本体２１１を第１直径より少し大きい第２直径を持った円筒状の第２金属ハウジング本体２１２内に挿入する。この時、第１金属ハウジング本体２１１は第２金属ハウジング本体２１２の一側開口部に挿入されて固定され、第２金属ハウジング本体２１２の他側開口部端によって支持される。
ここで、第２金属ハウジング本体２１２の他側開口部の直径は、それの一側開口部の直径より少し小さい。本過程において、所定の接着剤、例えば、アルミニウム構造用接着剤を第２金属ハウジング本体２１２の隔壁２１３上に少量塗布して第１金属ハウジング本体２１１と第２金属ハウジング本体２１２を固定するように接合させることができる。
次に、電動部２３０と結合されているポンピング部２２０の円筒状チャンバの周囲を第１及び第２吸音材２４２、２４４で取り囲む。この時、第２及び第２吸音材２４２、２４４はポンピング部２２０のチャンバの周囲を取り囲むのに適する直径と所定の幅を持ったリング形状にそれぞれ形成される。
次に、第１及び第２吸音材２４２、２４４で取り囲まれたポンピング部２２０とともに電動部２３０を第１金属ハウジング本体２１１内部に挟みこむ。そして、電動部２３０に結合されている電源線２３４を第１及び第２金属ハウジング本体２１１、２１２の内部からそれらを貫通して形成されたホールを通じて外部に抜き取る。
次に、ポンピング部２２０の流入管２２２、２２３と向い合うハウジング２１０の一側開口部内で電動部２３０に接するように第４吸音材２４８を挿入する。そして、ポンピング部２２０の流出管２２４と向い合うハウジング２１０の他側開口部内でポンピング部２２０に接するように第３吸音材２４６を挿入する。
次に、ハウジング２１０の一側開口部内に第４吸音材２４８に接するように空気浄化のためのフィルター２５０を挿入する。そして、第１蓋２１６で覆って空気流入のための流入孔２１７ａ、２１７ｂを除いてハウジング本体２１１、２１２の一側開口部を塞ぎ、第２蓋２１８で覆ってポンピング部２２０の流出管２２４が流出孔２１９を貫通して露出するようにしながらハウジング本体２１１、２１２の他側開口部を塞ぐ。これによって、震動及び騷音防止構造を具備した燃料電池用空気ポンプが簡単に製作される。
次に、騷音及び震動防止效果が優れたハウジングに挿入設置された空気ポンプを、燃料電池システムの下部フレームから所定間隔を置いて固定フレームの側面上にベルトなどの固定部材で固定する。上述した構成によって、ポンプ震動及び騷音防止構造が具備された燃料電池システムが完成される。
図６は、本発明の実施形態による燃料電池システムの空気ポンプの他の例を現わす断面図である。図６を参照すれば、本実施形態による防音及び防塵構造の空気ポンプ３００は、酸素などの気体または空気を流入して流出する時、ハウジング３１０内部に設置されたポンプの動作騷音と、ハウジング３１０を通じて流入及び流出される空気騷音が外部に伝達されないように内部で発生された音エネルギーを吸収して遮断する。
このために、空気ポンプ３００はハウジング３１０、ポンピング部３２０、電動部３３０、吸音材３４０及びフィルター３５０を含む。ここで、ポンピング部３２０及び電動部３３０はハウジング３１０に挿入設置される空気ポンプを形成する。
具体的には、ハウジング３１０は円筒形状のハウジング本体３１１、３１２と、このハウジング本体３１１、３１２の一側開口部を覆う蓋３１６を具備する。
円筒形状のハウジング本体３１１、３１２は空気などの媒介体が稀薄であり、騷音などの音エネルギーを実質的に伝達しない真空構造に形成される。つまり、本実施形態による円筒形状のハウジング本体３１１、３１２は、ハウジング３１０内側に設置される第１ハウジング本体３１１と真空空間を間に置いて第１ハウジング本体３１１の外側に設置される第２ハウジング本体３１２からなる。
第１ハウジング本体３１１は、所定直径の円筒状であり、その一側に開口部が具備された構造に形成される。第１ハウジング本体３１１は強化プラスチック、金属部材などで形成される。金属部材としては、例えば、アルミニウムがある。
アルミニウムは軽量性、不燃性、高強度、遮音性及び耐湿性が優れている。したがって、アルミニウムは、騷音及び震動防止のための本発明のハウジング本体の適用に好適な材料のうち一つである。
第２ハウジング本体３１２は、第１ハウジング本体３１１の直径よりやや大きい直径の円筒形状に形成される。第２ハウジング本体３１２は、第１ハウジング本体３１１の外側に設置され、その内部に真空空間を間に置いて第１ハウジング本体３１１が挿入される構造で設置される。このような第２ハウジング本体３１２は第１ハウジング本体３１１と同じ材料で形成される。
また、第２ハウジング本体３１２は第１ハウジング本体３１１との間に真空空間が形成されるように所定高さの突起３１３を具備する。突起３１３はストライプ状やメッシュ状の隔壁に拡張可能である。
また、上述した突起３１３は第２ハウジング本体３１２と一体に形成されず、第１ハウジング本体３１１の外側面に一体に形成されることができる。このような突起３１３は真空工程の中で第１及び第２ハウジング本体３１１、３１２が互いに接触したり変形されないようにしながら騷音及び震動防止效果を最大限減少させないように最小個数と最小寸法でハウジング本体３１１、３１２の間に設置される。
また、第２ハウジング本体３１２は、第１ハウジング本体３１１がその内部に挿入された後、第１ハウジング本体３１１とともに所定の接着手段によって接合される。
また、第２ハウジング本体３１０は、第１及び第２ハウジング本体３１１、３１２の間の空間を真空に形成するための排気ホール３１５を具備する。排気ホール３１５は真空壁形成のための排気工程の後に所定の密封材３１５ａによって密封される。
蓋３１６は、ハウジング本体３１１、３１２の一側開口部を緻密に覆う。つまり、蓋３１６はハウジング本体３１１、３１２の一側開口部形状に対応して円板形状に形成されて、図６のように、ハウジング本体３１１、３１２の一側開口部を角括弧状に塞ぎ、ハウジング３１０の一側面を支持する。
また、蓋３１６はハウジング３１０内部の騷音を遮断するように適切な厚さの合成樹脂またはゴム部材で形成される。蓋３１６は流体、例えば、空気が流入される流入孔３１７ａとモーターによって所定圧力に加圧された空気が流出される流出孔３１７ｂを具備する。ここで、ポンプによって加圧された空気は流出孔３１７ｂを貫く流出管３２４を通じてポンプ３００の外に流出される。
ポンピング部３２０は、流入管３２２及び流出管３２４を具備したチャンバ状でハウジング３１０内に設置される。ポンピング部３２０は外部空気を流入管３２２に流入して流出管３２４に流出する。このために、ポンピング部３２０は回転力またはポンピング力を発生させるプロペラ（propeller）３２６を具備する。ここで、プロペラ３２６は回転力またはポンピング力を得るための手段の一例である。プロペラ３２６はその中心部で電動部３３０の回転軸３３２に結合される。
電動部３３０は別途の電源供給装置、例えば、バッテリー、キャパシター、常用電源や燃料電池から供給される電気エネルギーによって駆動される。電動部３３０は回転軸３３２を具備し、この回転軸３３２はプロペラ３２６に電動部３３０で発生された回転力を伝達する。
また、電動部３３０は電気モーター及び電源供給装置に接続される電源線３３４を含む。図６において電源線３３４は電動部３３０から吸音材３４８のホール３４９ｂとフィルター３５０のホール及び蓋３１６の流出孔３１７ｂを通って外部に延長される。
吸音材３４０は、ハウジング３１０内部でポンピング部３２０及び電動部３３０を取り囲む。ハウジング３１０内での效果的な配置のために、吸音材３４０は所定の破片３４２、３４４、３４６、３４８に分けられて設置される。
第１及び第２吸音材破片３４２、３４４はポンピング部３２０の円形側面を取り囲むように設置され、第３吸音材破片３４６はポンピング部３２０の流出管に隣接した側面に設置され、第４吸音材破片３４８は蓋３１６の流入孔３１７ａに対応されるホール３４９ａ及びポンピング部３２０の流出管３２４が貫くホール３４９ｂを具備して電動部３３０と蓋３１６の間に設置される。
フィルター３５０は、ハウジング３１０の内部３１４に流入される空気を浄化する。つまり、フィルター３５０は空気に含まれた微細ほこり、粉塵、塩分、二酸化炭素などのように燃料電池に悪影響を与える成分やガスをとり除く。
このために、フィルター３５０はハウジング３１０の一側開口部で第４吸音材３４８と蓋３１６の間に設置され、これらによって固定される。また、フィルター３５０はポンプの流出管３２４が貫くホールを具備する。
上述した防音及び防塵構造の空気ポンプを製作して燃料電池システムに設置する過程を簡略的に説明すれば次のようになる。
まず、第１直径を持った円筒形状の第１ハウジング本体３１１を第１直径よりやや大きい第２直径を持った円筒形状の第２ハウジング本体３１２に挿入して接着した後、第１及び第２ハウジング本体３１１，３１２の間の空気を排気ホール３１５を通じて排気した後、排気ホール３１５を密封してハウジング本体３１０を封着する。
次に、第３吸音材３４６をハウジング本体３１１の内部の底の一側面に設置する。この時、第３吸音材３４６は小さな寸法の吸音材破片で挿入設置されることができる。
次に、ポンピング部３２０の円筒状チャンバの周囲を第１及び第２吸音材３４２、３４４で取り囲む。そして、電動部３３０と結合されているポンピング部３２０を第３吸音材３４６に接するようにハウジング本体３１１に挿入設置する。
もし、ポンピング部３２０とハウジング本体３１１の間に空間が生じれば、別途の吸音材破片をさらに挿入してポンピング部３２０をハウジング本体３１１の内側面に密着させる。
次に、電動部３３０に接するようにハウジング本体３１１に第４吸音材３４８を挿入設置し、第４吸音材３４８に接するようにハウジング本体３１１にフィルター３５０を挿入設置する。そして、ハウジング本体３１１、３１２の一側開口部を蓋３１６で固定して塞ぐ。
この時、ハウジング３１０に挿入設置されたポンプの流出管３２４と電源線３３４は第４吸音材３４８のホール３４９ｂとフィルター３５０のホール及び蓋３１６の流出孔３１７ｂを通じて外部に延長される。これによって、騷音防止構造を具備した空気ポンプが簡単に製作される。
次に、騷音及び震動遮断效果が優れた真空ハウジングに挿入設置された空気ポンプを、燃料電池システムの下部フレームから所定間隔を置いて固定フレームの側面上にベルトなどの固定部材で固定する。
上述した構成によって、ポンプ震動及び騷音防止構造が具備された燃料電池システムが完成される。
一方、上述した実施形態では空気ポンプのハウジングがシリンダ形状に形成されたことを例にして説明したが、本発明はそのような構成に限定されず、中空の四角柱形状やシリンダ形状と中空の四角柱形状が組合された形状のハウジングで容易に具現されることができる。
また、上述した実施形態の燃料電池システムは、小型化に適する高分子電解質型燃料電池方式または直接メタノール型燃料電池方式からなることが望ましい。
上述したように、本発明の詳細な説明と図は、単なる本発明の例示的なものであり、これは単に本発明を説明するための目的で使用されたものであって、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。よって、前記説明した内容を介して当業者であれば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能であることが分かる。
高分子電解質膜を含む一般的な燃料電池の動作原理を現わす図である。 本発明による燃料電池システムを概略的に現わすブロック図である。 本発明の第１実施形態による防音及び防塵構造のポンプが採用された燃料電池システムを現わす斜視図である。 図３の燃料電池システムに図示された燃料ポンプの別の固定構造を現わす部分斜視図である。 図３の燃料電池システムに図示された空気ポンプの一例を現わす断面図である。 図３の燃料電池システムに図示された空気ポンプの別の例を現わす断面図である。
符号の説明
１００ 燃料電池
１１０ 下部フレーム
１２０、１３０ 固定フレーム
１４０ サブ固定フレーム
１５０ 燃料タンク
１６２ 第１固定部材
１６４ 第２固定部材
１７０ 緩衝部材
２００ 第１ポンプ
３００ 第２ポンプ
４００ 制御部

Claims (22)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に接合されるアノード電極及びカソード電極を具備し、前記アノード電極と前記カソード電極にそれぞれ供給される水素を含む燃料及び酸化剤の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部と、
    前記電気発生部に前記酸化剤を供給する第１ポンプを具備した燃料供給部と、
    下部フレーム上に設置され、前記第１ポンプが固定される固定フレームを含み、
    前記第１ポンプは前記下部フレームから離隔されて前記固定フレームに結合された第１固定部材によって固定支持されることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記第１固定部材は、ベルト構造の固定部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１ポンプの側面と前記固定フレームの間に挿入設置される緩衝部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料供給部は、前記電気発生部に前記水素を含む燃料を供給する第２ポンプをさらに含み、
    前記第２ポンプは、前記下部フレームから離隔されて前記固定フレームに結合されたサブ固定フレームの側面に第２固定部材によって固定支持されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料供給部は、前記電気発生部に前記水素を含む燃料を供給する第２ポンプをさらに含み、
    前記第２ポンプは、前記下部フレームから離隔されて前記固定フレームに結合されたサブ固定フレームの上部面/下部面に第２固定部材によって固定支持されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記第２固定部材は、ねじ結合構造の固定部材であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第２ポンプと前記サブ固定フレームの間に挿入設置される緩衝部材をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第２固定部材は、ねじ結合構造の固定部材であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  9. 前記第２ポンプと前記サブ固定フレームの間に挿入設置される緩衝部材をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記第１ポンプは、
    内部で発生された騷音を吸収及び遮断する二重金属ハウジング本体、及び流体の流入及び流出のための流入孔と流出孔を具備するハウジングと、
    前記ハウジングに挿入設置され、前記流体が流入される流入管、及び前記流出孔を貫通して前記流入された流体が所定圧力で流出される流出管を具備するポンプを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  11. 前記二重金属ハウジング本体は、前記音エネルギーを熱エネルギーに変換して騷音を吸収する多孔性第１金属ハウジング本体、及び前記第１金属ハウジング本体を取り囲んで前記音エネルギーが外部に伝達されることを遮断する第２金属ハウジング本体を具備することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記第１金属ハウジング本体は、発泡アルミニウムで形成されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記第１金属ハウジング本体は、前記第２金属ハウジング本体上に形成された隔壁によって前記第２金属ハウジング本体と所定間隔を置いて配置されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  14. 前記ハウジングは、前記流入孔を具備して前記ハウジングの一側開口部を覆う第１蓋、及び前記流出孔を具備して前記ハウジングの他側開口部を覆う第２蓋を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
  15. 前記ハウジングに挿入設置されて前記ポンプを取り囲む吸音材をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
  16. 前記第１ポンプは、
    真空壁からなり開口部が形成されたハウジング本体、及び前記ハウジング本体の前記開口部を覆って流体の流入と流出のための流入孔及び流出孔が形成された蓋を具備するハウジングと、
    前記ハウジングに挿入設置されて前記流体が流入される流入管、及び前記流出孔を貫通して前記流入された流体が所定圧力に流出される流出管を具備するポンプを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  17. 前記ハウジングに挿入設置されて前記ポンプを取り囲む吸音材をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記ポンプの動作を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  19. 前記燃料電池システムが高分子電解質型燃料電池方式または直接メタノール型燃料電池方式からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  20. 金属ハウジング本体と流体の流入及び流出のための流入孔及び流出孔を具備し、
    下部フレームに結合された固定フレームによって前記下部フレームから一定間隔を置いて固定支持されるハウジングと、
    前記ハウジングに挿入設置されて燃料電池に水素を含む燃料または酸化剤を供給し、
    前記流体が流入される流入管、及び前記流出孔を貫通して前記流入された流体が所定圧力に流出される流出管を具備するポンプを含むことを特徴とする防音及び防塵構造の燃料電池用ポンプ。
  21. 前記金属ハウジング本体は騷音吸収のための多孔性第１金属ハウジング本体、及び前記第１金属ハウジング本体を取り囲んで前記騷音を遮断する第２金属ハウジング本体を含むことを特徴とする請求項２０に記載の防音及び防塵構造の燃料電池用ポンプ。
  22. 前記第１金属ハウジング本体は発泡アルミニウムで形成されることを特徴とする請求項２１に記載の防音及び防塵構造の燃料電池用ポンプ。
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