JP2007207748A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池に空気を供給する時に発生する騒音を減少させるためのマフラーを備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、空気を供給する空気供給部１４０と、空気供給部１４０から供給された空気と燃料とを利用した電気化学反応を通じて電気を生産する電気発生部１３０と、空気供給部１４０の一端に設けられて、互いに長さが異なる直管及び間接管で構成されたマフラー１５０とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マフラーを備えた燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料電池に空気を供給する時に発生する騒音を減少させるためのマフラーを備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応によって化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムである。また、燃料電池は作動する温度によって常温または１００℃以下で作動する高分子電解質型及び直接メタノール型燃料電池や、１５０〜２００℃付近で作動する燐酸型燃料電池、６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池などに分類することができる。これらの燃料電池は、基本的に類似な原理によって作動するが、使われる燃料の種類や触媒、電解質などが互いに異なっている。
このうち、直接メタノール燃料電池(Direct Methanol FuelCell:DMFC)は、比較的低温で動作が可能であり、水素を生成する改質器を使用せずにメタノールを直接燃料として使用できるため、システムをコンパクトに構成することができる。さらに、直接メタノール燃料電池はアノード電極にメタノールを供給し、カソード電極に酸素を供給することによって発生する化学反応を通じて電気を生成する。したがって、直接メタノール燃料電池を運転するためには酸素が必要となるので、空気を持続的に供給しなければならない。
一方、その他の燃料電池システムでは、通常、改質器で生成した水素をアノード電極に供給し、酸素をカソード電極に供給することによって発生する化学反応を通じて電気を生成する。
この際にも燃料電池システムを運転するためには酸素が必要であるから持続的に空気を供給しなければならない。また、改質器で水素を生成する時にも酸素が必要であるから改質器に対しても持続的に空気を供給しなければならない。このように燃料電池を持続的に運転するためには空気供給装置を設けることが必須であった。
ここで、空気供給装置としては通常ロータリーベーン(rotary vane)ポンプ、またはダイヤフラム(diaphragm)ポンプなどを使用する。ところで、これらのポンプは空気を反復的に圧縮及び膨脹させて空気を供給するので、周期的で、尚且つ持続的な騒音が発生することになる。このような騒音を減少させるために別途マフラーを取り付けることが考えられるが、通常のマフラーは体積が大きくて燃料電池システムの体積を増大させてしまうという短所があった。
大韓民国特許公開１０-１９９８-００４６０８２号明細書 大韓民国実用新案公開２０００-００１５２５２号明細書 日本特許公開２００５-５０２９８８号明細書 日本特許公開２００４-１８５９２１号明細書
本発明は、上記問題を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は持続的に発生する空気供給装置の騒音を減少させて体積の小さいマフラー付き燃料電池を提供することにある。
上述した目的を果たすために、本発明に係る燃料電池システムは、空気を供給する空気供給部と、前記空気供給部から供給された空気と燃料とを利用した電気化学反応を通じて電気を生産する電気発生部と、前記空気供給部の一端に設けられて、互いに長さが異なる直管及び間接管で構成されたマフラーとを含むことを特徴とする。
前記直管の両端は、前記間接管の両端と連通されていることができ、前記直管及び前記間接管はそれぞれ一定の断面積を持つことができる。
前記直管の長さと前記間接管の長さの差をΔL、解決する騒音の周波数をfnとすれば、
Figure 2007207748
 が成立する。
前記直管の長さは前記間接管の長さより短く、前記直管のまわりに前記間接管を巻きつけた形状に形成することができ、前記マフラーを二つ以上直列に連結することが可能である。
前記燃料電池システムは直接メタノール燃料電池システムであることも可能である。
上述したように、本発明に係るマフラーを採用した燃料電池システムによれば、連続的に稼動する空気供給部によって持続的に発生する騒音を減少させることができる。
またマフラーの体積が小さいので、設置空間に対する制約が少なく、よりコンパクトな燃料電池システムを具現することができる。
また、二つ以上の周波数を主な騒音成分とする場合でも、それぞれの周波数に対応するマフラーを直列に連結することで簡単に騒音を減少させることができる。
以下、本発明の望ましい実施例を添付した図面に基づいて詳しく説明する。図面において同じ参照符号は同じか類似な構成要素を示す。また図面上に示す各構成要素の形状、及び各構成要素間の大きさの比は説明の便宜上任意に示すことができる。
図１は、本発明に係るマフラー１５０を含む直接メタノール燃料電池システム１００の概略図である。
図１を参照すれば、本発明の実施例に係る直接メタノール燃料電池システム１００は、燃料容器１１０、水容器１１１、燃料混合部１１３、第１流体ポンプ１２０、第２流体ポンプ１２１、第３流体ポンプ１２３、電気発生部１３０、空気供給部１４０、マフラー１５０及び２次電池１６０で構成されている。
燃料容器１１０に貯蔵されたメタノールなどの燃料と水容器１１１に貯蔵された水は、それぞれ第１流体ポンプ１２０及び第２流体ポンプ１２１の駆動力によって燃料混合部１１３に供給される。
燃料混合部１１３では前記燃料と前記水が混合された混合燃料が生成され、前記混合燃料は第３流体ポンプ１２３の駆動力によって電気発生部１３０に供給される。
空気供給部１４０の一端は外気に露出されている。空気供給部１４０は駆動力によって前記一端から吸入した外気を空気供給部１４０の他端から吐出し、電気発生部１３０に外気を供給する。空気供給部１４０の前記一端にはマフラー１５０が設置されて空気供給部１４０の駆動時における騒音を減少させる。
マフラー１５０は空気供給部１４０の前記一端に設置されるだけではなく、空気供給部１４０の空気を吸入する側の内部に設けるようにすることも可能である。マフラー１５０の具体的な構成は後述する。
電気発生部１３０は、前記混合燃料と酸素とを電気化学反応させることによって電気エネルギーを発生させる。電気発生部１３０の電気化学反応を反応式で現わすと、下記反応式１となる。
（反応式１）
アノード電極反応:CH３０H＋H２O→CO２＋６H+＋６e-
カソード電極反応:３/２O２＋６H+＋６e-→３H２O
全体反応:CH３０H＋３/２O２→CO２＋２H２O
上記反応式を参照すれば、前記混合燃料によって電気発生部１３０のアノード電極(図示せず)から二酸化炭素、水素イオン及び電子が生成される。
前記アノード電極から生成された前記水素イオンは、電界質膜(図示せず)を通過してカソード電極(図示せず)に移動し、前記カソード電極で酸素と反応して水を生成する。
前記アノード電極から生成された前記電子は、化学反応による自由エネルギーの変化とともに外部回路を通じて移動する。電気発生部１３０で生成された水及び未反応燃料は回収装置(図示せず)を通じて燃料混合部１１３に回収される。
一方、第１流体ポンプ１２０、第２流体ポンプ１２１、第３流体ポンプ１２３及び空気供給部１４０を駆動するための電力は、２次電池１６０を通じて供給される。
図２は、本発明に係るマフラー１５０を含む高分子電解質型燃料電池システム２００の全体的な構成を示した概略図である。
図２を参照すれば、本発明に係る高分子電解質型燃料電池システム２００は、燃料容器１１０、水容器１１１、第１流体ポンプ１２０、第２流体ポンプ１２１、改質器１７０、電気発生部１８０、空気供給部１４０、１４１、マフラー１５０及び２次電池１６０で構成されている。
以下の説明では、図１の直接メタノール燃料電池システム１００と同じ構成要素については同じ図面符号を付してこれに対する詳細な説明は省略する。
改質器１７０は、前記燃料を改質して水素が豊富な改質ガスを発生させる改質反応部(図示せず)と、このような改質ガスに混合した一酸化炭素をとり除く一酸化炭素除去部(図示せず)を含んでいる。
前記改質反応部は、水蒸気改質(Steam Reforming:SR)、部分酸化(Partial Oxidation:PO)、自熱改質反応(Autothermal Reaction:ATR)などの触媒反応を通じて燃料を水素の豊富な改質ガスに切り替える。
前記一酸化炭素除去部は、水性ガス転換(Water Gas Shift:WGS)、選択的酸化(Preferential CO Oxidation:PRO)などのような触媒反応を通じて前記改質ガスに含まれた一酸化炭素をとり除く。特に、前記一酸化炭素除去部で起こる選択的酸化触媒反応には酸素が必要である。
前記燃料の一部は熱源部(図示せず)に流入され、前記燃料を燃焼させて前記改質反応部と前記一酸化炭素除去部に必要な熱を提供する。この際にも前記熱源部で前記燃料が燃焼するためには酸素が必要である。
改質器１７０に必要な酸素は、空気供給部１４１の駆動力によって供給され、空気供給部１４１に空気が流入する側にはマフラー１５０が設置され、空気供給部１４１が駆動することによる騒音を減少させている。
電気発生部１８０は、改質器１７０を通じて改質された水素と空気供給部１４０を通じて供給された酸素とを電気化学反応によって反応させて電気エネルギーを発生させている。空気供給部１４０の空気が流入する側にはマフラー１５０が設置され、空気供給部１４０が駆動することによる騒音を減少させている。
電気発生部１８０の電気化学反応を反応式で現わすと、下記反応式２のようになる。
（反応式２）
アノード電極:H２→２H+＋２e-
カソード電極:１/２O２＋２H+＋２e-→H２O
全体反応式:H２＋１/２O２→H２O＋電流＋熱
上記反応式を参照すれば、前記水素は電気発生部１８０のアノード電極(図示せず)において水素イオン及び電子を生成する。前記アノード電極で生成された前記水素イオンは、電界質膜(図示せず)を通過してカソード電極(図示せず)に移動し、前記カソード電極で酸素と反応して水を生成する。
前記アノード電極で生成された前記電子は、化学反応による自由エネルギーの変化とともに外部回路を通じて移動する。電気発生部１８０で生成された水及び未反応燃料は回収装置(図示せず)を通じて水容器１１１に回収される。
第１流体ポンプ１２０、第２流体ポンプ１２１及び空気供給部１４０、１４１を稼動するための電力は２次電池１６０を通じて供給される。
一方、上記では本発明に係るマフラーを含む高分子電解質型燃料電池システムを説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、空気供給部が必要となるすべての燃料電池システムに本発明のマフラーが適用できることは当然である。
図３は、本発明の第１実施例に係るマフラー１５０の斜視図、図４は本発明の第１実施例に係るマフラー１５０の側面図である。
図３及び図４を参照すれば、本発明の第１実施例に係るマフラー１５０は、中空管の形態をした直管１５１及び間接管１５２で構成されている。直管１５１と間接管１５２はそれぞれ一定の断面積を持っている。
図４のA-B間における直管１５１の長さをL１、間接管１５２の長さをL２とすれば、直管１５１の長さL１は間接管１５２の長さL２より短くて、直管１５１のまわりに間接管１５２を巻きつけるような形状に形成されている。また、直管１５１の両端には間接管１５２の両端が連通されている。
上記構成を通じて本発明の第１実施例に係るマフラー１５０の作用を説明する。
本発明の第１実施例に係るマフラー１５０は、直管１５１内を伝搬する音波が間接管１５２内を伝搬する音波と相互干渉を起こし、マフラー１５０を通じて伝達される騒音の音響エネルギーを減少させることができる。この時、マフラーの入口と出口の間の音響エネルギーの割合である伝達損失(Transmission Loss；TL)値は、配管の断面積が同一の場合、配管の長さによって周波数帯域別に影響を受けることになる。したがって、騒音が大きく発生する周波数帯域と、配管の長さを調整したことによって伝達損失が最大になる周波数帯域とを一致させることで、騒音を減らすことができる。
マフラー１５０では下記のような周波数で共鳴が発生する。
Figure 2007207748
すなわち、空気供給部１４０、１４１（図２参照）を稼動する時に主な騒音成分が特定周波数で発生する場合、間接管１５２の長さL２と直管１５１の長さL１との差を調節して前記特定周波数で共鳴を発生させることにより、前記騒音成分を干渉現象によって消滅させることができる。
例えば、空気供給部(１４０、１４１；図２参照)が３００Hzの周波数で主な騒音成分を持つ場合、前記騒音成分を消滅させることができる間接管１５２の長さL２及び直管１５１の長さL１の差は下記のとおりである。
Figure 2007207748
したがって、直管１５１と間接管１５２の長さの差(L２−L１)が０.５７２ｍの場合、３００Hz以外に９００Hz、１５００Hzなどの周波数でも効果的に騒音を減らすことができる。
図５は、本発明の第２実施例に係るマフラー２５０を示した斜視図、図６は本発明の第２実施例に係るマフラー２５０を示した側面図である。
図５及び図６を参照すれば、本発明の第２実施例に係るマフラー２５０は、第１直管２５１、第２直管２５３、第１間接管２５２及び第２間接管２５４で構成されている。
第１直管２５１と第１間接管２５２は、それぞれ一定の断面積を持っており、第１直管２５１と第１間接管２５２の断面積は同一である。
図６のC-D間における第１直管２５１の長さをL３、第１間接管２５２の長さをL４とすれば、第１直管２５１の長さL３は第１間接管２５２の長さL４より短く、第１直管２５１のまわりに第１間接管２５２を巻きつけるような形状に形成されている。また、第１直管２５１の両端に第１間接管２５２の両端が連通されている。
第２直管２５３と第２間接管２５４はそれぞれ一定の断面積を持っており、第２直管２５３と第２間接管２５４の断面積は同一である。図６のE-F間における第２直管２５３の長さをL５、第２間接管２５４の長さをL６とすれば、第２直管２５３の長さL５は第２間接管２５４の長さL６より短く、第２直管２５３のまわりに第２間接管２５４を巻きつけるような形状に形成されている。また、第２直管２５３の両端には第２間接管２５４の両端が連通されている。また、第２直管２５３の一端は第１直管２５１の一端と連通されている。すなわち、第２直管２５３と第１直管２５１は直列に連結されている。
上記構成を通じて本発明の第２実施例に係るマフラー２５０の作用を説明する。
本発明の第２実施例に係るマフラー２５０は、前述した本発明の第１実施例に係るマフラー１５０の作用と基本的に類似であるが、空気供給部(１４０、１４１；図２参照)を稼動する時に二つの特定周波数で主な騒音成分が発生する場合にも騒音成分を減少させることができる。
すなわち、第１間接管２５２の長さL４と第１直管２５１の長さL３の差を調節して前記特定周波数の中の一つの周波数に対して共鳴を発生するようにし、第２間接管２５４の長さL６と第２直管２５３の長さL５の差を調節して前記特定周波数の中の残り一つの周波数に対して共鳴を発生させるようにする。これにより、２つの特定周波数がある騒音成分についても干渉現象によって消滅することができる。
例えば、空気供給部(１４０、１４１；図２参照)が６００Hz、９００Hzの周波数で主な騒音成分を持つ場合、前記６００Hzの周波数の騒音成分を消滅させることのできる第１間接管２５２の長さL４と第１直管２５１の長さL３との差は下記のとおりであり、また前記９００Hzの周波数の騒音成分を消滅させることのできる第２間接管２５４の長さL６と第２直管２５３の長さL５との差は下記のとおりである。
Figure 2007207748
Figure 2007207748
一方、本発明の第２実施例に係るマフラー２５０は、長さの差が存在する直管及び間接管の一端を二つ連結したことにより説明したが、これに限定されない。
すなわち、空気供給部を稼動する時に三つ以上の特定周波数で主な騒音成分が発生する場合には、それぞれの騒音成分を減少させることができる直管及び間接管の一端を数個直列に連結して三つ以上の騒音成分を同時に減少させることができる。
以上添付した図面を参照して本発明について詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということを理解することができる。
本発明に係るマフラーを備えた直接メタノール燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 本発明に係るマフラーを備えた高分子電解質型燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 本発明の第１実施例に係るマフラーの斜視図である。 本発明の第１実施例に係るマフラーの側面図である。 本発明の第２実施例に係るマフラーを示した斜視図である。 本発明の第２実施例に係るマフラーを示した側面図である。
符号の説明
１００、２００ 燃料電池システム
１１０ 燃料容器
１１１ 水容器
１１３ 燃料混合部
１２０、１２１、１２３ 流体ポンプ
１３０ 電気発生部
１４０、１４１ 空気供給部
１５０ マフラー
１５１、２５１、２５３ 直管
１５２、２５２、２５４ 間接管

Claims (14)

  1. 空気を供給する空気供給部と、
    前記空気供給部から供給された空気と燃料とを利用した電気化学反応を通じて電気を生産する電気発生部と、
    前記空気供給部の一端に設けられて、互いに長さが異なる直管及び間接管で構成されたマフラーと
    を含むことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記直管の両端は、前記間接管の両端と連通されてい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. 前記直管及び前記間接管はそれぞれ一定の断面積を持つことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記直管の長さと前記間接管の長さの差をΔL、解決する騒音の周波数をfnとすれば、
    Figure 2007207748
     が成立することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記直管の長さは、前記間接管の長さより短く、前記直管のまわりに前記間接管を巻きつけた形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記マフラーが二つ以上直列に連結されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池システムは、直接メタノール燃料電池システムであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 空気を供給する空気供給部と、
    前記空気供給部から供給された空気と燃料とを利用して水素を発生する改質器と、
    前記水素と前記空気とを利用した電気化学反応を通じて電気を生産する電気発生部と、
    前記空気供給部の一端に設けられて、長さの異なる直管及び間接管とで構成されたマフラーと
    を含むことを特徴とする燃料電池システム。
  9. 前記直管の両端は、前記間接管の両端と連通されている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. 前記直管及び前記間接管はそれぞれ一定の断面積を持つことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記直管の長さと前記間接管の長さの差をΔL、解決する騒音の周波数をfnとすれば、
    Figure 2007207748
     が成立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. 前記直管の長さは、前記間接管の長さより短く、前記直管のまわりに前記間接管を巻きつけた形状に形成されていることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  13. 前記マフラーが二つ以上直列に連結されていることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  14. 前記燃料電池システムは高分子電解質型燃料電池システムであることを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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