JP2013143379A - 燃料電池システム内で、気液分離機能を提供するハイブリッド消音器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム内で、気液分離機能を提供するハイブリッド消音器を提供する。
【解決手段】燃料電池システムに装着されるハイブリッド消音器は、燃料電池システムの所定装置に連結され、所定装置から排出された流体の騒音を低減させる拡張室、拡張室の内部に位置し、拡張室の内部に流入した流体の液体成分を吸収する吸収材、及び吸収材によって液体成分が除去された流体を排出しつつ、排出中である流体の騒音を低減させる多孔型消音器を含む。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システムの騒音を低減させるための消音器に関する。

燃料電池は、水素などのように、地球上に豊かに存在する物質から、電気エネルギーを発生させる親環境的代替エネルギー技術であり、太陽電池などと共に脚光を浴びている。燃料電池の電力生産のためには、燃料電池に、燃料、水、空気などが供給されなければならない。よって、燃料電池システムの内部では、これらの物質の供給のためのいくつかの機械的な装置が駆動されるが、これらの装置の駆動によって、騒音が発生してしまう。燃料電池システムの騒音が過度に大きい場合、ユーザ及び周辺に不快感を誘発させることがあるため、燃料電池システムで発生する騒音を低減させるための装置が開発されている。

なお、本発明を関連した先行文献として、特許文献１，２，３及び４などがある。

アメリカ特許出願公開２００４−０１４９５１５号 韓国特許出願公開２００７−０１０５３６９号公報 特開２０１０−１５７３８２号 特開２００５−１６０１８７号

本発明は、燃料電池システムの内部に流れる流体から、気体成分と液体成分とを分離すると共に、燃料電池システムで生じた特定周波数帯域の騒音を低減させることができるハイブリッド消音器を提供するものである。本発明はまた、このようなハイブリッド消音器が装着された燃料電池システムを提供するものである

本実施形態がなそうとする技術的課題は、前記のような技術的課題に限定されず、本明細書から、他の技術的課題が類推され得る。

本発明の一側面による燃料電池システムに装着されるハイブリッド消音器は、前記燃料電池システムの所定装置に連結され、前記所定装置から排出された流体の騒音を低減させる拡張室、前記拡張室の内部に位置し、前記拡張室の内部に流入された流体の液体成分を吸収する吸収材、及び前記吸収材によって液体成分が除去された流体を排出しつつ、排出中である流体の騒音を低減させる多孔型消音器を含み、前記拡張室は、前記所定装置からの流体が流入する入口管と、前記吸収材に吸収された液体成分が排出される出口管とを具備する。

前記多孔型消音器は、前記ハイブリッド消音器の内部空間に形成された空洞と、前記空洞を通過する多孔管とを含んでもよい。前記空洞には、複数個の隔壁が設置され、前記空洞は、前記隔壁によって、複数個の空洞に分割され得る。前記空洞の内部には、前記吸収材の一部が介在され、前記空洞の内部に位置する吸収材部分によって、前記多孔管の孔から排出された流体の液体成分が吸収され得る。

前記ハイブリッド消音器は、互いに異なる体積を有する２つのボックスが結合された形状を有しており、前記空洞は、より小さい体積を有するボックスの内部空間に形成され得る。前記ボックス間に接する部位は、相互間に開放された形態で連結されており、前記多孔管の入口は、前記開放された連結部位に位置し、前記吸収材には、前記拡張室の入口管に流入された流体を、前記多孔管の入口に流すための空間が形成されており、前記多孔管を介して、前記吸収材によって液体成分が除去された流体が排出され得る。前記ハイブリッド消音器は、互いに異なる体積を有する２つのボックスが結合された形状を有しており、前記拡張室は、より大きい体積を有するボックスの内部空間に形成され、前記入口管は、前記拡張室と前記多孔型消音器との大きさ差によって生じる空間に設置され得る。

前記吸収材には、前記拡張室から流入された流体の騒音を低減させる少なくとも１つの消音器が内蔵されてもよい。前記吸収材に内蔵される少なくとも１つの消音器は、前記拡張室と前記多孔型消音器とによって低減される騒音の周波数帯域とは異なる周波数帯域で、前記拡張室から流入された流体の騒音を低減させる少なくとも１つの消音器であってもよい。前記吸収材に内蔵される少なくとも１つの消音器は、少なくとも１つのヘルムホルツ共鳴器であってもよい。

本発明の他の側面による燃料電池システムは、燃料を利用して電力を生産する燃料電池、前記燃料電池システムの内部に流れる流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、前記流体の騒音を低減させるハイブリッド消音器、及び前記ハイブリッド消音器から排出された液体成分と燃料とを混合し、前記燃料電池に供給するＢＯＰ（balance of plants）を含む。

前記ハイブリッド消音器は、前記燃料電池から排出された流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、前記燃料電池から排出された流体の騒音を低減させることができる。前記ＢＯＰは、前記燃料電池のカソード側の出口から排出された流体を冷却させる熱交換器を含み、前記ハイブリッド消音器に流入する流体は、前記熱交換器から排出された流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、前記熱交換器から排出された流体の騒音を低減させることができる。

前記ハイブリッド消音器は、前記燃料電池システムの所定装置に連結され、前記所定装置から排出された流体の騒音を低減させる拡張室、前記拡張室の内部に位置し、前記拡張室の内部に流入された流体の液体成分を吸収する吸収材、及び前記吸収材によって液体成分が除去された流体を排出しつつ、排出中である流体の騒音を低減させる多孔型消音器を含んでもよい。

本発明により、燃料電池システムに装着されるハイブリッド消音器は、燃料電池システム内部に流れる流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、流体の騒音を低減させることにより、騒音低減のために別途の装置を具備する他の燃料電池システムに比べて、燃料電池システムの重さと体積とを減らすことができる。また、ハイブリッド消音器は、拡張型消音器や多孔型消音器のようなハイブリッド消音器を採用することにより、燃料電池システムで生じる特定周波数帯域の騒音を、特定音圧レベル以下に低減させることができる。

本発明の一実施形態による燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器の外部形状の正面図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器の外部形状の左側面図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器の外部形状の右側面図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器の外部形状の斜視図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器の内部形状の正面図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器の内部形状の斜視図である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材の具現例を図示した図面である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材の具現例を図示した図面である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材に内蔵される消音器の一例の内部正面図である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材に内蔵される消音器の一例の内部斜視図である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材に内蔵される消音器の他例の内部正面図である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材に内蔵される消音器の他例の内部斜視図である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材に内蔵される消音器のさらなる他例の内部正面図である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材に内蔵される消音器のさらなる他例の内部斜視図である。 図３Ａ及び図３Ｂに図示されたハイブリッド消音器の適用前後の騒音測定結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。
燃料電池システムは、一般的に電力を生産する燃料電池、燃料電池に、燃料、水、空気などを供給するための燃料電池の周辺機器であるＢＯＰ、及び燃料電池から出力された電力を変換して負荷に供給するコンバータなどから構成される。本発明の実施形態の特徴は、燃料電池システム内部に流れる空気の騒音を低減させるための消音器に係わるものであるために、以下の実施形態の特徴が不明確になることを防止するために、燃料電池を構成するスタック、ＢＯＰ、コンバータなどについては、詳細な説明を省略する。一般的に、燃料電池は、負荷で要求する電力に対応し、複数個のセルが直列または並列に組み合わされたスタック状に設計される。以下では、１つのセル及び複数個のセルが結合されたスタックをいずれも包括し、単に燃料電池と称する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの構成図である。図１を参照すれば、本実施形態による燃料電池システムは、燃料電池１０、燃料貯蔵２０、制御器３０、空気ポンプ４１、回収ポンプ４２、循環ポンプ４３、供給ポンプ４４、分離器５１、ハイブリッド消音器５２、第１熱交換器６１、第２熱交換器６２、弁モジュール７０、混合器８０、及びセンサ９０から構成される。一般的に、燃料電池１０に、燃料、水、空気などを供給するための構成要素、すなわち、燃料電池１０以外の、前記のような構成要素をＢＯＰと呼ぶ。図１に図示されているように、ＢＯＰの構成要素間には、これらを連結する多くの配管が装着されている。また、図１に図示された燃料電池システムには、図１に図示された構成要素以外に、他の装置が存在することもある。例えば、図１に図示された燃料電池システムには、燃料電池１０の温度を検出するために、燃料電池１０にサーミスタが装着されもし、センサ９０などに連結された配管に、この配管に流れる燃料の不純物を除去するためのフィルタなどが装着されることもあり、第１熱交換器６１と第２熱交換器６２との冷却のために、第１熱交換器６１と第２熱交換器６２とにファンなどが装着されてもよい。

燃料電池１０は、燃料が有している化学エネルギーを、電気化学的反応を利用して、直接電気エネルギーに変換することにより、ＤＣ電力を生産する発電装置である。このような燃料電池の例としては、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：solid oxide fuel cell）、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ：polymer electrolyte membrane fuel cell）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）などを挙げることができる。特に、図１に図示された実施形態は、直接メタノール燃料電池を運転するためのＢＯＰが適用された燃料電池システムである。ただし、以下で記述する空気ポンプ４１の騒音を低減させるための技術的手段は、他種の燃料電池にも適用され得る。

一方、直接メタノール燃料電池は、メタノールを水素濃度が高くなるように改質する間接メタノール燃料電池（indirect methanol fuel cell）とは異なり、メタノールを改質する過程なしに、燃料電池１０のアノードで、メタノールと水とが直接反応し、水素イオンと電子とを生成する。このように、直接メタノール燃料電池は、メタノールを改質する過程が必要ないから、小型化が可能であり、主にポータブル燃料電池システムに適用されている。

直接メタノール燃料電池のアノードでは、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋ＣＯ_２の反応（ｒｅａｃｔｉｏｎ）が起き、カソードでは、３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏの反応が起きる。陽子（Ｈ^＋）は、燃料電池内部の陽子交換膜（proton exchange membrane）を介して送信され、電子（ｅ⁻）は、アノードからカソードに外部回路を介して送信される。このような過程によって、電力が生産される。特に、直接メタノール燃料電池には、燃料電池１０での反応が円滑になされるようにするための触媒が存在する。一般的に、触媒は、白金から製造され、前記の反応過程での温度が過度に高い場合に劣化し得る。これによって、純粋なメタノールは、燃料電池１０に供給されず、適量の水に希釈されたメタノール、すなわち、適正濃度のメタノール水溶液が、燃料電池１０に供給されなければならない。以下では、燃料電池１０のアノード側入口に供給されるメタノール水溶液を、単に燃料と称する。

このように、燃料電池１０の劣化を防止しつつ、燃料電池１０での反応が円滑になされるようにするためには、燃料電池１０に、適正量のメタノール、水、空気が供給されなければならない。制御器３０は、センサ９０によって検出された燃料の濃度、温度などに基づいて、燃料電池１０に供給される燃料、水、空気の量を調節するために、空気ポンプ４１、供給ポンプ４４、循環ポンプ４３及び回収ポンプ４２を制御する。燃料電池１０は、混合器８０から、燃料電池１０のアノード側の入口に供給された適正濃度の燃料を利用して、電力を生産する。燃料電池１０の電力生産過程で、燃料電池１０のアノード側の出口と、カソード側の出口とから、前記の反応過程の副産物である二酸化炭素、水、未反応の燃料などを含む流体が排出される。

燃料電池１０での電力生産のために、燃料電池システム内部では、前記のポンプ、分離器のようないくつかの機械的な装置が駆動されるが、このような装置の駆動によって、騒音が生じてしまう。燃料電池システムの騒音が過度に大きい場合、ユーザ及び周辺に不快感を誘発することがあるから、燃料電池システムの大きい騒音は、低減される必要がある。また、燃料電池システムの騒音が大きくない場合でも、燃料電池システムの使用環境によって、特定周波数帯域の騒音が低減されなければならない場合がある。例えば、軍用装置は、この騒音によって、敵方に露出することを防止するために、軍用装置から１０ｍ離れた地点で、５０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数帯域で、１／３オクターブバンド単位の特定音圧レベル以下の騒音のみを許容する条件を、軍用規格として決めている。

一方、図１に図示された燃料電池システムは、直接メタノール燃料電池を採用した携帯用燃料電池システムであるから、その内部空間が狭小である。従って、燃料電池システムの騒音を低減させるために、燃料電池システムに新しい装置を付加するよりは、燃料電池システムの既存装置が、既存機能以外に、騒音を低減させる機能を共に有するようにすることが望ましい。ハイブリッド消音器５２は、燃料電池システムの内部に流れる流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、この流体の騒音を低減させる。このように、ハイブリッド消音器５２は、気体から気体成分と液体成分とを分離して排出する既存機能以外に、燃料電池システムの内部に流れる流体の騒音を低減させる機能を有するハイブリッド構造の消音器である。例えば、ハイブリッド消音器５２は、燃料電池１０から排出された流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、燃料電池１０から排出された流体の騒音を低減させることができる。燃料電池システムのＢＯＰは、ハイブリッド消音器５２から排出された液体成分と燃料とを混合し、燃料電池に供給する。以下では、図１を参照しつつ、ハイブリッド消音器５２の具体的な適用例について説明する。

図１に図示された実施形態で、ハイブリッド消音器５２は、第１熱交換器６１から排出された流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、第１熱交換器６１から排出された流体の騒音を低減させる。ハイブリッド消音器５２から分離して排出された流体の液体成分、すなわち、水などは、回収ポンプ４２によって吸入される。ハイブリッド消音器５２から分離して排出された流体の気体成分、すなわち、二酸化炭素などは、燃料電池システムの外部に放出される。燃料電池１０のカソード側の出口から排出された副産物は、燃料電池１０での反応熱などによる高温の流体であり、蒸気状の水気を含んでいる。第１熱交換器６１は、熱交換過程を利用し、燃料電池１０のカソード側の出口から排出された流体を冷却させる。

分離器５１は、燃料電池１０のアノード側の出口から排出された流体から、メタノールと水とを分離することにより、メタノールと水とを回収する。例えば、分離器５１は、遠心分離などを利用し、燃料電池１０から排出された副産物や未反応燃料などから、メタノールと水とを分離することができる。回収ポンプ４２は、ハイブリッド消音器５２によって回収された水を吸引し、分離器５１に排出する。これによって、分離器５１から、分離器５１によって回収されたメタノールと、分離器５１及びハイブリッド消音器５２によって回収された水とが混ざった低濃度の燃料が排出されることになる。

燃料貯蔵２０は、燃料が保存される容器であり、円筒状、ボックス型などさまざまな様態の容器によって製造され得る。燃料貯蔵２０は、燃料がリフィルされる形態で製造され得る。また、燃料貯蔵２０は、図１に図示された燃料電池システムに、着脱自在な形態で製造されもし、一般的に、カートリッジと呼ばれる。燃料貯蔵２０には、高濃度の燃料、例えば、１００％のメタノールが保存される。

弁モジュール７０は、燃料循環ライン１１と燃料供給ライン１２とが連結される地点に挿入され、燃料循環ライン１１を介して、燃料電池１０から燃料電池１０に循環される低濃度燃料の流れと、燃料供給ライン１２を介して、燃料貯蔵２０から燃料電池１０に供給される高濃度燃料の流れと、を制御する。ここで、燃料循環ライン１１は、燃料電池１０から排出された未反応燃料が、さらに燃料電池１０に流れて行く経路にある配管を示し、燃料供給ライン１２は、燃料貯蔵２０から燃料電池１０に新たに供給される燃料が流れる経路にある配管を示す。

循環ポンプ４３は、弁モジュール７０の燃料流れ制御によって、弁モジュール７０から燃料循環ライン１１を介して輸送された低濃度燃料と、燃料供給ライン１２を介して輸送された高濃度燃料とのうち少なくとも一つを吸引し、第２熱交換器６２を介して、混合器８０に排出する。循環ポンプ４３から排出された燃料は、第２熱交換器６２を通過しつつ、第２熱交換器６２の熱交換過程によって、燃料の温度が調整される。混合器８０は、循環ポンプ４３から排出された低濃度燃料と高濃度燃料とを混合し、このような混合過程を経て生成された適正濃度の燃料を、燃料電池１０に供給する。

第１熱交換器６１は、燃料電池１０から排出される流体が流れる配管ラインの特定地点、例えば、燃料電池１０のカソード側の出口に位置し、燃料電池１０のカソードから排出された流体の温度を制御する。第２熱交換器６２は、燃料電池１０に供給される燃料が流れる配管ラインの特定地点、例えば、循環ポンプ４３と混合器との間に位置し、燃料電池１０のアノード側の入口に供給される燃料の温度を制御する。第１熱交換器６１と第２熱交換器６２は、燃料電池システムの配管内部に流れる流体と、配管外部の媒体との熱交換が円滑になされる形態の金属管、タンクなどで具現され得る。

第１熱交換器６１から排出される流体の騒音は、空気ポンプ４１の規則的なポンピング（ｐｕｍｐｉｎｇ）動作などによって生じる周期的な騒音成分と、配管内での流体の摩擦及び渦流の現象などによって生じる非周期的な騒音成分とが混合した形態の騒音特性を有する。以下では、このような特性を有する流体の騒音を低減させるためのハイブリッド消音器５２の具体的な具現例について説明する。

図２Ａないし図２Ｄは、本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器５２の外部形状を図示した図面である。図２Ａは、ハイブリッド消音器５２の外部形状の正面図であり、図２Ｂは、ハイブリッド消音器５２の外部形状の左側面図であり、図２Ｃは、ハイブリッド消音器５２の外部形状の右側面図であり、図２Ｄは、ハイブリッド消音器５２の外部形状の斜視図である。図２Ａないし図２Ｄに図示されたハイブリッド消音器５２は、ボックス状に具現されているが、ハイブリッド消音器５２は、円筒状のような多様な形態で具現され得る。ただし、図１に図示された燃料電池システムがボックス状に具現され、燃料電池システム内部の他の周辺機器も、ボックス状に具現されるものであるならば、燃料電池システムの内部空間の活用度を高めるために、ハイブリッド消音器５２も、ボックス状に具現されることが望ましいであろう。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施形態によるハイブリッド消音器５２の内部形状を図示した図面である。図３Ａは、ハイブリッド消音器５２の内部形状の正面図であり、図３Ｂは、ハイブリッド消音器５２の内部形状の斜視図である。図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、ハイブリッド消音器５２は、拡張室１００、吸収材２００、及び多孔型消音器３００から構成される。拡張室１００は、図１に図示された燃料電池システムで、流体を排出するある装置、例えば、第１熱交換器６１に連結され、第１熱交換器６１から排出された流体の騒音を低減させる。吸収材２００は、拡張室１００の内部に位置し、拡張室１００の内部に流入された流体の液体成分を吸収する。多孔型消音器３００は、吸収材２００によって、液体成分が除去された流体を、外部に排出しつつ、排出中である流体の騒音を低減させる。

拡張室１００は、第１熱交換器６１に連結され、第１熱交換器６１からの流体が流入する入口管１０１と、吸収材２００に吸収された液体成分が排出される出口管１０２と、を具備する。拡張室１００の入口管１０１と出口管１０２との間には、吸収材２００が介在されており、入口管１０１に流入された流体は、吸収材２００を通過せずしては、出口管１０２に排出されることはない。これによって、出口管１０２から、吸収材２００に吸収された液体成分が排出されることになる。前述のように、出口管１０２から排出され、回収ポンプ４２によって吸入される流体を構成するほとんどの成分は、水である。拡張室１００の入口管１０１と、多孔型消音器３００の入口との間には、吸収材２００が介在されておらず、入口管１０１に流入された流体は、吸収材２００を通過せずに、すぐ出口管１０２に排出され得る。これによって、多孔型消音器３００から、吸収材２００によって液体成分が除去された流体が排出されることになる。前述のように、多孔型消音器３００から排出された流体を構成するほとんどの成分は、二酸化炭素である。

拡張室１００の内部には、吸収材２００を固定させるためのバー１０３が設置され得る。このバー１０３は、吸収材２００に形成された孔に挿入される形態で設置される。吸収材２００の例としては、スポンジ、綿、紙などを挙げることができる。図３Ａ及び図３Ｂに図示された実施形態で適用される吸収材２００は、入口管１０１から不規則的に飛び出す水滴などに耐えることができる耐久性とすぐれた吸収力とを有してなければならならず、特に、拡張室１００内部の流体密度変化のような外部の影響にも、本来の形態が維持される特性を有していなければならない。図３Ａ及び図３Ｂに図示された実施形態では、このような条件を考慮し、吸収材２００でスポンジが使われる。

一般的に、拡張型消音器は、入口管の断面積と、拡張室の断面積との差によって、拡張型消音器に入射した音波の一部は反射され、残りは、拡張室に進み、次に、拡張室の断面積と出口管の断面積との差によって、拡張室に進んだ音波の一部は反射され、残りは、管に進む構造を有する。このように、拡張型消音器に入射した音波の一部が反射されることにより、拡張型消音器によって騒音が低減されることになる。拡張型消音器の入口管と出口管との断面積がＡ１であり、拡張室の断面積がＡ２であり、拡張室の長さがＬであるとするとき、拡張型消音器の伝送損失は、次の数式１から計算される。数式１で、ｆは、拡張型消音器によって低減させる騒音の目標周波数であり、ｃは、音速である。

数式１に記載されているように、拡張型消音器の伝送損失は、拡張型消音器の入口管と出口管との断面積と、拡張室の断面積との比が大きく、ＫＬ＝ｎπ／２（ｎ＝１，３，５，…）であるとき、すなわち、Ｌ＝ｎｃ／４ｆ（ｎ＝１，３，５，…）であるときに最大になる。前述のように、図１に図示された燃料電池システムは、携帯用途の小型燃料電池システムであり、その大きさができる限り小さくなるように設計することが望ましい。一方、前記の拡張室１００は、その内部体積が大きいほど伝送損失が多くなる。すなわち、図３Ａ及び図３Ｂに図示されたハイブリッド消音器５２に許容された空間内で、できる限り拡張室１００の体積を大きくするために、拡張室１００と多孔型消音器３００は、ハイブリッド消音器５２に許容された空間内に、遊休空間がないように設計されなければならない。図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、ハイブリッド消音器５２は、互いに異なる体積を有する２つのボックスが結合された形状を有しており、拡張室１００は、さらにより体積を有するボックスの内部空間に形成され、入口管１０１は、拡張室１００と多孔型消音器３００との大きさ差によって生じる空間に設置される。

多孔型消音器３００は、ハイブリッド消音器５２の内部空間に形成された空洞３０１、すなわち、より小さい体積を有するボックスの内部空間に形成された空洞３０１と、この空洞３０１を通過する多孔管３０２とから構成される。多孔型消音器３００は、共鳴型消音器の一種であり、多数の孔を介して空洞３０１に流入した空気がスプリングとして作動することにより、共鳴周波数の音波を発生させる構造を有する。共鳴器によって反射した逆相の音波は、この反射波と同一の共鳴周波数の音波を相殺する。従って、多孔型消音器３００の伝送損失は、共鳴周波数で最大になる。多孔型消音器３００の空洞３０１の体積がＶであり、多孔管３０２の孔の個数がｎであり、孔１つの断面積がＳｐであるとするとき、多孔型消音器３００の共鳴周波数Ｆｐは、次の数式２から計算される。数式２でｃは、音速であり、Ｌｐは、多孔管の厚み＋１．６ｘ孔の半径である。

多孔型消音器３００の共鳴周波数Ｆｐが、数式２のように計算され、多孔管３０２の出口の断面積がＳｏであるとき、多孔型消音器３００の伝送損失は、次の数式３から計算される。数式３で、Ｆは、図３Ａ及び図３Ｂに図示された実施形態によって低減する周波数帯域の中心周波数である。

数式２に記載されているように、多孔型共鳴器の共鳴周波数は、空洞３０１の体積、多孔管３０２の孔の個数や断面積などによって決定される。数式３に記載されているように、多孔型消音器３００の伝送損失は、前記の共鳴周波数を決定する要素と、多孔管３０２の出口の断面積とによって決定される。数式３で、空洞３０１の体積には、自乗根が取られているから、多孔型消音器３００の伝送損失は、空洞３０１の体積に大きく影響を受けないということが分かる。このような理由で、拡張室１００は、より大きい体積を有するボックスの内部空間に形成され、多孔型消音器３００は、より小さい体積を有するボックスの内部空間に形成される。

図３Ａ及び図３Ｂに図示されているように、２つのボックスは、相互間に開放された形態で連結されており、多孔管３０２の入口は、相互間に開放された連結部位に位置する。吸収材２００には、拡張室１００の入口管１０１に流入した流体を、多孔管３０２の入口に流すための空間が形成されており、多孔管３０２を介して、吸収材によって液体成分が除去された流体が排出されることになる。また、多孔型消音器３００の空洞３０１の内部には、吸収材２００の一部が介在され、空洞３０１の内部に位置する吸収材部分によって、多孔管３０２の孔から排出された流体の液体成分が吸収されることになる。空洞３０１の内部には、空洞３０１の内部に位置する吸収材部分を固定させるためのバー３０３が設置され得る。

図４Ａ及び図４Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材２００のさまざまな具現例を図示した図面である。図４Ａに図示された吸収材２００は、その一部面が陥没されており、この陥没空間が、拡張室１００の入口管１０１に流入した流体を、多孔管３０２の入口に流すための空間を形成する。空洞３０１の内部に位置する吸収材部分は、吸収材２００の陥没面の突出部分に接合されている。図４Ｂに図示された吸収材２００は、拡張室１００の入口管１０１に流入した流体を、多孔管３０２の入口に流すための空間が四角ボックス状の通路形態に形成されており、この通路には、拡張室１００の入口管１０１と、多孔管３０２の入口がと挿入される孔が形成されている。空洞３０１の内部に位置する吸収材部分は、拡張室１００の入口管１０１と、多孔管３０２の入口とが挿入される孔間のスポンジ外壁に接合されている。

図４Ａに図示された吸収材２００の体積より、図４Ｂに図示された吸収材２００の体積の方が大きいから、図４Ｂに図示された吸収材２００の方が、吸収能にさらにすぐれもするが、さらに複雑な構造を有するので、吸収材２００の製造工程がやっかいである。従って、燃料電池システムの使用環境、製作コストなどを考慮し、吸収材２００の最善の形態が決まらなければならないであろう。一方、図４Ａ及び図４Ｂに図示された実施形態が属する技術分野で当業者であるならば、図４Ａ及び図４Ｂに図示された形態以外にも、それらと類似した多様な形態に変形されて設計される可能性があるということを理解することができるであろう。

拡張室１００は、入口管の断面積と拡張室の断面積との差による騒音低減構造以外にも、入口管１０１に流入した音波が、スポンジのような吸収材２００によって一部が吸収され、一部が反射され、多孔管３０２に進む騒音低減構造を有する。また、拡張室１００の内部の水滴がある程度の速度で拡張室１００の内壁にぶつかって騒音が生じることがある。このような水滴は、吸収材２００によって吸収されるから、水滴の衝突による騒音は、低減され得る。このような拡張室１００の騒音低減構造は、１ｋＨｚ以下の低周波数帯域では、騒音低減能が高いが、１ｋＨｚ以上の高周波数帯域では、騒音低減能が低い。一方、図３Ａ及び図３Ｂに図示された多孔型消音器３００は、４ｋＨｚ以上の周波数帯域での騒音低減に活用され得る。多孔型消音器３００は、一般的に、４ｋＨｚ以上の周波数帯域では、騒音低減能が低いから、４ｋＨｚ以上の周波数帯域で、高い騒音低減能を得るために、図３Ａ及び図３Ｂに図示されているように、多孔型消音器３００の空洞３０１には、隔壁３０４が設置され、空洞３０１は、隔壁３０４によっていくつかの空洞に分割され得る。

数式２に記載されているように、多孔型消音器３００の空洞３０１の体積が減少すれば、共鳴周波数は上昇することになる。多孔型消音器３００の伝送損失は、共鳴周波数で最大になるから、多孔型消音器３００の空洞３０１が、いくつかの隔壁３０４によって、いくつかの空洞に分割されれば、伝送損失が最大になる周波数は、上昇することになる。隔壁３０４の個数は、多孔型消音器３００によって低減させる周波数帯域の中心周波数に比例する。このように、隔壁３０４によって形成された複数個の空洞から、４ｋＨｚ以上の周波数帯域での高い騒音低減能を得ることができる。図３Ａ及び図３Ｂには、２個の隔壁３０４と、これによって形成された３個の空洞とが図示されており、このような構造の多孔型消音器３００は、４ｋＨｚ以上の周波数帯域で、高い騒音低減能を有する。これは一例にしか過ぎず、多孔型消音器３００によって低減させる周波数帯域によって、隔壁３０４の個数は、適切に調整され得る。例えば、図３Ａ及び図３Ｂに図示された２個の隔壁３０４の代わりに、１個の隔壁ないし３個の隔壁が、空洞３０１内に設置され得ることを、図３Ａ及び図３Ｂに図示された実施形態が属する技術分野で当業者であるならば、理解することができるであろう。

前記のような拡張室１００と、多孔型消音器３００とによっても、１ｋＨｚ〜４ｋＨｚの周波数帯域で、十分な騒音低減能を確保することができないこともある。さらに、図３Ａ及び図３Ｂに図示されたハイブリッド消音器５２が、非常に小サイズで具現される場合、１ｋＨｚ以下の低域周波数での騒音低減に、十分な拡張室１００の内部空間を確保することができないこともある。一方、吸収材２００は、吸収能にすぐれた場合に、小さい体積の吸収材２００だけでも、十分に拡張室１００の内部に流入した流体の液体成分を吸収することができる。拡張室１００と多孔型消音器３００との不足した騒音低減能を補うため、吸収材２００には、拡張室１００から流入した流体の騒音を低減させる少なくとも１つの消音器が内蔵されてもよい。すなわち、図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材２００の内部に形成された空間に、拡張室１００と多孔型消音器３００との不足した騒音低減能を補うための、少なくとも１つの消音器が設置され得る。

拡張室１００と多孔型消音器３００とを通過した空気の騒音を測定し、このように測定された騒音に対して、１／３オクターブバンド単位で、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を遂行すれば、１／３オクターブバンド単位の周波数別に音圧レベルが検出され得る。ハイブリッド消音器５２の設計者は、このように検出された結果を参照し、ハイブリッド消音器５２が目標にする騒音条件、例えば、５０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数帯域で、１／３オクターブバンド単位の特定音圧レベル以下の騒音のみを許容する条件に違反する音圧レベルを有する周波数を確認する。次に、ハイブリッド消音器５２の設計者は、前記の騒音条件に違反する音圧レベルを有する周波数を参照し、拡張室１００と多孔型消音器３００とを通過した空気の騒音について、さらに低減されなければならない目標周波数を決定することができる。

あるいは、前記の数式を利用して、拡張室１００と多孔型消音器３００とをモデリング（ｍｏｄｅｌｉｎｇ）し、拡張室１００と多孔型消音器３００とのモデルから、拡張室１００と多孔型消音器３００とを通過した空気の１／３オクターブバンド単位の周波数別に、音圧レベルを予測することもできる。ハイブリッド消音器５２の設計者は、このように予測された結果を参照し、前記のように、拡張室１００と多孔型消音器３００とを通過した空気の騒音に対して、さらに低減されなければならない目標周波数を決定することもできる。例えば、前記の騒音条件に違反する音圧レベルを有する周波数が、１ｋＨｚ〜４ｋＨｚの周波数帯域に分布するとしたら、吸収材２００に内蔵される消音器によって低減される周波数帯域の中心周波数は、２ｋＨｚと３ｋＨｚとに選定される。

図５Ａ及び図５Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材２００に内蔵される消音器の一例を図示した図面である。図５Ａ及び図５Ｂを参照すれば、吸収材２００には、拡張室１００と多孔型消音器３００とによって低減される騒音の周波数帯域とは異なる周波数帯域で、拡張室１００から流入した流体の騒音を低減させる２つのヘルムホルツ共鳴器（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）が内蔵されている。このヘルムホルツ共鳴器は、１ｋＨｚ〜４ｋＨｚの周波数帯域での騒音低減能を向上させるために使われもする。拡張室１００の内部に流入した流体の液体成分を吸収するのに十分な相当量の吸収材２００が、拡張室１００内部を占めなければならないから、吸収材２００に内蔵される消音器は、より小さい体積内で、効果的に騒音を低減させることができる構造に設計されなければならない。前述のように、共鳴型消音器の伝送損失は、共鳴周波数で最大になるから、消音器のサイズに大きく左右されずに、消音器によって低減させる周波数帯域が調整される。このような共鳴型消音器の代表的な例としては、ヘルムホルツ共鳴器を挙げることができる。前記のような理由で、吸収材２００に内蔵される消音器として、ヘルムホルツ共鳴器が選択され得る。ヘルムホルツ共鳴器の空洞の体積がＶであり、共鳴器のネック（ｎｅｃｋ）の長さがＬであり、共鳴器のネックの断面積がＡであるとするとき、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Ｆｈは、次の数式４から計算される。数式４でｃは、音速である。

数式４に記載されているように、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数は、共鳴器の空洞の体積、共鳴器のネックの距離とネックの断面積とによって決定されるから、共鳴器の空洞の体積、共鳴器のネックの距離とネックの断面積とを適切に調整することにより、消音器のサイズに大きく左右されずに、消音器によって低減させる周波数帯域での騒音低減能を確保することができる。図５Ａ及び図５Ｂに図示された実施形態による共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴器であり、第１共鳴器４１０は、ネック４１１と空洞４１２とから構成され、第２共鳴器４２０は、ネック４２１と空洞４２２とから構成される。第１共鳴器４１０のネック４１１の入口と、第２共鳴器４２０のネック４２１の入口は、吸収材２００の表面に接しており、拡張室１００の内部の流体は、第１共鳴器４１０と第２共鳴器４２０とに流入することになる。このように流入した空気は、第１共鳴器４１０のネック４１１の入口と、第２共鳴器４２０のネック４２１の入口とから、さらに拡張室１００の内部に排出されることになる。

数式４に記載されているように、第１共鳴器４１０のネック４１１の距離と、空洞４１２の体積は、第１共鳴器４１０が低減させる周波数帯域の中心周波数、すなわち、拡張室１００によって低減される騒音の周波数帯域とは異なる周波数帯域の中心周波数の大きさに反比例し、第１共鳴器４１０のネック４１１の断面積の大きさは、第１共鳴器４１０が低減させる周波数帯域の中心周波数の大きさに比例する。同様に、第２共鳴器４２０のネック４２１の距離と空洞４２２の体積は、第２共鳴器４２０が低減させる周波数帯域の中心周波数、すなわち、拡張室１００によって低減される騒音の周波数帯域とは異なる周波数帯域の中心周波数の大きさに反比例し、第２共鳴器４２０のネック４２１の断面積の大きさは、第２共鳴器４２０が低減させる周波数帯域の中心周波数の大きさに比例する。

従って、消音器の設計者は、第１共鳴器４１０のネック４１１の距離、断面積及び空洞４１２の体積を調整することにより、設計者が選定した目標周波数、例えば、２ｋＨｚの共鳴周波数を基準として、共鳴器を設計することができる。同様に、ハイブリッド消音器５２の設計者は、第２共鳴器４２０のネック４２１の距離、断面積及び空洞４２２の体積を調整することにより、設計者が選定した目標周波数、例えば、３ｋＨｚの共鳴周波数を基準として、共鳴器を設計することができる。例えば、第１共鳴器４１０のネックの長さが７．３８ｍｍ、ネックの断面積が３．２８８ｍｍ^２、空洞の体積が３６４．１ｍｍ^３であるとすれば、第１共鳴器４１０は、２，３６５．４４Ｈｚの共鳴周波数を有する。また、第２共鳴器４２０のネックの長さが７ｍｍ、ネックの断面積が７ｍｍ^２、空洞の体積が３６４．１ｍｍ^３であるとすれば、第２共鳴器４２０は、３，５９９．６７Ｈｚの共鳴周波数を有する。ここで、音速は、拡張室１００の内部が、温度が５０℃であると仮定して、３６０ｍ／ｓに設定された。

図６Ａ及び図６Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材２００に内蔵される消音器の他例を図示した図面である。図６Ａ及び図６Ｂを参照すれば、吸収材２００には、拡張室１００と多孔型消音器３００とによって低減される騒音の周波数帯域と異なる周波数帯域で、拡張室１００から流入した流体の騒音を低減させる拡張型消音器４３０が内蔵されている。この拡張型消音器４３０は、１ｋＨｚ以下の低域周波数での騒音低減能を向上させるために使われもする。前述のように、拡張室１００は、吸収材２００によって、１ｋＨｚ以下の低域周波数での騒音低減に、十分な拡張室１００の内部空間を確保することができないこともある。このような場合に、１ｋＨｚ以下の低域周波数での騒音低減能を向上させるため、吸収材２００に内蔵される消音器として、拡張型消音器４３０が選択され得る。

あるいは、吸収材２００には、拡張室１００と多孔型消音器３００とによって低減される騒音の周波数帯域と重複される周波数帯域で、拡張室１００から流入した流体の騒音を低減させる拡張型消音器４３０が内蔵されてもよい。拡張室１００と多孔型消音器３００とによって、ある程度の周波数帯域で騒音が低減されたにもかかわらず、消音器設計者が所望する特定音圧レベルほどの騒音低減が充足されない場合に、このような拡張型消音器４３０が、吸収材２００に内蔵され得る。その場合、騒音低減の対象になる周波数帯域を高めるために、拡張型消音器４３０の内部には、一つまたはいくつかの隔壁が設置され得る。

図７Ａ及び図７Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに図示された吸収材２００に内蔵される消音器のさらなる他例を図示した図面である。図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、吸収材２００には、拡張室１００と多孔型消音器３００とによって低減される騒音の周波数帯域と異なる周波数帯域で、拡張室１００から流入した流体の騒音を低減させる多孔型消音器４４０が内蔵されている。この多孔型消音器４４０は、１ｋＨｚ以下の低域周波数での騒音低減能を向上させるために使われもする。あるいは、吸収材２００には、拡張室１００と多孔型消音器３００とによって低減される騒音の周波数帯域と重複される周波数帯域で、拡張室１００から流入した流体の騒音を低減させる多孔型消音器４４０が内蔵されてもよい。その場合、騒音低減の対象になる周波数帯域を高めるために、多孔型消音器４４０の内部には、一つまたはいくつかの隔壁が設置され得る。

図８は、図３Ａ及び図３Ｂに図示されたハイブリッド消音器５２の適用前後の騒音測定結果を示すグラフである。図８には、燃料電池システムから１０ｍ離れた地点で、燃料電池システムの騒音を測定し、このように測定された騒音から、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数帯域で、１／３オクターブバンド単位で検出された音圧レベルが図示されている。図８を参照すれば、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数帯域には、１／３オクターブバンドの各周波数ごとに、１対のバーが図示されている。この１対のバーのうち、左側バーは、燃料電池システムに気液分離機能のみを有する従来の分離器が適用された状態で測定された騒音を示し、右側バーは、燃料電池システムに、図５Ａ及び図５Ｂに図示されたハイブリッド消音器５２が適用された状態で測定された騒音を示す。図８を参照すれば、燃料電池システムに、図５Ａ及び図５Ｂに図示されたハイブリッド消音器５２が適用されることにより、１ｋＨｚ以上の周波数帯域で、燃料電池システムの騒音が大幅に低減されたことが分かる。

前述のように、以上で説明された実施形態によるハイブリッド消音器は、燃料電池システム内部に流れる流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、流体の騒音を低減させることにより、騒音低減のために、別途の装置を具備する他の燃料電池システムに比べて、燃料電池システムの重さと体積とを減らすことができる。また、ハイブリッド消音器は、拡張型消音器や多孔型消音器のようなハイブリッド消音器を採用することにより、燃料電池システムで生じる特定周波数帯域の騒音を、特定音圧レベル以下に低減することができる。

以上で説明しれた騒音低減手段だけでは、特定騒音条件、例えば、軍用規格の騒音条件を完璧に満足することができない。例えば、図８を参照すれば、図５Ａ及び図５Ｂに図示されたハイブリッド消音器５２だけでは、１００Ｈｚ以下の周波数帯域での騒音がほとんど低減されていないということが分かる。これは、図５Ａ及び図５Ｂに図示されたハイブリッド消音器５２以外の他の騒音低減手段、例えば、図６Ａ及び図６Ｂ、または図７Ａ及び図７Ｂに図示された騒音低減手段によって解決される。また、空気ポンプ４１の自体振動によって生じる騒音は、空気ポンプ４１の装着方式を改善することによって解決される。

以上、本発明について、その望ましい実施形態を中心に説明した。本発明が属する技術分野で当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態に具現される可能性があるということを理解することができるであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にいる全ての差異は、本発明に含まれたものであると解釈されなければならないのである。

本発明の燃料電池システム内で、気液分離機能を提供するハイブリッド消音器は、例えば、携帯用燃料電池システムに効果的に適用可能である。

１０ 燃料電池
１１ 燃料循環ライン
１２ 燃料供給ライン
２０ 燃料貯蔵
３０ 制御器
４１ 空気ポンプ
４２ 回収ポンプ
４３ 循環ポンプ
４４ 供給ポンプ
５２ ハイブリッド消音器
６１ 第１熱交換器
６２ 第２熱交換器
７０ 弁モジュール
８０ 混合器
９０ センサ
１００ 拡張室
１０１ 入口管
１０２ 出口管

１０３，３０３ バー
２００ 吸収材
３００ 多孔型消音器
３０１，４１２，４２２ 空洞
３０２ 多孔管
３０４ 隔壁
４１０，４２０ 共鳴器
４１１，４２１ ネック
４３０ 拡張型消音器
４４０ 多孔型消音器

Claims (14)

1. 燃料電池システムに装着されるハイブリッド消音器において、
   前記燃料電池システムの所定装置に連結され、前記所定装置から排出された流体の騒音を低減させる拡張室と、
   前記拡張室の内部に位置し、前記拡張室の内部に流入した流体の液体成分を吸収する吸収材と、
   前記吸収材によって液体成分が除去された流体を排出しつつ、排出中である流体の騒音を低減させる多孔型消音器と、
   を含み、
   前記拡張室は、前記所定装置からの流体が流入する入口管と、前記吸収材に吸収された液体成分が排出される出口管と、を具備することを特徴とするハイブリッド消音器。
2. 前記多孔型消音器は、前記ハイブリッド消音器の内部空間に形成された空洞と、前記空洞を通過する多孔管と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド消音器。
3. 前記空洞には、複数個の隔壁が設置され、前記空洞は、前記隔壁によって、複数個の空洞に分割されることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド消音器。
4. 前記空洞の内部には、前記吸収材の一部が介在され、前記空洞の内部に位置する吸収材部分によって、前記多孔管の孔から排出された流体の液体成分が吸収されることを特徴とする請求項２または３に記載のハイブリッド消音器。
5. 前記ハイブリッド消音器は、互いに異なる体積を有する２つのボックスが結合された形状を有しており、前記空洞は、より小さい体積を有する前記ボックスの内部空間に形成されることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド消音器。
6. 前記２つのボックス間に接する部位は、相互間に開放された形態で連結されており、前記多孔管の入口は、前記開放された連結部位に位置し、前記吸収材には、前記拡張室の入口管に流入した流体を、前記多孔管の入口に流すための空間が形成されており、前記多孔管を介して、前記吸収材によって液体成分が除去された流体が排出されることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド消音器。
7. 前記ハイブリッド消音器は、互いに異なる体積を有する２つのボックスが結合された形状を有しており、前記拡張室は、より大きい体積を有する前記ボックスの内部空間に形成され、前記入口管は、前記拡張室と前記多孔型消音器との大きさ差によって生じる空間に設置されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド消音器。
8. 前記吸収材には、前記拡張室から流入した流体の騒音を低減させる少なくとも１つの消音器が内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド消音器。
9. 前記吸収材に内蔵される少なくとも１つの前記消音器は、前記拡張室と前記多孔型消音器とによって低減される騒音の周波数帯域とは異なる周波数帯域で、前記拡張室から流入した流体の騒音を低減させることを特徴とする請求項８に記載のハイブリッド消音器。
10. 前記吸収材に内蔵される少なくとも１つの前記消音器は、少なくとも１つのヘルムホルツ共鳴器であることを特徴とする請求項８または９に記載のハイブリッド消音器。
11. 燃料電池システムにおいて、
    燃料を利用して電力を生産する燃料電池と、
    前記燃料電池システムの内部に流れる流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、前記流体の騒音を低減させるハイブリッド消音器と、
    前記ハイブリッド消音器から排出された液体成分と燃料とを混合し、前記燃料電池に供給するＢＯＰ（balance of plants）と、
    を含むことを特徴とする燃料電池システム。
12. 前記ハイブリッド消音器は、前記燃料電池から排出された流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、前記燃料電池から排出された流体の騒音を低減させ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ＢＯＰは、前記燃料電池のカソード側の出口から排出された流体を冷却させる熱交換器を含み、
    前記ハイブリッド消音器に流入する流体は、前記熱交換器から排出された流体から、気体成分と液体成分とを分離して排出すると共に、前記熱交換器から排出された流体の騒音を低減させ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. 前記ハイブリッド消音器は、
    前記燃料電池システムの所定装置に連結され、前記所定装置から排出された流体の騒音を低減させる拡張室と、
    前記拡張室の内部に位置し、前記拡張室の内部に流入した流体の液体成分を吸収する吸収材と、
    前記吸収材によって液体成分が除去された流体を排出しつつ、排出中である流体の騒音を低減させる多孔型消音器と、
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。