KR20070079534A - 소음기를 장착한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지에 공기를 공급할 때 발생되는 소음을 감소시키기 위한 소음기를 장착한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 공기를 공급하는 공기공급부와 상기 공기와 연료를 이용한 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부 및 상기 공기공급부의 일단에 서로 길이가 다른 직관 및 간접관으로 구성된 소음기를 포함하는 것을 특징으로 하며 부피가 작기 때문에 설치공간에 대한 제약이 적으며 두 개 이상의 주파수를 주요한 소음 성분으로 하는 경우에도 각각의 주파수에 대응하는 소음기를 직렬로 연결함으로써 간단하게 소음을 감소시킬 수 있다.
연료전지, 소음, 공명, 간섭

Description

소음기를 장착한 연료전지 시스템{fuel cell system with muffler}
도 1은 본 발명에 따른 소음기를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 소음기를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 소음기의 사시도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 소음기의 측면도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 소음기를 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 소음기를 나타낸 측면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 연료전지 시스템 110 : 연료용기
111 : 물용기 113 : 연료혼합부
120, 121, 123 : 유체펌프 130 : 전기발생부
140, 141 : 공기공급부 150 : 소음기
151, 251, 253 : 직관 152, 252, 254 : 간접관
본 발명은 소음기를 장착한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 연료전지에 공기를 공급할 때 발생되는 소음을 감소시키기 위한 소음기를 장착한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 작동하는 온도에 따라 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류될 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 유사한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 비교적 저온에서 동작이 가능하고 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않고 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 직접 메탄올 연료전지는 애노드 전극에 메탄올을 공급하고 캐소드 전극에 산소를 공급하여 발생하는 화학반응을 통해 전기를 생성한다. 따라서 직접 메탄올 연료전지를 운전하기 위해서는 산소가 필요하기 때문에 공기를 지속적으로 공급해주어야 한다.
한편 기타 연료전지 시스템은 통상적으로 개질기를 통해 생성된 수소를 애노 드 전극에 공급하고 산소를 캐소드 전극에 공급하여 발생하는 화학반응을 통해 전기를 생산한다. 이때에도 연료전지 시스템을 운전하기 위해서는 산소가 필요하기 때문에 지속적으로 공기를 공급해주어야 한다. 또한 개질기를 통해 수소를 생성할 때에도 산소가 필요하기 때문에 개질기에 지속적으로 공기를 공급해주어야 한다. 이처럼 연료전지를 지속적으로 운전하기 위해서는 공기 공급 장치가 필수적으로 설치되어야 한다.
공기 공급장치로는 통상적으로 로터리 베인(rotary vane) 펌프 또는 다이어프램(diaphragm) 펌프 등을 사용한다. 그런데 이들 펌프는 공기를 반복적으로 압축 및 팽창하여 공기를 공급하기 때문에 주기적이고 지속적인 소음이 발생하게 된다. 이러한 소음을 감소시키기 위하여 별도의 소음기를 장착할 수 있지만, 통상의 소음기는 부피가 커서 연료전지 시스템의 부피를 증대시는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점으로부터 도출한 것으로서, 본 발명의 목적은 지속적으로 발생하는 공기공급장치의 소음을 감소시키며 부피가 작은 소음기를 장착한 연료전지를 사용하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 공기를 공급하는 공기공급부와 상기 공기와 연료를 이용한 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부 및 상기 공기공급부의 일단에 서로 길이가 다른 직관 및 간접관 으로 구성된 소음기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 직관의 양단은 상기 간접관의 양단과 연통되어 설치될 수 있고, 상기 직관 및 상기 간접관은 각각 일정한 단면적을 가질 수 있다.
상기 직관의 길이와 상기 간접관의 길이의 차를 ΔL, 소음을 해결해야 하는 주파수를 fn라고 하면,
Figure 112006008058012-PAT00001
이 성립할 수 있다. 상기 직관의 길이는 상기 간접관의 길이보다 짧으며, 상기 직관의 둘레에 상기 간접관이 권선될 수 있고, 상기 소음기가 두 개 이상 직렬로 연결될 수 있다. 상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올 연료전지 시스템일 수 있다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다. 또한 도면상에 나타나는 각 구성요소의 형상 및 각 구성요소간의 크기의 비는 설명의 편의상 임의로 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소음기(150)를 포함하는 직접 메탄올 연료전지 시스템(100)의 개략도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템(100)은 연료용기(110), 물용기(111), 연료혼합부(113), 제1유체펌프(120), 제2유체펌프(121), 제3유체펌프(123), 전기발생부(130), 공기공급부(140), 소음기(150) 및 2차 전지(160)로 구성된다.
연료용기(110)에 저장된 메탄올과 같은 연료와 물용기(111)에 저장된 물은 각각 제1유체펌프(120) 및 제2유체펌프(121)의 구동력에 의해 연료혼합부(113)에 공급된다. 연료혼합부(113)에서는 상기 연료와 상기 물이 혼합된 혼합 연료가 생성되며, 상기 혼합 연료는 제3유체펌프(123)의 구동력에 의해 전기발생부(130)로 공급된다.
공기공급부(140)의 일단은 외기로 노출되어 있다. 공기공급부(140)는 구동력에 의해 상기 일단으로 흡입된 외기를 공기공급부(140)의 타단으로 토출시켜서 후술하는 전기발생부(130)에 외기를 공급한다. 공기공급부(140)의 상기 일단에는 소음기(150)가 설치되어 공기공급부(140)의 구동으로 인한 소음을 감소시킨다. 소음기(150)는 공기공급부(140)의 상기 일단에 설치되지 않고 공기공급부(140)에서 공기가 흡입되는 일측의 내부에 설치될 수도 있다. 소음기(150)의 구체적인 구성은 후술한다.
전기발생부(130)는 상기 혼합연료와 산소를 전기화학 반응을 시켜 전기에너지를 발생한다. 전기발생부(130)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 1과 같다.
애노드전극 반응 : CH30H ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드전극 반응 : 3/2 O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체반응 : CH30H ＋ 3/2 O2 → CO2 ＋ 2H2O
상기 반응식을 참고하면, 상기 혼합연료는 전기발생부(130)의 애노드전극(미도시)에서 이산화탄소, 수소이온 및 전자를 생성한다. 상기 애노드전극에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(미도시)을 통과하여 캐소드전극(미도시)으로 이동하고, 상기 수소이온은 상기 캐소드전극에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 상기 애노드전극에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다. 전기발생부(130)에서 생성된 물 및 미반응 연료는 회수장치(미도시)를 통해 연료혼합부(113)로 회수될 수 있다.
한편 제1유체펌프(120), 제2유체펌프(121), 제3유체펌프(123) 및 공기공급부(140)를 가동하기 위한 전력은 2차 전지(160)를 통해 공급된다.
도 2는 본 발명에 따른 소음기(150)를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템(200)의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2를 참고하면 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료전지 시스템(200)은 연료용기(110), 물용기(111), 제1유체펌프(120), 제2유체펌프(121), 개질기(170), 전기발생부(180), 공기공급부(140, 141), 소음기(150) 및 2차 전지(160)로 구성된다. 이하에서는 도 1의 직접 메탄올 연료전지 시스템(100)과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 사용하며 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
개질기(170)는 상기 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질반응부(미도시)와, 이러한 개질 가스에 혼합된 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거부(미도시)를 포함한다. 상기 개질반응부는 수증기 개질(Steam Reforming : SR), 부분 산화(Partial Oxidation : POX), 자열 개질반응(Autothermal Reaction : ATR) 등의 촉매 반응을 통해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 상기 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환(Water Gas Shift : WGS), 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 등과 같은 촉매 반응 등을 통해 상기 개질 가스에 포함된 일산화탄소를 제거한다. 특히 상기 일산화탄소 제거부에서 일어나는 선택적 산화 촉매반응에는 산소가 필요하다. 상기 연료의 일부는 열원부(미도시)에 유입되며, 상기 연료를 연소시켜 상기 개질 반응부와 상기 일산화탄소 제거부에 필요한 열을 제공한다. 이때에도 상기 열원부에서 상기 연료가 연소하기 위해서는 산소가 필요하다. 개질기(170)에 필요한 이러한 산소는 공기공급부(141)의 구동력에 의해 공급되며, 공기공급부(141)에서 공기가 유입되는 일단에는 소음기(150)가 설치되어 공기공급부(141)의 구동으로 인한 소음을 감소시킨다.
전기발생부(180)는 개질기(170)를 통해 개질된 수소와 공기공급부(140)를 통해 유입된 산소를 전기화학 반응을 하여 전기 에너지를 발생시킨다. 공기공급부(140)에서 공기가 유입되는 일단에는 소음기(150)가 설치되어 공기공급부(140)의 구동으로 인한 소음을 감소시킨다. 전기발생부(180)의 전기화학 반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 2와 같다.
애노드 전극 : H2 → 2H+ ＋ 2e-
캐소드 전극 : ½O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O
전체반응식 : H2 ＋ ½O2 → H2O ＋ 전류 ＋ 열
상기 반응식을 참고하면, 상기 수소는 전기발생부(180)의 애노드전극(미도시)에서 수소이온 및 전자를 생성한다. 상기 애노드전극에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(미도시)을 통과하여 캐소드전극(미도시)으로 이동하고, 상기 수소이온은 상기 캐소드전극에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 상기 애노드전극에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다. 전기발생부(180)에서 생성된 물 및 미반응 연료는 회수장치(미도시)를 통해 물용기(111)로 회수될 수 있다.
제1유체펌프(120), 제2유체펌프(121) 및 공기공급부(140, 141)를 가동하기 위한 전력은 2차 전지(160)를 통해 공급될 수 있다.
한편 상기에서는 본 발명에 따른 소음기를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 공기공급부가 필요한 모든 연료전지 시스템에 본 발명에 따른 소음기가 적용될 수 있는 것은 당연하다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 소음기(150)의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 소음기(150)의 측면도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 소음기(150)는 중공관 형태인 직관(151) 및 간접관(152)으로 구성된다. 직관(151)과 간접관(152)은 각각 일정한 단면적을 가지고 있다. 도 4의 A-B 사이의 직관(151)의 길이를 L1, 간접관(152)의 길이를 L2라 하면 직관(151)의 길이 L1은 간접관(152)의 길이 L2보다 짧고 직관(151) 둘레에는 간접관(152)이 권선되어 있다. 또한 직관(151)의 양단에는 간접관(152)의 양단이 연통되어 있다.
상기 구성을 통하여 본 발명의 제1실시예에 따른 소음기(150)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제1실시예에 따른 소음기(150)는 직관(151)에서 전파하는 음파가 간접관(152)에서 전파하는 음파와 상호 간섭을 일으켜서, 소음기(150)를 통해 전달되는 소음의 음향에너지를 감소시킬 수 있다. 이 때 소음기의 입구와 출구 사이의 음향 에너지 비율인 전달 손실(Transmission Loss; TL) 값은 배관의 단면적이 동일한 경우 배관의 길이에 따라 주파수 대역 별로 영향을 받게 된다. 따라서 소음이 크게 발생되는 주파수 대역과 배관 길이 조정을 통한 전달 손실이 최대로 발생하는 주파수 대역을 일치시킴으로써 소음을 줄일 수 있다.
소음기(150)에서는 하기와 같은 주파수에서 공명이 발생한다.
Figure 112006008058012-PAT00002
즉 공기공급부(140, 141; 도 2 참조)를 가동할 때에 특정 주파수에서 주요한 소음 성분이 발생하는 경우, 간접관(152)의 길이 L2와 직관(151)의 길이 L1의 차이 를 조절하여 상기 특정 주파수에서 공명을 발생하게 함으로써 상기 소음 성분이 간섭 현상으로 인하여 소멸될 수 있다.
예를 들면, 공기공급부(140, 141; 도 2 참조)가 300Hz의 주파수에서 주요한 소음성분을 갖는 경우, 상기 소음 성분을 소멸시킬 수 있는 간접관(152)의 길이 L2및 직관(151)의 길이 L1의 차이는 하기와 같다.
Figure 112006008058012-PAT00003
따라서 직관(151)과 간접관(152)의 길이차(L2－L1)가 0.572m인 경우, 300Hz 이외에 900Hz, 1500Hz등의 주파수에서도 효과적으로 소음을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 소음기(250)를 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 소음기(250)를 나타낸 측면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 소음기(250)는 제1 직관(251), 제2직관(253), 제1간접관(252) 및 제2간접관(254)로 구성된다.
제1직관(251)과 제1간접관(252)은 각각 일정한 단면적을 가지고 있으며, 제1직관(251)과 제1간접관(252)의 단면적은 서로 동일하다. 도 6의 C-D 사이의 제1직관(251)의 길이를 L3, 제1간접관(252)의 길이를 L4라고 하면, 제1직관(251)의 길이 L3는 제1간접관(252)의 길이 L4보다 짧고 제1직관(251) 둘레에는 제1간접관(252)이 권선되어 있다. 또한 제1직관(251)의 양단에는 제1간접관(252)의 양단이 연통되어 있다.
제2직관(253)과 제2간접관(254)은 각각 일정한 단면적을 가지고 있으며, 제2 직관(253)과 제2간접관(254)의 단면적은 서로 동일하다. 도 6의 E-F 사이의 제2직관(253)의 길이를 L5, 제2간접관(254)의 길이를 L6이라 하면, 제2직관(253)의 길이 L5는 제2간접관(254)의 길이 L6보다 짧고 제2직관(253) 둘레에는 제2간접관(254)이 권선되어 있다. 또한 제2직관(253)의 양단에는 제2간접관(254)의 양단이 연통되어 있다. 또한 제2직관(253)의 일단은 제1직관(251)의 일단과 연통된다.
상기 구성을 통하여 본 발명의 제2실시예에 따른 소음기(250)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제2실시예에 따른 소음기(250)는 전술한 본 발명의 제1실시예에 따른 소음기(150)의 작용과 기본적으로 유사하며, 다만 공기공급부(140, 141; 도 2 참조)를 가동할 때에 두 개의 특정 주파수에서 주요한 소음 성분이 발생하는 경우에도 소음 성분을 감소시킬 수 있다. 즉, 제1간접관(252)의 길이 L4와 제1직관(251)의 길이 L3의 차이를 조절하여 상기 특정 주파수들 중 하나의 주파수에서 공명을 발생하게 하고, 제2간접관(254)의 길이 L6와 제2직관(253)의 길이 L5의 차이를 조절하여 상기 특정 주파수들 중 나머지 하나의 주파수에서 공명을 발생하게 함으로써 상기 소음 성분이 간섭 현상으로 인하여 소멸될 수 있다.
예를 들면, 공기공급부(140, 141; 도 2 참조)가 600Hz, 900Hz의 주파수에서 주요한 소음 성분을 갖는 경우, 상기 600Hz의 주파수의 소음 성분을 소멸시킬 수 있는 제1간접관(252)의 길이 L4 및 제1직관(251)의 길이 L3의 차이와, 상기 900Hz의 주파수의 소음 성분을 소멸시킬 수 있는 제2간접관(254)의 길이 L6 및 제2직관(253)의 길이 L5의 차이는 하기와 같다.
Figure 112006008058012-PAT00004
Figure 112006008058012-PAT00005
한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 소음기(250)는 길이차가 존재하는 직관 및 간접관의 일단을 두 개 연결한 것으로 설명하였지만, 이에 한정하지 않는다. 즉 공기공급부를 가동할 때에 세 개 이상의 특정 주파수에서 주요한 소음 성분이 발생하는 경우에는, 각각의 소음 성분을 감소시킬 수 있는 직관 및 간접관의 일단을 수 개 직렬로 연결하여 세 개 이상의 소음 성분을 동시에 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 소음기를 채용한 연료전지 시스템에 의하면, 연속적으로 가동하는 공기공급부에 의해 지속적으로 발생하는 소음을 감소시킬 수 있다. 또한 소음기의 부피가 작기 때문에 설치공간에 대한 제약이 적으며, 보다 컴팩트한 연료전지 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 두 개 이상의 주파수를 주요한 소음 성분으로 하는 경우에도 각각의 주파수에 대응하는 소음기를 직렬로 연결함으로써 간단하게 소음을 감소시킬 수 있다.

Claims (14)

  1. 공기를 공급하는 공기공급부;
    상기 공기와 연료를 이용한 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부; 및
    상기 공기공급부의 일단에 설치되며, 서로 길이가 다른 직관 및 간접관으로 구성된 소음기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직관의 양단은 상기 간접관의 양단과 연통되어 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직관 및 상기 간접관은 각각 일정한 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 직관의 길이와 상기 간접관의 길이의 차를 ΔL, 소음을 해결해야 하는 주파수를 fn라고 하면,
    Figure 112006008058012-PAT00006
    이 성립하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 직관의 길이는 상기 간접관의 길이보다 짧으며, 상기 직관의 둘레에 상기 간접관이 권선되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소음기가 두 개 이상 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 공기를 공급하는 공기공급부;
    상기 공기와 연료를 이용하여 수소를 발생하는 개질기;
    상기 수소와 상기 공기를 이용한 전기화학반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부; 및
    상기 공기공급부의 일단에 설치되며, 길이가 다른 직관 및 간접관으로 구성된 소음기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 직관의 양단은 상기 간접관의 양단과 연통되어 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 직관 및 상기 간접관은 각각 일정한 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 직관의 길이와 상기 간접관의 길이의 차를 ΔL, 소음을 해결해야 하는 주파수를 fn라고 하면,
    Figure 112006008058012-PAT00007
    이 성립하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 직관의 길이는 상기 간접관의 길이보다 짧으며, 상기 직관의 둘레에 상기 간접관이 권선되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 소음기가 두 개 이상 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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