KR20080056052A - 소음기를 장착한 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주기적인 소음과 방사 소음을 감소시킬 수 있는 소음기를 장착한 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지는 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료와 공기의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부와, 공기공급부의 흡기구에 결합하며 공기가 통과하는 직관 및 이 직관으로부터 분기하고 말단부가 막힌 분기관을 구비한 소음기를 포함한다. 본 발명에 의하면, 공기 펌프에 의한 주기적인 소음과 연결 배관 표면으로부터의 방사 소음을 감소시켜 저소음 연료전지를 제공할 수 있다.

연료 전지, 공기 펌프, 소음, 소음기

Description

소음기를 장착한 연료전지{Fuel cell with muffler}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소음기를 장착한 연료전지의 개략도.

도 2는 본 발명의 연료전지에 채용가능한 소음기의 예시도.

도 3은 본 발명의 연료전지에 채용가능한 소음기의 또 다른 예시도.

도 4는 본 발명의 연료전지에 채용가능한 소음기의 또 다른 예시도.

도 5는 본 발명의 연료전지에 채용가능한 소음기의 또 다른 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 전기발생부

20 : 공기공급부

30 : 소음기

40 : 연료개질부

50 : 연료저장부

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 연료전지에 공기를 공급할 때 발생하는 소음을 효과적으로 감소시킬 수 있는 간단한 구조의 소음기를 장 착한 연료전지에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 연료 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 발전 시스템으로서, 저공해와 고효율의 이점이 있다. 특히 연료전지는 저장 및 운송이 용이한 석유 에너지, 천연가스, 메탄올 등의 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있기 때문에 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

고분자 전해질형 연료전지는 수소 이온(proton)을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며, 단위전지로서 고분자 전해질막과 그 양면에 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 막-전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)를 구비한다. 통상 고분자 전해질형 연료전지는 복수의 단위전지(single cell)와 단위전지에 연료와 산화제를 공급하기 위한 유로가 설치되어 있는 바이폴라 플레이트(bipolar plate, BP)가 교대로 적층된 스택(stack) 구조로 제작된다.

수소 이온을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하는 또 다른 연료전지로는 전술한 고분자 전해질형 연료전지 이외에 액상의 연료를 애노드에 직접 공급하는 방식으로 구성되는 직접 메탄올형 연료전지가 있다. 직접 메탄올형 연료전지는 연료 프로세서를 사용하지 않으며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 적합하다는 장점이 있다.

전술한 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지는 통상 연료전지 스택의 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료 공급장치와 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 공기 공급장치를 구비한다. 일반적인 공기 공급장치로는 로터리 베인(rotary vane) 펌프 또는 다이어프램(diaphragm) 펌프 등이 있다. 그런데 이들 펌프는 흡입된 공기를 반복적으로 압축 및 팽창하여 연료전지 스택으로 공급하기 때문에 주기적이고 지속적인 소음을 발생시킨다. 전술한 소음은 펌프의 흡기구에서 유입 공기의 산란에 의하여 발생한다. 그리고 전술한 소음은 펌프에 연결된 배관의 바깥 표면으로부터 방사되는 소음을 발생시킨다. 이러한 소음은 연료전지 시스템의 주된 소음 중의 하나이다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 연료전지 시스템의 주된 소음 원인 중의 하나인 공기 펌프의 주기적인 소음과 방사 소음을 감쇄시킬 수 있는 간단한 구조의 소음기가 장착된 연료전지를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 공기를 공급하는 공기공급부; 연료와 공기의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부; 및 공기공급부의 흡기구에 결합하며, 공기가 통과하는 직관 및 직관으로부터 분기하고 말단부가 막힌 분기관을 구비한 소음기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지가 제공된다.

바람직하게, 상기 연료전지는 직관과 임의 간격의 공간을 두고 직관을 포위하는 외부관을 추가적으로 포함할 수 있다.

상기 외부관은 방음벽 구조를 구비할 수 있다.

상기 직관과 외부관 사이의 공간은 760 Torr 미만의 진공도를 가질 수 있다.

상기 연료전지는 직관과 외부관 사이의 공간에 설치되는 방음부재를 추가적으로 포함할 수 있다.

상기 분기관은 직관으로부터 분기하며 서로 다른 길이를 갖는 복수개의 분기관을 포함할 수 있다. 복수개의 분기관은 300㎐, 600㎐ 및 750㎐의 주파수에 의한 주기적 소음 성분을 감소시키기 위한 길이로 각각 설치될 수 있다.

이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소음기를 장착한 연료전지의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 전기발생부(10), 공기공급부(20), 소음기(30) 및 연료저장부(40)를 포함하여 이루어진다. 또한 본 발명의 연료전지는 전기발생부(20)의 작동 방식에 따라 연료저장부(40)로부터 공급되는 연료를 개질하여 전기발생부(10)에 주입하는 연료개질부(50)를 추가적으로 포함할 수 있다.

전기발생부(10)는 애노드로 공급되는 연료와 캐소드로 공급되는 공기의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 장치이다. 애노드로 공급되는 연료는 액체상의 연료 또는 기체상의 연료를 포함하며, 전기발생부(10)는 고분자 전해질형 연료전지 방식의 스택 또는 직접 메탄올형 연료전지 방식의 스택으로 구현될 수 있다. 전술한 전기발생부(10)는 고분자 전해질막과 이 고분자 전해질막의 양면에 접합되는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)를 구비한다.

공기공급부(20)는 전기발생부(10)의 캐소드측에 공기를 공급하는 장치이다. 공기공급부(20)로는 송풍기(blower), 콤프레셔(compressor), 공기 펌프 등이 사용될 수 있지만, 정량의 유량 제어가 용이하고 가격이 싼 공기 펌프를 이용하는 것이 바람직하다. 공기 펌프로는 로터리 베인(rotary vane) 펌프, 다이어프램(diaphragm) 펌프 등이 있다. 전술한 공기 펌프는 유입된 공기를 반복적으로 압축 및 팽창시켜 배출하기 때문에 펌프의 흡기구 측에서의 공기 산란에 기인한 주기적인 소음을 발생시키며, 주기적인 소음에 기인하여 연결 배관의 바깥 표면으로부터 방사 소음을 발생시킨다.

소음기(30)는 공기공급부(20)로서 사용되는 공기 펌프의 흡기구 측에 결합되며, 공기 펌프에 기인한 소음을 감소시킨다. 본 발명의 소음기(30)는 특히 펌프의 흡기구 측에서의 공기 산란에 의해 발생하는 주기적인 소음과, 이 주기적인 소음에 의해 연결 배관의 바깥 표면으로부터 발생하는 방사 소음을 저감시킨다. 본 발명의 소음기(30)에 대한 실시예는 아래에서 구체적으로 설명될 것이다.

연료저장부(40)는 전기발생부(10)의 애노드로 공급할 연료를 저장한다. 연료저장부(40)는 연료 펌프가 장착된 연료 탱크, 압축 연료를 저장할 수 있는 압축 탱 크, 착탈가능한 연료 카트리지 등의 형태로 구현될 수 있다. 연료저장용기(40)에 저장되는 연료로는 메탄올, 에탄올, 석유, 천연가스 등과 같은 탄화수소계 연료나 바이오 매스 등이 포함가능하다.

연료개질부(50)는 탄화수소계 연료나 바이오 매스 등의 연료를 개질하여 얻을 수 있는 수소 가스를 전기발생부(10)의 애노드에 공급하기 위한 장치이다. 연료개질부(50)는 예컨대 전기발생부(10)의 구조가 고분자 전해질형 연료전지 스택인 경우 연료 개질을 위하여 사용될 수 있고, 전기발생부(10)의 구조가 직접 메탄올형 연료전지 스택인 경우 연료저장용기(40)로부터 메탄올 등의 연료가 직접 전기발생부(10)의 애노드로 공급되도록 생략될 수 있다. 전술한 연료개질부(50)는 개질원료와 수증기를 고온 환경에서 접촉시켜 수소를 주성분으로 하는 개질 가스를 생성하는 수증기 개질반응부로 구현될 수 있고, 니켈(Ni), 로듐(Rh) 또는 루테늄(Ru)계 촉매를 사용할 수 있다.

도 2는 도 1의 연료전지에 채용가능한 소음기의 예시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 연료전지용 소음기(30)는 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 공기 펌프의 주기적인 소음을 주로 감소시키기 위하여 공기 펌프의 흡기구에 결합되는 직관(straight pipe, 32)과 이 직관(32)로부터 분기되며 말단부가 막힌 분기관(side branch pipe, 34)을 포함하여 이루어진다.

직관(32)은 임의의 직경(D)을 구비한 실린더형 직관으로 설치된다. 도 2 및 이하의 설명에서 화살표는 직관(32) 등을 통과하는 음(소음)의 진행 방향을 가리킨다. 분기관(34)은 직관(32)의 중간부에서 T-자 모양으로 분기되며 직관(32)의 직경 보다 작은 직경(d)을 갖고 임의의 길이(L)를 갖도록 연장된다. 분기관(34)의 말단부는 폐쇄된다.

분기관(34)의 길이(L)는 공기 펌프에 의해 발생하며 직관(32)을 통과하는 소음의 주파수들 중 감소하고자 하는 주파수에 따라 결정되며 분기관(34)의 직경(d)은 직관(32)의 직경(D)과의 비율에 의해 정해지는 감쇠량들 중 최적 감쇠량을 얻을 수 있는 크기로 결정된다. 예를 들면, 직관(32)에 대한 분기관(34)의 길이(L)와 직경(d)은 공기 펌프에서 발생하는 300㎐, 600㎐, 750㎐, 또는 이들 각각의 3차 고주파나 5차 고조파에 의한 주기적인 소음 성분을 감쇠할 수 있는 크기로 선택된다.

전술한 구성에 의하면, 소음기(30)의 직관(32)을 통과하는 특정 주파수의 소음은 분기관(34)을 거쳐 되돌아나오는 또 다른 소음과 소멸 간섭하여 그 소음의 크기가 작아진다.

도 3은 도 1의 연료전지에 채용가능한 소음기의 또 다른 예시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지용 소음기(30)는 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 공기 펌프의 주기적인 소음과 직관(32)의 표면으로부터 방사되는 소음을 감소시키기 위하여 공기 펌프의 흡기구에 결합되는 직관(32)과, 이 직관(32)로부터 분기되며 말단부가 막힌 분기관(34), 및 직관(32)을 둘러싸는 외부관(36)을 포함하여 이루어진다.

외부관(36)은 직관(32)과의 사이에 소정 공간(35)을 두고 직관(32)을 둘러싸도록 설치된다. 외부관(36)은 직관(32)의 표면으로부터 방사되는 소음이 서로 다른 위상차에 의해 소멸 간섭되도록 소정 형상의 요철부, 돌기, 구멍을 구비한 방음벽 구조(37)로 구현될 수 있다. 물론 방음벽 구조(37)는 직관(32)의 일부분을 둘러싸거나 직관(32) 전체 및/또는 분기관(34)을 둘러싸도록 설치될 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 직관(32)을 통과하는 소음의 주파수들 중 감쇠하고자 하는 특정 주파수의 소음을 분기관(34)을 통해 감소시키면서 직관(32)을 통과하는 소음에 의해 발생하는 직관(32) 표면의 방사 소음을 감소시킬 수 있다.

도 4는 도 1의 연료전지에 채용가능한 소음기의 또 다른 예시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지용 소음기(30)는 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 공기 펌프의 주기적인 소음과 직관(32)의 표면으로부터 방사되는 소음을 감소시키기 위하여 공기 펌프의 흡기구에 결합되는 직관(32)과, 이 직관(32)로부터 분기되며 말단부가 막힌 분기관(34)과, 직관(32)을 둘러싸는 또 다른 외부관(38), 및 직관(32)과 외부관(38) 사이에 설치되는 방음수단(39)을 포함하여 이루어진다.

분기관(34)은 직관(32)의 중간부에서 분기되고 직관(32)의 연장 방향과 나란한 방향으로 연장된다. 분기관(34)은 직관(32)의 외표면을 둘러싸는 또 다른 외부관 형태로 설치되며, 그 말단부는 직관(32)의 외표면에 접하도록 구부려져 폐쇄된다.

또 다른 외부관(38)은 직관(32)으로부터 소정 간격을 두고 직관(32)의 일부분을 둘러싸도록 설치된다. 외부관(38)과 직관(32) 사이에 형성되는 내부 공간(39)은 직관(32)의 표면으로부터 방사되는 소음 전파를 차단하기 위하여 진공 상태로 구현될 수 있다. 내부 공간(39)의 진공도는 예컨대 760 Torr보다 작은 진공도를 갖 는다.

한편, 본 실시예에 따른 방음수단(39)은 직관(32)와 외부관(38) 사이의 내부 공간(39)에 설치되는 진공부 이외에 내부 공간(39)에 삽입되는 별도의 방음부재를 포함할 수 있다. 이 경우, 방음부재로는 다공질 재료, 탄성을 가진 유연재료, 유공판재료, 무기질 섬유질 재료 등이 사용될 수 있으며, 특히 연질우레탄 폼의 발포수지나 성형가공되는 암면이나 유리섬유가 사용될 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 분기관(34)이 직관(32)의 외표면에 접하도록 구부려지기 때문에 소음기(30)의 설치가 용이하며, 아울러 분기관(34)과 방음수단(39)을 이용하여 직관(32)을 통과하는 주기적인 소음과 직관(32)의 표면으로부터 방사되는 소음을 효과적으로 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

도 5는 도 1의 연료전지에 채용가능한 소음기의 또 다른 예시도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 소음기(30)는 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 공기 펌프에서 발생하는 주기적인 소음 중 감쇠하고자 원하는 복수의 주파수의 소음 성분을 감쇠시킬 수 있다. 이를 위하여, 본 실시예의 소음기(30)는 공기 펌프의 흡기구 측에 연결되는 직관(32)과, 이 직관(32)의 중간부에서 순차적으로 분기되는 복수의 분기관(34a, 34b, 34c)을 구비한다.

제1 분기관(34a)은 특정 주파수 예컨대 300㎐와 이 주파수에 의한 3차 고조파 및 5차 고주파 음역에 존재하는 소음 성분을 감쇠시킬 수 있는 길이(L1)를 구비한다. 제2 분기관(34b)은 특정 주파수 예컨대 600㎐와 이 주파수에 의한 3차 고조파 및 5차 고주파 음역에 존재하는 소음 성분을 감쇠시킬 수 있는 길이(L2)를 구비 한다. 제3 분기관(34c)은 특정 주파수 예컨대 750㎐와 이 주파수에 의한 3차 고조파 및 5차 고주파 음역에 존재하는 소음 성분을 감쇠시킬 수 있는 길이(L3)를 구비한다.

각 분기관(34a, 34b, 34c)에서 감쇠하고자 하는 주파수를 f라고 하면, 각 분기관(34a, 34b, 34c)의 길이는 아래의 식으로부터 구할 수 있다.

여기서, n=0,1,2,3, c는 음속, L은 각 분기관의 길이가 된다.

또한 제1, 제2 및 제3 분기관(34a, 34b, 34c)의 직경은 직관(32)의 직경보다 작으며 감쇠하고자 하는 각 주파수의 감쇠량에 대한 최적값을 얻을 수 있는 크기로 동일하게 또는 서로 다르게 설정될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 소음기(30)는 앞서 설명한 다른 실시예의 소음기들에 부착된 방음벽 구조의 외부관이나 직관과 외부관과의 사이에 설치되는 방음수단을 추가로 구비할 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 서로 다른 길이의 복수의 분기관(34a, 34b, 34c)을 이용하여 가청 주파수 대역 내에 존재하는 주요 소음 성분들을 효과적으로 감쇠시킬 수 있기 때문에, 연료전지 사용자가 피부로 느끼는 소음의 크기를 현저하게 감소시킬 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 공기 펌프에 의하여 발생하는 주기적인 소음과 이 주기적인 소음에 의해 연결 배관의 표면으로부터 방사하는 소음을 효과적으로 감쇠시킬 수 있다. 연료전지의 주요한 소음 원인 중의 하나인 공기 펌프의 소음을 감쇠시킴으로써 저소음 연료전지 제작에 기여할 수 있다.

Claims (13)

1. 공기를 공급하는 공기공급부;

   연료와 상기 공기의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 전기발생부; 및

   상기 공기공급부의 흡기구에 결합하며, 상기 공기가 통과하는 직관 및 상기 직관으로부터 분기하고 말단부가 막힌 분기관을 구비한 소음기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 직관과 임의 간격의 공간을 두고 상기 직관을 포위하는 외부관을 추가적으로 포함하는 연료전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 외부관은 방음벽 구조를 구비하는 연료전지.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 직관과 상기 외부관 사이의 공간은 760 Torr 미만의 진공도를 갖는 연료전지.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 직관과 상기 외부관 사이의 공간에 설치되는 방음부재를 추가적으로 포함하는 연료전지.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 분기관은 상기 직관의 연장 방향과 나란한 방향으로 연장되는 연료전지.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 분기관은 상기 직관으로부터 분기되며 서로 다른 길이를 갖는 복수개의 분기관을 포함하는 연료전지.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 복수개의 분기관은 300㎐, 600㎐ 및 750㎐의 주파수에 의한 주기적 소음 성분을 감소시키기 위한 길이로 각각 설치되는 연료전지.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 주파수를 f라고 하면,

   

   (여기서, n=0,1,2,3, c는 음속, L은 분기관의 길이임)이 성립하는 연료전지.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 공기공급부는 펌프를 포함하는 연료전지.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 펌프는 로터리 베인 펌프 또는 다이어프램 펌프인 연료전지.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 전기발생부로 상기 연료를 공급하는 연료개질부를 추가적으로 포함하는 연료전지.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 전기발생부는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질형 연료전지 스택 또는 직접 메탄올형 연료전지 스택을 포함하는 연료전지.

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