KR20130073710A

KR20130073710A - 연료 전지 시스템의 소음을 저감하기 위한 소음기

Info

Publication number: KR20130073710A
Application number: KR1020110141704A
Authority: KR
Inventors: 허진석; 이원호; 김영재; 최종록
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-07-03
Also published as: CN103178279B; CN103178279A; JP2013134992A; US8794377B2; EP2608303A1; US20130164643A1; EP2608303B1; JP6184689B2

Abstract

연료 전지 시스템에 장착되는 소음기는 연료 전지 시스템의 내부에 흐르는 공기의 소음을 연쇄적으로 저감하는 복수 개의 확장실들과 적어도 하나의 확장실로부터 유입된 공기의 소음을 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 저감하는 적어도 하나의 공명기를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템의 소음을 저감하기 위한 소음기 {Silencer for reducing acoustic noise of fuel cell system}

연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템의 소음을 저감하기 위한 소음기에 관한 것이다.

연료 전지(fuel cell)는 수소 등과 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 친환경적 대체 에너지 기술로서 태양 전지(solar cell) 등과 함께 각광을 받고 있다. 연료 전지의 전력 생산을 위해서는 연료 전지에 연료, 물, 공기 등이 공급되어야 한다. 이에 따라, 연료 전지 시스템의 내부에서는 이와 같은 물질들의 공급을 위한 여러 개의 기계적인 장치들이 구동되는데, 이와 같은 장치들의 구동에 의해 소음(acoustic noise)이 발생하게 된다. 연료 전지 시스템의 소음이 지나치게 큰 경우에 사용자 및 주변 사람들에게 불쾌감을 유발할 수 있기 때문에 연료 전지 시스템에서 발생되는 소음을 저감하기 위한 장치들이 개발되고 있다.

연료 전지 시스템의 내부 공간에 설치 가능한 소형의 체적 내에서 연료 전지 시스템에서 발생된 특정 주파수 대역의 소음을 저감할 수 있는 소음기를 제공하는 데 있다. 또한, 이와 같은 소음기가 장착된 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 본 명세서로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지 시스템에 장착되는 소음기는 상기 연료 전지 시스템의 소정 장치에 연결되어, 상기 소정 장치로부터 배출된 공기의 소음을 연쇄적으로 저감하는 복수 개의 확장실들, 및 상기 확장실들 중 적어도 하나의 확장실에 연결되어, 상기 적어도 하나의 확장실로부터 유입된 공기의 소음을 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 저감하는 적어도 하나의 공명기를 포함하고, 상기 확장실들 중 어느 하나는 상기 소정 장치로부터의 공기가 유입되는 입구관을 구비하고, 상기 확장실들 중 다른 하나는 상기 확장실들로 유입된 공기가 배출되는 출구관을 구비하고, 상기 확장실들 사이에는 중간관이 삽입되어 있다.

상기 확장실들과 상기 적어도 하나의 공명기의 공동은 상기 소음기의 내부 공간이 복수 개의 격벽들에 의해 분할됨으로써 형성된 공간들일 수 있다. 상기 적어도 하나의 공명기의 제 1 공명기의 공동은 상기 확장실 중 적어도 하나의 확장실과 상기 격벽들 중 일부를 공유하고, 제 2 공명기의 공동은 상기 적어도 하나의 확장실의 개수보다 많은 개수의 다른 확장실들과 상기 격벽들 중 일부를 공유할 수 있다. 상기 격벽들의 개수는 상기 확장실들의 개수와 상기 적어도 하나의 공명기의 공동의 개수의 합에 비례할 수 있다. 또한, 상기 공동의 체적은 상기 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 반비례할 수 있다.

상기 확장실들 중 제 1 확장실과 제 2 확장실 사이의 제 1 격벽에 삽입된 제 1 중간관의 출구 단이 상기 제 2 확장실과 제 3 확장실 사이의 제 2 격벽에 삽입된 제 2 중간관의 입구 단보다 상기 제 2 격벽에 가깝게 위치함으로써 상기 제 1 중간관의 출구로부터 상기 제 2 확장실의 내부로 배출된 공기는 역류하는 형태로 상기 제 2 중간관의 입구로 유입될 수 있다.

상기 적어도 하나의 공명기의 각 공명기의 목(neck)은 상기 각 공명기에 연결된 확장실의 내부에 돌출되어 있어, 상기 각 공명기에 연결된 확장실의 내부 공기가 상기 각 공명기의 목의 구멍으로 유입되고, 상기 유입된 공기는 상기 각 공명기의 목의 구멍으로부터 상기 각 공명기에 연결된 확장실의 내부로 배출될 수 있다. 상기 각 공명기의 목의 길이는 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 반비례하고, 상기 각 공명기의 목의 단면적의 크기는 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 비례할 수 있다.

상기 소정 장치는 상기 연료 전지 시스템의 연료 전지에 공기를 공급하는 공기 펌프이고, 상기 출구관은 상기 연료 전지 시스템의 연료 전지의 캐소드 측의 입구에 연결되어, 상기 출구관으로부터 배출된 공기는 상기 연료 전지의 캐소드 측의 입구에 유입될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 시스템은 연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지, 상기 연료 전지에 적어도 연료와 공기를 공급하는 BOP(Balance of Plants), 및 상기 BOP의 공기 펌프와 상기 연료 전지의 캐소드 측의 입구 사이에 삽입되어, 상기 공기 펌프로부터 배출된 공기의 소음을 저감하는 소음기를 포함한다.

상기 소음기는 상기 공기 펌프로부터 배출된 공기의 소음을 연쇄적으로 저감하는 복수 개의 확장실들을 포함할 수 있다. 상기 소음기는 상기 확장실들 중 적어도 하나의 확장실에 연결되어, 상기 적어도 하나의 확장실로부터 유입된 공기의 소음을 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 저감하는 적어도 하나의 공명기를 더 포함할 수 있다.

상기 공기 펌프와 상기 공기 펌프의 홀더 사이에는 제 1 고무 패킹이 삽입되어 있고, 상기 홀더와 상기 연료 전지 시스템의 내부 프레임 사이에는 제 2 고무 패킹이 삽입될 수 있다. 상기 제 1 고무 패킹의 경도(hardness)는 상기 제 2 고무 패킹의 경도보다 클 수 있다.

연료 전지 시스템에 장착되는 소음기는 복수 개의 확장실들과 적어도 하나의 공명기를 포함함으로써 연료 전지 시스템에서 발생되는 특정 주파수 대역의 소음을 특정 음압 레벨 이하로 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음기(100)의 외부 형상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소음기(100)의 내부 형상을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음기(100)의 내부에서의 공기의 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소음기(100)의 내부 형상을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소음기(100)의 내부 형상을 도시한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 소음기(100)의 케이스의 일례를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 소음기(100)의 케이스의 장착 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 소음기(100)의 적용 전과 적용 후의 소음 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1에 도시된 공기 펌프(41)의 장착 방식을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 연료 전지 시스템은 일반적으로 전력을 생산하는 연료 전지, 연료 전지에 연료, 물, 공기 등을 공급하기 위한 연료 전지의 주변 기기들(peripheral devices)인 BOP(Balance Of Plants), 및 연료 전지로부터 출력된 전력을 변환하여 부하에 공급하는 컨버터(converter) 등으로 구성된다. 본 발명의 실시예들의 특징은 연료 전지 시스템 내부에 흐르는 공기의 소음을 저감시키기 위한 소음기에 관련되어 있기 때문에 이하의 실시예들의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 연료 전지를 구성하는 스택(stack), BOP, 컨버터 등에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다. 일반적으로, 연료 전지는 부하에서 요구하는 전력에 대응하여 복수 개의 셀들이 직렬 또는 병렬로 조합된 스택(stack) 형태로 설계된다. 이하에서는 하나의 셀 및 복수 개의 셀들이 결합된 스택 모두를 포괄하여, 간단히 연료 전지라고 호칭하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지(10), 연료 저장소(fuel storage)(20), 제어기(30), 공기 펌프(air pump)(41), 회수 펌프(water recovery pump)(42), 순환 펌프(recycle pump)(43), 공급 펌프(feed pump)(44), 제 1 분리기(first separator)(51), 제 2 분리기(second separator)(52), 제 1 열교환기(heat exchanger)(61), 제 2 열교환기(62), 밸브 모듈(valve module)(70), 혼합기(mixer)(80), 센서(sensor)(90), 및 소음기(100)로 구성된다. 일반적으로, 연료 전지(10)에 연료, 물, 공기 등을 공급하기 위한 구성 요소들, 즉 연료 전지(10) 이외에 상기된 바와 같은 구성 요소들을 BOP라고 부른다. 도 1에 도시된 바와 같이, BOP의 구성 요소들간에는 이것들을 연결하는 여러 배관(pipe)들이 장착되어 있다. 또한, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에는 도 1에 도시된 구성 요소들 이외에 다른 장치들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에는 연료 전지(10)의 온도를 검출하기 위해 연료 전지(10)에 서미스터(thermistor)가 장착될 수도 있고, 센서(90) 등에 연결된 배관에 이 배관에 흐르는 연료의 불순물을 제거하기 위한 필터(filter) 등이 장착될 수도 있고, 제 1 열교환기(61)와 제 2 교환기(62)의 냉각을 위해 제 1 열교환기(61)와 제 2 교환기(62)에 팬(fan) 등이 장착될 수도 있다.

연료 전지(10)는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 화학적 반응 (electrochemical reaction)을 이용하여 직접 전기 에너지로 변환함으로써 DC(Direct Current) 전력을 생산하는 발전 장치이다. 이와 같은 연료 전지의 예로는 고체 산화물 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등을 들 수 있다. 특히, 도 1에 도시된 실시예는 직접 메탄올 연료 전지를 운전하기 위한 BOP가 적용된 연료 전지 시스템이다. 다만, 이하에서 기술될 공기 펌프(41)의 소음을 저감하기 위한 기술적 수단은 다른 종류의 연료 전지에도 적용될 수 있다.

한편, 직접 메탄올 연료 전지는 메탄올을 수소 농도가 높아지도록 개질하는 간접 메탄올 연료 전지(indirect methanol fuel cell)와는 달리, 메탄올을 개질하는 과정 없이 연료 전지(10)의 애노드(anode)에서 메탄올과 물이 직접 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 이와 같이, 직접 메탄올 연료 전지는 메탄올을 개질하는 과정이 필요 없기 때문에 소형화가 가능하며, 주로 휴대용 연료 전지 시스템에 적용되고 있다.

직접 메탄올 연료 전지의 애노드에서는 CH₃OH + H₂O -> 6H+ + 6e- + CO₂의 반응(reaction)이 일어나고, 캐소드(cathode)에서는 3/2O₂ + 6H+ + 6e- -> 3H₂O의 반응이 일어난다. 양자(H+)는 연료 전지 내부의 양자 교환 막(proton exchange membrane)을 통하여 전송되고, 전자(e-)는 애노드로부터 캐소드로 외부 회로를 통하여 전송된다. 이와 같은 과정에 의해 전력이 생산된다. 특히, 직접 메탄올 연료 전지에는 연료 전지(10)에서의 반응이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 촉매(catalyst)가 존재한다. 일반적으로, 촉매는 백금으로 제조되며, 상기된 반응 과정에서의 온도가 너무 높을 경우에 열화될 수 있다. 이에 따라, 순수한 메탄올은 연료 전지(10)에 공급되지 않으며, 적당량의 물로 희석된 메탄올, 즉 적정 농도의 메탄올 수용액이 연료 전지(10)에 공급되어야 한다. 이하에서는 연료 전지(10)의 애노드 측 입구로 공급되는 메탄올 수용액을 간단히 연료로 호칭하기로 한다.

이와 같이, 연료 전지(10)의 열화를 방지하면서, 연료 전지(10)에서의 반응이 원활하게 이루어지도록 하기 위해서는 연료 전지(10)에 적정량의 메탄올, 물, 공기가 공급되어야 한다. 제어기(30)는 센서(90)에 의해 검출된 연료의 농도, 온도 등에 기초하여 연료 전지(10)에 공급되는 연료, 물, 공기의 양을 조절하기 위해 공기 펌프(41), 공급 펌프(44), 순환 펌프(43), 및 회수 펌프(42)를 제어한다. 연료 전지(10)는 혼합기(80)로부터 연료 전지(10)의 애노드 측의 입구로 공급된 적정 농도의 연료를 이용하여 전력을 생산한다. 연료 전지(10)의 전력 생산 과정에서, 연료 전지(10)의 애노드 측의 출구로부터 상기된 반응 과정의 부산물인 이산화탄소, 미 반응된 연료 등이 배출되고, 연료 전지(10)의 캐소드 측의 출구로부터 상기된 반응 과정의 부산물인 물 등이 배출된다.

제 1 분리기(51)는 연료 전지(10)의 애노드 측의 출구로부터 배출된 부산물과 미반응 연료 등으로부터 메탄올과 물을 분리해 냄으로써 메탄올과 물을 회수한다. 연료 전지(10)의 캐소드 측의 출구로부터 배출된 부산물은 연료 전지(10)에서의 반응열 등으로 인한 고온의 유체로서 증기 형태의 수분을 포함하고 있다. 이것은 제 1 열교환기(61)를 통과하면서 제 1 열교환기(61)의 열 교환 과정(heat exchange process)에 의해 냉각되며, 이 과정에서 일부의 물이 회수된다. 제 2 분리기(52)는 이와 같이 냉각된 부산물로부터 물을 분리해 냄으로써 물을 회수하고, 이와 같은 회수 과정 이후의 나머지 부산물인 이산화탄소 등을 외부로 배출한다. 제 1 분리기(51)와 제 2 분리기(52)는 원심 분리 등을 이용하여 연료 전지(10)로부터 배출된 부산물과 미반응 연료 등으로부터 메탄올과 물을 분리할 수 있다. 회수 펌프(42)는 제 2 분리기(52)에 의해 회수된 물을 흡입하여 제 1 분리기(51)에 배출한다. 이에 따라, 제 1 분리기(51)로부터 제 1 분리기(51)에 의해 회수된 메탄올과 제 1 분리기(51) 및 제 2 분리기(52)에 의해 회수된 물이 섞인 저농도의 연료가 배출되게 된다.

연료 저장소(20)는 연료가 저장되는 용기로서 원통형, 박스형 등 여러 가지 모양의 용기로 제조될 수 있다. 연료 저장소(20)는 연료가 리필(refill)될 수 형태로 제조될 수 있다. 또한, 연료 저장소(20)는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에 탈부착이 가능한 형태로 제조될 수 있으며, 일반적으로 카트리지(cartridge)로 호칭된다. 연료 저장소(20)에는 고농도의 연료, 예를 들어 100%의 메탄올이 저장된다.

밸브 모듈(70)은 연료 순환 라인(101)과 연료 공급 라인(102)이 연결되는 지점에 삽입되어, 연료 순환 라인(101)을 통해 연료 전지(10)로부터 연료 전지(10)로 순환되는 저농도 연료의 흐름과 연료 공급 라인(102)을 통해 연료 저장소(20)로부터 연료 전지(10)로 공급되는 고농도 연료의 흐름을 제어한다. 여기에서, 연료 순환 라인(101)은 연료 전지(10)로부터 배출된 미반응 연료가 다시 연료 전지(10)로 흘러 들어가는 경로에 있는 배관들을 나타내고, 연료 공급 라인(102)은 연료 저장소(20)로부터 연료 전지(10)로 새로이 공급되는 연료가 흐르는 경로에 있는 배관들을 나타낸다.

순환 펌프(43)는 밸브 모듈(70)의 연료 흐름 제어에 따라 밸브 모듈(70)로부터 연료 순환 라인(101)을 통해 수송된 저농도 연료와 연료 공급 라인(102)을 통해 수송된 고농도 연료 중 적어도 하나를 흡입하여 제 2 열교환기(62)를 통하여 혼합기(80)로 배출한다. 순환 펌프(43)로부터 배출된 연료는 제 2 열교환기(62)를 통과하면서 제 2 열교환기(62)의 열 교환 동작에 의해 연료의 온도가 조정된다. 혼합기(80)는 순환 펌프(43)로부터 배출된 저농도 연료와 고농도 연료를 혼합하고, 이와 같은 혼합 과정을 거쳐 생성된 적정 농도의 연료를 연료 전지(10)에 공급한다.

제 1 열교환기(61)는 연료 전지(10)로부터 배출되는 물이 흐르는 배관 라인의 특정 지점, 예를 들어 연료 전지(10)의 캐소드 측의 출구에 위치하여, 연료 전지(10)의 캐소드로부터 배출된 물의 온도를 제어한다. 제 2 열교환기(62)는 연료 전지(10)로 공급되는 연료가 흐르는 배관 라인의 특정 지점, 예를 들어 순환 펌프(43)와 혼합기 사이에 위치하여, 연료 전지(10)의 애노드 측의 입구로 공급되는 연료의 온도를 제어한다. 제 1 열교환기(61)와 제 2 교환기(62)는 연료 전지 시스템의 배관 내부에 흐르는 유체와 배관 외부의 매체간의 열 교환이 원활하게 이루어질 수 있는 형태의 금속관, 탱크 등으로 구현될 수 있다.

연료 전지(10)에서의 전력 생산을 위해, 연료 전지 시스템 내부에서는 상기된 펌프들, 분리기들 등과 같은 여러 개의 기계적인 장치들이 구동되는데, 이와 같은 장치들의 구동에 의해 소음(acoustic noise)이 발생하게 된다. 연료 전지 시스템의 소음이 지나치게 큰 경우, 사용자 및 주변 사람들에게 불쾌감을 유발할 수 있기 때문에 연료 전지 시스템의 큰 소음은 저감될 필요가 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 소음이 크지 않은 경우라도, 연료 전지 시스템의 사용 환경에 따라 특정 주파수 대역의 소음이 저감되어야 할 경우가 있다. 예를 들어, 군용 장치는 이것의 소음에 의해 적들에게 노출되는 것을 방지하기 위해 군용 장치로부터 10 m 떨어진 지점에서 50 Hz ~ 10 kHz의 주파수 대역에서 1/3 옥타브 밴드(octave band) 단위의 특정 음압 레벨(sound pressure level) 이하의 소음만을 허용하는 조건을 군용 규격으로 정하고 있다.

한편, 공기 펌프(41)는 외부로부터 공기가 유입되는 입구와 공기가 배출되는 출구가 형성되어 있는 펌프실(pump chamber), 제어기(30)로부터 출력된 제어 신호에 따라 회전하는 모터, 모터의 회전 운동에 따라 펌프실의 공간을 수축시키고 확장시키는 동작을 반복하는 다이어프램(diaphragm) 등으로 구성될 수 있다. 이와 같은 펌프실의 공간 수축 및 확장의 반복에 따른 변동 압력에 의해, 공기 펌프(41)는 외부로부터 공기를 흡입하여 연료 전지(10)의 캐소드 측 입구에 공기를 공급할 수 있다. 공기 펌프(41)의 소음은 공기 펌프(41)의 자체 진동에 의해 발생되는 소음과 공기 펌프(41) 내부의 공기가 어떤 속도로 움직이면서 펌프실 내벽 등과 같은 물체와 충돌하여 발생되는 소음으로 분류될 수 있다.

예를 들어, 공기 펌프(41)의 모터의 회전 주파수가 80 Hz이고, 모터의 1 회전이 다이어프램을 4회 진동시킬 때에 다이어프램의 진동 주파수는 320 Hz가 된다. 이와 같이, 공기 펌프(41)의 다이어프램이 320 Hz로 진동할 때에 이 진동은 공기 펌프(41)의 자체 진동과 공기 펌프(41) 내부의 공기 충돌을 유발하게 되고, 그 결과 500 Hz ~ 2 kHz의 주파수 대역에서 소음이 발생될 수 있다. 한편, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템은 직접 메탄올 연료 전지를 채용한 휴대용 연료 전지 시스템이기 때문에 그 내부 공간이 협소하다. 이하에서는 연료 전지 시스템의 내부 공간에 설치 가능한 소형의 체적을 갖는 소음기로서, 이와 같은 소형의 체적 내에서 연료 전지 시스템의 공기 펌프(41)에서 발생된 특정 주파수 대역의 소음을 저감할 수 있는 소음기를 설명하기로 한다. 다만, 이하에서 설명될 소음기는 공기 펌프(41)에서 발생된 소음 외에도 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 다른 장치에서 발생된 소음을 저감하기 위해 사용될 수도 있음을 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음기(100)의 외부 형상을 도시한 도면이다. 도 2의 (a)는 소음기(100)의 외부 형상의 정면도이고, 도 2의 (b)는 소음기(100)의 외부 형상의 좌측면도이고, 도 2의 (c)는 소음기(100)의 외부 형상의 우측면도이고, 도 2의 (d)는 외부 형상의 소음기(100)의 사시도이다. 도 2에 도시된 소음기(100)는 박스 형태로 구현되어 있으나, 소음기(100)는 원통 형태 등과 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템이 박스 형태로 구현되고, 연료 전지 시스템 내부의 다른 주변 기기들도 박스 형태로 구현된다면, 연료 전지 시스템의 내부 공간의 활용도를 높이기 위하여 소음기(100)도 박스 형태로 구현되는 것이 바람직할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소음기(100)의 내부 형상을 도시한 도면이다. 도 3의 (a)는 소음기(100)의 내부 형상의 정면도이고, 도 3의 (b)는 소음기(100)의 내부 형상의 사시도이다. 도 3을 참조하면, 소음기(100)는 3 개의 확장실들(111, 112, 113)과 2 개의 공명기들(211, 212)로 구성된다. 상기된 확장실들(111, 112, 113) 중 제 1 확장실(111)은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에서 공기를 배출하는 어떤 장치, 예를 들어 공기 펌프(41)에 연결되어, 공기 펌프(41)로부터의 공기가 유입되는 입구관(1110)을 구비한다. 또한, 제 3 확장실(113)은 상기된 확장실들(111, 112, 113)로 유입된 공기가 배출되는 출구관(1130)을 구비한다. 출구관(1130)은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에서 공기를 흡입하는 어떤 장치, 예를 들어 연료 전지(10)의 캐소드 측의 입구에 연결되어, 출구관(1130)으로부터 배출된 공기는 연료 전지(10)의 캐소드 측의 입구에 유입된다. 또한, 상기된 확장실들(111, 112, 113) 사이에는 이 확장실들(111, 112, 113)을 연결하는 중간관들(1112, 1123)이 삽입되어 있다.

일반적으로, 확장형 소음기는 입구관의 단면적과 확장실의 단면적의 차이에 의해 확장형 소음기에 입사한 음파의 일부는 반사되고, 나머지는 확장실로 진행하고, 이어서 확장실의 단면적과 출구관의 단면적의 차이에 의해 확장실로 진행된 음파의 일부는 반사되고, 나머지는 출구관으로 진행하는 구조를 갖는다. 이와 같이, 확장형 소음기에 입사한 음파의 일부가 반사됨으로써 확장형 소음기에 의해 소음이 저감되게 된다. 확장형 소음기의 입구관과 출구관의 단면적이 A1이고, 확장실의 단면적이 A2이고, 확장실의 길이가 L이라고 할 때, 확장형 소음기의 투과 손실(transmission loss)은 다음 수학식 1로부터 계산될 수 있다. 수학식 1에서, f는 확장형 소음기에 의해 저감하고자 하는 소음의 목표 주파수이고, c는 음속이다.

수학식 1에 기재된 바와 같이, 확장형 소음기의 투과 손실은 확장형 소음기의 입구관과 출구관의 단면적과 확장실의 단면적의 비(ratio)가 크고, KL = nπ/2 (n = 1, 3, 5, ...) 일 때, 즉 L = nc/4f (n = 1, 3, 5, ...) 일 때에 최대가 된다. 도 3에 도시된 소음기(100)는 연료 전지 시스템의 내부의 전체 공간 중 소음기(100) 이외의 다른 장치들이 차지하는 공간의 잔여 공간에 설치되어야 한다. 이와 같이, 도 3에 도시된 소음기(100)의 총 체적은 이 잔여 공간의 체적 이하의 체적을 가져야 하기 때문에 확장형 소음기의 입구관과 출구관의 단면적과 확장실의 단면적의 비를 크게 하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 도 3에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)는 이와 같은 공간의 한계를 극복하면서 투과 손실을 높이기 위하여, 공기 펌프(41)로부터 배출된 공기의 소음을 연쇄적으로 저감하는 복수 개의 확장실들(111, 112, 113)을 포함한다. 이와 같은 복수 개의 확장실들(111, 112, 113)은 확장형 소음기의 입구관과 출구관의 단면적과 확장실의 단면적의 차이로 인한 음 반사를 연쇄적으로 여러 차례 발생하도록 함으로써 협소한 공간 내에서 높은 투과 손실이 나타나도록 할 수 있다.

이와 같이, 복수 개의 확장실들을 채용할 경우에 각 확장실의 길이가 감소하게 된다. 이에 따라, 각 확장실에서의 투과 손실이 높은 주파수 대역, 즉 각 확장실에 의해 소음이 저감되는 주파수 대역은 증가하게 된다. 예를 들어, 공기 펌프(41)에 의해 500 Hz ~ 2 kHz의 주파수 대역에서 소음이 발생되는 경우, 확장실들(111, 112, 113)은 1.5 kHz 이후의 주파수 대역의 소음에 대해서는 소음 저감 성능이 뛰어나나, 500 Hz ~ 1.5 kHz의 주파수 대역의 소음에 대해서는 소음 저감 성능이 떨어질 수 있다. 이에 따라, 도 3에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)는 500 Hz ~ 2 kHz의 주파수 대역에서 1/3 옥타브 밴드 단위의 특정 음압 레벨 이하의 소음 조건을 충족시키기 위하여, 제 1 확장실(111)에 연결된 제 1 공명기(211)와 제 3 확장실(113)에 연결된 제 2 공명기(212)를 포함한다. 제 1 공명기(211)는 제 1 확장실(111)로 유입된 공기의 소음을 확장실들(111, 112, 113)에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 저감한다. 제 2 공명기(212)는 제 3 확장실(112)로 유입된 공기의 소음을 확장실들(111, 112, 113)에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 저감한다.

확장실들(111, 112, 113)을 통과한 공기의 소음을 측정하고, 이와 같이 측정된 소음에 대해 1/3 옥타브 밴드 단위로 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)을 수행하면, 1/3 옥타브 밴드 단위의 주파수 별로 음압 레벨이 검출될 수 있다. 소음기(100)의 설계자는 이와 같이 검출된 결과를 참조하여, 소음기(100)가 목표로 하는 소음 조건, 예를 들어, 50 Hz ~ 10 kHz의 주파수 대역에서 1/3 옥타브 밴드 단위의 특정 음압 레벨 이하의 소음만을 허용하는 조건을 위반하는 음압 레벨을 갖는 주파수들을 확인한다. 이어서, 소음기(100)의 설계자는 상기된 소음 조건을 위반하는 음압 레벨을 갖는 주파수들을 참조하여, 확장실들(111, 112, 113)을 통과한 공기의 소음에 대해서 다시 저감되어야 하는 목표 주파수들을 결정할 수 있다.

아니면, 상기된 수학식 1 등을 이용하여 확장실들(111, 112, 113)을 모델링(modeling)하고, 확장실들(111, 112, 113)의 모델로부터 확장실들(111, 112, 113)을 통과한 공기의 1/3 옥타브 밴드 단위의 주파수 별로 음압 레벨을 예측할 수도 있다. 소음기(100)의 설계자는 이와 같이 예측된 결과를 참조하여, 상기된 바와 같이 확장실들(111, 112, 113)을 통과한 공기의 소음에 대해서 다시 저감되어야 하는 목표 주파수들을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 상기된 소음 조건을 위반하는 음압 레벨을 갖는 주파수들이 1 kHz를 중심으로 하는 주파수 대역과 2 kHz를 중심으로 하는 주파수 대역의 두 개의 주파수 대역들로 분류된다고 한다면, 제 1 공명기(211)와 제 2 공명기(212)에 의해 저감되는 주파수 대역의 중심 주파수는 1 kHz와 2 kHz로 선정될 수 있다.

일반적으로, 공명기는 이것에 유입된 공기가 스프링으로서 작동(act)함으로써 공명 주파수의 음파를 발생시키는 구조를 갖는다. 공명기에 의해 반사된 역상(reverse phase)의 음파는 이 반사파와 동일한 공명 주파수의 음파를 소멸(cancel out)시킨다. 이와 같은 공명기의 대표적인 예로는 헬름홀쯔 공명기(Helmholtz Resonator)를 들 수 있다. 헬름홀쯔 공명기의 공동(cavity)의 체적이 V이고, 공명기의 목(neck)의 길이가 L이고, 공명기의 목의 단면적이 A이라고 할 때, 헬름홀쯔 공명기의 공명 주파수는 다음 수학식 2로부터 계산될 수 있다. 수학식 2에서, c는 음속이다.

수학식 2에 기재된 바와 같이, 헬름홀쯔 공명기의 공명 주파수는 공명기의 공동(cavity)의 체적, 공명기의 목의 길이와 목의 단면적에 의해 결정되며, 공명기의 형상은 공명 주파수에 영향을 주지 않는다. 도 3에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)의 공명기들은 헬름홀쯔 공명기들로서 제 1 공명기(211)는 제 1 확장실(111)의 내부에 돌출되어 있는 목(2111)과 공동(2112)으로 구성되고, 제 2 공명기(212)는 제 3 확장실(113)의 내부에 돌출되어 있는 목(2121)과 공동(2122)으로 구성된다.

이와 같이, 제 1 공명기(211)의 목(2111)은 제 1 확장실(111)의 내부에 돌출되어 있어, 제 1 공명기(211)에 연결된 제 1 확장실(111)의 내부 공기가 제 1 공명기(211)의 목(2111)의 구멍으로 유입되고, 이와 같이 유입된 공기는 제 1 공명기(211)의 목(2111)의 구멍으로부터 제 1 공명기(211)에 연결된 제 1 확장실(111)의 내부로 배출되게 된다. 마찬가지로, 제 2 공명기(212)의 목(2121)은 제 3 확장실(113)의 내부에 돌출되어 있어, 제 2 공명기(212)에 연결된 제 3 확장실(113)의 내부 공기가 제 2 공명기(212)의 목(2121)의 구멍으로 유입되고, 이와 같이 유입된 공기는 제 2 공명기(212)의 목(2121)의 구멍으로부터 제 2 공명기(212)에 연결된 제 3 확장실(113)의 내부로 배출되게 된다.

수학식 2에 기재된 바와 같이, 제 1 공명기(211)의 목(2111)의 길이와 공동(2112)의 체적은 제 1 공명기(211)가 저감하고자 하는 주파수 대역의 중심 주파수, 즉 확장실들(111, 112, 113)에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 반비례하고, 제 1 공명기(211)의 목(2111)의 단면적의 크기는 제 1 공명기(211)가 저감하고자 하는 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 비례한다. 마찬가지로, 제 2 공명기(212)의 목(2121)의 길이와 공동(2122)의 체적은 제 2 공명기(212)가 저감하고자 하는 주파수 대역의 중심 주파수, 즉 확장실들(111, 112, 113)에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 반비례하고, 제 2 공명기(212)의 목(2121)의 단면적의 크기는 제 2 공명기(212)가 저감하고자 하는 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 비례한다.

따라서, 소음기(100)의 설계자는 제 1 공명기(211)의 목(2111)의 길이와 단면적, 공동(2112)의 체적을 조정함으로써 설계자가 선정한 주파수, 예를 들어 2 kHz의 공명 주파수를 갖는 공명기를 구현할 수 있다. 마찬가지로, 소음기(100)의 설계자는 제 2 공명기(212)의 목(2121)의 길이와 단면적, 공동(2122)의 체적을 조정함으로써 설계자가 선정한 주파수, 예를 들어 1 kHz의 공명 주파수를 갖는 공명기를 구현할 수 있다. 예를 들어, 제 1 공명기(211)의 목의 길이가 6 mm, 목의 내경이 2 mm, 공동의 체적이 411 mm³이라고 하면, 제 1 공명기(211)는 1931 Hz의 공명 주파수를 갖는다. 또한, 제 2 공명기(212)의 목의 길이가 10 mm, 목의 내경이 2 mm, 공동의 체적이 912 mm³이라고 하면, 제 2 공명기(212)는 1004 Hz의 공명 주파수를 갖는다.

상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 연료 전지 시스템은 휴대 용도의 소형 연료 전지 시스템으로서 도 3에 도시된 소음기(100)는 연료 전지 시스템의 다른 장치들이 차지하고 남은 공간에 설치되어야 하기 때문에, 일반적인 연료 전지 시스템에 장착되는 소음기에 비해 매우 작다. 한편, 상기된 확장실들(111, 112, 113)은 그 내부 체적이 클수록 투과 손실이 높아진다. 즉, 도 3에 도시된 소음기(100)에 허락된 공간 내에서 최대한 확장실들(111, 112, 113)의 체적을 키우기 위하여, 확장실(111, 112, 113)과 공명기들(211, 212)의 공동들(2112, 2122)은 소음기(100)의 내부 공간 내에 유휴 공간이 없도록 형성되어야 한다. 도 3을 참조하면, 소음기(100)의 내부 공간이 복수 개의 격벽들에 의해 분할됨으로써 확장실(111, 112, 113)과 공명기들(211, 212)의 공동들(2112, 2122)이 형성된다.

이와 같이, 확장실(111, 112, 113)과 공명기들(211, 212)의 공동들(2112, 2122)은 소음기(100)의 내부 공간이 복수 개의 격벽들에 의해 분할됨으로써 형성된 공간들이기 때문에 확장실(111, 112, 113)과 공동들(2112, 2122)은 격벽들을 공유하게 되고, 그 결과 소음기(100)의 내부 공간 내에 유휴 공간이 없게 된다. 여기에서, 격벽들의 개수는 확장실(111, 112, 113)의 개수와 공명기들(211, 212)의 공동들(2112, 2122)의 개수의 합에 비례한다. 즉, 확장실들(111, 112, 113)의 개수와 공명기들(211, 212)의 공동들(2112, 2122)의 개수가 늘어날수록, 격벽들의 개수도 늘어가게 된다. 도 3에 도시된 소음기(100)에서는 3 개의 확장실들(111, 112, 113)과 2 개의 공동들(2112, 2122)을 형성하기 위하여 6 개의 격벽들이 사용되었다.

상술한 바와 같이, 제 2 공명기(212)의 목표 공명 주파수는 제 1 공명기(211)의 목표 공명 주파수의 절반 정도에 해당한다. 공명기의 목의 길이와 단면적의 조정에 의해 이 공명기의 공명 주파수가 조정될 수도 있으나, 소음기(100)의 설계자가 원하는 공명 주파수에 맞추는 것에는 한계가 있다. 이것은 제 2 공명기(212)의 공동(2122)의 체적이 제 1 공명기(211)의 체적의 거의 두 배가 될 때에 상기된 목표 공명 주파수들을 갖는 제 1 공명기(211)와 제 2 공명기(212)가 용이하게 구현될 수 있음을 의미한다. 도 3을 참조하면, 제 1 공명기(211)의 공동(2112)은 하나의 확장실(111)과 하나의 격벽을 공유하고, 제 2 공명기(212)의 공동(2122)은 두 개의 확장실들(112, 113)과 두 개의 격벽들을 공유한다. 이와 같이, 3 개의 확장실들(111, 112, 113)의 형태와 체적이 거의 동일하다고 할 때에 제 1 공명기(211)의 공동(2112)은 하나의 확장실(111)과 하나의 격벽을 공유하고, 제 2 공명기(212)의 공동(2122)은 보다 많은 두 개의 확장실들(112, 113)과 두 개의 격벽들을 공유함으로써 제 2 공명기(212)의 공동(2122)의 체적이 제 1 공명기(211)의 체적의 거의 두 배가 될 수 있게 된다.

도 3을 참조하면, 제 1 확장실(111)과 제 2 확장실(112) 사이의 격벽에 삽입된 제 1 중간관(1112)의 입구는 제 1 확장실(111)의 내부에 위치하고, 제 1 중간관(1112)의 출구는 제 2 확장실(112)의 내부에 위치한다. 제 2 확장실(112)과 제 3 확장실(113) 사이의 격벽에 삽입된 제 2 중간관(1123)의 입구는 제 2 확장실(112)의 내부에 위치하고, 제 2 중간관(1123)의 출구는 제 3 확장실(113)의 내부에 위치한다. 따라서, 제 2 확장실(112)의 내부에는 제 1 중간관(1112)의 출구와 제 2 중간관(1123)의 입구가 위치해 있다. 도 3에 도시된 실시예에서는 제 2 확장실(112)의 내부에 흐르는 공기의 소음을 보다 저감시키기 위하여, 소음기(100)의 설계자는 제 1 중간관(1112)의 출구 단이 제 2 중간관(1123)의 입구 단보다 제 2 확장실(112)과 제 3 확장실(113) 사이의 격벽에 가깝게 위치하도록 제 1 중간관(1112)의 길이와 제 2 중간관(1123)의 길이를 조정할 수 있다.

이와 같이, 제 1 중간관(1112)의 출구 단이 제 2 중간관(1123)의 입구 단보다 제 2 확장실(112)과 제 3 확장실(113) 사이의 격벽에 가깝게 위치함으로써 제 1 중간관(1112)의 출구로부터 제 2 확장실(112)의 내부로 배출된 공기는 역류하는 형태로 제 2 중간관(1123)의 입구로 유입되게 된다. 제 1 중간관(1112)의 출구로부터 제 2 확장실(112)의 내부로 배출된 공기는 순 방향으로 이동하다가 제 2 확장실(112)과 제 3 확장실(113) 사이의 격벽에 반사되어 역 방향으로 이동한다. 이어서, 이와 같이 역 방향으로 이동하는 공기는 제 1 확장실(111)과 제 2 확장실(112) 사이의 격벽에 반사되어 다시 순 방향으로 이동한다. 제 1 중간관(1112)의 길이와 제 2 중간관(1123)의 길이의 조정에 의해 제 2 확장실(112)의 내부에서 순 방향의 공기와 역 방향의 공기가 서로 역상 내지 역상에 가까운 위상을 갖도록 한다면, 순 방향의 공기의 음압과 역 방향의 공기의 음압은 서로 상쇄되어 저감되게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음기(100)의 내부에서의 공기의 흐름을 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 입구관(1110)을 통하여 제 1 확장실(111)의 내부로 공기가 유입되고, 제 1 확장실(111)의 내부의 공기는 제 1 공명기(211)의 목(2111)의 구멍으로 유입되고, 이와 같이 유입된 공기는 제 1 공명기(211)의 목(2111)의 구멍으로부터 다시 제 1 확장실(111)의 내부로 배출된다. 제 1 확장실(111)의 내부의 공기는 제 1 중간관(1112)을 통하여 제 2 확장실(112)의 내부로 유입되고, 이와 같이 유입된 공기는 순 방향으로 이동하다가 제 2 확장실(112)과 제 3 확장실(113) 사이의 격벽에 반사되어 역 방향으로 이동한다. 이와 같이 역 방향으로 이동하는 공기는 제 1 확장실(111)과 제 2 확장실(112) 사이의 격벽에 반사되어 다시 순 방향으로 이동하고, 제 2 중간관(1123)을 통하여 제 3 확장실(113)의 내부로 유입된다. 제 3 확장실(113)의 내부 공기는 제 2 공명기(212)의 목(2121)의 구멍으로 유입되고, 이와 같이 유입된 공기는 제 2 공명기(212)의 목(2121)의 구멍으로부터 다시 제 3 확장실(113)의 내부로 배출된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소음기(100)의 내부 형상을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 소음기(100)는 2 개의 확장실들 및 1 개의 공명기들로 구성된다. 도 3에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)는 소음기(100)의 공간의 한계를 극복하면서 투과 손실을 높이기 위하여, 3 개의 확장실들(111, 112, 113)을 갖는다. 만약, 도 5에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)의 사용 환경이 도 3에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)의 사용 환경보다 낮은 투과 손실을 요구한다면, 도 5에 도시된 바와 같이, 소음기(100)는 2 개의 확장실들만을 구비할 수도 있다. 또한, 이와 같은 2 개의 확장실들을 통과한 공기의 소음에 대해서 다시 저감되어야 하는 목표 주파수의 개수가 하나라면, 도 5에 도시된 바와 같이, 소음기(100)는 1 개의 공명기만을 구비할 수도 있다. 도 5에 도시된 공명기의 공동의 체적은 격벽의 이동에 의해 조정될 수 있다. 만약, 2 개의 확장실들을 통과한 공기의 소음에 대해서 다시 저감되어야 하는 목표 주파수가 2 개라면, 2 개의 확장실들에 2 개의 공명기들이 설치될 수도 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소음기(100)의 내부 형상을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 소음기(100)는 4 개의 확장실들 및 2 개의 공명기들로 구성된다. 도 3에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)는 소음기(100)의 공간의 한계를 극복하면서 투과 손실을 높이기 위하여, 3 개의 확장실들(111, 112, 113)을 갖는다. 만약, 도 5에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)의 사용 환경이 도 3에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)의 사용 환경보다 높은 투과 손실을 요구한다면, 도 6에 도시된 바와 같이, 소음기(100)는 4 개의 확장실들을 구비할 수도 있다. 특히, 도 5에 도시된 실시예에 따른 소음기(100)는 투과 손실을 보다 높이기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 소음기(100)의 내부의 하부 공간 중 일부는 공명기들의 공동으로 할당되지 않고, 확장실의 공간으로 할당될 수도 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 소음기(100)는 2 개의 공명기들을 구비할 수 있다. 다만, 4 개의 확장실들을 통과한 공기의 소음에 대해서 다시 저감되어야 하는 목표 주파수의 개수가 3 개라면, 도 6에 도시된 2 개의 공명기들 외에 하나의 공명기가 추가적으로 설치될 수도 있다.

도 7은 도 3에 도시된 소음기(100)의 케이스의 일례를 도시한 도면이다. 도 7의 (a)는 소음기(100)의 케이스의 외부 형상의 정면도이고, 도 7의 (b)는 소음기(100)의 케이스의 외부 형상의 측면도이고, 도 7의 (c)는 소음기(100)의 케이스의 외부 형상의 사시도이고, 도 7의 (d)는 소음기(100)의 케이스의 내부 형상의 정면도이다. 도 7을 참조하면, 소음기(100)의 케이스는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 내부에 안정적으로 장착되도록 하기 위한 형상을 갖고 있으며, 연료 전지 시스템 내부의 장치들을 지지하는 내부 프레임과 결합하기 위한 단자(socket)들이 마련되어 있다. 예를 들어, 소음기(100)의 케이스는 연료 전지 시스템의 내부 형상, 즉 소음기(100)에 할당된 공간의 형상에 대응되는 형상을 갖는다.

도 8은 도 7에 도시된 소음기(100)의 케이스의 장착 모습을 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 공기 펌프(41)의 출구와 소음기(100)의 입구관(1110)이 결합되고, 연료 전지(10)의 캐소드 측 입구와 소음기(100)의 출구관(1130)이 결합된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 공기 펌프(41)의 출구와 소음기(100)의 입구관(1110)은 공기 펌프(41)의 출구가 소음기(100)의 입구관(1110)에 삽입되는 형태로 결합된다. 또한, 연료 전지(10)의 캐소드 측 입구와 소음기(100)의 출구관(1130)은 연료 전지(10)의 캐소드 측 입구가 소음기(100)의 출구관(1130)에 삽입되는 형태로 결합된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 소음기(100)의 케이스의 단자들은 연료 전지 시스템의 내부 프레임과 결합되어, 연료 전지 시스템 내부에서 소음기(100)가 고정되어 위치되도록 한다.

도 9는 도 3에 도시된 소음기(100)의 적용 전과 적용 후의 소음 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9에는 연료 전지 시스템으로부터 10 m 떨어진 지점에서 연료 전지 시스템의 소음을 측정하고, 이와 같이 측정된 소음으로부터 20 Hz ~ 20 kHz의 주파수 대역에서 1/3 옥타브 밴드 단위로 검출된 음압 레벨들이 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 군용 규격은 군용 장치로부터 10 m 떨어진 지점에서 50 Hz ~ 10 kHz의 주파수 대역에서 1/3 옥타브 밴드 단위의 특정 음압 레벨(sound pressure level) 이하의 소음만을 허용한다. 도 9를 참조하면, 50 Hz ~ 10 kHz의 주파수 대역에는 1/3 옥타브 밴드의 각 주파수마다 세 쌍의 막대들이 도시되어 있다. 이 세 쌍의 막대들 중 좌측 막대는 연료 전지 시스템에 소음기(100)가 적용되기 전에 측정된 소음을 나타내고, 중간 막대는 연료 전지 시스템에 소음기(100)가 적용된 후에 측정된 소음을 나타내고, 우측 막대는 군용 규격의 음압 레벨을 나타낸다.

도 9에 도시된 바와 같이, 소음기(100)가 장착되기 전의 연료 전지 시스템의 소음은 50 Hz ~ 500 Hz의 주파수 대역에서는 군용 규격의 소음 조건을 충족시키고 있으나, 500 Hz ~ 10 kHz의 주파수 대역에서는 군용 규격의 소음 조건을 충족시키지 못하고 있음을 알 수 있다. 특히, 50 Hz 근처의 저 주파수 대역에서 연료 전지 시스템의 소음의 음압 레벨들은 군용 규격의 음압 레벨들보다 매우 작기 때문에 이 주파수 대역에서는 음압 레벨들이 다소 상승하더라도 군용 규격을 충족시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 3에 도시된 소음기(100)의 확장실들(111, 112, 113)은 1.5 kHz 이후의 주파수 대역의 소음에 대해서는 소음 저감 성능이 뛰어나나, 500 Hz ~ 1.5 kHz의 주파수 대역의 소음에 대해서는 소음 저감 성능이 떨어진다. 이와 같이, 500 Hz ~ 1.5 kHz의 주파수 대역의 소음 저감 성능을 희생하여, 1.5 kHz 이후의 주파수 대역의 소음 저감 성능을 높임으로써 군용 규격을 충족시키기 위한 수단으로서 이상에서 설명된 실시예들에서는 복수 개의 확장실들(111, 112, 113)을 채용한다.

또한, 상술한 바와 같이, 복수 개의 확장실들(111, 112, 113)만으로는 군용 규격의 소음 조건을 충족시킬 수 없기 때문에, 이상에서 설명된 실시예들에서는 약 2 kHz의 공명 주파수를 갖는 제 1 공명기(211)와 약 1 kHz의 공명 주파수를 갖는 제 2 공명기(212)를 채용한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 공명기(211)에 의해 2 kHz를 중심으로 하는 1400 Hz ~ 2600 Hz의 주파수 대역에서 음압 레벨이 감소되고, 제 2 공명기(212)에 의해 1 kHz를 중심으로 하는 700 Hz ~ 1300 Hz의 주파수 대역에서 음압 레벨이 감소된다.

한편, 이상에서 설명된 확장실들(111, 112, 113)과 공명기들(211, 212)만으로는 군용 규격의 소음 조건을 완벽하게 충족시키지 못할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 소음기(100)에 의해 500 Hz ~ 2.5 kHz의 주파수 대역의 음압 레벨들이 대폭 감소되었으나, 여전히 군용 규격의 소음 조건을 충족시키지 못하는 주파수 대역들이 있음을 알 수 있다. 이것은 도 3에 도시된 소음기(100) 외의 다른 소음 저감 수단에 의해 해결될 수 있다. 예를 들어, 공기 펌프(41)의 자체 진동에 의해 발생되는 소음은 공기 펌프(41)의 장착 방식을 개선함으로써 해결될 수 있다.

도 10은 도 1에 도시된 공기 펌프(41)의 장착 방식을 도시한 도면이다. 도 10의 (a)에는 공기 펌프(41)와 이것과 일체형으로 결합되어 있는 홀더(holder)가 도시되어 있다. 도 10의 (b)에는 공기 펌프(41)가 연료 전지 시스템의 내부 프레임에 장착되어 있는 모습이 도시되어 있다. 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 공기 펌프(41)의 상부와 하부 각각에는 공기 펌프(41)를 연료 전지 시스템에 장착하기 위한 홀더가 결합되어 있다. 공기 펌프(41)의 상부에 결합된 홀더에는 연료 전지 시스템의 내부 프레임과 결합하기 위한 2개의 단자들이 마련되어 있다. 마찬가지로, 공기 펌프(41)의 하부에 결합된 홀더에도 연료 전지 시스템의 내부 프레임과 결합하기 위한 2개의 단자들이 마련되어 있다. 공기 펌프(41)의 자체 진동에 의해 발생되는 소음의 저감을 위해, 이 단자들 각각에는 가운데에 X 자 형태의 크랙(crack)이 있는 원통 형태의 고무 패킹(rubber packing)이 압입되어 있다.

도 10의 (a)를 참조하면, 공기 펌프(41)의 자체 진동에 의해 발생되는 소음의 저감을 위해, 공기 펌프(41)와 공기 펌프(41)의 홀더 사이에는 고리 형태의 고무 패킹이 삽입되어 있다. 도 10의 (b)를 참조하면, 공기 펌프(41)의 홀더와 연료 전지 시스템의 내부 프레임 사이에는 원통 형태의 고무 패킹이 삽입되어 있다. 공기 펌프(41)의 홀더의 각 단자에 압입된 고무 패킹의 크랙을 통하여 볼트와 너트를 체결함으로서 공기 펌프(41)의 홀더는 연료 전지 시스템의 내부 프레임에 장착될 수 있다.

공기 펌프(41)와 공기 펌프(41)의 홀더 사이에 삽입된 고무 패킹의 경도(hardness)는 공기 펌프(41)의 홀더와 연료 전지 시스템의 내부 프레임 사이에 삽입된 고무 패킹의 경도보다 클 수 있다. 예를 들어, 공기 펌프(41)와 공기 펌프(41)의 홀더 사이에 삽입된 고무 패킹의 경도는 70% 일 수 있고, 공기 펌프(41)의 홀더와 연료 전지 시스템의 내부 프레임 사이에 삽입된 고무 패킹의 경도는 30% 일 수 있다. 공기 펌프(41)의 고정을 위해, 공기 펌프(41)와 공기 펌프(41)의 홀더는 일체형으로 결합되는 것이 바람직하다. 따라서, 공기 펌프(41)와 공기 펌프(41)의 홀더 사이에는 보다 높은 경도의 고무 패킹이 삽입될 수 있다. 반면, 공기 펌프(41)의 홀더와 연료 전지 시스템의 내부 프레임은 단자에 압입된 고무 패킹의 크랙을 통하여 볼트와 너트를 체결함으로서 결합되기 때문에 고무 패킹의 경도가 낮더라도 공기 펌프(41)의 고정에 크게 영향을 주지 않는다. 따라서, 공기 펌프(41)의 홀더와 연료 전지 시스템의 내부 프레임 사이에는 공기 펌프(41)의 진동을 최대한 줄이기 위해 보다 낮은 경도의 고무 패킹이 삽입될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 ... 소음기
111 ... 제 1 확장실
112 ... 제 2 확장실
113 ... 제 3 확장실
211 ... 제 1 공명기
212 ... 제 2 공명기
1110 ... 입구관
1130 ... 출구관
1112 ... 제 1 중간관
1123 ... 제 2 중간관

Claims

연료 전지 시스템에 장착되는 소음기에 있어서,
상기 연료 전지 시스템의 소정 장치에 연결되어, 상기 소정 장치로부터 배출된 공기의 소음을 연쇄적으로 저감하는 복수 개의 확장실들; 및
상기 확장실들 중 적어도 하나의 확장실에 연결되어, 상기 적어도 하나의 확장실로부터 유입된 공기의 소음을 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 저감하는 적어도 하나의 공명기를 포함하고,
상기 확장실들 중 어느 하나는 상기 소정 장치로부터의 공기가 유입되는 입구관을 구비하고, 상기 확장실들 중 다른 하나는 상기 확장실들로 유입된 공기가 배출되는 출구관을 구비하고, 상기 확장실들 사이에는 중간관이 삽입되어 있는 소음기.
제 1 항에 있어서,
상기 확장실들과 상기 적어도 하나의 공명기의 공동은 상기 소음기의 내부 공간이 복수 개의 격벽들에 의해 분할됨으로써 형성된 공간들인 소음기.
제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공명기의 제 1 공명기의 공동은 상기 확장실 중 적어도 하나의 확장실과 상기 격벽들 중 일부를 공유하고, 제 2 공명기의 공동은 상기 적어도 하나의 확장실의 개수보다 많은 개수의 다른 확장실들과 상기 격벽들 중 일부를 공유하는 소음기.
제 2 항에 있어서,
상기 격벽들의 개수는 상기 확장실들의 개수와 상기 적어도 하나의 공명기의 공동의 개수의 합에 비례하는 소음기.
제 2 항에 있어서,
상기 공동의 체적은 상기 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 반비례하는 소음기.
제 2 항에 있어서,
상기 확장실들 중 제 1 확장실과 제 2 확장실 사이의 제 1 격벽에 삽입된 제 1 중간관의 출구 단이 상기 제 2 확장실과 제 3 확장실 사이의 제 2 격벽에 삽입된 제 2 중간관의 입구 단보다 상기 제 2 격벽에 가깝게 위치함으로써 상기 제 1 중간관의 출구로부터 상기 제 2 확장실의 내부로 배출된 공기는 역류하는 형태로 상기 제 2 중간관의 입구로 유입되는 소음기.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공명기의 각 공명기의 목(neck)은 상기 각 공명기에 연결된 확장실의 내부에 돌출되어 있어, 상기 각 공명기에 연결된 확장실의 내부 공기가 상기 각 공명기의 목의 구멍으로 유입되고, 상기 유입된 공기는 상기 각 공명기의 목의 구멍으로부터 상기 각 공명기에 연결된 확장실의 내부로 배출되는 소음기.
제 2 항에 있어서,
상기 각 공명기의 목의 길이는 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 반비례하고, 상기 각 공명기의 목의 단면적의 크기는 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역의 중심 주파수의 크기에 비례하는 소음기.
제 1 항에 있어서,
상기 소정 장치는 상기 연료 전지 시스템의 연료 전지에 공기를 공급하는 공기 펌프이고, 상기 출구관은 상기 연료 전지 시스템의 연료 전지의 캐소드 측의 입구에 연결되어, 상기 출구관으로부터 배출된 공기는 상기 연료 전지의 캐소드 측의 입구에 유입되는 소음기.
연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료 전지;
상기 연료 전지에 적어도 연료와 공기를 공급하는 BOP(Balance of Plants); 및
상기 BOP의 공기 펌프와 상기 연료 전지의 캐소드 측의 입구 사이에 삽입되어, 상기 공기 펌프로부터 배출된 공기의 소음을 저감하는 소음기를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 소음기는 상기 공기 펌프로부터 배출된 공기의 소음을 연쇄적으로 저감하는 복수 개의 확장실들을 포함하는 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 소음기는 상기 확장실들 중 적어도 하나의 확장실에 연결되어, 상기 적어도 하나의 확장실로부터 유입된 공기의 소음을 상기 확장실들에 의해 저감되는 소음의 주파수 대역과는 다른 주파수 대역에서 저감하는 적어도 하나의 공명기를 더 포함하는 소음기.
제 1 항에 있어서,
상기 공기 펌프와 상기 공기 펌프의 홀더 사이에는 제 1 고무 패킹이 삽입되어 있고, 상기 홀더와 상기 연료 전지 시스템의 내부 프레임 사이에는 제 2 고무 패킹이 삽입되어 있는 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 고무 패킹의 경도(hardness)는 상기 제 2 고무 패킹의 경도보다 큰 연료 전지 시스템.