专利名称：消音器以及包括该消音器的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及燃料电池系统，更具体地，涉及用于减少燃料电池系统的声学噪音的消音器(silencer)。
背景技术：
燃料电池是一种环境友好的替代能源技术，其从丰富地存在于地球上的材料(诸如氢)产生电能，并已经与太阳能电池等一起引起了人们的关注。为了在燃料电池中发电，燃料、水和空气被供应到燃料电池。因此，在燃料电池系统中采用数个用于供应这些材料的机械装置，声学噪音在驱动这些机械装置时产生。由于如果燃料电池系统的声学噪音过大则会使使用者或附近的其他人感到不适，所以正在研发用于减少在燃料电池系统中产生的声学噪音的装置。
发明内容
本发明提供一种用于降低燃料电池系统中产生的在预定频段的声学噪音的消音器，其中该消音器具有能够安装在燃料电池系统的内部空间中的小的体积。本发明提供一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中安装有消音器。其他的方面将在下面的描述中被部分地阐述，并将从该描述部分地变得明显，或者可以通过给出的实施例的实施而学习得到。根据本发明的一个方面，提供一种安装在燃料电池系统中的消音器，该消音器包括:多个扩展腔(expansion chamber),连接到燃料电池系统的预定设备以连续地减小从该预定设备释放的空气的声学噪音；以及至少一个谐振器，连接到多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与被多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同，其中多个扩展腔中的任意一个包括从预定设备接收空气的入口管，多个扩展腔中的另一个包括释放已经流入到多个扩展腔中的空气的出口管，并且在多个扩展腔之间插设有居间管。多个扩展腔和至少一个谐振器的至少一个空腔(cavity)可以通过采用多个分隔壁划分消音器的内部空间而形成。至少一个谐振器中的第一谐振器的空腔可以与多个扩展腔中的至少一个扩展腔共享多个分隔壁的一部分，第二谐振器的空腔可以与其他扩展腔共享多个分隔壁的一部分，其中该其他扩展腔的数量可以比该至少一个扩展腔的数量多。多个分隔壁的数量可以与多个扩展腔的数量和至少一个谐振器的空腔的数量的总和成比例。每个空腔的体积可以与上述另一频带的中心频率的大小成反比。在多个扩展腔当中的第一扩展腔和第二扩展腔之间的第一分隔壁中插设的第一居间管的出口的端部可以设置为比在第二扩展腔和第三扩展腔之间的第二分隔壁中插设的第二居间管的入口的端部更靠近该第二分隔壁，因此从第一居间管的出口释放到第二扩展腔中的空气以回流(backflow)的形式流入到第二居间管的入口中。至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部(neck)可以突出到与该每个谐振器连接的扩展腔内，由此连接到每个谐振器的扩展腔的内部空气流入到每个谐振器的颈部的孔口中，且流入到每个谐振器的颈部的孔口中的空气从每个谐振器的颈部的孔口被释放到与每个谐振器连接的扩展腔。至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部的长度可以与另一频带的中心频率的大小成反比，该另一频带与多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同，并且每个谐振器的颈部的截面积大小可以与另一频带的中心频率的大小成比例，该另一频带与多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。预定设备可以是用于将空气供应到燃料电池系统的燃料电池的气泵，且出口管可以连接到燃料电池系统的燃料电池的阴极处的入口，由此从上述出口管释放的空气流入到燃料电池的阴极处的入口中。根据本发明的另一个方面，一种燃料电池系统包括:燃料电池，利用燃料来发电；平衡设备(Β0Ρ)，用于至少将燃料和空气供应到燃料电池；以及消音器，插设在BOP的气泵与燃料电池的阴极处的入口之间以减小从气泵释放的空气的声学噪音。消音器可以包括多个扩展腔，该多个扩展腔用于连续地减小从气泵释放的空气的声学噪音。消音器还可以包括至少一个谐振器，该至少一个谐振器连接到多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的空气的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。在气泵和气泵的支座(holder)之间可以插设第一橡胶密封件(rubber packing),且在支座和燃料电池系统的内框架之间可以插设第二橡胶密封件。第一橡胶密封件的硬度可以高于第二橡胶密封件的硬度。
通过下面结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，附图中:图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图；图2A至2D是根据本发明实施例的消音器的外部形状的示意图；图3A和3B是根据本发明实施例的消音器的外部形状的示意图；图4是示出根据本发明实施例的消音器内的气流的示意图；图5A和5B是根据本发明另一实施例的消音器的内部形状的示意图；图6A和6B是根据本发明另一实施例的消音器的内部形状的示意图；图7A至7D是图3A和3B的消音器的壳体的示意图；图8是其中安装有消音器的图7A至7D的壳体的示意图；图9是示出在采用图3A和3B的消音器之前和之后测量的声学噪音结果的曲线图；以及图1OA和IOB是用于描述图1的气泵的安装方法的示意图。
具体实施例方式现在，将详细参照实施例，实施例的示例在附图中示出。燃料电池系统通常包括:燃料电池，用于发电；平衡设备(balance of plants,BOP),构成用于将燃料、水和空气供应到燃料电池的燃料电池外围装置；以及转换器，用于将从燃料电池输出的电力转换并供应至负载。由于本发明的实施例涉及用于降低在燃料电池系统内流动的气体的声学噪音的消音器，所以与形成燃料电池的堆叠、BOP及转化器有关的细节将不在这里描述，以防止使本发明的要点不清楚。通常，燃料电池设计成堆叠形状，在该堆叠形状中根据负载所需要的电力而将多个电池串联或并联组合。在下文，一个电池以及将多个电池组合的堆叠都被简单地称为燃料电池。图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图。参照图1，根据当前实施例的燃料电池系统包括燃料电池10、燃料存储单元20、控制器30、气泵41、水回收泵42、循环泵43、给料泵44、第一分离器51、第二分离器52、第一热交换器61、第二热交换器62、阀模块70、混合器80、传感器90以及消音器100。通常，用于将燃料、水、空气等供应到燃料电池10的元件，即上述除燃料电池10之外的元件被称为Β0Ρ。如图1所示，数个连接BOP的各元件的管道被提供在BOP的各元件之间。此外，图1的燃料电池系统可以包括除图1所示元件之外的元件。例如，在图1的燃料电池系统中，用于检测燃料电池10的温度的热敏电阻可以安装在燃料电池10中，用于去除流动经过连接到传感器90的管道等的燃料中的杂质的过滤器可以安装在管道中，或者风扇可以安装在第一热交换器61和第二热交换器62中以冷却第一热交换器61和第二热交换器62。燃料电池10是发电设备，其通过利用电化学反应将燃料中的化学能直接转换成电能来产生直流(DC)电。燃料电池10的示例包括固态氧化物燃料电池(solid oxide fuelcell, S0FC)、聚合物电解质隔膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell,PEMFC)以及直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell,DMFC)0具体地，图1所示的燃料电池系统是应用了驱动DMFC的BOP的燃料电池系统。然而，下面描述的降低气泵41的声学噪音的技术特征也可以应用到其他类型的燃料电池。另外，不同于重整甲醇以增加氢浓度的非直接甲醇燃料电池，DMFC在甲醇和水于燃料电池10的阳极彼此直接反应时产生氢离子和电子而不用重整甲醇。因此，由于DMFC不需要这样的重整工艺，所以DMFC可以小型化，且主要被用于便携燃料电池系统。在DMFC的阳极，发生反应CH30H+H20->6H++6e_+C02 ;在阴极，发生反应3/202+6H++6e—>3H20。质子(Η+)经由燃料电池10中的质子交换隔膜而被传输，电子(e_)经由外部电路从阳极传输到阴极。电力通过这样的过程产生。具体地，在DMFC中存在催化剂使得燃料电池10中的反应平稳地进行。通常，催化剂由钼形成，且可能在工艺期间的温度过高时劣化。因此，不供应纯甲醇到燃料电池，而是供应被适量的水稀释的甲醇(即，具有适合浓度的甲醇水溶液)到燃料电池10。在下文，供应到燃料电池10的阳极处的入口的甲醇水溶液将被简单地称作燃料。由此，适合量的甲醇、水和空气被供应到燃料电池10，使得燃料电池10中的反应平稳进行并同时防止燃料电池10的劣化。控制器30控制气泵41、给料泵44、循环泵43和水回收泵42，以基于由传感器90检测的燃料的浓度、温度等来调节供应至燃料电池10的燃料、水及空气的量。燃料电池10通过利用从混合器80供应至燃料电池10的阳极处的入口的具有合适浓度的燃料来发电。在燃料电池10的发电过程期间，构成上述反应过程的副产物的二氧化碳和未反应的燃料从燃料电池10的阳极处的出口被释放，且构成上述反应过程的副产物的水从燃料电池10的阴极处的出口被释放。第一分离器51通过从自燃料电池10的阳极处的出口释放的副产物和未反应的燃料分离甲醇和水来回收甲醇和水。从燃料电池10的阴极处的出口释放的副产物包括蒸汽形式的水分，其为取决于燃料电池10中的反应热的高温流体。该副产物在经过第一热交换器61时通过第一热交换器61的热交换过程冷却,一些水在此时被回收。第二分离器52通过从该冷却的副产物分离水来回收水并在该回收过程之后将构成剩余副产物的二氧化碳释放到外部。第一分离器51和第二分离器52可以通过离心方法等从副产物及燃料电池10释放的未反应燃料分离甲醇和燃料。水回收泵42吸入被第二分离器52回收的水，且将吸入的水释放到第一分离器51。因此，第一分离器51释放低浓度的燃料，在该低浓度的燃料中被第一分离器51回收的甲醇和被第一分离器51和第二分离器52回收的水混合。燃料存储单元20是用于存储燃料的容器，且可以具有任意形状例如圆柱形或箱形。燃料存储单元20可以制造为使得燃料能够被再次填充。此外，燃料存储单元20可以可拆卸地连接到图1的燃料电池系统，且通常被称作燃料筒(cartridge)。燃料存储单元20存储具有高浓度的燃料，例如100%的甲醇。阀模块70可以插设在燃料流通管线101与燃料供应管线102连接的位置处，以控制通过燃料流通管线101而在燃料电池10内流通的低浓度燃料的流动以及通过燃料供应管线102而从燃料存储单元20供应到燃料电池10的高浓度燃料的流动。这里，燃料流通管线101表示使从燃料电池10释放的未反应燃料流回到燃料电池10的路径中的管道，而燃料供应管线102表示从燃料存储单元20新近供应燃料到燃料电池10的路径中的管道。根据阀模块70的燃料流量控制，循环泵43吸入经由燃料流通管线101而从阀模块70传输的低浓度燃料和经由燃料供应管线102而从阀模块70传输的高浓度燃料中的至少一种，并将吸入的燃料经由第二热交换器62释放到混合器80。从循环泵43释放的燃料的温度在燃料通过第二热交换器62时通过第二热交换器62的热交换操作而被调节。混合器80将从循环泵43释放的低浓度燃料和高浓度燃料混合，并将通过这样的混合过程产生的具有合适浓度的燃料供应至燃料电池10。第一热交换器61通过被设置在燃料电池10释放的水所流经的管线的预定点处(例如，被设置在燃料电池10的阴极的出口处)来控制从燃料电池10的阴极释放的水的温度。第二热交换器62通过被设置在供应到燃料电池10的燃料所流经的管线的预定点处(例如，在循环泵43和混合器80之间)来控制供应到燃料电池10的阳极处的入口的燃料的温度。第一热交换器61和第二热交换器62可以实现为金属管、槽等，使得在燃料电池系统的管道内流动的流体与管道外的介质平稳地交换热量。为了在燃料电池10中发电，数个机械装置诸如上述的泵和分离器在燃料电池系统中被驱动，声学噪音会在驱动这些机械装置时产生。如果燃料电池系统的声学噪音过大，会使使用者或附近的人感到不适，因此需要降低燃料电池系统的大的声学噪音。此外，即使燃料电池系统的声学噪音不大，在预定频段的声学噪音也需要根据情况而降低。例如，为了防止军事装置由于其声学噪音而暴露给敌人，仅这样的声学噪音是允许的，其在距军事装置IOm的位置处在50Hz至IOkHz的频带内具有在1/3倍频程单元中的声压级。另外，气泵41可以包括:泵腔，具有用于接收外部空气的入口和用于释放空气的出口 ；电机，根据从控制器30输出的控制信号旋转；以及隔板，根据电机的旋转来重复使泵腔内的空间收缩和扩展的操作。气泵41可以通过根据由于隔板重复收缩和扩展的操作引起的起伏压吸入外部空气而将空气供应到燃料电池10的阴极处的入口。气泵41的声学噪音可以分成由气泵41的自振动产生的声学噪音以及当气泵41内的空气以预定速度运动而与物体诸如泵腔的内壁碰撞产生的声学噪音。例如，当气泵41的电机的旋转频率为约80Hz并且电机的一个旋转使隔板振动4次时，隔板的振动频率为约320Hz。因而，当气泵41的隔板以约320Hz振动时，该振动使气泵41振动且使气泵41的内部空气与气泵41的内壁碰撞，结果会产生在约500Hz至约2kHz的频带中的声学噪音。此外，由于图1的燃料电池系统是采用DMFC的便携式燃料电池系统，所以燃料电池系统的内部空间非常小。在下文，能够在这样小的体积中降低燃料电池系统的气泵41内产生的预定频带的声学噪音的消音器将被描述为具有能够被安装在燃料电池系统的内部空间中的小体积的消音器。然而，对于本领域技术人员明显的，下面描述的消音器不仅用于降低气泵41中产生的声学噪音，还降低图1的燃料电池系统的其他元件中产生的声学噪音。图2A至2D是根据本发明实施例的消音器100的外部形状的示意图。图2A是消音器100的外部形状的前视图，图2B是消音器100的外部形状的左视图，图2C是消音器100的外部形状的右视图，图2D是消音器100的外部形状的立体图。图1所示的消音器100实现为盒形，但是备选地，消音器100可以具有任何形状，诸如圆柱形。然而，如果图1的燃料电池系统具有盒形并且燃料电池系统中的外围装置也具有盒形，则消音器100可以具有盒形以增加燃料电池系统的内部空间的利用率。图3A和3B是根据本发明实施例的消音器100的内部形状的示意图。图3A是消音器100的内部形状的前视图，图3B是消音器100的内部形状的立体图。参照图3A和3B，消音器100包括第一至第三扩展腔111至113以及第一谐振器211和第二谐振器212。第一扩展腔111包括入口管1110，该入口管1110通过被连接到例如气泵41的设备而用于接收来自气泵41的空气且释放来自图1的燃料电池系统的空气。此外，第三扩展腔113包括出口管1130，该出口管1130用于释放已经流入第一至第三扩展腔111至113的空气。出口管1130连接到用于从图1的燃料电池系统吸入空气的设备，例如燃料电池10的阴极处的入口，从而从出口管1130释放的空气流入到燃料电池10的阴极处的入口中。此外，第一居间管1112和第二居间管1123插设在第一至第三扩展腔111至113之间以将它们连接。通常，在扩展消音器中，入射到扩展消音器上的一些声波被反射而其余的声波由于入口管的截面积和扩展腔的截面积之间的差异而行进到扩展腔，然后行进到扩展腔的声波中的一些被反射而其余的声波由于扩展腔的截面积与出口管的截面积之间的差异而行进到出口管。由此，由于入射到扩展消音器上的一些声波被反射，所以声学噪音通过扩展消音器减小。如果Al表示扩展消音器的入口管和出口管的截面积，A2表示扩展腔的截面积，L表示扩展腔的长度，则扩展消音器的传输损耗可以由下面的公式I来计算。在公式I中，f表示要通过扩展消音器减小的声学噪音的目标频率，c表示声速。[公式1]
权利要求
1.一种安装在燃料电池系统中的消音器，该消音器包括: 多个扩展腔，连接到所述燃料电池系统的预定设备以连续地减小从该预定设备释放的空气的声学噪音；以及 至少一个谐振器，连接到所述多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与被所述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同， 其中所述多个扩展腔中的任一个包括从所述预定设备接收空气的入口管，所述多个扩展腔中的另一个包括释放已经流入到所述多个扩展腔中的空气的出口管，并且在所述多个扩展腔之间插设有居间管。
2.根据权利要求1所述的消音器，其中所述多个扩展腔和所述至少一个谐振器的至少一个空腔通过由多个分隔壁划分所述消音器的内部空间而形成。
3.根据权利要求2所述的消音器，其中所述至少一个谐振器中的第一谐振器的空腔与所述多个扩展腔中的至少一个扩展腔共享所述多个分隔壁的一部分，第二谐振器的空腔与其他扩展腔共享所述多个分隔壁的一部分，其中所述其他扩展腔的数量比所述至少一个扩展腔的数量多。
4.根据权利要求2所述的消音器，其中所述多个分隔壁的数量与所述多个扩展腔的数量和所述至少一个谐振器的空腔的数量的总和成比例。
5.根据权利要求2所述的消音器，其中每个所述空腔的体积与所述另一频带的中心频率的大小成反比。
6.根据权利要求2所述的消音器，其中在所述多个扩展腔当中的第一扩展腔和第二扩展腔之间的第一分隔壁中插设的第一居间管的出口的端部设置为比在所述第二扩展腔和第三扩展腔之间的第二分隔壁中插设的第二居间管的入口的端部更靠近所述第二分隔壁，由此从所述第一居间管的出口释放到所述第二扩展腔中的空气以回流的形式流入到所述第二居间管的入口中。
7.根据权利要求1所述的消音器，其中所述至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部突出到与该每个谐振器连接的扩展腔内，连接到该每个谐振器的扩展腔的内部空气流入到该每个谐振器的颈部的孔口中，且流入到该每个谐振器的颈部的孔口中的空气从该每个谐振器的颈部的孔口被释放到与该每个谐振器连接的扩展腔。
8.根据权利要求2所述的消音器，其中所述至少一个谐振器中的每个谐振器的颈部的长度与所述另一频带的中心频率的大小成反比，且每个谐振器的颈部的截面积大小与所述另一频带的中心频率的大小成比例，所述另一频带与被所述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。
9.根据权利要求1所述的消音器，其中所述预定设备是用于将空气供应到所述燃料电池系统的燃料电池的气泵，且所述出口管连接到所述燃料电池系统的在所述燃料电池的阴极处的入口，由此从所述出口管释放的空气流入到在所述燃料电池的所述阴极处的入口中。
10.一种燃料电池系统，包括: 燃料电池，利用燃料来发电； 平衡设备，用于至少将燃料和空气供应到所述燃料电池；以及消音器，插设在所述平衡设备的气泵与所述燃料电池的阴极处的入口之间以减小从该气泵释放的空气的声学噪音。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述消音器包括多个扩展腔，该多个扩展腔用于连续地减小从所述气泵释放的空气的声学噪音。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述消音器还包括至少一个谐振器，该至少一个谐振器连接到所述多个扩展腔当中的至少一个扩展腔以减小从该至少一个扩展腔接收的空气的在另一频带中的声学噪音，该另一频带与被所述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。
13.根据权利要求10所述 的燃料电池系统，其中在所述气泵和所述气泵的支座之间插设有第一橡胶密封件，且在所述支座和所述燃料电池系统的内框架之间插设有第二橡胶密封件。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述第一橡胶密封件的硬度大于所述第二橡胶密封件的硬度。
全文摘要
本发明提供了一种消音器以及包括该消音器的燃料电池系统。消音器安装在燃料电池系统中。该消音器包括多个扩展腔，用于连续地减小在燃料电池系统内流动的空气的声学噪音；以及至少一个谐振器，用于减小从至少一个扩展腔接收的空气在另一频带中的声学噪音，该另一频带与上述多个扩展腔所减小的声学噪音的频带不同。
文档编号G10K11/16GK103178279SQ20121033889
公开日2013年6月26日 申请日期2012年9月13日 优先权日2011年12月23日
发明者许晋硕, 李元豪, 金詠栽, 崔钟鹿 申请人:三星电子株式会社