不同工況下的燃料電池模塊噪聲分析

洪浩源，雷 剛，王 振

應用研究

不同工況下的燃料電池模塊噪聲分析

洪浩源，雷 剛，王 振

（武漢氫能與燃料電池產業技術研究院有限公司，武漢 430064）

對燃料電池模塊進行了不同工況下的噪聲測試。根據燃料電池模塊機械結構布置，分析了燃料電池模塊的噪聲特性，并結合燃料電池模塊不同工況下的負載輸出、電機轉速進行分析。分別對空氣輔助、氫氣輔助系統及水循環管理系統在模擬工況下單獨運行的噪聲進行了測試，結果表明空壓機轉速對模塊噪聲測試結果影響較大。優化燃料電池模塊系統控制，降低空壓機轉速將有助于改善模塊外部聲學環境。

燃料電池模塊 噪聲特性 空壓機

0 引言

與傳統內燃機（柴油機、汽油機）相比，燃料電池具有效率高、污染小和噪聲低等優點，在能源和環境問題突出的今天，它具有廣闊的發展前景。

在正常工況下，燃料電池的噪聲比傳統內燃機的聲壓級略小，但是使用人員對于燃料電池噪聲的主觀感覺卻低于傳統內燃機。這主要是因為燃料電池的噪聲組成比較復雜，其噪聲的線性度沒有傳統內燃機好，也就是其聲品質較差[1]。因此對燃料電池噪聲的研究顯得尤為重要，通過對燃料電池噪聲源的分析識別可以為后續有效降低噪聲的聲壓級、降低燃料電池振動、改善內外聲特性品質奠定基礎。

國內外對于傳統發動機噪聲發生原理、噪聲源控制、降低振動的研究較為成熟。國內外學者以及相關技術人員對于傳統發動機進氣噪聲產生因素、能量傳遞及優化等已有較深入的研究，其診斷方法和手段已形成較為完善的體系。而對于燃料電池來說，其剛剛取得階段性成果，并無成熟產品，國內外對于其噪聲特性研究較少，對于燃料電池系統噪聲問題的文獻也不是很多。本文以燃料電池模塊為研究對象，對不同工況下模塊噪聲研究，可為以后進氣噪聲的控制和改善提供有效的分析手段。

1 燃料電池模塊噪聲源分析

本論文研究對象為中船712所自主研發的RMZA-70 k系列燃料電池模塊（以下簡稱燃料電池模塊），采用水冷質子交換膜燃料電池。由燃料電池電堆、氫氣供應系統、空氣供應系統、電壓巡檢模塊、主控制器等部件組成。其在結構上采取了保護罩整體密閉防止氫氣外泄、分區設計、防爆泄爆設計，可應用于船、車、電站等多種場景。

圖1 70 kw模塊圖片

燃料電池模塊的動力總成相較傳統內燃機完全不同，其噪聲源也存在差別。燃料電池模塊的空氣供應系統包含了空壓機、中冷器、膜增濕器、空氣管路等元器件；氫氣供應系統包括了電磁閥、比例閥、氫氣循環泵、分水器、氫氣管路等元器件。在燃料電池模塊工作時，空氣由空氣濾清器過濾后進入空氣壓縮機，空氣壓縮機通過吸入、排出空氣改變其壓力，以滿足燃料電池所需壓比; 再經過中間冷卻器和增濕器轉變為合適溫度和濕度的氣體后進入燃料電池堆，其間通過節氣門控制管路的壓力；氫氣路由高壓氫氣瓶經減壓閥進入電堆，未完全反應完的氫氣通過氫氣循環泵再次循環輸入電堆，由電磁閥控制脈沖放。

圖2 燃料電池模塊原理圖

因此對于燃料電池模塊的噪聲而言，其因素主要有：1）空氣壓縮機不斷地擠壓或者高速旋轉空氣過程中的壓力波動，于壓縮機進氣口產生的空氣動力噪聲；2）隨著節氣門的變化，節氣門出口產生的持續性噪聲；3）節氣門的變化也會引起管路內的空氣壓力和速度的波動，這種波動沿管道向遠方傳播，并在管道的入口處與節氣門之間產生多次反射，產生波動噪聲，這一系列的因素均會影響空氣系統的噪聲；4）氫氣循環泵高速旋轉產生的機械噪聲和電磁噪聲也會通過氫氣循環泵本體以及模塊框架輻射到周圍空氣中，對模塊的噪聲形成一定的影響。

2 噪聲測試

2.1 噪聲測試基本要求

噪聲測量辦法依據《固定式燃料電池發電系統第二部分：性能試驗方法》內引用的ISO 3744聲壓法對噪聲源聲功率及和聲能量級進行測試。

由于試驗條件有限，整個試驗過程未在消聲室內進行，為了滿足測試環境需求，減少試驗誤差，選取除地面外沒有反射物體即空曠室內環境進行測試，根據標準規定，采用與燃料電池模塊外形尺寸最接近的平行六面體作為測試基準體，分為八個測試點測量噪聲。

圖3 噪聲測試點示意圖

根據試驗現場環境，試驗距離=0.5 m，試驗前對背景噪聲進行修正，背景噪音修正系數k1采用下式計算：

k1=-10Lg（1-10-0.1Lp）dB

其中Lp=LST-LB；LST-測量噪音最大值；LB-背景噪音值。

若Lp＞15dB，k1=0，若15dB≥Lp≥6dB，按上式修正。

試驗采用的數采設備為Head公司的LD-831 0113CN 聲計器，具有固定百分比帶寬的濾波器（1/1或1/3倍頻），能夠人耳聽力頻率范圍全覆蓋：1/3倍頻率6.3 Hz到20 kHz。

2.2 試驗方法

燃料電池模塊運行過程中，電堆、空氣壓縮機在工作時需要冷卻散熱。熱管理系統外置于模塊，包括有水柜、散熱器等部件，這些部件在工作時均會產生明顯的噪聲，會直接影響噪聲的測試。因此采用隔聲材料將其包裹起來，并與試驗設備間隔一定距離，使其工作時的噪聲不干擾進氣噪聲的測量。另外，在測試過程中，產生的尾氣需要排除。試驗過程中尾氣隨管路排放到室外，也可以在尾氣排放管路尾端連接消聲器，這樣能夠消除排氣噪聲的影響。

采用模擬工況法對模擬燃料電池模塊在各個工況負載下的噪音進行測試，根據實際工況，將運行過程分為16測量點，對應燃料電池模塊輸出功率從0～70 kW，為保證測量數據穩定，每個測量點測量時間約5 min。根據燃料電池模塊噪聲產生特點，針對其可能的主要噪聲源空壓機及氫氣循環泵，在泵體設置加速度傳感器。下圖為燃料電池運行工況圖。

圖4 燃料電池模塊工況圖

3 數據分析

由于燃料電池模塊功率與其負載電流成正相關，對燃料電池模塊模擬運行工況下的噪聲進行測量，測得噪音經修正后與電流的關系如圖所示。從總體上看，噪音與負載電流均成正相關，不同測量點測得的噪聲聲壓值存在較大差別。燃料電池模塊運行過程中測得噪音極值為78.5 dB，測量位置為測量點3，為負載電流為300 A時，即對應輸出功率67 kW。而在額定功率下，燃料電池模塊噪音極值為78.2 dB，同樣位于測量點3。

分析燃料電池模塊內部結構，燃料電池模塊內部為分層結構，測量點3、7位于空壓機進氣口前后方，在測量過程中受空壓機影響較大。空壓機的安裝支架與模塊剛性聯接，因此空壓機所產生的振動直接作用在模塊板件上，容易引起模塊板件振動并輻射噪聲；工作時空壓機不斷地擠壓或者高速旋轉空氣過程中的壓力波動，于空壓機機進氣口產生的空氣動力噪聲。測量點4、8位于氫泵安裝位置的前后方，測量數據與氫氣循環泵產生的機械噪聲，電磁激勵聲影響較大。為進一步探究燃料電池模塊噪聲產生原因，對模塊運行過程中空壓機及氫氣循環泵的轉速進行提取。

圖5 燃料電池模塊噪聲測試結果

由圖可以看出，空壓機及氫氣循環泵均隨輸出負載增加成階梯狀上升。空壓機轉速在負載150～180 A、270～300 A時較為穩定，與測量點3、7在負載電流150～180 A時，聲壓級在75.5 dB左右相對應；氫氣循環泵轉速增加率在0～175 A較200～300 A低，與在測量點4、8測得噪音級在175 A前后變化率相對應。

圖6 空壓機、氫氣循環泵轉速變化

為進一探究不同輔助部件對工況下模塊噪聲測量結果的影響，采用控制變量法，分別測試不同輔助部件開啟的情況下的模塊噪聲。分別對空壓機、氫氣循環泵、水循環系統在單獨開啟的情況下做了測試。為減少工作量，根據模塊機械結構，僅在額定工況下，在被測部件噪聲影響較大的位置選擇兩個測量點，在額定工況下對測量點的噪聲進行測量。測量點選擇如下表所示。

表1 測量點

如圖所示，模塊靜置，僅開啟空壓機，模擬模塊運行工況，即在空壓機轉速37900～78000 r/min區間對測量點3、7進行測量，測量結果表明在隨著轉速增加，聲壓級顯著上升。在空壓機啟動時，測得最低噪聲達為70.1 dB，在75 300轉測得噪聲極值為76.4 dB。在空壓機轉速為40600～46000 r/min、51300～56600 r/min、62000～67300 r/min時，所測得聲壓級有明顯突增，而在圖對應點3、7測得模塊在運行工況下的聲壓級變化趨勢具有一致性，可認為空壓機運行過程中產生的噪聲對模塊運行噪聲的影響較大。在試驗過程中，發現空壓機單獨運行時有較大渦流噪聲，并伴有氣流嘯叫聲，分析認為噪聲主要原因是空氣進氣口大量進氣的空氣動力學噪聲及風機葉片高速擠壓空氣造成的渦流噪聲。

圖7 空氣輔助系統噪聲測試結果

模塊靜置，僅開啟氫氣循環泵，模擬模塊運行工況，即在空壓機轉速1 050～5 550 r/min區間對測量點4、8進行測量，測量結果表明在隨著轉速增加，聲壓級同樣顯著上升，由于氫泵轉速顯著小于空壓機轉速，測得機械噪聲分貝值及增加速率均較低，從啟動時的64.9 dB增加為額定轉速下的69.3 dB。氫氣循環泵運行聲壓級隨轉速增加波動較為明顯，存在明顯波峰-波谷的波動變化。根據工況推測可能與氫氣循環泵安裝方式有關，氫泵電機震動通過氫泵安裝架傳至模塊框架，導致模塊板件震動產生輻射噪聲，在某些轉速下產生共振，因此出現測得聲壓級明顯變化。

模擬工況下，關閉其余輔機，對水循環系統在不同散熱功率下運行的噪聲進行測量，水循環系統中水流量隨負載輸出的增加而增加。測量結果表示，散熱功率與測得聲壓級無明顯關系。測得噪聲最大值為52.5 dB，對模塊噪聲測量結果無明顯影響。

圖8 氫氣輔助系統噪聲測試結果

圖9 水循環系統噪聲測試結果

4 結論

通過對燃料電池模塊運行工況下產生的噪聲測試及分析得出空氣輔助系統（空壓機、空氣管路）及氫氣輔助系統（氫氣循環泵、氫氣管路）是燃料電池模塊運行過程中噪聲的主要來源，其中對空壓機噪聲的控制能夠對燃料電池模塊噪聲極值的控制帶來顯著效果。對于燃料電池模塊氫氣輔助系統噪聲的控制應集中于氫氣循環泵安裝方式及位置的布置，增加氫泵與模塊間的阻尼系數，減少因共振產生的箱體輻射噪聲。燃料電池模塊的降噪工作是一個系統性的問題，既要控制噪聲源聲壓級，又要采取衰減振動與噪聲的措施。本文對燃料電池模塊以后的降噪減振工作起到一定參考作用。

[1] 龐劍, 湛剛, 何華. 汽車噪聲與振動-理論與應用[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2006, 447.

Noise analysis of fuel cell module under different working conditions

Hong Haoyuan, Lei Gang, Wang Zhen

(Wuhan Institute of Hydrogen Energy and Fuel Cell Industry Technology Co., Ltd. Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2022）10-00114-04

2021-12-12

洪浩源（1994-），男，工程師。研究方向：燃料電池。E-mail: 1219018689@qq.com