洪浩源，雷 刚，王 振
应用研究
不同工况下的燃料电池模块噪声分析
洪浩源，雷 刚，王 振
（武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司，武汉 430064）
对燃料电池模块进行了不同工况下的噪声测试。根据燃料电池模块机械结构布置，分析了燃料电池模块的噪声特性，并结合燃料电池模块不同工况下的负载输出、电机转速进行分析。分别对空气辅助、氢气辅助系统及水循环管理系统在模拟工况下单独运行的噪声进行了测试，结果表明空压机转速对模块噪声测试结果影响较大。优化燃料电池模块系统控制，降低空压机转速将有助于改善模块外部声学环境。
燃料电池模块 噪声特性 空压机
与传统内燃机（柴油机、汽油机）相比，燃料电池具有效率高、污染小和噪声低等优点，在能源和环境问题突出的今天，它具有广阔的发展前景。
在正常工况下，燃料电池的噪声比传统内燃机的声压级略小，但是使用人员对于燃料电池噪声的主观感觉却低于传统内燃机。这主要是因为燃料电池的噪声组成比较复杂，其噪声的线性度没有传统内燃机好，也就是其声品质较差[1]。因此对燃料电池噪声的研究显得尤为重要，通过对燃料电池噪声源的分析识别可以为后续有效降低噪声的声压级、降低燃料电池振动、改善内外声特性品质奠定基础。
国内外对于传统发动机噪声发生原理、噪声源控制、降低振动的研究较为成熟。国内外学者以及相关技术人员对于传统发动机进气噪声产生因素、能量传递及优化等已有较深入的研究，其诊断方法和手段已形成较为完善的体系。而对于燃料电池来说，其刚刚取得阶段性成果，并无成熟产品，国内外对于其噪声特性研究较少，对于燃料电池系统噪声问题的文献也不是很多。本文以燃料电池模块为研究对象，对不同工况下模块噪声研究，可为以后进气噪声的控制和改善提供有效的分析手段。
本论文研究对象为中船712所自主研发的RMZA-70 k系列燃料电池模块（以下简称燃料电池模块），采用水冷质子交换膜燃料电池。由燃料电池电堆、氢气供应系统、空气供应系统、电压巡检模块、主控制器等部件组成。其在结构上采取了保护罩整体密闭防止氢气外泄、分区设计、防爆泄爆设计，可应用于船、车、电站等多种场景。
图1 70 kw模块图片
燃料电池模块的动力总成相较传统内燃机完全不同，其噪声源也存在差别。燃料电池模块的空气供应系统包含了空压机、中冷器、膜增湿器、空气管路等元器件；
氢气供应系统包括了电磁阀、比例阀、氢气循环泵、分水器、氢气管路等元器件。在燃料电池模块工作时，空气由空气滤清器过滤后进入空气压缩机，空气压缩机通过吸入、排出空气改变其压力，以满足燃料电池所需压比; 再经过中间冷却器和增湿器转变为合适温度和湿度的气体后进入燃料电池堆，其间通过节气门控制管路的压力；
氢气路由高压氢气瓶经减压阀进入电堆，未完全反应完的氢气通过氢气循环泵再次循环输入电堆，由电磁阀控制脉冲放。
图2 燃料电池模块原理图
因此对于燃料电池模块的噪声而言，其因素主要有：1）空气压缩机不断地挤压或者高速旋转空气过程中的压力波动，于压缩机进气口产生的空气动力噪声；
2）随着节气门的变化，节气门出口产生的持续性噪声；
3）节气门的变化也会引起管路内的空气压力和速度的波动，这种波动沿管道向远方传播，并在管道的入口处与节气门之间产生多次反射，产生波动噪声，这一系列的因素均会影响空气系统的噪声；
4）氢气循环泵高速旋转产生的机械噪声和电磁噪声也会通过氢气循环泵本体以及模块框架辐射到周围空气中，对模块的噪声形成一定的影响。
2.1 噪声测试基本要求
噪声测量办法依据《固定式燃料电池发电系统第二部分：性能试验方法》内引用的ISO 3744声压法对噪声源声功率及和声能量级进行测试。
由于试验条件有限，整个试验过程未在消声室内进行，为了满足测试环境需求，减少试验误差，选取除地面外没有反射物体即空旷室内环境进行测试，根据标准规定，采用与燃料电池模块外形尺寸最接近的平行六面体作为测试基准体，分为八个测试点测量噪声。
图3 噪声测试点示意图
根据试验现场环境，试验距离=0.5 m，试验前对背景噪声进行修正，背景噪音修正系数k1采用下式计算：
k1=-10Lg（1-10-0.1Lp）dB
其中Lp=LST-LB；
LST-测量噪音最大值；
LB-背景噪音值。
若Lp＞15dB，k1=0，若15dB≥Lp≥6dB，按上式修正。
试验采用的数采设备为Head公司的LD-831 0113CN 声计器，具有固定百分比带宽的滤波器（1/1或1/3倍频），能够人耳听力频率范围全覆盖：1/3倍频率6.3 Hz到20 kHz。
2.2 试验方法
燃料电池模块运行过程中，电堆、空气压缩机在工作时需要冷却散热。热管理系统外置于模块，包括有水柜、散热器等部件，这些部件在工作时均会产生明显的噪声，会直接影响噪声的测试。因此采用隔声材料将其包裹起来，并与试验设备间隔一定距离，使其工作时的噪声不干扰进气噪声的测量。另外，在测试过程中，产生的尾气需要排除。试验过程中尾气随管路排放到室外，也可以在尾气排放管路尾端连接消声器，这样能够消除排气噪声的影响。
采用模拟工况法对模拟燃料电池模块在各个工况负载下的噪音进行测试，根据实际工况，将运行过程分为16测量点，对应燃料电池模块输出功率从0～70 kW，为保证测量数据稳定，每个测量点测量时间约5 min。根据燃料电池模块噪声产生特点，针对其可能的主要噪声源空压机及氢气循环泵，在泵体设置加速度传感器。下图为燃料电池运行工况图。
图4 燃料电池模块工况图
由于燃料电池模块功率与其负载电流成正相关，对燃料电池模块模拟运行工况下的噪声进行测量，测得噪音经修正后与电流的关系如图所示。从总体上看，噪音与负载电流均成正相关，不同测量点测得的噪声声压值存在较大差别。燃料电池模块运行过程中测得噪音极值为78.5 dB，测量位置为测量点3，为负载电流为300 A时，即对应输出功率67 kW。而在额定功率下，燃料电池模块噪音极值为78.2 dB，同样位于测量点3。
分析燃料电池模块内部结构，燃料电池模块内部为分层结构，测量点3、7位于空压机进气口前后方，在测量过程中受空压机影响较大。空压机的安装支架与模块刚性联接，因此空压机所产生的振动直接作用在模块板件上，容易引起模块板件振动并辐射噪声；
工作时空压机不断地挤压或者高速旋转空气过程中的压力波动，于空压机机进气口产生的空气动力噪声。测量点4、8位于氢泵安装位置的前后方，测量数据与氢气循环泵产生的机械噪声，电磁激励声影响较大。为进一步探究燃料电池模块噪声产生原因，对模块运行过程中空压机及氢气循环泵的转速进行提取。
图5 燃料电池模块噪声测试结果
由图可以看出，空压机及氢气循环泵均随输出负载增加成阶梯状上升。空压机转速在负载150～180 A、270～300 A时较为稳定，与测量点3、7在负载电流150～180 A时，声压级在75.5 dB左右相对应；
氢气循环泵转速增加率在0～175 A较200～300 A低，与在测量点4、8测得噪音级在175 A前后变化率相对应。
图6 空压机、氢气循环泵转速变化
为进一探究不同辅助部件对工况下模块噪声测量结果的影响，采用控制变量法，分别测试不同辅助部件开启的情况下的模块噪声。分别对空压机、氢气循环泵、水循环系统在单独开启的情况下做了测试。为减少工作量，根据模块机械结构，仅在额定工况下，在被测部件噪声影响较大的位置选择两个测量点，在额定工况下对测量点的噪声进行测量。测量点选择如下表所示。
表1 测量点
如图所示，模块静置，仅开启空压机，模拟模块运行工况，即在空压机转速37900～78000 r/min区间对测量点3、7进行测量，测量结果表明在随着转速增加，声压级显著上升。在空压机启动时，测得最低噪声达为70.1 dB，在75 300转测得噪声极值为76.4 dB。在空压机转速为40600～46000 r/min、51300～56600 r/min、62000～67300 r/min时，所测得声压级有明显突增，而在图对应点3、7测得模块在运行工况下的声压级变化趋势具有一致性，可认为空压机运行过程中产生的噪声对模块运行噪声的影响较大。在试验过程中，发现空压机单独运行时有较大涡流噪声，并伴有气流啸叫声，分析认为噪声主要原因是空气进气口大量进气的空气动力学噪声及风机叶片高速挤压空气造成的涡流噪声。
图7 空气辅助系统噪声测试结果
模块静置，仅开启氢气循环泵，模拟模块运行工况，即在空压机转速1 050～5 550 r/min区间对测量点4、8进行测量，测量结果表明在随着转速增加，声压级同样显著上升，由于氢泵转速显著小于空压机转速，测得机械噪声分贝值及增加速率均较低，从启动时的64.9 dB增加为额定转速下的69.3 dB。氢气循环泵运行声压级随转速增加波动较为明显，存在明显波峰-波谷的波动变化。根据工况推测可能与氢气循环泵安装方式有关，氢泵电机震动通过氢泵安装架传至模块框架，导致模块板件震动产生辐射噪声，在某些转速下产生共振，因此出现测得声压级明显变化。
模拟工况下，关闭其余辅机，对水循环系统在不同散热功率下运行的噪声进行测量，水循环系统中水流量随负载输出的增加而增加。测量结果表示，散热功率与测得声压级无明显关系。测得噪声最大值为52.5 dB，对模块噪声测量结果无明显影响。
图8 氢气辅助系统噪声测试结果
图9 水循环系统噪声测试结果
通过对燃料电池模块运行工况下产生的噪声测试及分析得出空气辅助系统（空压机、空气管路）及氢气辅助系统（氢气循环泵、氢气管路）是燃料电池模块运行过程中噪声的主要来源，其中对空压机噪声的控制能够对燃料电池模块噪声极值的控制带来显著效果。对于燃料电池模块氢气辅助系统噪声的控制应集中于氢气循环泵安装方式及位置的布置，增加氢泵与模块间的阻尼系数，减少因共振产生的箱体辐射噪声。燃料电池模块的降噪工作是一个系统性的问题，既要控制噪声源声压级，又要采取衰减振动与噪声的措施。本文对燃料电池模块以后的降噪减振工作起到一定参考作用。
[1] 庞剑, 湛刚, 何华. 汽车噪声与振动-理论与应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 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，工程师。研究方向：燃料电池。E-mail: 1219018689@qq.com
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