不同工況下的燃料電池模塊噪聲分析

洪浩源，雷 剛，王 振

應(yīng)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(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，武漢 430064）

對(duì)燃料電池模塊進(jìn)行了不同工況下的噪聲測(cè)試。根據(jù)燃料電池模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)布置，分析了燃料電池模塊的噪聲特性，并結(jié)合燃料電池模塊不同工況下的負(fù)載輸出、電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。分別對(duì)空氣輔助、氫氣輔助系統(tǒng)及水循環(huán)管理系統(tǒng)在模擬工況下單獨(dú)運(yùn)行的噪聲進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明空壓機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)模塊噪聲測(cè)試結(jié)果影響較大。優(yōu)化燃料電池模塊系統(tǒng)控制，降低空壓機(jī)轉(zhuǎn)速將有助于改善模塊外部聲學(xué)環(huán)境。

燃料電池模塊 噪聲特性 空壓機(jī)

0 引言

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（柴油機(jī)、汽油機(jī)）相比，燃料電池具有效率高、污染小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，在能源和環(huán)境問(wèn)題突出的今天，它具有廣闊的發(fā)展前景。

在正常工況下，燃料電池的噪聲比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的聲壓級(jí)略小，但是使用人員對(duì)于燃料電池噪聲的主觀感覺(jué)卻低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。這主要是因?yàn)槿剂想姵氐脑肼暯M成比較復(fù)雜，其噪聲的線性度沒(méi)有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)好，也就是其聲品質(zhì)較差[1]。因此對(duì)燃料電池噪聲的研究顯得尤為重要，通過(guò)對(duì)燃料電池噪聲源的分析識(shí)別可以為后續(xù)有效降低噪聲的聲壓級(jí)、降低燃料電池振動(dòng)、改善內(nèi)外聲特性品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲發(fā)生原理、噪聲源控制、降低振動(dòng)的研究較為成熟。國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及相關(guān)技術(shù)人員對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生因素、能量傳遞及優(yōu)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(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，其剛剛?cè)〉秒A段性成果，并無(wú)成熟產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外對(duì)于其噪聲特性研究較少，對(duì)于燃料電池系統(tǒng)噪聲問(wèn)題的文獻(xiàn)也不是很多。本文以燃料電池模塊為研究對(duì)象，對(duì)不同工況下模塊噪聲研究，可為以后進(jìn)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(duì)象為中船712所自主研發(fā)的RMZA-70 k系列燃料電池模塊（以下簡(jiǎn)稱燃料電池模塊），采用水冷質(zhì)子交換膜燃料電池。由燃料電池電堆、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、電壓巡檢模塊、主控制器等部件組成。其在結(jié)構(gòu)上采取了保護(hù)罩整體密閉防止氫氣外泄、分區(qū)設(shè)計(jì)、防爆泄爆設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于船、車(chē)、電站等多種場(chǎng)景。

圖1 70 kw模塊圖片

燃料電池模塊的動(dòng)力總成相較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)完全不同，其噪聲源也存在差別。燃料電池模塊的空氣供應(yīng)系統(tǒng)包含了空壓機(jī)、中冷器、膜增濕器、空氣管路等元器件；氫氣供應(yīng)系統(tǒng)包括了電磁閥、比例閥、氫氣循環(huán)泵、分水器、氫氣管路等元器件。在燃料電池模塊工作時(shí)，空氣由空氣濾清器過(guò)濾后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)通過(guò)吸入、排出空氣改變其壓力，以滿足燃料電池所需壓比; 再經(jīng)過(guò)中間冷卻器和增濕器轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m溫度和濕度的氣體后進(jìn)入燃料電池堆，其間通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制管路的壓力；氫氣路由高壓氫氣瓶經(jīng)減壓閥進(jìn)入電堆，未完全反應(yīng)完的氫氣通過(guò)氫氣循環(huán)泵再次循環(huán)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(duì)于燃料電池模塊的噪聲而言，其因素主要有：1）空氣壓縮機(jī)不斷地?cái)D壓或者高速旋轉(zhuǎn)空氣過(guò)程中的壓力波動(dòng)，于壓縮機(jī)進(jìn)氣口產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲；2）隨著節(jié)氣門(mén)的變化，節(jié)氣門(mén)出口產(chǎn)生的持續(xù)性噪聲；3）節(jié)氣門(mén)的變化也會(huì)引起管路內(nèi)的空氣壓力和速度的波動(dòng)，這種波動(dòng)沿管道向遠(yuǎn)方傳播，并在管道的入口處與節(jié)氣門(mén)之間產(chǎn)生多次反射，產(chǎn)生波動(dòng)噪聲，這一系列的因素均會(huì)影響空氣系統(tǒng)的噪聲；4）氫氣循環(huán)泵高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和電磁噪聲也會(huì)通過(guò)氫氣循環(huán)泵本體以及模塊框架輻射到周?chē)諝庵?，?duì)模塊的噪聲形成一定的影響。

2 噪聲測(cè)試

2.1 噪聲測(cè)試基本要求

噪聲測(cè)量辦法依據(jù)《固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)第二部分：性能試驗(yàn)方法》內(nèi)引用的ISO 3744聲壓法對(duì)噪聲源聲功率及和聲能量級(jí)進(jìn)行測(cè)試。

由于試驗(yàn)條件有限，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程未在消聲室內(nèi)進(jìn)行，為了滿足測(cè)試環(huán)境需求，減少試驗(yàn)誤差，選取除地面外沒(méi)有反射物體即空曠室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(cè)試基準(zhǔn)體，分為八個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量噪聲。

圖3 噪聲測(cè)試點(diǎn)示意圖

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，試驗(yàn)距離=0.5 m，試驗(yàn)前對(duì)背景噪聲進(jìn)行修正，背景噪音修正系數(shù)k1采用下式計(jì)算：

k1=-10Lg（1-10-0.1Lp）dB

其中Lp=LST-LB；LST-測(cè)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(yàn)采用的數(shù)采設(shè)備為Head公司的LD-831 0113CN 聲計(jì)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(tīng)力頻率范圍全覆蓋：1/3倍頻率6.3 Hz到20 kHz。

2.2 試驗(yàn)方法

燃料電池模塊運(yùn)行過(guò)程中，電堆、空氣壓縮機(jī)在工作時(shí)需要冷卻散熱。熱管理系統(tǒng)外置于模塊，包括有水柜、散熱器等部件，這些部件在工作時(shí)均會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲，會(huì)直接影響噪聲的測(cè)試。因此采用隔聲材料將其包裹起來(lái)，并與試驗(yàn)設(shè)備間隔一定距離，使其工作時(shí)的噪聲不干擾進(jìn)氣噪聲的測(cè)量。另外，在測(cè)試過(guò)程中，產(chǎn)生的尾氣需要排除。試驗(yàn)過(guò)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(duì)模擬燃料電池模塊在各個(gè)工況負(fù)載下的噪音進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)實(shí)際工況，將運(yùn)行過(guò)程分為16測(cè)量點(diǎn)，對(duì)應(yīng)燃料電池模塊輸出功率從0～70 kW，為保證測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量時(shí)間約5 min。根據(jù)燃料電池模塊噪聲產(chǎn)生特點(diǎn)，針對(duì)其可能的主要噪聲源空壓機(jī)及氫氣循環(huán)泵，在泵體設(shè)置加速度傳感器。下圖為燃料電池運(yùn)行工況圖。

圖4 燃料電池模塊工況圖

3 數(shù)據(jù)分析

由于燃料電池模塊功率與其負(fù)載電流成正相關(guān)，對(duì)燃料電池模塊模擬運(yùn)行工況下的噪聲進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得噪音經(jīng)修正后與電流的關(guān)系如圖所示。從總體上看，噪音與負(fù)載電流均成正相關(guān)，不同測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的噪聲聲壓值存在較大差別。燃料電池模塊運(yùn)行過(guò)程中測(cè)得噪音極值為78.5 dB，測(cè)量位置為測(cè)量點(diǎn)3，為負(fù)載電流為300 A時(shí)，即對(duì)應(yīng)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(cè)量點(diǎn)3。

分析燃料電池模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，燃料電池模塊內(nèi)部為分層結(jié)構(gòu)，測(cè)量點(diǎn)3、7位于空壓機(jī)進(jìn)氣口前后方，在測(cè)量過(guò)程中受空壓機(jī)影響較大?？諌簷C(jī)的安裝支架與模塊剛性聯(lián)接，因此空壓機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)直接作用在模塊板件上，容易引起模塊板件振動(dòng)并輻射噪聲；工作時(shí)空壓機(jī)不斷地?cái)D壓或者高速旋轉(zhuǎn)空氣過(guò)程中的壓力波動(dòng)，于空壓機(jī)機(jī)進(jìn)氣口產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲。測(cè)量點(diǎn)4、8位于氫泵安裝位置的前后方，測(cè)量數(shù)據(jù)與氫氣循環(huán)泵產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，電磁激勵(lì)聲影響較大。為進(jìn)一步探究燃料電池模塊噪聲產(chǎn)生原因，對(duì)模塊運(yùn)行過(guò)程中空壓機(jī)及氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行提取。

圖5 燃料電池模塊噪聲測(cè)試結(jié)果

由圖可以看出，空壓機(jī)及氫氣循環(huán)泵均隨輸出負(fù)載增加成階梯狀上升?？諌簷C(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載150～180 A、270～300 A時(shí)較為穩(wěn)定，與測(cè)量點(diǎn)3、7在負(fù)載電流150～180 A時(shí)，聲壓級(jí)在75.5 dB左右相對(duì)應(yīng)；氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速增加率在0～175 A較200～300 A低，與在測(cè)量點(diǎn)4、8測(cè)得噪音級(jí)在175 A前后變化率相對(duì)應(yīng)。

圖6 空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速變化

為進(jìn)一探究不同輔助部件對(duì)工況下模塊噪聲測(cè)量結(jié)果的影響，采用控制變量法，分別測(cè)試不同輔助部件開(kāi)啟的情況下的模塊噪聲。分別對(duì)空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵、水循環(huán)系統(tǒng)在單獨(dú)開(kāi)啟的情況下做了測(cè)試。為減少工作量，根據(jù)模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)，僅在額定工況下，在被測(cè)部件噪聲影響較大的位置選擇兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在額定工況下對(duì)測(cè)量點(diǎn)的噪聲進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)選擇如下表所示。

表1 測(cè)量點(diǎn)

如圖所示，模塊靜置，僅開(kāi)啟空壓機(jī)，模擬模塊運(yùn)行工況，即在空壓機(jī)轉(zhuǎn)速37900～78000 r/min區(qū)間對(duì)測(cè)量點(diǎn)3、7進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明在隨著轉(zhuǎn)速增加，聲壓級(jí)顯著上升。在空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，測(cè)得最低噪聲達(dá)為70.1 dB，在75 300轉(zhuǎn)測(cè)得噪聲極值為76.4 dB。在空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為40600～46000 r/min、51300～56600 r/min、62000～67300 r/min時(shí)，所測(cè)得聲壓級(jí)有明顯突增，而在圖對(duì)應(yīng)點(diǎn)3、7測(cè)得模塊在運(yùn)行工況下的聲壓級(jí)變化趨勢(shì)具有一致性，可認(rèn)為空壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對(duì)模塊運(yùn)行噪聲的影響較大。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)有較大渦流噪聲，并伴有氣流嘯叫聲，分析認(rèn)為噪聲主要原因是空氣進(jìn)氣口大量進(jìn)氣的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲及風(fēng)機(jī)葉片高速擠壓空氣造成的渦流噪聲。

圖7 空氣輔助系統(tǒng)噪聲測(cè)試結(jié)果

模塊靜置，僅開(kāi)啟氫氣循環(huán)泵，模擬模塊運(yùn)行工況，即在空壓機(jī)轉(zhuǎn)速1 050～5 550 r/min區(qū)間對(duì)測(cè)量點(diǎn)4、8進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明在隨著轉(zhuǎn)速增加，聲壓級(jí)同樣顯著上升，由于氫泵轉(zhuǎn)速顯著小于空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)得機(jī)械噪聲分貝值及增加速率均較低，從啟動(dòng)時(shí)的64.9 dB增加為額定轉(zhuǎn)速下的69.3 dB。氫氣循環(huán)泵運(yùn)行聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速增加波動(dòng)較為明顯，存在明顯波峰-波谷的波動(dòng)變化。根據(jù)工況推測(cè)可能與氫氣循環(huán)泵安裝方式有關(guān)，氫泵電機(jī)震動(dòng)通過(guò)氫泵安裝架傳至模塊框架，導(dǎo)致模塊板件震動(dòng)產(chǎn)生輻射噪聲，在某些轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生共振，因此出現(xiàn)測(cè)得聲壓級(jí)明顯變化。

模擬工況下，關(guān)閉其余輔機(jī)，對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)在不同散熱功率下運(yùn)行的噪聲進(jìn)行測(cè)量，水循環(huán)系統(tǒng)中水流量隨負(fù)載輸出的增加而增加。測(cè)量結(jié)果表示，散熱功率與測(cè)得聲壓級(jí)無(wú)明顯關(guān)系。測(cè)得噪聲最大值為52.5 dB，對(duì)模塊噪聲測(cè)量結(jié)果無(wú)明顯影響。

圖8 氫氣輔助系統(tǒng)噪聲測(cè)試結(jié)果

圖9 水循環(huán)系統(tǒng)噪聲測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃料電池模塊運(yùn)行工況下產(chǎn)生的噪聲測(cè)試及分析得出空氣輔助系統(tǒng)（空壓機(jī)、空氣管路）及氫氣輔助系統(tǒng)（氫氣循環(huán)泵、氫氣管路）是燃料電池模塊運(yùn)行過(guò)程中噪聲的主要來(lái)源，其中對(duì)空壓機(jī)噪聲的控制能夠?qū)θ剂想姵啬K噪聲極值的控制帶來(lái)顯著效果。對(duì)于燃料電池模塊氫氣輔助系統(tǒng)噪聲的控制應(yīng)集中于氫氣循環(huán)泵安裝方式及位置的布置，增加氫泵與模塊間的阻尼系數(shù)，減少因共振產(chǎn)生的箱體輻射噪聲。燃料電池模塊的降噪工作是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題，既要控制噪聲源聲壓級(jí)，又要采取衰減振動(dòng)與噪聲的措施。本文對(duì)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(chē)噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M]. 北京: 北京理工大學(xué)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