燃料電池汽車車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)技術(shù)分析

鄭皓天，張?jiān)狼铮露?，陳向陽，蘭昊，楊沄芃

1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.山東科技大學(xué)，山東青島 266590；3. 北京市機(jī)動(dòng)車排放管理事務(wù)中心，北京 102612

0 引言

燃料電池汽車（fuel cell vehicle, FCV）在正常運(yùn)行過程中，氫氣的儲(chǔ)存與供給往往會(huì)因部件失效而產(chǎn)生氫泄漏類的安全性問題。車載氫系統(tǒng)是燃料電池汽車的核心子系統(tǒng)之一，發(fā)展車載氫系統(tǒng)安全性能測(cè)試和評(píng)價(jià)是促進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的重要工作。

為保證車載氫系統(tǒng)的氫安全性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者從模擬仿真、試驗(yàn)檢測(cè)及事故案例分析3個(gè)角度開展了系列研究。在模擬仿真層面，齊同侖等[1]對(duì)燃料電池車載氫系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)車載氫系統(tǒng)相關(guān)零部件在整車碰撞工況中是否出現(xiàn)可導(dǎo)致氫泄漏的損傷，并從固定位置脫落及泄漏情況來評(píng)估車載氫系統(tǒng)的安全性，提出車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的判定方法。在試驗(yàn)檢測(cè)層面，孫田等[2]提出一種判定車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法，并針對(duì)80套國(guó)產(chǎn)車載氫系統(tǒng)進(jìn)行安裝強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)分析車載氫系統(tǒng)制造裝配水平；李前[3]通過對(duì)比分析國(guó)際法規(guī)的各項(xiàng)要求，并結(jié)合我國(guó)車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的特點(diǎn)，從安裝要求、型式試驗(yàn)要求和關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目3個(gè)角度分析研究，提出了我國(guó)車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全泄壓裝置的技術(shù)要求；劉光輝等[4]針對(duì)5輛燃料電池公交客車整車氫氣泄漏、整車氫氣排放等性能進(jìn)行了檢測(cè)。在事故案例分析層面，Yang等[5]總結(jié)了氫安全性事故及其主要表現(xiàn)形式；李晨[6]進(jìn)一步分析了車載氫系統(tǒng)事故原因，為企業(yè)在車載氫系統(tǒng)氫安全技術(shù)方面的研發(fā)提供思路；胡華為等[7]對(duì)近3年儲(chǔ)氫系統(tǒng)發(fā)生的事故進(jìn)行匯總，從設(shè)計(jì)、配件、設(shè)備、人才方面存在的安全問題進(jìn)行分析，并提出安全性相關(guān)的建議。

本文結(jié)合目前車載氫系統(tǒng)氫安全的標(biāo)準(zhǔn)體系及相關(guān)測(cè)試規(guī)范，對(duì)車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)方法進(jìn)行分析和總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)探討部件強(qiáng)度試驗(yàn)、安裝強(qiáng)度試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)方法，構(gòu)建車載氫系統(tǒng)安全性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系框架，旨在為建立更加科學(xué)的定量測(cè)試與評(píng)價(jià)方法提供有益的借鑒和參考。

1 車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FCV主要由燃料電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)及車載氫系統(tǒng)等五大系統(tǒng)構(gòu)成，其中燃料電池系統(tǒng)和車載氫系統(tǒng)是FCV的核心子系統(tǒng)。燃料電池汽車主要部件構(gòu)成如圖1所示。車載氫系統(tǒng)是FCV系統(tǒng)中氫安全風(fēng)險(xiǎn)最高的部分，其主要由儲(chǔ)氫氣瓶、瓶口組合閥、加氫口、減壓閥、高壓管路與接頭以及傳感器與控制系統(tǒng)組成。

圖1 燃料電池汽車主要部件構(gòu)成

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的定義，車載氫系統(tǒng)是燃料電池電動(dòng)汽車上從加氫口至減壓閥中與氫氣加注、儲(chǔ)存、輸送、供給和控制有關(guān)的裝置。儲(chǔ)氫氣瓶由塑料內(nèi)膽（或鋁內(nèi)膽）和碳纖維儲(chǔ)氫材料構(gòu)成。隨著車載氫系統(tǒng)儲(chǔ)氫壓力的提高，目前多采用碳纖維材料作為儲(chǔ)氫氣瓶的承壓材料，以獲得較輕的質(zhì)量，從而保證車載氫系統(tǒng)具有足夠的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度。瓶口組合閥一般由主關(guān)斷閥、手動(dòng)截止閥、過流保護(hù)閥、安全泄壓裝置和單向閥等構(gòu)成并集成于儲(chǔ)氫氣瓶瓶口處。其中，安全泄壓裝置多采用溫度驅(qū)動(dòng)的壓力泄放裝置（TPRD）。

2 國(guó)內(nèi)外車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

高壓氫氣在應(yīng)用過程中往往會(huì)因設(shè)備的災(zāi)難性破裂、氫氣的大量泄漏或緩慢泄漏而產(chǎn)生一些安全性問題。車載氫系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中會(huì)面臨各種各樣的環(huán)境和工況，因此需要研究和驗(yàn)證其安全性。車載氫系統(tǒng)氫安全的測(cè)試評(píng)價(jià)對(duì)推動(dòng)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展、促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程都具有指導(dǎo)意義，而相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行可靠測(cè)試評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。隨著各國(guó)對(duì)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷投入，燃料電池汽車技術(shù)逐漸成熟，各國(guó)及各區(qū)域燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷制定和完善中。

國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)著行業(yè)最新的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)向，引領(lǐng)著國(guó)際車載氫系統(tǒng)氫安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。當(dāng)前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）針對(duì)車載氫系統(tǒng)已經(jīng)制定并發(fā)布了許多標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。其中，ISO 12619：2014《道路車輛壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫氣/天然氣混合物燃料系統(tǒng)組件》共包含16項(xiàng)子標(biāo)準(zhǔn)[8]，規(guī)定了應(yīng)用高壓氣態(tài)氫作為燃料的FCV的閥門、管路等各組件的設(shè)計(jì)要求與定義，規(guī)定了其性能要求與通用測(cè)試方法。此外，針對(duì)氫安全專門制定的全球技術(shù)法規(guī)VN GTR NO.13《燃料電池電動(dòng)汽車安全全球技術(shù)法規(guī)》[9]，包括車載氫系統(tǒng)各部件尺寸和標(biāo)識(shí)的說明，同時(shí)就結(jié)構(gòu)和功能安全性的特殊要求，對(duì)燃料電池電動(dòng)車輛進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)定，對(duì)燃料電池汽車標(biāo)準(zhǔn)的制定起到了綱領(lǐng)性作用?？傊?，國(guó)際上針對(duì)車載氫系統(tǒng)氫安全的發(fā)展熱點(diǎn)開展了大量的標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作，積極推動(dòng)了各國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工作的制定。

表1 國(guó)際車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)在車載氫系統(tǒng)檢測(cè)的技術(shù)條件和試驗(yàn)方法方面初步構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)體系，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表2。一方面GB/T 24549—2020《燃料電池電動(dòng)汽車 安全要求》[10]統(tǒng)籌考慮了在整車層級(jí)方面車載氫系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件的一般安全要求，另一方面也提出了車載氫系統(tǒng)部件級(jí)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 26779—2021《燃料電池電動(dòng)汽車加氫口》[11]和GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》[12]分別對(duì)加氫口與儲(chǔ)氫氣瓶的型式和參數(shù)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)做出明確規(guī)定。此外，GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》還規(guī)定了溫度驅(qū)動(dòng)安全泄壓裝置（TPRD）、截止閥和單向閥的型式試驗(yàn)方法與合格指標(biāo)等。

表2 我國(guó)車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3 車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)體系分析

為進(jìn)一步完善車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)試評(píng)價(jià)，由全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電動(dòng)車輛分技術(shù)委員會(huì)組織修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》已于2022年11月完成征求意見，再綜合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26779—2021《燃料電池電動(dòng)汽車加氫口》和GB/T 35544—2021《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，對(duì)我國(guó)車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)體系進(jìn)行分析。車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)體系由部件強(qiáng)度試驗(yàn)、安裝強(qiáng)度試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)組成，如圖2所示。

圖2 車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)體系

（1）部件強(qiáng)度試驗(yàn)。車載氫系統(tǒng)的安全保護(hù)裝置能夠在安全狀態(tài)異常時(shí)適時(shí)排出氫氣或停止氫氣供應(yīng)，為避免車載氫系統(tǒng)安全保護(hù)失效，需要對(duì)主關(guān)斷閥、加氫口、TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件等核心部件的強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。

主關(guān)斷閥試驗(yàn)需將主關(guān)斷閥下游管路與壓力檢測(cè)裝置、流量檢測(cè)裝置和截止閥按圖3所示連接，通過向氣瓶中充裝空氣和氮?dú)饽M氫氣在氫系統(tǒng)的工況以檢測(cè)主關(guān)斷閥功能。其具體步驟包括：向車載氫氣瓶（組）中充裝干燥空氣或氮?dú)庵凉Q工作壓力；關(guān)閉截止閥，按技術(shù)要求控制主關(guān)斷閥開啟；監(jiān)測(cè)下游壓力和流量變化，若壓力升高并保持穩(wěn)定，打開截止閥后流量正常，則主關(guān)斷閥正常開啟。

圖3 主關(guān)斷閥試驗(yàn)示意

加氫口是車輛上與加氫槍相連接的部件總成，加氫口外保護(hù)蓋內(nèi)側(cè)應(yīng)有明顯的包括工作壓力、氫氣標(biāo)志在內(nèi)的相關(guān)標(biāo)志。其安全要求與測(cè)試方法應(yīng)參照GB/T 26779—2021《燃料電池電動(dòng)汽車加氫口》所述試驗(yàn)方法進(jìn)行（表3）。

表3 加氫口安全性要求與測(cè)試方法

TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件的型式試驗(yàn)項(xiàng)目見表4，各項(xiàng)試驗(yàn)的測(cè)試方法和合格指標(biāo)可參考GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》中的相關(guān)章節(jié)。

表4 TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件型式試驗(yàn)項(xiàng)目

（2）安裝強(qiáng)度試驗(yàn)。當(dāng)車輛運(yùn)行顛簸或者發(fā)生碰撞時(shí)，能量的傳遞可能會(huì)造成氫系統(tǒng)框架變形、零部件移動(dòng)或損壞，導(dǎo)致連接的管路承受應(yīng)力，而應(yīng)力超過接頭承受能力后最終會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏。儲(chǔ)氫氣瓶的安裝強(qiáng)度直接關(guān)系到整車氫安全。為保障車載氫系統(tǒng)的氫氣瓶在受到?jīng)_擊后，緊固部件不發(fā)生變形、斷裂、松動(dòng)等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和靜態(tài)試驗(yàn)以評(píng)測(cè)儲(chǔ)氫氣瓶安裝強(qiáng)度。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)將儲(chǔ)氫氣瓶以不使用固定加強(qiáng)的方式固定在試驗(yàn)臺(tái)上，氣瓶中充裝干燥空氣或氮?dú)庵令~定充裝重量，施加加速度沖擊并保持至少30 ms。通常將汽車行駛方向定義為x軸，垂直于行駛方向的水平方向定義為y軸，垂直于水平面的方向定義為z軸。鑒于車型和車輛不同方向?qū)φ駝?dòng)強(qiáng)度的要求不同，不同方向所施加的加速度值也有差異，見表5。

表5 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)加速度限值

靜態(tài)試驗(yàn)中，鑒于單氣瓶和氣瓶組受力差異及氣瓶布置方式的差異調(diào)整了施力點(diǎn)，通過“力-位移”的關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)氣瓶安裝強(qiáng)度的判定。試驗(yàn)方法見表6。

表6 靜態(tài)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法

（3）氣密性試驗(yàn)。車載氫系統(tǒng)瓶體、瓶閥、管路和各連接處均應(yīng)密封良好，其檢測(cè)過程采用了“逐級(jí)加壓、逐級(jí)檢測(cè)”的方式。通過加氫口加注試驗(yàn)氣體，按照表7步驟加壓至設(shè)定壓力并保壓一段時(shí)間；每達(dá)到一個(gè)壓力點(diǎn)，使用氣體檢測(cè)儀檢測(cè)樣品所有連接處，讀取氣體泄漏率或泄漏濃度；35 MPa車載氫系統(tǒng)加壓至43.8 MPa，70 MPa車載氫系統(tǒng)加壓至87.5 MPa，保壓5 min，并觀察各部件有無損壞。

表7 車載氫系統(tǒng)加壓步驟

（4）環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。為保證燃料電池汽車的環(huán)境適應(yīng)性，使其能在極端環(huán)境下滿足運(yùn)輸及使用條件，須對(duì)車載氫系統(tǒng)耐高溫性能、耐低溫性能、耐濕熱性能、耐振動(dòng)性能及耐鹽霧腐蝕性能展開評(píng)測(cè)。環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)包括高低溫試驗(yàn)（表8）、濕熱試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。

表8 高低溫試驗(yàn)的試驗(yàn)方法

濕熱試驗(yàn)參考GB/T 2423.4—2008/IEC 60068-2-30：2005《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Db：交變濕熱（12 h＋12 h循環(huán)）》[13]進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)最高溫度采用60 ℃或更高溫度，循環(huán)5次。試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)在試驗(yàn)環(huán)境溫度下靜置觀察2 h以上。

振動(dòng)試驗(yàn)要求在車載氫系統(tǒng)的每個(gè)方向分別施加隨機(jī)和定頻振動(dòng)載荷，一般的加載順序?yàn)閦軸隨機(jī)、z軸定頻、y軸隨機(jī)、y軸定頻、x軸隨機(jī)、x軸定頻。試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)脫落、磨損、變形等異常時(shí)，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

鹽霧試驗(yàn)應(yīng)按照 GB/T 2423.17—2008/IEC 60068-2-11：1981《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Ka：鹽霧》[14]的測(cè)試條件進(jìn)行試驗(yàn)。鹽溶液采用氯化鈉和蒸餾水或去離子水配制，其濃度為（5±1）%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。（35±2）℃下測(cè)量pH在6.5～7.2。將試驗(yàn)對(duì)象放入鹽霧箱并按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行循環(huán)，每個(gè)循環(huán)持續(xù)24 h，在（35±2）℃下對(duì)試驗(yàn)對(duì)象噴霧8 h，然后靜置16 h，共進(jìn)行6個(gè)循環(huán)。

每次進(jìn)行高低溫試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)之后，需要對(duì)車載氫系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)各項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)車載氫系統(tǒng)安全性的影響。

4 結(jié)論

本文首先介紹了車載氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，梳理和分析了國(guó)內(nèi)外車載氫系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合車載氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有氫安全標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了車載氫系統(tǒng)安全性測(cè)評(píng)體系，分為以下4個(gè)方面：①部件強(qiáng)度試驗(yàn)主要包括主關(guān)斷閥、加氫口、TPRD、單向閥、截止閥和非金屬密封件試驗(yàn)；②安裝強(qiáng)度試驗(yàn)包括靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)；③氣密性試驗(yàn)；④環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)包括高低溫試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。本文詳細(xì)闡述了具體的試驗(yàn)方法，為全面測(cè)評(píng)車載氫系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的安全性提供了試驗(yàn)依據(jù)。