燃料電池汽車儲氫安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

胡星，田宇鵬，阮觀強(qiáng)，程金潤

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

引言

中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展對中國的資源、能源和環(huán)境產(chǎn)生了越來越大的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國31 %的氣候退化、霧霾等環(huán)境現(xiàn)象是由汽車行業(yè)造成的；此外，中國目前原油對外依存度已高達(dá)72 %[1]。面對環(huán)境和資源的雙重壓力，國家密集出臺多項(xiàng)政策，支持新能源汽車發(fā)展，鼓勵消費(fèi)者參與綠色消費(fèi)。燃料電池汽車被認(rèn)為是燃油車最直接的替代品，因?yàn)樗鼈兊睦m(xù)航里程和加油時(shí)間相似[2]。質(zhì)子交換膜燃料電池是一種高效與環(huán)保兼?zhèn)涞陌l(fā)電裝置，目前燃料電池汽車主要使用質(zhì)子交換膜燃料電池[3]。

國外燃料電池行業(yè)因?yàn)椴季州^早，現(xiàn)在取得了不俗的成果。如豐田、現(xiàn)代、本田等日韓公司都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池的批量化生產(chǎn)，并制定了各自商用化時(shí)間表，日本豐田汽車于2014年12月商業(yè)化燃料電池汽車Mirai；韓國現(xiàn)代汽車已于2013年量產(chǎn)了燃料電池汽車ix35；日本本田汽車于2015年11月首次推出了旗下首款氫氧燃料汽車Clarity。除此之外，美國也在積極布局燃料電池汽車。2009年，美國奧巴馬政府實(shí)施經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃中，包括質(zhì)子交換膜燃料電池在內(nèi)的先進(jìn)能源技術(shù)投入資金為3 億美元 ；2011年對氫能及燃料電池技術(shù)項(xiàng)目的預(yù)算為1.37 億美元；2012年8月，奧巴馬政府實(shí)施新的激勵機(jī)制，提高燃料電池汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)，而且美國能源部下屬辦公室出臺多項(xiàng)用于獎勵發(fā)展燃料電池技術(shù)的政策。為了鼓勵公眾企業(yè)使用燃料電池，根據(jù)美國燃料電池和氫能協(xié)會發(fā)布的2016年美國燃料電池和氫能源發(fā)展總結(jié)報(bào)告，美國政府在多達(dá)10 個州頒布了包括稅收激勵、調(diào)整上網(wǎng)電價(jià)等多項(xiàng)針對燃料電池汽車發(fā)展的優(yōu)惠措施。更是在2019年發(fā)布的《美國氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》中詳細(xì)介紹了美國如何通過在決策者和工業(yè)界共同努力，進(jìn)一步投資和減少監(jiān)管壁壘，繼續(xù)發(fā)展氫能，并在行業(yè)中保持領(lǐng)先地位。

我國對氫能和燃料電池汽車技術(shù)的應(yīng)用研究可以追溯到20 世紀(jì)50年代，國家“863”計(jì)劃、“十五”電動汽車重大科技專項(xiàng)、“十一五”節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目、“十二五”電動汽車關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成重大項(xiàng)目、“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃及《中國制造2025》等。

為了消除各國在燃料電池汽車行業(yè)的貿(mào)易壁壘，聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（UN/WP29）于2013年7月發(fā)布《氫燃料電池汽車全球技術(shù)法規(guī)》（GTR13）[4]，主要目的是為了確保氫燃料電池汽車能夠達(dá)到與傳統(tǒng)燃油車相同的安全水平，并防止司機(jī)和乘員因氫氣爆炸或燃燒而受傷[5]。

GTR13 法規(guī)詳細(xì)規(guī)定了燃料電池汽車的基本安全要求，包括燃料電池整車安全以及存儲氫氣系統(tǒng)的要求和試驗(yàn)方法等更是其最重要的技術(shù)規(guī)范。GTR13 對燃料電池汽車的安全要求與我國現(xiàn)有燃料電池汽車安全標(biāo)準(zhǔn)之間仍然有一定的差異之處。其中，我國燃料電池整車安全要求和測試方法由國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車安全要求》[6]所規(guī)定，存儲氫氣系統(tǒng)的安全要求和試驗(yàn)方法由國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》[7]所規(guī)定。

鑒于GTR13 頒布實(shí)施后，我國儲氫系統(tǒng)安全技術(shù)的發(fā)展將受到重大影響，且面臨較大挑戰(zhàn)。因此，有必要吸取GTR13 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，加強(qiáng)與發(fā)達(dá)國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接軌，提出合理化建議，構(gòu)建我國燃料電池汽車儲氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)策略，為企業(yè)盡快突破國外的貿(mào)易壁壘提供技術(shù)支撐。

1 GTR13 法規(guī)簡介

GTR13 對氫燃料電池車輛的安全要求旨在最大限度地降低車輛燃料和儲氫系統(tǒng)中燃料電池系統(tǒng)的火災(zāi)、爆炸或泄漏所造成的風(fēng)險(xiǎn)，以保護(hù)車輛司機(jī)和乘客的安全。

1.1 性能要求

GTR13 提供了壓縮氫儲存系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)和電氣安全的性能要求和型式試驗(yàn)要求。按照規(guī)定，燃料電池汽車的壓縮氫儲存系統(tǒng)必須執(zhí)行表1 的型式試驗(yàn)項(xiàng)目，保證新開發(fā)的燃料電池汽車滿足安全要求。

表1 燃料電池汽車壓縮氫儲存系統(tǒng)型式試驗(yàn)項(xiàng)目

1.2 壓縮氫氣儲存系統(tǒng)安全要求

GTR13 所指的壓縮氫氣儲存系統(tǒng)包括儲氫瓶、溫度驅(qū)動安全泄壓裝置（TPRD）、單向閥、截止閥、管路和配件、加氫口、排氣系統(tǒng)、報(bào)警裝置及電安全系統(tǒng)等，其公稱工作壓力NWP應(yīng)不大于70 MPa，使用年限應(yīng)不高于15年。

儲氫瓶：氫氣瓶公稱工作壓力不大于70 MPa，溫度為（-40～85）℃，且容積不大于450 L，設(shè)計(jì)壽命不高于15年。

TPRD：進(jìn)行泄露試驗(yàn)、氣壓循環(huán)試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、抗鹽霧腐蝕試驗(yàn)、汽車環(huán)境試驗(yàn)、跌落和振動試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕裂紋試驗(yàn)等。

單向閥、截止閥、管路和配件：進(jìn)行泄露試驗(yàn)、靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)、大氣暴露試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)、預(yù)冷氫氣暴露試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、汽車環(huán)境試驗(yàn)、抗鹽霧腐蝕試驗(yàn)、極端溫度壓力循環(huán)試驗(yàn)、電氣試驗(yàn)等。

加氫口：加氫口能夠組織燃料回流，同時(shí)，加氫口的標(biāo)簽上應(yīng)注明所用燃料類型、PNW（正常工作壓力）以及對應(yīng)的有效期。

排氣系統(tǒng)：TPRD 的氫氣排放口應(yīng)使用蓋子保護(hù)；在正常運(yùn)行期間，排氣系統(tǒng)的排放氫濃度不得連續(xù)3 s 超過4 %的體積分?jǐn)?shù)，并且在任何時(shí)候都不得超過8 %的體積分?jǐn)?shù)。對排氣系統(tǒng)的碰撞試驗(yàn)有以下安全要求，最主要的是控制氫氣泄漏率，按照GTR13 法規(guī)要求，排氣系統(tǒng)在碰撞試驗(yàn)過程中的氫氣泄露率應(yīng)當(dāng)?shù)陀?18NL/h，與此同時(shí)要保證客艙和行李箱中的氫氣濃度保持在較低水平，一般要求為4 %的體積分?jǐn)?shù)。

報(bào)警裝置：汽車運(yùn)行過程中，氫氣泄露程度超過3 %的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，系統(tǒng)必須發(fā)出警告；氫氣泄漏時(shí)，任何條件下都不應(yīng)該排放到車內(nèi)空間，包括無保護(hù)點(diǎn)火源的封閉或半封閉空間；如果車輛封閉或半封閉空間中的氫氣濃度超過3 %的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，則應(yīng)關(guān)閉主截止閥。

電安全系統(tǒng)：燃料電池汽車高壓系統(tǒng)電壓可達(dá)（300～600）V，因此，必然存在這高壓觸電的風(fēng)險(xiǎn)。電安全系統(tǒng)必須提供安全的防觸電措施，保證人員人身安全。燃料電池汽車的電安全系統(tǒng)要求分為汽車運(yùn)行過程中的電安全要求以及汽車發(fā)生碰撞后的電安全要求等兩個方面的內(nèi)容，具體試驗(yàn)項(xiàng)目如表2 所示。

表2 電安全性能測試

2 我國燃料電池電動汽車儲氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)

目前大多數(shù)燃料電池汽車都采用高壓壓縮儲氫的方法。典型的高壓壓縮儲氫系統(tǒng)由儲氫瓶、TPRD、單向閥、截止閥及以上組件間的管路和配件等組成。儲氫瓶按照材料不同可劃分為四全金屬氣瓶（Ⅰ型）、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（Ⅱ型）、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅲ型）和非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅳ型）等四種常見類型。Ⅰ型和Ⅱ型儲氫瓶由于重量容積比過大，不適合應(yīng)用于燃料電池汽車儲氫系統(tǒng)；而Ⅳ型儲氫瓶由于氫氣在高壓下容易從非金屬內(nèi)膽向外泄漏，且金屬材質(zhì)的瓶口閥與非金屬內(nèi)膽的連接強(qiáng)度難以保證。因此，我國尚不允許將Ⅳ型儲氫瓶應(yīng)用于燃料電池汽車儲氫系統(tǒng)。

經(jīng)過多年的努力，我國基本形成了整個燃料電池汽車安全標(biāo)準(zhǔn)體系，包括：GB/T 24548-2009《燃料電池電動汽車術(shù)語》[8]、GB/T 24549-2020《燃料電池電動車安全要求》，GB/T 26779-2021《燃料電池電動汽車加氫口》[9]、GB/T 26990-2011《燃料電池電動車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》[10]和GB/T 35544-2017《車用壓縮氫鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》。

目前，我國采用的關(guān)于燃料電池汽車的安全法規(guī)GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車 安全要求》和GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》的主要的測試項(xiàng)目如下：

1）儲氫瓶

儲氫瓶采用符合GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》標(biāo)準(zhǔn)要求的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（Ⅲ型），且應(yīng)為通過國家氣瓶質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式試驗(yàn)檢測的定型產(chǎn)品。

2）溫度驅(qū)動安全泄壓裝置

溫度驅(qū)動安全泄壓裝置符合GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》標(biāo)準(zhǔn)要求，采用易熔合金塞或其他合適的結(jié)構(gòu)型式，其動作溫度應(yīng)為（110±5）℃，且泄放口不得朝向瓶體。

3）單向閥、截止閥、管路和配件

單向閥、截止閥、管接頭等管路系統(tǒng)零部件的測試方法缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)支撐。目前，這些零部件的測試是依據(jù)GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》標(biāo)準(zhǔn)，隨氫氣瓶一起進(jìn)行部分型式試驗(yàn)的驗(yàn)證。

也因此，成功經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛘饔糜谛芷谕啻蔚氖〗?jīng)驗(yàn)會降低效能期望。然而就自我效能本身來說，它受個體內(nèi)部因素影響較大，外機(jī)遇等因素對其影響不大。所以，影響學(xué)會就業(yè)焦慮的主要還是學(xué)生的自我意識，如果能以正確的態(tài)度看待失敗經(jīng)驗(yàn)，并作出積極判斷，堅(jiān)持自己的目標(biāo)，就會產(chǎn)生較強(qiáng)的自我效能，也會在就業(yè)競爭中給自己增添優(yōu)勢，從而減少焦慮的產(chǎn)生。

4）加氫口

加氫口符合GB/T 26779-2021《燃料電池電動汽車加氫口》標(biāo)準(zhǔn)要求。通過加氫口加注燃料，加氫口配有防塵罩，可以防止灰塵、土壤、液體和污染物進(jìn)入。最大加注壓力顯示在防塵罩旁邊，并有消除靜電的措施。加注口在具有一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上滿足氣密性要求，在承受來自任意方向670N 大小載荷的條件下也不會發(fā)生失效現(xiàn)象。

5）排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)符合GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車安全要求》標(biāo)準(zhǔn)要求。燃料電池汽車發(fā)生故障或事故后，為了保證車內(nèi)人員人身和財(cái)產(chǎn)安全，排氣系統(tǒng)通風(fēng)或排氣時(shí)，氣流方向應(yīng)該遠(yuǎn)離車內(nèi)人員，也不能直接排向客艙以及行李艙，同時(shí)氫氣氣流必須保證不流向車內(nèi)電源或其它點(diǎn)火源。為了確保氫氣不在管道中泄露，流通氫氣的管道必須選用高熔點(diǎn)的金屬材料。

6）報(bào)警裝置

當(dāng)車內(nèi)氫氣濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，可以通過聲音報(bào)警、緊急顯示、切斷氣源或切斷電源等方式進(jìn)行示警。當(dāng)系統(tǒng)檢測到車內(nèi)氫氣濃度達(dá)到2 %的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，通過聲音報(bào)警裝置或緊急顯示方式提醒車內(nèi)人員注意到可能的安全風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)系統(tǒng)檢測到車內(nèi)氫氣濃度達(dá)到3 %的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)主動切斷氣源，或者直接關(guān)閉系統(tǒng)電源；當(dāng)氫氣泄漏探測傳感器發(fā)生故障時(shí)，如信號中斷、斷路、短路時(shí)，應(yīng)能向駕駛員發(fā)出故障警告信號。

7）電安全系統(tǒng)

燃料電池電動汽車電安全應(yīng)符合GB 18384-2020《電動汽車安全要求》[11]的規(guī)定。目前，燃料電池汽車電安全標(biāo)準(zhǔn)對直接觸電防護(hù)、間接接觸防護(hù)以及功能安全防護(hù)等方面提出了安全要求和實(shí)驗(yàn)方法。通過絕緣材料、外殼或遮攔實(shí)現(xiàn)人體與帶電部件的物理隔離。在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻應(yīng)不小于100 Ω/V，交流電路應(yīng)不小于500 Ω/V。

3 燃料電池汽車儲氫系統(tǒng)安全技術(shù)建議

為保證燃料電池汽車盡快的普及，在明確安全性方面的要求上，參考GTR13，我國應(yīng)做好相關(guān)儲氫安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的研究，及時(shí)制定、修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建議做好以下內(nèi)容的落實(shí)：

1）儲氫瓶

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》已發(fā)布實(shí)施，規(guī)定了70 MPa 及以下“車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶”的各項(xiàng)技術(shù)要求，該標(biāo)準(zhǔn)氣瓶安全技術(shù)指標(biāo)不低于GTR 13，滿足我國燃料電池汽車發(fā)展需求。

2）溫度驅(qū)動安全泄壓裝置

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》規(guī)定了溫度驅(qū)動安全泄壓裝置的試驗(yàn)方法與合格指標(biāo)，該標(biāo)準(zhǔn)溫度驅(qū)動壓力泄放裝置安全技術(shù)指標(biāo)不低于GTR 13，滿足我國燃料電池汽車發(fā)展需求。

3）單向閥、截止閥、管路和配件

單向閥、截止閥、管接頭等管路系統(tǒng)零部件缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)支撐，可參考GTR13，隨氫氣瓶一起進(jìn)行部分型式試驗(yàn)的驗(yàn)證，試驗(yàn)使用氫氣進(jìn)行。所有試驗(yàn)如果沒有特殊規(guī)定的話都在常溫20 ℃下進(jìn)行。試驗(yàn)內(nèi)容包括：泄露試驗(yàn)、靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)、大氣暴露試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)（適用于銅基材料）、預(yù)冷氫氣暴露試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、汽車環(huán)境試驗(yàn)、抗鹽霧腐蝕試驗(yàn)、極端溫度壓力循環(huán)試驗(yàn)、電氣試驗(yàn)（僅適用于自動關(guān)斷閥）等。

4）加氫口

加氫口的型式及技術(shù)要求應(yīng)滿足GB/T 26779-2021《燃料電池電動汽車 加氫口》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并應(yīng)通過國家機(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)加氫口安全技術(shù)指標(biāo)不低于 GTR 13，滿足我國燃料電池汽車發(fā)展需求。

5）排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)符合GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車安全要求》標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合GTR13，增加碰撞后整車泄露報(bào)警。碰撞試驗(yàn)后的安全要求主要是控制氫氣泄漏率，氫氣泄漏率不應(yīng)超過118 NL/h，客艙和行李箱中的氫氣濃度不應(yīng)超過4 %的體積分?jǐn)?shù)。

6）報(bào)警裝置

報(bào)警裝置符合GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車安全要求》標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)結(jié)合GB/T 26990-2011《燃料電池電動車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》和GTR13，增加整車氫氣泄漏檢測標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到車內(nèi)氫氣濃度達(dá)到2 %的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，通過聲音報(bào)警裝置或緊急顯示方式提醒車內(nèi)人員注意到可能的安全風(fēng)險(xiǎn)，報(bào)警燈顯示為黃色；當(dāng)系統(tǒng)檢測到車內(nèi)氫氣濃度達(dá)到3 %的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)主動切斷氣源，或者直接關(guān)閉系統(tǒng)電源，報(bào)警燈顯示為紅色。

7）電安全系統(tǒng)

電安全系統(tǒng)符合GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車 安全要求》標(biāo)準(zhǔn)要求。引用標(biāo)準(zhǔn)GB 18384-2020《電動汽車安全要求》和GTR13 的內(nèi)容，對燃料電池動力系統(tǒng)進(jìn)行在線絕緣檢測，提高安全性。

4 研究展望

GTR13 實(shí)施后，我國燃料電池汽車儲氫系統(tǒng)的發(fā)展將面臨較大挑戰(zhàn)。本文對GTR13 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收集、翻譯和整理工作，對標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)儲氫系統(tǒng)安全的內(nèi)容進(jìn)行解讀，重點(diǎn)闡明GTR13 壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的安全能要求；分析我國目前的燃料電池汽車儲氫安全標(biāo)準(zhǔn)，并和GTR13 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，總結(jié)我國燃料電池汽車儲氫標(biāo)準(zhǔn)不足之處；根據(jù)我國燃料電池汽車儲氫標(biāo)準(zhǔn)與GTR13 的分析對比，吸取GTR13 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，對在我國燃料電池汽車儲氫安全標(biāo)準(zhǔn)修訂提出相關(guān)建議。

GTR13 要求以儲氫系統(tǒng)和整車為測試對象，但國內(nèi)缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。相比GB/T 35544-2017 規(guī)定了單個閥門的試驗(yàn)項(xiàng)目，而GTR13 儲氫系統(tǒng)安全型式試驗(yàn)的試驗(yàn)對象為整個系統(tǒng)，將TPRD、單向閥、截止閥、管路和配件等一起與氫氣瓶做型式試驗(yàn)。相比較GB/T 24549-2020《燃料電池電動汽車 安全要求》標(biāo)準(zhǔn)，GTR13 還規(guī)定了整車氫氣泄露量指標(biāo)要求。解讀GTR13儲氫安全測試方法，為企業(yè)盡快突破燃料電池的貿(mào)易壁壘提供了技術(shù)支撐，助力了我國燃料電池汽車行業(yè)的破壁再出發(fā)。