车用复合材料储氢气瓶火烧试验方法标准对比研究*

李介普，古纯霖，赵保頔，李 翔

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

随着氢能产业的发展，氢燃料电池汽车的安全性能成为广泛关注的重点，车用复合材料储氢气瓶是氢燃料电池汽车的重要能源储存部件，其安全性能已成为氢能源安全应用的关键环节[1-3]。目前，车用复合材料储氢气瓶向着高压力、轻量化、高储氢密度的方向发展，35，70 MPa的车用Ⅲ型储氢气瓶、Ⅳ型储氢气瓶产品的设计研发进展迅速[4-5]。研究表明[6]：氢燃料电池汽车起火时，储氢气瓶的PRD可能因受热不足无法及时泄放，导致气瓶表面的纤维缠绕层力学性能急剧下降而发生爆炸。因此，需开展车用复合材料储氢气瓶的火烧试验方法研究，验证储氢气瓶在规定火烧条件下防爆能力，确保车用复合材料储氢气瓶在火灾情况下的安全可靠。

本文从试验形式、火源设置、温度测量要求、安全防护要求、试验温度要求、合格指标等方面，对比分析各标准中车用复合材料储氢气瓶的火烧试验方法，指出现有车用复合材料储氢气瓶火烧试验方法有待进一步研究的问题。

1 车用复合材料储氢气瓶的国内外标准

国际上车用复合材料储氢气瓶设计、制造、型式试验环节的法规标准主要有：美国标准《燃料电池和其他氢型车辆中燃料系统标准》(SAE J2579—2009)(以下简称SAE J2579)[7]、国际标准《气瓶-可重复充装复合材料气瓶和长管》(ISO 11119—2013)(以下简称ISO 11119)[8]和《车用氢气及氢混合气体储存气瓶》(ISO/TS 15869—2009)(以下简称ISO 15869)[9]、联合国欧洲经济委员会的世界车辆法规协调论坛(WP29)内陆运输委员会(ITC)发布的《氢燃料电池汽车全球技术法规》(HFGV-GTR13—2013)[10](以下简称GTR13)等。目前，我国已经制定了车用Ⅲ型储氢气瓶的国家标准《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》(GB/T 35544—2017)(以下简称GB/T 35544)[11]，并在2020年9月，由中国技术监督情报协会发布了车用Ⅳ型储氢气瓶的团体标准《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》(T/CATSI 02 007—2020)(以下简称T/CATSI 02 007)[12]。

SAE J2579标准由美国汽车工程师协会于2009年制定，规定了燃料电池和其他氢能车辆中燃料储存系统的设计、建造、型式试验和维护要求，适用于设计寿命在15～25 a的Ⅰ型～Ⅳ型车用储氢气瓶。国际标准ISO 11119适用于Ⅱ型～Ⅴ型的、容积不大于150 L的车用复合材料储氢气瓶和容积为150～450 L的运输用气氢和液氢瓶，气瓶的最小设计寿命15 a。国际标准(ISO/TS 15869—2009)适用于公称压力为25，35，70 MPa、设计寿命15～20 a的车用Ⅰ型～Ⅳ型储氢气瓶。GTR13法规是由联合国世界车辆法规协调论坛制定的主旨在于开发和建立氢燃料电池汽车的全球性技术法规，规定了压缩氢储存系统的合格性试验方法，适用于公称压力≤70 MPa、设计寿命≤15年的Ⅱ型～Ⅳ型车用复合材料储氢气瓶。

我国的国家标准GB/T 35544规定了[11]车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则等要求，适用于设计制造公称工作压力不超过70 MPa、公称水容积不大于450 L、贮存介质为压缩氢气、工作温度不低于-40 ℃且不高于85 ℃、固定在道路车辆上用作燃料箱的可重复充装气瓶。中国技术监督情报协会发布的团体标准T/CATSI 02 007规定了[12]车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则等要求，适用于设计制造公称工作压力不超过70 MPa(应为35，70 MPa)、公称水容积不大于450 L、贮存介质为压缩氢气、工作温度不低于-40 ℃且不高于85 ℃、固定在道路车辆上用作燃料箱的可重复充装气瓶。

2 车用复合材料储氢气瓶火烧试验方法对比分析

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007标准及GTR13法规在车用复合材料储氢气瓶火烧试验的试验形式、通用要求、试验步骤、合格指标等方面的要求有较大差异。本文针对上述6个车用储氢气瓶的国内外标准，从试验形式、火源设置、温度测量要求、安全防护要求、试验温度要求、合格指标等方面，对比分析各标准中车用复合材料储氢气瓶的火烧试验方法。

2.1 试验形式

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007标准及GTR13法规规定的火烧试验形式对比见表1。

由表1可知，SAE J2579和ISO 11119标准规定采用整体火烧方法进行火烧试验，其余标准均采用局部火烧扩展到整体火烧的试验形式。车用复合材料储氢气瓶在使用端的火灾事故分为整体受火和局部受火2种，根据Scheffler等[13]的研究表明，氢燃料电池汽车起火时，车用复合材料储氢气瓶会经历由局部火烧扩展到整体火烧的过程，在局部火烧阶段，气瓶存在因PRD受热不足无法泄放瓶内气体而爆破失效的风险，更需关注局部火烧情况下的气瓶安全性能。

表1 不同标准的火烧试验形式对比Table 1 Comparison of fire test experiment forms in different standards

因此，整体火烧方法无法验证车用复合材料储氢气瓶在局部火烧时的安全性能，局部火烧扩展至整体火烧的火烧试验方法则考虑了气瓶受远离PRD的局部火灾而发生爆炸的最危险情况，有效验证储氢气瓶在局部火烧情况下的耐火性能，更贴近车载储氢瓶火灾事故的真实情况。

2.2 火源设置

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007标准及GTR13法规对于火源设置的要求对比见表2。

表2 不同标准的火源设置要求对比Table 2 Comparison of fire source setting requirements in different standards

由表2可知，在火焰尺寸要求方面，采用整体火烧试验方法的SAE J2579和ISO 11119标准均规定需设置长度为1.65 m的均匀火源，火源宽度应包围或大于等于气瓶直径。采用局部火烧扩展至整体火烧试验方法的ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007标准及GTR13法规均规定局部火烧时火源长度为(250±50)mm，整体火源时火源长度扩展至气瓶整体长度。ISO 15869标准及GTR13法规还规定了整体火源长度不超过1.65 m，GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准没有限制火源的最大长度。在气瓶与火源的距离要求方面，所有标准均规定气瓶下表面距离火源约为100 mm。

目前，各标准在火源设置方面的要求是否符合车用复合材料储氢气瓶使用端的实际情况还有待进一步研究，建议我国的车用复合材料储氢气瓶相关标准结合车用复合材料储氢气瓶使用端的火灾实际情况，对火源设置要求进行优化，使火焰更贴近实际的火灾工况，提高火烧试验的可操作性和可重复性。

2.3 温度测量要求

气瓶表面的温度是火烧试验关注的主要参数，在典型火灾工况下气瓶的压力、温度响应规律是研究火烧试验方法和评价指标的主要依据。在火烧试验中，每隔30 s或更短时间记录1次热电偶温度和气瓶压力，各标准的试验温度测量要求对比见表3。

由表3可知，在热电偶数量的规定方面，采用整体火烧方法的SAE J2579和ISO 11119标准规定热电偶的数量至少为3个。其余采用先局部火烧后扩展至整体火烧试验方法的标准均规定热电偶数量至少为5个，并对局部火烧区域和其他区域的热电偶数量进行了明确。在热电偶的间距要求方面，SAE J2579标准规定热电偶之间的间距不超过0.75 m，ISO 11119标准未对热电偶的间距进行规定，其余标准均规定热电偶需等距布置，间距不超过0.5 m。

表3 不同标准的试验温度测量要求对比Table 3 Comparison of test temperature measurement requirements in different standards

在热电偶的布置区域方面，SAE J2579和ISO 11119标准未对热电偶的布置区域进行规定，其余标准均规定热电偶需沿气瓶轴向不超过1.65 m的区域进行布置。在热电偶与气瓶的距离要求方面，ISO 11119标准未做规定，其余标准均规定热电偶距气瓶下表面的距离为(25±10)mm。

目前，各标准火烧试验方法均规定热电偶需布置在距离气瓶下表面25 mm处的位置进行温度监测，根据欧可升[14]等学者的研究，PRD的驱动热源主要来源于气瓶壁面的热传导和气瓶外部的空气传热。因此，热电偶在距离气瓶下表面25 mm的位置测得的温度值是否能代表气瓶的壁面温度还有待进一步研究，以确保测量的温度值准确地反应瓶体的壁面温度，保障温度采集的真实性。

2.4 安全防护要求

为了防止气瓶在火烧试验中发生爆炸等破坏性事故，保障火烧试验装置及试验人员的安全，气瓶火烧试验的安全防护要求应从安全泄放装置安全防护、热电偶安全防护和试验装置及现场环境安全防护3个方面进行考虑。各标准对于火烧试验的安全防护要求对比见表4。

由表4可知，在安全泄放装置的防护要求方面，GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准均未做规定，SAE J2579、ISO 11119和ISO 15869标准均规定安全泄放装置应该被金属挡板保护，避免火焰直接接触，但未对金属挡板的结构和布置方法进行要求。当金属挡板对安全泄放装置的保护不到位时，可能会使得安全泄放装置在试验中提前泄放；当金属挡板的保护过度时，可能导致安全泄放装置被严重隔热，增加火烧试验的危险性。在热电偶的防护要求方面，GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准未做规定，ISO 11119和ISO 15869标准规定使用至少0.4 mm厚的金属挡板保护热电偶，SAE J2579规定将热电偶嵌入边长25 mm的金属测量块中保护热电偶。在试验装置及环境的安全防护要求方面，各标准中只有GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准规定应采用挡风板等遮风措施，使气瓶受热均匀，但没有给出明确的防风挡板的结构和布置方法的要求。

表4 不同标准的火烧试验安全防护要求对比Table 4 Comparison of safety protection requirements for fire test in different standards

因此，建议我国的车用复合材料储氢气瓶相关标准明确火烧试验装置防风挡板、安全泄放装置金属防护挡板、热电偶安全防护装置的结构设计和布置方法的要求，避免火烧试验中气瓶爆炸的危害，保障试验的安全可靠。

2.5 试验温度要求

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007标准及GTR13法规对于试验温度的要求对比见表5。

由表5可知，SAE J2579、ISO 11119等标准采用的整体火烧试验方法主要关注火烧试验点火5 min后的热电偶温度值，SAE J2579标准要求不低于500 ℃，ISO 11119标准要求为不低于590 ℃。SAE J2579和ISO 11119标准中规定的点火5 min后的热电偶温度值，主要借鉴于车用压缩天然气气瓶的火烧试验方法[15-16]。

由表5可知，除SAE J2579、ISO 11119标准以外的其他标准均采用先局部火烧后扩展到整体火烧的试验形式，GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准的试验温度要求相同：在局部火烧阶段，气瓶火烧区域上热电偶指示温度在点火后1 min内至少应达到300℃，在3 min内至少达到600 ℃，在之后的7 min内不得低于600 ℃，但不得超过900 ℃。点火10 min 后进入整体火烧阶段，火焰应迅速布满整个气瓶长度，热电偶指示温度至少应达到800 ℃，但不得超过1 100 ℃。此外，ISO 15869标准对试验温度的要求，除局部火烧时间要求的8 min比GTR13法规要求的10 min短2 min以外，其他要求与GTR13法规完全相同。

表5 不同标准的试验温度要求对比Table 5 Comparison of test temperature requirements in different standards

采用整体火烧试验方法进行试验时，对于火烧试验温度的要求较简单，火烧试验装置对火烧温度的控制要求容易实现，试验的可操作性和可重复性较高。采用先局部火烧后扩展到整体火烧的火烧试验方法时，虽然弥补了整体火烧试验方法不能有效验证高压储氢气瓶在局部受火环境下的安全性能问题，但需要较复杂的试验装置对试验温度进行精准控制。因此，建议开展火烧试验装置的设计研发，以满足车用复合材料储氢气瓶先局部火烧后扩展到整体火烧的试验方法要求，并通过大量的局部火烧试验研究，验证局部火烧试验方法的温度、局部燃烧时长等关键参数的设置是否合理。

2.6 试验结果及合格指标

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007标准及GTR13法规对于火烧试验结果以及合格指标的要求对比见表6。

表6 不同标准的火烧试验结果及合格指标要求对比Table 6 Comparison of fire test results and qualified indexes requirements in different standards

由表6可知，在试验结果方面，SAE J2579、GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准均规定气瓶内气体压力释放到小于1 MPa(10 bar)，而ISO 11119标准规定的试验结束时的瓶内气体压力为7 bar。ISO 15869标准则规定当气瓶压力释放到小于1 MPa，或者气瓶在整体火烧下保持30 min时，试验结束。考虑到车用复合材料储氢气瓶在做火烧试验时采用氢气充装，为了保证试验安全，不仅需要对火烧试验的时长进行规定，还应对气瓶试验停止的瓶内气体压力进行明确。

在火烧试验的合格指标方面，所有标准均规定气瓶应该通过压力泄放装置泄放，且气瓶不得爆破，即为火烧试验合格。GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准还规定了火烧过程中至少1个热电偶指示温度应达到规定范围。

此外，ISO 15869标准和GTR 13法规对于氢气额外释放的情形进行了规定：氢气额外释放(通过气瓶瓶体壁面释放氢气的过程，不包括通过安全泄压装置的正常泄放)引起的泄漏所导致的火焰长度不得超出火烧火焰周长0.5 m，而SAE J2579、ISO 11119、GB/T 35544和T/CATSI 02 007标准未对氢气额外释放的情况进行说明。车用复合材料储氢气瓶在火烧试验时，是否允许气瓶发生安全泄放装置泄放以外的额外泄放，有待进一步研究。

3 结论

1)国内外标准在车用复合材料储氢气瓶火烧试验的试验形式、通用要求、试验步骤、合格指标等方面的规定有较大差异，需要开展进一步的研究工作。在火源设置方面，建议我国车用复合材料储氢瓶相关标准对火源设置要求进行优化，使火焰更贴近实际的火灾工况，提高火烧试验的可操作性和可重复性。在温度测量方面，各标准均规定热电偶设置于距离气瓶下表面25mm处，该位置测得的温度值是否能反应气瓶的壁面温度还有待进一步研究，确保热电偶的测温能更真实地反应瓶体的壁面温度，保障温度采集的真实性。

2)车用复合材料储氢气瓶火烧试验的安全防护要求应从安全泄放装置安全防护、热电偶安全防护和试验装置及现场环境安全防护3个方面进行考虑。建议我国的车用复合材料储氢气瓶相关标准明确火烧试验装置防风挡板、安全泄放装置金属防护挡板、热电偶安全防护装置的结构设计和布置方法的要求，避免试验中气瓶爆炸的危害，保障火烧试验装置及试验人员的安全。

3)相比于整体火烧方法，先局部火烧后扩展到整体火烧的火烧试验方法考虑了气瓶受远离PRD的局部火灾而发生爆炸的最危险情况，有效验证局部火烧下的气瓶耐火性能，更贴近车载储氢瓶火灾事故的真实情况，但需要较为复杂的试验装置对试验温度进行精准控制。建议开展火烧试验装置的设计研发，以满足车用复合材料储氢气瓶先局部火烧后扩展到整体火烧的试验方法要求，并通过大量局部火烧试验研究，验证局部火烧试验方法中的温度、局部燃烧时长等关键参数的设置合理性。