燃料电池汽车储氢安全技术标准分析

胡星，田宇鹏，阮观强，程金润

（上海电机学院 机械学院，上海 201306）

引言

中国汽车工业的快速发展对中国的资源、能源和环境产生了越来越大的影响。据统计，中国31 %的气候退化、雾霾等环境现象是由汽车行业造成的；此外，中国目前原油对外依存度已高达72 %[1]。面对环境和资源的双重压力，国家密集出台多项政策，支持新能源汽车发展，鼓励消费者参与绿色消费。燃料电池汽车被认为是燃油车最直接的替代品，因为它们的续航里程和加油时间相似[2]。质子交换膜燃料电池是一种高效与环保兼备的发电装置，目前燃料电池汽车主要使用质子交换膜燃料电池[3]。

国外燃料电池行业因为布局较早，现在取得了不俗的成果。如丰田、现代、本田等日韩公司都已经实现了燃料电池的批量化生产，并制定了各自商用化时间表，日本丰田汽车于2014年12月商业化燃料电池汽车Mirai；韩国现代汽车已于2013年量产了燃料电池汽车ix35；日本本田汽车于2015年11月首次推出了旗下首款氢氧燃料汽车Clarity。除此之外，美国也在积极布局燃料电池汽车。2009年，美国奥巴马政府实施经济刺激计划中，包括质子交换膜燃料电池在内的先进能源技术投入资金为3 亿美元 ；2011年对氢能及燃料电池技术项目的预算为1.37 亿美元；2012年8月，奥巴马政府实施新的激励机制，提高燃料电池汽车的燃油经济性标准，而且美国能源部下属办公室出台多项用于奖励发展燃料电池技术的政策。为了鼓励公众企业使用燃料电池，根据美国燃料电池和氢能协会发布的2016年美国燃料电池和氢能源发展总结报告，美国政府在多达10 个州颁布了包括税收激励、调整上网电价等多项针对燃料电池汽车发展的优惠措施。更是在2019年发布的《美国氢能经济路线图》中详细介绍了美国如何通过在决策者和工业界共同努力，进一步投资和减少监管壁垒，继续发展氢能，并在行业中保持领先地位。

我国对氢能和燃料电池汽车技术的应用研究可以追溯到20 世纪50年代，国家“863”计划、“十五”电动汽车重大科技专项、“十一五”节能与新能源汽车重大项目、“十二五”电动汽车关键技术与系统集成重大项目、“十三五”国家战略性新兴产业发展规划及《中国制造2025》等。

为了消除各国在燃料电池汽车行业的贸易壁垒，联合国世界车辆法规协调论坛（UN/WP29）于2013年7月发布《氢燃料电池汽车全球技术法规》（GTR13）[4]，主要目的是为了确保氢燃料电池汽车能够达到与传统燃油车相同的安全水平，并防止司机和乘员因氢气爆炸或燃烧而受伤[5]。

GTR13 法规详细规定了燃料电池汽车的基本安全要求，包括燃料电池整车安全以及存储氢气系统的要求和试验方法等更是其最重要的技术规范。GTR13 对燃料电池汽车的安全要求与我国现有燃料电池汽车安全标准之间仍然有一定的差异之处。其中，我国燃料电池整车安全要求和测试方法由国家标准GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车安全要求》[6]所规定，存储氢气系统的安全要求和试验方法由国家标准GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》[7]所规定。

鉴于GTR13 颁布实施后，我国储氢系统安全技术的发展将受到重大影响，且面临较大挑战。因此，有必要吸取GTR13 法规标准的优点，加强与发达国家新能源汽车产业标准的接轨，提出合理化建议，构建我国燃料电池汽车储氢系统安全标准策略，为企业尽快突破国外的贸易壁垒提供技术支撑。

1 GTR13 法规简介

GTR13 对氢燃料电池车辆的安全要求旨在最大限度地降低车辆燃料和储氢系统中燃料电池系统的火灾、爆炸或泄漏所造成的风险，以保护车辆司机和乘客的安全。

1.1 性能要求

GTR13 提供了压缩氢储存系统、燃料系统和电气安全的性能要求和型式试验要求。按照规定，燃料电池汽车的压缩氢储存系统必须执行表1 的型式试验项目，保证新开发的燃料电池汽车满足安全要求。

表1 燃料电池汽车压缩氢储存系统型式试验项目

1.2 压缩氢气储存系统安全要求

GTR13 所指的压缩氢气储存系统包括储氢瓶、温度驱动安全泄压装置（TPRD）、单向阀、截止阀、管路和配件、加氢口、排气系统、报警装置及电安全系统等，其公称工作压力NWP应不大于70 MPa，使用年限应不高于15年。

储氢瓶：氢气瓶公称工作压力不大于70 MPa，温度为（-40～85）℃，且容积不大于450 L，设计寿命不高于15年。

TPRD：进行泄露试验、气压循环试验、温度循环试验、抗盐雾腐蚀试验、汽车环境试验、跌落和振动试验、加速寿命试验、应力腐蚀裂纹试验等。

单向阀、截止阀、管路和配件：进行泄露试验、静液压强度试验、大气暴露试验、应力腐蚀开裂试验、预冷氢气暴露试验、振动试验、汽车环境试验、抗盐雾腐蚀试验、极端温度压力循环试验、电气试验等。

加氢口：加氢口能够组织燃料回流，同时，加氢口的标签上应注明所用燃料类型、PNW（正常工作压力）以及对应的有效期。

排气系统：TPRD 的氢气排放口应使用盖子保护；在正常运行期间，排气系统的排放氢浓度不得连续3 s 超过4 %的体积分数，并且在任何时候都不得超过8 %的体积分数。对排气系统的碰撞试验有以下安全要求，最主要的是控制氢气泄漏率，按照GTR13 法规要求，排气系统在碰撞试验过程中的氢气泄露率应当低于118NL/h，与此同时要保证客舱和行李箱中的氢气浓度保持在较低水平，一般要求为4 %的体积分数。

报警装置：汽车运行过程中，氢气泄露程度超过3 %的体积分数时，系统必须发出警告；氢气泄漏时，任何条件下都不应该排放到车内空间，包括无保护点火源的封闭或半封闭空间；如果车辆封闭或半封闭空间中的氢气浓度超过3 %的体积分数时，则应关闭主截止阀。

电安全系统：燃料电池汽车高压系统电压可达（300～600）V，因此，必然存在这高压触电的风险。电安全系统必须提供安全的防触电措施，保证人员人身安全。燃料电池汽车的电安全系统要求分为汽车运行过程中的电安全要求以及汽车发生碰撞后的电安全要求等两个方面的内容，具体试验项目如表2 所示。

表2 电安全性能测试

2 我国燃料电池电动汽车储氢系统安全标准

目前大多数燃料电池汽车都采用高压压缩储氢的方法。典型的高压压缩储氢系统由储氢瓶、TPRD、单向阀、截止阀及以上组件间的管路和配件等组成。储氢瓶按照材料不同可划分为四全金属气瓶（Ⅰ型）、金属内胆纤维环向缠绕气瓶（Ⅱ型）、金属内胆纤维全缠绕气瓶（Ⅲ型）和非金属内胆纤维全缠绕气瓶（Ⅳ型）等四种常见类型。Ⅰ型和Ⅱ型储氢瓶由于重量容积比过大，不适合应用于燃料电池汽车储氢系统；而Ⅳ型储氢瓶由于氢气在高压下容易从非金属内胆向外泄漏，且金属材质的瓶口阀与非金属内胆的连接强度难以保证。因此，我国尚不允许将Ⅳ型储氢瓶应用于燃料电池汽车储氢系统。

经过多年的努力，我国基本形成了整个燃料电池汽车安全标准体系，包括：GB/T 24548-2009《燃料电池电动汽车术语》[8]、GB/T 24549-2020《燃料电池电动车安全要求》，GB/T 26779-2021《燃料电池电动汽车加氢口》[9]、GB/T 26990-2011《燃料电池电动车车载氢系统技术条件》[10]和GB/T 35544-2017《车用压缩氢铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》。

目前，我国采用的关于燃料电池汽车的安全法规GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车 安全要求》和GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》的主要的测试项目如下：

1）储氢瓶

储氢瓶采用符合GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》标准要求的铝内胆碳纤维全缠绕气瓶（Ⅲ型），且应为通过国家气瓶质量监督检验中心型式试验检测的定型产品。

2）温度驱动安全泄压装置

温度驱动安全泄压装置符合GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》标准要求，采用易熔合金塞或其他合适的结构型式，其动作温度应为（110±5）℃，且泄放口不得朝向瓶体。

3）单向阀、截止阀、管路和配件

单向阀、截止阀、管接头等管路系统零部件的测试方法缺乏国家标准支撑。目前，这些零部件的测试是依据GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》标准，随氢气瓶一起进行部分型式试验的验证。

也因此，成功经验能够正作用于效能期望，多次的失败经验会降低效能期望。然而就自我效能本身来说，它受个体内部因素影响较大，外机遇等因素对其影响不大。所以，影响学会就业焦虑的主要还是学生的自我意识，如果能以正确的态度看待失败经验，并作出积极判断，坚持自己的目标，就会产生较强的自我效能，也会在就业竞争中给自己增添优势，从而减少焦虑的产生。

4）加氢口

加氢口符合GB/T 26779-2021《燃料电池电动汽车加氢口》标准要求。通过加氢口加注燃料，加氢口配有防尘罩，可以防止灰尘、土壤、液体和污染物进入。最大加注压力显示在防尘罩旁边，并有消除静电的措施。加注口在具有一定强度的基础上满足气密性要求，在承受来自任意方向670N 大小载荷的条件下也不会发生失效现象。

5）排气系统

排气系统符合GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车安全要求》标准要求。燃料电池汽车发生故障或事故后，为了保证车内人员人身和财产安全，排气系统通风或排气时，气流方向应该远离车内人员，也不能直接排向客舱以及行李舱，同时氢气气流必须保证不流向车内电源或其它点火源。为了确保氢气不在管道中泄露，流通氢气的管道必须选用高熔点的金属材料。

6）报警装置

当车内氢气浓度达到一定数值时，可以通过声音报警、紧急显示、切断气源或切断电源等方式进行示警。当系统检测到车内氢气浓度达到2 %的体积分数时，通过声音报警装置或紧急显示方式提醒车内人员注意到可能的安全风险；当系统检测到车内氢气浓度达到3 %的体积分数时，系统应主动切断气源，或者直接关闭系统电源；当氢气泄漏探测传感器发生故障时，如信号中断、断路、短路时，应能向驾驶员发出故障警告信号。

7）电安全系统

燃料电池电动汽车电安全应符合GB 18384-2020《电动汽车安全要求》[11]的规定。目前，燃料电池汽车电安全标准对直接触电防护、间接接触防护以及功能安全防护等方面提出了安全要求和实验方法。通过绝缘材料、外壳或遮拦实现人体与带电部件的物理隔离。在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻应不小于100 Ω/V，交流电路应不小于500 Ω/V。

3 燃料电池汽车储氢系统安全技术建议

为保证燃料电池汽车尽快的普及，在明确安全性方面的要求上，参考GTR13，我国应做好相关储氢安全标准内容的研究，及时制定、修订相关标准，建议做好以下内容的落实：

1）储氢瓶

国家标准GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》已发布实施，规定了70 MPa 及以下“车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶”的各项技术要求，该标准气瓶安全技术指标不低于GTR 13，满足我国燃料电池汽车发展需求。

2）温度驱动安全泄压装置

国家标准GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》规定了温度驱动安全泄压装置的试验方法与合格指标，该标准温度驱动压力泄放装置安全技术指标不低于GTR 13，满足我国燃料电池汽车发展需求。

3）单向阀、截止阀、管路和配件

单向阀、截止阀、管接头等管路系统零部件缺乏国家标准支撑，可参考GTR13，随氢气瓶一起进行部分型式试验的验证，试验使用氢气进行。所有试验如果没有特殊规定的话都在常温20 ℃下进行。试验内容包括：泄露试验、静液压强度试验、大气暴露试验、应力腐蚀开裂试验（适用于铜基材料）、预冷氢气暴露试验、振动试验、汽车环境试验、抗盐雾腐蚀试验、极端温度压力循环试验、电气试验（仅适用于自动关断阀）等。

4）加氢口

加氢口的型式及技术要求应满足GB/T 26779-2021《燃料电池电动汽车 加氢口》标准规定，并应通过国家机动车产品质量监督检验中心的检验。该标准加氢口安全技术指标不低于 GTR 13，满足我国燃料电池汽车发展需求。

5）排气系统

排气系统符合GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车安全要求》标准要求，结合GTR13，增加碰撞后整车泄露报警。碰撞试验后的安全要求主要是控制氢气泄漏率，氢气泄漏率不应超过118 NL/h，客舱和行李箱中的氢气浓度不应超过4 %的体积分数。

6）报警装置

报警装置符合GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车安全要求》标准的要求，同时结合GB/T 26990-2011《燃料电池电动车车载氢系统技术条件》和GTR13，增加整车氢气泄漏检测标准。当系统检测到车内氢气浓度达到2 %的体积分数时，通过声音报警装置或紧急显示方式提醒车内人员注意到可能的安全风险，报警灯显示为黄色；当系统检测到车内氢气浓度达到3 %的体积分数时，系统应主动切断气源，或者直接关闭系统电源，报警灯显示为红色。

7）电安全系统

电安全系统符合GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车 安全要求》标准要求。引用标准GB 18384-2020《电动汽车安全要求》和GTR13 的内容，对燃料电池动力系统进行在线绝缘检测，提高安全性。

4 研究展望

GTR13 实施后，我国燃料电池汽车储氢系统的发展将面临较大挑战。本文对GTR13 标准进行收集、翻译和整理工作，对标准中有关储氢系统安全的内容进行解读，重点阐明GTR13 压缩氢气储存系统的安全能要求；分析我国目前的燃料电池汽车储氢安全标准，并和GTR13 标准进行对比，总结我国燃料电池汽车储氢标准不足之处；根据我国燃料电池汽车储氢标准与GTR13 的分析对比，吸取GTR13 法规标准的优点，对在我国燃料电池汽车储氢安全标准修订提出相关建议。

GTR13 要求以储氢系统和整车为测试对象，但国内缺乏相应的规范和标准。相比GB/T 35544-2017 规定了单个阀门的试验项目，而GTR13 储氢系统安全型式试验的试验对象为整个系统，将TPRD、单向阀、截止阀、管路和配件等一起与氢气瓶做型式试验。相比较GB/T 24549-2020《燃料电池电动汽车 安全要求》标准，GTR13 还规定了整车氢气泄露量指标要求。解读GTR13储氢安全测试方法，为企业尽快突破燃料电池的贸易壁垒提供了技术支撑，助力了我国燃料电池汽车行业的破壁再出发。