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摘要：氫能在氫燃料電池汽車、分布式發電、儲能載體等領域具有廣泛的應用前景，大容量高壓儲氫瓶是氫燃料電池汽車的關鍵儲能載體。由于高壓氫氣的易燃易爆特性，衡量儲氫瓶應用安全性的性能測試標準逐漸成為眾多廠商和專家學者的研究熱點。本文概述幾種已有的大容量高壓儲氫瓶性能測試試驗及試驗標準，并基于其應用風險及相關指標對有關標準進行分析、比對，為我國儲氫瓶標準進一步完善提供支持。

關鍵詞：氫能，大容量高壓儲氫瓶，應用安全，性能試驗標準

化石燃料的大量使用導致環境污染愈發嚴重、 資源儲量日益減少等現象，開發新能源是各國近些 年解決能源問題的創新方向。氫能源因具有清潔環 保、發熱值高等優點備受關注，世界各國對氫能發 展達成初步共識，相繼出臺有關激勵政策支持氫能 發展。如美國政府在2001年發布全球首個《國家氫能發展路線圖》，正式提出在未來5年投入12億美 元到氫能領域[1]；中國2020年發布的《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》等政策指出發展氫燃 料汽車、加氫站等氫能應用產業，并預測至2035年 我國氫燃料電池汽車保有量將達百萬輛[1,2]。

現階段，氫能尚未實現大規模應用的關鍵在儲 運環節，大容量高壓儲氫瓶是在氫氣存儲、運輸、釋 放、安全用氫等過程中的主要載體。為滿足氫能產 業發展對氫能儲運裝備相關技術要求[3]，我國氣瓶 標準化技術委員會等單位制定了《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》（GB/T 35544—2017）等 制造和使用標準規范[4]，與ISO、JIGA、CGH2R等氣 瓶標準相比較之下在某些方面仍存在不足。本文研究、分析儲氫瓶關鍵性能指標測試試驗及其標準， 為我國儲氫瓶相關標準完善提供支持。 

1.1 儲氫瓶發展與儲氫技術 

氫氣儲存技術分為高壓氣態儲氫、液態儲氫和 固態儲氫。高壓氣態儲氫[5]是在一定條件下將氫氣 加壓到35MPa或70MPa儲存至儲氫瓶，技術成熟、 成本低廉，但其金屬內膽易與氫氣發生氫脆，造成 儲氫瓶功能失效。液態儲氫[6]利用低溫液態儲氫 技術，將氣態氫氣進行低溫液化工序后存儲至儲氫瓶，其氫氣存儲量高，但對儲氫容器的絕熱與防輻 射要求較高及液化成本昂貴。固態儲氫[7]是利用鈦、 鋯等金屬及其合金，通過物理/化學作用將氫氣儲 存起來形成儲氫金屬，根據需求可隨時將氫氣釋放 出來，具有體積儲氫密度高、運輸方便、操作安全 性高等優點，其缺點是技術成本較高、產品疲勞性能無法完全滿足車載儲氫等應用領域要求。綜上所 述，高壓氣態儲氫技術是目前發展較為成熟、應用 最廣泛的。

1.2 大容量高壓儲氫瓶材質與性能 

高壓氣態儲氫是現階段技術最為成熟的儲氫 技術，應用領域廣泛，多數氫能汽車均釆用高壓氣 態儲氫技術進行氫氣的充放、儲用[8]，車載儲氫領域 所使用的大容量高壓儲氫瓶目前可分為四種類型[9]， 如表1所示。

目前市場上流通的儲氫瓶多為III型瓶、IV型 瓶[10,11]（結構圖見圖1），其儲氫壓力分別為35MPa 和70Mpa。儲氫瓶工作壓力越高，同等容積下能夠 存儲的氫氣越多[3]，我國尚未實現70MPa儲氫瓶的大范圍應用。

2.1 高壓氫氣危險性

美國工業用氫事故統計分析報告顯示[12]，在115 起氫安全事故中有21起因管道和壓力容器破裂引 起，占比率為14%（見圖2）。儲氫瓶工作壓力一般在 35MPa~70MPa之間，高壓運行工作狀態下易使儲氫 瓶發生破裂造成氫氣泄漏引發燃燒爆炸，產生巨大 能量并瞬間釋放，容器碎片高速散射并產生沖擊波， 隨之剩余氫氣噴射到四周引起燃燒或二次爆炸[13]。

2.2 氫氣快速充放氣過程引起的溫度變化問題

氫氣在儲氫瓶快速充裝過程中會出現顯著升 溫現象，對碳纖維復合材料的樹脂黏合劑產生影 響，造成儲氫瓶承載能力及使用安全性降低[14]。氫 氣溫度上升顯著的主要原因是氫氣從加注器高速注 入儲氫瓶產生焦耳-湯姆遜效應，鄭津洋教授[15]研究團隊對儲氫瓶快充溫升現象的研究結果表明，氫氣加注器速率越高，終止時儲氫瓶氫氣溫升程度越 大；工作環境溫度升高，快速充裝過程最大溫升會小幅度增大。

2.3 氫損傷危險性

氫原子半徑小、滲透性強，與多數金屬材料相 容性良好，高壓環境下氫分子容易滲透進金屬內 部，氫濃度達到飽和時會造成金屬塑性下降、誘發 裂紋等，此現象稱為金屬材料氫脆[16,17]，如圖3所 示。氫氣進入金屬主要以兩種形式存在，一是集中 于金屬缺陷處，氫原子通過擴散、脫附運動在缺陷 處析出并結合成氫分子；二是位錯處聚集，位錯運動促進氫富集并形成氫氣氣團，氣團釘扎位錯造成 材料局部氫濃度飽和[6]。Ⅲ型儲氫瓶金屬內膽材料發生氫脆極易致使內膽喪失密封性，氫氣泄漏到外界環境中。

在IV型瓶高壓儲氫塑料內膽中，氫氣會緩慢滲透，可分為溶解和擴散兩種作用。溶解作用即氫氣 溶解在聚合物中，會起到類似于増塑劑的作用，使 聚合物強度降低、韌性增加；擴散作用即氫氣在聚 合物中通過非晶區發生擴散，使結晶區結構更為致 密，對氫分子擴散的阻礙作用加強，當儲氫瓶循環 加壓時，聚合物結晶度增加、分子量降低、分子量 分布變寬[18]，即IV型瓶發生氫泄漏的概率較低。

綜上，大容量高壓儲氫瓶在使用過程中存在氫 泄漏、氫損失等安全風險，為衡量大容量高壓儲氫 瓶的應用安全性能，應嚴格按照相關技術標準對其 進行性能指標試驗檢測。

儲氫瓶要通過型式試驗對儲氫瓶關鍵性能指 標進行測試，型式試驗是特定型號氣瓶產品取得制 造許可、正式投入生產的前提條件。本文選取的性 能試驗指標標準要求主要參考ISO標準、CGH2R標 準、JIGA標準[19-21]，對比如表2所示。

3.1 抗腐蝕性能試驗

大容量高壓儲氫瓶在使用過程中外表面會遭 受化學介質腐蝕作用，造成應力腐蝕破裂降低儲氫 瓶安全功能[22]。為驗證儲氫瓶在惡劣化學環境下的 安全性，選用化學環境暴露試驗檢驗儲氫瓶抗腐蝕 性能，通過表征儲氫瓶性能的重要參數爆破壓力指 標來判斷。

（1）ISO標準化學環境暴露試驗概述。ISO標準采用硫酸、氫氧化鈉、汽油、硝酸銨及甲醇水溶 液等來模擬儲氫瓶表面在工作中可能會受到的腐 蝕。試驗中將5個相同規格的氣瓶分為5組，在儲氫 瓶上部（易腐蝕部位）選取5個不重疊、直徑為10cm 的區域并利用鋼制金字塔對其進行擺錘沖擊，使氣 瓶出現一定程度破損便于化學試劑腐蝕，保證試驗 有效性；將5個區域分別與5種溶液接觸，每組氣瓶 在2MPa~1.25Pw（Pw為儲氫瓶制造商設定的工作壓 力）范圍進行2250次或以上加壓循環，增壓速率不 宜超過0.75MPa/s；當試驗壓力增至1.25Pw時保壓， 直至氣瓶與液體接觸時間(包括壓力循環時間和保 壓時間)達到48h，對氣瓶進行爆破試驗并記錄每 組爆破壓力，ISO標準要求儲氫瓶實際爆破壓力在 1.8Pw以上。

（2）CGH2R標準化學環境暴露試驗概述。CGH2R對于該試驗的指標數據大部分與ISO標準 所規定指標數據相同，僅在加壓循環過程指標要 求不同，其在2MPa~1.25Pw范圍進行5000次加壓 循環，增壓速率不超過2.75MPa/s，其余指標要求 同ISO標準。

（3）JIGA標準化學環境暴露試驗概述。不同于 上述技術標準的化學環境暴露試驗流程，JIGA標 準在運用化學試劑浸漬試驗的同時增添檢測儲氫 瓶涂層保護功能的浸漬試驗，在21±5℃條件下將 儲氫瓶下部1/3部位浸入浸漬液（由去離子水、氯化 鈉、質氯化鈣及硫酸組成），檢測氣瓶殼體在腐蝕 性環境中的抗腐蝕性能；在瓶筒體中央兩側沿縱向 選擇間距為15cm的3個點分為三組進行擺錘沖擊， 檢測金屬及非金屬材料在動負荷下的抗沖擊性能；氣瓶通過浸漬處理后進行暴露試驗，氣瓶處理同 ISO標準規定，然后分別在20℃、40±5℃、85±5℃ 條件下進行加壓循環試驗，試驗條件分別為2MPa以 下~1.25Pw范圍進行5625次循環、2MPa以下~0.8Pw 范圍進行2820次循環、2MPa以下~1.25Pw范圍進行 2820次循環，三次循環時間不少于66s，處于最高壓 力時保壓60s，后續進行的爆破試驗及合格要求同ISO標準規定。

3.2 材料耐高溫性能試驗

若儲氫瓶長時間處于高溫工作環境，將對樹脂 材料固化產生負面影響使纖維-樹脂層的抗剪切能 力下降，影響儲氫瓶疲勞性能，通過加速應力爆破 試驗檢驗高溫工作環境對儲氫瓶爆破壓力影響。

（1）ISO標準加速應力爆破試驗概述。在環境 溫度85℃以上使儲氫瓶增壓至1.25Pw并保壓1000h （更好證明試驗有效性與儲氫瓶性能），然后進行 爆破試驗，試驗合格指標為儲氫瓶實際爆破壓力大 于最小設計爆破壓力的85%。

（2）CGH2R標準加速應力爆破試驗概述。CGH2R標準在試驗中試驗步驟及指標要求同ISO 標準。

（3）JIGA標準加速應力爆破試驗概述。JIGA 標準要求在65℃以上環境下使儲氫瓶增壓到1.25Pw 并保壓1000h，進行爆破試驗，試驗指標要求實際爆 破壓力在最小設計爆破壓力的75%以上。

3.3 疲勞性能試驗

大容量高壓儲氫瓶在氫氣充裝過程易引起儲 氫瓶內溫度快速升高或降低，如20℃充裝條件下 進行氣體壓縮瓶體溫度將達到85℃，泄壓時溫度 將降到-40℃，儲氫瓶同時承受壓力與溫度循環影 響，容易使儲氫瓶安全性能降低。選擇極端溫度 壓力循環試驗[14,22]檢驗汽車在不同極端溫度條件 對儲氫瓶疲勞壽命和爆破壓力的影響，該實驗能 綜合考慮瓶體本體材料、樹脂材料、纖維材料等影響。

（1）ISO標準極端溫度壓力循環試驗概述。該 標準要求設定溫度、濕度較高的環境，原因在于儲 氫瓶樹脂材料對濕熱環境相對敏感，將氣瓶在溫 度85℃以上、相對濕度95%以上的環境下放置48h， 使用非腐蝕性液體（排除腐蝕液體造成的影響）在 2MPa以下~1.25Pw范圍進行加壓循環5625次，頻 率不超過10次/分；將另一組儲氫瓶置于低溫（低 于-40℃）環境，在2MPa以下~1Pw范圍加壓循環5625次，頻率不超過2次/分。爆破試驗測定兩組氣 瓶剩余強度，試驗要求氣瓶在加壓循環中不能出現 破壞、泄漏及纖維散開現象，氣瓶實際爆破壓力大 于最小設計爆破壓力值的85%。

（2）CGH2R標準極端溫度壓力循環試驗概述。該標準試驗環境同ISO標準規定，高溫加壓循環 在2MPa以下~1.25Pw范圍循環7500次；低溫加壓循 環在2MPa以下~1Pw范圍循環7500次，最后進行爆破試驗，合格要求同ISO標準。

3.4 儲氫瓶性能試驗指標分析

（1）抗腐蝕性能試驗
對于抗腐蝕性能試驗，ISO、CGH2R標準的試 驗要求及合格指標一致，而JIGA標準則有明顯區 別，如擺錘試驗與浸漬試驗的順序及次數等。三種 技術標準對此試驗的合格指標均為爆破壓力最小 為1.8Pw，爆破壓力合格值主要考慮不同纖維之間 基于不同彈性模量的荷載分擔。

（2）疲勞性能試驗
對于疲勞性能試驗，CGH2R標準要求在兩種 極端溫度條件下的壓力循環試驗之間將氣瓶置于 常溫空間內進行穩定處理，此規定考慮了高低溫 轉變過程對材料性能的影響，對其必要性應做分 析研究；ISO標準對兩種極端條件下的加壓循環頻率進行了限定，若加壓循環頻率過高，氣瓶性能在每次循環后得不到完全恢復，會導致試驗結果誤差偏大。

（3）材料耐高溫性能試驗
材料耐高溫性能試驗考察儲氫瓶長時間在 高溫下工作時對儲氫瓶爆破壓力的影響，ISO、 CGH2R標準對此試驗的流程及合格要求一致，所選 溫度為儲氫瓶工作時的最高適用溫度主要與儲氫 瓶使用的環境溫度有關，ISO、CGH2R標準對于此 試驗的規定更加嚴格。

各種型式試驗能夠模擬儲氫瓶工作環境來檢 驗其關鍵性能，三種技術標準對儲氫瓶的相關性能 及試驗指標做出相對完善的概述，可為我國相關儲氫瓶標準完善提供參考。

大容量高壓儲氫瓶試驗標準是衡量氫燃料電池汽車供氫核心部件儲氫瓶應用安全的重要技 術標準，是推動儲氫瓶產品規范生產和質量的保 障依據。氫能企業及相關科研院所應加強對ISO、 CGH2R及JIGA等國際先進儲氫瓶試驗標準的解析，完善我國氫能技術標準體系，促進氫能綜合應用推廣和產業安全、高質量發展。

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