車載高壓儲氫氣瓶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比分析

俞逸希，王潔璐，袁奕雯，李 昱，林詩嘉

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200062）

在當(dāng)今“碳中和”的國際形勢下，氫燃料電池憑借其獨到的優(yōu)勢必將成為主要車載能源，而車載高壓儲氫氣瓶產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展必須有相應(yīng)有效的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范指導(dǎo)?，F(xiàn)階段我國車載高壓儲氫氣瓶的生產(chǎn)制造能力和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)能力均落后于國際前沿水平，相關(guān)制造、檢驗行業(yè)需盡快了解、掌握有關(guān)的國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。目前，涉及車載高壓儲氫氣瓶的國外標(biāo)準(zhǔn)主要有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO） 標(biāo)準(zhǔn) ISO 19881：2018 “Gaseous Hydrogen-Land Vehicle Fuel Containers”［3］（以 下簡稱 ISO 19881）、 聯(lián)合國法規(guī) GTR 13：2013“Global Technical Regulation on Hydrogen and Fuel Cell Vehicles”［4］（以下簡稱 GTR 13）、歐盟指令 ECE R 134：2015“Uniform Provisions Concerning the Approval of Motor Vehicles and Their Components with Regard to the Safety-related Performance of Hydrogen-fuelled Vehicles（HFCV）”［5］（以下簡稱 ECE R 134）、 歐 盟 指 令 EU 406：2010 “Commission Regulation （EU） No.406/2010 of 26 April 2010 Implementing Regulation （EC） No.79/2009 of the European Parliament and of the Council on Type-approval of Hydrogen-powered Motor Vehicles”［6］（以下簡稱 EU 406）和美國標(biāo)準(zhǔn) SAE J2579：2013“Standard for Fuel Systems in Fuel Cell and Other Hydrogen Vehicle”［7］（以下簡稱 SAE J2579）， 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》［8］（以下簡稱 GB/T 35544）。

對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)加以對比，是完善我國國家標(biāo)準(zhǔn)的重要途徑之一。對于車載高壓儲氫氣瓶，其工作條件、材料要求、產(chǎn)品標(biāo)識、型式試驗條件、氣瓶漏率及出廠檢驗項目等都是重要的比較內(nèi)容。文中重點對國內(nèi)外車載高壓儲氫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、型式試驗項目、出廠檢驗項目等進(jìn)行比較分析。

1 車載高壓儲氫氣瓶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)簡介

1.1 ISO 19881

ISO制定國際標(biāo)準(zhǔn)的工作通常由ISO的技術(shù)委員會完成。在ISO 19881中，規(guī)定了適用于設(shè)計制造公稱工作壓力不超過70 MPa、公稱水容積不大于1 000 L、儲存介質(zhì)為壓縮氫氣、固定在道路車輛上用作燃料箱的可重復(fù)充裝氣瓶的性能指標(biāo)。ISO 19881 是基于 ANSI/HGV 2：21—2014《車用壓縮氫燃料氣瓶》［9］，由ISO/TC 197國際氫能技術(shù)委員會編寫的，旨在通過為壓縮氫燃料氣瓶制定基于性能的試驗要求，來推動氫能源車的發(fā)展。

1.2 GTR 13

2013年，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（UNECE）內(nèi)陸運(yùn)輸委員會（ITC）在聯(lián)合國世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（UN/WP.29）上發(fā)布了 GTR 13，它是經(jīng) UNECE授權(quán)建立的關(guān)于氫燃料電池車的全球性技術(shù)法規(guī)之一，起到了綱領(lǐng)性作用。GTR 13是由WP.29《1998年協(xié)定書》管理委員會制訂的，目標(biāo)是為氫燃料車發(fā)展建立全球技術(shù)法規(guī)，其法規(guī)要求應(yīng)達(dá)到或超過傳統(tǒng)汽油燃料車同等的安全水平，且基于性能而并不限制未來的技術(shù)發(fā)展。GTR 13規(guī)定了燃料電池車儲氫系統(tǒng)及其安全附件性能測試、質(zhì)量評價方法與合格控制指標(biāo)，闡述了提出和建立氫燃料電池車的目的和意義，并對氫燃料電池車總體安全性能要求和GTR 13發(fā)展的各階段進(jìn)行了說明。GTR 13經(jīng)過所有參與締約方的一致通過，因此具有協(xié)調(diào)性和公認(rèn)性。GTR 13不僅適用于壓縮氫氣儲存系統(tǒng)，也適用于液氫儲存系統(tǒng)。

1.3 ECE R 134

歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ECE）有 56個成員，除了28個歐洲國家外，還包括美國、加拿大、以色列等國家。ECE法規(guī)不是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，只推薦各成員國使用。各成員國可以套用ECE法規(guī)，也可以延用本國法規(guī)。ECE R 134是在GTR 13的基礎(chǔ)上制定修改的，主要關(guān)于氫能和燃料電池車輛，介紹了有關(guān)氫燃料電池汽車壓縮氫氣儲存系統(tǒng)、指定零部件以及M和N2類氫燃料汽車安全相關(guān)性能的要求。ECE R 134詳細(xì)給出了壓縮氫氣儲存系統(tǒng)的試驗方法、儲存系統(tǒng)指定零部件的溫度驅(qū)動安全泄壓裝置、止回閥和截止閥的試驗方法以及汽車燃料系統(tǒng)的試驗方法，同時指出存儲在儲氫部件中的氫可以是壓縮氣體也可以是液化氫。

1.4 EU 406

EU 406是歐盟委員會于2010-04-26批準(zhǔn)并實施的法規(guī)，執(zhí)行了歐洲議會和理事會（EC）關(guān)于氫動力汽車型式認(rèn)證的要求。EU 406中詳細(xì)介紹了關(guān)于具有氫氣推進(jìn)裝置的車輛EC型式認(rèn)證的管理文件，關(guān)于氫氣部件和系統(tǒng)的EC部件型式認(rèn)證的管理文件，關(guān)于使用液態(tài)氫的氫氣部件和系統(tǒng)及其在氫能源動車上的安裝要求，關(guān)于使用壓縮（氣態(tài)）氫的氫氣部件和系統(tǒng)及其在氫能源動車上的安裝要求、車輛識別要求及復(fù)合型車輛電子控制系統(tǒng)的安全要求。該法規(guī)所有條款均具有法律約束力并直接適用于所有成員國。EU 406可以說是EC79的一部分，EC79是EC關(guān)于氫動力機(jī)動車輛型式認(rèn)證的第79/2009號法規(guī)的簡稱，包含對氫動力機(jī)動車輛中氫系統(tǒng)和元件型式認(rèn)證的管理文件、對氫動力車氫系統(tǒng)和元件的要求。氫燃料電池汽車中氫系統(tǒng)應(yīng)用條件非?？量蹋ǜ邏毫?、易泄漏），對元件的安全性能要求非常高，而EC79認(rèn)證的相關(guān)測試是完全模擬氫燃料電池汽車整個生命周期所有工況進(jìn)行的測試，因此經(jīng)過EC79系統(tǒng)化測試的氫系統(tǒng)元件能夠保障氫燃料電池汽車整個生命周期的安全可靠，確保運(yùn)行。

1.5 SAE J2579

美國汽車工程師學(xué)會（SAE）制訂了大量的電動汽車類標(biāo)準(zhǔn)，包括整車、零部件及充電標(biāo)準(zhǔn)等。SAE標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)量和制訂速度上都處于國際領(lǐng)先地位，許多國際標(biāo)準(zhǔn)制訂時也會參考或采用SAE標(biāo)準(zhǔn)。目前，SAE已發(fā)布燃料電動電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)20余項，內(nèi)容涵蓋氫氣、電池、電堆、系統(tǒng)和整車幾個不同層次，具體涉及到術(shù)語、質(zhì)量控制、氫安全、加氫通訊、能耗測試及碰撞安全等方面，是目前國際上比較全面的燃料電池電動汽車標(biāo)準(zhǔn)體系。SAE J2579是燃料電池汽車整車安全方面最為關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)之一，對其它國家類似標(biāo)準(zhǔn)的制訂有重要借鑒意義。在氫安全方面，SAE J2579較全面地規(guī)定了從燃料層級到整車層級的安全要求，如壓力/溫度要求、燃料質(zhì)量檢測、氫系統(tǒng)振動/翻轉(zhuǎn)試驗及材料的氫氣相容性等。但由于SAE標(biāo)準(zhǔn)不是國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂，因此我國在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂過程中采用SAE對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)相對較少。

1.6 GB/T 35544

GB/T 35544由浙江大學(xué)、大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院以及中國特種設(shè)備檢測研究院等單位起草，全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC31）提出并歸口。鑒于Ⅰ型和Ⅱ型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質(zhì)量儲氫密度要求，用于車載供氫系統(tǒng)并不理想，因此，我國在車載高壓儲氫瓶研制之初，就將采用金屬內(nèi)膽的Ⅲ型氣瓶作為高壓氫氣瓶領(lǐng)域的主要研究方向。GB/T 35544中規(guī)定了Ⅲ型車用高壓儲氫氣瓶的型式和參數(shù)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和儲存等要求，適用于設(shè)計、制造公稱工作壓力不超過70 MPa、公稱水容積不大于450 L、固定在道路車輛上用作燃料箱的可重復(fù)充裝氣瓶。

2 車載高壓儲氫氣瓶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)比較

2.1 適用范圍

對比各標(biāo)準(zhǔn)適用范圍，ISO 19881、GB/T 35544等主要適用范圍為車載氫氣瓶，但I(xiàn)SO 19881和GB/T 35544對氣瓶的類別定義并不相同。GTR 13、ECE R 134、EU 406中對儲氫氣瓶的要求只是一部分，主要針對氫燃料汽車整車、部組件、材料等方面進(jìn)行全面的規(guī)定［10］。各標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對比見表1。表1中√表示適用，—表示不適用。

表1 車載高壓儲氫氣瓶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對比

2.2 型式試驗

2.2.1 耐久性和使用性能試驗

氣瓶型式試驗指的是為驗證儲氫氣瓶產(chǎn)品的安全性能是否滿足安全技術(shù)要求而進(jìn)行的由第三方機(jī)構(gòu)開展的試驗。在車載高壓儲氫氣瓶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，氣瓶的耐久性試驗、使用性能試驗為氣瓶型式試驗的重要內(nèi)容。耐久性試驗、使用性能試驗并不是單獨一項試驗，而是根據(jù)模擬的預(yù)期道路環(huán)境，將極限溫度、壓力循環(huán)、跌落及火燒等一系列試驗項目按一定的試驗順序及試驗要求整合所形成的系列試驗［11］。

GB/T 35544中的耐久性試驗類似于GTR 13與ECE R 134中的連續(xù)液壓試驗（Hydraulicsequential tests）、SAE J2579中的耐久性 （液壓） 性能試驗 （Durability(hydraulic)performance test）以及ISO 19981中的氣瓶耐久性試驗 （Container test for performance durability），主要是模擬了氣瓶全生命周期內(nèi)受到不同暴露條件的極限情況的道路體驗，目的是確保氣瓶完全能夠在極端使用條件下不破裂，試驗考慮因素包括加注頻率、物理損壞和惡劣環(huán)境條件［12］，具體試驗順序見 GB/T 35544中圖 8。

GB/T 35544中的使用性能試驗類似于GTR 13與ECE R 134中的連續(xù)氣密試驗（Pneumatic sequential tests）、SAE J2579 中的預(yù)期服務(wù)（氣密性）性能試驗 （Expected service(pneumatic)performance test） 以及 ISO 19981中的道路行駛中的預(yù)期性能試驗（Container test for expected on-road performance），目的是驗證氣瓶在預(yù)期暴露的極端惡劣條件下保證基本安全功能的能力，試驗考慮因素包括燃料（氫氣）、環(huán)境條件（極端溫度）和正常使用條件（如預(yù)期車輛壽命、每次加注行駛里程、加注條件和頻率、停車）［13］，具體試驗順序見GB/T 35544中圖9。

2.2.2 試驗項目

氣瓶型式試驗通常應(yīng)該包括加速應(yīng)力破壞試驗、溫度壓力循環(huán)試驗、跌落試驗、火燒試驗及泄漏試驗等［14］。根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式試驗項目，筆者整理出了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于儲氫氣瓶型式試驗項目的對比情況，見表2。表2中√表示需要進(jìn)行該項試驗。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)中重點關(guān)注的是常溫壓力循環(huán)試驗、極限溫度壓力循環(huán)試驗、跌落試驗、水壓爆破試驗、氫氣循環(huán)試驗、泄漏試驗、滲透試驗、火燒試驗和表面損傷試驗。GB/T 35544、EU 406、SAE J2579 單獨規(guī)定了槍擊試驗。

表2 車載高壓儲氫氣瓶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中型式試驗項目對比

2.2.3 壓力循環(huán)試驗壓力和次數(shù)

各標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的壓力循環(huán)試驗壓力范圍均為2 MPa到1.25倍公稱工作壓力或1.25倍公稱工作壓力左右，其中ECE R 134規(guī)定的要求較高，為1.25倍公稱工作壓力（+2/-0 MPa）。在循環(huán)次數(shù)方面，GTR 13、ECE R 134、EU 406、GB/T 35544 均規(guī)定需進(jìn)行22 000次循環(huán)試驗，而ISO 19881中規(guī)定普通氫燃料汽車使用的B類氣瓶需進(jìn)行11 000、15 000、22 000 次循環(huán)試驗，SAE J2579 則規(guī)定儲氫氣瓶需進(jìn)行3 300、9 000次循環(huán)試驗。

各標(biāo)準(zhǔn)中均將極限溫度壓力循環(huán)試驗的極限溫度定為高溫段85℃、低溫段-40℃，但循環(huán)壓力與循環(huán)次數(shù)的規(guī)定，各標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。在循環(huán)壓力方面，進(jìn)行85℃的極限壓力循環(huán)試驗時，ISO 19881、GB/T 35544規(guī)定的循環(huán)壓力為2 MPa到1.25 倍 公 稱工作 壓 力，GTR 13、ECE R 134、SAE J2579規(guī)定的循環(huán)壓力不低于1.25倍公稱工作壓力，EU 406規(guī)定的循環(huán)壓力不大于2.0 MPa并且不小于公稱工作壓力的1.25倍；進(jìn)行-40℃的極限壓力循環(huán)試驗時，ISO 19881、GB/T 35544規(guī)定的循環(huán)壓力為2 MPa到0.8倍公稱工作壓力，GTR 13、ECE R 134、SAE J2579 規(guī)定的循環(huán)壓力不低于0.8倍公稱工作壓力，EU 406規(guī)定的循環(huán)壓力不大于2.0 MPa并且不小于公稱工作壓力。在循環(huán)次數(shù)方面，ISO 19881規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為4 500次，GTR 13、ECE R 134規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為設(shè)計循環(huán)次數(shù)的0.2倍 （查標(biāo)準(zhǔn)計算之后為4 400次），EU 406規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為7 500次，SAE J2579規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為私家車2 200次、重型商務(wù)車6 000次，GB/T 35544規(guī)定的循環(huán)次數(shù)為4 000次。EU 406規(guī)定的循環(huán)次數(shù)最多，而ISO19881、GTR 13、ECE R 134、GB/T 35544 的循環(huán)次數(shù)相近，為4 000～4 500次。值得注意的是，各標(biāo)準(zhǔn)幾乎都對85℃高溫極限壓力循環(huán)試驗時有相對濕度不低于95%的要求，而低溫段卻沒有環(huán)境濕度的要求［15］。GB/T 35544中還規(guī)定了在進(jìn)行極限溫度壓力循環(huán)試驗時，壓力循環(huán)頻率應(yīng)不超過6 次 /min，而 ISO 19881、GTR 13、ECE R 134 則規(guī)定壓力循環(huán)頻率應(yīng)不超過10次/min。

2.3 出廠檢驗項目

GTR 13、ECE R 134、EU 406 中未明確區(qū)分氣瓶型式試驗與出廠檢驗的項目及要求有何不同，儲氫氣瓶的出廠檢驗要求以每個制造商的標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。ISO 19881、GB/T 35544中還是針對不同類型的儲氫氣瓶規(guī)定了不同的出廠檢驗要求。SAE J2579中并未明確規(guī)定制造商需要進(jìn)行哪些出廠檢驗項目，但制造商在生產(chǎn)和組裝過程中應(yīng)確定是否需要檢查或試驗，以確保滿足系統(tǒng)的安全關(guān)鍵特性。此類檢查和試驗的類型和頻率由制造商決定，以確保產(chǎn)品滿足內(nèi)部質(zhì)量要求以及適用的標(biāo)準(zhǔn)和批準(zhǔn)。每一個單獨的生產(chǎn)部件、裝配件或系統(tǒng)在制造過程中或之后需進(jìn)行試驗，以確定其是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［16］。例如，常規(guī)生產(chǎn)試驗通常包括壓力試驗和泄漏試驗，這些試驗在制造商規(guī)定的條件下或適用標(biāo)準(zhǔn)和批準(zhǔn)所要求的條件下進(jìn)行。

3 結(jié)語

氫燃料電池憑借獨到優(yōu)勢，必然成為車載能源方面的主流，其體系、標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)工作迫在眉睫。通過車載高壓儲氫氣瓶國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比可以發(fā)現(xiàn)，GB/T 35544等國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型氫氣瓶本身的型式試驗、設(shè)計變更、出廠檢驗等要求與GTR 13、SAE J2579、ISO 19881、ECE R 134 等國際標(biāo)準(zhǔn)仍存在與各國國情相適應(yīng)的差異，但大部分試驗項目及試驗要求都相類似。由于車載高壓儲氫氣瓶投用時間較短，氣瓶的基線試驗要求等需要大量子樣數(shù)據(jù)比對分析，而國內(nèi)還是相對欠缺的。在Ⅳ型氫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)方面，我國目前僅發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 02 007—2020《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》［17］。隨著Ⅳ型氫氣瓶的發(fā)展，高壓Ⅳ型氫氣瓶的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)及時配套出臺。