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化石燃料的大量使用導(dǎo)致環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重、 資源儲(chǔ)量日益減少等現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)新能源是各國(guó)近些 年解決能源問(wèn)題的創(chuàng)新方向。氫能源因具有清潔環(huán) 保、發(fā)熱值高等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，各國(guó)對(duì)氫能發(fā) 展達(dá)成初步共識(shí)，相繼出臺(tái)有關(guān)激勵(lì)政策支持氫能 發(fā)展。如美國(guó)政府在2001年發(fā)布個(gè)《氫能發(fā)展路線圖》，正式提出在未來(lái)5年投入12億美 元到氫能領(lǐng)域[1]；2020年發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用的通知》等政策指出發(fā)展氫燃 料汽車(chē)、加氫站等氫能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，并預(yù)測(cè)至2035年 我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)保有量將達(dá)百萬(wàn)輛[1,2]。
現(xiàn)階段，氫能尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵在儲(chǔ) 運(yùn)環(huán)節(jié)，大容量高壓儲(chǔ)氫瓶是在氫氣存儲(chǔ)、運(yùn)輸、釋 放、安全用氫等過(guò)程中的主要載體。為滿足氫能產(chǎn) 業(yè)發(fā)展對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備相關(guān)技術(shù)要求[3]，我國(guó)氣瓶 標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等單位制定了《車(chē)用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》（GB/T 35544—2017）等 制造和使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4]，與ISO、JIGA、CGH2R等氣 瓶標(biāo)準(zhǔn)相比較之下在某些方面仍存在不足。本文研究、分析儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵性能指標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)及其標(biāo)準(zhǔn)， 為我國(guó)儲(chǔ)氫瓶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完善提供支持。
1 高壓儲(chǔ)氫
1.1 儲(chǔ)氫瓶發(fā)展與儲(chǔ)氫技術(shù)
氫氣儲(chǔ)存技術(shù)分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和 固態(tài)儲(chǔ)氫。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫[5]是在一定條件下將氫氣 加壓到35MPa或70MPa儲(chǔ)存至儲(chǔ)氫瓶，技術(shù)成熟、 成本低廉，但其金屬內(nèi)膽易與氫氣發(fā)生氫脆，造成 儲(chǔ)氫瓶功能失效。液態(tài)儲(chǔ)氫[6]利用低溫液態(tài)儲(chǔ)氫 技術(shù)，將氣態(tài)氫氣進(jìn)行低溫液化工序后存儲(chǔ)至儲(chǔ)氫瓶，其氫氣存儲(chǔ)量高，但對(duì)儲(chǔ)氫容器的絕熱與防輻 射要求較高及液化成本昂貴。固態(tài)儲(chǔ)氫[7]是利用鈦、 鋯等金屬及其合金，通過(guò)物理/化學(xué)作用將氫氣儲(chǔ) 存起來(lái)形成儲(chǔ)氫金屬，根據(jù)需求可隨時(shí)將氫氣釋放 出來(lái)，具有體積儲(chǔ)氫密度高、運(yùn)輸方便、操作安全 性高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是技術(shù)成本較高、產(chǎn)品疲勞性能無(wú)法完全滿足車(chē)載儲(chǔ)氫等應(yīng)用領(lǐng)域要求。綜上所 述，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是目前發(fā)展較為成熟、應(yīng)用 廣泛的。
1.2 大容量高壓儲(chǔ)氫瓶材質(zhì)與性能
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是現(xiàn)階段技術(shù)為成熟的儲(chǔ)氫 技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，多數(shù)氫能汽車(chē)均釆用高壓氣 態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行氫氣的充放、儲(chǔ)用[8]，車(chē)載儲(chǔ)氫領(lǐng)域 所使用的大容量高壓儲(chǔ)氫瓶目前可分為四種類(lèi)型[9]， 如表1所示。
目前市場(chǎng)上流通的儲(chǔ)氫瓶多為III型瓶、IV型 瓶[10,11]（結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1），其儲(chǔ)氫壓力分別為35MPa 和70Mpa。儲(chǔ)氫瓶工作壓力越高，同等容積下能夠 存儲(chǔ)的氫氣越多[3]，我國(guó)尚未實(shí)現(xiàn)70MPa儲(chǔ)氫瓶的大范圍應(yīng)用。
2 大容量高壓儲(chǔ)氫瓶風(fēng)險(xiǎn)分析
2.1 高壓氫氣危險(xiǎn)性
美國(guó)工業(yè)用氫事故統(tǒng)計(jì)分析報(bào)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(jiàn)圖2）。儲(chǔ)氫瓶工作壓力一般在 35MPa~70MPa之間，高壓運(yùn)行工作狀態(tài)下易使儲(chǔ)氫 瓶發(fā)生破裂造成氫氣泄漏引發(fā)燃燒爆炸，產(chǎn)生巨大 能量并瞬間釋放，容器碎片高速散射并產(chǎn)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(guò)程引起的溫度變化問(wèn)題
氫氣在儲(chǔ)氫瓶快速充裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)顯著升 溫現(xiàn)象，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂黏合劑產(chǎn)生影 響，造成儲(chǔ)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(chǔ)氫瓶產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)，鄭津洋教授[15]研究團(tuán)隊(duì)對(duì)儲(chǔ)氫瓶快充溫升現(xiàn)象的研究結(jié)果表明，氫氣加注器速率越高，終止時(shí)儲(chǔ)氫瓶氫氣溫升程度越 大；工作環(huán)境溫度升高，快速充裝過(guò)程大溫升會(huì)小幅度增大。
2.3 氫損傷危險(xiǎn)性
氫原子半徑小、滲透性強(qiáng)，與多數(shù)金屬材料相 容性良好，高壓環(huán)境下氫分子容易滲透進(jìn)金屬內(nèi) 部，氫濃度達(dá)到飽和時(shí)會(huì)造成金屬塑性下降、誘發(fā) 裂紋等，此現(xiàn)象稱(chēng)為金屬材料氫脆[16,17]，如圖3所 示。氫氣進(jìn)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(guò)擴(kuò)散、脫附運(yùn)動(dòng)在缺陷 處析出并結(jié)合成氫分子；二是位錯(cuò)處聚集，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)氫富集并形成氫氣氣團(tuán)，氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)造成 材料局部氫濃度飽和[6]。Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶金屬內(nèi)膽材料發(fā)生氫脆極易致使內(nèi)膽喪失密封性，氫氣泄漏到外界環(huán)境中。
在IV型瓶高壓儲(chǔ)氫塑料內(nèi)膽中，氫氣會(huì)緩慢滲透，可分為溶解和擴(kuò)散兩種作用。溶解作用即氫氣 溶解在聚合物中，會(huì)起到類(lèi)似于増塑劑的作用，使 聚合物強(qiáng)度降低、韌性增加；擴(kuò)散作用即氫氣在聚 合物中通過(guò)非晶區(qū)發(fā)生擴(kuò)散，使結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)更為致 密，對(duì)氫分子擴(kuò)散的阻礙作用加強(qiáng)，當(dāng)儲(chǔ)氫瓶循環(huán) 加壓時(shí)，聚合物結(jié)晶度增加、分子量降低、分子量 分布變寬[18]，即IV型瓶發(fā)生氫泄漏的概率較低。
綜上，大容量高壓儲(chǔ)氫瓶在使用過(guò)程中存在氫 泄漏、氫損失等安全風(fēng)險(xiǎn)，為衡量大容量高壓儲(chǔ)氫 瓶的應(yīng)用安全性能，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其 進(jìn)行性能指標(biāo)試驗(yàn)檢測(cè)。
3 儲(chǔ)氫瓶試驗(yàn)關(guān)鍵性能指標(biāo)分析
儲(chǔ)氫瓶要通過(guò)型式試驗(yàn)對(duì)儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵性能指 標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，型式試驗(yàn)是特定型號(hào)氣瓶產(chǎn)品取得制 造許可、正式投入生產(chǎn)的前提條件。本文選取的性 能試驗(yàn)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求主要參考ISO標(biāo)準(zhǔn)、CGH2R標(biāo) 準(zhǔn)、JIGA標(biāo)準(zhǔn)[19-21]，對(duì)比如表2所示。
3.1 抗腐蝕性能試驗(yàn)
大容量高壓儲(chǔ)氫瓶在使用過(guò)程中外表面會(huì)遭 受化學(xué)介質(zhì)腐蝕作用，造成應(yīng)力腐蝕破裂降低儲(chǔ)氫 瓶安全功能[22]。為驗(yàn)證儲(chǔ)氫瓶在惡劣化學(xué)環(huán)境下的 安全性，選用化學(xué)環(huán)境暴露試驗(yàn)檢驗(yàn)儲(chǔ)氫瓶抗腐蝕 性能，通過(guò)表征儲(chǔ)氫瓶性能的重要參數(shù)爆破壓力指 標(biāo)來(lái)判斷。
（1）ISO標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)環(huán)境暴露試驗(yàn)概述。ISO標(biāo)準(zhǔn)采用硫酸、氫氧化鈉、汽油、硝酸銨及甲醇水溶 液等來(lái)模擬儲(chǔ)氫瓶表面在工作中可能會(huì)受到的腐 蝕。試驗(yàn)中將5個(gè)相同規(guī)格的氣瓶分為5組，在儲(chǔ)氫 瓶上部（易腐蝕部位）選取5個(gè)不重疊、直徑為10cm 的區(qū)域并利用鋼制金字塔對(duì)其進(jìn)行擺錘沖擊，使氣 瓶出現(xiàn)一定程度破損便于化學(xué)試劑腐蝕，保證試驗(yàn) 有效性；將5個(gè)區(qū)域分別與5種溶液接觸，每組氣瓶 在2MPa~1.25Pw（Pw為儲(chǔ)氫瓶制造商設(shè)定的工作壓 力）范圍進(jìn)行2250次或以上加壓循環(huán)，增壓速率不 宜超過(guò)0.75MPa/s；當(dāng)試驗(yàn)壓力增至1.25Pw時(shí)保壓， 直至氣瓶與液體接觸時(shí)間(包括壓力循環(huán)時(shí)間和保 壓時(shí)間)達(dá)到48h，對(duì)氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)并記錄每 組爆破壓力，ISO標(biāo)準(zhǔn)要求儲(chǔ)氫瓶實(shí)際爆破壓力在 1.8Pw以上。
（2）CGH2R標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)環(huán)境暴露試驗(yàn)概述。CGH2R對(duì)于該試驗(yàn)的指標(biāo)數(shù)據(jù)大部分與ISO標(biāo)準(zhǔn) 所規(guī)定指標(biāo)數(shù)據(jù)相同，僅在加壓循環(huán)過(guò)程指標(biāo)要 求不同，其在2MPa~1.25Pw范圍進(jìn)行5000次加壓 循環(huán)，增壓速率不超過(guò)2.75MPa/s，其余指標(biāo)要求 同ISO標(biāo)準(zhǔn)。
（3）JIGA標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)環(huán)境暴露試驗(yàn)概述。不同于 上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)環(huán)境暴露試驗(yàn)流程，JIGA標(biāo) 準(zhǔn)在運(yùn)用化學(xué)試劑浸漬試驗(yàn)的同時(shí)增添檢測(cè)儲(chǔ)氫 瓶涂層保護(hù)功能的浸漬試驗(yàn)，在21±5℃條件下將 儲(chǔ)氫瓶下部1/3部位浸入浸漬液（由去離子水、氯化 鈉、質(zhì)氯化鈣及硫酸組成），檢測(cè)氣瓶殼體在腐蝕 性環(huán)境中的抗腐蝕性能；在瓶筒體兩側(cè)沿縱向 選擇間距為15cm的3個(gè)點(diǎn)分為三組進(jìn)行擺錘沖擊， 檢測(cè)金屬及非金屬材料在動(dòng)負(fù)荷下的抗沖擊性能；氣瓶通過(guò)浸漬處理后進(jìn)行暴露試驗(yàn)，氣瓶處理同 ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，然后分別在20℃、40±5℃、85±5℃ 條件下進(jìn)行加壓循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件分別為2MPa以 下~1.25Pw范圍進(jìn)行5625次循環(huán)、2MPa以下~0.8Pw 范圍進(jìn)行2820次循環(huán)、2MPa以下~1.25Pw范圍進(jìn)行 2820次循環(huán)，三次循環(huán)時(shí)間不少于66s，處于高壓 力時(shí)保壓60s，后續(xù)進(jìn)行的爆破試驗(yàn)及合格要求同ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
3.2 材料耐高溫性能試驗(yàn)
若儲(chǔ)氫瓶長(zhǎng)時(shí)間處于高溫工作環(huán)境，將對(duì)樹(shù)脂 材料固化產(chǎn)生負(fù)面影響使纖維-樹(shù)脂層的抗剪切能 力下降，影響儲(chǔ)氫瓶疲勞性能，通過(guò)加速應(yīng)力爆破 試驗(yàn)檢驗(yàn)高溫工作環(huán)境對(duì)儲(chǔ)氫瓶爆破壓力影響。
（1）ISO標(biāo)準(zhǔn)加速應(yīng)力爆破試驗(yàn)概述。在環(huán)境 溫度85℃以上使儲(chǔ)氫瓶增壓至1.25Pw并保壓1000h （更好證明試驗(yàn)有效性與儲(chǔ)氫瓶性能），然后進(jìn)行 爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)合格指標(biāo)為儲(chǔ)氫瓶實(shí)際爆破壓力大 于小設(shè)計(jì)爆破壓力的85%。
（2）CGH2R標(biāo)準(zhǔn)加速應(yīng)力爆破試驗(yàn)概述。CGH2R標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)中試驗(yàn)步驟及指標(biāo)要求同ISO 標(biāo)準(zhǔn)。
（3）JIGA標(biāo)準(zhǔn)加速應(yīng)力爆破試驗(yàn)概述。JIGA 標(biāo)準(zhǔn)要求在65℃以上環(huán)境下使儲(chǔ)氫瓶增壓到1.25Pw 并保壓1000h，進(jìn)行爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)要求實(shí)際爆 破壓力在小設(shè)計(jì)爆破壓力的75%以上。
3.3 疲勞性能試驗(yàn)
大容量高壓儲(chǔ)氫瓶在氫氣充裝過(guò)程易引起儲(chǔ) 氫瓶?jī)?nèi)溫度快速升高或降低，如20℃充裝條件下 進(jìn)行氣體壓縮瓶體溫度將達(dá)到85℃，泄壓時(shí)溫度 將降到-40℃，儲(chǔ)氫瓶同時(shí)承受壓力與溫度循環(huán)影 響，容易使儲(chǔ)氫瓶安全性能降低。選擇極端溫度 壓力循環(huán)試驗(yàn)[14,22]檢驗(yàn)汽車(chē)在不同極端溫度條件 對(duì)儲(chǔ)氫瓶疲勞壽命和爆破壓力的影響，該實(shí)驗(yàn)?zāi)?綜合考慮瓶體本體材料、樹(shù)脂材料、纖維材料等影響。
（1）ISO標(biāo)準(zhǔn)極端溫度壓力循環(huán)試驗(yàn)概述。該 標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定溫度、濕度較高的環(huán)境，原因在于儲(chǔ) 氫瓶樹(shù)脂材料對(duì)濕熱環(huán)境相對(duì)敏感，將氣瓶在溫 度85℃以上、相對(duì)濕度95%以上的環(huán)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(jìn)行加壓循環(huán)5625次，頻 率不超過(guò)10次/分；將另一組儲(chǔ)氫瓶置于低溫（低 于-40℃）環(huán)境，在2MPa以下~1Pw范圍加壓循環(huán)5625次，頻率不超過(guò)2次/分。爆破試驗(yàn)測(cè)定兩組氣 瓶剩余強(qiáng)度，試驗(yàn)要求氣瓶在加壓循環(huán)中不能出現(xiàn) 破壞、泄漏及纖維散開(kāi)現(xiàn)象，氣瓶實(shí)際爆破壓力大 于小設(shè)計(jì)爆破壓力值的85%。
（2）CGH2R標(biāo)準(zhǔn)極端溫度壓力循環(huán)試驗(yàn)概述。該標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境同ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，高溫加壓循環(huán) 在2MPa以下~1.25Pw范圍循環(huán)7500次；低溫加壓循 環(huán)在2MPa以下~1Pw范圍循環(huán)7500次，后進(jìn)行爆破試驗(yàn)，合格要求同ISO標(biāo)準(zhǔn)。
3.4 儲(chǔ)氫瓶性能試驗(yàn)指標(biāo)分析
（1）抗腐蝕性能試驗(yàn)
對(duì)于抗腐蝕性能試驗(yàn)，ISO、CGH2R標(biāo)準(zhǔn)的試 驗(yàn)要求及合格指標(biāo)一致，而JIGA標(biāo)準(zhǔn)則有明顯區(qū) 別，如擺錘試驗(yàn)與浸漬試驗(yàn)的順序及次數(shù)等。三種 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此試驗(yàn)的合格指標(biāo)均為爆破壓力小 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(dān)。
（2）疲勞性能試驗(yàn)
對(duì)于疲勞性能試驗(yàn)，CGH2R標(biāo)準(zhǔn)要求在兩種 極端溫度條件下的壓力循環(huán)試驗(yàn)之間將氣瓶置于 常溫空間內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定處理，此規(guī)定考慮了高低溫 轉(zhuǎn)變過(guò)程對(duì)材料性能的影響，對(duì)其必要性應(yīng)做分 析研究；ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩種極端條件下的加壓循環(huán)頻率進(jìn)行了限定，若加壓循環(huán)頻率過(guò)高，氣瓶性能在每次循環(huán)后得不到完全恢復(fù)，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果誤差偏大。
（3）材料耐高溫性能試驗(yàn)
材料耐高溫性能試驗(yàn)考察儲(chǔ)氫瓶長(zhǎng)時(shí)間在 高溫下工作時(shí)對(duì)儲(chǔ)氫瓶爆破壓力的影響，ISO、 CGH2R標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此試驗(yàn)的流程及合格要求一致，所選 溫度為儲(chǔ)氫瓶工作時(shí)的高適用溫度主要與儲(chǔ)氫 瓶使用的環(huán)境溫度有關(guān)，ISO、CGH2R標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于此 試驗(yàn)的規(guī)定更加嚴(yán)格。
各種型式試驗(yàn)?zāi)軌蚰M儲(chǔ)氫瓶工作環(huán)境來(lái)檢 驗(yàn)其關(guān)鍵性能，三種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儲(chǔ)氫瓶的相關(guān)性能 及試驗(yàn)指標(biāo)做出相對(duì)完善的概述，可為我國(guó)相關(guān)儲(chǔ)氫瓶標(biāo)準(zhǔn)完善提供參考。
4 結(jié) 語(yǔ)
大容量高壓儲(chǔ)氫瓶試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是衡量氫燃料電池汽車(chē)供氫核心部件儲(chǔ)氫瓶應(yīng)用安全的重要技 術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是推動(dòng)儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)品規(guī)范生產(chǎn)和質(zhì)量的保 障依據(jù)。氫能企業(yè)及相關(guān)科研院所應(yīng)加強(qiáng)對(duì)ISO、 CGH2R及JIGA等國(guó)際先進(jìn)儲(chǔ)氫瓶試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的解析，完善我國(guó)氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)氫能綜合應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)安全、高質(zhì)量發(fā)展。