車用復合材料儲氫氣瓶火燒試驗方法標準對比研究*

李介普，古純霖，趙保頔，李 翔

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

隨著氫能產業的發展，氫燃料電池汽車的安全性能成為廣泛關注的重點，車用復合材料儲氫氣瓶是氫燃料電池汽車的重要能源儲存部件，其安全性能已成為氫能源安全應用的關鍵環節[1-3]。目前，車用復合材料儲氫氣瓶向著高壓力、輕量化、高儲氫密度的方向發展，35，70 MPa的車用Ⅲ型儲氫氣瓶、Ⅳ型儲氫氣瓶產品的設計研發進展迅速[4-5]。研究表明[6]：氫燃料電池汽車起火時，儲氫氣瓶的PRD可能因受熱不足無法及時泄放，導致氣瓶表面的纖維纏繞層力學性能急劇下降而發生爆炸。因此，需開展車用復合材料儲氫氣瓶的火燒試驗方法研究，驗證儲氫氣瓶在規定火燒條件下防爆能力，確保車用復合材料儲氫氣瓶在火災情況下的安全可靠。

本文從試驗形式、火源設置、溫度測量要求、安全防護要求、試驗溫度要求、合格指標等方面，對比分析各標準中車用復合材料儲氫氣瓶的火燒試驗方法，指出現有車用復合材料儲氫氣瓶火燒試驗方法有待進一步研究的問題。

1 車用復合材料儲氫氣瓶的國內外標準

國際上車用復合材料儲氫氣瓶設計、制造、型式試驗環節的法規標準主要有：美國標準《燃料電池和其他氫型車輛中燃料系統標準》(SAE J2579—2009)(以下簡稱SAE J2579)[7]、國際標準《氣瓶-可重復充裝復合材料氣瓶和長管》(ISO 11119—2013)(以下簡稱ISO 11119)[8]和《車用氫氣及氫混合氣體儲存氣瓶》(ISO/TS 15869—2009)(以下簡稱ISO 15869)[9]、聯合國歐洲經濟委員會的世界車輛法規協調論壇(WP29)內陸運輸委員會(ITC)發布的《氫燃料電池汽車全球技術法規》(HFGV-GTR13—2013)[10](以下簡稱GTR13)等。目前，我國已經制定了車用Ⅲ型儲氫氣瓶的國家標準《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》(GB/T 35544—2017)(以下簡稱GB/T 35544)[11]，并在2020年9月，由中國技術監督情報協會發布了車用Ⅳ型儲氫氣瓶的團體標準《車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》(T/CATSI 02 007—2020)(以下簡稱T/CATSI 02 007)[12]。

SAE J2579標準由美國汽車工程師協會于2009年制定，規定了燃料電池和其他氫能車輛中燃料儲存系統的設計、建造、型式試驗和維護要求，適用于設計壽命在15～25 a的Ⅰ型～Ⅳ型車用儲氫氣瓶。國際標準ISO 11119適用于Ⅱ型～Ⅴ型的、容積不大于150 L的車用復合材料儲氫氣瓶和容積為150～450 L的運輸用氣氫和液氫瓶，氣瓶的最小設計壽命15 a。國際標準(ISO/TS 15869—2009)適用于公稱壓力為25，35，70 MPa、設計壽命15～20 a的車用Ⅰ型～Ⅳ型儲氫氣瓶。GTR13法規是由聯合國世界車輛法規協調論壇制定的主旨在于開發和建立氫燃料電池汽車的全球性技術法規，規定了壓縮氫儲存系統的合格性試驗方法，適用于公稱壓力≤70 MPa、設計壽命≤15年的Ⅱ型～Ⅳ型車用復合材料儲氫氣瓶。

我國的國家標準GB/T 35544規定了[11]車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶的型式和參數、技術要求、試驗方法、檢驗規則等要求，適用于設計制造公稱工作壓力不超過70 MPa、公稱水容積不大于450 L、貯存介質為壓縮氫氣、工作溫度不低于-40 ℃且不高于85 ℃、固定在道路車輛上用作燃料箱的可重復充裝氣瓶。中國技術監督情報協會發布的團體標準T/CATSI 02 007規定了[12]車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶的型式和參數、技術要求、試驗方法、檢驗規則等要求，適用于設計制造公稱工作壓力不超過70 MPa(應為35，70 MPa)、公稱水容積不大于450 L、貯存介質為壓縮氫氣、工作溫度不低于-40 ℃且不高于85 ℃、固定在道路車輛上用作燃料箱的可重復充裝氣瓶。

2 車用復合材料儲氫氣瓶火燒試驗方法對比分析

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007標準及GTR13法規在車用復合材料儲氫氣瓶火燒試驗的試驗形式、通用要求、試驗步驟、合格指標等方面的要求有較大差異。本文針對上述6個車用儲氫氣瓶的國內外標準，從試驗形式、火源設置、溫度測量要求、安全防護要求、試驗溫度要求、合格指標等方面，對比分析各標準中車用復合材料儲氫氣瓶的火燒試驗方法。

2.1 試驗形式

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007標準及GTR13法規規定的火燒試驗形式對比見表1。

由表1可知，SAE J2579和ISO 11119標準規定采用整體火燒方法進行火燒試驗，其余標準均采用局部火燒擴展到整體火燒的試驗形式。車用復合材料儲氫氣瓶在使用端的火災事故分為整體受火和局部受火2種，根據Scheffler等[13]的研究表明，氫燃料電池汽車起火時，車用復合材料儲氫氣瓶會經歷由局部火燒擴展到整體火燒的過程，在局部火燒階段，氣瓶存在因PRD受熱不足無法泄放瓶內氣體而爆破失效的風險，更需關注局部火燒情況下的氣瓶安全性能。

表1 不同標準的火燒試驗形式對比Table 1 Comparison of fire test experiment forms in different standards

因此，整體火燒方法無法驗證車用復合材料儲氫氣瓶在局部火燒時的安全性能，局部火燒擴展至整體火燒的火燒試驗方法則考慮了氣瓶受遠離PRD的局部火災而發生爆炸的最危險情況，有效驗證儲氫氣瓶在局部火燒情況下的耐火性能，更貼近車載儲氫瓶火災事故的真實情況。

2.2 火源設置

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007標準及GTR13法規對于火源設置的要求對比見表2。

表2 不同標準的火源設置要求對比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，采用整體火燒試驗方法的SAE J2579和ISO 11119標準均規定需設置長度為1.65 m的均勻火源，火源寬度應包圍或大于等于氣瓶直徑。采用局部火燒擴展至整體火燒試驗方法的ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007標準及GTR13法規均規定局部火燒時火源長度為(250±50)mm，整體火源時火源長度擴展至氣瓶整體長度。ISO 15869標準及GTR13法規還規定了整體火源長度不超過1.65 m，GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準沒有限制火源的最大長度。在氣瓶與火源的距離要求方面，所有標準均規定氣瓶下表面距離火源約為100 mm。

目前，各標準在火源設置方面的要求是否符合車用復合材料儲氫氣瓶使用端的實際情況還有待進一步研究，建議我國的車用復合材料儲氫氣瓶相關標準結合車用復合材料儲氫氣瓶使用端的火災實際情況，對火源設置要求進行優化，使火焰更貼近實際的火災工況，提高火燒試驗的可操作性和可重復性。

2.3 溫度測量要求

氣瓶表面的溫度是火燒試驗關注的主要參數，在典型火災工況下氣瓶的壓力、溫度響應規律是研究火燒試驗方法和評價指標的主要依據。在火燒試驗中，每隔30 s或更短時間記錄1次熱電偶溫度和氣瓶壓力，各標準的試驗溫度測量要求對比見表3。

由表3可知，在熱電偶數量的規定方面，采用整體火燒方法的SAE J2579和ISO 11119標準規定熱電偶的數量至少為3個。其余采用先局部火燒后擴展至整體火燒試驗方法的標準均規定熱電偶數量至少為5個，并對局部火燒區域和其他區域的熱電偶數量進行了明確。在熱電偶的間距要求方面，SAE J2579標準規定熱電偶之間的間距不超過0.75 m，ISO 11119標準未對熱電偶的間距進行規定，其余標準均規定熱電偶需等距布置，間距不超過0.5 m。

表3 不同標準的試驗溫度測量要求對比Table 3 Comparison of test temperature measurement requirements in different standards

在熱電偶的布置區域方面，SAE J2579和ISO 11119標準未對熱電偶的布置區域進行規定，其余標準均規定熱電偶需沿氣瓶軸向不超過1.65 m的區域進行布置。在熱電偶與氣瓶的距離要求方面，ISO 11119標準未做規定，其余標準均規定熱電偶距氣瓶下表面的距離為(25±10)mm。

目前，各標準火燒試驗方法均規定熱電偶需布置在距離氣瓶下表面25 mm處的位置進行溫度監測，根據歐可升[14]等學者的研究，PRD的驅動熱源主要來源于氣瓶壁面的熱傳導和氣瓶外部的空氣傳熱。因此，熱電偶在距離氣瓶下表面25 mm的位置測得的溫度值是否能代表氣瓶的壁面溫度還有待進一步研究，以確保測量的溫度值準確地反應瓶體的壁面溫度，保障溫度采集的真實性。

2.4 安全防護要求

為了防止氣瓶在火燒試驗中發生爆炸等破壞性事故，保障火燒試驗裝置及試驗人員的安全，氣瓶火燒試驗的安全防護要求應從安全泄放裝置安全防護、熱電偶安全防護和試驗裝置及現場環境安全防護3個方面進行考慮。各標準對于火燒試驗的安全防護要求對比見表4。

由表4可知，在安全泄放裝置的防護要求方面，GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準均未做規定，SAE J2579、ISO 11119和ISO 15869標準均規定安全泄放裝置應該被金屬擋板保護，避免火焰直接接觸，但未對金屬擋板的結構和布置方法進行要求。當金屬擋板對安全泄放裝置的保護不到位時，可能會使得安全泄放裝置在試驗中提前泄放；當金屬擋板的保護過度時，可能導致安全泄放裝置被嚴重隔熱，增加火燒試驗的危險性。在熱電偶的防護要求方面，GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準未做規定，ISO 11119和ISO 15869標準規定使用至少0.4 mm厚的金屬擋板保護熱電偶，SAE J2579規定將熱電偶嵌入邊長25 mm的金屬測量塊中保護熱電偶。在試驗裝置及環境的安全防護要求方面，各標準中只有GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準規定應采用擋風板等遮風措施，使氣瓶受熱均勻，但沒有給出明確的防風擋板的結構和布置方法的要求。

表4 不同標準的火燒試驗安全防護要求對比Table 4 Comparison of safety protection requirements for fire test in different standards

因此，建議我國的車用復合材料儲氫氣瓶相關標準明確火燒試驗裝置防風擋板、安全泄放裝置金屬防護擋板、熱電偶安全防護裝置的結構設計和布置方法的要求，避免火燒試驗中氣瓶爆炸的危害，保障試驗的安全可靠。

2.5 試驗溫度要求

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007標準及GTR13法規對于試驗溫度的要求對比見表5。

由表5可知，SAE J2579、ISO 11119等標準采用的整體火燒試驗方法主要關注火燒試驗點火5 min后的熱電偶溫度值，SAE J2579標準要求不低于500 ℃，ISO 11119標準要求為不低于590 ℃。SAE J2579和ISO 11119標準中規定的點火5 min后的熱電偶溫度值，主要借鑒于車用壓縮天然氣氣瓶的火燒試驗方法[15-16]。

由表5可知，除SAE J2579、ISO 11119標準以外的其他標準均采用先局部火燒后擴展到整體火燒的試驗形式，GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準的試驗溫度要求相同：在局部火燒階段，氣瓶火燒區域上熱電偶指示溫度在點火后1 min內至少應達到300℃，在3 min內至少達到600 ℃，在之后的7 min內不得低于600 ℃，但不得超過900 ℃。點火10 min 后進入整體火燒階段，火焰應迅速布滿整個氣瓶長度，熱電偶指示溫度至少應達到800 ℃，但不得超過1 100 ℃。此外，ISO 15869標準對試驗溫度的要求，除局部火燒時間要求的8 min比GTR13法規要求的10 min短2 min以外，其他要求與GTR13法規完全相同。

表5 不同標準的試驗溫度要求對比Table 5 Comparison of test temperature requirements in different standards

采用整體火燒試驗方法進行試驗時，對于火燒試驗溫度的要求較簡單，火燒試驗裝置對火燒溫度的控制要求容易實現，試驗的可操作性和可重復性較高。采用先局部火燒后擴展到整體火燒的火燒試驗方法時，雖然彌補了整體火燒試驗方法不能有效驗證高壓儲氫氣瓶在局部受火環境下的安全性能問題，但需要較復雜的試驗裝置對試驗溫度進行精準控制。因此，建議開展火燒試驗裝置的設計研發，以滿足車用復合材料儲氫氣瓶先局部火燒后擴展到整體火燒的試驗方法要求，并通過大量的局部火燒試驗研究，驗證局部火燒試驗方法的溫度、局部燃燒時長等關鍵參數的設置是否合理。

2.6 試驗結果及合格指標

SAE J2579、ISO 11119、ISO 15869、GB/T 35544、T/CATSI 02 007標準及GTR13法規對于火燒試驗結果以及合格指標的要求對比見表6。

表6 不同標準的火燒試驗結果及合格指標要求對比Table 6 Comparison of fire test results and qualified indexes requirements in different standards

由表6可知，在試驗結果方面，SAE J2579、GTR13、GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準均規定氣瓶內氣體壓力釋放到小于1 MPa(10 bar)，而ISO 11119標準規定的試驗結束時的瓶內氣體壓力為7 bar。ISO 15869標準則規定當氣瓶壓力釋放到小于1 MPa，或者氣瓶在整體火燒下保持30 min時，試驗結束。考慮到車用復合材料儲氫氣瓶在做火燒試驗時采用氫氣充裝，為了保證試驗安全，不僅需要對火燒試驗的時長進行規定，還應對氣瓶試驗停止的瓶內氣體壓力進行明確。

在火燒試驗的合格指標方面，所有標準均規定氣瓶應該通過壓力泄放裝置泄放，且氣瓶不得爆破，即為火燒試驗合格。GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準還規定了火燒過程中至少1個熱電偶指示溫度應達到規定范圍。

此外，ISO 15869標準和GTR 13法規對于氫氣額外釋放的情形進行了規定：氫氣額外釋放(通過氣瓶瓶體壁面釋放氫氣的過程，不包括通過安全泄壓裝置的正常泄放)引起的泄漏所導致的火焰長度不得超出火燒火焰周長0.5 m，而SAE J2579、ISO 11119、GB/T 35544和T/CATSI 02 007標準未對氫氣額外釋放的情況進行說明。車用復合材料儲氫氣瓶在火燒試驗時，是否允許氣瓶發生安全泄放裝置泄放以外的額外泄放，有待進一步研究。

3 結論

1)國內外標準在車用復合材料儲氫氣瓶火燒試驗的試驗形式、通用要求、試驗步驟、合格指標等方面的規定有較大差異，需要開展進一步的研究工作。在火源設置方面，建議我國車用復合材料儲氫瓶相關標準對火源設置要求進行優化，使火焰更貼近實際的火災工況，提高火燒試驗的可操作性和可重復性。在溫度測量方面，各標準均規定熱電偶設置于距離氣瓶下表面25mm處，該位置測得的溫度值是否能反應氣瓶的壁面溫度還有待進一步研究，確保熱電偶的測溫能更真實地反應瓶體的壁面溫度，保障溫度采集的真實性。

2)車用復合材料儲氫氣瓶火燒試驗的安全防護要求應從安全泄放裝置安全防護、熱電偶安全防護和試驗裝置及現場環境安全防護3個方面進行考慮。建議我國的車用復合材料儲氫氣瓶相關標準明確火燒試驗裝置防風擋板、安全泄放裝置金屬防護擋板、熱電偶安全防護裝置的結構設計和布置方法的要求，避免試驗中氣瓶爆炸的危害，保障火燒試驗裝置及試驗人員的安全。

3)相比于整體火燒方法，先局部火燒后擴展到整體火燒的火燒試驗方法考慮了氣瓶受遠離PRD的局部火災而發生爆炸的最危險情況，有效驗證局部火燒下的氣瓶耐火性能，更貼近車載儲氫瓶火災事故的真實情況，但需要較為復雜的試驗裝置對試驗溫度進行精準控制。建議開展火燒試驗裝置的設計研發，以滿足車用復合材料儲氫氣瓶先局部火燒后擴展到整體火燒的試驗方法要求，并通過大量局部火燒試驗研究，驗證局部火燒試驗方法中的溫度、局部燃燒時長等關鍵參數的設置合理性。