燃料電池汽車車載氫系統安全性測評技術分析

鄭皓天，張岳秋，郝冬，陳向陽，蘭昊，楊沄芃

1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.山東科技大學，山東青島 266590；3. 北京市機動車排放管理事務中心，北京 102612

0 引言

燃料電池汽車（fuel cell vehicle, FCV）在正常運行過程中，氫氣的儲存與供給往往會因部件失效而產生氫泄漏類的安全性問題。車載氫系統是燃料電池汽車的核心子系統之一，發展車載氫系統安全性能測試和評價是促進燃料電池汽車產業健康有序發展的重要工作。

為保證車載氫系統的氫安全性，國內外專家學者從模擬仿真、試驗檢測及事故案例分析3個角度開展了系列研究。在模擬仿真層面，齊同侖等[1]對燃料電池車載氫系統進行有限元分析，檢驗車載氫系統相關零部件在整車碰撞工況中是否出現可導致氫泄漏的損傷，并從固定位置脫落及泄漏情況來評估車載氫系統的安全性，提出車載氫系統結構強度的判定方法。在試驗檢測層面，孫田等[2]提出一種判定車載氫系統結構強度的方法，并針對80套國產車載氫系統進行安裝強度試驗，根據我國標準分析車載氫系統制造裝配水平；李前[3]通過對比分析國際法規的各項要求，并結合我國車載高壓儲氫系統的特點，從安裝要求、型式試驗要求和關鍵試驗項目3個角度分析研究，提出了我國車載高壓儲氫系統安全泄壓裝置的技術要求；劉光輝等[4]針對5輛燃料電池公交客車整車氫氣泄漏、整車氫氣排放等性能進行了檢測。在事故案例分析層面，Yang等[5]總結了氫安全性事故及其主要表現形式；李晨[6]進一步分析了車載氫系統事故原因，為企業在車載氫系統氫安全技術方面的研發提供思路；胡華為等[7]對近3年儲氫系統發生的事故進行匯總，從設計、配件、設備、人才方面存在的安全問題進行分析，并提出安全性相關的建議。

本文結合目前車載氫系統氫安全的標準體系及相關測試規范，對車載氫系統安全性測評方法進行分析和總結，并結合實際經驗，重點探討部件強度試驗、安裝強度試驗、氣密性試驗和環境適應性試驗的相關試驗檢測方法，構建車載氫系統安全性能檢測與評價體系框架，旨在為建立更加科學的定量測試與評價方法提供有益的借鑒和參考。

1 車載氫系統結構

FCV主要由燃料電池系統、驅動電機系統、整車控制系統、輔助儲能系統及車載氫系統等五大系統構成，其中燃料電池系統和車載氫系統是FCV的核心子系統。燃料電池汽車主要部件構成如圖1所示。車載氫系統是FCV系統中氫安全風險最高的部分，其主要由儲氫氣瓶、瓶口組合閥、加氫口、減壓閥、高壓管路與接頭以及傳感器與控制系統組成。

圖1 燃料電池汽車主要部件構成

根據國家標準的定義，車載氫系統是燃料電池電動汽車上從加氫口至減壓閥中與氫氣加注、儲存、輸送、供給和控制有關的裝置。儲氫氣瓶由塑料內膽（或鋁內膽）和碳纖維儲氫材料構成。隨著車載氫系統儲氫壓力的提高，目前多采用碳纖維材料作為儲氫氣瓶的承壓材料，以獲得較輕的質量，從而保證車載氫系統具有足夠的質量儲氫密度。瓶口組合閥一般由主關斷閥、手動截止閥、過流保護閥、安全泄壓裝置和單向閥等構成并集成于儲氫氣瓶瓶口處。其中，安全泄壓裝置多采用溫度驅動的壓力泄放裝置（TPRD）。

2 國內外車載氫系統相關標準

高壓氫氣在應用過程中往往會因設備的災難性破裂、氫氣的大量泄漏或緩慢泄漏而產生一些安全性問題。車載氫系統在實際使用過程中會面臨各種各樣的環境和工況，因此需要研究和驗證其安全性。車載氫系統氫安全的測試評價對推動燃料電池汽車產業健康快速發展、促進新能源汽車產業化進程都具有指導意義，而相關的標準是進行可靠測試評價的重要依據。隨著各國對燃料電池汽車產業的不斷投入，燃料電池汽車技術逐漸成熟，各國及各區域燃料電池汽車相關標準也在不斷制定和完善中。

國際技術標準體現著行業最新的技術與標準化動向，引領著國際車載氫系統氫安全相關標準的制定。當前，國際標準化組織（ISO）針對車載氫系統已經制定并發布了許多標準，詳見表1。其中，ISO 12619：2014《道路車輛壓縮氣態氫（CGH2）和氫氣/天然氣混合物燃料系統組件》共包含16項子標準[8]，規定了應用高壓氣態氫作為燃料的FCV的閥門、管路等各組件的設計要求與定義，規定了其性能要求與通用測試方法。此外，針對氫安全專門制定的全球技術法規VN GTR NO.13《燃料電池電動汽車安全全球技術法規》[9]，包括車載氫系統各部件尺寸和標識的說明，同時就結構和功能安全性的特殊要求，對燃料電池電動車輛進行了統一的規定，對燃料電池汽車標準的制定起到了綱領性作用?？傊?，國際上針對車載氫系統氫安全的發展熱點開展了大量的標準研究和制定工作，積極推動了各國國家標準工作的制定。

表1 國際車載氫系統相關標準

我國在車載氫系統檢測的技術條件和試驗方法方面初步構建了標準體系，相關標準見表2。一方面GB/T 24549—2020《燃料電池電動汽車 安全要求》[10]統籌考慮了在整車層級方面車載氫系統和關鍵零部件的一般安全要求，另一方面也提出了車載氫系統部件級規范與標準，如GB/T 26779—2021《燃料電池電動汽車加氫口》[11]和GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》[12]分別對加氫口與儲氫氣瓶的型式和參數、技術要求、試驗方法及檢測標準做出明確規定。此外，GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》還規定了溫度驅動安全泄壓裝置（TPRD）、截止閥和單向閥的型式試驗方法與合格指標等。

表2 我國車載氫系統相關標準

3 車載氫系統安全性測評體系分析

為進一步完善車載氫系統安全性測試評價，由全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會組織修訂的國家標準《燃料電池電動汽車車載氫系統技術條件》已于2022年11月完成征求意見，再綜合國家標準GB/T 26779—2021《燃料電池電動汽車加氫口》和GB/T 35544—2021《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》，對我國車載氫系統安全性測評體系進行分析。車載氫系統安全性測評體系由部件強度試驗、安裝強度試驗、氣密性試驗和環境適應性試驗組成，如圖2所示。

圖2 車載氫系統安全性測評體系

（1）部件強度試驗。車載氫系統的安全保護裝置能夠在安全狀態異常時適時排出氫氣或停止氫氣供應，為避免車載氫系統安全保護失效，需要對主關斷閥、加氫口、TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件等核心部件的強度進行試驗。

主關斷閥試驗需將主關斷閥下游管路與壓力檢測裝置、流量檢測裝置和截止閥按圖3所示連接，通過向氣瓶中充裝空氣和氮氣模擬氫氣在氫系統的工況以檢測主關斷閥功能。其具體步驟包括：向車載氫氣瓶（組）中充裝干燥空氣或氮氣至公稱工作壓力；關閉截止閥，按技術要求控制主關斷閥開啟；監測下游壓力和流量變化，若壓力升高并保持穩定，打開截止閥后流量正常，則主關斷閥正常開啟。

圖3 主關斷閥試驗示意

加氫口是車輛上與加氫槍相連接的部件總成，加氫口外保護蓋內側應有明顯的包括工作壓力、氫氣標志在內的相關標志。其安全要求與測試方法應參照GB/T 26779—2021《燃料電池電動汽車加氫口》所述試驗方法進行（表3）。

表3 加氫口安全性要求與測試方法

TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件的型式試驗項目見表4，各項試驗的測試方法和合格指標可參考GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》中的相關章節。

表4 TPRD、單向閥和截止閥以及非金屬密封件型式試驗項目

（2）安裝強度試驗。當車輛運行顛簸或者發生碰撞時，能量的傳遞可能會造成氫系統框架變形、零部件移動或損壞，導致連接的管路承受應力，而應力超過接頭承受能力后最終會導致氣體泄漏。儲氫氣瓶的安裝強度直接關系到整車氫安全。為保障車載氫系統的氫氣瓶在受到沖擊后，緊固部件不發生變形、斷裂、松動等現象，設計動態試驗和靜態試驗以評測儲氫氣瓶安裝強度。

動態試驗將儲氫氣瓶以不使用固定加強的方式固定在試驗臺上，氣瓶中充裝干燥空氣或氮氣至額定充裝重量，施加加速度沖擊并保持至少30 ms。通常將汽車行駛方向定義為x軸，垂直于行駛方向的水平方向定義為y軸，垂直于水平面的方向定義為z軸。鑒于車型和車輛不同方向對振動強度的要求不同，不同方向所施加的加速度值也有差異，見表5。

表5 動態試驗加速度限值

靜態試驗中，鑒于單氣瓶和氣瓶組受力差異及氣瓶布置方式的差異調整了施力點，通過“力-位移”的關系曲線實現氣瓶安裝強度的判定。試驗方法見表6。

表6 靜態試驗的試驗方法

（3）氣密性試驗。車載氫系統瓶體、瓶閥、管路和各連接處均應密封良好，其檢測過程采用了“逐級加壓、逐級檢測”的方式。通過加氫口加注試驗氣體，按照表7步驟加壓至設定壓力并保壓一段時間；每達到一個壓力點，使用氣體檢測儀檢測樣品所有連接處，讀取氣體泄漏率或泄漏濃度；35 MPa車載氫系統加壓至43.8 MPa，70 MPa車載氫系統加壓至87.5 MPa，保壓5 min，并觀察各部件有無損壞。

表7 車載氫系統加壓步驟

（4）環境適應性試驗。為保證燃料電池汽車的環境適應性，使其能在極端環境下滿足運輸及使用條件，須對車載氫系統耐高溫性能、耐低溫性能、耐濕熱性能、耐振動性能及耐鹽霧腐蝕性能展開評測。環境適應性試驗包括高低溫試驗（表8）、濕熱試驗、振動試驗和鹽霧試驗。

表8 高低溫試驗的試驗方法

濕熱試驗參考GB/T 2423.4—2008/IEC 60068-2-30：2005《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法試驗Db：交變濕熱（12 h＋12 h循環）》[13]進行試驗，試驗最高溫度采用60 ℃或更高溫度，循環5次。試驗結束后，應在試驗環境溫度下靜置觀察2 h以上。

振動試驗要求在車載氫系統的每個方向分別施加隨機和定頻振動載荷，一般的加載順序為z軸隨機、z軸定頻、y軸隨機、y軸定頻、x軸隨機、x軸定頻。試驗過程中，出現脫落、磨損、變形等異常時，應立即停止試驗。

鹽霧試驗應按照 GB/T 2423.17—2008/IEC 60068-2-11：1981《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Ka：鹽霧》[14]的測試條件進行試驗。鹽溶液采用氯化鈉和蒸餾水或去離子水配制，其濃度為（5±1）%（質量分數）。（35±2）℃下測量pH在6.5～7.2。將試驗對象放入鹽霧箱并按標準要求進行循環，每個循環持續24 h，在（35±2）℃下對試驗對象噴霧8 h，然后靜置16 h，共進行6個循環。

每次進行高低溫試驗、濕熱試驗、振動試驗和鹽霧試驗之后，需要對車載氫系統的氣密性進行測試，以檢驗各項試驗對車載氫系統安全性的影響。

4 結論

本文首先介紹了車載氫系統的結構，梳理和分析了國內外車載氫系統相關標準，結合車載氫系統結構與現有氫安全標準，構建了車載氫系統安全性測評體系，分為以下4個方面：①部件強度試驗主要包括主關斷閥、加氫口、TPRD、單向閥、截止閥和非金屬密封件試驗；②安裝強度試驗包括靜態試驗和動態試驗；③氣密性試驗；④環境適應性試驗包括高低溫試驗、濕熱試驗、振動試驗和鹽霧試驗。本文詳細闡述了具體的試驗方法，為全面測評車載氫系統和關鍵部件的安全性提供了試驗依據。