氢能聚焦·大容量高压储氢瓶性能试验标准概述

摘要：氢能在氢燃料电池汽车、分布式发电、储能载体等领域具有广泛的应用前景，大容量高压储氢瓶是氢燃料电池 汽车的关键储能载体。由于高压氢气的易燃易爆特性，衡量储氢瓶应用安全性的性能测试标准逐渐成为众多厂商和专家 学者的研究热点。本文概述几种已有的大容量高压储氢瓶性能测试试验及试验标准，并基于其应用风险及相关指标对有 关标准进行分析、比对，为我国储氢瓶标准进一步完善提供支持。

关键词：氢能，大容量高压储氢瓶，应用安全，性能试验标准

化石燃料的大量使用导致环境污染愈发严重、 资源储量日益减少等现象，开发新能源是各国近些 年解决能源问题的创新方向。氢能源因具有清洁环 保、发热值高等优点备受关注，世界各国对氢能发 展达成初步共识，相继出台有关激励政策支持氢能 发展。如美国政府在2001年发布全球首个《国家氢能发展路线图》，正式提出在未来5年投入12亿美 元到氢能领域[1]；中国2020年发布的《关于开展燃 料电池汽车示范应用的通知》等政策指出发展氢燃 料汽车、加氢站等氢能应用产业，并预测至2035年 我国氢燃料电池汽车保有量将达百万辆[1,2]。

现阶段，氢能尚未实现大规模应用的关键在储 运环节，大容量高压储氢瓶是在氢气存储、运输、释 放、安全用氢等过程中的主要载体。为满足氢能产 业发展对氢能储运装备相关技术要求[3]，我国气瓶 标准化技术委员会等单位制定了《车用压缩氢气铝 内胆碳纤维全缠绕气瓶》（GB/T 35544—2017）等 制造和使用标准规范[4]，与ISO、JIGA、CGH2R等气 瓶标准相比较之下在某些方面仍存在不足。本文研 究、分析储氢瓶关键性能指标测试试验及其标准， 为我国储氢瓶相关标准完善提供支持。 

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高压储氢

1.1 储氢瓶发展与储氢技术 

氢气储存技术分为高压气态储氢、液态储氢和 固态储氢。高压气态储氢[5]是在一定条件下将氢气 加压到35MPa或70MPa储存至储氢瓶，技术成熟、 成本低廉，但其金属内胆易与氢气发生氢脆，造成 储氢瓶功能失效。液态储氢[6]利用低温液态储氢 技术，将气态氢气进行低温液化工序后存储至储氢瓶，其氢气存储量高，但对储氢容器的绝热与防辐 射要求较高及液化成本昂贵。固态储氢[7]是利用钛、 锆等金属及其合金，通过物理/化学作用将氢气储 存起来形成储氢金属，根据需求可随时将氢气释放 出来，具有体积储氢密度高、运输方便、操作安全 性高等优点，其缺点是技术成本较高、产品疲劳性 能无法完全满足车载储氢等应用领域要求。综上所 述，高压气态储氢技术是目前发展较为成熟、应用 最广泛的。

1.2 大容量高压储氢瓶材质与性能 

高压气态储氢是现阶段技术最为成熟的储氢 技术，应用领域广泛，多数氢能汽车均釆用高压气 态储氢技术进行氢气的充放、储用[8]，车载储氢领域 所使用的大容量高压储氢瓶目前可分为四种类型[9]， 如表1所示。

目前市场上流通的储氢瓶多为III型瓶、IV型 瓶[10,11]（结构图见图1），其储氢压力分别为35MPa 和70Mpa。储氢瓶工作压力越高，同等容积下能够 存储的氢气越多[3]，我国尚未实现70MPa储氢瓶的 大范围应用。

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大容量高压储氢瓶风险分析

2.1 高压氢气危险性

美国工业用氢事故统计分析报告显示[12]，在115 起氢安全事故中有21起因管道和压力容器破裂引 起，占比率为14%（见图2）。储氢瓶工作压力一般在 35MPa~70MPa之间，高压运行工作状态下易使储氢 瓶发生破裂造成氢气泄漏引发燃烧爆炸，产生巨大 能量并瞬间释放，容器碎片高速散射并产生冲击波， 随之剩余氢气喷射到四周引起燃烧或二次爆炸[13]。

2.2 氢气快速充放气过程引起的温度变化问题

氢气在储氢瓶快速充装过程中会出现显著升 温现象，对碳纤维复合材料的树脂黏合剂产生影 响，造成储氢瓶承载能力及使用安全性降低[14]。氢 气温度上升显著的主要原因是氢气从加注器高速注 入储氢瓶产生焦耳-汤姆逊效应，郑津洋教授[15]研 究团队对储氢瓶快充温升现象的研究结果表明，氢 气加注器速率越高，终止时储氢瓶氢气温升程度越 大；工作环境温度升高，快速充装过程最大温升会 小幅度增大。

2.3 氢损伤危险性

氢原子半径小、渗透性强，与多数金属材料相 容性良好，高压环境下氢分子容易渗透进金属内 部，氢浓度达到饱和时会造成金属塑性下降、诱发 裂纹等，此现象称为金属材料氢脆[16,17]，如图3所 示。氢气进入金属主要以两种形式存在，一是集中 于金属缺陷处，氢原子通过扩散、脱附运动在缺陷 处析出并结合成氢分子；二是位错处聚集，位错运 动促进氢富集并形成氢气气团，气团钉扎位错造成 材料局部氢浓度饱和[6]。Ⅲ型储氢瓶金属内胆材料发生氢脆极易致使内胆丧失密封性，氢气泄漏到外界环境中。

在IV型瓶高压储氢塑料内胆中，氢气会缓慢渗 透，可分为溶解和扩散两种作用。溶解作用即氢气 溶解在聚合物中，会起到类似于増塑剂的作用，使 聚合物强度降低、韧性增加；扩散作用即氢气在聚 合物中通过非晶区发生扩散，使结晶区结构更为致 密，对氢分子扩散的阻碍作用加强，当储氢瓶循环 加压时，聚合物结晶度增加、分子量降低、分子量 分布变宽[18]，即IV型瓶发生氢泄漏的概率较低。

综上，大容量高压储氢瓶在使用过程中存在氢 泄漏、氢损失等安全风险，为衡量大容量高压储氢 瓶的应用安全性能，应严格按照相关技术标准对其 进行性能指标试验检测。

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储氢瓶试验关键性能指标分析

储氢瓶要通过型式试验对储氢瓶关键性能指 标进行测试，型式试验是特定型号气瓶产品取得制 造许可、正式投入生产的前提条件。本文选取的性 能试验指标标准要求主要参考ISO标准、CGH2R标 准、JIGA标准[19-21]，对比如表2所示。

3.1 抗腐蚀性能试验

大容量高压储氢瓶在使用过程中外表面会遭 受化学介质腐蚀作用，造成应力腐蚀破裂降低储氢 瓶安全功能[22]。为验证储氢瓶在恶劣化学环境下的 安全性，选用化学环境暴露试验检验储氢瓶抗腐蚀 性能，通过表征储氢瓶性能的重要参数爆破压力指 标来判断。

（1）ISO标准化学环境暴露试验概述。ISO标准采用硫酸、氢氧化钠、汽油、硝酸铵及甲醇水溶 液等来模拟储氢瓶表面在工作中可能会受到的腐 蚀。试验中将5个相同规格的气瓶分为5组，在储氢 瓶上部（易腐蚀部位）选取5个不重叠、直径为10cm 的区域并利用钢制金字塔对其进行摆锤冲击，使气 瓶出现一定程度破损便于化学试剂腐蚀，保证试验 有效性；将5个区域分别与5种溶液接触，每组气瓶 在2MPa~1.25Pw（Pw为储氢瓶制造商设定的工作压 力）范围进行2250次或以上加压循环，增压速率不 宜超过0.75MPa/s；当试验压力增至1.25Pw时保压， 直至气瓶与液体接触时间(包括压力循环时间和保 压时间)达到48h，对气瓶进行爆破试验并记录每 组爆破压力，ISO标准要求储氢瓶实际爆破压力在 1.8Pw以上。

（2）CGH2R标准化学环境暴露试验概述。CGH2R对于该试验的指标数据大部分与ISO标准 所规定指标数据相同，仅在加压循环过程指标要 求不同，其在2MPa~1.25Pw范围进行5000次加压 循环，增压速率不超过2.75MPa/s，其余指标要求 同ISO标准。

（3）JIGA标准化学环境暴露试验概述。不同于 上述技术标准的化学环境暴露试验流程，JIGA标 准在运用化学试剂浸渍试验的同时增添检测储氢 瓶涂层保护功能的浸渍试验，在21±5℃条件下将 储氢瓶下部1/3部位浸入浸渍液（由去离子水、氯化 钠、质氯化钙及硫酸组成），检测气瓶壳体在腐蚀 性环境中的抗腐蚀性能；在瓶筒体中央两侧沿纵向 选择间距为15cm的3个点分为三组进行摆锤冲击， 检测金属及非金属材料在动负荷下的抗冲击性能；气瓶通过浸渍处理后进行暴露试验，气瓶处理同 ISO标准规定，然后分别在20℃、40±5℃、85±5℃ 条件下进行加压循环试验，试验条件分别为2MPa以 下~1.25Pw范围进行5625次循环、2MPa以下~0.8Pw 范围进行2820次循环、2MPa以下~1.25Pw范围进行 2820次循环，三次循环时间不少于66s，处于最高压 力时保压60s，后续进行的爆破试验及合格要求同ISO标准规定。

3.2 材料耐高温性能试验

若储氢瓶长时间处于高温工作环境，将对树脂 材料固化产生负面影响使纤维-树脂层的抗剪切能 力下降，影响储氢瓶疲劳性能，通过加速应力爆破 试验检验高温工作环境对储氢瓶爆破压力影响。

（1）ISO标准加速应力爆破试验概述。在环境 温度85℃以上使储氢瓶增压至1.25Pw并保压1000h （更好证明试验有效性与储氢瓶性能），然后进行 爆破试验，试验合格指标为储氢瓶实际爆破压力大 于最小设计爆破压力的85%。

（2）CGH2R标准加速应力爆破试验概述。CGH2R标准在试验中试验步骤及指标要求同ISO 标准。

（3）JIGA标准加速应力爆破试验概述。JIGA 标准要求在65℃以上环境下使储氢瓶增压到1.25Pw 并保压1000h，进行爆破试验，试验指标要求实际爆 破压力在最小设计爆破压力的75%以上。

3.3 疲劳性能试验

大容量高压储氢瓶在氢气充装过程易引起储 氢瓶内温度快速升高或降低，如20℃充装条件下 进行气体压缩瓶体温度将达到85℃，泄压时温度 将降到-40℃，储氢瓶同时承受压力与温度循环影 响，容易使储氢瓶安全性能降低。选择极端温度 压力循环试验[14,22]检验汽车在不同极端温度条件 对储氢瓶疲劳寿命和爆破压力的影响，该实验能 综合考虑瓶体本体材料、树脂材料、纤维材料等影响。

（1）ISO标准极端温度压力循环试验概述。该 标准要求设定温度、湿度较高的环境，原因在于储 氢瓶树脂材料对湿热环境相对敏感，将气瓶在温 度85℃以上、相对湿度95%以上的环境下放置48h， 使用非腐蚀性液体（排除腐蚀液体造成的影响）在 2MPa以下~1.25Pw范围进行加压循环5625次，频 率不超过10次/分；将另一组储氢瓶置于低温（低 于-40℃）环境，在2MPa以下~1Pw范围加压循环5625次，频率不超过2次/分。爆破试验测定两组气 瓶剩余强度，试验要求气瓶在加压循环中不能出现 破坏、泄漏及纤维散开现象，气瓶实际爆破压力大 于最小设计爆破压力值的85%。

（2）CGH2R标准极端温度压力循环试验概 述。该标准试验环境同ISO标准规定，高温加压循环 在2MPa以下~1.25Pw范围循环7500次；低温加压循 环在2MPa以下~1Pw范围循环7500次，最后进行爆 破试验，合格要求同ISO标准。
3.4 储氢瓶性能试验指标分析

（1）抗腐蚀性能试验
对于抗腐蚀性能试验，ISO、CGH2R标准的试 验要求及合格指标一致，而JIGA标准则有明显区 别，如摆锤试验与浸渍试验的顺序及次数等。三种 技术标准对此试验的合格指标均为爆破压力最小 为1.8Pw，爆破压力合格值主要考虑不同纤维之间 基于不同弹性模量的荷载分担。

（2）疲劳性能试验
对于疲劳性能试验，CGH2R标准要求在两种 极端温度条件下的压力循环试验之间将气瓶置于 常温空间内进行稳定处理，此规定考虑了高低温 转变过程对材料性能的影响，对其必要性应做分 析研究；ISO标准对两种极端条件下的加压循环频 率进行了限定，若加压循环频率过高，气瓶性能在每次循环后得不到完全恢复，会导致试验结果误差偏大。

（3）材料耐高温性能试验
材料耐高温性能试验考察储氢瓶长时间在 高温下工作时对储氢瓶爆破压力的影响，ISO、 CGH2R标准对此试验的流程及合格要求一致，所选 温度为储氢瓶工作时的最高适用温度主要与储氢 瓶使用的环境温度有关，ISO、CGH2R标准对于此 试验的规定更加严格。

各种型式试验能够模拟储氢瓶工作环境来检 验其关键性能，三种技术标准对储氢瓶的相关性能 及试验指标做出相对完善的概述，可为我国相关储 氢瓶标准完善提供参考。

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结 语

大容量高压储氢瓶试验标准是衡量氢燃料电 池汽车供氢核心部件储氢瓶应用安全的重要技 术标准，是推动储氢瓶产品规范生产和质量的保 障依据。氢能企业及相关科研院所应加强对ISO、 CGH2R及JIGA等国际先进储氢瓶试验标准的解 析，完善我国氢能技术标准体系，促进氢能综合应 用推广和产业安全、高质量发展。

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