氢能汽车- 46 -
技术交流
石油和化工设备2018年第21卷
图1 氢燃料电池汽车用储氢系统
李前
（上海市特种设备监督检验技术研究院， 上海 200026）
[摘 要] 本文综合考虑联合国GTR法规和草案ISO/CD 1988：2015《车用压缩氢气瓶》的相关技术要求，结合我国现行的企业标准和产品技术现状，提出了将氢气瓶国家标准的适用范围为公称工作压力不大于70MPa，温度-40～85℃，且容积不大于450L的车用压缩氢气瓶，同时提出了在现有型式试验项目的基础上，增加氢气气体循环试验项目。[关键词] 车用氢气瓶；检测；标准；研究
作者简介：李前（1981—），男，安徽宿州人，硕士，高级工程师，全国气瓶标委会附件分会委员，在上海市特种设备监督检验技术研究院从事气瓶及附件检测技术研究工作。
能源紧缺和环境污染是当今世界两大难题。氢能作为一种零碳能源，具有来源广、燃烧值高、无污染等优点，被视为本世纪最具发展潜力的清洁能源。因此，各国均在逐渐加大对氢能的研发投入。氢能的使用主要包括氢的生产、储存和运输、应用等方面，而决定氢能应用的关键是安全高效的氢能储运技术。氢气储存技术滞后，安全性无法得到保证，严重限制了氢能源的大规模应用，特别是在各类交通工具上
的应用。氢气的储存有高压气态储氢、低温液态储氢和金属氢化物储氢、碳纳米管吸附储氢、有机液体氢化物储氢等方法[1]。目前，大规模应用的方法是高压气态储存，储存压力一般为35～70MPa ，采用的大多是金属内胆全缠绕Ⅲ型气瓶，如图1所示。
在我国，车用纤维全缠绕高压氢气瓶属于特
种设备，其设计、制造和使用必须按照相应的安
全技术规范和技术标准要求进行型式试验，但目前尚无成熟的国家标准。但我国的燃料电池车载储氢气瓶已在北京奥运会和上海世博会开展了示范运行，上汽、大众、福田等汽车制造商也在不断加大氢能源汽车的研发进度，这就迫切要求我国必须尽快制定适用我国现阶段技术水平的技术标准，规范高压储氢气瓶及其附件的设计、制造和使用，保障新能源汽车行业的健康发展。1 国内外法规标准分析
据了解，浙江大学正在编制车用纤维缠绕高压氢气瓶国家标准初稿。因此，国内的气瓶制造商大多编写了企业标准，如中材科技、北京天海、北京科泰克、沈阳斯林达、浙江凯博等。这些企业标准的适用范围大多为公称压力35MPa ，许用温度-40～65℃，设计寿命不高于15年的压缩氢气Ⅲ型瓶。与此同时，气瓶国家标准初稿和企业标准大多是基于ISO/DIS 15869：2009《车用氢气及氢混合气体储存气瓶》编写的。
世界各国对车载储氢气瓶标准制定的进展情况各不相同，主要的标准体系包括欧盟标准、美国标准及日本标准等。世界上通用的纤维缠绕储氢气瓶标准有国际标准化组织ISO 11439《车用天然气高压气瓶》、欧盟EN12245《可移动气瓶全裹覆复合气瓶》、美国DOT-CFFC 《铝内胆全缠绕碳纤维增强气瓶的基本要求》等，但这些标准仅适用于储氢压力40MPa 以下的纤维缠绕储氢气瓶，这些国际标准已不能满足目前高压储氢的研究[1]。
新型高压储氢相关标准的研究与缠绕高压
- 47 -
第8期 李前 车用高压储氢气瓶法规标准研究
表1 国际标准比对表
储氢气瓶的研究同步进行，国际标准化组织、美国、欧盟、日本等已经制定相应的标准或草案，如国际标准化组织ISO/DIS 15869《车用氢气及氢气混合气储存气瓶》、美国SAE J2579《氢能汽车燃料系统》、欧盟CGH2R Draft Revision 10《氢动力汽车储氢系统》、日本JA RI S 001《氢能汽车用
高压储氢气瓶技术标准》[1]。尤其是联合国欧洲经济委员会工作组UN/ECE/WP.29/AC.3 HFCV 《氢燃料电池汽车全球技术法规》（简称GTR ）和2015年最新形成的国际标准草案ISO/CD 19881《车用压缩
氢气瓶》。以上国际标准的适用范围如表1所示。
序号国际标准名称适用范围
1
欧盟标准CGH2R：2006《氢动力汽车储氢系统》CGH2R标准是关于整个压缩氢动力汽车供氢系统的，2006年12月公布，在其附录7的A、B两部分给出了高压储氢气瓶的要求。A部分为气瓶设计制造的要
求，B部分为气瓶检验的试验方法。设计寿命不高于20年。
2
日本标准JIGA-T-S：2004《氢动力汽车高压储氢气瓶》JIGA标准是一部专门针对纤维缠绕高压氢气瓶的标准，制订于2004年。标准内容主要包括五章：总则、制造方法、设计确认试验及批试验、型式试验及
附录。适用于金属内胆车用纤维全缠绕高压氢气瓶和塑料内胆车用纤维缠绕高压氢气瓶，并要求充装的氢气纯度在99.99%以上。未明确设计寿命。
3
国际标准ISO/DIS 15869：2009《车用氢气及氢混合气体储存气瓶》ISO标准是国际标准化组织氢技术委员会和气瓶技术委员会的气瓶设计分技术委员会联合起草的。其内容主要有：材料、设计要求、结构和工艺、型式
试验、逐只试验和批试验、标记、运输准备及四个附录。适用于金属内胆车用纤维全缠绕高压氢气瓶和塑料内胆车用纤维缠绕高压氢气瓶，并要求充装氢气纯度99.99%以上。设计寿命不高于15年。
4
国际标准草案ISO/CD 19881：2015《车用压缩氢气瓶》用于公称工作压力不大于70MPa，且容积不大于1000L的车用压缩氢气瓶，主要包括材料、设计、制造、标识、生产试验及附录。
5
联合国欧洲经济委员会工作组UN/ECE/WP.29/AC.3 HFCV氢燃料电池汽车全球技术法规（简称GTR）
GTR是以系统为试验对象，由编制说明、法规正文和附录三部分组成，法规正文内容主要有两大部分：整车安全要求和试验方法、车载储氢系统安全要
求和试验方法。该法规给出了压缩氢储存系统、液氢储存系统、燃料系统及电安全的安全性能顺序试验要求及型式试验要求[2]。其中气瓶适用于不大于70MPa，设计寿命不高于15年。
6
欧盟法规EC 79/2009和EU 406/2010《氢动力汽车型式认证》是以系统为试验对象，分别给出了压缩氢储存系统、液氢储存系统中气瓶、瓶阀、泄压装置、调压阀、连接管路、加注口等零部件和系统的型式认证顺
序试验要求和安装要求。设计寿命不高于20年。
由此可见，联合国GTR 法规作为氢燃料电池的第一部全球技术法规，以储氢系统作为试验对象，涵盖了压缩氢和液氢两种储氢系统，采用顺序试验方法，并且强调产品质量稳定性，提出了高压氢气压力循环试验和氢气泄漏试验等高难度试验项目[2]。因此，在关注对象和试验方法上都体现了其新颖性与合理性，同时也对各成员国的氢
燃料电池汽车试验能力提出了更高要求。而ISO/CD 19881：2015《车用压缩氢气瓶》是2015年提出的国际标准草案[3]，虽然尚未颁布实施，但该标准是国际标准化组织氢技术委员会最新提出的车用压缩氢气瓶技术标准，对我国正在编制的车用纤维缠绕高压氢气瓶国家标准具有重要的参考价值，与我国现行企业标准的技术要求比对情况见表2。
序号内容我国企业标准技术要求
ISO/CD 19881：2015技术要求
1范围公称工作压力35M P a ，公称水容积不大于450L，许用温度-40～65℃，充装压缩氢气，设计寿命不高于15年的Ⅲ型瓶。用于公称工作压力不大于70M P a ，温度-40～85℃，且容积不大于1000L的车用压缩氢气瓶。
2结构型式一端开口或两端开口的Ⅲ型瓶。
分A类、B类、C类三个类别；分Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型四种气瓶。
3
设计要求
设计寿命不高于15年，水压试验压力为1.5倍公称工作压力，最小设计爆破压力不小于3.4倍公称工作压力（玻璃纤维）。
A类和C类气瓶的设计寿命在10到25年之间，B类气瓶的设计寿命为15年。表2 国内企业标准与国际标准比对
- 48 -技术交流
石油和化工设备
2018年第21卷
◆参考文献
[1] 郑津洋，别海燕，徐平，等. 车用纤维全缠绕高压储氢气瓶标准研究[J].压力容器，2007，24(11)：48-56.
[2] UN/ECE/WP.29/AC.3 HFCV Global technical regulations for hydrogen fuel cell electrical vehicle,2010[S].
[3] ISO/CD 19881：2015 compressed hydrogen gas vehicle fuel containers,2015[S].
[4] 杨文刚，李文斌，林松，等. 碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶的研制与应用进展[J].玻璃钢/复合材料2015，(12)：99-104.
[5] 刘扬，刘汇源. 高压储氢气瓶组合阀的研制[J].通用机械，2008，(9)：93-95.
[6] EU No 406/2010 implementing Regulation (EC) No 79/2009 on type-approval of hydrogen-powered motor vehicles,2010[S].
经费支持：上海市质监局科研项目编号：2016-15；国家质检总局科研项目编号：2017QK020
收稿日期：2018-04-20；修回日期：2018-06-25
4介质压缩氢气压缩氢气
5材料内胆采用6061铝合金，采用挤压、冲压拉伸或
旋压成型，进行固溶时效热处理；缠绕层为玻
璃纤维、芳纶纤维或碳纤维；树脂采用热固性
树脂或热塑性树脂
Ⅲ型气瓶内胆采用铝合金；缠绕层为玻璃纤维、
芳纶纤维或碳纤维；树脂采用热固性树脂或热塑
性树脂
6型式试验要求气瓶（层间剪切强度、水压爆破试验、常温疲
劳、火烧、击、损失容限、极限温度疲劳试
验、跌落、化学腐蚀、加速应力破坏）
Ⅲ型气瓶（常温疲劳、水压爆破试验、火烧、
击、损伤容限试验、极限温度疲劳试验、跌落、
化学腐蚀试验、加速应力破坏、氢气气体循环试
验）
从表2比对结果看，我国目前现行企业标准与国际标准草案ISO/CD 19881相吻合，仅个别条款不同。因此，本文综合考虑联合国GTR法规和国际标准草案ISO/CD 19881：2015《车用压缩氢气瓶》的技术要求，结合我国现行企业标准和产品技术现状，分别从适用范围、型式试验项目和关键试验方法等方面提出我国国家标准的编写意见。
2 储氢气瓶国家标准技术分析
2.1 适用范围
虽然我国目前大多数气瓶的制造水平还不高，主要制造公称工作压力35MPa的储氢气瓶，但已有个别企业开始研发70MPa的压缩氢气瓶，因此，建议国家标准将压力范围限定为不大于70MPa，这更符合目前的行业发展需求。根据车载压缩天然气瓶和车载氢气瓶在汽车上的使用工况，以及ISO/CD 19881：2015和EU 406/2010的要求，建议国标将温度范围限定为-40～85℃，更加符合实际的使用工况要求。
2.2 型式试验项目
为了更符合氢气瓶的实际使用工况，按照联合国GTR法规和草案ISO/CD 19881：2015《车用压缩氢气瓶》的相关技术要求，提出了14个型式试验项目，主要包括内胆的材料拉伸试验、金相试验和爆破试验以及气瓶的层间剪切强度试验、常温疲劳试验、水压爆破试验、火烧试验、击试验、损伤容限试验、极限温度疲劳试验、跌落试验、化学腐蚀试验、加速应力破坏，增加氢气气体循环试验项目[4]。其中氢气气体循环试验的试验方法是利用氢气共进行1000次气体循环试验，试验压力从2MPa至1.25倍公称工作压力。前500次循环在环境温度下进行，然后在55℃和1.15倍公称工作压力下至少保持30h；后500次循环在50℃下进行[3]。
3 结论及建议
本文综合考虑联合国GTR法规和草案ISO/CD 19881：2015《车用压缩氢气瓶》的相关技术要求，结合我国现行的企业标准和产品技术现状，提出了以下国家标准编写建议：
(1)提出了氢气瓶国家标准的适用范围为公称工作压力不大于70MPa，温度为-40～85℃，且容积不大于450L的车用压缩氢气瓶。
(2)提出了适合氢气瓶的14个型式试验项目和试验方法。
(3)建议加快车用压缩氢气瓶国家标准的编制工作，积极研制氢气气体循环试验装备，提高我国的综合型式试验能力。
发布评论