4.2.1　材料安全防护

氢气与金属材料接触会发生氢脆效应，氢脆是溶于金属中的高压氢在局部浓度达到饱和后引起金属塑性下降，诱发裂纹甚至开裂的现象。氢在常温常压下并不会对钢产生明显的腐蚀，但在高温高压下，会发生氢脆，使其强度和塑性大大降低。如果与氢接触的材料选择不当，就会导致氢泄漏和燃料管道失效。目前，高压储氢瓶选择铝合金或合成材料来避免氢脆的发生。例如，丰田Mirai储氢瓶采用高强度的混合材料，由三层结构组成，最内层材料是高强度聚合物，中层是强化碳纤维和高强度聚合物的混合材料，外层是玻璃纤维和高强度聚合物的混合材料。其他厂家也有类似的设计，例如昆腾（Quantum）和丁泰克（Dynetek）现在出售的塑料内胆和铝内胆碳纤维缠绕的高压储氢瓶具有重量轻、单位质量储氢密度高等优点，与钢制容器相比很好地解决了氢脆问题。国内的燃料电池汽车高压氢瓶主要采用铝内胆加碳纤维缠绕的Ⅲ型气瓶。各种燃料管道以及阀件也都采用适用于氢介质的材料，如抗氢脆的不锈钢（316L，耐压大于34.48MPa）、铝合金材料或聚合物，并且储瓶、管道及阀件所能承受的压力留有足够的安全余量，储氢瓶的安装及高压氢气连接管材质均应符合相关规范的安全要求。这些材料的使用，均可避免氢脆的发生。GB/T 23606—2009规定了铜氢脆的检验方法。具体步骤如下：①将制备好的试样放在还原性氢气氛的炉内加热，在820～850℃下保温至少20min，然后将试样在同样气氛中自然冷却或水冷到室温。②闭合弯曲试验。将①处理后的试样在室温下进行闭合弯曲试验，如图4-1所示。材料的原始表面应在弯曲的外侧，试验时，先将试样弯成“U”形，然后将试样两端压到一起，达到最终贴合（注：对于直径小于等于8mm的管状试样，在进行闭合弯曲试验之前，应在具有平表面的台钳上压扁，使管壁间完全贴合）。当试样的外侧出现裂纹时，则判定材料存在氢脆。③反复弯曲试验。将①处理后的试样，在室温下进行反复弯曲试验，弯曲时，应使材料的原始表面承受最大的应力。将试样轻轻地夹持在带刃口的钳嘴里，刃口半径约为被测试样厚度（或半径）的2.5倍。试样向虎钳刃口的某一边弯曲90°，然后返回原来位置，这样就完成了一次弯曲，然后向相反的方向弯曲90°，再回到原来位置，完成了第二次弯曲，以此类推，试样每次弯曲的方向都与前一次相反。试样应能经受产品标准中所规定的弯曲次数而不致破断成两半，若材料不能达到相应规定的反复弯曲次数，则判定材料存在氢脆。④金相检验。将①处理后的试样，冷却到室温后直接在显微镜下放大200倍的明场下进行检验。材料受检面显示出沿晶界开裂的现象时，则判定材料存在氢脆。⑤仲裁检验。对材料是否存在氢脆发生争议时，以反复弯曲方法作为仲裁检验。

图4-1　闭合弯曲试验示意图