IEC 63341-32025 铁路应用 机车车辆用氢和燃料电池系统 第3部分燃料电池动力系统性能试验方法标准立项发展报告

铁路应用机车车辆用氢和燃料电池系统第3部分：燃料电池动力系统性能试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:RailwayApplications-HydrogenandFuelCellSystemsforRollingStock-Part3:PerformanceTestMethodsforFuelCellPowerSystem摘要随着全球轨道交通领域"双碳"目标的深入推进，氢能与燃料电池技术在机车车辆领域的应用已从可行性验证阶段步入工程化与商业化部署的关键时期。然而，燃料电池动力系统在轨道交通工况下（频繁启停、大功率波动、振动冲击、变载速率高等）的性能评价方法长期缺乏统一国际标准，成为制约跨境互认与产业链协同发展的核心技术壁垒。本报告围绕国际电工委员会于2025年11月21日正式发布的IEC63341-3:2025《铁路应用机车车辆用氢和燃料电池系统第3部分：燃料电池动力系统性能试验方法》展开系统论述。报告首先梳理了该标准的立项背景与编制历程，分析了其在IEC63341系列标准框架中的定位及其与ISO、GB/T相关标准体系的协调关系；其次，全面解析了标准的核心技术内容，包括试验条件、试验程序、性能指标计算及试验报告要求等技术要点；再次，基于国内外标准对比，评估了该标准在试验工况适用性、性能评价维度等方面的技术进步与创新；最后，报告介绍了主要参与编制单位——中国铁道科学研究院集团有限公司在该标准制定过程中的技术贡献，并展望了标准实施后对全球轨道交通燃料电池产业的技术引领效应。本报告旨在为标准宣贯、产业对接及后续标准化工作提供参考。关键词：铁路应用；机车车辆；氢能；燃料电池动力系统；性能试验；国际标准；IEC63341Keywords:Railwayapplications;Rollingstock;Hydrogenenergy;Fuelcellpowersystem;Performancetest;Internationalstandard;IEC633411引言1.1标准立项背景全球交通运输领域碳排放约占能源相关碳排放总量的四分之一，铁路运输虽为最节能的地面交通方式之一，但仍有大量非电气化线路依赖柴油牵引。据国际铁路联盟（UIC）统计，全球约40%的铁路线路尚未实现电气化，氢燃料电池列车以其清洁、高效、加注时间短等优势，被普遍认为是替代柴油动车组的重要技术路径。自2018年全球首列氢燃料电池商用列车AlstomCoradiaiLint在德国投入运营以来，截至2025年，全球已有超过20个国家启动了氢能轨道交通的研发或示范项目。然而，燃料电池动力系统在轨道交通应用场景中面临与传统道路车辆截然不同的技术要求：机车车辆运行工况更为严苛，包括频繁启停、大范围功率波动、长时间爬坡、高低温环境适应性以及严酷的振动冲击条件；同时，轨道交通装备对安全性、可靠性和寿命的要求远高于一般工业应用。在此背景下，缺乏统一的燃料电池动力系统性能试验方法标准，直接导致以下问题：不同制造商产品性能参数缺乏可比性，用户选型缺乏统一依据；跨境项目验收和认证缺乏规范化程序；产品开发和优化缺乏统一的评价基准。1.2国际标准化需求国际电工委员会（IEC）第9技术委员会（TC9，铁路电气设备与系统）早在2019年便成立了WG41工作组，专门负责氢能和燃料电池轨道交通系统标准化工作，启动了IEC63341系列标准的编制。该系列标准计划包含多个部分，覆盖系统架构、安全要求、性能试验等维度。其中，IEC63341-3聚焦于燃料电池动力系统的性能试验方法，是该系列中技术内容最为核心、行业关注度最高的部分之一。该标准从立项到发布历时约四年，汇集了来自中国、德国、法国、日本、韩国、西班牙等主要轨道交通和氢能产业国家的专家智慧。IEC63341-3:2025的发布填补了国际范围内轨道交通领域燃料电池动力系统性能试验方法的标准空白，为全球氢能轨道交通装备的研发验证、产品定型、批量生产和跨境互认提供了统一的技术依据。2标准编制历程2.1标准提案与立项2019年10月，IECTC9在韩国釜山召开全体会议期间，德国国家委员会基于其氢燃料电池列车示范运行经验，联合中国、法国等国代表正式提出制定轨道交通燃料电池系统系列标准的提案。经充分讨论，会议决定在TC9下设立WG41工作组，启动IEC63341系列标准编制工作。经过项目可行性论证和行业需求调研，IECTC9于2020年正式启动IEC63341-3《铁路应用机车车辆用氢和燃料电池系统第3部分：燃料电池动力系统性能试验方法》的立项程序。2.2标准起草与讨论标准起草过程中，各国专家围绕若干关键技术问题开展了深入讨论，主要包括：试验工况的确定。轨道交通与道路车辆在运行工况上的显著差异是制定试验方法面临的首要难题。德国提案基于iLint列车的实测运行数据提出了一套典型城际通勤工况曲线，而法国专家则强调应涵盖干线货运的大功率持续工况。经过多轮比对分析，工作组最终采用了模块化工况设计思路，既规定了标准推荐工况，也允许基于实际运营数据进行自定义工况试验。性能评价指标体系。部分专家主张直接沿用ISO23828（道路车辆燃料电池能耗测量）的评价框架，但多数专家指出轨道交通的辅助系统功耗占比更大、动态响应要求更高，应建立独立的评价体系。最终确定以净输出效率（含辅助系统功耗）、动态响应时间、功率密度为核心指标。试验边界定义。工作组明确了"燃料电池动力系统"与"燃料电池堆"及"整车"的边界关系：本部分标准所定义的燃料电池动力系统包括燃料电池堆及其配套的燃料供给子系统、氧化剂供给子系统、热管理子系统和电气输出子系统，试验输入为氢气和空气，输出为直流电。2.3标准批准与发布2023年，标准进入委员会草案（CD）阶段，2024年形成国际标准草案（DIS），于2024年下半年发起各成员国投票。最终版本以高赞成率通过投票，于2025年11月21日正式发布。该标准以法语为官方语言版本，同时提供英语译本。3标准主要内容解析3.1标准适用范围与定位IEC63341-3:2025适用于安装在铁路机车车辆上的燃料电池动力系统（额定功率不低于50kW）的性能试验，涵盖以下试验类别：额定功率及效率测定试验、部分负荷性能试验、动态响应特性试验、冷起动试验、热平衡试验及连续运行稳定性试验。该标准是IEC63341系列的第3部分，与其第1部分（系统一般要求和定义，IEC63341-1）和第2部分（安全要求，IEC63341-2）共同构成完整的轨道交通燃料电池系统标准体系。在标准体系的纵向衔接方面，IEC63341-3与IEC62282（燃料电池技术）系列标准存在引用关系。IEC62282-2-2及IEC62282-3-200中规定的基本性能测试方法作为本标准的引用基础文件，在此基础上针对轨道交通应用的特殊性进行了适应性修订和补充。在横向协调方面，该标准与我国GB/T38954-2020《燃料电池电动汽车燃料电池堆性能试验方法》等国家标准存在差异：在试验条件方面，IEC63341-3针对轨道交通机车车辆布置特点规定了更宽的振动等级和更严格的防护等级要求；在性能评价指标方面，增加了面向列车牵引特性的动态响应功率变化率指标，而通用道路车辆标准中未包含该指标；在试验报告内容要求方面，新增了与列车运行安全相关的温度保护验证和故障诊断记录要求。3.2标准核心技术内容试验条件规定。标准对试验环境条件、燃料品质、测量仪器精度和试验系统配置提出了明确要求。其中环境温度规定为25℃±5℃，相对湿度30%~70%，大气压力86kPa~106kPa；氢气纯度不低于99.97%（符合ISO14687-2要求）；电力测量仪器精度等级不低于0.5级，流量测量误差不超过±1%。这些严格的条件规定确保了不同实验室测试结果的可比性和可重复性。试验程序与方法。标准规定了一套完整的试验序列：（1）预运行与活化程序：在进行正式性能试验前，应依据制造商规定的程序对燃料电池动力系统进行充分的预运行活化。同时要求至少完成5次标准工况循环或等效的稳态运行后方可进入正式试验阶段，以保证测量结果的稳定性和重复性。（2）额定功率试验：在额定输入条件（额定氢气供应压力、额定氧化剂供应条件、额定冷却条件）下，测量系统输出的最大持续功率及对应的系统效率。（3）部分负荷特性试验：分别在100%、75%、50%、30%和10%额定功率点处进行稳态运行测量，记录各点的系统效率、燃料消耗量和关键运行参数。试验过程中规定了最长测量持续时间、稳定的波动允许范围（功率波动不超过±2%）及数据记录方式（各参数1Hz及以上采样频率）。（4）动态响应试验：规范了两种典型动态试验工况——阶跃加载工况规定了从10%至90%额定功率的阶跃变化，以考核系统快速响应能力；牵引特征工况则模拟列车实际运行中的功率需求变化曲线，由标准提供推荐的典型工况图谱，同时允许用户根据不同运行场景自定义工况。通过上述两种工况试验测定系统功率变化率（kW/s）、动态电压调整范围和响应超调量等性能指标。（5）冷起动试验：规定了低温冷起动试验方法，包括-25℃、-10℃和0℃三个温度等级（具体温度等级由供需双方根据应用需求确定），要求记录从起动指令到达到额定功率的30%所需的时间及燃料电池系统达到稳定运行所需的总时间，并对起动过程中的最低单体电压进行监测。（6）连续运行稳定性试验：规定了系统在额定功率下连续运行不低于100h的耐久性考核要求，以验证长时间运行条件下系统的性能衰减特性、热平衡控制能力和运行稳定性。性能指标计算与评定。标准定义了一系列明确的性能计算方法和评定准则，包括系统效率（基于氢气低热值）、输出功率、功率响应时间常数等。在性能判定方面，标准规定了功率输出误差允许范围（稳态条件下功率波动不超过设定值的±2%）、效率下限要求由供需双方根据技术协议确定并记录在试验报告中。试验报告要求。标准规定试验报告应至少包含以下内容：试验对象详细描述及辅件配置清单、试验条件记录（环境条件、氢气品质检验报告）、所有试验数据及其处理方法和不确定度分析、性能曲线图、结论及与制造商标称值的偏差说明、试验过程中的异常记录和处置说明等。4主要参与单位介绍4.1中国铁道科学研究院集团有限公司中国铁道科学研究院集团有限公司（以下简称"铁科院集团"）是中国铁路行业唯一的多学科、多专业的综合性研究机构，成立于1950年，直属于中国国家铁路集团有限公司。建院七十余年来，铁科院集团始终是中国铁路科技进步的中坚力量，业务覆盖轨道交通装备、通信信号、基础设施、运输组织、信息化等全技术领域，拥有22个专业研究所和多个国家级创新平台，包括轨道交通规章标准化研究平台、国家铁路智能运输系统工程技术研究中心等。在氢能轨道交通领域，铁科院集团自2018年起系统布局燃料电池轨道车辆关键技术研究，先后承担了多项国家级和省部级科研项目，涵盖燃料电池动力系统集成与匹配、氢系统安全监控、整车能量管理策略及综合性能试验评估等方向。依托国家铁道试验中心（环行铁道）的试验线路资源和多专业协同优势，建立了完善的氢燃料电池轨道车辆整车及关键子系统试验验证能力，积累了大量的试验数据和工程经验。在IEC63341-3标准的制定过程中，铁科院集团作为中国国家委员会的核心技术支撑单位，深度参与了标准各阶段编制工作。具体而言包括：在标准架构讨论阶段，提出了基于轨道交通工况特征的三层试验体系建议（稳态性能层、动态响应层、环境适应性层）；在动态响应试验方法讨论中，牵头起草了基于典型城际通勤工况的功率图谱方案，贡献了基于中国城际动车组实际运行数据的统计分析和工况提取成果，为标准中推荐的牵引特征工况图谱提供了重要的数据支撑；在试验边界定义方面，结合国内燃料电池系统测试装备的现状提出了分系统测试的可行方案，兼顾了标准的先进性与可实施性。4.2其他主要参与单位除铁科院集团外，该标准的制定还汇聚了众多国际知名机构的力量。德国西门子交通集团（SiemensMobility）基于其在MireoPlusH型氢燃料列车上的工程实践，为标准的动态响应试验方法及系统效率评价体系提供了关键试验数据和技术建议。法国阿尔斯通公司（Alstom）以其CoradiaiLint系列列车的商业化运营经验为基础，在标准讨论中贡献了关于耐久性试验方法和实际运行工况统计特征的技术提案。日本铁道综合技术研究所（RTRI）和川崎重工等机构则从氢能安全性及系统集成可行性的角度，参与了部分负荷特性试验和热平衡试验方法的论证。韩国铁道技术研究院（KRRI）结合其氢燃料电池轨道车辆的研发实践，为低功率工况测试和辅助系统功耗测定提供了技术输入。5标准实施影响与应用前景5.1对轨道交通燃料电池产业的影响IEC63341-3:2025的实施对全球轨道交通氢能产业将产生深远影响。首先，在技术层面，本标准确立的统一性能试验方法有望改变当前制造商各自为政的验证模式——以试验方法统一为基础，不同厂家产品的核心性能参数得以在同一基准下进行比较，从而引导行业从概念竞争转向以量化性能指标为导向的技术竞争。其次，在产业层面，标准为供应链上下游企业提供了明确的产品开发和验收依据，有助于缩短产品开发周期、降低验证成本，推动燃料电池系统在轨道交通领域从定制化开发走向标准化批量供应。在检测认证方面，IEC63341-3为第三方检测机构和认证机构提供了统一依据，也将促进国际互认体系的建立。可以预见的是，随着标准的发布及后续配套标准的陆续出台，未来全球氢燃料电池轨道交通装备的国际市场准入门槛有望进一步明确，亦将有效减少重复检测和认证的资源消耗。5.2标准发展趋势与后续工作需要指出的是，IEC63341-3:2025作为该领域首项性能试验方法标准，仍存在进一步完善的空间。当前版本尚未完全覆盖高温环境（40℃以上）、高海拔（海拔2000m以上）等极端条件下的性能评价方法；耐久性试验规定的100h连续运行无法完全反映燃料电池系统在整个寿命周期内的性能衰减规律；氢气品质对性能测试结果的影响机理及修正方法也有待深入研究和规范。从标准体系建设的整体视角来看，IECTC9/WG41将继续推动IEC63341系列标准的完善工作：第4部分（系统集成与接口要求）和第5部分（维修与检测要求）已列入近期工作计划。与此同时，ISO/TC197（氢技术）也在推进氢能轨道交通相关标准的制定，与IEC的协同合作机制正在逐步建立。未来，IEC63341-3的技术内容还将随着产业发展和技术进步持续修订。随着燃料电池系统比功率的不断提升、电堆寿命的持续延长以及智能诊断技术的融合应用，标准在动态工况图谱、数字化试验方法、在线性能评估等方面将不断迭代完善。我国作为全球轨道交通装备制造和应用大国，在IEC63341系列标准的持续制定中拥有充分的话语权和贡献空间，应进一步加强国内标准化技术组织建设，统筹推进国家标准、行业标准与国际标准的协同发展。6结论IEC63341-3:2025《铁路应用机车车辆用氢和燃料电池系统第3部分：燃料电池动力系统性能试验方法》的正式发布，是国际轨道交通氢能技术标准化进程中的重要里程碑。该标准汇聚了全球主要轨道交通和氢能产业国家在燃料电池动力系统设计验证与运行评价方面的先进经验与技术共识，首次为机车车辆用燃料电池动力系统的性能试验提供了统一、规范、可比的国际通用方法。标准构建了涵盖额定功率试验、部分负荷特性试验、动态响应试验、冷起动试验、连续运行稳定性试验等完整试验维度的技术框架，确立了系统效率、动态响应能力、功率密度等核心指标体系，兼顾了技术先进性与工程可实施性，将为全球氢燃料电池轨道交通装备的研发验证、产品定型、批量生产和跨境互认提供有力的技术支撑。随着全球氢能轨道交通产业从示范走向规模化应用，IEC63341系列标准体系的持续完善将在推动技术迭代、引导产业升级、促进国际合作方面发挥日益重要的作用。以中国铁道科学研究院集团有限公司为代表的中国标准化力量在该标准制定中的深度参与，标志着中国在轨道交通氢能技术领域的国际话语权和标准化贡献度正在稳步提升。未来，中国应继续深度参与IEC、ISO等国际标准化事务，将国内氢能轨道交通的技术积淀和工程实践融入更多国际标准，为全球轨道交通绿色低碳转型贡献中国智慧和中国方案。参考文献[1]IEC63341-3:2025,Railwayapplications-Hydrogenandfuelcellsystemsforrollingstock-Part3:Performancetestmethodsforfuelcellpowersystem[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2025.[2]IEC63341-1:2022,Railwayapplications-Hydrogenandfuelcellsystemsforrol