CN114597458B - 一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及***，涉及质子交换膜燃料电池技术领域，方法包括：基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能。本发明能够提高燃料电池输出性能的预测准确度。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及***。
背景技术
氢能被视为具有广阔应用前景甚至视为能源战略意义的清洁二次能源，得到了世界各国的高度重视。质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）是氢能产业发展的核心技术之一，具有高功率密度、高能量转换效率、零排放等优点。
氢气作为燃料电池的阳极反应气体，其流量大小直接影响了输出功率以及能量利用率。氢气供给不足会导致燃料电池内部发生气体饥饿现象，降低燃料电池的输出性能及耐久性。然而过量的氢气供给则会造成燃料浪费，导致能量利用率的下降。在燃料电池汽车中，氢气供给***设置有氢气循环回路，将燃料电池堆阳极出口的氢气循环输送至燃料电池堆阳极入口处，以提高整车的氢气利用率及续航里程。由于燃料电池堆阳极尾气中含有未消耗的氢气以及电化学反应生成的水蒸气，因此氢气循环过程能够对燃料电池堆阳极入口气体进行一定的加湿作用，改善燃料电池堆的水管理状态。尽管质子交换膜对气体的渗透性极低，但是在阴阳极气体压力梯度的驱动下，氮气会持续从阴极渗透到阳极而且会随着时间累积，导致氢气难以传输到阳极催化层的有效活性位点，从而无法发生电化学反应，进而造成输出性能的下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及***，以提高燃料电池输出性能的预测准确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，本发明提供了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；所述阳极循环模式下燃料电池性能预测方法包括：
基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；
依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果；
基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；
基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果。
第二方面，本发明提供了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测***，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；所述阳极循环模式下燃料电池性能预测***包括：
第一方程输出结果确定模块，用于基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；
第二方程输出结果确定模块，用于依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果；
阳极循环模式气体状态参数确定模块，用于基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；
燃料电池输出电压性能预测模块，用于基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
（1）本发明提供的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及***，计算了燃料电池内部氮气的跨膜渗透现象，表征燃料电池阳极的氮气分布情况以及燃料电池内部的“水-气-热-电”参数分布情况，并且预测了阳极循环模式下燃料电池的输出性能。
（2）本发明提供的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及***，弥补了已有模型缺乏氮气跨膜渗透机理而导致模型预测准确度低的短板，能够为阳极排气策略的开发提供仿真数据支持，极大的降低实验成本及研发周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的阳极循环模式下燃料电池的模型示意图；
图2为本发明所述的阳极循环模式下燃料电池性能预测方法的流程图；
图3为应用本发明时计算得到的阳极氮气摩尔分数曲线图；
图4为应用本发明时预测的燃料电池的输出性能示意图；
图5为应用本发明时燃料电池输出性能随时间的变化情况图；
图6为应用本发明时阳极流道中氮气浓度随时间的变化情况图；
图7为应用本发明时阳极流道中氢气浓度随时间的变化情况图；
图8为本发明所述的阳极循环模式下燃料电池性能预测***的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当前国内外尚未揭示跨膜渗透的氮气在阳极内部沿着气体流动方向上的分布情况及其影响规律，而该现象对于指导阳极排气策略（如开启持续时间、开启间隔时间以及开启幅度等）的开发至关重要。因此有必要提出一种阳极循环模式下燃料电池性能预测技术，以满足燃料电池阳极排气策略的技术开发需求。鉴于此，本发明提供了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及***，能够计算氮气的跨膜渗透现象，表征燃料电池阳极的氮气分布情况以及燃料电池内部的“水-气-热-电”参数分布情况，并且预测燃料电池的输出性能，弥补已有模型缺乏氮气跨膜渗透机理而导致模型准确度低的短板，能够为阳极排气策略的开发提供仿真数据支持，极大的降低实验成本及研发周期。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板。
如图2所示，本发明实施例提供的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，包括如下步骤：
步骤201：基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果。
所述膜态水传输方程输出结果包括：阳极催化层中的膜态水含量、质子交换膜中的膜态水含量以及阴极催化层中的膜态水含量。
所述液态水传输方程输出结果包括：阳极气体扩散层中的液态水体积分数、阳极微孔层中的液态水体积分数、阳极催化层中的液态水体积分数、阴极气体扩散层中的液态水体积分数、阴极微孔层中的液态水体积分数以及阴极催化层中的液态水体积分数。
所述温度传输方程输出结果包括阳极极板中的温度、阳极流道中的温度、阳极扩散层中的温度、阳极微孔层中的温度、阳极催化层中的温度、质子交换膜中的温度、阴极催化层中的温度、阴极微孔层中的温度、阴极扩散层中的温度、阴极流道中的温度以及阴极极板中的温度。
步骤202：依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果。
所述气体传输方程输出结果包括氮气浓度集合、水蒸气浓度集合、氢气浓度集合和氧气浓度集合。
所述氮气浓度集合包括阳极流道中的氮气浓度、阳极扩散层中的氮气浓度、阳极微孔层中的氮气浓度、阳极催化层中的氮气浓度、阴极催化层中的氮气浓度、阴极微孔层中的氮气浓度、阴极扩散层中的氮气浓度以及阴极流道中的氮气浓度。
所述水蒸气浓度集合包括阳极流道中的水蒸气浓度、阳极扩散层中的水蒸气浓度、阳极微孔层中的水蒸气浓度、阳极催化层中的水蒸气浓度、阴极催化层中的水蒸气浓度、阴极微孔层中的水蒸气浓度、阴极扩散层中的水蒸气浓度以及阴极流道中的水蒸气浓度。
所述氢气浓度集合包括阳极流道中的氢气浓度、阳极扩散层中的氢气浓度、阳极微孔层中的氢气浓度和阳极催化层中的氢气浓度。
所述氧气浓度集合包括阴极催化层中的氧气浓度、阴极微孔层中的氧气浓度、阴极扩散层中的氧气浓度和阴极流道中的氧气浓度。
步骤203：基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数。
步骤204：基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果。
作为一种优选的实施方式，在执行步骤201之前，本发明实施例提供的燃料电池性能预测方法，还包括确定燃料电池的结构设计参数和运行工况参数。
一个示例为：燃料电池的结构设计参数具体如下：
有效反应面积：25 cm2；极板厚度：2 mm；流道厚度：1 mm；气体扩散层厚度：0.2mm；微孔层厚度：0.02 mm；催化层厚度：0.01 mm；质子交换膜厚度：0.025mm；流道长度：0.10m；流道与肋板宽的比值：1。
极板密度：1000 kg m-3；气体扩散层密度：1000 kg m-3；微孔层密度：1000 kg m-3；催化层密度：1000 kg m-3；质子交换膜密度：1980 kg m-3。
极板比热容：1580 J kg-1 K-1；气体扩散层比热容：2000 J kg-1 K-1；微孔层比热容：568 J kg-1 K-1；催化层比热容：3300 J kg-1 K-1；质子交换膜比热容：833 J kg-1 K-1。
极板导热系数：20 W m-1 K-1；气体扩散层导热系数：1.0 W m-1 K-1；微孔层导热系数：1.0 W m-1 K-1；催化层导热系数：1.0 W m-1 K-1；质子交换膜导热系数：0.95 W m-1 K-1。
极板电导率：20000 S m-1；气体扩散层电导率：300 S m-1；微孔层电导率：300 S m-1；催化层电导率：300 S m-1；质子交换膜电导率：300 S m-1。
催化层孔隙率：0.3；微孔层孔隙率：0.4；气体扩散层孔隙率：0.6。
催化层接触角：100º；微孔层接触角：100º；气体扩散层接触角：120º。
催化层中聚合物体积分数：0.4；质子交换膜中聚合物体积分数：1；质子交换膜当量质量：1.1 kg mol-1；质子交换膜当量体积18×10-6 m3 mol-1。
膜态水与水蒸气之间的相变转化速率、膜态水与液态水之间的相变转化速率、液态水与水蒸气之间的相变转化速率分别为：1.0 s-1，1.0 s-1，1000.0 s-1。
阳极、阴极的参考反应速率分别为：108 A m-3，100 A m-3。
参考氢气、参考氧气的浓度分别为：20 mol m-3，10 mol m-3。
蒸发潜热系数：2.308×106 J kg-1。
上述的极板包括阳极极板和阴极极板；流道包括阳极流道和阴极流道；微孔层包括阳极微孔层和阴极微孔层；催化层包括阳极催化层和阴极催化层。
燃料电池的运行工况参数具体如下：
电流密度：1.0 A cm-2。阴极、阳极的入口气体压强分别为：1.2 atm，1.2 atm。阴极、阳极的入口相对湿度分别为：1，0。阴极、阳极的化学计量比分别为：1.5，1.2。阴极、阳极的入口气体温度分别为：60 ℃，60 ℃。环境温度：25 ℃。氢气罐出口氢气的温度：25 ℃。初始膜态水含量为：6.0。初始液态水体积分数：0。初始阳极内部氮气浓度：0 mol m-3。时间步长：0.1s。
作为一种优选的实施方式，步骤201具体包括：
（1）计算当前时刻膜态水传输方程输出结果。
膜态水传输方程是在阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层中进行求解的。膜态水传输方程为：
公式（1）中，
表示质子交换膜密度，
表示质子交换膜当量质量，
表示聚合物体积分数，此处
表示膜态水含量，
表示时间，
表示膜态水扩散系数，
表示膜态水源项；
表示散度；
表示梯度
此处的聚合物体积分数包括阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层的聚合物体积分数。
上一时刻，阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层中的膜态水含量分别为3.895，7.153，15.203，温度分别为329.259 K，329.312 K，329.356 K。
当前时刻膜态水扩散系数是基于上一时刻温度和上一时刻膜态水含量确定的，显然可通过下式分别计算出当前时刻，阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层中的膜态水扩散系数分别为3.761×10-8 m2 s-1，2.763×10-8 m2 s-1，5.140×10-8 m2 s-1。
当前时刻膜态水扩散系数的计算公式为：
在公式（2）中，T表示上一时刻温度，
表示上一时刻膜态水含量。
当前时刻膜态水源项的参数值的计算表达式如下：
在公式（3）中，
膜态水源项的参数值；
表示当前时刻电化学反应产物水源项的参数值，
表示当前时刻膜态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值，
表示当前时刻膜态水与液态水之间的相变转化源项的参数值，
表示当前时刻电拖拽效应源项的参数值，
表示当前时刻水力渗透效应源项的参数值。
当前时刻电化学反应产物水源项的参数值的计算公式为：
在公式（4）中，
为电流密度，
为法拉第常数，
为阴极催化层厚度。
当前时刻膜态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值是基于上一时刻膜态水含量、当前时刻平衡膜态水含量以及上一时刻温度确定的，其计算方程为：
在公式（5）中，
表示膜态水与水蒸气之间的相变转化速率，
表示上一时刻的膜态水含量。
在公式（6）中，
表示当前时刻平衡膜态水含量；
，
表示水活度，
表示上一时刻水蒸气浓度，
表示当前时刻饱和蒸气压。
在公式（7）中，
表示上一时刻温度。
当前时刻膜态水与液态水之间的相变转化源项的参数值是基于上一时刻膜态水含量和上一时刻温度确定的，其计算公式为：
在公式（8）中，
表示膜态水与液态水之间的相变转化速率，
表示上一时刻的膜态水含量。
在公式（9）中，
表示当前时刻饱和膜态水含量，
表示上一时刻的温度。
当前时刻电拖拽效应源项的参数值基于电流密度和上一时刻膜态水含量确定的，其计算公式如下：
在公式（10）中，
，
表示上一时刻的膜态水含量，
表示电拖拽系数，
表示电流密度，
表示法拉第常数，
表示阳极催化层厚度，
表示阴极催化层厚度。
当前时刻水力渗透效应源项的参数值是基于上一时刻液压、上一时刻膜态含水量以及上一时刻温度确定的，其计算公式为：
在公式（11）中，
表示液态水密度，
，
表示水力渗透系数，
，
分别表示上一时刻阴极催化层的液压、上一时刻阳极催化层的液压，
表示当前时刻液态水动力粘度，
，
，
表示阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层的厚度，
表示上一时刻膜态水含量。
当前时刻液态水动力粘度的参数值的计算公式如下：
在公式（12）中，
表示上一时刻的温度。
经过上述计算，在当前时刻，电化学反应产物水源项的参数值为5.052 kmol m-3s-1，阳极催化层、阴极催化层中膜态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值为-0.170kmol m-3 s-1，2.144 kmol m-3 s-1，阳极催化层、阴极催化层中膜态水与液态水之间的相变转化源项的参数值为0，2.144 kmol m-3 s-1，阳极催化层、质子交换膜与阴极催化层中电拖拽效应源项的参数值为-6.642 kmol m-3 s-1，-3.747 kmol m-3 s-1，16.009 kmol m-3 s-1，水力渗透效应源项的参数值为0.056 kmol m-3 s-1。
基于上，确定在当前时刻，阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层中膜态水源项的参数值为-6.109 kmol m-3 s-1，-3.622 kmol m-3 s-1，16.441 kmol m-3 s-1。
将当前时刻膜态水扩散系数、当前时刻膜态水源项的计算结果代入膜态水传输方程，得到在当前时刻，阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层中的膜态水含量分别为3.899，7.160，15.200。
（2）计算当前时刻液态水传输方程输出结果
液态水传输方程在阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层中进行求解；其液态水传输方程的表达式为：
在公式（13）中，
表示孔隙率，
表示液态水密度，
表示液态水体积分数，
表示时间，
表示液态水渗透率，
表示液态水动力粘度，
表示液压，
表示液态水源项，
表示梯度。
在上一时刻，阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层的液态水体积分数分别为1.075×10-3，3.796×10-2，1.511×10-1，阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层的液态水体积分数分别为1.050×10-1，2.108×10-2，2.352×10-2，阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层的温度分别为328.459 K，329.190 K，329.259 K，阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层的温度分别为329.356 K，329.294 K，328.515 K。
当前时刻液态水源项的参数值的计算表达式如下：
在公式（14）中，
表示当前时刻液态水源项的参数值，
表示当前时刻膜态水与液态水之间的相变转化源项的参数值，
表示当前时刻液态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值，
表示当前时刻水力渗透效应源项的参数值，
表示水的摩尔质量。
当前时刻膜态水与液态水之间的相变转化源项的参数值是基于上一时刻膜态水含量和上一时刻温度确定的，其计算公式同公式（8）。
当前时刻液态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值是基于上一时刻水蒸气浓度、上一时刻液态水体积分数以及上一时刻温度确定的，其计算公式如下：
在公式（15）中，
表示液态水与水蒸气之间的相变转化速率，
表示孔隙率，
表示上一时刻液态水体积分数，
表示当前时刻水蒸气分压，
，
表示理想气体常数，
表示上一时刻温度，
表示上一时刻水蒸气浓度。
公式（16）中，
表示当前时刻饱和蒸气压，
表示上一时刻温度。
当前时刻水力渗透效应源项的参数值基于上一时刻液压、上一时刻温度和上一时刻膜态水含量确定的，其计算公式如下：
在公式（17）中，
表示液态水密度，
表示水力渗透系数，
，
，
表示上一时刻阴极催化层的液压、上一时刻阳极催化层的液压，
表示当前时刻的液态水动力粘度，
，
，
表示阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层的厚度，
表示上一时刻膜态水含量。
经过上述计算，得到在当前时刻，阳极催化层、阴极催化层中膜态水与液态水之间的相变转化源项的参数值为0，2.144 kmol m-3 s-1，阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层中液态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值为-0.006 kg m-3 s-1，-0.127 kg m-3s-1，-0.513 kg m-3 s-1，阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层中液态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值为3.011 kg m-3 s-1，2.816 kg m-3 s-1，2.495 kg m-3 s-1。
基于上计算得出，在当前时刻，阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层的液态水源项的参数值分别为-0.006 kg m-3 s-1，-0.127 kg m-3 s-1，-0.513 kg m-3 s-1，阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层的液态水源项的参数值为40.552 kg m-3 s-1，2.816 kgm-3 s-1，2.495 kg m-3 s-1。
将上述液态水动力粘度、液态水源项以及燃料电池结构参数代入液态水传输方程，得到在当前时刻，阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层的液压分别为121607.3Pa，121954.8 Pa，122962.7 Pa，阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层的液压分别为122607.5 Pa，122363.8 Pa，121949.6 Pa。
当液压求解完成后，通过毛细压力的数值计算当前时刻液态水体积分数，其计算公式为：
（18）。
在公式（18）中，
表示当前时刻液压，
表示气压，
表示当前时刻毛细压力。
在公式（19）中，
表示表面张力系数，
表示接触角，
表示孔隙率，
表示固有渗透率，
表示当前时刻液态水体积分数。
将上述液压数值代入，得到在当前时刻，阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层的毛细压力分别为-17.3 Pa，-1364.8 Pa，-1372.7 Pa，阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层的毛细压力分别为-1017.5 Pa，-773.8 Pa，-359.6 Pa，阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层的液态水体积分数分别为1.082×10-3，3.804×10-2，1.515×10-1，阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层的液态水体积分数分别为1.049×10-1，2.108×10-2，2.349×10-2。
（3）计算当前时刻温度传输方程输出结果
温度传输方程在阳极极板、阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道、阴极极板中进行求解；其表达式如下：
公式（20）中，
表示有效密度比热容，
表示温度，
表示时间，
表示有效导热系数，
表示热源项。
在上一时刻，阳极极板、阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道、阴极极板的温度分别为327.419 K，327.631 K，328.459 K，329.190 K，329.259 K，329.312 K，329.356 K，329.294 K，328.515K，327.680 K，327.517 K。
当前时刻有效密度比热容、当前时刻有效导热系数均是基于上一时刻液态水体积分数确定的。其计算公式如下：
在公式（21）和公式（22）中，
表示孔隙率，
表示上一时刻液态水体积分数，
表示液态水密度，
表示液态水比热容，
表示气体密度，
表示气体比热容，
表示聚合物体积分数，
表示固体基质密度，
表示固体基质比热容，
表示质子交换膜密度，
表示质子交换膜比热容，
表示液态水导热系数，
表示气体导热系数，
表示固体基质导热系数，
表示质子交换膜导热系数。
经过上述计算得到，在当前时刻，阳极极板、阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道、阴极极板的有效导热系数分别为20.0 W m-1 K-1，10.125 W m-1 K-1，0.417 W m-1 K-1，0.674 W m-1 K-1，0.673 W m-1 K-1，0.950 W m-1 K-1，0.613 W m-1 K-1，0.614 W m-1 K-1，0.325 W m-1 K-1，10.017 W m-1 K-1，20.0 W m-1 K-1；在当前时刻，阳极极板、阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道、阴极极板的有效密度比热容分别为1.580×106 J m-3 K-1，1.291×106 J m-3 K-1，0.172×106 J m-3 K-1，1.219×106 J m-3 K-1，1.392×106 J m-3 K-1，1.649×106 J m-3 K-1，1.505×106 J m-3K-1，1.238×106 J m-3 K-1，0.260×106 J m-3 K-1，1.300×106 J m-3 K-1，1.580×106 J m-3K-1。
当前时刻热源项的参数值的计算表达式如下：
在公式（23）中，
表示催化层的单位面积电阻，
表示单位面积电阻，
表示催化层厚度，
表示厚度，
表示电流密度，
，
分别表示上一时刻阳极的活化损失电压、上一时刻阴极的活化损失电压，
表示熵变，
表示法拉第常数，
表示当前时刻相变潜热源项。
当前时刻相变潜热源项的参数值的计算表达式如下：
在公式（24）中，
表示蒸发潜热系数，
表示当前时刻液态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值，
表示当前时刻膜态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值，
表示水的摩尔质量。
当前时刻液态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值是基于上一时刻水蒸气浓度、上一时刻液态水体积分数以及上一时刻温度确定的，其计算公式同公式（15）。
当前时刻膜态水与水蒸气之间的相变转化源项的参数值是基于上一时刻膜态水含量、当前时刻平衡膜态水含量以及上一时刻温度确定的，其计算公式同公式（5）。
经过上述计算得到，在当前时刻，阳极极板、阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道、阴极极板的热源项的参数值分别为4.715 ×103 W m-3，9.503 ×103 W m-3，1.023 ×105 W m-3，-2.519×105 W m-3，9.761 ×107 W m-3，1.811 ×107 W m-3，4.481 ×108 W m-3，6.540 ×106 W m-3，5.875 ×106 W m-3，5.856 ×106 W m-3，4.715 ×103 W m-3。
将上述有效密度比热容、有效导热系数、热源项的计算结果代入温度传输方程，得到在当前时刻，阳极极板、阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道、阴极极板的温度分别为327.485 K，327.691K，328.520 K，329.247 K，329.316 K，329.369 K，329.413 K，329.351 K，328.568 K，327.731 K，327.567 K。
作为一种优选的实施方式，步骤202具体包括：
A1、依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据膜态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果计算阴极跨膜渗透到阳极的氮气量。
A2、基于气体传输方程和所述阴极跨膜渗透到阳极的氮气量，计算气体传输方程输出结果。
气体传输方程在阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道中进行求解。
在步骤A1中阴极跨膜渗透到阳极的氮气量计算公式如下：
在公式（25）中，
表示阴极跨膜渗透到阳极的氮气量，
表示氮气跨膜渗透系数，
、
分别表示上一时刻阴极催化层中的氮气浓度、上一时刻阳极催化层中的氮气浓度，
表示理想气体常数，
、
分别表示当前时刻阴极催化层中的温度、当前时刻阳极催化层中的温度，
表示质子交换膜厚度。
当前时刻氮气跨膜渗透系数的计算表达式如下：
在公式（26）中，
表示常数，其数值取决于质子交换膜的种类，
表示质子交换膜中膜态水所占的体积分数，
，
表示当前时刻质子交换膜中的温度，
表示当前时刻质子交换膜中的膜态水含量，
表示质子交换膜当量体积，
表示水的摩尔体积。
在上一时刻，阳极催化层、阴极催化层中氮气浓度为7.224×10-2 mol m-3，31.969mol m-3；在当前时刻，阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层中温度分别为329.259 K，329.312 K，329.356 K，质子交换膜中的膜态水含量为7.153。
如图3所示，实验中氮气跨膜渗透系数中的常数为1×10-15 mol m-1 s-1 Pa-1，计算得到的氮气跨膜渗透系数为1.771×10-15 m2 s-1，经过与实验数据的对比，两者相差不大，故可以根据计算得到的氮气跨膜渗透系数计算当前时刻阴极跨膜渗透到阳极的氮气量，为6.602×10-6 mol m-2 s-1。
气体传输方程计算表达式如下：
在公式（27）中，i表示氢气、氧气、氮气和水蒸气，
表示孔隙率，
表示当前时刻液态水体积分数，
表示气体密度，
表示气体质量分数，
表示当前时刻气体有效扩散系数，
表示时间，
表示气体流速，
表示气体的源项。
当前时刻气体有效扩散系数的参数值是基于当前时刻液态水传输方程输出结果和当前时刻温度传输方程输出结果确定的。
以氮气为例，当前时刻氮气有效扩散系数的计算公式如下：
在公式（28）和公式（29）中，
表示当前时刻温度，
表示气体压强，
表示孔隙率，
表示当前时刻液态水体积分数；
为中间变量。
当前时刻氮气的源项的计算表达式如下：
在公式（30）中，
表示阴极跨膜渗透到阳极的氮气量。
在上一时刻，阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道中氮气浓度分别为7.213×10-2 mol m-3，7.215×10-2 molm-3，7.221×10-2 mol m-3，7.224×10-2 mol m-3，31.969 mol m-3，31.969 mol m-3，31.969mol m-3，31.969 mol m-3，阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道中水蒸气浓度分别为1.072 mol m-3，1.082 mol m-3，1.105 mol m-3，1.120 mol m-3，5.381 mol m-3，5.323 mol m-3，5.178 mol m-3，5.110 molm-3，阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层中的氢气浓度分别为43.503 mol m-3，43.436 mol m-3，43.312 mol m-3，43.212 mol m-3，阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道中氧气浓度分别为7.055 mol m-3，7.159 mol m-3，7.410 mol m-3，7.546 mol m-3。
将上述有效气体扩散系数、气体的源项代入气体传输方程中，经过计算得出，在当前时刻，阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道中氮气浓度分别为7.267×10-2 mol m-3，7.270×10-2 mol m-3，7.276×10-2mol m-3，7.279×10-2 mol m-3，31.965 mol m-3，31.965 mol m-3，31.965 mol m-3，31.965mol m-3，阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道中水蒸气浓度分别为1.076 mol m-3，1.085 mol m-3，1.108 mol m-3，1.123mol m-3，5.378 mol m-3，5.320 mol m-3，5.175 mol m-3，5.107 mol m-3，阳极流道、阳极扩散层、阳极微孔层、阳极催化层中氢气浓度分别为43.490 mol m-3，43.423 mol m-3，43.300mol m-3，43.200 mol m-3，阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散层、阴极流道中氧气浓度分别为7.055 mol m-3，7.159 mol m-3，7.411 mol m-3，7.546 mol m-3。
作为一种优选的实施方式，步骤203具体包括：
在阳极循环模式下燃料电池入口处的气体状态参数包括燃料电池入口处的阳极氢气流量、高压氢气罐供给的氢气流量和阳极入口处气体的温度；所述气体状态参数的确定公式为：
在公式（31）至公式（33）中，
表示当前时刻燃料电池入口处阳极氢气流量，
表示电流密度，
表示燃料电池的有效反应面积，
表示阳极化学计量比，
表示法拉第常数；
当前时刻阳极循环模式下回收利用的氢气、水蒸气、氮气流量的参数值基于当前时刻各气体的浓度值以及气体流速值进行计算；
在公式（34）至公式（36）中，
表示气体流速，
，
，
表示当前时刻氢气、氮气、水蒸气的浓度（由当前时刻气体传输方程输出结果确定），
表示流道出口的截面积大小。
在当前时刻，阳极循环模式下回收利用的氢气、水蒸气、氮气流量分别为1.052×10-4 mol s-1，8.805×10-6 mol s-1，8.640×10-7 mol s-1，阳极流道出口处的温度为327.631 K。
基于上述计算公式，经过计算得出，在当前时刻，燃料电池需求的阳极入口氢气流量为6.219×10-4 mol s-1，高压氢气罐供给的氢气流量为5.167×10-4 mol s-1，阳极入口气体的温度为323.345 K。
作为一种优选的实施方式，步骤204具体包括：
燃料电池输出电压性能求解如下：
+ 
（38）；
在公式（37）至公式（40）中，
表示输出电压，
表示能斯特电压，
表示活化损失电压，
表示欧姆损失电压，
表示浓差损失电压，
表示理想气体常数，
表示法拉第常数，
表示当前时刻温度，
、
分别表示参考氢气的浓度、参考氧气的浓度，
、
分别表示阳极电荷传递系数、阴极电荷传递系数，
、
分别表示阳极传递电子数、阴极传递电子数，
、
分别表示当前时刻阳极反应速率、当前时刻阴极反应速率，
、
分别表示阳极气体压强、阴极气体压强，
、
分别表示阳极化学计量比、阴极化学计量比，
、
分别表示阳极催化层的厚度、阴极催化层的厚度，
表示电流密度，
表示单位面积电阻，
、
分别表示当前时刻阳极极限电流密度、当前时刻阴极极限电流密度。
当前时刻阳极与阴极反应速率的计算表达式如下：
在公式（41）至公式（42）中，
表示当前时刻液态水体积分数，
、
表示阳极与阴极参考反应速率，
，
表示当前时刻阳极催化层的温度、阴极催化层的温度。
当前时刻阳极与阴极极限电流密度计算表达式如下：
在公式（43）至公式（44）中，
表示法拉第常数，
表示当前时刻阳极流道中氢气浓度，
，
，
，
表示阳极流道、阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层厚度，
，
，
，
表示当前时刻阳极流道、阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层中有效氢气扩散系数，
表示当前时刻阴极流道中氧气浓度，
，
，
，
表示当前时刻阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层中有效氧气扩散系数。
基于上述计算表达式，经过计算得出，在当前时刻，活化损失电压为0.312 V，欧姆损失电压为0.167 V，浓差损失电压为3.021×10-4 V，从而计算得出燃料电池的输出电压为0.695 V。
图3为本发明实施例所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法其氮气跨膜渗透现象与实验数据验证图，仿真结果与实验数据吻合良好，氮气渗透系数取值的有效性得到验证。
图4为本发明实施例所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法其模型仿真结果与实验数据验证图，仿真结果与实验数据吻合良好，模型有效性得到验证。
图5至图7均为本发明实施例所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法的实施效果，图5为阳极循环模式下输出性能随时间的变化情况图，图6为阳极循环模式下阳极流道中氮气浓度随时间的变化情况图，图7为阳极循环模式下阳极流道中氢气浓度随时间的变化情况图。
实施例二
本发明实施例提供的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测***，按照氮气渗透方向，所述燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；如图8所示，所述燃料电池性能预测***包括包括：
第一方程输出结果确定模块801，用于基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果。
第二方程输出结果确定模块802，用于依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果。
阳极循环模式气体状态参数确定模块803，用于基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数。
燃料电池输出电压性能预测模块804，用于基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果。
进一步，本***还包括：参数确定模块，用于确定燃料电池的结构设计参数和运行工况参数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；所述阳极循环模式下燃料电池性能预测方法包括：
基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；
依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果；
基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；
基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果；
所述依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果，具体包括：
依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据所述膜态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果计算阴极跨膜渗透到阳极的氮气量；
基于气体传输方程、所述阴极跨膜渗透到阳极的氮气量、所述液态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果，计算气体传输方程输出结果；
所述气体传输方程输出结果包括氮气浓度集合、水蒸气浓度集合、氢气浓度集合和氧气浓度集合；
所述氮气浓度集合包括阳极流道中的氮气浓度、阳极扩散层中的氮气浓度、阳极微孔层中的氮气浓度、阳极催化层中的氮气浓度、阴极催化层中的氮气浓度、阴极微孔层中的氮气浓度、阴极扩散层中的氮气浓度以及阴极流道中的氮气浓度；
所述水蒸气浓度集合包括阳极流道中的水蒸气浓度、阳极扩散层中的水蒸气浓度、阳极微孔层中的水蒸气浓度、阳极催化层中的水蒸气浓度、阴极催化层中的水蒸气浓度、阴极微孔层中的水蒸气浓度、阴极扩散层中的水蒸气浓度以及阴极流道中的水蒸气浓度；
所述氢气浓度集合包括阳极流道中的氢气浓度、阳极扩散层中的氢气浓度、阳极微孔层中的氢气浓度和阳极催化层中的氢气浓度；
所述氧气浓度集合包括阴极催化层中的氧气浓度、阴极微孔层中的氧气浓度、阴极扩散层中的氧气浓度和阴极流道中的氧气浓度；
在阳极循环模式下的气体状态参数包括燃料电池入口处的阳极氢气流量、高压氢气罐供给的氢气流量和阳极入口处气体的温度；
所述气体状态参数的确定公式为：
其中，
表示燃料电池入口处的阳极氢气流量，
表示电流密度，
表示燃料电池的有效反应面积，
表示阳极化学计量比，
表示法拉第常数；
阳极循环模式下回收利用的氢气流量、水蒸气流量和氮气流量是基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果确定的；
所述燃料电池输出电压性能的确定公式为：
+
；
式中，
表示输出电压，
表示能斯特电压，
表示活化损失电压，
表示欧姆损失电压，
表示浓差损失电压；
所述阳极反应速率和所述阴极反应速率是基于所述液态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果；
所述阳极极限电流密度和所述阴极极限电流密度是基于所述气体传输方程结果确定的。
2.根据权利要求1所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，还包括：确定燃料电池的结构设计参数和运行工况参数。
3.根据权利要求1所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，所述膜态水传输方程为：
式中，
表示质子交换膜密度，
表示质子交换膜当量质量，
表示聚合物体积分数，
表示膜态水含量，
表示时间，
表示膜态水扩散系数，
表示膜态水源项，
表示散度，
表示梯度；
所述膜态水传输方程输出结果包括：阳极催化层中的膜态水含量、质子交换膜中的膜态水含量以及阴极催化层中的膜态水含量；
所述液态水传输方程为：
式中，
表示孔隙率，
表示液态水密度，
表示液态水体积分数，
表示液态水渗透率，
表示液态水动力粘度，
表示液压，
表示液态水源项；
所述液态水传输方程输出结果包括：阳极气体扩散层中的液态水体积分数、阳极微孔层中的液态水体积分数、阳极催化层中的液态水体积分数、阴极气体扩散层中的液态水体积分数、阴极微孔层中的液态水体积分数以及阴极催化层中的液态水体积分数；
所述温度传输方程为：
式中，
表示有效密度比热容，
表示温度，
表示有效导热系数，
表示热源项；
所述温度传输方程输出结果包括阳极极板中的温度、阳极流道中的温度、阳极扩散层中的温度、阳极微孔层中的温度、阳极催化层中的温度、质子交换膜中的温度、阴极催化层中的温度、阴极微孔层中的温度、阴极扩散层中的温度、阴极流道中的温度以及阴极极板中的温度。
4.根据权利要求1所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，所述阴极跨膜渗透到阳极的氮气量的计算公式为：
式中，
表示当前时刻阴极跨膜渗透到阳极的氮气量，
表示当前时刻氮气跨膜渗透系数，
、
分别表示上一时刻阴极催化层中的氮气浓度、上一时刻阳极催化层中的氮气浓度，
表示理想气体常数，
、
分别表示当前时刻阴极催化层中的温度、当前时刻阳极催化层中的温度，
表示质子交换膜厚度；
当前时刻氮气跨膜渗透系数的计算公式为：
式中，
表示常数，
表示质子交换膜中膜态水所占的体积分数，
，
表示当前时刻质子交换膜中的温度，
表示当前时刻质子交换膜中的膜态水含量，
表示质子交换膜当量体积，
表示水的摩尔体积。
5.根据权利要求1所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，所述阴极气体扩散层、所述阴极微孔层、所述阴极催化层、所述阳极催化层、所述阳极微孔层和所述阳极气体扩散层的气体传输方程均为：
所述阴极流道和所述阳极流道的气体传输方程均为：
其中，i表示氢气、氧气、氮气或水蒸气，
表示孔隙率，
表示当前时刻液态水体积分数，
表示气体密度，
表示气体质量分数，
表示当前时刻气体有效扩散系数，
表示时间，
表示气体流速，
表示气体的源项，
表示散度，
表示梯度；
当前时刻所述气体有效扩散系数的参数值是基于当前时刻所述液态水传输方程输出结果和当前时刻所述温度传输方程输出结果确定的。
6.一种阳极循环模式下燃料电池性能预测***，其特征在于，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；所述阳极循环模式下燃料电池性能预测***包括：
第一方程输出结果确定模块，用于基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；
第二方程输出结果确定模块，用于依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果；
阳极循环模式气体状态参数确定模块，用于基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；
燃料电池输出电压性能预测模块，用于基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果；
所述依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果，具体包括：
依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据所述膜态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果计算阴极跨膜渗透到阳极的氮气量；
基于气体传输方程、所述阴极跨膜渗透到阳极的氮气量、所述液态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果，计算气体传输方程输出结果；
所述气体传输方程输出结果包括氮气浓度集合、水蒸气浓度集合、氢气浓度集合和氧气浓度集合；
所述氮气浓度集合包括阳极流道中的氮气浓度、阳极扩散层中的氮气浓度、阳极微孔层中的氮气浓度、阳极催化层中的氮气浓度、阴极催化层中的氮气浓度、阴极微孔层中的氮气浓度、阴极扩散层中的氮气浓度以及阴极流道中的氮气浓度；
所述水蒸气浓度集合包括阳极流道中的水蒸气浓度、阳极扩散层中的水蒸气浓度、阳极微孔层中的水蒸气浓度、阳极催化层中的水蒸气浓度、阴极催化层中的水蒸气浓度、阴极微孔层中的水蒸气浓度、阴极扩散层中的水蒸气浓度以及阴极流道中的水蒸气浓度；
所述氢气浓度集合包括阳极流道中的氢气浓度、阳极扩散层中的氢气浓度、阳极微孔层中的氢气浓度和阳极催化层中的氢气浓度；
所述氧气浓度集合包括阴极催化层中的氧气浓度、阴极微孔层中的氧气浓度、阴极扩散层中的氧气浓度和阴极流道中的氧气浓度；
在阳极循环模式下的气体状态参数包括燃料电池入口处的阳极氢气流量、高压氢气罐供给的氢气流量和阳极入口处气体的温度；
所述气体状态参数的确定公式为：
其中，
表示燃料电池入口处的阳极氢气流量，
表示电流密度，
表示燃料电池的有效反应面积，
表示阳极化学计量比，
表示法拉第常数；
阳极循环模式下回收利用的氢气流量、水蒸气流量和氮气流量是基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果确定的；
所述燃料电池输出电压性能的确定公式为：
+ 
；
式中，
表示输出电压，
表示能斯特电压，
表示活化损失电压，
表示欧姆损失电压，
表示浓差损失电压；
所述阳极反应速率和所述阴极反应速率是基于所述液态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果；
所述阳极极限电流密度和所述阴极极限电流密度是基于所述气体传输方程结果确定的。
7.根据权利要求6所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测***，其特征在于，还包括：参数确定模块，用于确定燃料电池的结构设计参数和运行工况参数。
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