Mathematical model of a hydrogen solid oxide fuel cell and its software implementation


Cite item

Full Text

Abstract

An analysis of the existing mathematical models allowing thermogasdynamic calculations of gas turbine engines of various thermogasdynamic cycles is carried out. It was found that most models do not allow calculation with solid oxide fuel cells or in case methane is used as fuel, with subsequent production of hydrogen as a result of steam-water conversion. Therefore, a mathematical model of a solid oxide fuel cell has been developed that considers internal electrochemical reactions followed by the determination of the main electrochemical parameters with hydrogen used as fuel. Computational studies have been carried out on the basis of the developed mathematical model, and the results of evaluating its adequacy are presented that demonstrate a high correlation with the experimental data, which confirms the accuracy of the description of work processes and the applicability of the developed mathematical model of a solid oxide fuel cell. The developed mathematical model is implemented as a module in the DVIGwT software package. The application of the developed mathematical model of a solid oxide fuel cell and its software implementation will allow performing thermogasodynamic calculations of advanced schemes of gas turbine engines, including solid oxide fuel cells, and will also reduce time costs and technical risks when performing a large complex of design calculations.

About the authors

I. M. Gorjunov

Ufa University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: gorjunov@mail.ru

Doctor of Science (Engineering), Senior Researcher,
Professor of the Department of Aircraft Engines

Russian Federation

A. A. Nikitin

Ufa University of Science and Technology

Email: aleksandr-nikitin1999@yandex.ru

Postgraduate Student of the Department of Aircraft Engines

Russian Federation

A. A. Loskutnikov

PJSC “UEC-UMPO”

Email: alex_loskutnikov@mail.ru

Candidate of Science (Engineering), Chief Designer of JDB Motor

Russian Federation

N. E. Ivanov

Ufa University of Science and Technology

Email: Nikita.ivan2001@yandex.ru

Student of the Department of Aircraft Engines

Russian Federation

References

  1. Goryunov I.M., Nikitin A.A., Ivanov N.E., Lukin Yu.M. Primenenie toplivnykh elementov dlya uvelicheniya effektivnosti gazoturbinnogo dvigatelya. Sbornik Statey Mezhdunarodnoy Nauchno-Prakticheskoy Konferentsii «Informatsionnye Tekhnologii Kak Osnova Progressivnykh Nauchnykh Issledovaniy» (June, 25, 2024, Saratov). Ufa: Aeterna Publ., 2024. P. 24-28. (In Russ.)
  2. Termogazodinamicheskie raschety GTD [Thermogasodynamic calculations of GTE]. Available at: http://thermogte.ru
  3. Tkachenko A.Yu., Kuzmichev V.S., Kulagin V.V., Krupenich I.N., Rybakov V.N. Computer-aided system of gas turbine engines and powerplants thermogasdynamic design and analysis (ASTRA-4). Proceedings of the International Scientific and Practical Conference named after N.D. Kuznetsov «Trends in Engine Development» (June, 28-30, 2011, Samara). Part 2. Samara: Samara State Aerospace University Publ., 2011. P. 80-82. (In Russ.)
  4. Avtomatizirovannaya sistema gazodinamicheskikh raschetov energeticheskikh turbomashin (AS GRET) [Automatic system of gasdynamic calculations of power turbomachines]. Available at:
  5. https://projects.kgeu.ru/innovatsionnyerazrabotkiinauchnyeproektyvoblastiteploenergetiki/asgret /
  6. GasTurb. Available at: https://www.gasturb.com/index.php
  7. Korovin N.V. Toplivnye elementy i elektrokhimicheskie energoustanovki [Fuel cells and electrochemical power plants]. Moscow: MPEI Publ., 2005. 280 p.
  8. Korovin N.V. Elektrokhimicheskaya energetika [Electrochemical power engineering]. Moscow: Energoatomizdat Publ., 1991. 264 p.
  9. Yanovsky L.S., Baykov A.V., Averkov J.S. Analysis of electrochemical reactions in solid oxide fuel cells: a new approach. Gorenie i Vzryv. 2013. No. 6. P. 231-234. (In Russ.)
  10. Zakharenkov E.A. Issledovanie i optimizatsiya skhem i parametrov gibridnykh elektrostantsiy na osnove toplivnykh elementov i gazoturbinnykh ustanovok. Avtoreferat dis. … kand. tekhn. nauk [Research and optimization of schemes and parameters of hybrid power plants based on fuel cells and gas turbine power plants. Abstract of Thesis for a Candidate Degree in Science (Engineering)]. Moscow, 2009. 20 p.
  11. Goryunov I.M. Thermogasdynamic calculations GTE and heat power installations with use of a system DVIGwT. Vestnik UGATU. 2006. V. 7, no. 1 (14). P. 61-70. (In Russ.).
  12. Loskutnikov A.A., Gorjunov I.M., Bakirov F.G., Lipilin A.S., Kulaev V.V. Engineering of thermodynamical calculations module of solid oxide fuel cells. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2010. V. 6, no. 10. P. 186-190. (In Russ.)
  13. Trusov B. G. Programmnaya sistema TERRA dlya modelirovaniya fazovykh i khimicheskikh ravnovesiy v plazmokhimicheskikh sistemakh. Sb. Materialov 3 Mezhdunarodnogo Simpoziuma po Teoreticheskoy i Prikladnoy Plazmokhimii (September, 16-21, 2002, Plyos, Russia). V. 1. Ivanovo: Ivanovo State University of Chemistry and Technology Publ., 2002. P. 217-220. (In Russ.)
  14. Goryunov I.M., Nikitin A.A., Ivanov N.E. Modul' termogazodinamicheskogo rascheta tverdooksidnykh toplivnykh elementov (SOFC2) [Module for thermogasdynamic calculation of solid oxide fuel cells (SOFC2)]. Certificate of state registration of computer program no. 2024686059, 2024. (Publ. 05.11.2024, bull. no. 11)
  15. Belov D.V., Ustyugov A.V., Chukharev V.F. Issledovanie elektricheskikh kharakteristik planarnogo tverdooksidnogo toplivnogo elementa. Sbornik Nauchno-Tekhnicheskikh Statey «Tverdooksidnye Toplivnye Elementy». Snezhinsk: RFNC – VNIITF Publ., 2003. P. 334-339. (In Russ.).
  16. Goryunov I.M. Structure and parameter synthesis and analyses of air turbine engines and energetic installations. Vestnik UGATU. 2008. V. 11, no. 2 (29). P. 30-38. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 VESTNIK of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».