omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2025-193-68-75DNZJSSomna-164Research ArticleЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКАENERGY AND ELECTRICAL ENGINEERINGМатематическая модель материального баланса твердооксидного электролизераThe use of mathematical model to evaluate the material balance of a solid oxide electrolyserhttps://orcid.org/0000-0003-2598-2269ГолодноваА. И.GolodnovaA. I.

ГОЛОДНОВА Анастасия Игоревна, младший научный  сотрудник лаборатории электрохимических устройств и топливных элементов

AuthorID (РИНЦ): 767921

г. Екатеринбург

GOLODNOVA Anastasia Igorevna, Junior Researcher, Laboratory of Electrochemical Devices and Fuel Cells

AuthorID (RSCI): 767921

Yekaterinburg

a.golodnova@ihte.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3113-598XЕрпаловМ. В.ErpalovM. V.

ЕРПАЛОВ Михаил Викторович, заведующий лабораторией электрохимических устройств и топливных элементов

AuthorID (РИНЦ): 788519

AuthorID (SCOPUS): 55747315200

ResearcherID: N-7453-2016

г. Екатеринбург

ERPALOV Mikhail Viktorovich, Head of the Laboratory of Electrochemical Devices and Fuel Cells

AuthorID (RSCI): 788519

AuthorID (SCOPUS): 55747315200

ResearcherID: N-7453-2016

Yekaterinburg

m.erpalov@ihte.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2958-310XГолодновА. И.GolodnovA. I.

ГОЛОДНОВ Антон Игоревич, доцент кафедры литейного производства и упрочняющих технологий Уральского федерального университета

AuthorID (РИНЦ): 767918

AuthorID (SCOPUS): 57211929114

ResearcherID: R-3266-2016

г.  Екатеринбург

GOLODNOV Anton Igorevich, Associate Professor of the Foundry Production and Hardening Technologies Department

AuthorID (RSCI): 767918

AuthorID (SCOPUS): 57211929114

ResearcherID: R-3266-2016

Yekaterinburg

a.i.golodnov@urfu.ruИнститут высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАНРоссияInstitute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationУральский федеральный университетРоссияUral Federal UniversityRussian Federation202530032025016875Copyright © Голоднова А.И., Ерпалов М.В., Голоднов А.И., 20252025Голоднова А.И., Ерпалов М.В., Голоднов А.И.Golodnova A.I., Erpalov M.V., Golodnov A.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/164

Решение вопросов эффективного использования твердооксидных электролизеров является перспективным для развития как энергетики, так и промышленности в целом, поэтому исследования в области повышения эффективности и надежности электролизеров проводятся учеными по всему миру. В данной статье рассматривается математическая модель материального баланса для твердооксидного электролизера, позволяющая оптимизировать параметры работы действующего и вновь проектируемого оборудования. В частности, особое внимание направлено на изучение влияния параметров работы электрохимических установок планарной конструкции при электролизе на состав продуктов реакций. На основе расчетных данных для твердооксидного электролизера планарной конструкции определена взаимосвязь между составами реагентов на входе и продуктами на выходе при помощи методов математического моделирования в сравнении с экспериментальными данными.

The effective use of solid oxide electrolysers is a promising solution for the energy sector and industry in general. Therefore, scientists all over the world are conducting research on improving the electrolysers' efficiency and reliability. In this paper, a mathematical model of the material balance for a solid oxide electrolyser is considered, which allows optimizing the operating parameters of existing equipment and newly designed equipment.In particular, special attention is focused on studying the effect of the operating parameters of electrochemical plants of planar design during electrolysis on the composition of reaction products. The relation between the compositions of reagents at the inlet and products at the outlet is determined on the basis of calculated data for a planar solid oxide electrolyser using mathematical modeling in comparison with experimental data.

математическое моделированиеэлектрохимические устройстватвердооксидный электролизерхимические реакцииматериальный баланссила токанапряжениеmathematical modelingelectrochemical devicessolid oxide electrolyserchemical reactionsmaterial balancecurrent strengthvoltageReferencesChung T. D., Chyou Y. P., Yu D. D. Study of the Flow Field in Channels and Internal Manifolds on the Interconnect of a Planar Solid Oxide Fuel Cell // International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology. 2005. Vol. 37645. P. 273–280. DOI: 10.1115/FUELCELL2005-74149.Chung T. D., Chyou Y. P., Yu D. D. Study of the Flow Field in Channels and Internal Manifolds on the Interconnect of a Planar Solid Oxide Fuel Cell // International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology. 2005. Vol. 37645. P. 273–280. DOI: 10.1115/FUELCELL2005-74149. (In Engl.).Демин А. К. Разработка твердооксидных электрохимических устройств в ИВТЭ УрО РАН // Физическая химия и электрохимия расплавленных и твердых электролитов: материалы XVI Российской конф. (с междунар. участием): в 2-х т. 2013. Т. 2. С. 78–79. EDN: XFZHFT.Demin A. K. Razrabotka tverdooksidnykh elektrokhimicheskikh ustroystv v IVTE UrO RAN [Development of solid oxide electrochemical devices at the Institute of HighTemperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences]. Fizicheskaya khimiya i elektrokhimiya rasplavlennykh i tverdykh elektrolitov. V 2 t. Physical Chemistry and Electrochemistry of Molten and Solid Electrolytes. In 2 vols. Yekaterinburg, 2013. Vol. 2. P. 78–79. EDN: XFZHFT. (In Russ.).Распоряжение Правительства РФ от 9 июня 2020 г. № 1523-р «Об Энергетической стратегии РФ на период до 2035 г.». Доступ из информационно-правовой системы «Гарант».Rasporyazheniye Pravitel’stva RF ot 9 iyunya 2020 g. № 1523-r «Ob Energeticheskoy strategii RF na period do 2035 g.» [Decree of the Government of the Russian Federation No. 1523-r dated 2020.06.09 «On approval of the Energy Strategy of the Russian Federation for the period up to 2035»]. Available at «Garant». (In Russ.).Бреслер Л. Х., Хайруллина Д. М., Ошанина С. Д. Утилизация и улавливание СО2 // Арктика: современные подходы к производственной и экологической безопасности в нефтегазовом секторе: материалы Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. / Отв. ред. Ю. В. Сивков. 2023. Т. 2. С. 36–40. EDN: NTVIIH.Bresler L. Kh., Khayrullina D. M., Oshanina S. D. Utilizatsiya i ulavlivaniye CO2 [CO2 utilization and capture]. Arktika: sovremennyye podkhody k proizvodstvennoy i ekologicheskoy bezopasnosti v neftegazovom sektore. V 2 t. The Arctic: Modern Approaches to Industrial and Environmental Safety in the Oil and Gas Sector. In 2 vols. / Resp. ed. Yu. V. Sivkov. 2023. Vol. 2. P. 36–40. EDN: NTVIIH. (In Russ.).Sugihara S., Iwai H. Experimental investigation of temperature distribution of planar solid oxide fuel cell: effects of gas flow, power generation, and direct internal reforming // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45, № 46. P. 25227–25239. DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.06.033.Sugihara S., Iwai H. Experimental investigation of temperature distribution of planar solid oxide fuel cell: effects of gas flow, power generation, and direct internal reforming. International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45, no. 46. P. 25227–25239. DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.06.033. (In Engl.).Zhu Q. Developments on CO2-utilization technologies // Clean Energy. 2019. Vol. 3, № 2. P. 85–100. DOI:10.1093/ce/zkz008.Zhu Q. Developments on CO2-utilization technologies. Clean Energy. 2019. Vol. 3, no. 2. P. 85–100. DOI:10.1093/ce/zkz008. (In Engl.).Fussler C. Solution for a circular carbon economy // The CO2 Forum Briefing Paper; The CO2 Forum. Lyon, France. 2015.Fussler C. Solution for a circular carbon economy // The CO 2 Forum Briefing Paper; The CO2 Forum. Lyon, France. 2015. (In Engl.).Qu Z., Aravind P. V., Dekker N., Janssen A. Modeling of flow field in planar solid oxide fuel cell // ECOS 2008 – Proceedings of the 21th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental impact of energy systems, June 2008, Poland. AGH University of Science & Technology/SUT, 2008. P. 1849–1856. ISBN 978-839-223-81-40.Qu Z., Aravind P. V., Dekker N., Janssen A. Modeling of flow field in planar solid oxide fuel cell // ECOS 2008 – Proceedings of the 21th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental impact of energy systems, June 2008, Poland. AGH University of Science & Technology/SUT, 2008. P. 1849–1856. ISBN 978-839-223-81-40. (In Engl.).Кравченко К. В. Особенности современных систем имитационного моделирования // Инновационные технологии: теория, инструменты, практика. 2014. Т. 1. С. 211–214. EDN: TEUGMN.Kravchenko K. V. Osobennosti sovremennykh sistem imitatsionnogo modelirovaniya [Features of modern simulation systems]. Innovatsionnyye tekhnologii: teoriya, instrumenty, praktika. Innovative technologies: theory, tools, practice. 2014. Vol. 1. P. 211–214. (In Russ.).Перфильев М. В., Демин А. К., Кузин Б. Л., Липилин А. С. Высокотемпературный электролиз газов / отв. ред. С. В. Карпачев. Москва: Наука, 1988. 230 c. ISBN 5-02-001399-4.Perfilyev M. V., Demin A. K., Kuzin B. L., Lipilin A. S. Vysokotemperaturnyy elektroliz gazov [High-temperature electrolysis of gases]. Moscow, 1988. 230 p. ISBN 5-02-001399-4. (In Russ.).Патров Б. В., Сладков И. Б. Физическая химия. СанктПетербург: Изд-во Политех. ун-та, 2003. 188 с.Patrov B. V., Sladkov I. B. Fizicheskaya khimiya [Physical Chemistry]. Saint Petersburg, 2003. 188 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.