Моделирование авиационной энергоустановки на основе водород-воздушного твердополимерного топливного элемента
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-8-41-52Ключевые слова:
водород-воздушный твердополимерный топливный элемент, энергоустановка, воздушный центробежный компрессор, мембранный увлажнитель, легкий самолет, моделирование, SimInTechАннотация
В статье представлена математическая модель авиационной энергоустановки на основе водород-воздушного твердополимерного топливного элемента номинальной мощностью 30 кВт с жидкостным охлаждением. Модель реализована в среде динамического моделирования SimInTech. Помимо непосредственно топливного элемента, в модель входят системы, обеспечивающие его работу, в частности, система подачи увлажненного воздуха. Она включает в себя электроприводной компрессор, потребляющий до 20 % вырабатываемой электрической энергии, мембранный увлажнитель, имеющий ключевое значение с точки зрения надежной эксплуатации топливного элемента в части регулирования влажности воздуха, и другие устройства. Представлены и валидированы их математические модели. С помощью разработанной модели энергоустановки выполнено моделирование ее работы по типовому полетному циклу легкого самолета с электрической силовой установкой. Показано, что топливный элемент способен самостоятельно обеспечить всю потребную мощность электрической силовой установки при крейсерском полете на высоте до 1650 м и скорости 120 км/ч. Реализованная математическая модель может быть полезна также при проектировании автомобилей, судов, поездов и других транспортных средств на базе водород-воздушного твердополимерного топливного элемента.
Библиографические ссылки
1. Масленников А.О. Развитие крупномасштабных аккумуляторных систем накопления энергии в мировой электроэнергетике. – Анализ и прогноз. Журнал ИМЭМО РАН, 2025, № 3, с. 36–49.
2. Resolution A41-21 on CORSIA [Электрон. ресурс], URL: https://www.icao.int/sites/default/files/Resolution_A41-21_Climate_change.pdf (дата обращения 17.06.2026).
3. Палкин В.А. Основные направления развития авиационного двигателестроения за рубежом для пассажирских самолетов (ч. 1). – Авиационные двигатели, 2025, № 4 (29), с. 73–91.
4. Нефедкин С.И. и др. Разработка водород-воздушных топливных элементов с открытым катодом для энергосистемы с высокими удельными характеристиками. – Электрохимия, 2022, т. 58, № 3, с. 103–115.
5. O’Hayre R. et al. Fuel Cell Fundamentals. New Jersey: John Wiley & Sons, 2016, 830 p.
6. Гелиев А.В. и др. Расчетные исследования и проектирование электроприводного турбокомпрессора для подачи воздуха в батарею твердополимерных топливных элементов. – Топливные элементы и энергоустановки на их основе. Современные аспекты высокоэффективных топливных и электролизных элементов, 2023, с. 78–80.
7. Cavini L., Liscouet-Hanke S., Viola N. Acausal Fuel Cell Simulation Model for System Integration Analysis in Early Design Phases. – Modelling, 2024, No. 5 (4), pp. 1435–1453, DOI: 10.3390/modelling5040074.
8. Kadyk T. et al. Analysis and Design of Fuel Cell Systems for Aviation. – Energies, 2018, vol. 11, No. 2, DOI: 10.3390/en11020375.
9. Vidovic T. et al. Proton-Exchange Membrane Fuel Cell Balance of Plant and Performance Simulation for Vehicle Applications. – Energies, 2022, vol. 15, No. 21, DOI: 10.3390/en15218110.
10. Correa G. et al. Flight Test Validation of the Dynamic Model of a Fuel Cell System for Ultra-Light Aircraft. – Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2015, vol. 229, No. 5, pp. 917–932, DOI: 10.1177/0954410014541081.
11. Среда динамического моделирования SimInTech [Электрон. ресурс], URL: https://simintech.ru/ (дата обращения 17.06.2026).
12. Варюхин А.Н. и др. Формирование обликов электрической силовой установки для сверхлегкого пилотируемого самолета. – Авиационные двигатели, 2020, № 3 (8), с. 5–14.
13. Shah R.K. et al. Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. Banff: Begell House Inc., 1999, 519 p.
14. Дроссельная заслонка Burkert 3285. Техническая документация [Электрон. ресурс], URL: https://burkertrus.com/wp-content/uploads/2019/07/DS3285-Standard-EU-EN.pdf (дата обращения 17.06.2026).
15. Wu Y. et al. Review of Recent Developments in Fuel Cell Centrifugal Air Compressor. Comprehensive Performance and Testing Techniques. – International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, No. 82, pp. 32039–32055, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.04.262.
16. Burlatsky S.F. et al. A Mathematical Model for Predicting the Life of Polymer Electrolyte Fuel Cell Membranes Subjected to Hydration Cycling. – Journal of Power Sources, 2012, vol. 215, pp. 135–144, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.05.005.
17. Geliev A.V. 1D Mathematical Model of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Current-Voltage Performance. – Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2026, vol. 99, No. 2, pp. 622–630, DOI: 10.1007/s10891-026-03343-y.
18. Hydrogen Fuel Cell Stacks. Technical Datasheet [Электрон. ресурс], URL: https://powercellgroup.com/solutions/fuel-cell-stacks/ (дата обращения 17.06.2026).
19. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: КолосС, 2006, 672 с.
20. Rotrex EK10AA Fuel Cell Compressor. Technical Datasheet [Электрон. ресурс], URL: https://hyfindr.com/wp-content/uploads/2021/07/Rotrex-Technical-Datasheet-EK10AA-Range-V1.50-1.pdf (дата обращения 17.06.2026).
21. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Подобие и моделирование в теории лопаточных машин. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986, 61 с.
22. Трубаев П.А., Беседин П.В. Практикум по гидравлическим машинам и компрессорам. Белгород: БелГТАСМ, 2001, 108 с.
23. Осипов К.А., Варюхин А.Н., Гелиев А.В. Математическая модель конвективно-диффузионных процессов в мембранном увлажнителе воздуха для системы обеспечения функционирования топливного элемента на водороде. – Авиационные двигатели, 2024, № 2 (23).
24. Fumatech Ecomate H20N. Technical Datasheet [Электрон. ресурс], URL: https://www.bwt.com/en/-/media/bwt/fumatech/data-sheets/new/ecomate/h20n.pdf (дата обращения 17.06.2026).
25. Викулов А.Н., Селезнева М.С., Кулик А.А. SimInTech: моделирование систем автоматического управления. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2025, 87 с.
---
Исследование выполнено в рамках реализации МГТУ им. Н.Э. Баумана программы создания и развития инжинирингового центра по приоритетным направлениям научно-технического развития «Центр исследований электротехнических комплексов» в соответствии с Соглашением о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий от 23.06.2025 № 075-15-2025-568.
#
1. Maslennikov A.O. Analiz i prognoz. Zhurnal IMEMO RAN – in Russ. (Analysis and Forecast. IMEMO RAS Journal), 2025, No. 3, pp. 36–49.
2. Resolution A41-21 on CORSIA [Electron. resource], URL: https://www.icao.int/sites/default/files/Resolution_A41-21_Climate_change.pdf (Accessed on 17.06.2026).
3. Palkin V.A. Aviatsionnye dvigateli – in Russ. (Aircraft Engines), 2025, No. 4 (29), pp. 73–91.
4. Nefedkin S.I. et al. Elektrohimiya – in Russ. (Electrochemistry), 2022, vol. 58, No. 3, pp. 103–115.
5. O’Hayre R. et al. Fuel Cell Fundamentals. New Jersey: John Wiley & Sons, 2016, 830 p.
6. Geliev A.V. et al. Toplivnye elementy i energoustanovki na ih osnove. Sovremennye aspekty vysokoeffektivnyh toplivnyh i elektroliznyh elementov – in Russ. (Fuel Cells and Power Plants Based on Them. Modern Aspects of Highly Efficient Fuel and Electrolysis Cells), 2023, pp. 78–80.
7. Cavini L., Liscouet-Hanke S., Viola N. Acausal Fuel Cell Simulation Model for System Integration Analysis in Early Design Phases. – Modelling, 2024, No. 5 (4), pp. 1435–1453, DOI: 10.3390/modelling5040074.
8. Kadyk T. et al. Analysis and Design of Fuel Cell Systems for Aviation. – Energies, 2018, vol. 11, No. 2, DOI: 10.3390/en11020375.
9. Vidovic T. et al. Proton-Exchange Membrane Fuel Cell Balance of Plant and Performance Simulation for Vehicle Applications. – Energies, 2022, vol. 15, No. 21, DOI: 10.3390/en15218110.
10. Correa G. et al. Flight Test Validation of the Dynamic Model of a Fuel Cell System for Ultra-Light Aircraft. – Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2015, vol. 229, No. 5, pp. 917–932, DOI: 10.1177/0954410014541081.
11. Sreda dinamicheskogo modelirovaniya SimInTech (SimInTech Dynamic Modeling Environment) [Electron. resource], URL: https://simintech.ru/ (Accessed on 17.06.2026).
12. Varyuhin A.N. et al. Aviatsionnye dvigateli – in Russ. (Aircraft Engines), 2020, No. 3 (8), pp. 5–14.
13. Shah R.K. et al. Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. Banff: Begell House Inc., 1999, 519 p.
14. Drossel’naya zaslonka Burkert 3285. Tekhnicheskaya doku-mentatsiya (Burkert 3285 Throttle Valve. Technical Documentation) [Electron. resource], URL: https://burkertrus.com/wp-content/uploads/ 2019/07/DS3285-Standard-EU-EN.pdf (Accessed on 17.06.2026).
15. Wu Y. et al. Review of Recent Developments in Fuel Cell Centrifugal Air Compressor. Comprehensive Performance and Testing Techniques. – International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, No. 82, pp. 32039–32055, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.04.262.
16. Burlatsky S.F. et al. A Mathematical Model for Predicting the Life of Polymer Electrolyte Fuel Cell Membranes Subjected to Hydration Cycling. – Journal of Power Sources, 2012, vol. 215, pp. 135–144, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.05.005.
17. Geliev A.V. 1D Mathematical Model of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Current-Voltage Performance. – Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2026, vol. 99, No. 2, pp. 622–630, DOI: 10.1007/s10891-026-03343-y.
18. Hydrogen Fuel Cell Stacks. Technical Datasheet [Electron. resource], URL: https://powercellgroup.com/solutions/fuel-cell-stacks/ (Accessed on 17.06.2026).
19. Damaskin B.B., Petriy O.A., Tsirlina G.A. Elektrohimiya (Electrochemistry). M.: KolosS, 2006, 672 p.
20. Rotrex EK10AA Fuel Cell Compressor. Technical Datasheet [Electron. resource], URL: https://hyfindr.com/wp-content/uploads/2021/07/Rotrex-Technical-Datasheet-EK10AA-Range-V1.50-1.pdf (Accessed on 17.06.2026).
21. Holshchevnikov K.V., Emin O.N., Mitrohin V.T. Podobie i modelirovanie v teorii lopatochnyh mashin. Teoriya i raschet aviatsionnyh lopatochnyh mashin (Similarity and Modeling in the Theory of Paddle Machines. Theory and Calculation of Aircraft Paddle Machines). M.: Mashinostroenie, 1986, 61 p.
22. Trubaev P.A., Besedin P.V. Praktikum po gidravlicheskim mashinam i kompressoram (Workshop on Hydraulic Machines and Compressors). Belgorod: BelGTASM, 2001, 108 p.
23. Osipov K.A., Varyuhin A.N., Geliev A.V. Aviatsionnye dvi-gateli – in Russ. (Aircraft Engines), 2024, No. 2 (23).
24. Fumatech Ecomate H20N. Technical Datasheet [Electron. resource], URL: https://www.bwt.com/en/-/media/bwt/fumatech/data-sheets/new/ecomate/h20n.pdf (Accessed on 17.06.2026).
25. Vikulov A.N., Selezneva M.S., Kulik A.A. SimInTech: modelirovanie sistem avtomaticheskogo upravleniya (SimInTech: Simulation of Automatic Control Systems). M.: MGTU im. N.E. Baumana, 2025, 87 p
---
The study was carried out as part of implementing the Bauman Moscow State Technical University program for establishing and developing the engineering center on priority areas of scientific and technical development "Center for Research of Electrical Complexes" in accordance with the Agreement on the provision of grants from the federal budget in the form of subsidies dated June 23, 2025 no. 075-15-2025-568.
