Твердооксидные топливные элементы

УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_______________Долматов О.Ю.
«____» _____________2015 г.
Рабочая программа дисциплины
Твердооксидные топливные элементы
Направление ООП 16.04.01 «Техническая физика»
Профиль подготовки «Пучковые и плазменные технологии»
Квалификация (степень) магистр
Базовый учебный план приема 2015 г.
Курс II семестр III
Количество кредитов 6
Пререквизиты: математика, физика и химия, молекулярная физика, основы радиационных и
плазменных технологий.
Кореквизиты: применение плазмы и пучков заряженных частиц в атомной и космической
промышленности, получение и применение импульсных пучковзаряженных частиц.
Виды учебной деятельности и временной ресурс:
Лекционные занятия
8 час.
Практические занятия
40 час.
Лабораторные занятия
16 час.
Аудиторные занятия
64 час.
Самостоятельная работа
152 час.
Итого
216 час.
Форма обучения очная
Вид промежуточной аттестации экзамен
Обеспечивающее подразделение кафедра ЭФ ФТИ
Заведующий кафедрой ЭФ
________________
Руководитель ООП «Техническая физика» ________________
Преподаватель
_________________
2015 г.
Кривобоков В.П
Кривобоков В.П
Соловьев А.А.
1. Цели освоения дисциплины



сформировать знания об особенностях работы и протекании реакций в
твердооксидных топливных элементах, о структуре, химических и физических
свойствах материалов, используемых в твердооксидных топливных элементах,
сформировать знания об основных методах их получения, о достоинствах и
недостатках основных конструкций топливных элементов;
научить формулированию физических задач и подготовить к самостоятельному
изучению оригинальных работ в этой области.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Твердооксидные топливные элементы» относится к циклу
профессиональных дисциплин основной образовательной программы.
Пререквизиты: курс предназначен для студентов, прослушавших математику, общую
физику и химию. Кроме того, предполагается, что они уже знакомы с элементами физики
твёрдого тела, физикой поверхности и тонких плёнок, материаловедением, вакуумной
техникой, общей электротехникой, взаимодействием ионизирующих излучений и плазмы с
веществом.
Кореквизиты: параллельно с данной дисциплиной могут изучаться курсы: получение
и применение импульсных пучков заряженных частиц, проектирование плазменных
установок и технологий, твердополимерные топливные элементы.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на
формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т.ч. в
соответствии с ФГОС
2
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной
дисциплины
Р11
У.1. 2
Код
Владение опытом
Навыками публичной речи,
аргументации, ведения
дискуссии. Навыками
критического восприятия
информации и адаптации ее
к решению
профессиональных задач.
Навыками обработки и
интерпретации результатов
научного исследования
Эффективно работать
индивидуально и в качестве
члена или руководителя
группы.
Действующие
стандарты и
технические условия
положения и
инструкции и
эксплуатации
оборудования,
нормативные
материалы, касающиеся
области
профессиональной
деятельности.
В. 9. 1
З. 9. 1
Р8
Р9
У. 3. 1
У. 8. 1
Основные понятия и
закономерности
естественнонаучных и
профессиональных
дисциплин в области
радиационных,
пучковых и плазменных
технологий.
Современное состояние
теоретических и
экспериментальных
работ в области
пучковых и плазменных
технологий.
У. 11. 1
Р3
З. 3. 1
З.1. 2
Р1
Определять,
систематизировать и
получать необходимые
данные в справочной
научно-технической
литературе, используя
современные
информационные
технологии.
Доказывать и обосновывать
актуальность исследований,
правильность выбранного
подхода к решению
проблемы, адекватность
применяемых методов и
способов и достоверности
получаемых результатов.
Проявлять способность к
планированию и
проведению исследований в
области профессиональной
деятельности.
В. 1. 1
З. 1. 1
У. 1. 1
Основные особенности
научного метода
познания.
Умения
В. 3. 1
Знания
Код
Код
Результаты
Составляющие результатов обучения
Информацией о правовых и
этических нормах при
прогностической оценке
последствий
профессиональной
деятельности; информацией
о социально-экономической
значимости научноисследовательских проектов
Применять знания
иностранного языка для
общения и получения
информации из зарубежных
источников.
3
Умения
Код
Код
Знания
У. 12. 1
Р12
Код
Результаты
Составляющие результатов обучения
Владение опытом
Уметь прогнозировать
экологические последствия
реализации различных
технологических проектов.
Уметь анализировать
параметры работы
современного плазменного
оборудования и управлять
его работой с целью
достижения заданных
технологических целей
В результате освоения дисциплины студентом должны быть достигнуты следующие
результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п
Результат
знать принцип работы твердооксидных топливных элементов, а так же основные
РД1
материалы для изготовления топливных элементов и их особенности.
уметь эффективно работать индивидуально и в качестве члена команды, выполняя
РД2
различные задания, а также проявлять инициативу
знать и ориентироваться в формах твредооксидных топливных элемеов и
РД3
особенностях их изготовления.
уметь осуществлять поиск и анализ необходимой информации, формулировать
РД4
проблему, выявлять возможные ограничения и предлагать различные варианты ее
решения; обосновывать свои суждения и правильно выбирать методы поиска и
исследования.
уметь составлять устные и письменные отчеты, презентовать и защищать
РД5
результаты работы в аудиториях различной степени подготовленности; владеть
современными информационными и информационно-коммуникационными
технологиями, инструментальными средствами для решения общих задач и для
организации своего труда.
владеть опытом участия в выполнении проектов группового характера на
РД6
различных стадиях их подготовки и реализации: «планирование − проектирование
– применение − производство».
4. Структура и содержание дисциплины
1. Основные понятия и процессы, происходящие в твердооксидных топливных элементах.
Принцип действия ТОТЭ. ЭДС разомкнутой цепи топливного элемента. Уравнение Нернста. Потери,
возникающие при работе ТОТЭ. (2 часа).
Практические занятия по разделу (4 часа):
 Современное состояние разработок в области ТОТЭ и достижения мировых лидеров,
занимающихся разработкой и изготовлением ТОТЭ.
2. Материалы, используемые при изготовлении ТОТЭ (2 часа).
Практические занятия по разделу (14 часов):
 Технологии изготовления ТЭ и их компонентов. – 4 часа
 Изготовление керамических изделий из порошков. – 4 часа
4


Применение вакуумно-плазменных методов для получения материалов тонкопленочных
ТОТЭ – 4 часа
Контрольная работа №1 – 2 часа
Лабораторные занятия по разделу (6 часов):
 Изготовление двухслойных Ni/YSZ анодов твердооксидных топливных элементов
методом высокотемпературного спекания сырой ленты, полученной методом
шликерного литья – 4 часа
 Определение рО2-профиля пламени твердоэлектролитным сенсором кислорода – 2
часа
3.Конструкции твердооксидных топливных элементов (2 часа).
Практические занятия по разделу (12 часов):
 Параметры твердооксидных топливных элементов. Вольтамперные характеристики. – 4
часа
 Электродвижущая сила. Электрическое сопротивление. Электрическая мощность.
Электрический коэффициент полезного действия. – 4 часа
 Выступление с докладом по темам рефератов – 4 часа
Лабораторные занятия по разделу (6 часов):
 Изготовление многослойной конструкции анод-электролит ламинированием пленок,
полученных методом шликерного литья из соответствующих материалов, и последующим
высокотемпературным спеканием – 4 часа

Изучение электрохимического кислородного насоса на основе ZrO2- электролита. – 2 часа
4. Анализ состояния ТОТЭ в зависимости от действующих факторов. Механические напряжения,
возникающие в одиночных ТЭ и стеках ТЭ (2 часа).
Практические занятия по разделу (10 часов):
 Исследования водородопроницаемости материалов
элементов. – 4 часа
 Исследование характеристик одиночных ТОТЭ. – 4 часа
 Контрольная работа №2 – 2 часа


твердооксидных
топливных
Лабораторные занятия по разделу (4 часа):
Изготовление намазных катодов ТОТЭ с помощью LSM содержащей пасты и
присоединение токосъемов к ТОТЭ.
Исследование вольт-амперных и мощностных характеристик топливной ячейки на
высокотемпературном газовом стенде для изучения параметров ТОТЭ
Примерные темы рефератов
1. Низкотемпературные твердооксдные топливные элементы.
2. Вакуумные ионно-плазменные методы изготовления элементов ТОТЭ.
3. Традиционные методы получения водорода.
4. Проблема подготовки топлива для топливных элементов.
5. Однокамерные твердооксидные топливные элементы.
6. Катодные материалы для средне- и низкотемпературных ТОТЭ.
7. Технологические особенности и проблемы изготовления элементов ТОТЭ.
8. Интерконнекторы. Их роль в ТОТЭ.
9. Материалы анодов ТОТЭ. Условия изготовления кермета с хорошими
5
эксплуатационными качествами анода.
10. Электролиты на основе иттрий
стабилизированной двуокиси циркония (YSZ).
11. Электролиты на основе оксида церия CeO2.
12. Принципы улучшения целевых свойств кислородных мембран: повышения смешанной и
кислородно-ионной электропроводности.
5. Организация и учебно-вспомогательное обеспечение
самостоятельной работы студентов
Текущая самостоятельная работа студентов включает в себя:
- проработку лекционного материала, обзор литературы по курсу;
- подготовка к лабораторным работам и практическим занятиям;
- подготовка доклада по темам рефератов и экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа:
- выполнение реферата – развитие навыков работы с оригинальной научной литературой,
систематизации и анализа получаемых знаний.
Оценка результатов самостоятельной работы происходит по результатам выполнения
индивидуального задания, ответов на дополнительные вопросы при защите отчетов по лабораторным
работам и защите реферата.
6. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины проводится по результатам следующих
контролирующих мероприятий
Контролирующие мероприятия
Результаты обучения по дисциплине
Защита лабораторных работ
РД1,РД2, РД3, РД6
Выполнение практических заданий
РД1, РД4, РД5
Выполнение контрольных работ
РД1, РД2,РД5, РД6
Выступление с докладом по темам реферата
РД1, РД4, РД5 ,РД6
7. Рейтинг качества освоения дисциплины
Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам (60 баллов – текущая оценка в
семестре, 40 баллов – промежуточная аттестация в конце семестра).
Рейтинг-план освоения дисциплины в течение семестров
Недели
Текущий контроль
1-7 недели
Посещение лекционных занятий и
написания конспекта лекций
8 бал.
8 неделя
Выступление с докладом по темам
реферата
10
9 неделя (конференцнеделя 1)
Контрольная работа №1
10 бал.
10-13 недели
Выполнение лабораторных работ
12 бал.
13-17 неделя
Защиты лабораторных работ
10 бал.
18 неделя (конференцнеделя 2)
Контрольная работа №2
10 бал.
6
Итого
60 бал.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Коровин, Николай ВасильевичТопливные элементы и электрохимические энергоустановки / Н.
В. Коровин. — Москва: Изд-во МЭИ, 2005. — 279 с.: ил.. — Список литературы: с. 266-278.. —
ISBN 5-7046-1185-0.
2. Соловьёв, Андрей Александрович «Твердооксидные топливные элементы» [Электронный
ресурс]: учебное пособие / А. А. Соловьёв, В. П. Кривобоков; Национальный исследовательский
Томский политехнический университет (ТПУ), Физико-технический институт (ФТИ), Кафедра
водородной энергетики и плазменных технологий (ВЭПТ). — 1 компьютерный файл (pdf; 3.1
MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2013. — Заглавие с титульного экрана. — Электронная версия
печатной публикации. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Системные требования: Adobe
Reader. http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2014/m065.pdf
3. Лосюк, Юрий Андреевич «Нетрадиционные источники энергии»: учебное пособие / Ю. А.
Лосюк, В. В. Кузьмич. — Минск: Технопринт, 2005. — 233 с.: ил.. — Библиогр.: с. 224-230.. —
ISBN 985-464-542-8.
Дополнительная литература:
1. Хлебников, Владимир Викторович «Топливно-энергетический комплекс России в XXI веке.
Стратегия развития энергетического будущего»: монография / В. В. Хлебников. — Москва:
Научтехлитиздат, 2006. — 331 с.: ил.. — Библиогр.: с. 326-331.. — ISBN 5-93728-069-5.
2. Ушаков, Василий Яковлевич «Возобновляемая и альтернативная энергетика»:
ресурсосбережение и защита окружающей среды / В. Я. Ушаков. — Томск: СПБ Графикс, 2011. —
138 с.: ил.. — Библиогр.: с. 133-136.
3. Сибикин, Юрий Дмитриевич «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»:
учебное пособие / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. — Москва: КноРус, 2010. — 228 с.: ил.. —
Библиогр.: с. 228.. — ISBN 978-5-406-00278-0.
Программное обеспечение и Internet-ресурсы:
http://www.lib.tpu.ru/ - Научно-техническая библиотека ТПУ
http://elibrary.ru/ - Научная электронная библиотека
http://www.sciencedirect.com/
http://www.springerlink.com/
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Технические средства: комплект мультимедийного оборудования для презентаций.
Лабораторное оборудование:
1. Комплект оборудования для проведения лабораторной работы по изучению
электрохимического кислородного насоса.
2. Комплект оборудования для проведения лабораторной работы для определение рО2-профиля
пламени твердоэлектролитным сенсором.
3. Комплект оборудования для проведения лабораторной работы для изучение характеристик
твердополимерного топливного элемента.
4. Комплект оборудования для проведения лабораторной работы для изучение пучковоплазменных технологий в изготовлении твердооксидного топливного элемента.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС
по направлению и профилю подготовки магистров 16.04.01 «Техническая физика».
Программа одобрена на заседании кафедры ЭФ (протокол № ___ от «___» ____ 2015 г.).
Автор доцент каф. ЭФ Соловьев А.А.
7
Рецензенты профессор каф. ЭФ, д.ф.-м.н Блейхер Г.А.
профессор каф. ЭФ, д.ф.-м.н. Янин С.Н.
8