УТВЕРЖДАЮ Директор ФТИ _____________ Кривобоков В.П. «____»______________ 2011г.

УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_____________ Кривобоков В.П.
«____»______________ 2011г.
Рабочая программа дисциплины
Твердооксидные топливные элементы
Направление ООП подготовка магистров 011200 «Физика»
Профиль подготовки «Водородная энергетика»
Квалификация (степень) магистр
Базовый учебный план приема 2010 г.
Курс II семестр 3
Количество кредитов 4
Виды учебной деятельности и временной ресурс:
Лекционные занятия
18 час.
Практические занятия
18 час.
Лабораторные занятия
0 час.
Аудиторные занятия
36 час.
Самостоятельная работа
72 час.
Итого
108 час.
Форма обучения очная
Вид промежуточной аттестации зачет
Обеспечивающее подразделение кафедра ВЭПТ ФТИ
Заведующий кафедрой ВЭПТ
Кривобоков В.П.
Руководитель ООП
Кривобоков В.П.
Преподаватель
Соловьев А.А.
2011 г.
Документ:
Дата создания
стр. 1
Ф ТПУ 7.1- 21/01
Рабочая программа учебной
дисциплины
Аннотация
Твердооксидные топливные элементы
Каф. ВЭПТ ФТИ
Доц., к.т.н. Соловьев А.А.
Тел./факс: (3822)-491651
Цель: сформировать знания об особенностях работы и протекании реакций в твердооксидных
топливных элементах, о структуре, химических и физических свойствах материалов, используемых
в твердооксидных топливных элементах, 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.
Содержание: основные понятия и процессы, происходящие в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ); уравнение Нернста и потери, возникающие при работе ТОТЭ; материалы, используемые при изготовлении ТОТЭ; оценки ресурса работы ТОТЭ, связанные с диффузией электродных
покрытий в твердый электролит; конструкции твердооксидных топливных элементов; анализ состояния ТОТЭ в зависимости от действующих факторов; механические напряжения, возникающие в
одиночных топливных элементах и стеках; технологии изготовления ТОТЭ и их компонентов; исследование характеристик одиночных ТОТЭ; электрохимические энергоустановки (ЭЭУ) на основе
ТОТЭ; экологическое воздействие энергоустановок на окружающую среду; экономические показатели и особенности ЭЭУ; перспективы развития и применения электрохимических энергоустановок
на основе ТОТЭ; современное состояние разработок в области ТОТЭ и достижения мировых лидеров, занимающихся разработкой и изготовлением ТОТЭ.
Курс 6 (11 сем – зачет).
Всего 108 ч, в т. ч.: СР 72 ч, 36 ч. ауд.: Лк 18 ч, Лб 0 ч, Пр 18 ч
The Summary
СДМ.Р.2 Solid oxide fuel cells
010700(б) - 010705 (м)
Hydrogen Energy and Plasma Technologies Department
Faculty of Natural Sciences and Mathematics
Associate Professor A. Soloviev
The purpose: to form knowledge about main features of work and flowing reactions in solid oxide
fuel cells; about structure, chemical and physical properties of materials, used in solid oxide fuel cells,
Документ:
стр.
2
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины
about main methods of their production, about advantages and disadvantages of basic constructions of solid
oxide fuel cells; to teach to formulate the physical problems and their mathematical description; to make
ready for self-instruction of original works in this field.
The contents: basic conceptions and processes existent in solid oxide fuel cells (SOFC); Nernst
equation and losses arising during solid oxide fuel cell work; materials used at the SOFC manufacturing;
estimations of SOFC working life time connected with diffusion of electrode coatings in solid electrolyte;
constructions of solid oxide fuel cells; SOFC state analysis depending on operating factors; mechanical
stresses arising in single fuel cells and stacks of fuel cells; technologies of SOFC and their components production; investigation of single cell characteristics; electrochemical power installations (EPI) on basis of
SOFC; ecological effect of power installations on environment; economic indexes and main features of
EPI; prospect of electrochemical power installations evolution and application; state-of-the-art of developments in SOFC technology and progresses of world leaders dealing with development and manufacturing
of SOFC.
Цели и задачи учебной дисциплины
Цели преподавания дисциплины
Целью преподавания дисциплины является подготовка специалистов, обладающих современными знаниями об особенностях работы и протекании реакций в твердооксидных топливных
элементах, о структуре, химических и физических свойствах материалов, используемых в твердооксидных топливных элементах, об основных методах их получения, о достоинствах и недостатках
основных конструкций топливных элементов; освоивших экспериментальные и расчетные методы
исследований в этой области, научившихся работать с научной литературой по проблемам формирования свойств перспективных оксидных материалов для различных современных приборов и
устройств с применением современных информационных технологий, умеющих готовить научные
доклады и статьи.
Студенты, обучающиеся по дисциплине «Твердооксидные топливные элементы», должны
приобрести следующие компетенции:
1) Знание особенностей протекания реакций в топливных элементах с твердым электролитом.
2) Знание особенностей материалов, используемых для изготовления ТОТЭ.
3) Представление о методах синтеза, термической обработке и получении материалов из которых изготавливаются ТОТЭ.
4) Использование полученных знаний для решения проблем формирования требуемых
свойств материалов. Студенты, изучившие эту дисциплину, должны уметь выбирать наиболее удобный и простой метод получения материала с заданными свойствами.
5) Знание основных преимуществ использования энергоустановок на основе ТОТЭ.
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих
Документ:
Дата создания
стр. 3
3
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины






формах деятельности:
лекции нацелены на освоение современных представлений в области нанесения тонкопленочных покрытий;
практические занятия направлены на активизацию познавательной деятельности студентов и освоение экспериментальных и расчетных методов исследований в области преподаваемой дисциплины;
выполнение индивидуальных заданий предусматривает развитие навыков решения
конкретных практических и проблемных задач;
подготовка рефератов предоставляет возможность научиться работать с оригинальной
научной литературой, систематизировать и анализировать получаемые знания, формулировать физическую сущность поставленной задачи и способы ее решения;
консультации;
прочая самостоятельная внеаудиторная работа направлена на закрепление получаемых теоретических знаний, приобретение навыков самостоятельного освоения нового материала и решения конкретных задач.
Содержание теоретической части дисциплины – XI семестр (18 часов)
1. Основные понятия и процессы, происходящие в твердооксидных топливных элементах. Структура, цели и задачи настоящего курса (2 часа).
Принцип действия ТОТЭ. ЭДС разомкнутой цепи топливного элемента. Уравнение Нернста. Потери, возникающие при работе ТОТЭ.
2. Материалы, используемые при изготовлении ТОТЭ (4 часа).
2.1. Материалы электролита. Стабилизированный иттрием диоксид циркония. Электропроводность электролита на основе диоксида циркония. Электролиты для ТЭ, работающих при температурах 800°С и ниже. Протонные электролиты.
2.2. Материалы электродов (анода и катода).
2.3. Материалы межэлектродных соединений (керамические и металлические).
2.4. Клеи для газовой герметизации деталей из керамических материалов, работающих при высокой температуре.
2.6. Токосъемные материалы.
2.7. Оценки ресурса работы твердооксидного топливного элемента, связанные с диффузией
электродных покрытий в твердый электролит.
3. Конструкции твердооксидных топливных элементов (2 часа).
Трубчатая конструкция. Планарная конструкция. Планарные батареи ТОТЭ сепараторной конструкции. Планарные батареи ТОТЭ бессепараторной конструкции. Сферические ТОТЭ. Плотноупакованная конструкция.
Документ:
стр.
4
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины
4. Анализ состояния ТОТЭ в зависимости от действующих факторов. Механические напряжения,
возникающие в одиночных ТЭ и стеках ТЭ (2 часа).
5. Технологии изготовления ТЭ и их компонентов (2 часа).
Изготовление керамических изделий из порошков. Применение вакуумно-плазменных методов для
получения материалов тонкопленочных ТОТЭ.
6. Параметры твердооксидных топливных элементов (2 часа).
Вольтамперные характеристики. Электродвижущая сила. Электрическое сопротивление. Электрическая мощность. Электрический коэффициент полезного действия. Исследования водородопроницаемости материалов твердооксидных топливных элементов. Исследование характеристик одиночных ТОТЭ.
7. Электрохимичские энергоустановки (2 часа).
Области применения энергоустановок на основе ТОТЭ. ЭЭУ с когенерацией теплоты. Гибридные
ЭЭУ и электростанции. Капитальные затраты на ГибЭУ. Стоимость электроэнергии, генерируемой
на ГибЭУ или ГибЭС. Экологическое воздействие энергоустановок на окружающую среду. Экономические показатели и особенности ЭЭУ и ЭЭС. Пример энергетических установок на основе
ТОТЭ.
8. Перспективы развития и применения электрохимических энергоустановок на основе ТОТЭ (2
часа).
8.1. Экономическое обоснование перспективности применения энергетических установок на твердооксидных топливных элементах. Сравнение экономической эффективности энергоустановок на
основе ТОТЭ с другими традиционными энергоустановками.
8.2. Современное состояние разработок в области ТОТЭ и достижения мировых лидеров, занимающихся разработкой и изготовлением ТОТЭ.
8.3. Перспективные направления развития ТОТЭ (низкотемпературные и однокамерные ТОТЭ).
Тематика практических занятий (18 часов)
1. Изготовление двухслойных Ni/YSZ анодов твердооксидных топливных элементов методом высокотемпературного спекания сырой ленты, полученной методом шликерного литья (4 часа).
2. Изготовление многослойной конструкции анод-электролит ламинированием пленок, полученных
методом шликерного литья из соответствующих материалов, и последующим высокотемпературным спеканием (4 часа).
3. 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 (6 часов).
Документ:
Дата создания
стр. 5
5
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины
4. Контрольная работа по теме «Твердооксидные топливные элементы. Свойства и применение» (2
часа).
5. Семинарское занятие, посвященное обзору проблемам изготовления ТОТЭ (выступления студентов с докладами по темам подготовленных рефератов) (2 часа).
Самостоятельная (внеаудиторная) работа –XI семестр (72 часа)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
 самостоятельная проработка теоретического материала и подготовка к контрольным работам
(48 часов);
 работа над рефератом и подготовка доклада по нему (24 часа).
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
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.
Текущий и итоговый контроль
Текущий контроль изучения курса студентами осуществляется по итогам выполнения тестов,
контрольных работ и подготовке реферата.
Итоговым контролем является семестровый зачет.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
Документ:
стр.
6
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины
1. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки / Коровин Н.В. // М.: Издательство МЭИ, 2005, 280 с.
2. Электрохимическая энергетика / Коровин Н.В. // М.: Энергоатомиздат, 1991, 264 с.
3. Fuel cell systems explained. Second edition / J. Larminie, A. Dicks // Wiley, 2003, P. 406.
4. Твердооксидные топливные элементы / Сборник научно-технических статей, Издательство
РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 2003, 376 с.
5. Recent Trends in Fuel Cell Science and Technology / Edited by S. Basu, Anamaya Publishers, New
Delhi, India, 2007, P. 375.
6. Modeling Solid Oxide Fuel Cells. Methods, Procedures and Techniques / Edited by R. Bove, S.
Ubertini, 2008, P. 395.
7. Fuel Cell Technology. Reaching Towards Commercialization / Nigel Sammes (Ed.) // Springer,
2006, P. 296.
8. Fuel cells. From fundamentals to applications / S. Srinivasan // Springer, 2006, P. 691.
Дополнительная литература:
9. Формирование целевых свойств перспективных материалов. Теория и приложение / А.Н.
Петров // Учебное пособие, Екатеринбург, Уральский государственный университет им. А.М. Горького, 2008, 118 с.
10. Ионика твердого тела. В.2, Т.1 / Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. // СПб.: Изд-во С.-Петерб.
Ун-та, 2000, 616 с.
12. Fuel Cell Handbook (Sixth Edition) / By EG&G Technical Services, Inc. Science Applications International Corporation, 2002, P. 451.
13. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition) / By EG&G Technical Services, Inc., 2004, P. 427.
14. Топливные элементы. Современное состояние и основные научно-технические проблемы /
В. С. Багоцкий, Н. В. Осетрова, А. М. Скуидии // Электрохимия, 2003, Т.39, №9, с. 1027-1045.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС
по направлению и профилю подготовки магистров 011200 «Физика».
Программа одобрена на заседании кафедры ВЭПТ
(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).
Автор доцент каф. ВЭПТ, к.т.н. Соловьев А.А.
Рецензенты доцент каф. ВЭПТ, к.ф.-м.н Блейхер Г.А.
профессор каф. ВЭПТ, д.ф.-м.н. Янин С.Н.
Документ:
Дата создания
стр. 7
7