Поиск в базе сайта:
Рабочая программа учебной дисциплины Методы исследования характеристик топливных элементов ф тпу 1-21/01 утверждаю директор фти icon

Рабочая программа учебной дисциплины Методы исследования характеристик топливных элементов ф тпу 1-21/01 утверждаю директор фти




НазваниеРабочая программа учебной дисциплины Методы исследования характеристик топливных элементов ф тпу 1-21/01 утверждаю директор фти
Дата конвертации16.02.2013
Вес124 Kb.
КатегорияРабочая программа



Рабочая программа учебной дисциплины

Методы исследования характеристик топливных элементов



Ф ТПУ 7.1-21/01



УТВЕРЖДАЮ

Директор ФТИ

_____________ Кривобоков В.П.

«____»______________ 2011г.


Рабочая программа дисциплины

Методы исследования характеристик топливных элементов


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 5

Пререквизиты: вакуумное оборудование плазменных и ускорительных систем, физика поверхности и тонких пленок

Кореквизиты: Основы плазменных и радиационных технологий, получение и применение пучков заряженных частиц


Виды учебной деятельности и временной ресурс:

Лекционные занятия 36 час.

Практические занятия 18 час.

Лабораторные занятия 0 час.

Аудиторные занятия 54 час.

Самостоятельная работа 72 час.

Итого 126 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 Сочугов Н.С.


2011 г.


Аннотация



Методы исследования характеристик топливных элементов


Каф. ВЭПТ ФТИ

Доц., к. ф.- м. н. Сочугов Н.С.

Тел./факс: (3822) 491651


Цель: формирование у студентов глубокого уровня знаний методов, методик и аппаратных средств, применяемых для анализа характеристик топливных элементов, ознакомление с опытом и достижениями российских и мировых исследователей в данной области. На базе полученных знаний подготовленный специалист должен знать и уметь применять на практике основные электрохимические и физические методы, позволяющие проводить глубокий анализ различных типов топливных элементов.


Содержание: Физико-химические и электрохимические методы анализа топливных элементов. Электроды топливных элементов; характеристики границы раздела электрод – электролит; катализаторы; мембрано-электродная сборка. Обзор электродных процессов: электрохимические ячейки и реакции; фарадеевские и нефарадеевские процессы. Нефарадеевские процессы и природа границы раздела электрод – электролит. Фарадеевские процессы и факторы, определяющие скорость электродных реакций. Реакции с ограничением массопереноса. Потенциалы и термодинамика электрохимических ячеек. Основные понятия электрохимической термодинамики: обратимость; свободная энергия и ЭДС ячейки; полуреакции и потенциалы восстановления. Разность потенциалов на границе раздела фаз: физические аспекты появления разности потенциалов; электрохимические потенциалы; уровни Ферми и абсолютные потенциалы. Потенциалы на границе раздела жидкость – жидкость: типы жидкостных переходов; вычисление потенциалов на жидкостных переходах; концентрационные ячейки. Кинетика электродных реакций. Кинетика гомогенных реакций: динамическое равновесие; уравнение Аррениуса и поверхности потенциальной энергии; теория переходных состояний. Электродные реакции. Модель электродной кинетики Батлера-Волмера: влияние потенциала на энергетический барьер; одноступенчатые, одноэлектронные процессы; константы скорости; коэффициент переноса; условия равновесия; уравнение для ВАХ; уравнение Тафеля; влияние массопереноса. Процессы массопереноса: миграция и диффузия. Смешанная миграция и диффузия у активного электрода: баланс массопереноса при электролизе; влияние электролита. Диффузия: микроскопическое описание; закон Фика. Методы скачка потенциала. Обзор методов, использующих технику скачка потенциала: зависимости ток-потенциал; скачки потенциала большой амплитуды; скачки малой амплитуды. Скачок потенциала при наличии диффузионных ограничений: планарные электроды; полубесконечная сферическая диффузия; микроскопическая и геометрическая площадь. Ток с диффузионным ограничением на ультрамикроэлектродах: типы ультрамикроэлектродов; отклик на скачок потенциала большой амплитуды. Дискретно-токовая вольтамперометрия для обратимых электродных реакций. Вольтамперометрия основанная на линейной диффузии к планарному электроду. Стационарная вольтамперометрия на ультрамикроэлектроде. Соотношение ток – концентрация. Применения обратимых i-E зависимостей. Дискретно-токовая вольтамперометрия для необратимых и квазиобратимых электродных реакций. Многокомпонентные системы и многоступенчатый перенос заряда. Хроноамперометрические методы. Хронокулонометрия. Методы исследований с разверткой потенциала. Нернстовы (обратимые) системы: пиковый ток и потенциал; сферические и ультрамикроэлектроды; влияние емкости двойного слоя. Полностью необратимые системы. Квазиобратимые системы. Циклическая вольтамперометрия: нернстовы системы; квазиобратимые системы; многокомпонентные системы и многоступенчатый перенос заряда. Полярография и импульсная вольтамперометрия. Ртутный капающий и статический электрод: случай с диффузионным ограничением; полярографический анализ. Полярографические фолны: обратимые системы. Импульсная вольтамперометрия: ступенчатая вольтамперометрия; нормальная импульсная вольтамперометрия; обратная импульсная вольтамперометрия; дифференциальная импульсная вольтамперометрия. Методы исследований с контролем тока. Теория методов электрохимических исследований с контролем тока: математический аппарат полубесконечной линейной диффузии; постояннотоковый электролиз; хронопотенциометрия с программируемым током. Зависимости потенциал – время при постояннотоковом электролизе: обратимые волны; квазиобратимые волны; влияние емкости двойного слоя. Инверсные методы. Принцип функции отклика. Инверсия тока. Многокомпонентные системы и многоступенчатые реакции. Гальваностатический метод двойного импульса. Кулоностатические методы. Гидродинамические методы. Теоретический анализ: уравнение конвекции-диффузии; профиль скорости. Вращающийся дисковый электрод: профиль скорости на ВДЭ; профиль концентрации общий вид ВАХ на ВДЭ; распределение тока на ВДЭ. Вращающийся кольцевой электрод и ВДЭ с кольцом. Методы, основанные на концепции импеданса. Обзор методов. Электрические цепи переменного тока, общие понятия и уравнения; отклики на внешние воздействия, импеданс электрической цепи. Последовательные RC-цепи; последовательно – параллельные цепи. Измерение импеданса. Импеданс фарадеевских процессов при наличии диффузии. Идеально поляризуемый электрод, полубесконечная линейная диффузия, сферическая диффузия; цилиндрические электроды; дисковые электроды. Анализ импедансных измерений. Импеданс фарадеевских реакций при наличии адсорбции реагирующих частиц. Импеданс при наличии одной адсорбированной частицы. Фарадеевский импеданс при наличии двух адсорбируемых частиц. Фарадеевский импеданс при наличии трех и более адсорбируемых частиц. Импеданс твердых электродов. Дисперсия частоты и шероховатость электродов. Элемент постоянной фазы. Фрактальная модель. Модель пористых электродов. Пористые электроды в присутствии аксиальной диффузии. Элемент Варбурга. Примеры анализа спектров импеданса.

Курс 6 (11 сем. – зачет).

Всего 126 ч, в т. ч.: С.р. 72 ч, ауд.: 54 ч.; Лк 36 ч; Пр 18 ч.

^ The Summary


Methods of Fuel Cells Analysis.


Hydrogen Energy and Plasma Technologies Department

Associate Professor N.S. Sochugov


The purpose: formation of a necessary level of students knowledge in the field of methods and techniques of the fuel cells parameters investigations, familiarization with progress of Russian and foreign researchers in the this field. On the basis of the obtained knowledge the ready expert should know and should be possible to use the mail electrochemical and physical methods of different types of fuel cells.


The contents: Overview of electrode processes; potentials and thermodynamics of cells; kinetics of electrode reactions; mass transfer by migration and diffusion; basic potential step methods; potential sweep methods; polarography and pulse voltammetry; controlled current techniques; methods involving forced convection – thermodynamic methods; techniques based on concept of impedance.
^

Цели и задачи учебной дисциплины

Цели преподавания дисциплины


Целью преподавания дисциплины является подготовка специалистов, обладающих глубокими знаниями в области комплексного исследования характеристик топливных элементов, научившихся работать с научной литературой с применением современных информационных технологий, умеющих готовить научные доклады и статьи, способных применить полученные теоретические знания в своей дальнейшей работе над различными проблемами водородной энергетики.
^

Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих

формах деятельности:


  • лекции нацелены на освоение современных знаний и концепций в области методов исследования характеристик топливных элементов;

  • практические занятия направлены на активизацию познавательной деятельности студентов и освоение экспериментальных и расчетных методов исследований в области преподаваемой дисциплины;

  • лабораторные работы предназначены для практического знакомства с аналитическими приборами и устройствами для исследования характеристик топливных элементов и направлены на приобретение практических навыков работы с современным оборудованием;

  • 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 предусматривают совместное обсуждение с преподавателем наиболее сложных и интересных задач, возникающих при освоении дисциплины;

  • 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 (36 часов)


1. Введение. Физико-химические и электрохимические методы анализа топливных элементов. Электроды топливных элементов; характеристики границы раздела электрод – электролит; катализаторы; мембрано-электродная сборка. Методы определения кинетических параметров процессов электрокатализа в полуреакциях. Методы вольтамерометрии, электрохимической импедансной спектроскопии. (2 часа).

2. Обзор электродных процессов: электрохимические ячейки и реакции; фарадеевские и нефарадеевские процессы. Нефарадеевские процессы и природа границы раздела электрод – электролит. Фарадеевские процессы и факторы, определяющие скорость электродных реакций. Реакции с ограничением массопереноса. (2 часа).

3. Потенциалы и термодинамика электрохимических ячеек. Основные понятия электрохимической термодинамики: обратимость; свободная энергия и ЭДС ячейки; полуреакции и потенциалы восстановления. Разность потенциалов на границе раздела фаз: физические аспекты появления разности потенциалов; электрохимические потенциалы; уровни Ферми и абсолютные потенциалы. Потенциалы на границе раздела жидкость – жидкость: типы жидкостных переходов; вычисление потенциалов на жидкостных переходах; концентрационные ячейки. (2 часа)

4. Кинетика электродных реакций. Кинетика гомогенных реакций: динамическое равновесие; уравнение Аррениуса и поверхности потенциальной энергии; теория переходных состояний. Электродные реакции. Модель электродной кинетики Батлера-Волмера: влияние потенциала на энергетический барьер; одноступенчатые, одноэлектронные процессы; константы скорости; коэффициент переноса; условия равновесия; уравнение для ВАХ; уравнение Тафеля; влияние массопереноса. (2 часа)

5. Процессы массопереноса: миграция и диффузия. Смешанная миграция и диффузия у активного электрода: баланс массопереноса при электролизе; влияние электролита. Диффузия: микроскопическое описание; закон Фика. (2 часа)

6. Методы скачка потенциала. Обзор методов, использующих технику скачка потенциала: зависимости ток-потенциал; скачки потенциала большой амплитуды; скачки малой амплитуды. Скачок потенциала при наличии диффузионных ограничений: планарные электроды; полубесконечная сферическая диффузия; микроскопическая и геометрическая площадь. Ток с диффузионным ограничением на ультрамикроэлектродах: типы ультрамикроэлектродов; отклик на скачок потенциала большой амплитуды. (2 часа)

7. Дискретно-токовая вольтамперометрия для обратимых электродных реакций. Вольтамперометрия основанная на линейной диффузии к планарному электроду. Стационарная вольтамперометрия на ультрамикроэлектроде. Соотношение ток – концентрация. Применения обратимых i-E зависимостей. Дискретно-токовая вольтамперометрия для необратимых и квазиобратимых электродных реакций. Многокомпонентные системы и многоступенчатый перенос заряда. Хроноамперометрические методы. Хронокулонометрия. (2 часа)

8. Методы исследований с разверткой потенциала. Нернстовы (обратимые) системы: пиковый ток и потенциал; сферические и ультрамикроэлектроды; влияние емкости двойного слоя. Полностью необратимые системы. Квазиобратимые системы. Циклическая вольтамперометрия: нернстовы системы; квазиобратимые системы; многокомпонентные системы и многоступенчатый перенос заряда. (2 часа)

9. Полярография и импульсная вольтамперометрия. Ртутный капающий и статический электрод: случай с диффузионным ограничением; полярографический анализ. Полярографические фолны: обратимые системы. Импульсная вольтамперометрия: ступенчатая вольтамперометрия; нормальная импульсная вольтамперометрия; обратная импульсная вольтамперометрия; дифференциальная импульсная вольтамперометрия. (2 часа)

10. Методы исследований с контролем тока. Сравнение с методами с контролем потенциала. Теория методов электрохимических исследований с контролем тока: математический аппарат полубесконечной линейной диффузии; постояннотоковый электролиз; хронопотенциометрия с программируемым током. Зависимости потенциал – время при постояннотоковом электролизе: обратимые волны; квазиобратимые волны; влияние емкости двойного слоя. (2 часа)

11. Инверсные методы. Принцип функции отклика. Инверсия тока. Многокомпонентные системы и многоступенчатые реакции. Гальваностатический метод двойного импульса. Кулоностатические методы. (2 часа)

12. Гидродинамические методы. Теоретический анализ: уравнение конвекции-диффузии; профиль скорости. Вращающийся дисковый электрод: профиль скорости на ВДЭ; профиль концентрации общий вид ВАХ на ВДЭ; распределение тока на ВДЭ. Вращающийся кольцевой электрод и ВДЭ с кольцом. (2 часа)

13. Методы, основанные на концепции импеданса. Обзор методов. Электрические цепи переменного тока, общие понятия и уравнения; отклики на внешние воздействия, импеданс электрической цепи. (2 часа)

14. Последовательные RC-цепи; последовательно – параллельные цепи. Интерпретация комплексной плоскости. Измерение импеданса. (2 часа)

15. Импеданс фарадеевских процессов при наличии диффузии. Идеально поляризуемый электрод, полубесконечная линейная диффузия, сферическая диффузия; цилиндрические электроды; дисковые электроды. Анализ импедансных измерений. (2 часа)

16. Импеданс фарадеевских реакций при наличии адсорбции реагирующих частиц. Импеданс при наличии одной адсорбированной частицы. Фарадеевский импеданс при наличии двух адсорбируемых частиц. Фарадеевский импеданс при наличии трех и более адсорбируемых частиц. (2 часа)

17. Импеданс твердых электродов. Дисперсия частоты и шероховатость электродов. Элемент постоянной фазы. Фрактальная модель. (2 часа)

18. Модель пористых электродов. Пористые электроды в присутствии аксиальной диффузии. Элемент Варбурга. Примеры анализа спектров импеданса.


^

Тематика практических занятий (18 часов)


  1. Устройство и работа потенциостата (2 часа).

  2. Устройство и работа импедансметра (2 часа).

  3. Исследование характеристик твердополимерного топливного элемента методами вольтамперометрии (2 часа)

  4. Исследование характеристик твердооксидного топливного элемента методами вольтамперометрии (4 часа)

  5. Исследование характеристик твердополимерного топливного элемента методами импедансометрии (2 часа)

  6. Исследование характеристик твердооксидного топливного элемента методами импедансометрии (4 часа)

  7. Семинарское занятие по темам подготовленных рефератов (2 часа).



^

Самостоятельная (внеаудиторная) работа –X семестр (144 часа)



Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:

 самостоятельная проработка теоретического материала и подготовка к практическим занятиям (36 часов);

 работа над рефератом и подготовка доклада (36 часов).


^ Примерные темы рефератов

  1. Использование метода вращающегося дискового электрода для анализа характеристик катализатора твердополимерного топливного элемента.

  2. Особенности применения методов вольтамперометрии для анализа характеристик твердооксидных топливных элементов.

  3. Анализ спектров импеданса твердооксидных топливных элементов.

  4. Анализ спектров импеданса твердополимерных топливных элементов.
^

Текущий и итоговый контроль



Текущий контроль изучения курса студентами осуществляется по итогам выполнения контрольных работ, индивидуальных заданий, сдаче коллоквиума и подготовке реферата.

Итоговым контролем является семестровый зачет.


^

Учебно-методическое обеспечение дисциплины



Основная литература

1. Electrochemical Methods. Fundamentals and applications. Allen J. Bard, Larry R. Faulkner. John Wiley &Sons, Inc. 2001, 833 p.

2. Физико-химические основы электрохимии: Учебник/ Ю.Я. Лукомский, Ю.Д. Гамбург - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008. – 424 с.

3. Физическая химия. В 2 кн. Кн.1 Строение вещества. Термодинамика: Учеб. для вузов/ К.С. Краснов, Н.К. Воробьев, И.Н. Годнев и др.; под ред. К.С. Краснова – 3-е изд. испр. – М.: Высш. шк., 2001. – 512 с.

4. Физическая химия. В 2 кн. Кн. 2. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ.: Учеб. для вузов/ К.С. Краснов, Н.К. Воробьев, И.Н. Годнев и др.; под ред. К.С. Краснова – 3-е изд. испр. – М.: Высш. шк., 2001. – 319 с.


Дополнительная литература

1. Fuel Cells From Fundamentals to Applications Srinivasan, Supramaniam 2006, XXX, 691 p.

2. Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий, Г.А.Цирлина Электрохимия: Учебник для вузов. – М.: Химия, 2001 – 624 с.

3. В.С. Багоцкий. Основы электрохимии/ М.: Химия, 1988. – 400 с.

4. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition) EG&G Technical Services, Inc. U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy National Energy Technology Laboratory, 2004, p. 427/

5. Advances in Hydrogen Energy, Edited by Catherine E. Grégoire Padró, Kluwer Academic Publishers, New York, 2002, 210 p.

6. Hydrogen Technology Mobile and Portable Applications, Edited by Aline L´eon, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008, 670 p.


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.ф-м.н. Сочугов Н.С.


Рецензенты доцент каф. ВЭПТ, к.ф.-м.н Блейхер Г.А.

профессор каф. ВЭПТ, д.ф.-м.н. Янин С.Н.


Документ: стр.

Дата создания 17.10.2009 10:37:00

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией