Document 4347819

2
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЦИПЛИНЫ
Программа модуля составлена в соответствии с Федеральными государственными
образовательными стандартами высшего профессионального образования
Код направления/ Название направления/ специальности
Реквизиты приказа
специальности
Министерства образования и
науки Российской Федерации об
утверждении и вводе в действие
ФГОС ВПО
Дата
Номер
приказа
240100.68
Химическая технология
22.12.2009
792
Цели дисциплины
Целью данной дисциплины является формирование у студентов способностей применять
последние достижения в области технологий и аппаратурного оформления электрохимических
процессов для совершенствования процессов получения электрической энергии в химических
источниках тока, осуществлять расчеты электрических характеристик ХИТ, проводить
критический анализ существующих ХИТ и разрабатывать варианты их усовершенствования на
основе последних достижений науки и техники.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
- знать свойства сырья и материалов, используемых в химических источниках тока;
- знать особенности технологии производства основных химических источников тока;
- знать основные токообразующие реакции, параметры и характеристики ХИТ;
- уметь провести измерения электрических характеристик химических источников тока;
- владеть практическими навыками проектирования производства химических источников
электрической энергии с требуемыми параметрами;
- владеть методами физико-химических исследований и стандартизации химических источников
электрической энергии.
1.1
Место дисциплины в структуре модуля и основной образовательной программы
В результате освоения данной дисциплины студент должен быть готов к решению
профессиональных производственных задач – контролю технологического процесса, разработке
норм выработки, разработке технологических нормативов на расход материалов, заготовок,
топлива и электроэнергии, к выбору оборудования и технологической оснастки (ПК-4); к
совершенствованию технологического процесса – разработке мероприятий по комплексному
использованию сырья, по замене дефицитных материалов и изысканию способов утилизации
отходов производства, к исследованию причин брака в производстве и разработке предложений по
его предупреждению и устранению (ПК-5); осуществлять контроль метрологического обеспечения
различных измерительных средств, используемых на производстве или в научной
лаборатории(ПКД-7); анализировать информацию, поступающую из различных подразделений
предприятия, для оптимизации технологического процесса (ПКД-8); к созданию новых
экспериментальных установок для проведения лабораторных практикумов (ПК-22).
1.2.
3
Трудоемкость дисциплины (по очной форме обучения)
1.3.
Виды учебной работы, формы контроля
Аудиторные занятия, час.
Лекции, час.
Практические занятия, час.
Лабораторные работы, час.
Самостоятельная работа студентов, час.
Всего,
час.
Учебные семестры
72
18
18
36
3
72
18
18
36
36
36
Вид промежуточного контроля
Общая трудоемкость по учебному плану, час.
Общая трудоемкость по учебному плану, з.е.
Экзамен
108
3
108
3
Краткое описание дисциплины
Дисциплина направлена на изучение процессов превращения химической энергии в
электрическую в химических источниках тока: первичных элементах и батареях, резервных ХИТ и
вторичных элементах (аккумуляторах). Особое внимание уделяется токообразующим реакциям и
конструктивным особенностям различных типов химических источников тока, а также их
техническим характеристикам
1.4.
Код
разделов
Раздел
дисциплины
Р1
Общие
вопросы
химических
источников
тока
Р2
Первичные
химические
источники
тока
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Содержание
Классификация химических источников тока (первичные,
резервные, вторичные (аккумуляторы), топливные элементы,
электрохимические преобразователи информации).
Основные компоненты электрохимических систем. Восстановители
и окислители ХИТ. Электролиты ХИТ (ионные проводники).
Электрическая проводимость ионных проводников. Электроды
ХИТ.
Тепловые процессы в ХИТ. Тепловыделение при разряде и
хранении ХИТ.
Типы и характеристики основных первичных ХИТ.
Источники тока системы диоксид марганца-цинк. Токообразующие
реакции. Основные и побочные реакции при разряде в элементах с
солевыми и щелочными электролитами. Разрядные характеристики.
Конструкция.
Ртутно-цинковые элементы и батареи. Основные компоненты.
Токообразующий процесс. Основные и побочные реакции.
Разрядные характеристики. Саморазряд.
Серебряно-цинковые первичные ХИТ. Токообразующая реакция,
конструкция и эксплуатационные характеристики.
Типы литиевых первичных источников тока. Электрохимические и
другие процессы, протекающие в литиевых ХИТ. Электрические
характеристики литиевых элементов.
Воздушно-цинковые первичные ХИТ. Общая характеристика
системы. Электродные, токообразующая и побочные реакции.
Портативные ХИТ. Дисковые (пуговичные) и цилиндрические ХИТ
малой емкости.
Воздушно-марганцево-цинковый ХИТ.
Химические источники тока с алюминиевыми и магниевыми
4
Р3
Резервные
химические
источники
тока
Р4
Топливные
элементы
Р5
Вторичные
химические
источники
тока
анодами. Особенности анодного растворения алюминия и магния в
нейтральных растворах. Токообразующие и побочные процессы в
ХИТ. Параметры ХИТ. Использование морской воды в качестве
электролита.
Воздушно-алюминиевый
ХИТ
с
щелочным
электролитом. Марганцево-магниевый элемент с солевым
электролитом.
Особенности и классификация резервных ХИТ. Водоактивируемые
ХИТ. Ампульные ХИТ. Электродные и токообразующие реакции.
Тепловые ХИТ (батареи). Использование расплавленных солей в
качестве электролита ТХИТ. Основные компоненты тепловых ХИТ.
Анодные материалы. Катодные материалы. Токообразующие
реакции в ТХИТ. Электролиты, используемые в ТХИТ.
Конструкции, способы активации. Разрядные кривые.
Проблемы топливных элементов. Термодинамика. Классификация
по видам катодного активного материала, температурному режиму
работы.
Кислородно-водородный
топливный
элемент.
Токообразующая реакция. ЭДС. Основные и побочные электродные
реакции, условия их протекания. Устройство, особенности
конструкции электродов и принцип низко- и среднетемпературных
элементов, их преимущества и недостатки.
Классификация вторичных ХИТ. Эксплуатация аккумуляторов.
Способы заряда аккумуляторов. Зарядные характеристики
вторичных ХИТ.
Свинцовые аккумуляторы и батареи. Токообразующая реакция.
Положительный электрод. Фазовый состав, физико-химические и
структурные
свойства
диоксида
свинца.
Саморазряд
положительного электрода. Отрицательный электрод. Механизм
пассивации и саморазряд свинцового электрода. Расширители и
ингибиторы свинцового электрода.
Стартерные батареи.
Никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы. Основные
реакции и механизм электродных процессов при разряде и заряде.
Типы электродов. Зарядно-разрядные характеристики. Технический
ресурс и сохранность. Саморазряд. Сравнительная оценка никельжелезных
и
никель-кадмиевых
аккумуляторов.
Области
применения.
Серебряно-цинковые аккумуляторы. Электрохимическая система.
ЭДС. Механизм электродных процессов при разряде и заряде.
Особенности конструкции и области применения. Технический
ресурс и сохранность. Саморазряд.
Высокотемпературные аккумуляторы и батареи. Серно-натриевые
аккумуляторы, высокотемпературные литиевые аккумуляторы.
5
3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ
Р4
Р5
Итого по дисциплине
Контрольная работа (КР)
12
6
6
5
1
3,6
15
10
4
6
5
9
2
2
28
20
4
1
0
2
0
108
108
0
0
36
36
0
72
1
7
6
10
18 18 36
Коллоквиум
17
Реферат
9,6
Домашняя работа (ДР)
1
Расчетно-граф. работа
(РГР)
Расчетная работа (РР)
11
Курсовая работа (КР)
12 14
Курсовой проект (КП)
2
Самостоятельная
работа студентов,
28
Лабораторные работы
39
Практические занятия
Подготовка к ауд.
занятиям, час
Р3
Другие виды СРС
Р2
Лекции
Общие вопросы
химических источников
тока
Первичные химические
источники тока
Резервные химические
источники тока
Топливные элементы
Вторичные химические
источники тока
Зачет
Экзамен
Р1
Аудиторные занятия
по данному разделу,
час
Наименование раздела
Всего по ГОС, час
Номер раздела
(по очной форме обучения)
3
1
0,6
8
1
0
0
0
0
2
6
0
0
3
6,6
23
4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ, САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ И
АТТЕСТАЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Лабораторный практикум
4.1
Номе
р п/п
Раздел
дисциплины
1
Р1
2
Р1
3
Р2
4
Р3
5
Р5
Наименование работы
Определение энергетических характеристик и внутреннего
сопротивления NiCd и NiMH аккумуляторов
Экспериментальная поверка применимости уравнения
Пейкерта для NiCd и NiMH аккумуляторов
Автоматизация испытаний первичных и вторичных ХИТ:
особенности планирования, программирование и
современные средства
Изготовление и испытание водоактивируемых резервных
ХИТ на системе магний-пентаоксид ванадия
Теория и практика современной технологии свинцовокислотного аккумулятора
Объем
учебного
времени,
час.
6
8
6
6
10
6
4.2
4.3
Практические занятия
Номер
п/п
Раздел
дисциплины
1
Р1
2
Р1
3
Р5
Тема занятия
Объем
учебного
времени,
час.
Расчет энергетических характеристик и внутреннего
сопротивления ХИТ
Анализ применимости уравнения Пейкерта для NiCd и
NiMH систем
Программирование стенда для тестирования свинцовокислотного аккумулятора по ГОСТ. ГОСТ Р 53165-2008
6
6
6
Самостоятельная работа студентов и мероприятия текущего контроля
4.3.1. Примерный перечень тем рефератов
Не предусмотрены
4.3.2. Примерный перечень тем домашних работ
Домашняя работа 1. Определение удельных характеристик топливного элемента.
4.3.3. Примерный перечень тем контрольных работ
Контрольная работа 1. Расчет параметров резервного химического источника тока.
4.3.4. Примерный перечень тем расчетных работ
Не предусмотрены
4.3.5. Примерный перечень тем расчетно-графических работ
Не предусмотрены
4.3.6. Примерная тематика коллоквиумов
Не предусмотрена
4.3.2. Примерная тематика курсового проекта (работы)
Не предусмотрены
4.4. Примерный перечень контрольных вопросов для подготовки к аттестации по
дисциплине
1. Классификация химических источников тока (первичные, резервные, вторичные
(аккумуляторы), топливные элементы, электрохимические преобразователи информации).
2. Основные компоненты электрохимических систем. Восстановители и окислители ХИТ.
3. Электролиты ХИТ (ионные проводники).
4. Тепловые процессы в ХИТ. Тепловыделение при разряде и хранении ХИТ.
5. Источники тока системы диоксид марганца-цинк. Токообразующие реакции. Разрядные
характеристики. Конструкция.
6. Ртутно-цинковые элементы и батареи. Основные компоненты. Токообразующий процесс.
Разрядные характеристики. Саморазряд.
7. Серебряно-цинковые первичные ХИТ.
8. Электрохимические, протекающие в литиевых ХИТ. Электрические характеристики литиевых
элементов.
7
9. Воздушно-цинковые первичные ХИТ. Электродные, токообразующая и побочные реакции.
Портативные ХИТ. Дисковые (пуговичные) и цилиндрические ХИТ малой емкости.
10. Воздушно-марганцево-цинковый ХИТ.
11. Химические источники тока с алюминиевыми и магниевыми анодами. Использование морской
воды в качестве электролита.
12. Особенности и классификация резервных ХИТ. Водоактивируемые ХИТ. Ампульные ХИТ.
Электродные и токообразующие реакции.
13. Тепловые ХИТ (батареи). Основные компоненты тепловых ХИТ.
14. Кислородно-водородный топливный элемент. Токообразующая реакция. ЭДС. Основные и
побочные электродные реакции, условия их протекания.
15. Свинцовые аккумуляторы и батареи. Токообразующая реакция. Положительный электрод.
16. Фазовый состав, физико-химические и структурные свойства диоксида свинца. Саморазряд
положительного электрода. Отрицательный электрод. Механизм пассивации и саморазряд
свинцового электрода. Расширители и ингибиторы свинцового электрода.
17. Никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы. Основные реакции и механизм
электродных процессов при разряде и заряде.
18. Серебряно-цинковые аккумуляторы. Электрохимическая система. Механизм электродных
процессов при разряде и заряде.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
5.1. Рекомендуемая литература
5.1.1. Основная литература
1. Н.В. Коровин. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. М.: изд. МЭИ,
2005. 280 с.
Нижниковский.
Химические
источники
автономного
электропитания
радиоэлектронной аппаратуры. М.: МЭИ, 2004 с.
3. Химические источники тока: Справочник / под. ред. Н.В. Коровина, А.М. Скундина.
М.: МЭИ, 2003 с.648c.
2. Е.А.
5.1.2. Дополнительная литература
1. Кедринский И.А., Дмитренко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М.:
Энергоатомиздат, 1992, 184 с.
2. Варыпаев В.Н., Дасоян М.А., Никольский В.А. Химические источники тока: учебн.
пособие. М.: Высшая школа, 1990, 240 с.
3. Таганова А.А., Семенов А.Е. Свинцовые аккумуляторы и батареи. Справочник. М.: МЭИ,
2004. 348с.
4. Таганова А.А., Пак И.А. и др. Герметичные химические источники тока для портативной
аппаратуры. М.: МЭИ, 2003. 275с.
5. Н.А. Колпакова, Л.С. Анисимова, Н.А. Пикула и др. Сборник задач по электрохимии:
учебн. пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 2003. 143 с.
5.2.Электронные образовательные ресурсы
http://rushim.ru/books/electrochemistry/electrochemistry.htm - электронная библиотека
http://www.ise-online.org International Society of Electrochemistry
http://www.elch.chem.msu.ru/rus/chteniya.htm - ежегодные Фрумкинские чтения



5.3.Программное обеспечение
операционная система Microsoft Windows;
Microsoft Office в составе Word, Excel;
пакет программ для научных исследований MATCAD,
8






Лазарев В.Ф. Никель-кадмиевый аккумулятор типа АКН-2,25. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 21с
Лазарев В.Ф. Водоактивируемые химические источники тока (ВХИТ). Екатеринбург: УГТУУПИ, 18с.
IPC-2000,
APPA WinDMM1005,
Solartron ZPlot,
Solartron ZView.
5.4.
Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
http://yandex.ru, http://google.ru, http://rambler.ru – поисковые системы в Интернет;
http://www.chemport.ru/data, http://www.xumuk.ru - электронные справочники по химии
Используемые СКУД и АПИМ
Средства контроля учебных достижений (СКУД) не используются.
В качестве аттестационных педагогических измерительных материалов (АПИМ)
используются нетестовые материалы.
5.5
5.6
Используемые информационные сервисы УрФУ
Портал информационно-образовательных ресурсов УрФУ www.study.ustu.ru
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
6.1
Общие требования
Лабораторные работы должны выполняться в специализированных залах, оснащенных вытяжной
вентиляцией, канализацией, емкостями для сбора сливов.
6.2
Сведения об оснащенности дисциплины специализированным и лабораторным
оборудованием
1. Специализированная коррозионно-электрохимическая лаборатория, в состав которой входят:
рН-метры,
потенциостаты,
высокоомные
вольтметры,
измерительные
приборы,
электрохимические ячейки, установки для очистки воды, средства приготовления растворов и т.п.
2. Компьютерный класс для моделирования катодной и протекторной защиты, а также обработки
экспериментальных данных.
7. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Рекомендации для преподавателя
7.1
 составление и обновление списка литературы, обязательной для изучения и дополнительной
литературы; проведение собственных исследований в этой области;
 разработку и составление тестовых заданий, контрольных вопросов;
 разработку методики проведения и совершенствование тематики лабораторных работ;
использование в лабораторном практикуме реальных данных и получение результатов, имеющих
практический смысл для инженерных расчетов.
Рекомендации для студента
7.2


обязательное посещение лекций ведущего преподавателя; подготовку и активную работу на
лабораторных занятиях; подготовка к лабораторным занятиям включает изучение
материалов лекций, рекомендованной учебной литературы;
перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо подготовить и сдать
коллоквиум по соответствующим разделам теоретического курса.
9
8. ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ
Р1
Подготовка к ауд.
занятиям
Расчетная работа
Домашняя работа
Реферат
Расчетно-граф. работа
Курсовой проект
Курсовая работа
Коллоквиум
Лабораторная работа
Формы учебных занятий
Практич. занятие
Активные методы обучения
Лекция
Раздел
дисцип
лины
Проектный метод
Анализ конкретных ситуаций (кейс-анализ,
case-study)
Деловая /имитационная игра
Обучение на основе опыта
+
+
Методы проблемного обучения
(дискуссии, поисковые работы,
исследовательский метод и т.п.)
Работа в команде
Опережающая самостоятельная работа
Р2
+
Проектный метод
Анализ конкретных ситуаций (кейс-анализ,
case-study)
Деловая /имитационная игра
Обучение на основе опыта
+
+
Методы проблемного обучения
(дискуссии, поисковые работы,
исследовательский метод и т.п.)
Работа в команде
Опережающая самостоятельная работа
Р3, Р5
+
Проектный метод
Анализ конкретных ситуаций (кейс-анализ,
case-study)
Деловая /имитационная игра
Обучение на основе опыта
+
+
Методы проблемного обучения
(дискуссии, поисковые работы,
исследовательский метод и т.п.)
Работа в команде
Опережающая самостоятельная работа
+
10
9. ПЕРЕЧЕНЬ КЛЮЧЕВЫХ СЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
№
раздела
Р1
Р2
Р3
Р4
Р5
Наименование
раздела
Общие вопросы
химических
источников тока
Первичные
химические
источники тока
Резервные
химические
источники тока
Топливные
элементы
Вторичные
химические
источники тока
Ключевые слова
Восстановители и окислители ХИТ, электролиты ХИТ
Тепловые процессы в ХИТ. Тепловыделение при разряде и
хранении ХИТ.
Источники
тока
системы
диоксид
марганца-цинк,
Токообразующие реакции, разрядные характеристики,
ртутно-цинковые элементы, саморазряд, серебряно-цинковые
первичные ХИТ, литиевые источники тока, воздушноцинковые ХИТ, воздушно-марганцево-цинковый ХИТ.
Водоактивируемые ХИТ, ампульные ХИТ, тепловые ХИТ
(батареи).
Топливные
элементы,
термодинамика,
кислородноводородный топливный элемент, токообразующая реакция,
ЭДС.
Свинцовые
аккумуляторы
и
батареи,
саморазряд
положительного электрода, отрицательный электрод,
механизм пассивации и саморазряд свинцового электрода,
расширители и ингибиторы свинцового электрода,
стартерные батареи, никель-железные и никель-кадмиевые
аккумуляторы, серебряно-цинковые аккумуляторы.
11
Лист регистрации изменений в рабочей программе дисциплины
Номер пункта (подпункта)
Дата
Номер
внесения
Изменение
изменения Измененного Нового Изъятого
изменения
Подпись
ответственного
за внесение
изменений
12