燃料電池實驗課題庫 1. 寫出PEMFC之陽極的電化學反應 答: H2 → 2H+ + 2e- 2. 寫出PEMFC之陰極的電化學反應

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1 燃料電池實驗課題庫 1. 寫出PEMFC之陽極的電化學反應 答: H2 → 2H+ + 2e- 2. 寫出PEMFC之陰極的電化學反應
答: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O 3.寫出PEMFC之電化學全反應 答: 2H2 + O2 → 2H2O + 電能 + 熱能

2 4. 目前已知的燃料電池有哪幾種? 答: 鹼性燃料電池(AFC)、融熔碳酸鹽燃料電池(MCFC) 、磷酸燃料電池(PAFC) 、固態氧化物燃料電池(SOFC) 、質子交換膜燃料電池(PEMFC)。 5. PEMFC的主要零組件有哪些? 答: 質子交換膜、觸媒、氣體擴散層、雙極板。 6. PEMFC之電化學反應的速率決定步驟為何? 答: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

3 7. 三極式電化學分析法中的三極是指哪三極? 答: 工作電極(working)、參考電極(reference)、輔助電極(auxiliary) 。 8. 三極式電化學分析法中用來控制輸出電位的儀器為何? 答: 恆電位儀(potentiostat) 9. 在燃料電池半電池測試分析時，用來取代氫氣以提供氫離子的溶液為何? 答: 1 M的H2SO4溶液

4 10. 參考電極的作用為何? 答: 用於幫助恆電位儀量測工作電極之電位的工具。 11. 參考電極的特性為何? 答: 具有電化學反應電位相當穩定的特性。 12. 輔助電極的作用為何? 答: 用來形成完整的電化學反應迴路。

5 13. 輔助電極的特性為何? 答: 本身並不會與電解質溶液發生反應，僅提供電子流通的路徑。 14.在燃料電池半電池測試分析中，交流阻抗頻譜儀的作用為何? 答: 可發出交流訊號，使原本恆電位儀所供給半電池測試製具的穩定電場產生不同頻率的振幅訊號，其頻率與振幅都可透過交流阻抗頻譜儀來設定，透過電化學反應中的電子對不同頻率所產生響應訊號，可以分辨半電池中各組成元件的表面反應與本質阻抗。

6 15. 在交流阻抗分析中，是以哪三種實際電子元件的串、並聯來模擬等效電路(Equivalent Circuit )?
答: 電阻、電容、電感。 16. 在燃料電池分析時，為何需要經過一長時間的活化反應才能使PEMFC的效能達到最佳化? 答: 質子交換膜主要是利用極性水分子來帶動氫離子，因此在PEMFC反應時，帶有飽和水蒸氣的燃料(氫氣or氧氣)需要一段時間來使將質子交換膜充分濕潤，如此PEMFC才能顯示出最佳化的效能。

7 17. 相較於燃料電池全電池分析，燃料電池半電池分析有何優點?
答: 半電池測試可針對燃料電池之單一電極（陽極或陰極）提供精密且多樣化的分析，除了可以測試單一電極的放電效能以外，還可以分別針對燃料電池之單一電極的觸媒活性、電子阻抗、離子阻抗、腐蝕性質…等作測試，故可幫助研發人員有效地分析燃料電池中某單一元件（質導膜、觸媒、碳電極材、雙極板）的性質。 18. 相較於石墨雙極板，金屬雙極板具有哪些優點? 答: 成本低、易加工、機械強度大、氣密性高與電阻小。

8 19. 請問PVD之全名? 答: 物理氣相沉積法(physical vapor deposition) 20.請問CVD之全名? 答: 化學氣相沉積法(chemical vapor deposition) 21. 什麼是電漿? 請簡單定義之。 答: 一團帶電荷的氣体分子，其正電荷（通常為正離子）和負電荷（通常為電子）總數約略相等，整體呈電中性。

9 22. 請簡述電漿形成的過程? 答: 當電源供應器施加一高壓電場於一真空低壓系統中的兩個相對電極板上時，此時存在於氣體中極微量的游離電子受到高壓電場的加速，進而碰撞氣體原子或分子，使受到碰撞的氣體原子或分子發生激發或原子離子化的現象，因而形成電漿。 23. 請簡述濺鍍(sputtering)的過程? 答: 在真空中，因高壓電場的加速而使具高能量的正離子撞擊固體表面，固體表面的原子和分子與這些高能量入射粒子交換動能後，從固體表面游離出來，這種現象稱為濺射，濺射原子到達基材表面而進行薄膜沈積的過程則稱為濺鍍。

10 24. 濺鍍原子到達基板表面形成薄膜的機制為何? 答: 在薄膜沈積的過程中濺射原子在到達基板表面時發生了吸附、脫附、表面擴散、成核及成長等過程而形成薄膜。 25. 為什麼一般在PVD鍍膜時會施加約300oC左右的退火處理? 答: 增加鍍膜與基板之間的黏著力。

11 26. 將試片置入管狀爐中退火處理時，為什麼要在Ar氣氛下來進行?
27. 一般材料實驗中用來精確控制氣體流量的儀器為何? 答: 質流控制器（Mass Flow Controller） 28.在進行薄膜濺鍍沉積前，為何要先進行預鍍? 答: 清除靶材表面之氧化層和殘留雜質等不純物。

12 29. 一標準的濺鍍製程設備應包含哪些系統? 答:真空系統、冷卻系統、電源供應系統、加熱裝置以及濺鍍源。 30.請問Cr與Ni佔AISI 304不鏽鋼的成分百分比為何? 答: Cr: 18% ; Ni: 8% 31. 磁控濺鍍法相較於一般濺鍍法的主要差異為何? 答: (1) 鍍率較快 (2) 靶材利用率較高。

13 32. 簡述磁控濺鍍的原理? 答: 於靶材(負極)表面施一外加磁場，由於電磁的交互作用，磁場會使負極表面形成電子的聚集處，離子會因受限的電子源的靜電效應而聚集使離子化效率提高並提高濺鍍速率。 33. 在進行PVD鍍膜時，直流電濺鍍與交流 (射頻)電濺鍍的主要差異為何? 答: 直流電濺鍍主要應用於導電性良好的靶材，而交流（射頻）電濺鍍主要應用於導電或非導電的靶材，絕緣薄膜若採用直流電濺鍍，將在靶材表面迅速造成電荷堆積而無法濺鍍。

14 34. 交流 (射頻)電濺鍍使用頻率為何? 答: MHz 35. 在一般的腐蝕過程中，金屬形成離子而進入水溶液的行為稱為什麼反應? 答: 氧化(陽極)反應 36. 在一般的腐蝕過程中，金屬或非金屬之價數降低的行為稱為什麼反應? 答: 還原(陰極)反應

15 37. 目前常用的參考電極有哪幾種? 答: 飽和甘汞電極(calomel electrode)、銀/氯化銀電極(Silver-Silver Chloride)、銅/硫酸銅(Copper-Copper Sulfate)與標準氫電極(Standard hydrogen electrode)等。 38. 簡述一材料之腐蝕電位所代表的意義? 答: 當腐蝕電位越大，則代表其活性愈低，較不易被腐蝕；而腐蝕電位越小，則表示活性愈高，腐蝕也較容易發生。 39.簡述一材料之腐蝕電流所代表的意義? 答: 可代表腐蝕速率

16 40. 何謂活性極化? 答:乃由於在電解液中如欲使離子從陽極進入溶液內，或使電子在陰極與離子結合，均需克服其反應所需的活化能，若其所需之活化能過高，則整個反應由反應速度最慢者控制，即造成活性極化。 41.將鈍態金屬進行陽極極化時，極化曲線會顯示出哪三個區域? 答:活化（active）區、鈍態（passive）區以及過鈍態（transpassive）區。

17 42. 何謂濃度極化? 答:由於離子在電極旁的濃度差所造成。一般而言，陽極離子形成時，容易擴散至電解液中，不會造成堆積，故濃度均勻，不易產生陽極極化，而陰極反應物通常濃度不大，當還原速率大時，易使陰極附近反應物缺乏，降低電流密度，造成濃度極化。 43. 腐蝕電位發生的位置為何? 答:陰極極化曲線（cathodic polorization）與陽極極化曲線（anodic polorization）相交處。 44. 一般定義塔弗區的範圍為何? 答: 在腐蝕電位±50mV 的區域內

18 45. 在一般的腐蝕電化學中，何謂金屬的鈍態? 答:許多金屬在某種環境中以熱力學觀點來看應該會快速腐蝕，然而實際上有時以極慢之腐蝕速度來進行，通常是金屬表面生成極薄之保護性皮膜而造成腐蝕速度降低，這種狀態稱鈍態。 46. 何謂混合電位(mixed potential) ? 答:金屬雖有無數的局部小電池，兩極之間亦有電位差，但因電化學反應的極化現象，造成過電壓的效應而處在同一電位，亦即混合電位(mixed potential)。

19 47.混合電位的原理是根據哪兩個假設而成立? 答: (1) 任何電化學反應均可細分為兩個或兩個以上的部份氧化和還原反應。(2)在一個電化學反應中，電荷不會累積在極板上。 48. 為何雙極板在PEMFC運轉時會產生腐蝕現象? 答:由於PEMFC經過長時間運作後，高分子電解質膜會解離出些許陽離子，諸如SO4－、SO3－ 以及HSO4－ 等，因而對雙極板產生電化學腐蝕作用。

20 49. 本實驗使用何種腐蝕液來模擬PEMFC運轉時的環境?
答: 1 M的H2SO4溶液 50. 為何要先將氬氣通入腐蝕液30分鐘後再進行腐蝕實驗? 答:除去腐蝕液內的溶氧