top of page

PEM質子交換膜介紹

PEM質子交換膜

PEM是Proton Exchange Membrane質子交換膜的縮寫，質子交換膜是氫氣產生機中一個重要的元件，它的主要作用是將水分子分解成氫氣和氧氣。質子交換膜由美國杜邦的薄膜材料製成，膜的中心部分通常由負載著質子交換基團的聚合物形成。在氫氣產生機中，利用電解方式將水在質子交換膜電極的作用下被分解成氫氣和氧氣。當一個電子通過質子交換膜的電極時，它會與水分子中的一個氫離子（質子）結合，形成氫氣分子（H2）。同時，質子交換膜會阻止氧氣和氫氣的混合，保證了氫氣的純度。

質子交換膜的設計初衷
 
【氫+氧】轉換成【水+電】：質子交換膜是一種高效能的薄膜，一開始用於燃料電池和其他能源技術中，用「綠氫」產生乾淨的動能。它是由美國杜邦公司（DuPont）開發的，杜邦質子交換膜，能夠將氫離子（質子）從一側傳遞到另一側，同時阻擋其他分子或離子通過。在燃料電池中，質子交換膜起著關鍵作用，它將氫氣中的質子與氧氣中的電子進行反應，產生電能、水和熱能，能夠在高溫和高壓下長時間穩定運行。這使得它成為燃料電池技術中的一個關鍵組件，也被廣泛應用於其他能源技術中。只要使用氫氣搭配空氣中的氧氣，就可以運用在車輛上，產生電能驅動，並且只會排出無害的高純度水。

質子交換膜的逆襲
 
【水+電】逆轉成【氫+氧】：早期氫氣機產生氫氣使用氫氧化納（NaOH）電解產出混合氫氧。氫氧化納電解產生廢氣溶液，需要進一步處理和處置，造成使用上的不方便及其他風險。直到近年使質子交換膜的生產，工程師發現逆向使用質子交換膜可以實現逆向產氫，這種過程也稱為電解水。通過向質子交換膜提供電能，可以將水分解成氫和氧氣，實踐了逆向工程。質子交換膜在這個過程中扮演著質子傳遞的角色，它允許離子通過並阻擋氫和氧氣之間的混合。因為是質子型態電解，通過水H2O產出來的氫氣H2及氧氣O2存度近乎100%，使用的方便程度有了大幅的進步。相對早期的產氫方式，他有幾項優勢：節能、無雜質、無廢棄物、體積小、重量輕...諸多優勢，所以近年氫氣機製造商都轉向使用更全的質子交換膜來產生氫氣及氧氣。

PEM技術是一種有效地將水分解成純淨氫氣的方法，具有高效、經濟、可靠、可重復使用等優點。PEM質子交換膜具有以下優勢。
 

  • 高效催化反應：PEM質子交換膜具有高效的催化反應能力，能夠快速地將水分解成氫和氧氣。

  • 高能量轉換效率：PEM質子交換膜的能量轉換效率高，也可以逆工程，能夠將水分解產生的氫氣轉換為電能，同時也能夠將電能轉換為氫氣儲存。

  • 環保性：PEM質子交換膜是一種環保的技術，不像其他電解水技術使用的溶劑和電解質會對環境造成污染，不慎吸入或食用會危害到身體。

  • 簡單易操作：PEM質子交換膜技術的操作簡單方便，僅需水及電能，就能夠在相對低溫的環境下工作。

質子交換膜產氫的步驟

質子交換膜工作原理圖

加入水：

將純水注入氫氣產生機中，與PEM質子交換膜接觸。PEM質子交換膜與水接觸的面積是非常微小的，因為質子交換膜的厚度只有數十微米至幾百微米之間，而且質子交換膜是由多層高分子薄膜組成的，每一層薄膜都有微小的孔隙，質子通過這些孔隙傳遞，從而實現水的電解。

PEM質子交換膜與水的接觸面積會被設計成一個網狀結構，這樣可以增加接觸面積，提高質子交換效率。而且為了進一步提高接觸面積，質子交換膜的表面通常會經過特殊的處理，例如納米孔隙技術或表面修飾技術，這樣可以在質子交換膜表面形成更多的孔隙，從而增加與水接觸的面積，提高水的電解效率。

質子交換膜電解水需要使用純水或純水溶液，不能使用含有雜質的水，會影響質子交換膜的性能，降低水的電解效率。PME質子交換膜對水的PH值有一定的要求，一般要求在5~9之間，過高或過低的PH值會影響質子交換膜的性能。PME質子交換膜電解水的溫度也需要在一定範圍內，一般建議溫度在 5-40 ℃ 之間。
 

電解水：

在質子交換膜的兩側，分別安裝陽極和陰極。施加電壓後，水分子會在陽極和陰極之間進行電解，分解成氫氣和氧氣。為了保證質子交換膜的正常工作，水的電導率需要在一定範圍內。一般來說，電導率越高，質子傳輸的速度越快，水的電解效率也越高。2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)這個反應是一個電解反應，需要通過外部電源提供電力才能進行。使用PEM質子交換膜進行水電解時，水會被置於質子交換膜的兩側，通過外部電源施加一定的電壓，使得水中的氫離子（H+）和電子（e-）被分離開來供下一步驟應用。
 

通過質子交換膜：

由於質子交換膜只允許質子通過，不允許電子通過，所以在產生過程中，氫氣和氧氣分別通過質子交換膜的陽極和陰極排放。上一步驟中產生的氫離子及氧離子會通過PEM質子交換膜在兩側之間移動，因為質子交換膜只能讓質子通過，而不是電子。在陰極（負極）的一側，離子瞬間會被還原成氫氣（H2），而在陽極（正極）的另一側，水分子會被氧化成氧氣（O2）和氫離子（H+）。
在陰極（負極）：2H+ + 2e- → H2。
在陽極（正極）：2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

這個過程中，水分子分解成氫氣和氧氣的同時也產生了質子（H+），這些質子會穿過質子交換膜，從陰極側傳輸到陽極側。質子交換膜除了具有質子傳輸的功能外，還能防止氧氣和氫氣混合，保證了產生的氫氣純度。
 

質子交換膜於醫療學術領域的應用

PEM質子交換膜產氫核心

PEM質子交換膜可以用於醫療研究領域的氫氣產生器，產生高純度的氫氣，已有多種應用，例如：抗氧化，氫氣可以通過抗氧化作用減輕氧化損傷對身體組織和器官的損害。調控細胞凋亡，氫氣可以通過抗氧化作用減緩細胞老化的速度，促進健康和。改善心血管，氫氣可以通過降低心血管疾病風險因素，如氧化損傷、炎症反應和脂質代謝異常等，調控細胞凋亡。改善神經元，氫氣可以通過減輕腦部組織受到的氧化損傷和發炎反應，減緩腦部疾病的進程，如帕金森病、阿茲海默症等。

​

PEM質子交換膜產生的高純度氫氣可以被應用於多種醫療領域，並且在研究和實踐中已經取得了一定的成果。

台灣製造的氫分子產氫家電設備：

​氫分子醫學相關文章

molecular hydrogen - Search Results - PubMed

參考文獻

  • Ohta, S. Molecular hydrogen as a preventive and therapeutic medical gas: initiation, development and potential of hydrogen medicine. Pharmacol Ther 144, 1-11 (2014).

  • Ichihara, M. et al. Beneficial biological effects and the underlying mechanisms of molecular hydrogen - comprehensive review of 321 original articles. Med Gas Res 9, 215-225 (2019).

  • Huang, Y. et al. Beneficial effects of hydrogen gas inhalation on pediatric intractable septic shock with multiple organ dysfunction syndrome. World J Emerg Med 8, 39-43 (2017).

  • Nakao, A. et al. Effectiveness of hydrogen rich water on antioxidant status of subjects with potential metabolic syndrome-an open label pilot study. J Clin Biochem Nutr 46, 140-149 (2010).

  • Ostojic, S.M. et al. Hydrogen-rich water affected blood alkalinity in physically active men. Res Sports Med 24, 108-114 (2016).

  • LeBaron, T.W. et al. The effects of exogenous hydrogen sulfide on blood pressure and microvascular perfusion in humans. Int J Vasc Med 2019, 8108142 (2019).

  • Sun, Q. et al. Hydrogen-rich saline improves memory function in a rat model of amyloid-beta-induced Alzheimer's disease by reduction of oxidative stress. Brain Res 1328, 152-161 (2010).

  • Chen, H. et al. Hydrogen-rich water attenuates oxidative stress in rats with traumatic brain injury via Nrf2 pathway. J Surg Res 192, 775-784 (2014).

  • Hayashida, K. et al. Inhalation of hydrogen gas reduces infarct size in the rat model of myocardial ischemia-reperfusion injury. Biochem Biophys Res Commun 373, 30-35 (2008).

  • Ji, Q. et al. Hydrogen-rich saline protects myocardium against ischemia/reperfusion injury in rats. Exp Biol Med (Maywood) 234, 1212-1219 (2009).

  • Xu, Z. et al. Effect of hydrogen-rich saline on early acute kidney injury in severely burned rats. Burns 41, 1743-1752 (2015).

  • Chen, J. et al. Hydrogen-rich saline ameliorates the severity of l-arginine-induced acute pancreatitis in rats. Biochem Biophys Res Commun 436, 4-9 (2013).

  • Xie, K. et al. Molecular hydrogen ameliorates lipopolysaccharide-induced acute lung injury in mice through reducing inflammation and apoptosis. Shock 52, 489-497 (2019).

  • Lin, Y. et al. The protective effect of hydrogen-rich saline on acute radiation-induced lung injury in rats. J Radiat Res 55, 1107-1113 (2014).

  • Zheng, X. et al. Protective effect of hydrogen-rich water on liver function of colorectal cancer patients treated with mFOLFOX6 chemotherapy. Mol Clin Oncol 9, 365-371 (2018).

bottom of page