吸氫到底吸了多少？從氣體密度與呼吸生理看氫氣劑量計算基礎
- 氫健康助教
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當我們談「吸氫」時，許多人關心的是效果，卻忽略了最核心的一點─到底吸入了多少氫氣。沒有劑量的概念，就無法真正理解研究中的比較數據，也難以評估不同設備或模式的差異。這篇文章將結合氫氣醫學的臨床基礎、電解水製氫的物理原理，以及人體潮氣量與呼吸週期模型，帶你一步步看懂這個「氫氣劑量計算機」的科學依據。讓吸氫不再是模糊的健康行為，而是可被量化、分析、甚至個人化的生理實驗。
一、為什麼「吸入劑量」很重要？
氫分子醫學的研究越來越多，從氧化壓力調節、發炎控制到線粒體保護都有實證。但多數人仍搞不清楚：「我吸的氫氣，到底是多少？」有些人用 100 cc/min 的氫氧機，有些用 600 cc/min 或 1000 cc/min，但這些數字代表的實際吸入量差異極大，因為真正吸入的氫氣量，還取決於：
呼吸節奏（吸氣與吐氣比例）
是否有脈衝同步輸出
吸入時間長短與流量設定
是否為氫氧混合模式（H₂ + O₂）
這就是為什麼，需要一個「氫氣劑量計算機」，以物理與生理學為基礎，讓你能量化自己每天吸入的氫氣劑量。
二、計算的三大核心依據
氣體密度（Density at STP）
氣體體積不等於質量。根據美國 NIST（National Institute of Standards and Technology）標準：
氣體 | 密度 (g/L, 0°C 1 atm) | 換算 mg/cc |
|---|---|---|
氫氣 H₂ | 0.08988 | 0.08988 mg/cc |
氧氣 O₂ | 1.429 | 1.429 mg/cc |
氮氣 N₂ | 1.250 | 1.250 mg/cc |
也就是說，當你設定 300 cc/min 的氫氣流量，實際上每分鐘吸入的是：
300 × 0.08988 = 26.96 mg H₂（若全部被吸入）
但實際不會全吸收，因為吐氣時會排出部分氣體，這就牽涉到呼吸生理。
呼吸生理與潮氣量（Tidal Volume）
每個人每次呼吸吸進與吐出的空氣量不同，稱為「潮氣量 (VT)」。
研究中常用體重估算公式：
男性：8 mL × 體重(kg)
女性：6.5 mL × 體重(kg)
例如一位 60 kg 女性 → 約 390 mL。再來看吸氣：呼氣的比例（I:E ratio），不同情境下如下：
狀態 | 吸氣 : 呼氣 (I:E) | 吸氣比例 |
|---|---|---|
靜息 | 1 : 2 | 33% |
睡眠 | 1 : 2.5 | 29% |
緩慢呼吸 | 1 : 3 | 25% |
輕度運動 | 1 : 1.5 | 40% |
中度運動 | 1 : 1 | 50% |
當機器持續輸出時（無脈衝模式），只有「吸氣時段」的氣體會進入肺部，其餘在呼氣時流失。若使用「呼吸同步脈衝模式」，則可在吸氣期才輸出氫氣，理論捕獲率達 100%。
捕獲率是指在吸氫過程中，實際被吸入人體的氫氣體積占裝置總產氫量的比例。它反映了吸氫效率，也就是產出的氫氣中，有多少真正進入肺部、參與氣體交換。
呼吸同步脈衝是指氣體（如氫氣、氧氣）或氣體/氣體混合物的輸出方式，設備偵測使用者 吸氣起始 時刻，而在該時刻或極短延遲後立即輸出一個「脈衝」氣體流量。目的是讓該氣體最大程度進入肺內、減少在吐氣期的逸散，提升氣體利用效率。
化學計量與電解效率
製氫的化學反應為：2H₂O → 2H₂ + O₂
理論上 9 kg 水可產出 1 kg 氫氣。而電解所需能量為約 39.4 kWh/kg（理論值），實際考慮能量損失與冷卻需求後取 55 kWh/kg 為保守估計。因此計算機可同時推估：
即時功率 (W)
每次使用能耗 (kWh)
對應電費 (以 5 元/kWh 計)
水耗量（含蒸發補償 +0～5%）
三、氧氣比例（FiO₂）估算的邏輯
一般空氣含 21% 氧氣、79% 氮氣。當氫氣進入吸氣流中，會稀釋氧氣濃度（稱為 FiO₂ 下降）。若使用氫氧機（氫氧合併模式），氫氣與氧氣依比例 2:1 產出，因此整體氧濃度上升。
計算公式：
FiO₂ = 0.21 × (1 − H₂分率 − 額外O₂分率) + 額外O₂分率
舉例來說：
單吸氫 1000 cc/min → FiO₂ 約降至 18～20%
HHO 模式（H₂:O₂ = 2:1） → FiO₂ 約上升至 24～30%
這能幫助評估吸氫過程是否安全、是否需額外補氧。
四、氫水等效概念：讓數字更直觀
對一般人而言，「吸了幾毫克氫氣」沒感覺，因此我們引入「氫水等效」概念。以 每杯氫水 200 cc、1.2 ppm（即 1.2 mg/L） 為標準：
每杯氫水含氫 ≈ 0.2 L × 1.2 mg/L = 0.24 mg H₂吸入氫量 ÷ 0.24 mg = 等效氫水杯數
例如吸入 80 mg H₂ ≈ 喝下 333 杯氫水。這樣一來，使用者能更具體理解不同模式與時間下的氫吸入劑量差異。
溶解氣體的濃度受 溫度、壓力 影響，氫氣在水中的溶解度有限。某資料指出氫氣在水中在常壓常溫下最大可達約 1.6 ppm。但在日常家庭環境中1.0~1.2是正常的。超過部分很容易立刻發散到大氣中。
五、脈衝模式與捕獲效率
脈衝式（呼吸同步）設計的目的，是提升吸入效率。例如：
300 cc/min × 脈衝 3.5 倍 → 等效於連續輸出 1050 cc/min
但實際捕獲率由 33% 提升至 100%因此在相同流量下，吸入劑量可提升 3 倍以上，同時減少逸散與氣體浪費。
六、計算機能告訴你什麼
使用這個模型，你可以即時看到：
產氫流量、吸氣比例與模式設定
每次吸入氫氣量（cc、mg）
每小時吸入總量（mg）
吸入氧氣總量與 FiO₂ 估算
對應氫水等效杯數
電費與耗水估算
所有公式都以公開物理與生理數據推導，讓吸氫過程從「感覺」變成「量化」。
七、結語：讓氫氣療法更科學化
吸氫不是玄學，而是基於物理與生理的可量化行為。透過這套計算模型，我們能做到：
個人化劑量評估
不同模式間的效率比較
安全氧濃度監測
能耗與水耗估算
真正達成「知道自己吸了多少氫」，讓氫氣應用進入精準醫學時代。
參考文獻：
質子膜電解（Proton-Exchange Membrane Electrolyzer, PEMWE）與能耗相關
Wang, C.R. et al., “Proton Exchange Membrane (PEM) Water Electrolysis: Cell Efficiency (Energy Consumption ~4.0-4.2 kW/Nm³)”, ACS Chemical Reviews, 2025.
Liu, R.T. et al., “Recent advances in proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWEs)”, Chemical Society Reviews, 2023.
Sayed-Ahmed, H., “Dynamic operation of proton exchange membrane electrolyzers: a critical review”, Elsevier Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2024.
Araújo, H.F. et al., “Proton-Exchange Membrane Electrolysis for Green Hydrogen”, Catalysts, 2024.
Zhang, K., “Status and perspectives of key materials for PEMWE”, NRE (Renewable Energy), 2022.
脈衝相關（在這裡主要為「呼吸同步／輸出方式」之生理或機械模式）
（注意：雖然未必直接「脈衝輸出氫氣」的研究，但可參考呼吸同步、頻率 + 潮氣量、輸出模式影響等）
Nicolò, A. et al., “Respiratory frequency and tidal volume during exercise: the neglected …”, Frontiers in Physiology, 2017.
DerangedPhysiology.com, “Tidal volume and respiratory rate – ventilatory parameters”, online review.
Beaver, W.L. & Wasserman, K., “Tidal volume and respiratory rate changes at start and end of exercise”, Journal of Applied Physiology, 1970.
呼吸生理（潮氣量、呼吸率、I:E 比例、換氣量等）
“Physiology, Tidal Volume”, StatPearls – NCBI Bookshelf.
“Physiology, Respiratory Rate”, StatPearls – NCBI Bookshelf.
Nicolò, A. et al., “Respiratory frequency and tidal volume during exercise …”, Frontiers in Physiology, 2017.
DerangedPhysiology.com, “Factors which influence the respiratory rate and tidal volume”.
氣體密度與物理性質（H₂、O₂、N₂ 在 STP／不同條件下密度）
“Selected properties of hydrogen (engineering design data)”, NIST Monograph 168.
EngineeringToolbox, “Hydrogen Density and Specific Weight vs. Temperature and Pressure”.
“Tables of industrial gas container contents and density for oxygen …”, NIST Technical Note 1079.
NIST WebBook – Hydrogen (gas phase thermochemistry / properties).
Valin.com blog: “Determining Gas Density Using the NIST Chemistry WebBook”.
