家用 PEM 氫氣機設計關鍵解析：氣體回流、水路異常與乾燒預防

氫健康助教
2024年12月1日
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已更新：5月19日

隨著氫分子在健康與醫療領域的應用逐漸普及，家用 PEM（Proton Exchange Membrane）電解水產氫設備成為市場關注的焦點。相較於工業用 PEM 電解槽，家用機型多以低壓、小型化設計為主，在系統穩定性與壽命管理方面，需要特別重視一個常被忽略的風險：「氣體回流所導致的水路異常與 PEM 膜乾燒損壞」，尤其是小型的氫氣機利用壓差供水。

一、氣體回流是什麼？如何發生？

在 PEM 電解水裝置中，水被注入陽極（Anode），經由催化反應產生氧氣與質子，質子穿過 PEM 膜至陰極（Cathode）側與電子結合生成氫氣。理想情況下，產生的氫氣與氧氣應各自從專屬出口順利排出。但若設備未配置單向閥、安全排氣口等保護設計，或使用者誤將排氣口堵住，就可能導致氣體倒灌至反應區。

二、氣體回流造成的設計問題

水路阻塞與氣塞現象：
當氣體從出口回流至陽極或陰極流道時，可能形成「氣塞（Gas plug）」，導致水流中斷。這會讓膜部分區域失去水分供應，引發水管理失衡。
膜局部乾燥與導電性下降：
PEM 膜仰賴濕潤狀態以維持質子傳導能力。缺水區會產生高電阻，導致局部過熱，這是膜壽命大幅下降的關鍵因素之一。
氣體交叉壓力風險：
若氧氣倒流至氫氣側，會產生逆向壓力（back pressure），導致氫氣側氣路受壓，甚至影響 PEM 的氣體隔離能力。PEM 結構設計本應確保氫氣與氧氣在產出時分離，若兩氣體交叉滲入，若系統設計原本非供混合氣體使用，則需額外配置混氣模組與流量平衡控制。
催化層脫層與機械疲勞：
氣體滲入膜電極界面（MEA）可能導致催化層壓力不均，長期導致脫層、裂縫等結構損壞，這些損傷大多不可逆。

三、乾燒（Dry-out）現象：最嚴重的後果

乾燒是指 PEM 膜區域因水分流失而變得乾燥，進而失去質子傳導能力。其後果包括：

局部熱點（hotspot）導致膜結構熔化或碳化。
電化學效率下降，甚至無法產氫。
增加能耗與設備故障率。
使用壽命大幅縮短，MEA 無法修復。

文獻指出（Inoue et al., 2004；Wang et al., 2007），PEM 膜若長期處於乾燥或水供應不均情況，約可使壽命降低達 50% 以上。

四、安全與壽命保護設計建議

項目	建議設計措施
氣體回流	安裝單向閥、防堵設計
水路穩定性	優化水路設計，避免死角與滯水區
膜濕潤管理	加入啟動預濕流程與強制排氣
高溫熱點防護	加入溫度感測與過熱保護機制
使用者誤用風險	加入壓力感測或物理強制排氣

五、呼吸同步輸氫設計的壓力與效率

持續供氣（續流式）氫氣機雖設計簡單，但在實際使用中，常見使用者因日常活動（如講話、飲水、短暫離開）而脫下鼻導管，機器卻仍然運轉。此時所有氫氣直接逸散於空氣中，不僅100%浪費氫氣，更導致 PEM 模組在無實質輸氫情境下持續負載、電解與老化，形成無效操作。

相較之下，具有呼吸同步脈衝功能的氫氣機可透過感測吸氣動作，自動啟動或暫停供氫，不僅提升效率，更能延長質子交換膜（PEM）壽命。原因如下：

減少空轉時間，降低膜的連續電解負擔。
在無需供氣時即停止產氫，減少膜與催化層的反覆應力與熱影響。
減緩乾燒風險，避免長時間產氣卻無水氣平衡。

簡言之，「智慧啟停」不只是節能功能，更是間接延長 PEM 模組壽命的重要設計機制。這一點對於每日長時間使用的居家保健族群尤其關鍵。

此外，相關氣體蓄壓模組需承受瞬時壓力變化，因此在設計上須考慮：

緩衝容積與排氣控制精度：避免過壓釋放不及，造成回壓。
結構壓力承受範圍：建議設計耐壓至少達 1.0–2.0 bar以應對呼吸高峰壓力與備援情境。
材料選擇與密封性：選用高氣密、高抗疲勞材料，並防止微漏。
動態調節演算法：與壓力感測器整合，依個人呼吸模式自動校正釋氣強度。

呼吸同步供氫可大幅提升氫氣療效與使用安全性。

六、如何選擇具有呼吸同步脈衝功能的氫氣機？

什麼是「呼吸同步脈衝供氫」？

這是一種智慧供氣技術，氫氣機透過感測使用者的吸氣動作，在吸氣時釋放氫氣，吐氣時停止供氣或將氫氣暫存，避免浪費。比起持續供氣，可提升氫氣使用效率達數倍。

呼吸同步功能有什麼好處？

節省氫氣，降低耗材成本。
增加吸入時的濃度峰值，提高生理效益。
減少氣體無效釋放，提升安全性與環保效能。

這類氫氣機會比一般機型更複雜嗎？

內部設計較複雜，但對使用者而言操作無異，且更智能更方便由系統智能接管操作，通常僅需正常佩戴鼻導管，系統會自動偵測呼吸週期進行輸出。

呼吸同步機型的安全性如何？

若具備壓力保護機構、高氣密設計與品質檢測，安全性良好。特別針對居家每日長時間使用者，更應優先選擇具此功能的高階機型。

七、設計細節決定產品價值

PEM 製氫技術本身具有極高潛力，但若在設備設計階段忽略了氣體回流與水路異常的風險，將嚴重影響產品的穩定性與使用壽命。尤其在強調安全性與高頻率使用的家用市場，更需要從「使用者視角」重新檢討流路、氣體控制與保護邏輯。設計一台穩定、安全、壽命長的 PEM 家用氫氣機，不僅是技術的挑戰，更是對品牌負責任態度的體現。

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參考文獻

Inoue, M., Koseki, Y., et al. (2004).Durability of proton exchange membrane under dry condition.Journal of Power Sources, 128(2), 203–210.

Wang, Y., Chen, K. S., Mishler, J., Cho, S. C., & Adroher, X. C. (2011).A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research.Applied Energy, 88(4), 981–1007.

Santis, M., Vangari, M., et al. (2008).Water management in proton exchange membrane fuel cells: Fundamentals and advances.Electrochimica Acta, 53(2), 610–621.

Fuel Cell Handbook (7th Edition, 2004).U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory (NETL).Chapter 8: PEM Fuel Cells and Electrolyzers

Cho, E. A., et al. (2004).Effects of membrane dehydration on the performance and durability of PEM fuel cells.Journal of Power Sources, 125(1), 178–184.