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PEM質子交換膜介紹

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。您可以參考：🔗氫能的歷史：從科學發現到21世紀的氫革命

質子交換膜的設計初衷-為能源而生

【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-為儲能而變

【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。

您可以參考：🔗氫氧化鈉 vs. PME質子膜產氫比較

質子膜產氫-即產即用

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，可以在不預儲存(如：鋼瓶)恆定的產出氫氣。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

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。

質子膜產氫與水純度

質子膜製氫技術中，水的純度直接影響氫氣的生產效率和質量。常見的水質檢測中總溶解固體（TDS）和電導率（EC）這兩種關鍵的水質指標，能更好地控制製氫過程中的水質，提高氫的產量及氫純度和質子膜的壽命。在質子交換膜電解槽中使用高純度的水來製造氫氣的主要原因如下：

避免雜質影響反應效率：純水中幾乎沒有雜質，可以確保電解反應的效率。水中的雜質（如離子、微生物等）會影響電解過程，降低氫氣和氧氣的產量。
防止質子膜污染和損壞：質子交換膜對水的純度要求很高，水中的雜質會堵塞膜孔，降低膜的導電性，甚至損壞膜的結構，縮短其壽命。
保證產氣純度：使用純水電解產生的氫氣純度更高近乎100%，輕易的達到SGS 99.995%，產出的氣體更適合高純度的使用場景。如果水中含有雜質，氫氣中可能會夾帶這些雜質。
延長設備壽命：純水不會在電解槽和其他設備內部形成水垢或沉積物，這樣可以減少設備的維護需求，延長其使用壽命。

總溶解固體Total Dissolved Solids (TDS)

定義：總溶解固體（TDS）是指水中溶解的所有固體物質的總量，通常以毫克每升（mg/L）或ppm（parts per million，百萬分之一）表示。
測量內容：TDS 包括各種離子，如鈉、鉀、鈣、鎂、碳酸氫根、氯化物、硫酸鹽等。
測量方法：TDS 可以通過蒸發法直接測量，即將水樣蒸發後測量剩餘固體的重量。也可以通過測量水的電導率（EC）並利用校正因子估算TDS值。

導電率Electrical Conductivity (EC)

定義：電導率（EC）是指水中離子導電能力的度量，通常以微西門子每厘米（µS/cm）或毫西門子每厘米（mS/cm）表示。
測量內容：EC 主要測量水中的離子總量，因為離子是導電的主要成分。常見的導電離子包括鹽類如鈉離子、氯離子、硫酸鹽和碳酸鹽等。
測量方法：EC 是通過將水樣放置在兩個電極之間並測量電流流過水樣的電阻來計算的。電阻越低，導電率越高，表示水中的離子含量越高。

TDS 和 EC 的關係

TDS 和 EC 之間有一定的關係，可以通過一個校正因子將 EC 值轉換為 TDS 值。一般來說，TDS（mg/L） ≈ EC（µS/cm） × 0.55 至 0.75 之間的校正因子。

質子膜產氫使用的水質的建議

使用純水 < 20 µS/cm" 的電導率小於 20 。這是一種衡量水中離子濃度的指標，電導率越低，表示水中的溶解離子（如鹽類、礦物質等）越少，可以提升質子膜的壽命，在一定的技術背景下使用低於20 µS/cm的純水，產出高純度的氫，並將其壽命推升至5,000小時以上。

各式水質測量設備，TDS、EC、PH、還原電位、測氫

PEM質子交換膜特點

質子交換膜水電解技術（PEMWE），技術是氫氣生產領域的一項重要突破。該技術最早由NASA在太空任務中開發，旨在通過電解水來生成氫氣和氧氣，作為太空任務中的燃料和氧氣供應。與傳統的液態鹼性水電解相比，PEMWE技術使用固態高分子電解膜，不僅顯著減少了設備體積並提高了效率，還消除了氫氣中強鹼蒸氣的風險。

質子交換膜水電解技術技術具有以下幾個突出的優勢：

高效能

質子交換膜的高質子導電性使其能夠在電極間高效地傳導質子，同時阻擋電子的通過，降低能源消耗。PEMWE技術能在較低的溫度和壓力下實現高效的水電解過程。

環保性

質子交換膜水電解技術不會產生有害氣體或副產品，是一種清潔的能源轉換方式，有助於環境保護。

物理韌性

質子交換膜具有足夠的機械強度和彈性，用於承受轉換過程中的壓力和溫度變化。這種物理韌性確保了PEM質子交換膜的長期使用壽命和可靠性。

熱穩定性

質子交換膜在設計上是足夠薄的，不僅能提高能量轉換密度，還有助於膜材料的快速反應和高效能量轉換。其熱穩定性使PEM能夠在操作溫度範圍內，從室溫到200度攝氏甚至更高的溫度下保持性能不受影響。

快速啟動

相比傳統的電解方法，PEMWE技術能夠更快速地達到穩定的產氫效率，並且在極端的化學環境下依然能展現出優異的穩定性，無論是在酸性、鹼性還是氧化環境中都能保持性能不變。

高安全性

由於不使用鹼性溶液且操作溫度較低，降低了操作風險，具備較高的安全性。質子交換膜的低電子導電性有助於防止電子洩漏，進一步提升轉換效率。

高純度

基於質子交換膜水電解技術的氫氣生成核心技術可以輕易產出符合SGS標準的99.995%純度的氫氣、氧氣和水，適合多種高要求的應用。

經濟效益

PEMWE技術在產氫過程中產生的副產品氧氣，為其帶來了額外的經濟效益，這點是傳統石化產氫無法比擬的。氧氣的回收和利用不僅提高了資源的利用率，還能為生產企業帶來附加收益。

利用質子膜技術產氫
實現碳稅節約，並創造額外收益

質子膜電解技術不僅能高效產氫，還能幫助企業節約碳稅，提升經濟效益。同時，該技術產生的廢氣純氧可經收集系統儲存，供應給氣體廠商，進一步增加收益。

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質子交換膜於醫療學術領域的應用

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。您可以閱讀：🔗氫分子在醫療研究可以做甚麼？

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。

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