一張表格看懂產氫技術

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氫分子對於清除壞自由基、保護細胞與粒線體的功用已被證實,但平常我們該如何獲取氫分子呢?在日本、韓國與中國等地,其氫分子保健的產品如雨後春筍般席捲市場,但這些產品是否都含有夠多的氫分子?能達到抗氧化保健的效果呢?其中的關鍵就在於產氫技術。

 

產氫技術

所謂的產氫技術就是利用某種技術來產生氫氣,並製成氫分子保健產品。而目前市面上的主流產氫技術可分為:鎂棒製氫、傳統電解水製氫與高分子質子交換膜形成的膜電極組(PEM+MEA)。

接著,就讓我們了解三種產氫技術背後的原理,並比較其優劣吧!

 
 

鎂棒製氫

市面上有些「包裝水素水」就是利用鎂棒製氫的技術來產出氫水。這種技術原理其實很簡單,試把金屬鎂直接丟入水中,金屬鎂會自然與水產生化學反應,其中一個產物就是氫氣,化學式如下:

Mg(鎂) + 2H2O(水分子) → Mg(OH)2 (氫氧化鎂) + H(氫氣)

鎂棒製氫雖然便宜簡單,但卻存在嚴重的缺點。首先,這樣的製氫方式反應速率較慢且單位時間產氫的量不易控制,因此很難大量製造品質均等的富氫水,另外等到金屬鎂反應完後,下次再產氫又須重新等待反應時間,簡單來說這樣的產氫方式一來沒效率二來氫氣含量不易控制。

另外,從上述的化學式我們可以看到,金屬鎂與水反應產生氫氣的同時,也會伴隨著氫氧化鎂溶在水中,因此在飲用氫水的同時也會攝取氫氧化鎂,而氫氧化鎂對人體有潛在危害,一天攝取量不宜超過 300 毫克。

 
 

傳統電解水製氫

目前市面上幾乎所有的「水素水杯」(在台灣稱為「氫杯」或隨行氫水杯),都是利用傳統電解水的方式在產氫,國中化學都有學過在水中加入幫助導電的電解質,接上電源通電,可以將水電解分成氧氣與氫氣,而這就是傳統電解水製氫的原理,其化學式如下:

2H2O(水分子) → 2H2(氫氣) + O2(氧氣)

透過上述化學式,可以發現當水被電解產生氫氣與氧氣時,氫氣的產量是氧氣的兩倍。

傳統電解水製氫雖然簡單、技術成熟,同時還享有成本低廉的優勢,因此利用這種產氫方式的產品可以將價格壓得很低。但不幸的是,傳統電解水製氫卻存在許多致命的缺點。

首先,純水幾乎是不導電(因為裡面缺乏離子作為導電介質),所以一般的氫杯都是利用自來水做為水源,然而自來水裡面含有氯,當水電解時陽極除了產生氧氣外也有機會讓水中的氯離子失去電子後結合成氯氣(Cl2)。

氯氣屬於強氧化性,具有毒性,另外少量氯氣溶於水中會發生化學反應產生次氯酸(HClO),次氯酸是一種常見的消毒劑,也是比氯氣更強的氧化劑,喝下過量的氯氣會引發癌症等不良影響。根據實驗,傳統電解水的餘氯含量會比原來的水高出 15% ~ 20%,不可不慎啊!

除了氯氣以外,在電解水製氫的過程中,陽極處的水部分有可能失去電子轉變為臭氧,臭氧會有刺鼻的氣味,同樣對人體健康產生不良影響。

臭氧同樣是強氧化劑,它還會傷害肺組織,嚴重會導致肺出血而死亡,因此當空氣中臭氧含量過高時,一般建議老人和幼兒不宜於戶外作劇烈運動,以免吸入過量臭氧。

電解水產氫可能會伴隨許多有毒的副產物,如氯氣、臭氧與次氯酸,反而會損害健康。

 

另外電解水的產氫效率不高也是個問題,需要大量的電力才能產出一定量的氫氣,此外隨著氫氣產生, 也會讓陰極處的氫氧根離子濃度變高、拉高水的 PH 值,使水更偏向鹼性,而人體並不適合飲用過鹼的溶液;但反之如果水偏向中性,那產出的氫氣就不夠多了。

這種產氫技術還有個嚴重的安全問題,許多廠商為了降低成本並不會主動利用氣密的裝置將氫氣與氧氣做進一步分離,造成氫氧合流,使機器存在爆炸的風險。

 
 

PEM + MEA 技術產氫

為了避免上述兩種產氫技術的缺點,目前市面上開始出現了一種稱為「質子交換膜形成的膜電極組」(PEM+MEA) 的產氫技術。

這樣的產氫技術其實就是赫赫有名的「氫燃料電池」的逆反應。氫燃料電池利用氫氣與氧氣的混合將化學能轉成電能,唯一的副產物是乾淨的水,是潔淨能源的明日之星,日本對於推行氫燃料電池更是不遺餘力,也已開發出世界第一台氫燃料電池車,並預計在東京奧運前打造專屬的「氫燃料電池巴士」接送來自世界各國的旅客與選手。

而 PEM + MEA 技術與氫燃料電池剛好相反,它是利用純水與電能來產生氫氣與氧氣,由於產氫效率高、安全係數高,產出的氫氣純度可達 99.995% 以上,將會成為未來氫分子保健產品的主流技術。

由於純水無法導電,需要有各種離子溶於水中幫助導電,但這樣一來就會伴隨許多有害的副產物,例如傳統電解水,因水中含氯離子而產出氯氣副產物,並對身體造成危害。因此這個技術是利用美國杜邦公司的高分子質子交換膜做為固態電解液,不需液態的離子在水中,反而水的純度越高越好,能保護核心電池之外,也因此可以得到超高純度的氫氣,而不會伴隨其他副產物。

PEM + MEA 的產氫的化學反應式如下:

首先純水會在陽極處將水分子電解成氫質子(H+)與氧氣(O2)

陽極處:2H2O(水分子) → 4H++4e+O2

在陽極處產生的氫質子(H+)會溶在水裡透過質子交換膜(PEM)的牽引達到陰極,並得到電子產生氫氣。

陰極處:4H++ 4e– → 2H2

pem+mea 產氫技術

PEM+MEA 技術利用純水來製造高純度的氫氣

值得一提的是高分子質子交換膜(PEM)是氣密的物質,換句話說在陽極所產生的氧氣無法通過膜到陰極,因此可以把氧氣與氫氣做完全的隔絕與分流,避免內部機器爆炸的疑慮。

PEM+MEA 的產氫效率極高,有較高的電流密度,通常可達 3A/cm2 這樣的電流密度是一般傳統電解水的 5 倍之高,因此在相同的產氣量下更省電、電極的體積也可以更小、更輕。

儘管 PEM + MEA 具有上述諸多優點,但成本高昂,以此種技術產氫的產品價格自然較貴,在價格優勢上無法與廉價的氫杯相提並論。

若讀者想更進一步了解 PEM + MEA 的產氫技術,可以前往:高純度氫氣機,產氫技術原理,它有動態的技術流程圖,能幫助了解背後的技術原理。
 
 

產氫技術比較

最後,鯉魚兒用一張表格,快速整理上述三種產氫方式的比較,做為總結:

 PEM + MEA 傳統電解水 鎂棒產氫
產氫原理 利用固態高分子質子交換膜膜電極電解純水產氫。 利用自來水中的離子導電,電解產氫。 利用金屬鎂與水產生化學反應後產氫。
純度 極高,可達 99.995%以上。 差,且純度區間大,約在70% ~ 98% 之間。 普通,約在92% ~ 98% 之間。
效率 極高,電流密度高。 普通,電流密度低。 極差,需長時間等待,且反應速率不均。
反應物 純水。 離子水(通常為自來水)
副產物

(除氧氣外)

氯氣、次氯酸、臭氧 氫氧化鎂
安全性 極安全,氫氧分流無副產物。 極差,氫氧合流,機器有爆炸的風險,且三個副產物都是對人體有毒性有危害的。 普通,副產物氫氧化鎂過量對人體有不良的影響,一日不得超過 300 毫克。

 
 

 
 

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