H2-Booster-Flaschen optimieren
Diese kleinen, Akku-betriebenen Trinkflaschen für unterwegs sind sicher die Geräte die am häufigsten zur herstellung von H2-Wasser verwendet werden.
Entsprechend riesig ist das Angebot aus China, Korea und Japan. (Andere Länder in denen solche Booster-Flaschen hergestellt werden sind mir bisher nicht bekannt).
Stand der Technik sind heute Flaschen die den Wasserstoff mit einer sogenannten PEM (Proton Exchange Membrane) erzeugen. Andere Techniken brauchen mehr Energie (geringere Akku-Laufzeit) und leiten neben H2-Gas auch noch andere, ggf. unerwünschte Gase in Wasser ein.
Eine Booster-Flasche erreicht dann eine hohe Konzentration von gelöstem Wasserstoff im Trinkwasser, wenn der Druck in der Flasche durch das an der PEM-Zelle erzeugte H2-Gas innerhalb der Einschaltdauer einen hohen Druck erzeugt der nach Abschalten der Flasche möglichst lange af hohen Niveau in der Flasche erhalten bleibt. (Daher ist die Druckmessung im Betrieb der Booster-Flasche für die Einschätzung der Qualität der Flasche und des erzeugten H2-Wassers so wichtig.)
Auch bei einer ideal dichten und steifen Flasche, die sich nicht unter Druck verformt, sinkt der Druck nach dem Abschalten der PEM-Zelle wieder etwas ab. Dieses Absinken des Drucks zeigt, dass sich weiteres Gas von den erzeugten Blasen an der Wasseroberfläche im Wasser gelöst hat, was ja auch des SInn der Druckerhöhung ist. Wird die Flasche direkt nach Abschalten des Timer geöffnet ist noch etwas weniger Wasserstoff im Wasser gelöst, als wenn vor dem Öffnen und Trinken noch einige Zeit gewartet wird.
Druckentwicklung in 3 verschiedenen Booster-Flaschen
Rot: Sehr dichte Flasche mit langsamen Druckanstieg beim Boosten (wegen schächerer PEM-Zelle oder mehr Lufteinschluss unter dem Deckel)
Blau: Schnellere Drucksteigerung; ok bis 2,5 bar, dann zunehmende Undichtigkeit nach unten, sehr undicht bei 3,8 bar (hatte sich aber nicht zerstört)
Grün: Sehr schneller Druckaufbau durch starke PEM-Zelle, steife Flasche, geringer Lufteinschluss, ohne Deckelventil zerstört sich die Flasche aber schon nach 4 min als knapp 5 bar Druck erreicht wurden! (Daher ist ein Überdruckventil im Deckel wichtig!)
Optimierung ohne technische Änderungen an der Booster-Flasche
Die Druckentwicklung in der Flasche während der Gas-Erzeugung ist der entscheidende Faktor, wenn übersättigtens H2-Wasser mit hohem H2-Gehalt erzeugt werden soll. Diese Druckentwicklung die es zu optimieren gilt hängt von folgenden Parametern ab:
- von der erzeugten Gasmenge in ml/min (bzw. dem Stromverbrauch in Watt) die Vorgegeben und nicht einstellbar ist (s.o.)
- von der Timer-Einstellung der Flasche, also wie lange Gas auf Knopfdruck erzeugt wird (bestimmt die Gasmenge insgesamt)
- von der in der Flasche nach dem Verschließen noch mit eingeschlossenen Luftmenge (je weniger Lufteinschluß je schneller die Drucksteigerung)
- von der Elastizität des Wasserbehälters (Glas, Plexiglas, PET-Mehrweg-Flasche). Je elastischer der Behälter um so langsamer die Drucksteigerung.
- von der Dichtigkeit! Ab einem gewissen Druck lassen die Dichtungen im Deckel oder am Gerät Gas oder Wasser austreten, oder es wird sogar die PEM-Zelle selbst undicht, und ab einem bestimmten Druck erfolgt ggf. auch eine dauerhafte Zerstörung.
- von dem erreichbaren Maximaldruck bei dem ein (versteckt) eingebautes Überdruckvetil zur Sicherheit öffnet um ein Schaden am Gerät zu vermeiden.
Um das beste Ergebnis zu erreichen sollte die eingeschlossen Luftmenge (der Füllstand der Flasche mit Wasser) so gewählt werden, dass der maximal mögliche oder zulässige Druck in der Flasche am Ende des Boost-Vorgangs gerade erreicht, aber keinesfalls überschritten wird. Gute Flaschen haben ein Sicherheitsventil, meist im Deckel versteckt, welches das Gerät vor zu hohem Innendruck schützt indem es dann Druck ablässt.
Dem Gerät schadet es nicht wenn das Ventil öffnet, aber dem H2-Gehalt im Wasser, denn wenn es öffnet sinkt der Innendruck schlagartig auf einen sehr viel geringeren Wert und entsprechend auch der erreichbare H2-Gehalt.
Beispiel:
Beim Druck auf die Start-Taste erzeugt die Flasche 6 min lang H2-Gas und stoppt dann ohne das das Ventil geöffnet hat. So hat das Wasser dann z.B. 3 ppm.
Ein zweiter Druck auf die Start-Taste für weitere 6 min erhöht zunächst den Druck un den Gehlalt im ppm weiter, dann öffnet aber das Vemtil und der Druck fällt wieder unter den Wert nach den ersten 6 Minuten, was zur Folge haben kann, dass der H2-Gehalt nach 12 min boosten sogar niedriger als nach 6 min ist trotz doppeltem Stromverbrauch.
Wählt man den Wasserstand beim nächsten Versuch etwas niedriger (mehr Luft eingeschlossen) so dass das Ventil gerad nicht auslößt erreicht man vielleicht 4 oder 5 ppm H2-Gehalt.
Also zu jeder Timer-Dauer gibt es einen optimalen Wasser-Füllstand vor dem Boosten, den es sich lohnen kann einmal zu ermitteln.
Um klar zu erkennen, wann das Ventil im Deckel öffnet, empfehle ich den Trick mit dem Rasierschaum der hier beschrieben ist.
Optimierung durch Änderungen am Überdruckventil
Das Überdruckventil im Deckel dient in erster Linie der Gerätesicherheit, weil eine PEM-Zelle bis zu 30 bar Druck aufbauen kann, was so ziemlich alle Flaschen zerstören würde. Ist in der Flasche nach dem Schließen des Deckels gar keine Luft eingeschlossen, baut sich in sehr kurzer Zeit ein zerstörerischer Druck auf, was dieses Sicherheitsventil verhindern soll.
Meine Messungen an mehreren identischen Deckeln hat jedoch ergeben, dass diese primiven "Notventile" sehr unzuverlässig sein können. In einem der Deckel öffnete das Ventil schon bei 3 bar im anderen erst bei 5 bar (zu spät im Schäden am Gerät auszuschließen). Auch öffnet das Ventil ggf. 0,5 bar später wenn Wasser anstatt Gas das Ventil öffnet. Bei den versteckten Ventilen im Deckel sammelt sich Wasser im Deckel, wenn es beim Öffnen ins Wasser taucht (also wenn die Flasche sehr hoch gefüllt wurde, oder beim Boosten schäg steht).
Deshalb macht es durchaus Sinn ein besseres, einstellbares Ventil einzubauen, welche z.B. immer genau bei 4 bar öffnet. Dann schadet es auch nicht mit wenig Lufteinschluss länger oder mehrfach in zeitlichem Abstand zu boosten um den H2-Gehalt im Wasser zu steigern. Wichtig ist dann aber, dass das Ventil ins Wasser eintaucht und beim Öffnen Wasser ablässt und kein H2-Gas über der Wasseroberfläche. Öffnet das Ventil unter Wasser, so quillt nur tropfenweise Wasser aus dem Ventil, öffnet es mit Luft oder H2-Gas-Austritt, so fällt der Druck schlagartig um 1-2 bar ab, was der erreichten Wasserqualität schadet.
Dieses Diagramm zeigt den Druckverlauf in einer Flasche mit einem Druckverntil das auf 3 bar eingestellt wird während 2 Stunden lang andauernd "geboostet" wird. Wie man sieht ist nach ca. 6 min der Druck von 3 bar erreicht, das Ventil öffnet und bis 1h 10min tritt tropfenweise Wasser aus dem Ventil. Dann erreicht das Ventil die Gasdruck-Blase über dem Wasser, es entläßt Gas statt Luft und der Druck in der Flasche sinkt schlagartig um 1,5 bar, also auf den halben Druck! Danach geht die Drucksteigerunge bei wieder geschlossenem Ventil sehr viel langsamer (weil mehr Gas in der Flasche ist) und mit Gas öffnrt das Ventil etwa 0,5 bar früher als zuvor mit Wasser.
Um den Druck mithilfe des Überdruckventils auf einem konstant hohen Wert zu halten und einen schlagartigen Druckabfall zu vermeiden, sollte also Wasser und kein Gas am Ventil anstehen. Das läßt sich erreichen, wenn der Eingang des Ventils im Deckel mit einem Röhrchen das ins Wasser tauch verlängert wird.
Möchte man zusätzlich auch noch eine Druckanzeige im Wasser haben, dann kann sollte das Röhrchen durchsichtig sein und bis zum Boden des Wasserbehälters reichen, jedoch neben der PEM-Zelle enden, damit keine aufsteigenden H2-Bläschen in das Rörchen gelangen können.
Denn dann zeigt der Aufsteigende Wasserpegel in dem Röhrchen zugleich den steigenden Wasserdruck im H2-Wasser an! (Siehe hier: Flaschendruck messen Druckmessung mit einer Spritze)
So sieht dann ein modifizierter Deckel aus, der für mich das Optimum darstellt. Die Flasche kann und sollte sollte jetzt möglichst luftfrei mit Wasser gefüllt werden!
Links: Wasser steigt im Schlauch (ca. 1 bar) Mitte: Wasserstand kurz unter dem Deckel (fast 4 bar) Rechts: Wasser quillt tropfeweise aus den Ventil
(so kann der Einbau eines besseren Ventils in den Deckel erfolgen)
Alternativ: Schlauchanschluss an Öffnung des Original-Ventils im Deckel geklebt.
Auch ohne Eingriff in den Original-Deckel kann ggf. die Ventilöffnung mit einem Schlauch oder Röhrchen verlängert werden, was die Wirkung des Überdruckventils verbessert. Dann sammelt sich jedoch Wasser im Deckel was lästig oder unhygienisch sein kann.
Durch Recken oder Kürzen der Feder des Überdruckventils im Deckel kann der Druck eingestellt werden, bei dem das Ventil öffnet. Bei diesem Originaldeckel habe ich das Ventil auf 4 bar eingestellt,. Wenn es öffnet fällt der Druck aber auf 2,8 bar ab, und ganz dicht ist das Ventil erst wieder bei 2,4 bar. Deshalb lohnt es sich ein besseres Ventil so wie oben einzubauen, bei dem der Druck von 4 bar auch beim Öffnen voll erhalten bleibt.
Optimierung der Elektronik
Die elektrische Ansteuerung der PEM-Zelle zur H2-Gas-Erzeugung ist denkbar einfach. Es genügt eine Gleichspannungsquelle die eine konstante Spannung oder eine konstante Stromstärke liefern und eine Einschalter. Als Stromquelle dient meist ein Lithium-Ionen-Akku, der als einziges Bauteil leicht gewechselt werden kann. Die integrierte Elektronik kümmert sich dann um das Laden des Akkus, die Bereitstellung einer konstanten Stromversorgung für die PEM-Zelle und um den Einschaltknopf, der nicht nur einfach den Strom einschaltet, sondern einen Timer mit Pieps-Tönen startet und dabei für die Optik buntes Licht einschaltet. Zur Optimierung könnte man die Speisespannung leicht variieren, was aber die fest verbaute Elektronik in der Regel nicht möglich macht.
Geringere Spannung führt zu kleineren Gas-Bläschen die sich leichter im Wasser lösen, höhere Spannung erzeugt mehr Gas wodurch der Druck in der Flasche schneller steigt. Das Optimum ist ein Kompromiss der je nach Flasche etwas anders ausfällt: abhängig vom Wasservolumen, der eingeschlossenen Luftmenge und ggf. besondesr von dem vebauten Überdruckventil im Deckel.
Die einzige Optimierung, die ich an der Elektronik vorgenommen habe ist, den nervigen Piepser auszubauen, damit ich die Flasche auch in stiller, meditativer Umgebung verwenden kann. Sonst ist die Reaktion: "Wer hat da wieder vergessen sein Handy auszuschalten!"
Der Piepser ist ein rundes Bauteil mit einem Loch oben aus dem der Schall kommt. Der ist sehr leicht auszulöten, kann aber auch brutal abgezwickt werden. (Bauteil im rechten Bild ausgelötet)
Optimierung durch Einbau eines elektrischen Überdruck-Schalters im Deckel
Das erfordert etwas handwerliches Geschick, ist aber absolut lohnend! Weniger mutigen empfehle ich 1-2 Ersatzdeckel zu bestellen dann kann nichts schief gehen. Im Deckel wird das Sicherheitsventil durch einen elektrischen Druckschalter ersetzt der die Stromzufuhr zur PEM-Zelle unterbricht wenn der am Druchschalter einstellbare Druck überschritten wird. Der Arbeitsdruck der Flasche ist dann einstellbar zwischen 1 und 10 bar, wobei ich 4 bar gewählt habe.
Das geniale an der Lösung ist, dass der Innendruck beim Abschalten erhalten bleibt und nicht wie bei einem Luft-Überdruckventil rapide abfällt. Auch hält der Akku viel länger weil das Gerät ohne H2-Gas-Erzeugung fast kein Strom mehr verbraucht. Die H2-Erzeugung schaltet sich auch von selbst wieder ein, wenn sich wieder etwas Gas von der Wasseroberfläche gelöst hat und dadurch der Druck etwas abgesunken ist. Dadurch ist es möglich die maximale Laufzeit der Flasche zu wählen (hier bei den Nano-Booster 2.0 sind das 40 min !) und es wird dennoch nur einem Minimum an Strom verbraucht, um ein Maximum an H2-Gehalt im Wasser zu erreichen! Auch bleibt der H2-Gehalt im Wasser so über lange Zeit erhalten bis zum Öffnen der Flasche erhalten, es muss also nicht möglichst direkt nach dem Abschalt-Pieps der Flasche getrunken werden. Zudem arbeitet die Flasche dann auch sicher und optimal wenn fast keine Luft vor dem Boosten eingeschlossen ist. Mir ist unverständlich warum so teure Geräte immer noch keine echte Druckregelung eingebaut haben.
Hier beschreibe ich den Umbau (Materialkosten 30-40 EUR).
Einbau von Überdruckventilen oder Manometer in Deckel oder Plexiglas-Zylinder
So wie oben den Druckschalter lassen sich in die Deckel auch recht leicht Manometer oder bessere, einstellbare Überdruckventile einbauen.
Deckel und Plexiglaszylinder lassen sich meist als Ersatzteil für wenig Geld nachbestellen. Nach der automatischen Abschaltung bei gewünschten Gas-Druck im H2-Wasser durch den elektrischen Druckschalter im Deckel ist die manuelle Abschaltung gemäß der Druckanzeige am Manometer die zweitbeste Lösung!
Min den primitiven Überdruckventilen im Deckel kann der Druck schlagartig um bis zu 2 bar abfallen wenn diese öffnen um Gas abzulassen, Ohne Ventil und manuell beim erreichten Druck abgeschaltet bleibt der Druck und damit auch die H2-Anreicherung voll erhalten.
Hier beschreibe ich worauf es bei dem Ventil ankommt, und warum das versteckte Überdruckventil im Deckel nur eine Notlösung ist.
Besseres, einstellbares Überdruckventil im Deckel (mit rotem Epoxidharz eingegossen)
Anschluss für Manomenter oder einstellbares Überdruckventil im Plexiglaszylinder
Hier beschreibe ich den Bau des Gewinde-Anschusses und seine Anwendungsmöglichkeiten
Manometer in den Deckel integriert
Links: "quick and dirty" großes Heizungsmanometer vom Baumarkt mit Gummischlauch an das Überdruckventil geklemmt 
Mitte: stehendes Manometer in Nippel geschraubt, die in den Hohlen Deckel eingegossen wurden.
Rechts: "Edel-Version" liegendes Manometer im Deckel versenkt eingebaut
Adapter für die Verwendung von Mehrwegflaschen aus Glas oder PET
(mit elektrischen Druckschalter und Manometer)
Mit einem mitgelieferten Adapter ist es möglich auch belibige Getränkeflaschen zu nutzen. Diese Flaschen können dann mit H2-Wasser geladen auf den Tisch gestellt werden. Damit entfällt aber der Notausgang bei zu viel Druck in der Flasche, das Ventil im Deckel. In eine selbst gebauten Adapter läßt sich so ein Sicherheitsventil wieder einbauen, oder noch viel besser eine elektrische abschaltung bei gewünschtem Maximaldruck realisieren, so wie bei dem elektrischen Überdruck-Schalter im Deckel
Links: Grund-Adapter mit Manometer und elekrischen Schalter mit 0,5 Liter PET-Mehrwegflasche (Auch für die Glaszylinder der Booster von AquaLiving oder Age2Go geeignet)
Mitte: dto. mit zusätzlichem Adapter für die schönen Glaskaraffen von Soda-Stream Rechts: elektrischer Schalt-Adapter von oben
Hier beschreibe ich den Bau des Adapters und seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten