Anreichern von Wasser mit Wasserstoff in der Praxis

H₂‑Gas-Erzeugung

Wasserstoffgas (H₂‑Gas) gibt es zwar für den Laborbedarf in gemieteten Druckflaschen zu kaufen, aber die Lieferung erfolgt in der Regel nur an Firmen und Labore und nicht an Privatpersonen. Auch sind die Liefergebinde viel zu groß und die Leihgebühren für die Flaschen nicht unerheblich. Üblich sind 60‑Liter-Flaschen mit 200 bar Fülldruck.
Aber so lässt sich H₂‑Gas zu Hause selbst erzeugen:

1.) durch chemische Reaktion

Hier im Entdecker-Lab für Kinder ist verständlich erklärt, wie man mit etwas Abflussreiniger und Haushalts-Alu-Folie durch eine chemische Reaktion auch selbst reines H₂‑Gas erzeugen kann. https://www.entdeckerlab.de/blog/wasserstoff-selber-herstellen  Auch Zink in Salzsäure eingelegt erzeugt H₂‑Gas. Aber wegen der erzeugten chemischen Abfälle und der exothermen Reaktion kommt dieses Verfahren für viele Anwendungen natürlich nicht infrage.

Es gibt auch Tabletten, die sich in Wasser und Getränken auflösen und dabei schnell Wasserstoff in großen Mengen freisetzen (z. B. Hydronade), und größere, steinartige Presslinge die bei Kontakt mit Wasser über längere Zeit hinweg ständig geringere Mengen an Wasserstoff freisetzen (z.B. Minerade), sich dabei aber nicht auflösen und sich äußerlich nicht zu verändern scheinen. In beiden Fällen löst sich dabei aber nicht nur H₂‑Gas im Wasser, sondern auch noch Substanzen, die einen (leichten) Eigengeschmack haben. Bei Hydronade wird angegeben, dass noch Säuerungsmittel enthalten sind, und je Tablette auch 80 mg Magnesium nach folgender Formel im Wasser gelöst werden:

Mg + 2 H₂O → Mg(OH)₂ + H₂

Das Magnesiumhydroxid, das im Trinkwasser verbleibt, mag in gewissen Mengen auch gesund sein (bei starkem Schwitzen z.B.), mich überzeugt diese Methode, H₂‑Wasser herzustellen, bisher noch nicht. Wie aus dieser Patentschrift zur Herstellung von H₂‑Wasser mittels Tabletten oder Pulver hervorgeht, enthalten entsprechende Produkte neben metallischen Magnesium auch wasserlösliche Säuren (alle möglichen sind im Patent aufgeführt) und Bindemittel, die dann mit getrunken werden. Daher schmecken chemisch hergestellte H₂‑Getränke immer säuerlich.

Lässt man die dauerhaften, sich nicht lösenden Presslinge (Minerade) sehr lange Zeit im selben Wasser reagieren, schmeckt das Wasser danach für mich nach Gips, was sicher daran liegt, dass sich die Inhaltsstoffe auf diese Weise aufkonzentriert haben. Stärker verdünnt ist bei normalem Gebrauch der Geschmack eher neutral. Welche Mineralien oder andere Inhaltsstoffe da in den Presslingen in welcher Dosierung dem Wasser noch zugesetzt werden, ist mir nicht bekannt. Eine chemische Wasseranalyse habe ich nicht machen lassen, wohl aber eine Druckmessung, um die Möglichkeit abzuschätzen, ein Stückchen der Presslinge von Minerade zur Konservierung (Druckerhaltung) von H₂‑Wasser zu verwenden.

Wie es scheint, verlangsamt/stoppt die Reaktion der Presslinge nicht mit zunehmendem Wasserdruck. In einer SodaStream-Glaskaraffe, die für maximal 10 bar Innendruck bemessen ist (und bei ca. 20 bar explodiert), stieg der Innendruck zufolge der H₂‑Gas-Entwicklung nahezu linear bis auf 10 bar innerhalb von 5 Stunden. Dann habe ich den Versuch abgebrochen, weil der Deckel undicht zu werden schien. Demnach ist diese Methode der H₂-Wasser-Herstellung ohne Sicherheitsventil auch nicht für den Hausgebrauch zu empfehlen. Mit Sicherheitsventil im Deckel kann es jedoch eine Billig-Alternative zu H₂-Booster-Flaschen sein, wenn es darum geht, längere Zeit ohne Lademöglichkeit für den Akku auszukommen.

 
Messen der Druckentwicklung vom Minerade / Messkurve der Druckentwicklung / SodaStream-Glaskaraffe mit Sicherheitsventil und H₂-Gas-Pressling

2.) durch Wasser-Elektrolyse

Im Internet finden sich viele Tipps und Bauanleitungen, wie man sich Geräte zur Erzeugung von H₂-Gas selbst bauen kann, bzw. wo man Fertiggeräte kaufen kann.
Aber Vorsicht: Die meisten dieser Geräte produzieren nicht reines H₂‑Gas, sondern sogenanntes Brown's-Gas oder Knallgas, bei dem es sich um ein Gemisch aus H₂‑Molekülen und O₂‑Molekülen im Verhältnis 2:1 handelt. Dieses Gasgemisch hat die Eigenschaft, sehr intensiv und mit einem lauten Knall zu verbrennen, daher der Name. Bei einfachen Geräten wird Gleichstrom durch Wasser geleitet. Dazu muss dem Wasser ein Salz, eine Säure oder eine Lauge zugesetzt werden, damit es Strom leiten kann. Je höher der Salzgehalt, je intensiver ist der Kurzschluss, mit dem das Wasser den Plus- und Minuspol der Stromquelle im Wasser verbindet. Dieses Verfahren braucht viel elektrische Energie und das Wasser heizt sich dabei ggf. stark auf. An der Anode perlt aus dem Wasser O₂-Gas empor und an der Kathode H₂‑Gas. Beide Gase können auch getrennt eingefangen und abgeleitet werden. Zwischen Anode und Kathode kann zusätzlich eine halbdurchlässige Membran installiert werden, was dann auch zwei unterschiedliche Wasserqualitäten entstehen lässt, die sich wegen der Membran nicht wieder verwischen (Anolyth und Kathalyth, zwei verschiedene "elektro-aktivierte" Wässer)

Das Bild wurde entnommen aus: The hydrogen molecule as antioxidant therapy: clinical application in hemodialysis and perspectives
Siehe dazu auch Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserelektrolyse

3.) mit einer "Protonen-Austausch-Membran" (PEM, Prinzip der umgekehrten Brennstoffzelle)

Dies ist die aktuell beste verfügbare Technologie zur Erzeugung von reinem Wasserstoffgas aus Wasser. Diese Technologie funktioniert auch mit demineralisiertem oder destilliertem Wasser, wodurch Ablagerungen an den Elektroden und die zusätzliche Entstehung anderer Gase vermieden wird.

Die verwendete PEM (Proton Exchange Membrane) ist eine steife Kunststofffolie, die auch unter hohen Drücken wasserundurchlässig ist, und wie eine "Saugpumpe" für Protonen (bzw. positiv geladene Ionen) wirkt, wenn an die beidseitig angepressten (Platin-)Elektroden eine geringe Spannung angelegt wird. Am bekanntesten ist eine Membran mit dem Produktnamen Nafion des Herstellers DuPont, die es mit unterschiedlichen Wirkungsgraden gibt: https://de.wikipedia.org/wiki/Protonen-Austausch-Membran

Bild aus Wikimedia: Diagramm eines Elektrolyseurs mit Protonen-Austausch-Membran, Autor: DavidFritz,

 

 Vorteile dieser Technologie:

• Es genügen geringe Spannungen und Ströme zur Zerlegung der Wassermoleküle aus einer Solarzelle oder einem kleinen Akku wie im Mobiltelefon

• Ein hoher Gasdruck auf der Wasserstoffseite bremst nicht die H2‑Produktion. Die PEM ersetzt zugleich eine Druckpumpe zur Komprimierung des H₂‑Gases. Aber Vorsicht: Ohne Überdruckventil bringt der entstehende Druck selbst dickwandige Trinkflaschen aus Glas zum Bersten!

• Es entsteht nur reines H₂‑Gas, der ebenfalls entstehende Sauerstoff wird vollständig abgetrennt. In Leitungswasser entstehen so kein Ozon und keine Chlorverbindungen.

• Kein Energieverlust durch Erwärmen des Wassers wie bei der Wasser-Elektrolyse unter 2.)
• hoher Wirkungsgrad von 60–70 % bei der Energiewandlung von Strom in Brenngas (gegenüber 20–40 % bei Elektrolyse ohne PEM-Technologie)

Nachteile:

• Die gitterförmigen Elektroden beiderseits der PEM-Membran müssen mit Edelmetallen (Platin, Iridium) beschichtet sein. Das ist teuer. Die PEM-Membran selbst ist gar nicht so teuer

Diese Technik ist in guten H₂-Booster-Flaschen verbaut, wobei das H₂-Gas direkt auf der Wasserseite (Kathode der Membran) entsteht, und die Reaktion an der PEM-Membran zugleich den erforderlichen Druck zur Herstellung von übersättigtem H₂‑Wasser erzeugt. Auch H₂-Inhalatoren verwenden diese PEM-Technologie und meist so, wie hier im Bild dargestellt, dass der Sauerstoff im Wasser blubbert und das H₂-Gas zur Inhalation trocken auf der anderen Seite der PEM abgeschieden wird. Auf welcher Seite der Membran das Wasser ansteht, oder auch auf beiden Seiten, ist unerheblich. Am Minuspol (Kathode) entsteht H₂ und am Pluspol (Anode) entsteht O₂. Manche Inhalatoren fangen auch das O₂-Gas auf und leiten dieses zu einem weiteren Schlauchanschluss außen am Inhalator.

Dieses Diagramm zeigt den Zusammenhang von angelegter Spannung in V und der dann fließenden Stromstärke in Ampere (A) an einer PEM-Membran im Idealfall. Unterhalb einer Mindestspannung von ca. 1,5 Volt fließt noch kein Strom und es wird entsprechend auch kein Gas erzeugt. Die Booster-Flaschen arbeiten in der Regel mit Stromstärken um die 0,5 A. Die dazu benötigten Spannungen liegen aber deutlich über dem theoretisch möglichen Wert aus diesem Diagramm. (Die Stromstärke korreliert immer direkt mit der erzeugten H₂-Gas Menge.)

Die erreichbare Stromstärke durch eine PEM-Zelle steigt proportional mit der Membranfläche und bestimmt zugleich auch die maximale H₂-Gas-Menge, denn für jedes erzeugte H2‑Gas-Molekül muss der Strom genau 2 Elektronen zur Verfügung stellen. Übliche Stromstärken liegen bei 1 A/cm² bis maximal 2 A/cm². In größeren PEM-Zellen sind die Membranen im Stapel angeordnet und in Reihe verschaltet, um die Stromstärke zugunsten einer höheren Spannung zu begrenzen. (Eine Einzelzelle mit einer Fläche von 25 × 25 cm² müsste sonst schon mit einer Stromstärke von über 60 A betrieben werden.)

Die PEM-Zelle erwärmt sich mit dem Stromfluss, weshalb für die Elektroden und das Gehäuse die Verwendung von Metall zur Wärmeableitung sinnvoll ist.

Hier habe ich zum Vergleich zu dieser theoretischen U-V-Kurve ein Diagramm für die PEM-Zelle einer typischen Booster-Flasche ermittelt (der Strom in Ampere wurde dazu auf verschiedene Werte begrenzt, und die Spannung in Volt am Spannungsregler abgelesen). Hier auch ein Video dazu.

Die Betriebsspannung der PEM-Zelle im Booster lag konstant bei 3,5 V. Mit der Höhe der Stromstärke steigt erst die Blasenanzahl, und über 3 V stieg auch die Blasengröße deutlich an. Während für Inhalatoren alleine die Gasmenge (Watt-Zahl der PEM-Zelle) zählt, sind in Booster-Flaschen möglichst viele und zugleich feine Bläschen optimal für das Lösen von H₂‑Gas in Wasser (große Gesamtoberfläche, lange Verweilzeit im Wasser).

Anmerkung:
Ist die Membran ausgetrocknet oder noch nicht "eingefahren", können auch deutlich höhere Spannungen erforderlich sein, um die selbe Stromstärke (= H₂-Gas-Ausbeute) zu erhalten.

Bei Booster-Flaschen kommt es nicht nur auf die Menge des erzeugten H2‑Gases an, sondern genauso auf die Feinheit der Bläschen, da diese langsamer im Wasser aufsteigen (länger im Wasser verweilen) und eine größere Gesamtoberfläche haben. Die gewählte Stromstärke ist also ein Kompromiss zur Maximierung des H₂‑Eintrags sowie auch der Kapazität des kleinen Akkus.

Bei Inhalatoren ist dagegen nur die Gasmenge von Bedeutung. Die erzeugten Blasen an der PEM-Zelle können beliebig groß sein.
Einer meiner Inhalatoren mit einer Gasproduktion von 300 ml/min arbeitet z.B. mit 7–8 Volt bei einer Stromstärke bis zu 20 Ampere.