Ist Wasserstoffwasser brennbar? Die winzigen Gasmengen erklärt

Eine Wasserstoffwasser-Flasche nutzt Elektrolyse, um gelöstes Wasserstoffgas in Ihr Wasser einzubringen. Wasserstoffgas ist tatsächlich brennbar, daher ist die Sorge auf den ersten Blick nicht unbegründet. Entscheidend ist in der Praxis eine konkretere Frage: Wie viel Wasserstoffgas erzeugt eine Flasche tatsächlich, und kommt diese Menge bei bestimmungsgemäßer Verwendung jemals in die Nähe der Konzentration und Bedingungen, die laut Fachliteratur zur Sicherheit von Wasserstoff für eine Entzündung erforderlich sind? Rechnet man die tatsächlichen Volumen durch, wird die Antwort zu einer Frage der Arithmetik statt der Intuition – und die Zahlen liegen weit unter dem Schwellenwert, bei dem eine verschlossene Flasche auf der Arbeitsplatte zur Brandgefahr würde.

• Wasserstoffgas entzündet sich in Luft nur innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs, und eine bestimmungsgemäß verwendete Flasche kommt dem unteren Rand dieses Bereichs nicht einmal nahe.
• Das Gasvolumen, das eine Flasche erzeugt, ergibt – umgerechnet aus der im Labor gemessenen gelösten Konzentration – ungefähr ein paar Esslöffel, nicht die Menge eines ganzen Tanks.
• Für eine Explosion braucht es sowohl Wasserstoff als auch ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff in einem abgeschlossenen Raum; eine offene, belüftete Flasche in Raumluft schafft keinen solchen abgeschlossenen Raum.

Warum diese Frage aufkommt

Die kurze Antwort lautet: Die winzige Menge Wasserstoffgas, die eine Flasche erzeugt und die bei bestimmungsgemäßer Verwendung in einen offenen Raum entweicht, bildet kein brennbares Gemisch. Wasserstoff ist als Element brennbar – genauso wie Erdgas oder Benzindämpfe –, und es gibt keinen Grund, etwas anderes vorzugeben. Die sinnvollere Frage, die dieser Artikel tatsächlich beantwortet, lautet: Wie viel Gas ist zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden, und welche Konzentration und Umgebung wären nötig, damit sich dieses Gas überhaupt entzünden könnte? Betrachtet man es so, wird aus der Physik keine Ja-oder-Nein-Angst, sondern ein einfacher Vergleich zwischen einer kleinen, gemessenen Menge und einem deutlich höheren Schwellenwert.

Was in der Flasche tatsächlich passiert, wenn sie Wasserstoff erzeugt

In der Flasche spaltet eine PEM/SPE-Elektrolysezelle einen Teil der Wassermoleküle auf. Dabei entsteht auf einer Seite der Membran gelöster Wasserstoff und auf der anderen Sauerstoff sowie eine Spur Ozon. Der vollständige Mechanismus der Elektrolyse wird an anderer Stelle ausführlich behandelt; für diesen Artikel ist nur das Ergebnis wichtig: Der Wasserstoff löst sich im Wasser, statt sich als freie Gasblase anzusammeln. Der automatische Entlüftungsring des Core ist auf diesen Unterschied ausgelegt. Er lässt die Nebenprodukte Sauerstoff und Ozon aus der Kammer entweichen, während der Wasserstoff im Wasser gelöst bleibt. So sammelt die Zelle kein Wasserstoffgas in einem abgeschlossenen Raum an, wie es bei einem Drucktank der Fall wäre.

Was „brennbar“ tatsächlich voraussetzt

In der Sicherheitsforschung zu Wasserstoff wird die Brennbarkeit als Bereich und nicht als einzelner Auslösepunkt angegeben. Laut Sandia National Laboratories liegt die allgemein anerkannte untere Brennbarkeitsgrenze für Wasserstoff in Luft bei einer sich nach oben ausbreitenden Flamme bei 4 Volumenprozent Wasserstoff. Bei sich nach unten oder kugelförmig ausbreitenden Flammen steigt dieser Schwellenwert aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff auf ungefähr 8,5–9,5 % (Quelle: Flammability Limits of Hydrogen/air Mixtures, Sandia National Laboratories). Der gesamte Brennbarkeitsbereich reicht von etwa 4 % bis 74 % Wasserstoff in Luft. Zwar ist die Mindestzündenergie von Wasserstoff nahe der Mitte dieses Bereichs sehr niedrig, doch braucht es deutlich mehr Energie, um ein Gemisch zu entzünden, das genau an der unteren Grenze liegt (Quelle: Informationsblatt zur Sicherheit von Wasserstoff, U.S. Department of Energy). Um einen beliebigen Punkt in diesem Bereich zu erreichen, ist außerdem ein Oxidationsmittel erforderlich. Im selben Informationsblatt des Department of Energy steht, dass in einem Tank oder einem anderen geschlossenen Raum, der nur Wasserstoff enthält, keine Explosion stattfinden kann. Damit das Gemisch überhaupt explosionsfähig wird, muss auch Sauerstoff vorhanden sein – entweder etwa 10 % reiner Sauerstoff oder 41 % Luft.

Gelöster Wasserstoff im Wasser im Vergleich zu freiem Wasserstoffgas in Luft – warum die LEL nicht für das Wasser selbst gilt

Die untere Brennbarkeitsgrenze beschreibt Wasserstoffgas, das mit Luft vermischt ist, nicht in flüssigem Wasser gelösten Wasserstoff. Ein Glas Wasserstoffwasser auf dem Schreibtisch ist überhaupt kein Gas-Luft-Gemisch. Der Wert von 4 % lässt sich daher erst heranziehen, wenn ein Teil des gelösten Wasserstoffs tatsächlich aus dem Wasser austritt und in die Umgebungsluft gelangt. Aufgrund des Auftriebs, der geringen Molekülgröße und der hohen Diffusionsfähigkeit von Wasserstoff verteilt sich das Gas nach dem Austritt aus dem Wasser sehr schnell nach oben und außen, statt an einer Stelle stehen zu bleiben. Das ist ein wichtiger Grund dafür, dass Sicherheitshinweise zu Wasserstoff offene, belüftete Räume ganz anders behandeln als geschlossene Behälter oder abgeschlossene Geräte.

Die Rechnung: Wie viel Gas eine Flasche tatsächlich freisetzt

Um das Gasvolumen realistisch zu bestimmen, verwendet dieses Beispiel den unabhängig überprüften Laborwert statt der Marketingangabe. Auf der Produktseite des Core wird eine Leistung von „bis zu 5000 PPB“ angegeben. Diese Zahl bezeichnet jedoch einen vom Verkäufer genannten Höchstwert und keine Messung. Der Unabhängiger Laborzertifizierungsbericht für Hydrion Core & Pulse enthält die Ergebnisse eines unabhängigen Tests von H2 Analytics mittels Gaschromatografie mit NIST-rückführbaren Kalibriergasen sowie einer Wassersicherheitsprüfung durch das SGS Silver State Analytical Laboratory. Gemessen wurden nach 20 Minuten in einer 375-ml-Flasche 9,00–9,14 mg/l gelöster Wasserstoff. Das getestete Volumen von 375 ml ist für sich genommen erwähnenswert, da es sich vom auf der Produktseite angegebenen Kammervolumen von 300 ml unterscheidet. In diesem Beispiel werden der Messwert und das getestete Volumen gemeinsam verwendet, statt beides miteinander zu vermischen.

Bei einem oberen Messwert von 9,14 mg/l und dem vollen Flaschenvolumen von 375 ml (0,375 l) ergibt sich insgesamt etwa 3,43 mg gelöster Wasserstoff. Die molare Masse von Wasserstoff beträgt 2,016 g/mol, daher entsprechen 3,43 mg ungefähr 0,0017 mol. Bei Standardtemperatur und -druck nimmt ein Mol eines beliebigen Gases ein Volumen von 22,4 Litern ein (Quelle: Avogadros Gesetz, Chemistry LibreTexts). 0,0017 mol entsprechen somit etwa 38 Millilitern Wasserstoffgas oder ungefähr zweieinhalb Esslöffeln. Dies ist ein durchgerechnetes Worst-Case-Beispiel: Es wird angenommen, dass jedes gelöste Wasserstoffmolekül in der Flasche gleichzeitig als Gas aus dem Wasser austritt. Bei normaler Verwendung geschieht das nicht; der Wasserstoff bleibt gelöst und wird beim Trinken aufgenommen, statt auf einmal freigesetzt zu werden.

Selbst bei diesen 38 ml im Worst-Case-Beispiel müsste das gesamte Gas unverdünnt in einem abgeschlossenen Raum mit weniger als einem Liter Luft eingeschlossen sein, um die untere Brennbarkeitsgrenze von 4 % zu erreichen. Denn 38 ml geteilt durch 4 % ergeben ein Gesamtgemisch von ungefähr 950 ml. Dieser Vergleich ist absichtlich hypothetisch: Er beschreibt einen abgeschlossenen Behälter, der nur dieses Gas und eine kleine Menge Luft enthält – nicht die Art, wie die Flasche geöffnet, verwendet oder aufbewahrt wird.

Warum die Flasche bei normaler Verwendung diese Bedingungen nicht schafft

Eine Wasserstoffwasser-Flasche wird zwischen den Zyklen mit offenem Deckel und während der Elektrolyse kurzzeitig mit geschlossenem Deckel verwendet. Sie steht dabei in gewöhnlicher Raumluft und funktioniert nicht wie ein druckdichtes Gefäß, das reinen Wasserstoff enthält. Wasserstoff, der aus dem Wasser entweicht, verteilt sich aufgrund des oben beschriebenen Auftriebs und der hohen Diffusionsfähigkeit fast sofort in der Raumluft, statt sich irgendwo in der Nähe einer brennbaren Konzentration anzusammeln. Der Druck, den Sie manchmal beim Öffnen des Deckels spüren, und der Grund für das kleine Entlüftungsloch im Flaschenboden sind mechanische Aspekte, keine Fragen der Brennbarkeit. Sie werden gesondert in den Artikeln darüber behandelt, warum die Flasche zischt oder sich nur schwer öffnen lässt und wofür der Entlüftungsanschluss am Boden da ist.

Vernünftige Verwendung im Alltag

All das ändert nichts daran, wie Sie die Flasche verwenden oder aufbewahren sollten: Befolgen Sie die mit dem Hydrion Core Wasserstoffwasser-Flasche gelieferten Anweisungen und betrachten Sie das oben berechnete, kleine Gasvolumen als Einordnung und nicht als Grund, Ihre Gewohnheiten zu ändern. Es lohnt sich auch, die Aussage genau zu formulieren. Korrekt ist: Das Gasvolumen, das eine Flasche bei den tatsächlich erreichten Konzentrationen erzeugt, liegt deutlich unter dem, was ein abgeschlossener Behälter enthalten müsste, damit es zu einer Entzündung kommen könnte. Nicht korrekt wäre die Aussage, dass gelöster Wasserstoff unter keinen Umständen brennen kann. Diese Unterscheidung verankert die beruhigende Einschätzung in denselben Zahlen, die dieser Artikel gerade erläutert hat, statt in einer pauschalen Behauptung, die über die Belege hinausgeht. Einen umfassenderen Überblick über Nebenwirkungen, Mythen und die allgemeine Sicherheit jenseits der Frage der Brennbarkeit bietet der Artikel Ist Wasserstoffwasser sicher?. Wenn Sie wissen möchten, was die PPB-Angaben auf Wasserstoffwasser-Produkten tatsächlich messen, erklärt Wasserstoffwasser: PPB im Vergleich zu PPM die Einheiten hinter den hier verwendeten Laborwerten.