PEM vs. alkalische Elektrolyse bei Wasserstoff-Inhalatoren: Warum der Elektrolyttyp wichtig ist

Wasserstoff-Inhalationsgeräte erzeugen ihr Gas mit einer von zwei Elektrolysemethoden: der Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM), bei der eine feste Polymermembran und ein Katalysator aus der Platingruppe zum Einsatz kommen, oder der alkalischen Elektrolyse, bei der eine flüssige Kaliumhydroxid-Lösung (KOH) und ein poröses Diaphragma verwendet werden. Der Elektrolyttyp ist wichtig, weil eine ätzende Flüssigkeit in der gaserzeugenden Zelle andere technische Fragen aufwirft als eine feste Membran. Wenn Sie wissen, welche Technologie ein bestimmtes Gerät verwendet, können Sie das Datenblatt vor dem Kauf richtig lesen – und nicht erst danach.

• Bei der PEM-Elektrolyse befindet sich kein flüssiger Elektrolyt im Gasweg: Protonen wandern durch eine feste Membran, und im Elektrolyseur kommt typischerweise ein Katalysator aus der Platingruppe zum Einsatz, um diese Reaktion effizient zu machen.
• Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine flüssige KOH-Lösung verwendet. Das poröse Diaphragma, das die Wasserstoff- und Sauerstoffströme trennt, muss ein Gleichgewicht zwischen elektrischer Effizienz und der Dichtigkeit finden, mit der es den Übergang von Gas – und damit auch von Elektrolytnebel – verhindert.
• Kaliumhydroxid ist nachweislich ein Reizstoff für Augen, Haut und Atemwege, für den eine staatliche Expositionsobergrenze festgelegt wurde. Diese Tatsache steht für sich; für sich genommen sagt sie jedoch nicht aus, ob bei der Konstruktion eines bestimmten Verbraucher-Inhalationsgeräts etwas davon in das Atemgas gelangt.
• Das angegebene Katalysatormaterial ist einer der zuverlässigeren Hinweise darauf, welche Methode ein Gerät verwendet: Platin oder Beschichtungen aus der Platingruppe sprechen für PEM, Katalysatoren auf Nickelbasis für alkalische Elektrolyse. Der Preis ist ein grober Hinweis auf denselben Unterschied, aber kein Beweis dafür.

Was PEM-Elektrolyse für ein Wasserstoff-Inhalationsgerät bedeutet

In einem PEM-Elektrolyseur wird Wasser an der Anode in Sauerstoffgas und positiv geladene Wasserstoffionen gespalten. Diese Ionen wandern durch eine dünne, feste Polymermembran zur Kathode, wo sie Elektronen aufnehmen und sich wieder zu Wasserstoffgas verbinden (Quelle: US-Energieministerium, Wasserstofferzeugung: Elektrolyse). Die Membran selbst ist eine dünne Schicht aus festem Material und kein Behälter mit Flüssigkeit. Es gibt also keinen frei beweglichen Elektrolyten, durch den das Gas auf seinem Weg zum Auslass hindurchströmen oder den es mit sich führen könnte.

Da die Membran Protonen effizient transportieren soll, wird sie in PEM-Systemen im Allgemeinen mit einem auf die Membranoberfläche aufgetragenen Metallkatalysator aus der Platingruppe kombiniert (Quelle: Wasserelektrolyse, Wikipedia). Die Beschaffung und das Auftragen von Platin sind teuer. Das ist einer der Gründe, warum PEM-Geräte in der Herstellung tendenziell mehr kosten als ein vergleichbares alkalisches Gerät. Dafür entfällt bei der Konstruktion mit fester Membran das spezielle technische Problem, mit dem alkalische Systeme umgehen müssen: den flüssigen Elektrolyten vollständig von den beiden erzeugten Gasströmen getrennt zu halten.

Was alkalische (KOH-)Elektrolyse bedeutet und warum der Elektrolyt wichtig ist

Bei der alkalischen Elektrolyse wird Wasser ebenfalls mithilfe von elektrischem Strom gespalten. Anders als bei der PEM-Elektrolyse kommt dabei jedoch ein flüssiger Elektrolyt statt einer festen Membran zum Einsatz: Eine Kalium- oder Natriumhydroxid-Lösung füllt die Zelle, und Hydroxidionen wandern von der Kathode zur Anode, während sich an der Kathode Wasserstoff bildet (Quelle: US-Energieministerium, Wasserstofferzeugung: Elektrolyse). Dieser flüssige Elektrolyt ist der grundlegende Unterschied zur PEM-Elektrolyse und zugleich der Grund, warum alkalische Geräte im Allgemeinen die günstigere Option sind: Typischerweise werden Katalysatoren auf Nickelbasis verwendet und nicht die Metalle aus der Platingruppe, die eine PEM-Membran benötigt (Quelle: Wasserelektrolyse, Wikipedia).

Statt einer festen Membran trennt in einer alkalischen Zelle ein poröses Diaphragma im flüssigen Elektrolyten die Wasserstoff- und Sauerstoffströme. Dieses Diaphragma muss zwei Anforderungen erfüllen, die einander entgegenstehen: Ein poröseres, dünneres Diaphragma senkt den elektrischen Widerstand und macht die Zelle effizienter. Die höhere Porosität geht jedoch zugleich mit einem stärkeren Gasübertritt zwischen der Wasserstoff- und der Sauerstoffseite einher (Quelle: Alkalische Wasserelektrolyse, Wikipedia). Anders gesagt: Die Konstruktionsentscheidung, die den Betrieb einer alkalischen Zelle günstiger macht, erschwert zugleich die zuverlässige Trennung der Gase.

Unabhängig von diesem technischen Zielkonflikt ist Kaliumhydroxid selbst als Gefahrstoff anerkannt. Es ist als Reizstoff für Augen, Haut und Atemwege dokumentiert, und das US-amerikanische Nationale Institut für Sicherheit und Gesundheit am Arbeitsplatz legt dafür eine empfohlene Expositionsobergrenze von 2 mg/m3 fest; die OSHA hat keinen zulässigen Expositionsgrenzwert festgelegt (Quelle: NIOSH-Taschenführer zu chemischen Gefahren, Kaliumhydroxid). Diese Gefahreneinstufung beschreibt die Chemikalie selbst, und zwar in den Konzentrationen und Situationen, die von diesen Behörden untersucht wurden. Sie ist keine Messung dessen, was ein bestimmtes Wasserstoff-Inhalationsgerät für Verbraucher ausstößt.

Fasst man diese beiden Tatsachen sachlich zusammen, fällt die vernünftige Schlussfolgerung enger aus als eine plakative Schlagzeile. Die verfügbaren Belege stützen einen tatsächlichen technischen Zielkonflikt (ein poröseres Diaphragma erhöht den Gasübertritt) und eine tatsächliche chemische Gefahr (KOH ist ein Reizstoff mit einem festgelegten Expositionsgrenzwert). Sie belegen nicht, dass bei einem bestimmten alkalischen Wasserstoff-Inhalationsgerät auf dem Markt Elektrolytnebel in die Atemluft gelangt. Sie sprechen dafür, nachzufragen, wie der Hersteller eines bestimmten Geräts mit diesem Zielkonflikt umgeht, statt anzunehmen, dass jedes alkalische Gerät unsicher oder jedes unbedenklich ist.

So erkennen Sie, welche Technologie ein Gerät verwendet

Sie benötigen keine Chemiekenntnisse, um dies vor dem Kauf zu überprüfen. Die Information ist in der Regel direkt angegeben. Fehlt sie, ist auch dieses Schweigen aufschlussreich.

Ein Datenblatt lesen

Achten Sie in den technischen Daten oder im Handbuch des Produkts auf die Begriffe „PEM“ oder „Protonenaustauschmembran“ im Gegensatz zu „alkalisch“, „Lauge“ oder „KOH“. In vielen Produktbeschreibungen wird auch das Katalysatormaterial genannt. Dieses Detail ist eine hilfreiche zusätzliche Kontrollmöglichkeit: Eine angegebene Beschichtung aus Platin oder der Platingruppe spricht für PEM, ein Katalysator auf Nickelbasis für alkalische Elektrolyse. Wenn Sie die ausführlichere Chemie hinter SPE-/PEM-Membranen kennenlernen möchten, einschließlich der Verwendung derselben Technologie in Hydrions Trinkwassergeneratoren, erklärt dieser Überblick über Membrantechnologie den Mechanismus genauer, als es ein einzelnes Datenblatt kann.

Fragen, die Sie vor dem Kauf stellen sollten

Die Preispositionierung ist ein hilfreicher Hinweis, aber für sich genommen kein Beweis: Membran und Katalysator der PEM-Technologie sind tatsächlich teurer in der Herstellung. Ein deutlich niedrigerer Preis ist daher häufiger mit alkalischer Elektrolyse verbunden als mit PEM. Wenn in einer Produktbeschreibung von Wasserstoffausstoß in „klinischer Qualität“ die Rede ist, ohne die Elektrolysemethode überhaupt zu nennen, sollten Sie den Verkäufer direkt danach fragen. Schließlich weiß der Hersteller bereits, welche Technologie im Gerät steckt. Wenn Sie noch entscheiden, ob Inhalation überhaupt das richtige Format für Sie ist, ist dieser Einsteigerleitfaden zur Wasserstoff-Inhalationstherapie ein besserer Ausgangspunkt. Die Frage der Elektrolyse ist Teil der umfassenderen Checkliste in diesem Kaufratgeber zur Auswahl eines Wasserstoff-Inhalationsgeräts. Wer sich gesondert dafür interessiert, welche behördlichen Zulassungen tatsächlich hinter Aussagen wie „medizinische Qualität“ oder „klinisch“ stehen müssen, findet weitere Informationen in dem geplanten Artikel zu Werbeaussagen über Wasserstoff-Inhalationsgeräte in medizinischer Qualität. Wer sich allgemein für die Sicherheit der Inhalation interessiert, über die hier behandelte Elektrolytfrage hinaus, kann den geplanten Artikel zu Nebenwirkungen der Wasserstoff-Inhalation lesen.

Einordnung des Titan

Als konkretes Beispiel dafür, wie diese Angaben auf einem tatsächlichen Datenblatt aussehen, nennt die Produktbeschreibung des Hydrion Titan Wasserstoff-Inhalationsgeräts PEM-Elektrolyse mit einer hochreinen Platinbeschichtung. Außerdem gibt sie für die Inhalationsmodi mit einem, zwei und drei Auslässen eine Wasserstoffreinheit von 99,99 % an. Das sind Angaben des Herstellers zu seinem eigenen Produkt, keine in diesem Artikel unabhängig im Labor überprüften Aussagen. Sie sollten entsprechend verstanden werden: als die Art von Detail, die ein Datenblatt offenlegen sollte, und nicht als Ersatz für Prüfungen durch Dritte.

Das praktische Fazit ist einfach. PEM- und alkalische Elektrolyse sind beides etablierte Methoden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Beide bringen eigene Zielkonflikte hinsichtlich der Kosten, des Katalysatormaterials und der Trennung der beiden Gasströme mit sich. Prüfen Sie vor der Auswahl eines Geräts im Datenblatt, welche Elektrolysemethode und welches Katalysatormaterial dort angegeben sind – so, wie es beim Titan der Fall ist. Fehlen diese Informationen, sollten Sie nachfragen, statt Annahmen zu treffen.