Warum Wasserstoff-Sauerstoff-Geräte ein Verhältnis von 2:1 liefern – und wie viel Wasser sie verbrauchen
Öffnet man das Datenblatt fast jedes Wasserstoff-Inhalationsgeräts, folgen die Ausgabewerte demselben Muster: 300 ml/min H2 zusammen mit 150 ml/min O2 oder 2.000 ml/min H2 zusammen mit 1.000 ml/min O2. Der Wasserstoffwert ist immer genau doppelt so hoch wie der Sauerstoffwert. Das ist weder eine Marketingentscheidung noch eine Rundungskonvention, sondern ergibt sich unmittelbar aus der Chemie, die im Gerät abläuft. Bei der Elektrolyse wird Wasser in einem festen Volumenverhältnis von 2:1 in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das hat damit zu tun, wie sich Elektronen zwischen den beiden Elektroden bewegen. Deshalb weisen alle Geräte, die auf diesem Verfahren beruhen, dasselbe Verhältnis auf – unabhängig von ihrer Größe. Sobald man dieses Verhältnis als Eigenschaft der Reaktion und nicht als Einstellung an einem Regler versteht, lässt sich grob berechnen, wie viel Wasser ein bestimmter Ausgabewert pro Stunde verbraucht – und zwar allein anhand der Durchflussrate, die der Hersteller bereits angibt.
- Das Wasserstoff-Sauerstoff-Verhältnis von 2:1 ergibt sich aus der Elektronenbilanz der Wasserspaltungsreaktion und nicht aus einer Entscheidung des Herstellers. Deshalb gilt es bei jedem Ausgabewert und bei jeder PEM-basierten Maschine.
- Der Wechsel zwischen einer Einstellung mit gemischtem H2+O2 und einer Einstellung mit reinem H2 ändert, welcher Gasstrom den Kanülenanschluss erreicht; er ändert nicht die Produktion im Verhältnis 2:1 innerhalb der Zelle.
- Da Gasvolumen und verbrauchte Wassermenge durch dieselbe Reaktion miteinander verknüpft sind, genügt eine angegebene Förderleistung in ml/min, um grob abzuschätzen, wie viele Milliliter Wasser ein Gerät pro Stunde verbraucht.
Die Reaktion hinter jedem Wasserstoff-Sauerstoff-Gerät
Die Elektrolyse von Wasser ist Standardchemie und wird gewöhnlich mit der ausgeglichenen Gleichung 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g) dargestellt. Wörtlich gelesen zerfallen zwei Wassermoleküle in zwei Wasserstoffgasmoleküle und ein Sauerstoffgasmolekül. Dieses Verhältnis ist keine der Einfachheit halber gerundete Näherung, sondern wird dadurch festgelegt, wie die Reaktion Elektronen zwischen den beiden Elektroden bewegt, wie der nächste Absatz erläutert. Eine ausführlichere mechanische Erklärung dazu, wie die Membran eines Wasserstoff-Wassergenerators dies tatsächlich bewerkstelligt, bietet die Erklärung zur SPE/PEM-Elektrolyse, auf die dieser Artikel nur kurz eingeht.
In einer Protonenaustauschmembran-Zelle (PEM-Zelle), wie sie in diesen Geräten verwendet wird, wird Wasser, das der Anode zugeführt wird, zu Sauerstoffgas und Protonen oxidiert. Die Protonen durchqueren die Membran zur Kathode, wo sie erneut Elektronen aufnehmen und sich zu Wasserstoffgas verbinden (Quelle: Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEM), Glossar von Nel Hydrogen). Bei der Bildung eines Sauerstoffmoleküls an der Anode werden vier Elektronen freigesetzt, während für die Bildung eines Wasserstoffmoleküls an der Kathode nur zwei benötigt werden. Deshalb muss die Kathodenreaktion für jeden einzelnen Durchlauf der Anodenreaktion zweimal ablaufen. Darum wird die Teilreaktion an der Kathode verdoppelt, um die übertragene Ladung auszugleichen (Quelle: Elektrolyse von Wasser, LibreTexts Chemistry). Daher stammt das Verhältnis von 2:1. Da es durch die Ladungserhaltung und nicht durch einen Regler am Gerät festgelegt wird, gilt es bei jeder Stromstärke: Ein höherer Strom bewegt pro Sekunde einfach mehr Elektronen durch dieselbe Aufteilung im Verhältnis zwei zu eins, nicht durch eine andere.
Warum dieses Verhältnis bei einer Einstellung von 300 ml/min und bei einem Gerät mit 3.000 ml/min gleich ist
Bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibendem Druck steigt das Gasvolumen mit der Anzahl der vorhandenen Moleküle. Deshalb zeigt sich ein Stoffmengenverhältnis von 2:1 direkt als Volumenverhältnis von 2:1 auf einem Durchflussmesser. Darum ist bei einer Einstellung für den Mischbetrieb wie der Stufe mit 450 ml/min des Hydrion Zenith (300 H2 und 150 O2) oder seiner höchsten Stufe mit 1.800 ml/min (1.200 H2 und 600 O2) der Wasserstoffwert immer genau doppelt so hoch wie der Sauerstoffwert: Zwischen den Einstellungen ändert sich nur der Strom, der die Zelle antreibt, und ein höherer Strom erzeugt proportional mehr von beiden Gasen im selben festen Verhältnis. Dieselbe Logik gilt für ein größeres Gerät wie den Hydrion Titan, dessen angegebene Ausgabeleistung von 3.000 ml/min sich in 2.000 ml/min H2 und 1.000 ml/min O2 aufteilt – das Dreifache der höchsten Stufe des Zenith, aber weiterhin mit demselben Verhältnis.
Was sich bei „Mischbetrieb“ und „Reiner-H2-Modus“ tatsächlich ändert
Die Ausgabetabelle des Zenith führt sieben Stufen auf, von 300 ml/min bis zu 1.800 ml/min. Zwei davon, 300 und 600 ml/min, sind als „reines H2“ gekennzeichnet, die übrigen fünf, von 450 bis 1.800 ml/min, als „gemischt“. Liest man die Tabelle so, wie sie dasteht, sieht es so aus, als würden diese beiden Einstellungen für reines H2 einfach insgesamt weniger Gas erzeugen, da daneben kein Sauerstoffwert angegeben ist. Dabei wird jedoch ein Schritt übersehen: In der Elektrolysezelle wird bei jeder Einstellung weiterhin Sauerstoff im selben Verhältnis von 2:1 erzeugt – unabhängig davon, ob der Regler mit „rein“ oder „gemischt“ beschriftet ist. Bei einer Einstellung für reines H2 ändert sich tatsächlich, welcher Gasstrom zur Kanüle geleitet und welcher entlüftet oder an anderer Stelle im Gerät abgeführt wird, nicht aber, ob die sauerstofferzeugende Hälfte der Reaktion überhaupt stattfindet.
Der Titan geht bei derselben Frage anders vor. Auf seiner Produktseite werden drei Auslasskonfigurationen beschrieben: ein einzelner Auslass, der den gemischten H2+O2-Strom abgibt, ein Modus mit zwei Auslässen, bei dem die Abgabe auf zwei Personen verteilt wird, und ein separater Auslass für reines H2. Auf der Seite wird keine Aufteilung der ml/min pro Auslass angegeben, wie es die Tabelle des Zenith für jede Misch- und Rein-Stufe einzeln tut. Deshalb ist die Angabe des Titan von 3.000 ml/min, 2.000 H2 + 1.000 O2, am besten als Gesamtausgabe der Zelle zu verstehen und nicht als ein Wert, der sich gleichmäßig auf die einzelnen Auslassmodi verteilt.
Zusammen veranschaulichen die beiden Geräte denselben Punkt aus unterschiedlichen Blickwinkeln. „Gemischt“ und „reines H2“ beschreiben die Leitungsführung hinter dem Zellausgang und bestimmen, welchen Gasstrom ein bestimmter Kanülenanschluss erhält. Sie bezeichnen nicht zwei verschiedene chemische Prozesse in der Zelle. Das Verhältnis von 2:1 gilt in beiden Fällen, unabhängig davon, welcher Auslass bei einer Anwendung verwendet wird.
Von Millilitern pro Minute zur Wassermenge: die Beispielrechnung
Da die Reaktion das Gasvolumen direkt mit dem zu seiner Erzeugung verbrauchten Wasser verknüpft, genügt ein angegebener Wert in ml/min, um die ungefähre Wassermenge in drei Schritten zu berechnen. Erstens wird der angegebene Sauerstoffdurchfluss von Millilitern pro Minute in Liter und dann in Mol umgerechnet. Dabei gilt: Ein Mol Gas nimmt unter Standardbedingungen etwa 22,4 Liter ein (Quelle: Molvolumen eines Gases, LibreTexts Chemistry). Zweitens wird die Reaktion selbst berücksichtigt: Da für jedes erzeugte Mol Sauerstoff zwei Mol Wasser verbraucht werden, wird der Stoffmengenwert aus dem ersten Schritt verdoppelt, um die pro Minute verbrauchte Wassermenge in Mol zu erhalten. Drittens wird dieser Wert anhand der molaren Masse von Wasser von etwa 18 Gramm pro Mol in Gramm umgerechnet und dann für den Stundenwert mit 60 multipliziert. Ein Milliliter Wasser wiegt annähernd ein Gramm, daher entspricht das Ergebnis in Gramm auch ungefähr der Menge in Millilitern.
Nehmen wir die gemischte Einstellung des Zenith mit 450 ml/min, bei der 150 ml/min Sauerstoff angegeben sind. Das entspricht 0,15 Litern pro Minute oder ungefähr 0,0067 Mol Sauerstoff pro Minute (0,15 geteilt durch 22,4). Verdoppelt man den Wert entsprechend dem Verhältnis von Wasser zu Sauerstoff von 2:1, werden etwa 0,0134 Mol Wasser pro Minute verbraucht. Das entspricht ungefähr 0,24 Gramm pro Minute oder etwa 14 bis 15 Millilitern Wasser pro Stunde.
Mit denselben Schritten lässt sich auch der höchste Mischbetrieb des Zenith berechnen: 1.800 ml/min (1.200 H2 und 600 O2). 600 ml/min Sauerstoff entsprechen etwa 0,027 Mol pro Minute. Verdoppelt ergibt das ungefähr 0,054 Mol Wasser pro Minute, knapp ein Gramm pro Minute oder etwa 58 Milliliter Wasser pro Stunde – das Vierfache des Werts bei 450 ml/min, entsprechend der viermal höheren Ausgabeleistung. Dieselbe Rechnung für den kombinierten Wert des Titan von 3.000 ml/min (1.000 ml/min Sauerstoff) ergibt etwa 0,045 Mol Sauerstoff pro Minute. Verdoppelt sind das ungefähr 0,089 Mol Wasser pro Minute oder knapp 1,6 Gramm pro Minute. Damit liegt die höchste angegebene Ausgabeleistung bei etwa 95 bis 100 Millilitern Wasser pro Stunde.
| Einstellung | Angegebene Ausgabeleistung (H2 / O2) | Geschätzter Wasserverbrauch pro Stunde |
|---|---|---|
| Zenith, 450 ml/min (gemischt) | 300 / 150 ml/min | ~14–15 ml |
| Zenith, 1.800 ml/min (gemischt) | 1.200 / 600 ml/min | ~58 ml |
| Titan, 3.000 ml/min (kombiniert) | 2.000 / 1.000 ml/min | ~95–100 ml |
Keiner dieser Werte ist als exakte Verbrauchsangabe zu verstehen. Keiner der beiden Hersteller gibt an, bei welcher Temperatur und welchem Druck die Angabe in ml/min gemessen wird. Außerdem setzt der Wert von 22,4 Litern pro Mol Standardbedingungen voraus, die nicht den genauen Bedingungen im laufenden Gerät entsprechen. Betrachten Sie die Zahlen als grobe Größenordnung, mit der sich abschätzen lässt, wie oft ein Wasserbehälter kontrolliert werden sollte, nicht als garantierte Verbrauchsrate.
Dieselben drei Schritte auf jede andere Einstellung oder jedes andere Gerät anwenden
Dieselben drei Umrechnungen gelten für jeden Wert in ml/min bei jeder PEM-basierten Maschine, auch für die oben nicht behandelten Einstellungen: Nehmen Sie den angegebenen Sauerstoffdurchfluss oder die Hälfte des Wasserstoffdurchflusses, da beide durch dasselbe Verhältnis von 2:1 miteinander verknüpft sind, rechnen Sie ihn mithilfe des Werts von 22,4 Litern pro Mol in Mol um, verdoppeln Sie ihn entsprechend der Reaktion und rechnen Sie ihn anhand der molaren Masse von Wasser in Gramm um. Die Rechnung bleibt gleich; nur der zugrunde gelegte Durchflusswert ändert sich.
Warum ein höherer Wert keine andere Chemie bedeutet
Der Wechsel von einer Einstellung mit 300 ml/min zu einem Gerät mit 3.000 ml/min verändert den Umfang der Reaktion, die durch einen höheren Strom durch die Zelle angetrieben wird, nicht aber die Chemie selbst. Ein höherer Strom bewegt pro Sekunde mehr Elektronen und erzeugt dadurch jedes Mal proportional mehr Wasserstoff und Sauerstoff im selben festen Verhältnis von 2:1. Ein höherer Spitzenwert auf einem Datenblatt steht für eine größere Ausführung derselben Reaktion. Auch die oben genannten Wasserverbrauchswerte pro Stunde skalieren entsprechend – grob proportional zur Durchflussrate und nicht entlang einer davon unabhängigen Kurve.
Dieser Artikel lässt zwei damit zusammenhängende Zahlen bewusst unerklärt. Was der Wert von 99,99 % Wasserstoffreinheit tatsächlich misst und wie man eine Reinheitsangabe im Datenblatt überprüft, wird in einer separaten Erklärung zur Wasserstoffreinheit behandelt. Was die angegebenen Wattzahlen bedeuten und warum sich eine 110-V-Konfiguration von einer 220-V-Konfiguration unterscheidet, wird in einem eigenen Beitrag zu Leistung und Spannung von Wasserstofftherapiegeräten erläutert. Falls eine der hier verwendeten Abkürzungen wie ml/min, LPM oder PEM unbekannt war, erklärt das Glossar zur Wasserstoffinhalation alle Begriffe an einem Ort. Und wenn Sie neu beim Thema Wasserstoffinhalation sind und nicht bereits Datenblätter vergleichen, ist der Einsteigerleitfaden zur Wasserstoff-Inhalationstherapie ein besserer Ausgangspunkt als dieser Artikel.
Falls Sie bereits zwischen den beiden oben als Rechenbeispiele verwendeten Geräten entscheiden, erläutert ein direkter Vergleich von Zenith und Titan, welche Konfiguration zu welcher Routine passt. Der sinnvollste nächste Schritt mit dieser Rechnung ist, einfach die Tabelle der Betriebsmodi des jeweiligen Geräts anzusehen und zu prüfen, welche Ausgabestufe und welcher daraus resultierende Wasserverbrauch dazu passen, wie lange eine Anwendung dauern soll und wie oft Sie den Wasserbehälter nachfüllen möchten.