Wie lange halten Wasserstoffwasser-Flaschen? Akku, Membran und Elektroden

Eine Wasserstoffwasser-Flasche fällt nicht auf einmal aus, und es gibt keine einzelne Zahl, die verrät, wie lange sie hält, denn drei separate Teile altern unabhängig voneinander: der wiederaufladbare Akku, die Elektrolysemembran und die Elektroden, die die Reaktion antreiben. In der Praxis begrenzen meist der Akku und die Elektrodenbeschichtung, wie viele Jahre eine Flasche nützlich bleibt, während die Membran bei normalem Gebrauch zu Hause darauf ausgelegt ist, beide zu überdauern. Wenn du weißt, wie die einzelnen Teile tatsächlich verschleißen, kannst du echte Anzeichen für nachlassende Leistung erkennen, statt zu raten, wann eine Flasche ausgedient hat.

Bevor wir uns die einzelnen Komponenten nacheinander ansehen, hier die Faktoren, die bestimmen, wie lange eine Flasche ihre Leistung beibehält:

• Akku, Membran und Elektroden verschleißen durch unterschiedliche physikalische Prozesse. Deshalb erreichen sie nicht gleichzeitig und auch nicht aus demselben Grund das Ende ihrer Lebensdauer.
• Lithium-Ionen-Akkus verlieren nach einigen Hundert Ladezyklen in der Regel spürbar an Kapazität. Bei den meisten täglichen Nutzungsgewohnheiten bedeutet das mehrere Jahre statt nur ein oder zwei.
• Die Membran in einer PEM/SPE-Zelle ist auf dem Papier der chemisch empfindlichere Teil. Die an anderer Stelle zitierten Betriebsstunden aus großtechnischen Anlagen beschreiben jedoch ein deutlich stärker beanspruchtes System und keine handgehaltene Flasche, die einige Male am Tag verwendet wird.
• Ein allmählicher Leistungsabfall, den eine Reinigung mit Zitronensäure behebt, ist Kalkablagerung und kein Verschleiß der Komponenten. Wenn die Reinigung den Leistungsabfall nicht behebt, deutet das darauf hin, dass die Elektroden oder die Membran tatsächlich altern.

Was in einer Wasserstoffwasser-Flasche tatsächlich verschleißt

In einer Wasserstoffwasser-Flasche gibt es tatsächlich drei Verschleißteile, nicht nur eines. Der wiederaufladbare Akku speichert die Energie für die Elektrolysezelle und verliert wie jeder Lithium-Ionen-Akku mit der Zeit und durch das Laden allmählich an Kapazität. Die Elektrolysemembran, in einer PEM/SPE-Zelle üblicherweise eine Protonenaustauschmembran, ist die dünne Schicht, durch die Protonen hindurchgelangen können, während sie die Wasserstoff- und Sauerstoffströme voneinander getrennt hält. Die Elektroden sitzen auf beiden Seiten dieser Membran und sind mit einem Katalysator beschichtet – typischerweise Platin oder Iridium –, der die Reaktion effizient ablaufen lässt. Da diese drei Teile aus unterschiedlichen Materialien bestehen und durch unterschiedliche Mechanismen verschleißen, umfasst die Frage, wie lange eine Wasserstoffwasser-Flasche hält, eigentlich drei separate Fragen auf einmal. Die Antwort auf jede einzelne bestimmt, wann du eine Veränderung der Flaschenleistung tatsächlich bemerken wirst. Wenn du zunächst den zugrunde liegenden Mechanismus verstehen möchtest, bevor du mehr über den Verschleiß erfährst, erklärt der Artikel zur Funktionsweise der SPE/PEM-Elektrolyse die Reaktion, auf der dieser Artikel aufbaut.

Wie lange der wiederaufladbare Akku typischerweise hält

Der Akku einer Wasserstoffwasser-Flasche basiert auf derselben Technologie wie die Akkus in Smartphones, Laptops und anderen elektronischen Geräten mit USB-C-Ladeanschluss und altert auf dieselbe Weise. Lithium-Ionen-Akkus für Verbrauchergeräte liefern in der Regel etwa 300 bis 500 vollständige Ladezyklen, bevor ihre Kapazität auf ungefähr 70 bis 80 Prozent des ursprünglichen Werts gesunken ist (Quelle: Battery University, BU-808: So verlängerst du die Lebensdauer von Lithium-basierten Akkus). Als vollständiger Ladezyklus gilt das Äquivalent einer Ladung von leer bis voll. Mehrere Teilladungen über einige Tage können sich also zu einem vollständigen Ladezyklus summieren, statt als mehrere einzelne Zyklen zu zählen.

Was den Akkuverschleiß beschleunigt

Das Laden und Entladen des Akkus verursacht tatsächlich nicht den größten Schaden. Den gleichen Untersuchungen zu Akkus zufolge beschleunigen Hitze und lange Zeiträume mit voller Ladung den Kapazitätsverlust stärker als der normale tägliche Gebrauch. Deshalb verkürzt es die Nutzungsdauer meist stärker, eine Flasche dauerhaft am Ladegerät zu lassen oder voll geladen in einem heißen Auto oder auf einer sonnigen Fensterbank aufzubewahren, als sie einfach jeden Tag zu verwenden. Wenn du den Akku erst dann lädst, wenn er wirklich fast leer ist, statt ihn ständig nachzuladen und wochenlang voll geladen zu lassen, hilft das dabei, näher am oberen Ende dieser Zyklenzahl zu bleiben.

Was die Zahl der Ladezyklen in realistische Jahre umgerechnet bedeutet

Hydrion Core ist je nach gewähltem Modus für 15 bis 20 Anwendungen pro Ladung ausgelegt. Ein Ladezyklus deckt für die meisten Menschen also eine beträchtliche Zahl an Tagen ab. Wenn du die Flasche einmal täglich verwendest, kann eine Ladung zwei bis drei Wochen halten. Selbst das untere Ende der Spanne von 300 Ladezyklen liegt bei diesem Tempo also weit mehr als ein Jahrzehnt in der Zukunft. Wer die Flasche zwei- oder dreimal täglich verwendet, verbraucht die Ladezyklen schneller und erreicht denselben Verschleißpunkt stattdessen nach einigen Jahren. Die genaue Zahl ist weniger wichtig als der Zusammenhang, den sie beschreibt: Die Anzahl der Ladezyklen – nicht allein die verstrichene Kalenderzeit – bestimmt, wann die Akkukapazität nachlässt. Wie oft du die Flasche täglich verwendest, entscheidet darüber, wie viele Jahre diese Zyklenzahl für dich persönlich bedeutet.

Wie die Elektrolysemembran und die Elektroden altern

Bei der Membran und den Elektroden lässt die Kapazität nicht wie bei einem Akku allmählich nach. Stattdessen kommt es an den Oberflächen, an denen die Reaktion stattfindet, zu chemischem und physischem Verschleiß. Wenn du weißt, was mit diesen Oberflächen geschieht, kannst du einen normalen, durch Wartung behebbaren Leistungsabfall von irreversibler Abnutzung unterscheiden.

Warum die Membran der empfindlichere Teil ist

In einer PEM/SPE-Zelle gilt die Protonenaustauschmembran generell als die Komponente, die am ehesten langfristig verschleißt. Untersuchungen zum Verschleiß in einem PEM/SPE-Stack während seiner Betriebsdauer identifizieren die Membran als die Komponente, die am ehesten langfristige Schäden erleidet: Sie wird allmählich messbar dünner, beginnend an der Grenzfläche zwischen Membran und Kathode. Ursache sind ungleichmäßige Temperaturen, Spannungen, Durchflussmengen und Drücke im Inneren der Zelle und nicht ein einzelner plötzlicher Ausfall (Quelle: Interne mikroskopische Diagnose der beschleunigten Alterung eines Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse-Stacks). Manchmal findet man Angaben zu industriellen PEM-Elektrolyse-Stacks, die für Zehntausende Betriebsstunden ausgelegt sind und in kompletten Anlagen voraussichtlich zehn bis zwanzig Jahre laufen (Quelle: Protonenaustauschmembran-Elektrolyse, Wikipedia). Diese Zahlen stammen von großen stationären Industrieanlagen, die mit deutlich höherer Stromdichte und Temperatur betrieben werden als alles, was sich in einer Flasche befindet, die du in der Hand hältst. Sie beschreiben also denselben Verschleißmechanismus, der auch hier wirkt, und nicht die erwartete Lebensdauer eines Verbrauchergeräts. Sie bestätigen jedoch, dass die Membran allmählich dünner wird und dieser Prozess weder plötzlich noch unvorhersehbar einsetzt.

Warum die Qualität der Beschichtung und nicht nur das Metall die Lebensdauer der Elektroden bestimmt

Die Elektroden einer Wasserstoffwasser-Flasche bestehen typischerweise aus Titan, das mit einer dünnen Platin- oder Iridiumschicht überzogen ist. Dabei ist wichtig zu wissen, dass das Titan selbst selten als Erstes versagt. Untersuchungen an mit Edelmetall beschichteten Titanelektroden weisen auf die Beschichtung als Schwachstelle hin: Die dünne katalytische Schicht kann sich stellenweise ablösen, die Platinpartikel an der Oberfläche können sich zusammenlagern und ungleichmäßig wieder ablagern, oder die Oberfläche kann mit der Zeit passiviert werden und dadurch weniger reaktiv sein (Quelle: Aufschlüsselung der Abbaumechanismen poröser, mit Edelmetall beschichteter Titanschichten für Wasserelektrolyseure). Das ist auch der physikalische Grund dafür, dass eine günstige, dünn beschichtete Elektrode eine geringere Wasserstoffkonzentration früher liefert als eine Elektrode mit einer gut aufgetragenen Platin- oder Iridiumbeschichtung. Dieser Unterschied wird auch in dem Artikel zur Aufschlüsselung der Kosten für Wasserstoffwasser über mehrere Nutzungsjahre angesprochen. Mit anderen Worten: Die Qualität der Beschichtung verrät mehr darüber, wie lange eine Elektrode ihre Leistung beibehält, als das darunterliegende Grundmetall.

Anzeichen dafür, dass sich das Ende der Nutzungsdauer einer Flasche nähert

Wenn du diese Verschleißmechanismen kennst, geben dir einige beobachtbare Anzeichen Hinweise darauf, welches Teil tatsächlich altert:

• Wenn du die Flasche für dieselbe Anzahl an Anwendungen deutlich häufiger laden musst, deutet das auf einen Kapazitätsverlust des Akkus hin. Eine intakte Membran und intakte Elektroden haben keinen Einfluss darauf, wie lange eine einzelne Ladung hält.
• Ein allmählicher Rückgang der Ausgabekonzentration, der über Monate anhält – auch direkt nach einer vollständigen Ladung und bei ordnungsgemäß gereinigter Kammer –, deutet auf Verschleiß der Elektroden oder der Membran hin und nicht auf ein Wartungsproblem.
• Elektrodenoberflächen, die narbig oder verfärbt aussehen oder sichtbar abblättern, weisen auf einen Verschleiß der Beschichtung selbst hin. Das unterscheidet sich von einer gleichmäßigen weißen Mineralschicht, die sich durch einen Reinigungszyklus entfernen lässt.

Verwechsle einen durch Reinigung behebbaren Leistungsabfall nicht mit einer ausgedienten Flasche

Bevor du annimmst, ein Leistungsabfall bedeute, dass die Flasche verschleißt, solltest du die weitaus häufigere Ursache ausschließen. Laut Hydrions eigener Anleitung zur Nutzung ist Kalkablagerung auf den Elektroden der häufigste Grund dafür, dass die PPB-Leistung mit der Zeit sinkt. Zur Behebung wird eine monatliche Reinigung mit Zitronensäure empfohlen. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung dazu findest du in der Anleitung zu Einrichtung, täglicher Nutzung und Reinigung. Sobald du weißt, worauf du achten musst, ist der Unterschied einfach zu erkennen: Reagiert eine Flasche auf eine ordnungsgemäße Reinigung, sind die Elektroden noch intakt und die Membran unversehrt. Der vorherige Leistungsabfall wurde durch Mineralablagerungen und nicht durch Verschleiß verursacht. Erholt sich eine Flasche nach einer gründlichen Reinigung nicht, zeigt sie die Art von Leistungsabfall, um die es in diesem Artikel geht. Dann handelt es sich um eine tatsächliche Alterung der Komponenten und nicht um routinemäßige Wartung.

Was das für die Kosten pro Nutzungsjahr bedeutet

Da Akku, Membran und Elektrodenbeschichtung unterschiedlich schnell verschleißen, begrenzen meist der Akku oder die Elektrodenbeschichtung die Nutzungsdauer einer Flasche – und nicht ein einzelner dramatischer Ausfall. Das hat praktische Auswirkungen darauf, wie du den Wert einschätzt: Wenn du den Kaufpreis auf die oben erläuterte realistische Anzahl an Nutzungsjahren umlegst, statt davon auszugehen, dass eine Flasche unbegrenzt hält oder innerhalb eines Jahres kaputtgeht, erhältst du ein genaueres Bild der tatsächlichen Besitzkosten. Die detaillierte Berechnung pro Liter und über mehrere Jahre findest du separat in der vollständigen Aufschlüsselung der Kosten für Wasserstoffwasser. Wenn du angesichts dieser spezifischen Ausfallmuster eine günstigere Flasche mit einem Premiummodell vergleichst, geht der Vergleich günstiger und hochwertiger Wasserstoffwasser-Flaschen unter Berücksichtigung von Ausfällen direkt auf diesen Kompromiss ein.

Hydrion Core und Hydrion Pulse verwenden beide dasselbe oben beschriebene SPE/PEM-Design mit Platin und Iridium, das lediglich auf unterschiedliche Wasserstoffkonzentrationen abgestimmt ist. Die hier beschriebenen Verschleißmuster und realistischen Lebensdauern gelten also für beide Modelle. Das ist hilfreich zu wissen, egal, ob du vor dem ersten Kauf Modelle vergleichst oder entscheidest, ob du eine alternde Flasche ersetzen solltest. Wenn du dir das Modell, auf dessen Akku- und Elektrodenangaben oben Bezug genommen wird, genauer ansehen möchtest, findest du hier Hydrion Core. Oder stöbere im gesamten Sortiment an Wasserstoffwasser-Flaschen, um die technischen Daten der verschiedenen Modelle zu vergleichen.