Gyúlékony a hidrogénes víz? A palackok apró gázmennyisége

A hidrogénes vizespalack elektrolízissel oldott hidrogéngázt juttat a vízbe, a hidrogéngáz pedig valóban gyúlékony, ezért elsőre nem alaptalan az aggodalom. A gyakorlatban azonban egy pontosabb kérdés számít: mennyi hidrogéngázt termel valójában egy palack, és a palack rendeltetésszerű használata mellett ez a mennyiség valaha megközelíti-e azt a koncentrációt és azokat a körülményeket, amelyekről a hidrogénbiztonsági szakirodalom azt állítja, hogy gyulladáshoz vezethetnek. Ha végigszámoljuk a tényleges mennyiségeket, a válasz megérzés helyett egyszerű matematikai kérdéssé válik, a számok pedig jóval az alatt a küszöbérték alatt maradnak, amely miatt a pulton álló, lezárt palack tűzveszélyessé válna.

• A levegővel keveredő hidrogéngáz csak egy meghatározott koncentrációtartományban gyullad meg, a megfelelően használt palack pedig ennek az alsó határát sem közelíti meg.
• A palack által termelt gázmennyiség a laboratóriumban mért oldott koncentráció alapján átszámítva nagyjából néhány evőkanálnyi, nem pedig egy egész tartálynyi.
• A robbanáshoz hidrogén és egy oxidálószer, például oxigén is szükséges egy zárt térben; egy nyitott, szellőző palack a szoba levegőjében nem teremt ilyen zárt teret.

Miért merül fel ez a kérdés?

Röviden: az a csekély mennyiségű hidrogéngáz, amelyet a palack termel, a rendeltetésszerű használat során egy nyitott helyiség levegőjébe jutva nem hoz létre gyúlékony keveréket. Maga a hidrogén elemként gyúlékony, akárcsak a földgáz vagy a benzingőz, és nincs értelme ezt tagadni. A hasznosabb kérdés, és erre ad választ ez a cikk, az, hogy egy adott pillanatban mennyi gáz van jelen, illetve milyen koncentrációra és környezetre lenne szükség ahhoz, hogy egyáltalán meggyulladhasson. Így megközelítve a fizika nem egy igen-nem típusú félelmet jelent, hanem egy kis, mért mennyiség és egy sokkal magasabb küszöbérték egyszerű összehasonlítását.

Mi történik valójában a palackban, amikor hidrogént termel?

A palack belsejében egy PEM/SPE elektrolizáló cella felhasítja a vízmolekulák egy részét: a membrán egyik oldalán oldott hidrogént, a másik oldalán pedig oxigént és nyomnyi ózont termel. A teljes elektrolízis-folyamatot egy másik cikk részletesen ismerteti, ezért itt elég az eredményt kiemelni: a hidrogén magában a vízben oldódik fel, nem pedig szabad gázként gyűlik össze valahol. A Core automatikus szellőztetésű biztonsági gyűrűje erre a különbségre épül. Úgy tervezték, hogy az oxigén és az ózon melléktermékei távozhassanak a kamrából, miközben a hidrogén a vízben oldva marad, így a cellában nem halmozódik fel hidrogéngáz egy lezárt térben, ahogyan egy nyomás alatt álló tartályban történne.

Mit jelent valójában az, hogy „gyúlékony”?

A hidrogén biztonságosságát vizsgáló kutatások a gyúlékonyságot nem egyetlen gyulladási ponttal, hanem egy tartománnyal jellemzik. A Sandia National Laboratories szerint a hidrogén levegőben mért, általánosan elfogadott alsó gyúlékonysági határa felfelé terjedő láng esetén térfogatarányosan 4%, lefelé terjedő vagy gömb alakban terjedő láng esetén pedig a hidrogén alacsony sűrűsége miatt ez a küszöbérték magasabb, nagyjából 8,5–9,5% (forrás: Hidrogén/levegő keverékek gyúlékonysági határai, Sandia National Laboratories). A teljes gyúlékony tartomány a levegőben lévő, körülbelül 4–74%-os hidrogénkoncentrációt öleli fel. Bár a hidrogén minimális gyulladási energiája a tartomány közepe táján nagyon alacsony, az alsó határértéken lévő keverék meggyújtásához jóval több energia szükséges (forrás: Hidrogénbiztonsági tájékoztató, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma). A tartomány bármely értékének eléréséhez oxidálószerre is szükség van. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának ugyanez a tájékoztatója megjegyzi, hogy robbanás nem történhet olyan tartályban vagy bármilyen zárt térben, amely csak hidrogént tartalmaz; oxigénnek is jelen kell lennie, mégpedig nagyjából 10% tiszta oxigén vagy 41% levegő arányban ahhoz, hogy a keverék egyáltalán robbanásveszélyessé váljon.

Oldott hidrogén a vízben és szabad hidrogéngáz a levegőben – miért nem vonatkozik az alsó gyúlékonysági határ magára a vízre?

Az alsó gyúlékonysági határ a levegőbe keveredő hidrogéngázra vonatkozik, nem a folyékony vízben oldott hidrogénre. Az íróasztalon álló pohár hidrogénes víz egyáltalán nem gáz-levegő keverék, ezért a 4%-os érték mindaddig nem mérvadó, amíg az oldott hidrogén egy része ki nem lép a vízből, és be nem kerül a környező levegőbe. A hidrogén felhajtóereje, kis molekulamérete és nagy diffúziós képessége azt is jelenti, hogy amint kilép a vízből, nagyon gyorsan felfelé és kifelé oszlik el, nem pedig egy helyben marad. Ez az egyik fő oka annak, hogy a hidrogénbiztonsági útmutatók egészen másként kezelik a nyitott, szellőztetett helyiségeket, mint a lezárt tartályokat vagy berendezéseket.

A számítás: valójában mennyi gázt bocsát ki egy palack?

A gázmennyiség pontos meghatározásához ez a példa nem a marketinges specifikációt, hanem a függetlenül igazolt laboratóriumi értéket használja. A Core termékoldala „akár 5000 ppb” kibocsátást tüntet fel, de ez az érték az eladó által megadott maximumot jelenti, nem pedig egy mérést. A Hydrion Core és Pulse független laboratóriumi tanúsítási jelentése a H2 Analytics által végzett független tesztet ismerteti, amelyhez NIST-re visszavezethető kalibrációs gázokkal végzett gázkromatográfiát használtak, valamint az SGS Silver State Analytical Laboratory vízbiztonsági vizsgálatát. A vizsgálat 20 perc után 9,00–9,14 mg/l oldott hidrogént mért egy 375 ml-es palackban. Érdemes külön megjegyezni a 375 ml-es tesztmennyiséget, mivel ez eltér a kiskereskedelmi termékoldalon feltüntetett 300 ml-es kamratérfogattól; ez a példa a tesztelt értéket és térfogatot együtt használja, ahelyett hogy a kettőt összekeverné.

A 375 ml-es (0,375 l-es) palack teljes térfogatára vetítve a felső mért érték, a 9,14 mg/l, összesen körülbelül 3,43 mg oldott hidrogént jelent. A hidrogén moláris tömege 2,016 g/mol, így a 3,43 mg nagyjából 0,0017 molnak felel meg. Normál hőmérsékleten és nyomáson egy mól bármilyen gáz 22,4 liter térfogatú (forrás: Avogadro törvénye, Chemistry LibreTexts), tehát 0,0017 mol nagyjából 38 ml hidrogéngáznak, vagyis körülbelül két és fél evőkanálnyi mennyiségnek felel meg. Ez egy szélsőséges esetre vonatkozó számítási példa: abból indul ki, hogy a palackban lévő összes oldott hidrogénmolekula egyszerre távozik a vízből gázként. Normál használat során azonban nem ez történik: a hidrogén oldott állapotban marad, és ivás közben fogyasztjuk el, nem pedig egyszerre szabadul fel.

Még ebben a szélsőséges, 38 ml-es esetben is az összes gázt hígítatlanul, egy lezárt, egy liter levegőnél kisebb térbe kellene zárni ahhoz, hogy elérje a 4%-os alsó gyúlékonysági határt. Ennek oka, hogy 38 ml 4%-kal elosztva nagyjából 950 ml teljes keveréktérfogatot ad. Ez az összehasonlítás szándékosan elméleti: egy olyan lezárt tartályt ír le, amely csak ezt a gázt és egy kis levegőzsebet tartalmazza, a palackot viszont nem így nyitják ki, használják vagy tárolják.

Miért nem alakulnak ki ilyen körülmények a palack normál használata során?

A hidrogénes vizespalackot a ciklusok között nyitott kupakkal, elektrolízis közben pedig rövid ideig lezárva használják, hétköznapi szobai levegőn; nem tiszta hidrogént tartalmazó, lezárt nyomástartó edényként működik. A vízből esetleg kiszabaduló hidrogén szinte azonnal felfelé és kifelé oszlik el a szoba levegőjében, és nem gyűlik össze sehol gyúlékony koncentráció közelében. Ennek ugyanaz a felhajtóerő és diffúziós képesség az oka, amelyet fentebb ismertettünk. A kupak kinyitásakor néha érezhető nyomás, valamint az, hogy a palack alján egy kis szellőzőnyílás található, műszaki részlet, nem pedig gyúlékonysági kockázat. Ezekről külön olvashat a miért sziszeg a palack, vagy miért nehéz kinyitni? és a mire szolgál az alsó szellőzőnyílás? című cikkben.

Ésszerű, hétköznapi használat

Mindez nem változtat azon, hogyan kell használni vagy tárolni a palackot: kövesse a Hydrion Core mellé adott utasításokat, a fent mért kis gázmennyiséget pedig kezelje háttér-információként, ne pedig a megszokott rutin megváltoztatására okot adó tényezőként. Fontos az állítást is pontosan megfogalmazni. A helyes állítás az, hogy az egy palack által termelt gázmennyiség a palackban ténylegesen elért koncentráció mellett jóval kevesebb annál, mint amennyi egy lezárt tartályban gyúlékonysághoz szükséges lenne. Nem arról van szó, hogy az oldott hidrogén semmilyen körülmények között nem éghet el. Ez a különbségtétel a cikkben bemutatott számokra alapozza a megnyugtató választ, nem pedig olyan általános kijelentésre, amely többet állít annál, mint amit a bizonyítékok alátámasztanak. A hidrogénes víz gyúlékonyságán túlmutató, szélesebb biztonsági kérdésekről, mellékhatásokról és tévhitekről a Biztonságos a hidrogénes víz? című cikkben olvashat. Ha pedig szeretné megérteni, hogy mit mérnek valójában a hidrogénes víztermékeken feltüntetett ppb-értékek, a Hidrogénes víz: PPB vagy PPM? című cikk ismerteti az itt használt laboratóriumi számok mögötti mértékegységeket.