Hoelang gaan waterstofwaterflessen mee?

Een waterstofwaterfles gaat niet in één keer kapot, en er is niet één getal dat aangeeft hoelang zo’n fles meegaat. Dat komt doordat drie afzonderlijke onderdelen elk hun eigen levensduur hebben: de oplaadbare batterij, het elektrolysemembraan en de elektroden die de reactie aandrijven. In de praktijk zijn het meestal de batterij en de elektrodecoating die bepalen hoeveel jaar een fles bruikbaar blijft, terwijl het membraan bij normaal thuisgebruik ontworpen is om langer mee te gaan dan die twee onderdelen. Als je weet hoe elk onderdeel slijt, kun je de echte tekenen van achteruitgang herkennen in plaats van te moeten raden wanneer een fles aan vervanging toe is.

Voordat we elk onderdeel afzonderlijk bespreken, volgt hier wat bepaalt hoelang een fles goed blijft werken:

• De batterij, het membraan en de elektroden slijten door verschillende fysieke processen. Ze bereiken dus niet om dezelfde reden of op hetzelfde moment het einde van hun levensduur.
• Lithium-ionbatterijen verliezen doorgaans merkbaar capaciteit na een paar honderd laadcycli. Bij de meeste dagelijkse gebruikspatronen komt dat neer op meerdere jaren, niet op één of twee.
• Op papier is het membraan in een PEM/SPE-cel chemisch gezien het kwetsbaardere onderdeel. De bedrijfsuren voor grootschalige industriële systemen die je elders tegenkomt, hebben echter betrekking op veel zwaardere systemen dan een fles die je een paar keer per dag gebruikt.
• Een geleidelijke daling van de opbrengst die verdwijnt na een reinigingsbeurt met citroenzuur komt door kalkaanslag, niet door slijtage van onderdelen. Als reinigen de opbrengst niet herstelt, wijst dat erop dat de elektroden of het membraan daadwerkelijk verouderen.

Wat slijt er precies in een waterstofwaterfles?

Als je een waterstofwaterfles openmaakt, zie je eigenlijk drie slijtagegevoelige onderdelen, niet één. De oplaadbare batterij slaat de energie op die de elektrolysecel aandrijft. Net als elke lithium-ionbatterij verliest die geleidelijk capaciteit door opladen en tijd. Het elektrolysemembraan, meestal een protonuitwisselingsmembraan in een PEM/SPE-cel, is de dunne laag die protonen doorlaat en tegelijkertijd de waterstof- en zuurstofgasstromen gescheiden houdt. Aan weerszijden van dat membraan zitten de elektroden, voorzien van een katalysatorcoating – meestal platina of iridium – die de reactie efficiënt laat verlopen. Omdat deze drie onderdelen van verschillende materialen zijn gemaakt en op verschillende manieren slijten, komt de vraag hoelang een waterstofwaterfles meegaat eigenlijk neer op drie afzonderlijke vragen tegelijk. Het antwoord op elke vraag bepaalt wanneer je daadwerkelijk merkt dat de prestaties van de fles veranderen. Wil je eerst weten hoe het proces precies werkt voordat je leest hoe de onderdelen slijten? De uitleg over de werking van SPE/PEM-elektrolyse beschrijft de reactie waarop dit artikel voortbouwt.

Hoelang gaat de oplaadbare batterij doorgaans mee?

De batterij in een waterstofwaterfles is gebaseerd op dezelfde technologie als die in telefoons, laptops en andere oplaadbare elektronica met USB-C, en veroudert op dezelfde manier. Lithium-ionbatterijen voor consumentenelektronica halen doorgaans ongeveer 300 tot 500 volledige laadcycli voordat hun capaciteit terugloopt tot ongeveer 70 tot 80 procent van de oorspronkelijke capaciteit (bron: Battery University, BU-808: Hoe je de levensduur van lithiumbatterijen verlengt). Een volledige cyclus staat gelijk aan opladen van leeg naar vol. Meerdere gedeeltelijke oplaadbeurten verspreid over een paar dagen kunnen dus samen één volledige cyclus vormen, in plaats van meerdere afzonderlijke cycli.

Waardoor slijt de batterij sneller?

Het doorlopen van laadcycli is niet wat de meeste schade veroorzaakt. Volgens hetzelfde batterijonderzoek versnellen hitte en lange perioden met een volle batterij de capaciteitsafname sterker dan normaal dagelijks gebruik. Daarom verkort een fles die je voortdurend aan de lader laat hangen, of volledig opgeladen in een hete auto of op een zonnige vensterbank bewaart, doorgaans sneller haar bruikbare levensduur dan dagelijks gebruik. Door de fles op te laden wanneer de batterij echt bijna leeg is, in plaats van haar voortdurend bij te laden en wekenlang vol te laten, houd je de levensduur met een eenvoudige gewoonte dichter bij de bovenkant van dat aantal laadcycli.

Van laadcycli naar een realistisch aantal jaren

Hydrion Core is goed voor 15 tot 20 gebruiksbeurten per oplaadbeurt, afhankelijk van de gekozen modus. Eén laadcyclus is voor de meeste mensen dus goed voor een flink aantal dagen. Gebruik je de fles één keer per dag, dan gaat een oplaadbeurt misschien twee tot drie weken mee. Bij dat tempo ligt zelfs de ondergrens van 300 cycli nog ruim meer dan tien jaar in de toekomst. Iemand die de fles twee of drie keer per dag gebruikt, doorloopt de laadcycli sneller en bereikt hetzelfde slijtagepunt al na een paar jaar. Het precieze getal is minder belangrijk dan het verband dat het laat zien: niet de kalenderduur op zichzelf, maar het aantal laadcycli bepaalt wanneer de batterijcapaciteit begint af te nemen. Hoe vaak je de fles dagelijks gebruikt, bepaalt hoeveel jaar die laadcycli voor jou in de praktijk vertegenwoordigen.

Hoe het elektrolysemembraan en de elektroden verouderen

Het membraan en de elektroden slijten niet door capaciteitsverlies zoals een batterij. In plaats daarvan breken ze chemisch en fysiek af aan de oppervlakken waar de reactie plaatsvindt. Als je weet wat die oppervlakken doormaken, kun je normale achteruitgang die met onderhoud te verhelpen is onderscheiden van onomkeerbare slijtage.

Waarom het membraan het kwetsbaardere onderdeel is

In een PEM/SPE-cel wordt het protonuitwisselingsmembraan over het algemeen gezien als het onderdeel dat het gevoeligst is voor slijtage op lange termijn. Onderzoek naar slijtage in een PEM/SPE-stack tijdens de gebruiksduur wijst het membraan aan als het onderdeel dat het kwetsbaarst is voor langdurige schade: het wordt geleidelijk meetbaar dunner, eerst op de grens tussen het membraan en de kathode. Dit wordt veroorzaakt door ongelijke interne temperatuur, spanning, stroming en druk in de cel, en niet door één plotselinge storing (bron: Interne microscopische diagnose van versnelde veroudering van een protonuitwisselingsmembraan in een water-elektrolysestack). Soms kom je verwijzingen tegen naar industriële PEM-elektrolysestacks met een nominale bedrijfsduur van tienduizenden bedrijfsuren, waarbij volledige installaties naar verwachting tien tot twintig jaar meegaan (bron: Protonuitwisselingsmembraan-elektrolyse, Wikipedia). Deze cijfers zijn afkomstig van grote, stationaire industriële systemen die werken met een veel hogere stroomdichtheid en temperatuur dan alles in een fles die je in je hand houdt. Ze beschrijven dus hetzelfde slijtageproces, maar voorspellen niet hoelang een consumentenapparaat meegaat. Ze bevestigen wel dat het membraan geleidelijk dunner wordt; dat gebeurt niet plotseling of onvoorspelbaar.

Waarom de kwaliteit van de coating, en niet alleen het metaal, de levensduur van elektroden bepaalt

De elektroden in een waterstofwaterfles zijn meestal van titanium met een dun laagje platina of iridium. Het is goed om te weten dat het titanium zelf zelden als eerste defect raakt. Onderzoek naar titaniumelektroden met een coating van edelmetaal wijst de coating aan als het zwakke punt: de dunne katalytische laag kan plaatselijk loslaten, de platinadeeltjes op het oppervlak kunnen samenklonteren en zich ongelijkmatig opnieuw afzetten, of het oppervlak kan na verloop van tijd passiveren en minder reactief worden (bron: Degradatiemechanismen ontrafeld van poreuze transportlagen van titanium met een edelmetaalcoating voor waterelektrolysers). Dat is ook de mechanische reden waarom een goedkope elektrode met een dunne coating sneller een lagere opbrengstconcentratie krijgt dan een elektrode met een goed aangebrachte platina- of iridiumcoating. Dit verschil wordt ook genoemd in het artikel over de kosten van waterstofwater over meerdere gebruiksjaren. Met andere woorden: de kwaliteit van de coating zegt meer over hoelang een elektrode goed blijft werken dan het basismetaal eronder.

Signalen dat een fles het einde van haar bruikbare levensduur nadert

Met deze slijtageprocessen in gedachten kun je aan een aantal waarneembare signalen zien welk onderdeel daadwerkelijk veroudert:

• De fles merkbaar vaker moeten opladen voor hetzelfde aantal gebruiksbeurten wijst op capaciteitsverlies van de batterij. Een goed werkend membraan en goede elektroden hebben namelijk geen invloed op hoelang één oplaadbeurt meegaat.
• Een geleidelijke daling van de opbrengstconcentratie die maanden aanhoudt, zelfs vlak na volledig opladen en het goed reinigen van de kamer, wijst eerder op slijtage van de elektroden of het membraan dan op een onderhoudsprobleem.
• Elektrodeoppervlakken die er putvormig of verkleurd uitzien, of waarvan de coating zichtbaar afbladdert – in plaats van bedekt te zijn met een gelijkmatige witte laag mineraalaanslag – wijzen erop dat de coating zelf slijt en dat een reinigingsbeurt dit niet ongedaan maakt.

Verwar een dip die je kunt verhelpen met een fles die aan het einde van haar levensduur is niet

Voordat je aanneemt dat een lagere opbrengst betekent dat de fles versleten is, is het verstandig om de veel vaker voorkomende oorzaak uit te sluiten. In de gebruiksinstructies van Hydrion wordt kalkaanslag op de elektroden genoemd als de belangrijkste reden waarom de PPB-opbrengst na verloop van tijd daalt. Hydrion raadt aan de fles maandelijks met citroenzuur te reinigen; de stappen daarvoor worden uitgelegd in de handleiding voor installatie, dagelijks gebruik en reiniging. Zodra je weet waar je op moet letten, is het verschil eenvoudig te herkennen: een fles die na een goede reiniging weer goed werkt, heeft nog goede elektroden en een intact membraan. De eerdere daling kwam dan door mineraalaanslag en niet door slijtage. Een fles waarvan de prestaties na een grondige reiniging niet herstellen, vertoont het soort achteruitgang dat in dit artikel is beschreven. Dat is het moment waarop er sprake is van echte veroudering van onderdelen en niet van gewoon onderhoud.

Wat dit betekent voor de kosten per gebruiksjaar

Omdat de batterij, het membraan en de elektrodecoating volgens verschillende tijdschema’s slijten, is het meestal de batterij of de elektrodecoating die uiteindelijk de bruikbare levensduur van een fles beperkt, en niet één dramatische storing. Dat heeft praktische gevolgen voor hoe je de waarde beoordeelt: door de aankoopprijs te verdelen over het realistische aantal jaren dat hierboven wordt beschreven, krijg je een nauwkeuriger beeld van de werkelijke gebruikskosten dan wanneer je ervan uitgaat dat een fles eeuwig meegaat of binnen een jaar kapotgaat. De gedetailleerde berekening per liter en over meerdere jaren vind je apart in het volledige kostenoverzicht van waterstofwater. Vergelijk je met deze specifieke slijtagepatronen in gedachten een goedkopere fles met een premium model, dan bespreekt de vergelijking van goedkope en premium waterstofwaterflessen waarin ook defecten zijn meegenomen die afweging rechtstreeks.

Hydrion Core en Hydrion Pulse gebruiken allebei hetzelfde hierboven beschreven SPE/PEM-ontwerp met platina en iridium, maar zijn afgestemd op verschillende opbrengstconcentraties. De slijtagepatronen en realistische levensduur die hier worden besproken, gelden dus voor allebei. Dat is handig om te weten als je modellen vergelijkt voordat je voor het eerst iets koopt, of als je overweegt een oudere fles te vervangen. Bekijk Hydrion Core voor meer informatie over het specifieke model waarvan de batterij- en elektrodegegevens hierboven worden genoemd, of bekijk het volledige assortiment waterstofwaterflessen om de specificaties van verschillende modellen te vergelijken.