Is waterstofwater ontvlambaar? De kleine gasvolumes in flessen uitgelegd

Een waterstoffles gebruikt elektrolyse om opgelost waterstofgas aan je water toe te voegen. Waterstofgas is daadwerkelijk ontvlambaar, dus die zorg is op het eerste gezicht niet onredelijk. In de praktijk is een specifiekere vraag van belang: hoeveel waterstofgas één fles precies produceert, en of die hoeveelheid, wanneer je de fles gebruikt zoals bedoeld, ook maar in de buurt komt van de concentratie en omstandigheden die volgens de literatuur over waterstofveiligheid nodig zijn voor ontbranding. Als je de werkelijke volumes op een rij zet, wordt het antwoord een kwestie van rekenen in plaats van intuïtie. De uitkomsten liggen ver onder de drempel die een fles met de dop erop op je aanrecht tot brandgevaar zou maken.

• Waterstofgas gemengd met lucht ontbrandt alleen binnen een bepaald concentratiebereik. Bij correct gebruik komt een fles nooit in de buurt van de ondergrens daarvan.
• Het gasvolume dat één fles produceert, omgerekend vanuit de in het laboratorium gemeten opgeloste concentratie, komt uit op ongeveer een paar eetlepels, niet op een tank vol.
• Voor een explosie zijn zowel waterstof als een oxidatiemiddel zoals zuurstof nodig in een afgesloten ruimte; een open, geventileerde fles in de lucht binnenshuis zorgt niet voor zo'n afgesloten ruimte.

Waarom deze vraag opkomt

Het korte antwoord is dat de kleine hoeveelheid waterstofgas die een fles produceert, wanneer die in een open ruimte vrijkomt op de manier waarop het product bedoeld is om te worden gebruikt, geen ontvlambaar mengsel vormt. Waterstof zelf is als element ontvlambaar, net zoals aardgas of benzinedamp ontvlambaar is, en daar moeten we niet omheen draaien. De nuttigere vraag, en de vraag die dit artikel daadwerkelijk beantwoordt, is hoeveel gas er op enig moment aanwezig is en welke concentratie en omgeving nodig zijn voordat dat gas überhaupt kan ontbranden. Zo geformuleerd is de natuurkunde geen kwestie meer van angst en een ja-of-nee-antwoord, maar een eenvoudige vergelijking tussen een kleine, gemeten hoeveelheid en een veel hogere drempel.

Wat de fles precies doet wanneer hij waterstof produceert

In de fles splitst een PEM/SPE-elektrolysecel een deel van de watermoleculen, waardoor aan de ene kant van het membraan opgeloste waterstof ontstaat en aan de andere kant zuurstof, samen met een spoor ozon. Het volledige elektrolyseproces wordt elders uitgebreid behandeld; voor dit artikel is alleen de uitkomst van belang: de waterstof lost op in het water zelf, in plaats van zich op te hopen als een hoeveelheid vrij gas. De automatische ontluchtingsband van de Core is ontworpen rond dat onderscheid. Hij laat de bijproducten zuurstof en ozon uit de kamer ontsnappen terwijl de waterstof opgelost blijft in het water, zodat de cel geen waterstofgas ophoopt in een afgesloten ruimte zoals in een drukvat.

Wat er precies nodig is voor ‘ontvlambaar’

In onderzoek naar waterstofveiligheid wordt ontvlambaarheid uitgedrukt als een bereik, niet als één enkel omslagpunt. Volgens Sandia National Laboratories ligt de algemeen aanvaarde onderste ontvlambaarheidsgrens voor waterstof in lucht, bij een vlam die zich naar boven voortplant, op 4 volumeprocent waterstof. Die grens ligt hoger, rond 8,5-9,5%, voor vlammen die zich naar beneden of bolvormig voortplanten, vanwege de lage dichtheid van waterstof (bron: Ontvlambaarheidsgrenzen van waterstof-luchtmengsels, Sandia National Laboratories). Het totale ontvlambare bereik loopt van ongeveer 4% tot 74% waterstof in lucht. De minimale ontstekingsenergie van waterstof is rond het midden van dat bereik erg laag, maar er is aanzienlijk meer energie nodig om een mengsel te ontsteken dat zich precies op de ondergrens bevindt (bron: Informatieblad over waterstofveiligheid, Amerikaans ministerie van Energie). Om een punt binnen dat bereik te bereiken, is ook een oxidatiemiddel nodig. In hetzelfde informatieblad van het ministerie van Energie staat dat er geen explosie kan plaatsvinden in een tank of een andere afgesloten ruimte die alleen waterstof bevat; er moet ook zuurstof aanwezig zijn, ongeveer 10% zuivere zuurstof of 41% lucht, voordat het mengsel überhaupt explosief kan worden.

Opgeloste waterstof in water versus vrij waterstofgas in lucht — waarom de onderste ontvlambaarheidsgrens niet geldt voor het water zelf

De onderste ontvlambaarheidsgrens beschrijft waterstofgas dat met lucht is gemengd, niet waterstof dat is opgelost in vloeibaar water. Een glas waterstofwater op je bureau is helemaal geen gas-luchtmengsel, dus de grens van 4% is pas relevant wanneer een deel van de opgeloste waterstof het water verlaat en in de omringende lucht terechtkomt. Door het drijfvermogen, de kleine molecuulgrootte en de hoge diffusiviteit van waterstof verspreidt het zich bovendien snel omhoog en naar buiten zodra het het water verlaat, in plaats van stil te blijven hangen op één plek. Dat is een belangrijke reden waarom richtlijnen voor waterstofveiligheid open, geventileerde ruimtes heel anders behandelen dan afgesloten verpakkingen of gesloten apparatuur.

De berekening: hoeveel gas er daadwerkelijk uit één fles vrijkomt

Om het gasvolume eerlijk te bepalen, gebruiken we in dit voorbeeld het onafhankelijk geverifieerde laboratoriumresultaat, niet de marketingclaim. Op de productpagina van de Core staat een opbrengst van ‘tot 5000 ppb’, maar dat cijfer is het door de verkoper opgegeven maximum, geen meting. Het onafhankelijke laboratoriumcertificeringsrapport voor de Hydrion Core & Pulse beschrijft een onafhankelijke test door H2 Analytics, met gaschromatografie en kalibratiegassen die herleidbaar zijn tot NIST, en een waterveiligheidspanel van SGS Silver State Analytical Laboratory. Daarbij werd na 20 minuten 9,00-9,14 mg/L opgeloste waterstof gemeten in een fles van 375 ml. Het is goed om ook op te merken dat dit testvolume van 375 ml afwijkt van de kamer van 300 ml die op de productpagina in de winkel staat; in dit voorbeeld gebruiken we de testwaarde samen met het geteste volume, in plaats van die twee door elkaar te halen.

Als je de hoogste gemeten waarde van 9,14 mg/L toepast op de volledige fles van 375 ml (0,375 L), kom je uit op ongeveer 3,43 mg opgeloste waterstof in totaal. De molaire massa van waterstof is 2,016 g/mol, dus 3,43 mg komt neer op ongeveer 0,0017 mol. Bij standaardtemperatuur en -druk neemt één mol van elk gas 22,4 liter in (bron: De wet van Avogadro, Chemistry LibreTexts). Daarom komt 0,0017 mol overeen met ongeveer 38 milliliter waterstofgas, of ongeveer tweeënhalve eetlepel. Dit is een uitgewerkt voorbeeld van het worstcasescenario: het gaat ervan uit dat alle opgeloste waterstofmoleculen in de fles op hetzelfde moment als gas uit het water vrijkomen. Dat gebeurt niet bij normaal gebruik: de waterstof blijft opgelost en wordt gedronken, in plaats van in één keer vrij te komen.

Zelfs bij dat worstcasescenario van 38 ml zou je al dat gas, onverdund, moeten opsluiten in een afgesloten ruimte met minder dan een liter lucht om de onderste ontvlambaarheidsgrens van 4% te bereiken. 38 ml gedeeld door 4% komt namelijk neer op ongeveer 950 ml van het totale mengsel. Die vergelijking is bewust hypothetisch: ze beschrijft een afgesloten ruimte met alleen dat gas en een kleine hoeveelheid lucht. Zo wordt de fles niet geopend, gebruikt of opgeborgen.

Waarom de fles bij normaal gebruik niet voor die omstandigheden zorgt

Een waterstoffles wordt tussen de cycli met de dop eraf gebruikt en is tijdens de elektrolyse kort afgesloten. Hij staat daarbij gewoon in de lucht binnenshuis en is geen afgesloten drukvat met zuivere waterstof. Waterstof die uit het water ontsnapt, verspreidt zich vrijwel onmiddellijk omhoog in de lucht van de ruimte, in plaats van zich ergens op te hopen tot een ontvlambare concentratie, om dezelfde redenen die hierboven zijn beschreven: het drijfvermogen en de diffusiviteit. De druk die je soms voelt wanneer je de dop opent, en de reden dat er een klein ontluchtingsgaatje in de bodem van de fles zit, zijn mechanische kwesties, geen kwesties van ontvlambaarheid. Ze worden apart behandeld in de artikelen over waarom de fles sist of moeilijk opengaat en waarvoor de ontluchtingsopening onderaan dient.

Verstandig, normaal gebruik

Dit verandert niets aan de manier waarop je de fles moet gebruiken of bewaren: volg de instructies die bij de Hydrion Core worden geleverd en beschouw het kleine, gemeten gasvolume hierboven als achtergrondinformatie, niet als reden om je routine aan te passen. Het is ook belangrijk om de bewering precies te formuleren. De juiste uitspraak is dat het gasvolume dat één fles produceert, bij de concentraties die daadwerkelijk worden bereikt, ruim onder de hoeveelheid blijft die in een afgesloten ruimte nodig zou zijn om een ontvlambaar mengsel te vormen. Dat is iets anders dan beweren dat opgeloste waterstof onder geen enkele omstandigheid kan ontbranden. Dat onderscheid zorgt ervoor dat de geruststelling is gebaseerd op dezelfde cijfers die we zojuist hebben besproken, en niet op een algemene bewering die verder gaat dan het bewijs ondersteunt. Voor het bredere beeld van bijwerkingen, mythes en algemene veiligheid, dus niet alleen ontvlambaarheid, lees je het artikel Is waterstofwater veilig?. En als je wilt weten wat de ppb-cijfers op producten met waterstofwater precies meten, legt Waterstofwater: PPB versus PPM de eenheden achter de laboratoriumcijfers in dit artikel uit.