PEM versus alkalische elektrolyse in waterstofinhalatoren: waarom het elektrolyttype ertoe doet

Waterstofinhalatiemachines produceren hun gas met een van twee elektrolysemethoden: protonenuitwisselingsmembraanelektrolyse (PEM), waarbij gebruik wordt gemaakt van een vast polymeermembraan en een katalysator uit de platinagroep, of alkalische elektrolyse, waarbij een vloeibare oplossing van kaliumhydroxide (KOH) en een poreus diafragma worden gebruikt. Het type elektrolyt is van belang, omdat een bijtende vloeistof in de gasproducerende cel andere technische vraagstukken met zich meebrengt dan een vast membraan. Als je weet welke technologie een bepaalde machine gebruikt, kun je de specificaties vóór aankoop goed beoordelen, in plaats van pas achteraf.

• Bij PEM-elektrolyse bevindt zich geen vloeibare elektrolyt in het gastraject: protonen bewegen door een vast membraan en de elektrolyser gebruikt doorgaans een katalysator uit de platinagroep om de reactie efficiënt te laten verlopen.
• Bij alkalische elektrolyse wordt een vloeibare KOH-oplossing gebruikt. Het poreuze diafragma dat de waterstof- en zuurstofstromen scheidt, moet een evenwicht vinden tussen elektrische efficiëntie en het tegenhouden van gas (en daarmee ook elektrolytnevel) zodat die niet naar de andere kant kan doordringen.
• Kaliumhydroxide is een onafhankelijk gedocumenteerde irriterende stof voor de ogen, de huid en de luchtwegen, met een door de overheid vastgestelde blootstellingsgrens. Dat feit staat op zichzelf; het zegt niet zonder meer of het ontwerp van een bepaalde inhalator voor consumenten ervoor zorgt dat de stof in het ademgas terechtkomt.
• Het vermelde katalysatormateriaal is een van de betrouwbaardere aanwijzingen voor de gebruikte methode: platina of coatings uit de platinagroep wijzen op PEM, terwijl katalysatoren op nikkelbasis op alkalische elektrolyse wijzen. De prijs is een ruwe aanwijzing voor hetzelfde verschil, maar geen bewijs.

Wat PEM-elektrolyse betekent voor een waterstofinhalator

In een PEM-elektrolyser wordt water bij de anode gesplitst in zuurstofgas en positief geladen waterstofionen. Die ionen bewegen door een dun, vast polymeermembraan naar de kathode, waar ze elektronen opnemen en zich opnieuw verbinden tot waterstofgas (bron: U.S. Department of Energy, Waterstofproductie: elektrolyse). Het membraan zelf is een dun vel vast materiaal, geen tank met vloeistof. Er is dus geen vrijstaande elektrolyt waar het gas doorheen hoeft of die het op weg naar de uitgang kan meenemen.

Omdat het membraan protonen efficiënt moet verplaatsen, combineren PEM-systemen het doorgaans met een katalysator van een platinagroepmetaal die op het membraanoppervlak is aangebracht (bron: Waterelektrolyse, Wikipedia). Platina is duur om in te kopen en aan te brengen. Dat is een van de redenen waarom PEM-machines doorgaans duurder zijn om te bouwen dan een vergelijkbare alkalische machine. Daar staat tegenover dat het ontwerp met een vast membraan het specifieke technische probleem vermijdt dat bij alkalische systemen moet worden beheerst: de vloeibare elektrolyt volledig gescheiden houden van de twee gasstromen die het systeem produceert.

Wat alkalische (KOH-)elektrolyse betekent en waarom de elektrolyt van belang is

Alkalische elektrolyse berust op hetzelfde basisprincipe: water splitsen met elektrische stroom. In plaats van een vast membraan wordt echter een vloeibare elektrolyt gebruikt: een oplossing van kalium- of natriumhydroxide vult de cel, en hydroxide-ionen bewegen van de kathode naar de anode terwijl waterstof zich bij de kathode vormt (bron: U.S. Department of Energy, Waterstofproductie: elektrolyse). Die vloeibare elektrolyt is het belangrijkste verschil met PEM en ook de reden waarom alkalische machines doorgaans de goedkopere optie zijn: ze gebruiken meestal katalysatoren op nikkelbasis in plaats van de platinagroepmetalen die een PEM-membraan nodig heeft (bron: Waterelektrolyse, Wikipedia).

In plaats van een vast membraan scheidt een alkalische cel de waterstof- en zuurstofstromen met een poreus diafragma dat in de vloeibare elektrolyt is geplaatst. Dat diafragma moet twee doelen dienen die met elkaar op gespannen voet staan: een poreuzer, dunner diafragma verlaagt de elektrische weerstand en maakt de cel efficiënter, maar die grotere porositeit hangt ook samen met meer gasoverdracht tussen de waterstof- en zuurstofzijde (bron: Alkalische waterelektrolyse, Wikipedia). Met andere woorden: de ontwerpkeuze die een alkalische cel goedkoper maakt in gebruik, maakt het tegelijkertijd moeilijker om de gasscheiding te garanderen.

Los van die technische afweging is kaliumhydroxide op zichzelf een erkend gevaar. Het staat te boek als irriterend voor de ogen, de huid en de luchtwegen. Het Amerikaanse National Institute for Occupational Safety and Health hanteert hiervoor een aanbevolen blootstellingsgrens van 2 mg/m3; OSHA heeft geen toelaatbare blootstellingslimiet vastgesteld (bron: NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards, Kaliumhydroxide). Die gevarenclassificatie beschrijft de chemische stof zelf, in de concentraties en omstandigheden die de betreffende instanties hebben onderzocht; het is geen meting van wat een specifieke waterstofinhalator voor consumenten uitstoot.

Als je die twee feiten eerlijk naast elkaar zet, is de redelijke conclusie beperkter dan een kop zou doen vermoeden. Het beschikbare bewijs wijst op een reële technische afweging (een poreuzer diafragma leidt tot meer gasoverdracht) en een reëel chemisch gevaar (KOH is irriterend en er geldt een blootstellingslimiet). Het bewijst niet dat een bepaalde alkalische waterstofinhalator op de markt elektrolytnevel in de lucht laat komen die je inademt. Wat het wel onderbouwt, is de vraag hoe de fabrikant van een specifieke machine met die afweging omgaat, in plaats van ervan uit te gaan dat elke alkalische machine onveilig is of dat ze allemaal in orde zijn.

Zo zie je welke technologie een machine gebruikt

Je hebt geen achtergrond in de scheikunde nodig om dit vóór aankoop te controleren. Meestal staat de informatie gewoon vermeld; als dat niet zo is, zegt ook die ontbrekende informatie iets.

Specificaties lezen

Zoek in de productspecificaties of handleiding naar de woorden "PEM" of "proton exchange membrane" en vergelijk die met "alkaline", "lye" of "KOH". Veel productvermeldingen noemen ook het katalysatormateriaal. Dat is een goede aanvullende controle: een vermelding van een coating van platina of een platinagroepmetaal wijst op PEM, terwijl een katalysator op nikkelbasis op alkalische elektrolyse wijst. Wil je meer weten over de chemie achter SPE/PEM-membranen, waaronder het gebruik van dezelfde technologie in de drinkwatergeneratoren van Hydrion? In deze uitleg over membraantechnologie wordt de werking uitgebreider behandeld dan op één specificatieblad.

Vragen die je vóór aankoop kunt stellen

De prijs is een nuttige aanwijzing, maar op zichzelf geen bewijs: de PEM-membranen en -katalysatoren zijn daadwerkelijk duurder om te produceren. Een veel lagere prijs hangt daarom vaker samen met alkalische elektrolyse dan met PEM. Als een productvermelding spreekt van waterstofoutput "van klinische kwaliteit" zonder de elektrolysemethode te noemen, is het de moeite waard om de verkoper daar rechtstreeks naar te vragen, aangezien de fabrikant al weet welke technologie in de machine zit. Twijfel je nog of inhalatie voor jou wel de juiste vorm is? Deze beginnersgids voor waterstofinhalatietherapie is een beter startpunt. De vraag over elektrolyse maakt deel uit van de bredere checklist in deze koopgids voor het kiezen van een waterstofinhalatiemachine. Wie apart wil weten wat claims als "medische kwaliteit" of "klinisch" vereisen op het gebied van wettelijke goedkeuring, kan terecht bij het geplande artikel over claims rond waterstofinhalatoren van medische kwaliteit. Wie zich breder wil verdiepen in de veiligheid van inhalatie, los van de elektrolytvraag die hier aan bod komt, kan uitkijken naar het geplande artikel over bijwerkingen van waterstofinhalatie.

Waar de Titan in dit plaatje past

Als concreet voorbeeld van hoe dit er op een echt specificatieblad uitziet, vermeldt het specificatieblad van de Hydrion Titan waterstofinhalatiemachine PEM-elektrolyse met een platinacoating met een hoge zuiverheid, naast een vermelde waterstofzuiverheid van 99,99% voor de inhalatiemodi met één, twee en drie uitgangen. Dit is wat de fabrikant over het eigen product vermeldt; het is geen claim die in dit artikel onafhankelijk in een laboratorium is geverifieerd. Het is goed om die informatie ook zo te lezen: als het soort detail dat op een specificatieblad thuishoort, niet als vervanging van tests door een onafhankelijke partij.

De praktische conclusie is eenvoudig. PEM- en alkalische elektrolyse zijn allebei beproefde manieren om water te splitsen in waterstof en zuurstof, en elke methode brengt eigen afwegingen met zich mee op het gebied van kosten, katalysatormateriaal en de scheiding van de twee gasstromen. Controleer vóór je een machine kiest welke elektrolysemethode en welk katalysatormateriaal op het specificatieblad staan, zoals bij de Titan. Beschouw een productvermelding waarin deze informatie ontbreekt als een reden om ernaar te vragen, niet om iets aan te nemen.