Är vätgasvatten brandfarligt? De små gasvolymerna i flaskor förklarade

En vätgasvattenflaska använder elektrolys för att tillföra vätgas löst i vattnet, och vätgas är faktiskt brandfarlig, så oron är inte orimlig vid första anblicken. Det som spelar roll i praktiken är en mer avgränsad fråga: hur mycket vätgas en flaska faktiskt producerar och om den mängden, när flaskan används på det sätt den är konstruerad för, någonsin kommer i närheten av de koncentrationer och förhållanden som enligt litteraturen om vätgassäkerhet kan leda till antändning. När man räknar igenom de faktiska volymerna blir svaret en fråga om aritmetik snarare än intuition, och siffrorna hamnar långt under gränsen som skulle göra en tillsluten flaska på köksbänken till en brandrisk.

• Vätgas blandad med luft antänds bara inom ett visst koncentrationsintervall, och en flaska som används på rätt sätt kommer aldrig i närheten av den nedre gränsen.
• Gasvolymen som en flaska producerar, omräknad från den laboratoriemätta koncentrationen av löst vätgas, blir ungefär ett par matskedar, inte en hel tank.
• En explosion kräver både vätgas och ett oxidationsmedel, till exempel syre, i ett slutet utrymme; en öppen, ventilerad flaska i rumsluft skapar inte ett sådant slutet utrymme.

Varför frågan dyker upp

Det korta svaret är att den lilla mängd vätgas som en flaska bildar, när den släpps ut i ett öppet rum på det sätt produkten är avsedd att användas, inte skapar en brandfarlig blandning. Väte är som grundämne brandfarligt, precis som naturgas eller bensinånga är brandfarlig, och det finns ingen anledning att låtsas något annat. Den mer användbara frågan, och den som den här artikeln faktiskt besvarar, är hur mycket gas det finns vid ett givet tillfälle och vilken koncentration och miljö som skulle krävas för att gasen över huvud taget skulle kunna antändas. Sett på det sättet blir fysiken inte längre en ja-eller-nej-fråga som väcker oro, utan en enkel jämförelse mellan en liten, uppmätt mängd och en betydligt högre gräns.

Vad flaskan faktiskt gör när den producerar vätgas

Inuti flaskan delar en PEM/SPE-elektrolyscell upp en del av vattenmolekylerna, så att löst vätgas bildas på ena sidan av membranet och syre, tillsammans med en liten mängd ozon, på den andra. Den fullständiga beskrivningen av elektrolysmekanismen finns i en annan artikel, så här behöver vi bara ta upp resultatet: vätgasen blir löst i själva vattnet i stället för att samlas som en ficka med fri gas. Hydrion Cores automatiska ventilationsband är konstruerat med den skillnaden i åtanke. Det släpper ut biprodukterna syre och ozon ur kammaren medan vätgasen förblir löst i vattnet, så att cellen inte samlar vätgas i ett slutet utrymme på samma sätt som en trycksatt tank skulle göra.

Vad som faktiskt krävs för att något ska vara ”brandfarligt”

Forskning om vätgassäkerhet anger ett intervall för brandfarlighet, inte en enda utlösande gräns. Enligt Sandia National Laboratories är den allmänt vedertagna nedre brännbarhetsgränsen för vätgas i luft, när en flamma sprider sig uppåt, 4 % vätgas räknat i volym. Den gränsen ligger högre, omkring 8,5–9,5 %, för flammor som sprider sig nedåt eller i sfärisk riktning, eftersom vätgas har låg densitet (källa: Flammability Limits of Hydrogen/air Mixtures, Sandia National Laboratories). Det totala brännbarhetsintervallet sträcker sig från cirka 4 % till 74 % vätgas i luft. Vätgasens minsta antändningsenergi är mycket låg nära intervallets mitt, men det krävs betydligt mer energi för att antända en blandning precis vid den nedre gränsen (källa: Hydrogen Safety fact sheet, U.S. Department of Energy). För att nå någon punkt inom intervallet krävs också ett oxidationsmedel. I samma faktablad från Department of Energy står det att en explosion inte kan inträffa i en tank eller ett annat slutet utrymme som enbart innehåller vätgas; även syre måste finnas närvarande, ungefär 10 % rent syre eller 41 % luft, för att blandningen över huvud taget ska kunna bli explosiv.

Löst vätgas i vatten jämfört med fri vätgas i luft – varför LEL inte gäller för själva vattnet

Den nedre brännbarhetsgränsen beskriver vätgas blandad med luft, inte vätgas löst i flytande vatten. Ett glas vätgasvatten på skrivbordet är inte alls en blandning av gas och luft, så 4 %-värdet går inte att tillämpa förrän en del av den lösta vätgasen faktiskt lämnar vattnet och kommer ut i den omgivande luften. Vätgasens flytförmåga, små molekylstorlek och höga diffusionsförmåga innebär också att den, när den väl lämnar vattnet, snabbt sprids uppåt och utåt i stället för att stanna på ett ställe. Det är en stor del av förklaringen till att riktlinjerna för vätgassäkerhet skiljer så tydligt mellan öppna, ventilerade rum och slutna behållare eller inkapslad utrustning.

Vi räknar: hur mycket gas en flaska faktiskt släpper ut

För att beräkna gasvolymen på ett rättvisande sätt använder det här exemplet den oberoende verifierade laboratoriemätningen i stället för marknadsföringsspecifikationen. På produktsidan för Core anges en produktion på ”upp till 5000 ppb”, men den siffran är säljarens angivna maxvärde, inte ett mätresultat. I den oberoende laboratorierapporten för certifieringen av Hydrion Core & Pulse redovisas ett oberoende test utfört av H2 Analytics med gaskromatografi och kalibreringsgaser spårbara till NIST, samt en vattenkvalitetsanalys från SGS Silver State Analytical Laboratory. Vid 20 minuter uppmättes 9,00–9,14 mg/l löst vätgas i en flaska på 375 ml. Det är värt att notera att den testade volymen på 375 ml skiljer sig från kammaren på 300 ml som anges på produktsidan i webbutiken. I det här exemplet används det testade mätvärdet tillsammans med den testade volymen, i stället för att blanda ihop de två.

Om man använder det högsta uppmätta värdet, 9,14 mg/l, för hela flaskan på 375 ml (0,375 l), får man totalt cirka 3,43 mg löst vätgas. Vätgasens molmassa är 2,016 g/mol, så 3,43 mg motsvarar ungefär 0,0017 mol. Vid standardtemperatur och standardtryck upptar en mol av valfri gas 22,4 liter (källa: Avogadros lag, Chemistry LibreTexts), så 0,0017 mol motsvarar cirka 38 ml vätgas, eller ungefär två och en halv matsked. Det här är ett räkneexempel på ett värsta tänkbara scenario: det förutsätter att varje löst vätgasmolekyl i flaskan lämnar vattnet som gas i samma ögonblick, vilket inte är vad som händer vid normal användning. Då förblir vätgasen löst i vattnet och förbrukas när man dricker det i stället för att släppas ut på en gång.

Även med de 38 ml i det här värsta tänkbara scenariot skulle man behöva hålla in all gas, outspädd, i ett slutet utrymme med mindre än en liter luft för att nå den nedre brännbarhetsgränsen på 4 %, eftersom 38 ml delat med 4 % motsvarar en total blandningsvolym på ungefär 950 ml. Jämförelsen är avsiktligt hypotetisk: den beskriver en sluten behållare som endast innehåller den gasen och en liten mängd luft, vilket inte motsvarar hur flaskan öppnas, används eller förvaras.

Varför flaskan inte skapar sådana förhållanden vid normal användning

En vätgasvattenflaska används med öppet lock mellan cyklerna och med locket på under korta stunder vid elektrolys, i vanlig rumsluft. Den fungerar alltså inte som ett slutet tryckkärl som innehåller ren vätgas. Vätgas som lämnar vattnet sprids nästan omedelbart uppåt i rumsluften i stället för att samlas någonstans i närheten av en brandfarlig koncentration, av samma skäl som rör dess flytförmåga och diffusionsförmåga ovan. Trycket som man ibland känner när man öppnar locket, och anledningen till att flaskan har ett litet ventilationshål i botten, är mekaniska detaljer snarare än frågor om brandfarlighet. De behandlas separat i artiklarna om varför flaskan väser eller är svår att öppna och vad ventilationsöppningen i botten är till för.

Rimlig, vanlig användning

Inget av detta ändrar hur du bör använda eller förvara flaskan: följ anvisningarna som medföljer Hydrion Core Vätgasvattenflaska och se den lilla, uppmätta gasvolymen ovan som en jämförelse, inte som ett skäl att ändra dina rutiner. Det är också värt att vara noggrann med själva påståendet. Det korrekta är att den gasvolym som en flaska producerar, vid de koncentrationer den faktiskt uppnår, ligger långt under vad som skulle krävas för att innehållet i en sluten behållare ska bli brandfarligt – inte att löst vätgas inte kan förbrännas under några omständigheter. Den skillnaden gör att lugnande besked grundar sig på samma siffror som artikeln just har gått igenom, i stället för på ett svepande påstående som går längre än vad beläggen stöder. För en bredare genomgång av biverkningar, myter och allmän säkerhet utöver just brandfarlighet kan du läsa artikeln Är vätgasvatten säkert?. Om du vill förstå vad ppb-värdena på vätgasvattenprodukter faktiskt mäter förklarar PPB jämfört med PPM för vätgasvatten enheterna bakom laboratorievärdena som används här.