Bestimmen der erzeugten H2-Gasmenge über die Stromstärke
Die Stromstärke in Ampere (A) gibt an, wie viele Elektronen je Zeiteinheit durch einen elektrischen Leiter fließen. Fließt der Strom durch eine PEM-Zelle bildet sich aus je zwei durch die Spannungsquelle transportierte Elektronen genau ein Wasserstoffmolekül am negativen Pol der PEM-Zelle. Die Messung der Stromstärke an der PEM-Zelle sollte also identisch mit einer sehr genauen Messung der H2-Gasmenge sein, die ein Inhalator aktuell erzeugt!
Allerdings muss dazu das Gerät geöffnet werden, wodurch die Garantie verfällt. Mithilfe einer Strom-Messzange für Gleichstrom (!) ist die Messung aber zumindest ohne Eingriff in die Elektrik möglich, es genügt dazu ein Stromkabel mit einer Strom-Messzange, wie hier in Bild, zu umgreifen.
Eine echte Gasmengen-Messung am geschlossenen Gerät ist hier beschrieben.
Um diese Aussage zu überprüfen, habe ich einen 300-ml-Inhalator der Firma AUKEWEL aus China geöffnet, die PEM-Zelle von der Steuerung abgeklemmt und direkt mit einem Labornetzteil betrieben, welches in der Lage ist, die erforderlichen, sehr hohen Stromstärken direkt an die PEM-Zelle zu liefern.
Für jede am Labornetzteil eingestellte Stromstärke habe ich dann (so wie hier beschrieben) die Zeit in Minuten gestoppt, die es braucht, um ein Liter Wasser aus einer im Wasser eingetauchten Getränkeflasche durch H2-Gas zu verdrängen. Daraus habe ich berechnet, welche H2-Gasmenge der Inhalator in Abhängigkeit von der Stromstärke in A liefert. Die Messergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgelistet und als Diagramm aufgetragen:
Mein billiges Labornetzteil erlaubt nur die Einstellung und Ablesung von Volt und Ampere auf eine Nachkommastelle genau, aber der lineare Zusammenhang von Ampere und Liefermenge in ml/min ist sehr deutlich erkennbar. Als Mittelwert aus den 7 Messwerten ergibt sich, dass jedes Ampere an Stromstärke ca. 15,8 ml/min an H2-Gas je Minute erzeugt.
Zur Überprüfung der Messung habe ich im Vergleich dazu auch noch einen weiteren 300 ml-Inhalator mit einer schlechten (defekten) PEM-Zelle in gleicher Weise vermessen. Statt der 300 ml/min im Neuzustand erreichte der Inhalator kaum noch 100 ml/min.
Hier liegt der ermittelte Kennwert von 15,2 ml/min je A stimmt damit trotz sehr ineffektiver PEM-Zelle im Rahmen meiner ungenauen Messung mit effektiven PEM-Zelle überein.
Dieser so ermittelte Kennwert von ca. 15,5 ml/min je A sollte also unabhängig vom Erhaltungszustand der PEM-Zelle gelten. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Strom im Ampere und dem H2-Gasstrom in ml/min für den verbauten Membran-Typ in der Zelle. Je nach Erhaltungszustand der PEM-Zelle variiert aber die elektrische Spannung, die erforderlich ist, um die gleiche Stromstärke durch die PEM-Zelle zu erreichen. Weniger effektive oder "abgenutzte" PEM-Zellen verbrauchen also mehr Watt, um damit die gleiche Menge an H2-Gas zu erzeugen.
Durch die PEM-Zelle von einem Inhalator, der 300 ml/min an H2-Gas erzeugt, fließen also ca. 20 A und alleine die Aufspaltung des Wassers werden schon ca. 100 Watt benötigt. Durch Verluste bei der Strom-Wandlung, den Stromverbrauch der Elektronik, und vor allem die Erhitzung der PEM-Zelle (durch Blindstrom?) ist der Stromverbrauch des Inhalators insgesamt noch deutlich höher.
Und hier eine Bauanleitung, wie ein Ampere-Messgerät in einen Inhalator integriert werden kann ...
Badewasser beim Einlassen mit kleinem Inhalator mit H2-Gas anreichern
Meine Versuche mit diesem Wasser-Wirbler, der H2-Gas anstatt Luft ansaugt und in das Wasser einwirbelt, brachten mich darauf, dass nach dem "Willand-Prinzip" es auch recht leicht möglich sein müsste, eine ganze Badewanne voll Wasser mit H2-Gas anzureichern. Dieses Mal habe ich an den Wirbler gleich einen Schlauch angeschlossen, der dann im Badewasser enden soll:
Diese Wirbeldüse habe ich dann in mittig einen Blumenübertopf mit 25 cm Durchmesser eingebaut, der dann als schwimmende Haube das in das Wasser eingewirbelte und unter Wasser austretende H2-Gas immer wieder einfängt (weil es nach oben steigt) und oben erneut dem Wirbler zuführt. So genügen geringe H2-Gas-Mengen, weil das nicht im Wasser gelöste Gas immer wieder "recycelt" wird.
Vor dem Aufdrehen des Wasserhahns wird die auf dem Badewasser schwimmende Haube von einem Inhalator von oben vollständig mit H2-Gas gefüllt und auch während dem Einlassen des Badewassers läuft der Inhalator weiter, um gelöstes H2-Gas ständig im Überschuss zu ersetzen. Damit die Haube auch sicher schwimmt, habe ich einen aufgeblasenen 12-Zoll Schlauch von einem Kinder-Fahrrad stramm bis zum Hauben-Rand gezogen.
Wie erwartet war das durch diese Apparatur eingelaufene Badewasser dann auch wirklich auf 0,2 bis 0,3 ppm H2-Gehalt aufgeladen!
Noch kein sehr hoher Wert, aber schon mal ein guter Anfang. Nur fließen durch diesen VitaTitan-Wirbler leider nur ca. 2,5 Liter Wasser pro Minute und so dauert das Füllen einer ganzen Badewanne mir zu lang.
Daher machte ich den nächsten Versuch mit einem Duschkopf mit 7 Wirbeldüsen desselben Herstellers ("Magic7" genannt), der einen Durchfluss von ca. 11 l/min hat. Ich verwende dazu eine defekte Brause mit Rissen, bei der auch Wasser aus dem Gehäuse spritzt, was unter der Haube aber nicht stört.
Die Wirbel-Kammern dieser Magic7-Dusche arbeiten nur mit einer reiner Zerstäubung des Wassers, also, ohne dass zusätzlich Luft (oder eben H2-Gas) in die Wirbel-Kammer gesaugt, und dort mit "eingewirbelt" wird:
Links: Duschkopf wie geliefert Mitte: Platte mit den 7 Wirbelkammern abgeschraubt
Rechts: einzelne Wirbelkammer mit einer der zwei gegenüber liegenden Schrägbohrungen für den Wassereintritt
Einen solchen Duschkopf wie im oben Bild (nur in schwarz) habe ich dann oben in einen weiteren Blumenübertopf eingebaut, der so wie zuvor auf dem durch die Wirbeldusche einlaufenden Wasser schwimmt. Unter der Haube ist wieder eine reine H2-Gas-Atmosphäre, die von dem Inhalator über den weißen Schlauch (im Bild unten) ständig nachgefüllt wird, um die aus dem Wasser gewirbelten Gase zu kontinuierlich zu verdrängen. (So einen Schlauch kann man aber auch ganz einfach mit Kaffer-Tape innen an die Haube kleben, sodass er ganz oben am Boden der Haube endet. Das ist billiger.)
Links: Blick in die Haube (bestehend aus einem 25 cm Blumen-Übertopf und einem 12" Fahrradschlauch) mit einem schwarzen Duschkopf. (der Duschkopf war gebrochen und spritzt seit dem auch Wasser seitlich aus dem Gehäuse, was in dieser Anwendung aber nicht stört)
Mitte: Einfüllen von H2-Gas mit dem Inhalator vor dem Einlassen des Badewassers.
Rechts: Haube im Schaumbad während dem Einlassen des Badewassers.
Ergebnisse mit der H2-Haube für Badewasser
Ein guter Anfang, der zeigt, dass das "Willand-Prinzip" auch hier wieder funktioniert, aber leider etwas schlechter als erwartet.
Es dauert mit der Duschkopf-Lösung immer noch ca. 30 Minuten, bis die 300-Liter-Badewanne zum Baden gefüllt ist. Bei kaltem Wasser mit 18 °C war das Ergebnis mit 0,5 ppm H2-Gehalt schon recht gut. Aber bei warmem Wasser mit 40 °C und Badeschaum war das Ergebnis nur noch ca. 0,2 ppm.
Gemessen an den primitiven Mitteln (Schlauch, Blumentopf, Fahrradschlauch und Brausekopf) aber doch ein akzeptables Ergebnis finde ich.
Während meinem 30-Minuten-Bad habe ich dann zusätzlich noch einen mit H2-Gas betriebenen "Sprudler" auf den Boden der Wanne gelegt, was aber trotz (oder gerade wegen) dem hohen H2-Gas-Durchfluss von 600 ml/min keinerlei Verbesserung ergab. Die Blasen aus dem Sprudler sind einfach zu viel groß, um einen effektiven Eintrag von H2-Gas zu bewirken.
Bild: verwendeter Sprudelstab von Aquavolta (alternativer Eigenbau, siehe hier)
Das Bad in dem sehr warmen H2-Wasser war sehr angenehm, und meine Haut fühlte sich unmittelbar danach auch irgendwie frischer an.
Meine Frau konnte nach einem kürzeren Bad am Abend lange nicht einschlafen, was für eine "anregende Wirkung" spricht (in dem Fall direkt vor dem Schlafen eher unerwünscht).
Der auf diese simple Weise erreichte H2-Gehalt im Wasser könnte bei längerem Baden auch schon eine gewisse kosmetische Wirkung entfalten, denn diese 
Studie über die Wirkung von Baden in H2-Wasser gegen Fältchen und Hautflecken verwendete 41 °C warmes Wasser mit 0,3 bis 0,7 ppm bei einer Badedauer von nur 10 Minuten.
Versuch einer Optimierung durch Einleiten von H2-Gas in die Wasserleitung (Irrweg)
Meine Idee war, das H2-Gas aus dem Inhalator schon direkt am Wasserhahn in die Zuleitung zu dieser H2-Haube einzuleiten. Mein Inhalator schaltet sich erst bei ca. 2 bar Überdruck mit einer Warnmeldung ab, und ich hatte gemessen, dass der Wasserdruck bei geöffnetem Hahn am Duschkopf sogar noch bis auf 1,2 bar abfällt. Es sollte also möglich sein, das Gas schon in die Wasserzuführung einsprudeln zu lassen. Dazu habe ich mir dieses Teil zur Einspeisung von H2-Gas gebastelt:
Links: Gesinterter Schalldämpfer für Pressluft als "Sprudler" der über ein Rückschlagventil an den Inhalator angeschlossen wird (damit nur Gas ins Wasser und kein Wasser in den Inhalator fließen kann) Rechts: So ragt dann dieser "Sprudler" in die 1/2"-Zuleitung für die H2-Haube.
Links: die fertige Gaseinspeisung Rechts: zu Testzwecken noch mit eingefügtem Manometer am Wasserhahn angeschlossen
Mit der Einspeisung von 600 ml/min H2-Gas stieg dann doch der Druck über 2 bar und der Inhalator streikte, aber mit einer Einspeisung von 300 ml/min blieb der Druck in der Zuleitung zur H2-Haube bei 1,5 bar und das Gas strömte wie geplant mit dem Wasser durch den Duschkopf unter die Haube, um dort die H2-Gas-Atmosphäre aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Also alles funktioniert wie gedacht, aber der H2-Gehalt im Wasser wurde dadurch nicht höher, nur dass so kein zweiter Schlauch zur Haube geführt werden muss, ist etwas eleganter ... also war es viel Aufwand für nichts.
Optimierung mittels einer zusätzlichen Druckpumpe
Meine Druckmessung hatten ja ergeben, dass der Duschkopf beim Einlaufen des Wassers in die Wanne nur mit 1,2 bar betrieben wird, weil mein Hauswasserdruck niedrig ist und die Zuleitungen für das warme Wasser zusätzlich verkalkt sind. Der Hersteller der Magic7-Dusche gibt aber einen idealen Arbeitsdruck von 4,5 bar Wasserdruck an. Vorteilhaft ist aber, dass sich das Badewasser in meiner Wanne nicht abkühlt, weil ich mir eine "Badewanne mit integrierter Fußboden-Heizung" gebastelt habe. So kühlt das Wasser auch während des 30-minütigen Einlassens des Badewassers nicht unter die 40 °C ab. (Als Prüfingenieur liebe ich konstante Test-Bedingungen)
Leider bringt die zusätzliche Druckpumpe aber so gut wie gar nichts. Denn auch bei einem Druck von 4 bar am Wasserhahn werden dieselben H2-Werte erreicht: 0,5 ppm bei Kaltwasser und 0,2 bis 0,3 ppm H2-Gas bei 40 °C warmem Wasser. Schade, ich dachte, es könnte doch eine kleine Verbesserung bewirken.
Effektivität der Ventil-Methode zur Herstellung von H2-Wasser
Bei der Ventil-Methode wird Leitungswasser durch ein Autoventil in druckfrei mit H2-Gas gefüllte Pfandflaschen aus Glas oder PET gespritzt. Dadurch wird das Gas in der Flasche immer weiter zusammengepresst, bis es unter dem gleichen Druck wie die angeschlossene Hauswasserleitung steht. Dann läuft kein weiteres Wasser mehr in die Flasche.
Bei diesem Einspritzen wird schon gleich viel H2-Gas im Wasser gelöst, aber durch die anschließende horizontale Lagerung der Flaschen "reift" das H2-Wasser in dem Sinne, dass ständig weiter H2-Gas unter Druck in das Wasser diffundiert so lange bis ein Gleichgewicht erreicht ist, das sehr nahe an der maximal möglichen Sättigung mit H2-Gas ist.
Deshalb habe ich auch untersucht, wie lange der Vorgang der Sättigung dauert und ob es sinnvoll sein kann, die Flaschen nur teilweise mit drucklosem H2-Gas zu füllen.
Glas ist recht dicht gegenüber einem aus-diffundieren von H2-Gas. Viel durchlässiger gegenüber H2-Gas ist der Kunststoffdeckel. Werden die Flaschen jedoch horizontal gelagert, damit der Deckel unter Wasser bleibt, ist auch der Verlust von H2-Gas durch den Deckel zu vernachlässigen.
Hier eine Messung, wie sich die H2-Konzentration von Wasser in einer 1-Liter Glasflasche erhöht, die zunächst vollständig und drucklos mit H2-Gas gefüllt wurde, und in die dann Leitungswasser mit ca. 2 bar Druck eingespritzt wurde:
Wie man ablesen kann, erreicht der H2-Gehalt im Wasser nach 12 h Lagerung bereits an die 4 ppm und liegt nach ca. 40 Tagen mit ca. 4,7 ppm an der Sättigungsgrenze. In dieser logarithmischen Darstellung folgt der Sättigungsverlauf in etwa einer geraden Linie, was bedeutet, dass logischerweise die Anreicherung zu Beginn sehr schnell und mit zunehmendem H2-Gehalt immer langsamer verläuft.
Anmerkung: Die Beule in der Kurve kann mit einer vorübergehend niedrigeren Lagertemperatur zusammenhängen (kälteres Wasser nimmt mehr H2-Gas auf). Da dir Flaschen aber zum Messen mit den blauen Tropfen geöffnet werden müssen. Jeder einzelne Messpunkt musste also an einer weiteren Flasche bestimmt werden. Es ist daher auch möglich, dass beim Abfüllen dieser Flasche der Hauswasserdruck höher war.
Im Gegensatz dazu sind Kunststoff-Flaschen aus PET gegenüber H2-Gas sehr viel weniger dicht, so dass der Druck und damit auch der H2-Gehalt im Wasser mit der Zeit sinkt, nicht nur, weil sich Gas im Wasser löst, sondern viel mehr, weil H2-Gas durch den Kunststoff diffundiert. (Das demonstriert dieses Experiment mit den schrumpfenden Flaschen besonders gut.)
In einer anderen Versuchsreihe habe ich 0,5-Liter PET-Flaschen in gleicher Weise verwendet, wobei ich die Flaschen unter Wasser mit H2-Gas gefüllt habe, und zwar einmal ganz voll wie zuvor die Glasflasche, und dann noch 3/4, 1/2 und 1/4 voll mit H2-Gas und den Rest voll Wasser belassen.
Beim weiteren Füllen mit Druckwasser unter 2 bar schrumpft dann auch entsprechend das eingefüllte Gas-Volumen und die geladenen Flaschen sehen dann so aus:
Und hier der Verlauf der H2-Sättigung dieser Flaschen in den ersten 4 Tagen:
Man erkennt, dass bei allen unterschiedlich mit H2-Gas gefüllten Flaschen der H2-Gehalt nach ca. 2 Tagen am höchsten ist und dann wieder abfällt, und die Flaschen die nur zur Hälfte oder sogar nur bis zu einem Viertel mit H2-Gas gefüllt wurden, die 4 ppm der anderen beiden Flaschen bei weiten nicht erreichen.
Lagert man diese Flaschen noch länger, wird der Verlust an H2-Gas im Laufe der Zeit gegenüber der Glasflasche besonders deutlich:
Nach 2 Monaten ist der H2-Gehalt in der vollständig mit H2-Gas gefüllten Flaschen auf unter die Hälfte gefallen und in der nur zur Hälfte mit H2-Gas gefüllten Flasche ist gar kein Wasserstoff mehr nachzuweisen.
Schlussfolgerungen:
- Das in Ventil-Flaschen abgefüllte H2-Wasser kann vermutlich viele Monate in liegenden Glasflaschen gelagert werden und wird dabei in den ersten 40 Tagen immer hochwertiger (kommt der maximalen erreichbaren Sättigung sehr nah).
- In PET-Flaschen werden nach 10 Stunden etwa 87 % der maximalen Sättigung erreicht und danach sinkt die Qualität des H2-Wassers kontinuierlich.
- Es ist empfehlenswert, die Flaschen vor dem Füllen mit Wasser vollständig (oder mindestens zur Hälfte) mit drucklosem H2-Gas zu füllen.
Entwicklung der Ventil-Methode
Die super-einfache und günstige Ventil-Methode zur Herstellung von hochwertigen H2-Wasser habe ich im Ergebnis hier beschrieben.
Die Idee dazu hatte ich, nachdem ich festgestellt hatte, dass sich allein schon mittels eines Wasser-Wirbler der am Wasserhahn mit H2-Gas gespeist wird und dessen Wasserstrahl anschließend durch eine reine H2-Atmosphäre fließt, bereits sehr hohe H2-Gehalte im Wasser erreicht werden können. Das führte mich zu dem "Willand-Prinzip" dass H2-Gas schneller vom Wasser aufgenommen wird, wenn man Wasser durch H2-Gas sprüht als, wenn man H2-Gas durch das Wasser sprudeln lässt.
Logisch, dass die H2-Anreicherung dann noch effektiver ist, wenn das Gas dann auch noch unter Druck steht. Und der Druck, den ich ohne Pumpe immer habe, ist der Wasserdruck, den mir die Stadtwerke mit dem Trinkwasser schon liefern.
Ich war zuerst der Ansicht, dass ach das Versprühen sehr wichtig ist damit die Anreicherung schnell erfolgt und darum habe ich zunächst mit viel Mühe Flaschendeckel gebastelt, bei denen das Wasser aus dem Wasserhahn mit Druck erst durch ein Ventil fließt, um den Druck zu erhalten, und dann in die Flasche versprüht wird. Später habe ich festgestellt, dass die H2-Anreicherung ohne die Sprühdüse auch noch schnell genug geht (über Nacht fertig) und es ist dann noch von Vorteil, wenn das Wasser mit einem scharfen Strahl auf die Wasseroberfläche in der Flasche trifft.
Die hier vorgeschlagenen Luft-Wasser-Ventile erzeugen so einen Wasserstrahl und füllen die Flaschen besonders schnell.
So hatte ich kleine Sprühdüsen für Bewässerungssysteme an das Ventil montiert oder geklebt:
Bilder: Erster Versuch mit teurem "Prüfventil" Gewindeadapter und super-feiner Metall-Vernebelungs-Düse
Damit hat es sehr lange gedauert, bis die Flasche gefüllt war, und je geringer der verbleibende Druckunterschied desto mehr wurde der "Nebel" zu "Regen". Daher war der nächste Versuch mit weniger feinen Beregner-Düsen aus Plastik, die ich ein Autoventil für Metallfelgen geklebt habe:
Diese Metallventile passen gerade so in eine PET-Mehrweg-Flasche, aber der Flaschenhals von Glasflasche ist dicker und die Öffnung innen dünner. Daher muss das Ventil zunächst kleiner geschliffen werden. Da ich eine größere Anzahl von Deckeln mit und ohne Sprühdüsen herstellen wollte habe ich zum Rundschleifen eine "Drehbank" simuliert:
Bilder: Eine Überwurfmutter habe ich in die Bohrmaschine gespannt, das zu beschleifende Ventil eingeschraubt und eine Stahl-Feile so lange an das in der Bohrmaschine rotierende Ventil gehalten, bis der Durchmesser klein genug war, um gut in den Hals der Glasflasche zu passen.
Fertig beschliffenes Ventil und Original-Ventil
Bild 2 (Mitte): Als zusätzliche Dichtung habe ich noch einen passenden schwarzen O-Ring in den Deckel eingelegt
Für die PET-Flaschen kann man dieses Metallventil auch so wie es ist in den dünnen Einweg-Deckeln verwenden.
Dabei ist es ganz wichtig, dass man das Loch für das Ventil in den Deckel bohrt, während der Deckel fest auf die Flasche geschraubt ist, weil sonst die dünnen innere Dichtung zerreißt oder nicht durchbohrt wird. (EIn Holzbohrer ist am besten dazu geeignet.)
Bild 1: Hier sieht man die dünne weißliche Dichtung
Bild 2: oben auf das Ventil habe ich wieder einen passenden O-Ring gezogen und eine Unterlegscheibe, die diesen umschließt
Bild 3: Dann quetscht die beim Ventil mitgelieferte Unterlegscheibe den O-Ring gut an, und auch der dünne Deckel hält bis 6 bar Druck wunderbar dicht.
Hier nochmal 0,5 Liter PET-Einwegflaschen mit diesen Ventilen und etwas schöneren Dichtscheiben, so wie ich sie dann in große Menge hergestellt habe.
Wenn man das Wasser nicht wirklich sehr lange lagern will, finde ich die PET-Flaschen die bessere Wahl. Sie sind leichter und man kann merken, ob sie noch richtig unter Druck stehen. Wenn man sie anschlägt, haben sie an die Tischkante schlägt, zeigen Flaschen unter Druck eine andere Elastizität und einen anderen "Klang".
