Die AEM-Elektrolyse (Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse) erzeugt grünen Wasserstoff mit einer festen Polymermembran in alkalischer Umgebung. Sie will das Beste aus zwei Welten verbinden: das kompakte, dynamische Zelldesign der PEM-Elektrolyse und die gut verfügbaren Materialien der klassischen alkalischen Elektrolyse – ohne knappe Edelmetalle und ohne PFAS. Dieser Leitfaden erklärt, wie ein AEM-Elektrolyseur funktioniert, wie er sich von PEM und alkalischer Elektrolyse unterscheidet, auf welche Komponenten es ankommt, was die Wasserstoffgestehungskosten treibt und wie CENmat die gesamte Kette vom Material bis zum System abdeckt.
So funktioniert die AEM-Elektrolyse
Jeder Wasserelektrolyseur macht im Kern dasselbe: Er zerlegt Wasser mit elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Die Technologien unterscheiden sich darin, welches Ion durch die Zelle wandert und was die beiden Gase voneinander trennt.
Im AEM-Elektrolyseur übernimmt eine dünne, dichte Anionenaustauschmembran diese Trennung. Sie leitet negativ geladene Hydroxidionen (OH⁻) und hält die Gase zurück. In einer Zelle läuft Folgendes ab:
- An der Kathode nimmt Wasser Elektronen auf und wird zu Wasserstoff und Hydroxidionen reduziert (Wasserstoffentwicklungsreaktion, HER).
- Durch die Membran wandern die Hydroxidionen von der Kathoden- zur Anodenseite.
- An der Anode geben die Hydroxidionen Elektronen ab; es entstehen Sauerstoff und Wasser (Sauerstoffentwicklungsreaktion, OER).
Weil die Zelle alkalisch arbeitet, müssen die Elektroden nicht die stark sauren Bedingungen einer PEM-Zelle aushalten. Das ermöglicht Katalysatoren ohne Edelmetalle und kritische Rohstoffe sowie Membranen ohne PFAS. AEM-Systeme laufen meist mit Reinstwasser oder einem verdünnten alkalischen Elektrolyten – weit weniger aggressiv als die konzentrierte Lauge klassischer alkalischer Anlagen.
Viele Zellen werden zwischen Bipolarplatten in Reihe geschaltet und bilden einen Stack. Zusammen mit Leistungselektronik, Wasseraufbereitung, Gasabscheidung, Trocknung und Steuerung (der Peripherie, auch „Balance of Plant“) ergibt sich das AEM-Elektrolysesystem.
AEM, PEM oder alkalisch: der Vergleich
Jede der drei Niedertemperatur-Technologien löst ein anderes Problem:
- Alkalische Elektrolyse ist ausgereift und kommt mit gut verfügbaren Materialien aus. Sie arbeitet mit einem porösen Diaphragma in konzentrierter Lauge, braucht pro Megawatt mehr aktive Fläche und eignet sich weniger für schnelle Lastwechsel.
- PEM-Elektrolyse ist dank dünner Festmembran kompakt und dynamisch. Die saure Umgebung verlangt aber knappe Edelmetalle an den Elektroden sowie PFAS-basierte Membranen und Ionomere.
- AEM-Elektrolyse nutzt eine Festmembran wie PEM in alkalischer Umgebung wie die klassische Technik. Ziel ist die Kompaktheit der PEM ohne deren Materialrisiken.
| Alkalisch | PEM | AEM | |
|---|---|---|---|
| Separator | Poröses Diaphragma | Protonenaustauschmembran | Anionenaustauschmembran |
| Milieu | Konzentrierte Lauge | Sauer (Reinstwasser) | Reinstwasser bis verdünnter alkalischer Elektrolyt |
| Reifegrad | Sehr hoch | Hoch | Jung, Skalierung auf 100-kW-Systeme |
| Edelmetalle | Nicht nötig | Erforderlich | Nicht nötig |
| PFAS in Membran und Ionomer | Meist keine | Ja (PFSA) | Nicht nötig |
| Zelldesign | Größer, geringere Stromdichte | Kompakt, hohe Stromdichte | Kompakt, hohe Stromdichte |
| Lastfolge | Eingeschränkt | Sehr gut | Gut |
Die offene Flanke der AEM-Technik waren bisher Lebensdauer und Maßstab. Beides entwickelt sich derzeit schnell, wie die Ergebnisse weiter unten zeigen. Mehr zur Materialfrage lesen Sie in Alkalische, PEM- oder AEM-Elektrolyse: die Materialfrage.
Für Einkäufer und Projektentwickler heißt das: Die Technologiewahl ist keine reine Frage von Wirkungsgrad und Preis pro Kilowatt. Ebenso wichtig ist, ob die Materialien in zehn oder zwanzig Jahren noch verfügbar, bezahlbar und zulässig sind – für Ersatzstacks, Überholungen und Erweiterungen. Genau an dieser Stelle setzt die AEM-Elektrolyse an. Wer heute ausschreibt, sollte Materialrisiken deshalb ausdrücklich in die Bewertungskriterien aufnehmen, statt sie erst bei der Ersatzteilplanung zu entdecken.
Die Komponenten eines AEM-Elektrolyseurs
Anionenaustauschmembran
Die Membran leitet Hydroxidionen, trennt Wasserstoff und Sauerstoff und bestimmt einen großen Teil von Zellwiderstand und Lebensdauer. Wichtig sind Ionenleitfähigkeit, mechanische und chemische Stabilität im alkalischen Milieu, Quellung, Gasübertritt und die Art der Montage. Weil AEM alkalisch arbeitet, kann die Membran PFAS-frei sein – die AionFLX™ Familie von CENmat ist es.
Ionomer
Das Ionomer ist der ionenleitende Binder in den Katalysatorschichten. Es verbindet die Katalysatorpartikel mit der Membran, damit die Hydroxidionen die Reaktionszentren erreichen. Stammen Membran und Ionomer aus derselben Materialfamilie, haften und quellen sie verträglich – gut für Leistung und Lebensdauer. Siehe AionFLX™ Ionomer.
Katalysatoren und Elektroden
Die Anode treibt die Sauerstoffentwicklung an, die langsamere und anspruchsvollere Hälfte der Zelle; die Kathode die Wasserstoffentwicklung. In der AEM-Elektrolyse lassen sich beide ohne Edelmetalle und kritische Rohstoffe herstellen. Über die Qualität entscheiden Katalysatoraktivität, Gleichmäßigkeit der Schicht und ihre Haftung über Tausende Stunden. Die OXYGN-Anoden und H2GN-Kathoden von CENmat sind CRM-frei und werden im selben Sprühdruckverfahren gefertigt.
CCM oder CCS
Für die Katalysatorschicht gibt es zwei Hauptwege. Bei der katalysatorbeschichteten Membran (CCM) sitzt die Schicht direkt auf der Membran, beim katalysatorbeschichteten Substrat (CCS) auf der porösen Transportschicht. Beide Wege wirken sich auf Grenzflächen, Handhabung und Fertigung aus. Den Vergleich ziehen wir in CCS oder CCM in der AEM-Elektrolyse: Lehren aus NEWELY.
Stack
Im Stack kommen viele Zellen mit Bipolarplatten, Transportschichten, Dichtungen und Endplatten zusammen. Das Stackdesign bestimmt Strömungsverteilung, Verpressung, Wärmehaushalt und die Frage, ob sich Einzelzellergebnisse im großen Maßstab wiederholen lassen. Werte aus wenigen Quadratzentimetern sagen wenig über einen Industriestack; aktive Fläche und Validierung auf Stack-Ebene sind deshalb entscheidend.
System
Das System ergänzt Leistungselektronik, Wasser- und Elektrolytmanagement, Gas-Flüssig-Trennung, Trocknung und Reinigung des Wasserstoffs sowie Sicherheits- und Steuerungstechnik. Für Betreiber entscheidet das System über den Wirkungsgrad an der Anlagengrenze, die Verfügbarkeit und den Wartungsaufwand.
Worauf Sie bei AEM-Lieferanten achten sollten
Weil AEM jünger ist als PEM und die alkalische Elektrolyse, lassen sich Datenblätter noch schwer vergleichen. Fragen Sie vor der Vorauswahl nach:
- Lebensdauer mit Bedingungen: Betriebsstunden, Stromdichte, Temperatur, Elektrolyt und Degradationsrate in µV/h – nicht nur Kennlinien zu Beginn der Lebensdauer.
- Maßstab: aktive Zellfläche und ob Einzelzellergebnisse im Short-Stack bestätigt wurden.
- Materialerklärung: ob Membran, Ionomer und Elektroden PFAS-frei und frei von kritischen Rohstoffen sind – und was in Dichtungen und Peripherie steckt.
- Fertigung: wie Membranen und Elektroden hergestellt werden, in welchen Formaten und wie reproduzierbar von Charge zu Charge.
- Nächster Schritt: kostenpflichtige Muster, Short-Stacks und Pilotprojekte mit klaren Formaten, Mengen und Lieferzeiten.
Mehr dazu in AEM-Elektrolyseur-Komponenten für EU-Auktionen beschaffen.
Wo AEM-Elektrolyseure eingesetzt werden
Die Stärken der AEM-Technik passen besonders gut zu Anwendungen, bei denen kompakte Bauweise, flexibler Betrieb und unkritische Materialien zusammenkommen:
- Dezentrale Erzeugung in der Industrie. Betriebe, die Wasserstoff für Prozesswärme, Schutzgas oder chemische Prozesse vor Ort erzeugen wollen, profitieren von kompakten Stacks und einem schonenden Elektrolyten. Hintergrund dazu: Grüner Wasserstoff für industrielle Prozesswärme.
- Kopplung mit Wind und Photovoltaik. Wo der Strom schwankt, zählt ein Separator, der Gase auch in Teillast sicher trennt. Die dichte Membran ist hier gegenüber dem porösen Diaphragma im Vorteil.
- Projekte mit Materialauflagen. Förderprogramme und Ausschreibungen fragen zunehmend nach Herkunft und Kritikalität der Materialien. Eine Zelle ohne Edelmetalle, kritische Rohstoffe und PFAS vereinfacht diese Nachweise.
- Modulare Skalierung. Vom Short-Stack für die Evaluierung bis zum System lässt sich die Leistung schrittweise ausbauen – mit denselben Materialien auf jeder Stufe.
Welche Variante für Ihren Standort passt, hängt von Bedarfsprofil, Stromquelle und Wasserqualität ab. Sprechen Sie uns an, wenn Sie eine erste Einschätzung brauchen.
CENmat: eine Kette vom Material bis zum System
Viele AEM-Anbieter kaufen Membranen bei einem Lieferanten, Katalysatoren bei einem anderen und setzen beides im eigenen Stack zusammen. Jede dieser Schnittstellen ist ein Qualifizierungsrisiko. CENmat entwickelt die AEM-Elektrolyse vom Material bis zum System – Membran, Ionomer, Elektroden und Stack sind von vornherein aufeinander abgestimmt.
| Ebene | CENmat-Produkt | Was die Daten zeigen |
|---|---|---|
| Membran | AionFLX™ und AionFLX™ Plus | PFAS-frei. AionFLX™ Plus: > 8.000 h bei < 15 µV/h (50 °C, 1 M KOH). Validiert für die Nassmontage, Bögen validiert bis 900 cm². |
| Ionomer | AionFLX™ Ionomer | PFAS-frei, gleiche Materialfamilie wie die Membran. |
| Anode | OXYGN für AEM | CRM-frei; Pulver und katalysatorbeschichtete Elektroden bis 20 × 20 cm. |
| Kathode | H2GN | CRM-frei; Pulver und katalysatorbeschichtete Elektroden bis 400 cm². |
| Zelle | Abgestimmtes Materialset | 2,01 V bei 2 A/cm² (50 °C). |
| Stack | HYScale AEM-Stack | 6-kW-Short-Stack mit 400-cm²-Zellen validiert; gleiche Leistung in Einzelzelle und Stack. |
| System | HYScale 100-kW-System | 900-cm²-Zellen; Fertigung abgeschlossen, in Inbetriebnahme. Ausgelegt für die Skalierung auf 1 MW. |
Die Skalierung läuft über das EU-geförderte Projekt HYScale, das CENmat koordiniert. Den Weg vom Short-Stack zum System beschreibt AEM-Elektrolyseur-Stack: von 6 kW auf 100 kW mit HYScale, die Ergebnisse großflächiger Zellen Großflächige AEM-Elektrolysezellen: HYScale D3.1. Effizienzdaten des 100-kW-Systems veröffentlichen wir nach der Abnahmeprüfung.
Für Hersteller heißt das: Sie steigen auf der Ebene ein, die Sie brauchen – Membran und Ionomer zur Qualifizierung im eigenen Design, ein abgestimmtes Set aus Membran, Ionomer und Elektroden oder Short-Stacks für Evaluierung und Pilotbetrieb. Ein guter Startpunkt sind die Datenblätter.
Auch in der PEM-Elektrolyse ist CENmat aktiv; dort liegt unser Beitrag bei Ultra-Low-Iridium-Katalysatoren. Was das für ein Projekt bedeutet, zeigt unser AEM-vs.-PEM-Rechner.
AEM-Elektrolyse und Wasserstoffgestehungskosten (LCOH)
Die Wasserstoffgestehungskosten (LCOH, Levelised Cost of Hydrogen) sind die gesamten Lebenszykluskosten einer Anlage geteilt durch die erzeugte Wasserstoffmenge. In den meisten Projekten bestimmen drei Hebel das Ergebnis:
- Strompreis und Wirkungsgrad. Strom ist meist der größte Kostenblock. Jedes Millivolt Zellspannung schlägt sich über die Lebensdauer in Kilowattstunden pro Kilogramm nieder.
- Auslastung. Eine Anlage, die fluktuierenden erneuerbaren Energien folgt, muss auch in Teillast und bei häufigen Lastwechseln gut arbeiten.
- Investitionskosten und Stacklebensdauer. CAPEX pro Kilowatt und die Frage, wie oft Stacks getauscht werden müssen.
Bei Investitionskosten und Lebensdauer setzt die AEM-Technik über ihre Materialien an: Ohne Edelmetalle und PFAS hängen die Materialkosten weniger an knappen, volatilen oder regulierten Rohstoffen, und niedrige Degradationsraten verlängern die Intervalle zwischen Stackwechseln. Das Wertversprechen von HYScale: System-Investitionskosten von 400 €/kW und Wasserstoff unter 3 €/kg bei einer Produktion von mehr als 10 MW pro Jahr.
Entscheidend sind Ihre eigenen Zahlen. Mit unserem LCOH-Rechner modellieren Sie Strompreis, Volllaststunden, Investitionskosten und Stacklebensdauer für Ihr Projekt.
Sie entwickeln einen AEM-Elektrolyseur? Bestellen Sie kostenpflichtige Muster von AionFLX™ Membranen, Ionomer und Elektroden oder fordern Sie ein Angebot an – für Materialien, Short-Stacks oder ein Pilotprojekt.
FAQ: AEM-Elektrolyse
Was ist AEM-Elektrolyse?
Wasserelektrolyse mit einer Anionenaustauschmembran, die Hydroxidionen in alkalischer Umgebung leitet. Wie bei PEM und alkalischer Elektrolyse entsteht Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode.
Worin unterscheiden sich AEM- und PEM-Elektrolyse?
Beide nutzen eine dünne Festmembran. PEM leitet Protonen in saurer Umgebung und braucht dafür Edelmetalle und PFAS-basierte Membranen. AEM leitet Hydroxidionen in alkalischer Umgebung und kommt ohne beides aus.
Worin unterscheiden sich AEM- und alkalische Elektrolyse?
Die klassische alkalische Elektrolyse arbeitet mit porösem Diaphragma in konzentrierter Lauge. AEM nutzt eine dichte Membran mit Reinstwasser oder verdünntem Elektrolyten – das erlaubt kompaktere Zellen und weniger Gasübertritt.
Ist die AEM-Elektrolyse reif für die Industrie?
AEM ist eine junge Technologie im Hochlauf. CENmat hat einen 6-kW-Short-Stack mit 400-cm²-Zellen validiert; die Fertigung des 100-kW-HYScale-Systems mit 900-cm²-Zellen ist abgeschlossen, es befindet sich in der Inbetriebnahme.
Wie lange halten AEM-Membranen?
AionFLX™ Plus von CENmat lief im Langzeittest mehr als 8.000 h bei einer Degradationsrate unter 15 µV/h (50 °C, 1 M KOH).
Sind AEM-Elektrolyseure PFAS-frei?
Membranen und Ionomere für AEM können PFAS-frei sein; die AionFLX™ Materialien von CENmat sind es. Dichtungen und Peripheriekomponenten sollten separat geprüft werden.
Wie schätze ich die Wasserstoffkosten eines AEM-Elektrolyseurs ab?
Mit dem LCOH-Rechner und Ihren Werten für Strompreis, Betriebsstunden, Investitionskosten und Stacklebensdauer.