PFAS-freie Bipolarmembranen für die Elektrolyse: REDHy

Die meisten Diskussionen über PFAS in Elektrolyseuren enden bei der Membran: fluorierte Membran ersetzen, Problem gelöst. Im EU-Projekt REDHy haben wir uns eine schwierigere Variante dieser Aufgabe vorgenommen. Wir haben eine Bipolarmembran gebaut – eine saure und eine alkalische Membran, verbunden zu einer einzigen Folie –, und zwar ohne PFAS und ohne kritische Rohstoffe. Anschließend haben wir sie auf eine Größe gebracht, die für echte Zellen zählt.

Dieser Beitrag fasst zusammen, was das Projekt bisher veröffentlicht hat, und erklärt, warum Bipolarmembranen auch außerhalb des Labors Aufmerksamkeit verdienen.

Was REDHy erreichen will

REDHy entwickelt einen redoxvermittelten Weg zu grünem Wasserstoff – ohne kritische Rohstoffe und mit niedrigen Investitionskosten. Ein herkömmlicher Elektrolyseur erzeugt Wasserstoff und Sauerstoff auf beiden Seiten einer Membran in derselben Zelle. REDHy trennt die beiden Schritte: Gelöste Redoxmediatoren transportieren die Elektronen, und die Gase werden in externen Reaktoren freigesetzt. Die Zelle arbeitet damit teils wie ein Elektrolyseur, teils wie eine Redox-Flow-Batterie.

Diese Architektur braucht eine Membran, die auf der einen Seite ein saures und auf der anderen ein alkalisches Milieu aufrechterhält und an der Grenzschicht dazwischen Wasser spaltet. Genau das ist eine Bipolarmembran (BPM). Im Konsortium leiten wir das Arbeitspaket, das für sie verantwortlich ist.

Die Projektziele sind ehrgeizig: 1,5 A/cm² bei 1,8 V pro Zelle, bei 60 °C und 15 bar Wasserstoff-Ausgangsdruck – und jede Komponente frei von kritischen Rohstoffen und fluorierten Polymeren.

Schritt 1: eine PFAS-freie Protonenaustauschmembran

Eine BPM ist nur so gut wie ihre beiden Hälften. Für die alkalische Seite hatten wir bereits AionFLX™, unsere PFAS-freie Anionenaustauschmembran. Der REDHy Zwischenbericht nennt eine Ionenaustauschkapazität von 1,1 meq/g, eine Leitfähigkeit über 80 mS/cm in 1 M KOH bei 50 °C und eine Quellung von rund 20 % – bei einer einfachen, skalierbaren Synthese.

Die saure Seite erforderte neue Entwicklungsarbeit, denn Protonenaustauschmembranen sind fast immer fluoriert. Mit Meilenstein 4 (Juli 2025) haben wir eine neue PFAS-freie Protonenaustauschmembran und ein passendes Ionomer validiert:

Die mechanischen Werte sind genauso wichtig wie die Leitfähigkeit. Eine BPM wird laminiert und als eine Folie verarbeitet. Eine spröde saure Schicht würde an der Grenzschicht reißen, lange bevor sie die Leistung begrenzt.

Schritt 2: eine funktionierende Bipolarmembran bei 1 A/cm²

Beim Verbinden der beiden Schichten scheitern die meisten BPM-Projekte. Die Wasserspaltung an der Grenzschicht braucht einen Katalysator, und viele gute Katalysatoren enthalten kritische Rohstoffe. In REDHy haben wir einen neuen CRM-freien Katalysator für die Wasserdissoziation entwickelt und den Prozess verbessert, mit dem saure Schicht, Grenzschicht und alkalische Schicht zu einer Membran verbunden werden.

Am 27. Februar 2026 erreichte REDHy Meilenstein 5: Bipolarmembranen, die wir gemeinsam mit den Forschungspartnern CNR, DLR und UPV entwickelt haben, wurden als PFAS-frei und CRM-frei validiert und erreichten im Wasserdissoziationsbetrieb 1 A/cm² bei 2 V. Sie werden jetzt in das REDHy System integriert.

Schritt 3: vom Probestück auf 400 cm²

Kleine BPM-Probestücke sind in der Literatur häufig. Große, die sich genauso verhalten wie die kleinen, sind selten. Im Juni 2026 erreichte REDHy Meilenstein 6: Bipolarmembranen mit mehr als 400 cm² Fläche.

Wir haben das Scale-up geleitet. Da AionFLX™ bereits in Folien mit mehr als 900 cm² hergestellt wird, konzentrierte sich die Arbeit auf die neue Protonenaustauschschicht und den Gießprozess. Aus den großen Folien geschnittene Proben wurden in 4-cm²-Zellen getestet und zeigten dieselbe elektrochemische Leistung wie die kleinformatigen Membranen. Genau darauf kommt es an: Der Fertigungsweg ist reproduzierbar und kein Einzelstück. Die AEM-Seite dieser Fertigungsgeschichte beschreiben wir in unserem Beitrag zum Hochskalieren der AEM-Membranfertigung.

Warum das über REDHy hinaus zählt

Bipolarmembranen sind nicht nur für die redoxvermittelte Elektrolyse interessant. Dasselbe Prinzip – eine saure und eine alkalische Seite in einer Folie – nutzt die Elektrodialyse zur Rückgewinnung von Säuren und Laugen, es findet sich in manchen Zelldesigns für die CO₂-Elektrolyse und in Konzepten für verunreinigtes oder salzhaltiges Wasser. In all diesen Anwendungen war bislang meist die Membran das Bauteil, das das System an fluorierte Polymere bindet.

Drei praktische Hinweise für Ingenieurinnen und Ingenieure, die dieses Feld verfolgen:

1. Beide Hälften getrennt prüfen. Ein BPM-Ergebnis sagt wenig aus, solange Leitfähigkeit, Quellung und mechanische Festigkeit jeder Schicht unbekannt sind.
2. Nach dem Maßstab fragen. Die Leistung eines kleinen Probestücks ist ein Anfang. Fragen Sie nach Daten von Proben aus Folien in Produktionsgröße.
3. Fragen, ob der Katalysator an der Grenzschicht CRM-frei ist. Eine PFAS-freie BPM, die an der Grenzschicht auf einen kritischen Rohstoff angewiesen ist, hat das Versorgungsrisiko nur verlagert.

Wo PFAS in einem Elektrolyseur sonst noch stecken, lesen Sie in PFAS-freie Elektrolyseure: Es geht nicht nur um die Membran.

Nächste Schritte

REDHy integriert die großflächigen Bipolarmembranen jetzt in den Short-Stack-Prototyp des Projekts. Weitere Ergebnisse veröffentlichen wir, sobald das Projekt sie freigibt. Unsere aktuellen AEM-Materialien finden Sie auf den Seiten zur AionFLX™ Membran und zum AionFLX™ Ionomer sowie auf der REDHy Projektseite. Sie arbeiten an Prozessen mit Bipolarmembranen und möchten über Muster oder eine Zusammenarbeit sprechen? Kontaktieren Sie uns.

Gefördert durch die Europäische Union. REDHy wird von der Clean Hydrogen Partnership und ihren Mitgliedern im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101137893 gefördert. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind ausschließlich die der Autorinnen und Autoren und spiegeln nicht zwingend die der Europäischen Union oder der Clean Hydrogen Partnership wider.