PFAS-freie Elektrolyse: Fluorfreie Materialien als Bausteine einer neuen Wasserstofftechnologie

Europa plant den schrittweisen Ausstieg aus PFAS-Stoffen, die in PEM-Elektrolyseuren bislang unverzichtbar sind. Sie stecken in Membranen, Katalysatorschichten, Gasdiffusionslagen und Dichtungen und sorgen dort für Protonenleitfähigkeit und chemische Stabilität. »FASTCH2ANGE« entwickelt erstmals eine vollständig PFAS-freie PEM-Elektrolysezelle und ersetzt dabei alle vier Komponentenfamilien gleichzeitig. Das europäische Konsortium demonstriert die Technologie auf TRL4: in einer 25-cm²-Zelle und in einem erstmaligen PFAS-freien 5-Zellen-Stack. So entstehen neue fluorfreie Materialien und belastbare Vergleichsdaten für die Branche.

Ausgangslage

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) erfüllen in der PEM-Elektrolyse zentrale Funktionen: Sie sorgen in Membranen und Katalysatorschichten für hohe Protonenleitfähigkeit und chemische Stabilität und werden zudem in Beschichtungen der Gasdiffusionslagen und in Dichtungen eingesetzt. Da einige dieser Stoffe als toxikologisch bedenklich eingestuft werden, ist mit einer künftigen Beschränkung zu rechnen. Damit steht die Branche vor der Herausforderung, den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft zu bewältigen, obwohl der Ersatz zentraler Materialien noch nicht verfügbar ist: Fluorfreie Alternativen erreichen bisher nicht die Leitfähigkeit und Lebensdauer der etablierten Werkstoffe. Zudem fehlen standardisierte Charakterisierungsprotokolle und Vergleichsdaten, um Kandidaten verlässlich bewerten zu können.

Ziel

»FASTCH2ANGE« will PFAS in der PEM-Elektrolysezelle vollständig ersetzen und dabei nicht einzelne Komponenten optimieren, sondern alle fluorhaltigen Bauteile gleichzeitig substituieren. Leitgedanke ist ein »sustainable-by-design«-Ansatz: Nachhaltigkeit und Schadstofffreiheit werden von Anfang an mitentwickelt statt nachträglich korrigiert. Entwickelt und validiert werden vier fluorfreie Komponentenfamilien: Protonenaustauschmembranen, Katalysatorschichten, Transport- und Gasdiffusionslagen sowie Dichtungen. Sie sollen bis Projektende auf TRL4 demonstriert werden. Ein weiteres Ziel ist die Harmonisierung der Prüfmethoden auf europäischer Ebene, damit fluorfreie Materialien vergleichbar bewertet werden.

Lösungsansatz

Die PFAS-freien Membranen basieren auf hybriden organisch-anorganischen Ionomeren, die über Sol-Gel-Chemie synthetisiert werden. Verwandte Ansätze dienen der wasserabweisenden Beschichtung der Gasdiffusionslagen und der Entwicklung fluorfreier Dichtungswerkstoffe; für die Katalysatorschichten entstehen fluorfreie Beschichtungsdispersionen und angepasste Auftragsverfahren. Das Fraunhofer ISE leitet die Test- und Charakterisierungsarbeiten: In der etablierten 4-cm²-Referenzzelle werden die Werkstoffe der Partner mit hohem Durchsatz elektrochemisch bewertet und neue Prüfprotokolle entwickelt, die anschließend auf größere Zellflächen übertragen werden. Ein KI-basierter digitaler Zwilling überträgt die Messdaten auf die Systemebene und prognostiziert, wie sich die neuen Materialien im realen Anlagenbetrieb verhalten.

Das Projekt »FASTCH2ANGE«  wird von der Clean Hydrogen Partnership gefördert. Das Projekt ist mitfinanziert von der Europäischen Union.