Grüner Wasserstoff - auf die Dichtung kommt es an!

Warum das winzige Interface zwischen Katalysatormembran und Kunststoffrahmen über die Lebensdauer von Elektrolyseur-Stacks entscheidet — und welche Lösungen Industrie und Forschung entwickeln.

In der öffentlichen Debatte um die Wasserstoffwirtschaft sprechen wir oft über Elektrolyseleistungen im Gigawatt-Maßstab oder kontinentweite Pipelinenetze. Doch der Erfolg dieser Vision entscheidet sich zu einem guten Teil im Stillen – an einem winzigen Interface im Inneren der Elektrolyseure, das kaum jemand kennt: der Verbindung zwischen der Katalysatormembran (CCM) und dem Subgasket-Rahmen. Wie Jan-Justus Schmidt von Enapter es treffend formuliert: „Ohne Dichtungen gibt es keine Elektrolyse“.

Die technische Realität in modernen PEM- und AEM-Elektrolyseuren ist von extremen Belastungen geprägt, da sie im Wechsel-/Dauerbetrieb über 80.000 Stunden hinweg funktionieren sollen. In ihrem Inneren herrschen Temperaturen bis 80(90) °C und Drücke von bis zu 30(80) bar, und einem chemischen Milieu mit pH-Werten bis unter 1 (bei AEM bis über 13). An der kritischsten Stelle trennt dabei eine Folie, die dünner als ein menschliches Haar ist, Wasserstoff und Sauerstoff dauerhaft voneinander (die Protonen- bzw. anionenleitende Membran). Ohne funktionierende Dichtungen an dieser Stelle wäre eine effiziente Elektrolyse technisch unmöglich.

Der Aufbau einer Membrane Electrode Assembly, kurz MEA, besteht aus fünf Schichten und umfasst drei verschiedene Dichtungsebenen. Den Kern bildet die Catalyst Coated Membrane (CCM), die für die Ionenleitung und die elektrochemische Reaktion verantwortlich ist. Diese ist in einen sogenannten Subgasket-Rahmen aus Materialien wie PEN, PTFE, PPS, PPSU, PP oder Kapton® (HT-PEM) eingebettet, der die Membran mechanisch stabilisiert und elektrisch isoliert. Das dominierende Architekturkonzept ist hierbei das Window-Frame Design, bei dem die Membran wie ein Bild in einen Passepartout-Rahmen einlaminiert wird. Die Verbindung zwischen dem Membranrand und der Rahmenfolie ist mit einer typischen Überlappungsbreite von lediglich 0,5 bis 2 Millimetern eine der anspruchsvollsten mechanischen Schnittstellen im gesamten Stack. Über diesem Rahmen liegen die Gasdiffusionsschichten (häufig Kohle- und Titanfasern bzw. Nickel-basierte Materialien) sowie die Bipolarplatten aus Titan oder Edelstahl, welche die Stromleitung und Medienverteilung (Flowfield) übernehmen.

Die Herausforderungen an diese Verbindungsstellen sind vielfältig und umfassen chemische, mechanische sowie elektrische Angriffsebenen. In PEM-Systemen führt die Nafion®-Sulfonsäure zu einem stark sauren Milieu, das über Tausende von Stunden die Polymerketten und Klebstoffe angreift, während in AEM-Systemen ein alkalisch dominierter OH-Ionen-Angriff (vom KOH) stattfindet. Mechanisch wirken je nach System enorme asymmetrische Drücke von bis zu 30(80) bar auf der Wasserstoffseite, die bei jedem Start-Stopp-Zyklus Scherkräfte an der Membranrandkante (Verklebungsbereich) verursachen. Ohne einen gestuften Rahmenrand, der sogenannten "Integrated Edge Protection", führen diese Zyklen nach einiger Zeit zu Mikrorissen und einem Membrandurchbruch. Elektrisch muss das Subgasket zudem Anode und Kathode bei Betriebsspannungen von bis zu 2 Volt pro Zelle über hunderte gestapelte Einheiten hinweg isolieren (moderne Stacks gehen bis über 600V Gesamtspannung), da z.B. Kriechströme zu Effizienzverlusten und lokalem Heißlaufen führen könnten.

Ein oft unterschätztes Risiko stellt das sogenannte Leaching-Problem dar. Klebstoffe enthalten oft Lösungsmittelreste, Tenside oder andere Hilfsstoffe, die im Betrieb als Ionen ausgewaschen werden und in die Membran wandern können. Dort blockieren sie die für die Protonenleitung (PEM-Elektrolyse) notwendigen Sulfonsäuregruppen oder vergiften die Platinkatalysatoren, was eine schleichende, nicht sofort erkennbare Leistungsabnahme zur Folge hat. Besonders kritisch ist die Hydrolyse bei Standard-Acrylatklebstoffen, deren Esterbindungen im sauren Milieu gespalten werden. Während dies in automobilen Anwendungen mit 8.000 Stunden Ziellebensdauer noch tolerierbar sein mag, stellt es für stationäre Elektrolyseure, die 80.000 bis 100.000 Stunden erreichen sollen, ein Ausschlusskriterium dar.

In der industriellen Praxis werden derzeit verschiedene Verfahren zur Verbindung von CCM und Subgasket eingesetzt bzw. erprobt. Der Heat-Seal-Prozess gilt dabei noch immer als Goldstandard für Standzeiten über 40.000 Stunden, da er hydrolytisch stabil ist, wenngleich er einen erheblichen Wärmeeintrag (Taktzeit) erfordert. Alternativ kommen PSA-Acrylate zum Einsatz, die eine kostengünstige Kalt-Lamination im Rolle-zu-Rolle-Verfahren ermöglichen, jedoch ein höheres Risiko für Hydrolyse und Leaching bergen. Neuere Ansätze wie PIB-Hybride oder das Ultraschallschweißen befinden sich teilweise noch in der Pilotphase. Das Ultraschallschweißen bietet dabei den Vorteil einer chemisch reinen Verbindung ohne Klebstoffe und signifikant verkürzte Taktzeiten, ist jedoch technisch noch nicht als Serienstandard etabliert.

Auf den weiteren Dichtungsebenen des Stacks kommen klassische Elastomerdichtungen zum Einsatz. Freudenberg Sealing Technologies nutzt hierfür FKM in PEM-Systemen und EPDM in alkalischen Umgebungen. Ein innovativer Ansatz ist das Overmoulding-Verfahren, bei dem die Dichtung direkt auf die Bipolarplatte oder den Rahmen gespritzt wird. Dies reduziert Montagefehler und erhöht die Stacklebensdauer durch eine feste Einheit von Platte und Dichtung. Für die hohen Drücke im PEM-(und AEM)Elektrolyseur wurden zudem spezielle Nutdichtungen entwickelt, die sich unter Innendruck selbsttätig verstemmen und somit die Dichtwirkung verstärken, anstatt nachzugeben.

Europäische Forschungseinrichtungen und Unternehmen treiben diese Entwicklungen massiv voran. Während Firmen wie CMC Klebetechnik spezialisierte Subgasket-Folien liefern, die auf Hydrolysestabilität und minimales Leaching geprüft sind, arbeiten Institute wie das ZBT Duisburg an der Automatisierung der Klebeprozesse und der Optimierung der Heißpresstechnik. Das Fraunhofer ILT hat zudem im Labormaßstab Verfahren zum Laserschweißen entwickelt, die die Taktzeiten bei der Bipolarplattenfertigung halbieren. In großen EU-Projekten wie MEGASTACK wurde zudem die multiskalige Modellierung der mechanischen Beanspruchung vorangetrieben, was die Grundlage für beschleunigte Lebensdauertests bildete. Die Entwicklungen bei dem schon von der Solartechnik her bekannte Fraunhoferinstitut ISE umfasst die gesamte Wertschöpfungskette – von der Entwicklung effizienter Katalysatoren über die Konzeption der Membrane Electrode Assembly (MEA) bis hin zur Charakterisierung vollständiger Stacks. Das ISE aus Freiburg trägt, wie auch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung ZSW aus Ulm, maßgeblich u.a. zu den Untersuchungen hinsichtlich der Dichtungstechnologien bei.

Die Zukunft der Branche wird deutlich durch die kommende PFAS-Regulierung der EU beeinflusst, da viele bisher genutzte Materialien wie Nafion®, PTFE oder FKM unter diese Regelungen fallen könnten. Projekte wie PROMISERS und ECOPEM erforschen daher bereits PFAS-freie Alternativen auf Kohlenwasserstoffbasis. Firmen wie Ionysis oder Syensqo zeigen erste vielversprechende Lösungen. Dies erfordert jedoch vollständig neue Lebensdauernachweise, da sich das Quellverhalten und die mechanische Belastung dieser Materialien grundlegend unterscheiden. Die strategische Wahl der Materialien und Verbindungsverfahren bereits vor dem Bau eines Elektrolyseurs bestimmt maßgeblich die maximal erreichbare Lebensdauer. Die Dichtungstechnik ist somit kein nachgelagertes Detail, sondern eine zentrale Lösungskomponente für die erfolgreiche Skalierung der Wasserstoffwirtschaft und dem Erreichen des Ziels der Bundesregierung, bis 2030 eine installierte Elektroylseleistung von mindestens 10 Gigawatt zu erreichen (~200 MWel im Feb. 2026; EWI).

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