Membraanloze elektrolyse: waterstof maken zonder scheidingswand

Bijgewerkt: 10 augustus 2026 · 5 min leestijd

Elektrolyse is het splitsen van water in waterstof en zuurstof met behulp van elektrische stroom. Het is de sleuteltechniek achter "groene waterstof": als de stroom van zonnepanelen of windturbines komt, ontstaat er een brandstof en grondstof zonder CO2-uitstoot. Vrijwel elke elektrolyser die nu in gebruik is, bevat een membraan: een dun, kunstmatig vlies dat de twee elektroden van elkaar scheidt zodat de geproduceerde gassen niet vermengen. Membraanloze elektrolyse is een onderzoeksrichting die dat vlies probeert te schrappen.

Waarom zou je dat willen? Denk aan een fles slaolie-en-azijndressing. Als je niet schudt, blijven olie en azijn vanzelf gescheiden door hun verschil in dichtheid, zonder dat er een wandje in de fles hoeft te zitten. Membraanloze elektrolysecellen proberen iets vergelijkbaars: ze gebruiken de natuurkunde van stroming en drijfvermogen om waterstofgas en zuurstofgas uit elkaar te houden, in plaats van een fysieke barrière. Dat klinkt eenvoudig, maar is technisch lastig, en de techniek staat nog grotendeels in het laboratorium.

Wat is het precies?

In een klassieke elektrolysecel steek je twee elektroden in water met een geleidend zout of zuur (de elektrolyt). Aan de kathode (min-pool) ontstaat waterstofgas, aan de anode (plus-pool) ontstaat zuurstofgas. Zonder scheiding zouden beide gassen zich door de vloeistof vermengen, en een mengsel van waterstof en zuurstof is bij bepaalde verhoudingen explosief. Daarom zit er meestal een membraan tussen de elektroden: een dun polymeervlies dat wel ionen doorlaat (nodig om de stroomkring te sluiten) maar geen gasbellen.

Dat membraan heeft nadelen. Het is een kwetsbaar en relatief duur onderdeel dat na verloop van jaren slijt en vervangen moet worden. Bekende membranen zoals Nafion, gebruikt in zogeheten PEM-elektrolysers (proton exchange membrane, oftewel protonuitwisselingsmembraan), zijn bovendien gevoelig voor verontreinigingen: het water moet vrijwel volledig gedemineraliseerd zijn, anders raakt het membraan verstopt of beschadigd.

Membraanloze cellen proberen de gasscheiding op een andere manier te regelen. Enkele veelgebruikte principes: laminaire stroming, waarbij vloeistof zo langzaam en gelijkmatig door een kanaal stroomt dat lagen niet mengen, zoals twee rijstroken die netjes naast elkaar blijven lopen zonder in te voegen; opwaartse kracht (drijfvermogen), waarbij gasbelletjes van nature omhoog bewegen en via slim geplaatste uitlaatkanalen worden weggevangen voordat ze bij de andere elektrode kunnen komen; en hoge stroomsnelheden, waarbij het water zo snel door de cel gepompt wordt dat gasbellen simpelweg te weinig tijd hebben om naar de verkeerde kant te migreren. Er is dus geen vast onderdeel dat de scheiding doet, maar een zorgvuldig ontworpen stromingspatroon.

Wat wil men ermee bereiken?

Het hoofddoel is kostenreductie. Membranen worden in de vakliteratuur genoemd als een aanzienlijk deel van de kosten en de faalgevoeligheid van een elektrolysestack (de gestapelde cellen in een elektrolyser). Als je het membraan kunt missen, wordt een cel in theorie eenvoudiger te bouwen, met minder onderdelen die kunnen slijten of vervangen moeten worden.

Een tweede belofte is het gebruik van minder zuiver water. Klassieke membranen eisen gedemineraliseerd water, wat extra zuiveringsstappen en dus kosten met zich meebrengt. Onderzoekers hopen dat membraanloze cellen op termijn beter bestand zijn tegen onzuiverheden, en misschien zelfs bruikbaar worden met brak water of zeewater. Dat zou vooral interessant zijn voor kustgebieden met veel zon of wind maar weinig zoet water.

Dit alles staat in dienst van een groter doel: waterstof goedkoop genoeg maken om op grote schaal te dienen als opslagmiddel voor duurzame stroom en als schone grondstof voor industrie (bijvoorbeeld staal- en kunstmestproductie) en zwaar transport. De kosten van elektrolysers worden algemeen gezien als een van de belangrijkste knelpunten in die opschaling.

Voorbeelden uit de praktijk

Membraanloze elektrolyse is vooral academisch onderzoek. Enkele voorbeelden die regelmatig in de vakliteratuur terugkomen:

Daniel Esposito (Yale, later Columbia University, Verenigde Staten): zijn onderzoeksgroep publiceerde vanaf ongeveer 2014 baanbrekend werk over "opwaartse-kracht-gedreven" (buoyancy-driven) membraanloze elektrolysecellen, waarin gasbellen door hun eigen drijfvermogen naar gescheiden uitlaten worden geleid. Dit werk geldt als een van de vroege proof-of-concepts voor het principe.
David Vermaas (TU Delft, Nederland): onderzoekt al enkele jaren doorstroomcellen (flow-through cellen) zonder membraan, onder meer met het oog op elektrolyse van zeewater, waarbij stromingsprofielen en lokale zuurgraadverschillen helpen om de productgassen uit elkaar te houden.
David Fernández Rivas (Universiteit Twente, eerder TU Eindhoven, Nederland): bestudeert de dynamica van microbelletjes tijdens elektrolyse, kennis die essentieel is voor het ontwerpen van cellen die zonder membraan toch efficiënt en veilig gassen scheiden.

Daarnaast financieren onderzoeksprogramma's zoals het Amerikaanse Department of Energy en Europese Horizon-programma's bredere elektrolyse-innovatie, waaronder incidenteel membraanloze concepten. Een vaak genoemd, verwant maar niet identiek voorbeeld is het Australische bedrijf Hysata, dat een "capillary-fed" elektrolyser ontwikkelde om gasbelvorming te onderdrukken; voor zover bekend gebruikt dat systeem echter nog wel een scheidingslaag en is het dus niet strikt membraanloos. Een groot, becijferd industrieel project specifiek voor membraanloze elektrolyse is ons niet bekend; het blijft vooralsnog vooral labwerk van universiteiten.

Hoe ver is de techniek?

Membraanloze elektrolyse bevindt zich op een laag ontwikkelingsniveau, vaak aangeduid met de term TRL (technology readiness level, een schaal van 1 tot 9 die aangeeft hoe dicht een technologie bij toepassing staat). De meeste gepubliceerde resultaten komen uit centimeter-grote laboratoriumcellen die bij relatief lage stroomdichtheid draaien, ver onder wat commerciële PEM- en alkalische elektrolysers al jaren op industriële schaal halen.

De belangrijkste obstakels zijn schaalvergroting en zuiverheid. Bij grotere cellen en hogere stroomdichtheden wordt het lastiger om te voorkomen dat een klein beetje waterstof in de zuurstofstroom terechtkomt (of andersom); zelfs kleine hoeveelheden zijn een veiligheidsrisico, omdat mengsels van waterstof in zuurstof of lucht al bij enkele volumeprocenten ontvlambaar kunnen zijn. Onderzoekers moeten dus een hoog stroomrendement (het aandeel van de elektrische stroom dat daadwerkelijk zuiver product oplevert) combineren met een compact, robuust ontwerp, iets wat gevestigde membraantechniek na decennia optimalisatie al goed onder de knie heeft.

Kortom: het principe is in het lab herhaaldelijk aangetoond, maar een bewezen, kosteneffectief alternatief voor industriële toepassing is membraanloze elektrolyse nog niet. Het is eerlijker om te spreken van een veelbelovende onderzoeksrichting dan van een technologie die op korte termijn de markt gaat veroveren.

Wie werken eraan?

Het onderzoek wordt vooral gedragen door universitaire groepen in de elektrochemie en stromingsleer, met een opvallend aandeel Nederlandse instituten: TU Delft en Universiteit Twente/TU Eindhoven doen al jaren onderzoek naar bubbeldynamica en membraanloze of membraanarme celontwerpen, vaak in de context van bredere Nederlandse en Europese waterstofprogramma's. In de Verenigde Staten is Columbia University een bekend centrum, samen met diverse nationale laboratoria die via het Department of Energy vroege-fase elektrolyse-onderzoek financieren.

Grote, gevestigde elektrolyserfabrikanten zoals Nel Hydrogen, ITM Power en Thyssenkrupp Nucera richten zich vooralsnog vrijwel volledig op het verbeteren van bestaande, membraangebaseerde PEM- en alkalische technologie; voor zover bekend heeft geen van hen een membraanloos product in productie. Het veld blijft daarmee overwegend academisch, met hier en daar een startup die aanverwante, bubbelarme concepten commercialiseert.