PEMElektrolyseure nutzen dünneProtonenaustauschmembranen(0,2 mm) und hochstrukturierte Elektroden, die einen geringeren Widerstand und eine höhere Effizienz ermöglichen. Die Perfluorsulfonsäure-Protonenaustauschmembran (PFSA) ist chemisch stabil und mechanisch robust und kann hohen Druckunterschieden von bis zu 70 Pa standhalten. Die saure Umgebung, die hohe Spannung und die Sauerstoffentwicklung an der Anode erzeugen jedoch eine aggressive oxidative Umgebung. Daher werden Edelmetalle wie Iridium oder Platin als Elektrodenmaterialien benötigt, die nicht nur eine langfristige Stabilität der Zellkomponenten, sondern auch eine ausgezeichnete elektronische Leitfähigkeit bieten und so die Reaktionseffizienz verbessern. Die hohen Kosten von Edelmetallkatalysatoren tragen zu den höheren Kosten von PEM-Stapel im Vergleich zu alkalischen Elektrolyseuren bei.
Das Design vonPEMElektrolyseursysteme sind kompakt und unkompliziert, reagieren jedoch empfindlich auf Wasserverunreinigungen wie Eisen, Kupfer, Chrom und Natrium und sind anfällig für Brandgefahren. Derzeit nähert sich die Elektrodenfläche von PEM-Elektrolyseuren 2000 cm², es besteht jedoch noch eine erhebliche Lücke, um mit einzelnen Stapeln MW-Ziele zu erreichen. Darüber hinaus müssen die Zuverlässigkeit und Lebensdauer großer PEM-Elektrolyseure auf MW-Niveau noch validiert werden.
Die Komponenten von PEM-Systemen sind viel einfacher als die von alkalischen Systemen und erfordern normalerweise nur eine Umwälzpumpe, einen Wärmetauscher, eine Druckregelung und Überwachungsgeräte auf der Anodenseite (Sauerstoffseite). Auf der Kathodenseite werden normalerweise Komponenten wie Gasabscheider, Sauerstoffentfernungsgeräte zum Entfernen von Restsauerstoff, Gastrockner und Kompressoren benötigt. PEM-Systeme können unter atmosphärischen, Differenz- und ausgeglichenen Druckbedingungen betrieben werden, was zur Reduzierung von Kosten, Systemkomplexität und Wartungsaufwand beiträgt.
Zustand des ausgeglichenen Drucks:Beide Seiten des Elektrolyseurs arbeiten mit demselben Druck, der durch Ventile gesteuert wird, die den Sauerstoff- und Wasserstoffdruck regeln.
Atmosphärendruckbedingung (<1 atm):Wenn sich Wasser an der Anode befindet und die Zellspannung die thermisch neutrale Zellspannung bei Umgebungstemperatur überschreitet, werden an den Elektroden Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.
Differenzdruckbedingung:Der PEM-Membranelektrolyt kann bei einem Druckunterschied von 3-7 MPa betrieben werden, allerdings ist eine dickere Membran erforderlich, um die mechanische Robustheit zu verbessern und die Gaspermeation zu verringern, um die Effizienz sicherzustellen. Darüber hinaus werden normalerweise zusätzliche Katalysatoren benötigt, um Wasserstoff, der aufgrund des hohen Drucks durchdringt, wieder in Wasser umzuwandeln.
