Im Jahr 1966 entwickelte General Electric eine Wasserelektrolysezelle auf Basis des Protonenleitungsprinzips mit einer Polymermembran als Elektrolyt. PEM-Zellen wurden 1978 von General Electric auf den Markt gebracht. Derzeit produziert das Unternehmen weniger PEM-Zellen, hauptsächlich wegen der begrenzten Wasserstoffproduktion, der kurzen Lebensdauer und der hohen Investitionskosten. Eine PEM-Zelle hat eine bipolare Struktur, und die elektrischen Verbindungen zwischen den Zellen werden über bipolare Platten hergestellt, die eine wichtige Rolle bei der Ableitung der entstehenden Gase spielen. Anode, Kathode und Membrangruppe bilden die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Die Elektrode besteht üblicherweise aus Edelmetallen wie Platin oder Iridium. An der Anode wird Wasser oxidiert, um Sauerstoff, Elektronen und Protonen zu erzeugen. An der Kathode zirkulieren der von der Anode erzeugte Sauerstoff, die Elektronen und die Protonen durch die Membran zur Kathode, wo sie reduziert werden, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Das Prinzip eines PEM-Elektrolyseurs ist in der Abbildung dargestellt.
PEM-Elektrolysezellen werden üblicherweise für die Wasserstoffproduktion im kleinen Maßstab verwendet. Die maximale Wasserstoffproduktion beträgt etwa 30 Nm³/h und der Stromverbrauch beträgt 174 kW. Verglichen mit alkalischen Zellen deckt die tatsächliche Wasserstoffproduktionsrate von PEM-Zellen nahezu den gesamten Grenzbereich ab. PEM-Zellen können mit einer höheren Stromdichte als alkalische Zellen arbeiten, sogar mit bis zu 1,6 A/cm², und der elektrolytische Wirkungsgrad liegt bei 48–65 %. Da der Polymerfilm nicht temperaturbeständig ist, liegt die Temperatur der Elektrolysezelle häufig unter 80 °C. Hoeller Electrolyzer hat eine optimierte Zelloberflächentechnologie für kleine PEM-Elektrolyseure entwickelt. Die Zellen können bedarfsgerecht gestaltet werden, wodurch der Edelmetallanteil reduziert und der Betriebsdruck erhöht wird. Der Hauptvorteil von PEM-Elektrolyseuren besteht darin, dass sich die Wasserstoffproduktion nahezu synchron mit der zugeführten Energie ändert, was sich an veränderte Wasserstoffbedürfnisse anpasst. Hoeller-Zellen reagieren sekundenschnell auf Laständerungen von 0–100 %. Die patentierte Technologie von Hoeller wird derzeit Validierungstests unterzogen und die Testanlage wird bis Ende 2020 gebaut.
Die Reinheit des von PEM-Zellen erzeugten Wasserstoffs kann bis zu 99,99 % betragen und ist damit höher als die von alkalischen Zellen. Zudem verringert die äußerst geringe Gasdurchlässigkeit der Polymermembran das Risiko der Bildung entzündlicher Gemische, sodass der Elektrolyseur bei äußerst niedrigen Stromdichten arbeiten kann. Die Leitfähigkeit des dem Elektrolyseur zugeführten Wassers muss unter 1 S/cm liegen. Da der Protonentransport über die Polymermembran schnell auf Stromschwankungen reagiert, können PEM-Zellen in verschiedenen Stromversorgungsmodi betrieben werden. Obwohl die PEM-Zelle bereits kommerziell verfügbar ist, weist sie einige Nachteile auf, vor allem die hohen Investitionskosten und die hohen Kosten sowohl der Membran als auch der Elektroden auf Edelmetallbasis. Außerdem ist die Lebensdauer von PEM-Zellen kürzer als die von alkalischen Zellen. In Zukunft muss die Kapazität der PEM-Zelle zur Wasserstofferzeugung deutlich verbessert werden.
Beitragszeit: 02.02.2023