PEMgli elettrolizzatori utilizzano liquidi sottilimembrane a scambio protonico(0,2 mm) ed elettrodi strutturati avanzati, che consentono una resistenza inferiore e una maggiore efficienza. La membrana a scambio protonico in acido perfluorosulfonico (PFSA) possiede stabilità chimica e robustezza meccanica, in grado di resistere a differenziali di pressione elevati fino a 70 Pa. Tuttavia, l'ambiente acido, l'alta tensione e l'evoluzione di ossigeno all'anodo creano un ambiente ossidativo duro. Pertanto, metalli nobili come l'iridio o il platino sono richiesti come materiali per elettrodi, che non solo forniscono stabilità a lungo termine per i componenti della cella, ma anche un'eccellente conduttività elettronica, migliorando così l'efficienza della reazione. L'elevato costo dei catalizzatori in metalli nobili contribuisce alla spesa maggiore degli stack PEM rispetto agli elettrolizzatori alcalini.
Il design diPEMsistemi di elettrolisi sono compatti e semplici, ma sono sensibili alle impurità dell'acqua come ferro, rame, cromo e sodio e sono soggetti a rischi di incendio. Attualmente, l'area dell'elettrodo degli elettrolizzatori PEM si avvicina a 2000 cm², ma rimane un divario significativo per raggiungere gli obiettivi di livello MW con pile singole. Inoltre, l'affidabilità e la durata di vita dei grandi elettrolizzatori PEM di livello MW richiedono ancora una convalida.
I componenti del sistema PEM sono molto più semplici di quelli dei sistemi alcalini, in genere richiedono solo una pompa di circolazione, uno scambiatore di calore, un controllo della pressione e un'apparecchiatura di monitoraggio sul lato dell'anodo (ossigeno). Sul lato del catodo, di solito sono necessari componenti come separatori di gas, apparecchiature di deossigenazione per rimuovere l'ossigeno residuo, essiccatori di gas e compressori. I sistemi PEM possono funzionare in condizioni di pressione atmosferica, differenziale e bilanciata, il che aiuta a ridurre i costi, la complessità del sistema e le spese di manutenzione.
Condizione di pressione bilanciata:Entrambi i lati dell'elettrolizzatore funzionano alla stessa pressione, controllata da valvole che regolano la pressione dell'ossigeno e dell'idrogeno.
Condizioni di pressione atmosferica (<1 atm):Quando l'acqua è presente sull'anodo e la tensione della cella supera la tensione termica neutra della cella a temperatura ambiente, agli elettrodi vengono generati idrogeno e ossigeno.
Condizione di pressione differenziale:L'elettrolita a membrana PEM può funzionare con una differenza di pressione di 3-7 MPa, ma è necessaria una membrana più spessa per migliorare la robustezza meccanica e ridurre la permeazione del gas per garantire l'efficienza. Inoltre, sono in genere necessari catalizzatori extra per convertire l'idrogeno che permea a causa dell'alta pressione in acqua.
