Das Konzept der Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse ist seit 1973 bekannt. Dennoch handelt es sich um eine relativ junge Technologie, die bereits in industriellem Maßstab verfügbar ist. Zu den wichtigsten Merkmalen der PEM-Elektrolyse gehören eine kurze Reaktionszeit, eine ausreichende Teilleistungsfähigkeit oder Flexibilität und eine hohe Stromdichte. Die neuesten Modelle haben eine Nennleistung im zweistelligen Megawattbereich.

Funktion

Als Protonenträger dienen Wassermoleküle. Flüssiges Wasser wird der Anode zugeführt und gespalten. Die beiden Protonen (H⁺), die dabei entstehen, diffundieren durch die Membran zur Kathode, wo sie mit Elektronen zu Wasserstoff kombiniert werden. Ein Elektrolytkreislauf ist nicht erforderlich.

Aufbau

Ein zentraler Zellbestandteil ist die Membran-Elektroden-Einheit (kurz MEA). Die MEA besteht beidseitig aus dem jeweiligen Katalysator-Elektrodenverbund und einer Feststoff- Polymembran (SPA).

Die Protonleitende- Polymembran ist eine semipermeable Membran aus Ionomeren. Ionomere gehören zur Gruppe der Thermoplaste, haben aber gegenüber den Thermoplasten den Vorteil, dass in ihnen Ionenbindungen wirksam werden und sie im Gegensatz zu den meisten Kunststoffen als Elektrolyte eingesetzt werden können.  Die PEM sorgt durch ihre Gasundurchlässigkeit dafür, dass sich die Produkte Wasserstoff und Sauerstoff nicht vermischen. Bei diesem Verfahren hat der Wasserstoff eine höhere Reinheit als bei anderen Elektrolyseverfahren.

Die Aufgabe der Ionomere ist es, Protonen durchzulassen, damit das auf der Anodenseite gebildete H⁺-Ion zur Kathodenseite diffundieren kann. Das Katalysator-Elektrodenpaar auf der Wasserstoffseite besteht heute meist aus Kohlenstoffmaterialien auf Platinbasis.  Die Sauerstofferzeugung an der Anode ist mit wesentlich höheren Überspannungen verbunden als an der Kathode. Als Katalysatoren werden heute fast ausschließlich iridiumbasierte Systeme IrO₂ verwendet, die auch mit dem sehr aktiven Ruthenium kombiniert werden.

Iridium ist eines der seltensten Elemente in der Erdkruste und entsprechend teuer. Daher ist die Entwicklung von alternativen Katalysatoren auf der Anodenseite ein Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung der PEM.

Vorteile

• Aufgrund der weniger komplexen Peripherie ist die PEM-Elektrolyse sehr dynamisch und für die Kopplung mit schwankenden Stromquellen besser geeignet als die alkalische Elektrolyse.
• Ein Kaltstart dauert nur etwa 15 Minuten.
• Im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse sind höhere Lastgradienten möglich.
• Hohe Reinheit des Wasserstoffs bleibt auch im Teil- und Überlastbetrieb erhalten.

Nachteile

• Bedarf an seltenem Metall Iridium