Fortschritte und Wirtschaftlichkeitsanalyse der Technologie zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung mittels Protonenaustauschmembran (PEM).

1966 entwickelte die General Electric Company eine Wasserelektrolysezelle auf Basis des Protonenleitungsprinzips mit einer Polymermembran als Elektrolyt. PEM-Zellen wurden 1978 von General Electric kommerzialisiert. Aktuell produziert das Unternehmen nur noch wenige PEM-Zellen, hauptsächlich aufgrund der begrenzten Wasserstoffproduktion, der kurzen Lebensdauer und der hohen Investitionskosten. Eine PEM-Zelle besitzt eine bipolare Struktur. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Zellen werden über Bipolarplatten hergestellt, die eine wichtige Rolle bei der Ableitung der entstehenden Gase spielen. Anode, Kathode und Membran bilden die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Die Elektroden bestehen üblicherweise aus Edelmetallen wie Platin oder Iridium. An der Anode wird Wasser zu Sauerstoff, Elektronen und Protonen oxidiert. An der Kathode zirkulieren die von der Anode erzeugten Sauerstoff-, Elektronen- und Protonenmoleküle durch die Membran zur Kathode, wo sie zu Wasserstoffgas reduziert werden. Das Funktionsprinzip eines PEM-Elektrolyseurs ist in der Abbildung dargestellt.

PEM-Elektrolysezellen werden üblicherweise zur Wasserstofferzeugung im kleinen Maßstab eingesetzt. Sie erreichen eine maximale Wasserstoffproduktion von ca. 30 Nm³/h bei einer Leistungsaufnahme von 174 kW. Im Vergleich zu alkalischen Zellen deckt die tatsächliche Wasserstoffproduktionsrate der PEM-Zelle nahezu den gesamten Leistungsbereich ab. Die PEM-Zelle kann mit einer höheren Stromdichte als die alkalische Zelle arbeiten, sogar bis zu 1,6 A/cm², und erreicht einen Wirkungsgrad von 48–65 %. Da die Polymerfolie nicht hochtemperaturbeständig 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 konstruiert werden, wodurch der Einsatz von Edelmetallen reduziert und der Betriebsdruck erhöht wird. Der Hauptvorteil der PEM-Elektrolyse liegt darin, dass sich die Wasserstoffproduktion nahezu synchron mit der zugeführten Energie ändert, wodurch sie sich ideal für schwankende Wasserstoffbedürfnisse eignet. Hoeller-Zellen reagieren innerhalb von Sekunden auf Laständerungen von 0–100 %. Die patentierte Technologie von Hoeller wird derzeit Validierungstests unterzogen, und die Testanlage wird bis Ende 2020 gebaut sein.

Die Reinheit des von PEM-Zellen erzeugten Wasserstoffs kann bis zu 99,99 % betragen und ist damit höher als die von Alkalizellen. Darüber hinaus reduziert die extrem niedrige Gasdurchlässigkeit der Polymermembran das Risiko der Bildung brennbarer Gemische, wodurch der Elektrolyseur mit extrem niedrigen Stromdichten betrieben werden kann. Die Leitfähigkeit des dem Elektrolyseur zugeführten Wassers muss unter 1 S/cm liegen. Da der Protonentransport durch die Polymermembran schnell auf Leistungsschwankungen reagiert, können PEM-Zellen in verschiedenen Stromversorgungsmodi betrieben werden. Obwohl die PEM-Zelle bereits kommerziell erhältlich ist, weist sie einige Nachteile auf, vor allem die hohen Investitionskosten und die hohen Kosten für Membran und Elektroden auf Edelmetallbasis. Zudem ist die Lebensdauer von PEM-Zellen kürzer als die von Alkalizellen. Zukünftig muss die Wasserstoffproduktionskapazität von PEM-Zellen deutlich verbessert werden.