Im Jahr 1966 entwickelte die General Electric Company eine Wasserelektrolysezelle, die auf dem Protonenleitungskonzept basiert und eine Polymermembran als Elektrolyt verwendet. PEM-Zellen wurden 1978 von General Electric auf den Markt gebracht. Derzeit produziert das Unternehmen weniger PEM-Zellen, hauptsächlich aufgrund 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 Bipolarplatten hergestellt, die eine wichtige Rolle bei der Ableitung der erzeugten Gase spielen. Anode, Kathode und Membrangruppe bilden die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Die Elektrode besteht meist 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 Protonen durch die Membran zur Kathode, wo sie reduziert werden, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Das Prinzip des PEM-Elektrolyseurs ist in der Abbildung dargestellt.
PEM-Elektrolysezellen werden üblicherweise für die Wasserstoffproduktion im kleinen Maßstab verwendet, mit einer maximalen Wasserstoffproduktion von etwa 30 Nm3/h und einem Stromverbrauch von 174 kW. Im Vergleich zu alkalischen Zellen deckt die tatsächliche Wasserstoffproduktionsrate von PEM-Zellen fast den gesamten Grenzbereich ab. Die PEM-Zelle kann mit einer höheren Stromdichte als die Alkalizelle arbeiten, sogar bis zu 1,6 A/cm2, und der elektrolytische Wirkungsgrad beträgt 48 %–65 %. Da der Polymerfilm nicht hochtemperaturbeständig ist, liegt die Temperatur der Elektrolysezelle häufig unter 80 °C. Höller Elektrolyseur hat eine optimierte Zelloberflächentechnologie für kleine PEM-Elektrolyseure entwickelt. Die Zellen können je nach Anforderung ausgelegt werden, wodurch der Edelmetallanteil reduziert und der Betriebsdruck erhöht wird. Der Hauptvorteil des PEM-Elektrolyseurs besteht darin, dass sich die Wasserstoffproduktion nahezu synchron mit der zugeführten Energie ändert, was der Änderung des Wasserstoffbedarfs entspricht. Höller-Zellen reagieren innerhalb von Sekunden auf 0-100 %-Laständerungen. Die patentierte Technologie von Höller 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. Darüber hinaus verringert die extrem geringe Gasdurchlässigkeit der Polymermembran die Gefahr der Bildung brennbarer Gemische, sodass der Elektrolyseur mit extrem niedrigen Stromdichten betrieben werden kann. Die Leitfähigkeit des dem Elektrolyseur zugeführten Wassers muss weniger als 1 S/cm betragen. Da der Protonentransport durch die Polymermembran schnell auf Leistungsschwankungen reagiert, können PEM-Zellen in verschiedenen Stromversorgungsmodi betrieben werden. Obwohl die PEM-Zelle kommerzialisiert wurde, weist sie einige Nachteile auf, vor allem die hohen Investitionskosten und die hohen Kosten sowohl für Membran- als auch für Edelmetallelektroden. Darüber hinaus ist die Lebensdauer von PEM-Zellen kürzer als die von alkalischen Zellen. Zukünftig muss die Kapazität von PEM-Zellen zur Erzeugung von Wasserstoff deutlich verbessert werden.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.02.2023