PEMeletrolisadores utilizam finomembranas de troca de prótons(0,2 mm) e eletrodos estruturados avançados, que permitem menor resistência e maior eficiência. A membrana de troca de prótons de ácido perfluorossulfônico (PFSA) possui estabilidade química e robustez mecânica, capaz de suportar altas diferenças de pressão de até 70 Pa. No entanto, o ambiente ácido, a alta voltagem e a evolução de oxigênio no ânodo criam um ambiente oxidativo severo. Portanto, metais nobres como irídio ou platina são necessários como materiais de eletrodo, que não apenas fornecem estabilidade de longo prazo para os componentes da célula, mas também excelente condutividade eletrônica, aumentando assim a eficiência da reação. O alto custo dos catalisadores de metais nobres contribui para o maior gasto de pilhas PEM em comparação com eletrolisadores alcalinos.
O design dePEMsistemas eletrolisadores são compactos e diretos, mas são sensíveis a impurezas da água, como ferro, cobre, cromo e sódio, e são propensos a riscos de incêndio. Atualmente, a área do eletrodo dos eletrolisadores PEM se aproxima de 2000 cm², mas ainda há uma lacuna significativa para atingir as metas de nível de MW com pilhas únicas. Além disso, a confiabilidade e a vida útil de grandes eletrolisadores PEM de nível de MW ainda exigem validação.
Os componentes do sistema PEM são muito mais simples do que os dos sistemas alcalinos, normalmente exigindo apenas uma bomba de circulação, trocador de calor, controle de pressão e equipamento de monitoramento no lado do ânodo (oxigênio). No lado do cátodo, componentes como separadores de gás, equipamento de desoxigenação para remoção de oxigênio residual, secadores de gás e compressores geralmente são necessários. Os sistemas PEM podem operar sob condições de pressão atmosférica, diferencial e balanceada, o que ajuda a reduzir custos, complexidade do sistema e despesas de manutenção.
Condição de pressão equilibrada:Ambos os lados do eletrolisador operam na mesma pressão, controlada por válvulas que regulam as pressões de oxigênio e hidrogênio.
Condição de pressão atmosférica (<1 atm):Quando há água presente no ânodo e a voltagem da célula excede a voltagem neutra térmica da célula à temperatura ambiente, hidrogênio e oxigênio são gerados nos eletrodos.
Condição de pressão diferencial:O eletrólito de membrana PEM pode operar sob um diferencial de pressão de 3-7 MPa, mas uma membrana mais espessa é necessária para aumentar a robustez mecânica e reduzir a permeação de gás para garantir a eficiência. Além disso, catalisadores extras são normalmente necessários para converter o hidrogênio que permeia devido à alta pressão de volta para a água.
