PEM电解槽以质子交换膜PEM为电解质，以纯水为反应物。由于PEM电解质氢气渗透率较低，产生的氢气纯度高，仅需脱除水蒸气，工艺简单，安全性高；电解槽采用零间距结构，欧姆电阻较低，显著提高电解过程的整体效率，且体积更为紧凑；压力调控范围大，氢气输出压力可达数兆帕，适应快速变化的可再生能源电力输入。

1. PEM电解槽原理 PEM制氢设备

电解槽主要结构类似燃料电池电堆，分为膜电极、极板和气体扩散层。

PEM电解槽的阳极处于酸性环境（pH≈2）、电解电压为1.4~2.0 V，多数非贵金属会腐蚀并可能与PEM中的磺酸根离子结合，进而降低PEM传导质子的能力。

2.催化剂

PEM 电解槽的电催化剂研究主要是Ir、Ru等贵金属/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物，以钛材料为载体的负载型催化剂。当前的阳极铱催化剂载量在1 mg/cm2量级，阴极Pt/C催化剂的Pt 载量约为0.4~0.6 mg/cm2 。意大利研究团队制备的 Ir0.7Ru0.3Ox 催化剂在阳极催化剂总载量为1.5 mg/cm2时，电解池性能可达3.2 A·cm–2@1.85 V。Giner公司研究团队制备出的 Ir0.38/WxTi1-xO2 催化剂在Ir载量为0.4 mg/cm2时的全电池性能达到2 A·cm–2@1.75V，Ir用量仅为传统电极的1/5。膜电极上的铂族催化剂总负载量应降低到0.125 mg/cm2。

Ru 的电催化析氧活性高于 Ir，但稳定性差；通过与 Ir 形成稳定合金可提高催化剂的活性与稳定性。中国科学院大连化学物理研究所制备的 Ir0.6Sn0.4 催化剂，在全电解池测试中的性能为 2 A·cm–2@1.82 V；IrSn 可形成稳定的固溶体结构，与 Sn 形成合金的过程提高了 Ir 的分散性，有助于降低 Ir 载量。

美国可再生能源国家实验室、Giner 公司合作研发了多种金属有机框架（MOF）材料催化剂，价格仅为传统催化剂的 1/20，其中 Co-MOFG-O 催化剂在 0.01 A/cm2 下的过电位为 1.644 V(vs. RHE)，在半电池衰减实验中的性能优于传统 Ir 催化剂，但尚未开展全电池测试。

PEM膜电极 水电解制氢设备

PEM膜产品包括 杜邦公司 Nafion 系列膜、陶氏化学 Dow 系列膜、旭硝子株式会社 Flemion 系列膜、旭化成株式会社 Aciplex-S 系列膜、德山化学公司 Neosepta-F 等。Giner 公司研发的 DSMTM 膜已经规模化生产，相比 Nafion 膜具有更好的机械性能、更薄的厚度，在功率波动与启停机过程中的尺寸稳定性良好，实际电解池的应用性能较优。国产 PEM 产品在试用阶段。

PEM 电解水的阳极需要耐酸性环境腐蚀、耐高电位腐蚀，应具有合适的孔洞结构以便气体和水通过。受限于 PEM 电解水的反应条件，PEM 燃料电池中常用的膜电极材料（如碳材料）无法用于水电解阳极。3M 公司研发了纳米结构薄膜（NSTF）电极，阴阳两极分别采用 Ir、Pt 催化剂，载量均为 0.25 mg/cm2 ；在酸性环境及高电位条件下可以稳定工作，表面的棒状阵列结构有利于提高催化剂的表面分散性。Proton 公司采用直接喷雾沉积法来减少催化剂团聚现象，将载量 0.1 mg/cm2 的 Pt/C 和 Ir，载量 0.1 mg/cm2 的 IrO2 沉积在 Nafion117 膜上；单电解池的应用性能与传统高催化剂载量电解池相似（1.8 A·cm–2@2 V），在 2.3 V 电压下稳定工作 500 h。