当向 PEM 电解槽模块通入直流电时，在阳极侧会发生氧化反应。水（H₂O）在阳极催化剂的作用下失去电子，分解产生氧气（O₂）和氢离子（H⁺）。反应过程可以表示为：2H₂O - 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺。阳极处于强酸性环境，这对阳极的材料有很高的耐酸性要求，通常会使用一些耐酸的贵金属或其氧化物作为催化剂，以保证反应的高效进行。
纯水 PEM 电解槽模块具有以下优点：
氢气纯度高：
原理方面：质子交换膜只允许氢离子通过，能够有效地隔绝阳极产生的氧气和阴极产生的氢气，防止气体交叉渗透。这使得在阴极侧生成的氢气几乎不含其他杂质气体，纯度非常高，一般可达到 99.99% 以上，仅需简单脱除水蒸气即可满足后续使用要求，无需复杂的气体净化装置。
应用方面：高纯度的氢气在对氢气纯度要求极高的领域，如电子工业（半导体制造、液晶面板制造等）、燃料电池汽车等，具有重要的应用价值，能够确保相关设备的正常运行和性能发挥。
效率高：
低电阻特性：质子交换膜具有良好的质子传导性，膜的厚度可小于 200μm，能有效降低电解过程中的欧姆电阻，减少能量损耗2。同时，PEM 电解槽采用零间距结构，电极与膜之间的接触紧密，进一步降低了电阻，提高了电流传输效率，从而使电解反应能够更高效地进行。
快速反应动力学：电极上的催化剂能够促进水的分解反应，加快氢离子和电子的转移速度，使电解反应在较低的电压下就能以较高的速率进行，提高了能量转换效率。与其他电解水技术相比，PEM 电解水技术在相同的输入能量下，能够产生更多的氢气。
响应速度快：
启动迅速：PEM 电解槽在启动时，由于其结构紧凑、质子传导速度快以及电极反应活性高，能够在短时间内达到稳定的工作状态，启动时间相较于碱性电解水制氢技术快 2 倍以上。这对于需要频繁启停的应用场景，如与可再生能源发电系统配合使用时，具有很大的优势，能够快速响应电力的变化，及时进行氢气的生产。
动态响应好：当输入的电流或电压发生变化时，PEM 电解槽能够迅速调整反应速率，保持较高的效率和稳定性。在可再生能源发电中，由于风能、太阳能等能源的输出功率具有不稳定性和间歇性，PEM 电解槽的快速响应能力可以更好地适应这种变化，实现高效的氢气生产。
安全性高：
气体隔离性好：质子交换膜的良好隔离性能不仅可以保证氢气的纯度，还能防止氢气和氧气在电解槽内混合。如果氢气和氧气混合，在一定条件下可能会引发爆炸等安全事故，而 PEM 电解槽的结构设计有效地避免了这种风险，提高了系统的安全性。
操作压力范围广：PEM 电解槽可以在较高的压力下运行，能够适应不同的工作压力要求。在高压环境下运行，一方面可以提高氢气的储存和输送效率，减少气体压缩的能耗；另一方面，高压环境也有助于提高系统的安全性，降低氢气泄漏的风险1。
结构紧凑：
设计简洁：PEM 电解槽的结构相对简单，主要由膜电极、极板、端板等部件组成，没有复杂的电解液循环系统和气体分离装置，使得整个电解槽的体积较小。这对于空间有限的应用场景，如分布式能源系统、小型加氢站等，具有很大的优势，可以节省安装空间。
易于集成：由于结构紧凑，PEM 电解槽易于与其他设备进行集成，形成一体化的氢气生产系统。例如，可以将 PEM 电解槽与可再生能源发电设备、储氢设备等集成在一起，实现氢气的高效生产、储存和利用，提高系统的整体性能和可靠性。
环境友好：
纯水为原料：使用纯水作为电解液，不涉及到强碱性或强酸性物质的使用，避免了电解液泄漏对环境造成的污染。同时，纯水的获取相对容易，且可以通过简单的处理方法进行回收和循环利用，降低了对水资源的消耗2。
绿色制氢：PEM 电解水制氢过程中，只消耗水和电能，不产生任何有害的废弃物或污染物。如果使用可再生能源（如太阳能、风能等）产生的电能作为输入，那么整个制氢过程就是完全绿色、环保的，可以实现零碳排放，符合可持续发展的要求。
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