Ионообменная мембрана, использующаяся в электролизерах с ТПЭ, представляет собой перфторированный полимер с функциональными сульфогруппами. Мембрана представляет собой эластичную прозрачную пленку толщиной от нескольких десятков до нескольких сотен микрон с ровной поверхностью. Мембрана обладает высокой химической и электрохимической стабильностью, что обеспечивает ресурс в десятки тысяч часов. При контакте с водой мембрана набухает и происходит диссоциация ионогенных групп, в результате чего ионы водорода получают возможность перемещаться в объеме полимера от одного электрода к другому по системе фиксированных сульфогрупп. Гидратированная мембрана по кислотным свойствам эквивалентна 10 % серной кислоте. Удельное сопротивление мембраны существенно выше сопротивления водных растворов щелочей (11-12 Ом/см при 20°C и 5-6 Ом/см при 80-90°C) и для снижения омических потерь при электролизе целесообразно использовать мембрану толщиной 100-300 мкм (меньшие толщины нежелательны из-за роста скорости переноса газов через мембрану). Достоинства электролизеров с ТПЭ обусловлены следующими факторами: мембрана малопроницаема для газов, что увеличивает надежность работы при повышенном давлении, чистоту газов и безопасность, отсутствие зазора между мембраной и электродами снижает омические потери и повышает общую эффективность, так как отсутствует экранирование электродов пузырьками газа, применение высокодисперсных электрокатализаторов обеспечивает высокую удельную производительность и низкое перенапряжение, использование деионизированной воды в качестве реагента обеспечивает высокую чистоту газов и экологичность в целом. Указанные свойства обеспечивают высокую плотность тока (до 3 А/см²), низкое энергопотребление (до 3,6-3,9 кВт•час/м³ при 1 A/cм²), степень чистоты водорода (более 99,99%). Возможность получения водорода под высоким давлением (до 3,0 МПа и более) непосредственно в электролизере позволяет исключить первую ступень компримирования при хранении водорода под давлением и упрощает его очистку от паров воды. В электролизерах воды с ТПЭ, применяют электрокатализаторы на основе металлов платиновой группы. В качестве материала для коллекторов тока электролизеров используется пористый титан (пористость около 30%) толщиной 600-1000 мкм. Следует отметить, что для защиты коллекторов тока от окисления так же используют металлы платиновой группы (например, наносится пленка Pt с расходом до 1 мг/см²).
