PEM电解槽电堆是使用水产生氢气和氧气的电解(electrolysis system, EL)系统核心部件。但其只有在EL系统的几个附加组件和其他子系统(即BOP组件)的联合构成下才能运行和操作电堆。
PEM电解系统的基本架构设计原理图。PEM电解系统的布局和架构设计没有通用标准，但该图包括此类系统的所有相关部件和子系统。它类似于碱性电解系统，但由于不存在碱液作为液体电解质，因此不需要气体洗涤器等部件。PEM电解系统的复杂度相比碱性系统因此较低。
尽管每个EL系统的布局设计与其他系统都存在不同，但EL系统及其子系统的典型系统边界依然值得探讨。根据上图，EL系统主要由三部分所组成。PEM电堆是一个化学反应器(chemical reactor)，其中水在直流电的作用下分解成氢气和氧气。
PEM电解系统包括所有外围BOP组件，能确保在所需的操作条件（如温度和压力）下正确操作电堆，并为电堆提供反应物并去除副产物。整流器将输入的交流电转换为稳定的直流电流。阳极侧至少包含一个水泵、一个热交换器、一个去离子器（主要安装在旁路中）、一个气水分离器、一个除雾器和一个控制阀等。
在大多数情况下，上升气体(ascending gases)迫使两相流的自然对流足以为电堆供水。但是，水泵的固定水流量对于确保电堆冷却也至关重要；
需要去离子器来捕获重金属阳离子，例如铁、铬和镍等。这些阳离子可能来自于外围的辅助部件(BOP)或是电堆内金属成分的腐蚀性产物；
气水分离器位于电堆上方，分离来自电堆出口的氧气和水的两相流。根据气水分离器内部的部件设计，安装热交换器和挡板来调节水的温度并降低氧气的气溶胶含量(aerosol content of oxygen)；
随后，气体流经除雾器(coalescent filter，聚结过滤器)，以将留存在氧气流中的细小液滴去除；
在大多数情况下，阴极侧不需要水泵。但是，通过电渗透拖拽力从阳极传输到阴极的水需要与氢气分离并在阴极侧被收集。为此，需要在阴极侧安装一个带除雾器的较小的气/水分离器。
随后，在控制阀之前放置一个热交换器和冷凝水收集器(a condensate trap)以降低露点。最后通过排水阀及液位控制，水被输送回阳极。PEM电解系统还包含根据安装地点和应用所需的其他辅助子系统。
根据安装现场的可用水质，需要一个水净化步骤（例如，反渗透)来净化给水，防止系统中的结垢和电堆降解。给水泵(feed water pump)控制阳极循环回路中的水位。
大多数PEM电解系统都有额外的热交换器，用于水和气体冷却，例如，安装在冷凝水收集器(a condensate trap)前面。冷却装置为这些不同的热交换器提供冷却能量。
通常，在控制阀后安装作为氢气储气罐的缓冲器(buffer tank)，以保证下游应用的恒定氢气流量。
氢气净化装置将气体净化至应用所需的纯度等级。通常，利用两级净化单元。在第一阶段中，剩余的氧和氢以催化方式生成水。在第二阶段中，通过例如在吸附塔(变压吸附[PSA])中除去水分，将氢气干燥至所需的露点。特别是，气体干燥是一个耗能的过程。需要干燥的氢气的部分流动以产生吸附柱，这导致所产生的氢气的损失。
在大气压条件下(atmospheric conditions)操作PEM电解电池是一个格外的简单的过程。一旦阳极有水并且电池电压高于环境和温度下的热中性电池电压，电极处就会产生氢气和氧气。然而，在有关技术的应用装置中，PEM电解系统在压力下运行，为后续应用提供压缩氢气和/或具有更高单位体积内的包含的能量的氧气。
通过对氢气和/或氧气加压，可以消除对外部气体压缩机的需求，由此减少了能源需求。压缩功率只需要能够在系统压力下泵送液态水，这比将产品气体压缩到所需压力要小得多。出于这个原因，(高)加压EL系统的开发是制造商的重点研究对象，目的是进一步提升整体效率。
通常，PEM电解电池或电堆可以在平衡压力和“阳极到阴极”的压差下运行。在前一种情况下，电解电池的两侧在相同的压力下运行，该压力由氧气和氢气调节控制阀控制。
在后一种情况下，氢气侧在高压(HP)下工作，而氧气侧没有或只是轻微加压。差压操作需要完善的电堆设计，因为在这种模式下膜需要承受压差。
差压操作的缺点之一包括LP侧较高的气体流量，因此导致更大的水蒸汽质量分数(冷却，水回收和干燥的工作量更大)。此外，在电极处形成的较大气泡会增加质量传递受限的风险。
平衡压力操作在碱性电解槽中是众所周知的，这是一个经过充分验证的概念。但是，适当精确的压力控制具有挑战性。两个控制阀的高精度控制可以使两个半电池之间的压力差、波动很小。，但一旦控制不准，大的压力波动将会对膜造成机械应力。
质子交换膜电解槽（PEM）是电-氢转换的重要装置，是氢储能、能源脱碳的关键技术路径。质子交换膜电解水制氢槽体主要由质子交换膜、阴阳极催化层、多孔集电器和双极板等构成。高温会促使材料加速老化，在电氢转换的过程中，产生的热量需要被及时地移除，以保持体系温度的稳定性，同时电解槽内温度分布应尽可能均匀。
1）材料：双极板（阴极板，阳极板）、密封胶(PTFE/FKM/NBR)、膜电极等。
3）工艺流程：双极板（阴极板，阳极板）—印刷密封胶—上膜电极—印刷密封胶—UV固化—人工堆叠和热压—压紧—安装外壳以及其他固件—调整和测试。
1.聚四氟乙烯（PTFE）：具有优良的耐腐的能力，可承受强酸、强碱和高温的腐蚀，耐高压，耐磨损，是电解槽方钢跟槽壳处常用的密封材料之一。
2.氟橡胶（FKM）：具有耐腐蚀、耐油、耐高温和高弹性的特性，能够在-20℃至200℃的环境下经常使用。可以用作电解槽方钢跟槽壳处的密封材料。
3.氯丁橡胶（NBR）：具备优秀能力的耐油性、耐热性和耐磨性，常用于电解槽方钢跟槽壳处的密封。
PEM水电解槽采用质子交换膜，隔绝电极两侧的气体，避免了碱性电解制氢隔膜气体易渗透的缺点。
在PEM电解槽的运行过程中，质子交换膜提供了只允许水分子、水合氢离子通过的传输通道，将质子从电解槽阳极输送到电解槽阴极，在电解槽内部形成离子传递的通路。PEM在PEM电解槽中具有以下三种作用：
1.作为固态电解质，将阳极反应产生的质子传导至阴极去参与阴极HER反应，为质子的传递提供通道。
2.隔绝阴极侧和阳极侧的反应产物（氢气和氧气），避免氢气和氧气的相互渗透。
膜电极(含工艺)、气体扩散层、双极板（阴极板，阳极板）、占据了PEM电解槽的90%的成本，而PEM的降本必须从这几个主要部件着手去改进。
双极板是PEM电解水制氢设备的核心零部件,最大的作用有支撑扩散层、传导气体和冷却水(同时作为反应物)、传递电解电流和电堆产热的传导等。
3）工艺流程：承接PET薄膜卷料—涂布催化层、干燥固化—视觉系统品质检查—下工序。
气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池的很重要的组成部分，位于催化剂电极(CL)和双极板(BP)之间。它自身并不像CL层参与电化学反应，但却是燃料电池正常工作的很重要的保证。
GDL的作用首先为氢氧反应气体提供到达CL的路径；第二个作用是为生成水提供排泄的路径；第三个作用是使CL和BP实现电气连接；第四个作用是帮助散掉一部分的热量；第五个作用是机械支撑MEA。
需要指出的是，水电解槽产生的热量可通过阳极反应水移除，一定流量下，功率越高，下游温度上升越大。若需要维持出口温度，要进一步提高阳极水流量，这会造成阳极严重的水气冲刷，影响催化层的耐久性。为增强热移除能力，控制电解槽平面内的温度差异，又避免增加阳极水流量，则常用的设计方式要增加独立的冷却腔，承担热移除功能，这会增加电解槽及水电解制氢系统的复杂性和成本。
