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Für die Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyse (PEM-WE) für die nachhaltige Wasserstoffproduktion, müssen diese sicher und effizient betrieben werden und eine hohe Langlebigkeit aufweisen. Der Crossover der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff durch die Membran wirkt sich auf jede dieser Anforderungen aus, weshalb ein ganzheitliches Verständnis dieses Phänomens notwendig ist, um Lösungs- oder Vermeidungsstrategien zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Crossover von Sauerstoff und Wasserstoff experimentell untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird die Untersuchung von Gestaltungs- und Betriebsparametern auf den Wasserstoff-Crossover vertieft, was insbesondere für den sicheren Betrieb und die Effizienz relevant ist. Dabei stellt sich heraus, dass sich eine starke Zellkomprimierung zwar positiv auf das elektrische Betriebsverhalten auswirkt, jedoch gleichzeitig der Wasserstoffverlust durch Crossover erhöht wird. Dies wird damit erklärt, dass der Übergang von gelösten Wasserstoff in den gasförmigen Zustand mit zunehmender Komprimierung gehemmt wird, wodurch die gelöste Wasserstoffkonzentration zunimmt und schließlich die Triebkraft für den Wasserstoff-Crossover verstärkt wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich der funktionelle Zusammenhang zwischen dem Wasserstoff-Crossover und der Stromdichte bei hohen Stromdichten anders verhält, als es aus gängigen Modellansätzen zu erwarten ist. Im zweiten Teil liegt der Fokus auf der Quantifizierung des Sauerstoff-Crossovers, da dieser Materialdegradation auslöst und somit die Langlebigkeit des Elektrolyseurs verringert. Um die Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff zu vermeiden, werden Platin-freie Katalysatoren an der Kathode eingesetzt. Es wird gezeigt, dass mit rekombinationsträgen Katalysatoren mehr Sauerstoff im Kathodenproduktgas nachgewiesen wird. Allerdings ist dennoch davon auszugehen, dass ein unbekannter Anteil vom permeierten Sauerstoff rekombiniert, wodurch die Quantifizierung des tatsächlichen Sauerstoff-Crossovers nach wie vor eine Herausforderung bleibt. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Gestaltung einer Rekombinationszwischenschicht aus Platin in der Membran, mit welcher der Wasserstoffanteil im Anodengas gezielt reduziert wird und somit die Bildung von explosiven Gasgemischen vermieden wird. Es zeigt sich, dass die Positionierung der Zwischenschicht in der Nähe der Anode, im Vergleich zu Zwischenschichten in der Membranmitte oder nahe der Kathode, die stärkste Reduktion des Wasserstoffgehalts zufolge hat. Dies wird damit begründet, dass die verfügbare Menge an Sauerstoff an der Zwischenschicht für die Rekombinationsreaktion von der Anode in Richtung Kathode abnimmt.

In vielen Rechenzentren und IoT-Anwendungen sind die sichere Speicherung von Schlüsselmaterial und deren hardwarebeschleunigte Verarbeitung eine Grundanforderung. Derzeit werden dafür meist Smartcards oder Secure Elements für kleine Anwendungen, oder Hardware Security Modules für Enterpriseapplikationen verwendet. Für Einsatzzwecke mit Anforderungen zwischen diesen beiden Extremen ist die verfügbare Hardware daher zu unter- oder überdimensioniert und damit unwirtschaftlich. Diese Diplomarbeit stellt einen neuen, skalierbaren Ansatz zur sicheren Speicherung und Verarbeitung von Schlüsselmaterial vor. Dafür wird ein Gerät auf Basis von geclusterten Secure Elements entwickelt, das je nach Anforderungen an Performance, Langlebigkeit, Lastverteilung, Partitionierung des Schlüsselmaterial und Kosten dimensioniert werden kann. Damit ist für jede Art von Anwendungen ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis gegeben. Nachdem die Architektur und Funktionsweise des Secure Element Clusters vorgestellt wurde, werden zwei verschiedene Prototypen mitsamt deren Software- und Hardwarekonfiguration beschrieben. Eine neu entwickelte PKCS #11 Library kapselt die Cluster-Funktionalität und bietet damit optimale Kompatibilität mit bestehenden Softwarelösungen. Im Gegensatz zu bereits existierenden Secure Element Grids müssen die Anwendungen keine Verwaltungsaufgaben des Clusters übernehmen. Die Eigenschaften der Cluster-Prototypen werden genau analysiert, um die Clusterarchitektur in weiteren Entwicklungsphasen zu verbessern. Basierend auf Geschwindigkeitsund Langlebigkeitsmessungen, die während dieser Analysephase durchgeführt werden, wird eine mathematische Formel zur optimalen Dimensionierung eines Secure Element Clusters entwickelt., Hardware protected storage of key material and secure processing of cryptographicoperations are required in data centers as well as IoT applications in the field. Currently,the available hardware satisfies this demand only poorly. Small-scale applications use asmart card or secure element to satisfy their needs. Large-scale enterprise deploymentsmake use of specially designed Hardware Security Modules. These two options provideonly a minimal choice and offer no solution for demands between those configurations.The possibilities are either too weak or too large-scaled. Therefore, the existing solutionsare unsuitable for medium-sized use cases.This paper describes a new, scalable approach for storing key material securely andperforming cryptographic operations during changing demands. The solution introduces adevice based on clustered secure elements to provide configuration options for performance,longevity, load distribution, partitioning, and costs. After describing the overall clusterarchitecture, the thesis presents two prototype builds with their complete hardware andsoftware stack. All cluster functionality of the prototypes is encapsulated in a newlydeveloped PKCS #11 library, providing far better compatibility with software solutionsthan existing secure element grids. The properties of the prototypes are studied in detailto improve the final cluster design. Based on performance and durability analyses of theprototype, the thesis introduces a scaling scheme for determining the optimal clusterconfiguration for given load requirements.