Ηλεκτρολύτης τύπου PEM:

Ένας ηλεκτρολύτης τύπου PEM (Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane) έχει την διπλανή μορφή.

Το κεντρικό τμήμα του ηλεκτρολύτη είναι μια πολυμερή μεμβράνη, η οποία όταν έρθει σε επαφή με το νερό έχει την ιδιότητα να αφήνει ελεύθερα την διέλευση διαμέσου της ιόντων υδρογόνου πρωτονίων, ενώ αποκλείει την διέλευση των αρνητικών φορτισμένων ιόντων. Η μεμβράνη αυτή είναι καλυμμένη με δυο χημικούς καταλύτες πλατίνας (Pt) σε κάθε πλευρά της. Όταν μια συνεχής τάση μεγαλύτερη από την τάση ηλεκτρόλυσης του νερού εφαρμοστεί στα ηλεκτρόδια του ηλεκτρολύτη ο οποίος έχει έρθει σε επαφή με το νερό τότε αυτός διασπάει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Πιο συγκεκριμένα στην άνοδο του ηλεκτρολύτη το νερό οξειδώνεται, ελευθερώνοντας μοριακό οξυγόνο, πρωτόνια (Η⁺- ιόντα) και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Καθώς το αέριο οξυγόνο μαζεύεται στην άνοδο, τα πρωτόνια (κίτρινα +) μετακινούνται μέσω της μεμβράνης στην κάθοδο όπου εκεί λαμβάνοντας τα απαιτούμενα ηλεκτρόνια μετατρέπονται σε αέριο υδρογόνο.

Αντίδραση στην Άνοδο: $2H_{2}O\rightarrow4H^{+}+4e^{-}+O_{2}$

Αντίδραση στην Κάθοδο: $4H^{+}+4e^{-}\rightarrow2H_{2}$

Συνολική Αντίδραση: $2H_{2}O\rightarrow2H_{2}+O_{2}$

Παρατηρούμε δηλαδή ότι ο ηλεκτρολύτης παράγει υδρογόνο και οξυγόνο με μοριακή αναλογία 2/1.

Κύτταρα ΚαυσίμουPEM:

Τα πρώτα κύτταρα καυσίμου εφευρέθηκαν το 1939 από τους SirW.R.Groveκαι C.F.Schoenbein, όταν διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία της υλεκτρόλυσης μπορεί να αναστραφεί. Για περισσότερα από 100 χρόνια η τεχνολογία αυτή δεν προσέλαβε την δέουσα προσοχή για την περαιτέρω εξέλιξη της μέχρι την δεκαετία του 1960 κυρίως επειδή υπήρχε η εντύπωση ότι η μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (άνθρακας, πετρέλαιο, πυρηνική ενέργεια) είναι ανεξάρτητες.

Ένα κύτταρο καυσίμου αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια (άνοδο και κάθοδο) χωρισμένα μεταξύ τους από έναν ηλεκτρολύτη. Ο τύπος του ηλεκτρολύτη είναι αυτό που ξεχωρίζει τα διαφορετικά κύτταρα μεταξύ τους αλλά υπάρχουν και άλλα επιπλέον χαρακτηριστικά όπως η θερμοκρασία λειτουργίας και η απόδοση.

Ένα κύτταρο καυσίμου τύπου PEM μετατρέπει την χημική ενέργεια σε ηλεκτρική χωρίς θόρυβο και εκπομπές αερίων και έχει την διπλανή μορφή

Στο κεντρικό τμήμα του κυττάρου ο ηλεκτρολύτης είναι μια πολυμερή μεμβράνη, αγωγός πρωτονίων που είναι καλυμμένος σε κάθε πλευρά του από δυο χημικούς καταλύτες πλατίνας (Pt). Αυτοί οι καταλύτες παίζουν τον ρόλο της ανόδου και της καθόδου του κυττάρου. Η υψηλή επίδοση των PEM κυττάρων και η πολύ καλή συμπεριφορά τους όταν είναι κρύα τα καθιστά ιδανικά για μια μεγάλη γκάμα εφαρμογών.

Κατά την λειτουργία των PEM κυττάρων αέριο υδρογόνο (κόκκινο) και αέριο οξυγόνο (μπλε) διοχετεύονται στην άνοδο και την κάθοδο του κυττάρου αντίστοιχα. Η άνοδος συνεισφέρει στον διαχωρισμό του υδρογόνου σε πρωτόνια (Η⁺- ιόντα) και ηλεκτρόνια (κίτρινα -). Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια οδεύουν προς την κάθοδο αλλά από διαφορετικούς δρόμους. Τα Η⁺- ιόντα διαμέσου της μεμβράνης ενώ τα ηλεκτρόνια μέσω της εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος το οποίο και τροφοδοτούν με φορτία και ενέργεια. Στην κάθοδο τέλος, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με το αέριο οξυγόνο και σχηματίζουν νερό, το μόνο υποπροϊόν που σχηματίζει το κύτταρο.

Αντίδραση στην Άνοδο:  $2H_{2}\rightarrow4H^{+}+4e^{-}$

Αντίδραση στην Κάθοδο: $4H^{+}+4e^{-}+O_{2}\rightarrow2H_{2}O$

Συνολική Αντίδραση: $2H_{2}+O_{2}\rightarrow2H_{2}O$

Πειραματική Διαδικασία:

Συνδέστε τους ηλεκτρικούς ακροδέκτες του συστήματος ηλιακών κυττάρων με την συσκευή του ηλεκτρολύτη. Φωτίστε τα ηλιακά κύτταρα με φωτεινή ενέργεια από τον λαμπτήρα. Σε λίγη ώρα θα δείτε φυσαλίδες Η₂ και Ο₂ να παράγονται στον ηλεκτρολύτη και να συγκεντρώνονται στα αντίστοιχα δοχεία. Παρατηρήστε την σχέση των όγκων τους η οποία είναι $\frac{V_{H_{2}}}{V_{O_{2}}}=\frac{2}{1}$

όπως προβλέπεται από την θεωρία. Όταν αρκετό Η₂ και Ο₂ έχει συσσωρευτεί στα δοχεία συνδέστε τους ηλεκτρικούς ακροδέκτες του κυττάρου καυσίμου με τον ηλεκτρικό κινητήρα. Παρατηρείται κίνηση του κινητήρα. Διακόψτε τον φωτισμό της φωτεινής πηγής. Παρατηρείστε ότι ο ηλεκτρικός κινητήρας συνεχίζει να λειτουργεί από την «καύση» του Η₂ στην συσκευή του κυττάρου καυσίμου και θα συνεχίσει όσο υπάρχουν διαθέσιμα Η₂ και Ο₂.