Elektrokemisk celle
En elektrokemisk celle er en komponent der enten kan omdanne kemisk energi direkte til elektrisk energi (eksempler er en brændselscelle og et batteri), eller omvendt omdanne elektrisk energi til kemisk energi (elektrolysecelle). En elektrokemisk celle består af to elektroder der er adskilt fra hinanden og i forbindelse med en elektrolyt. Den elektrokemiske celle forbindes til et ydre elektrisk kredsløb via de to elektroder.
Den elektrokemiske celles virkemåde er baseret på at den adskiller de to halvdele af en kemisk reaktion hvorved der opstår en elektrisk spænding.
Atomer består som bekendt af atomkerner, der er omgivet af elektroner. Atomkernerne har positiv elektrisk ladning, og elektronerne har negativ ladning. I en sædvanlig kemisk reaktion sker der en omorganisering af elektronerne i de atomer, der indgår i reaktionen.
For eksempel kan to brintmolekyler og et iltmolekyle reagere og danne to vandmolekyler: 2H2 + O2 → 2H2O. Før reaktionen var blev de to brintkerner i H2 holdt sammen af to elektroner i en såkaldt kovalent binding.
Efter reaktionen er bindingen ikke mellem de to brintkerner, men mellem hver brintkerne og ilten: Elektronerne er blevet omorganiseret, således at de elektroner, der før var knyttet til brinten, nu er tættere knyttet til ilten. Reaktionen bliver drevet af, at elektronerne har en lavere energi i den nye konfiguration end i brint og ilt hver for sig. Derfor vil reaktionen forløbe spontant, når man bringer brint og ilt sammen.
Den overskydende energi frigives som varme og kinetisk energi. Det er hvad der sker ved en sædvanlig forbrænding:
Man kan opfatte reaktionen mellem brint og ilt som bestående af to halvreaktioner: 2H2 → 4H+ + 4e– og 4H+ + 4e– + O2 → 2H2O. I en elektrokemisk celle forløber der en halvreaktion ved hver elektrode.
Det smarte ved cellen er, at de elektroner der dannes ved den første halvreaktion ikke kan passere gennem elektrolytten. Den tillader nemlig kun ioner at passere (her H+-ioner). Man siger den er ionledende, men ikke elektronledende. Fordi elektronerne ikke kan passere elektrolytten, ophobes de ved den ene elektrode og derved opbygges der en spændingsforskel mellem de to elektroder. Denne spændingsforskel kan så drive en strøm i det ydre kredsløb (som kunne være en elmotor eller en computer).
På den måde er der sket en omdannelse af den kemiske energi i brinten til elektrisk energi, som vist på tegningen herunder for en polymerbrændselscelle (PEMFC).
Hvis man i stedet påtvinger cellen en tilstrækkelig stor spændingsforskel udefra, kan man vende de to halvreaktioner om og omdanne elektrisk energi til kemisk energi lagret i brinten.
De konkrete halvreaktioner afhænger af cellens (i særdeleshed elektrolyttens) sammensætning og hvilke stoffer der reagerer.