Verbranding

In het proces dat wij normaal "verbranding" noemen, reageert een brandstof, bijvoorbeeld aardgas, met zuurstof uit de lucht. Aardgas bestaat hoofdzakelijk uit methaan, dat is opgebouwd uit koolstof en waterstof: CH₄. Het resultaat is een hoeveelheid warmte en de verbrandingsproducten: CO₂ en H₂O. Dat is de eenvoudige omschrijving. Als we het proces nauwkeurig bestuderen dan zien we dat er tussen twee reagerende elementen, bijvoorbeeld de zuurstofmoleculen uit de lucht (O₂) en de koolstofatomen (C) van aardgas, een gedeeltelijke uitwisseling van elektronen plaats vindt. Dat komt omdat alle in de natuur voorkomende elementen, uitgezonderd de edelgassen zoals argon en helium, zich wat het aantal elektronen dat ze bij zich hebben niet geheel "compleet" voelen, dan wel vinden dat ze "overcompleet" zijn. Ze hebben daardoor óf de behoefte om één of meerdere elektronen te delen met een ander element, óf ze hebben sterk de behoefte om wat meer elektronen op te nemen dan het aantal waarmee ze van nature zijn uitgerust. Worden twee stoffen met een dergelijk tegengestelde behoefte onder de juiste condities bij elkaar gebracht (van belang zijn een voldoend hoge temperatuur en/of de aanwezigheid van een katalysator), dan zullen ze zich verbinden. Één atoom koolstof staat daarbij maar liefst vier elektronen beschikbaar om die te delen met zuurstof. Aangezien ieder zuurstofatoom maar twee elektronen kan opnemen, zal één atoom koolstof twee atomen zuurstof aan zich binden. Dit huwelijk is vervolgens zó succesvol, dat de drie atomen verder door het leven gaan als CO₂, en alleen met veel moeite en energie weer gescheiden kunnen worden. Andere elementen zullen weer andere aantallen zuurstofatomen aan zich kunnen binden. Zo zijn er van het element watersof twee atomen nodig om de elektronenuitwisseling mat zuurstof compleet te maken, er wordt dus H₂O (water) gevormd. Verbranding gaat dus gepaard met uitwisseling van elektronen. Dit resulteert in het afgeven van energie, in de vorm van warmte.

Het werkingsprincipe van brandstofcellen is er juist op gebaseerd dat het proces van afgifte en opname van elektronen gescheiden plaats vindt. De elektronen moeten zich via een omweg begeven van de plek van afgifte naar de plek van opname. Hiervan wordt vervolgens nuttig gebruik gemaakt door in deze omweg bijvoorbeeld een lamp of een elektromotor op te nemen