摘要： 甲醇氧气燃料电池电极反应式书写是燃料电池中相对较难的部分，通过探究甲醇氧气燃料电池不同环境的电极反应的机理，有利于对同类燃料电池的反应原理的理解。如通过书写酸性环境（稀H2SO4溶液作电解质溶液）、碱性环境（KOH溶液作为电解质溶液）、熔融金属氧化物（可以传导O2-）、熔融的碳酸盐四种环境中的正极和负极的电极反应式，可以建立起一种含碳、氢、氧元素燃料电池电极反应式书写的思维模型，以致能够快速、准确的书写含碳、氢、氧元素燃料电池电极反应式。
关键词： 思维建模；基元反应；燃料电池；电解质溶液
燃料电池电极反应的书写因为环境的不同，所涉及的反应机理不一样，书写起来感觉较为复杂，但如果按照最基本的反应（基元反应）一步一步的书写，最后把这几个反应加合起来，就可以得到最终的电极反应式。书写的基本思路是:按反应的先后顺序，连续写出每一步的基元反应，再利用产物，书写下一步发生的反应，如同链式连锁反应一样，书写到不能书写为止（即直至不反应为止），再把各个反应式相加，得到最终的反应式就是该电极的电极反应式，这种方法可以较为准确书写电极反应式，可以更好的理解和掌握基础燃料电池的反应机理。
高中化学甲醇氧气燃料电池常涉及酸性环境（稀H2SO4溶液作电解质溶液）、碱性环境（KOH溶液作为电解质溶液）、熔融金属氧化物（可以传导O2-）环境、熔融的碳酸盐环境等四种反应环境。甲醇燃料电池是高中化学学习中基础的燃料电池。通过甲醇燃料电池电极反应式的书写，可以建立起含碳、氢、氧元素燃料电池电极反应式书写的思维模型。
一、酸性环境（稀H2SO4溶液）
酸性环境中，通入燃料的一极为负极，燃料发生氧化反应。甲醇燃料电池CH3OH被氧化后产物微粒通常为C4+和H+，所以负极发生的第一步反应为：CH3OH-6e-= C4++ O2-+4H+ ，在水溶液体系中，C4+和O2-能与水发生C4++2H2O=CO2↑+4H+和O2-+2H+=H2O反应，然后利用产物CO2和H+进一步思考下一级的反应，但H+和CO2在酸性体系中不能和其它物质反应，达到链式反应的终点，反应式不能再往下写了，就将这几个反应式相加得：
所得反应式CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+为酸性环境下甲醇氧气燃料电池的负极电极反应式。若根据电池的正负极得失电子守恒，可以写为：2CH3OH-12e-+2H2O=2CO2↑+12H+。
而通入氧气的电极为电池的正极，氧气发生还原反应的第一步为O2+4e-=2O2- ，而O2-在酸性体系中（水溶液体系）不能独立存在，会继续与H+发生O2-+H+=OH—反应，OH-仍能继续与H+发生OH-+H+=H2O反应。而H2O在这个体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，反应式就写到此，这时把前面的几个基元反应相加得：
而O2+4e-+4H+=2H2O就是甲醇氧气燃料电池在酸性环境中的正极电极反应式，如果按照电子转移守恒关系来写，则正极反应式也可以写为3O2+12e-+12H+=6H2O。所以在酸性环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：
负极的电极反应式为：2CH3OH-12e-+2H2O=2CO2↑+12H+；
正极的电极反应式为：3O2+12e-+12H+=6H2O；
原电池总反应为：2CH3OH+3O2=4H2O+2CO2↑。
二、碱性环境（稀KOH溶液）
在碱性环境下，负极发生反应的第一步为：CH3OH-6e-= C4++ O2-+4H+ 。因为在碱性水溶液中，各微粒可以连续发生下列一系列的链式反应：①C4++4OH-=CO2↑+2H2O；②CO2+2OH-=CO32-+H2O；③O2-+2H+=H2O；④H++OH-=H2O。而产物中CO32-和H2O在碱性环境中可以大量存在了，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：
所以CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O是甲醇氧气燃料电池碱性环境下的负极电极反应式，或者写为2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O。
正极反应发生的第一步为O2+4e-=2O2- ，O2-在碱性体系中（水溶液体系）不能独立存在，会继续和H+反应，而碱性环境中的H+是由水电离出来的，因为水是弱电解质，所以反应式写为O2-+H2O =2OH-，而OH-在碱性体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，达到反应终点，这时把前面的几个基元反应相加得：
所得反应式O2+4e-+2H2O=4OH-就是甲醇氧气燃料电池在碱性环境中的正极电极反应式，或者可以写为：3O2+12e-+6H2O=12OH-。
所以在碱性环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：
负极的电极反应式为：2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O；
正极的电极反应式为：3O2+12e-+6H2O=12OH-；
原电池总反应为：2CH3OH+3O2+4OH-=6H2O+2CO32-。
三、熔融金属氧化物作介质（能传导O2-）
熔融金属氧化物作介质的环境下，正极反应比较容易写，并且在书写负极电极反应式时需要结合正极反应转移的电子，按电子守恒来写较容易理解，所以先将容易书写的正极电极反应式书写出来。燃料电池正极氧气被还原的第一步反应为：O2+4e-=2O2- ，而O2-熔融金属氧化物介质中能独立存在，不能和其它物质反应，反应式书写到此结束，所以O2+4e-=2O2- 就是甲醇氧气燃料电池在熔融金属氧化物介质中的正极电极反应式，但如果负极有2molCH3OH发生氧化将失去12mole-，为了便于书写和理解，根据正、负电极得、失电子数守恒，可以将正极反应式书写为：3O2+12e-=6O2-。
若正极有3mol氧气被还原生成6molO2-，转移12mole-，根据电子守恒，负极就应该有2molCH3OH被氧化，且产生8molH+。该环境下负极发生反应的第一步为2CH3OH-12e-= 2C4++8H+ +2O2-，生成的C4+在熔融金属氧化物作介质中继续与O2-反应即2C4++4O2-=2CO2↑（因与H+的竞争关系，CO2还不能发生CO2+O2-=CO32-反应），而H+与O2-发生了8H++4O2-=4H2O反应，产物中的H2O和CO32-不会再继续往下反应，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：
所得反应式2CH3OH-12e- +6O2-=2CO2↑+4H2O就是甲醇氧气燃料在熔融金属氧化物介质中的负极电极反应式。所以在熔融金属氧化物介质的环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：
负极的电极反应式为：2CH3OH-12e- +6O2-=2CO2↑+4H2O；
正极的电极反应式为：3O2+12e-=6O2-；
原电池总反应为：2CH3OH+3O2=4H2O+2CO2↑。
四、熔融碳酸盐作介质
在熔融碳酸盐作介质的环境下，为便于书写和理解，假设负极有2molCH3OH参与反应，根据电子守恒关系，负极发生的第一步反应为2CH3OH-12e-=2C4++2O2-+8H+，产物微粒H+接着和介质中的CO32-发生反应8H++4CO32-=4H2O+4CO2↑反应，离子反应因存在竞争关系，所以C4+先与产物中O2-发生C4++2O2-=CO2↑反应，C4+再与介质中的CO32-发生C4++2CO32-=3CO2↑反与，反应式中的产物H2O和CO2都不再与体系中的其它物质反应，达到链式反应的终点，将这四个反应式相加得：
最终的反应式2CH3OH-12e-+6CO32- =4H2O+8CO2↑就是该电池的负极电极反应式。
正极区通常通入CO2和O2的混合气体，正极发生的第一步为3O2+12e-=6O2- ，产生的O2-又与CO2气体发生6O2-+6CO2=6CO32-反应。在正极区域，因电解质为熔融碳酸盐，CO32-能独立存在，达到链式反应的终点，反应式不能继续往下写，就将这两个反应式相加得：
反应式3O2+12e-+6CO2=6CO32-就是甲醇氧气燃料电池在熔融碳酸盐介质中的正极电极反应式。所以在熔融碳酸盐作介质的环境中，甲醇氧气燃料电池的电极反应式如下：
负极的电极反应式为：2CH3OH-12e-+6CO32- =4H2O+8CO2↑；
正极的电极反应式为：3O2+12e-+6CO2=6CO32-；
原电池总反应为：2CH3OH+3O2=4H2O+2CO2↑
通过以上甲醇氧气燃料电池的四种环境中电极反应式的书写，可以构建一种思维模式，这种模式可以运用于其它含碳、氢、氧元素的基础燃料电池的电极反应式的书写，如乙醇、氧气燃料电池等。
参考文献
[1]黄卓等.质子交换膜燃料电池的研究开发和应用[M]. 冶金工业出版社，北京：2002 48～52，106～114
[2]肖钢.燃料电池技术[M].电子工业出版社, 北京：2009-1-1