微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct methanol fule cell，μDMFC）具有能量密度高、使用方便、环保清洁等优点，是未来各类便携式电子产品高比能电源的首选对象之一。与传统大尺寸DMFC相比，μDMFC需要借助于微加工和微组装技术来实现，目前世界各国在该领域的研究工作尚处于起步阶段。本文以μDMFC的微小型化、高比能化为目标，围绕μDMFC单电池及电池堆的结构原理、制备工艺和阳极微流场中的气液输运特性问题展开探索性研究。采用双面湿法刻蚀和RF溅射工艺在硅片上成功制各了μDMFC阴、阳极微流场板，并实现了硅μDMFC单电池的两步封装。在不同甲醇浓度、流量和温度条件下对硅μDMFC性能进行了测试，获得了不同操作条件对电池输出特性的影响规律。着重研究了不同厚度Ti／Cu／Pt多层复合金属集流层的电阻率，并与经典Fuchs-Sondheimer理论的结果进行对比，得到了总膜厚与集流层方块电阻及硅μDMFC内电阻之间的定量关系。结合流体力学模拟和中心合成设计样本法，构建了μDMFC输出特性与阳极微流场结构参数的响应面分析模型，使用该模型分析了特定取值范围和实验条件下流场结构参数对电池性能的影响，获得了二者之间的数量近似关系。验证结果表明，本文构建的响应面模型能给出与实验规律相吻合的预测结果。该模型为μDMFC阳极微流场结构参数的设计和优化提供了一种实用的量化评价工具。通过微流体原位观测实验对μDMFC阳极气液输运特性进行了研究，获得了不同放电时间和电流密度下CO₂微气泡在阳极流场中的分布规律。分析结果表明，μDMFC阳极气液输运过程是一个具有自动适应和自动平衡特征的过程。基于流体微元的动量守恒，推导了毛细管内气液输运过程的压降梯度微分方程，得到了在不同工作点上μDMFC阳极微流场中摩擦压降、毛细压降和总压降的变化规律及其相互之间的数量关系。根据不同负载需求，分别设计并制备了两单元和六单元串联的μDMFC孪生结构电池堆，实现了反应物和生成物在电池堆内部的全被动管理。研究中发现，与阳极主动进料模式相比，被动进料模式下电池堆性能对甲醇浓度有更强的依赖性。基于模塑型环氧树脂的粘弹性力学本构关系，求解了两单元孪生电池堆封装体系作用在流场板上的等效法向应力。结合流场板与碳纸之间的接触电阻实验选定电池堆封装参数，获得了与大尺寸DMFC内电阻相近的封装效果。六单元电池堆经与电子产品负载特性匹配后，成功用于构建多个次瓦级μDMFC演示系统，初步验证了被动型μDMFC的实用价值。