随着当今科学技术的不断发展,开发新能源和环境保护已成为社会可持续发展的核心战略。微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell, μDMFC)具有能量密度高、安全高效、环境友好等优点,在便携式电子设备和微型武器系统等领域具有广阔的应用前景,已成为国内外MEMS微能源技术领域的研究热点。目前μDMFC主要在水管理、甲醇渗透、催化剂中毒、工作稳定性和寿命等方面存在技术问题,限制其进一步实用化。论文从阴极的催化层、气体扩散层和集流板的物理结构出发,对μDMFC阴极水管理技术进行了深入研究。首先,本文分析了μDMFC中水的生成和消耗机制,建立了阴极两相传质模型并通过模拟仿真分析了阴极“水”对电池性能的影响；而后在理论分析基础上,论文分别从阴极催化层、气体扩散层和集流板等方面对水管理方法进行了理论和实验研究,有效提高了阴极传质能力和电池性能,对实现高能量密度μDMFC具有重要的意义。氧气在阴极催化层内与氢离子发生还原反应产生水；同时,阳极反应产生的质子通过质子交换膜以水合质子的方式拖拽了大量的水到达阴极催化层。因此,为了避免阴极催化剂的水淹,以及实现整个电池的“水平衡”,必须抑制阳极水向阴极的渗透作用并增强阴极到阳极的“返水”效果。本文提出了一种具有孔隙率梯度的新型阴极催化剂层结构,通过建立二维两相阴极传质模型分析了有无孔隙率梯度变化对电池性能的影响,仿真结果表明新型结构可以抑制质子交换膜的水渗透作用,增强了气体扩散传质能力,进而提高了电池的输出性能。依据理论分析结果制备了具有孔隙率梯度变化的μDMFC阴极催化层结构,在相同条件下测试表明新型阴极催化层结构μDMFC的性能好于传统结构,最高功率密度可提高40%左右,且新型阴极催化层结构的水传输系数降低了30%,由此可以说明新型催化层结构不仅有效改善了氧气在阴极催化层内的分布,而且可以减缓阴极水淹,使得μDMFC输出性能和稳定性得以较大提高。气体扩散层起着支撑催化层的作用,同时也是反应物和产物运输的通道和电流通道。阴极气体扩散层大多是用表面覆盖着微孔层的碳纸或者碳布构成。本文提出并制备了一种基于碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)的新型阴极气体扩散层。采用CNT制备气体扩散层本身就具有微孔结构,不需要再额外刷除微孔层,从而保证阴极扩散层的平整度。另外CNT气体扩散层可以提高阴极的排水能力并且增加氧气的传质,从而避免阴极水淹对电池性能的影响。利用CNT基阴极气体扩散层实现了被动式微型直接甲醇燃料电池,在相同条件下进行恒流放电,结果表明新型扩散层结构的μDMFC工作稳定性较好,与传统结构相比放电时间延长了33.5%,并且没有发生水淹现象。说明CNT基阴汲扩散层具有极好的控制阳极向阴极水传输的能力,并且水传输系数是传统结构的20%,且燃料利用率和能量转换效率都有较大提高。阴极集流板作为μDMFC的重要组成部分,其流场结构对氧气传质和阴极水管理有着重要影响。本文针对被动式自呼吸μDMFC阴极氧气传质效率较低及易出现水淹现象等问题,提出了一种新型的“十字型”阴极集流板结构,该结构通过增加微型通道将自呼吸式直孔相互连通,从而提高了阴极的排水能力,增强了氧气传质能力,从而提升了μDMFC的性能。论文建立了该结构的阴极三维两相模型,通过仿真分析表明新型阴极结构的水蒸发速度、氧气浓度、液相饱和程度以及阴极内部的温度等均优于传统于直孔式阴极结构。利用微加工技术实现了新型阴极集流板结构并进行电池封装,实验结果表明新结构的uDMFC输出功率密度较传统结构提高了12%左右：相同条件下讲行放电测试,新结构稳定性比较好,并且可以避免阴极水淹现象的发生,防止由水淹引起的电池性能的降低。