近年来，随着高性能便携式电子设备的快速发展，对微型电源装置提出了更高的要求，其中无膜微流体燃料电池受到了广泛关注。此电池利用粘性、密度相近的多股流体在微通道内会形成稳定平行层流的性质，实现了氧化剂与燃料的自然分隔，去除了常规微型燃料电池中的质子交换膜，消除了由膜引起的相关问题。此外，微流体燃料电池还具有结构简单、高能量密度、利于微型化集成，在燃料与氧化剂选择方面具有较大灵活性等优点，有广泛的应用前景。但面向实际应用，微流体燃料电池仍然亟需进一步提升电池性能。
　　目前大多数微流体燃料电池都基于燃料与电解液的平行层流流动，反应溶液中离子通过横向传输至电极表面参与电化学反应，但是当燃料浓度较高或反应物流速过低时，燃料易扩散传输到阴极产生混合电势及寄生电流，造成电池性能严重降低。针对该问题，本文首先构建一种新型的阴/阳极上下游错列布置穿流型微流体燃料电池，利用电解液的对流传输速率远大于燃料的逆流扩散速率以避免燃料渗透；随后，基于简化电池结构、完全消除燃料渗透的思想，提出采用碳质催化剂阴极且具有单股流体的阴/阳极错列布置穿流型微流体燃料电池；并进一步通过阴/阳极上下平行叠式布置的电池结构，最大程度减少电极间离子传输路径，提升电池功率密度。最后，构建微流体燃料电池堆，实现电池输出性能及输出电压放大化。针对上述新型结构微流体燃料电池，开展流动可视化实验及性能实验研究，获得的主要工作成果如下：
　　①通过可视化观察阴/阳极上下游错列布置的穿流型微流体燃料电池内流动状况，验证了此结构可以避免燃料向阴极侧扩散传输；当电池运行在碱性体系时，持续提升燃料浓度，电池阴极开路电位未出现下降，其性能最大可达97.6mW/cm3；随着碱性电解液浓度提升，主体溶液电导率得到增强，电池欧姆内阻减少，电解液浓度自1M提高到4M时，电池性能提升达120%；电解液-燃料流速比为4∶1时，电池具有最佳性能，而随着总流量降低至50μL/min，电池最大输出功率密度仅下降5%。因此，可适当减少反应物总流量以获得高燃料利用率。
　　②当电池运行在酸性体系中，随着反应持续进行，在可渗透阳极进口侧横截面及其表面均会析出CO2气泡并不断长大。由于进口侧气泡无法被有效排出，将阻碍燃料向催化剂活性位点传质，降低电池性能及运行稳定性；随着燃料浓度、电解液浓度持续提升，会使得电池在高电流密度下产生大量气泡，降低电池性能；电解液与燃料流量组成为4∶1时，此时电池性能达到最佳，其最大输出功率密度、极限电流密度分别为182.6mW/cm3与631.4mA/cm3。
　　③对碳质催化剂进行物理表征及电化学表征，验证了碳质催化剂具有良好的选择性氧还原催化活性及石墨化程度；构建了采用碳质催化剂阴极且具有单股流体的阴/阳极错列布置穿流型微流体燃料电池，对比发现，阴极催化剂为贵金属Pt时，电池开路电压出现明显下降，而采用碳质阴极催化剂时，开路电压则未受影响；当反应物流量从400μl/min降低至1μl/min时，电池最大输出功率密度仅下降7.2%，燃料利用率可从0.87%提升至100%。
　　④与阴/阳极错列布置的穿流型电池结构相比，阴/阳极平行叠式布置电池结构的输出功率与体积功率密度分别提高了2.4倍与8.1倍；电池能在最大功率密度下高性能稳定运行8000s。但随着反应继续进行，阳极碳酸盐将堆积在碳纸孔隙中，明显降低阳极性能；对电极平行叠式布置的电池结构进行CO2气泡动态行为研究，结果表明此结构有效避免了CO2气泡在电极表面析出，进而使得电池稳定运行。
　　⑤通过在主流道上添加多个反应单元构建了电池堆栈，实现了电池输出功率及输出电压放大化；不同运行参数下两种堆栈方式的电池堆性能变化规律基本一致；此外，利用串联电堆为计时器与计算器供电，实现了电源系统装置的实际应用。