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随着移动电话、个人数字设备、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展，目前现有的二次电池技术己无法满足日益增长的高能耗需求。直接甲醇燃料电池(DMFC)由于具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点，因而已成为便携式设备最有前景的可替代电源之一。
目前国内外研究主要集中在工作温度60℃以上的DMFC，而手机、笔记本电脑等便携式电子产品需要在常温(25℃左右)下工作。因此，开展常温下DMFC的研究具有非常重要的意义。
本文的工作主要分为两部分：一部分是对液相进料DMFC进行实验研究，另一部分是对空气自呼吸式DMFC进行实验研究。空气自呼吸式DMFC是液相进料DMFC的特殊情况，二者都有可能取代二次电池作为便携式电子设备的电源。
首先，本文研究了液相进料DMFC内两相流动及其传输特性，主要内容包括：利用可视化技术研究了阳极和阴极流场内的两相流动与传输特性，研究了阳极流场两相流动阻力特性，进一步分析了阳极和阴极流场组合对电池性能的影响。主要结果如下：
(1)研究了阳极流场内的两相流动与传输特性。在阳极蛇形流场中，流道中CO2气泡数量随着电流密度的增大而增多，低电流密度时，流道内以泡状流为主，中等电流密度时，泡状流开始转变成弹状流，高电流密度时，流道内开始出现段塞流，其它文献中并未出现。甲醇流量增大，流道内气泡数量减少，增强了甲醇的传质过程，但甲醇流量过高，会导致甲醇渗透增加，并且带走更多的热量，降低电池温度，导致电池性能下降。因此，选择合适的甲醇流量对低温运行的DMFC非常重要。实验发现蛇形流场不会发生“气体堵塞”现象，而高电流密度时平行流场和交指流场均会产生“气体堵塞”现象，平行流场的“气体堵塞”一般出现在流道与出口总管接口处，而交指流场的“气体堵塞”则一般出现在进口流道。
(2)研究了阳极流场两相流动阻力特性。在小流量情况下，阳极蛇形流场进出口压降随着电流密度增大先升高后降低最后趋于稳定；在大流量情况下，蛇形流场进出口压降随电流密度增大一直增加直到稳定。随着甲醇浓度的增大，蛇形流场进出口压降有所减小，但是变化不大，说明甲醇浓度对阳极进出口压降的影响较小。在相同流量情况下，蛇形流场内的压降比平行流场和交指流场的大；随甲醇流速增大，蛇形流场和交指流场的压降增加幅度远较平行流场快。
(3)研究了阴极流场内的两相流动与传输特性。在阴极蛇形流场中，放电开始阶段，流道内中下游产生水雾，然后才出现水滴，且优先出现在肋板和碳纸界面处；之后液态水的分布形成一个循环过程(水滴--水弹--水膜)，流型主要是膜状流。恒电流放电时，相同放电时间，随着电流密度增加，流道内液态水增多；中低电流密度时，电压随放电时间逐渐下降，而高电流密度时，电压则先上升后下降。氧气流量增大，流道内液态水分布较少，保证了氧气往催化层的传输过程，性能变好。对于平行流场，高电流密度时，会发生“水淹”现象，增大氧气流量，延缓并减轻了“水淹”现象，电池性能有所提高。对于交指流场，氧气流量较低时，少部分进口流道会出现一些“水柱”，而氧气流量较高时，则不会出现这种现象。流道内发生水淹现象，导致氧气传质过程的恶化，电池性能迅速下降。因此，常温下阴极流场的水管理工作非常必要。
(4)对于阳极流场，蛇形流场因其更易于排除CO2气泡而性能最好，而平行和交指流场中则出现了CO2气泡堵塞流道的现象，影响了甲醇的传输，性能较差：对于阴极流场，平行流场下半部分流道出现了“水淹”现象，影响了氧气的传输，电池性能较差。对于阴极流场，蛇形和交指流场均能顺利排除水滴，性能比平行流场的好；交指流场能保证氧气的充足供应，高电流密度时比蛇形流场的电池性能好。蛇形流场作为阳极流场和交指流场作为阴极流场将是电池性能较好的流场组合形式之一，在室温25℃时，电池功率密度最高达到45mW·cm-2。
其次，本文针对空气自呼吸式DMFC单电池，对开路阶段和放电阶段电池温度特性进行实验研究；接着采用可视化手段对阳极气泡和阴极水滴分布特性进行了研究；最后分析了集流板结构对空气自呼吸式DMFC性能的影响。得出的主要结论如下：
(1)放置时间达到30min时，电池的各参数值(开路电压、阳极温差、阴极温差、甲醇溶液温差)基本上稳定，便可以进行数据采集；为了得到更准确的测量结果，可以适当的把放置时间增加到60min。电池温差随电流密度的增大而增大。当电流密度为20mA·cm-2时，温差先升高后降低；当电流密度为50mA·cm-2时，放电时间较短，并未出现温差降低的现象。甲醇溶液量越少，温差越高，电池性能越好，可以通过减小甲醇储液腔的容量来提高电池的性能。
(2)在阳极孔型集流板中，随电流密度增加，呼吸孔内气泡增多，大多出现在孔的上半部分。相对于孔型集流板中，竖直放置平行集流板内CO2气泡排出少一个竖直方向的阻力，更易于气泡的排出，高电流密度时，平行集流板的电池性能要优于孔型集流板的电池。平行集流板流道竖直放置比水平放置时更容易排出CO2气泡，因而竖直放置时电池性能更好。
(3)在阴极孔型集流板中，恒电流放电，放电开始阶段，水滴出现的较慢，而放电后期，水滴产生较快；水滴的分布不是均匀的，总在某些特定的位置出现。恒电流放电，在相同放电时间内，随着电流密度的增大，阴极侧的水增多。在高电流密度(大于50mA·cm-2)时，相对于孔型集流板，平行集流板更有利于氧气传输和水的排除，因而性能较好。
(4)由于平行集流板(PACC)有利于CO2的排出，所以PACC用作阳极集流板时电池的性能最佳。而由于孔型集流板(PECC-1)的开孔率较低所以不论它用作阳极还是阴极集流板时效果都不理想。当甲醇浓度为2mol·L-1时，阴极采用孔型集流板(PECC-2)时电池性能最好；当甲醇浓度为4mol·L-1时，电流密度较高时阴极采用PACC时电池性能最好。