直接甲醇燃料电池(DMFC)作为一种便携式高能电源电源具有巨大的市场前景，但其市场化进程一直受制于几方面的问题，如甲醇渗透、甲醇电氧化动力学速度慢、阳极侧气液两相传质和电堆热管理等问题。为了解决或者缓解这些问题，研究者开发了大量新材料，如新型的阻醇质子交换膜、高甲醇活性催化剂等。但是由于制备工艺复杂、稳定性不佳的原因，目前还不能取代常用的商业化关键材料。解决这些问题的另一个途径就是通过模拟和实验手段对电池的结构、组成以及反应过程进行优化，设计新型燃料电池结构实现甲醇渗透的降低、气液传质问题缓解等问题。　　 本论文从这个角度出发，试图通过改进燃料电池宏观/微观结构尝试缓解DMFC中的几个主要问题。宏观结构研究包括通过对被动式DMFC燃料腔及MEA结构进行改进以降低DMFC内部甲醇渗透速率并实现被动式DMFC中高浓度甲醇进样的目的。另外，膜电极复合体(MEA)微观结构方面的研究主要是建立数学模型对阳极催化层的微观传质结构进行优化，使得电池内部甲醇传质与甲醇透过达到平衡，提升电池性能。气液两相传质方面的研究还包括尝试将磁场引入电池内部以加速CO2气泡从阳极催化剂表面的剥离以缓解DMFC中气液两相流问题。为了实现大规模DMFC电堆温度分布一致性，电堆的各种参数对其热分布的影响也通过数学模型得到了研究。此外，还探讨了甲酸作为DMFC替代燃料的表现。具体结果如下:　　 1.新型被动式DMFC设计与结构优化　　 (1)双燃料腔被动式DMFC　　 建立了一种新型的双燃料腔被动式DMFC，使用多孔薄膜分隔两个燃料腔，实现在高浓度燃料腔内以高浓度甲醇或者纯甲醇进样的目的。通过模型与实验结合的方式，我们对这种DMFC的持续放电性能进行了考察。与常规被动式DMFC比较，双燃料腔被动式DMFC的续航时间在电池结构参数优化后得到了很大的提升，而电池输出功率并没有衰减。　　 (2)液体电解质DMFC　　 首次提出了利用质子在不同类型电解质中传输机理的不同实现降低DMFC中甲醇渗透速率的目的。因为在水溶液中质子传输依据遵循Grotthus机理，因而质子传递过程中，与质子结合形成水合质子的那些水分子不会随质子一同移动。引申至DMFC中，由于甲醇与水是互溶的，因此将液体电解质引入到被动式DMFC可以降低甲醇随质子从阳极向阴极的传输，从而大大降低了电池运行过程中的甲醇渗透速率。所设计的液体电解质DMFC在与常规电池运行条件完全相同时，电池极化和放电性能都有较大提升，而以高浓度甲醇进样时，电池的能量密度能够到达常规被动式DMFC的数倍。　　 2.DMFC阳极气液两相传质过程模拟优化　　 (1)DMFC阳极催化层微观传质结构优化　　 建立了一个半经验数学模型，通过考察MEA制备过程中引入阳极催化层造孔剂含量对阳极甲醇传输性质、质子交换膜(PEM)中甲醇透过速率以及阳极催化层中的活性比表面积等几个重要参数的影响，优化阳极催化层中的造孔剂载量。通过阳极传质结构的优化，实现主动式与被动式DMFC性能的提升，对DMFC制备工艺具有一定指导意义。　　 (2)Lorentz力改进DMFC阳极气液两相流　　 首次提出将磁场引入燃料电池中，利用移动电荷在电磁场中产生Lorentz力以及CO2气体对质子传输绝缘这个两个特性加速CO2气泡从阳极催化层表面的剥离，从而提高了DMFC阳极催化剂的利用率。通过这种方法改善微观层面的气液两相流问题后，电池性能能够得到一定程度的提高。这种简单方法可以实现DMFC阳极气液两相流问题的缓解和和电池性能的提升，这为以后缓解两相流问题的工作提供了一种新的思路。　　 3.DMFC电堆热管理　　 建立了一个一维两相电堆热管理模型，对大规模DMFC电堆热分布的均一性进了预测，考察了结构和运行参数对电堆热分布状态的影响。这些参数包括了燃料电池阴阳极反应物进样流速、电流密度、极板厚度等。利用这些计算结果可以对DMFC电堆的组装工艺和运行策略提供指导。　　 4.直接甲酸燃料电池(DFAFC)结构改进和电堆设计　　 (1)无质子交换膜DFAFC设计与优化　　 首次提出利用甲酸的电离性质，将其作为自电解质组装了一种无质子交换膜的DFAFC。该电池使用多孔膜材料作为阴阳极隔膜和电解质载体，甲酸在其中既作为燃料又作为电解质材料，使得电池成本大大降低。得到电池性能约为使用质子交换膜电池的1/5。我们相信通过对多孔膜材料中孔分布的设计和研究，可以使得这种无质子交换膜DFAFC的性能得到提升。　　 (2)DFAFC中阳极反应过程研究　　 首次使用了一种无辅助电解质电化学体系对甲酸电氧化机理进行探索。我们在不使用支持电解质的同时，还将电解池温度调节至60℃以模拟燃料电池的运行环境。而在此环境下，甲酸极易在Pd催化剂表面催化分解生成氢气。我们分别提出了甲酸电氧化和催化分解反应的机理并探讨了两种机理之间的相互影响，并得到了PtPd/C催化剂在电池运行条件下具有更高活性和温度性的结论。　　 (3)DFAFC电堆设计及运行过程优化　　 首次开发了一个高稳定性、长寿命的30W级的DFAFC电堆。提出了使用超声混合的Pt/C+Pd/C催化剂作为阳极催化剂，得到了性能和稳定性都很高的DFAFC电堆。其极化测试功率密度与Pd/C催化剂时类似，而稳定性比其高两个数量级。该电堆的输出功率达到了32W，能满足大部分便携式电子设备的需求。