自呼吸式直接甲醇燃料电池( Air-breathing DMFC)因其结构简单、比能量高、启动快速、储存和携带方便等特点，在移动电源和便携式电子产品电源领域具有广阔的应用前景。目前，成本和性能仍然是限制自呼吸式DMFC大规模商业化的两个突出问题。如何进一步降低电池成本和提高电池的功率密度、能量密度以及稳定性仍然是自呼吸式DMFC商业化的关键。膜电极(MEA)是DMFC的核心部件，其组分和结构决定了整个电池的成本和性能。因此，对MEA材料的选择和对其结构的优化至关重要。本论文将针对MEA的催化剂选择、微结构调控以及自呼吸式DMFC的甲醇渗透和水管理对电池性能的影响等方面进行研究，以期进一步降低自呼吸式DMFC成本，提升电池性能。主要研究内容和进展如下：　　 1、PtRu催化剂的批量制备与构效关系研究针对传统浸渍法制备PtRu催化剂分散性差，催化性能不佳，而其他催化剂制备方法成本过高，不适合批量生产的问题，我们对传统浸渍法进行了改进，使之发展成一种简单、高效的PtRu催化剂批量制备方法，从而降低电池的整体成本。研究表明，改进的浸渍法较好地改善了传统浸渍法所制备的催化剂粒径分布不均匀、分散程度差的缺点，且所制得的催化剂活性高，远高于传统浸渍法制得的催化剂，甚至要高于Johnson Matthey商业化催化剂。通过详细的结构分析和表面分析，发现PtRu/C催化剂对甲醇氧化的电催化活性主要由其表面状态所决定。　　 2、Pt-MoOx/C催化剂的四醇氧化电催化行为研究目前，PtRu催化剂被认为是最有效、最为实用的一种DMFC阳极催化剂。然而，Ru是Pt系元素中最为稀少的一种，而且通常Ru在相应的Pt系元素矿石中的品位低于10％，不利于提纯和利用。因此，我们试图用其他更为廉价易得的Mo物种来替代Ru物种。我们制备了不同Mo含量的Pt-MoOx/C催化剂，通过详细的结构和成分分析以及电化学表征，并与Pt/C催化剂进行了比较，分析和讨论了催化剂中MoOx组分的作用。结果表明，相对于Pt/C催化剂，所有的Pt-MoOx/C催化剂均显示了更高的质量比活性和较低的内在比活性。这主要由Pt-MoOx/C催化剂中Pt粒子——MoOx/C载体相互作用所决定。从实用化的角度来讲，低MoOx含量的Pt-MoOx/C催化剂更有利于甲醇的电化学氧化。　　 3、自呼吸式DMFC膜电极的优化针对自呼吸式DMFC的特点，全面地考察了扩散层基底，微孔层、催化层的组成和结构，以及MEA结构对自呼吸式DMFC电池性能的影响，着重从扩散层和催化层的厚度、亲疏水性、孔径分布等角度进行调控，重点考察各因素对反应物及产物传输、甲醇渗透以及催化剂利用率的影响。结果表明，较薄的碳纸作为扩散层基底更有利于电池的传质；微孔层的引入可显著地改善扩散层的水、气管理，减小甲醇的渗透，同时减小界面接触电阻，并减小催化剂渗漏，提高催化剂利用率；造孔剂的加入改善了微孔层的孔隙分布和孔隙率，使得传质阻力明显减小；采用亲水性微孔层更有利于甲醇的传质；相比碳载催化剂，PtRu黑和Pt黑催化剂更合适作为自呼吸式DMFC催化剂，催化剂载量以6mg cm-2左右较为合适。　　 4、自呼吸式DMFC电池内的传质分析和电池集成与组装对自呼吸式DMFC电池内给物质的传输作了总的分析，在此基础上，把甲醇渗透问题和水管理问题综合进行考虑，进一步优化了MEA的结构，同时提高了电池的能量密度和功率密度。经优化的MEA在室温，自呼吸工作条件下，单电池的峰值功率密度为33 mW cm-2，最佳甲醇工作浓度为4M;所组装的自呼吸式DMFC电池组的峰值功率密度为17.8 mW cm-2，10片MEA装自呼吸式DMFC电池组总功率可达900 mW，注入86 mL4 M的甲醇后，以100 mA电流放电可持续工作14h(电压在3.6V以上)，能量密度可达58.6Wh/L以上。我们将该自呼吸式DMFC电池组成功地用于手机驱动的演示。