微型直接甲醇燃料电池(Micro direct methanol fuel cell,μDMFC)是直接利用甲醇水溶液作为燃料,空气中的氧气作为氧化剂的一种燃料电池,不仅绿色环保而且能量利用率高,是各种便携式电子设备的未来理想电源之一,针对μDMFC技术的研究逐渐成为国内外各机构的研究热点。但μDMFC的实用化还需解决大量基础科学和工程技术问题,其中气体扩散层(Gas diffusion layer,GDL)和集流板(Current collector,CC)对燃料电池的输出性能具有全局性影响,是μDMFC实用化的技术瓶颈之一,本文围绕这一关键问题进行了探索性研究。首先,本文研究了不同气体扩散层对μDMFC传质阻力和接触电阻的影响。GDL和CC是直接甲醇燃料电池的重要组成部分,它们为催化剂、电子通道和气体输送通道提供了一个支撑层。本文采用不同结构的材料直接作为μDMFC的气体扩散层。结果表明,三维石墨烯(Three-dimensional graphene,3DG)作为μDMFC的阳极气体扩散层,泡沫钛(Foam titanium,FTi)作为μDMFC的阴极气体扩散层使电池的性能获得明显提升,燃料电池的峰值功率达到33mW,比碳纸(Carbon paper,CP)的性能提升了32%。然后研究了碳纸和三维石墨烯作为气体扩散层时不同材料作为流场对μDMFC传质阻力和欧姆内阻的影响。采用不同结构的材料作为流场,考察了不同材料对电池性能的影响。结果表明,碳纸作为扩散层时,泡沫镍(Foamnickel,FNi)作为阳极流场,泡沫钛作为阴极流场;三维石墨烯作为扩散层时,不锈钢毡(Stainless steel felt,SSF)作为阳极流场,泡沫镍作为阴极流场使μDMFC达到最大性能。最后,基于以上的实验分析及研究,提出了阴极泡沫钛基集流-扩散一体化的电极结构,将电池集流板与扩散层集成于一体。选用泡沫钛作为集流-扩散一体化结构的电极材料,泡沫钛化学稳定性好,极耐腐蚀,特别适用于电化学环境复杂的燃料电池,同时泡沫钛的机械性能好,微孔贯通性良好,可重复装拆而不影响其孔隙率。集流板与扩散层一体化的构造消除了传统燃料电池中的接触电阻,显著降低了电池的内阻,提高其输出性能,同时简化了μDMFC的结构和制造工艺,提高了其体积比能量,促使其进一步微型化。