第三代移动通信设备及数码产品市场的大幅增长,对高性能便携式电源提出了更高的要求。小型质子交换膜燃料电池被认为是其中很有潜力的一种电源。本文着眼于研制小型质子交换膜燃料电池电堆及氢源。主要研究内容包括:自增湿膜电极的制备及研究、气体扩散层的碳化改性、小型氢气发生器的研制和小型六单体质子交换膜燃料电池电堆的研究。制备了具有新型结构的自增湿膜电极,该膜电极通过设置在催化层外围的非活性水扩散区来实现质子交换膜燃料电池有效的水管理并提高电池的性能。通过比较自增湿膜电极与传统膜电极的极化曲线与功率密度曲线可知,自增湿膜电极最大功率密度约为85 mW/cm2,是相同条件下传统膜电极最大功率密度的两倍。研究了阳极氢气流速、环境温度和环境相对湿度对自增湿膜电极性能的影响,并对水扩散区面积进行了优化。实验比较了自增湿膜电极与氢气在不同加湿状态下的传统膜电极的性能。结果表明,自增湿膜电极的性能更好。本文提出了一种通过蔗糖碳化处理气体扩散层的方法。通过这种方法,使碳化后碳均匀分布并增加碳纸的粗糙度,从而在低PTFE载量下提高了碳纸的憎水性。蔗糖碳化温度为400℃,碳化二次。25℃时,PTFE载量为10 %的碳化处理碳纸的接触角为137±1o。相比之下,未碳化处理碳纸在相同PTFE载量时的接触角为125±1o。不同PTFE载量碳化处理碳纸的电子电阻率相比相应PTFE载量的未处理碳纸下降了6~8个百分点。相比其他膜电极,使用PTFE载量为10 %碳化处理碳纸的膜电极具有更好的电池性能。设计了结构简单、操作便捷的小型氢气发生器。该氢气发生器采用铝作为原材料并与氢氧化钠水溶液反应制备纯氢气。研究了氢氧化钠水溶液浓度、滴加速率和初始反应温度对产氢速率的影响。结果表明,产氢速率随氢氧化钠水溶液浓度、滴加速率及初始温度的增加而增大。氢氧化钠水溶液浓度为25 mass%、滴加速率为0.01 ml/min时的产氢速率约为38 ml/min。比较了分别用该氢气发生器和钢瓶提供氢气的电池的极化性能和启动性能。恒电流实验表明,氢气发生器的氢气利用率可达77 %。最后,研制了一个六单体的小型自呼吸式质子交换膜燃料电池电堆。该电堆各膜电极呈阶梯状分布,阳极氢气内部强制循环。研究了电堆的极化性能、恒电流工作性能、电流阶跃工作性能、启动性能和长时间工作性能。为提高电堆各单体电池性能的均匀性,改进了电堆结构,并将氢气发生器与电堆组合使用,实现了二者的结合。改进后的电堆性能更加均匀,最大功率可达2.7 W。对电堆的使用条件进行了研究,并将氢气发生器与电堆联动工作,考察了电堆在300 mA与700 mA工作时的性能。