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如今消费者对便携式、高能耗（智能手机、平板电脑以及可穿戴设备）设备续航的需求极大的刺激了研究机构和企业在微小型高能量密度能源方面的研究。发展微小型电子设备能源的迫切需求使得众多学者开始进行微型燃料电池相关方面的研究。在所有的燃料电池种类中,微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC）拥有着燃料来源丰富、能量密度高、环境友好、启动及运行温度较低、燃料存储、运输方便等独特的优越性。随着近几十年微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System,MEMS）技术和材料科学的飞速发展,μDMFC的效率和稳定性更是得到了极大的提升。然而,目前μDMFC技术尚未得到大面积推广,离大规模商业化还有一定的距离,其主要的技术瓶颈在于功率密度较低、成本、便携性以及燃料实际使用浓度较低四个问题。本文围绕μDMFC电化学特性优化、复杂度优化以及便携性优化等基本方向,制备并测试了一种新型金属编织物膜电极,实现了一种集流板-膜电极一体化新结构;设计并实现了一种基于超疏水金属表面改性工艺的微通道排气结构;设计并制备了一种超亲水端板μDMFC。这些工作对μDMFC的功率密度提升、复杂度降低以及便携性提升具有重要意义。首先,本文对不同电池结构下阴阳极反应物及产物的浓度分布和电流密度分布进行了理论计算分析。与常规电池结构的μDMFC对比分析表明,集流板-膜电极一体化μDMFC表现出了更高的阴阳极产物传质速率,微通道排气式μDMFC展现了优异的气体排出能力,超亲水金属基μDMFC体现了非常快速的水扩散速率,理论分析结果与后续实验测试规律相吻合。其次,采用新型金属编织物代替常规碳纤维编织物,制备了一种金属编织物膜电极,其机械强度使得μDMFC可以不再需要昂贵的阴阳极集流板即可进行电流引出,大幅降低了μDMFC的结构复杂度,实现了一种集流板-膜电极一体化新结构。同时金属编织物膜电极优良的阴极多孔结构使得该种新型膜电极在室温下有着优异的性能表现,对采用了金属编织物膜电极的一体化μDMFC测试结果表明,与作为对照组的常规碳纸膜电极μDMFC相比,大幅提升了续航时间,且室温25℃下的最大功率密度提升了33.9%,能量转换效率提升至27.36%。随后,通过铝基超疏水工艺,实现了一种具有侧排气微通道的阳极端板结构,该结构使得CO2可以不经过流场直接由阳极扩散层轻松排出,大幅提升了μDMFC低浓度大电流工况下的极化特性和电压输出稳定性。带有微通道侧排气结构的μDMFC相比较于常规结构,稳定性及最大输出电流皆有显著提升。根据电池的不同封闭程度,10%以上的阳极废气CO2可经由微通道顺利排出,使得阳极燃料腔可以成为全封闭式,避免了燃料电池在便携使用过程中的燃料泄露,优化了燃料电池工作情况下的可便携性。最后基于铝基底,采用等离子体电解氧化技术制备了一种μDMFC超亲水金属阴极端板。结合阴极端板排水微流道设计,使得室温大电流下的μDMFC阴极水淹现象消失,μDMFC长时间放电下性能提升了30%以上。半电池测试数据表明该μDMFC阴极表面电势十分稳定,阳极电势下降速度仅有常规电池的1/4。并且由于阴极产物水的有效处理,燃料电池运行期间的便携性大幅提升。