当今社会智能化及便携式设备的快速发展与其应用的日益普及,对高效稳定且便捷的微能源系统的需求越发迫切。微型燃料电池技术是一种利用电化学反应将存储于燃料中的化学能直接转化为电能的能源转化技术,具有转化效率高、应用形式灵活、适应性强、环境友好等显著优势,是一种理想的微能源系统。当前国内外对微型燃料电池技术的研究,多侧重于通过高效催化剂的制备、电极材料研发及电池结构与运行条件优化设计等以提高微型燃料电池性能,对与电池性能密切相关的两相流动、热质传输、电荷传递与电化学反应等过程之间的耦合作用机制尚缺乏深入了解,导致微型燃料电池的设计与实际应用缺乏有效的理论支撑。针对现有微型燃料电池理论研究方面的不足,本文以多物理场耦合作用为切入点,对微型燃料电池内多组分热质传输与电化学反应的相互作用机制进行了数值模拟研究。本文首先建立了基于质子传输强化的平面电极式微流体燃料电池（Microfluidic fuel cell,MFC）两相传输特性的全电池模型,研究了阳极催化层与电解质流道内的两相流动传输与电化学反应的关联机理;然后,针对MFC运行中普遍存在的低比能问题,构建了以高浓度甲醇为燃料的被动供液式微型直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cell,DMFC）等温模型,基于膜电极内多孔介质层的混合浸润性构建两相流动方程,并考虑阴阳极外侧边界的毛细对流作用及可凝性组分的相变过程;其次,考虑到电池运行过程中自生热效应对其性能的影响,建立了以高浓度甲醇溶液为燃料的被动供液式微型DMFC非等温模型,探究了电池自生热效应引起的热质传输特性及其对电池性能的影响;再次,为了进一步提高电池系统的比能,采用纯甲醇为燃料,针对以纯甲醇为燃料的被动供气式微型DMFC中的水热管理问题,考虑膜电极内水在不同相间的传质,建立了非等温条件下耦合电化学反应与热质传输的全电池模型,研究了在阳极完全无主动供水条件下热质传输过程与电化学反应的耦合机制;最后,针对被动供气式微型DMFC在高温条件下聚合物电解质严重失水问题,结合MFC液态电解质的散热和保水优势和被动供气式DMFC的高比能优势,提出了具有液态电解质流道的被动供气式MFC,研究了液态电解质的流动工况设计对电池性能及温度适应性的影响。本文取得的主要研究成果如下:（1）平面电极式微流体燃料电池的两相流动与传输特性:研究发现MFC阴极侧低燃料扩散系数壁垒层的设置,可在阴阳极间距减小并去除空白电解质流的前提下,有效抑制燃料渗透对阴极性能的影响。阳极催化层内电化学反应生成的气相CO2的积聚导致燃料的有效扩散系数及质子电导率降低,高电流密度工况下催化层内部存在局部燃料浓度过低现象,限制了阳极性能的提升。电解质流道内的两相流动会降低局部质子电导率,但对流传输作用随之强化。电解质流道宽度的减小有利于降低欧姆损失并提高流体流速强化传质,电池性能随之提高。甲醇供应浓度的提高与传输壁垒层厚度的减小有利于提升阳极反应速率并促进质子传输,但供料浓度过高或壁垒层厚度过薄将恶化燃料渗透,降低电池的最高输出功率密度。（2）高浓度甲醇被动供液式微型直接甲醇燃料电池的两相流动与传输特性:DMFC中阴阳极各多孔层由于本身的混合浸润性不同,在扩散层、微孔层和催化层界面上形成阶跃分布的液相饱和度。通过对各多孔层厚度、孔隙率及憎水性的调控,可在阳极扩散层及微孔层形成较低的液相饱和度,增大高浓度甲醇的传输阻力,从而保持阳极催化层内适当的燃料浓度同时避免出现严重的燃料渗透。高电流密度工况下甲醇氧化反应生成的气相CO2含量增加,阳极侧气相分压的升高导致具有混合浸润性的多孔介质的液相饱和度随之降低,阴极侧的两相流动基本不受电化学反应速率的影响。过高的甲醇供应浓度将造成严重的燃料渗透,电池的最高输出功率密度因而降低。（3）高浓度甲醇被动供液式微型直接甲醇燃料电池的两相流动与热质传输特性:由电化学反应和燃料渗透产生的电池自生热效应将导致膜电极运行温度的升高,输出电流密度越大,电池运行温度越高。阳极侧供应的液相燃料,其换热效果优于阴极侧,故膜电极阳极侧温度更低。多孔电极内部极板肋下位置较开孔位置的传输距离更大,催化层内的反应物浓度较低,电化学反应热效应的减弱及极板的高导热率导致肋下位置较开孔位置温度更低。温度的升高有利于提高聚合物电解质的质子电导率,但温度过高会导致聚合物电解质水含量降低。更高的运行温度加快了各组分的扩散速率,阴阳极电化学反应的本征动力学反应速率随之提高,但燃料浓度较高时,高温条件将引起更为严重的燃料渗透,导致阴极性能的大幅度降低。阳极多孔层热导率较低时,膜电极内部反应区温度更高,不仅增大液相甲醇的传递速率与蒸发作用,同时增强了阴极侧氧气的传递速率,蒸发的增强可在反应温度升高的同时不致透醇通量过分增加。（4）纯甲醇被动供气式微型直接甲醇燃料电池的水热管理:被动供气式微型DMFC阳极侧由于无主动的液相水供应,多孔电极孔隙内水的相态主要取决于水蒸汽分压与对应温度下的饱和蒸汽压差。当膜电极内存在液相水时,聚合物电解质的润湿程度较高;但膜电极过高的温升将导致阴阳极孔隙内的水蒸汽不会出现冷凝,严重降低聚合物电解质的保水性。阴极侧水管理层的添加尽管增大了外界氧气向阴极内部的扩散阻力,但水蒸汽向外界扩散阻力的增加也有利于液相水的冷凝,提高膜电极的保水性,降低电池的欧姆内阻并提高阳极性能。适当的蒸发器开孔率有利于维持高电流密度工况下阳极催化层内适当的燃料浓度以缓解浓差极化,但过大的开孔率将导致膜电极运行温度过高,聚合物电解质的严重失水,燃料渗透严重,降低电池性能。（5）具有液态电解质流道被动供气式微流体燃料电池的两相流动与热质传输特性:液态电解质与阴极催化层直接接触时,可通过调节各多孔层的憎水性在阴极多孔层内形成适当的两相分布,在充分润湿催化层内聚合物电解质的同时,确保氧气向阴极内部的传输。对于被动供气式MFC,液态电解质流的引入可显著提高阳极侧聚合物电解质的润湿程度,并稀释阳极催化层内的燃料浓度,降低燃料渗透。适当的佩克莱特数可有效控制电池自生热效应产生的温升过高的负面影响,大幅度降低到达电池阴极侧的燃料渗透通量。特别是环境温度较高时,液态电解质流对阳极侧聚合物电解质的有效润湿及对阴极性能的保护,可充分发挥高温条件下阴阳极电化学高本征动力学反应速率的优势,显著提升电池对环境温度的适应性。