微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）是一种能够将液体甲醇的化学能直接转换为电能的装置。由于μDMFC具有能量密度高、燃料容易储存以及系统结构简单等优点，使其成为应用在便携式微小型设备上最有前景的能源之一。然而，μDMFC还存在甲醇渗透、阳极传质效率低、电池组的集成和稳定性不高等问题，导致电池放电性能较低，难于满足便携式应用。本文首先针对主动式的μDMFC建立了两相传质模型，优化设计了主动式阳极流场结构；其次，针对被动式μDMFC阳极传质，建立了被动式μDMFC阳极两相传质模型；最后，提出了一种“4-cell”被动式μDMFC单元电池组结构，对便携式应用开发具有重要的实际意义。针对传统主动式平行流场传质效率低的问题，本文提出了多进多出型平行流场并进行优化。利用建立的μDMFC阳极传质模型描述了优化的阳极流场压力以及流速分布情况，并利用MEMS工艺在硅极板上实现了相应的流场结构。仿真和实验结果一致表明，利用方形凸起优化的流场结构改进效果最佳，较传统的平行流场性能提高一倍。其次，针对传统主动式μDMFC甲醇供给浓度较低的问题，提出了一种复合型主动式阳极流场结构。利用建立的μDMFC阳极传质模型描述了阳极扩散层及催化层内甲醇浓度的分布情况，并利用端板和极板的结合实现了复合流场结构。仿真和实验结果表明，相比于传统平行结构流场，复合型流场结构具有更大的甲醇传质阻力，能够有效地提高甲醇供给浓度。针对被动式μDMFC阳极自然对流现象，本文建立了被动式μDMFC二维、稳态、非绝热模型。模型考虑了被动式μDMFC阳极储液腔内自然对流效应的影响，并且耦合了热和物质传输。整个耦合模型利用有限元方法求解并通过实验验证。仿真结果表明：在竖直放置的条件下，由于阳极自然对流的影响，电池内部的温度从底部到顶部逐渐升高。随着甲醇浓度的增加，电池的温度升高，导致储液腔中的阳极自然对流效应增强，在电池内部形成更大的温度分布扭曲及温差。甲醇渗透率随着甲醇供给浓度的增加而增大。随着电流密度的增加，甲醇渗透现象在较低的供给浓度下逐渐增大，而在较高的供给浓度下显示出逐渐减小的趋势。以上研究结果更加准确的分析了被动式μDMFC内部的传质过程。为了验证被动式阳极自然对流现象，设计制作了被动式μDMFC单体电池。并在单体电池基础上设计并制作了一种面向应用的“4-cell”被动式μDMFC单元电池组，并利用自设计的电联方法实现单元电池组之间的串联，从而实现μDMFC的多节串联。这种结构可以大大提高电池组的稳定性。通过对电池组稳态及动态性能的全面测试与分析，得到如下结论：在室温的环境下，“4-cell”被动式μDMFC单元电池组的最佳甲醇浓度为5mol/L。单元电池组达到的最大功率为545mW，最大功率密度为29.62mW/cm2；电池组在不同负载模式下体现出良好的动态响应特性和可重复性，并成功应用于驱动电动机以及给手机充电。