近年来,微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell, μDMFC)由于高比能、高效、易构建、快速加燃料、燃料便于存储、环境友好等优势,被认为是一种极有应用前景的便携式产品。然而,诸多技术难题阻碍了人们对它的广泛应用。其中,阳极流场板主要用于供应、分配甲醇燃料与排出产物,并收集电流。因此,其设计的合理与否将直接影响到电池性能。本文围绕传统流场与新型含超疏水气体通道流场的结构展开了系统研究。之前的研究倾向于从有限的、分离的阳极流场结构样本中揭示阳极流场对电池性能影响的基本规律,并且多数研究忽视了阳极流场设计中不同几何参数对电池性能的交叉影响。为此,本文采用响应面参数分析法(Response Surface Methodology, RSM)建立了在一个确定的参数空间内描述μDMFC阳极流场结构参数对电池输出性能连续的、交叉的全局影响的关系模型。首先,基于连续性方程、Navier-Stokes方程、Butler-Volmer方程等建立了μDMFC的三维数值模型。对模型求解,可输出电池的峰值功率密度。然后,建立了RSM关系方程,并设计实验进行了验证。对RSM模型的分析表明,40%-50%的流场开孔率能获得最高的电池输出性能,而更大开孔率时增大的甲醇渗透速率或更小开孔率时增大的传质阻力都会降低μDMFC的性能。对于相同的甲醇流量30m1/h,当沟道深度从0.6mm降低至0.3mm时,甲醇水溶液的流速会增大,导致其质量传递系数增大,但进一步减小的沟道深度会导致有效质量传递系数减小。对于相同的开孔率及适中的沟道深度0.4mm,沟道长度的增加使甲醇传质更充分、分配更均匀,因而提高电池的性能。最后,通过RSM方程给出了特定参数空间内的最佳流场结构参数。在传统流场结构的基础上,设计了三种(蛇形流场、螺旋流场、平行流场)含有超疏水排气微通道、气液通道嵌套排布的新型流场。采用有限元分析中的Level Set方法建立了三种新型流场和三种传统流场的数值模型。组装了含新型流场的单电池进行CO2气泡原位测试和压降的测量。模拟与实验结果都显示,部分气泡通过扩散层后会通过气体通道排出,而主液道中的气泡数量明显减少,且没有长气塞出现。同时,有气体通道的蛇形、螺旋和平行流场的平均压降相比传统流场分别降低了43.3%、50.5%和62.5%;压降振幅分别降低了传统蛇形流场的20%、传统螺旋流场的57%、传统平行流场的25%。反映出新型流场能够有效促进CO2气体的排出,提高反应物传输的效率。