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微型聚合物膜燃料电池很有希望在便携式电源等领域获得广泛应用。本文从有别于传统燃料电池的基本结构、基础材料组件、制备工艺等几个方面进行了研究,探索了实现燃料电池微型化的途径,以促进其商业化进程。论文首先开发了工艺简单、高性能的CCM(Catalyst Coated Membrane)膜电极制备技术,将高强度、薄厚度的钛金属片应用于微型燃料电池。采用微加工和表面涂覆技术来加工钛基片,兼有流场板和扩散层的多功能作用,代替了厚重的石墨板和易损坏的碳纸。通过将CCM和经过微加工等处理的钛基体压合制成微型燃料电池,在常温常压下分别以空气和氧气为氧化剂的最高功率密度达到了220 mW cm-2和450 mW cm-2。提出了一种全新概念的燃料电池集成化膜电极结构。该集成化膜电极将燃料电池中的膜、催化层、扩散层、流场板等各个分离的片状组件集成为一个整体,简化了燃料电池的结构和组件,减小了体积和重量,同时具有高的机械强度和尺寸稳定性,简化了CCM制备工艺,便于流水线批量生产,而且减少了电池的压力附属装置,简化了系统。该结构中几乎所有的组件都可以采用国产材料自主生产和加工,使成本大为降低。采用多孔金属基片和膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜等基本材料,通过国产树脂浇铸成膜的方法成功的制作了厚度只有200μm的集成化膜电极。该集成化膜电极在常温常压H2/air电池中空气自呼吸条件下的功率密度超过了100 mW cm-2;在DMFC中常温常压空气为氧化剂时最高功率密度达到了19 mW cm-2,高于相同工艺条件下制备的Nafion115膜电极性能。以集成化膜电极技术为核心部件,成功制作了阴阳极全被动式DMFC和平面型带状电堆,结构紧凑,节省空间,并获得了一定的功率输出。初步研究了TiO2-RuO2非碳载体燃料电池催化剂。研究表明新载体比常用的XC-72碳粉具有更高的抗氧化性和稳定性,在各种燃料电池中作为阴极和阳极催化剂载体获得了一定的实际放电性能。