能源对人类的可持续经济发展和宜居环境至关重要,所以能源科技将一直成为我们研究的重点,发现更好的能源类型和提高能源的使用效率成为当代人的责任。目前,采用纯氢气供给的质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是替代传统的低效率、高污染的电池或内燃机的最有前途的技术之一。然而,高压氢气笨重的存储和运输过程一直阻碍着微型PEMFC的广泛应用,因此使用液体燃料作为替代方案成为新型微能源电池的研究热点。其中一种方案就是甲醇重整燃料电池（RMFC）,它主要包含PEMFC和制氢装置——甲醇和水的混合物在高温条件下通过甲醇水蒸气重整的化学反应产生氢气。在便携式应用中,RMFC系统的微型化存在如下问题:微型RMFC系统复杂,系统的设计对其工作方式和能量转化效率有着重要影响,因此需要提高微型RMFC系统设计方法;受结构设计和加工方法限制,传统的甲醇重整器性能低下,严重影响系统的制氢能力;在驱动不同大小的电子负载时,系统运行的稳定性较差等。针对以上问题,本文进行了微型RMFC系统模型研究、高性能微型甲醇重整器研究、微型高温PEMFC设计以及微型RMFC样机的关键技术研究。首先,基于化学、电化学和热力学理论,本文建立了微型RMFC的闭环动态系统模型。通过对RMFC系统的实际工作过程进行模拟,揭示了系统内的质量传输和能量守恒规律,得出了不同输出功率下燃料在系统内的消耗速率。研究结果表明:系统能量转化效率随着RMFC输出功率的增加先上升再下降,系统最大输出功率和最大能量转化效率无法同时获得。模型运算结果为实现高性能的微型RMFC系统奠定了理论基础,指导了微型RMFC系统的设计。其次,本文着重开展了对微型甲醇水蒸气重整器的研究,提出了一种U型结构的微型重整器。该重整器将重整室和燃烧室集成于单一铜基体,提高了重整器的制氢能力。三维有限元结构仿真表明:U型结构重整器中的温度分布比直筒型结构更加均匀且平均温度更高,有利于提高甲醇水蒸气重整反应的反应速率和均匀性。在此基础上,采用精密机械加工和真空钎焊工艺制作了U型微型重整器。实验结果表明该微型重整器的制氢速率可以达到1100 sccm以上,长时间工作的稳定性较高,满足30W微型RMFC系统的应用要求。最后,在以上工作的基础上,本文设计并实现了微型RMFC系统。系统中燃料电池模块由10节高温PEMFC构成,180°C下最大输出功率为33.4 W。高温PEMFC电池组稳定性较高,在200 mA/cm²的电流密度下,输出电压的衰减速率为2.45×10^-3 V/h。在系统控制模块中,利用实时操作系统和前馈PID控制算法来分别控制RMFC系统的工作流程和燃料流速。实验结果表明,微型RMFC样机需要经过21 min的升温启动过程才能对外供电,且系统启动时间会随着燃烧催化剂的性能衰减而逐渐变长;在便携式应用中,燃料供给速度会随着负载大小的变化而自动调节,展现出良好的动态响应特性;输出功率为22.5W时,系统的最高瞬时能量转化效率为36%,而总体能量转化效率则需要系统运行时长大于2.5 h才能达到30%,且系统的能量转化效率会随着燃料电池组性能的衰减而逐渐降低。通过对比,实验测量结果验证了系统模型的正确性。