微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct methanol fuel cell, μDMFC)由于其无需充电、环境友好、结构简单、燃料储存携带方便等独特的优势,在便携式电子设备领域受到广泛关注。近年来MEMS技术在μDMFC上的应用,促进了μDMFC朝向微型化快速进展。但是目前μDMFC输出性能与其同类大尺寸传统燃料电池相比尚有较大差距,其中阳极微流场中CO2气泡导致反应物输运传质阻滞是造成这一问题的关键因素之一。研究阳极流场内气液输运特性,消除阳极CO2气泡的不利影响,增强反应物的输运和传质效率,是提高μDMFC输出性能的重要途径之一。本论文围绕这一关键问题,提出了采用非均衡流场结构减缓CO2气泡阻塞影响的研究思路,研究了非均衡流场内的气液输运特性,以期通过非均衡流场设计,提高μDMFC的输出性能。研究了单气泡脱离碳纸行为和单气泡段在沟道中的运动特性,并进行了实验验证。建立了考虑气体流量、微孔直径等参数的气泡脱离直径模型,采用单孔出泡原位观测实验对气泡脱离直径模型进行了验证。对沟道内单气泡段受力分析结果表明,由于气泡段两端表面张力差值的存在,气泡趋向于沟道截面增大的方向运动,为非均衡流场设计提供了理论依据。采用分相流模型推导了沟道内流体压降公式,得出了压降随沟道深度、沟道锥度、液体流量和气体流量的变化规律；对不同形状和深度的单条直沟道压降测试结果表明：在相同的液体流量和气体流量下,渐扩沟道压降大于等宽沟道压降,且压降变化趋势和理论计算结果一致。单条直沟道内气泡运动的原位观测结果显示,气泡在渐扩沟道中运动更加顺畅,全流场内CO2气泡模拟实验结果进一步验证了这一结论。设计并采用UV-LIGA工艺制作了阳极蛇形非均衡流场结构的聚合物基流场板。首先研究了微电铸铸层尺寸精度控制方法和隔离带填充工艺。提出并验证了采用隔离带工艺提高铸层尺寸精度的方法,显著提高了镍模具铸层的尺寸精度,增设隔离带的掩膜版制作的镍模具直沟道铸层尺寸相对误差由17%左右降至7%。采用薄胶填充物方法制作的流场板用镍模具,其直沟道和弯道的铸层宽度误差波动幅值分别为1.2%和3.8%。其次研究了高深度密集结构的热压工艺,采用高温脱模的方法实现了基片的自动脱模。最后提出了一种单独制作金属导电层,并将导电层和聚合物流场板键合的新方法,在实现流场可视化的同时提高了流场结构的深宽比。采用光刻胶过渡层键合工艺,实现了导电层与流场板的可靠密封。设计制作了包含非均衡流场结构的聚合物基μDMFC,采用瞬态压降频谱分析方法和原位观测实验,研究了阳极流场沟道形状、渐扩沟道间距和渐扩沟道深度对气液输运特性及燃料电池输出性能的影响规律。沟道形状影响研究结果表明,在相同电流密度下,渐扩流场和渐缩流场压降振幅均小于均衡流场压降振幅；渐扩流场能够减小沟道内气泡堵塞,有利于CO2气泡的排出；渐扩流场能够显著提高电池的输出性能,采用渐扩流场和渐缩流场组装的μiDMFC峰值功率密度分别高于采用均衡流场组装的μDMFC峰值功率密度36%和19%。渐扩沟道间距对μDMFC影响研究表明,在本论文的实验条件下,存在一个有利于CO2气泡的排出的沟道间距最优值；沟道间距800μm的渐扩流场最有利于C02气泡的排出,其对应的μDMFC峰值功率密度亦最高。渐扩沟道深度对μDMFC影响的研究结果表明,沟道深度增加有利于CO2气泡的排出,在脊宽为800pμm的渐扩流场中,深度为8001μm的流场组装的μDMFC峰值功率密度(18.9mW/cm2)比深度为400gm的流场组装的μDMFC峰值功率密度(15.76mW/cm2)高19.9%。