传统能源的日益消耗及生态环境的逐渐恶化使得新能源技术已成为当代社会可持续发展的重要方向。其中,管状直接乙醇燃料电池（Tubular direct ethanol fuel cell,DEFC）以乙醇溶液作为阳极反应液,采用新型管状设计替代昂贵的双极板结构,具有能量密度高、环境污染低、制造成本少等优点,在未来的便携式能源设备中具有广阔的应用前景。同时,DEFC中仍存在诸多问题,阴极侧的“水淹”、乙醇渗透、温度及氧气的不均匀分布均会导致电池性能下降以及工作寿命的缩短,而电池结构及流场设计对其综合性能的影响至关重要。因此,本文设计并制备了一种新型管状DEFC,并对单电池的物理化学性能进行实验研究,以证明其可行性;之后分别针对阴极电极层以及流道结构进行优化设计并进行仿真研究,从而为提升电池综合性能提供依据。首先,本文通过实验制备管状DEFC,并对电池的支撑体进行物理特性分析发现,当阴极及阳极支撑体的炭微球占有比分别设定在70%和40-45%时性能较优,符合实验要求;通过单电池的电化学实验结果表明乙醇浓度的升高有利于提高电池功率密度,但过高的浓度会引起乙醇渗透。而温度的升高有利于液态水的汽化及排出,提升电池性能。同时,长时间的放电使得阴极膜电极“水淹”严重。其次,针对管状电极层的氧气传质与水管理等问题,对阴极电极层进行仿真研究,提出多种不同切割电极层的设计方案。建立二维两相流模型并分析比较了在两种敏感条件（催化层孔隙率、工作压力）下,不同电极层切割方案对电池性能的影响规律。结果表明,当采用有序切割电极层的设计且在工作电压为2MPa、孔隙率为0.5时最有利于氧气的传质并加速电极层内液态水的排出。之后,为更有效地研究管状DEFC阴极内部的“水淹”及传质传热问题,本文在管状DEFC的基础之上,建立三维两相流单电池模型,分析电池阴极流道高度及宽度的渐缩率对氧气对流传质以及液态水去除能力的影响。仿真结果表明,在高电流密度下流道渐缩对电池性能影响明显,其中,当高度渐缩率在55%-77%时,电性能以及液态水排出能力明显提升。而宽度渐缩有利于提高气体分布的均匀性,但会使电池性能有所降低。最后,为进一步提高氧气的对流传质能力,设计了一种新型通孔型流道DEFC,并进一步优化通孔型流道的几何参数,分析通孔几何结构及表面形状对于电池对外输出性能、氧气传质、液态水分布的耦合影响。仿真结果表明,与传统的平行流道相比,通孔型流道有效的提高了电池内部氧气对流传质效果并强化了电池的排水能力。其中,方形渐缩流道（Case C2）的整体电性能在三维通孔通道中显著提高,在电压为0.2V时功率密度相比平板型流道提高了40.86%。