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直接二甲醚燃料电池(Direct dimethyl ether fuel cell, DDFC)是以二甲醚(Dimethyl ether, DME)为燃料的直接型燃料电池,最近几年开始受到关注。目前的研究主要集中在DME电氧化机理上,对DDFC膜电极(Membrane electrode assembly, MEA)的研究甚少。MEA是DDFC的核心部件,是化学能直接转化为电能的场所,其性能很大程度上决定了电池的性能。因此制备高性能的MEA,优化MEA的组成与结构就显得非常重要。本论文主要结合DME燃料的特性,针对DDFC的MEA进行研究,提高了电池性能,并设计研发了一种小型被动式DDFC电堆。详细研究了MEA的组成及结构对电极性能的影响。以Pt/C为阳极催化剂的MEA在高电流密度区表现出较好的性能;在低电流密度区,PtRu/C作阳极催化剂的电极性能较优。与Pt/Vulcan XC-72相比,Pt/MWNTs对DME显示出更高的催化活性。MEA阳极催化层中随着催化剂Pt载量的增加,电极性能先增大再有所减小,阳极扩散层中PTFE的最佳含量为20 mass %。MEA阴极催化层中Nafion含量为20 mass %,扩散层中PTFE含量为30 mass %时显示出较好的电极性能。Nafion膜厚度与电池开路电压成正比,采用Nafion112的MEA性能最差,采用Nafion115膜的MEA可以获得最大的电池功率密度(46 mW cm-2)。通过对DDFC性能的研究发现,当1.5 mol L-1DME水溶液以5 mL min-1阳极进料时显示出较好的电池性能,而当DME气体饱和加湿,流速为200 mL min-1时电池性能较好。与DME气体相比,以DME溶液为燃料的DDFC可以获得更好的电池性能和长时间放电稳定性。DDFC与DMFC相比较,DME透过Nafion115膜的渗透系数比甲醇低大约一个数量级,DME在Pt/C玻璃碳电极上的初始氧化电位较甲醇负移50 mV左右。在低电流密度区,DDFC的性能要优于DMFC;在高电流密度区,DMFC则表现出较好的性能。电池在80℃工作时,DDFC的最大功率密度为56 mW cm-2,DMFC的最大功率密度为81 mW cm-2,DDFC的最大功率密度约为DMFC的69 %。针对DME在水中的溶解度随温度升高而下降的特性,研究了一种用于DDFC的MEA新结构,其阳极扩散层在同一平面上分成了亲水与憎水两个区域。电池在50℃运行时,新型MEA表现出较优的电极性能,与亲水和憎水MEA相比较,新型MEA具有较小的传质阻抗和长时间运行性能衰减率。通过改变新型MEA阳极扩散层中亲、憎水区域的面积比可调节DDFC在不同工作温度下的电极性能。低温时,阳极扩散层中亲水区面积较大的MEA性能较优;而高温时,阳极扩散层中憎水区面积较大的MEA可以获得更好的电极性能。设计、研究了一种小型被动式DDFC电堆。各单体电池性能均一性较好,电堆的开路电压在4 V左右,最大功率为300 mW。6单体电池可以按照不同的方式进行电连接,改变的只是电流与电压值,电堆的总输出功率基本不变。电堆在恒、变电流下均可稳定运行。电堆室温21℃启动,在恒电流100 mA运行过程中,温度逐渐上升,大约60 min后温度逐渐稳定在37℃。电堆在恒电流300 mA下运行时,初始电压为1.4 V,经过1100 min放电后电压降为0,电堆的燃料利用率为57 %。