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作为面向便携式移动电子设备的微型电源,微型燃料电池是燃料电池技术的重要分支,有重要的科学研究价值和工程应用前景。常规的微型直接液体燃料电池存在水管理困难、质子交换膜降解老化等问题,而无膜微流燃料电池（MMFC）利用微通道内平行层流自然地分隔燃料和氧化剂,去除了质子交换膜及复杂的流场板,已成为微型燃料电池领域新的技术发展方向和关注热点。空气自呼吸MMFC直接利用空气中的氧气消除了阴极侧采用溶解氧作为液态氧化剂引起的传质限制,提升了电池性能。近年来由于新型阳极结构和燃料传质强化,空气自呼吸阴极在高电流密度下会出现传质限制,影响了电池性能的进一步提高。因此有必要研究MMFC空气自呼吸阴极内的物质传输及电化学反应转化过程,揭示其影响规律和作用机制。但现目前MMFC空气自呼吸阴极已有数值模拟研究主要基于宏观模型,将扩散层、催化层等多孔介质简化为均质、各向同性多孔材料,对扩散层和催化层微观结构特征、物质传输和转化过程之间相互影响规律和作用机制尚不明确。针对上述研究不足,本课题针对MMFC空气自呼吸阴极,从介观角度探究各部件内部多组分传输过程和电化学反应相互耦合机制,为空气自呼吸多孔阴极结构设计提供指导性的研究成果。主要内容包括:（1）基于随机数值重构方法建立了扩散层和催化层微观结构的三维模型,通过参数调整控制生成多孔介质的形貌特征,同时预测了传输特性参数。（2）基于重构的催化层微观结构,采用BGK-LBM建立了耦合主流道影响的催化层内单相模型,研究了催化层孔隙率、过电位、各向同性/各向异性、聚合物电解质质量分数、电解液流量、铂载量对氧气传递过程和电化学反应动力学的影响。（3）针对耦合电解液主流道的空气自呼吸阴极内多组分物质传输与电化学反应转化过程,基于Fortran语言自编程开发了LBM模型,解决了大扩散系数比导致的数值不稳定性问题,研究了孔隙率、过电位、电解液流量、各向同性/各向异性扩散层、相对湿度对氧气、水蒸气在孔内、催化界面处、电解液内的扩散以及电化学反应的影响。主要研究成果包括:（1）常用的Bruggeman经验关联式会高估氧气有效扩散系数和有效质子电导率,从而高估空气自呼吸阴极性能。本文拟合Deff计算值得到公式:Deff=ε3.5Dbulk。（2）在催化层中,影响氧气传输的反应速率的主要原因是催化层微观结构的变化导致孔隙大小、聚合物电解质分布、反应位点数量及分布差异。孔隙率增大,传质阻力减小,反应位点数量降低,氧气浓度增大,平均电流密度越大。聚合物电解质质量分数的改变会改变氧气传输阻力和反应位点数量,聚合物电解质质量分数为0.3时,平均电流密度较高。催化剂制备须慎重选择聚合物电解质质量分数,既需要保证足够的反应位点数量,也需要避免因聚合物电解质质量分数过高导致氧气传输过于困难。相比于各向同性和横向排布各向异性,纵向排布各向异性结构的催化层电化学性能较好,因此有序电极开发是下一阶段催化层结构设计的发展方向。电解液流量对氧气传输影响不显著,但提高电解液进口流量会略微降低平均电流密度。当进一步考虑铂颗粒的影响时,缓慢的反应动力学和铂颗粒数量成为了影响电化学性能的主要因素,催化剂制备不能单纯增加或降低铂载量,应同时考虑成本和铂颗粒有效利用率的问题。（3）扩散层微观结构对反应气体的传输有重要影响,孔隙率减小导致传输阻力增大、局部氧气浓度和水蒸气浓度降低,并且复杂的多孔结构会造成局部反应速率不均匀分布。各向异性的扩散层性能优于各向同性。空气中相对湿度增大,扩散层中水蒸气浓度增大,高电流密度时可能发生水蒸气冷凝形成液滴堵塞扩散层孔隙,降低氧气传质速率,因此电池应尽可能运行在较低的相对湿度工况。