直接甲醇燃料電池或DMFC是質子交換燃料電池的一個子類別，其中甲醇用作燃料。它們的主要優點是易于運輸甲醇，這是一種能量密集但在所有環境條件下都相當穩定的液體。而DMFC的熱力學理論能量轉換效率為97%；目前可實現的可操作電池的能量轉換效率達到30%–40%。對提高運營效率的有希望的方法進行了深入研究。在假設的甲醇經濟性中，更高效的直接燃料電池將在甲醇作為一般能源傳輸介質的理論使用中發揮關鍵作用。

與甲醇通過蒸汽重整反應生成氫氣的間接甲醇燃料電池相比，DMFC使用甲醇溶液（通常約為1M，即質量約3%）將反應物帶入電池。常見的工作溫度范圍為50至120°C（122至248°F），其中高溫通常是加壓的。DMFC本身在高溫和高壓下更有效，但這些條件最終會在整個系統中造成如此多的損失，從而失去優勢；因此，目前優選大氣壓配置。由于甲醇交叉，甲醇通過膜擴散而不發生反應的現象，甲醇作為弱溶液進料：這會顯著降低效率，因為交叉的甲醇在到達空氣側（陰極）后，立即與空氣發生反應；盡管確切的動力學存在爭議，但結果是電池電壓降低。交叉仍然是效率低下的主要因素，并且經常有一半的甲醇因交叉而損失。通過(a)開發替代膜(例如),(b)改進催化劑層中的電氧化過程和改進催化劑和氣體擴散層的結構(例如),可以減輕甲醇交叉和/或其影響，和(c)優化流場和膜電極組件(MEA)的設計，這可以通過研究電流密度分布(例如)來實現。其他問題包括陽極產生的二氧化碳的管理、緩慢的動態行為以及維持溶液水的能力。這些類型的燃料電池產生的xxx廢物是二氧化碳和水。

當前的DMFC可產生的功率有限，但仍可在小空間內存儲高能量含量。這意味著它們可以在很長一段時間內產生少量電力。這使得它們不適合為大型車輛（至少直接）提供動力，但非常適合叉車和拖車等小型車輛以及手機、數碼相機或筆記本電腦等消費品。DMFC的軍事應用是一種新興應用，因為它們具有低噪音和熱特征并且沒有有毒流出物。這些應用包括用于便攜式戰術設備的電源、電池充電器以及用于測試和訓練儀器的自主電源。裝置的功率輸出介于25瓦和5千瓦之間，兩次加油之間的持續時間長達100小時。特別是對于高達0的功率輸出。3kWDMFC是合適的。對于超過0.3kW的功率輸出，間接甲醇燃料電池具有更高的效率并且更具成本效益。對于DMFC的膜（與間接甲醇燃料電池相比），在低環境溫度下凍結堆中的液態甲醇-水混合物可能是個問題。

甲醇在大氣壓下為-97.6至64.7°C（-143.7至148.5°F）的液體。甲醇的體積能量密度甚至比高度壓縮的氫氣還要大一個數量級，大約是液態氫的兩倍，是鋰離子電池的2.6倍。單位質量的能量密度是氫氣的十分之一，但比鋰離子電池的能量密度高10倍。甲醇是微毒且高度易燃的。然而，國際民用航空組織(ICAO)的危險品專家組(DGP)于2005年11月投票允許乘客在飛機上攜帶和使用微型燃料電池和甲醇燃料盒為筆記本電腦和其他消費電子設備供電。2007年9月24日，美國交通部發布了一項建議，允許航空公司乘客攜帶燃料電池盒登機。交通部于2008年4月30日發布最終裁決，允許乘客和機組人員攜帶經批準的燃料電池，該燃料電池安裝有甲醇盒和最多兩個額外的備用盒。值得注意的是，最終裁決中允許的xxx甲醇盒容量為200毫升，是美國運輸安全管理局允許隨身攜帶的100毫升液體限制的兩倍。

DMFC依賴于甲醇在催化劑層上的氧化形成二氧化碳。水在陽極被消耗，在陰極產生。質子(H+)穿過質子交換膜（通常由Nafion制成）傳輸到陰極，在那里它們與氧氣反應生成水。電子通過外部電路從陽極傳輸到陰極，為連接的設備供電。半反應是：甲醇和水被吸附在通常由鉑和釕顆粒制成的催化劑上，并失去質子直到形成二氧化碳。由于水在反應中在陽極被消耗，如果不通過諸如反擴散（滲透）的被動傳輸或諸如泵送的主動傳輸提供水，則不能使用純甲醇。對水的需求限制了燃料的能量密度。鉑用作這兩個半反應的催化劑。這會導致電池電壓電位的損失，因為陰極室中存在的任何甲醇都會氧化。如果可以找到另一種用于還原氧氣的催化劑，甲醇交叉的問題可能會xxx減少。此外，鉑非常昂貴，導致這些電池的每千瓦成本很高。在甲醇氧化反應過程中，會形成一氧化碳(CO)，它會強烈吸附在鉑催化劑上，從而減少可用反應位點的數量，從而降低電池的性能。在鉑催化劑中添加其他金屬，例如釕或金，往往會改善這個問題。在鉑-釕催化劑的情況下，釕的親氧性被認為會促進其表面上羥基自由基的形成，然后羥基自由基可以與吸附在鉑原子上的一氧化碳反應。燃料電池中的水通過以下反應被氧化成羥基自由基：H2O→OH?+H++e-。然后羥基自由基氧化一氧化碳產生二氧化碳，二氧化碳以氣體形式從表面釋放出來：CO+OH?→CO2+H++e-。在半反應中使用這些OH基團，它們也表示為：

陽極側的甲醇通常處于弱溶液中（從1M到3M），因為高濃度的甲醇有通過膜擴散到陰極的趨勢，在陰極，它的濃度大約為零，因為它會被氧氣迅速消耗。低濃度有助于減少交叉，但也限制了xxx可達到的電流。實際實現通常是溶液回路進入陽極，退出，重新填充甲醇，然后再次返回陽極。或者，具有優化結構的燃料電池可以直接加入高濃度甲醇溶液甚至純甲醇。

陽極回路中的水由于陽極反應而損失，但主要是由于相關的水阻力：在陽極形成的每個質子都會將許多水分子拖到陰極。根據溫度和膜類型，這個數字可以在2到6之間。

直接甲醇燃料電池通常是較大系統的一部分，包括允許其運行的所有輔助單元。與大多數其他類型的燃料電池相比，DMFC的輔助系統相對復雜。其復雜性的主要原因是：

• 與甲醇一起提供水會使燃料供應更加麻煩，因此水必須在循環中循環使用；
• 必須從離開燃料電池的溶液流中去除CO2；
• 陽極回路中的水因反應和阻力而緩慢消耗；需要從陰極側回收水以保持穩定運行。