(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜，前記電解質膜の両側面に配置されるアノード電極およびカソード電極から構成される少なくとも一つの膜−電極アセンブリを具備する燃料電池本体と；
前記燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を回収し，混合燃料を貯蔵する混合タンクと；
前記混合タンクに，高濃度燃料を供給する燃料供給装置と；
前記混合タンクに貯蔵される前記混合燃料を，前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置と；
直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるために入力される運転中止要求の信号に応答して，前記燃料供給装置を停止させ，前記混合燃料に含有される燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで，前記混合燃料が前記燃料電池本体の前記アノード電極側を経由して循環するように，前記燃料注入装置を作動させる制御装置と；
を含み，
前記燃料はメタノール水溶液であり，前記基準濃度は，前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を，０〜０．３モルとし，
前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が，前記基準濃度になるために必要な時間の間，作動するように設定されるタイマーをさらに備え，
前記タイマーは，前記作動を終了する時，前記燃料注入装置の作動を停止させ，
前記タイマーは，前記運転中止要求の信号に応答して作動するように，前記制御装置により制御されることを特徴とする，直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項２】
前記混合燃料の濃度を検出するための濃度センサーをさらに含むことを特徴とする，請求項１に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は，前記運転中止要求の信号として，前記直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信し，受信した前記運転中止要求の信号に応答して，前記直接メタノール型燃料電池システムの運転中止過程を遂行することを特徴とする，請求項１または２に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池本体は，複数の前記膜−電極アセンブリを電気的に直列接続するために，各々前記膜−電極アセンブリの両側面に配置され，流体流動のためのチャンネルを備えるセパレータをさらに具備することを特徴とする，請求項１〜３のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置をさらに含み，
前記制御装置は，前記燃料注入装置の停止時，または，前記燃料注入装置の停止後に，前記酸化剤供給装置の作動を停止させることを特徴とする，請求項１〜４のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池本体は，前記カソード電極に接触する大気中の空気を酸化剤として利用する構造を具備することを特徴とする，請求項１〜４のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池本体，前記燃料供給装置，前記燃料注入装置および前記制御装置に電気的に連結される電気貯蔵装置をさらに含むことを特徴とする，請求項１〜６のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は，前記燃料電池本体から発生される電気を前記電気貯蔵装置に充電させることを特徴とする，請求項７に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池本体に接続される外部負荷を電気的に遮断し，前記電気貯蔵装置を前記燃料電池本体に電気的に接続させるスイッチング部をさらに含むことを特徴とする，請求項７または８に記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料供給装置から供給される燃料と，燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を混合貯蔵する混合タンク，および前記混合タンクに貯蔵される混合燃料を前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置を具備する直接メタノール型燃料電池システムにおいて，
前記直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるための運転中止要求の信号を受信する段階と；
前記運転中止要求の信号に応答して，前記燃料供給装置を停止させて，前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで，前記混合燃料が前記燃料電池本体のアノードを経由して循環するように，前記燃料注入装置を作動させる段階と；
を含み，
前記燃料はメタノール水溶液であり，前記基準濃度は，前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を，０〜０．３モルとし，
前記運転中止要求の信号を受信する段階に，前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が，前記基準濃度になるのに必要な時間間隔の間，作動するように設定され，前記作動終了の時，前記燃料注入装置の作動を停止させるためのタイマーを作動させる段階をさらに含み，
前記タイマーを作動させる段階は，前記運転中止要求の信号に応答して，前記タイマーが作動する段階を含むことを特徴とする，直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記燃料注入装置を作動させる段階の間において，前記混合燃料の濃度を検出する段階をさらに含むことを特徴とする，請求項１０に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
前記運転中止要求の信号を受信する段階は，前記直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信する段階を含むことを特徴とする，請求項１０または１１に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
前記燃料注入装置を作動させる段階の間において，前記燃料電池本体から発生される電気を電気貯蔵装置に充電させる段階をさらに含むことを特徴とする，請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記燃料注入装置の停止時，または，前記燃料注入装置の停止後に，前記燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置を停止させる段階をさらに含むことを特徴とする，請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，燃料電池システムに係り，特に，燃料電池システムの運転中止時に起こる膜−電極アセンブリの損傷を防止して，再起動性能を高めることができる直接メタノール型燃料電池システム，および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）は，燃料が備えるエネルギーを化学反応によって直接電気エネルギーに変換する発電システムである。例えば，燃料電池は，水素および酸素から水が生成される反応，すなわち，水素の燃焼反応を利用して電気エネルギーを得る。
【０００３】
燃料電池は，用いられる電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）の種類によって，燐酸型燃料電池，融炭酸塩型燃料電池，固体酸化物型燃料電池，高分子電解質膜型燃料電池，アルカリ型燃料電池などに分類される。これらの燃料電池は，基本的に同じ原理によって作動されるが，用いられる燃料の種類，運転温度，触媒，電解質などによって異なる。
【０００４】
その中で，高分子電解質膜型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）は，他の燃料電池に比べて，出力特性が非常に高く，作動温度が低いとともに速い始動特性および応答特性を備える。従って，高分子電解質膜型燃料電池は，ポータブル電子機器用のような移動用（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ）電源や自動車用動力源のような輸送用電源はもちろん，住宅，公共建物の停止型（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）発電所のような分散用電源など，その応用範囲が広いという長所を備える。
【０００５】
そして，高分子電解質膜型燃料電池の一種として，液状のメタノール燃料を直接使用する直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）は，別途の改質装置を備える高分子電解質膜型燃料電池とは異なって，別途の改質装置を使用しないため，小型発電システムにより有効に使用される。
【０００６】
直接メタノール型燃料電池システムは，高分子電解質膜，高分子電解質膜の両側面に接合されるアノード電極およびカソード電極から構成される膜−電極アセンブリを具備する。また，燃料電池スタックを構成するためのセパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を具備することができる。燃料電池スタック（燃料電池本体）は，電気化学反応を起こす膜−電極アセンブリ(単位電池)を数十，数百個ずつ積層し，構成要素間の接触抵抗が減少するように，両端（ｅｎｄ  ｐｌａｔｅ）を締結棒や空気圧などで圧着して構成される。
【０００７】
また，燃料電池システムは，燃料電池スタックの作動を支援および制御するための装置を具備する。このような装置は，通常，周辺装置（ｂａｌａｎｃｅ  ｏｆ  ｐｌａｎｔ）と呼ばれる。燃料電池システムの周辺装置は，燃料および酸化剤などを供給するためのリアクタント供給装置，システム制御のための制御装置，電力変換装置などを含み，温度調節装置，加湿装置，センサー，モニターニング装置などを含むことができる。
【０００８】
また，燃料電池システムは，バッテリ，スーパーキャパシタなど，それらの充放電制御のための制御装置を含む電気貯蔵装置と，電気エネルギーによって作動する各種電気装置を具備する。
【０００９】
電気装置は，送風機（ｂｌｏｗｅｒｓ），ポンプまたは圧縮装置，調節装置，感知装置，動力型バルブ，電子装置または電子回路などを含む。これらの電気装置は，燃料電池システムから電力の供給を受ける前に，常用電源や電気貯蔵装置から必要な電力の供給を受けて作動する。
【００１０】
特許文献１には，ＤＭＦＣシステムの運転中止の時，燃料電池スタックにメタノールのような液状燃料の供給を中止して，所定の時間の間，燃料電池スタックに酸化剤を供給しながら残された燃料を消尽させた後，酸化剤の供給を中止する運転方法が公知されている。
【００１１】
図１は，一般的な直接メタノール型燃料電池システムの運転および運転停止サイクルの増加による燃料電池スタックの出力電圧を単純化して示したグラフである。このように，従来のＤＭＦＣシステムでは，図１に図示したように，始動および停止サイクルを行うＤＭＦＣシステムの燃料電池スタックの性能（出力電圧）が運転停止の回数の増加に伴って，比較的急激に減少されるという問題点がある。
【００１２】
一方，従来の直接メタノール型燃料電池システム，および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法に関する技術を記載した文献としては，下記特許文献２および特許文献３等がある。
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２１４００４号公報
【特許文献２】米国特許公開第６，３０３，２４４Ｂ１号明細書
【特許文献３】特開２００４−９５３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし，従来の直接メタノール型燃料電池システム(以下，ＤＭＦＣシステムとする)では，運転中止時，アクティブタイプのスタックやパッシブタイプのセルペックなどのような構造を備える燃料電池本体に燃料が残留すると，アノード電極に残留する未反応燃料が，高分子電解質膜を通じてカソード電極に移動し，カソード電極側に位置する触媒層で酸素と反応し，この時に発生した一酸化炭素によって触媒層が被毒されるという問題がある。
また，アノード電極に残留する未反応燃料には，アノード電極における反応によって生成された二酸化炭素が含有される。アノード電極に残留する未反応燃料に含有される二酸化炭素は，膜−電極アセンブリに悪影響を及ぼすことがある。そして，現在多く用いられている高分子電解質膜の大分部分は，メタノールに浸される場合，非常に大きく膨脹する。よって，燃料として供給されるメタノール水溶液が，燃料電池本体に残されたまま，ＤＭＦＣシステムが運転中止された場合，高分子電解質膜は，損傷を被って，再度ＤＭＦＣシステムを運転した時，ＤＭＦＣシステム性能が大きく低下されて，燃料電池の寿命を著しく短縮するという問題点がある。このような問題点を解決するために，従来の技術では，膜−電極アセンブリが腐食されたり，損傷されることを防止するために，燃料電池本体内に残された燃料を放出するか，消尽させる。しかしながら，この従来のＤＭＦＣシステムの運転方法では，メタノール濃度が１〜６モルの範囲であれば作動し，そうでなければ作動しないようになっている。よって，従来のＤＭＦＣシステムの運転方法では，燃料電池本体内に残留する上記範囲内の燃料によって，膜−電極アセンブリが腐食されたり，損傷されたりする可能性があるという問題点が依然として存在する。
【００１５】
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，ＤＭＦＣシステムの運転中止する時，燃料電池本体に残っている混合燃料の濃度を所望の濃度に減少させて，金属触媒の活性低下，高分子電解質膜の損傷，およびＤＭＦＣシステムの性能低下を抑制することができ，再起動性能を高めることができる直接メタノール型燃料電池システム，および直接メタノール型燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，電解質膜，前記電解質膜の両側面に配置されるアノード電極およびカソード電極から構成される少なくとも一つの膜−電極アセンブリを具備する燃料電池本体と；前記燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を回収し，混合燃料を貯蔵する混合タンクと；前記混合タンクに，高濃度燃料を供給する燃料供給装置と；前記混合タンクに貯蔵される前記混合燃料を，前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置と；直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるために入力される運転中止要求の信号に応答して，前記燃料供給装置を停止させ，前記混合燃料に含有される燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで，前記混合燃料が前記燃料電池本体の前記アノード電極側を経由して循環するように，前記燃料注入装置を作動させる制御装置と；を含み，前記燃料はメタノール水溶液であり，前記基準濃度は，前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を，０〜０．３モルとすることを特徴とする，直接メタノール型燃料電池システムが提供される。
【００１７】
本発明によれば，ＤＭＦＣシステムの運転中止時に，燃料供給装置を停止して，所定の期間，燃料注入装置および酸化剤供給装置を作動させ，燃料電池本体のアノードおよびカソードで，混合タンクから供給される混合燃料を酸化剤と反応させるので，混合タンク内の混合燃料の濃度を基準濃度にすることができ，アノードに残存して，膜−電極アセンブリに悪影響を及ぼす二酸化炭素を含有する未反応燃料を混合タンクに排出できる。よって，アノードに必要以上の燃料が残留しなく，カソードに未反応燃料が移動しないので，金属触媒の活性低下，膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷，およびＤＭＦＣシステムの性能低下を抑制することができ，再起動性能を高めることができる。
【００１９】
混合燃料の濃度を検出するための濃度センサーをさらに含むことができる。
【００２０】
混合燃料に含有される燃料の濃度が，基準濃度になるために，必要な時間間隔の間，作動するように設定されるタイマーをさらに備え，タイマーは，上記作動を終了する時，燃料注入装置の作動を停止させることができる。
【００２１】
タイマーは，運転中止要求の信号に応答して作動するように，制御装置によって制御されてよい。
【００２２】
制御装置は，運転中止要求の信号として，直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信し，受信した上記運転中止要求の信号に応答して，直接メタノール型燃料電池システムの運転中止過程を遂行することができる。
【００２３】
燃料電池本体は，複数の膜−電極アセンブリを電気的に直列接続するために，各々膜−電極アセンブリの両側面に配置され，流体流動のためのチャンネルを備えるセパレータをさらに具備することができる。
【００２４】
燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置をさらに含み，制御装置は，燃料注入装置の停止時，または，燃料注入装置の停止後に，酸化剤供給装置の作動を停止させることができる。
【００２５】
燃料電池本体は，カソード電極に接触する大気中の空気を酸化剤として利用する構造を具備することができる。
【００２６】
燃料電池本体，燃料供給装置，燃料注入装置および制御装置に電気的に連結される電気貯蔵装置をさらに含むことができる。
【００２７】
制御装置は，燃料電池本体から発生される電気を電気貯蔵装置に充電させることができる。
【００２８】
燃料電池本体に接続される外部負荷を電気的に遮断し，電気貯蔵装置を燃料電池本体に電気的に接続させるスイッチング部をさらに含むことができる。
【００２９】
上記課題を解決するために，本発明の第２の観点によれば，燃料供給装置から供給される燃料と，燃料電池本体から排出される未反応燃料および水を混合貯蔵する混合タンク，および前記混合タンクに貯蔵される混合燃料を前記燃料電池本体に供給する燃料注入装置を具備する直接メタノール型燃料電池システムにおいて，前記直接メタノール型燃料電池システムを最終的に停止させるための運転中止要求の信号を受信する段階と；前記運転中止要求の信号に応答して，前記燃料供給装置を停止させて，前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度が前記燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除可能な基準濃度まで減少するまで，前記混合燃料が前記燃料電池本体のアノードを経由して循環するように，前記燃料注入装置を作動させる段階と；を含み，前記燃料はメタノール水溶液であり，前記基準濃度は，前記混合燃料に含有される前記燃料の濃度を，０〜０．３モルとすることを特徴とする，直接メタノール型燃料電池システムの運転方法が提供される。
【００３１】
燃料注入装置を作動させる段階の間において，混合燃料の濃度を検出する段階をさらに含むことができる。
【００３２】
運転中止要求の信号を受信する段階に，混合燃料に含有される燃料の濃度が，基準濃度になるのに必要な時間間隔の間，作動するように設定され，上記作動終了の時，燃料注入装置の作動を停止させるためのタイマーを作動させる段階をさらに含むことができる。
【００３３】
タイマーを作動させる段階は，運転中止要求の信号に応答して，タイマーが作動する段階を含むことができる。
【００３４】
運転中止要求の信号を受信する段階は，直接メタノール型燃料電池システムまたは外部負荷に接続されるソフトスイッチ方式の停止ボタンによる信号を受信する段階を含むことができる。
【００３５】
燃料注入装置を作動させる段階の間において，燃料電池本体から発生される電気を電気貯蔵装置に充電させる段階をさらに含むことができる。
【００３６】
燃料注入装置の停止時，または，燃料注入装置の停止後に，燃料電池本体に酸化剤を供給する酸化剤供給装置を停止させる段階をさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したように本発明によれば，ＤＭＦＣシステムの運転中止過程によって，燃料電池本体のアノード電極に残留する混合燃料の濃度を所望の濃度以下に減少させることによって，金属触媒の活性低下と，膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷を抑制することができる。また，ＤＭＦＣシステムの始動時，ＤＭＦＣシステムの性能低下を防止するだけでなく，ＤＭＦＣシステムの信頼性を高めて，燃料電池本体およびＤＭＦＣシステムの寿命を延長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３９】
（第１実施形態）
図２は，本発明の第１実施形態に係るＤＭＦＣシステムを示すブロック図である。図２を参照すると，本実施形態のＤＭＦＣシステム１００は，燃料電池本体１１０，混合タンク１２０，燃料供給装置１３０，燃料注入装置１４０，酸化剤供給装置１５０および制御装置１６０を含む。
【００４０】
各構成要素をより具体的に説明すると，燃料電池本体１１０は，アノード１１０ａに供給される燃料と，カソード１１０ｂに供給される酸化剤とを電気化学的に反応させて，電気と熱を発生させる。燃料電池本体１１０は，アノード１１０ａおよびカソード１１０ｂとともに，これらのアノード１１０ａとカソード１１０ｂを電気的に分離して燃料から得たプロトン（ｐｒｏｔｏｎ）をアノード１１０ａからカソード１１０ｂに選択的に透過させるイオン交換膜（高分子電解質膜）を具備する。また，燃料電池本体１１０は，アノード１１０ａへ燃料を流入するためのアノード流入口と，アノード１１０ａからの未反応燃料および二酸化炭素などの反応生成物を排出するためのアノード排出口を具備し，カソード１１０ｂへ酸化剤を流入するためのカソード流入口と，カソード１１０ｂからの未反応酸化剤および水などの反応生成物を排出するためのカソード排出口を具備する。
【００４１】
混合タンク１２０は，燃料電池本体１１０のアノード１１０ａに混合燃料を供給する。また，混合タンク１２０は，燃料供給装置１３０から高濃度燃料を供給されて貯蔵し，燃料電池本体１１０のアノード排出口とカソード排出口を通じて排出される流体から未反応燃料および水を回収して貯蔵する。この場合，混合タンク１２０は，燃料電池本体１１０から排出される流体の熱エネルギーを除去するため，熱交換装置１２１に結合され，排出される流体の中で，不要なガスなどを排出するための排気口を具備することが好ましい。混合タンク１２０としては，既存の多様な形状および構造を備えるリサイクリング装置が容易に利用される。
【００４２】
上述した混合燃料は，アノード１１０ａに供給される燃料の中で，イオン交換膜を通じてカソード１１０ｂに供給する所定量の燃料に，カソード１１０ｂでの燃料酸化による性能損失を考慮して，適切に設定された燃料量を備える。通常，混合燃料の濃度は，メタノール水溶液の場合，例えば，０．５モル〜６モルの範囲で設定される。つまり，混合タンク１２０の混合燃料は，燃料供給装置１３０から供給される高濃度燃料と，燃料電池本体１１０から排出される未反応燃料および水とを含み，これらを混合タンク１２０で混ぜることによって，上記範囲内の所定の濃度となる。
【００４３】
燃料供給装置１３０は，混合タンク１２０に高濃度の燃料を供給する。燃料供給装置１３０は，燃料を貯蔵するための手段と，混合タンク１２０に供給される燃料の供給量を制御するための手段を具備する。燃料を貯蔵する手段は，燃料タンクで具現することができる。燃料供給量を制御する手段は，ポンプ，圧縮装置または動力型バルブによって具現されてもよい。高濃度燃料は，メタノール燃料の場合，例えば，６モル以上の濃度を備えるメタノール水溶液や，純粋メタノールを含む。
【００４４】
燃料注入装置１４０は，混合タンク１２０に貯蔵される混合燃料を燃料電池本体１１０のアノード１１０ａに供給する。燃料注入装置１４０は，混合燃料の供給量を制御する。また，燃料注入装置１４０は，ＤＭＦＣシステム１００の運転中止時，混合燃料をアノード１１０ａを経由して循環させるように作用する。燃料注入装置１４０は，ポンプや圧縮装置によって具現されてもよい。
【００４５】
酸化剤供給装置１５０は，酸化剤を燃料電池本体１１０のカソード１１０ｂに供給する。酸化剤としては，酸素を含む空気や，純粋酸素などのようにカソード１１０ｂにおいてプロトンを適切に還元させ，反応生成物として人体や環境に有害な物質を発生させない材料を利用することが好ましい。酸化剤供給装置１５０は，空気ポンプや送風装置によって具現されてもよい。
【００４６】
制御装置１６０は，ＤＭＦＣシステム１００の運転中止要求信号を受信する時，混合タンク１２０に高濃度燃料が供給されないように，燃料供給装置１３０の作動を停止させ，燃料電池本体１１０に所定量の酸化剤が供給されるように酸化剤供給装置１５０の作動を制御する。その後，制御装置１６０は，燃料注入装置１４０の作動を制御して，混合タンク１２０に貯蔵される混合燃料が燃料電池本体１１０のアノード１１０ａを経由して循環するように制御する。ここで，混合燃料をアノード１１０ａを経由して循環させるということは，燃料供給装置１３０からの高濃度燃料の供給が停止された混合タンク１２０内の混合燃料を，混合燃料の濃度が基準濃度になるまで，燃料注入装置１４０がアノード１１０ａに供給することである。
【００４７】
この場合，制御装置１６０は，混合燃料の濃度を検出する濃度センサー１６２を通じて，混合燃料の濃度を感知し，アノード１１０ａに供給される混合燃料の濃度が基準濃度，例えば，メタノール水溶液の場合，例えば，０〜０．３モルになるまで燃料注入装置１４０の作動を制御する。制御装置１６０は，フリップフロップを利用する簡単な論理回路や，システム制御のための高性能マイクロプロセッサーの一部機能部によって具現されてもよい。
【００４８】
つまり，制御装置１６０がＤＭＦＣシステム１００の運転中止要求信号を受信すると，燃料供給装置１３０の作動を停止するので，混合タンク１２０には，高濃度燃料は供給されない。ＤＭＦＣシステム１００の運転中止時の混合タンク１２０の混合燃料濃度が基準濃度より高い場合，燃料注入装置１４０がその混合燃料をアノード１１０ａへ供給し，カソード１１０ｂに供給される酸化剤供給装置１５０からの酸化剤と，アノード１１０ａの混合燃料とを燃料電池本体１１０で反応させる。この反応によって，混合タンク１２０内の混合燃料の燃料量は減少し，さらに，この反応で生じた水が，混合タンク１２０に排出されるので，反応で生じた水によって，混合タンク１２０内の混合燃料の濃度は希釈される。そして，混合燃料の濃度は，濃度センサー１６２によって感知されるので，希釈された混合燃料の濃度が，例えば，０．３モル以下になると，制御装置１６０は，燃料注入装置１４０および酸化剤供給装置１５０の作動を停止する。よって，ＤＭＦＣシステム１００の運転中止時に，アノード１１０ａに高濃度の燃料が残留せず，必要最低限の所定量の燃料（例えば，０．３モル以下の燃料）が残る。そして，アノード１１０ａには，膜−電極アセンブリおよびカソード１１０ｂの触媒層に悪影響を及ぼす未反応燃料が排出されて残存しない。従って，本発明の実施形態によれば，ＤＭＦＣシステム１００の運転中止過程において，アノード１１０ａに残る燃料を所望の濃度まで低減でき，未反応燃料を排出できるので，カソード１１０ｂの触媒層の金属触媒の活性低下と，高分子電解質膜および膜−電極アセンブリの損傷を抑制することができる。
【００４９】
燃料電池本体１１０のアノード１１０ａに残留する混合燃料の濃度を基準濃度（メタノール水溶液の場合，例えば，０．３モル以下）に制限する理由は，金属触媒の活性低下と高分子電解質膜の損傷のように燃料電池本体に及ぶ悪影響を排除して，運転停止時間が長くなることを防止し，所定量の残っている燃料によって，再始動時間を短縮させるためである。
【００５０】
ＤＭＦＣシステム１００の運転方法に関して，段階的に説明する。図３は，本発明の第１実施形態に係るＤＭＦＣシステムの運転方法を示す手順図である。図３を参照すると，ＤＭＦＣシステム１００の制御装置１６０は，まず，ＤＭＦＣシステム１００の運転停止のための運転中止要求信号を受信する（Ｓ１０）。次に，制御装置１６０は，燃料供給装置１３０を停止させる（Ｓ１２）。そして制御装置１６０は，混合タンク１２０に貯蔵される混合燃料を燃料電池本体１１０のアノード１１０ａを経由して循環するように，燃料注入装置１４０および酸化剤供給装置１５０を制御する（Ｓ１４）。
【００５１】
次に，制御装置１６０は，濃度センサー１６２によって検出される混合燃料の濃度を感知する（Ｓ１６）。そして，制御装置１６０は，感知した混合燃料の濃度が０．３モル以下にあるかを判断する（Ｓ１８）。上記判断の結果，感知した混合燃料の濃度が０．３モル以下でなかったなら，制御装置１６０は，混合燃料の濃度を所定の時間の間隔で感知し，その結果，感知した混合燃料の濃度が，例えば，０．３モル以下となるかについて持続的に判断する。もしも，感知した混合燃料の濃度が，例えば，０．３モル以下にならず，一定の時間が経過すれば，制御装置１６０は，システム警報を発生させることができる。
【００５２】
次に，上記判断の結果，感知した混合燃料の濃度が０．３モル以下となれば，制御装置１６０は，燃料注入装置１４０を停止させる（Ｓ２０）。そして，制御装置１６０は，酸化剤供給装置１５０を停止させる（Ｓ２２）。この時，酸化剤供給装置１５０は，燃料注入装置１４０とともに，停止されてもよい。
【００５３】
図４は，本発明の第１実施形態に係るＤＭＦＣシステムの運転方法による燃料電池本体の性能変化を示すグラフである。図４から分かるように，約５００回以上の運転／運転停止サイクルが繰り返される間，破線で示す比較例のＤＭＦＣシステムの燃料電池本体の出力電圧は，運転／運転停止回数が増加するのに伴って，約７．６ｖ〜４．６ｖまで比較的急激に減少した。一方，本実施形態に係るＤＭＦＣシステム１００の燃料電池本体の出力電圧は，運転／運転停止回数が増加するに伴って，約７．６ｖ〜７．０ｖまでしか減少せず，比較例のＤＭＦＣシステムの燃料電池本体の出力電圧に比べて，出力電圧の減少幅を抑制することができた。
【００５４】
このように，ＤＭＦＣシステム，およびＤＭＦＣシステムの運転方法によると，ＤＭＦＣシステムの運転停止時，アノードに残留する燃料の濃度を簡単な作用によって，所望の濃度に減少させることにより，運転停止状態で電極触媒の活性低下，および膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷を防止するだけでなく，再始動時におけるＤＭＦＣシステムの性能低下を防止することができるということが分かる。
【００５５】
（第２実施形態）
図５は，本発明の第２実施形態に係るＤＭＦＣシステムを示すブロック図である。図５を参照すると，本実施形態のＤＭＦＣシステム１００ａは，燃料電池本体１１０，混合タンク１２０ａ，燃料供給装置１３０ａ，燃料注入装置１４０，酸化剤供給装置１５０，制御装置１６０ａ，タイマー１６６，スイッチング部１６８，停止ボタン１６４および電気貯蔵装置１７０を含む。
【００５６】
本実施形態のＤＭＦＣシステム１００ａは，上述した第１実施形態のＤＭＦＣシステム１００と実質的に非常に類似する。ただし，本実施形態のＤＭＦＣシステム１００ａは，別途の濃度センサーを利用して混合燃料の濃度を測定せず，充分な時間の間，混合燃料を内部循環させて，混合燃料の濃度を所望の基準濃度以下に減少させることを主な特徴とする。
【００５７】
ちなみに，以下の説明では，本実施形態のＤＭＦＣシステム１００ａにおいて，第１実施形態のＤＭＦＣシステム１００の構成要素と実質的に同じか，もしくは類似する構成要素に対する説明は，重複を避けるためになるべく略する。
【００５８】
各構成要素をより具体的に説明すると，混合タンク１２０ａは，燃料電池本体１１０から排出されて，熱交換装置１２１と第１トラック１２２および第２トラック１２４によって分離されて回収される未反応燃料と水を貯蔵する。また，混合タンク１２０ａは，燃料供給装置１３０ａの燃料ポンプ１３４を通じて，燃料タンク１３２に貯蔵される高濃度燃料を供給されて貯蔵する。
【００５９】
熱交換装置１２１は，燃料電池本体１１０から排出される流体の熱エネルギーを除去できる既存の多様な手段によって具現されてもよい。例えば，熱交換装置１２１は，水蒸気などの流体が通過する際，配管の温度を下げて水蒸気が水に変換することができるように作用するファンや，冷却装置によって具現されてもよい。
【００６０】
第１トラック１２２は，カソード排出口から排出されるカソード排出物（ｃａｔｈｏｄｅ  ｏｕｔｌｅｔ  ｓｔｒｅａｍ）の中で，クロスオーバーされた液状燃料や，反応生成物である水から空気など不必要な気体成分を分離させる。そして，第２トラック１２４は，アノード排出口から排出されるアノード排出物（ａｎｏｄｅ  ｏｕｔｌｅｔ  ｓｔｒｅａｍ）の中で，未反応燃料から二酸化炭素などの不必要な気体成分を分離させる。
【００６１】
制御装置１６０ａは，停止ボタン１６４から信号を受信し，受信した信号を運転中止要求信号として認識した後，既に貯蔵された運転停止ルーチンによって，一連の過程を遂行する。制御装置１６０ａは，混合タンク１２０ａに高濃度燃料が供給されないように，燃料供給装置１３０ａの作動を停止させる。また，制御装置１６０ａは，タイマー１６６を作動させる。そして，制御装置１６０ａは，スイッチング部１６８を制御して，燃料電池本体１１０で生産される電気を利用して，電気貯蔵装置１７０を充電させる。
【００６２】
停止ボタン１６４は，自動的操作または人為的操作によって作動し，ＤＭＦＣシステム１００ａを運転停止させるための信号を発生させる。停止ボタン１６４は，ＤＭＦＣシステム１００ａに搭載されるか，ＤＭＦＣシステム１００ａの電気を利用する外部負荷または応用装置（図示せず）に連結される。
【００６３】
運転停止ルーチンの遂行のために，停止ボタン１６４は，その作動の時，ＤＭＦＣシステム１００ａを完全に停止させず，制御装置１６０ａが認識することができる所定の信号を発生させるソフトスイッチ方式によって，具現されることが好ましい。
【００６４】
タイマー１６６は，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止時，混合タンク１２０ａから燃料電池本体１１０のアノード１１０ａを経由して循環する混合燃料の濃度が，基準濃度にまで減少されるのに必要で充分な時間間隔の間，作動するように設定される。また，タイマー１６６は，作動終了の時，燃料注入装置１４０の作動を停止させる。
【００６５】
タイマー１６６は，停止ボタン１６４または制御装置１６０ａによる運転中止要求信号に応答して作動する既存の多様なタイマーによって，具現されてもよい。また，タイマー１６６は，制御装置１６０ａの一部機能部として，マイクロプロセッサーチップのクロックを基に遅延時間をカウントする方式のタイマーによって，具現されてもよい。
【００６６】
スイッチング部１６８は，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止時，制御装置１６０ａの制御信号に応答して，燃料電池本体１１０で発電される電気を電気貯蔵装置１７０に充電するように，燃料電池本体１１０と電気貯蔵装置１７０とを電気的に接続させる。またスイッチング部１６８は，電気貯蔵装置１７０に貯蔵された容量が低い時，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止時に生産される電気を，電気貯蔵装置１７０にすべて充電することができる。また，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止時，スイッチング部１６８は，燃料電池本体１１０と外部負荷との電気的な接続を遮断させる。
【００６７】
一方，制御装置１６０ａは，電気貯蔵装置１７０が過充電されないように制御する。制御装置１６０ａは，例えば，電気貯蔵装置１７０が二次電池の場合，ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）１００％まで充電されるように，スイッチング部１６８を制御することが好ましい。また，制御装置１６０ａは，電気貯蔵装置１７０を充電した後に，残る電気は，燃料ポンプ１３４などの周辺装置によって効果的に消耗させることが好ましい。
【００６８】
電気貯蔵装置１７０は，電気エネルギーを再充電して使用することができる二次電池，スーパーキャパシタなどを含む。電気貯蔵装置１７０は，ＤＭＦＣシステム１００ａの作動時，燃料供給装置１３０ａ，燃料注入装置１４０，酸化剤供給装置１５０，制御装置１６０ａなどの周辺装置に電力を供給するため，各々と連結される。また，電気貯蔵装置１７０は，燃料電池本体１１０に電気的に接続されて，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転停止時，燃料電池本体１１０で生産される電気エネルギーによって充電される。
【００６９】
一方，制御装置１６０ａは，タイマー１６６によって燃料供給装置１３０ａの停止，燃料注入装置１４０の所定の時間の駆動，および酸化剤供給装置１５０の所定の時間の駆動を制御することができる。この場合，タイマー１６６は，作動とともに燃料供給装置１３０ａの作動を停止させ，タイマー１６６の停止とともに燃料注入装置１４０および酸化剤供給装置１５０の作動を停止させるためのスイッチ接点を具備するか，または，上述したスイッチング部１６８とは，異なるまた別のスイッチング部に接続されてもよい。
【００７０】
図６は，本発明の第２実施形態に係るＤＭＦＣシステムの運転方法を示す手順図である。図６を参照すると，本実施形態のＤＭＦＣシステム１００ａの制御装置１６０ａは，まず，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止要求信号を受信する（Ｓ３０）。次に，制御装置１６０ａは，タイマー１６６を作動させる（Ｓ３２）。また，制御装置１６０ａは，燃料供給装置１３０ａを停止させる（Ｓ３４）。そして制御装置１６０ａは，混合タンク１２０ａに貯蔵される混合燃料が，燃料電池本体１１０のアノード１１０ａを経由して循環するように，燃料注入装置１４０および酸化剤供給装置１５０を制御する（Ｓ３６）。
【００７１】
次に，制御装置１６０ａは，燃料電池本体１１０から外部負荷を電気的に遮断させる（Ｓ３８）。そして，制御装置１６０ａは，燃料電池本体１１０に電気貯蔵装置１７０を電気的に接続した後，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止時に，燃料電池本体１１０から生産される電気エネルギーを利用して電気貯蔵装置１７０を充電する（Ｓ４０）。
【００７２】
次に，タイマー１６６で設定された時間が経過した後，タイマー１６６の作動が停止すると，これに対応して，燃料注入装置１４０を停止する（Ｓ４２）。そして，制御装置１６０ａは，酸化剤供給装置１５０を停止する（Ｓ４４）。この時，酸化剤供給装置１５０は，燃料注入装置１４０とともに，停止されてもよい。
【００７３】
上記構成によると，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止時，タイマー１６６を利用して所定の時間，混合燃料をアノード１１０ａを経由して循環させる方法によって，アノード１１０ａに残留する燃料の濃度を低減できるので，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転中止時において，金属触媒の活性低下および膜−電極アセンブリおよび高分子電解質膜の損傷を防止するだけでなく，再起動時に要求される電気エネルギーを電気貯蔵装置１７０に効果的に貯蔵することができる。従って，ＤＭＦＣシステム１００ａの運転停止時に電気貯蔵装置１７０に貯蔵される電気エネルギーによって，より迅速に再起動を行うことができる。
【００７４】
図７は，本発明の実施形態に係るＤＭＦＣシステムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。図７を参照すると，本実施形態の燃料電池本体１１０’は，高分子電解質膜１１１，高分子電解質膜１１１の両側面に配置されるアノード電極およびカソード電極から構成される複数の膜−電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｒｌｙ；ＭＥＡ）と，複数の膜−電極アセンブリを直列接続させて，アノード電極およびカソード電極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給するセパレータとを具備する。セパレータは，膜−電極アセンブリを間において，膜−電極アセンブリの両側面に配置される。また，燃料電池本体１１０’は，高分子電解質膜１１１とセパレータとの間に配置されるガスケット１１４，膜−電極アセンブリおよびセパレータの積層構造に，所定の締結圧を提供するための１対のエンドプレート１１６，および１対のエンドプレート１１６を締結するための締結手段１１７を具備する。
【００７５】
各構成要素を具体的に説明すると，膜−電極アセンブリは，燃料と酸化剤の酸化反応および還元反応を誘導して，電気エネルギーを発生させる。アノード電極は，燃料を酸化反応によって電子と水素イオンに変換させる触媒層１１２ａと，燃料と二酸化炭素の円滑な移動と電子の移動のための拡散層１１２ｂとを具備する。
【００７６】
カソード電極は，酸化剤，例えば，空気中の酸素を還元反応によって電子と酸素イオンに変換させる触媒層１１３ａと，空気の円滑な移動と生成される水の円滑な排出のための拡散層１１３ｂとを具備する。そして，高分子電解質膜１１１は，その厚さが５０〜２００μｍである固体ポリマー電解質であり，アノード電極の触媒層１１２ａで生成される水素イオンをカソード電極の触媒層１１３ａに移動させるイオン交換機能を備える。一方，アノード電極の拡散層１１２ｂおよびカソード電極の拡散層１１３ｂは，その表面にコーティングされており，アノード電極の触媒層１１２ａ，カソード電極の触媒層１１３ａに燃料または酸化剤を分配供給するための微細気孔層１１２ｃ，微細気孔層１１３ｃをさらに具備することができる。微細気孔層１１２ｃは，アノード電極の拡散層１１２ｂの表面にコーティングされ，微細気孔層１１３ｃは，カソード電極の拡散層１１３ｂの表面にコーティングされる。より具体的に説明すると，一つの膜−電極アセンブリにおいて，高分子電解質膜１１１を間において，アノード電極の触媒層１１２ａ，カソード電極の触媒層１１３ａ，アノード電極の微細気孔層１１２ｃ，カソード電極の微細気孔層１１３ｃ，アノード電極の拡散層１１２ｂ，カソード電極の拡散層１１３ｂの順に積層配置される。
【００７７】
高分子電解質膜１１１は，水素イオン伝導性に優れるパーフルオライド系高分子，ベンズイミダゾール系高分子，ポリイミド系高分子，ポリエーテルイミド系高分子，ポリフェニレンスルフィド系高分子，ポリスルホン系高分子，ポリエーテルスルホン系高分子，ポリエーテルケトン系高分子，ポリエーテル−エーテルケトン系高分子，およびポリフェニルキノキサリン系高分子などからなるグループから選択される１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことが好ましい。また，ポリ（パーフルオロスルホン酸），ポリ（パーフルオロカルボキシル酸），スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエテールの共重合体，脱フッ素化されたポリエーテルケトン硫化物，アリールケトン，ポリ（２，２’−(ｍ−フェニレン)−５，５’−ビベンズイミダゾール）（ｐｏｌｙ（２，２’−（ｍ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ）−５，５’−ｂｉｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ））およびポリ（２，５−ベンズイミダゾール)などからなるグループから選択される１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことがさらに好ましい。
【００７８】
触媒層１１２ａ，触媒層１１３ａは，白金，ルテニウム，オスミウム，白金−ルテニウム合金，白金−オスミウム合金，白金−パラジウム合金，および白金−Ｍ合金（Ｍは，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｕおよびＺｎなどからなるグループから選択される１種以上の遷移金属からなる）などからなるグループから選択される１種以上の金属触媒を含むことが好ましい。
【００７９】
また触媒層１１２ａ，触媒層１１３ａは，担持体に担持される白金，ルテニウム，オスミウム，白金−ルテニウム合金，白金−オスミウム合金，白金−パラジウム合金および白金−Ｍ合金（Ｍは，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｕおよびＺｎなどからなるグループから選択される１種以上の遷移金属からなる）などからなるグループから選択される１種以上の金属触媒を含むこともできる。担持体は，伝導性を備える物質であれば，いずれでも良いが，炭素担持体であることが好ましい。
【００８０】
拡散層１１２ｂ，拡散層１１３ｂは，燃料，水，空気などの分散を均一にさせる燃料分散作用と，生産される電気を集める集電作用，および触媒層１１２ａ，触媒層１１３ａが流体によって消失されることを防止する保護作用をする。拡散層１１２ｂ，拡散層１１３ｂは，炭素布（ｃａｒｂｏｎ  ｃｌｏｔｈ），炭素紙（ｃａｒｂｏｎ  ｐａｐｅｒ）などのような炭素素材などによって，具現されてもよい。
【００８１】
微細気孔層１１２ｃ，微細気孔層１１３ｃは，黒鉛，炭素ナノチューブ（ＣＮＴ），フラーレン（Ｃ６０），活性炭素，バルカン（Ｖｕｌｃａｎ），ケチェンブラック（ｋｅｔｃｈｅｎ  ｂｌａｃｋ），カーボンブラックおよび炭素ナノホン（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏ  ｈｏｒｎ）などからなるグループから選択される１種以上の炭素物質を含むことが好ましく，ポリ（パーフルオロスルホン酸），ポリ（テトラフルオロエチレン）およびフッ素化されたエチレン−プロピレンなどからなるグループから選択される１種以上のバインダーをさらに含むことができる。
【００８２】
セパレータは，隣接する膜−電極アセンブリを電気的に直列接続させる伝導体の機能を備え，膜−電極アセンブリの酸化反応および還元反応に必要な燃料と酸化剤とを，アノード電極とカソード電極とに供給する通路の機能も備える。そして，セパレータは，アノード側モノープレート１１５ａと，カソード側モノープレート１１５ｂ，およびこれらのアノード側モノープレート１１５ａとカソード側モノープレート１１５ｂが接合される少なくとも一つのバイポーラープレート１１５を含む。
【００８３】
ガスケット１１４，エンドプレート１１６および締結手段１１７は，膜−電極アセンブリとセパレータの積層構造を気密にするように結合するための手段で，既存の多様な材質，形状および構造の手段を利用することができる。ガスケッド１１４は，各々の膜−電極アセンブリの上下最外側に配置され，エンドプレート１１６は，直列で接続される各々最外側の膜−電極アセンブリの外側面に配置される。そして，締結手段１１７は，エンドプレート１１６の外側面に配置される。
【００８４】
（第３実施形態）
図８は，本発明の第３実施形態に係るＤＭＦＣシステムを示すブロック図である。図８を参照すると，本実施形態のＤＭＦＣシステム２００は，燃料電池本体２１０，混合タンク２２０，燃料供給装置２３０，燃料注入装置２４０および制御装置２５０を含む。
【００８５】
本実施形態のＤＭＦＣシステム２００は，上述した第１実施形態および第２実施形態のＤＭＦＣシステムとは異なって，ポンプやファンなどの酸化剤供給装置を使わず，燃料電池本体２１０のカソード２１０ｂに，空気または酸化剤を供給する構造を具備する。
【００８６】
具体的に説明すると，本実施形態の燃料電池本体２１０のアノード２１０ａには，燃料注入装置２４０を通じて，混合タンク２２０に貯蔵される混合燃料が供給され，アノード２１０ａから濃度が希釈された燃料水溶液が混合タンク２２０へ排出される。混合タンク２２０では燃料供給装置２３０から希釈された燃料水溶液より高い濃度を持つ高濃度の混合燃料が供給される。アノード２１０ａの流入口および排出口は，混合タンク２２０に連結され，ＤＭＦＣシステム２００の運転中止時，混合タンク２２０に貯蔵される混合燃料がアノード２１０ａを経由して循環することができるように構成される。
【００８７】
そして，カソード２１０ｂは，大気中の空気がカソード電極に円滑に接触して，カソード電極から生成された水を円滑に排出することができる構造を具備する。上記構成によって，燃料電池本体２１０は，アノード２１０ａに供給される燃料とカソード２１０ｂに流入される酸化剤とを電気化学的に反応させて，電気と熱を発生させる。
【００８８】
燃料供給装置２３０，燃料注入装置２４０および制御装置２５０は，上述した第１実施形態または第２実施形態の燃料供給装置および燃料注入装置と実質的に同じである。ただし，制御装置２５０は，ＤＭＦＣシステム２００の運転中止要求信号の受信時，濃度センサー２５２を通じて，混合燃料の濃度を感知し，これを基に燃料供給装置２３０の作動を停止させる。その後，制御装置２５０は，所定時間の間，混合燃料をアノード２１０ａに循環させて，最終的にアノード２１０ａに残留する混合燃料の濃度が基準濃度，例えば，メタノール水溶液の場合，例えば，０〜０．３モルになるように，燃料注入装置２４０の作動をオン制御する。濃度センサー２５２は，アノード排出口側のマニホールドに挿入設置されることが好ましい。
【００８９】
図９は，本発明の第３実施形態に係るＤＭＦＣシステムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。図９を参照すると，本実施形態の燃料電池本体２１０’は，高分子電解質膜２１１，触媒層２１２ａおよび拡散層２１２ｂを具備するアノード電極，触媒層２１３ａおよび拡散層２１３ｂを具備するカソード電極，アノード集電体２１４，カソード集電体２１５，ミドルプレート２１６，ガスケット２１７，エンドプレート２１８，および配線２１９を含む。また燃料電池本体２１０’は，配線２１９によって電気的に直列接続される４個の膜−電極アセンブリを具備する。より具体的に説明すると，一つの膜−電極アセンブリにおいて，高分子電解質膜２１１を間において，アノード電極の触媒層２１２ａ，カソード電極の触媒層２１３ａ，アノード電極の拡散層２１２ｂ，カソード電極の拡散層２１３ｂの順に積層配置される。
【００９０】
具体的に説明すると，ミドルプレート２１６は，燃料の流入と流出のための流入口および流出口，燃料の流動のためのマニホールド，および燃料の分配供給のための複数のホールを具備する。高分子電解質膜２１１と，高分子電解質膜２１１の両側面に位置するアノード電極およびカソード電極から構成される膜−電極アセンブリがミドルプレート２１６の両側面に位置する。
【００９１】
アノード集電体２１４は，ミドルプレート２１６と各々膜−電極アセンブリとの間に位置し，ミドルプレート２１６のホールを通じて，供給される燃料の流動をガイドするチャンネルを具備する。
【００９２】
カソード集電体２１５は，一つの膜−電極アセンブリを間に置いて，アノード集電体２１４と対向して，一つの膜−電極アセンブリ上に位置して，触媒層２１３ａ，拡散層２１３ｂを露出させる開口部２１５ａを具備する。この開口部２１５ａによって，カソード電極（カソード２１０ｂ）は，大気中の空気と接触することができる。
【００９３】
１対のエンドプレート２１８は，ミドルプレート２１６および各々膜−電極アセンブリを間に置いて対向する一対のカソード集電体２１５の各々の面上に位置する。１対のエンドプレート２１８は，所定の締結圧を供給する締結手段によって結合される。配線２１９は，燃料電池本体２１０’の外部で，各膜−電極アセンブリのアノード集電体２１４とカソード集電体２１５とを電気的に直列接続させる。
【００９４】
図１０Ａは，本発明の実施形態に係るＤＭＦＣシステムに用いる濃度センサーを示す斜視図である。そして，図１０Ｂは，図１０Ａに図示した濃度センサーのモル濃度および温度による膨脹係数の差を示すグラフである。図１０Ａを参照すると，本実施形態の濃度センサー２５２は，基板２５２ｂと，基板２５２ｂの一面上に付着される圧力フィルム２５２ａとから構成される。圧力フィルム２５２ａは，濃度センサー２５２が配置される部分（例えば，アノード２１０ａの所定の部分）の燃料のモル濃度に応じて，その体積が異なるようになる。ここで，濃度センサー２５２を参照して，本発明の実施形態の濃度センサーについて説明したが，本発明の第１実施形態の濃度センサー１６２にも，上記構造の濃度センサーを適用できる。
【００９５】
濃度センサー２５２では，燃料，例えば，メタノールの濃度によって体積が変化するイオン伝導高分子樹脂，または複合樹脂によって，具現されてもよい。例えば，ＤＭＦＣシステム２００の濃度センサー２５２に用いるのに適する圧力フィルム２５２ａとしては，過フッ素化イオン交換樹脂（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ  ｉｏｎ  ｅｘｃｈａｇｅ  ｒｅｓｉｎ），例えば，デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ社）のナピオン（登録商標）がある。
【００９６】
本実施形態では，濃度センサー２５２の圧力フィルム２５２ａをナピオン１１５で製造して，２６℃と４６℃の雰囲気下で，メタノール溶液のモル濃度による膨脹係数変化を観察した。図１０Ｂから分かるように，製造された濃度センサー２５２の膨脹係数は，同一温度では，モル濃度に比例して増加する。また，濃度センサー２５２の膨脹係数は，１モル（１Ｍ）と３モル（３Ｍ）の間では，２６℃の場合より，４６℃の場合がやや高くなる。従って，圧力フィルム２５２ａのモル濃度に対する膨張係数変化によって，燃料のモル濃度を感知することができる。
【００９７】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】一般的な直接メタノール型燃料電池システムの運転，および運転停止サイクルの増加による燃料電池スタックの出力電圧を単純化して示すグラフである。
【図２】本発明の第１実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムの運転方法を示す手順図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムの運転方法による燃料電池本体の性能変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムを示すブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムの運転方法を示す手順図である。
【図７】本発明の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムを示すブロック図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムに用いる燃料電池本体を概略的に示す図面である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池システムに用いる濃度センサーを示す斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに図示した濃度センサーのモル濃度および温度による膨脹係数の差を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９９】
１００      ＤＭＦＣシステム
１１０      燃料電池本体
１２０      混合タンク
１３０      燃料供給装置
１４０      燃料注入装置
１５０      酸化剤供給装置
１６０      制御装置
１１０ａ      アノード
１１０ｂ      カソード
【図１】
0004824455.tif 000002
【図２】
0004824455.tif 000003
【図３】
0004824455.tif 000004
【図４】
0004824455.tif 000005
【図５】
0004824455.tif 000006
【図６】
0004824455.tif 000007
【図７】
0004824455.tif 000008
【図８】
0004824455.tif 000009
【図９】
0004824455.tif 000010
【図１０Ａ】
0004824455.tif 000011
【図１０Ｂ】
0004824455.tif 000012