(57)【要約】【課題】  空気極、電解質及び燃料極からなる燃料電池内の温度を迅速に最低作動温度にまで高める方法を提供する。【解決手段】  空気極（１０１）、電解質（１０２）及び燃料極（１０３）を含む燃料電池（４０１）内の温度を高める方法には、酸素イオン（１１１）が電解質（１０２）を横断する温度にまで電解質（１０２）が達する前に、空気極（１０１）及び燃料極（１０３）において発熱反応を実施し燃料電池（４０１）内の温度を高めるステップが含まれる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極（１０１）、電解質（１０２）及び燃料極（１０３）からなる燃料電池（４０１）内の温度を高める方法であって、酸素イオン（１１１）が前記電解質（１０２）を横切る最低温度に前記電解質（１０２）が達する前に、前記空気極（１０１）又は前記燃料極（１０３）において発熱反応を実施して前記燃料電池（４０１）内の温度を高めるステップを包含する方法。
【請求項２】
前記燃料電池（４０１）の前記温度を監視するステップと、
前記温度が最低作動温度に達したか否かに応じて前記発熱反応を制御するステップと、  をさらに包含する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
始動燃料（３０１）を使用して燃料電池（４０１）内の温度を高める方法であって、前記始動燃料（３０１）を前記燃料電池（４０１）の空気極（１０１）に投入するステップを包含し、前記空気極（１０１）が、前記始動燃料（３０１）を前記空気極（１０１）にある酸素と反応させて前記燃料電池（４０１）の温度を高める発熱反応を引き起こす触媒物質（４０３）を含む方法。
【請求項４】
燃料電池（４０１）内の温度を高める方法であって、
前記燃料電池（４０１）の空気極（１０１）側に触媒物質（４０３）を設けるステップと、
前記空気極（１０１）側に始動燃料（３０１）を投入するステップと、
前記空気極（１０１）側に酸化剤（３０２）を投入するステップと、
を包含する方法。
【請求項５】
燃料電池（４０１）内の温度を高める方法であって、
前記燃料電池（４０１）の燃料極（１０３）側に触媒物質（４０３）を設けるステップと、
前記燃料極（１０３）側に燃料を投入するステップと、
前記燃料極（１０３）側に酸化剤（３０２）を投入するステップと、
を包含する方法。
【請求項６】
空気極（１０１）と、
燃料極（１０３）と、
前記空気極（１０１）と前記燃料極（１０３）のどちらかに配置されている触媒物質（４０３）と、
電解質層（４０４）と、
前記空気極（１０１）と前記燃料極（１０３）のどちらかに導入される始動用化学物質の供給源と、
からなり、前記触媒物質（４０３）が、前記電解質層（４０４）の温度が低すぎて酸素イオン（１１１）が前記空気極（１０１）から前記燃料極（１０３）に横切ることができない場合に、前記空気極（１０１）又は前記燃料極（１０３）にある前記始動用化学物質を使用して発熱反応を開始するように構成されている燃料電池（４０１）。
【請求項７】
前記燃料電池（４０１）内の温度を検出する熱センサ（４０６）をさらに備える請求項６に記載の燃料電池（４０１）。
【請求項８】
前記始動用化学物質を最低始動温度まで加熱する発熱体（６０９）をさらに備える請求項６に記載の燃料電池（４０１）。
【請求項９】
電流センサ（６１６）をさらに備える請求項６に記載の燃料電池（４０１）。
【請求項１０】
前記始動用化学物質が、前記燃料電池（４０１）内の温度を最低作動温度より高くするための始動燃料（３０１）を含む請求項６に記載の燃料電池（４０１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池内の温度を高める方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この一世紀の間にエネルギーの需要は指数関数的に増大した。このエネルギー需要の増大により、多数の様々なエネルギー源が調査され開発されてきた。過去及び現在における主要なエネルギー源の１つは、炭化水素の燃焼である。しかしながら、炭化水素の燃焼は、一般に不完全なものであり、スモッグの原因となる不燃性物質や他の汚染物質を種々の量にて放出する。炭化水素の燃焼によって汚染物質が生成された結果、よりクリーンなエネルギー源への要求が高まってきている。よりクリーンなエネルギー源への関心の高まりによって、燃料電池はより注目され、より高性能となっている。
【０００３】
燃料電池は、電気化学反応を実施して電力を生成する。代表的な燃料電池の反応物は、水素や炭化水素などの燃料源と、空気などの酸化剤である。燃料電池は、モータ、ライト、あるいは多数の電気機器及び装置において使用することができる直流電流（ＤＣ）をもたらす。いくつかの異なるタイプの燃料電池があり、それぞれ異なる電極、電解質及び燃料の組み合せを使用する。
【０００４】
燃料電池は、一般に、燃料極、空気極及び電解質の３つの基本要素からなる。燃料極と空気極は、電解質によって電気的に分離されている。電解質は、電子の通過を妨げ、それによって、外部回路に電流を導くことができる。燃料電池は、通常、使用される電解質の種類によって分類され、一般的に、固体高分子形（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）の５つのグループのいずれかに分類される。
【０００５】
いくつかの種類の燃料電池は、高温あるいは高温環境でのみ効率的に作動する。それゆえ、燃料電池が最初に起動されて適切な作動温度にまで温度を上昇させねばならないときに、電力が生成されるまでには大きなタイムラグがある場合がある。燃料電池が、機能上、例えばバッテリなどの他の電源と置き換わるためには、迅速に始動できる必要がある。
【０００６】
その結果、燃料電池の中には、燃料電池がより迅速に効率的な作動温度に達し得るように燃料電池を加熱する手段を含むものがあった。以前は、例えば外部触媒燃焼器や電気式熱源など、最適な作動温度を作り出すいくつかの方法が使用されていた。しかしながら、そのような解決策では、燃料電池の設計及び使用に関するさらに別の問題を引き起こす。例えば、外部触媒燃焼器は、一般的にかなり大きく、長い起動時間を必要とし、初期加熱プロセスに、しばしば電気抵抗のような個別の方法を必要とする。電気的な熱源は大量の電力を必要とし、その結果エネルギー源（バッテリ、キャパシタなど）を収容するために質量と体積がかなり大きくなり、材料間に望ましくない熱膨張を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明では、上記のような問題を生じさせることなく、空気極、電解質及び燃料極からなる燃料電池内の温度を迅速に最低作動温度にまで高める方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
空気極、電解質及び燃料極からなる燃料電池内の温度を高める方法には、酸素イオンが電解質を横切る最低温度に電解質が達する前に、空気極又は燃料極において発熱反応を実施して燃料電池内の温度を高めるステップが包含される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、空気極、電解質及び燃料極からなる燃料電池内の温度を迅速に最低作動温度にまで高める方法及び当該方法を利用する燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
添付の図面は、本発明の様々な実施形態を示し、本明細書の一部である。図により説明される実施形態は、単に本発明を例示するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。図面全体にわたって、同一の参照番号は、少なくとも類似するが、必ずしも同一であるとは限らない要素を示す。
【００１１】
本明細書では、燃料電池が適切な作動温度に迅速に達することを可能にする方法及びシステムについて説明する。燃料電池の空気極又は燃料極に触媒作用物質を付着させ、低い温度で酸化する適切な化学物質を導入することによって、燃料電池内の温度を迅速に高める発熱反応が起こる。
【００１２】
多くの燃料電池は低い温度で作動し得るが、例えば固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）などのいくつかの燃料電池は、機能するために高い温度を必要とする。例えば、ＳＯＦＣは、通常、約９００〜１０００℃で作動する。そのような温度では、固体酸化物電解質のイオン伝導率、即ち電解質内での特定イオンの移動性が大きくなり、燃料電池の空気極側から燃料極側への酸素イオンの移動が可能になる。
【００１３】
図１は、ＳＯＦＣの作動を示す一般化したブロック図である。図１に示すように、ＳＯＦＣは、空気極（１０１）、固体酸化物電解質（１０２）、及び燃料極（１０３）から構成することができる。空気極（１０１）では、空気と電子が結合して酸素イオン（１１１）となる。固体酸化物電解質（１０２）が、通常の作動温度にあると仮定すると、酸素イオンは、電解質（１０２）を通って燃料極（１０３）に引き付けられ（１１２）、そこで、例えばＨ２やＣＯなどの燃料と反応して、排気、熱及び過剰電子（１１３）を生成する。
【００１４】
外部回路（１０７）を使用することにより、燃料極（１０３）で生成された過剰電子は、回路（１０７）を通って空気極（１０１）に自由に流れることができ、そこで、空気と電子から酸素イオンを生成するプロセスが継続する（１１１）。図１に示すように、外部回路（１０７）の一部として電気負荷（１０８）を含めることができる。電気負荷（１０８）には任意の電力消費装置を用いることができ、図１では抵抗によって表している。
【００１５】
前述のように、ＳＯＦＣを含む様々な燃料電池は、有効に機能するために最低作動温度を必要とする。燃料電池内を十分な温度にするために多くの方法を使用することができるが、本明細書に示した方法は、燃料電池内で、発熱を伴う、即ち熱を生成する化学反応を使用して、温度を作動レベルにまで高める。本明細書において使用されるとき、「始動燃料」は、燃料電池の温度を高めるのを支援するために燃料電池の燃料極又は空気極に投入される燃料を意味する。燃料電池内の「標準反応」は、電流を生成するために燃料電池の作動中に起こる反応である。標準反応においては、酸素イオンが空気極にて生成され、電解質を横切って移動し、燃料極の燃料と反応して電流を生成する。「空気極反応」は、空気極に投入された始動燃料、酸素と、空気極にある触媒との間で起こる反応である。空気極反応は、燃料電池を加熱する発熱反応である。「燃料極反応」は、燃料極に投入された酸化剤（電解質を横切らずに燃料極に達する）、燃料と、燃料極に存在する触媒との間で起こる反応である。また、燃料極反応は、燃料電池を加熱する発熱反応である。燃料極反応は、燃料電池の作動中に燃料極に存在する通常の燃料の他に、燃料極に投入される始動燃料によって支援し得る。いくつかの実施形態では、燃料極反応と空気極反応とを同時に起こし得る。
【００１６】
図２は、燃料電池内の温度を高める方法を示すフローチャートである。図２に示すように、始動燃料と酸化剤が、燃料電池の空気極側に導入され（ステップ２０１）、それによって発熱空気極反応が起こる。この空気極反応を促進するために、空気極に触媒を付着させることができる。より詳細には、燃料電池の製造プロセスにおいて、当技術分野で一般的に理解されている化学析出技術を利用して、触媒を、空気極電極上、空気極−電解質界面、又は空気極電極内に付着させることができる。触媒又は触媒物質には、例えば、白金、ロジウム、ルテニウム及び／又はパラジウムを含有する合金が含まれる。特定の実施形態では、空気極−電解質界面の領域全体にわたって白金析出物を均一に含浸させることができる。
【００１７】
触媒析出物は、始動燃料を改質し、即ち基本的な燃料成分に分解するか、酸化することを可能にし、それによって発熱空気極反応が起こる。この反応プロセスは、図３を参照してさらに説明する。発熱空気極反応は、酸化剤として空気を使用して、室温で効果的に実施し得る。従って、室温で効率的に酸化され、一般的な燃料成分（一酸化炭素、水素など）に改質され得る化学物質を、始動燃料として使用することができる。そのような化学物質の例をいくつか挙げると、メタノール、ホルムアルデヒド、ジメチルエーテル、エチレンなどがある。
【００１８】
図２の実施形態では、酸素イオンと始動燃料とが反応して（ステップ２０２）、熱と化学副生物が生成される。燃料電池内の温度が、少なくとも最低作動温度の場合（判定ステップ２０３）、即ち電解質のイオン伝導率が、通常の作動のために十分に高い場合は、始動燃料の供給を停止することができる（ステップ２０４）。そうでない場合は、さらに多くの始動燃料をシステムに追加する（ステップ２０５）。図２に示すように、本サイクルは、繰り返すことができる。追加の始動燃料は、触媒存在下で酸化剤と反応する（ステップ２０２）。次に、当該プロセスは、最低作動温度に達したかどうかを再確認する（判定ステップ２０３）。達していない場合は、再びさらに多くの始動燃料を追加する（ステップ２０５）。このようにして、始動燃料は、最低作動温度に達するまで、又は最低作動温度の維持を支援するために供給される。
【００１９】
図２に例示するプロセスは、燃料電池の「始動」時に、又は燃料電池内の温度が最低作動温度より低くなった場合に実施することができる。例えば、通常の作動中に、電気負荷からの電力と燃料の要求が低すぎて、酸素イオンと燃料との標準反応（図１の燃料極に示すような）では最低作動温度を維持できない場合には（判定ステップ２０３）、さらに多くの始動燃料を燃料電池に追加することができる。前述のように、始動燃料と酸化剤とを空気極に加えると（触媒と共に）、燃料電池の温度が適切な作動レベルにまで有効に高められる。
【００２０】
図３は、燃料電池内の発熱空気極反応の仕組みを示すブロック図である。図３に示すように、始動燃料（３０１）と酸化剤（３０２）とを燃料電池の多孔質空気極（３０３）に導入することができる。始動燃料（３０１）と酸化剤（３０２）が、触媒（３０４）と接した状態で接触し得るようにすることによって、始動燃料（３０１）が直接酸化され、過剰な熱と副生物が生成される（３０８）。
【００２１】
始動燃料（３０１）は、燃料電池に直接投入され、高活性触媒サイト（３０４）における酸化によって直接消費することができ、又は最初に空気極（３０３）によって部分的に改質され、次に高活性触媒サイト（３０４）において酸化するか、空気極（３０３）で部分的に酸化され、次に最終的に高活性触媒（３０４）において酸化することができる。改質された始動燃料（３０１）と酸化剤（３０２）とを形成し結合させる同プロセスが継続され、それによって燃料電池用の最低作動温度を越えるのに十分な熱が生成される。
【００２２】
始動燃料（３０１）としてメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を使用することができ、酸化剤（３０２）として空気を使用することができる。空気極−電解質界面に、例えば白金触媒（３０４）を配置することによって、以下のいくつかの起こり得る反応のうちの１つに従って、メタノールが、触媒（３０４）及び酸化剤（３０２）と反応する。
【００２３】
ＣＨ３ＯＨ＋３Ｏ２−→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ（ｇ）
ＣＨ３ＯＨ＋２Ｏ２−→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ（ｇ）＋Ｈ２
ＣＨ３ＯＨ＋２Ｏ２−→ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ（ｇ）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｏ２−→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ（ｇ）＋Ｈ２
ＣＨ３ＯＨ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２Ｈ２
【００２４】
本構成では、副生成物（ＣＯ２とＨ２Ｏ）、熱、及び電子（３０８）を放出する発熱空気極反応に帰着する。あるいはまた、他の始動燃料（３０１）と酸化剤（３０２）とを使用して、燃料電池内で発熱反応を実施することもできる。温度が十分な場合には、電解質（３０９）のイオン伝導性によって、空気極−電解質界面にある酸素イオン（３０６）が燃料電池の燃料極側に「引き付け」られて、燃料電池の標準反応が起こる。
【００２５】
図４は、本明細書に記載する原理に基づく燃料電池を示すブロック図である。図４に示すように、燃料電池（４０１）は、空気極（４０２）、高活性触媒物質（４０３）、薄い電解質層（４０４）、燃料極（４０５）、及び熱センサ（４０６）から構成することができる。
【００２６】
空気極（４０２）は、例えば始動燃料や空気などのガスが空気極チャンバ（４１１）に流れることを可能にし、且つ反応中に空気極側において生成した未反応化学物質が燃料電池（４０１）から出ることを可能にする多孔質材料から作られている。空気極チャンバ（４１１）とは、燃料電池（４０１）の作動中に始動燃料と酸化剤（４０７）とが導入される空気極−電解質界面の領域を意味する。実際には、空気極（４０２）、触媒物質（４０３）及び薄い電解質層（４０４）の間に空間はない。図４に示す空間は、単に説明するためのものである。
【００２７】
作動時には、図３と関連して先に説明したように、例えば白金などの触媒物質（４０３）が、始動燃料及び酸化剤（４０７）と反応する。この反応は、空気極チャンバ（４１１）の温度を、燃料電池が効率的に作動できるのに十分な温度まで高める。より詳細には、燃料電池（４０１）内で最低作動温度が達成されると、空気極側の過剰な酸素分子が酸素イオンに変換され、電解質（４０４）のイオン伝導率が高くなり、それによって当技術分野において現在理解されているような通常の燃料電池作動が可能になる。
【００２８】
例示した実施形態では、触媒物質（４０３）は、空気極（４０２）の領域全体に均一に分散し、空気極チャンバ（４１１）内を均一に加熱する。さらに、触媒物質（４０３）は、電解質膜（４０４）全体を覆う必要はなく、これにより、電解質層（４０４）を横切って燃料極（４０５）に至る酸素イオンなどの元素の流れが制限される。
【００２９】
電解質層（４０４）は、空気極（４０２）と燃料極（４０５）との間に隔壁を提供する（ガスと電気が流れるのを妨げる）が、温度が十分な場合には、空気極チャンバ（４１１）内の酸素イオンは電解質層（４０４）中を拡散して、燃料極（４０５）で燃料と反応することができる。燃料極（４０５）は、ガスが当該材料内を通ることを可能にする多孔質材料とすることができる。より詳細には、燃料極（４０５）は、例えばニッケル、パラジウム、白金、及びその合金などの材料を含むことができ、これらの材料は、燃料極（４０５）に酸化可能な燃料を提供する、例えば水素、水素発生ガス、炭化水素燃料などの燃料極側燃料と反応する。
【００３０】
熱センサ（４０６）を使用して、燃料電池（４０１）の最低又は最適作動温度に達したことを検出することができる。さらに、熱センサ（４０６）は、燃料電池（４０１）への、例えば始動燃料や燃料極側燃料などの燃料の流量を制御する外部装置と関連して使用することができる。例えば、燃料電池（４０１）の最低作動温度に達した場合は、熱センサ（４０６）は、信号を１つ又は複数の外部装置に送り、それにより空気極へのメタノールなどの始動燃料の流れを断つことができる。さらに、熱センサ（４０６）を１つ又は複数の外部装置と関連して使用して、作動中に燃料電池の温度が最低温度よりも低くなった場合に始動燃料を燃料電池（４０１）に追加することができる。
【００３１】
例えば、電気負荷に必要とされる電力によって、燃料電池（４０１）が最低作動温度を維持できない場合には、熱センサ（４０６）は、メタノール提供装置に信号を送ることができ、それによって、温度を最低又は最適作動温度にまで高め維持するために、追加のメタノール又は他の始動燃料が空気極チャンバ（４１１）に投入される。
【００３２】
図５は、燃料電池内の温度を高めるもう１つの方法を示すフローチャートである。図５に示すように、酸化剤と燃料は、燃料電池の燃料極側に導入され（ステップ５０１）、それによって発熱燃料極反応、即ち発熱反応が起こる（ステップ５０２）。発熱燃料極反応を促進するために、触媒を燃料極に付着させることができる。より詳細には、燃料電池の製造プロセスにおいて、当技術分野において一般的に理解されている化学析出技術を使用して、触媒を、燃料極電極上、燃料極−電解質界面、又は燃料極電極内に付着させることができる。いくつかの実施形態では、燃料極−電解質界面の領域全体に白金析出物を均一に含浸させることができる。
【００３３】
触媒析出物は、燃料を低い温度で酸化させることを可能にし、それによって所望の発熱燃料極反応が引き起こされる（ステップ５０２）。この反応プロセスは、反応の場所が燃料電池の燃料極側にあること以外は、図３に関連して説明したものと同様である。発熱燃料極反応は、室温で有効に行うことができる。さらに、前述のような始動燃料を、燃料電池の燃料極側に使用することもできる（前述の燃料極側燃料と組み合わせて又はその代わりとして）。
【００３４】
標準の燃料電池の反応では、空気極から電解質を横切る酸素イオンは、燃料極で燃料と反応して電子を生成し、次にその電子は燃料電池によって生成される電流として流れる。しかしながら、電解質の温度が低すぎる場合には、空気極からの酸素イオンは燃料極を横切ることができない。この状況では、図５に示すように、酸化剤を燃料と共に燃料極に追加するか又は導入する（ステップ５０１）。燃料極にあるこの追加の酸化剤と燃料成分とが反応し（ステップ５０２）、熱、電子、及び化学的副生物が放出される。燃料電池内の温度が、少なくとも最低作動温度である場合（判定ステップ５０３）、即ち、電解質のイオン伝導率が空気極からの酸素イオンの輸送を可能にするほど高くなった場合には、酸化剤の供給源は遮断されることが好ましい（ステップ５０４）。そうでない場合は、さらに酸化剤がシステムに追加される（ステップ５０５）。図５に示すように、このサイクルは、繰り返すことができる。追加の酸化剤は、触媒の存在下で燃料と反応する（ステップ５０２）。次に、最低作動温度に達したかどうかが再確認される（判定ステップ５０３）。達していない場合は、再びさらに多くの酸化剤が追加される（ステップ５０５）。このようにして、最低作動温度に達するまで、あるいは最低作動温度の維持を支援するために、酸化剤が供給される。
【００３５】
他の実施形態では、燃料極側に始動燃料と酸化剤を追加することを含むことができる（図３と関連して説明したプロセスと同様に）。そのような実施形態では、始動燃料と酸化剤との供給は、燃料電池の温度を高めるように注意深く制御されるが、最低作動温度に達した後は通常の燃料電池の作動を可能にする。さらに、最低作動温度に達した後に燃料電池（図１に関連して説明したように）の通常作動を可能にするために、燃料電池の空気極に酸化剤を追加することができる。
【００３６】
図５に示すプロセスは、燃料電池の「起動」時、あるいは燃料電池内の温度が最低作動温度よりも低いときに実施される。例えば、通常の作動中に、電気負荷からの電力と燃料の要求が低すぎて、（図１において説明したような）燃料と酸素イオンとの標準反応によって最低作動温度が維持されない場合（判定ステップ５０３）は、さらに多くの酸化剤を燃料電池に追加することができる（ステップ５０５）。前述のように、燃料成分及び触媒の存在下、酸化剤を加えることによって、燃料電池の温度を適切な作動レベルにまで有効に高めることができる。
【００３７】
図５のプロセスを使用する際、燃料極にある触媒析出物を酸化させないように注意しなければならない。触媒の酸化は、酸化剤が多すぎる場合に生じることがあるが、燃料極に導入する酸化剤の量を注意深く制御することによって防ぐことができる。さらに、燃料極に酸化剤があると、燃料電池の通常作動（図１に示すような）が妨げられることがある。したがって、燃料極における酸化剤導入の量とタイミングを注意深く制御する必要がある。
【００３８】
図６は、本明細書に示す原理に基づく燃料電池を示すブロック図である。図６に示すように、燃料電池（６０１）は、空気極（６０２）、薄い電解質層（６０４）、燃料極（６０５）、燃料極（６０５）にある高活性触媒物質（６０３）、発熱体（６０９）、及び電流センサ（６１６）から構成することができる。触媒物質（６０３）には、例えば白金を含むことができる。
【００３９】
図示するように、図６には、図５のプロセスを実行し得る燃料電池（６０１）を示している。さらに、燃料電池（６０１）は、発熱体（６０９）と電流センサ（６１６）とを備えることができる。図５に関して説明したように、燃料電池の温度を、ほぼ室温から最低作動温度よりも高い温度にまで高める燃料極反応を実施するために、燃料極（６０５）に燃料（６０８）と酸化剤（６０７）を導入することが望ましい。
【００４０】
前述のように、燃料極（６０５）に触媒（６０３）がある状態で酸化剤（６０７）と燃料（６０８）とを追加すると発熱燃料極反応が生じ、これによって副生物、電子及び熱が放出される。このプロセスを使用して、前述のように、燃料電池内の温度を最低作動温度より高くすることができる。酸化剤（６０７）の追加は注意深く制御することができ、それによって触媒析出物の酸化が防止される。さらに、図５に関して説明したプロセスを実行するために、燃料極側の燃料（６０８）と組み合わせて、又はその代わりに、燃料極（６０５）で始動燃料を使用することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、最低作動温度に達したら、通常の燃料電池作動のため、即ち標準反応のために、燃料極側燃料（６０８）の供給は必要とされるが、始動燃料の供給は止めることができる。また、通常の燃料電池作動には、空気極に酸化剤（６０７）が必要とされる（図１に示したように）。
【００４２】
いくつかの実施形態では、発熱燃料極反応と発熱空気極反応を同時に行って、燃料電池を最低作動温度にする速度を早めることができる。発熱空気極反応又は発熱燃料極反応を使用して燃料電池を有効に加熱するためには（図２と図５において説明したように）、最初に含まれている化学物質が、最低「始動」温度でなければならない。例えば、図３に示した反応プロセスは、含まれる化学物質の初期温度が約２０℃以上になるまで有効に実施されない。燃料電池をほぼ室温（２２℃）で使用することによって、最低始動温度を達成することができる。他の状況で、周囲温度が最低始動温度よりも低い温度の場所で使用される場合には、発熱体（６０９）などの素子を使用して、始動用化学物質の温度を最低始動温度に高めることができる。
【００４３】
図６に示すように、燃料電池（６０１）の空気極側に発熱体（６０９）を配置することができる。あるいはまた、発熱体（６０９）は、燃料極側あるいは燃料電池（６０１）の別の適切な場所に配置することができる。発熱体（６０９）は、始動用化学物質の温度を最低始動温度にまで高めるために使用することができるが、高温では活性でなく、即ち、所望の発熱反応（図３において説明した）が生じ始めた後は発熱体（６０９）の電源を切ることができる。本明細書において使用されるとき、「始動用化学物質」とは、燃料電池の空気極又は燃料極に投入される始動燃料と、燃料電池の空気極に投入される酸化剤とを含む。
【００４４】
電流センサ（６１６）の機能は、図４に説明した熱センサ（図４の４０６）の機能と類似している。図６に示したように、燃料電池（６０１）の空気極（６０２）と燃料極（６０５）との間に電流センサ（６１６）を接続して、電子の流れを検出することができる。燃料極から空気極への電子の流れを測定することによって、電流センサ（６１６）は、他の外部装置と共に働いて、作動温度、燃料電池（６０１）の電気出力、又は他の機能を管理することができる。例えば、電流センサ（６１６）が、燃料電池（６０１）の出力電流が少ないと判定した場合には、電流センサは、始動燃料、酸化剤、燃料などの流量を制御する外部装置と共に機能することができる。そのような外部装置の例には、メタノール、水素、炭化水素燃料などを含む燃料カートリッジがある。
【００４５】
図７は、本明細書で説明した原理に従って構成された燃料電池を使用し得るシステムを示すブロック図である。図７に示すように、システム（７００）は、燃料制御装置（７０１）、燃料電池スタック（７１１）、制御ボックス（７０６）、及び電気負荷（７０８）から構成することができる。図４及び図６に示した燃料電池は、１つ又は複数の燃料電池を含む図７の燃料電池スタック（７１１）において使用することができる。同様に、図４及び図６に関連して先に説明した外部装置は、図７の制御ボックス（７０６）を含むことができる。さらに、本明細書に示した実施形態と異なる他の燃料電池を使用することもできる。
【００４６】
作動時には、燃料制御装置（７０１）は、燃料電池スタック（７１１）に、例えば水素や炭化水素燃料などの燃料（７０２）を供給する。さらに、酸化剤（７０４）と始動燃料（７０３）とが、燃料電池スタック（７１１）に供給される。（図２に対応する）一実施形態では、始動燃料（７０３）はメタノールとすることができ、酸化剤（７０４）は空気とすることができる。（図５に対応する）別の一実施形態では、燃料極で低温触媒反応が実施される場合には、燃料電池始動手段は、酸化剤（７０４）及び燃料（７０２）とすることができる。
【００４７】
あるいはまた、前述のような燃料電池の作動温度を達成するために、始動燃料（７０３）や酸化剤（７０４）などの他の組合せを使用し、燃料電池の空気極側又は燃料極側に導入して、発熱反応を実施することができる。始動動作と通常動作で、化学的副生物からなる排気（７１２）が、燃料電池スタック（７１１）から放出される。
【００４８】
図７に示すように、制御ボックス（７０６）を用いて、燃料電池スタック（７１１）から、例えば温度や出力電力情報などのデータ（７０９）を受け取り、前述のような始動燃料（７０３）、酸化剤（７０４）又は燃料（７０２）の流れを許可したり抑止したりすることができる。始動燃料（７０３）、酸化剤（７０４）、又は燃料（７０２）は、当技術分野で一般的に使用されている燃料カートリッジで提供することができる。そのような燃料カートリッジは、制御ボックス（７０６）によって送られた信号によって始動燃料（７０３）の流れを制御することができる。
【００４９】
燃料電池スタック（７１１）の作動温度が十分に高くなると、電気を有効に生成し、図１に関して説明したように、電導体（７０７）を介して電気負荷（７０８）に提供することができる。電気負荷（７０８）は、限定はしないが、自動車モータ（及び他の自動車用電子回路）、ライト、カメラ、家庭用補助電源、コンピュータ、また他の電気消費装置を含む、任意の電力駆動装置を含むことができる。
【００５０】
以上の説明は、発明の実施形態を単に示し説明するために示された。この説明は、本発明を網羅するものではなく、開示した厳密な形態に本発明を限定するものでもない。以上の教示から、多くの修正及び変更が可能である。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】ＳＯＦＣの作動を示す一般化したブロック図
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池内の温度を高める方法を示すフローチャート
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池内の温度上昇反応の仕組みを示すブロック図
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池を示すブロック図
【図５】本発明の別の実施形態による燃料電池内の温度を高める方法を示すブロック図
【図６】本発明の別の実施形態による燃料電池を示すブロック図
【図７】本発明の別の実施形態による燃料電池を使用し得るシステムを示すブロック図
【符号の説明】
【００５２】
１０１  空気極
１０２  電解質
１０３  燃料極
１１１  酸素イオン
３０１  始動燃料
３０２  酸化剤
４０１  燃料電池
４０３  触媒物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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