(57)【要約】【課題】電池スタックのプレートにおけるガスチャンネルの入口領域で、加湿反応ガス中の水蒸気が結露しないようにした固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】プレート１の一方の面にガスチャンネル２を設けると共に、他方の面に水チャンネルを設ける。他のプレートにはプレート１のガスチャンネル２に対向させてガスチャンネルを設ける。前記プレート１のガスチャンネル２の上部にガス入口ヘッダー部４を設けると共に、水チャンネルの上部には水入口ヘッダー部を設けてガス入口ヘッダー部と背中合わせの状態にする。水供給用マニホールド孔７から水入口ヘッダー部に熱媒体としての冷却水を供給して加温し、その熱伝導によりガス入口ヘッダー部を加温することで、ガスチャンネル２の入口領域での反応ガス（加湿燃料ガス）中の水蒸気結露を防止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスチャンネル又は熱媒体チャンネルを設けたプレートが電池スタック内に複数積層されている燃料電池において、前記少なくとも一方の反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部と、前記熱媒体チャンネルの入口ヘッダー部とが対向位置に設けられ、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部を反応ガス露点以上に加温することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記反応ガスは燃料ガス及び／又は酸化剤ガスであり、前記熱媒体は冷却水であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、反応ガス露点≦冷却水温度であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部より下方領域に対応させて冷却水を供給することで反応ガスを強制的に結露させ、発電後に出た冷却水を前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に対応させて再度プレートに供給して加温した後に排水することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記反応ガスチャンの入口ヘッダー部より下方領域で、反応ガス露点≧冷却水温度であり、発電後の冷却水を再度プレートに供給する反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、反応ガス露点≦冷却水温度であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に流路抵抗発生部を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に加えて流路抵抗発生部も加温することを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料電池の発電反応部での反応ガスの流れと冷却水の流れが、平行且つ重力方向に沿って並行流又は対向流であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタック内に複数積層されたプレートにおいて、反応ガスヘッダー部での結露を防止し、又セルを湿潤状態に保つようにした燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）を、他方の面にカソード（空気極）を接合一体化してセル（膜電極接合体）を形成し、アノードに対向する面に凹溝状の燃料ガスチャンネルを設けたプレートと、カソードに対向する面に凹溝状の酸化剤ガスチャンネルを設けたプレートとでセルを挟んで複数積層し、両端部にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付けることにより電池スタックが構成される。そして、燃料ガスチャンネルには燃料ガス（水素ガス又は水素主体の改質ガス）を流通させると共に、酸化剤ガスチャンネルには酸化剤ガス（通常は空気）を流通させ、前記固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を起こさせることにより直流電力を発電する。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池において、上記固体高分子電解質膜は飽和湿潤状態で適正に機能するため、反応ガス（燃料ガス及び／又は酸化剤ガス）を加湿器等で加湿した後にプレートのチャンネルを流通させ、これにより固体高分子電解質膜を飽和湿潤状態に保持するようにしている。又、固体高分子形燃料電池の作動温度は約８０℃であるが、電気化学反応は発熱反応であるため発電中に温度が上昇する。これを防止するために電池スタック内に冷却プレートを組み込んでそのチャンネルに冷却水を流通させ、電池スタックを作動温度に保持するようにしているのが一般的である。
【０００４】
しかしながら、図５のように上記加湿した反応ガスをプレートＡの供給用マニホールドＢからチャンネルＣに供給すると、ガス入口側領域において冷却され、反応ガス中に含まれている水蒸気がチャンネルＣ内で凝縮して結露し、チャンネルＣを閉塞して反応ガスの流通を阻害し、その結果正常な発電がなされずに電池性能を低下させる事態が生じていた。特に、チャンネルＣの屈曲部付近は反応ガスの流速が弱まるため凝縮水が付着し易い。このような事態を防止するために、例えば略Ｓ字形に屈曲するチャンネルを廃止してストレート形とし、且つ反応ガスを重力方向の上から下に向かって流通させることで凝縮水が下流側に流れやすいようにし、更にガスチャンネルの間に水供給チャンネルを設けて電池スタックの冷却を効率良く行うようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７６１０５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、固体高分子膜電解質膜の温度及び含水率を一定の範囲内に保持することができるため、燃料電池高負荷への移行時の即応性に優れ、高出力を短時間で得ることができ、負荷変動に対して安定して運転することができる。しかしながら、反応ガスチャンネル内での結露防止に関しては、必ずしも満足すべきものではなく、特にガス入口領域での凝縮水対策が充分になされているものとは言えない。
【０００７】
そこで、本発明は、反応ガスチャンネルのガス入口領域で加湿反応ガス中に含まれている水蒸気が結露しないように改良した燃料電池を提供することを目的とする。この目的において、本発明者らは鋭意研究した結果、反応ガスチャンネルのガス入口領域を熱媒体により加温することにより、反応ガス中に含まれている水蒸気の結露を防止できることを見出して本発明を完成するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１は、反応ガスチャンネル又は熱媒体チャンネルを設けたプレートが電池スタック内に複数積層されている燃料電池において、前記少なくとも一方の反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部と、前記熱媒体チャンネルの入口ヘッダー部とが対向位置に設けられ、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部を反応ガス露点以上に加温することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る請求項２は、請求項１の燃料電池において、前記反応ガスは燃料ガス及び／又は酸化剤ガスであり、前記熱媒体は冷却水であることを特徴とする。
【００１０】
又、本発明に係る請求項３は、請求項２の燃料電池において、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、反応ガス露点≦冷却水温度であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る請求項４は、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部より下方領域に対応させて冷却水を供給することで反応ガスを強制的に結露させ、発電後に出た冷却水を前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に対応させて再度プレートに供給して加温した後に排水することを特徴とする燃料電池である。
【００１２】
又、本発明に係る請求項５は、請求項４の燃料電池において、前記反応ガスチャンの入口ヘッダー部より下方領域で、反応ガス露点≧冷却水温度であり、発電後の冷却水を再度プレートに供給する反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、反応ガス露点≦冷却水温度であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る請求項６は、請求項１ないし請求項５いずれか１項の燃料電池において、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に流路抵抗発生部を設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る請求項７は、請求項１ないし請求項６いずれか１項の燃料電池において、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に加えて流路抵抗発生部も加温することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る請求項８は、前記燃料電池の発電反応部での反応ガスの流れと冷却水の流れが、平行且つ重力方向に沿って並行流又は対向流であることを特徴とする燃料電池である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【００１７】
（第１実施形態）
図１において、１はカーボンを主体として形成されたプレートであり、その一方の面には凹溝状のガスチャンネル２が上下方向（重力方向）に複数本並設され、他方の面にも同じく凹溝状の水チャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設されて背中合わせとなっている。又、プレート１の上部側方にはガス供給用マニホールド孔３が貫通して設けられ、このガス供給用マニホールド孔３は凹部状のガス入口ヘッダー部４に連結し、更にガス入口ヘッダー部４は前記ガスチャンネル２に連通している。ここで、ガス入口ヘッダー部４とは、ガス供給用マニホールド孔３から分配供給される反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を、更にガスチャンネル２の入口に分配するための領域と定義（以下同様）する。このガス入口ヘッダー部４は、一般にマニホールドと称されるが、通常のマニホールドより領域を広く設定してある。
【００１８】
上記ガスチャンネル２の出口は、プレート１の下部に設けられた凹部状のガス出口フッター部５に連通し、このガス出口フッター部５はプレート１の下部側方に貫通して設けられたガス排出用マニホールド孔６に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される反応ガス（ここでは、燃料ガス）は、電池スタックの積層方向に連通しているガス供給用マニホールド孔３を通って各セルにおけるプレート１のガス入口ヘッダー部４に分配供給され、このガス入口ヘッダー部４からガスチャンネル２内に分配され、当該ガスチャンネル２に沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部５に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通しているガス排出用マニホールド孔６に流入し、このガス排出用マニホールド孔６を通って電池スタックの端部から外部に排出される。
【００１９】
又、プレート１の上部側方（ガス供給用マニホールド孔３とは反対側）には、水供給用マニホールド孔７が貫通して設けられており、この水供給用マニホールド孔７はプレート１の他方の面側に設けられた凹部状の水入口ヘッダー部に連結され、この水入口ヘッダー部は前記水チャンネルの入口に連通している。この場合、ガス入口ヘッダー部４と水入口ヘッダー部とは、プレート１において背中合わせの状態で近接配置されている。
【００２０】
更に、プレート１の水チャンネルの出口には凹部状の水出口フッター部が設けられ、この水出口フッター部はプレート１の下部側方（ガス排出用マニホールド孔６とは反対側）に貫通して設けられた水排出用マニホールド孔８に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される水（ここでは、冷却水）は、電池スタックの積層方向に連通している水供給用マニホールド孔７を通って各セルにおけるプレート１の水入口ヘッダー部に分配供給され、この水入口ヘッダー部から水チャンネル内に分配され、当該水チャンネルに沿って上から下に向かって流通し、水出口フッター部に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通している水排出用マニホールド孔８に流入し、この水排出用マニホールド孔８を通って電池スタックの端部から外部に排出される。
【００２１】
一方、他のプレートには、前記プレート１のガスチャンネル２に対応するガスチャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設され、このガスチャンネルの入口には凹部状のガス入口ヘッダー部４′が連通して設けられると共に、ガスチャンネルの出口には凹部状のガス出口フッター部５′が連通して設けられている。これにより、他のプレートにおいては、酸化剤ガス（ここでは、外気から取り込まれた空気）がガス入口ヘッダー部４′に供給され、このガス入口ヘッダー部４′からガスチャンネル内に分配され、当該ガスチャンネルに沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部５′に排出されると共に電池スタックの外部に排気される。
【００２２】
プレート１のガスチャンネル２と他のプレートのガスチャンネルとの間にセルを挟みこんで電池スタック内に組み込まれるが、その際プレート１のチャンネル２にはセルのアノードを密着して対向させ、他のプレートのチャンネルにはセルのカソードを密着して対向させることにより単電池が構成されるようにする。そして、単電池を複数積層して一体化することで電池スタックが構成される。尚、ガス入口ヘッダー部４、４′、ガス出口フッター部５、５′及び水入口ヘッダー部、水出口フッター部はガスケット等を介して凹部の上面が被覆され、漏れが防止される。
【００２３】
このように構成された電池スタックにおいて、プレート１のガスチャンネル２には燃料ガスが流通すると共に、他のプレートのガスチャンネルには酸化剤ガスが流通し、セルの高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じることで直流電力を発電することができる。
【００２４】
セルの高分子電解質膜を飽和湿潤させるために、例えば燃料ガスを加湿器等で加湿してから電池スタックに供給するが、従来ではこの加湿燃料ガスがガスチャンネル２内に流通した時に、特にガスチャンネル２の入口領域で冷やされて燃料ガス中に含まれている水蒸気が結露し、その凝縮水がガスチャンネル２に付着して閉塞し、燃料ガスの流通を阻害することがあった。本実施形態では、ガス入口ヘッダー部４に対して水入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接位置してあるため、水入口ヘッダー部に供給される熱媒体としての冷却水によって加温し、その熱伝導によってガス入口ヘッダー部４を間接的に加温することができ、これにより燃料ガス中に含まれている水蒸気の結露を防止することができる。
【００２５】
このように冷却水を熱媒体として結露を防止するには、冷却水入口温度を燃料ガス露点以上（燃料ガス露点≦冷却水入口温度）に設定する。又、酸化剤ガス（空気）との温度関係は、燃料ガス露点≦空気露点≦冷却水入口温度となるように設定することが好ましい。
【００２６】
本実施形態では、燃料ガスの結露防止用の熱媒体として冷却水を用いた例であるが、冷却水の替わりに酸化剤ガスを熱媒体として利用することもできる。その場合には、図示は省略したがプレート１における燃料ガスのガス入口ヘッダー部４に対して、酸化剤ガスのガス入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接配置する構造を採用し、他のプレートに冷却水を流通させるための水チャンネルを設ける構成とする。そして、酸化剤ガス（空気）により燃料ガスの結露を防止するためには、燃料ガス露点≦空気温度となるように空気入口温度を設定する。
【００２７】
図２は、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【００２８】
（第２実施形態）
図２において、１はカーボンを主体として形成されたプレートであり、その一方の面には凹溝状のガスチャンネル２が上下方向（重力方向）に複数本並設され、他方の面にも同じく凹溝状の水チャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設されて背中合わせの状態になっている。又、プレート１の上部側方にはガス供給用マニホールド孔３が貫通して設けられ、このガス供給用マニホールド孔３は凹部状のガス入口ヘッダー部４に連結し、更にガス入口ヘッダー部４は前記ガスチャンネル２に連通している。このガス入口ヘッダー部４は、一般にマニホールドと称されるが、通常のマニホールドより領域を広く設定してある。
【００２９】
上記ガスチャンネル２の出口は、プレート１の下部に設けられた凹部状のガス出口フッター部５に連通し、このガス出口フッター部５はプレート１の下部側方に貫通して設けられたガス排出用マニホールド孔６に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される反応ガス（燃料ガス）は、電池スタックの積層方向に連通しているガス供給用マニホールド孔３を通って各セルにおけるプレート１のガス入口ヘッダー部４に分配供給され、このガス入口ヘッダー部４からガスチャンネル２内に分配され、当該ガスチャンネル２に沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部５に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通しているガス排出用マニホールド孔６に流入し、このガス排出用マニホールド孔６を通って電池スタックの端部から外部に排出される。この場合、第１実施形態とは異なって内部空気マニホールド方式が採用されている。
【００３０】
又、プレート１の上部側方（ガス供給用マニホールド孔３とは反対側）には、水供給用マニホールド孔７が貫通して設けられており、この水供給用マニホールド孔７はプレート１の他方の面側に設けられた凹部状の水入口ヘッダー部に連結され、この水入口ヘッダー部７は前記水チャンネルの入口に連通している。この場合、ガス入口ヘッダー部４と水入口ヘッダー部とは、プレート１において背中合わせの状態で近接配置されている。
【００３１】
更に、プレート１他面側のチャンネルの出口には凹部状の水出口フッター部が設けられ、この水出口フッター部はプレート１の下部側方（ガス排出用マニホールド孔６とは反対側）に貫通して設けられた水排出用マニホールド孔８に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される水（冷却水）は、電池スタックの積層方向に連通している水供給用マニホールド孔７を通って各セルにおけるプレート１の水入口ヘッダー部に分配供給され、この水入口ヘッダー部から水チャンネル内に分配され、当該水チャンネルに沿って上から下に向かって流通し、水出口フッター部に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通している水排出用マニホールド孔８に流入し、この水排出用マニホールド孔８を通って電池スタックの端部から外部に排出される。
【００３２】
一方、他のプレートには、前記プレート１のガスチャンネル２に対応するガスチャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設されている。又、他のプレートの上部側方にはガス供給用マニホールド孔３′が貫通して設けられ、このガス供給用マニホールド孔３′は凹部状のガス入口ヘッダー部に連結し、更にガス入口ヘッダー部はガスチャンネルに連通している。
【００３３】
上記他のプレートのガスチャンネル出口は、下部に設けられた凹部状のガス出口フッター部に連通し、このガス出口フッター部はプレートの下端部に貫通して設けられたガス排出用マニホールド孔６′に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される酸化剤ガス（空気）は、電池スタックの積層方向に連通しているガス供給用マニホールド孔３′を通って各セルにおけるプレートのガス入口ヘッダー部に分配供給され、このガス入口ヘッダー部からガスチャンネル内に分配され、当該ガスチャンネルに沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通しているガス排出用マニホールド孔６′に流入し、このガス排出用マニホールド孔６′を通って電池スタックの端部から外部に排気される。
【００３４】
第１実施形態と同じく、プレート１のガスチャンネル２と他のプレートのガスチャンネルとの間にセルを挟みこんで電池スタック内に組み込まれるが、その際プレート１のガスチャンネル２にはセルのアノードを密着して対向させ、他のプレートのガスチャンネルにはセルのカソードを密着して対向させることにより単電池が構成される。そして、単電池を複数積層して一体化することで電池スタックが構成される。尚、ガス入口ヘッダー部４、ガス出口フッター部５及び水入口ヘッダー部、水出口フッター部はガスケット等を介して凹部の上面が被覆され、漏れが防止される。
【００３５】
このように構成された第２実施形態の電池スタックにおいて、プレート１のガスチャンネル２には燃料ガスが流通すると共に、他のプレートのガスチャンネルには酸化剤ガスが流通し、セルの高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じることで直流電力を発電することができる。
【００３６】
前記と同様にセルの高分子電解質膜を飽和湿潤させるために、例えば燃料ガスを加湿器等で加湿してから電池スタックに供給するが、この第２実施形態では、ガス入口ヘッダー部４に対して水入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接位置してあるため、水入口ヘッダー部に供給される冷却水によって加温し、その熱伝導によってガス入口ヘッダー部４を間接的に加温することができ、これにより燃料ガス中に含まれている水蒸気の結露を防止することができる。従って、凝縮水に起因する燃料ガスの流通阻害が解消され、正常に発電運転が行われることから電池性能を高く保持することができる。
【００３７】
このように冷却水により結露を防止するには、前記と同じく冷却水入口温度を燃料ガス露点以上（燃料ガス露点≦冷却水入口温度）に設定する。又、酸化剤ガス（空気）との温度関係は、燃料ガス露点≦空気露点≦冷却水入口温度となるように設定することが好ましい。
【００３８】
第２実施形態においても、燃料ガスの結露防止用の熱媒体として冷却水を用いた例であるが、冷却水の替わりに酸化剤ガスを熱媒体として利用することもできる。その場合には、図示は省略したがプレート１における燃料ガスのガス入口ヘッダー部４に対して、酸化剤ガスのガス入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接配置する構造を採用し、他のプレートに冷却水を流通させるための水チャンネルを設ける構成とする。そして、酸化剤ガス（空気）により燃料ガスの結露を防止するためには、燃料ガス露点≦空気温度となるように空気入口温度を設定する。
【００３９】
図３は、本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【００４０】
（第３実施形態）
図３において、プレート１の構成は上記第２実施形態の場合と基本的に類似しているので、第２実施形態と同じ構成要素は同じ符号を付けて詳しい説明は省略し、主として第２実施形態とは異なる構成要素について説明する。大きく異なる点は、プレート１におけるガスチャンネル２の入口領域に流路抵抗発生部９を取り付けたことにある。
【００４１】
この流路抵抗発生部９は、例えば図４に示すような構成のものである。図４（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図を示している。当該流路抵抗発生部９は、薄板状の基部９Ａと、この基部９Ａの一端側に所定の間隔をもって突出片９１がほぼ櫛歯状に並設された接続部９Ｂとを有し、基部９Ａの他端側から前記各突出片９１を貫通するノズル孔９２がそれぞれ設けられている。
【００４２】
上記流路抵抗発生部９は、合成樹脂例えばポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー等から選択されるいずれかの材料で一体成形することが可能である。材料となる樹脂は、成形時の流動性が良好で且つ仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、熱伝導性に優れていれば上記以外のものであっても良い。
【００４３】
この流路抵抗発生部９は、ガスチャンネル２の入口部分に設けた凹部（図略）に嵌まり込む大きさに設定され、且つ凹部に嵌め込んだ際に上面がプレート１の上面と同一平面となるように厚さが設定される。当該流路抵抗発生部９は上記凹部に接着して取り付けるが、その時前記突出片９１がガスチャンネル２の各流路内にそれぞれ挿入され、前記ノズル孔９２を介してガス入口ヘッダー部４とガスチャンネル２が確実に連結されるようにする。ノズル孔９２の直径は、入口側（ガス入口ヘッダー部４側）が約０．２５ｍｍ、出口側（チャンネル２側）が約０．２２ｍｍに設定され、ノズル孔９２を通過するガスを噴出できるようにやや先細り孔にしてある。
【００４４】
又、プレート１には水供給用マニホールド孔７の他に、第２の水供給用マニホールド孔１０を貫通させて設け、この第２の水供給用マニホールド孔１０から冷却水を供給し、且つプレート１の他面側の水チャンネルにおいて、前記流路抵抗発生部９より若干下流に対応する領域に冷却水を導入するようにしてある点で相違している。
【００４５】
更に、プレート１の上部側方（水供給用マニホールド孔７とは反対側）に第２の水排出用マニホールド孔１１を貫通して設けると共に、前記水入口ヘッダー部に連結してある。そして、水入口ヘッダー部は、前記冷却水が流通する水チャンネル入口との境界に仕切壁（図略）を設けて仕切ってある点でも相違している。
【００４６】
この第３実施形態では、冷却水は第２の水供給用マニホールド孔１０からプレート１の水チャンネルに供給され、その水チャンネル内を上から下に向かって流通し、水チャンネルの出口から水排出用マニホールド孔８に排出され、更に、この水排出用マニホールド孔８から水供給マニホールド孔７に送り込み、前記水入口ヘッダー部に供給すると共に、この水入口ヘッダー部から第２の水排出用マニホールド孔１１に排出され、電池スタックの積層方向に流れて電池スタックの端部から外部に排出される。
【００４７】
上記の冷却水循環経路において、冷却水を水排出用マニホールド孔８から水供給マニホールド孔７に送り込む手段としては、例えばプレート１他面側の側方に水排出用マニホールド孔８と水供給マニホールド孔７とを連結する凹溝状の流路（図略）を設けるか、或は電池スタックの端板（エンドプレート）に管状の連結流路を設けるか又は電池モジュール外に配管を設けることにより水排出用マニホールド孔８と水供給マニホールド孔７とを連結するようにすれば良い。即ち、この場合、冷却水はプレート１の水チャンネルを流通した後に、プレート１の水供給ヘッダー部に戻されることになる。
【００４８】
第２の水供給用マニホールド孔１０から冷却水を供給する理由は、冷却水が流通する水チャンネルの入口領域を冷やし、この水チャンネルと背中合わせに位置している前記ガスチャンネル２の入口領域を冷やすことで、燃料ガスがガスチャンネル２の入口領域に流入した際に露点を下げて燃料ガス中に含まれている水蒸気を強制的に結露させ、これによりガスチャンネル２と接合しているセルの高分子電解質膜に水分を付与して飽和湿潤状態に保持するためである。
【００４９】
又、プレート１の水チャンネルを流通した後の冷却水を再び水供給ヘッダー部に戻す理由は、図３において破線で囲んだ領域を加温するためであり、この領域のほぼ背中合わせの位置には前記流路抵抗発生部９が取り付けられており、この流路抵抗発生部９に熱伝導して加温し、ノズル孔９２内での結露を防止するためである。
【００５０】
前記ガスチャンネル２の入口領域で、燃料ガス中の水蒸気を結露し易い状態にして固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐようにしたが、ガスチャンネル２内に過剰の凝縮水が生じたとしても上記流路抵抗発生部９のノズル孔９２から燃料ガスが噴出されるため、ガスチャンネル２に付着している凝縮水を吹き飛ばし、下流出口に押し流すことができる。従って、ガスチャンネル２内が凝縮水により閉塞されて燃料ガスの流通を阻害することはなくなり、電池性能の低下を未然に防止することができる。
【００５１】
このように流路抵抗発生部９を取り付け、且つ冷却水を戻すようにした第３実施形態では、燃料ガス露点≧第２の水供給用マニホールド孔１０からの冷却水入口温度とし、且つ燃料ガス露点≦水排出用マニホールド孔８の冷却水出口温度に設定することが望ましい。
【００５２】
尚、上記実施形態では、燃料電池の発電反応部での反応ガスの流れと冷却水の流れが平行且つ重力方向に沿って並行流であったが、これを対向流で実施することも可能である。反応ガスの露点に対して、冷却水の入口温度と出口温度を設定することにより達成できる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、反応ガスチャンネル又は熱媒体チャンネルを設けたプレートが電池スタック内に複数積層されている燃料電池において、前記少なくとも一方の反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部と、前記熱媒体チャンネルの入口ヘッダー部とが対向位置に設けられ、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部を反応ガス露点以上に加温するので、反応ガス中に含まれている水蒸気がガスチャンネルの入口領域で凝縮して結露することがなくなる。これにより、ガスチャンネルを閉塞して反応ガスの流通を阻害することがなく、正常な発電運転がなされて電池性能を高めることができる。
【００５４】
本発明に係る請求項２の発明によれば、請求項１の燃料電池において、前記反応ガスは燃料ガス及び／又は酸化剤ガスであり、前記熱媒体は冷却水であることを特徴とし、冷却水によって反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部を反応ガス露点以上に加温し、反応ガスの結露を防止することができる。
【００５５】
本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項２の燃料電池において、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、反応ガス露点≦冷却水温度とするので、冷却水によって反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部を反応ガス露点以上に加温し、反応ガスの結露を防止することができる。
【００５６】
本発明に係る請求項４の発明によれば、燃料電池において、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部より下方領域に対応させて冷却水を供給することで反応ガスを強制的に結露させ、発電後に出た冷却水を前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に対応させて再度プレートに供給して加温した後に排水するので、セルを湿潤状態に保つことができる。
【００５７】
本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項４の燃料電池において、前記反応ガスチャンの入口ヘッダー部より下方領域で、反応ガス露点≧冷却水温度であり、発電後の冷却水を再度プレートに供給する反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、反応ガス露点≦冷却水温度であるので、反応ガスの入口ヘッダー部より下方領域で反応ガスを強制的に結露させてセルを湿潤状態に保つと共に、反応ガスの入口ヘッダー部で反応ガスを加温することにより水詰まりを防止することができる。
【００５８】
本発明に係る請求項６の発明によれば、請求項１ないし請求項５いずれか１項の燃料電池において、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に流路抵抗発生部を設けたので、反応ガスの流れを調整して各流路に対する反応ガスの分配を均一にすると共に、下方領域において強制的に結露させた凝縮水を流路の出口に向かって押し流すことができる。
【００５９】
本発明に係る請求項７の発明によれば、請求項１ないし請求項６いずれか１項の燃料電池において、前記反応ガスチャンネルの入口ヘッダー部に加えて流路抵抗発生部も加温するので、流路抵抗発生部における水詰まりを防止することができる。
【００６０】
本発明に係る請求項８の発明によれば、燃料電池において、燃料電池の発電反応部での反応ガスの流れと冷却水の流れが、平行且つ重力方向に沿って並行流又は対向流であることを特徴とし、これにより燃料電池のスタック構成の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【図４】本発明に係る燃料電池に取り付ける流路抵抗発生部の一実施形態を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図である。
【図５】従来の燃料電池におけるプレートの構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
１…プレート
２…ガスチャンネル
３…ガス供給用マニホールド孔
４…ガス入口ヘッダー部
６…ガス排出用マニホールド孔
７…水供給用マニホールド孔
８…水排出用マニホールド孔
９…流路抵抗発生部
１０…第２の水供給用マニホールド孔
１１…第２の水排出用マニホールド孔
【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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