JP4634358B2 - 強化された膜電極組立体 - Google Patents

Description

本発明は、通例、燃料電池と呼ばれ、第１および第２の反応物の処理によって、例えば水素および酸素の酸化および還元によって電気エネルギーを生成する、電気化学変換セルに関する。

限定でなく例示として、一般的なセルは１対のガス拡散媒体層の間に配置された膜電極組立体を含む。カソード流れ場プレートおよびアノード流れ場プレートは、セルユニットの両側に、ガス拡散媒体層に隣接して配置される。単一セルユニットによって供給される電圧は、実用的な用途には一般的に小さすぎる。したがって、複数のセルが、一般に連続して「スタック」に配置され、接続されて、電気化学変換組立体すなわち燃料電池の電気出力を増加させる。

本発明は、電気化学変換セルにおける、膜電極組立体およびそれの構成要素に起因する性能問題に対処することを対象とする。より具体的には、本発明は、電気化学変換セルの膜電極組立体（ＭＥＡ）に１つまたは複数の外部強化層を付加することを対象とする。外部強化層を付加すると、反応物ガスクロスオーバー漏れは、セルの熱および水サイクル中に誘起される機械的応力に関連する亀裂推進力および亀裂開口面積を低減することによって減少する。

より具体的には、本発明者らは、燃料電池の耐久性が、一般に、３つの要因、（１）全体的なＭＥＡ性能劣化、（２）シールの耐用寿命、および（３）高分子電解質膜（ＰＥＭ）の機械的完全性によって制限されることを認識した。最後の要因は、隔膜が、アノードからカソードへの、または逆への反応物ガスのクロスオーバーを防止するための障壁の役割をするので重要である。極端な場合には、ＰＥＭセルが耐用寿命の終わりに達した場合しばしば観察されるように、ピンホールの形成が隔膜中の局部加熱および完全性低下をまねく。

本発明者らは、この種の隔膜障害が脱水からの局部応力によって引き起こされるかまたは増大することがあることを認識した。さらに、ピンホールの大きさおよび数は、ガスクロスオーバー比率とかなり関係があるであろう。一般的に、ガスクロスオーバー比率は最初のうち低いが、燃料電池の耐用寿命にわたってゆっくりと増加する。燃料電池がその耐用寿命の最終段階に近づくと、クロスオーバー比率は劇的に増加する。クロスオーバー比率はピンホール形成と密接に関係し、さらにピンホール形成は機械的障害と密接に関係するので、クロスオーバー比率および隔膜耐久性は隔膜中の亀裂の開始および拡大と関係することになる。

本発明者らは、セルが低いクロスオーバー比率増加によって特徴づけられる燃料電池寿命の第１の段階に、亀裂は、拡散媒体の炭素繊維によりＭＥＡを通り抜ける穴が開くこと、化学分解、隔膜製造工程からの材料欠陥、局部応力集中、およびクリープ破断などの多くの機構から形成されることを認識した。この段階では、亀裂は通常短く、ほとんど開口せず、クロスオーバー比率は低くなる。隔膜がかなりの数の熱および水和サイクルを経験したとき、材料中に蓄積された疲労損傷が亀裂拡大の段階になる。亀裂が拡大し始めるにつれて、亀裂長が増加し、張力により亀裂表面が引き離されてより多くのガスが隔膜をクロスオーバーする。破壊力学理論によれば、亀裂長の増加はより大きな亀裂推進力につながり、亀裂の成長がより速くなる。より速い亀裂成長は、ガスクロスオーバー比率の加速的増加を伴い、隔膜障害が促進される。

本発明の１つの目的は、亀裂成長の上述の加速的性質に対処することによって亀裂推進力および亀裂開口面積を低減することである。破壊力学分析の概念によれば、本発明者らは、亀裂成長速度を燃料電池寿命の第１の段階に観察された大きさ内に制限することができ、したがって、亀裂成長の第２の段階を防ぐことができる場合、燃料電池寿命が著しく増加することを認識した。さらに、本発明者らは、亀裂開口面積をさらに減少できる場合、ガスクロスオーバー漏れを低減でき、したがって、燃料電池寿命を延ばすことができることも認識した。具体的には、所与の長さの亀裂を含み、一般的な二軸張力を受けている非強化ＭＥＡの場合、亀裂は、Ｇ＝πａσ^２／Ｅ_ｍの亀裂推進力およびＡ＝２πａ^２σ／Ｅ_ｍの亀裂開口面積または開けられたピンホールの大きさによって特徴づけられ、ここでａは亀裂長の半分であり、σはＭＥＡの二軸張力であり、Ｅ_ｍはＭＥＡの合成弾性係数であり、単層または多層材料の弾性係数はＡＳＴＭ Ｄ８８２などの標準試験を使用して測定することができる。

ガスクロスオーバー比率は、亀裂開口面積Ａに比例すると仮定することが妥当であることに留意されたい。さらに、亀裂推進力Ｇが亀裂長に比例し、一方、亀裂開口面積が亀裂長の二乗に比例することに留意されたい。亀裂が拡大するとともに一般にＭＥＡ張力は一定のままになり、亀裂速度は亀裂推進力に比例するので、亀裂がある大きさに達すると、クロスオーバー比率が著しく加速することが予想される。

本発明の一態様によれば、ＭＥＡを備えた外部強化層は、ＭＥＡに対して十分な接着力を有することになり、ＭＥＡと強化層との間の層間剥離がない。本発明の別の態様によれば、強化層は、厚さがＭＥＡの少なくとも５０％であり、弾性係数がＭＥＡの少なくとも１０％であるように選択される。

一般に、本発明による外部強化層を使用する膜電極組立体は、亀裂長ａに依存しない亀裂推進力Ｇによって特徴づけられ、Ｇ＝Ｚｈσ^２／Ｅ_ｍであり、ここで、ｈはＭＥＡの厚さであり、ＺはＭＥＡおよび外部強化層の相対的弾性係数を表わす定数である。例えば、ＭＥＡの合成弾性係数が強化層の係数の１０倍未満である場合、Ｚは約０．５〜約５に及ぶ。さらに、亀裂開口面積ＡはＡ＝２ｈａσ／Ｅ_ｍで与えられる。したがって、本発明により強化された隔膜では、亀裂推進力Ｇは亀裂長に依存せず、一方、亀裂開口面積は亀裂長ａに単に比例する。本発明において亀裂推進力の亀裂長への依存性を除くことによって、亀裂拡大速度が低減すると予想できる。さらに、亀裂開口面積、したがってクロスオーバー漏れの亀裂長への依存性をより弱くすることによって、亀裂が拡大するときでさえ、本発明を使用して、ガスクロスオーバー漏れ比率が著しく低減すると予想できる。従来技術に対する本発明の１つの利点は、本発明と従来技術との間の亀裂推進力の比および亀裂開口面積の比（本発明の量を従来技術の量で除算する）によってさらに調べることができ、亀裂推進力比＝Ｚｈ／（πａ）、亀裂開口面積比＝ｈ／（πａ）で与えられ、これらの等式において、両方の比は亀裂長２ａが増加するにつれて減少することが明確に示され、本発明を使用することで利益が増加することを示している。ＭＥＡの両側に強化層をもつＭＥＡの亀裂推進力比および亀裂開口面積比が図６に示され、ここでＥ_ｒおよびｈ_ｒはそれぞれ強化層の弾性係数および厚さである。全ての場合について、亀裂が拡大するとともに、亀裂推進力比および亀裂開口面積比の両方が低下し、その値は、最終的にＭＥＡ厚の３倍を超える亀裂長で１未満に低下することがこのグラフで明確に分かる。この例は、本発明が、ＭＥＡの係数の１０％より大きな弾性係数およびＭＥＡの厚さの５０％より大きい厚さをもつ強化層の場合、亀裂拡大速度だけでなくガスクロスオーバー漏れ比率も低下させることができることを立証している。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの電気化学変換セルを含むデバイスが提供される。セルは第１および第２の反応物を電気エネルギーに変換するように構成され、膜電極組立体および少なくとも１つの隔膜強化層を含む。膜電極組立体は、膜電極組立体の構造完全性を所与の動作劣化閾値以上に維持するのに不十分である破壊靱性を画定し、ここで破壊靱性はＡＳＴＭ Ｄ１９３８、または他の従来のもしくはこれから開発される引裂き試験によって評価される。隔膜強化層は弾性係数と厚さを画定し、膜電極組立体の少なくとも１つの側面に接合される。強化層の弾性係数および厚さ、ならびに強化層と膜電極組立体との間の接合は、膜電極組立体の構造完全性を動作劣化閾値以上に高めるのに十分である。

本発明の別の実施形態によれば、第１および第２の反応物を電気エネルギーに変換するように構成された少なくとも１つの電気化学変換セルを含むデバイスを提供する。第１の反応物は水素を含むガスを含み、第２の反応物は酸素を含む。隔膜強化層は、第１の反応物と通じる膜電極組立体の側面に沿って接合され、第２の反応物と通じる膜電極組立体の側面には存在しない。

本発明の別の実施形態によれば、膜電極組立体は、第１の反応物と第２の反応物との間の仕切りを画定し、第１の反応物と通じるアノード側および第２の反応物と通じるカソード側を含む。隔膜強化層は、膜電極組立体のアノード側に接合され、膜電極組立体のカソード側には存在しない。

したがって、本発明の目的は、電気化学変換セルで使用される、膜電極組立体およびそれの構成要素に起因する性能問題に対処することである。本発明の他の目的は、本明細書に具体化された本発明の説明に照らして明白になるであろう。

本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面とともに読まれたとき最もよく理解され、同様の構造は同様の参照番号で示される。

図１の分解組立図を参照すると、電気化学変換セルの一般的な構成および動作は本発明の範囲を越えており、電気化学変換セルを扱う適切な資料から収集することができることに留意し、電気化学変換セル１０のいくつかの一般的な構成要素が示される。詳細には、限定せずに、本発明による電気化学変換セル１０は、第１および第２の反応物Ｒ_１、Ｒ_２を電気エネルギーに変換するように構成される。図示されたセル１０は、膜電極組立体２０、ならびに膜電極組立体２０の両側に配置された第１および第２の流れ場部分３０、４０を含む。

図２を参照すると、本発明は特定の種類の膜電極組立体に限定されないが、例示の目的のために、一般的な膜電極組立体２０は、プロトン伝導性高分子電解質膜２４の第１の表面上に形成された触媒アノード２２および高分子電解質膜２４の第２の表面上に形成された触媒カソード２６を含むことに留意されたい。アノード２２は、第１の反応物供給源Ｒ_１（図２〜図４にＨ_２として示される）と通じ、一方、カソード２６は、第２の反応物供給源Ｒ_２（図２〜図４にＯ_２として示される）と通じる。高分子電解質膜は、プロトンを効率的に伝導し、低い燃料クロスオーバー特性をもつので、電気化学変換セルで広く使用され、反応物供給源間の適切な仕切りを画定する。高分子電解質膜は、さらに燃料電池スタックに組み立てるのに十分に強靭であり、比較的長い寿命を有する。最も一般的なタイプの高分子電解質膜の１つは、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）、ＤｕＰｏｎｔから市販のペルフルオロスルホン酸塩アイオノマー隔膜材料であり、電気化学変換セルで広く使用され、第１の反応物Ｒ_１は水素を含む燃料源を、第２の反応物Ｒ_２は酸素または空気を含む。

図示された実施形態では、流れ場部分３０、４０はガス拡散媒体層３２、４２およびそれぞれの流れ場プレート３４、４４を有する。流れ場部分３０、４０およびガス拡散媒体層３２、４２は、関連するセルへの反応物の送出を強化する。本発明の実施者には理解されるように、本発明の概念は、図１に示された性質の流れ場部分を含むセル構造に限定されない。

図１および図２に示されるように、電気化学変換セル１０は膜電極組立体２０および１つまたは複数の隔膜強化層５０を有する。動作中、一般に触媒アノード２２、高分子電解質膜２４、および触媒カソード２６を含み、さまざまな形態のうちのどれでもとることができる膜電極組立体２０は、ある程度の動作応力を受ける。動作応力は、例えば、始動、停止、およびその間の動作期間中の隔膜２４の伸縮を含むさまざまな原因によることがある。この動作応力は、膜電極組立体２０の劣化に重要な役割を果たし、したがって、特定の膜電極組立体２０の所与の動作劣化閾値を確定する重要な要因であると考えられる。本発明を定義し、説明するために、特定の膜電極組立体２０の動作劣化閾値はあるポイントを表し、このポイント以上では組立体２０が十分なレベルまたは基準通りに機能しないことに留意されたい。本発明の実施者には理解されるように、この閾値の特定の値または大きさは、膜電極組立体が使用される特定のシステムの要求に応じて広範囲に変わるであろう。そのため、閾値は、本明細書で具体的な値を特に参照しては説明されない。

いずれにしても、動作応力は、膜電極組立体２０の主平面の面に沿った向きの動作応力の長手方向成分によって定義することができる。本発明を例示する目的のために、膜電極組立体２０は、所与の動作応力の長手方向成分の下で組立体２０の構造完全性を所与の動作劣化閾値以上に維持するのに不十分である破壊靱性を画定すると言うことができる。弾性係数および厚さを画定し、動作応力の長手方向成分と平行な面に沿って膜電極組立体２０の少なくとも１つの側面に接合される隔膜強化層５０は、組立体２０の所与の劣化閾値以上に膜電極組立体２０の構造完全性を高めることを対象にしている。

詳細には、隔膜強化層５０は、弾性係数および厚さを画定し、劣化閾値以上に膜電極組立体の構造完全性を高めるのに十分な強度をもつ膜電極組立体２０に接合される。本発明のいくつかの実施形態において、隔膜強化層５０が膜電極組立体２０の構造完全性を高める度合いにさまざまな要因が影響するが、強化層の弾性係数Ｅ_ｒが膜電極組立体の弾性係数Ｅ_ｍの少なくとも１０％であり、一方、強化層の厚さｈ_ｒが膜電極組立体の厚さｈの少なくとも５０％であるようにすれば十分であろう。他の実施形態では、強化層の弾性係数Ｅ_ｒが膜電極組立体の弾性係数Ｅ_ｍと少なくとも同じくらいの大きさであり、一方、強化層の厚さｈ_ｒが膜電極組立体の厚さｈと少なくとも同じくらいの大きさであるようにするのは有利であろう。

さらなる実施形態では、隔膜強化層５０と膜電極組立体２０との間の接合は、動作中に膜電極組立体２０中に誘起される動作歪が強化層５０中の対応する歪と実質的に同等になるのを確実にするように十分な強度にすることが配慮されるべきである。この方法では、膜電極組立体から強化層５０の層間剥離が起こることがある。隔膜強化層５０と膜電極組立体２０との間の接合は、接着層６０によって、あるいは隔膜強化層が膜電極組立体２０に隣接されるかまたは膜電極組立体２０上に形成される方法によって容易に行うことができると考えられる。例えば、強化層５０は電極組立体２０上に形成された微孔質層を含むことができる。同様に、接着層６０は微孔質層を含むことができる。

多くのタイプの電気化学変換セルの機能性を保つために、隔膜強化層５０が、水蒸気に対して適度な空孔率をもつ導電性材料を含むようにすることがしばしば必要である。例えば、適切な材料には、限定はしないが、電気化学変換セル中のガス拡散媒体の伝導層を形成するのに通例使用される材料が含まれると考えられる。燃料電池スタック内でガスおよび水を移送するように特に設計されたガス拡散媒体には、Ｗ．Ｌ Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓから市販のＣＡＲＢＥＬおよびＥＬＡＴなどの不織紙および不織フェルトが通常含まれる。隔膜強化層５０に適する他の材料には、限定はしないが、微孔質層または炭素／フッ素重合体分散物が含まれ、それらの例のどちらもガス拡散媒体上に被覆することができる。

さまざまな適切な組成を本発明の接着層６０に使用できると考えられる。しかし、本発明の多くの実施形態では、接着層６０はかなり多孔性で、導電性であるべきことに留意されたい。例えば、適切な接着剤は、炭素充填材とエポキシおよびフッ素重合体などの高分子バインダーとの伝導性混合物、ＥＶＡなどの熱可塑性プラスチック、および他の共重合体から選択することができる。接着は、ホットプレスによる事前接合、燃料電池アセンブリ中の接合、燃料電池使用中の接合、Ｃａｒｂｅｌまたは微孔質層（ＭＰＬ）と電極との間のブロッキング（弱い水素結合）によって形成することができる。接合強度は、接着試験中に、凝集破壊がＭＥＡまたは強化層内で生じるような状態のものである。強化層とＭＥＡとの間の接合強度は、ＡＳＴＭ Ｄ６８６２またはＤ１８７６などの従来のまたはこれから開発される剥離試験によって評価することができる。

膜電極組立体２０が第１の反応物Ｈ_２と第２の反応物Ｏ_２との間の仕切りを画定し、第１の反応物Ｈ_２と通じるアノード側および第２の反応物Ｏ_２と通じるカソード側を含む、図２に示された本発明の実施形態では、隔膜強化層５０は膜電極組立体２０のアノード側に接合され、膜電極組立体２０のカソード側には存在しない。このようにして、膜電極組立体２０の強化は、強化層５０の存在により、アノード側よりも性能劣化を受けやすい膜電極組立体２０のカソード側において触媒プロセスの実質的な劣化なしに達成することができる。あるいは、図３に示されるように、それぞれの隔膜強化層５０を、膜電極組立体２０の両側に接合することができる。さらに、ある反応物または特定の膜電極組立体材料との関連で、隔膜強化層を組立体２０のカソード側だけに接合することが好ましいこともあると考えられる。

次に図４を参照すると、第１の反応物Ｈ_２と第２の反応物Ｏ_２との間に置かれたガス拡散媒体３２、４２のそれぞれの層および膜電極組立体２０は、上述の方法のように、ガス拡散媒体３２、４２のそれぞれの層と膜電極組立体２０との間の接合が膜電極組立体２０の構造完全性を高めるのに十分である場合、それぞれの隔膜強化層として機能することができる。上記のように、この接合は、接着層６０を設けることによって、あるいは拡散媒体層３２、４２が膜電極組立体２０に隣接されるかまたは膜電極組立体２０上に形成される方法によって容易に行うことができる。

図５を参照すると、本発明によるデバイスは、車両１００および本発明による電気化学変換組立体１１０を含むことができる。電気化学変換組立体１１０は、車両１００に原動力を少なくとも部分的に供給するように構成することができる。車両１００は、電気化学変換組立体１１０に燃料を供給するように構成された燃料処理システムまたは燃料源１２０を有することもできる。

本発明は特定の反応物組成に限定されないが、本発明の実施者および燃料電池技術の精通者には、第１の反応物供給源Ｒ_１は一般に酸素および窒素を含み、一方、第２の反応物供給源Ｒ_２は水素またはメタンのような水素を含むガスを含むことが理解されよう。

「好ましくは」、「通例」、および「一般的に」のような用語は、本明細書では、特許請求の範囲に記載の発明の範囲を限定するように、またはある特徴が特許請求の範囲に記載の発明の構造または機能に不可欠なこと、必須なこと、または重要なことさえ意味するように使用されていないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施形態に利用されるかもしれないし、または利用されないかもしれない代替のまたは追加の特徴を強調することが単に意図される。

本発明を説明し、定義する目的のために、「デバイス」という用語は。本明細書では、構成要素が他の構成要素と結合されているかどうかにかかわらず、構成要素の組合せおよび個別の構成要素を表わすために使用されることに留意されたい。さらに、「実質的に」という用語は、本明細書では、任意の定量的な比較、値、計量、または他の表示に起因する不確定性の固有の程度を表わすため使用されることに留意されたい。「実質的に」という用語は、本明細書では、定量的表現は、問題にしている対象物の基本機能に変化を与えることなく、定まった基準から変動することができる程度を表わすのにも使用される。

本発明を、詳細におよびそれの特定の実施形態を参照して、説明したことにより、修正および変更が添付の特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなしに可能であり、「ｗｈｅｒｅｉｎ」という請求項の用語が非限定的な意味で使用されていることは明らかであろう。より詳細には、本発明のいくつかの態様は、本明細書で、好ましいまたは特に有利であるとして識別されているが、本発明は、必ずしも本発明の好ましい態様に限定されないと考えられる。

本発明の一実施形態による電気化学変換セルの分解組立図である。 本発明の特定の実施形態による膜電極組立体の図である。 本発明の特定の実施形態による膜電極組立体の図である。 本発明の特定の実施形態による膜電極組立体の図である。 本発明による電気化学変換セルを組込む車両の図である。 組立体の両側に強化層をもつ膜電極組立体の亀裂推進力比および亀裂開口比を示すグラフである。

符号の説明

１０ 電気化学変換セル
２０ 膜電極組立体
２２ 触媒アノード
２４ 高分子電解質膜
２６ 触媒カソード
３０ 流れ場部分
３２ ガス拡散媒体層
３４ 流れ場プレート
４０ 流れ場部分
４２ ガス拡散媒体層
４４ 流れ場プレート
５０ 隔膜強化層
６０ 接着層
１００ 車両
１１０ 電気化学変換組立体
１２０ 燃料源

Claims (19)

1. 第１および第２の反応物を電気エネルギーに変換するように構成された少なくとも１つの電気化学変換セルを含むデバイスであって、前記電気化学変換セルが膜電極組立体および少なくとも１つの隔膜強化層を含み、
   前記膜電極組立体が前記電気化学変換セルの動作中に動作応力を受け、前記動作応力が前記膜電極組立体の主平面の面に沿った向きの長手方向成分を有し、
   前記膜電極組立体は破壊靱性を有し、この破壊靱性は、前記動作応力の前記長手方向成分の下で、所与の動作劣化閾値以上に前記膜電極組立体の構造の完全性を維持できないものであり、
   前記隔膜強化層が、弾性係数Ｅ_ｒおよび厚さｈ_ｒを画定し、前記動作応力の前記長手方向成分に平行な面に沿って前記膜電極組立体の少なくとも１つの側面に接合され、
   前記強化層の前記弾性係数Ｅ_ｒおよび前記厚さｈ_ｒならびに前記強化層と前記膜電極組立体との間の接合が、前記膜電極組立体の前記構造完全性を前記動作劣化閾値以上に高められており、前記膜電極組立体が亀裂長に依存しない亀裂推進力により特徴付けられるデバイス。
2. 前記亀裂長に依存しない亀裂推進力は
   Ｇ＝Ｚｈσ^２／Ｅ_ｍ
   によって表され、ここで、Ｇは亀裂推進力であり、Ｚは前記膜電極組立体および前記外部強化層の相対的弾性係数を表わす定数であり、ｈは膜電極組立体の厚さであり、σは膜電極組立体の二軸張力であり、Ｅ_ｍは膜電極組立体の弾性係数である、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記隔膜強化層が前記膜電極組立体の弾性係数Ｅ_ｍと少なくとも同じくらいの大きさである弾性係数Ｅ_ｒを画定し、一方、前記強化層の前記厚さｈ_ｒが前記膜電極組立体の前記厚さｈと少なくとも同じくらいの大きさであるように前記隔膜強化層が選択される、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記隔膜強化層は、前記膜電極組立体が、亀裂長に依存しない亀裂推進力および亀裂長ａの二乗でなく亀裂長ａに単に比例する亀裂開口面積によって特徴づけられるように選択される、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記強化層の前記弾性係数Ｅ_ｒが前記膜電極組立体の前記弾性係数Ｅ_ｍの少なくとも１０％である、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記強化層の前記厚さｈ_ｒが前記膜電極組立体の前記厚さｈの少なくとも５０％である、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記隔膜強化層の弾性係数Ｅ_ｒが前記膜電極組立体の前記弾性係数Ｅ_ｍと少なくとも同じくらいの大きさである、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記強化層の前記厚さｈ_ｒが前記膜電極組立体の前記厚さｈと少なくとも同じくらいの大きさである、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記第１の反応物が水素を含むガスを含み、
   前記第２の反応物が酸素を含み、
   前記膜電極組立体が前記第１の反応物と前記第２の反応物との間の仕切りを画定し、
   前記隔膜強化層が、前記第１の反応物と通じる前記膜電極組立体の側面に接合され、前記第２の反応物と通じる前記膜電極組立体の側面には存在しない、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記膜電極組立体が前記第１の反応物と前記第２の反応物との間の仕切りを画定し、
    前記隔膜強化層が前記膜電極組立体の両側に接合される、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記膜電極組立体が前記第１の反応物と前記第２の反応物との間の仕切りを画定し、
    前記隔膜強化層が前記膜電極組立体の１つの側面だけに接合される、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記隔膜強化層が導電性材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
13. 電気化学変換セルが、前記第１の反応物の供給源と前記第２の反応物の供給源との間に置かれたガス拡散媒体のそれぞれの層および前記膜電極組立体を含み、
    前記隔膜強化層が前記ガス拡散媒体のそれぞれの層のうちの１つを含む、請求項１に記載のデバイス。
14. 前記隔膜強化層と前記膜電極組立体との間の前記接合が、前記膜電極組立体中に誘起される前記歪が前記強化層中の歪と実質的に同等になることを確実にするのに十分な強度である、請求項１に記載のデバイス。
15. 前記隔膜強化層と前記膜電極組立体との間の前記接合が接着層によって容易に行われる、請求項１に記載のデバイス。
16. 前記膜電極組立体が、プロトンを伝導するように構成された高分子電解質膜の両側に形成された第１および第２の触媒電極を含み、
    前記第１の触媒電極が第１の反応物供給源と通じ、
    前記第２の触媒電極が第２の反応物供給源と通じる、請求項１に記載のデバイス。
17. 前記電気化学変換組立体が、前記膜電極組立体の両側に配置された第１および第２の流れ場部分をさらに含み、前記第１の流れ場部分が第１の反応物供給源と通じ、前記第２の流れ場部分が前記第２の反応物供給源と通じる、請求項１に記載のデバイス。
18. 前記デバイスが車両をさらに含み、前記電気化学変換セルが前記車両用の原動力の供給源として働く、請求項１に記載のデバイス。
19. 第１および第２の反応物を電気エネルギーに変換するように構成された少なくとも１つの電気化学変換セルを含むデバイスであって、前記電気化学変換セルが膜電極組立体および少なくとも１つの隔膜強化層を含み、
    前記膜電極組立体が、プロトンを伝導するように構成された高分子電解質膜の両側に形成された第１および第２の触媒電極を含み、
    前記第１の触媒電極が、前記膜電極組立体のアノード側を画定し、水素を含むガスを含む第１の反応物供給源と通じ、
    前記第２の触媒電極が、前記膜電極組立体のカソード側を画定し、酸素を含む第２の反応物供給源と通じ、
    膜電極組立体が厚さｈ、弾性係数Ｅ_ｍ、および前記破壊靱性を画定し、
    前記隔膜強化層が厚さｈ_ｒおよび引張り係数Ｅ_ｒを画定し、
    前記強化層の前記厚さｈ_ｒが前記膜電極組立体の前記厚さｈよりも大きく、
    前記強化層の引張り係数Ｅ_ｒが前記膜電極組立体の引張り係数Ｅ_ｍよりも大きく、
    前記膜電極組立体が、前記電気化学変換セルの動作中にある程度の動作応力および動作歪を受け、前記動作応力が前記膜電極組立体の主平面の面に沿った向きの長手方向成分を有し、
    前記膜電極組立体の前記破壊靱性が、前記動作応力の前記長手方向成分の下で前記膜電極組立体の構造完全性を所与の動作劣化閾値以上に維持するのに不十分であり、
    前記隔膜強化層が、導電性多孔質材料を含み、前記動作応力の前記長手方向成分に平行な面に沿って接着層を介して前記膜電極組立体の前記アノード側に接合され、前記膜電極組立体の前記カソード側には存在せず、
    前記強化層の前記弾性係数Ｅ_ｒおよび前記厚さｈ_ｒならびに前記強化層と前記膜電極組立体との間の前記接合が、前記膜電極組立体の前記構造完全性を前記動作劣化閾値以上に高めるのに十分であり、
    前記隔膜強化層と前記膜電極組立体との間の前記接合が、前記膜電極組立体中に与えられる前記動作歪が前記強化層に与えられる歪と実質的に同等になることを確実にするのに、十分な強度であり、
    前記隔膜強化層は、前記膜電極組立体が以下の通り亀裂長ａに依存しない亀裂推進力Ｇ
    Ｇ＝Ｚｈσ^２／Ｅ
    によって特徴づけられるように選択され、ここで、Ｚは電気化学変換セルの膜電極組立体（ＭＥＡ）および前記外部強化層の相対的弾性係数を表わす定数であり、ｈは前記電気化学変換セルの膜電極組立体（ＭＥＡ）の厚さであり、σは電気化学変換セルの膜電極組立体（ＭＥＡ）の二軸張力であり、Ｅは電気化学変換セルの膜電極組立体（ＭＥＡ）の弾性係数であり、
    前記隔膜強化層は、前記膜電極組立体が
    Ａ＝２ｈａσ／Ｅ
    により与えられる亀裂開口面積Ａによって特徴づけられるように選択され、ここで、ｈは前記電気化学変換セルの膜電極組立体（ＭＥＡ）の厚さであり、ａは前記亀裂長の１／２であり、σは前記隔膜の二軸張力であり、Ｅは隔膜の引張り係数であるデバイス。

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