ガス状アノード反応物質がアノード圧力で供給されるアノードと、ガス状カソード反応物質がカソード圧力で供給されるカソードとを有する膜電極アセンブリを備える、燃料電池を動作させる方法であって、前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも10kPa小さい、方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも20kPa小さい、請求項1に記載の方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも40kPa小さい、請求項1に記載の方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも50kPa小さい、請求項1に記載の方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも80kPa小さい、請求項1に記載の方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも100kPa小さい、請求項1に記載の方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも120kPa小さい、請求項1に記載の方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも150kPa小さい、請求項1に記載の方法。前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも200kPa小さい、請求項1に記載の方法。アノード圧力とカソード圧力との間の差が、少なくとも10分間の連続使用の間維持される、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。前記アノード圧力が、90kPa以下である最大圧力より低い、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。前記最大圧力が、80kPa以下である、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。前記最大圧力が、60kPa以下である、請求項1~12のいずれか一項に記載の方法。前記最大圧力が、50kPa以下である、請求項1~13のいずれか一項に記載の方法。前記最大圧力が、25kPa以下である、請求項1~14のいずれか一項に記載の方法。前記アノード圧力が、少なくとも10kPaである、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。前記アノード圧力が、少なくとも15kPaである、請求項1~16のいずれか一項に記載の方法。前記アノード圧力が、少なくとも20kPaである、請求項1~17のいずれか一項に記載の方法。前記アノード圧力が、少なくとも10分間の連続使用の間、前記最大圧力より低く維持される、請求項1~18のいずれか一項に記載の方法。前記アノード圧力が、<1分間の連続使用の間、前記最大圧力より低く維持される、請求項1~19のいずれか一項に記載の方法。前記燃料電池が、ナノ構造薄膜カソード触媒を備える膜電極アセンブリを備える、請求項1~20のいずれか一項に記載の方法。前記燃料電池が、アノードガス拡散層と、カソードガス拡散層とを備える膜電極アセンブリを備え、前記アノードGDLの微多孔性層が、前記カソードGDLの微多孔性層より薄い、請求項1~21のいずれか一項に記載の方法。前記燃料電池が、<90kPaの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項1~22のいずれか一項に記載の方法。前記燃料電池が、<50kPaの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項1~23のいずれか一項に記載の方法。前記燃料電池が、<25kPaの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項1~24のいずれか一項に記載の方法。前記燃料電池が、<10kPaの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項1~25のいずれか一項に記載の方法。前記燃料電池システムが、アノード反応物質圧力を大気圧未満に維持することができる、アノード反応物質再循環システムを備える、請求項1~26のいずれか一項に記載の方法。簡潔に、本開示は、ガス状アノード反応物質がアノード圧力で供給されるアノードと、ガス状カソード反応物質がカソード圧力で供給されるカソードとを有する膜電極アセンブリを備える、燃料電池を動作させる方法を提供し、アノード圧力は、カソード圧力より少なくとも10kPa、場合によっては少なくとも20kPa、場合によっては少なくとも40kPa、場合によっては少なくとも50kPa、場合によっては少なくとも80kPa、場合によっては少なくとも100kPa、場合によっては少なくとも120kPa、場合によっては少なくとも200kPa小さい。典型的に、アノード圧力とカソード圧力との間の差は、連続使用の間維持される。特定の実施形態では、アノード圧力とカソード圧力との間の差は、1分間未満維持される。他の実施形態では、アノード圧力とカソード圧力との間の差は、典型的に、少なくとも1分間、より典型的には少なくとも10分間、及びより典型的には少なくとも20分間の連続使用の間維持される。幾つかの実施形態では、アノード圧力は、90kPa以下、幾つかの実施形態では80kPa以下、幾つかの実施形態では60kPa以下、幾つかの実施形態では50kPa以下、幾つかの実施形態では25kPa以下である、最大圧力より低い。典型的に、アノード圧力は、連続使用の間、最大圧力より低く維持される。典型的に、アノード圧力は、少なくとも1分間、より典型的には少なくとも10分間、及びより典型的には少なくとも20分間の連続使用の間、最大圧力より低く維持される。しかしながら、幾つかの実施形態では、アノード圧力は、1分間未満、最大圧力より低く維持される。典型的に、アノード圧力は、少なくとも10kPa、より典型的には少なくとも15kPa、及びより典型的には少なくとも20kPaである。典型的に、燃料電池は、ナノ構造薄膜カソード触媒を含む、膜電極アセンブリを含む。本出願では、膜電極接合体は、電解質、典型的にはポリマー電解質と、少なくとも1つであるがより典型的には2つ又はそれ以上の、膜に隣接する電極とを含む、膜を含む構造を意味する。ナノ構造要素は、表面の少なくとも一部に触媒材料を含む、針状で分離性の微細構造を意味する。ナノスケールの触媒粒子は、標準的なx線回折スキャンの2θの回折ピーク半値幅から測定した場合に、少なくとも一方向の寸法が約15nm以下であるか、又は結晶サイズが約15nm以下である触媒材料の粒子を意味する。ナノスケールの触媒粒子の薄膜としては、分離性のナノスケールの触媒粒子の膜、結合したナノスケールの触媒粒子の膜、及び結晶質又は非晶質のナノスケールの触媒グレインの膜が挙げられ、典型的には分離性の又は結合したナノスケールの触媒粒子の膜が挙げられ、最も典型的には分離性のナノスケールの触媒粒子の膜が挙げられる。針状は、平均断面幅に対する長さの比が3以上であることを意味する。分離性は、異なる性質を有する別個の要素を意味するが、要素が互いに接触していることを除外しない。微細は、少なくとも一方向の寸法が約1マイクロメートル以下であることを意味する。平面相当厚は、不均一に分布され得る、また表面が不均一面であり得る、表面に分布された層例えば、地表全体に分布した雪の層、又は真空蒸着のプロセスで分布した原子の層などに関して、層の全質量が表面の突き出た面積と同じ面積に及ぶ平面上に均一に広がっていると仮定して計算される厚さを意味する不均一な特徴及びコンボリューションを無視した場合、表面によって覆われる突き出た面積は表面の全表面積以下であることに注意する。二層平面相当厚は、本明細書に記載するような第1の層及び本明細書に記載するような隣接して存在する第2の層の合計平面相当厚を意味する。燃料電池、特にナノ構造薄膜触媒を含む燃料電池の改善された動作のための方法を提供することが、本開示の利点である。本開示は、大気より低い圧力を含む、アノード反応物質圧力の制御を通して、ポリマー電解質膜燃料電池PEMFCの性能を改善するための動作方法に関する。また、本開示は、大気圧より低い、及びそれより高い圧力を包含する範囲にわたり、アノード反応物質圧力を制御する能力を有する、アノード反応物質ストリームに連結された圧力制御装置を組み込む、燃料電池システムも説明する。本開示は、カソード反応物質圧力より低いアノード反応物質圧力を用いた動作のために最適化された構成要素を伴う、PEMFCを更に説明する。ナノ構造薄膜触媒NSTFC膜電極アセンブリMEAは、最新技術の従来の厚い炭素担持触媒に基づくMEAと比較して、より高い比活性度及び耐久性を含む、多くの有意な利点を有する。これらの利点は、極薄電極構造の結果であると思われる。本開示は、本方法に従う燃料電池動作が、冷温かつ湿潤条件下で、極薄電極MEAの定常状態性能及び負荷過渡性能の両方を実質的に改善することができることを教示する。測定値は、カソード圧力が固定された状態でアノード圧力を低減することが、アノード反応物質ストリームを介した生成水除去の向上、及び結果として生じる、カソード反応物質ストリームを介した生成水除去の低減をもたらし、これが、カソードでのフラッディング問題、及びフラッディングによる付随する性能損失を低減することを示唆する。本開示の重要側面は、アノード反応物質ストリーム圧力を水飽和蒸気圧に向かって減少させることによって、アノードストリームを介した水除去が大幅に向上されるということであり、これは、関心温度で、アノード反応物質ストリームを大気中より低い圧力に制御することを必要とし得る。本開示の目的及び利点を、以下の実施例によって更に例示するが、これらの実施例において列挙される特定の材料及びその量並びに他の諸条件及び詳細によって、本開示を不当に制限するものではないと解釈すべきである。特に断らないかぎり、すべての試薬は、アルドリッチケミカル社AldrichChemicalCoウィスコンシン州ミルウォーキーより入手したか、又は販売されるものであり、あるいは公知の方法で合成することができるものである。第1及び第2の実施例は、アノード反応物質圧力の範囲にわたるNSTFCMEAの評価を含む。MEAは、NSTFアノード触媒NSTF上にPt68Co29Mn3が0.05mgPt/cm2と、NSTFカソード触媒NSTF上にPt68Co29Mn3が0.10mgPt/cm2と、プロトン交換膜3.5のMn添加剤を含有する、EPTFE担持体にアイオノマーが装填された3M850EWと、カソードGDL片側上が炭素PTFEFEP微多孔性層MPLでコーティングされた、4のPTFEで処置されたMRCU105と、アノードGDL4のPTFEで処置されているが、MPLを伴わない、MRCU105と、厚さがそれらのそれぞれのGDLの厚さの90である、アノード及びカソードガスケットとで構成された。アノードGDLは、GDLを室温の0.5Mの硫酸浴内に設置することによって更に処置され、1.5V対SHEで10分間保持され、次いで、GDLは、数回洗浄され、乾燥された。この電気化学処置の目的は、アノードGDLの親水性をわずかに増加させることであり、GDL炭素が酸化される際、これはより親水性になる。触媒は、ホットロール積層プロセスを介して膜に転写され、触媒コーティングされた膜CCMを形成した。MEAは、4連サーペンタイン流動場を伴う機械加工された黒鉛板で構成された50cm2の活性面積試験電池FuelCellTechnologies内に設置され、改良されたFuelCellTechnologies試験ステーション上で試験された。試験ステーションは、電池のアノード流動場の排気口に接続された圧力調整器に吸引を適用するために、2つの実験用水吸入器が使用される、図1のように改良された。吸入器は、電池を通って流動する800SCCMのH2で、圧力調整器の前の真空ゲージで測定される水素圧力を~15~20kPaと低くに減少させることができた。この装置を用いて得ることができる最小圧力15~20kPaから最大でこの場合は500kPaと高い供給圧力まで、電池のアノード反応物質ストリームの圧力を調節するために、圧力調整器が使用された。概略図は、現在の開示の特定の一実施例を示し、吸入器の代わりに可燃性ガスに好適な機械ポンプ、及び圧力調整器の代わりに可変面積弁など、アノード反応物質圧力を低減し、大気圧より低く制御することができる他の手段もまた使用することができる。図2は、本開示の理論上の第2の実現を示す。水素ガスは、加圧タンクなどの加圧供給から、スタックアノードに流動する反応物質の質量流量を調整する、流量調整デバイスを通って流動する。スタックを通過した後、圧力調整サブシステムが、スタック内の反応物質ストリームの圧力を調整する。圧力調整サブシステムの排気口で必要とされる圧力を維持するため、並びに再循環コントローラに送給される圧力を増加させるために、ポンプが使用される。再循環コントローラは、全ストリームのある部分を放出し、残りの部分をスタックアノード吸気口に向け戻す。実施例1図3は、以下のように動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフである。本実験では、NSTFCMEAは、30°Cの固定電池温度、及び0.40Vの固定電池電位で、アノードへの乾燥した水素の800SCCM、及びカソードへの150kPaの乾燥した空気の1800SCCMの固定流量で動作された。実験を通して、アノード反応物質圧力は、図1の吸引デバイス及び圧力調整器を使用することによって、20~200kPaの間で段階的に変更された。電池電流密度は、より低い圧力、特に大気中より低い圧力で、アノード圧力の強力な関数であり、電流密度及び関連して電力出力の大幅な増加をもたらすことが発見された。実施例2いわゆる非フラッディング曲線は、アノード反応物質圧力及び温度の関数として測定された。本実験の目的は、完全に浸水状態の電池で開始して、MEAの性能が1A/cm2を超えて増加する最低温度を判定することである。それぞれのアノード圧力セットで、電池が最初にデータが示される最低温度まで冷却され、電池が液体水で充填され、反応物質が電池に動かされ始め、反応物質圧力が設定され、次いで電流密度が電池温度の関数として測定された。図4は、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電流密度対電池温度のグラフである。1A/cm2の電流密度を超えるために、100kPa以上のアノード圧力で、少なくとも45°Cの電池温度が必要とされた。圧力が大気圧より低く減少された際、電池が1A/cm2を超える電流密度を生成するために必要とされる最低温度は、大幅に減少された。15kPaで、必要とされる温度は、100kPaと比較して20°Cの改善である、25°Cに減少された。実施例3及び4実施例3及び4では、異なるNSTFCMEA、FC16576が使用され、このMEAは、アノードGDLが0.5Mの硫酸浴内で処置されておらず、むしろ、作製されたままの状態で使用されたという点において、FC16405とは異なった。第3の実施例では、アノード反応物質圧力の関数として、負荷過渡試験が実行され、この試験は、非常に低い電流密度から比較的高い電流密度までの電流出力における段階的増加を持続するMEAの能力を検査する。試験は、3つの工程、平衡化、前処理、及び負荷過渡で構成された。平衡化工程では、電池は、696SCCMのH2、150kPa、140RHのアノード反応物質、1657SCCMの空気、150kPa、140RHのカソード反応物質、及び0.6Vの固定電池電位で、60°Cで5分間保持された。前処理工程では、電池は、平衡化工程と同一の条件であるが、0.02A/cm2で25秒間保持され、この時点でアノード反応物質圧力を、20~150kPaの間で変化させ、電池は、更に5秒間保持された。負荷過渡工程中、すべての条件が前処理工程の最後の5秒間と同一であるが、電流密度は、1.0A/cm2に段階的に増加される。それぞれのアノード圧力に対して、2回の試行が実施された。図5は、実施例3の示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対時間のグラフである。図5は、反応物質圧力が100kPa以上である際、電池電圧が、30秒間の負荷過渡試験の継続時間の間、0.0Vより低いままであることを示し、0.0Vより低いままであることは、試験の失格を示す。アノード反応物質圧力が50kPaに減少された際、電池電圧は、0.0Vより低い電圧で開始したが、次いで7秒後に~0.60Vに自然発生的に増加した。アノード圧力が20kPaであった際、初期電池電圧は、正の0.4~0.5Vであり、0.60Vより高い電圧に急速に上昇した。これらの結果は、低減されたアノード反応物質圧力が負荷過渡性能を大幅に改善することを明確に示す。実施例4では、15°Cの電池温度での非フラッディング性能が、アノード圧力及びカソード圧力の関数として評価された。電池は、最初に、800SCCM、50°Cの結露点、100kPaのH2のアノード反応物質ストリーム、及び1800SCCM、50°Cの結露点、100kPaの空気のカソード反応物質ストリームで、70°Cで1時間前処理され、意図は、自動車用トラクション燃料電池システムの動作停止の前に行われ得るように、MEAから過剰な水分を除去することであった。前処理に続き、MEAは、アノード又はカソード反応物質流動を伴わず、15°Cに冷却された。次に、MEAは、様々なアノード及びカソード圧力での800SCCMの乾燥したH2のアノード反応物質ストリーム、及び1800SCCMの乾燥した空気で、0.40Vの固定電池電圧で動作された。図6A及び図6Bは、それぞれ、試験中の電流密度対時間及び電池温度対時間を示すグラフである。ガス流動が開始された時点では、反応物質圧力は、70/100kPaであった。電池を0.40Vに設定すると、電流は、0.9A/cm2を超えて急速に上昇したが、0.25A/cm2未満に急速に低下した。アノード圧力を20kPaに減少させると、約0.6A/cm2への電流密度の急増がもたらされた。次いでカソード圧力を150kPaに増加させると、0.8A/cm2への更なる向上がもたらされた。次いで、電流密度は、電池温度が徐々に増加するのに付随して、徐々に増加し続けた。~18°Cの電池温度で、電流密度が1A/cm2を超えた。これらの結果は、実施例3に示される結果0.8V、15°Cで~0.2A/cm2より~4倍高く、これは、乾燥前処理のためであると思われる。実施例5実施例5では、異なるNSTFCMEA、FC16630が使用され、このMEAは、アノードGDLが0.5Mの硫酸浴内で処置されておらず、また、微多孔性層を含有したという点で、FC16405及びFC16576とは異なった。FC16630は、現在の技術の実施例と見なすことができる。FC16630は、実施例1図3に示されるものと同じように評価され、図7は、この試験の結果を示す。実施例1で観測されたように、性能は、アノード圧力を減少させることによっていくらか改善したが、実施例1に見られるよりは著しく低かった。図8は、FC16630MPLを伴うGDL、FC16405電気化学的に処置された、MPLを伴わないMRCU105、及びFC16576MPLを伴わないMRCU105の電流密度対アノード反応物質圧力を集約する。すべての試料で、アノード圧力を減少させることによって、電流密度が改善した。しかしながら、電気化学的に処置された、MPLを伴わないアノードGDLで、性能向上は最大であり、EC処置されていない、MPLを伴わないアノードGDLが続き、向上が最も小さかった試料は、MPLを伴うGDLを含有した。図9は、FC16630MPLを伴うアノードGDL及びFC16576MPLを伴わないアノードGDLの定常状態性能並びにカソード排水速度を比較する。FC16576MPLを伴わないは、FC16630MPLを伴うより70mV高い性能を生じ、この改善された性能は、より低いカソード排水速度と一致する。これらの結果は、異なるMEA構成要素が、有効な水管理挙動の変化により、性能の劇的な改善をもたらすことができる証拠を提供する。これらの性能改善は、アノードからのより高い水除去速度と一致する。図8及び図9は、アノードGDL、特にアノードGDLの水管理特性を修正することが有益であり得ることを示す。利益は、カソードGDLと比較して強化されたアノードGDLの水除去能力によるものである。アノードGDLのMPLの除去、並びに電気化学処置によってなど、アノードGDL裏材をより親水性に作製することは、アノードGDLの水除去能力を強化させる2つの方法である。MPLは、微細孔が開けられた、疎水性層であり、それに水を通すためには、非常に高い圧力が必要とされる。GDL裏材は、MPLより大きい孔が開けられているが、依然として、中程度に疎水性であり、したがって、相当の圧力なしには液体水を透過しない。MPLの除去は、この障壁を除去し、GDL裏材をより親水性にし、水がGDLをより容易に通過できるようにする。そのため、本開示における改善されたMEAの一般的な実施例では、アノードGDLは、水の移動に対して、カソードGDLほど制約を有さない。実施例6氷点下温度からの起動に耐えなければならない燃料電池システムでは、oMEAは、システム再起動時の正常動作のために、システム動作停止の前に高温で乾燥される。MEAをいくらか乾燥させることによって、氷点下再起動時の燃料電池反応によって生成される水を、触媒層への反応物質移送を妨げることなく、PEM及び多孔質GDLによって吸い上げることができる。この前処理を実行するために必要とされる時間量を最小限にして、寄生損失を最小限にすることが望ましい。図10は、アノード圧力の関数としての乾燥前処理の実施例を示す。固定動作条件は、80°Cの電池温度、696/1657SCCMのH2/空気反応物質流量、53°Cのアノード及びカソード結露点、0.05A/cm2の固定電流密度、並びに100kPaのカソード圧力であった。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、2979のアノード及びカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。上記の条件下で、MEAの水含有量と反応物質ストリームの水含有量との間の定常状態が到達されるまで、蒸発乾燥によりMEAから水が除去される。電池電圧は、PEMの増加する抵抗により、MEAが乾燥するにつれて減少する。したがって、電池電圧は、乾燥度の状態の指標である。図10は、アノード圧力が低減される際、MEAの乾燥による電池電圧減少速度が大幅に増加することを示す。特定の電池電圧減少MEA乾燥によるを達成するために必要とされる時間は、アノード圧力が減少するにつれて減少する。したがって、本実施例は、大気中より低いアノード圧力を用いて、改善された前処理を達成することができることを示す。実施例7図11A及び図11Bは、アノード圧力の関数としての0.4V対アノードGDL裏材での電流密度を示す。図11A及び図11Bは、6のPTFEを伴い、かつMPLを含有する基準MRCU105と比較した際の、すべてがMPLを伴わず、かつ裏材中にPTFEをわずかに伴う、又は伴わない、異なるアノード裏材を伴う異なるアノードGDLのアノード圧力の関数としての0.4Vでの電流密度出力を比較する。アノードGDLは、HollingsworthandVose5ミル0.13mmMPLを伴わないと認められる、MRCU105MPLを伴わない、0.1のPTFEで処置された、FreudenbergH2315MPLを伴わないと認められる、Ballard1071HCBMPLを伴わないと認められる、及びFreudenbergX0090MPLを伴わないと認められるであった。固定動作条件は、30°Cの電池温度、800/1800SCCMのH2/空気乾燥反応物質流量、及び150kPaのカソード圧力であった。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。FreudenbergH2315及びX0090未処置と認められるが、大部分のアノード圧力範囲にわたり、基準を含む他のGDLより大幅に高いJを示すことが観測された。これらの結果は、アノードGDL裏材構造の側面が、冷温で、性能への強い影響力を有することができ、効果は、大気中より低いアノード圧力で拡大されることを示す。実施例8図12A及び図12Bは、アノード圧力の関数としての0.4V対アノードGDLMPL、アノードGDL裏材PTFE含有量での電流密度を示す。図12A及び図12Bは、MRCU105裏材に基づき、異なるアノードGDLのアノード圧力の関数としての0.4Vでの電流密度出力を比較する。変数には、MPLの存在又はその欠乏、及び裏材中のPTFE含有量、並びにアノード圧力が含まれる。固定動作条件は、30°Cの電池温度、800/1800SCCMのH2/空気乾燥反応物質流量、及び150kPaのカソード圧力であった。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。すべての場合で、Jは、アノード圧力が200kPaから50kPaに低減されるにつれて増加した。アノードからのMPLの除去は、50~75kPaのアノード圧力領域内で、電流密度出力の大幅な増加をもたらした。これらの結果は、本開示の幾つかの側面のデータを提供する。第1に、大気中より低いアノード圧力を用いた動作は、低温で、大幅な性能改善をもたらすことができる。第2の側面は、アノードからMPLを除去することによって、低温下で改善された性能を得ることができ、アノードの水除去を促進するということである。実施例9図13A及び図13Bは、アノード圧力の関数としての0.4V対アノードGDL裏材での電流密度を示す。図13A及び図13Bは、6のPTFEを伴い、かつMPLを含有する基準MRCU105と比較した際の、すべてがMPLを伴わず、かつ裏材中にPTFEをわずかに伴う、又は伴わない、異なるアノード裏材を伴う異なるアノードGDLのアノード圧力の関数としての0.4Vでの電流密度出力を比較する。アノードGDLは、HollingsworthandVose5ミル0.13mmMPLを伴わないと認められる、MRCU105MPLを伴わない、0.1のPTFEで処置された、及びFreudenbergH2315MPLを伴わないと認められるであった。固定動作条件は、30°Cの電池温度、800/1800SCCMのH2/空気乾燥反応物質流量、及び150kPaのカソード圧力であった。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。両方のステーションで、FreudenbergH2315未処置と認められるが、大部分のアノード圧力範囲にわたり、基準を含む他のGDLより大幅に高いJを示すことが観測された。これらの結果は、アノードGDL裏材構造の側面が、冷温で、性能への強い影響力を有することができ、効果は、大気中より低いアノード圧力で拡大されることを示す。実施例10図13A及び図13Bは、様々なアノード流量での0.4V対アノードGDL裏材での電流密度を示す。図14A及び図14Bは、6のPTFEを伴い、かつMPLを含有する基準MRCU105と比較した際の、すべてがMPLを伴わず、かつ裏材中にPTFEをわずかに伴う、又は伴わない、異なるアノード裏材を伴う異なるアノードGDLのアノード流量の関数としての0.4Vでの電流密度出力を比較する。アノードGDLは、基準及びFreudenbergH2315MPLを伴わないと認められるであった。固定動作条件は、30°Cの電池温度、1800SCCMの空気乾燥反応物質流量、及び75/150kPaのアノード/カソード圧力であった。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。すべての場合で、電流密度は、アノード流量が800SCCMから1400SCCMに増加されるにつれて増加し、大部分の場合で、流量が2000SCCMに増加された際に、更なる増加が観測された。両方のステーションで、FreudenbergH2315未処置と認められるが、すべてのアノード流量で、基準GDLより大幅に高いJを示すことが観測された。これらの結果は、アノードGDLタイプが、大気中より低いアノード圧力で、性能への強い影響力を有することができることを示す。実施例11図15A及び図15Bは、アノード圧力及び電池温度の関数としての起動時過渡を示す。図15Aは、10°Cのデータを表し、図15Bは、30°Cのデータを表す。図15A及び図15Bは、アノード圧力及び電池温度の関数としての起動時過渡性能を比較する。起動時過渡は、MEAが仮定的なシステム動作停止の後に定格性能を達成することができる速度の推定方法である。この試験では、MEAは、最初に、80°C、30/30RH、0/0psig0kPaH2/空気、696/1657SCCM、及び0.05A/cm2の固定Jで、5分間前処理され、この工程は、MEAの初期加湿レベルを設定する。次に、すべての反応物質が停止され、電池が動作停止され、任意の温度、上記の場合では10°C又は30°Cのいずれかに冷却された。上記のグラフは、幾つかの工程がt=0で同時に実施される、次の工程を示し、反応物質流量は、696/1657SCCMに設定され、圧力は、x/150kPaグラフに注記されるxに設定され、電池電位は、0.60Vに固定して保持される。電流の経時的な漸進的変化が記録される。より優れた起動時過渡とは、急速に高Jを達成し、かつ初期の10秒間にわたって、そのJを可能な限り維持することができるものである。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、FreudenbergH2315のアノードGDL、及び2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。すべての場合で、電流は、t=0での0A/cm2から~6~7秒でピークJまで急速に増加し、そのJの後、経時的にいくらか減少することが発見された。ピークJは、アノード圧力に対して比較的鈍感であることが発見されたが、長期にわたり高Jを維持する能力は、アノード圧力の強い関数であることが発見された。アノード圧力を200kPaから20kPaに減少させることによって、10°C及び30°Cの両方の場合で、t=30秒でJの2倍の増加がもたらされ、これは、少なくとも~2倍高速なシステム起動をもたらし得る。これらの結果は、本開示の一側面、大気中より低いアノード圧力で、起動時過渡性能の大幅な改善をもたらすことを示す。実施例12図16A及び図16Bは、アノード圧力及び電池温度の関数としての湿潤負荷過渡を示す。図16Aは、50°Cのデータを表し、図16Bは、60°Cのデータを表す。図16A及び図16Bは、アノード圧力及び電池温度の関数としての湿潤負荷過渡性能を比較する。負荷過渡試験は、MEAが待機/低電力から高電力への仮定的な遷移にどれくらい良好に耐えることができるかを評価する方法である。この試験では、MEAは、最初に、50°C又は60°Cのいずれか、140/140RH、150/150kPaのH2/空気、696/1657SCCM、及び0.6Vの固定Vで、5分間前処理され、この工程は、MEAの初期加湿レベルを、最悪の場合の想定を表す、高度に浸水したレベルに設定する。次に、電池は、待機状態を模擬するために、0.05A/cm2の固定電流密度で20秒間保持される。次に、アノード圧力が上記のグラフに掲示される値に調節され、10秒間保持された。上記のグラフは、電流密度が1A/cm2に段階的に増加される、次の工程を示す。電池電圧の経時的な漸進的変化が記録される。より優れた負荷過渡とは、高Vを急速に達成し、かつ30秒間の試験の継続時間にわたり、高Vを維持することができるものである。失格した負荷過渡とは、試験の継続時間、電池電圧が<~0Vであるものである。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、FreudenbergH2315のアノードGDL、及び2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。50°C及び60°Cの両方の試行で、アノード圧力を減少させることによって、負荷過渡性能が改善することが発見された。50°Cで、すべての場合で、t=0秒での電池電圧は低かったが、正電圧を達成するために必要とされる時間は、アノード圧力が150kPaから50kPa、20~25kPaに減少するにつれて減少し、MEAは、150kPaの場合の過渡に失格した。60°Cで、この場合も同様に、電池電圧増加及び安定化速度は、アノード圧力が減少するにつれて改善することが発見された。これらの結果は、本開示の一側面、大気中より低いアノード圧力を用いた動作が、MEAの負荷過渡性能を大幅に改善することができることを示す。実施例13図17A~図17Dは、アノード圧力の関数としての定常状態定電流性能及びMEA水平衡を示す。図17A~図17Dは、アノード圧力の関数としての定常状態定電流性能及びMEA水平衡を比較する。これらの試験は、本開示の性能改善の機構に関する識見を与える。この試験では、電池は、~60分間の期間、固定電流密度で保持され、この間、電池電圧が監視され、水がカソードから回収され、場合によっては、アノード電池排出ストリームも回収され、それぞれの排出速度が計算される。水は、どこでMEAによって生成される水が電池を出るかを判定するために、回収される。この試験では、MEAは、1A/cm2の固定電流密度を伴って、50°C、0/0RH、x/150kPa、696/1657SCCMのH2/空気で保持される。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、FreudenbergH2315のアノードGDL、及び2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。概して、アノード圧力が減少するにつれて、カソード排出ストリームを介して電池から出る水の量が減少し、アノード排出ストリームを介して出る水の量が増加することが観測された。これらの結果は、改善された性能のために、アノードを介した水除去を促すのに有益であることを明確に示す。実施例14図18は、アノード圧力の関数としての動電流、一定化学量論性能を比較する。この試験では、電池のJは、0.05A/cm2からその最大J又は2.0A/cm2どちらかより小さい方に段階的に増加され、次いでJは、再び減少され、電池電圧が監視される。この試験では、MEAは、0.05A/cm2、60秒/刻みのJ刻みで、30°C、0/0RH、CS2/2のH2/空気で保持される。グラフは、明確化のために、走査の低->高J部分のみを示す。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、FreudenbergH2315のアノードGDL、及び2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。アノード圧力が150kPa~200kPaから100kPa以下に低減されるにつれて、達成可能な最大電流密度は、~0.5A/cm2から2.0A/cm2に増加した。中程度のJ、例えば1A/cm2での電池Vは、アノード圧力が100kPaから30kPaに減少するにつれて、概して増加した。この結果は、本開示、即ち、特にアノード圧力が大気中より低い際、アノード圧力がカソードと比較して減少されるにつれて改善される性能と一致する。実施例15図19A及び図19Bは、2つのMEAタイプの動電流、一定流量性能対アノード圧力を示す。図19Aは、NSTFを表し、図19Bは、従来のPt/C触媒を表す。この試験では、電池のJは、0.02~0.1A/cm2からその最大J又は2.0A/cm2どちらかより小さい方に段階的に増加され、次いでJは、再び減少され、電池電圧が監視される。この試験では、MEAは、15刻み/10進数、30秒/刻みの対数J刻みで、30°C、0/0RH、CF800/1800SCCMのH2/空気で保持され、アノード/カソード圧力は、x/150kPaである。図19Aは、NSTFMEAでの結果を示し、MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、FreudenbergH2315のアノードGDL、及び2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。図19Bは、Pt/CMEAでの結果を示し、MEA構成変数は、0.10Pt/Cのアノード触媒、0.30Pt/Cのカソード触媒、添加剤を伴う3M850EW20uのPEM、並びに2979のアノード及びカソードGDLであった。NSTFMEAでは、アノード圧力が150kPaから50kPaに減少される際、限界電流密度の大幅な増加が観測され、圧力が25kPaに低減される際、更なる向上は観測されなかった。Pt/CMEAでは、限界電流密度の大幅な変化は観測されなかった。50kPaで、NSTFMEAは、Pt/CMEAと同様の限界電流を達成した。実施例16図20A及び図20Bは、NSTFMEAを伴う2つのアノードGDLタイプの動電流、一定流量性能対アノード圧力を示す。図20Aは、FruedenbergH2315を表し、図20Bは、4のPTFEを伴うMRCU105を表す。この試験では、電池のJは、0.02~0.1A/cm2からその最大J又は2.0A/cm2どちらかより小さい方に段階的に増加され、次いでJは、再び減少され、電池電圧が監視される。この試験では、MEAは、15刻み/10進数、30秒/刻みの対数J刻みで、30°C、0/0RH、CF800/1800SCCMのH2/空気で保持され、アノード/カソード圧力は、x/150kPaである。図20Aは、FreudenbergH2315GDLを有するNSTFMEAでの結果を示し、図20Bは、4のPTFEを伴うMRCU105GDLを有するNSTFMEAでの結果を示す。共通MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、2979のカソードGDL、及び50cm2の4連サーペンタインのカソード流動場であった。図20Aのアノード流動場は、4連サーペンタインであり、図20Bでは、アノード流動場は、2連サーペンタインであった。両方のMEAは、アノード圧力が150kPaから25kPaに減少される際、改善された性能を示した。図20Aに示されるMEAは、すべてのアノード圧力で、より優れた性能を有した。これらの結果は、本開示、即ち、減少したアノード圧力が性能を改善し、アノードGDLが低T性能に影響を及ぼすことができるということと一致する。実施例17図21A及び図21Bは、アノード流量及びアノード流動場の関数としての圧力過渡性能を比較する。図21Aは、~20kPaのデータを表し、図21Bは、100kPaのデータを表す。圧力過渡は、MEAがフラッディング条件で動作された後に定格性能を達成することができる速度の推定方法である。この試験では、MEAは、最初に、30°C、0/0RH、150/150kPaのH2/空気、800/1800SCCM、及び0.7Vの固定電池Vで、5分間前処理され、この工程は、MEAの初期加湿レベルを、高度に浸水したレベルに設定する。次に、電池電位は、0.4Vに~1分間設定され、次いでアノード圧力が、150kPaから20kPa左又は100kPa右のいずれかに低減される。電流の経時的な漸進的変化が記録される。より優れた圧力過渡とは、急速に高Jを達成するものである。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、4のPTFEのU105のアノードGDL、及び2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのカソード流動場であった。アノード流動場は、4連サーペンタイン、2連サーペンタイン、又は単一チャネルジグザグアノード流動場であった。流動場タイプに関わらず、アノード圧力が20kPaに低下される際、100kPaと比較してより大きいJ増加が観測されるということが概して観測され、大気中より低い圧力を含む、低減されたアノード圧力を用いて、改善された冷温及び湿潤性能が達成されるという本開示の一側面と一致する。また、この結果は、アノード流動場に対する感度が比較的より低いアノード圧力で向上されるということも示す。実施例18図22A及び図22Bは、アノード流量及びアノード流動場の関数としての圧力過渡性能を比較する。図22Aは、800SCCMのH2データを表し、図22Bは、2000SCCMのH2データを表す。圧力過渡は、MEAがフラッディング条件で動作された後に定格性能を達成することができる速度の推定方法である。この試験では、MEAは、最初に、30°C、0/0RH、150/150kPaのH2/空気、800/1800SCCM、及び0.7Vの固定電池Vで、5分間前処理され、この工程は、MEAの初期加湿レベルを、高度に浸水したレベルに設定する。次に、電池電位は、0.4Vに~1分間設定され、次いでアノード圧力が、20~30kPaに低減され、アノード流量は、800SCCMに保たれる左か、又は2000SCCMに増加される右。電流の経時的な漸進的変化が記録される。より優れた圧力過渡とは、急速に高Jを達成するものである。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、4のPTFEのU105のアノードGDL、及び2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのカソード流動場であった。アノード流動場は、4連サーペンタイン、2連サーペンタイン、又は単一チャネルジグザグアノード流動場のいずれかであった。幾つかの効果が明らかである。すべての場合において、アノード圧力の150kPaから20~30kPaへの減少は、電流密度の大幅かつ比較的急速な増加をもたらした。第2に、アノード流量は、有意な効果を有した、即ち、より高いアノード流量は、より高い性能をもたらした。第3に、流動場タイプは、電流増加速度、及び到達される最大電流密度に強い効果を有し、この依存はまた、アノード流量にも依存した。例えば、800SCCM左パネルで、4連サーペンタイン電池は、最大Jへの最も遅い到達及び最低の最大Jを有し、2連及びジグザグ流動場は両方とも、4連より優れた、ほぼ同等の改善を有した。2000SCCMでは、4連サーペンタインで最善圧力過渡性能が得られ、2連、次いでジグザグ流動場が続いたという点において、依存は異なった。実施例19図23A及び図23Bは、t=20秒対アノード反応物質流量及びアノード流動場での圧力過渡性能を示す。図23Aは、800SCCMのH2データを表し、図23Bは、2000SCCMのH2データを表す。流動場の間での1つの有意差は、流動場チャネルの数が減少するにつれて、圧力低下が大幅に増加したということであった。また、圧力低下は、予想され得るように、アノード流量が増加するにつれて増加した。図23A及び図23Bは、平均吸気口から排気口までのアノード圧力の関数としてのt=20秒での電流密度が抽出され、プロットされた、図10からの結果の概要を示す。このデータから、流動場の間での性能差の大部分は、圧力低下の差、及び結果として生じる平均アノード圧力の差によって説明することができると判断することができる。唯一の矛盾は、ジグザグが最高であり、2連サーペンタインが中程度範囲であり、4連サーペンタインが最低であった、25~40kPaの平均アノード圧力での800SCCMであると思われ、原因は分かっていない。実施例20図24A~図24Fは、異なる電池温度及びカソード圧力のアノード圧力の関数としての0.4Vでの電流密度出力を比較する。固定動作条件は、800/1800SCCMのH2/空気乾燥反応物質流量であった。アノード圧力は、カソードより50kPa高い圧力から25~100kPaまでに及んだ。固定MEA構成変数は、0.05PtCoMn/NSTFのアノード触媒、0.10PtCoMn/NSTFのカソード触媒、添加剤を伴わない3M850EW20uのPEM、FreudenbergH2315のアノードGDL、2979のカソードGDL、並びに50cm2の4連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。すべての場合で、アノード圧力が最大値から減少される際、いくらかの性能改善が観測された。低減された圧力を用いて大幅な性能改善を達成するために必要とされる圧力は、電池温度が減少するにつれて減少し、例えば、30°Cでは~100kPaで、20°Cでは50kPaで、及び10°Cでは25kPaで、改善された性能が本格的に現れ始めた。この結果は、Tが減少するにつれて、高電流密度を達成するために、実質的により低いアノード圧力、恐らく当社設備で達成可能な25kPaの最小Pより低い圧力が必要とされ得るということを示す。本開示の様々な修正及び変更は、本開示の範囲及び原理から逸脱することなく当業者には明白であり、また、本開示は、本明細書に記載した例示的な実施形態に不当に制限されるものではないと理解すべきである。