DE102004061784A1 - PEM-Brennstoffzellenstapel mit schneller Kaltstartfähigkeit - Google Patents

Abstract

Es wird ein kaltstartfähiger PEM-Stack vorgeschlagen. Der PEM-Stack weist zumindest drei Einzelzellen auf, die durch metallische Bipolarplatten voneinander getrennt sind, sowie zwei elektrisch isolierende Endplatten, die den PEM-Stack jeweils an einem der beiden Stapelenden abschließen, ferner zwei metallische Stromabnehmerplatten, die jeweils zwischen einer Randzelle und einer daran angrenzenden Endplatte angeordnet sind und die mit den Randzellen in elektrisch und thermisch leitendem Kontakt stehen. Es sind elektrische Heizelemente vorgesehen, die zwischen den Endplatten, die thermisch und elektrisch isolierend sind, und den metallischen Stromabnehmerplatten angeordnet sind, wobei die elektrischen Heizelemente mit Strom aus zumindest einer Mittelzelle versorgt werden und wobei die elektrischen Heizelemente in thermisch leitendem Kontakt mit einer angrenzenden metallischen Stromabnehmerplatte stehen. Der PEM-Stack weist eine schnelle Kaltstartfähigkeit auf, wobei das Aufheizen der Einzelzellen auf einfache Weise sehr gleichmäßig erfolgt, sodass keine der Einzelzellen bzgl. der Aufheizung wesentlich im Rückstand ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen PEM-Brennstoffzellenstapel nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
• Ein PEM-Brennstoffzellenstapel (kurz: PEM-Stack) weist üblicherweise zwei oder mehr einzelne PEM-Brennstoffzellen (kurz: Einzelzellen) auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der prinzipielle Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle (Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle – kurz: PEMFC) ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz: MEA), die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymerelektrolytmembran (kurz: PEM) aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden (kurz: GDE) ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z.B. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O) (kurz: Brennstoffzellenreaktion) erzeugten elektrischen Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, von und zur Katalysatorschicht hindurch diffundieren zu lassen und gleichmäßig auf die angrenzende Katalysatorschicht zu verteilen. Eine GDE besteht aus wenigstens ei ner Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage (kurz: GDL) und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die Brennstoffzellenreaktion abläuft (elektrochemisch aktive Fläche). Die GDL besteht aus einem makroporösen, elektrisch leitenden Material, z.B. einem modifizierten Graphitpapier. Sie übernimmt die Aufgaben der mechanischen Stabilisierung der Katalysatorschicht und der PEM, sowie der Ableitung der Elektronen und des Wärmetransports. Außerdem sorgt sie für die schnelle und gleichmäßige Verteilung der Edukte der Brennstoffzellenreaktion und den Abtransport der Produkte (Wasser). Zwischen GDL und Katalysatorschicht ist häufig noch eine dünne, mikroporöse Kohleschicht aufgebracht, die so genannte Carbon Base (kurz: CB). Sie bestimmt maßgeblich die Eigenschaften der Elektrode hinsichtlich Gastransport und Wasserhaushalt.
• Eine PEMFC kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu den bereits oben genannten Brennstoffzellenstapeln (kurz: Stacks) gestapelt und elektrisch in Reihe geschaltet, um eine entsprechend höhere Leistungsabgabe zu erreichen. Die Einzelzellen eines Stacks sind dabei durch bipolare Separatorplatten (kurz: Bipolarplatten) voneinander getrennt. An die beiden endständigen Einzelzellen des Stapels (kurz: Randzellen) schließen sich Stromabnehmerplatten an, die elektrische Kontakte aufweisen, über die ein Stromkreis geschlossen bzw. ein elektrischer Verbraucher angeschlossen und mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Ein Stack wird schließlich von Endplatten abgeschlossen, die sich beidseitig an die Stromabnehmerplatten anschließen. Derartige Endplatten weisen z.B. Anschlüsse für die Zu- bzw. Abführung der Betriebsmedien des Stacks (Brennstoff, Oxidationsmittel, Kühlmittel) auf. Zum Zusammenhalten eines Stacks oder einer einzelnen PEMFC sind im Allgemeinen Mittel zum Verspannen (kurz: Verspannungsmittel) vorgesehen, die u.a. Kräfte erzeugen, die zum Abdichten des Stacks oder der PEMFC erforderlich sind (kurz: Dichtkräfte). Diese Dichtkräfte werden im Allgemeinen über die Endplatten in einen Stack eingeleitet, wobei die Dichtkräfte möglichst gleichmäßig über die Fläche der Einzelzellen verteilt in den Stack eingeleitet werden sollten.
• Als Reaktionsstoffe werden bei einer PEMFC ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe eingesetzt, z.B. H₂ oder ein H₂-haltiges Gas (z.B. Reformatgas) als Brennstoff und O₂ oder ein O₂-haltiges Gas (z.B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion teilnehmenden Stoffe verstanden, also auch Reaktionsprodukte wie z.B. H₂O.
• Für eine kommerzielle Nutzung derartiger Stacks, insbesondere im Bereich mobiler Anwendungen wie z.B. bei Fahrzeugen, ist es wichtig, dass die Stacks aus dem Stand heraus möglichst schnell ihre Betriebstemperatur erreichen. Diesbezüglich sind im Stand der Technik bereits etliche Lösungsvorschläge bekannt, wie z.B. Isolierung, um eine Auskühlen zu vermeiden; Verwendung von Latent-Wärmespeichern, um vom Stack produzierte Wärme für einen späteren Kaltstart des Stacks zu speichern; thermische Verbrennung von Brennstoff innerhalb der Einzelzellen eines Stacks, um schnell über größere Wärmemengen zu verfügen; Einsatz von Brennern; Einsatz von elektrischen Heizeinrichtungen, die mit gespeichertem elektrischem Strom betrieben werden, um nur einige der bekannten Konzepte zu erwähnen. Diese Konzepte führen meistens nicht zu einer befriedigenden Kaltstartperformance oder sind mit anderen Nachteilen behaftet, wie z.B. Komplexität, hoher Energiebedarf, Materialstrapazierung und dergleichen.
• Beim Kaltstart eines Stacks erwärmen sich Einzelzellen, die im Bereich der Mitte des Stacks angeordnet sind (kurz: innere Zellen), im Allgemeinen schneller als solche, die im Bereich der Stapelenden angeordnet sind (kurz: äußere Zellen), da die inneren Zellen von ihren Nachbarzellen mitgeheizt werden und die Wärmeabfuhr an die Umgebung geringer ist. Die äußeren Zellen haben hingegen weniger benachbarte Einzelzellen, die sie mitheizen, und die Wärmeabfuhr an die Umgebung ist größer. Dies gilt in besonderem Maße für die beiden Einzelzellen an den beiden Stapelenden (kurz: Randzellen). Dabei ergibt sich das Problem, dass die inneren Zellen relativ schnell Betriebstemperatur erreichen und infolge der Brennstoffzellenreaktion Wasser produzieren, währen die äußeren Zellen noch relativ kühl sind. Produktwasser der inneren Zellen kann dabei in den äußeren Zellen auskondensieren oder, wenn die äußeren Zellen eine Temperatur unter 0 °C aufweisen, sogar gefrieren. Dabei kommt es zum Leistungsabfall in den äußeren Zellen, insbesondere in den Randzellen. Im schlimmsten Fall bilden sich Verstopfungen, die zum Totalausfall einzelner Zellen oder sogar des ganzen Stacks führen können.
• Aus der japanischen Patentanmeldung JP 05-08990 A ist ein Brennstoffzellenstack mit Phosphorsäureelektrolyt-Brennstoffzellen (kurz: PAFC) und C-haltigen Bipolarplatten bekannt, der für einen schnellen Kaltstart ausgelegt ist und der ein Konzept zur Beheizung der Randzellen aufweist. Die Endplatten des Stacks sind elektrisch isolierend ausgebildet (z.B. aus einer Al-Keramik). In oder an den Endplatten sind PTC-Widerstände angeordnet, die der schnellen Aufheizung des Stacks auf Betriebstemperatur dienen. Eine Regeleinrichtung ist dafür nicht vorgesehen – die PTC-Widerstände wirken wie Thermoregulatoren. Nachteilig an diesem Stack ist, dass die Wärmeabfuhr aus den Randzellen nach wie vor hoch ist und diese sowie die äußeren Zellen dadurch beim Anfahren des Stacks gegenüber den inneren Zellen hinsichtlich Temperaturanstieg stark im Rückstand sind. Auch die Wärmeausbreitung innerhalb des Stacks ist durch die Verwendung von C-haltigen Materialien stark eingeschränkt.
• Ferner ist nicht angegeben, woher der elektrische Strom für die PTC-Widerstände stammt, sodass das System verkomplizierende Zusatzkomponenten angenommen werden müssen.
• Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstack zu schaffen, der für schnelle Kaltstarts ausgelegt ist und bei dem das Aufheizen der Einzelzellen auf möglichst einfache Weise möglichst gleichmäßig erfolgt, sodass keine der Einzelzellen bzgl. der Aufheizung wesentlich im Rückstand ist.
• Diese Aufgabe wird durch den im Hauptanspruch definierten Gegenstand gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein PEM-Brennstoffzellenstapel (PEM-Stack) mit zumindest drei Einzelzellen, die durch metallische Bipolarplatten voneinander getrennt sind, und mit zwei elektrisch isolierenden Endplatten, die den PEM-Stack jeweils an einem der beiden Stapelenden abschließen, und mit zwei metallischen Stromabnehmerplatten, die jeweils zwischen einer, ein Stapelende bildenden Einzelzelle (Randzelle) und einer daran angrenzenden Endplatte angeordnet sind, und die mit den Randzellen in elektrisch und thermisch leitendem Kontakt stehen. Erfindungsgemäß sind elektrische Heizelemente vorhanden, die zwischen den Endplatten, die thermisch und elektrisch isolierend sind, und den metallischen Stromabnehmerplatten angeordnet sind, wobei die elektrischen Heizelemente mit Strom aus zumindest einer im Bereich der Stapelmitte angeordneten Einzelzelle (Mittelzelle) versorgt werden, und wobei die elektrischen Heizelemente in thermisch leitendem Kontakt mit einer angrenzenden metallischen Stromabnehmerplatte stehen.
• Als Bereich der Stapelmitte wird dabei jenes Drittel der Einzelzellen angesehen, das sich von der Mitte des Stacks aus beidseitig in Richtung der Stapelenden erstreckt. Als Bereich der Stapelenden werden die übrigen zwei Drittel der Einzelzellen angesehen, die sich beidseitig in Richtung der Stapelenden an die Stapelmitte anschließen.
• Dabei ist es bevorzugt, wenn die metallische Stromabnehmerplatte mit elektrischem Strom aus der Einzelzelle oder den beiden Einzelzellen versorgt wird, die die Mitte des Stapels bildet oder bilden. Es können aber auch noch weitere Mittelzellen zur Stromversorgung der Stromabnehmerplatten vorgesehen sein, jedoch vorzugsweise nicht mehr als die Anzahl der Einzelzellen im Bereich der Stapelmitte (innere Zellen).
• Die inneren Zellen, insbesondere die Mittelzellen des erfindungsgemäßen Stacks benötigen bei einem Kaltstart keine Heizeinrichtung, weil sie sich durch die eigene Abwärme von selbst schnell genug aufheizen. Durch die metallischen Bipolarplatten wird die in der Stack-Mitte entstehende Wärme schnell in Richtung der Stapelenden weitergeleitet. Da die Mittelzellen zuerst und schnell genug Betriebstemperatur erreichen, wird während des Kaltstarts der von ihnen produzierte elektrische Strom verwendet, um die äußeren Zellen, insbesondere die Randzellen, aufzuheizen. Dazu wird ihr Strom den erfindungsgemäß zwischen Endplatten und den Stromabnehmerplatten angeordneten Heizelementen zugeleitet. Diese stehen in thermischem Kontakt mit den Heizelementen, um einen schnellen und ungestörten Wärmeübergang zwischen den Heizelementen und den Stromabnehmerplatten zu gewährleisten. Die Stromabnehmerplatten sind ihrerseits metallisch, wodurch ein schneller Wärmeübergang zwischen den Stromabnehmerplatten und den Randzellen und darüber hinaus zu den übrigen äußeren Zellen bewirkt wird. So wird ein besonders schneller Kaltstart bewirkt, wobei infolge der beheizten Stromabnehmerplatten die Gefahr von Kondensat- oder Eisbildung im Bereich der äußeren Zellen, insbesondere der Randzellen, verringert ist.
• Die Endplatten sind thermisch (und elektrisch) isolierend ausgebildet. Dadurch wird der Wärmeverlust im Bereich der äußeren Zellen, insbesondere der Randzellen, beim Kaltstart reduziert.
• Die Aufheizung der Einzelzellen erfolgt auf einfache Weise dadurch, dass zur Aufheizung der äußeren Zellen der elektrische Strom aus den Mittelzellen, die keine Aufheizung benötigen, eingesetzt wird. Durch den Einsatz thermisch gut leitender Materialien innerhalb des Stacks (z.B. Metall für die Bipolarplatten und die Stromabnehmerplatten) und thermisch schlecht leitender Materialien für die Stapelenden (Endplatten) wird eine schnelle Wärmeverteilung im Stack und dadurch ein zumindest annähernd gleichmäßiges Aufheizen aller Einzelzellen im Stack bewirkt, sodass es keine Einzelzellen gibt, die im Vergleich zu den inneren Zellen bzgl. ihrer Aufheizung wesentlich im Rückstand sind.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stacks sind die Endplatten aus einem thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoff ausgebildet, vorzugsweise aus einem amorphen oder teilkristallinen Hochtemperatur-Thermoplast wie z.B. Polyimid (PI), Polyetheretherketon (PEEK), thermoplastisch verarbeitbarem PI (TPI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyphenylensulfid (PPS) und dergleichen oder eine Kombination daraus, wobei PTFE besonders bevorzugt ist. Dabei kommen vorzugsweise auch faserverstärkte Kunststoffe in Frage, insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffe. Derartige Kunststoffe haben eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit, sodass mit Endplatten aus Kunststoff ein Stack nach außen besonders gut isoliert ist und der Wärmeverlust während des Kaltstarts besonders gering ist. Sie weisen darüber hinaus mechanische Elastizität auf und können dadurch die mechanischen Belastungen des Stacks infolge der Dichtkräfte der Verspannungsmittel besonders gut aufnehmen bzw. gleichmäßig über die Fläche der Einzelzellen verteilt in den Stack einleiten. Dies ist für den Kaltstart besonders wichtig, da durch die thermische Ausdehnung ein Stack während des Kaltstarts mechanisch besonders belastet ist.
• Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Endplatten möglichst dick ausgebildet sind, da dann das thermische Isolierungsvermögen entsprechend hoch ist. Andererseits sollen die Endplatten auch nicht zu dick ausgebildet sein, um das Bauvolumen des Stacks nicht übermäßig zu erhöhen. Gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn die Endplatten eine Dicke von 5 bis 35 mm aufweisen, vorzugsweise von 10 bis 30 mm und insbesondere von 15 bis 25 mm.
• Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stacks sind die Stromabnehmerplatten aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Metall gebildet, vorzugsweise aus Al, Cu, Au oder einer Kombination daraus oder aus C (vorzugsweise Graphit) und insbesondere aus vergoldetem Al oder Cu. Dadurch wird ein schneller Wärmeübergang von den elektrischen Heizelementen über die Stromabnehmerplatten zu den Randzellen und äußeren Zellen begünstigt.
• Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Stromabnehmerplatten möglichst dünn ausgebildet sind, da dann der vorstehend genannte Wärmeübergang besonders schnell ist. Andererseits dürfen die Stromabnehmerplatten aus Gründen der mechanischen Stabilität auch nicht zu dünn sein. Gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn die Stromabnehmerplatten eine Dicke von 0,1 bis 2,5 mm aufweisen, vorzugsweise von 0,5 bis 2 mm und insbesondere von 0,8 bis 1,5 mm.
• Bei den elektrischen Heizelementen handelt es sich bevorzugt um Heizfolien oder PTC-Widerstandselemente oder einer Kombination daraus, vorzugsweise um PTC-Widerstandselemente. Heizfolien haben den Vorteil, dass sie die erzeugte Wärme flächig und damit gleichmäßig verteilt an die Stromabnehmerplatten und Randzellen bzw. äußeren Zellen abgeben. PTC-Widerstandselemente haben den Vorteil, dass sie einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, d.h. bei Temperaturerhöhung nimmt ihr Widerstand zu. Dadurch wird nicht mehr geheizt, wenn die Temperatur einen oberen Grenzwert erreicht, da dann der Widerstand so hoch ist, dass kaum noch elektrischer Strom fließt. So passen sich die PTC-Widerstände ideal an wechselnde Bedingungen (z.B. Wärmeproduktion des Stacks, Temperaturschwankungen) an. Dadurch kann auf den Einsatz einer Regeleinrichtung verzichtet werden und der erfindungsgemäße Stack vereinfacht sich weiter. Ferner besteht die Gefahr der Überhitzung nicht.
• Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn es sich bei den elektrischen Heizelementen um PTC-Widerstandselemente handelt, die in die Endplatten eingelassen sind. Dadurch kann das Bauvolumen des Stacks gering gehalten werden.
• Noch weiter bevorzugt ist es wenn die Endplatten Nuten aufweisen, in denen die PTC-Widerstandselemente angeordnet sind, wobei die Nuten vorzugsweise in die Endplatten eingefräst sind. Auch dadurch kann das Bauvolumen des Stacks gering gehalten werden, wobei die PTC-Widerstandselemente besonders einfach in die Endplatten einbaubar sind.
• Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen PEM-Stack;
• 2 den Temperaturverlauf beim Kaltstart eines erfindungsgemäßen PEM-Stacks.
• 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzellenstapel (1). Er besteht aus zweiundvierzig Einzelzellen (2), die in innere Zellen (3) und äußere Zellen (4, 4') gruppiert werden können. Die Einzelzellen (2) sind durch metallische Bipolarplatten voneinander getrennt, was aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die an den Stapelenden angeordneten Einzelzellen (2) werden als Randzellen (5, 5') bezeichnet. Der Stack (1) weist außerdem zwei elektrisch und thermisch isolierende Endplatten (6, 6') und zwei metallische Stromabnehmerplatten (7, 7') auf. Die Stromabnehmerplatten (7, 7') sind jeweils zwischen einer Randzelle (5, 5') und einer Endplatte (6, 6') angeordnet.
• Über sie kann eine elektrische Verbindung zu einem elektrischen Verbraucher (11) hergestellt werden. Die Stromabnehmerplatten (7, 7') stehen mit den Randzellen (5, 5') in elektrisch und thermisch leitendem Kontakt. Der Stack (1) weist ferner Heizelemente auf, die in diesem Beispiel als PTC-Widerstandselemente (8) ausgebildet sind (der Übersichtlichkeit halber ist stellvertretend für die dargestellten zehn PTC-Widerstandselemente nur eines (8) mit einem Bezugszeichen bezeichnet). Die PTC-Widerstandselemente (8) sind zwischen den Endplatten (6, 6') und den Stromabnehmerplatten (7, 7') in Nuten angeordnet, die in den Endplatten (6, 6') eingefräst sind, und stehen mit den angrenzenden Stromabnehmerplatten (7, 7') in thermisch leitendem Kontakt. Die PTC-Widerstandselemente (8) werden über die elektrischen Leitungen (9, 9') mit elektrischem Strom versorgt, der aus den Mittelzellen (10, 10') stammt.
• Der Stack (1) kann weitere Bauteile aufweisen, die dem Fachmann prinzipiell bekannt, der Übersichtlichkeit halber aber nicht dargestellt sind. Dazu gehören z.B. Verspannungsmittel um den Stack (1) zusammenzuhalten und abzudichten, Anschlüsse für die Zu- und Abfuhr der Betriebsmedien und dergleichen.
• Im vorliegenden Beispiel sind die Stromabnehmerplatten (7, 7') aus vergoldetem Al gebildet und etwa 1 mm dick (Abmessungen: 1 × 120 × 385 mm). Die Endplatten sind aus PTFE (Teflon, Fa. DuPont) gebildet und etwa 20 mm dick (Abmessungen: 20 × 120 × 385 mm). Dadurch sind die Funktionen der Stromabnahme und der Aufnahme der mechanischen Belastung durch die Verspannungsmittel des Stacks (1) voneinander entkoppelt. Es wurden handelsübliche PTC-Widerstände der Firma EPCOS eingesetzt, mit einer Leistungsaufnahme von 350 Watt pro PTC-Widerstand bei 24 V. Die PTC-Widerstände können aber auch bei anderen Spannungen betrieben werden. Sie können insbesondere so ausgebildet sein, dass sie an die verfügbare Zellspannung angepasst sind. Als Einzelzellen wurden herkömmliche PEMFC eingesetzt.
• Mit einem derartigen Stack (1) wurde ein Kaltstart bei minus 20 °C simuliert, wobei der zeitliche Verlauf der Temperatur zwischen einer Stromabnehmerplatte (7, 7') und der angrenzenden Randzelle (5, 5') gemessen wurde. Dabei wurden Wasserstoff als Brennstoff und Luft als Oxidationsmittel eingesetzt. Das Ergebnis zeigt 2.
• 2 zeigt, dass der erfindungsgemäße Stack (1) bei minus 20 °C problemlos gestartet werden kann und ohne Schwierigkeiten, wie z.B. Spannungsabfälle in den äußeren Zellen oder Randzellen, bereits nach weniger als 30 s Betriebstemperatur (ca. 80 °C) erreicht hat.

1

erfindungsgemäßer PEM-Brennstoffzellenstapel

(Stack)

2

Einzelzellen

3

innere Zellen

4, 4'

äußere Zellen

5, 5'

Randzellen

6, 6'

Endplatte

7, 7'

Stromabnehmerplatte

8

PTC-Widerstandselement

9, 9'

elektrische Leitungen

10, 10'

Mittelzellen

11

elektrischer Verbraucher

Claims (9)

1. PEM-Brennstoffzellenstapel (PEM-Stack) mit zumindest drei Einzelzellen, die durch metallische Bipolarplatten voneinander getrennt sind, und mit zwei elektrisch isolierenden Endplatten, die den PEM-Stack jeweils an einem der beiden Stapelenden abschließen, und mit zwei metallischen Stromabnehmerplatten, die jeweils zwischen einer, ein Stapelende bildenden Einzelzelle (Randzelle) und einer daran angrenzenden Endplatte angeordnet sind, und die mit den Randzellen in elektrisch und thermisch leitendem Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Heizelemente vorhanden sind, die zwischen den Endplatten, die thermisch und elektrisch isolierend sind, und den metallischen Stromabnehmerplatten angeordnet sind, wobei die elektrischen Heizelemente mit Strom aus zumindest einer im Bereich der Stapelmitte angeordneten Einzelzelle (Mittelzelle) versorgt werden, und wobei die elektrischen Heizelemente in thermisch leitendem Kontakt mit einer angrenzenden metallischen Stromabnehmerplatte stehen.
2. PEM-Stack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten aus einem thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoff ausgebildet sind, bevorzugt aus einem amorphen oder teilkristallinen Hochtemperatur-Thermoplast, weiter bevorzugt aus Polyimid (PI), Polyetheretherketon (PEEK), thermoplastisch verarbeitbarem PI (TPI), Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyphenylensulfid (PPS), besonders bevorzugt aus PTFE.
3. PEM-Stack nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff faserverstärkt ist, bevorzugt glasfaserverstärkt.
4. PEM-Stack nach der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten eine Dicke von 5 bis 35 mm aufweisen, bevorzugt von 10 bis 30 mm, besonders bevorzugt von 15 bis 25 mm.
5. PEM-Stack nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmerplatten aus einen elektrisch und thermisch gut leitenden Metall gebildet sind, bevorzugt aus Al, Cu, Au oder einer Kombination daraus oder aus C, besonders bevorzugt aus vergoldetem Al oder Cu.
6. PEM-Stack nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmerplatten eine Dicke vor 0,1 bis 2,5 mm aufweisen, bevorzugt von 0,5 bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,8 bis 1,5 mm.
7. PEM-Stack nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den elektrischen Heizelementen um Heizfolien oder PTC-Widerstandselemente oder einer Kombination daraus handelt, bevorzugt um PTC-Widerstandselemente.
8. PEM-Stack nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den elektrischen Heizelementen um PTC-Widerstandselemente handelt, die in die Endplatten eingelassen sind.
9. PEM-Stack nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten Nuten aufweisen, in denen die PTC-Widerstandselemente angeordnet sind, wobei die Nuten bevorzugt in die Endplatten eingefräst sind.