Die Erfindung betrifft eine rahmenförmige Unterdichtungsanordnung, umfassend zwei miteinander fest verbundene Kunststofffolien mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die Kunststofffolien einen rechteckigen Umfang und mittig eine rechteckige Öffnung zur Aufnahme einer rechteckigen Membran Elektroden-Einheit zwischen den beiden Kunststofffolien aufweisen, wobei die Kunststofffolien weiterhin mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrochemische Zelle mit mindestens einer solchen rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung.

Derartige Unterdichtungsanordnungen aus Kunststofffolie zur Halterung von Memb- ran-Elektroden-Einheiten in elektrochemischen Zellen sind bekannt und werden häufig auch unter dem englischsprachigen Begriff „Subgasket“ beschrieben. Eine Membran- Elektroden-Einheit umfasst üblicherweise eine dünne Polymerelektrolytmembran, die auf einer Seite eine erste Elektrodenschicht, die als Anode fungiert, und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Elektrodenschicht, die als Kathode fungiert, aufweist. Die Elektrodenschichten sind in der Regel jeweils mit einem Katalysatormatenal belegt. Eine solche Membran-Elektroden-Einheit wird dabei zwischen zwei dünnen Kunststofffolien fixiert, wobei die beiden dünnen Kunststofffolien fest miteinander verbunden werden und die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung für die Membran- Elektroden-Einheit ausbilden.

Die DE 10 2013 217 759 A1 oder auch die DE 10 2012 214 268 A1 beschreiben rahmenförmige Unterdichtungsanordnungen zum Einsatz in Brennstoffzellenstapeln.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die mechanische Stabilität einer derartigen rahmenförmige Unterdichtungsanordnung zu verbessern. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Zelle mit einer derart verbesserten rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung bereitzustellen. Die Aufgabe wird für die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung umfassend zwei miteinander fest verbundene Kunststofffolien und mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die Kunststofffolien einen rechteckigen Umfang und mittig eine rechteckige Öffnung zur Aufnahme einer rechteckigen Membran Elektroden-Einheit zwischen den beiden Kunststofffolien aufweisen, wobei die Kunststofffolien weiterhin mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen aufweisen, dadurch gelöst, dass ein Randbereich der Kunststofffolien zumindest in Teilbereichen ihres Umfangs um 180° auf die erste Seite und/oder auf die zweite Seite umgefaltet ist.

Die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung ist aufgrund der Faltung im Randbereich der beiden fest miteinander verbundenen Kunststofffolien mechanisch verstärkt und dadurch besser handhabbar. Der somit verstärkte und dickere Rand der rahmenförmige Unterdichtungsanordnung lässt sich dadurch genauer positionieren und bietet einen stabilen Anschlag bei einer solchen Positionierung, beispielsweis beim Aufbau einer Stapelanordnung unter Ausbildung mehrerer elektrochemischer Zellen. Dabei ist zwischen den an die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung auf deren erster Seite und deren zweiter Seite angrenzenden Elektrodenplatten oder Bipolarplatten in einer elektrochemischen Zelle eine verbesserte elektrische Isolation vorhanden, da die Faltung zwischen den Elektrodenplatten oder Bipolarplatten angeordnet ist. Zudem ist dort ausreichend Bauraum für die Faltung vorhanden.

Es hat sich bewährt, wenn der Randbereich der Kunststofffolien an ihrem kompletten Umfang um 180° auf die erste Seite umgefaltet ist. Dadurch erhält die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung allseitig eine gute mechanische Stabilität und Handhabbarkeit.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung ist der Randbereich der Kunststofffolien in mindestens einem ersten Teilbereich ihres Umfangs auf die erste Seite und in mindestens einem zweiten Teilbereich ihres Umfangs auf die zweite Seite umgefaltet. Der Randbereich der Kunststofffolien kann dabei einmal umgefaltet oder mindestens zweimal umgefaltet sein. Eine Mehrfach-Faltung erhöht die Stabilität der rahmenförmige Unterdichtungsanordnung noch weiter.

Es hat sich bewährt, wenn weniger als 3 % der Länge der rahmenförmige Unterdichtungsanordnung beidseitig umgefaltet sind. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn weniger als 5 % der Breite der rahmenförmige Unterdichtungsanordnung beidseitig umgefaltet sind. Wird allerdings ein zu kurzer Bereich der Kunststofffolien umgefaltet, besteht die Gefahr, dass die Faltung nicht ausreichend formstabil ist und sich der umgefaltete Bereich wieder aufrichtet.

Die Kunststofffolien sind bevorzugt aus einem Kunststoff vom Typ Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN) gebildet.

Die beiden fest miteinander verbundenen Kunststofffolie weisen insbesondere eine Dicke im Bereich von 50 bis 250 pm auf. Somit weist eine einzelne Kunststofffolie eine Dicke im Bereich von 25 bis 125 pm auf. Derart dünne Kunststofffolien sind wenig formstabil und in der maschinellen Handhabung aufwendig, so dass sich hier die mechanische Stabilisierung der beiden fest miteinander verbundenen Kunststofffolien durch den umgefalteten Randbereich besonders positiv auswirkt.

Die im Randbereich der Kunststofffolien gebildete Faltung ist in einer bevorzugten Ausbildung lediglich durch ein Knicken der Kunststofffolien erzeugt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Faltung aber auch durch eine nachfolgende lokale thermische Behandlung der Kunststofffolien, bei der sich überlappende Bereiche der Kunststofffolien lokal oder großflächig miteinander verschmolzen werden, fixiert werden. Möglich ist hier auch, dass die Faltung mittels eines Klebstoffs fixiert wird, wobei der Klebstoff vor oder nach der Ausbildung der Faltung im Randbereich aufgetragen werden kann. Dabei kann es sich um einen photoreaktiven Klebstoff handeln. Die Aufgabe wird weiterhin für die elektrochemische Zelle, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, gelöst, indem diese mindestens eine erfindungsgemäße rahmenförmige Unterdichtungsanordnung sowie eine mit der rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung verbundene Membran Elektroden-Einheit umfasst.

Dabei ist die Membran Elektroden-Einheit insbesondere die rechteckige Öffnung in den Kunststofffolien bedeckend zwischen den beiden Kunststofffolien befestigt. Insbesondere ist die Membran-Elektroden-Einheit mit den Kunststofffolien im Randbereich um die rechteckige Öffnung in den Kunststofffolien fluiddicht verschweißt oder verklebt.

In einer elektrochemischen Zelle wird die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung mit derMembran-Elektroden-Einheit zwischen zwei Elektrodenplatten oder Bipolarplatten angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung der elektrochemischen Zelle wird zwischen jeder Elektrodenplatte oder Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden- Einheit mindestens eine Fluiddiffusionsschicht angeordnet.

Die Figuren 1 bis 7 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern. So zeigt:

Figur 1 eine einzelne Kunststofffolie in der Draufsicht,

Figur 2 eine erste rahmenförmige Unterdichtungsanordnung,

Figur 3 einen Schnitt III - III' durch die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung nach Figur 2,

Figur 4 eine alternative Schnittdarstellung durch eine rahmenförmige Unterdichtungsanordnung mit einer Doppelfaltung im Randbereich,

Figur 5 eine weitere alternative Schnittdarstellung durch eine rahmenförmige Unterdichtungsanordnung mit einem teilweise auf die erste Seite und teilweise auf die zweite Seite gefalteten Randbereich,

Figur 6 die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung gemäß Figur 2 mit aufgebrachter Membran-Elektroden-Einheit, und

Figur 7 eine Stapelanordnung elektrochemischer Zellen. Figur 1 zeigt eine einzelne Kunststofffolie 1 a in der Draufsicht auf die von der Kunststofffolie 1 a aufgespannte Ebene. Die Kunststofffolie 1 a weist einen rechteckigen Umfang U und mittig eine rechteckige Öffnung 2 zur Aufnahme einer rechteckigen Membran Elektroden-Einheit 10 (vergleiche Figur 6) auf. Die Kunststofffolie 1a weist weiterhin mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen 3 auf. Die Ecken E der Kunststofffolie 1a können optional in einem 45°-Winkel abgetrennt werden. Im Randbereich R der Kunststofffolie 1 a ist eine Faltungslinie 4 angedeutet, entlang welcher später umgefaltet werden soll. Zur Bildung einer rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung 1 (vergleiche Figur 6) werden zwei solche baugleichen Kunststofffolien 1 a miteinander fest verbunden, wobei zwischen den beiden Kunststofffolien 1 a eine rechteckige Membran- Elektroden-Einheit 10 fixiert wird.

Figur 2 zeigt eine erste rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 zur besseren Übersicht ohne eine Membran-Elektroden-Einheit (10). Die erste rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 weist eine Länge L und eine Breite B auf, wie diese nach Einbringen der Faltung 5 an den Faltungslinien 4 der beiden fest miteinander verbundenen Kunststofffolien 1 a gemäß Figur 1 vorliegt. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Der Randbereich R der Kunststofffolien 1a ist allseitig am Umfangs U um 180° auf die erste Seite A der rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung 1 einfach umgefaltet.

Figur 3 zeigt den Schnitt III - III' durch die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 nach Figur 2. Dabei sind hier die zwei separaten, aber fest miteinander verbundenen Kunststofffolien 1 a durch die gestrichelte Linie voneinander getrennt dargestellt. Die Faltung 5 des Randbereichs R der Kunststofffolien 1 a ist allseitig auf die erste Seite A der rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung 1 gelegt, während die zweite Seite C der rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung 1 ohne überlappende Folienbereiche vorliegt.

Figur 4 zeigt eine alternative Schnittdarstellung durch eine rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 ' mit einer doppelten Faltung 5' im Randbereichs R der Kunststofffolien 1 a. In Figur 4 wurde auf eine Darstellung der zwei separaten, aber fest mit- einander verbundenen Kunststofffolien 1a der besseren Übersicht halber verzichtet.

Auch hier ist die doppelte Faltung 5' auf die erste Seite A der rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung 1 gelegt.

Figur 5 zeigt eine weitere alternative Schnittdarstellung durch eine rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 " mit einem teilweise auf die erste Seite A und teilweise auf die zweite Seite C der rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 " gefaltetem Randbereich R. In Figur 5 wurde auf eine Darstellung der zwei separaten, aber fest miteinander verbundenen Kunststofffolien 1 a der besseren Übersicht halber verzichtet. So ist im Bereich der Längsseiten der Kunststofffolien 1 a eine Faltung 5 auf die erste Seite A erfolgt, während im Bereich der kurzen Seiten der rechteckigen Kunststofffolien 1 a eine Faltung 5" auf die zweite Seite C erfolgt ist.

Figur 6 zeigt die rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 gemäß Figur 2 mit zwischen den beiden Kunststofffolien 1 a fixierter Membran-Elektroden-Einheit 10, welche hier die Öffnungen 2 in den Kunststofffolien 1a bedeckt und mit den Kunststofffolien 1 a fluiddicht verbunden ist. Die Lage der Membran-Elektroden-Einheit 10 zwischen den beiden Kunststofffolien 1a ist mit gestrichelter Linie angedeutet.

Figur 7 zeigt eine Stapelanordnung 21 mehrerer elektrochemischer Zellen 20, hier einen Brennstoffzellenstapel. Jede elektrochemische Zelle 20 umfasst eine rahmenförmige Unterdichtungsanordnung 1 mit einer Membran-Elektroden-Einheit 10 zwischen zwei Bipolarplatten 6, welche ebenfalls Fluiddurchtrittsöffnungen 3' aufweisen, welche deckungsgleich zu den Fluiddurchtrittsöffnungen 3 der rahmenförmigen Unterdichtungsanordnung 1 aufweisen. Die Bipolarplatten 6 weisen beiderseits Aktivfelder 7 auf, die an die Membran-Elektroden-Einheit 10 angrenzend angeordnet sind. Die Membran-Elektroden-Einheit 10 umfasst eine nicht gesondert dargestellte dünne Polymerelektrolytmembran, die auf einer Seite eine erste Elektrodenschicht, die als Anode fungiert, und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Elektrodenschicht, die als Kathode fungiert, aufweist. Die Elektrodenschichten sind in der Regel jeweils mit einem Katalysatormaterial belegt und ebenfalls nicht gesondert dargestellt. Bezuqszeichenliste

1 , 1 ', 1" Rahmenförmige Unterdichtungsanordnung

1a Kunststofffolie

2 rechteckige Öffnung

3 Fluiddurchtrittsöffnung in Kunststofffolie 1a

3' Fluiddurchtrittsöffnung in Bipolarplatte 6

4 Faltungslinie

5, 5', 5" Faltung

6 Bipolarplatte

7 Aktivfeld

10 Membran-Elektroden-Einheit

20 Elektrochemische Zelle

21 Stapelanordnung

A erste Seite

C zweite Seite

U Umfang

R Randbereich

E Eckenbereich

L Länge der Kunststofffolie

B Breite der Kunststofffolie