ES2233075T3 - Modulo de celula electroquimica utilizado en dispositivos de distribucion de liquido. - Google Patents

Modulo de celula electroquimica utilizado en dispositivos de distribucion de liquido.

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ES2233075T3 ES99945078T ES99945078T ES2233075T3 ES 2233075 T3 ES2233075 T3 ES 2233075T3 ES 99945078 T ES99945078 T ES 99945078T ES 99945078 T ES99945078 T ES 99945078T ES 2233075 T3 ES2233075 T3 ES 2233075T3
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Henri J. R. Maget
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Abstract

Módulo de célula electroquímica (10) que comprende: una membrana electrolítica (20) que tiene unas caras laterales opuestas primera y segunda; unos electrodos primero (23) y segundo (21) que están en contacto con las caras laterales opuestas primera y segunda, respectivamente, de dicha membrana electrolítica; una primera toma de corriente (12) que tiene una parte que está en contacto con el primer electrodo; una segunda toma de corriente (16) que tiene una parte que está en contacto con el segundo electrodo; un casquillo externo conductivo (14) que se extiende desde la primera toma de corriente y rodea la membrana electrolítica, los electrodos y la segunda toma de corriente, comprendiendo el casquillo externo una extensión de dicha primera toma de corriente; caracterizado porque ambos electrodos son permeables y ambas tomas de corriente son permeables al gas.

Description

Módulo de célula electroquímica utilizado en dispositivos de distribución de líquido.
Campo y antecedentes de la invención
La presente invención se refiere en general a dispositivos o módulos de célula electroquímica.
Una célula electroquímica se forma normalmente colocando un electrolito entre un cátodo y un ánodo y en contacto con los mismos. En algunos casos, el electrolito es una membrana electrolítica. Tal célula puede configurarse como una célula energética para generar electricidad o como un módulo de bombeo electroquímico para hacer trabajo mecánico. En el último caso, el voltaje eléctrico se aplica a través del ánodo y el cátodo y se genera gas mediante la célula para aplicar presión de gas exterior en una acción de bombeo. Las bombas electroquímicas de este tipo se utilizan en dispositivos para dispensar líquidos o fluidos de un modo controlado, por ejemplo medicaciones, perfumes y similares. La presión de gas exterior que produce la célula en algunos de estos casos se aplica en una pantalla o membrana flexible para expulsar líquido de una cámara de líquido adyacente con un caudal controlado. Uno de tales dispositivos de distribución se describe en la patente US 4.902.278 de Maget titulada "Fluid Delivery Micropump". En algunos otros casos, la presión del gas se utiliza para mover un émbolo de jeringa y ésta dispensa un fluido, como se describe en la solicitud 08/924.564 mencionada.
En los módulos electroquímicos del estado de la técnica, la membrana electrolítica, los electrodos y las tomas de corriente se aseguran entre sí formando un conjunto de tipo emparedado. Los componentes se superponen formando una disposición plana, paralela y comprimida axialmente mediante una placa extrema con pernos. En los dispositivos de distribución de fluido del estado de la técnica (patente US 4.902.278), el conjunto superpuesto también incluye una batería en contacto con el cátodo de aire. En este caso, se necesita una conexión eléctrica externa para conectar la batería al otro electrodo del otro lado de la membrana electrolítica o ionómero, es decir, el lado que produce la presión del gas. La necesidad de un cable externo supone un problema para montar y obturar el módulo de célula electroquímica en una carcasa de dispositivo de distribución de fluido adecuada. El cable externo también produce problemas cuando se aumenta a escala el módulo de célula electroquímica en dispositivos grandes y en la fabricación en grandes series de los módulos.
La US-A-5.538.605 describe una célula electroquímica independiente generadora de gas. La célula contiene un ánodo que está expuesto al agua o a un material que contiene agua, una membrana o separador conductor de iones y un cátodo formado por un compuesto químico electroquímicamente descomponible que produce agua en presencia de protones y electrones.
Breve descripción de la invención
Según la presente invención, se proporciona un módulo de célula electroquímica según la reivindicación 1.
Es un objeto de la presente invención proporcionar un módulo de célula electroquímica nuevo y mejorado para usar en dispositivos de distribución de líquido y similares
Según la presente invención, se proporciona un módulo o conjunto de célula electroquímica que comprende un casquillo externo de material conductivo que define una cavidad que tiene un primer extremo y un segundo extremo, una membrana electrolítica situada en la cavidad adyacente al primer extremo de la cavidad, unos electrodos permeables primero y segundo situados en lados opuestos de la membrana para ponerse en contacto con la membrana, estando el primer electrodo situado en el primer extremo de la cavidad y un elemento obturador entre el segundo electrodo y el casquillo externo. Se puede conectar una fuente de alimentación de energía entre el segundo electrodo y el casquillo conductivo para aplicar un voltaje eléctrico a los electrodos, actuando el casquillo conductivo como toma de corriente para el primer electrodo.
En esta disposición, no se necesita un cable externo que se extienda por el exterior de la célula electroquímica para conectar el primer electrodo a la fuente de alimentación de energía o batería, ya que el mismo casquillo externo forma la toma de corriente o conexión entre la batería y el electrodo. En una realización preferida de la invención, el casquillo externo o primera toma de corriente forma el primer extremo de la cavidad. Un disco permeable al gas puede formarse íntegramente con el casquillo externo o asegurarse de manera adecuada a través de un primer extremo abierto del casquillo y en contacto eléctrico con el casquillo conductivo. Esta disposición permite que los contactos de los dos electrodos a la batería se hagan en el mismo lado que la membrana de intercambio iónico, evitando la necesidad de tener que usar cables externos o similares. Los componentes del módulo se pueden aislar también de manera fácil con esta disposición, mientras que los módulos que tienen cables externos no siempre se pueden aislar.
De manera preferible, el módulo incluye un casquillo interno encajado en el casquillo externo, teniendo el casquillo interno y el externo partes extremas con forma de disco y permeables al gas entre las que están intercalados la membrana electrolítica y los electrodos. Los casquillos son de material conductivo y forman tomas de corriente para los electrodos correspondientes. Cada parte extrema con forma de disco tiene preferiblemente una pluralidad de ondulaciones que se extienden a través de su superficie, con las ondulaciones de un extremo dispuestas formando ángulo con las del otro extremo. Los extremos de cada toma de corriente tienen cada uno una pluralidad de aberturas para que circule gas hacia y desde los electrodos. Esto permite que haya numerosos puntos de contacto a través de los electrodos y al mismo tiempo permite que circule gas a través de las tomas de corriente. Las ondulaciones permiten que aumente la rigidez estructural y estimulan la conductividad calórica. Al mismo tiempo, la corriente de la célula no se ve afectada. La corriente de la célula depende de la transferencia de masa entre la fase gaseosa (aire) y la superficie del electrodo y depende también de las resistencias transversales (entre toma de corriente y electrodo) y longitudinales (resistencia del electrodo entre los puntos de contacto de las tomas de corriente). La estructura de la toma de corriente ondulada junto con las múltiples aberturas del electrodo aseguran que se pueda conseguir oxígeno del aire en la superficie de los electrodos.
La obturación entre el casquillo externo y el segundo electrodo tiene tres funciones. Primero, aisla eléctricamente la primera toma de corriente de la segunda toma de corriente. En segundo lugar, evita la pérdida de gas u oxígeno comprimido que se ha liberado del primer electrodo al segundo, que queda expuesto al aire ambiente. En tercer lugar, precarga los casquillos para asegurar el contacto entre los electrodos y las tomas de corriente. De manera preferible, el segundo electrodo está en contacto con un extremo de un casquillo anular interno de material conductivo y el obturador comprende un elemento obturador en forma de anillo comprimido entre los casquillos interno y externo en una disposición encajada. Un obturador de tipo radial proporciona una mejor obturación a la membrana que el obturador frontal de la estructura, que puede deformarse fácilmente durante la fabricación. El casquillo externo tiene preferiblemente una superficie externa lisa para aislar fácilmente un elemento obturador externo.
En este módulo o conjunto, los casquillos interno y externo actúan como tomas de corriente para suministrar corriente a los electrodos y como soporte para los electrodos correspondientes y la membrana electrolítica. El casquillo externo también actúa como carcasa modular del módulo de célula electroquímica.
El módulo de célula electroquímica de esta invención proporciona un conjunto modular, de bajo costa y que se puede aumentar a escala, de dos casquillos conductivos encajados que intercalan un obturador flexible y una membrana electrolítica y permiten al mismo tiempo la conexión de ambos electrodos a una fuente de alimentación de energía en el lado del aire ambiente del módulo. El módulo de célula electroquímica se puede usar fácilmente para insertarlo, como componente independiente, en una estructura de sujeción, mientras que al mismo tiempo establece contactos eléctricos en los electrodos de un extremo del módulo. El módulo se puede montar a máquina fácilmente.
Breve descripción de los dibujos
La invención se entiende mejor en la siguiente descripción de algunas realizaciones preferidas, con referencia a los dibujos que se adjuntan, en los que los mismos números de referencia se refieren a las mismas partes, y en los que:
La figura 1, es una vista en planta superior de un módulo de célula electroquímica según una primera realización de la invención.
La figura 2, es una vista en perspectiva aumentada de los componentes del módulo de célula electroquímica antes del montaje.
La figura 3, es una vista en planta inferior del módulo, a mayor escala.
La figura 4, es una vista en sección tomada por la línea 4-4 de la figura 3.
La figura 5, es una vista en sección del casquillo externo del módulo, que muestra la configuración abovedada de la cara ondulada del electrodo.
La figura 6 y última, es una vista en sección transversal vertical de un módulo de bombeo electroquímico según una segunda realización de la invención.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 1 a 5 ilustran un módulo o dispositivo de célula electroquímica 10 según una primera realización de la presente invención. El módulo comprende cuatro partes básicas, como se ilustra mejor en la figura 2 en la que se muestran las partes separadas antes de montarlas. Las partes del módulo son: una primera toma de corriente 12 que está montada en un extremo de un primer casquillo externo 14 y una segunda toma de corriente 16 que está montada en un extremo de un casquillo interno 18, una célula electroquímica de intercambio iónico 20 intercalada entre las tomas de corriente y un anillo obturador 22. La célula electroquímica comprende una membrana electrolítica con electrodos 21, 23 formados íntegramente en lados opuestos de la membrana. Los electrodos comprenden superficies electrocatalíticamente activas unidas a lados opuestos de la membrana. Cada electrodo tiene un diámetro más pequeño que la membrana, como se ilustra en las figuras 2 y 4. El anillo obturador 22 está situado entre el casquillo externo 14 y una parte periférica erguida 37 de la membrana electrolítica cuando las partes están montadas, como se ilustra mejor en la figura 4.
Cada uno de los casquillos 14, 18 es de un material conductivo adecuado y tiene normalmente forma de anillo, con un primer extremo abierto 24, 26, respectivamente, y un segundo extremo a través del cual está montada la toma de corriente 12, 16, respectivamente. Las tomas de corriente pueden formarse íntegramente con los casquillos correspondientes, como se ilustra, o pueden formarse separadas y aseguradas de manera adecuada en una abertura extrema del casquillo mediante adhesivo, contacto por presión o similar. Cada toma de corriente está preferiblemente formada por una pluralidad de ondulaciones paralelas y separadas 28, 30, a través de su superficie y los casquillos están montados de manera que las ondulaciones 28 de una toma de corriente forman ángulo con las ondulaciones 30 de la otra toma de corriente. Cada toma de corriente también tiene una pluralidad de aberturas 32, 34, respectivamente, a través de su superficie, situadas preferiblemente en las depresiones de la cara ondulada que está orientada hacia la membrana electrolítica 20, para asegurar que los picos redondos ininterrumpidos de las ondulaciones se pongan en contacto con la membrana. La membrana electrolítica está apretada entre ondulaciones opuestas de cada punto donde las ondulaciones se cruzan entre si, proporcionando únicamente superficies de apriete continuas y lisas y reduciendo el riesgo de que se dañe el conjunto.
Los casquillos 14, 18 pueden tener otras formas diferentes de la forma cilíndrica, aunque se prefieren las formas cilíndricas por la facilidad de obturación y montaje. Los casquillos pueden ser de materiales que tengan flexibilidad suficiente para compensar el cambio de grosor de la membrana en diferentes condiciones de humedad. En este caso, no se necesita el elemento obturador 22.
El uso de una pluralidad de ondulaciones a través de cada toma de corriente para proporcionar contactos opuestos en los electrodos en cada punto en el que se cruzan entre si ondulaciones opuestas, proporciona buenos puntos de contacto eléctricos y permite al mismo tiempo que circule el gas deseado a través de cada toma de corriente. De manera preferible, la separación de los contactos permite que se reduzcan sustancialmente las pérdidas resistivas. Las placas pueden colocarse formando cualquier ángulo con las ondulaciones. La relación entre el espacio de los agujeros y el espacio de los contactos es crucial y puede optimizarse para una aplicación particular. El espacio de los contactos se hace lo más estrecho posible siempre que proporcione suficiente espacio para las aberturas de circulación de gas, dependiendo del caudal necesario.
Para montar el módulo, el obturador 22, la célula electroquímica 20 y después el casquillo interno 18 se colocan en la cavidad formada por el casquillo externo 14, intercalando el obturador y la membrana 20 entre los casquillos interno y externo. El casquillo externo 14 y el obturador 22 tienen cada uno una altura mayor que la del casquillo interno y el extremo abierto del casquillo externo se pliega o dobla después hacia dentro para formar un borde vuelto hacia dentro 36, formando al mismo tiempo un borde vuelto hacia dentro 38 del obturador 22 y asegurando el obturador 22, la membrana 20 y el casquillo interno 18 dentro del casquillo externo. A la membrana electrolítica 20 también se le da una forma de copa con un borde o pared erguido 37 entre el casquillo interno y el obturador 22, como se ilustra mejor en la figura 4.
El casquillo externo plegado y el casquillo interno sostienen las partes entre sí, y forman también puntos de contacto en el mismo lado que la célula electroquímica para conectar una fuente de alimentación de energía 39 que está alejada con los electrodos mediante unas clavijas o lengüetas de contacto 40. De manera alternativa, se puede colocar una batería (no se muestra) en el casquillo interno para conectar directamente tanto el casquillo interno como el externo a los lados positivo y negativo, respectivamente, de la batería. Se proporcionan unos contactos eléctricos adecuados entre el borde plegado 36 del casquillo externo y un borne de la batería y entre el casquillo interno 18 y el otro borne de la batería, para proporcionar así un voltaje a través de los electrodos. Se puede proporcionar cualquier contacto eléctrico adecuado en una batería acomodada o en una fuente de alimentación de energía separada, por ejemplo clavijas de contacto con presión por muelle, soldadura, estañado y similares. La ventaja de la disposición de casquillos interno y externo encajados consiste en que se pueden proporcionar contactos para ambos electrodos en el mismo lado que el módulo de célula electroquímica, eliminándose así la necesidad de tener que usar cables eléctricos que se extiendan de un lado a otro por la periferia de la célula.
Una muesca anular 42 está preferiblemente formada en el extremo inferior del casquillo externo rodeando la toma de corriente 12. Esto compensa cualquier montaje no paralelo de los casquillos interno y externo.
En una realización preferida de la invención, la pared inferior o base del casquillo externo 14, incluida la toma de corriente ondulada 12, tiene forma abovedada cóncava antes del montaje, como se ve mejor en la figura 5. Esto proporciona una forma de precarga. Cuando se monta la base en una unidad modular como en las figuras 4 y 5, la base adquiere de manera forzada una configuración plana y por tanto se empuja hacia arriba contra las otras partes quedando por encima de las mismas. Esto ayuda a que se mantengan los componentes juntos y proporciona una precarga de los captadores de corriente u ondulaciones contra la célula electroquímica.
El casquillo o caja externa 14 está formado por una cara externa cilíndrica y lisa y unos bordes superior e inferior redondeados, permitiendo que el módulo se pueda insertar fácilmente en un elemento obturador externo.
El material del casquillo se selecciona dependiendo de la corriente necesaria para la célula electroquímica, que determina la conductividad necesaria del casquillo. Otros factores a la hora de seleccionar el material de los casquillos son la resistencia mecánica necesaria, la estabilidad química al ionómero ácido, la resistencia a la oxidación, la resistencia eléctrica a los voltajes que se usan, la conformabilidad para formar las superficies onduladas necesarias y la capacidad para ser procesadas con el fin de formar el extremo plegado sellando el ánodo al cátodo. Los metales conductivos que cumplen estos requisitos son titanio, circonio y algunos aceros inoxidables tales como por ejemplo el Carpenter 20. También se pueden utilizar aleaciones de titanio, tántalo, niobio y circonio. Por ejemplo, se he encontrado que una aleación Ti-Pd con un contenido nominal del 0,2% de Pd, funciona satisfactoriamente. Los casquillos pueden formarse también con material plástico conductivo, por ejemplo sulfuro de polifenileno relleno de carbono o PPS, si la aplicación requiere únicamente una corriente baja. Se puede utilizar también una combinación de plástico conductivo y metal, con los casquillos formados con material plástico conductivo y las paredes extremas o tomas de corriente comprendiendo discos o insertos ondulados de los materiales metálicos descritos, que se pueden unir de manera adecuada para hacer contacto eléctrico con el casquillo de plástico.
La elección del material obturador también es de crucial importancia. El material obturador debe ser inerte, es decir resistente a una membrana electrolítica ácida, resistente a la hidrólisis y resistente a la degradación oxidativa ya que va a quedar expuesto al oxígeno puro según la reacción que se describe después. Como el obturador se apoya directamente sobre la membrana electrolítica 20, debe hacerse con un material que no contamine la membrana o el catalizador. El material obturador también debe ser altamente impermeable al oxígeno y al vapor de agua y tener suficiente resistencia mecánica. Materiales adecuados son elastómeros termoplásticos de poliolefina con una dureza Shore de entre 75 y 90, que no contengan aditivos o extraibles, por ejemplo compuesto de sulfuro o petróleo, que afectan al funcionamiento de la célula electroquímica. Se puede utilizar un elastómero de Santoprene® estabilizado después de añadir un producto de relleno para mantener el petróleo en el material, ya que se debe evitar la filtración de petróleo. El Santoprene® es una marca registrada de la Monsanto Corporation de San Louis, Miss., con licencia a Advanced Elastomer Systems, Inc. También se pueden utilizar de manera alternativa otros materiales de poliolefina.
El módulo de célula electroquímica de esta realización es estanco a la presión, con velocidades de fuga que no sobrepasan los 0,035 cc/h para una diferencia de presiones de 14,7 psi (1,03 kg/centímetro cuadrado) aplicada a un módulo de 1 cm^{2}. Esta disposición reduce las vías para gas y puede proporcionar una velocidad de fuga inferior a 0,005 cc/h para muchos dispositivos de distribución de fluido, o menos de un 1% de fugas con un caudal de fluido tan bajo como 0,5 ml/h. La unidad es autoestable con presiones de trabajo de entre aproximadamente 80 y 90 psi, (5,6 y 6,3 kg/centímetro cuadrado) y puede utilizarse con presiones de trabajo mayores si se añade un soporte central.
El funcionamiento de la célula electroquímica se entiende perfectamente en este campo y se proporcionan detalles de su función. Una célula electroquímica comprende una membrana de intercambio iónico y dos electrodos integrales, uno en cada lado de la membrana. Tales células funcionan con cualquier material reducción/oxidación que sea electroquímicamente activo para reaccionar en el primer electrodo con el fin de producir iones que emigran después a través de la membrana electrolítica 20 y se vuelven a transformar, en el segundo electrodo en un estado molecular, normalmente a forma gaseosa para producir la acción de bombeo deseada. En una realización preferida de la presente invención, la membrana de intercambio iónico 20 es Nafion®, fabricada por E.I. DuPont de Nemours & Co. Se trata de un material ácido que proporciona una reacción que crea oxígeno para proporcionar presión de gas para una acción de bombeo, como se describe en la solicitud en trámite 08/924.564 mencionada, cuyo contenido se incorporan aquí como referencia.
Los detalles de la estructura y la función de un módulo de bombeo electroquímico también se exponen en las patentes US 4.402.317 y 4.522.698 de Maget, ambas tituladas "Electrochemical prime mover". Las dos publicaciones de estas patentes se incorporan aquí como referencia y no es necesario repetirlas con más detalle. Basta con decir que el gradiente de voltaje establecido a través de la célula electroquímica reduce un material electroquímicamente activo, por ejemplo oxígeno atmosférico que entra por los puertos de admisión de aire (no se ilustran), en la toma de corriente 12, transporta iones de hidrógeno a través de la membrana electrolítica 20 hasta los electrodos 23, y regenera las moléculas de gas del material electroquímicamente activo (en este caso oxígeno), que después se desprende a través de las aberturas 32 de la toma de corriente 12. El gas que sale por las aberturas 32 puede suministrarse, por ejemplo, a través de una vía de salida para actuar sobre un diafragma, émbolo o similar para suministrar un caudal controlado de un líquido. Cuando el material electroquímicamente activo es oxígeno atmosférico u oxígeno procedente de otra fuente, al electrodo 23 se le llama electrodo de evolución de oxígeno.
Una forma de gas que se genera en el módulo de célula electroquímica se caracteriza por las siguientes ecuaciones:
(1)^{1}/_{2} O_{2} (Aire) + 2H^{+} + 2e ...............\rightarrow H_{2}O
(2)H_{2}O ...............\rightarrow \ ^{1}/_{2} O_{2}+ 2H^{+} + 2e
en donde:
La reacción (1) se produce en la interfaz entre el material que está fuera del electrodo 21 y la membrana de intercambio iónico 20; y
La reacción (2) se produce en la interfaz entre la membrana de intercambio iónico 20 y el electrodo de evolución de oxígeno 23.
Naturalmente, existen otras reacciones electroquímicas que generan gases tales como hidrógeno que pueden servir para mover el líquido a través del dispositivo. La electrólisis del agua puede producir oxígeno o hidrógeno, como las células galvánicas usando óxidos metálicos tales como óxidos de zinc, níquel, plomo y metales similares. Un ejemplo típico de tal módulo se describe en la patente US 5.242.565 (Winsel). Aunque el oxígeno, el hidrógeno y el aire son los gases que más fácilmente se consiguen mediante reacciones electroquímicas convencionales, no se pretende que la célula electroquímica de esta invención se limite a generar únicamente estos tres. El módulo de célula electroquímica puede generar cualquier gas que: 1) se pueda generar mediante una célula electroquímica que tenga una función similar a la célula de oxígeno que se ha ejemplificado antes, 2) sea inerte o sustancialmente no reactivo con el líquido que se pretenda mover a través del dispositivo de esta invención, y 3) sea inerte al medio ambiente que rodea el dispositivo y a los usuarios del dispositivo, ya que su generación y dispersión tampoco implica el uso o la generación de materiales tóxicos, peligrosos, reactivos o incompatibles en conjunto con la generación del gas objeto.
Se puede permitir que entre aire atmosférico por el extremo superior del módulo para iniciar la reacción y activar la batería mediante cualquier mecanismo, como puede entender cualquiera versado en la materia. Por ejemplo, el módulo de célula electroquímica puede montarse en una carcasa de bomba de un cuerpo de jeringa como se describe en la solicitud en trámite Serial 08/ 924.564 nombrada antes y puede activarse mediante un tapón que se gira para romper una tapa con el fin de distribuir un medio de transferencia de carga a la célula, activando al mismo tiempo la batería o fuente de alimentación de energía.
El módulo de célula electroquímica 10 tiene una construcción simple y de bajo coste y puede incorporarse fácilmente en cualquier sistema de distribución de líquido deseado tal como una jeringa, dispositivo de distribución de medicamento independiente u otros dispositivos de dispensación de líquido controlable. Si se proporciona un obturador radial entre dos cajas o casquillos encajados de material conductivo que forman tomas de corriente, teniendo los casquillos caras extremas entre las que está intercalada la célula electroquímica, se aislan fuerzas axiales en la membrana procedentes de las fuerzas de obturación radial.
El módulo se puede montar fácilmente a máquina y se puede insertar fácilmente como un componente en una estructura de sujeción. Si se proporcionan ambos contactos eléctricos a los electrodos en el mismo lado del módulo, se evitan los problemas de tener que extender cables externos.
El anillo obturador 22 tiene tres funciones. Primero, actúa para aislar eléctricamente el casquillo anódico del casquillo catódico. En segundo lugar, evita la pérdida de oxígeno comprimido que se ha generado en el lado anódico de la célula hacia el lado catódico (es decir, aire ambiente). En tercer lugar, actúa para mantener fuerzas de
contacto.
La figura 6 ilustra un módulo de bombeo electroquímico 60 según otra realización de la invención. En esta realización, la unidad o módulo comprende básicamente una carcasa externa 62 de material conductivo que tiene un agujero pasante 63 con un diámetro gradual que se extiende desde el extremo de entrada 64 al extremo de salida 65, y una célula electroquímica 66 que está ajustada a presión en la parte gradual del agujero pasante 63.
La célula electroquímica 66 comprende básicamente una membrana 68 de un material de intercambio iónico adecuado tal como Nafion® con una primera toma de corriente 69 en un lado de la membrana 68 y una segunda toma de corriente 70 en el lado opuesto de la membrana. Cada toma de corriente es un disco metálico poroso y rígido. A la membrana electrolítica se le da forma de copa, con un borde periférico 72 que forma un asiento para recibir la primera toma de corriente 69 y aislar herméticamente la toma de corriente de la carcasa conductiva 62. La segunda toma de corriente 70 es un ajuste a presión en una primera parte de diámetro gradual 74 del agujero pasante de la carcasa, mientras que el borde periférico 72 de la membrana 68 está diseñado para comprimirlo formando un acoplamiento hermético con una parte de diámetro más grande adyacente 76 del agujero pasante, como se ilustra. La carcasa externa es de cualquier material conductivo adecuado, por ejemplo los materiales descritos antes para el casquillo externo 14 de la primera realización, aunque se prefiere un material de plástico moldeable relleno de carbono tal como PPS conductivo (sulfuro de polifenileno).
Un cojinete conductivo o almohadilla de compresión de caucho conductiva 78 está situado en la carcasa encima de la primera toma de corriente 69. Puede colocarse una placa resistiva 80 encima de la almohadilla 78. Una batería 82 está situada encima de la placa 80. El conjunto o grupo completo de componentes se mantiene comprimido mediante un pasador 84 que está insertado a través del extremo superior de la batería. Una lengüeta de arrastre de plástico aislante 85 o similar puede colocarse debajo del pasador 84 para hacer que empiece a funcionar el sistema de distribución.
En este conjunto, los electrodos (no se ilustran) pueden formarse en las caras internas de los discos porosos 69, 70, que se graban superficialmente y activan mediante negro de platino y después se comprimen contra la membrana 68. La segunda toma de corriente 70 está en contacto conductivo con la carcasa externa y la carcasa actúa como una extensión de la toma de corriente anódica, conectando el ánodo o electrodo que está formado en el disco 70 a un extremo de la batería vía el pasador de metal 84. El extremo opuesto de la batería se conecta directamente a un electrodo o cátodo integral que está en la toma de corriente 69 vía la placa resistiva 80 y la almohadilla conductiva 78. La primera toma de corriente se aisla de la carcasa conductiva y de la segunda toma de corriente mediante el borde saliente 72 de la membrana 68 en el que está alojado, con el material de la membrana actuando como obturador. Esto evita la necesidad de tener que usar cualquier elemento obturador o junta de estanqueidad separado, ya que la misma membrana se utiliza como material obturador.
Como en la primera realización, esta realización permite que ambos electrodos se conecten a la batería por un lado de la membrana de intercambio iónico y evita la necesidad de utilizar cables externos entre el ánodo y la batería. En ambas realizaciones, las fuerzas de obturación son radiales en vez de axiales, proporcionando así una obturación y direcciones de contacto independientes para asegurar que continúe el contacto eléctrico durante las desviaciones producidas por la presión.
En las realizaciones de las figuras 1 a 5, la célula electroquímica tiene electrodos integrales en lados opuestos, que se forman mediante superficies electrocatalíticamente activas que están unidas de manera estrecha a la membrana. Sin embargo, en una realización alternativa, los electrodos se pueden formar íntegramente con las paredes extremas 12, 16 de los casquillos de las tomas de corriente. En esta realización alternativa, las superficies de las tomas de corriente orientadas hacia la membrana se activan electrocatalíticamente y se fuerzan para se pongan en contacto estrecho con la membrana.
Aunque se ha descrito una realización preferida de la invención sólo a modo de ejemplo, aquellos versados en la materia deben entender que se pueden hacer modificaciones de la realización descrita sin alejarse del objeto de la invención, que se define en las reivindicaciones en anexo.

Claims (16)

1. Módulo de célula electroquímica (10) que comprende:
una membrana electrolítica (20) que tiene unas caras laterales opuestas primera y segunda;
unos electrodos primero (23) y segundo (21) que están en contacto con las caras laterales opuestas primera y segunda, respectivamente, de dicha membrana electrolítica;
una primera toma de corriente (12) que tiene una parte que está en contacto con el primer electrodo;
una segunda toma de corriente (16) que tiene una parte que está en contacto con el segundo electrodo;
un casquillo externo conductivo (14) que se extiende desde la primera toma de corriente y rodea la membrana electrolítica, los electrodos y la segunda toma de corriente, comprendiendo el casquillo externo una extensión de dicha primera toma de corriente;
caracterizado porque ambos electrodos son permeables y ambas tomas de corriente son permeables al gas.
2. Módulo según la reivindicación 1, en donde las partes de las tomas de corriente que están en contacto con los electrodos correspondientes (21, 23) tienen forma de disco y cada una tiene una pluralidad de ondulaciones (28, 30), extendiéndose las ondulaciones de una parte de la toma de corriente formando ángulo con las de la otra parte de la toma de corriente.
3. Módulo según la reivindicación 2, en donde cada parte de toma de corriente tiene una pluralidad de aberturas (32, 34) para que circule gas desde y hacia lados opuestos de la membrana electrolítica (20).
4. Módulo según la reivindicación 3, en donde cada parte de toma de corriente tiene una primera cara ondulada que está orientada hacia la membrana electrolítica (20), comprendiendo la primera cara ondulada una pluralidad de depresiones y picos, estando cada pico en contacto con la cara opuesta de la membrana electrolítica y estando las aberturas (32, 34) situadas a intervalos separados a lo largo de cada depresión y separadas de la membrana electrolítica.
5. Módulo según la reivindicación 1, en donde la parte de dicha primera toma de corriente (12) que está en contacto con el electrodo comprende una pared extrema de dicho casquillo externo (14).
6. Módulo según la reivindicación 5, que incluye un casquillo interno (18) encajado dentro de dicho casquillo externo (14) y tiene una pared extrema que comprende dicha parte de dicha segunda toma de corriente (16) que está en contacto con el electrodo, estando la membrana electrolítica (20) y los electrodos (21, 23) intercalados entre las paredes extremas de dichos casquillos interno y externo.
7. Módulo según la reivindicación 6, que incluye un elemento obturador (22) entre dichos casquillos interno (18) y externo (14).
8. Módulo según la reivindicación 1, en donde el casquillo externo (14) comprende una carcasa (62) que tiene un agujero pasante (63) con un diámetro gradual, teniendo el agujero pasante una primera parte gradual (74) y una segunda parte gradual (76) con un diámetro mayor que el de la primera parte gradual, comprendiendo la primera toma de corriente (12, 69) un disco ajustado a presión en dicha primera parte gradual, comprendiendo la membrana (20, 68) un elemento con forma de copa que tiene una cara plana que está en contacto con dicho primer electrodo (23) y una segunda cara rebajada que contiene dicho segundo electrodo (21) y dicha segunda toma de corriente (16, 70), estando la membrana y dicha segunda toma de corriente ajustadas a presión en dicha segunda parte gradual, y aislando dicha membrana dicha segunda toma de corriente de dicha carcasa conductiva.
9. Módulo según la reivindicación 1, en donde la primera toma de corriente (12) es ondulada y una base del casquillo externo (14) tiene forma abovedada cóncava antes del montaje.
10. Módulo según la reivindicación 1, en donde
el casquillo externo (14) define una cavidad que tiene un primer extremo y un segundo extremo;
la membrana electrolítica (20) está situada en la cavidad adyacente al primer extremo de la cavidad;
los electrodos primero (23) y segundo (21) están situados en lados opuestos de la membrana, estando el primer electrodo situado entre la membrana y el primer extremo de la cavidad;
el casquillo externo tiene una parte permeable al gas que está en contacto con el primer electrodo y comprende la primera toma de corriente (12);
la segunda toma de corriente (16) está en contacto con el segundo electrodo; y comprende además
contactos eléctricos (40) en la segunda toma de corriente y en el casquillo externo en el mismo lado de la membrana que el segundo electrodo para conectar una fuente de alimentación de energía (39) a través de los electrodos.
11. Módulo según la reivindicación 10, en donde el casquillo externo (14) comprende un elemento con forma de copa que forma dicha cavidad y tiene una primera pared extrema cerrada con una pluralidad de aberturas (32) y un segundo extremo abierto (24).
12. Módulo según la reivindicación 11, en donde la primera pared extrema comprende un disco formado íntegramente con el casquillo externo (14).
13. Módulo según la reivindicación 11, que incluye un casquillo interno con forma de copa (18) para encajar dentro del casquillo externo (14), teniendo cada uno de los casquillos interno y externo una pared cilíndrica y una pared extrema y comprendiendo la pared extrema de los casquillos interno y externo dichas tomas de corriente permeables al gas primera (12) y segunda (16), respectivamente, para los electrodos primero (23) y segundo (21), definiendo las paredes cilíndricas de los casquillos un espacio intermedio anular, y estando situado un elemento obturador (22) en forma de anillo en dicho espacio intermedio para aislar el casquillo interno del casquillo externo.
14. Módulo según la reivindicación 13, en donde la pared cilíndrica del casquillo externo (14) y el anillo obturador tienen una altura mayor que la de la pared cilíndrica del casquillo interno (18) y el segundo extremo del casquillo externo está plegado hacia el interior por encima del extremo abierto (26) del casquillo interno, teniendo el anillo obturador un extremo comprimido entre el extremo plegado del casquillo externo y el extremo del casquillo interno.
15. Módulo según la reivindicación 14, en donde la primera pared extrema del casquillo externo (14) tiene forma de bóveda en una condición no sometida a tensión y se deforma hasta una condición lisa al plegar el segundo extremo del casquillo externo sobre el casquillo interno (18), comprendiendo la pared extrema deformada del casquillo externo medios de empuje para empujar las paredes extremas de las tomas de corriente (12, 16) contra dicha membrana.
16. Módulo según la reivindicación 11, en donde la pared extrema del casquillo externo (14) tiene una parte central que se extiende a través de dicho primer electrodo (23) y una cara externa con una muesca anular (42) se extiende alrededor de dicha parte central.
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