CN103189546B - 氧浓缩器和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过电解大气中的湿气而产生氧气流的氧浓缩器。所述氧浓缩器包含接触质子传导膜(12)相反侧的阴极(24)和阳极(26)。催化设备(14)包含扩散层(28)，所述扩散层(28)将催化剂(30)与阴极间隔开。阴极和催化设备包含在阴极室之内，所述阴极室包括用于使受控的空气流到达催化剂的通风装置(44)。在操作当中，水在阳极处电解，而在阴极处产生的氢流经扩散层到达催化剂，在那里氢与大气氧反应形成水，所述水流回到质子传导膜用于进一步的电解。

Description

氧浓缩器和方法
本发明涉及氧浓缩器和用于从空气(如环境空气)浓缩氧的方法。
文献中有证据表明向伤口部位供应氧可促进伤口愈合。这适用于人类和动物两者。该技术被称为局部氧疗法，并促进新鲜皮肤组织的生长以使伤口闭合和愈合。
在大多数情况下，患肢被置于室(US4003371和US3744491)或袋(US5154697和US5478310)内，而将氧从氧气瓶进给到所述室或袋。这对于很多患者来说是不切实际的，因为其局限了患者的活动性。为改进局部氧疗法，将期望有更方便的氧供应。
在一种替代方法中，如US5578022、US5788682和US5855570中所描述的，电解装置可结合到置于伤口上方的绷带之中或之上。电解装置的阴极暴露于空气以形成过氧化氢，所述过氧化氢溶解于与阴极相邻的质子传导膜中。过氧化氢扩散穿过膜到达阳极，在阳极处分解形成水和传送至伤口的氧。过氧化氢的存在是很重大的问题，因为它可杀死健康细胞。因此，期望能够产生用于愈合伤口的纯氧而不使用过氧化氢中间体。令人遗憾的是，所有已知的质子传导膜都是高酸性的，并且在这些条件下当氧在阴极处离子化时便形成了过氧化氢。
电解氧生成的一种替代方法是电解水以产生氢和氧，并防止氧接触阴极。这避免了过氧化氢的产生。WO2006/092612在一个实施方案中描述了电解氧发生器，其中从水源或储水器将水供应至质子传导膜。水在阴极和阳极之间在所述膜的任一侧被电解从而在阳极处形成氧并在阴极处形成氢。在邻近阴极处提供催化设备以避免将氢自氧发生器释放进大气中，以及以减少通过氧发生设备消耗的水。催化设备包括通过可透气/可透液膜而与阴极隔开的催化剂层。催化剂层暴露于空气。在阴极处产生的氢扩散穿过可透气/可透液膜到达催化剂，在那里它和大气氧反应形成水。因而，氢没有被释放到大气中。至少一部分水穿过可透气/可透液膜扩散回到阴极和质子传导膜，以补充自水源提供的水。
发明人已测试了这类电解氧发生器，其作为可由患者佩戴的便携式、非固定的设备而实施。来自氧发生器的氧气供料被进给到覆盖伤口的适当设计的加压敷料用于治疗。在这些测试中，氧发生器由可再充电电池供以动力，并且已发现相比于需要对电池再充电，需要明显更经常地补充水源。
期望尽可能长时间地运行便携式氧发生器而无需对电池再充电或补充水源。本发明旨在解决该问题。
发明内容
本发明提供了氧浓缩器，浓缩氧的方法和供氧装置。
本发明提供了一种氧浓缩器，而不是氧发生器。这反映了根据本发明的设备不具有储水器且无需储水器这一事实。
在第一方面，本发明可因而有利地提供一种氧浓缩器，所述氧浓缩器包含质子传导膜；与膜的第一和第二面相接触的阴极和阳极；包含催化剂和扩散层的催化设备，所述扩散层将催化剂与阴极间隔开；以及限定阴极室的外壳。催化设备包含在阴极室内并且外壳包括用于使空气流动至催化剂的通风装置。
在使用中，在阴极和阳极之间施加电压，以电解质子传导膜中的水。水最初通过大气中湿气提供。电解在阳极处产生氧并在阴极处产生氢。氢穿过将催化剂与阴极隔开的扩散层(或可渗透层)。在催化剂处，氢与大气氧在阴极室内反应，以生成水。水穿过扩散层回到阴极和质子传导膜用于进一步的电解。
出乎意料的是，发明人已发现氧浓缩器可连续运行，无需除了大气中的湿气之外的水供应，即使在低湿度水平下亦如此。换句话说，氧浓缩器有利地无需储水器并且可电解仅源自空气中湿气和源自催化剂的水。如上文所述，用于浓缩来自大气的氧以用于局部氧疗法的电解装置已被提出，但在这些现有技术装置中阴极被暴露于空气形成在与阴极相邻的质子传导膜中溶解的过氧化氢。如上文所述，过氧化氢的产生是很重大的问题。相比之下，本发明提供了一种氧浓缩器，其通过水电解而运行，并且其中阴极有利地未暴露于大气氧。发明人已发现提供位于与阴极非常接近或与阴极直接相邻的催化剂设备将阴极产生的氢转变为水，并将水再循环至质子传导膜，由于这几乎没有水损失，所以实施本发明的氧浓缩器可无需储水器而运行。技术人员将预期对于通过水的电解连续产生氧而言储水器是必需的，而这与技术人员的预期和技术偏见完全相反。
氧浓缩器的性能通过通风装置的作用而得以增强，所述通风装置允许空气流动至催化剂，使得阴极产生的氢可与大气氧反应。
在一个可再进一步地改善氧浓缩器的性能的优选实施方案中，期望将通风装置布置为控制进入或通过阴极室的空气流动，以这样一种方式使得阴极室的通风在预定的上限和下限之间。发明人已在实验上确定在上限和下限之间的通风水平，或者空气流动或空气扩散的水平使得能够提高浓缩器的运行。发现如果阴极室的通风降至低于预定的下限或升至高于预定的上限，则电解池的电阻增加。但是如果阴极室的通风处于预定的上限和下限之间，则可连续地保持氧浓缩器的高效率。期望产生有利的氧气流的良好电效率以使得氧浓缩器、如便携式氧浓缩器能够自电源如电池的独立(self-contained)源运行尽可能长的时间。
尚未完全理解在最佳通风范围之外运行效率降低所涉及的电化学过程。然而，发明人认为氧浓缩器的运行如下：
如果阴极室的通风低于预定的水平，则认为不充足的大气氧到达催化剂与在阴极处产生的所有氢反应。在这种情况下，氢可被释放进大气中且可减少从催化剂到质子传导膜的水的再循环。因此，水的电解可减慢并最终停止。
如果阴极室的通风高于预定的水平，则在阴极处产生的基本上所有的氢可与大气氧在催化剂处充分地反应产生水。然而，一些水可进入(或蒸发入)通入阴极室的空气中并且被从催化剂带走进入大气中。这减少了再循环到质子传导膜的水量，使得电解速率可能减慢。据信该效应可随着环境空气或环境大气的湿度而变化。如果环境湿度非常高，则损失到大气的水量可被减少，且作为大气中湿气存在的更多的水可被吸取到扩散层中并穿过所述层到达质子传导膜。相比之下，如果环境湿度非常低，则更多的水可从催化剂损失到大气中，且更少的湿气可被吸引进入扩散层并传到质子传导膜。
在期望的阴极室通风范围内，充分的大气氧可到达催化剂与在阴极处产生的基本上所有的氢反应，并有利地大部分水可穿过扩散层回到质子传导膜用于进一步电解。优选没有、或只有非常小部分的水可损失到通入阴极室的空气中去。
据信催化设备可凭借跨其厚度的扩散梯度来运行。因为氢在催化剂处被转化成水，在阴极处产生的氢可沿从阴极到催化剂的扩散梯度而扩散，而由于水在质子传导膜处被电解，在催化剂处产生的水可朝着质子传导膜扩散下来扩散梯度。因此，阴极室的通风应足够高以使得到达催化剂的基本上所有的氢反应，并且应足够低以使得在催化剂处产生的水往往朝着质子传导膜扩散而不是损失进入大气中。
可能期望氧浓缩器的性能随着环境空气的湿度而变化。在实践中，发明人已发现由氧浓缩器产生的氧处于与环境空气基本相同的湿度。因此，应理解，进入阴极室的环境湿气和通过催化设备的水的有效再循环的组合足以使得能够在非常宽范围的环境湿度下连续地产生氧。浓缩器可能不能够在极低的环境湿度下运行(例如在实施本发明的一种氧浓缩器的测试中，发明人在低至37％相对湿度下获得令人满意的运行，尽管设计的改良可使得在更低的相对湿度，如25％或甚至10％下运行)，但是可要指出的是，浓缩器的有利应用是在用于局部氧疗法的非固定设备中产生氧。发明人已发现，如果氧浓缩器被佩戴在衣服内，则接近佩戴者的身体意味着湿度可足以允许在预定的流速下连续地产生氧，即使衣服外的环境湿度水平不利地很低时也是如此。
有利地，因为氧浓缩器通过电解水而运行并且防止大气氧到达阴极(凭借催化设备的存在)，所以不形成过氧化氢。
原理上，氧浓缩器基本上可以具有任意尺寸，但其使用在便携式装置中特别有利。在便携式或非固定装置中，无需提供并补充储水器意味着浓缩器可有利地运行长的时间段。运行时期仅受限于能源，且已发现使用可再充电电池的方便尺寸的便携式装置在电池需要再充电之前可运行一周或更长时间。
便携式氧浓缩器可包含质子传导膜，所述质子传导膜在阴极和阳极之间的活性面积为150mm2至2000mm2、优选300mm2至1000mm2、特别优选400mm2至600mm2。例如，质子传导膜的活性面积可为直径25mm的圆。(阳极、阴极、扩散层和催化剂的面积和形状可有利地均与膜的活性面积和形状相同。)这种在约1.2V电压和60mA电流下运行的单电池可以以约15ml/小时连续地产生氧。这对于用于供应至覆盖伤口的合适加压敷料而言是方便的供氧速率。
质子传导膜、阴极、阳极、催化剂和扩散层均可以呈平面层的形式，互相接触以形成层的堆叠体。有利地，阴极和阳极可以以层的形式涂布在质子传导膜的第一和第二面上以形成膜电极组合件(MEA)，而催化剂可以以层的形式涂布到扩散层的一面上。在组装的氧浓缩器中，扩散层可随后被压制成与阴极接触。
必需在阴极和阳极之间提供电压。在一个优选的实施方案中，这可通过在阴极侧导电片和阳极侧导电片之间放置上述的层的堆叠体而实现，所述阴极侧导电片和阳极侧导电片可以与电源连接。在该实施方案中，扩散层必须是导电的以将电流从阴极侧导电片传送至阴极。
阴极侧导电片应为多孔的或穿孔的以使空气流动至催化剂。类似地，阳极侧导电片应为多孔的或穿孔的以使氧从阳极流走。两个导电片可方便地实施为穿孔的或带孔的金属片。这些应是抗腐蚀的，例如不锈钢片。
有利地，阴极侧导电片和阳极侧导电片可被压靠在上述层的堆叠体的相反侧，并可以具有与质子传导膜的活性面积和形状相对应的预定面积和形状。阴极室的内部横截面积和形状可有利地与所述膜的活性部分的面积和形状基本相同(设置有间隙以使催化设备和其它组件可安装至阴极室中)。垂直于所述膜测量的阴极室的深度应足以容纳催化设备和任何阴极侧导电片，并允许足够的通风以使得空气可流至催化剂。
因此，阴极室的深度可以大于0.4mm、0.6mm、1mm或2mm，并小于10mm、7mm或5mm。
氢在跨整个质子传导膜的整个活性区域上产生，并可直接扩散穿过扩散层从阴极到达催化剂。因此，重要的是，催化剂的整个区域应该通风。
为了实现这一点，通风装置可有利地包含一个或更多个限定为穿过阴极室的外壳壁的通风孔。阴极室中的通风水平可与一个或更多个通风孔的总面积相关。对于实施本发明的典型的氧浓缩器，一个或更多个通风孔的总面积可为7mm2至80mm2、优选10mm2至40mm2、特别优选12mm2至20mm2。
除了提供一个或更多个通风孔，阴极室还可以充满多孔材料，如泡沫或烧结材料。这可有利地允许空气流动或扩散穿过阴极室，但可充当使通风缓和的挡板以防止大量的空气流或气流穿过阴极室。
如上所述，氧浓缩器可在不同尺寸范围内实施。因此，通风装置可替代地按照氧浓缩器的尺寸、特别是质子传导膜的活性面积的大小来限定。因而，所述膜的活性面积可以是一个或更多个通风孔的总面积的10至70倍、优选25至55倍、尤其优选30至45倍。
阴极室的通风可能受其形状的影响。因而，为了通风装置的有利性能，阴极室的深度可限定为与阴极室的横向尺寸或最大横向尺寸成比例。例如，阴极室的横向尺寸可为其深度的10至70倍，或优选25至50倍。
在一个优选的实施方案中，为实现跨催化剂的整个区域的通风，通风装置可跨阴极室的横向尺寸分布。例如，通风装置可以呈两个或更多个在外壳壁的不同位置处隔开的通风孔的形式。
发明人已发现，氧浓缩器的最佳运行优选地在0.75V至2V、更优选在1V至1.5V、尤其优选在约1.2V的施加电压下实现。这些是施加到单电池(例如在如上所述的阴极侧导电片和阳极侧导电片之间)的电压。在阴极和阳极之间测得的单电池电势可小于施加的单电池电压，但发明人已测量到大于80％，或大于90％的单电池效率，所以据信在单电池内的电压损失很小。
对应于上述的电压，氧浓缩器可有利地在质子传导膜的活性区域上的电流密度为50A·m-2至250A·m-2、优选75A·m-2至200A·m-2、尤其优选100A·m-2至150A·m-2下运行。
已发现这些电学条件可有利地按所述阳极每500mm2面积计，从所述阳极产生(在大气压力或环境压力下测得的)最高达30ml/小时的氧气流。在实践中，对于局部氧疗法而言，在一个优选的实施方案中氧可在轻微加压的压力下，例如在大气压之上约50毫巴下产生。更一般而言，阳极室可在与阴极室不同的压力下运行。因此，阳极室和阴极室应彼此密封地隔离，以防止气体在它们之间流动。这提供了防止在阳极处产生的氧与阴极接触的进一步优势，在阳极处产生的氧与阴极接触可能不利地导致过氧化氢的形成。
为了使得能够在没有储水器的情况下运行，无论是在电性能方面还是在水从催化剂再循环至质子传导膜方面，氧浓缩器的效率优选尽可能地高。因此，在一个优选的实施方案中，氧浓缩器的结构因此可如下。阴极和/或阳极可以以层的形式涂布在质子传导膜的相反面上以形成MEA。催化剂可以以层的形式涂布到扩散层上。有利地，催化设备的扩散层随后可被压靠着阴极。换句话说，催化剂、扩散层、阴极、质子传导膜和阳极可有利地以层的形式压制在一起。这可有利地将催化剂布置地与阴极尽可能地近，但与阴极分开。
可在用于将电流供给至所述层的阴极侧导电片和阳极侧导电片之间将所述层压制在一起。发明人已发现，可有利地使用驱使层在一起的高压。例如，可施加大于0.5MPa、优选大于0.8MPa、尤其优选大于0.9MPa的压力以朝着彼此驱使导电片并且以将单电池的层压缩在一起。这意味着，例如，其中质子传导膜的活性区域为约500mm2的单电池的层应尤其优选用约450牛顿的力压制在一起。在发明人的实验中，已发现在较低压力下，电池的电阻增加，而在较高压力下获得进一步略微降低的电阻。
所述层可以以任意方便的方式装载或压制在一起。例如，氧浓缩器可方便地容纳于刚性外壳内，所述弹性元件位于外壳和层的堆叠体之间以施加所需的压力。合适的弹性元件可包括O形环或弹性体泡沫，如聚氨酯泡沫。可以使用导电性泡沫。
在氧浓缩器的构造中，重要的是所使用的材料应足够耐腐蚀。
为产生氧，氧浓缩器应耦接到合适的电源。在一个优选的实施方案中，氧浓缩器可在电流受控模式下运行。施加的电流对应于在阳极处的氧生成速率，所以使用者可设定电源以根据所期望的氧流量向单电池施加预定的恒电流。然后，需要相应的电压以驱动所选的电流。如果在使用中，氧浓缩器不能正常运行，则其电阻将趋于升高，使得驱动所选电流的所需电压也将升高。在一个优选的实施方案中，电源设置为使得如果所需电压升到高于预定的电压阈值，则电源将切换到待机模式，其中所施加的电压被大大降低或关闭。如上所述，单电池的故障模式可能是环境大气具有极其低湿度的情况。在这种情况下，质子传导膜的水含量可逐步减少且单电池的电阻可能上升。
因而，本发明的另一方面可提供供氧装置，所述供氧装置包括氧浓缩器、电池和用于向氧浓缩器提供预定电流(例如使用者选择的电流)的电源。电源因此可为恒电流电源。供氧装置可为便携式，或可佩戴的，例如用于非固定的局部氧疗用途。
如上所述，实施本发明的氧浓缩器有利地包括具有通风装置的阴极室，所述通风装置控制空气从大气向催化剂的流动或扩散，使得浓缩器可在宽范围的环境湿度下产生连续的氧气流。如上所述，发明人的实验已证实了在低至37％的相对湿度，或甚至35％的相对湿度时氧的连续产生。又如在该文件中所描述的，通风装置应提供处于上限和下限之间的通风水平，并且如果阴极室的通风降至低于预定的下限或升至高于预定的上限，则电解池的电阻可能不利地增加。更一般而言，这意味着可增加单电池每单位面积(膜电极组合件的催化剂的面积)的电阻。
通常期望运行氧浓缩器以便以所期望的流量产生恒定氧气流。氧流量与流经单电池的电流相关，所以通常期望在预定的恒电流下运行单电池。在这种情况下，如果单电池电阻升高，则观察到施加到单电池的电压升高。如果单电池的电阻升高，则最初单电池可继续运行但以降低的效率运行，而如果电阻增加太大，则氧产量降低并最终MEA可被损坏，除非施加的电流也降低。
在已知相对湿度水平下氧浓缩器的电性能可由此提供用于评估通风水平是否处于通风上限和下限之间的手段。在实施本发明的该方面的氧浓缩器中，如上所述的催化剂通风的优化可有利地增加、或最大化可连续地产生的氧的流量。结果，发明人已发现具有下列性能的氧浓缩器具有实现处于以上确定的上限和下限之间的催化剂通风的通风装置。
对于这样的在相对湿度等于或大于35％的空气中的单电池，可施加恒定的电流密度以便在任意初始瞬态电压之后，单电池在NTP(常温和常压，25℃和1个大气压)下产生等于或大于24升连续氧气流/小时/m2催化剂(或阴极或MEA)面积。为了实验目的，连续的氧气流可被认为是维持3小时或更长时间的流。参照本发明的实施方案，达到该性能的氧浓缩器必须满足如下要求，即催化剂的通风处于如上所述的上限和下限之间。如果通风高于上限，则过多的水会损失到大气中，而如果通风低于下限，则不充足的大气氧到达催化剂从而将在阴极处产生的所有H2转化为水。在任一种情况下，单电池的性能都会随时间而降低，直到氧气流降到低于24升/小时/m2的阈值水平。同时，电池电阻会增加且施加到单电池的电压会相应地增加。因而，参照驱动预定的恒电流所需电压的升高可以进行电池性能不可接受的下降的替代评估(当单电池被接通时在任意初始瞬态电压期间之后，其通常最多仅持续30秒或1分钟)。例如在运行的最初10分钟或20分钟以内，例如工作压力增加20％、或30％可能被认为是不可接受的。因此，工作电压的这种升高可表明催化剂的通风处于上述的上限和下限之外。
为实现氧气流等于或大于24升/小时/平方米催化剂(或阴极或MEA)所需的电流密度值，以及为达到该电流密度而施加到单电池的电压，可随着除了催化剂的通风之外的因素而改变，如单电池的电阻和组件如质子传导膜的厚度。但是，在具有低电阻和有利的薄质子传导膜并且其中催化剂和阴极之间的距离有利地很小(如本发明下文中具体实施方案中所描述的)的单电池中，则在NTP下产生氧气流24升/小时/m2的最小恒定电流密度约为110A·m-2(基于阴极或MEA或催化剂的面积)。这对应于施加到具有25mm直径的圆形催化剂(490mm2)的电池约55mA的恒电流，在NTP下产生至少约12ml/小时的氧。
如本领域技术人员将意识到的，法拉第方程使得能够计算在给定的温度和压力下(如在NTP下)可以由流经氧浓缩器的给定电流产生的每单位时间氧的最大摩尔数，并因此计算最大氧流量。上述在110A·m-2下产生的24升/小时/m2高于该电流下的最大氧流量的大约95％，并因此这种电池可被认为效率超过95％。具有在上述期望范围内的催化剂通风的氧浓缩器可以以高于85％、优选高于90％、特别优选高于92％或95％的效率产生连续氧气流。
优选地，在0.8V至1.2V、或约1.0V的电池电压下获得该性能。
在这类电池中，也可使用其它的衡量标准来评估催化剂通风是否处在指定范围内。例如电压乘以催化剂面积(或阴极或活性MEA面积)的乘积(multiple)，不应升到高于6V·cm2，和/或电压除以电流乘以催化剂面积(或阴极或活性MEA面积)的值不应升到高于120Ohm·cm2。
具有上述优选的催化剂通风的单电池可能能够在比上述更低的相对湿度下、如小于37％或35％的相对湿度下产生恒定氧气流，但流量可能小于24升/小时/m2并且单电池可能仅仅能够在减小的电流下连续运行。
已在局部氧疗法的上下文中描述了本发明，但作为本领域技术人员将理解本发明可用在需要合适流量的纯氧的任意应用中。
现在将参照附图通过举例的方式描述本发明的具体实施方案，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施方案的氧浓缩器的分解图；
图2是图1的氧浓缩器的单电池基座的四分之三视图；
图3是单电池基座自下方看的平面图；
图4是图1的氧浓缩器的单电池盖的四分之三视图；
图5是单电池盖自下方看的平面图；
图6是图1的氧浓缩器的局部分解图，示出了单电池基座、单电池盖、O形环和取向为用于组装的MEA的横截面；
图7和8是图1的氧浓缩器的弹性聚氨酯泡沫层的平面图和侧视图；
图9是图1的氧浓缩器的阴极侧导电层的平面图；
图10是图9的导电层的放大局部视图；
图11是图1的氧浓缩器的膜电极组合件(MEA)的平面图；
图12是根据本发明的第二实施方案的氧浓缩器的分解图；
图13是呈组装形式的图12的氧浓缩器的四分之三视图；
图14是图13的组装的氧浓缩器的横截面；
图15是氧浓缩器的一部分膜电极组合件(MEA)和再生催化剂的图解剖面，示出了单电池的电化学过程；以及
图16是实施本发明的供氧装置的示意图。
图15图示了氧浓缩器的单电池中的电化学过程。其示出了部分质子传导膜的图解剖面，所述质子传导膜在这种情况下是Nafion(RTM)膜。阳极和阴极涂布到膜的相反侧，并且在阴极侧，再生催化剂层通过扩散层与阴极间隔开。膜中的水在阳极处反应以产生气态氧和氢离子。氢离子扩散穿过膜到达阴极，在那里它们与电子结合以形成气态氢。氢扩散穿过扩散层到达催化剂层，在那里它与大气氧反应形成水。水穿过扩散层扩散回到阴极和Nafion膜。然后，水穿过膜扩散至阳极用于再电解。
图1是根据本发明的第一实施方案的氧浓缩器2的分解图。所述浓缩器构造成被容纳在单电池基座4和单电池盖6之间的大致圆形的层的堆叠体(如上所述)。单电池基座和电池盖由聚甲基丙烯酸甲酯来加工，但可由任意合适的惰性材料制成。在组装的浓缩器中，所示盖由四个螺钉8固定至基座，所述螺钉穿过盖中的孔并拧入基座中的螺纹孔10。
图2、3、4和5示出了单电池基座和单电池盖和四分之三视图和平面图。
如图6中示出的，当组装氧浓缩器时，质子传导膜12将电池内的空间分成阴极隔间14和阳极隔间16。膜是NRE212型Nafion(RTM)。膜是外直径为32mm的圆形，安置在单电池基座的对应尺寸的台阶18上。膜的径向外侧部分安置在台阶18上并由腈O形环20抵靠在组装的单电池内的台阶上。O形环由单电池盖的径向外侧凸缘部22抵靠在膜上并在膜的径向外侧部分和单电池基座的台阶18之间、膜的径向外侧部分和O形环之间、以及O形环和单电池盖之间形成气密密封件和液密密封件，以限定阴极室14和阳极室16。
阴极24和阳极26涂布在膜的中心部分的相反侧上以形成MEA。如图11所示，阴极和阳极各自均呈25mm圆的形式，位于圆形膜的中心。Nafion膜的厚度大约为0.14mm。阴极和阳极是溅射的。阴极载量是每cm2至少0.3mg铂，而阳极载量是每cm2至少1mg铱。MEA用彩色点25标记以识别阳极侧和阴极侧。
在膜的阴极侧，阴极室包含三个组件的堆叠体(见图1)。与阴极相邻的是扩散层28，其侧面上涂布有溅射的铂催化剂层30而与阴极间隔开。扩散层可以是任意合适的多孔布、纸或复合材料(例如含有碳、石墨、碳纳米管或它们的一些组合的塑料复合材料)。其是导电性的并且任选是疏水性的。在所述实施方案中，扩散层包含200μm非有机织造的10％PTFE碳层。催化剂可为任意合适的催化剂，或催化剂加载体材料，用于充分地催化氢与氧的反应以形成水。在所述实施方案中，催化剂是Pt的溅射层，密度为2mg·cm-2。扩散层和催化剂呈25mm圆盘的形式，对应于阳极和阴极的直径，这限定了MEA的活性区域。与催化剂相邻的是导电层，所述导电层呈阴极侧穿孔的不锈钢圆盘32的形式。这图示于图9的平面图中和并以放大比例图示于图10中，以表明穿过圆盘形成了小的圆形穿孔33的阵列。穿孔直径为0.2mm并以0.4mm间距排列在密排布的阵列中。在组装的单电池中，穿孔使得空气到达催化剂30。接片34从不锈钢圆盘的边缘伸出。在组装的单电池中，这显示为穿过单电池盖中的相应狭缝36用于连接电源。
最后，直径也是25mm的有弹性的、可压缩的、多孔的聚氨酯泡沫38圆盘被放置在直径也是25mm的不锈钢圆盘和单电池盖凸起的圆形中央部分40之间。泡沫圆盘图示于图7和8中，且在压缩前厚度大约是1.4mm。其边缘42的一部分被切去，以允许不锈钢盘的接片34穿过。当单电池被组装时，聚氨酯泡沫圆盘呈被压缩状态，以便将单电池的多个层压在一起。聚氨酯泡沫是多孔的，以允许空气到达催化剂。该泡沫可以是导电的，例如是敷以金属的、镀铜之上再镀镍的聚氨酯泡沫。
穿过单电池盖、穿过其较厚的中心部分40形成两个圆孔44，以便通往阴极室。这些孔提供用于阴极室的通风，并允许空气穿过聚氨酯泡沫和不锈钢圆盘的穿孔到达催化剂30。
在阳极室中，导电的、可透气膜46与阳极相邻布置。该膜呈25mm的圆盘形式，对应于阳极的形状和尺寸。膜的材料可与上述扩散层28的材料相同。阳极侧传导层，呈另一穿孔的不锈钢圆盘48的形式，接触可透气膜46与阳极相对的侧。穿孔与如上所述的阴极侧不锈钢圆盘的穿孔相同。接片50从不锈钢圆盘的边缘伸出并显示为穿过单电池盖中相应的狭缝52用于连接电源。
根据需要，膜46可省略，只要在阳极和阳极侧不锈钢圆盘之间保持足够的电接触即可。
有弹性的、可压缩的聚氨酯泡沫层54被布置在不锈钢圆盘和单电池基座的中央凹进去的圆形部分59之间。泡沫圆盘54的圆形外部边缘的一小部分56被切去，以允许不锈钢盘的接片50穿过单电池基座中的狭缝52。该泡沫任选可以是导电性的。
气体出口通道58从阳极室16径向向外引出并且终止于套口(luer)60，所述套口60使得氧出口与管耦接用于连接至例如覆盖伤口的高压敷料。
当组装氧浓缩器时，上述的各种层以堆叠体形式被放置于单电池基座和单电池盖之间。然后，螺丝8与单电池基座接合，随着螺丝拧紧，弹性泡沫层38、54被压缩以施加力从而驱使所述堆叠体在一起。此外，拧紧螺丝压缩O形环20以密封单电池的外周，并将阴极室与阳极室分离。泡沫层的厚度和可压缩性，以及单电池盖凸起的中央部40和单电池基座的中央圆形部分59之间的间距是预先确定的，使得440牛顿至450牛顿的力被施加到泡沫圆盘之间的层。这确保层之间良好的电接触以使单电池的电阻最小化，并确保支持催化剂的扩散层与相邻的阴极和质子传导层之间的紧密接触。泡沫层的弹力也有利地调和氧浓缩器的组件尺寸任意小的变化，例如由于制造公差所致的。
组装单电池之前，每个泡沫层的厚度为约1.4mm。在组装的电池中，含有一个压缩的泡沫层的阴极室具有约0.7mm的深度。
在一个替代实施方案中，仅两个泡沫层中之一可能需要将单电池中的层的堆叠体装载在一起。
在使用中，电源连接到不锈钢圆盘的接片34、50，且使约60mA的电流通过单电池。氧浓缩器布置为使得在单电池盖中的通风孔44的外部开口向大气开放。在这些条件下，约15ml/小时的氧在阳极处产生，并在高于大气压约50毫巴的压力下通过套口60脱出。需要约1.2V的电压以驱动60mA的电流。这是从可再充电电池获得有利的长电池寿命合适的电压。
发明人已经在高于1V的电压以及最高达120mA的电流范围下测试了该单电池，并且发现，在阳极处以与电流成比例的速率连续地产生氧。可能的是，可施加更高的电流以产生更高的氧流速。但是，预计在高的施加电压下，可能在单电池内部引起腐蚀的问题。
用于单电池的电源被设计为使得如果单电池电阻增加，使得驱动预定或预选电流所需的电压不可接受地升高，则电源切换到待机模式。在一个优选的实施方案中，如果电池所需电压升至高于2V，则电源关闭。例如，在氧浓缩器的测试中，已发现如果通风孔44中之一被意外地阻塞使得阴极室的通风减少，则这有可能发生。
为研究该实施方案的单电池性能，特别是阴极室通风的影响，制造了与图1至11中所示具有相同尺寸和形状的电池，但具有在单电池盖中包含不同数量的相似通风孔44的通风装置。示出于图1中的两个通风孔44的总面积为13.2mm2。制作了具有一个面积为6.6mm2的通风孔的类似的单电池，并制作了具有总面积为26.4mm2的四个通风孔的类似单电池。每个单电池在22(±3)℃的温度、46(+10/-5)％的相对湿度和1006(±10)mb的大气压下供应55mA恒电流。对于具有两个通风孔的单电池，在测试的30小时的持续期间，连续产生9ml/小时至11ml/小时的氧(在持续小于一分钟的瞬态启动之后)。单电池电压稳定在约1V。对于具有一个通风孔或四个通风孔的单电池，驱动55mA电流所需的电压在最初运行20分钟后逐步上升至高于1.5V，在这一点测试终止以防止单电池损坏。这些测试结果证实了发明人的理解，即通风水平或催化剂到达大气的水平是至关重要的。太少则催化剂极度缺乏大气氧并无法再循环足够的水以维持MEA中的湿度。太多则水从单电池中损失。在两种情况下，电阻的增加是由于MEA的导电性下降所致。
图12是根据本发明的第二实施方案的氧浓缩器的分解图。图13示出了组装的单电池的四分之三视图，而图14示出了组装的电池的横截面。以与第一实施方案相同的方式，氧发生器包含被容纳在单电池基座100和单电池盖102之间的层的堆叠体。除了质子传导膜104的直径为32mm之外，每个层都是直径为25mm的圆形。
如在第一实施方案中的，膜104将单电池分成阴极室106和阳极室108。阳极室包含在形成于单电池基座中的一端不通(blind)的圆柱形凹处中。圆柱形凹处被台阶110环绕，质子传导膜的径向外侧部分放置于其上。内径26.5mm和3mm段的腈O形环112被布置在膜的顶部，并由单电池盖102压向膜。因此，当单电池盖处于单电池基座上时，质子传导膜104的径向外侧部分靠着单电池基座中的台阶110密封，且O形环112在膜和单电池盖之间形成密封。
在组装的单电池中，单电池盖通过收纳在基座中的相应螺纹孔116中的6个螺丝114被保持在单电池基座上的位置。
如在第一实施方案中一样，质子传导膜是Nafion膜。铂阳极118和铂阴极120被溅射到膜的中间圆形部分(直径25mm)的相反侧。这形成了膜电极组合件(MEA)并限定了膜的工作面积。
在组装的单电池中，导电性扩散层122与阴极相邻布置并与阴极接触。铂催化剂层被溅射到远离阴极的面上。由AISL316L不锈钢的烧结金属颗粒形成的多孔金属圆盘124被布置在催化剂和单电池盖之间。金属丝126与烧结圆盘的中心点连接，并通过单电池盖上的开口128显露用于连接到电源。
与阳极相邻布置有阳极侧扩散层，例如可透气膜130，所述可透气膜130允许氧从阳极离开。阳极侧烧结的金属圆盘132在阳极室108内相邻于扩散层布置，并坐落在两个同心排列的O形环134、136上，所述O形环134、136坐落在形成于单电池基座中的阳极室的底部。烧结的圆盘是AISL316L不锈钢。O形环分别具有21mm和8mm的内径，且均为2mm的段。当单电池被组装时，两个O形环被弹性压缩，并因此在基本刚性的阳极侧烧结的圆盘132上施加力。这进而将单电池结构的多个层压制在一起，以确保层之间良好的电接触。如在第一实施方案中一样，发现需要400N至450N之间的压缩力。
金属线133被连接至阳极侧烧结圆盘的中心位置，并穿过在单电池基座中的孔135显露，用于连接至电源。
如在第一实施方案中一样，孔被限定在阳极室和单电池基座外表面之间用于连接至套口配件138。
第二实施方案的氧浓缩器适用于连接至关于第一实施方案中描述的电源，且其性能类似于第一实施方案的氧浓缩器。
两个直径2.9mm的孔140形成为穿过单电池盖，以使如上所述的阴极室通风。孔在圆形阴极室中心的相反侧上，在圆形阴极室的中心和外径之间间隔开，以确保阴极室跨整个催化剂区域的均匀通风。通风穿过多孔金属烧结体，所述多孔金属烧结体作为挡板以防止大量的空气流或气流通过如上所述的阴极室。
图16是实施本发明的供氧装置200的示意图。可再充电的电池202通过电源装置204连接到氧浓缩器206。电池、电源装置和氧浓缩器被容纳在便携的、可佩戴的外壳208中。氧出口210安装在外壳的外表面上，用于连接到例如导向加压敷料的管。

Claims (34)

1.一种氧浓缩器，所述氧浓缩器包含：
质子传导膜；
接触所述膜的第一面的阴极；
接触所述膜的第二面的阳极；
催化设备，所述催化设备包含催化剂和扩散层，所述扩散层将所述催化剂与所述阴极间隔开；以及
限定阴极室的外壳，所述催化设备容纳在所述阴极室内并且所述外壳包括用于使空气流动至所述催化剂的通风装置，
其中所述氧浓缩器不具有储水器并且因此配置为利用由阴极产生的氢通过与大气氧在所述催化剂处的反应利用源自再循环的水而维持其运行。
2.根据权利要求1所述的氧浓缩器，其中所述通风装置被布置为控制进入或通过所述阴极室的空气流动。
3.根据权利要求1所述的氧浓缩器，其中所述通风装置使得所述阴极室的通风高于预定的下限，其中在使用所述浓缩器期间高于所述预定的下限的通风使得足够的大气氧到达所述催化剂以与在所述阴极处产生的多于90％的氢发生反应。
4.根据权利要求1所述的氧浓缩器，其中所述通风装置使得所述阴极室的通风低于预定的上限，其中低于所述预定的上限的通风使得由氢与大气氧反应而在所述催化剂处产生的少于15％的水被通风气流自所述催化剂带走。
5.根据权利要求1所述的氧浓缩器，其中所述通风装置使得所述阴极室的通风低于预定的上限，其中低于所述预定的上限的通风使得由氢与大气氧反应而在所述催化剂处产生的多于85％的水穿过所述扩散层到达所述阴极和所述质子传导膜。
6.根据权利要求1所述的氧浓缩器，其中所述通风装置使得所述阴极室在预定的上限和下限之间通风，其中在使用所述浓缩器期间高于所述预定的下限的通风使得足够的大气氧到达所述催化剂以与在所述阴极处产生的多于90％的氢发生反应，并且低于所述预定的上限的通风使得由氢与大气氧反应而在所述催化剂处产生的少于15％的水被通风气流自所述催化剂带走。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述通风装置包括一个或更多个限定为穿过所述外壳的壁的通风孔。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述催化剂和所述阴极的面积为150mm2至2000mm2。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述催化剂基本上是平面的，以及所述阴极室按垂直于所述催化剂的平面测量的深度为0.4mm至10mm。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述催化剂基本上是平面的并且具有横向尺寸，并且其中所述阴极室按垂直于所述催化剂的平面测量的深度为所述横向尺寸的0.1倍至0.015倍。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述催化剂的横向尺寸为10mm至50mm。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述通风装置包括一个或更多个限定为穿过所述外壳的壁的通风孔，并且其中所述一个或更多个通风孔的总面积为7mm2至80mm2。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述通风装置包括一个或更多个限定为穿过所述外壳的壁的通风孔，并且其中所述催化剂的面积为所述一个或更多个通风孔的总面积的10倍至70倍。
14.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述通风装置包括一个或更多个限定为穿过所述外壳的壁的通风孔，并且其中所述阴极的面积为所述一个或更多个通风孔的总面积的30倍至45倍。
15.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，用于在50A·m-2至250A·m-2的电流密度下运行。
16.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，用于在0.75V至2V的电压下运行。
17.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，用于在1V至1.5V的电压下运行。
18.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，用于按所述阳极每500mm2面积计，从所述阳极产生小于30ml/小时的氧气流。
19.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述阴极和/或所述阳极是涂布在所述质子传导膜的相反侧上的层的形式。
20.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述催化剂是涂布在所述扩散层上的层的形式。
21.根据权利要求1所述的氧浓缩器，其中所述催化剂、所述扩散层、所述阴极、所述质子传导膜和所述阳极是压制在一起的两个或更多个层的形式。
22.根据权利要求21所述的氧浓缩器，其中所述层在用于向所述层供应电流的阴极侧传导片和阳极侧传导片之间被压制在一起。
23.根据权利要求21所述的氧浓缩器，其中施加大于0.5MPa的压力以将所述层压制在一起。
24.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中所述催化剂、所述扩散层、所述阴极、所述质子传导膜和所述阳极是通过压力被压制在一起的两个和更多个层的形式，所述压力通过使所述层保持在所述外壳内，与可压缩的且弹性的材料堆叠在一起来施加。
25.根据权利要求1至6中任一项所述的氧浓缩器，其中在等于或大于35％相对湿度的空气中将恒定电流密度施加到所述氧浓缩器时，能够产生在25℃和1个大气压下测量的、至少24升/小时/m2所述催化剂面积的连续氧气流。
26.根据权利要求25所述的氧浓缩器，其中所述恒定电流密度小于150A·m-2。
27.根据权利要求26所述的氧浓缩器，其中所述恒定电流密度为120A·m-2。
28.一种供氧装置，包括如任一前述权利要求所限定的氧浓缩器、电源、以及耦接到所述氧浓缩器的阳极侧的氧出口。
29.根据权利要求28所述的供氧装置，其为可佩戴的，并且能够与高压敷料耦接。
30.根据权利要求28所述的供氧装置，其中所述电源向所述氧浓缩器供应预定的电流，并且如果驱动所述预定电流所需的电压升至高于预定的电压水平，则切换到待机状态。
31.根据权利要求30所述的供氧装置，其中所述预定的电流对应于等于或小于150A·m-2的跨经所述催化剂或MEA的电流密度，所述MEA由膜形成，在所述膜的第一面上涂布有所述阴极并且在所述膜的第二面上涂布有所述阳极。
32.根据权利要求30所述的供氧装置，其中所述预定的电压水平是2.0V，或1.5V，或1.2V。
33.一种用于自空气浓缩氧的方法，包括如下步骤：
提供在质子传导膜的相反侧上的阴极和阳极、相邻于所述阴极的扩散层和通过所述扩散层而与所述阴极间隔开的催化剂；
使空气通过通风装置接近所述催化剂；
在所述阴极和所述阳极之间通电以电解源自所述空气中湿气和源自所述催化剂的水，从而在所述阴极处产生氢并且在所述阳极处产生氧；以及
使所述氢与大气氧在所述催化剂处反应产生水，以穿过所述扩散层到所述阴极用于进一步电解；
其中所述通风装置将到达所述催化剂的空气控制在预定的通风速度的上限和下限之间。
34.根据权利要求33所述的方法，用于电解仅源自所述空气中的湿气和源自所述催化剂的水。
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