ES2913794T3 - Concentrador de oxígeno y método - Google Patents

Abstract

Un concentrador (2) de oxígeno, que comprende: una membrana (12) conductora de protones; un cátodo (24) que está en contacto con un primer lado de la membrana; un ánodo (26) que está en contacto con un segundo lado de la membrana; un aparato catalítico que comprende un catalizador (30) y una capa (28) de difusión, de modo que la capa de difusión separa el catalizador del ánodo; y un alojamiento (4, 6) que define una cámara (14) del cátodo, estando contenido el aparato catalítico en la cámara del cátodo y definiendo el alojamiento uno o más orificios (44) que hacen posible que fluya aire hacia el catalizador, de modo que el concentrador de oxígeno no tiene un depósito de agua y está configurado para mantener su funcionamiento, electrolizando agua derivada solamente de la humedad del aire y el catalizador y mediante la provisión del aparato catalítico colocado muy cerca o de forma directamente contigua al cátodo, de forma que el aparato catalítico convierte el hidrógeno generado en el cátodo en agua y recicla el agua a la membrana conductora de protones con poca pérdida de agua, y de modo que el cátodo no está expuesto al oxígeno atmosférico.

Description

DESCRIPCIÓN

Concentrador de oxígeno y método

La invención se refiere a un concentrador de oxígeno y un método para concentrar oxígeno a partir del aire, como el aire ambiente.

Hay una evidencia en la bibliografía de que el suministro de oxígeno al sitio de una herida puede favorecer la curación de la herida. Esto es aplicable tanto a seres humanos como a animales. La técnica es conocida como terapia de oxígeno por vía tópica, y favorece el crecimiento de tejido de piel de nueva formación para cerrar y curar las heridas.

En la mayoría de los casos, el miembro afectado es colocado en una cámara (documentos US 4.003.371 y US 3.744.491) o una bolsa (US 5.154.697 y US 5.478.310) y el oxígeno es alimentado a la cámara o la bolsa desde un cilindro de oxígeno. Esto es inadecuado para muchos pacientes, ya que restringe la movilidad del paciente. Para mejorar la terapia tópica de oxígeno, sería deseable tener un suministro de oxígeno más conveniente. En una propuesta alternativa, como se describe en los documentos US 5.578.022, US 5.788.682 y US 5.855.570, se pueden incorporar dispositivos electrolíticos dentro o por encima de las vendas que se colocan sobre la herida. El cátodo del dispositivo electrolítico es expuesto a aire para formar peróxido de hidrógeno que se disuelve en una membrana conductora de protones contigua al cátodo. El peróxido de hidrógeno se difunde a través de la membrana hasta un ánodo, en el que se descompone para formar agua y oxígeno que es transmitido a la herida. La presencia de peróxido de hidrógeno es un problema significativo porque puede matar las células sanas. Por lo tanto, es deseable hacer posible la producción de oxígeno puro para la curación de heridas sin usar un intermedio de peróxido de hidrógeno. Desgraciadamente, todas las membranas conductoras de protones conocidas son altamente ácidos y, bajo estas condiciones, se forma peróxido de hidrógeno cuando el oxígeno es ionizado en un cátodo.

Una propuesta alternativa para la generación electrolítica de oxígeno es electrolizar agua para producir hidrógeno y oxígeno y para evitar que el oxígeno entre en contacto con el cátodo. Esto evita la producción de peróxido de hidrógeno. El documento WO 2006/092612 describe, en una realización, un generador de oxígeno electrolítico en el que se suministra agua a partir de una fuente o depósito de agua a una membrana conductora de protones. El agua es electrolizada entre un cátodo y un ánodo en cualquier lado de la membrana, para formar oxígeno en el ánodo e hidrógeno en el cátodo. El aparato catalítico se proporciona de forma contigua al cátodo, con el fin de evitar la liberación de oxígeno desde el generador de oxígeno a la atmósfera y con el fin de disminuir el consumo de agua por el aparato generador de oxígeno. El aparato catalítico comprende una capa de catalizador separada del cátodo por una membrana permeable a gases/permeable a líquidos. La capa de catalizador está expuesta al aire. El hidrógeno generado en el cátodo se difunde a través de la membrana permeable a gases/permeable a líquidos hasta el catalizador, en el que reacciona con el oxígeno atmosférico para formar agua. Por tanto, el hidrógeno no es liberado a la atmósfera. Al menos parte del agua se vuelve a difundir a través de la membrana permeable a gases/permeable a líquidos hasta el cátodo y la membrana conductora de protones, para complementar el agua proporcionada a partir de la fuente de agua.

Los inventores han ensayado un generador de oxígeno electrolítico de este tipo, puesto en práctica como un aparato ambulatorio portátil que puede ser llevado por un paciente. El suministro de oxígeno desde el generador de oxígeno es alimentado a un vendaje hiperbárico adecuadamente diseñado que cubre una herida, para el tratamiento. En estos ensayos, el generador de oxígeno ha sido accionado mediante baterías recargables, y se ha encontrado que la fuente de agua requiere ser rellenada significativamente más frecuentemente de lo que las baterías necesitan ser recargadas.

Sería deseable que un generador de oxígeno portátil funcionara tanto tiempo como fuera posible sin necesidad de recargar las baterías o rellenar la fuente de agua. La presente invención tiene como objetivo abordar este problema.

Sumario de la invención

La invención proporciona un concentrador de oxígeno, un método para concentrar oxígeno y una unidad de suministro de oxígeno como se define en las reivindicaciones anejas, a las que se debe hacer referencia en lo que sigue.

La invención proporciona un concentrador de oxígeno, en lugar de un generador de oxígeno. Esto refleja el hecho de que el aparato según la invención no tiene y no necesita un depósito de agua.

En un primer aspecto, la invención proporciona un generador de oxígeno según las reivindicaciones. En uso, es aplicado un voltaje entre el cátodo y el ánodo, para electrolizar agua en la membrana conductora de protones. El agua es inicialmente suministrada a través de la humedad atmosférica. La electrolisis produce oxígeno en el ánodo e hidrógeno en el cátodo. El hidrógeno pasa a través de la capa de difusión (o capa permeable) que separa el catalizador del cátodo. En el catalizador, el hidrógeno reacciona con el oxígeno atmosférico en la cámara del cátodo para producir agua. El agua vuelve a pasar a través de la capa de difusión hasta el cátodo y la membrana conductora de protones para una electrolisis adicional. Sorprendentemente, los inventores han encontrado que el concentrador de oxígeno puede funcionar de forma continua, sin suministro de agua distinta de la humedad atmosférica, incluso a bajos niveles de humedad. Dicho de otro modo, el concentrador de oxigeno ventajosamente no necesita un depósito de agua, y puede electrolizar el agua derivada solamente de la humedad del aire y a partir del catalizador. Como se describió anteriormente, han sido propuesto dispositivos electrolíticos para concentrar oxígeno a partir de la atmósfera, para una terapia tópica de oxígeno, pero en estos dispositivos de la técnica anterior, el cátodo ha sido expuesto al aire para formar peróxido de hidrógeno que se disuelve en una membrana conductora de protones contigua al cátodo. Como se describió anteriormente, la creación de peróxido de hidrógeno es un problema significativo. Por el contrario, la presente invención proporciona un concentrador de oxígeno que funciona mediante la electrolisis de agua y en el que el cátodo no es expuesto al oxígeno atmosférico. Los inventores han encontrado que la presente provisión de un aparato catalizador colocado muy cerca o de forma directamente contigua al cátodo convierte el hidrógeno catódicamente generado en agua y recicla el agua a la membrana conductora de protones, con tan poca pérdida de agua que el concentrador de oxígeno que realiza la invención puede funcionar sin un depósito de agua. Esto es completamente contrario a lo esperado y las previsiones técnicas del experto en la técnica, que contaría con que un depósito de agua es necesario para una generación continua de oxígeno mediante electrolisis de agua.

El rendimiento del concentrador de oxígeno es aumentado por la acción de los medios de ventilación que permiten que el aire fluya hasta el catalizador, de forma que el hidrógeno catódicamente generado pueda reaccionar con el oxígeno atmosférico.

En una realización preferida que puede mejorar todavía más el rendimiento del concentrador de oxígeno, es deseable que esté dispuesto un medio de ventilación para regular el flujo de aire en el interior o a través de la cámara del cátodo, de forma que la ventilación de la cámara del cátodo esté entre unos límites superior e inferior predeterminados. Los inventores han determinado experimentalmente que un nivel de ventilación o nivel de flujo de aire o difusión de aire, entre los límites superior e inferior, hace posible un funcionamiento mejorado del concentrador. Se encontró que, si la ventilación de la cámara del cátodo cae por debajo de un límite superior predeterminado o se eleva por encima de un límite superior predeterminado, aumenta la resistencia de la celda electrolítica. Pero se puede mantener de forma continua una elevada eficacia del concentrador de oxígeno si la ventilación de la cámara del cátodo está entre los límites superior e inferior predeterminados. Es deseable una buena eficacia eléctrica para producir un flujo de oxígeno deseado para hacer posible que un concentrador de oxígeno, como un concentrador de oxígeno portátil, funcione tanto tiempo como sea posible a partir de una fuente autocontenida de energía eléctricas, como una batería.

Los procedimientos electroquímicos implicados en la disminución de eficacia del funcionamiento fuera del intervalo óptimo de ventilación no están completamente comprendidos. No obstante, los inventores creen que el funcionamiento del concentrador de oxígeno es como sigue.

Si la ventilación de la cámara del cátodo es menor que un nivel predeterminado, entonces se cree que una cantidad insuficiente de oxígeno atmosférico alcanza el catalizador para reaccionar con la totalidad del hidrógeno generado en el cátodo. En ese caso, el hidrógeno puede ser liberado a la atmósfera y se puede reducir el agua del catalizador a la membrana conductora de protones. Consecuentemente, se puede ralentizar la electrolisis de agua y finalmente detenerse.

Si la ventilación de la cámara del cátodo está por encima de un nivel predeterminado, entonces sustancialmente la totalidad del hidrógeno generado en el cátodo puede reaccionar con el oxígeno atmosférico en el catalizador, para producir agua. Sin embargo, parte del agua puede entrar en el aire que ventila la cámara del cátodo (o evaporarse en el mismo) y puede ser llevada fuera del cátodo a la atmósfera. Esto reduce la cantidad de agua reciclada a la membrana conductora de protones, de forma que la velocidad de electrolisis se puede ralentizar. Se cree que este efecto puede variar, dependiendo de la humedad del aire del ambiente, o atmósfera del ambiente. Si la humedad del ambiente es muy elevada, entonces seguidamente se puede reducir la cantidad de agua desechada a la atmósfera, y pude ser extraída más agua presente como humedad en la atmósfera en la capa de difusión y pasar a través de la capa hasta la membrana conductora de protones. Por el contrario, si la humedad del ambiente es muy baja, entonces se puede perder más agua a partir del catalizador en la atmósfera y se puede adsorber menos de la humedad en la capa de difusión para pasar a la membrana conductora de protones.

Dentro del intervalo deseado de ventilación de la cámara del cátodo, una cantidad suficiente de oxígeno atmosférico puede alcanzar el catalizador para reaccionar sustancialmente con la totalidad del hidrógeno producido en el cátodo, y una proporción ventajosamente amplia del agua puede volver a pasar a través de la capa de difusión a la membrana conductora de protones para una electrolisis adicional. Preferentemente, nada, o solamente una fracción muy pequeña del agua, puede ser desechada en el aire que ventila la cámara del cátodo.

Se cree que el aparato catalítico puede funcionar debido a los gradientes de difusión a través de su grosor. El hidrógeno se convierte en agua en el catalizador, el hidrógeno producido en el cátodo se puede difundir hasta un gradiente de difusión a partir del cátodo hasta que el catalizador y, debido a que el agua es electrolizada en la membrana conductora de protones, el agua producida en el catalizador se puede difundir hasta un gradiente de difusión hacia la membrana conductora de protones. Por lo tanto, la ventilación de la cámara del cátodo debe ser suficientemente elevada para permitir la reacción de sustancialmente la totalidad del hidrógeno que alcanza el catalizador, y debe ser suficientemente baja para que el agua generada en el catalizador tienda a difundirse hacia la membrana conductora de protones, en lugar de desecharse a la atmósfera.

El rendimiento del concentrador de oxígeno se puede esperar que varíe dependiendo de la humedad del aire del ambiente. En la práctica, se ha encontrado por los inventores que el oxígeno generado por el concentrador de oxígeno tiene sustancialmente la misma humedad que el aire del ambiente. Por lo tanto, se comprende que la combinación de la humedad del ambiente que entra en la cámara del cátodo y el reciclaje eficiente del agua por el aparato catalítico son suficientes para hacer posible una generación continua de agua dentro de un amplio intervalo de humedad del ambiente. El concentrador puede que no sea capaz de funcionar a una humedad del ambiente extremadamente bajo (por ejemplo, en ensayos de un concentrador de oxígeno que realiza la invención, los inventores obtuvieron un funcionamiento satisfactorio hasta 37% de humedad relativa, aunque algunas mejoras del diseño pueden permitir un funcionamiento a humedad relativamente inferior, como 25% o incluso 10%), pero se puede apreciar que una aplicación ventajosa del concentrador es producir oxígeno en un aparato ambulatorio para una terapia tópica de oxígeno. Los inventores han encontrado que, si el concentrador de oxígeno es portado dentro de un paño, entonces la proximidad al cuerpo del portador supone que la humedad puede ser suficiente para permitir una generación continua de oxígeno a un caudal predeterminado, incluso aunque el nivel de la humedad del ambiente fuera del paño sea desventajosamente bajo.

Ventajosamente, como el concentrador de oxígeno funciona electrolizando agua y evita el acceso del oxígeno atmosférico al cátodo (debido a la presencia del aparato catalítico), no se forma peróxido de hidrógeno.

El concentrador de oxígeno, en principio, puede ser sustancialmente de cualquier tamaño, pero su uso es particularmente ventajoso en un dispositivo portátil. En un dispositivo portátil o ambulatorio, la eliminación de la necesidad de proporcionar y rellenar un depósito de agua significa que el concentrador puede funcionar ventajosamente durante un período de tiempo prolongado. El período de funcionamiento está limitado solamente por la fuente de energía y se ha encontrado que una unidad portátil convenientemente dimensionada que use baterías recargables puede funcionar durante una semana o más, antes de que sea necesario recargar las baterías.

Un concentrador de oxígeno portátil puede comprender una membrana conductora de protones que tenga un área activa, entre el cátodo y el ánodo, entre 150 mm2 y 2.000 mm2, preferentemente entre 300 mm2 y 1000 mm2 y, de forma particularmente preferida, entre 400 mm2 y 600 mm2. Por ejemplo, el área activa de la membrana conductora de protones puede ser un círculo de 25 mm de diámetro. (Las áreas y las formas del ánodo, cátodo, capa de difusión y catalizador pueden ser ventajosamente todas iguales al área y la forma activa de la membrana). Esta celda que funciona a un voltaje de aproximadamente 1,2 V y una corriente de 60 mA puede producir oxígeno continuamente a aproximadamente 15 ml/h. Esto es una velocidad conveniente para suministrar oxígeno para la provisión de un vendaje hiperbárico adecuado para cubrir una herida.

La membrana conductora de protones, el cátodo, el ánodo, el catalizador y la capa de difusión pueden estar todos en la forma de capas planas, en contacto unas con otras, para formar una acumulación de capas. Ventajosamente, el cátodo y el ánodo pueden estar en la forma de capas revestidas en el primero y el segundo lados de la membrana conductora de protones, para formar un ensamblaje de electrodos de membrana (MEA) y el catalizador puede estar en la forma de una capa aplicada como revestimiento sobre un lado de la capa de difusión. En el concentrador de oxígeno ensamblado, la capa de difusión puede ser seguidamente comprimida en contacto con el cátodo.

Es necesario proporcionar un voltaje entre el cátodo y el ánodo. En una realización preferida, esto se puede conseguir colocando la acumulación de capas, anteriormente descrita, entre una lámina conductora en el lado del cátodo y una lámina conductora en el lado del ánodo, a la que puede estar conectado un suministro de electricidad. En esta realización, la capa de difusión debe ser conductora de la electricidad con el fin de portar la corriente eléctrica desde la lámina conductora en el lado del cátodo hasta el cátodo.

La lámina conductora en el lado del cátodo debe ser porosa o estar perforada, con el fin de permitir que el aire fluya hasta el catalizador. Análogamente, la lámina conductora en el lado del ánodo debe ser porosa o perforada con el fin de permitir que el oxígeno fluya fuera del ánodo. Ambas láminas conductoras pueden ser convenientemente realizadas como láminas metálicas perforadas o porosas. Deben ser resistentes a la corrosión, por ejemplo, láminas de acero inoxidable.

Ventajosamente, las láminas conductoras del lado del cátodo y del lado del ánodo se pueden comprimir contra los lados opuestos de la acumulación de capas anteriormente expuesta, y pueden tener un área y una forma predeterminadas correspondientes al área y la forma activas de la membrana conductora de protones. El área y la forma de la sección transversal interna de la cámara del cátodo pueden ser sustancialmente iguales al área y la forma de la parte activa de la membrana (con la provisión de una separación, de forma que el aparato catalítico y los otros componentes puedan ajustarse en la cámara del cátodo). La profundidad de la cámara del cátodo, medida de forma perpendicular a la membrana, debe ser suficiente para acomodar el aparato catalítico y cualquier lámina conductora en el lado del cátodo, y para permitir una ventilación suficiente, de forma que pueda fluir aire al catalizador.

La cámara del cátodo, por lo tanto, puede tener una profundidad mayor que 0,4 mm, 0,6 mm, 1 mm o 2 mm y menos de 10 mm, 7 mm o 5 mm.

El hidrógeno es generado a través del área activa completa de la membrana de intercambio de protones, y se puede difundir directamente a través de la capa de difusión desde el cátodo hasta el catalizador. Por lo tanto, es importante que el área completa del catalizador debe estar ventilada.

Con el fin de permitir esto, los medios de ventilación comprenden uno o más orificios definidos a través de una pared del alojamiento de la cámara del cátodo. El nivel de ventilación en la cámara del cátodo puede estar relacionado con el área total del orificio u orificios. Para un concentrador de oxígeno típico para realizar la invención, el área total del orificio y orificios puede estar entre 7 mm2 y 80 mm2, preferentemente entre 10 mm2 y 40 mm2 y, de forma particularmente preferida, entre 12 mm2 y 20 mm2.

Además de la provisión de un orificio o varios orificios, la cámara del cátodo puede ser rellenada con un material poroso, como una espuma o un material sinterizado. Esto puede permitir ventajosamente que el aire fluya o se difunda a través de la cámara del cátodo, pero puede actuar como una barrera para moderar la ventilación o evitar el flujo masivo de aire, o corrientes de aire a través de la cámara del cátodo.

Como se describió anteriormente, el concentrador de oxígeno se puede realizar en un intervalo de tamaños diferentes. Así, los medios de ventilación pueden ser definidos alternativamente en términos del tamaño del concentrador de oxígeno y, en particular, del área activa de la membrana conductora de protones. Por tanto, el área activa de la membrana puede ser entre 10 y 70 veces, preferentemente entre 25 y 55 veces y, de forma particularmente preferida, entre 30 y 45 veces el área total del orificio o los orificios.

La ventilación de la cámara del cátodo puede estar afectada por su forma. Por tanto, para un rendimiento ventajoso de los medios de ventilación, la profundidad de la cámara del cátodo puede ser definida por ser proporcional a una dimensión lateral, o una dimensión lateral máxima, de la cámara del cátodo. Por ejemplo, la cámara del cátodo puede tener una dimensión lateral que es entre 10 y 70 veces su profundidad o, preferentemente, entre 25 y 50 veces su profundidad.

En una realización preferida, con el fin de conseguir una ventilación a través del área total del catalizador, los medios de ventilación pueden estar distribuidos a través de una dimensión lateral de la membrana del cátodo. Por ejemplo, los medios de ventilación pueden estar en la forma de dos o más orificios separados en lugares diferentes en la pared del alojamiento.

Los inventores han encontrado que se consigue, preferentemente, un funcionamiento óptimo del concentrador del oxígeno a un voltaje aplicado entre 0,75 V y 2 V, más preferentemente, entre 1 V y 1,5 V, de forma particularmente preferida, de aproximadamente 1,2 V. Estos son voltajes aplicados a la celda, por ejemplo, entre las láminas conductoras del lado del cátodo y del lado del ánodo, como se describió anteriormente. El potencial de la celda medido entre el cátodo y el ánodo puede ser menor que el voltaje de la celda aplicado, pero los inventores han medido eficiencias de la celda de más de 80%, o más de 90%, y por eso se cree que las pérdidas del voltaje en la celda son pequeñas.

De forma correspondiente a los voltajes anteriormente descritos, el concentrador de oxígeno puede funcionar ventajosamente a una densidad de corriente, por encima del área activa de la membrana conductora de protones, entre 50 Am-2 y 250 Am-2, preferentemente entre Am-2 y 200 Am-2 y, de forma particularmente preferida, entre 100 Am-2 y 150 Am-2.

Se ha encontrado que estas condiciones eléctricas pueden producir ventajosamente un flujo de gas oxígeno desde el ánodo de hasta 30 ml/hora (medido a presión atmosférica o ambiental) para 500 mm2 del área del ánodo.

En la práctica, para una terapia tópica de oxígeno, en una realización preferida, se puede producir oxígeno a una presión ligeramente hiperbárica, por ejemplo, a aproximadamente 50 mbar por encima de la presión atmosférica. En términos más generales, la cámara del ánodo puede funcionar a una presión diferente de la cámara del cátodo. La cámara del ánodo y la cámara del cátodo, por lo tanto, deben estar herméticamente aisladas una de otra, con el fin de evitar un flujo de gas entre ellas. Esto proporciona la ventaja adicional de evitar que el oxígeno generado en el ánodo entre en contacto con el cátodo, lo que conduciría desventajosamente a la formación de peróxido de hidrógeno.

Con el fin de hacer posible un funcionamiento sin un depósito de agua, la eficacia del concentrador de oxígeno es preferentemente tan elevada como sea posible, tanto en términos de rendimiento eléctrico como en términos de reciclaje de agua desde el catalizador hasta la membrana conductora de protones. Por lo tanto, en una realización preferida, la estructura del concentrador de oxígeno puede ser como sigue. El cátodo y/o el ánodo pueden estar en la forma de capas aplicadas como revestimiento sobre lados opuestos de la membrana productora de protones para formar un MEA. El catalizador puede estar en la forma de una capa aplicada como revestimiento sobre la capa de difusión. Ventajosamente, la capa de difusión del aparato catalítico puede ser seguidamente comprimida contra el cátodo. Dicho de otro modo, el catalizador, la capa de difusión, el cátodo, la membrana productora de protones y el ánodo pueden estar ventajosamente en la forma de capas conjuntamente comprimidas. Esto puede colocar el catalizador tan cerca como sea posible del cátodo, pero separado del mismo.

Las capas pueden ser conjuntamente comprimidas entre una lámina conductora del lado del cátodo y una lámina conductora del lado del ánodo, para el suministro de corriente eléctrica a las capas. Los inventores han encontrado que puede ser ventajosamente usada una presión elevada que mantenga las capas juntas. Por ejemplo, puede ser aplicada una presión de más de 0,5 MPa, preferentemente más de 0,8 MPa, y de forma particularmente preferida más de 0,9 MPa, para mantener las láminas conductoras unas contra otras y comprimir las capas de la celda conjuntamente. Esto significa, por ejemplo, que las capas de una celda en la que el área activa de la membrana conductora de protones es de aproximadamente 500 mm2, deben ser comprimida preferentemente con una fuerza de aproximadamente 450 Newtons. En los experimentos de los inventores, se ha encontrado que, a presiones inferiores, la resistencia eléctrica de la celda es aumentada, mientras que a presiones superiores se obtiene una pequeña disminución adicional de la resistencia eléctrica.

Las capas pueden ser forzadas o comprimidas conjuntamente de cualquier manera conveniente, por ejemplo, puede estar convenientemente albergado un concentrador de oxígeno en un alojamiento rígido y se colocan elementos flexibles entre el alojamiento y la acumulación de capas, para aplicar la presión necesaria. Los elementos flexibles adecuados pueden comprender espumas de anillos en O o elastómeras, como espumas de poliuretano. Pueden ser usadas espumas conductoras de la electricidad.

En la construcción de un concentrador de oxígeno, es importante que los materiales usados sean suficientemente resistentes a la corrosión.

Para generar oxígeno, el concentrador de oxígeno debe estar acoplado a un suministro adecuado de energía eléctrica. En una realización preferida, el concentrador de oxígeno puede funcionar en un modo de corriente controlada. La corriente aplicada corresponde a la velocidad de generación de oxígeno en el ánodo y, así, un usuario puede ajustar el suministro de energía para aplicar una corriente constante predeterminada a la celda, dependiendo del caudal de oxígeno deseado. Seguidamente es necesario un voltaje correspondiente para conducir la corriente seleccionada. En uso, si el concentrador de oxígeno no consigue funcionar normalmente, su resistencia eléctrica tenderá a elevarse, con lo que el voltaje necesario para conducir la corriente eléctrica se elevará también. En una realización preferida, el suministro de energía se dispone de forma que, si el voltaje necesario se eleve por encima de un umbral de voltaje predeterminado, el suministro de energía se desplaza a un modo estacionario, en el que el voltaje aplicado se reduce grandemente o se apaga.

Como se describió anteriormente, puede haber un modo de fallo de la celda si la atmósfera del ambiente es de una humedad extremadamente baja. En ese caso, el contenido de agua de la membrana conductora de protones se puede reducir progresivamente y la resistencia de la celda puede aumentar.

Un aspecto adicional de la invención, por tanto, puede proporcionar una unidad de suministro de oxígeno que comprende un concentrador de oxígeno, una batería y un suministro de energía para proporcionar una corriente predeterminada, por ejemplo, una corriente seleccionada por el usuario, al concentrador de oxígeno. El suministro de energía, por lo tanto, puede ser un suministro de energía de corriente constante. La unidad de suministro de oxígeno puede ser portátil o llevable, por ejemplo, para ser usada para una terapia tópica ambulatoria de oxígeno.

Como se describió con anterioridad, un concentrador de oxígeno para realizar la invención comprende, ventajosamente, una cámara del cátodo que tiene medios de ventilación que controlan el flujo o difusión desde la atmósfera hasta el catalizador, de modo que el concentrador puede producir un flujo continuo de oxígeno a una amplia gama de humedad del ambiente. Como se indicó anteriormente, los experimentos de los inventores han demostrado la generación continua de oxígeno a una humedad relativa baja de 37% o incluso a una humedad relativa de 35%. Como se describe también en este documento, los medios de ventilación deben proporcionar un nivel de ventilación entre límites superior e inferior y, si la ventilación de la cámara del cátodo cae por debajo de un límite inferior predeterminado o se eleva por encima de un límite superior predeterminado, la resistencia eléctrica de la celda electrolítica puede aumentar desventajosamente. En términos más generales, esto significa que la resistencia por área unitaria de la celda (el área del catalizador o el ensamblaje de electrodos de membrana) puede aumentar.

Habitualmente es deseable hacer funcionar un concentrador de oxígeno de forma que genere un flujo constante de oxígeno a un caudal deseado. El caudal de oxígeno está relacionado con el flujo de corriente a través de una celda y, por tanto, habitualmente es deseable hacer funcionar una celda a una corriente constante predeterminada. En este caso, si la resistencia de la celda se eleva, se observa una elevación en el voltaje aplicado a la celda. Si la resistencia de la celda aumenta, inicialmente la celda puede continuar funcionando, pero a una eficacia reducida y, si la resistencia se eleva demasiado, la producción de oxígeno falla y, ocasionalmente, el MEA puede resultar deteriorado, a menos que se reduzca la corriente aplicada. ¡

El rendimiento eléctrico de un concentrador de oxígeno a un nivel conocido de humedad relativa, por tanto, puede proporcionar un medio para valorar si el nivel de ventilación en el catalizador está o no entre los límites de ventilación superior e inferior. En un concentrador de oxígeno para realizar este aspecto de la invención, la optimización de la ventilación del catalizador, como se describió anteriormente, puede ventajosamente aumentar o maximizar el caudal de oxígeno que puede ser producido continuamente. Como consecuencia, los inventores han encontrado que los concentradores de oxígeno que tienen los siguientes rendimientos, tienen medios de ventilación que consiguen una ventilación del catalizador entre los límites superior e inferior anteriormente identificados.

Para una celda de este tipo en aire con una humedad relativa igual o mayor que 35%, puede ser aplicada una densidad de corriente constante de forma que, después de cualquier voltaje inicial transitorio, la celda produce un flujo un flujo continuo de oxígeno igual o mayor que 24 litros por hora por m2 del área del catalizador (o del cátodo o MEA) a NTP (temperatura y presión normales, 25° C y 1 atmósfera). Para fines experimentales, un flujo continuo de oxígeno se puede considerar que es un flujo mantenido durante 3 horas o más. Un concentrador de oxígeno que consiga este rendimiento debe cumplir el requisito de que la ventilación del catalizador esté entre los límites superior e inferior anteriormente descritos, en referencia a realizaciones de la presente invención. Si la ventilación estuviera por encima del límite superior, entonces se perdería excesiva agua a la atmósfera y si la ventilación estuviera por debajo del límite inferior, entonces es insuficiente el oxígeno atmosférico que puede alcanzar el catalizador para convertir en agua la totalidad del H2 generado en el cátodo. En cualquier caso, el rendimiento de la celda disminuiría a lo largo del tiempo, hasta que el flujo de oxígeno cayera por debajo del nivel umbral de 24 l/hm-2 Al mismo tiempo, la resistencia de la celda aumentaría y el voltaje aplicado a la celda aumentaría de forma correspondiente. Una valoración alternativa de una disminución inaceptable del rendimiento de la celda, por tanto, puede hacerse en referencia al aumento de voltaje necesario para conducir la corriente constante predeterminada (después de cualquier período transitorio del voltaje inicial, cuando la celda es puesta en marcha, lo que normalmente dura solo 30 segundos o 1 minuto como máximo). Por ejemplo, un aumento del voltaje de funcionamiento de 20% o 30%, por ejemplo, durante los primeros 10 minutos o 20 minutos de funcionamiento, se puede considerar inaceptable. Este aumento en el voltaje de funcionamiento, por lo tanto, puede indicar que la ventilación del catalizador está fuera de los límites superior e inferior anteriormente descritos.

El valor de la densidad de corriente necesaria para conseguir un flujo de oxígeno igual o mayor a 24 l/h por m2 del catalizador (o del cátodo o el MEA) y el voltaje aplicado a la celda para conseguir esa densidad de corriente pueden variar dependiendo de factores distintos de la ventilación del catalizador, como la resistencia eléctrica de la celda y el grosor de componentes como la membrana conductora de protones. Pero en una celda que tenga una baja resistencia eléctrica y una membrana conductora de protones ventajosamente fina, y en la que la distancia entre el catalizador y el cátodo sea ventajosamente pequeña (como se describe en las realizaciones específicas de la invención con posterioridad), entonces la densidad de corriente constante mínima para generar un flujo de oxígeno de 24 l/h/m2 a NTP es de aproximadamente 110 Am-2 (basada en el área del cátodo o el MEA, o del catalizador). Esto corresponde a una corriente constante de aproximadamente 55 mA aplicada a una celda que tiene un catalizador circular de 25 mm de diámetro (490 mm2) que produce al menos aproximadamente 12 ml/h de oxígeno a NTP.

Como los expertos en la técnica apreciarán, la ecuación de Faraday hace posible el cálculo del número máximo de moles por tiempo unitario de gas oxígeno y, por lo tanto, un caudal de oxígeno máximo a una temperatura y presión dadas como ANTP, que puede ser producido por una corriente dada que fluye a través de un concentrador de oxígeno. La generación de 24 l/h/m2 a 110 Am2 anteriormente descrita está por encima de aproximadamente un 95% del flujo de oxígeno máximo a esta corriente y, por tanto, esta celda se puede considerar que es eficiente en más de 95%. Los concentradores de oxígeno que tienen una ventilación del catalizador dentro del intervalo deseado anteriormente descrito, pueden producir un flujo continuo de oxígeno a más de 85%, preferentemente más de 90% y, de forma particularmente preferida, de más de 92% o 95% de eficiencia.

Preferentemente, este rendimiento se consigue a un voltaje de la celda entre 0,8 V y 1,2 V, o aproximadamente 1,0 V.

En una celda de este tipo, se pueden usar también otros parámetros para valorar si la ventilación del catalizador está dentro del intervalo prescrito. Por ejemplo, el múltiplo de veces el voltaje del área del catalizador (o el cátodo o área de MEA activa) no debe elevarse por encima de 6 V.cm2 y/o el valor del voltaje dividido por las veces de corriente respecto al área del catalizador (o el cátodo o área de MEA activa) no debe elevarse por encima de 120 Ohm.cm2

Una celda que tiene la ventilación preferida del catalizador anteriormente descrita puede ser capaz de producir un flujo constante de oxígeno a una humedad relativa inferior a la anteriormente mencionada, como a menos de 37% o 35% de humedad relativa, pero el flujo puede ser menor que 24 l/h/m2 y la celda solo puede ser capaz de funcionar continuamente a una corriente reducida.

La invención ha sido descrita en el contexto de una terapia tópica de oxígeno, pero el experto en la técnica apreciará que puede ser usada en cualquier aplicación en la que se requiera un flujo adecuado de oxígeno puro. Seguidamente se describirán realizaciones específicas de la invención a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

la Figura 1 es una vista despiezada de un concentrador de oxígeno según una primera realización de la invención;

la Figura 2 es una vista de tres cuartas partes de una base de la celda del concentrador de oxígeno de la Figura 1;

la Figura 3 es una vista en plano, desde debajo de la base de la celda;

la Figura 4 es una vista de tres cuartas partes de una tapa de la celda del concentrador de oxígeno de la Figura 1;

la Figura 5 es una vista en plano, desde abajo, de la tapa de la celda;

la Figura 6 es una vista despiezada parcial del concentrador de oxígeno de la Figura 1, que muestra secciones transversales de la base de la celda, la tapa de la celda, un anillo en O y un MEA orientados para su ensamblaje; la Figuras 7 y 8 son vistas en planos y laterales de capas de espuma de poliuretano flexibles del concentrador de oxígeno de la Figura 1;

la Figura 9 es una vista en plano de una capa conductora del lado del cátodo del concentrador de oxígeno de la Figura 1;

la Figura 10 es una vista parcial aumentada de la capa conductora de la Figura 9;

Figura 11 es una vista en plano del ensamblaje de electrodo de membrana (MEA) del concentrador de oxígeno de la Figura 1;

la Figura 12 es una vista despiezada de un concentrador de oxígeno según una segunda realización de la invención;

la Figura 13 es una vista en tres cuartos del concentrador de oxígeno de la Figura 12 en forma ensamblada; la Figura 14 es una sección transversal del concentrador de oxígeno ensamblado de la Figura 13;

la Figura 15 es una sección en diagrama de una parte del ensamblaje del electrodo de membrana (MEA) y el catalizador de regeneración de un concentrador de oxígeno que muestra los procedimientos electroquímicos de la celda;

la Figura 16 es un diagrama esquemático de una unidad de suministro de oxígeno que realiza la invención. La Figura 15 ilustra los procedimientos electroquímicos en la celda de un concentrador de oxígeno. Muestra una sección de diagrama de parte de la membrana conductora de protones que, en este caso, es una membrana de Nafion®. Un ánodo y un cátodo son aplicados como revestimiento sobre lados opuestos de la membrana y, en el lado del cátodo, una capa de catalizador de regeneración está separada del cátodo por una capa de difusión. El agua en la membrana reacciona en el ánodo para producir oxígeno gaseoso e iones de hidrógeno. Los iones de hidrógeno se difunden a través de la membrana hasta el cátodo, en el que se combinan con electrones para formar hidrógeno gaseoso. El hidrógeno se difunde a través de la capa de difusión hasta la capa del catalizador, en la que reacciona con oxígeno atmosférico para formar agua. El agua se vuelve a difundir a través de la capa de difusión hasta el cátodo y la membrana de Nafion. El agua seguidamente se difunde a través de la membrana hasta el ánodo para una nueva electrolisis.

La Figura 1 es una vista despiezada de un concentrador 2 de oxígeno según una primera realización de la invención. El concentrador está construido en forma de una acumulación de capas sustancialmente circulares (como se describe con posterioridad) albergada entre una base 4 de la celda y una tapa 6 de la celda. La base de la celda y la tapa de la celda están constituidas a partir de poli(metacrilato de metilo), pero podrían estar fabricadas a partir de cualquier material inerte adecuado. En el concentrador ensamblado, la tapa está afianzada a la base por medio de cuatro tornillos 8, que pasan a través de los orificios en la tapa y se atornillan en orificios roscados 10 en la base.

Las Figuras 2, 3, 4 y 5 muestran vistas en tres cuartos y en plano en la base de la celda y la tapa de la celda. Cuando el concentrador de oxígeno es ensamblado, una membrana 12 conductora de protones divide el espacio en la celda en un compartimento 14 del cátodo y un compartimento 16 del ánodo, como se ilustra en la Figura 6. La membrana es de Nafion® tipo NRE 212. La membrana es circular de 32 mm de diámetro exterior, y se asienta en un escalonamiento 18 correspondientemente dimensionado de la base de la celda.

Una parte radialmente externa de la membrana está asentada en el escalonamiento 18 y es comprimida contra el escalonamiento en la celda ensamblada por medio de un anillo en O 20 de nitrilo. El anillo en O es comprimido contra la membrana por medio de una parte saliente 22 radialmente exterior de la tapa de la celda y forma sellos herméticos a gases y líquidos entre la parte radialmente externa de la membrana y el escalonamiento 18 de la base de la celda, y entre la parte radialmente externa de la membrana y el anillo en O y entre el anillo en O y la tapa de la celda, para definir la cámara 14 del cátodo y la cámara 16 del ánodo.

Un cátodo 24 y un ánodo 26 se aplican como revestimiento sobre lados opuestos de una parte central de la membrana, para formar un MEA. Cada uno del cátodo y el ánodo están en la forma de un círculo de 25 mm, centralmente dispuesto en la membrana circular como se muestra en la Figura 11. El grosor de la membrana de Nafion es de aproximadamente 0,14 mm. El cátodo y el ánodo son sometidos a pulverización catódica. La carga en el cátodo es de al menos 0,3 mg de platino por cm2 y la carga en el ánodo es de al menos 1 mg de iridio por cm2 El MEA es marcado con puntos coloreados 25 para identificar los lados del ánodo y el cátodo.

En el lado del cátodo de la membrana, la cámara del cátodo contiene una acumulación de tres componentes (véase la Figura 1). De forma contigua al cátodo está una capa 28 de difusión aplicada como revestimiento sobre su lado, separada del cátodo por una capa 30 de catalizador de platino de deposición catódica. La capa de difusión puede ser de cualquier paño poroso adecuado, papel o material compuesto (por ejemplo, materiales compuestos de plástico que contienen carbono, grafito, nanotubos de carbono o alguna combinación de los mismos). Es conductora de la electricidad y opcionalmente es hidrófoba. En la realización, la capa de difusión comprende una capa de 10% de PTFE-carbono tejida no orgánica. El catalizador puede ser cualquier catalizador adecuado, o un catalizador más un material de soporte, para catalizar adecuadamente la reacción de hidrógeno y oxígeno formando agua. En la realización, el catalizador es una capa de deposición catódica de PTE, a una densidad de 2 mg.cm-2. La capa de difusión y el catalizador están en la forma de un disco de 25 mm, correspondiente al diámetro del ánodo y el cátodo, que define el área activa del MEA. De forma contigua al catalizador está una capa conductora en la forma de un disco 32 de acero inoxidable perforado en el lado del cátodo. Esto se ilustra en una vista de plano en la Figura 9 y a una escala aumentada en la Figura 10, para mostrar que se forma un conjunto de perforaciones circulares 33 a través del disco. Las perforaciones son de 0,2 mm de diámetro y están dispuestas en una ordenación compacta con una separación de 0,4 mm. En la celda ensamblada, las perforaciones permiten el acceso de aire al catalizador 30. Una pestaña 34 se extiende desde el borde del disco de acero inoxidable. En la celda ensamblada, esta sobresale a través de la correspondiente ranura 36 en la tapa de la celda, para una conexión a un suministro eléctrico.

Finalmente, un disco de espuma de poliuretano 38 poroso, compresible y flexible, nuevamente de 25 mm de diámetro, está colocado entre el disco de acero inoxidable y una parte central circular elevada 40 de la tapa de la celda, nuevamente de 25 mm de diámetro. El disco de espuma es ilustrado en las Figuras 7 y 8 y, antes de la compresión, tiene aproximadamente 1,4 mm de grosor. Una parte de su borde 42 es cortada y retirada para permitir el paso de la pestaña 34 del disco de acero inoxidable. Cuando la celda es ensamblada, el disco de espuma de poliuretano está en un estado comprimido, con el fin de comprimir las capas de la celda conjuntamente. La espuma de poliuretano es porosa, con el fin de permitir el acceso de aire al catalizador. La espuma puede ser conductora, por ejemplo, siendo una espuma de poliuretano metalizada, chapada de níquel sobre cobre.

Dos orificios circulares 44 están formados a través de la tapa de la celda, a través de los cuales hay una parte central 40 más gruesa, con el fin de abrir hacia la cámara del cátodo. Estos orificios proporcionan ventilación a la cámara del cátodo y permiten el acceso de aire, a través de la espuma de poliuretano y las perforaciones del disco de acero inoxidable, hasta el catalizador 30.

En la cámara del ánodo, está colocada una membrana 46 conductora y permeable a gases, de forma contigua al ánodo. Esta membrana está en la forma de un disco de 25 mm, correspondiente a la forma y el tamaño del ánodo. El material de la membrana puede ser igual que para la capa 28 de difusión anteriormente descrita. Una capa conductora en el lado del ánodo, en la forma de un disco 48 de acero inoxidable adicionalmente perforado, está en contacto con el lado de la membrana 46 permeable a gases opuesto al ánodo. Las perforaciones son iguales que para el disco de acero inoxidable del lado del cátodo anteriormente descrito. Una pestaña 50 se extiende desde un borde del disco de acero inoxidable y sobresale a través de la correspondiente ranura 52 en la base de la celda, para una conexión a un suministro de electricidad.

Si se desea, la membrana 46 puede ser omitida en la medida en que se mantenga un contacto eléctrico adecuado entre el ánodo y el disco de acero inoxidable del lado del ánodo.

Una capa 54 compresible y flexible de espuma de poliuretano está colocada entre el disco de acero inoxidable y una parte 59 circular central encastrada de la base de la celda. Una pequeña parte 56 del borde exterior circular del disco 54 de espuma es cortado y retirado para permitir que la pestaña 50 del disco de acero inoxidable pase a través de la ranura 52 en la base de la celda. La espuma puede ser opcionalmente conductora de la electricidad.

Un paso 58 de salida de gas conduce radialmente hacia afuera desde la cámara 16 del ánodo y termina en un sistema de bloqueo luer 60, que permite que la salida de oxígeno se acople a un tubo para una conexión, por ejemplo, a un vendaje hiperbárico que cubre una herida.

Cuando el concentrador de oxígeno es ensamblado, las diversas capas anteriormente descritas se colocan en una acumulación entre la base de la celda y la tapa de la celda. Los tornillos 8 se disponen seguidamente con la base de la celda y los tornillos se aprietan, las capas 38 y 54 de espuma flexible se comprimen para aplicar una fuerza que comprima las capas de la acumulación conjuntamente. Además, la compresión de los tornillos comprime el anillo en O 20 para sellar la periferia exterior de la celda y separar la cámara del cátodo de la cámara del ánodo. El grosor y la compresibilidad de las capas de espuma, y la separación entre la parte central elevada 40 de la tapa de la celda y la parte circular central 59 de la base de la celda, están predeterminadas de forma que se aplique una fuerza entre 440 y 450 Newtons a las capas entre los discos de espuma. Esto asegura un buen contacto eléctrico entre las capas para minimizar la resistencia eléctrica de la celda, y asegura un contacto estrecho entre la capa de difusión que soporta el catalizador y el cátodo contiguo y la capa conductora de protones. La flexibilidad de las capas de espuma acomoda también ventajosamente cualesquiera pequeñas variaciones en las dimensiones de los componentes del concentrador de oxígeno, debidas a tolerancias en la fabricación.

Antes del ensamblaje de la celda, cada capa de espuma tiene un grosor de aproximadamente 1,4 mm. En la celda ensamblada, la cámara del cátodo, que contiene una capa comprimida de espuma, tiene una profundidad de aproximadamente 0,7 mm.

En una realización alternativa, solamente una de las dos capas de espuma puede ser necesaria para introducir la acumulación de capas en la celda de forma conjunta.

En uso, el suministro de electricidad está conectado a las pestañas 34 y 50 de los discos de acero inoxidable y se hace pasar una corriente de aproximadamente 60 mA a través de la celda. El concentrador de oxígeno está colocado de forma que las aberturas externas de los orificios 44 de ventilación de la tapa de la celda estén abiertos a la atmósfera. Bajo estas condiciones, se generan aproximadamente 15 ml/h de gas oxígeno en el ánodo y sale a través del sistema de bloqueo luer 60, a una presión de aproximadamente 50 mbar por encima de la presión atmosférica. Se necesita un voltaje de aproximadamente 1,2 V para conducir la corriente de 60 mA. Esto es un voltaje adecuado para obtener una vida ventajosamente prolongada de la batería a partir de una batería recargable.

Los inventores han ensayado esta celda a voltajes por encima de 1 V y un intervalo de corrientes hasta 120 mA y encontraron que, dentro de este intervalo, es generado oxígeno continuamente en el ánodo a una velocidad proporcional a la corriente. Es posible que se pudieran aplicar corrientes más elevadas con el fin de generar velocidades mayores de flujo de oxígeno. Sin embargo, está anticipado que, a elevados voltajes aplicados, pueden surgir problemas de corrosión en la celda.

El suministro de energía a la celda está diseñado de forma que aumente la resistencia de la celda, de forma que el voltaje necesario para conducir la corriente predeterminada o preseleccionada se eleva de forma inaceptable, entonces, el suministro de energía se conmuta a un modo de espera o stand-by. En una realización preferida, el suministro de energía se interrumpe si el voltaje necesario requerido por la celda se eleva por encima de 2 V. Por ejemplo, en ensayos del concentrador de oxígeno, se ha encontrado que esto ocurre si uno de los orificios 44 resulta accidentalmente bloqueado, de forma que se reduce la ventilación de la cámara del cátodo.

Para investigar el rendimiento de la celda en esta realización y, en particular, el efecto de la ventilación de la cámara del cátodo, se prepararon celdas del mismo tamaño y geometría a las mostradas en las Figuras 1 a 11, pero que tenían medios de ventilación que comprendían diferentes números de orificios 44 de ventilación similares en la tapa de la celda. Los dos orificios 44 de ventilación mostrados en la Figura 1 tienen un área total de 13,2 mm2. Se preparó una celda similar que tenía un orificio de ventilación, con un área de 6,6 mm2, y se preparó una celda similar que tenía cuatro orificios de ventilación, con un área total de 26,4 mm2. A cada celda se le suministró una corriente constante de 55 mA a una temperatura de 22 (± 3)° C, una humedad relativa de 46 (+ 10/-5) % y una presión atmosférica de 1006 (± 10) mb. Para la celda que tenía dos orificios de ventilación, se produjo continuamente oxígeno (después de un comienzo transitorio que duró menos de un minuto) a una velocidad entre 9 y 11 ml/h para la duración del ensayo, 30 horas. El voltaje de la celda fue estable a aproximadamente 1 V. Para las celdas que tenían un orificio de ventilación o cuatro orificios de ventilación, el voltaje requerido para conducir la corriente de 55 mA se elevó estacionariamente durante los primeros 20 minutos de funcionamiento hasta por encima de 1,5 V, en cuyo momento se terminaron los ensayos para evitar un deterioro de las celdas. Estos resultados del ensayo ilustran la comprensión de los inventores de que el nivel de ventilación o el acceso del catalizador a la atmósfera es crítico. Si es demasiado poco, el catalizador que desabastecido de oxígeno atmosférico y no consigue reciclar suficiente agua para mantener la humedad en el MEA. Si es demasiado, el agua se pierde de la celda. En ambos casos tiene lugar un aumento de la resistencia eléctrica, debido a que el MEA experimenta una reducción de la conductividad.

La Figura 12 es una vista despiezada de un concentrador de oxígeno según una segunda realización de la invención. La Figura 13 muestra una vista de tres cuatros de la celda ensamblada y la figura 14 muestra la celda ensamblada en sección transversal. Del mismo modo que en la primera realización, El concentrador de oxígeno comprende una acumulación de capas albergadas entre una base 100 de la celda y una tapa 102 de la celda. Cada una de las capas es circular, con 25 mm de diámetro, excepto para la membrana 104 conductora de protones que tiene 32 mm de diámetro.

Como en la primera realización, la membrana 104 divide la celda en una cámara 106 del cátodo y una cámara 108 del ánodo. La cámara del ánodo está contenida en una recesión cilíndrica oculta formada en la base de la celda. La recesión cilíndrica está rodeada por un escalonamiento 110 en el que se asienta una parte radialmente exterior de la membrana conductora de protones. Un anillo 112 en O de 26,5 mm de diámetro interno y 3 mm de sección está colocado en la parte superior de la membrana y está comprimido contra la membrana por medio de la tapa 102 de la celda. Por tanto, cuando la tapa de la celda está en posición en la base de la celda, la parte radialmente exterior de la membrana 104 conductora de protones queda sellada contra el escalonamiento 110 en la base de la celda, y el anillo 112 en O forma un cierre hermético entre la membrana y la tapa de la celda.

En la celda ensamblada, la tapa de la celda es mantenida en su sitio en la base de la celda mediante 6 tornillos 104, que son recibidos en los correspondientes orificios roscados 116 en la base.

Como en la primera realización, la membrana conductora de protones es una membrana de Nafion. Un ánodo 118 de platino y un cátodo 120 de platino son sometidos a pulverización catódica sobre lados opuestos de una parte circular central de la membrana, de 25 mm de diámetro. Esto forma un ensamblaje de electrodo de membrana (MEA) y define el área de trabajo de la membrana.

En una celda ensamblada, una capa 122 de difusión conductora de la electricidad está colocada de forma contigua y en contacto con respecto al cátodo. Una capa de catalizador de platino es sometida a pulverización catódica en la cara distante del cátodo. Un disco 124 de metal poroso, formado por partículas metálicas sinterizadas, de acero inoxidable AISL 316L, está colocado entre el catalizador y la tapa de la celda. Un alambre metálico 126 está conectado a un punto central del disco sinterizado y sobresale a través de una abertura 128 en la tapa de la celda, para una conexión a un suministro de electricidad.

De forma contigua al ánodo está colocada una capa de difusión del lado del ánodo, por ejemplo, una membrana 130 permeable a gases, que permite el paso de oxígeno hacia afuera del ánodo. Un disco 132 sinterizado del lado del ánodo está colocado de forma contigua a la capa de difusión, en la cámara 108 del ánodo, y se asienta en dos anillos 134 y 136 en O dispuestos de forma concéntrica, asentados en una base de la cámara del ánodo formada en la base de la celda. El disco sinterizado es de acero inoxidable AISL 316L. Los anillos en O tienen respectivamente 21 mm y 8 mm de diámetro interno, y los dos tienen una sección de 2 mm. Cuando la celda es ensamblada, los anillos en O son flexiblemente comprimidos y ejercen así una fuerza sobre el disco sinterizado 132 del lado del ánodo, que es sustancialmente rígido. Éste a su vez, presiona las capas de la estructura de la celda conjuntamente para asegurar un buen contacto eléctrico entre las capas. Como en la primera realización, se encontró que es deseable una fuerza de compresión entre 400 N y 450 N.

Un alambre 133 está conectado a una parte central del disco sinterizado del lado del ánodo y sobresale a través de un orificio 135 en la base de la celda, para una conexión de un suministro de electricidad.

Como en la primera realización, un orificio está definido entre la cámara del ánodo y una superficie exterior de la base de la celda, para una conexión a un ajuste de bloqueo luer.

El concentrador de oxígeno de la segunda realización es adecuado para una conexión a un suministro de energía, como se describe en realización con la primera realización, y su rendimiento es similar al del concentrador de oxígeno de la primera realización.

Dos orificios 140 de 2,9 mm de diámetro están formados a través de la tapa de la celda, para ventilar la cámara del cátodo, como se describió anteriormente. Los orificios están separados en lados opuestos del centro de la cámara circular del cátodo, entre el centro y el diámetro exterior de la cámara circular del cátodo, para asegurar una ventilación uniforme de la cámara del cátodo a través de área completa del catalizador. La ventilación se produce a través del material sinterizado metálico poroso, que actúa como un separador para evitar un flujo de aire masivo, o corrientes de aire, a través de la cámara del cátodo, como se describió anteriormente.

La Figura 16 es un diagrama esquemático de una unidad 200 de suministro de oxígeno que realiza la invención. Una batería recargable 202 está conectada, a través de una unidad 204 de suministro de energía, a un concentrador 206 de oxígeno. La batería, la unidad de suministro de energía y el concentrador de oxígeno están albergados en un alojamiento 208 portátil y llevable. Una salida 210 de oxígeno está dispuesta en una superficie exterior del alojamiento para una conexión, por ejemplo, a un tubo que conduce a un vendaje hiperbárico.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un concentrador (2) de oxígeno, que comprende:

una membrana (12) conductora de protones;

un cátodo (24) que está en contacto con un primer lado de la membrana;

un ánodo (26) que está en contacto con un segundo lado de la membrana;

un aparato catalítico que comprende un catalizador (30) y una capa (28) de difusión, de modo que la capa de difusión separa el catalizador del ánodo; y

un alojamiento (4, 6) que define una cámara (14) del cátodo, estando contenido el aparato catalítico en la cámara del cátodo y definiendo el alojamiento uno o más orificios (44) que hacen posible que fluya aire hacia el catalizador,

de modo que el concentrador de oxígeno no tiene un depósito de agua y está configurado para mantener su funcionamiento, electrolizando agua derivada solamente de la humedad del aire y el catalizador y mediante la provisión del aparato catalítico colocado muy cerca o de forma directamente contigua al cátodo, de forma que el aparato catalítico convierte el hidrógeno generado en el cátodo en agua y recicla el agua a la membrana conductora de protones con poca pérdida de agua, y

de modo que el cátodo no está expuesto al oxígeno atmosférico.

2. Un concentrador de oxígeno según la reivindicación 1, en el que los uno o más orificios (44) hacen posible la ventilación de la cámara 14 del cátodo por debajo de un límite superior predeterminado de velocidad de ventilación y por encima de un límite inferior predeterminado de velocidad de ventilación; de modo que, opcionalmente, una ventilación por encima del límite inferior predeterminado permite que una cantidad suficiente de oxígeno atmosférico alcance el catalizador (30) para reaccionar con más de 90%, preferentemente más de 95% y de forma particularmente preferida más de 99% del hidrógeno generado en el cátodo (24) durante el uso del concentrador de oxígeno y/o, opcionalmente, de modo que una ventilación por debajo del límite superior predeterminado limita el agua portada fuera del catalizador (30) por un flujo de aire de ventilación durante el funcionamiento del concentrador de oxígeno menos de 15%, preferentemente menos de 5% y, de forma particularmente preferida, menos de 1% de agua generada en el catalizador mediante la reacción de hidrógeno con oxígeno atmosférico;

y/o, opcionalmente, de modo que una ventilación por debajo del límite superior predeterminado permite que más de un 85%, preferentemente más de un 95% y, de forma particularmente preferida, más de un 99% del agua generada en el catalizador (30) mediante la reacción de hidrógeno con oxígeno atmosférico, pase a través de la capa (28) de difusión hasta el cátodo (24) y la membrana (12) conductora de protones.

3. Un concentrador de oxígeno según la reivindicación 1 o 2, en el que el catalizador (30) y el cátodo (24) tienen cada uno un área entre 150 mm2 y 2000 mm2, preferentemente entre 300 mm2 y 1000 mm2 y, de forma particularmente preferida, entre 400 mm2 y 600 mm2;

y/o de modo que el catalizador (30) es sustancialmente plano y la cámara (14) del cátodo tiene una profundidad, medida perpendicularmente al plano del catalizador, entre 0,4 mm y 10 mm, preferentemente entre 0,5 mm y 7 mm, y de forma particularmente preferida entre 0,6 mm y 3 mm;

y/o de modo que el catalizador (30) es sustancialmente plano y tiene una dimensión lateral, y de modo que la cámara (14) del cátodo tiene una profundidad, medida perpendicularmente al plano del catalizador, entre 0,1 y 0,015 veces, y preferentemente, entre 0,04 y 0,02 veces la dimensión lateral;

y/o de modo que el catalizador (30) tiene una dimensión lateral entre 10 mm y 50 mm.

4. Un concentrador de oxígeno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el uno o más orificios (44) están definidos a través de una pared del alojamiento (6) y de modo que el área total del uno o más orificios es entre 7 mm2 y 80 mm2, preferentemente entre 10 mm2 y 40 mm2 y, de forma particularmente preferida, entre 12 mm2 y 20 mm2,

y/o de modo que el uno o más orificios (44) están definidos a través de una pared del alojamiento y de modo que el área del catalizador es entre 10 y 70 veces, preferentemente entre 25 y 55 veces, y de forma particularmente preferida, entre 30 y 45 veces el área total del uno o más orificios;

y/o de modo que el uno o más orificios (44) están definidos a través de una pared del alojamiento y de modo que el área del cátodo es entre 10 y 70 veces, preferentemente entre 25 y 55 veces, y de forma particularmente preferida, entre 30 y 45 veces el área total del uno o más orificios.

5. Un concentrador de oxígeno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, configurado para funcionar a una densidad de corriente entre 50 Am-2 y 250 Am-2, preferentemente entre 75 Am-2 y 200 Am-2, y de forma particularmente preferida, entre 100 Am-2 y 150 Am-2;

y/o configurado para funcionar a un voltaje entre 0,75 V y 2 V, preferentemente entre 1 V y 1,5 V y, de forma particularmente preferida, a aproximadamente 1,2 V;

o configurado para funcionar a un voltaje a 0,75 V y 2 V, preferentemente entre 0,8 V y 1,2 V y, de forma particularmente preferida, a aproximadamente 1,0 V.

6. Un concentrador de oxígeno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, configurado para producir un flujo de gas oxígeno desde el ánodo (26) de menos de 30 ml/h, medido a presión atmosférica o ambiental, para cada 500 mm2 del área del ánodo.

7. Un concentrador de oxígeno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cátodo (24) y/o el ánodo (26) están en la forma de capas aplicadas como revestimiento, respectivamente, sobre lados opuestos de la membrana (12) conductora de protones;

y/o de modo que el catalizador (30) está en la forma de una capa aplicada como revestimiento sobre la capa (28) de difusión.

8. Un concentrador de oxígeno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador (30), la capa (28) de difusión, el cátodo (24), la membrana (12) conductora de protones y el ánodo (26) están en la forma de dos o más capas conjuntamente comprimidas;

de forma que las capas están opcionalmente comprimidas conjuntamente entre una lámina conductora (32) del lado del cátodo y una lámina conductora (48) del lado del ánodo, configuradas para suministrar corriente eléctrica a las capas;

y/o de modo que, opcionalmente, las capas están configuradas para ser conjuntamente comprimidas a una presión de más de 0,5 MPa, preferentemente más de 0,8 MPa y, de forma particularmente preferida más de 0,9 MPa.

9. Un concentrador de oxígeno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador (30), la capa (28) de difusión, el cátodo (24), la membrana (12) conductora de protones y el ánodo (26) están en la forma de dos o más capas conjuntamente comprimidas por una presión que es aplicada reteniendo las capas en el alojamiento, conjuntamente acumuladas con una capa comprimida de un material compresible, preferentemente flexible.

10. Un concentrador de oxígeno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en que el concentrador de oxígeno está configurado para producir un flujo continuo de oxígeno de al menos 24 l/h/m2 del área del catalizador (30), medido a temperatura y presión normales NTP, cuando se aplica una densidad de corriente constante al concentrador de oxígeno en aire con una humedad relativa igual o mayor que 35%;

de modo que la densidad de corriente constante es, opcionalmente, menor que 150 Am-2 o, preferentemente, 120 Am-2 o, más preferentemente, aproximadamente 110 Am-2.

11. Una unidad de suministro de oxígeno, que comprende un concentrador (206) de oxígeno como se define en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, un suministro (204) de energía, como una batería recargable y una salida (210) de oxígeno acoplada a un lado del ánodo del concentrador de oxígeno;

y/o que es llevable o ambulatoria y puede estar acoplada a un vendaje hiperbárico.

12. Una unidad de suministro de oxígeno según la reivindicación 11, en la que el suministro (204) de energía está configurado para suministrar una corriente predeterminada al concentrador (206) de oxígeno y conmutarse a un estado de espera o stand-by si el voltaje requerido para conducir la corriente predeterminada se eleva por encima de un nivel de voltaje predeterminado;

de modo que la corriente predeterminada corresponde, opcionalmente, a una densidad de corriente a través del catalizador o el MEA igual o menor a 150 Am-2 o 120 Am-2 o, preferentemente, de aproximadamente 100 Am-2. y/o de modo que el nivel de voltaje predeterminado es, opcionalmente, 2,0 V o 1,5 V o 1,2 V.

13. Un método para concentrar oxígeno a partir de aire, que comprende las etapas de:

proporcionar un cátodo (24) y un ánodo (26) en los lados opuestos de una membrana (12) conductora de protones, una capa 28 de difusión contigua al cátodo y un catalizador (30) separado del cátodo por la capa de difusión;

permitir el acceso de aire al catalizador (30) a través de uno o más orificios (44);

hacer pasar una corriente entre el cátodo (24) y el ánodo (26) para electrolizar agua derivada solamente de la humedad en el aire y a partir del catalizador, para producir hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo; y hacer reaccionar el hidrógeno con oxígeno atmosférico en el catalizador (30) para producir agua, para que pase a través de la capa (28) de difusión hasta el cátodo para una electrolisis adicional,

de modo que los uno o más orificios (44) regulan el acceso de aire al catalizador entre velocidades de ventilación superior e inferior predeterminadas, y de modo que el cátodo no es expuesto a oxígeno atmosférico.