JP2013537262A - 酸素濃縮器および方法 - Google Patents

Abstract

酸素濃縮器は、大気中の湿気を電解することにより酸素流を発生させるためのものである。それには、プロトン伝導性膜（１２）の相対する面と接触するカソード（２４）とアノード（２６）が含まれる。触媒装置（１４）には、触媒（３０）をカソードから離隔する拡散層（２８）が含まれる。カソードおよび触媒装置は、触媒に対する制御された空気流を許容するための換気手段（４４）を含むカソードチャンバの内部に格納されている。作動中、水はアノードで電解され、カソードで発生した水素は拡散層を通って触媒まで流れ、そこで大気中酸素と反応して、水を形成し、この水はさらなる電解のためにプロトン伝導性膜に戻る。

Description

本発明は、周囲空気などの空気由来の酸素を濃縮するための酸素濃縮器および方法に関する。

創傷部位に対する酸素の供給が創傷の治癒を促進することが文献中において証明されている。これは、人間および動物の両方にあてはまる。この技術は局所的酸素療法として公知であり、新たな皮膚組織の成長を促して創傷を閉じ治癒する。

大部分の場合において、罹患した四肢はチャンバ内（特許文献１および特許文献２）またはバッグ内（特許文献３および特許文献４）に置かれ、チャンバまたはバッグに対し酸素ボンベから酸素が補給される。この処置は、患者の可動性を制限することから、多くの患者にとって非実用的である。局所的酸素療法を改善するためには、より好適な酸素供給を得ることが望ましいと考えられる。

特許文献５、特許文献６および特許文献７に記載の代替的アプローチにおいては、創傷全体にわたって設置される包帯の中または上に電解デバイスを組込むことができる。電解デバイスのカソードは空気に曝露されて、カソードに隣接するプロトン伝導性膜の中で溶解する過酸化水素を形成する。過酸化水素は、膜を通してアノードまで拡散し、そこで分解して水と酸素を形成し、酸素は創傷へと送られる。過酸化水素の存在は、それが健康な細胞を殺す可能性があるため、重大な問題である。したがって、創傷を治癒するためには、過酸化水素中間体を使用することなく純粋酸素を生成できることが望ましい。残念なことに、公知のプロトン伝導性膜は全て、酸性度が非常に高く、これらの条件下では、酸素がカソードでイオン化された時点で過酸化水素が形成される。

電解酸素発生の代替的アプローチは、水を電解して水素と酸素を生成し、酸素がカソードに接触するのを防ぐことである。これにより、過酸化水素の生成が回避される。特許文献８は、一実施形態において、水が１つの水供給源または水タンクからプロトン伝導性膜まで供給される電解酸素発生器について記載している。水は、膜のいずれかの面上のカソードとアノードの間で電解されて、アノード側で酸素をそしてカソード側で水素を形成する。酸素発生器からの水素が大気中に放出されるのを回避するためならびに酸素発生装置による水の消費を減少させるために、カソードに隣接して触媒装置が具備される。触媒装置は、気体透過性／液体透過性膜によりカソードから離隔された触媒層を含む。触媒層は、空気に曝露されている。カソードで発生した水素は、気体透過性／液体透過性膜を通って触媒まで拡散し、そこで大気中酸素と反応して水を形成する。こうして、水素が大気中に放出されることはない。水の少なくとも一部は、気体透過性／液体透過性膜を通ってカソードおよびプロトン伝導性膜まで戻るように拡散して、水供給源から提供される水を補完する。

発明者らは、患者が着用できる携帯式の移動型装置として実施されたこのタイプの電解酸素発生器を試験した。酸素発生器からの酸素供給は、治療のため創傷を覆う好適な設計の高圧創被覆材に補給される。これらの試験では、酸素発生器は充電式バッテリにより電力供給され、バッテリが充電を必要とするよりも著しく頻繁に水供給源を補充する必要があることが発見された。

米国特許第４，００３，３７１号明細書 米国特許第３，７４４，４９１号明細書 米国特許第５，１５４，６９７号明細書 米国特許第５，４７８，３１０号明細書 米国特許第５，５７８，０２２号明細書 米国特許第５，７８８，６８２号明細書 米国特許第５，８５５，５７０号明細書 国際公開第２００６／０９２６１２号パンフレット

携帯式酸素発生器が、バッテリの充電または水源の補充のいずれも必要とせずに可能なかぎり長時間作動することが望ましいと考えられる。

本発明は、添付のクレームに定義されている酸素濃縮器、酸素濃縮方法および酸素供給ユニットを提供しており、ここでこれらのクレームへの参照が求められる。

本発明は、酸素発生器ではなくむしろ酸素濃縮器を提供している。これは、本発明に係る装置が水タンクを有しておらず、それを必要としないという事実を反映している。

したがって、第１の態様において、本発明は、有利には、プロトン伝導性膜と；膜の第１の面および第２の面と接触するカソードおよびアソードと；触媒および拡散層を含み、拡散層が触媒をカソードから離隔している、触媒装置と；カソードチャンバを画定するハウジングと；を含む酸素濃縮器を提供する。触媒装置は、カソードチャンバの内部に格納され、空気が触媒に流入できるようにするための換気手段を含む。

使用中、カソードとアノードの間に電圧が印加されて、プロトン伝導性膜内の水を電解する。水は当初大気中の湿気を通して供給される。電解は、アノードで酸素をそしてカソードで水素を生成する。水素は、カソードから触媒を離隔する拡散層（または透過層）を通過する。触媒において、水素はカソードチャンバ内部で大気中酸素と反応して水を生成する。水は、拡散層を通って、さらなる電解のためのカソードおよびプロトン伝導性膜まで戻るように移行する。

意外にも、発明人らは、酸素濃縮器が、低い湿度レベルにおいてでも、大気の湿気以外の水の供給無く作動し得ることを発見した。換言すると、酸素濃縮器は有利には水タンクを必要とせず、空気中の湿気および触媒のみに由来する水を電解することができる。上述の通り、局所的酸素療法向けに大気由来の酸素を濃縮するための電解デバイスは提案されてきているが、これらの先行技術のデバイスにおいては、カソードは空気に曝露されて、カソードに隣接するプロトン伝導性膜内で溶解する過酸化水素を形成する。上述の通り、過酸化水素の創出は、重大な問題である。対照的に、本発明は、水の電解によって作動しかつカソードが有利にも大気中酸素に曝露されない酸素濃縮器を提供する。発明人らは、カソードに非常に近接してまたは直接隣接して位置づけされた触媒装置を提供すると、カソードで発生した水素は水に転換され、水はプロトン伝導性膜へと再循環され、その場合の水の損失はきわめてわずかであるため、本発明を実施した酸素濃縮器は水タンク無しで作動できる、ということを発見した。これは、水の電解による酸素の連続的生成には水タンクが必要であると考える当業者の予想および技術的先入観に完全に反することである。

酸素濃縮器の性能は、空気が触媒まで流入して、カソードで発生する水素を大気中酸素と反応させることができる換気手段の作用によって増強される。

酸素濃縮器の性能をさらに一層改善させるかもしれない好ましい実施形態においては、カソードチャンバの換気が既定の上限と下限の間にあるような形でカソードチャンバ内へまたはカソードチャンバを貫通して空気流を制御するように換気手段を配置することが望ましい。発明人らは実験によって、上限と下限の間の換気レベルまたは空気流または空気拡散のレベルが、濃縮器の増強された動作を可能にすることを見極めた。カソードチャンバの換気が既定の下限より低く下降するかまたは既定の上限より高く上昇した場合、電解セルの抵抗は増大するということが発見されている。ただし、カソードチャンバの換気が既定の上限と下限の間にあるならば、酸素濃縮器の高い効率は連続的に維持される場合がある。酸素濃縮器、例えば携帯用酸素濃縮器をバッテリなどの内蔵型電源で可能なかぎり長時間にわたり作動できるようにするためには、所望の酸素流を生成する優れた電気効率が望ましい。

最適な換気範囲外で作動効率が低下することに関与する電気化学的プロセスについては、完全に理解されていない。それでも、酸素濃縮器の作動は以下の通りであると発明人らは考えている。

カソードチャンバの換気が既定レベルよりも低い場合には、カソードにおいて発生した全ての水素と反応するには不充分な大気中酸素しか触媒に到達しないと考えられている。その場合、水素は大気中に放出されてしまい、触媒からプロトン伝導性膜までの水の再循環は削減されるかもしれない。その結果、水の電解は減速し、最終的には停止する場合がある。

カソードチャンバの換気が既定のレベルより高い場合には、カソードで発生した実質的に全ての水素が触媒において大気中酸素と反応して水を生成するかもしれない。しかしながら、水の一部は、カソードチャンバを換気する空気中に入り（またはその中に蒸発し）、触媒から大気中に運び去られる可能性がある。こうして、プロトン伝導性膜に再循環される水の量は減少し、そのため電解速度は減速するかもしれない。この効果は、周囲空気または周囲大気の湿度に応じて変動し得ると考えられている。周囲湿度が非常に高い場合には、大気に奪われる水の量は減少するかもしれず、大気中に湿気として存在する多くの水が拡散層内に引き込まれ、層を通ってプロトン伝導性膜へと移行するかもしれない。対照的に、周囲湿度が非常に低い場合には、より多くの水が触媒から大気中に失なわれるかもしれず、拡散層中に吸収されプロトン伝導性膜へと移行する湿気は少なくなるかもしれない。

カソードチャンバの所望の換気範囲内では、カソードで生成された水素の実質的に全てと反応するのに充分な大気中酸素が触媒に到達し得、水の有利にも大きな割合が、拡散層を通って、さらなる電解のためプロトン伝導性膜に戻るように移行し得る。好ましくは、カソードチャンバを換気する空気中に失なわれるかもしれない水の画分は全く無いかまたは極く小さいものでしかない。

触媒装置は、その厚みを横断する拡散勾配に基づいて作動し得ると考えられている。水素は触媒において水へと転換されることから、カソードで生成された水素は、カソードから触媒までの拡散勾配を下向きに拡散し得、水はプロトン伝導性膜で電解されることから、触媒で生成された水は、プロトン伝導性膜に向かって拡散勾配を下向きに拡散し得る。したがって、カソードチャンバの換気は、触媒に到達する水素の実質的に全てが反応できるのに充分なほど高くなければならず、かつ触媒で生成された水が、大気中に失なわれるのではなくむしろプロトン伝導性膜に向かって拡散する傾向をもつほど充分に低いものでなければならない。

酸素濃縮器の性能は、周囲空気の濃度に応じて変動すると予想されるかもしれない。実際には、発明人らは、酸素濃縮器が発生させる酸素が周囲空気と実質的に同じ湿度にあることを発見した。したがって、カソードチャンバ内に入る周囲湿度と触媒装置による水の効率の良い再循環を組合せることで、非常に広い周囲湿度範囲での連続的な酸素発生を可能にするのに充分であることが理解される。濃縮器は、極めて低い周囲湿度では作動不能であるかもしれない（例えば本発明を実施する１つの酸素濃縮器の試験において、発明人らは、３７％の相対湿度に至るまで満足のいく作動を得たが、設計を改善することで、例えば２５％さらには１０％などのより低い相対湿度での作動が可能になる場合がある）が、濃縮器の有利な応用は、局所的酸素療法向けの移動型装置内での酸素の生成にあることを指摘することができる。酸素濃縮器が衣服の内部に着用される場合、着用者の体の近位が、たとえ衣服の外部の大気湿度レベルが不利なほどに低い場合であっても湿度が既定の流量における連続した酸素生成を可能にするのに充分なものであるかもしれないことを意味するということを、発明人らは発見した。

有利には、酸素濃縮器が水の電解によって作動し、（触媒装置の存在により）大気中酸素がカソードに出入りするのを防止することから、過酸化水素は形成されない。

酸素濃縮器は原則的に、実質的にいかなるサイズのものであってもよいが、その使用は携帯式デバイスにおいて特に有利である。携帯式または移動型デバイスにおいては、水タンクを具備して水を補充する必要性が無いことは、すなわち、濃縮器が有利にも長時間作動できることを意味する。作動時間は、電源によってのみ限定され、充電式バッテリを用いる好適なサイズの携帯式ユニットは、バッテリの充電が必要となるまで一週間以上作動できることが分かっている。

携帯式酸素濃縮器は、カソードとアノード間に、１５０ｍｍ²〜２０００ｍｍ²、好ましくは３００ｍｍ²〜１０００ｍｍ²、そして特に好ましくは４００ｍｍ²〜６００ｍｍ²の作用面積を有するプロトン伝導性膜を含んでいてよい。例えば、プロトン伝導性膜の作用面積は、直径２５ｍｍの円であってよい（アノード、カソード、拡散層および触媒の面積および形状は、有利には、膜の作用面積および形状と全て同じであってよい）。約１．２Ｖの電圧および６０ｍＡの電流で作動するこのようなセルは、約１５ｍｌ／時で連続的に酸素を生成し得る。これは、創傷を覆う適切な高圧創被覆材に提供するために好適な酸素供給速度である。

プロトン伝導性膜、カソード、アノード、触媒および拡散層は全て、互いに接触状態にあって層のスタックを形成する平面的な層の形をしていてよい。有利には、カソードとアノードは、プロトン伝導性膜の第１および第２の面にコーティングされて膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成する層の形をしていてよく、触媒は、拡散層の片面上にコーティングされた層の形をしていてよい。組立てられた酸素濃縮器内で、このとき拡散層はカソードと接触するようにプレスされてよい。

カソードとアノードの間に電圧を提供することが必要である。好ましい実施形態においては、これは、電力供給を接続できる上述の層のスタックをカソード側伝導性シートとアノード側伝導性シートの間に設置することによって達成可能である。この実施形態において、拡散層は、カソード側伝導性シートからカソードまで電流を搬送するため電気伝導性でなければならない。

カソード側伝導性シートは、空気が触媒まで流入できるように、多孔質または孔明きのものでなければならない。同様に、アノード側伝導性シートは、酸素がアノードから離れるように流れることができるように、多孔質または孔明きのものでなければならない。両方の伝導性シート共、孔明きまたは小孔のある金属シートとして実施されると好適かもしれない。これらは耐腐食性のもの、例えばステンレス鋼板でなければならない。

有利には、カソード側およびアノード側の伝導性シートは、上述の層のスタックの相対する面に対してプレスされてよく、プロトン伝導性膜の作用面積および形状に対応する既定の面積および形状のものであってよい。カソードチャンバの内部断面積および形状は、有利には、（触媒装置と他の構成要素がカソードチャンバ内に嵌合し得るような形で隙間が提供されている状態で）膜の作用部分の面積と実質的に同じであってよい。膜に対し垂直に測定されたカソードチャンバの深さは、触媒装置および任意のカソード側電導性シートを収容するためおよび空気が触媒まで流入できるのに充分な換気を可能にするために充分なものでなければならない。

したがってカソードチャンバは、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、１ｍｍまたは２ｍｍ超そして１０ｍｍ、７ｍｍまたは５ｍｍ未満の深さを有していてよい。

水素は、プロトン伝導性膜の全作用面積を横断して発生し、カソードから触媒まで拡散層を通って直接拡散してよい。したがって、触媒の全面積を換気すべきであるという点が重要である。

これを可能にするため、換気手段は有利には、カソードチャンバのハウジングの壁を貫通して画定された１つ以上の通気孔を含んでいてよい。カソードチャンバ内の換気レベルは、１つまたは複数の通気孔の合計面積に関係づけされ得る。本発明を実施する典型的酸素濃縮器については、１つまたは複数の通気孔の合計面積は、７ｍｍ²〜８０ｍｍ²、好ましくは１０ｍｍ²〜４０ｍｍ²、そして特に好ましくは１２ｍｍ²〜２０ｍｍ²であってよい。

１つまたは複数の通気孔に加えて、カソードチャンバには、フォームまたは焼結材料などの多孔質材料が充填されてよい。これは、有利にも、空気がカソードチャンバを通って流れるかまたは拡散できるようにするかもしれないが、カソードチャンバを通したバルク空気流または空気ドラフトを防ぐよう換気を加減するためのバッフルとして作用する場合がある。

上述の通り、酸素濃縮器は、一定範囲内の異なるサイズで実施されてよい。したがって、代替的には、酸素濃縮器のサイズの観点から、そして詳細にはプロトン伝導性膜の作用面積の観点から換気手段の定義を行ってもよい。こうして、膜の作用面積は、１つまたは複数の通気孔の合計面積の１０〜７０倍、好ましくは２５〜５５倍そして特に好ましくは３０〜４５倍であってよい。

カソードチャンバの換気はその形状によって影響される場合がある。したがって、換気手段の有利な性能のためには、カソードチャンバの深さを、カソードチャンバの横方向寸法または最大横方向寸法に比例するものとして定義してもよい。例えばカソードチャンバは、その深さの１０〜７０倍または好ましくはその深さの２５〜５０倍の横方向寸法を有していてよい。

好ましい実施形態においては、触媒の面積全体を横断して換気を達成するために、換気手段は、カソードチャンバの横方向寸法を横断して分布していてよい。例えば、換気手段は、ハウジングの壁内の異なる位置で離隔された２つ以上の通気孔の形をとってよい。

発明人らは、酸素濃縮器の最適な作動が、好ましくは０．７５Ｖ〜２Ｖ、より好ましくは１Ｖ〜１．５Ｖそして特に好ましくは約１．２Ｖで達成されることを発見した。これらは、上述の通り例えばカソード側伝導性シートとアノード側伝導性シートの間で、セルに印加される電圧である。カソードとアノードの間で測定されたセル電位は、印加されたセル電圧より小さくてよいが、発明人らは、８０％超または９０％超のセル効率を測定し、したがって、セル内部の電圧損失は小さいと考えられている。

上述の電圧に対応して、酸素濃縮器は、有利には、プロトン伝導性膜の作用面積全体にわたり５０Ａｍ^-2〜２５０Ａｍ^-2、好ましくは７５Ａｍ^-2〜２００Ａｍ^-2、そして特に好ましくは１００Ａｍ^-2〜１５０Ａｍ^-2の電流密度で作動してよい。

これらの電気的条件は有利には、アノードの面積５００ｍｍ²毎に最高３０ｍｌ／時（大気圧または周囲圧力で測定）の酸素ガスの流れをアノードから生成し得るということが発見された。実際には局所的酸素療法向けとして、好ましい実施形態において、酸素は例えば大気圧より約５０ｍｂａｒ上などのわずかに高圧で生成されてよい。より一般的に言うと、アノードチャンバはカソードチャンバと異なる圧力で作動してよい。したがってアノードチャンバおよびカソードチャンバは、その間のガスの流れを防ぐため互いから気密にされているべきである。これにより、アノードにおいて発生した酸素がカソードと接触して不都合にも過酸化水素の形成を導く可能性を防ぐというさらなる利点が提供される。

水タンク無しでの作動を可能にするため、酸素濃縮器の効率は、電気的性能ならびに触媒からプロトン伝導性膜への水の再循環の両方の観点から見て、可能なかぎり高いものであることが好ましい。したがって、好ましい実施形態において、酸素濃縮器の構造は以下の通りであってよい。カソードおよび／またはアノードは、ＭＥＡを形成するためプロトン伝導性膜の相対する面上にコーティングされた複数の層の形をしていてよい。触媒は、拡散層上にコーティングされた１つの層の形をしていてよい。有利には、触媒装置の拡散層はこのとき、カソードに対しプレスされてよい。換言すると、触媒、拡散層、カソード、プロトン伝導性膜およびアノードは、有利には、合わせてプレスされた複数の層の形をしていてよい。こうして有利にも、触媒をカソードに対し可能なかぎり近くに、ただしカソードからは離隔して、位置づけすることができる。

層は、それらに対して電流を供給するため、カソード側伝導性シートとアノード側伝導性シートの間で合わせてプレスされてよい。発明人らは、複数の層を互いに合わせるために高い圧力を使用することが有利であるかもしれないということを発見した。例えば、０．５ＭＰａ超、好ましくは０．８ＭＰａ超、特に好ましくは０．９ＭＰａ超の圧力を加えて伝導性シートを互いに押圧して、セルの複数の層を合わせて圧縮することができる。このことはすなわち例えば、プロトン伝導性膜の作用面積が約５００ｍｍ²であるセルの複数の層を、特に好ましくは、約４５０ニュートンの力で合わせてプレスすべきであることを意味する。発明人らの実験では、より低い圧力において、セルの電気抵抗が上昇し、一方より高い圧力では、電気抵抗のさらなる低下はほとんど得られない、ということが発見された。

層には任意の好適な方法で、荷重を加えるかまたはプレスを行ってよい。例えば、酸素濃縮器を剛性ハウジングの内部に収納し、ハウジングと層のスタックの間に弾力性ある要素を位置づけして所要圧力を加えることが好適であり得る。適切な弾力性ある要素としてはＯリングまたはエラストマーフォーム例えばポリウレタンフォームが含まれ得る。電気伝導性フォームを使用してもよい。

酸素濃縮器の構築においては、使用される材料が充分な耐腐食性を有するべきであるということが重要である。

酸素を生成するため、酸素濃縮器は好適な電源に連結されなければならない。好ましい実施形態においては、酸素濃縮器は電流制御モードで作動し得る。適用される電流はアノードにおける酸素発生速度に対応し、したがってユーザーは、所望の酸素流量に応じてセルに対し既定の定電流を適用するように電源を設定してよい。このとき、対応する電圧は、選択された電流を駆動することが求められる。使用中、酸素濃縮器が正常に作動できなくなった場合には、その電気抵抗は上昇する傾向をもち、こうして選択された電流を駆動するための所要電圧も同じく上昇する。好ましい実施形態において、電源は、所要電圧が既定の電圧閾値より高く上昇した場合、電源がスタンバイモードに切換わるような形で構成されており、このモードでは印加電圧は大幅に削減されるかまたはオフ切換えされる。上述のように、セルの故障モードは、周囲大気が極めて低い湿度を有する場合であるかもしれない。この場合、プロトン伝導性膜の含水量は漸進的に低下し、セルの抵抗は上昇するかもしれない。

こうして、本発明のさらなる態様は、酸素濃縮器、酸素濃縮器に既定の電流、例えばユーザーが選択した電流を提供するための電源およびバッテリを含む酸素供給ユニットを提供し得る。したがって電源は、定電流電源であってよい。酸素供給ユニットは、移動型局所的酸素療法向けに使用するため、携帯式または着用式であってよい。

上述の通り、本発明を実施する酸素濃縮器は、有利には、濃縮器が広範囲の周囲湿度で連続した酸素流を生成できるような形で大気から触媒までの空気の流れまたは拡散を制御する換気手段を有するカソードチャンバを含む。以上で指摘した通り、発明人らの実験は、最低３７％の相対湿度、さらには３５％の相対湿度までの酸素の連続的発生を実証した。同じく本明細書中に記載されている通り、換気手段は、上限と下限の間の換気レベルを提供すべきであり、カソードチャンバの換気が既定の下限より低く降下した場合または既定の上限より高く上昇した場合、電解セルの電気抵抗は、不都合なほど増加し得る。より一般的に言うと、これはすなわち、セルの単位面積（触媒または膜電極アセンブリの面積）あたりの抵抗が増大し得ることを意味する。

所望の流量で恒常な酸素流を発生するように酸素濃縮器を作動させることが通常望ましい。酸素流量は、セルを通って流れる電流と関係づけされ、したがって、既定の定電流でセルを作動させることが一般に望ましい。この場合、セル抵抗が上昇すると、セルに印加される電圧の上昇が観察される。セルの抵抗が増大すると、当初、セルは作動し続けるかもしれないが、その効率は低下し、抵抗が過度に上昇すると、酸素出力は下降し、適用される電流が削減されないかぎり、最終的にはＭＥＡが損傷を受けるかもしれない。

公知の相対湿度レベルでの酸素濃縮器の電気的性能は、こうして、触媒における換気レベルが上下の換気限界の間にあるか否かを査定するための手段を提供し得る。本発明のこの態様を実施する酸素濃縮器においては、上述の通りの触媒の換気を最適化することにより有利にも、連続的に生成可能な酸素の流量は増大するかまたは最大になる。結果として、発明人らは、以下の性能を有する酸素濃縮器が、以上で識別された上限と下限の間の触媒の換気を達成する換気手段を有することを発見した。

３５％以上の相対湿度の空気中にあるこのようなセルについては、あらゆる初期電圧過渡現象の後、セルがＮＴＰ（正常温度および圧力、２５℃および１気圧）において触媒（またはカソードまたはＭＥＡ）の面積１ｍ²あたり一時間２４リットル以上の連続酸素流を生成するような形で、定電流密度を印加することができる。実験目的では、３時間以上の間維持された流れを連続酸素流とみなしてよい。この性能を達成する酸素濃縮器は、触媒の換気が本発明の実施形態を参照して以上で記述した上限と下限の間にあるという要件を満たさなければならない。換気が上限より高かった場合には、過剰な水が大気に失なわれると考えられ、換気が下限より低かった場合には、カソードで生成されたＨ₂を全て水に転換するには不充分な大気中酸素しか触媒に到達しないかもしれない。いずれの場合でも、セルの性能は、酸素流が２４ｌ／時／ｍ^-2の閾値レベル以下に降下するまで、経時的に低下すると考えられる。同時に、セルの抵抗は増大し、セルに印加される電圧はそれに対応して増大すると考えられる。こうして（セルがオン切換えされる時の、典型的には長くても３０秒または１分しか持続しないあらゆる初期電圧過渡期間の後）既定の定電流を駆動するのに必要とされる電圧の増加を基準にして、セル性能の許容できない低下の代替的な査定を行なうことができる。例えば、最初の１０分または２０分間の作動のうち２０％または３０％作動電圧が上昇することは、許容不能とみなされるかもしれない。したがって、作動電圧のこのような上昇は、触媒の換気が上述の上限および下限の外側にあることを表わすかもしれない。

触媒（またはカソードまたはＭＥＡ）１ｍ²あたり２４ｌ／時以上の酸素流を達成するのに必要とされる電流密度の値、およびこの電流密度を達成するためにセルに印加される電圧は、触媒の換気以外の因子例えば、セルの電気抵抗およびプロトン伝導性膜などの構成要素の厚みに応じて変動し得る。しかし、低い電気抵抗および有利にも薄いプロトン伝導性膜を有しかつ触媒とカソードの間の距離が（以下の本発明の具体的実施形態に記載の通り）有利なほどに小さいセルにおいては、ＮＴＰで２４ｌ／時／ｍ²の酸素流を生成するための最小の定電流密度は、（カソードまたはＭＥＡ、または触媒の面積に基づいて）約１１０Ａｍ^-2である。これは、ＮＴＰで少なくとも約１２ｍｌ／時の酸素を生成する直径２５ｍｍ（４９０ｍｍ²）の円形触媒を有するセルに適用された約５５ｍＡの定電流に対応する。

当業者であれば認識する通り、ファラデーの方程式により、酸素ガスの単位時間あたりの最大モル数、ひいては、酸素濃縮器を通って流れる所与の電流により生成され得る、ＮＴＰなどの所与の温度および圧力での最大酸素流量を計算することが可能である。上述の１１０Ａｍ²における２４ｌ／時／ｍ²の発生は、この電流での最大酸素流の約９５％超であり、したがってこのようなセルは９５％超の効率を有するものとみなされてよい。上述の所望の範囲内の触媒の換気を有する酸素濃縮器は、８５％超、好ましくは９０％超そして特に好ましくは９２％超または９５％超の効率で連続的酸素流を生成し得る。

好ましくは、この性能は、０．８Ｖと１．２Ｖの間、または約１．０Ｖのセル電圧で達成される。

このタイプのセルにおいては、触媒の換気が規定の範囲内にあるか否かを査定するために、他の測定基準も使用してよい。例えば、触媒面積（またはカソードまたは活動状態のＭＥＡの面積）に電圧を乗じた倍数は、６Ｖ・ｃｍ²より高く上昇してはならず、かつ／または電圧を電流×触媒面積（またはカソードまたは活動状態のＭＥＡの面積）で除した値は１２０Ｏｈｍ・ｃｍ²より高く上昇してはならない。

上述の触媒の好ましい換気を有するセルは、３７％または３５％未満の相対湿度などの上述のものより低い相対湿度で恒常な酸素流量を生成できるかもしれないが、流量は２４ｌ／時／ｍ²未満であり得、セルは、削減された電流でのみ連続して作動できるかもしれない。

本発明について、局所的酸素療法に関連して記述してきたが、当業者であればわかるように、適切な純粋酸素流量が必要とされるあらゆる利用分野においてそれを使用してもよい。

本発明の具体的実施形態について以下で、添付図面を参照しながら、一例として記述する。

本発明の第１の実施形態に係る酸素濃縮器の分解組立図である。 図１の酸素濃縮器のセルベースの等角投影図である。 セルベースの下から見た平面図である。 図１の酸素濃縮器のセルカバーの等角投影図である。 セルカバーの下から見た平面図である。 組立て用に配向されたセルベース、セルカバー、ＯリングおよびＭＥＡの横断面を示す、図１の酸素濃縮器の部分分解組立図である。 図１の酸素濃縮器の弾力性あるポリウレタンフォーム層の平面図である。 図１の酸素濃縮器の弾力性あるポリウレタンフォーム層の側面図である。 図１の酸素濃縮器のカソード側伝導性層の平面図である。 図９の伝導性層の拡大部分図である。 図１の酸素濃縮器の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る酸素濃縮器の分解組立図である。 組立てられた形の、図１２の酸素濃縮器の等角投影図である。 図１３の組立てられた酸素濃縮器の横断面である。 セルの電気化学プロセスを示す酸素濃縮器の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）および再生触媒の一部分の概略的断面である。 本発明を実施する酸素供給ユニットの概略的断面である。

図１５は、酸素濃縮器のセル内での電気化学プロセスを例示する。これは、この場合ナフィオン（ＲＴＭ）膜であるプロトン伝導性膜の一部の概略的断面を示す。アノードとカソードが膜の相対する面上にコーティングされており、カソード側では、再生触媒層が拡散層によってカソードから離隔されている。膜内の水はアノードにおいて反応して、気体酸素および水素イオンを生成する。水素イオンは膜を通ってカソードまで拡散し、そこでこれらは電子と組合わさって気体水素を形成する。水素は拡散層を通って触媒層まで拡散し、ここで大気中酸素と反応して水を形成する。水は拡散層を通ってカソードおよびナフィオン膜まで戻るように拡散する。水はこのとき膜を通って、アソードまで拡散し、再電解される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る酸素濃縮器２の分解組立図である。濃縮器は、セルベース４とセルカバー６の間に収納された（以下で記述する通りの）実質的に円形の層のスタックとして構築される。セルベースとセルカバーは、ポリメチルメタクリレートから機械加工されるが、任意の好適な不活性材料から製造できると考えられる。組立てられた濃縮器において、カバーは、カバー内の孔を通過しベース内のネジ穴１０の中に螺入される４本のボルト８により、ベースに固定される。

図２、３、４および５は、セルベースとセルカバーの等角投影図および平面図を示す。

酸素濃縮器が組立てられた時点で、図６に示されている通り、プロトン伝導性膜１２はセル内の空間をカソード区画１４とアノード区画１６に分割する。膜は、ナフィオン（ＲＴＭ）、ＮＲＥ２１２タイプのものである。膜は外径３２ｍｍの円形であり、セルベースに対応してサイズ決定された段１８上に載置される。膜の半径方向外側部分は、段１８上に載り、ニトリル製Ｏリング２０により組立てられたセル内の段に対し押圧される。Ｏリングは、セルカバーの半径方向外側のフランジ部分２２によって膜に対し押圧され、膜の半径方向外側部分とセルベースの段１８の間、膜の半径方向外側部分とＯリングの間、そしてＯリングとセルカバーの間に気密性および液密性のシールを形成して、カソードチャンバ１４とアノードチャンバを画定する。

カソード２４とアノード２６が、膜の中央部分の相対する面上にコーティングされてＭＥＡを形成する。カソードとアソードの各々は、図１１に示されている円形膜上の中央に配置された２５ｍｍの円の形をしている。ナフィオン膜の厚みは、およそ０．１４ｍｍである。カソードとアノードはスパッタされる。カソードの負荷は、１ｃｍ²あたり少なくとも０．３ｍｇの白金であり、アノードの負荷は、１ｃｍ²あたり少なくとも１ｍｇのイリジウムである。ＭＥＡは、アノードおよびカソード側を識別するため、カラードット２５でマーキングされる。

膜のカソード側において、カソードチャンバは３つの構成要素のスタックを格納する（図１参照）。カソードに隣接して、カソードから離隔された面がスパッタされた白金触媒層３０でコーティングされている拡散層２８が存在する。拡散層は、任意の適切な多孔質生地、紙または複合材（例えば、炭素、黒鉛、カーボンナノチューブまたはいくつかのそれらの組合せを含むプラスチック複合材）でできていてよい。それは電気的に伝導性で、任意には疎水性である。実施形態において、拡散層は２００μｍの非有機１０％ＰＴＦＥカーボンの織物層を含む。触媒は、水と酸素の反応の触媒として適切に作用して水を形成するための、任意の適切な触媒または触媒と担体材料であってよい。実施形態において、触媒は、密度が２ｍｇ・ｃｍ^-2のＰｔスパッタ層である。拡散層および触媒は、ＭＥＡの作用面積を画定するアノードとカソードの直径に対応する２５ｍｍのディスクの形をしている。触媒に隣接して、カソード側孔明きステンレス鋼ディスク３２の形をした導電層が存在する。これは、図９中に平面図で、そして図１０中に拡大して図示されており、小さい円形の穿孔３３のアレイがディスクを通して形成されることを示している。これらの穿孔は、直径が０．２ｍｍで、０．４ｍｍの間隔で最密アレイの形で配置されている。組立てられたセルにおいて、穿孔は触媒３０への空気の出入りを可能にする。タブ３４がステンレス鋼ディスクの縁部から延在している。組立てられたセルの中で、これは、電源の接続のため、セルカバー内の対応するスロット３６を通って出現する。

最後に、同じく直径２５ｍｍで弾力性があり圧縮可能で多孔質のポリウレタンフォーム３８のディスクが、同じく直径２５ｍｍのセルカバーの隆起した円形中央部分４０とステンレス鋼ディスクとの間に位置づけされている。フォームディスクは、図７および８に示され、圧縮前の厚みはおよそ１．４ｍｍである。その縁部４２の一部分が切り取られて、ステンレス鋼ディスクのタブ３４が通過できるようになっている。セルが組立てられた場合、ポリウレタンフォームディスクは圧縮状態にあり、セルの層を合わせてプレスする。ポリウレタンフォームは、空気が触媒に出入りできるようにするため、多孔質である。フォームは、例えば金属化、または銅上ニッケルメッキされたポリウレタンフォームであるため、導電性であってよい。

２つの円形孔４４が、セルカバーを貫通して、そのより厚い中央部分４０を通って形成され、カソードチャンバ内に開放している。これらの孔は、カソードチャンバのための換気を提供し、かつポリウレタンフォームおよびステンレス鋼ディスクの穿孔を通って触媒３０への空気のアクセスを可能にする。

アノードチャンバ内では、アノードに隣接して、導電性の気体透過性膜４６が位置づけされている。この膜は、アノードの形状およびサイズに対応する２５ｍｍのディスクの形をしている。膜の材料は、上述の拡散層２８と同じであってよい。さらなる孔明きステンレス鋼ディスク８の形をしたアノード側伝導層が、アノードと反対側の気体透過性膜４６の面と接触している。穿孔は、上述のカソード側ステンレス鋼ディスクの場合と同じである。タイプ５０がステンレス鋼ディスクの縁部を形成し、電源の接続のためのセルベース内の対応するスロット５２を通って出現する。

所望される場合、アノードとアノード側ステンレス鋼ディスクの間に適切な電気的接触が維持されるかぎり、膜４６を削除してもよい。

ポリウレタンフォーム製の弾力性ある圧縮性層５４が、ステンレス鋼ディスクとセルベースの中央陥凹円形部分５９の間に位置づけされる。フォームディスク５４の円形外縁部の小部分５６は切り取られて、ステンレス鋼ディスクのタブ５０がセルベース内でスロット５２中を通過できるようになっている。フォームは任意には、電気伝導性であってよい。

ガス出口通路５８が、アノードチャンバ１６から半径方向外向きに通じ、ルアー６０で終結しており、こうして酸素出口を例えば創傷を覆う高圧創被覆材への連結のため管に連結することが可能となっている。

酸素濃縮器が組立てられた場合、以上で記述されたさまざまな層はセルベースとセルカバーの間でスタックの形で設置される。このとき、ネジ８はセルベースと係合させられ、ネジが締められるにつれて、弾力性あるフォーム層３８、５４は圧縮されて、スタックの層を合わせるための力を加える。さらに、ネジの締付けはＯリング２０を圧縮してセルの外周を密封し、カソードチャンバをアノードチャンバから分離させる。フォーム層の厚みおよび圧縮性、およびセルカバーの隆起した中央部分４０とセルベースの中央円形部分５９との間の間隔は、４４０〜４５０ニュートンの力がフォームディスク間の層に加わるような形で予め決定されている。こうして、層間の優れた電気的接触が保証されて、セルの電気抵抗は最小限になり、かつ触媒を担持する拡散層と隣接するカソードおよびプロトン伝導性膜の間の密な接触が保証される。フォーム層の弾力性は同様に有利にも、例えば製造上の許容誤差に起因する酸素濃縮器の構成要素の寸法のあらゆる小さな変動に対応する。

セルの組立て前には、各フォーム層は約１．４ｍｍの厚みを有する。組立てられたセルの中で、１つの圧縮されたフォーム層を格納するカソードチャンバは約０．７ｍｍの深さを有する。

一変形実施形態においては、セル内に層のスタックを合わせて装填するために、２つのフォーム層のうちの一方しか必要でないかもしれない。

使用中、電源はステンレス鋼ディスクのタブ３４、５０に連結され、およそ６０ｍＡの電流がセル内を通過する。酸素濃縮器は、セルカバーの換気孔４４の外部開口部が大気に開放するような形で位置づけされている。これらの条件下で、アノードにおいて、およそ１５ｍｌ／時の酸素ガスが発生し、大気圧よりおよそ５０ｍｂａｒ高い圧力でルアー６０を通って出現する。６０ｍＡの電流を駆動するために、およそ１．２Ｖの電圧が必要とされる。これは、充電式バッテリから有利に長いバッテリ寿命を得るのに適切な電圧である。

発明人らは、１Ｖ超の電圧で最高１２０ｍＡ電流範囲でこのセルを試験し、この範囲内では酸素がアノードで、電流に正比例する割合で連続的に発生することを発見した。より高い割合で酸素流を発生させるためにはより高い電流を適用できると考えられる。しかしながら、印加電圧が高いと、腐食の問題がセル内部で発生する場合がある。

セルのための電源は、セル抵抗が増大して既定のまたは予め選択された電流を駆動するための所要電圧が許容不可能なほどに上昇した場合に、電源がスタンバイモードに切換わるような形で設計されている。好ましい実施形態において、電源は、セルが必要とする電圧が２Ｖより高く上昇した場合にオフに切換わる。例えば、酸素濃縮器の試験においては、これは通気孔４４の１つが偶発的に閉塞状態となりカソードチャンバの換気が低下した場合に発生し得ることが発見された。

この実施形態のセルの性能、特にカソードチャンバの換気の効果を調査するために、図１〜１１に示されているものと同じサイズおよび幾何形状を有するもののセルカバー内に異なる数の類似の換気孔４４を含む換気手段を有するセルが作製された。図１に示されている２つの換気孔４４は、１３．２ｍｍ²の合計面積を有する。面積６．６ｍｍ²の１つの換気孔を有する類似のセルが作製され、合計面積２６．４ｍｍ²の４つの換気孔を有する類似のセルが作製された。各セルには、２２（±３）℃の温度、４６（＋１０／−５）％の相対湿度そして１００６（±１０）ｍｂの大気圧で、５５ｍＡの定電流が供給された。２つの換気孔を有するセルについて、酸素は、（１分未満持続する立上り過渡電流の後）３０時間の試験時間中９〜１１ｍｌ／時で連続的に生成された。セル電圧は約１Ｖで安定していた。１つの換気孔または４つの換気孔を有するセルについて、５５ｍＡの電流を着実に駆動するために必要とされる電圧は、最初の２０分間の作動にわたり約１．５Ｖまで上昇し、この時点で、セルに対する損失を防ぐために試験は終結された。これらの試験結果は、換気レベルつまり触媒が大気にアクセスするレベルが極めて重要であるという発明人らの理解を説明している。少な過ぎると、触媒には大気中酸素が欠乏し、触媒はＭＥＡ中の湿度を維持するために充分な水を再循環できない。多過ぎると、水はセルから失なわれる。両方の場合において、ＭＥＡの伝導率の低下に起因して、電気抵抗の増大が結果としてもたらされる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る酸素濃縮器の分解組立図である。図１３は、組立てられたセルの等角投影図を示し、図１４は組立てられたセルを横断面で示す。第１の実施形態と同じ要領で、酸素濃縮器は、セルベース１００とセルカバー１０２の間に収納された層のスタックを含む。各層は、直径３２ｍｍであるプロトン伝導性膜を除き、直径２５ｍｍの円形をしている。

第１の実施形態の場合と同様に、膜１０４は、セルをカソードチャンバ１０６とアノードチャンバ１０８とに分割する。アノードチャンバは、セルベース内に形成された非貫通円筒形凹所の内部に格納される。円筒形凹所は、プロトン伝導性膜の半径方向外側部分が載置されている段１１０により包囲されている。内径２６．５ｍｍ、断面３ｍｍのニトリルＯリング１１２が、膜の上面に位置づけされ、セルカバー１０２により膜に対し圧縮されている。こうして、セルカバーがセルベース上の所定の位置にある場合に、プロトン伝導性膜１０４の半径方向外側部分は、セルベース内の段１１０に対し密封され、Ｏリング１１２は膜とセルカバーの間にシールを形成する。

組立てられたセル内では、セルカバーは、ベース内の対応するネジ穴１１６内に収容される６本のネジ１１４によって、セルベース上の所定の位置に保持される。

第１の実施形態の場合と同様に、プロトン伝導性膜はナフィオン膜である。白金アノード１１８と白金カソード１２０が、直径２５ｍｍの膜の中心円形部分の相対する面上にスパッタされる。こうして、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が形成され、膜の作用面積が画定される。

組立てられたセルにおいて、電気伝導性の拡散層１２２は、カソードに隣接してかつカソードと接触して位置づけされている。白金触媒層は、カソードから遠隔の面上にスパッタされる。ＡＩＳＬ３１６Ｌステンレス鋼の焼結金属粒子で形成された多孔質金属ディスク１２４が、触媒とセルカバーの間に位置づけされる。金属ワイヤー１２６が焼結ディスクの中心点に接続され、電気供給への接続のためセルカバー内の開口部１２８を通って出現する。

アノードに隣接して位置づけされているのは、アノードから離れるように酸素が移行できるようにする、アノード側拡散層、例えば気体透過性膜である。アノード側焼結金属ディスク１３２が、アノードチャンバ１０８内部で拡散層に隣接して位置づけされ、セルベース内に形成されたアノードチャンバのベース上に置かれた２つの同心配置されたＯリング１３４、１３６の上に載置されている。焼結ディスクは、ＡＩＳＬ３１６Ｌステンレス鋼製である。Ｏリングはそれぞれ内径が２１ｍｍおよび８ｍｍであり、両方共、断面は２ｍｍである。セルが組立てられた時点で、Ｏリングは弾力的に圧縮され、したがって、実質的に剛性であるアノード側の焼結ディスク１３２上に力を加える。これが今度はセル構造を合わせてプレスして、層間の優れた電気的接触を保証する。第１の実施形態の場合と同様に、４００Ｎ〜４５０Ｎの圧縮力が望ましいことがわかっている。

ワイヤー１３３がアノード側焼結ディスクの中央部分に接続され、電気供給への接続のため、セルベース内に孔１３５を通って出現する。

第１の実施形態の場合と同様に、ルアー接続具１３８への連結のため、アノードチャンバとセルベースの外部表面との間に孔が画定されている。

第２の実施形態の酸素濃縮器は、第１の実施形態に関連して記述した通りの電源への接続に適切であり、その性能は第１の実施形態の酸素濃縮器と類似している。

上述の通りカソードチャンバを換気するために、セルカバーを貫通して直径２．９ｍｍの２つの孔１４０が形成される。孔は、触媒の面積全体を横断してカソードチャンバの均等な換気を保証するため、円形カソードチャンバの外径と中心の間で、円形カソードチャンバの中心の相対する側において離隔されている。換気は、前述の通りカソードチャンバを通過するバルク空気流またはドラフトを防ぐためのバッフルとして作用する多孔質金属焼結物を通って発生する。

図１６は、本発明を実施する酸素供給ユニット２００の概略図である。充電式バッテリ２０２が、電源ユニット２０４を通って酸素濃縮器２０６に接続されている。バッテリ、電源ユニットおよび酸素濃縮器は、携帯式の着用可能なハウジング２０８の中に収納されている。例えば、高圧創被覆材に通じる管への連結のためハウジングの外部表面上に酸素出口２１０が取付けられている。

Claims (36)

1. 水タンクを有していない酸素濃縮器において、
   プロトン伝導性膜と、
   伝導性膜の第１の面と接触するカソードと、
   伝導性膜の第２の面と接触するアソードと、
   触媒および拡散層を含み、拡散層が触媒をカソードから離隔している触媒装置と、
   内部に触媒装置が格納されているカソードチャンバを画定し、空気が触媒に流入できるようにするための換気手段を含むハウジングと、
   を含むことを特徴とする酸素濃縮器。
2. カソードチャンバ内へ入る又はカソードチャンバを通過する空気流を制御するために換気手段が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮器。
3. 換気手段が、既定の上限および／または下限の間でのカソードチャンバの換気を可能にすることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮器。
4. 既定の下限を上回る換気によって、濃縮器の使用中カソードにおいて発生する水素の９０％超、好ましくは９５％超そして特に好ましくは９９％超と反応するのに充分な大気中酸素が触媒に到達することが可能となることを特徴とする請求項３に記載の酸素濃縮器。
5. 既定の上限を下回る換気によって、大気中酸素と水素の反応により触媒において発生する水の１５％未満、好ましくは５％未満そして特に好ましくは１％未満を、換気用空気流により触媒から除去することが可能となることを特徴とする請求項３または４に記載の酸素濃縮器。
6. 既定の上限を下回る換気によって、大気中酸素と水素との反応により触媒において発生する水の８５％超、好ましくは９５％超、そして特に好ましくは９９％超を、拡散層を通ってカソードおよびプロトン伝導性膜まで移行させることが可能となることを特徴とする請求項３、４または５に記載の酸素濃縮器。
7. 換気手段がハウジングの壁を貫通して画定された１つ以上の通気孔を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに一項に記載の酸素濃縮器。
8. 触媒およびカソードの面積が、１５０ｍｍ²〜２０００ｍｍ²、好ましくは３００ｍｍ²〜１０００ｍｍ²、そして特に好ましくは４００ｍｍ²〜６００ｍｍ²であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
9. 触媒が実質的に平面であり、触媒の平面に対して垂直に測定した場合のカソードチャンバの深さが０．４ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜７ｍｍ、特に好ましくは０．６ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
10. 触媒が実質的に平面でありかつ１つの横方向寸法を有し、触媒の平面に対し垂直に測定した場合のカソードチャンバの深さが、横方向寸法の０．１〜０．０１５倍、そして好ましくは０．０４〜０．０２倍であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
11. 触媒が１０ｍｍ〜５０ｍｍの横方向寸法を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
12. 換気手段がハウジングの壁を貫通して画定された１つ以上の通気孔を含み、１つまたは複数の通気孔の合計面積が７ｍｍ²〜８０ｍｍ²、好ましくは１０ｍｍ²〜４０ｍｍ²そして特に好ましくは１２ｍｍ²〜２０ｍｍ²であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
13. 換気手段がハウジングの壁を貫通して画定された１つ以上の通気孔を含み、触媒の面積が、１つまたは複数の通気孔の１０〜７０倍、好ましくは２５〜５５倍、そして特に好ましくは３０〜４５倍であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
14. 換気手段がハウジングの壁を貫通して画定された１つ以上の通気孔を含み、カソードの面積が１つまたは複数の通気孔の合計面積の１０〜７０倍、好ましくは２５〜５５倍、そして特に好ましくは３０〜４５倍であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
15. ５０Ａｍ^-2〜２５０Ａｍ^-2、好ましくは７５Ａｍ^-2〜２００Ａｍ^-2そして特に好ましくは１００Ａｍ^-2〜１５０Ａｍ^-2の電流密度で作動することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
16. ０．７５Ｖ〜２Ｖ、好ましくは１Ｖ〜１．５Ｖそして特に好ましくは約１．２Ｖの電圧で作動することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
17. ０．７５Ｖ〜２Ｖ、好ましくは０．８Ｖ〜１．２Ｖ、そして特に好ましくは約１．０Ｖの電圧で作動することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
18. アノードの面積５００ｍｍ²毎に３０ｍｌ／時未満（大気圧または周囲圧力で測定した場合）のアノード由来の酸素ガスの流れを生成することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
19. カソードおよび／またはアノードは、プロトン伝導性膜の相対する面上にコーティングされた層の形をしていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
20. 触媒が拡散層上にコーティングされた層の形をしていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
21. 触媒、拡散層、カソード、プロトン伝導性膜およびアノードが、合わせてプレスされた２つ以上の層の形をとることを特徴とする請求項１、１９または２０に記載の酸素濃縮器。
22. 層が、層に対する電流の供給のためカソード側伝導性シートとアノード側伝導性シートとの間で合わせてプレスされていることを特徴とする請求項２１に記載の酸素濃縮器。
23. 層を合わせてプレスするために、０．５ＭＰａ超、好ましくは０．８ＭＰａ超そして特に好ましくは０．９ＭＰａ超の圧力が加えられることを特徴とする請求項２１または２２に記載の酸素濃縮器。
24. 触媒、拡散層、カソード、プロトン伝導性膜およびアノードが、圧縮可能で好ましくは弾力性ある材料の圧縮された層と共にスタックした状態で、ハウジング内部に層を保持することによって加えられる圧力により合わせてプレスされる２つ以上の層の形をしていることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
25. ３５％以上の相対湿度の空気中で酸素濃縮器に対し定電流密度を適用した場合、ＮＴＰで測定して触媒の面積１ｍ²あたり少なくとも２４ｌ／時の連続酸素流を生成することができることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一項に記載の酸素濃縮器。
26. 定電流密度が１５０Ａｍ^-2未満または１２０Ａｍ^-2未満、または好ましくは約１１０Ａｍ^-2であることを特徴とする請求項２５に記載の酸素濃縮器。
27. 請求項１〜２６のいずれか一項に記載の酸素濃縮器と、充電式バッテリなどの電源と酸素濃縮器のアノード側に連結された酸素出口とを含むことを特徴とする酸素供給ユニット。
28. 着用可能または移動型であり、高圧創被覆材に連結可能であることを特徴とする請求項２７に記載の酸素供給ユニット。
29. 電源が既定の電流を酸素濃縮器に供給し、既定の電流を駆動するのに求められる電圧が既定の電圧レベルより高く上昇した場合にスタンバイ条件へと切換わることを特徴とする請求項２７または２８に記載の酸素供給ユニット。
30. 既定の電流が、１５０Ａｍ^-2または１２０Ａｍ^-2以下、または好ましくは約１００Ａｍ^-2という触媒またはＭＥＡを横断する電流密度に対応することを特徴とする請求項２９に記載の酸素供給ユニット。
31. 既定の電圧レベルが２．０Ｖ、または１．５Ｖ、または１．２Ｖであることを特徴とする請求項２９または３０に記載の酸素供給ユニット。
32. 空気由来の酸素を濃縮するための方法において、
    プロトン伝導性膜の相対する面上のカソードおよびアノード、カソードに隣接して拡散層および拡散層によりカソードから離隔している触媒を提供するステップと、
    換気手段を通して触媒に対する空気のアクセスを可能にするステップと、
    カソードとアノードの間に電流を通して、空気中の湿気および触媒に由来する水を電解し、カソードで水素をそしてアノードでは酸素を生成するステップと、
    触媒において水素と大気中酸素を反応させて水を生成し、さらなる電解のためにカソードまで拡散層を通って移行させるステップと、
    を含み、
    換気手段が、既定の上限換気率と下限換気率の間で触媒に対する空気のアクセスを制御することを特徴とする方法。
33. 空気中の湿気および触媒のみに由来する水を電解することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
34. 実質的に、図面を参照して本明細書に記載の通りの酸素濃縮器。
35. 実質的に、図面を参照して本明細書に記載の通りの酸素供給ユニット。
36. 実質的に、図面を参照して本明細書に記載の通りの酸素濃縮方法。

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