KR20240021847A - 산소 농축기 모듈 - Google Patents

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트렌트 엠. 몰터
로렌스 몰스롭
토마스 멀로우니
카렌 머독
게일 브라켓
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스카이어, 아이엔씨.
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Abstract

일 측면에서, 산소 농축기 모듈은, 캐소드(34), 애노드(54), 상기 캐소드(34) 및 상기 애노드(54) 사이에 위치하는 양성자 교환 막(42), 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 캐소드(34) 측 상에 위치하는 캐소드 측 챔버(32), 및 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 애노드(54) 측 상에 위치하는 애노드 측 챔버(52)를 포함하는 전기화학 셀(40); 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 가스 공급 스트림(10); 상기 애노드 측 챔버(52)로부터 농축된 산소 스트림(56)을 제거하도록 상기 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통하는 농축된 산소 스트림(56); 상기 캐소드 측 챔버(32)로부터 분리된 물 스트림(96)을 제거하도록 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 분리된 물 스트림(96); 및 교환된 스트림(22)을 통해 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 엔탈피 교환기(20)를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 가스 공급 스트림(10)은 상기 전기화학 셀(40) 상류의 상기 엔탈피 교환기(20)와 유체 연통하여, 상기 교환된 스트림을 형성한다.

Description

산소 농축기 모듈
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2022년 6월 16일에 출원된 미국 특허 가출원 일련 번호 63/211,248의 이익을 청구한다. 상기 관련 출원은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
이러한 경우에, 고농도 산소의 용이한 제조가 중요하다. 예를 들어, 호흡에 어려움을 겪는 환자의 경우, 이들에게 충분한 양의 산소를 제공하는 것이 매우 어려울 수 있다. 병원 및 치료 시설은 종종 필요에 따라 환자에게 산소를 제공하기 위해 가압 산소 탱크를 보유 상태로 유지하지만, 이러한 탱크는 이동이 번거로울 수 있으며, 보관 및 운송 동안 다수의 안전 예방 조치를 취해야 한다.
따라서, 필요에 따라 산소를 농축시키기 위한 개선된 시스템이 필요하다.
산소 농축기 모듈(oxygen concentrator module)이 본원에 개시된다.
일 측면에서, 산소 농축기 모듈은, 캐소드(34), 애노드(54), 상기 캐소드(34) 및 상기 애노드(54) 사이에 위치하는 양성자 교환 막(42), 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 캐소드(34) 측 상에 위치하는 캐소드 측 챔버(32), 및 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 애노드(54) 측 상에 위치하는 애노드 측 챔버(52)를 포함하는 전기화학 셀(40); 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 가스 공급 스트림(10); 상기 애노드 측 챔버(52)로부터 농축된 산소 스트림(56)을 제거하도록 상기 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통하는 농축된 산소 스트림(56); 상기 캐소드 측 챔버(32)로부터 분리된 물 스트림(96)을 제거하도록 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 분리된 물 스트림(96); 및 교환된 스트림(22)을 통해 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 엔탈피 교환기(20)를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 가스 공급 스트림(10)은 상기 전기화학 셀(40) 상류의 상기 엔탈피 교환기(20)와 유체 연통하여, 상기 교환된 스트림을 형성한다.
또 다른 측면에서, 산소를 농축시키는 방법은, 캐소드(34), 애노드(54), 상기 캐소드(34) 및 상기 애노드(54) 사이에 위치하는 양성자 교환 막(42), 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 캐소드(34) 측 상에 위치하는 캐소드 측 챔버(32), 및 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 애노드(54) 측 상에 위치하는 애노드 측 챔버(52)를 포함하는 전기화학 셀(40)의 상기 캐소드 측 챔버(32)에 가스 공급 스트림(10)을 도입하는 단계; 상기 애노드 측 챔버(52)로부터 농축된 산소 스트림(56)을 제거하는 단계; 상기 캐소드 측 챔버(32)로부터 분리된 물 스트림(96)을 제거하는 단계; 및 상기 가스 공급 스트림(10)을 상기 전기화학 셀(40) 상류의 엔탈피 교환기(20)로 향하게 하고, 상기 엔탈피 교환기에서 상기 가스 공급 스트림(10)을 수화시키는 단계를 포함한다.
상술한 특징 및 다른 특징은 하기 도면, 상세한 설명 및 청구범위에 의해 예시된다.
하기 도면은 본 개시를 예시하기 위해 제공되는 예시적인 구현예이다. 도면은 본 개시에 따라 제조된 장치를 본원에 제시된 재료, 조건 또는 공정 파라미터로 제한하려는 의도가 아닌, 예를 예시하는 것이다.
도 1은 산소 농축기 모듈의 일 측면의 예시이고;
도 2a는 애노드 측 물 공급부를 갖는 산소 농축기 모듈의 일 측면의 예시이고;
도 2b는 가스 공급물 도입 유닛의 일 측면의 예시이고;
도 3은 캐소드 측 물 공급부를 갖는 산소 농축기 모듈의 일 측면의 예시이다.
외부 산소 공급을 요구하지 않으면서 전기화학 공정을 사용하여 농축된 산소를 제조하고 저장하며 환자에게 투여할 수 있는 산소 농축기 모듈 (OCM)이 개발되었다. 산소 농축기 모듈은 공기 중의 산소를 정제, 분리 및 농축시킬 수 있으며, 동시에, 가압 산소를 제조할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 다양한 입구(inlet) 압력 및 산소 농도에 걸쳐 높은 신뢰성으로 작동하고, 환자에게 다양한 출구(outlet) 유동 및 농도를 전달할 수 있으면서, 하드웨어 질량, 부피 및 전력을 최소화할 수 있다. 산소 농축기 모듈의 고체 상태 기술은 휴대용 산소 농축 스택(oxygen concentration stack), 및 지원 전기, 제어 및 유체 시스템을 포함할 수 있다. 핵심 기술은 본질적으로 유동 턴다운(flow turndown)이 가능하고, 변화하는 요구에 대응할 수 있어, 애플리케이션 피드백 시스템(application feedback system)과 용이하게 통합되도록 한다. 전력 소비는 농축된 산소의 유량에 정비례할 수 있으며, 다른 상용 기술에 비해 부피 풋프린트(volume footprint)가 낮다.
산소 농축기 모듈은, 물 전해조 및 연료 셀의 조합일 수 있는 전기화학 셀을 포함한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 습한 공기 스트림 (공기, H2O 화살표에 의해 표시됨)이 전기화학 셀(40)의 캐소드 챔버로 향할 수 있다. 수증기는 양성자 교환 막(42)을 통해 전기화학 셀의 건조 애노드 측으로 투과할 수 있다. 직류 전위가 전기화학 셀에 인가될 수 있고, 물은 애노드(54) 상에서 전기분해되어, 산소 생성물 스트림 (O2 화살표에 의해 표시됨)을 생성할 수 있다. 전기분해로부터 생성된 양으로 하전된 양성자는 막(42)을 통해 음으로 하전된 캐소드(34)로 투과할 수 있으며, 여기서 이들은 공기로부터의 산소와 재결합하여 물을 재생성할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 원하는 산소의 출력에 기반하여 하나 초과의 전기화학 셀을 포함할 수 있다. 산소는 동등한 속도로 소비되고 생성될 수 있기 때문에, 산소는 농축되어 환자 또는 저장소로 전달될 수 있다. 주위 공기로부터의 수증기는 환경 습도의 순(net) 변화 없이 소비되고 재생될 수 있다. 이 설계의 핵심 측면은, 셀 내에서 물 관리가 달성될 수 있어, 성능이 최대화될 수 있고 전력이 최소화될 수 있는 것으로 간주될 수 있다.
도 2a는 산소 농축기 모듈의 일 측면의 예시이다. 도 2a는 가스 공급 스트림(10)이 전기화학 셀(40)과 유체 연통할 수 있음을 예시한다. 가스 공급 스트림(10)은, 예를 들어 송풍기(12), 공기 압축기, 압축 가스 탱크, 펌프 등 중 적어도 하나를 통해 시스템에 도입될 수 있다. 하나 이상의 필터(8)가 전기화학 셀(40)의 상류에 위치할 수 있고, 전기화학 셀(40)에 도입되기 전에 가스 공급 스트림(10)을 여과할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)은 습한 공기를 포함할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)은 질소, 산소, 이산화탄소 및 물을 포함할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)은 가스 공급 스트림의 총 부피를 기준으로 22 부피% 이하, 5 내지 21 부피%, 또는 5 내지 15 부피%의 산소를 포함할 수 있다.
가스 공급 스트림(10)의 전부 또는 일부는 전기화학 셀(40)로 향할 수 있다. 전기화학 셀(40)에 도입되기 전에, 가스 공급 스트림(10)의 전부 또는 일부가 엔탈피 교환기(20)로 향할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)의 전부 또는 일부를 포함하는 교환된 스트림(22)은 전기화학 셀(40)의 캐소드 챔버(32)로 향할 수 있다. 공기 출구 스트림(24)은 엔탈피 교환기(20)로부터 제거될 수 있다.
가스 공급 스트림(10)으로부터의 수증기는 양성자 교환 막(42)을 통해 애노드(54)로 투과할 수 있다. 하기 반응 (1)에 따라 물은 애노드(54)에서 전기분해되어 산소를 생성할 수 있다.
애노드(54)에서 형성된 양성자는 양성자 교환 막(42)을 통해 다시 캐소드(34)로 투과할 수 있으며, 여기서 이들은 산소와 결합하여 하기 역반응 (2)을 통해 물을 재생성할 수 있다.
생성물 산소는 애노드 측 챔버(52)에서 수집될 수 있고, 농축된 산소 스트림(56)이 생성될 수 있다. 농축된 산소 스트림(56)은 농축된 산소 스트림(56)의 총 부피를 기준으로 25 부피% 이상, 또는 25 내지 100 부피%, 50 내지 99 부피%, 60 내지 85 부피%의 산소를 포함할 수 있다. 농축된 산소 스트림(56)은 환자에게로 향할 수 있다. 농축된 산소 스트림(56)은 산소 저장 탱크(70)와 유체 연통할 수 있다. 농축된 산소 스트림(56)은 건조기(60)와 유체 연통할 수 있다. 건조기(60)는, 예를 들어 산소 저장 탱크(70) 또는 환자의 상류에 위치할 수 있다. 건조기(60)는 농축된 산소 스트림으로부터 물을 제거하여 건조 산소 스트림(62)을 형성할 수 있다. 건조기(60)는 응축기, 막 분리기, 열 교환기 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 건조 산소 스트림(62)의 일부는 추가 건조를 위해 건조기(60)로 다시 향할 수 있다. 건조 산소 스트림의 전부 또는 일부는 건조기(60)로부터 제거될 수 있다. 배압 조절기는 건조기(60)로부터의 유동을 조절할 수 있고, 밸브는 유동을 다시 건조기(60)로 및/또는 건조기(60)로부터 멀어지도록 향하게 할 수 있다.
선택적으로(optionally) 건조된 농축된 산소 스트림(56)의 적어도 일부는 혼합기(72)에서 가스 공급 스트림(10)의 일부와 혼합될 수 있다. 이러한 혼합은 생성된 스트림의 산소 농도를 사전결정된 산소 함량으로 조정하는 데 사용될 수 있다.
선택적으로 건조되거나 또는 가스 공급 스트림(10)과 혼합된 농축된 산소 스트림(56)의 적어도 일부는 필터(74), 예를 들어 고효율 미립자 공기 (HEPA) 필터와 같은 필터(74)와 유체 연통할 수 있다. 출력 스트림(78)의 유량은 유량 조정기(76)를 통해 조정될 수 있다. 예를 들어, 출력 스트림(78)으로서의 농축된 산소 스트림(56)은 출력 스트림(78)의 총 부피를 기준으로 20 내지 90 부피%, 또는 25 내지 90 부피%, 또는 35 내지 90 부피%의 산소를 포함할 수 있다.
물 재순환 스트림(80)은 건조기(60)에 의해 생성될 수 있다. 물 재순환 스트림(80)의 전부 또는 일부는 캐소드 측 챔버(32) 또는 애노드 측 챔버(52) 중 하나 또는 둘 모두에 대한 도입을 통해 전기화학 셀(40)과 유체 연통할 수 있다. 물 재순환 스트림(80)의 전부 또는 일부는, 선택적으로 물 저장 탱크(90) 또는 엔탈피 교환기(20) 중 적어도 하나를 통해 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통할 수 있다. 물 재순환 스트림(80)의 전부 또는 일부는, 선택적으로 물 저장 탱크(90)를 통해 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통할 수 있다.
물 저장 탱크(90)는 물 재순환 스트림(80) 또는 담수 스트림(94)으로부터의 물 중 하나 또는 둘 모두를 저장할 수 있다. 물 저장 탱크(90)는 물을 저장하고, 제어된 방식으로 물을 전기화학 셀(40)에 도입할 수 있다. 담수 공급원으로부터의 담수 스트림(94)은 산소 농축기 모듈에 들어가기 전에 물 필터(92)와 유체 연통할 수 있다. 액체 물을 가스로 전환시킬 수 있는 상(phase) 분리기는 물 저장 탱크(90)의 하류 및 엔탈피 교환기(20)의 상류에 위치할 수 있다.
분리된 물 스트림(96)은 캐소드 측 챔버(32)에서 형성될 수 있고, 회수될 수 있다. 분리된 물 스트림(96)은 물 탱크(90)와 유체 연통할 수 있다.
도 2b는 가스 공급 스트림(10)을 도입하기 위한 파선 박스(dashed box) 내의 도 2a의 예시적인 유닛의 예시이다. 유닛은, 예를 들어 스택 전원 공급부 (가장 아래쪽 박스에 의해 표시됨), 24 볼트 직류 (중앙 박스에 의해 예시됨)를 갖는 스택에 의해 전력이 공급되며 그래픽 사용자 인터페이스(Graphical User Interface; GUI) 제어기 (가장 위쪽 박스에 의해 표시됨)에 의해 작동되는 필터(8)를 포함할 수 있다.
도 3은 산소 농축기 모듈의 일 측면의 예시이다. 도 3은 가스 공급 스트림(10)이 전기화학 셀(40)과 유체 연통할 수 있음을 예시한다. 가스 공급 스트림(10)은, 예를 들어 공기 압축기(26), 송풍기, 압축 가스 탱크(2), 펌프 등 중 적어도 하나를 통해 시스템에 도입될 수 있다. 하나 이상의 필터(8)가 전기화학 셀(40)의 상류에 위치할 수 있고, 전기화학 셀(40)에 도입되기 전에 가스 공급 스트림(10)을 여과할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)은 습한 공기를 포함할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)은 질소, 산소, 이산화탄소 및 물을 포함할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)은 가스 공급 스트림의 총 부피를 기준으로 22 부피% 이하, 또는 5 내지 21 부피%, 또는 5 내지 15 부피%의 산소를 포함할 수 있다.
가스 공급 스트림(10)의 전부 또는 일부는 전기화학 셀(40)로 향할 수 있다. 전기화학 셀(40)에 도입되기 전에, 가스 공급 스트림(10)의 전부 또는 일부가 엔탈피 교환기(20)로 향할 수 있다. 엔탈피 교환기(20)는 스택 교환기로 존재할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)의 전부 또는 일부를 포함하는 교환된 스트림(22)은 전기화학 셀(40)의 캐소드 챔버(32)로 향할 수 있다. 공기 출구 스트림(24)은 엔탈피 교환기(20)로부터 제거될 수 있다. 물 배출(bleed) 스트림(18)은 엔탈피 교환기(20)로부터 제거될 수 있다.
가스 공급 스트림(10)으로부터의 수증기는 양성자 교환 막(42)을 통해 애노드(54)로 투과할 수 있다. 하기 반응 (1)에 따라 물은 애노드(54)에서 전기분해되어 산소를 생성할 수 있다.
애노드(54)에서 형성된 양성자는 양성자 교환 막(42)을 통해 다시 캐소드(34)로 투과할 수 있으며, 여기서 이들은 산소와 결합하여 하기 역반응 (2)을 통해 물을 재생성할 수 있다.
생성물 산소는 애노드 측 챔버(52)에서 수집될 수 있고, 농축된 산소 스트림(56)이 생성될 수 있다. 농축된 산소 스트림(56)은 환자에게로 향할 수 있다. 농축된 산소 스트림(56)은 산소 저장 탱크(70)와 유체 연통할 수 있다. 농축된 산소 스트림(56)은 선택적으로 건조기와 유체 연통할 수 있다. 건조기는, 예를 들어 산소 저장 탱크(70) 또는 환자의 상류에 위치할 수 있다. 건조기는 농축된 산소 스트림으로부터 물을 제거하여 건조 산소 스트림을 형성할 수 있다. 건조기는 응축기, 막 분리기, 열 교환기 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
농축된 산소 스트림(56)의 적어도 일부는 혼합기(72)에서 가스 공급 스트림(10)의 일부와 혼합될 수 있다. 이러한 혼합은 생성된 스트림의 산소 농도를 사전결정된 산소 함량으로 조정하는 데 사용될 수 있다.
선택적으로 가스 공급 스트림(10)과 혼합되는 농축된 산소 스트림(56)의 적어도 일부는 필터(74), 예를 들어 HEPA 필터와 같은 필터(74)와 유체 연통할 수 있다. 출력 스트림(78)의 유량은 유량 조정기(76)를 통해 조정될 수 있다. 예를 들어 출력 스트림(78)으로서의 농축된 산소 스트림(56)은 출력 스트림(78)의 총 부피를 기준으로 20 내지 90 부피%, 또는 25 내지 90 부피%, 또는 35 내지 90 부피%의 산소를 포함할 수 있다.
물 저장 탱크(90)는 담수 스트림으로부터 산소 농축기 모듈에 물을 공급할 수 있다. 물 저장 탱크(90)는 물을 저장하고, 제어된 방식으로 물을 전기화학 셀(40)에 도입할 수 있다. 담수 공급원으로부터의 담수 스트림은 산소 농축기 모듈에 들어가기 전에 물 필터와 유체 연통할 수 있다.
분리된 물 스트림(96)은 캐소드 측 챔버(32)에서 형성될 수 있고, 회수될 수 있다. 분리된 물 스트림(96)은 엔탈피 교환기(20)와 유체 연통할 수 있다.
산소 농축기 모듈은 중량이 23 킬로그램 (kg) 미만, 또는 5 내지 15 kg, 또는 5 내지 10 kg으로 휴대가 가능하다. 산소 농축기 모듈은, 예를 들어 분당 52 리터의 공기 입력을 기준으로 분당 5.5 리터 만큼의 순수 산소를 생성할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 5 bar의 산소 출력 압력을 생성할 수 있다. 생성물 산소는 건조 상태로 생성되거나 또는 물로 포화될 수 있다. 시스템은 1.3 킬로와트 (kW) 이하, 또는 0.5 내지 1.3 kW의 전력 요구량을 가질 수 있다. 이들 값은 모듈 설계에 따라 달라질 수 있으며, 산소 농축기 모듈은 마찬가지로 원하는 경우 더 높거나 또는 더 낮은 양의 최종 산소를 상이한 압력에서 제공하도록 구성될 수 있다는 점이 주목된다.
산소 농축기 모듈은, 캐소드(34), 애노드(54), 상기 캐소드(34) 및 상기 애노드(54) 사이에 위치하는 양성자 교환 막(42), 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 캐소드(34) 측 상에 위치하는 캐소드 측 챔버(32), 및 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 애노드(54) 측 상에 위치하는 애노드 측 챔버(52)를 포함하는 전기화학 셀(40); 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 가스 공급 스트림(10); 상기 애노드 측 챔버(52)로부터 농축된 산소 스트림(56)을 제거하도록 상기 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통하는 농축된 산소 스트림(56); 상기 캐소드 측 챔버(32)로부터 분리된 물 스트림(96)을 제거하도록 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 분리된 물 스트림(96); 및 교환된 스트림(22)을 통해 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 엔탈피 교환기(20)를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 가스 공급 스트림(10)은 상기 전기화학 셀(40) 상류의 상기 엔탈피 교환기(20)와 유체 연통하여, 상기 교환된 스트림을 형성한다.
엔탈피 교환기(20)는 스택 교환기일 수 있고, 산소 농축기 모듈은 전기화학 셀(40) 및 스택 교환기의 스택을 포함할 수 있다. 스택은 하나 이상의 전기화학 셀(40)을 포함할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 농축된 산소 스트림(56)을 통해 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통하는 건조기(60)를 포함할 수 있고, 물 재순환 스트림(80)은 건조기(60), 및 엔탈피 교환기(20) 또는 애노드 측 챔버(52) 중 하나 또는 둘 모두와 유체 연통할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 엔탈피 교환기(20)와 유체 연통하는 물 탱크(90)를 포함할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 가스 공급 스트림(10) 및 농축된 산소 스트림과 유체 연통할 수 있는 혼합기(72)를 포함할 수 있으며, 각각의 스트림의 유량은 출력 스트림(78)의 산소 농도가 조정될 수 있도록 조정가능할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 애노드측 챔버(52)와 유체 연통하는 산소 탱크(70)를 포함할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 송풍기(12), 공기 압축기(26), 압축 가스 탱크(2), 또는 캐소드 측 챔버에 가스 공급 스트림(10)을 공급하도록 구성된 펌프 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 가스 공급 스트림(10) 또는 물 공급물 중 적어도 하나를 정제하기 위한 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다. 산소 농축기 모듈은 1.3 kW 이하, 또는 0.5 내지 1.3 kW의 전력 요구량을 가질 수 있다.
산소를 농축시키는 방법은 본원에 개시된 산소 농축기 모듈을 사용하여 공기로부터 산소를 농축시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 캐소드(34), 애노드(54), 상기 캐소드(34) 및 상기 애노드(54) 사이에 위치하는 양성자 교환 막(42), 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 캐소드(34) 측 상에 위치하는 캐소드 측 챔버(32), 및 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 애노드(54) 측 상에 위치하는 애노드 측 챔버(52)를 포함하는 전기화학 셀(40)의 상기 캐소드 측 챔버(32)에 가스 공급 스트림(10)을 도입하는 단계; 상기 애노드 측 챔버(52)로부터 농축된 산소 스트림(56)을 제거하는 단계; 상기 캐소드 측 챔버(32)로부터 분리된 물 스트림(96)을 제거하는 단계; 및 상기 가스 공급 스트림(10)을 상기 전기화학 셀(40) 상류의 엔탈피 교환기(20)로 향하게 하고, 상기 엔탈피 교환기에서 상기 가스 공급 스트림(10)을 수화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 건조기(60)에서 농축된 산소 스트림(56)을 건조시키는 단계를 포함할 수 있고, 가스 공급 스트림(10)을 수화시키는 단계는 가스 공급 스트림(10)을 건조기(60)로부터의 물 재순환 스트림(80)으로 수화시키는 단계를 포함할 수 있다. 가스 공급 스트림(10)을 수화시키는 단계는 가스 공급 스트림(10)을 물 탱크(90)로부터의 물 스트림으로 수화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 농축된 산소 스트림(56)을 가스 공급 스트림(10)의 일부와 혼합함으로써 농축된 산소 스트림(56)의 산소 농도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 농축된 산소 스트림을 산소 저장 탱크(70)로 향하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 가스 공급 스트림(10) 또는 농축된 산소 스트림(56) 중 하나 이상을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 분당 5.5 리터 만큼의 순수 산소를 생성할 수 있거나, 또는 즉, 농축된 산소 스트림(56)을 제거하는 것은 산소 농축기 모듈로부터 분당 5.5 리터 만큼의 순수 산소를 제거할 수 있다.
조성물, 방법 및 물품은 본원에 개시된 임의의 적절한 재료, 단계 또는 성분을, 택일적으로(alternatively) 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이로 이루어질 수 있다. 조성물, 방법 및 물품은 추가적으로 또는 대안적으로, 조성물, 방법 및 물품의 기능 또는 목적의 달성에 달리 필요하지 않은 임의의 재료 (또는 종(species)), 단계 또는 성분이 없거나 또는 실질적으로 없도록 만들어질 수 있다.
본원에 사용된 단수 및 "적어도 하나"는 양의 제한을 나타내지 않으며, 문맥상 명확히 달리 나타내지 않는 한, 단수 및 복수 둘 모두를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "요소"는 문맥상 명확히 달리 나타내지 않는 한, "적어도 하나의 요소"와 동일한 의미를 갖는다. 용어 "조합"은 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 또한, "적어도 하나"는, 해당 목록이 각각의 요소를 개별적으로 포함할 뿐만 아니라 목록의 2개 이상의 요소의 조합, 및 목록의 적어도 하나의 요소와 명명되지 않은 유사한 요소의 조합을 포함하는 것을 의미한다.
용어 "또는"은 문맥상 명확히 달리 나타내지 않는 한, "및/또는"을 의미한다. 명세서 전체에 걸쳐 "일 측면", "또 다른 측면", "일부 측면" 등에 대한 언급은 해당 측면과 관련하여 기술된 특정한 요소 (예를 들어, 특징, 구조, 단계 또는 특성)가 본원에 개시된 적어도 하나의 측면에 포함되며, 다른 측면에 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 기술된 요소들은 다양한 측면에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
동일한 성분 또는 특성에 관한 모든 범위의 종점은 해당 종점을 포함하고, 독립적으로 조합가능하며, 모든 중간 포인트(point) 및 범위를 포함한다. 예를 들어, "최대 25 부피% 또는 5 내지 20 부피%"의 범위는 "5 내지 25 부피%" 범위의 종점 및 모든 중간 값, 예컨대 10 내지 23 부피% 등을 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 기술 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 당업계의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
도면에서, 밸브 (예컨대, 감압 밸브), 펌프, 열전대 및 압력 조절기 등과 같은 다양한 다른 장비가 존재할 수 있다. TS는 스택 온도를 나타낸다.
모든 인용된 특허, 특허 출원 및 다른 참조문헌은 그 전문이 본원에 참조로 통합된다. 그러나, 본 출원에서의 용어가 인용된 문헌에서의 용어와 모순되거나 또는 상충되는 경우, 본 출원으로부터의 용어가 인용된 문헌으로부터의 상충되는 용어보다 우선한다.
특정한 구현예가 기술되었지만, 현재 예측되지 않거나 또는 예측되지 않을 수 있는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적 균등물이 출원인 또는 당업계의 통상의 기술자에게 발생할 수 있다. 따라서, 제출된 그대로 그리고 보정될 수 있는 첨부된 청구범위는 모든 이러한 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적 균등물을 포함하도록 의도된다.

Claims (16)

  1. 산소 농축기 모듈(oxygen concentrator module)로서, 상기 산소 농축기 모듈은
    캐소드(34), 애노드(54), 상기 캐소드(34) 및 상기 애노드(54) 사이에 위치하는 양성자 교환 막(42), 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 캐소드(34) 측 상에 위치하는 캐소드 측 챔버(32), 및 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 애노드(54) 측 상에 위치하는 애노드 측 챔버(52)를 포함하는 전기화학 셀(40);
    상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 가스 공급 스트림(10);
    상기 애노드 측 챔버(52)로부터 농축된 산소 스트림(56)을 제거하도록 상기 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통하는 농축된 산소 스트림(56);
    상기 캐소드 측 챔버(32)로부터 분리된 물 스트림(96)을 제거하도록 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 분리된 물 스트림(96); 및
    교환된 스트림(22)을 통해 상기 캐소드 측 챔버(32)와 유체 연통하는 엔탈피 교환기(20)를 포함하며, 여기서 상기 가스 공급 스트림(10)은 상기 전기화학 셀(40) 상류의 상기 엔탈피 교환기(20)와 유체 연통하여, 상기 교환된 스트림을 형성하는, 산소 농축기 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 엔탈피 교환기(20)가 스택(stack) 교환기이고, 상기 산소 농축기 모듈은 상기 전기화학 셀(40) 및 상기 스택 교환기의 스택을 포함하는, 산소 농축기 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산소 농축기 모듈이 상기 농축된 산소 스트림(56)을 통해 상기 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통하는 건조기(60)를 추가로 포함하며; 여기서 물 재순환 스트림(80)은 상기 건조기(60), 및 상기 엔탈피 교환기(20) 또는 상기 애노드 측 챔버(52) 중 하나 또는 둘 모두와 유체 연통하는, 산소 농축기 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔탈피 교환기(20)와 유체 연통하는 물 탱크(90)를 추가로 포함하는 산소 농축기 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소 농축기 모듈이 혼합기(72)를 추가로 포함하며; 상기 혼합기는 상기 가스 공급 스트림(10) 및 상기 농축된 산소 스트림과 유체 연통하고; 여기서 각각의 스트림의 유량은 출력 스트림(78)의 산소 농도가 조정될 수 있도록 조정가능한, 산소 농축기 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 측 챔버(52)와 유체 연통하는 산소 탱크(70)를 추가로 포함하는 산소 농축기 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 송풍기(12), 공기 압축기(26), 압축 가스 탱크(2), 또는 상기 캐소드 측 챔버에 상기 가스 공급 스트림(10)을 공급하도록 구성된 펌프 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 산소 농축기 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 스트림(10) 또는 물 공급물 중 적어도 하나를 정제하기 위한 하나 이상의 필터를 추가로 포함하는 산소 농축기 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소 농축기 모듈이 1.3 kW 이하, 또는 0.5 내지 1.3 kW의 전력 요구량을 갖는, 산소 농축기 모듈.
  10. 산소를 농축시키는 방법으로서, 상기 방법은
    캐소드(34), 애노드(54), 상기 캐소드(34) 및 상기 애노드(54) 사이에 위치하는 양성자 교환 막(42), 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 캐소드(34) 측 상에 위치하는 캐소드 측 챔버(32), 및 상기 양성자 교환 막(42) 대향의 상기 애노드(54) 측 상에 위치하는 애노드 측 챔버(34)를 포함하는 전기화학 셀(40)의 상기 캐소드 측 챔버(32)에 가스 공급 스트림(10)을 도입하는 단계;
    상기 애노드 측 챔버(52)로부터 농축된 산소 스트림(56)을 제거하는 단계;
    상기 캐소드 측 챔버(32)로부터 분리된 물 스트림(96)을 제거하는 단계; 및
    상기 가스 공급 스트림(10)을 상기 전기화학 셀(40) 상류의 엔탈피 교환기(20)로 향하게 하고, 상기 엔탈피 교환기에서 상기 가스 공급 스트림(10)을 수화시키는 단계를 포함하며;
    상기 방법은 제1항 내지 제9항 어느 한 항의 산소 농축기 모듈을 사용할 수 있는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 방법이 상기 농축된 산소 스트림(56)을 건조기(60)에서 건조시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 가스 공급 스트림(10)을 수화하는 단계가 상기 가스 공급 스트림(10)을 상기 건조기(60)로부터의 물 재순환 스트림(80)으로 수화시키는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 가스 공급 스트림(10)을 수화시키는 단계가 상기 가스 공급 스트림(10)을 물 탱크(90)로부터의 물 스트림으로 수화시키는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농축된 산소 스트림(56)을 상기 가스 공급 스트림(10)의 일부와 혼합함으로써 상기 농축된 산소 스트림(56)의 산소 농도를 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농축된 산소 스트림을 산소 저장 탱크(70)로 향하게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 스트림(10) 또는 상기 농축된 산소 스트림(56) 중 하나 이상을 여과하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농축된 산소 스트림(56)을 제거하는 단계가 분당 5.5 리터 만큼의 순수 산소를 제거하는, 방법.
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