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特許7486435リードターミナルとガスポートターミナルとを組み合わせた電解ガス発生装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-09
(45)【発行日】2024-05-17
(54)【発明の名称】リードターミナルとガスポートターミナルとを組み合わせた電解ガス発生装置
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20240510BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20240510BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20240510BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 A
C25B9/23
C25B9/77
【請求項の数】
41
(21)【出願番号】P 2020564179
(86)(22)【出願日】2019-05-17
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-09-09
(86)【国際出願番号】 US2019032990
(87)【国際公開番号】W WO2019222704
(87)【国際公開日】2019-11-21
【審査請求日】2022-05-13
(31)【優先権主張番号】62/672,784
(32)【優先日】2018-05-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】513000894
【氏名又は名称】ガイナー，インク．
(74)【代理人】
【識別番号】110000659
【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】シュウェンク，メリッサ，エヌ．
(72)【発明者】
【氏名】ストーン，サイモン，ジー．
【審査官】池ノ谷 秀行
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－０１１６８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－０３６０９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／００１５０１５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／００４０２２３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００８／０４４４２９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ １／００－１５／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
反応物を電気分解して少なくとも第１のガスを発生させるための電解ガス発生装置であって、前記電解ガス発生装置は、（ａ）対向する第１の面及び第２の面を有するポリマー電解質膜と、
（ｂ）前記ポリマー電解質膜の第１の面に電気的に結合されている第１の電極と、
（ｃ）前記ポリマー電解質膜の第２の面に電気的に結合されている第２の電極と、
（ｄ）前記第１の電極に電気的に結合されており、導電性リードを取り付ける際に使用するための第１の電気伝導性延長部を備え、前記第１の電極で発生したガスを側方方向に運ぶためのガス導管をさらに備える第１の集電体と、
（ｅ）前記第２の電極に電気的に結合されている第２の集電体と、
（ｆ）電流源と、
（ｇ）前記第１の集電体を前記電流源に電気的に結合する第１の導電性リードであって、前記第１の電気伝導性延長部に固定された第１の端部を備える第１の導電性リードと、
（ｈ）前記第２の集電体を前記電流源に電気的に結合する第２の導電性リードと、
を備える、電解ガス発生装置。
【請求項2】
前記電解ガス発生装置は水電解槽である、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項3】
前記ガス導管の少なくとも一部は、前記第１の電気伝導性延長部の少なくとも一部を通過する、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項4】
前記ガス導管の少なくとも一部は、前記第１の電気伝導性延長部の全体を通過する、請求項３に記載の電解ガス発生装置。
【請求項5】
前記第１の集電体は、上部部材と下部部材とを備え、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記ガス導管を共に画定する、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項6】
前記第１の集電体は、上部部材と下部部材とを備え、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記ガス導管及び前記第１の電気伝導性延長部を共に画定する、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項7】
前記ガス導管は、前記上部部材及び前記下部部材のうちの少なくとも一方における１つ以上のエッチングによって形成される、請求項５に記載の電解ガス発生装置。
【請求項8】
前記ガス導管は、前記上部部材及び前記下部部材の双方における１つ以上のエッチングによって形成される、請求項７に記載の電解ガス発生装置。
【請求項9】
前記ガス導管は、前記下部部材の貫通孔と前記上部部材上の細長い凹部とによって形成され、前記細長い凹部は、前記下部部材の貫通孔と整合した第１の端部と、前記上部部材の周囲の第２の端部とを有する、請求項７に記載の電解ガス発生装置。
【請求項10】
前記上部部材及び前記下部部材の双方は電気伝導性である、請求項５に記載の電解ガス発生装置。
【請求項11】
前記下部部材は電気伝導性であり、前記上部部材は非電気伝導性である、請求項５に記載の電解ガス発生装置。
【請求項12】
前記第１の集電体は、導電性リードを取り付ける際に用いるための第２の電気伝導性延長部をさらに備える、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項13】
前記第１の電気伝導性延長部と前記第２の電気伝導性延長部とは、互いに約１８０度離隔されている、請求項１２に記載の電解ガス発生装置。
【請求項14】
前記第１の電気伝導性延長部は、近位部分と、前記近位部分の幅よりも小さい幅を有する遠位部分とを有する、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項15】
前記第１の電気伝導性延長部は、略均一な幅を有する、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項16】
前記第２の集電体は、導電性リードを取り付ける際に用いるための第１の電気伝導性延長部を備え、前記第２の集電体は、前記第２の電極で発生したガスを側方方向に運ぶためのガス導管をさらに備える、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項17】
前記第２の集電体のガス導管の少なくとも一部は、前記第２の集電体の第１の電気伝導性延長部の少なくとも一部を通過する、請求項１６に記載の電解ガス発生装置。
【請求項18】
前記第２の集電体は、上部部材と下部部材とを備え、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記第２の集電体のガス導管を共に画定する、請求項１６に記載の電解ガス発生装置。
【請求項19】
前記第２の集電体は、上部部材と下部部材とを備え、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記第２の集電体のガス導管及び前記第２の集電体の第１の電気伝導性延長部を共に画定する、請求項１６に記載の電解ガス発生装置。
【請求項20】
前記第１の電極と前記第１の集電体との間に挿入されたダイアフラムをさらに備え、前記ダイアフラムは、電気伝導性であり、前記ダイアフラムが平面でかつ前記第１の集電体を前記第１の電極に電気的に結合する第１の状態と、前記第１の集電体が前記第１の電極から少なくとも部分的に切断されるように前記ダイアフラムが前記第１の電極から離れるよう膨張する第２の状態との間で可逆的に変形可能である、請求項１に記載の電解ガス発生装置。
【請求項21】
前記ダイアフラムは、前記第１の電極で発生したガスを通過させるための開口を有する、請求項２０に記載の電解ガス発生装置。
【請求項22】
反応物を電気分解して少なくとも第１のガスを発生させるための電解ガス発生装置であって、前記電解ガス発生装置は、（ａ）対向する第１の面及び第２の面を有するポリマー電解質膜と、
（ｂ）前記ポリマー電解質膜の第１の面に電気的に結合されている第１の電極と、
（ｃ）前記ポリマー電解質膜の第２の面に電気的に結合されている第２の電極と、
（ｄ）第１の集電体アセンブリであって、
導電性リードを取り付ける際に使用するための第１の電気伝導性延長部を備え、前記第１の電極で発生したガスを側方方向に運ぶためのガス導管をさらに備える第１の集電体と、
非電気伝導性であるフレームと、
ダイアフラムであって、前記第１の集電体と前記フレームとの間に固定され、電気伝導性であり、前記ダイアフラムが平面でかつ前記第１の集電体が前記第１の電極に電気的に結合されている第１の状態と、前記第１の集電体が前記第１の電極から少なくとも部分的に電気的に切断されるように前記ダイアフラムが前記第１の電極から離れるよう膨張する第２の状態との間で可逆的に変形可能である、ダイアフラムと、
を備える第１の集電体アセンブリと、
（ｅ）電気伝導性であり、前記第２の電極に電気的に結合されている第２の集電体と、
（ｆ）電流源と、
（ｇ）前記第１の集電体を前記電流源に電気的に結合する第１の導電性リードであって、前記第１の電気伝導性延長部に固定された第１の端部を備える第１の導電性リードと、
（ｈ）前記第２の集電体を前記電流源に電気的に結合する、第２の導電性リードと、
を備える電解ガス発生装置。
【請求項23】
前記ダイアフラムは、前記第１の電極で発生したガスを通過させるための開口を有する、請求項２２に記載の電解ガス発生装置。
【請求項24】
前記第１の集電体は環状部分をさらに備え、前記第１の電気伝導性延長部は前記環状部分から半径方向外方に延在する、請求項２３に記載の電解ガス発生装置。
【請求項25】
前記第１の集電体の環状部分は、その下面の環状凹部を備え、前記環状凹部内には前記ガス導管への入口が配置されており、前記ダイアフラムの開口は、前記第１の集電体の環状凹部と整合されている、請求項２４に記載の電解ガス発生装置。
【請求項26】
前記フレームは環状であり、前記フレームはその上面に環状凹部を備え、前記フレームは開口を有し、前記フレームの開口は前記フレームの環状凹部内に配置されており、前記フレームの環状凹部は、前記ダイアフラムの開口と整合されている、請求項２５に記載の電解ガス発生装置。
【請求項27】
前記第１の集電体は、上部部材と下部部材とを備え、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記ガス導管を共に画定する、請求項２６に記載の電解ガス発生装置。
【請求項28】
前記第１の集電体は、上部部材と下部部材とを備え、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記ガス導管及び前記第１の電気伝導性延長部を共に画定する、請求項２６に記載の電解ガス発生装置。
【請求項29】
前記第１の集電体アセンブリと係合して、前記ダイアフラムを前記ダイアフラムが平面である前記第１の状態に向けて付勢する弾性圧縮可能部材をさらに備える、請求項２２に記載の電解ガス発生装置。
【請求項30】
電解ガス発生装置で用いるための集電体であって、前記集電体は、（ａ）電気伝導性である本体と、
（ｂ）前記本体から側方方向に延在し、前記本体に電気的に結合された電気伝導性の表面を備える延長部と、
を備え、
（ｃ）前記本体と前記延長部とは、前記本体に第１の端部を有し、前記延長部に第２の端部を有するガス導管を共に画定する、
集電体。
【請求項31】
前記本体は円盤状であり、前記延長部は前記本体から半径方向に延在する、請求項３０に記載の集電体。
【請求項32】
前記ガス導管の第１の端部は、前記本体を貫通する貫通孔で終了する、請求項３０に記載の集電体。
【請求項33】
前記ガス導管の第１の端部は、前記本体の表面の開口部で終了する、請求項３０に記載の集電体。
【請求項34】
前記ガス導管の第２の端部は、前記延長部の遠位端に配置されている、請求項３１に記載の集電体。
【請求項35】
前記ガス導管の第２の端部は、前記延長部の遠位端から近位方向に一定距離離隔されている、請求項３１に記載の集電体。
【請求項36】
前記本体は環状であり、前記延長部は前記本体から半径方向に延在する、請求項３０に記載の集電体。
【請求項37】
前記本体及び前記延長部は、上部部材と下部部材とを接合することによって形成され、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記ガス導管を共に画定する、請求項３０に記載の集電体。
【請求項38】
前記本体及び前記延長部は、前記上部部材と前記下部部材とを接合することによって形成され、前記上部部材と前記下部部材とは、互いに結合され、前記ガス導管及び前記延長部を共に画定する、請求項３０に記載の集電体。
【請求項39】
前記ガス導管は、前記上部部材及び前記下部部材のうちの少なくとも一方における１つ以上のエッチングによって形成される、請求項３８に記載の集電体。
【請求項40】
前記ガス導管は、前記上部部材及び前記下部部材の双方における１つ以上のエッチングによって形成される、請求項３９に記載の集電体。
【請求項41】
前記本体は、水蒸気を通過させるための１つ以上の細孔をさらに含む、請求項３０に記載の集電体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２０１８年５月１７日出願の発明者Ｍｅｌｉｓｓａ Ｎ．Ｓｃｈｗｅｎｋらの米国仮特許出願第６２／６７２，７８４号の優先権を主張するものであり、この仮出願の開示は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２０１８年５月１７日出願の発明者Ｍｅｌｉｓｓａ Ｎ．Ｓｃｈｗｅｎｋらの米国仮特許出願第６２／６７２，７８４号の優先権を主張するものであり、この仮出願の開示は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【0002】
連邦政府が後援する研究又は開発
本発明は、国立衛生研究所によって授与されたＲ４４ ＤＫ１００９９９及びＲ４３ ＤＫ１１３５３６の下で政府の支援を受けてなされたものである。政府は本発明に一定の権利を有する。
本発明は、国立衛生研究所によって授与されたＲ４４ ＤＫ１００９９９及びＲ４３ ＤＫ１１３５３６の下で政府の支援を受けてなされたものである。政府は本発明に一定の権利を有する。
【0003】
本発明は、概して電解ガス発生装置に関するものであり、より具体的には、新規な電解ガス発生装置、並びに電解ガス発生装置に用いるための電気リードターミナル（電気リード端部）及びガスポートターミナル（ガスポート端部）の組み合わせに関する。
【背景技術】
【0004】
使用場所において１種以上のガスを制御して発生させることは、多くの産業及び医療用途にとって重要である。電気分解は、このようなガスを発生させるための一般的な手法であり、通常、電流を用いて原料（多くの場合、低コストで安定した反応物）を有用な商品（多くの場合、高コスト又は不安定な生成物）に変換することを伴う。電気分解は、その高いプロセス効率、その生成物選択性、及び印加電流を制御することによって生成速度を制御するその固有の能力により、生成技術として好まれている。電気分解を用いて１種以上のガスを発生するように設計された装置は、電解ガス発生装置と呼ばれることもある。例えば、水素生成用の電解ガス発生装置は、分析実験室において、ガスクロマトグラフのキャリアガス及び検出器ガスとして用いるための高純度水素をオンデマンドで供給するために頻繁に用いられている。酸素生成用の電解ガス発生装置は、例えば、皮膚の傷にｉｎ ｓｉｔｕで酸素を生成して、重度の火傷や糖尿病性潰瘍の治癒過程を改善するために用いられてきた。このような電解ガス発生装置は、通常、性能及び安全性を管理するためにいくつかの基本的なシステムの構成要素を必要とし、これらの基本的なシステムの構成要素には、一般に、電流制御（例えば、発生速度及び電圧効率を維持するための直流（ＤＣ）電源）、下流圧力及びガス純度の監視（例えば、プロセス及び環境の安全性のためのもの）、及び流体管理（例えば、水反応物供給ポンプ及び気液分離ユニット）が含まれる。しかしながら、理解できるように、このような構成要素は、システム全体のサイズ、コスト、及び複雑さを増大させ、システム全体の維持をより困難にする可能性がある。また、水素及び酸素は電解ガス発生装置によって生成されるより一般的なガスのうちの２つであるが、電解ガス発生装置は、二酸化炭素、塩素、オゾン、過酸化水素、二酸化塩素、酸化窒素、二酸化硫黄、硫化水素、一酸化炭素、アンモニア、塩化水素、臭化水素、及びシアン化水素などの、しかしこれらに限定されない他のガスを生成するために用いることもできる。
【0005】
ｉｎ ｓｉｔｕでのガス発生の新たな医療用途は、皮膚の下に位置するか、又は皮下インプラント装置の一部として含まれる細胞及び／又は組織へのガス状酸素の供給におけるものである。皮下インプラント装置は、様々な疾患、障害、及び／又は症状の治療のために、治療薬を必要とする患者への治療薬のｉｎ ｓｉｔｕでの発生及び散布のための有用な器具である。典型的には、そのようなインプラント装置は、適切なインプラント可能な容器内にカプセル化された細胞及び／又は組織を含む。インプラント可能な容器は、典型的には、細胞及び／又は組織が所望の治療薬を生成できるようにし、同時に免疫反応を抑えながら、生成された治療薬を患者に散布することができるように設計されている。理解できるように、必須ガス（例えば、酸素）及び栄養素のインプラント装置への送達は、インプラント装置内に含まれている細胞及び／又は組織の生存性及び機能にとって重要である。
【0006】
２００２年４月９日に発行され、参照により全体として本明細書に組み込まれる、発明者Ｃｏｌｔｏｎらの特許文献１には、水を電気分解することによって細胞に酸素を送達する方法が開示されている。特許文献１によれば、水を酸素と水素に電気分解する酸素発生装置で酸素を生成することによって、酸素は、インビトロ又はインビボで細胞に供給される。アノード層とカソード層とによって挟まれたプロトン交換膜を有する多層電解装置シート（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ ｓｈｅｅｔ）を用いて、実質的に遊離水素を発生することなく、酸素を発生させることができる。酸素発生装置は、培養プレート、培養フラスコ、マイクロタイタープレート又は体外回路によって含まれている細胞、又は選択した構成要素のチャンバへの出入りを可能にする半透過性バリア層で囲まれた免疫隔離チャンバなどの体内にインプラントするためのカプセル化チャンバ内の細胞に酸素を供給するために用いることができる。それらの細胞と共に生物活性分子が存在する場合がある。腹腔内空間の細胞含有マイクロカプセルの近くに酸素発生装置をインプラントすることによって、又は細胞を含む免疫隔離チャンバの近くに酸素発生装置を含むシステムをインプラントすることによって、酸素を体内の細胞にｉｎ ｓｉｔｕで送達することができる。酸素発生装置は、電流制御回路及び電源に接続され得る。
【0007】
２０１９年３月１９日に発行され、参照により全体として本明細書に組み込まれる、発明者Ｔｅｍｐｅｌｍａｎらの特許文献２には、細胞インプラントのガス処理のためのシステムが開示されている。特許文献２によれば、このシステムは、ヒト向け又は動物向けの薬物に用いるための細胞インプラント、特に細胞密度の高い細胞インプラントの生存性及び機能を強化する。このシステムは、インプラント全体のサイズを最小に抑えながら、インプラント可能な免疫隔離された細胞収容サブシステム内の細胞に酸素及び／又は水素を継続的に供給して、高い細胞密度での細胞の生存性及び機能を助ける小型の電気化学ガス発生装置サブシステムを使用している。細胞収容サブシステムは、インプラント可能な細胞収容サブシステム内において多孔質管又はガスのみを透過可能な内部ガスコンパートメントを介したガスの送達を可能にする機能を装備している。さらに、ガス発生装置サブシステムは、インプラントされたときに電気分解のための水へのアクセスを可能にし、それによりガス発生装置サブシステムを長期にわたるインプラント性を促す構成要素を含む。このシステムの用途は、バイオ人工膵臓と見なされる、Ｉ型糖尿病（Ｔ１Ｄ）治療用の膵島（又は膵島類似体）インプラントである。
【0008】
皮下インプラント装置で従来使用されている種類の電解ガス発生装置に関して本発明者によって特定された１つの不都合は、多くのそのような電解ガス発生装置が、発生したガスを軸方向に、すなわち電解ガス発生装置の長手軸に沿って運ぶように構成されていることである。この種類の構造は、皮下インプラント装置全体の厚さを増大させる可能性があるため、不利になる可能性がある。容易に理解できるように、多くの場合において、皮下インプラント装置の厚さを最小化することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】米国特許第６，３６８，５９２Ｂ１号
【文献】米国特許第１０，２３１，８１７Ｂ２号
【発明の概要】
【0010】
本発明の目的は、新規な電解ガス発生装置を提供することにある。
【0011】
本発明の一態様によれば、反応物を電気分解して少なくとも第１のガスを発生させるための電解ガス発生装置が提供される。電解ガス発生装置は、（ａ）対向する第１の面及び第２の面を有するポリマー電解質膜と、（ｂ）ポリマー電解質膜の第１の面に電気的に結合されている第１の電極と、（ｃ）ポリマー電解質膜の第２の面に電気的に結合されている第２の電極と、（ｄ）第１の電極に電気的に結合されており、導電性リードを取り付ける際に使用するための第１の電気伝導性延長部を備え、第１の電極で発生したガスを側方方向に運ぶためのガス導管をさらに備える第１の集電体と、（ｅ）第２の電極に電気的に結合されている第２の集電体と、（ｆ）電流源と、（ｇ）第１の集電体を電流源に電気的に結合する第１の導電性リードであって、第１の電気伝導性延長部に固定された第１の端部を備える第１の導電性リードと、（ｈ）第２の集電体を電流源に電気的に結合する第２の導電性リードと、を備える。
【0012】
本発明のより詳細な特徴において、電解ガス発生装置は、水電解槽であってもよい。
【0013】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管の少なくとも一部は、第１の電気伝導性延長部の少なくとも一部を通過し得る。
【0014】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管の少なくとも一部は、第１の電気伝導性延長部の全体を通過し得る。
【0015】
本発明のより詳細な特徴において、第１の集電体は上部部材と下部部材とを備え、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、ガス導管を共に画定し得る。
【0016】
本発明のより詳細な特徴において、第１の集電体は上部部材と下部部材とを備え、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、ガス導管及び第１の電気伝導性延長部を共に画定し得る。
【0017】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管は、上部部材及び下部部材の少なくとも一方における１つ以上のエッチングによって形成され得る。
【0018】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管は、上部部材及び下部部材の双方における１つ以上のエッチングによって形成され得る。
【0019】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管は、下部部材の貫通孔と上部部材上の細長い凹部とによって形成され得、細長い凹部は、下部部材の貫通孔と整合した第１の端部と、上部部材の周囲の第２の端部とを有し得る。
【0020】
本発明のより詳細な特徴において、上部部材及び下部部材の双方が電気伝導性であってもよい。
【0021】
本発明のより詳細な特徴において、下部部材は電気伝導性であってもよく、上部部材は非電気伝導性であってもよい。
【0022】
本発明のより詳細な特徴において、第１の集電体は、導電性リードを取り付ける際に用いるための第２の電気伝導性延長部をさらに備え得る。
【0023】
本発明のより詳細な特徴において、第１の電気伝導性延長部と第２の電気伝導性延長部とは、互いに約１８０度離隔され得る。
【0024】
本発明のより詳細な特徴において、第１の電気伝導性延長部は、比較的幅の広い近位部分と比較的幅の狭い遠位部分とを有し得る。
【0025】
本発明のより詳細な特徴において、第１の電気伝導性延長部は、略均一な幅を有し得る。
【0026】
本発明のより詳細な特徴において、第２の集電体は、導電性リードを取り付ける際に用いるための第１の電気伝導性延長部を備え、第２の集電体は、第２の電極で発生したガスを側方方向に運ぶためのガス導管をさらに備え得る。
【0027】
本発明のより詳細な特徴において、第２の集電体のガス導管の少なくとも一部は、第２の集電体の第２の電気伝導性延長部の少なくとも一部を通過し得る。
【0028】
本発明のより詳細な特徴において、第２の集電体は上部部材と下部部材とを備え、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、第２の集電体のガス導管を共に画定し得る。
【0029】
本発明のより詳細な特徴において、第２の集電体は上部部材と下部部材とを備え、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、第２の集電体のガス導管及び第２の集電体の第１の電気伝導性延長部を共に画定し得る。
【0030】
本発明のより詳細な特徴において、電解ガス発生装置は、第１の電極と第１の集電体との間に挿入されたダイアフラムをさらに備えることができ、ダイアフラムは、電気伝導性であり、ダイアフラムが第１の集電体を第１の電極に電気的に結合する第１の状態と、第１の集電体が第１の電極から少なくとも部分的に切断される第２の状態との間で可逆的に変形可能であり得る。
【0031】
本発明のより詳細な特徴において、ダイアフラムは、第１の電極で発生したガスを通過させるための開口を有することができ、開口は第１の電極と電気的に接触しない位置でダイアフラムの周囲に近接して配置され得る。
【0032】
本発明の別の態様によれば、反応物を電気分解して少なくとも第１のガスを発生させるための電解ガス発生装置が提供される。電解ガス発生装置は、（ａ）対向する第１の面及び第２の面を有するポリマー電解質膜と、（ｂ）ポリマー電解質膜の第１の面に電気的に結合されている第１の電極と、（ｃ）ポリマー電解質膜の第２の面に電気的に結合されている第２の電極と、（ｄ）第１の集電体アセンブリであって、（ｉ）導電性リードを取り付ける際に使用するための第１の電気伝導性延長部を備え、第１の電極で発生したガスを側方方向に運ぶためのガス導管をさらに備える第１の集電体と、（ｉｉ）非電気伝導性であるフレームと、（ｉｉｉ）第１の集電体とフレームとの間に固定され、電気伝導性であり、第１の集電体が第１の電極に電気的に結合されている第１の状態と、第１の集電体が第１の電極から少なくとも部分的に電気的に切断されている第２の状態との間で可逆的に変形可能であるダイアフラムと、を備える第１の集電体アセンブリと、（ｅ）電気伝導性であり、第２の電極に電気的に結合されている第２の集電体と、（ｆ）電流源と、（ｇ）第１の集電体を電流源に電気的に結合する第１の導電性リードであって、第１の電気伝導性延長部に固定された第１の端部を備える第１の導電性リードと、（ｈ）第２の集電体を電流源に電気的に結合する第２の導電性リードと、を備える。
【0033】
本発明のより詳細な特徴において、ダイアフラムは、第１の電極で発生したガスを通過させるための開口を有することができ、開口は第１の電極と電気的に接触しない位置でダイアフラムの周囲に近接して配置され得る。
【0034】
本発明のより詳細な特徴において、第１の集電体は環状部分をさらに備えることができ、第１の電気伝導性延長部は、環状部分から半径方向外方に延在し得る。
【0035】
本発明のより詳細な特徴において、第１の集電体の環状部分は、その下面の環状凹部を備えることができ、環状凹部内にはガス導管への入口が配置され得、ダイアフラムの開口は、第１の集電体の環状凹部と整合され得る。
【0036】
本発明のより詳細な特徴において、フレームは環状であり、フレームはその上面に環状凹部を備え得、フレームは開口を有することができ、フレームの開口はフレームの環状凹部内に配置され得、フレームの環状凹部は、ダイアフラムの開口と整合され得る。
【0037】
本発明のより詳細な特徴において、第１の集電体は上部部材と下部部材とを備え、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、ガス導管を共に画定し得る。
【0038】
本発明のより詳細な特徴において、第１の集電体は上部部材と下部部材とを備え、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、ガス導管及び第１の電気伝導性延長部を共に画定し得る。
【0039】
本発明のより詳細な特徴において、電解ガス発生装置は、第１の集電体と係合して、第１の集電体を第１の状態に向けて付勢する弾性圧縮可能部材をさらに備え得る。
【0040】
本発明の別の目的は新規な集電体を提供することにある。
【0041】
本発明の一態様によれば、電解ガス発生装置で用いるための集電体が提供され、集電体は、（ａ）電気伝導性の本体と、（ｂ）本体から側方方向に延在し、本体に電気的に結合された電気伝導性の表面を備える延長部と、を備え、（ｃ）本体と延長部とが、本体内に第１の端部を有し、かつ延長部内に第２の端部を有するガス導管を共に画定する。
【0042】
本発明のより詳細な特徴において、本体は円盤状とすることができ、延長部は本体から半径方向に延在し得る。
【0043】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管の第１の端部は、本体の貫通孔で終了し得る。
【0044】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管の第１の端部は、本体の下面の開口部で終了し得る。
【0045】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管の第２の端部は、延長部の遠位端に配置され得る。
【0046】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管の第２の端部は、延長部の遠位端から近位方向に一定距離離隔されていてもよい。
【0047】
本発明のより詳細な特徴において、本体は環状とすることができ、延長部は本体から半径方向に延在し得る。
【0048】
本発明のより詳細な特徴において、本体及び延長部は、上部部材と下部部材とを接合することによって形成され得、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、ガス導管を共に画定し得る。
【0049】
本発明のより詳細な特徴において、本体及び延長部は、上部部材と下部部材とを接合することによって形成され得、上部部材と下部部材とは、互いに結合され、ガス導管及び延長部を共に画定し得る。
【0050】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管は、上部部材及び下部部材の少なくとも一方における１つ以上のエッチングによって形成され得る。
【0051】
本発明のより詳細な特徴において、ガス導管は、上部部材及び下部部材の双方における１つ以上のエッチングによって形成され得る。
【0052】
本発明のより詳細な特徴において、本体は、１つ以上の細孔をさらに含み得る。
【0053】
本明細書及び特許請求の範囲では、本発明を所定の向きに配置したか、又は所定の向きから見た場合の当該発明を説明するために、「上」、「下」、「近位」、「遠位」、「上側」、「下側」、「前」、及び「後」などの様々な関係語を用いることがある。本発明の向きを変えることにより、それに応じて特定の関係語を調整する必要がある可能性があることを理解されたい。
【0054】
本発明の追加の目的、並びに態様、特徴及び利点は、一部は以下の説明に記載されており、また一部は説明から明らかであるか、又は本発明の実施によって学習され得る。説明では、その一部をなし、本発明を実施するための様々な実施形態が例示として示されている添付図面が参照される。実施形態は、当業者が本発明を実施可能なように十分に詳細に説明され、また他の実施形態を用いてもよく、本発明の範囲から逸脱することなく、構造上の変更を行うことができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって最もよく定義される。
【図面の簡単な説明】
【0055】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の様々な実施形態を示し、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。これらの図面は必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではなく、説明のために、特定の構成要素の寸法が過度に小さかったり大きかったりする場合がある。図面では、同様の符号は同様の部品を表す。
【0056】
【発明を実施するための形態】
【0057】
本発明は、一部では新規の電解ガス発生装置に関し、また一部では電解ガス発生装置に用いるための電気リードターミナルとガスポートターミナルとの組み合わせに関する。
【0058】
一実施形態によれば、本発明は、エンドプレート上のねじ込み継手の必要性を排除する薄型の電解ガス発生装置のインプラントを可能にする。本発明の好ましい態様によれば、ガスを捕捉し、そのガスを内側空間を通して側方方向に送るターミナルが提供され、ターミナルは、目的地に直接接続されるか、又はガスを他の場所に送るためにターミナルに取り付けられた管を有することができる。本発明は、インプラント可能な装置に限定されるものではなく、水平方向の空間が限られているか、又はシステムの簡素化が望まれる任意のシステムに適用することができる。
【0059】
本発明の１つの特徴によれば、ガスを運び、電流を流すための装置が提供される。装置は、電気伝導性材料の内側空間を通るガスの流路を備える。電気伝導性材料は、用途に応じて、様々な形状にエッチングされるか、又は他の方法で形成されることが可能であり、内側空間の形状は、所望の末端に応じて変更され得る。
【0060】
ここで図１～図３を参照すると、電解ガス発生装置の第１の実施形態の様々な図が示されている。電解ガス発生装置は、本発明の教示に従って構築されており、全体を符号１１によって表されている。本出願の他の箇所で議論されているか、又は本発明の理解に重要ではない電解ガス発生装置１１の詳細は、図１～図３の１つ以上から、若しくは本明細書の付随する説明から省略されたり、又は簡略化された形で、図１～図３の１つ以上に示されたり、かつ／若しくは本明細書に記載されたりする場合がある。例えば、電解ガス発生装置１１を動作させるために用いることができるバッテリなどの電流源は、図１～図３には示されていない。
【0061】
電解ガス発生装置１１は、水電解槽の形態であってもよく、特にインプラント可能な水電解槽の形態であってもよい。電解ガス発生装置１１は、膜電極アセンブリ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）１３、アノード支持体１５、カソード支持体１７、アノード集電体アセンブリ１９、及びカソード集電体アセンブリ２１を備え得る。
【0062】
図４（ａ）及び図４（ｂ）にも個別に示した膜電極アセンブリ１３は、固体ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）２３を備え得る。ポリマー電解質膜２３は、好ましくは、非多孔質であり、イオン伝導性であり、非電気伝導性であり、液体透過性であり、かつ実質的にガス不透過性の膜である。ポリマー電解質膜２３は、均質なパーフルオロスルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ：ＰＦＳＡ）ポリマーからなるか、又はそれを含み得る。当該ＰＦＳＡポリマーは、テトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエーテルスルホン酸との共重合によって形成され得る。例えば、１９６６年１１月１日に発行された発明者Ｃｏｎｎｏｌｌｙらの米国特許第３，２８２，８７５号、１９８４年９月１１日に発行された発明者Ｅｚｚｅｌｌらの米国特許第４，４７０，８８９号、１９８４年１０月２３日に発行された発明者Ｅｚｚｅｌｌらの米国特許第４，４７８，６９５号、及び２００２年１２月１０日に発行された発明者Ｃｉｓａｒの米国特許第６，４９２，４３１号を参照されたい。これらの特許文献は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。ＰＦＳＡポリマー電解質膜の商業的実施形態は、Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ ＦＣ，ＬＬＣ（ノースカロライナ州ファイエットビル）によって、ＮＡＦＩＯＮ（商標）押出キャストＰＦＳＡポリマー膜として製造されている。
【0063】
ポリマー電解質膜２３は、連続したフィルム又はシートの形態である略平面の単一構造とすることができる。本実施形態では、上又は下から見た場合、ポリマー電解質膜２３は、略円形を有し得る。また、電解ガス発生装置１１の全体形状は、上又は下から見た場合、ポリマー電解質膜２３の形状に略一致し得る。しかしながら、ポリマー電解質膜２３、及び電解ガス発生装置１１は、全体として、略円形に限定されるものではなく、略矩形又は他の適切な形状を有してもよいことが理解されるべきである。
【0064】
膜電極アセンブリ１３は、アノード電極触媒層２５及びカソード電極触媒層２７をさらに備え得る。アノード電極触媒層２５は、ポリマー電解質膜２３と直接接触させて配置することができ、本実施形態では、ポリマー電解質膜２３の上面の一部に対して中心に、かつ真上に、接触して配置されるように示されている。アノード電極触媒層２５は、電解ガス発生装置１１のアノードの電気化学的に活性な領域を画定し、好ましくは、高反応率の表面酸化反応を維持するのに十分に、多孔質であり、電気伝導性であり、イオン伝導性である。アノード電極触媒層２５は、ＰＥＭベースの水電解槽で従来用いられている種類のアノード電極触媒層であってもよく、高反応率の電気化学反応を維持することができる、微粉化された耐食性で電気伝導性（かつ場合によりイオン伝導性）の材料（例えば、金属粉末）の形態にある電極触媒粒子を含み得る。機械的な固着を提供するために、電極触媒粒子を、好ましくはイオン伝導性であるバインダーと共に、アノード電極触媒層２５内に分散させることができる。
【0065】
カソード電極触媒層２７は、ポリマー電解質膜２３と直接接触させて配置することができ、本実施形態では、ポリマー電解質膜２３の下面の一部に対して中心に、かつ真下に、接触して配置されるように示されている。カソード電極触媒層２７は、電解ガス発生装置１１のカソードの電気化学的に活性な領域を画定し、好ましくは、高反応率の表面還元反応を維持するのに十分に多孔性であり、電気伝導性であり、イオン伝導性である。カソード電極触媒層２７は、ＰＥＭベースの水電解槽で従来用いられている種類のカソード電極触媒層であってもよく、高反応率の電気化学反応を維持することができる微粉化された耐食性で電気伝導性（かつ場合によりイオン伝導性）の材料（例えば、金属粉末）の形態にある電極触媒粒子を含み得る。機械的な固着を提供するために、電極触媒粒子を、好ましくはイオン伝導性であるバインダーと共に、カソード電極触媒層２７内に分散させることができる。
【0066】
アノード支持体１５は、ＰＥＭベースの水電解槽で従来使用されている種類のアノード支持体であってもよく、例えば、多孔質チタン（又は類似の適切な多孔質で、耐食性であり、電気伝導性の材料）のフィルム又はシートとすることができ、アノード電極触媒層２５の上に直接接触して配置され得る。好ましくは、アノード支持体１５は、ガスがアノード支持体１５を通って容易に拡散するのに十分に多孔質である。この目的のために、アノード支持体１５は、例えば、約０．０００５～０．５ｍｍのオーダーの細孔サイズを有し得る。アノード支持体１５はまた、ガス拡散をさらに支援するために、例えば、０．１～１０ｍｍのオーダーの巨視的なチャネル構造（ｃｈａｎｎｅｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ）を備えてもよい。さらに、アノード支持体１５は、アノード電極触媒層２５と以下で議論するアノード側集電体との間の電気的接続性を提供するために電気伝導性であり、アノード支持体１５はまた、好ましくは非イオン伝導性である。アノード支持体１５は、アノード電極触媒層２５と直接接触させて配置することができ、本実施形態では、アノード電極触媒層２５がポリマー電解質膜２３とアノード支持体１５との間に挟まれて、ポリマー電解質膜２３及びアノード支持体１５と接触し得るように、アノード電極触媒層２５の上に直接に配置されるように示されている。アノード支持体１５は、アノード電極触媒層２５を全体的に覆うような寸法に形成されてよく、アノード支持体１５は、好ましくは、アノード電極触媒層２５のフットプリントに略一致するような寸法に形成されている。これにより、アノード支持体１５及びアノード電極触媒層２５は、電解ガス発生装置１１のアノードとして一体的に機能し得る。支持ガスケット２９は、ゴム、軟質プラスチック、又は例えばＶＩＴＯＮ（登録商標）合成ゴム材料（Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ ＦＣ，ＬＬＣ、ノースカロライナ州ファイエットビル）などのフッ素エラストマーゴム材料といった、可撓性でコンプライアントな（規格に準拠した）非多孔質材料で作製されてもよい。支持ガスケット２９は、アノード支持体１５の周囲を取り囲み、アノード支持体１５を流体的に封止し、電気的に絶縁することができる。好ましくは、支持ガスケット２９は、その周囲がポリマー交換膜２３の周囲と略一致するような寸法に形成されている。
【0067】
カソード支持体１７は、ＰＥＭベースの水電解槽で従来使用されている種類のカソード支持体であってもよく、例えば、多孔質炭素（又は類似の適切な多孔質で、耐食性の電気伝導性材料）のフィルム又はシートとすることができ、カソード電極触媒層２７の下に直接接触して配置され得る。好ましくは、カソード支持体１７は、ガスがカソード支持体１７を通って容易に拡散するのに十分に多孔質である。この目的のために、カソード支持体１７は、例えば、約０．００５～０．５ｍｍのオーダーの細孔サイズを有し得る。カソード支持体１７はまた、ガス拡散をさらに支援するために、例えば、０．１～１０ｍｍのオーダーの巨視的なチャネル構造を備えてもよい。さらに、カソード支持体１７は、カソード電極触媒層２７と以下で議論するカソード側集電体との間の電気的接続性を提供するために電気伝導性であり、カソード支持体１７はまた、好ましくは非イオン伝導性である。カソード支持体１７は、カソード電極触媒層２７と直接接触させて配置することができ、本実施形態では、カソード電極触媒層２７がポリマー電解質膜２３とカソード支持体１７との間に挟まれて、ポリマー電解質膜２３及びカソード支持体１７と接触し得るように、カソード電極触媒層２７の真下にカソード電極触媒層２７と接触して配置されるように示されている。カソード支持体１７は、カソード電極触媒層２７を全体的に覆うような寸法に形成されてよく、カソード支持体１７は、好ましくは、カソード電極触媒層２７のフットプリントに略一致するような寸法に形成されている。これにより、カソード支持体１７及びカソード電極触媒層２７は、電解ガス発生装置１１のカソードとして一体的に機能し得る。支持ガスケット３１は、ゴム、軟質プラスチック、又は例えばフッ素エラストマーゴム材料などの可撓性でコンプライアントな非多孔質材料で作製されてもよく、カソード支持体１７の周囲を取り囲み、カソード支持体１７を流体的に封止し、電気的に絶縁することができる。好ましくは、支持ガスケット３１は、その周囲がポリマー交換膜２３の周囲と略一致するような寸法に形成されている。
【0068】
【0069】
【0070】
以下でさらに議論するように、アノード集電体４１は、２つの異なる機能を果たすように、すなわち、（１）アノード支持体１５からアノード集電体４１に（例えば、はんだ付けにより）導電的に取り付けられた電気導電性リード４５（図５（ａ）に想像線で図示）に電流を伝導し、（２）アノード電極触媒層２５で発生され、アノード支持体１５を通過するガス（例えば、Ｏ２）を管４３に沿って案内するように構築され得る。
【0071】
本実施形態では、アノード集電体４１は、円盤部分４７を含むような形状に形成され得る。円盤部分４７は、アノード支持体１５及び支持ガスケット２９が組み合わされたフットプリントに略一致するような寸法に形成され得、入口４９を含むような形状に形成され得る。電解ガス発生装置１１のアノードで発生したガス（例えば、Ｏ２）を受け入れるために用いられ得る入口４９には、円盤部分４７の下面からアクセスすることができる。本実施形態では、入口４９は、円盤部分４７の中央に位置するものとして示されているが、入口４９は、中央に配置される必要はなく、アノード支持体１５のある部分に配置されているだけでよい。
【0072】
アノード集電体４１は、さらに第１の延長部５３を含むような形状に形成され得る。第１の延長部５３は、円盤部分４７から半径方向外方に一定距離にわたって延在し得る。本実施形態では、第１の延長部５３は、比較的幅の広い近位部分５５と、比較的幅の狭い遠位部分５７とを含むような形状に形成され得る。これにより、管４３は、第１の延長部５３の遠位部分５７上に同軸的に取り付けることができ、バッテリ又はそれに類似の適切な電流源に電気的に結合され得る導電性リード４５は、第１の延長部５３の近位部分５５に取り付けることができる。換言すると、第１の延長部５３の遠位部分５７は、管４３を受け入れるための継手として機能することができ、第１の延長部５３の近位部分５５は、導電性リード４５のための接触面として機能することができる。必要に応じて、導電性リード４５は、管４３とほぼ平行の向きで近位部分５５に取り付けることができるが、このような平行な配向は必須ではない。また、第１の延長部５３は、幅が異なる部分を有する必要はなく、代わりに、その全長にわたって一定の幅を有してもよいことを理解されたい。
【0073】
内側空間５９が、アノード集電体４１内に設けられ、入口４９から第１の延長部５３の遠位端６１まで連続的に延在することができ、内側空間５９は、遠位端６１で出口６３において終了する。これにより、以下でさらに説明するように、電解ガス発生装置１１のアノードで発生する酸素などのガスは、入口４９を通ってアノード集電体４１に進入し、内側空間５９を通って移動し、出口６３から出ることができる。したがって、入口４９から出口６３に及ぶ流体経路は、アノード集電体４１を介してガスを側方方向に運ぶためのガス導管として機能する。
【0074】
アノード集電体４１は、さらに第２の延長部６５を含むような形状に形成され得る。第２の延長部６５は、円盤部分４７から半径方向外方に一定距離にわたって延在することができ、導電性リード４５を取り付けるための代わりの場所として機能し得る。本実施形態では、第１の延長部５３と第２の延長部６５とは、円盤部分４７の周囲で約１８０度の角度で互いに離隔され得る。このように離隔させることは、例えば、アノード集電体アセンブリ１９とカソード集電体アセンブリ２１とを互いに対して１８０度の角度に向け、それでも導電性リードは実質的に同じ方向に延在させたい場合に望ましい可能性がある。このように離隔させることは、本実施形態の場合のように、アノード集電体アセンブリ１９及びカソード集電体アセンブリ２１を実質的に同じ方向に向けたいが、導電性リードは反対方向に延ばしたい場合にも望ましいことがある。理解できるように、そのような機能が望まれない場合には、第２の延長部６５は省略されてもよい。
【0075】
本実施形態では、アノード集電体４１は、上部部材７１と下部部材７３との接合によって形成することができ、上部部材７１と下部部材７３とは、略一致するフットプリントを有する（しかしながら、代わりに、アノード集電体４１を単一の材料片から作ることも可能である）。図７にも個別に示した上部部材７１は、円形の第１の凹部７７を有する下面７５を含むような形状に形成され得る。図８にも個別に示した下部部材７３は、対応する寸法に形成され配置された貫通孔７９を含むような形状に形成され得る。これにより、整合された凹部７７と貫通孔７９とが、入口４９を共に画定し得る。上部部材７１の下面７５は、さらに凹部７７からタブ８５の遠位端８３まで延在する径方向溝又は径方向凹部８１を含むような形状に形成され得、溝８１と下部部材７３とが、内側空間５９を共に画定し得る。本実施形態では、上部部材７１は溝８１を含み、下部部材７３は溝８１と同様の構造を含まないが、上部部材７１及び下部部材７３のいずれか一方又は双方が、内側空間を形成する際に用いるために、溝８１と同様の構造を含んでもよいことを理解されたい。
【0076】
本実施形態では、上部部材７１及び下部部材７３のそれぞれを硬質の電気伝導性プレートとすることができる。上部部材７１及び／又は下部部材７３としての使用に適した材料の例には、チタン、ニオブ、及びジルコニウムなどの様々な導電性かつ耐食性の金属が含まれ得る。他の例には、電気伝導性ポリマー又は電気伝導性粒子を分散させたポリマーが含まれ得る。上部部材７１及び下部部材７３がチタン又は類似の導電性かつ耐食性の材料で形成されている場合、上部部材７１と下部部材７３とは、拡散接合又は他の任意の適切な技術によって接合され得る。さらに、上部部材７１及び下部部材７３がチタン又は類似の導電性かつ耐食性の材料で形成されている場合、凹部７７、貫通孔７９及び溝８１は、エッチング（例えば、フォトエッチング、化学エッチング）又は任意の他の適切な技術によって形成され得る。好ましくは、上部部材７１及び下部部材７３のそれぞれは、非多孔性かつ実質的にガス不透過性である材料で作製されている。これにより、アノード集電体４１を通って案内される実質的にすべてのガスは、入口４９を通って進入し、内側空間５９を通って移動し、出口６３を通って出ることができる。
【0077】
上部部材７１及び下部部材７３の双方が電気伝導性であってもよいが、電気伝導性材料から下部部材７３を作製し、非電気伝導性材料から上部部材７１を作製することもできる。しかしながら、このような場合には、導電性リード４５は下部部材７３に取り付けなければならない。
【0078】
管４３は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのポリマー、又は好ましくはガス不透過性であるか、若しくは非常に限られたガス透過性である任意の他の適切な材料で作製された円筒管を含み得る。本実施形態では、管４３は延長部５３上に取り付けられているが、管４３を内側空間５９内に挿入することもできることを理解されたい。
【0079】
【0080】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）にも個別に示したカソード集電体９１は、カソード支持体１７及び支持ガスケット３１の下に直接接触して配置され得る。以下でさらに議論するように、カソード集電体９１は、２つの異なる機能を果たすように、すなわち、（１）カソード支持体１７からカソード集電体９１に（例えば、はんだ付けにより）導電的に取り付けられた電気導電性リード９５（図９（ａ）に想像線で図示）に電流を伝導し、（２）カソード電極触媒層２７で発生し、カソード支持体１７を通過するガス（例えば、Ｈ２）を管９３に沿って案内するように構築され得る。
【0081】
本実施形態では、カソード集電体９１は、多くの点でアノード集電体４１と類似し得る。したがって、カソード集電体９１は、円盤部分９７を含むような形状に形成され得る。円盤部分９７は、カソード支持体１７と支持ガスケット３１との組み合わされたフットプリントに略一致するような寸法に形成され得る。円盤部分９７は、入口９９を含むような形状に形成され得る。入口９９は、電解ガス発生装置１１のカソードで発生したガスを受け入れるために用いられ得る。本実施形態では、入口９９は、円盤部分４７の厚さ全体に延在する貫通孔として示されているが、入口９９は、貫通孔である必要はなく、代わりに、円盤部分９７の上面から円盤部分９７の厚さの一部のみを通って延在する開口部であってもよいことを理解されたい。また、本実施形態では、入口９９は、円盤部分９７の中央に位置するものとして示されているが、入口９９は、中央に配置される必要はなく、カソード支持体１７のある部分の上に配置されているだけでよい。
【0082】
円盤部分９７はまた、円盤部分９７の厚さ全体に延在する複数の細孔１００を含むような形状に形成され得る。細孔１００を用いて、水蒸気を上方に通過させ、ＭＥＡ１３に送達して、水蒸気が電気分解されるようにすることができる。
【0083】
カソード集電体９１は、さらに第１の延長部１０３を含むような形状に形成され得る。第１の延長部１０３は、円盤部分９７から半径方向外方に一定距離にわたって延在し得る。本実施形態では、第１の延長部１０３は、比較的幅の広い近位部分１０５と、比較的幅の狭い遠位部分１０７とを含むような形状に形成され得る。これにより、以下で明らかとなる目的のために、管９３を第１の延長部１０３の遠位部分１０７上に同軸的に取り付けることができ、バッテリ（導電性リード４５が電気的に結合されているのと同じバッテリの反対側のターミナルなど）又は別の類似の適切な電流源に電気的に結合され得る導電性リード９５を第１の延長部１０３の近位部分１０５に取り付けることができる。換言すると、第１の延長部１０３の遠位部分１０７は、管９３を受け入れるための継手として機能することができ、第１の延長部１０３の近位部分１０５は、導電性リード９５のための接触面として機能することができる。必要に応じて、導電性リード９５は、管９３とほぼ平行の向きで近位部分１０５上に取り付けることができるが、このように平行な配向は必須ではない。また、第１の延長部１０３は、幅が異なる部分を有する必要はなく、代わりに、その全長にわたって一定の幅を有してもよいことを理解されたい。
【0084】
内側空間１０９が、カソード集電体９１内に設けられ、入口９９から第１の延長部１０３の遠位端１１１まで連続的に延在することができ、内側空間１０９は、遠位端１１１で出口１１３において終了する。これにより、以下でさらに説明するように、電解ガス発生装置１１のカソードで発生する水素などのガスは、入口９９を通ってカソード集電体９１に進入し、内側空間１０９を通って移動し、出口１１３から出ることができる。したがって、入口９９から出口１１３に及ぶ流体経路は、カソード集電体９１を介してガスを側方方向に運ぶためのガス導管として機能する。
【0085】
カソード集電体９１は、さらに第２の延長部１１５を含むような形状に形成され得る。第２の延長部は、円盤部分９７から半径方向外方に一定距離にわたって延在することができ、導電性リード９５を取り付けるための代わりの場所として機能し得る。本実施形態では、第１の延長部１０３及び第２の延長部１１５は、円盤部分９７の周囲で約１８０度の角度で互いに離隔され得る。このように離隔させることは、例えば、カソード集電体アセンブリ２１及びアノード集電体アセンブリ１９を互いに対して１８０度の角度に向け、それでも導電性リードは実質的に同じ方向に延ばしたい場合に望ましい可能性がある。このように離隔させることは、本実施形態の場合のように、カソード集電体アセンブリ２１及びアノード集電体アセンブリ１９を実質的に同じ方向に向けたいが、導電性リードは反対方向に延ばしたい場合にも望ましい可能性がある。理解できるように、そのような機能が望まれない場合には、第２の延長部１１５は省略されてもよい。
【0086】
本実施形態では、カソード集電体９１は、上部部材１２１と下部部材１２３との接合によって形成することができ、上部部材１２１と下部部材１２３とが略一致するフットプリントを有する（しかしながら、代わりに、カソード集電体９１を単一の材料片から作ることも可能である）。図１１にも個別に示した上部部材１２１は、大きな貫通孔１２７と、一連の小さな貫通孔１２８とを含むような形状に形成することができ、図１２にも個別に示した下部部材１２３は、大きな貫通孔１２９と、一連の小さな貫通孔１３０とを含むような形状に形成することができる。これにより、整合された貫通孔１２７と貫通孔１２９とが、入口９９を共に画定することができ、また整合された小さな貫通孔１２８と小さな貫通孔１３０とが、細孔１００を共に画定することができる。上部部材１２１の下面１３２は、さらに貫通孔１２７からタブ１３５の遠位端１３４まで延在する径方向溝又は径方向凹部１３３を含むような形状に形成することができ、溝１３３と下部部材１２３とが、内側空間１０９を共に画定する。本実施形態では、上部部材１２１は溝１３３を含み、下部部材１２３は溝１３３と同様の構造を含まないが、上部部材１２１及び下部部材１２３のいずれか一方又は双方が、内側空間を形成する際に用いるために、溝１３３と同様の構造を含んでもよいことを理解されたい。
【0087】
本実施形態では、上部部材１２１及び下部部材１２３のそれぞれを硬質の電気伝導性プレートとすることができる。上部部材１２１及び／又は下部部材１２３としての使用に適した材料の例には、チタン、ニオブ、及びジルコニウムなどの様々な導電性かつ耐食性の金属が含まれ得る。他の例には、電気伝導性ポリマー又は電気伝導性粒子を分散させたポリマーが含まれ得る。上部部材１２１及び下部部材１２３がチタン又は類似の導電性かつ耐食性の材料で形成されている場合、上部部材１２１と下部部材１２３とは、拡散接合又は他の任意の適切な技術によって接合され得る。さらに、上部部材１２１及び下部部材１２３がチタン又は類似の導電性かつ耐食性の材料で形成されている場合、貫通孔１２７、１２８、１２９、及び１３０、並びに溝１３３は、エッチング（例えば、フォトエッチング、化学エッチング）又は他の適切な技術によって形成され得る。好ましくは、上部部材１２１及び下部部材１２３のそれぞれは、非多孔性かつ実質的にガス不透過性である材料で作製されている。これにより、カソード集電体９１を通って案内される実質的にすべてのガスは、入口９９を通って進入し、内側空間９９を通って移動し、出口１１３を通って出ることができる。
【0088】
上部部材１２１及び下部部材１２３の双方が電気伝導性であってもよいが、上部部材１２１を電気伝導性材料から作製し、下部部材１２３を非電気伝導性材料から作製することもできる。しかしながら、そのような場合には、導電性リード９５は、上部部材１２１に取り付けられなければならない。
【0089】
管９３は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのポリマー、又は好ましくはガス不透過性であるか、若しくは非常に限られたガス透過性である任意の他の適切な材料で作製された円筒管を含み得る。本実施形態では、管９３は延長部１０３上に取り付けられているが、管９３を内側空間１０９内に挿入することができることを理解されたい。
【0090】
電解ガス発生装置１１は、ハウジングベース１５１及びハウジングカバー１５３をさらに備えることができ、ハウジングベース１５１とハウジングカバー１５３とは、電解ガス発生装置１１の他の構成要素の多くを保持するために用いられ得るハウジングを共に画定する。硬質で耐久性のある材料で作製された単一構造とすることができるハウジングベース１５１は、下壁１５５、側壁１５７、及び開放した上部を含むような形状に形成され得る。下壁１５５は、液体の水などの流体がハウジングの内部に進入することができるように設計された１つ以上の開口部１５９を含むような形状に形成され得る。側壁１５７は、延長部５３及び１０３が通過できるように設計された第１の開口部１６１を含むような形状に形成され、また延長部６５及び１１５が通過できるように設計された第２の開口部１６３を含むような形状に形成され得る。硬質で耐久性のある材料で作製された単一構造とすることができるハウジングカバー１５３は、上部部分１６５及び下部部分１６７を含むような形状に形成され得る。上部部分１６５は、ハウジングベース１５１のフットプリントに略一致するような形状に形成され、側壁１５７の上面の上に直接着座するように設計された下面を有し得る。下部部分１６７は、ハウジングベース１５１の内径に略一致するフットプリントを有するような形状に形成され、ハウジング内に積み重ねられた構成要素を圧縮するのを助けるために用いられ得る。これにより、ハウジングベース１５１及びハウジングカバー１５３は、電解ガス発生装置１１の構成要素のためのハウジングを提供するように機能するだけでなく、エンドプレートとしても機能する。
【0091】
ハウジングベース１５１は、好ましくは、非電気伝導性材料で作製されている。ハウジングカバー１５３は、電気伝導性材料で作製されていてもよいし、又は非電気伝導性材料で作製されていてもよい。本実施形態のように、ハウジングカバー１５３が電気伝導性材料で作製されている場合には、電解ガス発生装置１１は、ハウジングカバー１５３をアノード集電体アセンブリ１９から電気的に絶縁するための電気絶縁体１７１を追加で備え得る。
【0092】
電解ガス発生装置１１は、水制御膜１８１及び１８２をさらに備え得る。水制御膜１８１及び１８２は、カソード集電体アセンブリ２１とハウジングベース１５１の下壁１５５との間に配置され得る。本実施形態では、水制御膜１８１は、安定で首尾一貫した水蒸気源を促進するために生物付着を防止する生体適合性膜とすることができる。水制御膜１８１として用いるのに適し得る材料の例は、少なくともいくつかの細孔が直径３μｍ以上であり、好ましい厚さの範囲が３０～５０μｍである延伸ＰＴＦＥである。水制御膜１８１の直上に配置され得る水制御膜１８２は、蒸気輸送膜の形態であってもよい。水制御膜１８２としての使用に適した材料の例には、ＺＩＴＥＸ（登録商標）多孔質ポリテトラフルオロエチレン、ＧＯＲＥ－ＴＥＸ（登録商標）延伸ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンゴム、ＰＴＦＥ、及びＴＥＦＬＯＮ（登録商標）ポリテトラフルオロエチレンが含まれ得るが、これらに限定されるものではない。Ｏリング１８３は、水制御膜１８１とハウジング１５１の下壁１５５との間に配置され得る。
【0093】
電解ガス発生装置１１は、ガス拡散層１９１をさらに備え得る。ガス拡散層１９１は、炭素紙又は類似の材料で作製することができ、水制御膜１８２とカソード集電体アセンブリ２１との間に配置することができる。ガスケット１９３は、ゴム又は軟質プラスチックなどの可撓性でコンプライアントな非多孔質材料で作製され得る。ガスケット１９３は、ガス拡散層１９１の周囲を取り囲み、ガス拡散層１９１を流体的に封止し、電気的に絶縁することができる。
【0094】
使用中、電解ガス発生装置１１は、水が存在する環境（ヒト又は非ヒト動物の体内の適切な場所などであるが、これに限定されない）に配置することができ、導電性リード４５及び９５は、バッテリ又は類似の電流源（これもヒト又は非ヒト動物の体内に存在し得るが、そうである必要はない）に結合され得る。水は開口部１５９を通ってハウジングに進入することができ、そのような水が液体の形態にある限り、そのような水は水蒸気として水制御膜１８１及び１８２を通過することができる。水蒸気は、次にガス拡散層１９１を通過し、次に細孔１００（及び入口９９）を通過し、次に膜電極アセンブリ１３に到達することができ、すると水蒸気は電気分解されて、アノード電極触媒層２５で酸素ガスを生成し、カソード電極触媒層２７で水素ガスを生成し得る。アノード電極触媒層２５で生成された酸素ガスは、アノード支持体１５を通過し、次いで入口４９を通ってアノード集電体４１の内側空間５９に進入し得る。酸素ガスは、次に出口６３を通って内側空間５９から出て、管４３を使用して案内され得る。これにより、例えば、管４３の遠位端が、インプラントされた細胞カプセルなどに結合されている場合、酸素ガスが細胞カプセルに供給され得る。カソード電極触媒層２７で生成された水素ガスは、カソード支持体１７を通過し、次いで入口９９を通ってカソード集電体９１の内側空間１０９に進入することができる（いくらかの水素ガスが、カソード集電体９１の厚さを完全に通過し得る限り、細孔１００を介するか、入口９９を介するか、又はそれらの双方を介するかは、重要ではない）。水素ガスは、次に、出口１１３を通ってカソード集電体９１の内側空間１０９から出て、管９３を使用して案内され得る。管９３の遠位端は、水素ガスが息の吐き出し中に放出され得るようにネイティブな脈管構造の近くに配置されてもよいし、又は２０１８年１１月８日に公開された発明者Ｆｅｒｒａｎｔｅらの米国特許出願公開第２０１８／０３１８５６６Ａ１号及び２０１８年５月１７日に公開された発明者Ｆｅｒｒａｎｔｅらの米国特許出願公開第２０１８／０１３３３８３Ａ１号に開示されている種類のガス拡散装置に結合されてもよく、水素は上記特許文献の教示に従って放出され得る。上記特許文献は双方とも、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【0095】
理解できるように、電解ガス発生装置１１の１つの利点は、従来のガス発生装置と比較して、その薄型設計にあり、これは、一つには、発生したガスが軸方向に導出されるのではなく半径方向に導出され得ることに起因し、一つには、リード線を結合するため、及びガスを案内するための別個の構成要素が排除され得ることに起因する。また、電解ガス発生装置１１は、発生したガスを運ぶための複雑なマニホールドシステムを必要としない。さらに、電解ガス発生装置１１は、その集電体に導電性リードの容易な結合を可能にする。
【0096】
ここで図１３（ａ）及び図１３（ｂ）を参照すると、アノード集電体４１とは別のアノード集電体の実施形態の様々な図が示されている。別のアノード集電体は、本発明の教示に従って構築されており、全体を符号２０１によって表されている。
【0097】
アノード集電体２０１は、多くの点でアノード集電体４１と類似し得る。アノード集電体２０１とアノード集電体４１との相違の１つは、アノード集電体４１が第１の延長部５３を備えることができるのに対して、アノード集電体２０１は、代わりに第１の延長部２０３を備えることができることであり得る。第１の延長部２０３は、多くの点で第１の延長部５３と類似し得る。しかしながら、第１の延長部２０３と第１の延長部５３との相違の１つは、第１の延長部２０３が近位部分２０７に凹部２０５を備えることができることであり得る。凹部２０５は、導電性リード又はワイヤの一端を受け入れ、導電性リード又はワイヤの近位部分２０７へのはんだ付け又は他の固定を容易にするために用いられ得る。第１の延長部２０３と第１の延長部５３との間の別の相違は、第１の延長部５３が、均一の形状で且つ出口６３で終了し得る遠位部分５７を備えることができるのに対して、第１の延長部２０３は、その遠位端２１３から近位方向にわずかな距離離隔された円盤状部分２１１を含み得る遠位部分２０９を備えることができ、遠位端２１３は開放されていても閉鎖されていてもよいことであり得る。円盤状部分２１１は、上方に向いた出口２１５を含むような形状に形成することができ、出口２１５は、入口２１９から通じている内側空間２１７と流体連通することができる。したがって、出口２１５のまわりの円盤状部分２１１上には、Ｏリング（図示せず）又は他の類似の封止装置を取り付けてもよく、そのような封止装置は、圧縮の影響を受けて、管継手又はマニホールド（いずれも図示せず）などの隣接する流体要素への流体連通に対する封止をもたらすことができる。これに代わって、ガス透過性が非常に限られているか、又はガス透過性が全くない、一定長さのＬ字状の管などの一定長さの管（図示せず）を、相補的な出口２１５に挿入するか、又は当該遠位端２１３が開放している場合には遠位端２１３上に同軸的に取り付けてもよい。
【0098】
アノード集電体４１と同様に、アノード集電体２０１は、２つの部材を共に接合することによって形成され得る。ここで図１４及び１５を参照すると、アノード集電体２０１を形成するために用いることができる下部部材２２１の上面図及び上部部材２２３の下面図がそれぞれ示されている。
【0099】
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）を参照すると、カソード集電体９１とは別のカソード集電体の実施形態の様々な図が示されている。別のカソード集電体は、本発明の教示に従って構築されており、全体を符号２５１によって表されている。
【0100】
カソード集電体２５１は、多くの点でカソード集電体９１と類似し得る。カソード集電体２５１とカソード集電体９１との間の相違の１つは、カソード集電体９１が第１の延長部１０３を備えることができるのに対して、カソード集電体２５１は代わりに第１の延長部２５３を備えることができることであり得る。第１の延長部２５３は、多くの点で第１の延長部１０３と類似し得る。しかしながら、第１の延長部２５３と第１の延長部１０３との間の相違の１つは、第１の延長部２５３が近位部分２５７に凹部２５５を備えることができることであり得る。凹部２５５は、導電性リード又はワイヤの一端を受け入れ、導電性リード又はワイヤの近位部分２５７へのはんだ付け又は他の固定を容易にするために用いられ得る。第１の延長部２５３と第１の延長部１０３との間の別の相違は、第１の延長部１０３が、均一の形状で且つ出口１１３で終了し得る遠位部分１０７を備えることができるのに対して、第１の延長部２５３は、その遠位端２６３から近位方向にわずかな距離離隔された円盤状部分２６１を含み得る遠位部分２５９を備えることができ、遠位端２６３は開放されていても閉鎖されていてもよいことである。円盤状部分２６１は、上方に向いた出口２６５を含むような形状に形成することができ、出口２６５は、入口２６９から通じている内側空間２６７と流体連通することができる。したがって、出口２６５のまわりの円盤状部分２６１上にはＯリング（図示せず）又は他の類似の封止装置を取り付けてもよく、そのような封止装置は、圧縮の影響を受けて、管継手又はマニホールド（いずれも図示せず）などの隣接する流体要素への流体連通に対する封止をもたらすことができる。これに代わって、ガス透過性が非常に限られているか、又はガス透過性が全くない、一定長さのＬ字状の管などの一定長さの管（図示せず）を、相補的な出口２６５に挿入するか、又は当該遠位端２６３が開放している場合には遠位端２６３上に同軸的に取り付けてもよい。
【0101】
カソード集電体９１と同様に、カソード集電体２５１は、２つの部材を共に接合することによって形成され得る。ここで図１７及び図１８を参照すると、カソード集電体２５１を形成するために用いることができる下部部材２７１の上面図及び上部部材２７３の下面図がそれぞれ示されている。
【0102】
図１９～図２１を参照すると、電解ガス発生装置の第２の実施形態の様々な図が示されている。電解ガス発生装置は、本発明の教示に従って構築されており、全体を符号３１１によって表されている。本出願の他の場所で議論されているか、又は本発明の理解に重要ではない電解ガス発生装置３１１の詳細は、図１９～図２１の１つ以上、若しくは本明細書の付随する説明から省略される場合もあるし、又は簡略化された形で、図１９～図２１の１つ以上に示されたり、かつ／若しくは本明細書に記載されたりする場合もある。例えば、図１９～図２１には、アノード集電体及びカソード集電体からガスを案内するための一定長さの管は示されておらず、電解ガス発生装置３１１を動作させるために用いられる導電性リード及び電流源も示されていない。
【0103】
電解ガス発生装置３１１は、水電解槽の形態であってもよく、特に、インプラント可能な水電解槽の形態であってもよい。電解ガス発生装置３１１は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）３１３を備え得る。
【0104】
膜電極アセンブリ３１３は、電解ガス発生装置１１の膜電極アセンブリ１３と同一であってよく、ポリマー電解質膜３２３と、ポリマー電解質膜３２３の一方の面上のアノード電極触媒層３２５と、ポリマー電解質膜３２３の反対側の面上のカソード電極触媒層（図示せず）とを備え得る。本実施形態では、上又は下から見た場合、ポリマー電解質膜３２３は、略円形を有し得る。また、電解ガス発生装置３１１の全体形状は、上又は下から見た場合、ポリマー電解質膜３２３の形状に略一致し得る。しかしながら、ポリマー電解質膜３２３及び電解ガス発生装置３１１は、全体として、略円形に限定されるものではなく、略矩形又は他の適切な形状を有してもよいことが理解されるべきである。
【0105】
電解ガス発生装置３１１はまた、膜電極アセンブリ３１３の真上に膜電極アセンブリ３１３と接触して配置され得るアノード支持アセンブリ３３１も備え得る。図２２及び図２３にも個別に示したアノード支持アセンブリ３３１は、アノード支持ガスケット３３３及びアノード支持体３３５を備え得る。アノード支持ガスケット３３３は、電解ガス発生装置１１の支持ガスケット２９と類似の構成であってよく、支持ガスケット２９の形状と概ね類似する環形を有し得る。アノード支持体３３５は、電解ガス発生装置１１のアノード支持体１５と類似の構成であってよいが、アノード支持ガスケット３３３の下に配置される下側部分３３７と、アノード支持ガスケット３３３の上に配置される上側部分３３９と、支持ガスケット２９の開口を通って延在する中間部分３４１とを含むボタン形状を有し得る。ゴム又は軟質プラスチックなどの可撓性でコンプライアントな非多孔質材料から構成されたガスケット３４３は、アノード支持体３３５の周囲を取り囲み、アノード支持体３３５を流体的に封止し、電気的に絶縁することができる。ガスケット３４３は、膜電極アセンブリ３１３の外径と略一致する外径を有するような寸法に形成され得る。
【0106】
電解ガス発生装置３１１はまた、膜電極アセンブリ３１３の真下に膜電極アセンブリ３１３と接触して配置され得るカソード支持体３４５も備え得る。カソード支持体３４５は、電解ガス発生装置１１のカソード支持体１７と類似し得る。電解ガス発生装置１１の支持ガスケット３１と類似し得る支持ガスケット３４７は、カソード支持体３４５の周囲を取り囲み、カソード支持体３４５を流体的に封止し、電気的に絶縁し得る。
【0107】
電解ガス発生装置３１１は、アノード集電体アセンブリ３５１をさらに備え得る。図２４、図２５、図２６（ａ）及び図２６（ｂ）にも個別に示したアノード集電体アセンブリ３５１は、アノード支持体３３５及びガスケット３４３の上に直接接触して配置され得る。以下でさらに議論するように、アノード集電体アセンブリ３５１は、３つの異なる機能を果たすように、すなわち、（１）アノード支持体３３５から、アノード集電体アセンブリ３５１の構成要素に（例えば、はんだ付けにより）導電的に取り付けられた電気導電性リードに電流を伝導し、（２）アノード電極触媒層３２５で発生し、アノード支持体３３５を通過するガス（例えば、Ｏ２）をアノード集電体３５１に結合され得る一定長さの管に沿って案内し、（３）膜電極アセンブリ３１３のアノード側のガス圧が大きくなりすぎると、電解ガス発生装置３１１の電気分解機能を低下させるか、又は完全に停止させるように構築され得る。
【0108】
本実施形態では、アノード集電体アセンブリ３５１は、アノード集電体３５３、ダイアフラム３５５、及びフレーム３５７を備え得る。ダイアフラム３５５は、集電体３５３とフレーム３５７との間に直接積み重ねられる。図２７（ａ）～図２７（ｃ）にも個別に示したアノード集電体３５３は、開口３６３の周囲を囲む環状部分３６１を含むような形状に形成され得る。環状部分３６１は、ガスケット３４３の外径と略一致する外径を有するような寸法に形成され得る。環状部分３６１は、環状部分３６１の下面に設けられた環状溝３６５を含むような形状に形成され得、さらに環状溝内３６５内に配置された入口３６７を含むような形状に形成され得る。以下でさらに議論するように、入口３６７は、電解ガス発生装置３１１のアノードで発生したガス（例えば、Ｏ２）を受け入れるために用いられ得る。
【0109】
アノード集電体３５３は、さらに第１の延長部３６９を含むような形状に形成され得る。第１の延長部３６９は、一定距離にわたって環状部分３６１から半径方向外方に延在し得る。これにより、以下で明らかとなる目的のために、一定長さの流体案内管を第１の延長部３６９上に同軸的に取り付けることができる。加えて、バッテリ又は他の適切な電流源に電気的に結合され得る導電性リードを第１の延長部３６９に取り付けることができる。換言すると、第１の延長部３６９は、流体案内管を受け入れるための継手と、導電性リードのための接触面との双方として機能し得る。必要に応じて、流体案内管及び導電性リードを、第１の延長部３６９の異なる部分に取り付けてもよい。第１の延長部３６９は、その長さに沿って均一な幅を有するものとして本実施形態に示されているが、第１の延長部３６９は、電解ガス発生装置１１の第１の延長部５３のような形状に形成することもできる。
【0110】
内側空間３７１がアノード集電体３５３内に設けられ、入口３６７から第１の延長部３６９の遠位端３７３まで連続的に延在することができ、内側空間３７１は、遠位端３７３で出口３７５において終了する。これにより、以下でさらに説明するように、電解ガス発生装置３１１のアノードで発生する酸素などのガスは、入口３６７を通ってアノード集電体３５３に進入し、内側空間３７１を通って移動し、出口３７５から出ることができる。
【0111】
本実施形態では、アノード集電体３５３は、上部部材３８１と下部部材３８３との接合によって形成され得る。上部部材３８１と下部部材３８３とは、略一致する輪郭を有する（しかし、代わりに、アノード集電体３５３を単一の材料片から作ることも可能である）。図２８にも個別に示した上部部材３８１は、凹部３８７を有する下面３８５を含むような形状に形成され得る。図２９（ａ）及び図２９（ｂ）にも個別に示した下部部材３８３は、貫通孔３９１を含むような形状に形成され得る。これにより、整合された上部部材３８１の凹部３８７と下部部材３８３の貫通孔３９１とが、入口３６７を共に画定することができる。上部部材３８１の下面３８５は、さらに、凹部３８７からタブ３９７の遠位端３９５まで延在する径方向溝又は径方向凹部３９３を含むような形状に形成され得る。下部部材３８３の上面３９９は、貫通孔３９１からタブ４０５の遠位端４０３まで延在する径方向溝４０１を含むような形状に形成され得る。これにより、上部部材３８１の溝３９３と下部部材３８３の溝４０１とが、内側空間３７１を共に画定することができる。本実施形態では、上部部材３８１は溝３９３を含み、下部部材３８３は溝４０１を含むが、上部部材３８１及び下部部材３８３のうちの一方のみにおける溝によって内側空間３７１を形成することもできる。
【0112】
本実施形態では、上部部材３８１及び下部部材３８３のそれぞれを硬質の電気伝導性プレートとすることができる。上部部材３８１及び／又は下部部材３８３としての使用に適した材料の例には、チタン、ニオブ、及びジルコニウムなどの様々な導電性かつ耐食性の金属が含まれ得る。他の例には、電気伝導性ポリマー又は電気伝導性粒子を分散させたポリマーが含まれ得る。上部部材３８１及び下部部材３８３がチタン又は類似の導電性かつ耐食性の材料で形成されている場合、上部部材３８１及び下部部材３８３は、拡散接合又は他の任意の適切な技術によって接合され得る。さらに、上部部材３８１及び下部部材３８３がチタン又は類似の材料で形成される場合、凹部３８７、貫通孔３９１、溝３９３及び４０１は、エッチング（例えば、フォトエッチング、化学エッチング）又は他の任意の適切な技術によって形成され得る。好ましくは、上部部材３８１及び下部部材３８３のそれぞれは、非多孔性かつ実質的にガス不透過性である材料で作製されている。これにより、アノード集電体３５３を通って案内される実質的にすべてのガスは、入口３６７を通って進入し、内側空間３７１を通って移動し、出口３７５を通って出ることができる。
【0113】
上部部材３８１及び下部部材３８３の双方が電気伝導性であってもよいが、下部部材３８３を電気伝導性材料から作製し、上部部材３８１を非電気伝導性材料から作製することもできる。しかしながら、そのような場合には、導電性リードは、下部部材３８３に取り付けられなければならない。
【0114】
ダイアフラム３５５は、（例えば、ガス圧を受けたときに）略平面状態から膨らんだ状態又は膨張状態に可逆的に変形することができる連続したフィルム又はシートの形態にある電気伝導性で可撓性の単一構造体とすることができる。ダイアフラム３５５は、その周囲がアノード集電体３５３の環状部分３６１の外周と略一致するような寸法に形成され得る。
【0115】
本実施形態では、以下に具体的に規定されている範囲を除いて、ダイアフラム３５５は非多孔性である。さらに、本実施形態では、ダイアフラム３５５は、好ましくは弾性であるが、弾性である必要はない。一実施形態によれば、ダイアフラム３５５はまた、実質的にガス不透過性であってもよい。これに代わって、別の実施形態によれば、ダイアフラム３５５は、ガス透過性であってもよい。ダイアフラム３５５としての使用に適し得る材料の例には、金属（例えば、銀）又は他の電気伝導性粒子が内部に分散された非多孔質シリコーンフィルム又はシート、Ｃｈｏ－Ｓｅａｌ １２１５エラストマー（シリコーンバインダー中の銀メッキされた銅フィルムで作製された導電性材料、マサチューセッツ州ウォブムのＰａｒｋｅｒ Ｃｈｏｍｅｒｉｃｓの製品）、２０１７年３月１４日に発行され、参照により全体として本明細書に組み込まれる、発明者Ｍｉｔｔｅｌｓｔｅａｄｔらの米国特許第９，５９５，７２７Ｂ２号に開示されている種類の、非多孔質の、電気伝導性で、液体透過性であり、実質的にガス不透過性の膜が含まれるが、これらに限定されるものではない。
【0116】
より具体的には、前述の特許（以下「‘７２７特許」と記載）によれば、そのような非多孔質の、電気伝導性で、液体透過性であり、実質的にガス不透過性の膜は、例えば、電気伝導性材料が内部に分散された固体ポリマー電解質を含み得る。固体ポリマー電解質としての使用に適した材料の例には、（ｉ）金属塩を含有するポリマー組成物、（ｉｉ）電解質を含有するポリマーゲル、及び（ｉｉｉ）イオン交換樹脂が含まれ得る。より具体的には、固体ポリマー電解質は、例えば、カチオン交換基を－ＳＯ３
－、－ＳＯ２ＮＨ＋、－ＰＯ３
２－、又は－ＣＯ２
－とすることができるが、これらに限定されないカチオン交換アイオノマー膜であってもよいし、又は例えば、アニオン交換基を－ＮＨ２
＋とすることができるが、これに限定されないアニオン交換アイオノマー膜であってもよい。固体ポリマー電解質として用いるための好ましい材料は、Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ ＦＣ，ＬＬＣ（ノースカロライナ州ファイエットビル）によってＮＡＦＩＯＮ（商標）押出キャストＰＦＳＡポリマー膜として製造されているようなパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）膜であることがある。ＮＡＦＩＯＮ（商標）ＰＦＳＡの代わりに使用できる他の材料の例は、２０１１年５月２４日に発行された発明者Ｍｉｔｔｅｌｓｔｅａｄｔらの米国特許第７，９４７，４０５Ｂ２号に開示されており、この特許文献は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【0117】
上記の膜の分散された電気伝導性材料としての使用に適し得る材料の例には、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、金属ナノワイヤー又はそれらの組み合わせなどの、アスペクト比が高く電気伝導性の非粒子材料が含まれ得る。膜での使用に適し得るカーボンナノチューブは、約０．２０ｎｍ～約１００ｎｍの直径を有し、約０．５０μｍ～約２００μｍの長さを有し、約５～約１，０００，０００の範囲にあるアスペクト比（すなわち、長さ／直径）を有し得る。加えて、膜での使用に適し得るカーボンナノチューブは、官能化されていなくてもよいし、又は－ＣＯＯＨ、－ＰＯ４
－、－ＳＯ３Ｈ、－ＳＨ、－ＮＨ２、第三級アミン、第四級アミン、－ＣＨＯ、－ＯＨ、－ＮＯ２、及び－ＰＯ３
２－などの、しかしこれらに限定されない１つ以上の官能基を含んでいてもよい。また、膜での使用に適し得るカーボンナノチューブには、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はそれらの組み合わせが含まれ得る。
【0118】
膜での使用に適し得るカーボンナノファイバーは、官能化されていなくてもよいし、又は－ＣＯＯＨ、－ＰＯ４
－、－ＳＯ３Ｈ、－ＳＨ、－ＮＨ２、第三級アミン、第四級アミン、－ＣＨＯ、－ＯＨ、－ＮＯ２、及び－ＰＯ３
２－などの、しかしこれらに限定されない１つ以上の官能基を含んでいてもよい。分散された非粒子状の電気伝導性材料を含むことに加えて、又はそのような材料の代わりに、膜は、カーボンブラック、金属粒子（例えば、ニオブ粒子、プラチナ粒子、チタン粒子、又はそれらの組み合わせ）、担持金属粒子、又はそれらの組み合わせなどの分散された電気伝導性の耐食性粒子を含んでいてもよい。
【0119】
上述した膜は、アイオノマーが懸濁液の形態にある間に、アイオノマーに電気伝導性の耐食性材料を添加し、次いで懸濁液を乾燥させることによって調製することができる。
【0120】
ダイアフラム３５５は、その周囲に近接する貫通孔４０７を備え得る。以下でさらに説明するように、貫通孔４０７は、酸素などのアノードで発生したガスがダイアフラム３５５を上方に通過するのを可能にし、それによりガスはアノード集電体３５３の入口３６７に進入することができる。この目的のために、貫通孔４０７は、好ましくは、アノード集電体３５３の環状溝３６５と整合される。
【0121】
図３０にも個別に示したフレーム３５７は、適切なプラスチックなどの硬質の非電気伝導性材料で作製された環状構造体とすることができる。フレーム３５７は、好ましくは、アノード集電体３５３の内径及び外径と略一致する内径及び外径を有し、好ましくは、アノード集電体３５３の開口３６３の直径と略一致する開口４１０を有する。フレーム３５７の上面４１３上には環状溝４１１を形成することができ、環状溝４１１内には貫通孔４１５が配置され得る。フレーム３５７の環状溝４１１は、好ましくは、ダイアフラム３５５の貫通孔４０７と整合される。これにより、アノードで発生したガスは、貫通孔４１５を介してフレーム３５７を上方に通過することができる。次に、そのようなガスは、ダイアフラム３５５の貫通孔４０７に到達するまで、フレーム３５７の環状溝４１１の周りを移動することによって、ダイアフラム３５５を通過することができる。貫通孔４０７を移動した後、そのようなガスは、次に、入口３６７に到達するまで、アノード集電体３５３の環状溝３６５の周りを移動することができる（ダイアフラム３５５がフレーム３５７の開口４１０を完全に覆うため、ガスがフレーム３５７からアノード集電体３５３まで取ることができる唯一の経路は、開口４１０に対して半径方向外方に位置するダイアフラム３５５の貫通孔４０７を通過することによるものである）。
【0122】
例えば、炭素繊維紙などであってよいスペーサ４２１は、フレーム３５７の貫通孔４１５の近くの（しかし貫通孔４１５を覆わない）位置で、フレーム３５７とガスケット３４３との間に配置されて、アノードで発生したガスが貫通孔４１５に到達できるようにすることができる。
【0123】
アノード支持体３３５は、好ましくは、ダイアフラムが平面状態にあるときにダイアフラム３５５と接触するように、フレーム３５７の開口４１０を通って延在するような寸法に形成されている。ダイアフラム３５５が、アノード支持体３３５とアノード集電体３５３との間の唯一の電気的接続を提供するため、ダイアフラム３５５を用いて、電解ガス発生装置３１１の動作を調節することができる。より具体的には、ダイアフラム３５５が平面状態にあるとき、電解ガス発生装置３１１は、閉電気回路を形成し、電気分解のための動作（すなわち「オン」）状態にある。水が電気分解されている場合、アノードでは酸素ガスが発生し、カソードでは水素ガスが発生する。このように発生した酸素ガスは、次に、出口３７５を通って電解ガス発生装置３１１を出ることができる。酸素ガスが電解ガス発生装置３１１を出ることができる速度が、電解ガス発生装置３１１によって酸素ガスが発生する速度を上回るか、又はそのような速度とほぼ等しい場合には、アノード支持体３３５とダイアフラム３５５との間に蓄積する酸素ガスは、あるとしてもごくわずかである可能性があり、ダイアフラム３５５に加えられる上向きのガス圧は、ダイアフラム３５５に加えられる下向きの機械的圧力よりも小さくなり得る。結果として、ダイアフラム３５５とアノード支持体３３５との間の電気的接触を維持することができ、ガスの発生が継続され得る。
【0124】
一方で、酸素ガスが電解ガス発生装置３１１を出ることができる速度が、電解ガス発生装置３１１によって酸素ガスが発生する速度を下回る場合には、酸素ガスは、アノード支持体３３５とダイアフラム３５５との間に蓄積する可能性があり、最終的には、ダイアフラム３５５に加えられる上向きのガス圧は、ダイアフラム３５５に加えられる下向きの機械的圧力よりも大きくなり得る。結果として、ダイアフラム３５５は、アノード集電体３５３の開口３６３を通ってアノード支持体３３５から離れるように屈曲又は膨張し、それにより、アノード支持体３３５とダイアフラム３５５との間の電気的接触が遮断されるか、又は減少させられ得る。結果として、電解ガス発生装置３１１は、この装置の水の電気分解を低減するか、又はこの装置の水の電気分解を完全に停止させることができる。その後、アノード支持体３３５とダイアフラムとの間に蓄積した酸素ガスの少なくとも一部は、ダイアフラム３５５がアノード支持体３３５と接触した状態に戻るのに十分なほどアノード支持体３３５とダイアフラム３５５との間のガス圧が低下するまで、出口３７５を通って電解ガス発生装置３１１から出ることができ、それにより電気分解を再開させたり、又は全能力に戻したりすることができる。
【0125】
理解できるように、前述のシナリオは、電解ガス発生装置３１１によって生成された酸素が、管によって、インプラントされた細胞及び／又は組織を保持する密閉容器へ案内される細胞移植システムの状況において行われ得る。インプラントされた細胞及び／又は組織が、細胞及び／又は組織に送達される酸素を、発生した酸素が送達される速度を超えるか、又はそのような速度に略等しい速度で消費できない場合、又は出口３７５の下流に流れるのに何らかの制限がある場合には、酸素が上述したように電解ガス発生装置３１１内に蓄積する可能性がある。電解ガス発生装置３１１内に蓄積する酸素の量が、所定の閾値を超える圧力を生じるのに十分である場合には、電解ガス発生装置３１１は、酸素の発生を停止するか、又は酸素の産出量を低下させる。これにより、電解ガス発生装置３１１は、自己調節式であると見なすことができる。理解できるように、そのような自己調節式電解ガス発生装置は、少なくとも装置が外部センサ又はフィードバック機構を必要としないという理由で有利である。この種類の自己調節式動作に関するさらなる情報は、２０１８年５月１７日に公開され、参照により全体として本明細書に組み込まれる、発明者Ｓｔｏｎｅらの米国特許出願公開第ＵＳ２０１８／０１３５９４８Ａ１号に見られる。
【0126】
電解ガス発生装置３１１は、弾性圧縮可能部材４３１をさらに備え得る。弾性圧縮可能部材４３１は、ダイアフラム３５５とアノード支持体３３５との間のガス圧が特定の閾値ガス圧を超えたときには、ダイアフラム３５５がアノード支持体３３５との接触から離れるようにアノード支持体３３５から上方に変形又は膨張できるようにし、ダイアフラム３５５とアノード支持体３３５との間のガス圧が特定の閾値ガス圧未満に低下したときには、ダイアフラム３５５をアノード支持体３３５と接触した状態に戻るように平坦化させるか若しくは下方に収縮させるか、又はそのように付勢するように設計された構造体とすることができる。弾性圧縮可能部材４３１がダイアフラム３５５をアノード支持体３３５から離れるように屈曲できるようにし得る閾値ガス圧力と、弾性圧縮可能部材４３１がダイアフラム３５５をアノード支持体３３５と接触した状態に戻るように屈曲させ得る閾値ガス圧力とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。場合によっては、弾性圧縮可能部材４３１がダイアフラム３５５をアノード支持体３３５から離れるように屈曲させる閾値ガス圧力が、弾性圧縮可能部材４３１がダイアフラム３５５をアノード支持体３３５と接触した状態に戻るように屈曲させる閾値ガス圧力よりも有意に大きいことが有利であることがある。したがって、そのような場合には、電解ガス発生装置３１１の動作がいったん停止すると、ダイアフラム３５５とアノード支持体３３５との間のガス圧が有意に低下するまで、電解ガス発生装置３１１は再開しないであろう。これにより、電解ガス発生装置３１１が、その動作状態とオフ状態との間での、望ましくない繰り返しの切り替わり（ｓｔｕｔｔｅｒｉｎｇ ｂａｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｔｈ）を防ぐことができる。
【0127】
本実施形態では、弾性圧縮可能部材４３１は、発泡体などの電気絶縁材料のブロック又は円盤を備え得る。そのような発泡体は、独立気泡発泡体であってよいし、連続気泡発泡体であってもよい。適切な発泡体の例には、ポリウレタン発泡体、及び連続気泡シリコーンゴム発泡体などのシリコーンゴム発泡体が含まれ得るが、これらに限定されるものではない。本実施形態では、弾性圧縮可能部材４３１は発泡体のブロックとすることができるが、弾性圧縮可能部材４３１は、それに限定されるものではなく、コイルばね、皿ばね、密閉型ガスポケット、外部から参照可能なガス充填ポートを備えたガスポケット、又はこれらの組み合わせなどの、しかしこれらに限定されない任意の種類の弾性圧縮性構造体であってもよい。
【0128】
電解ガス発生装置３１１は、封止スペーサ４３３をさらに備え得る。封止スペーサ４３３は、凹状中央部分を有した可撓性部材とすることができ、弾性圧縮可能部材４３１とアノード集電体３５３との間に配置され得る。封止スペーサ４３３は、アノード集電体３５３とハウジングとの間に必要とされ得る付加的な空間を補うために用いることができる。これは、例えば、弾性圧縮可能部材４３１が予想よりも厚く、ハウジング内に追加の空間を作る必要がある場合に当てはまる可能性がある。
【0129】
電解ガス発生装置３１１は、カソード集電体４４１をさらに備え得る。図３１（ａ）及び図３１（ｂ）に個別に示したカソード集電体４４１は、電解ガス発生装置１１のカソード集電体９１と多くの点で類似し得る。カソード集電体４４１とカソード集電体９１との相違の１つは、カソード集電体９１が、比較的幅の広い近位部分１０５及び比較的幅の狭い遠位部分１０７を有する第１の延長部１０３を含むことができるのに対して、カソード集電体４４１は、略均一な幅を有する第１の延長部４４３を含むことができることであり得る。カソード集電体４４１とカソード集電体９１との間の別の相違は、カソード集電体９１が第２の延長部１１５を有することができるのに対し、カソード集電体４４１は第２の延長部を省略してもよいことであり得る。カソード集電体４４１とカソード集電体９１との間のさらに別の相違は、カソード集電体９１がより大きな直径の中央貫通孔９９とより小さな直径の多数の細孔１００とを有することができるのに対し、カソード集電体４４１は、中央貫通孔４４５と少数の細孔４４７とを備えることができ、貫通孔４４５及び細孔４４７は略同じ直径を有することができることであり得る。
【0130】
カソード集電体９１に類似して、カソード集電体４４１は、延長部４４３の遠位端において出口４４９を有し、貫通孔４４５から出口４４９まで延在する内側空間４５１を有し得る。カソード集電体４４１は、カソード集電体９１に類似して機能し得る。この目的のために、カソード集電体４４１は、好ましくは、カソード集電体４４１を通って案内される実質的にすべてのガスが入口４４５を通って進入し、内側空間４５１を通って移動し、出口４４９を通って出ることができるように、十分に非多孔性でガス不透過性である材料で作製されている。
【0131】
電解ガス発生装置３１１は、ハウジングベース４５１及びハウジングカバー４５３をさらに備えることができ、ハウジングベース４５１とハウジングカバー４５３とが、電解ガス発生装置３１１の他の構成要素の多くを保持するために用いられ得るハウジングを共に画定する。硬質で耐久性のある非電気伝導性材料で作製された単一構造とすることができるハウジングベース４５１は、下壁４５５、側壁４５７、及び開放した上部を含むような形状に形成され得る。下壁４５５は、液体の水などの流体がハウジングの内部に進入することができるように設計された１つ以上の開口部４５９を含むような形状に形成され得る。側壁４５７は、延長部３６９及び４４３が通過できるように設計された第１の開口部４６１を含むような形状に形成され得る。硬質で耐久性のある非電気伝導性材料で作製された単一構造とすることができるハウジングカバー４５３は、上部部分４６５及び下部部分４６７を含むような形状に形成され得る。複数の貫通孔４６８は、上部部分４６５及び下部部分４６７を通って延在することができる。貫通孔４６８は、外部（すなわち、ハウジングに対する）周囲圧力を電解ガス発生装置３１１の基準圧力として利用できるようにするために用いられ得る。換言すると、電解ガス発生装置３１１が体内にインプラントされる場合には、身体の圧力は、ダイアフラム３５５を押し付ける基準圧力として利用されるであろう。上部部分４６５は、ハウジングベース４５１のフットプリントに略一致するような形状に形成され、側壁４５７の上面の上に直接着座するように設計された下面を有し得る。下部部分４６７は、ハウジングベース４５１の内径に略一致するフットプリントを有するような形状に形成され、ハウジング内に積み重ねられた構成要素を圧縮するのを助けるために用いられ得る。これにより、ハウジングベース４５１及びハウジングカバー４５３は、電解ガス発生装置３１１の構成要素のためのハウジングを提供するように機能するだけでなく、エンドプレートとしても機能する。
【0132】
電解ガス発生装置３１１は、水制御膜４８１及び４８２をさらに備え得る。水制御膜４８１及び４８２は、カソード集電体アセンブリ４４１とハウジングベース４５１の下壁４５５との間に配置され得る。本実施形態では、水制御膜４８１は、安定で首尾一貫した水蒸気源を促進するために生物付着を防止する生体適合性膜とすることができる。水制御膜４８１としての使用に適し得る材料の例は、少なくともいくつかの細孔が直径３μｍ以上であり、好ましい厚さ範囲が３０～５０μｍである延伸ＰＴＦＥである。水制御膜４８２は、蒸気輸送膜の形態であってもよい。水制御膜４８２としての使用に適した材料の例には、ＺＩＴＥＸ（登録商標）多孔質ポリテトラフルオロエチレン、ＧＯＲＥ－ＴＥＸ（登録商標）延伸ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンゴム、ＰＴＦＥ、及びＴＥＦＬＯＮ（登録商標）ポリテトラフルオロエチレンが含まれ得るが、これらに限定されるものではない。
【0133】
電解ガス発生装置３１１は、上述した方法で用いることができる。
【0134】
上記の本発明の実施形態は、単に例示であることが意図されており、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、本発明の実施形態に多くの変形及び修正をなすことができるものとする。そのようなすべての変形及び修正は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内にあることが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4(a)】
【図4(b)】
【図5(a)】
【図5(b)】
【図6(a)】
【図6(b)】
【図7】
【図8】
【図9(a)】
【図9(b)】
【図10(a)】
【図10(b)】
【図11】
【図12】
【図13(a)】
【図13(b)】
【図14】
【図15】
【図16(a)】
【図16(b)】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26(a)】
【図26(b)】
【図27(a)】
【図27(b)】
【図27(c)】
【図28】
【図29(a)】
【図29(b)】
【図30】
【図31(a)】
【図31(b)】