(57)【要約】  自己調節式電解ガス発生器、およびこれを含むインプラントシステム。一実施形態では、電解ガス発生器は水電解槽であり、片面にアノード、他面にカソードを有する高分子電解質膜を含む。アノードシールおよびカソードシールは、アノードおよびカソードの周囲を包囲し、水の入口ならびに酸素および水素のそれぞれの出口を含む。カソード集電体はカソードと接触して配置され、弾性の導電性ダイヤフラムであってもよいアノード集電体は、アノードに近接して配置される。アノード集電体は、アノードと直接物理的および電気的に接触する第１状態と、アノードと物理的にも電気的にも接触せずに電気分解を停止するように、アノードで発生したガス圧によって膨張している第２状態との間で、可逆的に変形可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第１のガスを発生させるために反応物を電気分解する電解ガス発生器であって、前記電解ガス発生器は、
（ａ）対向する第１および第２の面を有する、高分子電解質膜と、
（ｂ）前記高分子電解質膜の前記第１の面に電気的に結合されている、第１電極と、
（ｃ）前記高分子電解質膜の前記第２の面に電気的に結合されている、第２電極と、
（ｄ）第１集電体であって、導電性であり、前記第１集電体が前記第１電極に電気的に結合されている第１状態と、前記第１集電体が前記第１電極から少なくとも部分的に電気的に切り離されている第２状態との間で可逆的に変形可能である、第１集電体と、
（ｅ）導電性であり、前記第２電極に電気的に結合されている、第２集電体と、
（ｆ）前記第１集電体および前記第２集電体に電気的に結合されている、電源と、
を備え、
（ｇ）これにより、前記第１集電体が前記第１状態にあり、前記反応物が前記電解ガス発生器に供給されているとき、前記第１電極と前記高分子電解質膜との界面において第１のガスが発生する、
電解ガス発生器。
【請求項２】
前記電解ガス発生器は水電解槽である、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項３】
前記第１集電体は、前記第１状態において前記第１電極と直接物理的および電気的に接触しており、前記第２状態において前記第１電極から完全に物理的および電気的に切り離されている、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項４】
前記第１集電体は、前記第１状態において前記第１電極と直接物理的および電気的に接触しており、前記第２状態において前記第１電極から部分的に物理的および電気的に切り離されている、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項５】
前記第１電極はアノードであり、前記第２電極はカソードである、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項６】
前記第１集電体を前記第１状態に向けて付勢するための、前記第１集電体と係合する弾性圧縮可能部材をさらに備える、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項７】
前記弾性圧縮可能部材は発泡体のブロックを備える、請求項６に記載の電解ガス発生器。
【請求項８】
前記発泡体はオープンセル発泡体である、請求項７に記載の電解ガス発生器。
【請求項９】
前記発泡体はクローズドセル発泡体である、請求項７に記載の電解ガス発生器。
【請求項１０】
前記第１集電体は弾性である、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項１１】
前記第１集電体は、非多孔質でガス不透過性の導電性ダイヤフラムを備える、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項１２】
前記第１集電体は、非多孔質でガス透過性の導電性ダイヤフラムを備える、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項１３】
前記第１集電体は、導電性ダイヤフラムおよびリング端子を備える、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項１４】
前記第２集電体は、少なくとも１つの孔を備える、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項１５】
電気分解されるための外部の流体を前記電解ガス発生器内に入れるための第１の流体入口をさらに備える、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項１６】
前記電解ガス発生器から前記電解ガス発生器によって発生された第１のガスを放出するための第１の流体出口をさらに備える、請求項１に記載の電解ガス発生器。
【請求項１７】
酸素ガスおよび水素ガスを発生させるために水を電気分解する電解ガス発生器であって、前記電解ガス発生器は、
（ａ）対向する第１および第２の面を有する、高分子電解質膜と、
（ｂ）前記高分子電解質膜の前記第１の面に電気的に結合されている、第１電極と、
（ｃ）前記高分子電解質膜の前記第２の面に電気的に結合されている、第２電極と、
（ｄ）第１集電体であって、導電性であり、ガス圧を受けると、前記第１集電体が前記第１電極に電気的に結合されている第１状態と、前記第１集電体が前記第１電極から少なくとも部分的に電気的に切り離されている第２状態との間で可逆的に変形可能である、第１集電体と、
（ｅ）導電性であり、前記第２電極に電気的に結合されている、第２集電体と、
（ｆ）前記第１電極の周囲に配置され、前記第１電極で発生した水素および酸素のうちの一方を放出するための流体出口を備える、第１シールと、
（ｇ）前記第２電極の周囲に配置され、前記第２電極で発生した水素および酸素のうちの他方を放出するための流体出口を備える、第２シールと、
（ｈ）第１エンドプレートであって、前記第１集電体が前記第１エンドプレートと前記高分子電解質膜との間に配置されている、第１エンドプレートと、
（ｉ）第２エンドプレートであって、前記第２集電体が前記第２エンドプレートと前記高分子電解質膜との間に配置されている、第２エンドプレートと、
を備え、
（ｊ）前記第１シール、前記第２シール、前記第１エンドプレート、および前記第２エンドプレートのうちの少なくとも１つは外部の水を入れるための少なくとも１つの入口を有し、
（ｋ）前記第１集電体および前記第２集電体に電気的に結合されている、電源をさらに備え、
（ｌ）これにより、前記第１集電体が前記第１状態にあり、水が前記電解ガス発生器に供給されているとき、前記第１電極と前記高分子電解質膜との界面において水素および酸素ガスのうちの一方が発生し、前記第２電極と前記高分子電解質膜との界面において水素および酸素のうちの他方が発生する、
電解ガス発生器。
【請求項１８】
前記第１集電体は、前記第１状態において前記第１電極と直接物理的および電気的に接触しており、前記第２状態において前記第１電極から完全に物理的および電気的に切り離されている、請求項１７に記載の電解ガス発生器。
【請求項１９】
前記第１集電体は、前記第１状態において前記第１電極と直接物理的および電気的に接触しており、前記第２状態において前記第１電極から部分的に物理的および電気的に切り離されている、請求項１７に記載の電解ガス発生器。
【請求項２０】
前記第１電極はアノードであり、前記第２電極はカソードである、請求項１７に記載の電解ガス発生器。
【請求項２１】
前記第１集電体を前記第１状態に向けて付勢するために前記第１エンドプレートと前記第１集電体との間に配置され、前記第１エンドプレートと前記第１集電体とに係合する弾性圧縮可能部材をさらに備える、請求項１７に記載の電解ガス発生器。
【請求項２２】
前記弾性圧縮可能部材は発泡体のブロックを備える、請求項２１に記載の電解ガス発生器。
【請求項２３】
前記第１集電体は、弾性で非多孔質でガス不透過性の導電性ダイヤフラムを備える、請求項２２に記載の電解ガス発生器。
【請求項２４】
前記第１集電体は、弾性で非多孔質でガス透過性の導電性ダイヤフラムを備え、前記発泡体はオープンセル発泡体であり、前記第１エンドプレートは少なくとも１つの孔を備える、請求項２２に記載の電解ガス発生器。
【請求項２５】
前記第１エンドプレートの前記少なくとも１つの孔の中に配置された限外濾過膜をさらに備える、請求項２４に記載の電解ガス発生器。
【請求項２６】
前記第２集電体は少なくとも１つの孔を備え、前記第２エンドプレートは少なくとも１つの孔を備える、請求項１７に記載の電解ガス発生器。
【請求項２７】
前記第２集電体と前記第２エンドプレートとの間に配置された液体透過性でガス不透過性の界面層をさらに備える、請求項２６に記載の電解ガス発生器。
【請求項２８】
前記第１シールおよび前記第２シールのうちの少なくとも１つは、外部の水を入れるための流体入口を有する、請求項１７に記載の電解ガス発生器。
【請求項２９】
（ａ）請求項１に記載の電解ガス発生器と、
（ｂ）移植可能な１つ以上の細胞および／または組織を保持するための容器と、
（ｃ）前記電解ガス発生器によって発生した前記第１のガスを前記容器に導くための第１管材と、
を備えるインプラントシステム。
【請求項３０】
（ａ）請求項１７に記載の電解ガス発生器と、
（ｂ）移植可能な１つ以上の細胞および／または組織を保持するための容器と、
（ｃ）前記電解ガス発生器によって発生した前記水素および酸素のうちの一方を前記容器に導くための第１管材と、
（ｄ）前記電解ガス発生器によって発生した前記水素および酸素のうちの他方を前記容器に導くための第２管材と、
を備えるインプラントシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１１月１５日に出願された、発明者Ｓｉｍｏｎ  Ｇ．Ｓｔｏｎｅらの米国仮特許出願第６２／４２２，４２０号明細書の米国特許法１１９条（ｅ）項に基づく恩典を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
連邦政府資金による研究開発の記載
本発明は、ＮＩＨ−ＮＩＤＤＫによって授与された助成金番号１Ｒ４３ＤＫ１１３５３６−０１の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は概して電解ガス発生器に関し、より具体的には、新規な電解ガス発生器およびこれを備えるインプラントシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
使用時における１つ以上のタイプのガスの制御された発生は、多数の工業的および医学的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技術であり、典型的には電流を用いて（しばしば低コストで安定した反応物である）原料を（しばしば高コストで不安定な生成物である）有用な商品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、および印加電流を制御することによって生産速度を制御するその固有の能力のために、生産技術として好まれている。電気分解を用いて１つ以上のガスを発生させるように設計された装置は、電解ガス発生器と称されることがある。たとえば水素生成用の電解ガス発生器は、ガスクロマトグラフにおいてキャリアガスおよび検出器ガスとして使用するため、要求に応じて高純度の水素を供給するために分析室で頻繁に使用される。たとえば酸素生成用の電解ガス発生器は、重度の火傷および糖尿病性潰瘍の治癒過程を改善するために、皮膚創傷においてｉｎ  ｓｉｔｕで酸素を発生させるために使用されてきた。このような電解ガス発生器は通常、性能および安全性を管理するためにいくつかの基本システム構成要素を必要とし、これらの基本システム構成要素は一般的に、電流制御（たとえば、生成速度および電圧効率を維持するためのＤＣ電源）、下流圧力およびガス純度監視（たとえば、プロセスおよび環境安全のため）、および流体管理（たとえば、水反応物供給ポンプおよび気液分離ユニット）を含む。しかしながら、理解され得るように、このような構成要素は、システム全体のサイズ、コスト、および複雑さを増大させる可能性があり、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、水素および酸素が電解ガス発生器によって生成される一般的な２つガスであるが、電解ガス発生器は、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、シアン化水素などの、ただしこれらに限定されない、その他のガスを生成するために使用されることが可能である。
【０００５】
ｉｎ  ｓｉｔｕガス発生のための新たな医学的用途は、皮膚の下に位置するかまたは皮下インプラント装置の一部として含まれる細胞および／または組織への、気体酸素の供給にある。皮下インプラント装置は、様々な疾患、障害、および／または状態の治療のために、それを必要とする患者へのｉｎ  ｓｉｔｕでの治療薬の生成および播種に有用な手段である。通常、このようなインプラント装置は、適切な埋込可能な容器内に封入された細胞および／または組織を備える。埋込可能な容器は通常、細胞および／または組織が所望の治療薬を製造し、同時に免疫反応を制限しながら製造された治療薬を患者に配布できるように、設計されている。理解され得るように、インプラント装置への必須ガス（たとえば、酸素）および栄養素の送達は、その中に収容された細胞および／または組織の生存能力および機能にとって重要である。インプラント装置へのガスの送達に関して、患者の疼痛、感染、組織損傷、または塞栓症のリスクを未然に防ぐように過剰なガス圧が防止および／または緩和されることが、患者の安全にとって特に重要である。
【０００６】
２０１５年４月２３日に公開され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、発明者Ｔｅｍｐｅｌｍａｎらの特許文献１では、細胞移植片のガス処理のためのシステムが開示されている。上述の刊行物（以下、「’２４７刊行物」）によれば、システムは、ヒトまたは獣医学で使用するための細胞移植片トの、特に細胞密度の高いものの、生存能力および機能を強化する。システムは、全体的なインプラントサイズを最小化しながら高細胞密度での細胞の生存能力および機能を促進するために、埋込可能で免疫隔離された細胞封じ込めサブシステム内の細胞に酸素および／または水素を連続的に供給する小型電気化学ガス発生器サブシステムを利用する。細胞封じ込めサブシステムは、埋込可能な細胞封じ込めサブシステム内の多孔質管材または気体のみを透過させる内部ガス区画を通じてのガス送達を可能にする特徴を備えている。さらに、ガス発生器サブシステムは、埋め込まれている間に電気分解のための水へのアクセスを可能にする構成要素を含み、これによってガス発生器サブシステムの長期埋込可能性を促進する。システムの用途は、バイオ人工膵臓と考えられる、Ｉ型糖尿病（Ｔ１Ｄ）の治療のための膵島（または膵島類似体）移植片である。
【０００７】
２０１１年２月２２に発行され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、発明者Ｖａｒｄｉらによる特許文献２では、機能性細胞を保持するためのチャンバと、チャンバ内の細胞に酸素を供給するための酸素発生器とを備える、埋込可能装置が開示されている。上述の特許（以下、「’２２２特許」）によれば、後に体内に埋め込まれる装置のチャンバ内に機能性細胞が装填される。装置は、機能性細胞が低酸素症にかからないように、酸素発生器、すなわち酸素を生成することができてこれを機能性細胞が利用できるようにする要素を備える。酸素発生器はこうして酸素を生成し、通常は細胞の付近の酸素を放出する。一実施形態では、酸素発生器は１対の電極を備える。電極間に電位が印加されると、チャンバ内に存在する周囲の水分子の電気分解によって酸素が放出される。電極は電源、典型的には充電式電池に接続されている。チャンバは、機能性細胞の付近の酸素濃度を判断する酸素センサをさらに備えてもよい。酸素濃度が所定の最小値未満であることをセンサが検出したときに酸素発生器をオンにし、酸素濃度が所定の最大値を超えるとオフにするために、マイクロプロセッサが設けられてもよい。
【０００８】
２００２年４月９日に発行され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、発明者Ｃｏｌｔｏｎらによる特許文献３では、水を電気分解することによって酸素を細胞に送達する方法が開示されている。上述の特許（以下、「’５９２特許」）によれば、水を酸素と水素に電気分解する酸素発生器を用いて酸素を発生させることによって、インビトロまたはインビボで細胞に酸素が供給される。アノード層およびカソード層によって挟まれたプロトン交換膜を有する多層電解槽シートを用いて遊離水素を実質的に発生させることなく、酸素を発生させることができる。酸素発生器は、培養プレート、培養フラスコ、マイクロタイタープレート、または体外回路によって収容された細胞に、もしくは選択された構成要素がチャンバに出入りできるようにする半透性の障壁層によって囲まれた免疫隔離チャンバなどの、体内に埋め込むための封入チャンバ内の細胞に、酸素を供給するために使用され得る。生物活性分子が細胞と共に存在してもよい。酸素は、たとえば、腹腔内の細胞収容マイクロカプセルの近傍に酸素発生器を埋め込むことによって、または細胞を収容している免疫隔離チャンバの近傍に酸素発生器を収容しているシステムを埋め込むことによって、体内の細胞にｉｎ  ｓｉｔｕで送達されることが可能である。酸素発生器は、電流制御回路および電源に接続されてもよい。
【０００９】
皮下インプラント装置と共に従来使用されていたタイプの電解ガス発生器に関して本発明者らによって特定された１つの欠点は、このような電解ガス発生器はガス（ほとんどの場合、酸素である）を連続的に発生させるように構成されているか、または電解ガス発生器の作動を制御するために、ガスセンサおよび電流制御装置などの何らかの外部機構を備えることである。しかしながら、過剰なガスは移植片および／または患者に対する損傷を招く可能性があるので、特に発生したガスがインプラント装置の細胞および／または組織によって消費される速度をガス発生速度が超過する場合に、ガスの連続的発生は皮下インプラント装置にとって望ましくないだろう。他方、ガス発生を制御するための外部機構は、インプラントのコストおよび複雑さを増大させるのに加えて、インプラントのサイズも増大させる可能性があり、これは望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＵＳ２０１５／０１１２２４７Ａ１
【特許文献２】ＵＳ７，８９２，２２２Ｂ２
【特許文献３】ＵＳ６，３６８，５９２Ｂ１
【発明の概要】
【００１１】
本発明の目的は、新規な電解ガス発生器を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、既存の電解ガス発生器に関する欠点のうちの少なくともいくつかを解決する、上記で説明されたような電解ガス発生器を提供することである。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、コンパクトで、最小部品数を有し、製造するのが安価で、操作しやすい、上記で説明されたような電解ガス発生器を提供することである。
【００１４】
したがって、本発明の一態様によれば、少なくとも第１のガスを発生させるために反応物を電気分解する電解ガス発生器が提供され、電解ガス発生器は、（ａ）対向する第１および第２の面を有する、高分子電解質膜と、（ｂ）高分子電解質膜の第１の面に電気的に結合されている、第１電極と、（ｃ）高分子電解質膜の第２の面に電気的に結合されている、第２電極と、（ｄ）第１集電体であって、導電性であり、第１集電体が第１電極に電気的に結合されている第１状態と、第１集電体が第１電極から少なくとも部分的に電気的に切り離されている第２状態との間で可逆的に変形可能である、第１集電体と、（ｅ）導電性であり、第２電極に電気的に結合されている、第２集電体と、（ｆ）第１集電体および第２集電体に電気的に結合されている、電源と、を備え、（ｇ）これにより、第１集電体が第１状態にあり、反応物が電解ガス発生器に供給されているとき、第１電極と高分子電解質膜との界面において第１のガスが発生する。
【００１５】
本発明のより詳細な特徴では、電解ガス発生器は水電解槽であってもよい。
【００１６】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、第１状態において第１電極と直接物理的および電気的に接触していてもよく、第２状態において第１電極から完全に物理的および電気的に切り離されていてもよい。
【００１７】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、第１状態において第１電極と直接物理的および電気的に接触していてもよく、第２状態において第１電極から部分的に物理的および電気的に切り離されていてもよい。
【００１８】
本発明のより詳細な特徴では、第１電極はアノードであってもよく、第２電極はカソードであってもよい。
【００１９】
本発明のより詳細な特徴では、電解ガス発生器は、第１集電体を第１状態に向けて付勢するための、第１集電体と係合する弾性圧縮可能部材をさらに備え得る。
【００２０】
本発明のより詳細な特徴では、弾性圧縮可能部材は発泡体のブロックを備え得る。
【００２１】
本発明のより詳細な特徴では、発泡体はオープンセル発泡体であってもよい。
【００２２】
本発明のより詳細な特徴では、発泡体はクローズドセル発泡体であってもよい。
【００２３】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は弾性であってもよい。
【００２４】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、非多孔質でガス不透過性の導電性ダイヤフラムを備え得る。
【００２５】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、非多孔質でガス透過性の導電性ダイヤフラムを備え得る。
【００２６】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、導電性ダイヤフラムおよびリング端子を備え得る。
【００２７】
本発明のより詳細な特徴では、第２集電体は少なくとも１つの孔を備え得る。
【００２８】
本発明のより詳細な特徴では、電解ガス発生器は、電気分解される外部の流体を電解ガス発生器内に入れるための第１の流体入口をさらに備え得る。
【００２９】
本発明のより詳細な特徴では、電解ガス発生器は、電解ガス発生器から、電解ガス発生器によって発生した第１のガスを放出するための第１の流体出口をさらに備え得る。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、酸素ガスおよび水素ガスを発生させるために水を電気分解する電解ガス発生器が提供され、電解ガス発生器は、（ａ）対向する第１および第２の面を有する、高分子電解質膜と、（ｂ）高分子電解質膜の第１の面に電気的に結合されている、第１電極と、（ｃ）高分子電解質膜の第２の面に電気的に結合されている、第２電極と、（ｄ）第１集電体であって、導電性であり、ガス圧を受けると、第１集電体が第１電極に電気的に結合されている第１状態と、第１集電体が第１電極から少なくとも部分的に電気的に切り離されている第２状態との間で可逆的に変形可能である、第１集電体と、（ｅ）導電性であり、第２電極に電気的に結合されている、第２集電体と、（ｆ）第１電極の周囲の周りに設けられており、第１電極で発生した水素および酸素のうちの一方を放出するための流体出口を備える、第１シールと、（ｇ）第２電極の周囲の周りに設けられており、第２電極で発生した水素および酸素のうちの他方を放出するための流体出口を備える、第２シールと、（ｈ）第１エンドプレートであって、第１集電体が第１エンドプレートと高分子電解質膜との間に配置されている、第１エンドプレートと、（ｉ）第２エンドプレートであって、第２集電体が第２エンドプレートと高分子電解質膜との間に配置されている、第２エンドプレートと、を備え（ｊ）第１シール、第２シール、第１エンドプレート、および第２エンドプレートのうちの少なくとも１つは外部の水を入れるための少なくとも１つの入口を有し、（ｋ）電解ガス発生器は、第１集電体および第２集電体に電気的に結合されている、電源をさらに備え、（ｌ）これにより、第１集電体が第１状態にあり水が電解ガス発生器に供給されているとき、第１電極と高分子電解質膜との界面において水素および酸素ガスのうちの一方が発生し、第２電極と高分子電解質膜との界面において水素および酸素のうちの他方が発生する。
【００３１】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、第１状態において第１電極と直接物理的および電気的に接触していてもよく、第２状態において第１電極から完全に物理的および電気的に切り離されていてもよい。
【００３２】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、第１状態において第１電極と直接物理的および電気的に接触していてもよく、第２状態において第１電極から部分的に物理的および電気的に切り離されていてもよい。
【００３３】
本発明のより詳細な特徴では、第１電極はアノードであってもよく、第２電極はカソードであってもよい。
【００３４】
本発明のより詳細な特徴では、電解ガス発生器は、第１集電体を第１状態に向けて付勢するために第１エンドプレートと第１集電体との間に配置され、第１エンドプレートと第１集電体とに係合する弾性圧縮可能部材をさらに備え得る。
【００３５】
本発明のより詳細な特徴では、弾性圧縮可能部材は発泡体のブロックを備え得る。
【００３６】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は、弾性で非多孔質でガス不透過性の導電性ダイヤフラムを備え得る。
【００３７】
本発明のより詳細な特徴では、第１集電体は弾性で非多孔質でガス透過性の導電性ダイヤフラムを備えていてもよく、発泡体はオープンセル発泡体であってもよく、第１エンドプレートは少なくとも１つの孔を備え得る。
【００３８】
本発明のより詳細な特徴では、電解ガス発生器は、第１エンドプレートの少なくとも１つの孔の中に配置された限外濾過膜をさらに備え得る。
【００３９】
本発明のより詳細な特徴では、第２集電体は少なくとも１つの孔を備えていてもよく、第２エンドプレートは少なくとも１つの孔を備え得る。
【００４０】
本発明のより詳細な特徴では、電解ガス発生器は、第２集電体と第２エンドプレートとの間に配置された液体透過性でガス不透過性の界面層をさらに備え得る。
【００４１】
本発明のより詳細な特徴では、第１シールおよび第２シールのうちの少なくとも１つは、外部の水を入れるための流体入口を有する。
【００４２】
本発明の別の目的は、上記の電解ガス発生器を備えるインプラントシステムを提供することである。
【００４３】
したがって、本発明の一態様によれば、インプラントシステムが提供され、インプラントシステムは、（ａ）上記で説明されたタイプの電解ガス発生器のうちの少なくとも１つと、（ｂ）移植可能な１つ以上の細胞および／または組織を保持するための容器と、（ｃ）電解ガス発生器によって発生したガスを容器まで誘導するための第１管材と、を備える。
【００４４】
本発明の別の態様によれば、インプラントシステムが提供され、インプラントシステムは、（ａ）上記で説明されたタイプの電解ガス発生器のうちの少なくとも１つと、（ｂ）移植可能な１つ以上の細胞および／または組織を保持するための容器と、（ｃ）電解ガス発生器によって発生した水素を容器まで導くための第１管材と、（ｄ）電解ガス発生器によって発生した酸素を容器まで導くための第２管材と、を備える。
【００４５】
本明細書および特許請求の範囲の目的のために、「頂部」、「底部」、「近位」、「遠位」、「上方」、「下方」、「前方」、および「後方」のような様々な関係用語が、本発明が所与の向きに配置されているかまたは本発明をそこから見たときに前記発明を説明するのに使用され得る。本発明の配向を変更することによって、特定の関係用語は相応に調整される必要があり得ることを、理解すべきである。
【００４６】
本発明のさらなる目的、ならびに態様、特徴および利点は、部分的には以下の説明に記載され、そして部分的にはその説明から明らかになり、または本発明の実施によって習得され得る。説明では、その一部を構成し、本発明を実践するための様々な実施形態を図解によって示す、添付図面が参照される。実施形態は、当業者が本発明を実践できるほど十分に詳細に説明され、他の実施形態も利用され得ること、および本発明の範囲を逸脱することなく構造的変更がなされてもよいことが、理解されるべきである。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請求項によって最もよく定義される。
【００４７】
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付図面は、本発明の様々な実施形態を図示し、その説明と共に、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縮尺通りに描かれているわけではなく、詳しい説明を目的として、特定の構成要素が過小寸法および／または過大寸法を有する場合がある。図中、類似の符号は類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明にしたがって構築された電解ガス発生器の第１の実施形態の概略断面図であり、電解ガス発生器は動作（または「オン」）状態で示されている。
【図２】図１の電解ガス発生器の概略断面図であり、電解ガス発生器は非動作（または「オフ」）状態で示されている。
【図３】本発明にしたがって構築された電解ガス発生器の第２の実施形態の概略断面図であり、電解ガス発生器は動作（または「オン」）状態で示されている。
【図４】図３の電解ガス発生器の概略断面図であり、電解ガス発生器は非動作（または「オフ」）状態で示されている。
【図５】本発明にしたがって構築された代替アノード集電体の概略断面図であり、代替アノード集電体は図１の電解ガス発生器または図３の電解ガス発生器のいずれかで使用するのに適しており、交流集電体は、電解ガス発生器が動作（または「オン」）状態にある場合のように、その導電性ダイヤフラムが扁平状態で示されている。
【図６】電解ガス発生器が非動作（または「オフ」）状態にある場合のように膨張状態でその導電性ダイヤフラムが示されている、図５の代替アノード集電体の概略断面図である。
【図７】本発明にしたがって構築された電解ガス発生器の第３の実施形態の概略断面図であり、電解ガス発生器は完全動作状態で示されている。
【図８】図７の電解ガス発生器の概略断面図であり、電解ガス発生器は部分動作状態で示されている。
【図９】本発明にしたがって構築されたインプラントシステムの第１の実施形態の概略斜視図である。
【図１０】本発明にしたがって構築されたインプラントシステムの第２の実施形態の概略斜視図である。
【図１１】実施例１で説明される電解ガス発生器の時間の関数として電流および電圧を示すグラフである。
【図１２】実施例２で説明される電解ガス発生器の時間の関数として電流、圧力、および酸素流量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本発明は、一部では、新規な電解ガス発生器を対象とし、また一部では、前記新規な電解ガス発生器を備えるインプラントシステムを対象とする。
【００５０】
本発明を単一の原理に縮小することなく、本発明の重要な概念は、電気分解の過程で１つ以上の構成要素の物理的変形などの１つ以上の機械的変化を自動的に受ける電解ガス発生器の設計である。より具体的には、本発明の電解ガス発生器を電流が通ると、アノードおよび／またはカソードで生成物が生成され、電解質もまた電気浸透を介して一方の電極から他方に移動し得る。水電気分解の場合、電気分解によって生成される水素および酸素のガス状生成物の一方または両方は、それらが生成されるのと同じ速さで発生器を出ない場合、電解ガス発生器内に蓄積する可能性がある。電解ガス発生器内のこのようなガスの蓄積は、結果として、一方または両方の電極区画内の圧力を上昇させることが可能であり、そしてこの圧力の上昇は、電解ガス発生器内の特定の構成要素の機械的変化を引き起こし得る。機械的変化は、互いに物理的に接触していた電解ガス発生器の２つの導電性要素を互いに部分的にまたは完全に切り離すように構成され得るので、この電気分解誘発機械的変化はその後、さらなる電気分解の度合を制限するために利用され得る。この切断は電流を減少または停止させることが可能であり、その時点で発生した１つまたは複数のガスは、これらがそれぞれの出口ポートを通って電解ガス発生器を出るまで、および／または電解ガス発生器内の１つ以上の透過層を通って周囲環境に拡散するまで、それぞれのセル区画内に残り得る。その後、影響を受けたセル区画内のガス圧が低下すると、機械的変化が自動的に逆転し、切り離された導電性要素が電気的に再接続され、これによってさらなる電気分解が起こり得る。このようにして、本発明の電解ガス発生器は、隣接する組織または他の移植片の細胞保護、呼吸、および／または代謝機能を維持するように、その付近で一定のガス活性を維持することが可能であり得、直流定電流源などの電源との接続のみでこれを行うことができる。電池などの直流定電流源は、電解ガス発生器と共に埋め込まれてもよく、または体外に維持されて経皮的に電解ガス発生器に配線されてもよい。このようなシステムには任意選択的に二次制御システムが取り付けられてもよく、これは、電解ガス発生器が作動解除されたことを検出すると（すなわち電流センサの使用によって）、性能または安全基準を満たすために、再作動プロセスを減速させるか、またはこれを完全に防止する（すなわち、回路をオープンにする）。
【００５１】
本発明の電解ガス発生器は、細胞または組織の代謝消費率によって管理された速度で１つ以上の埋め込まれ、免疫隔離されたカプセル内の細胞または組織に拡散によって（すなわち、ガス透過性膜を介して）酸素が送達される完全埋込型医療装置に、特に適している。これらのシナリオでは、投与量を正確に制御し、低酸素および高酸素の可能性のある影響を軽減し、完全埋込型システムの電力消費量およびシステムの複雑さを最小化するために、酸素圧を制御することが重要である。本出願において教示される原理は、内部圧力制御の下で発生したガスがカソードにおいて水素である電解ガス発生器、またはさらに、任意のアノードまたはカソードで生成された電解生成物ガスに、等しく適用可能であることが、容易に理解されるだろう。
【００５２】
本発明の内部圧力管理能力は、埋込型医療装置などの重要な用途において、閉ループプロセスコントローラ（圧力センサ＋電流コントローラ）、外部圧力スイッチ、または圧力逃し弁を含むがこれらに限定されないその他の圧力制御方法にとって、ガス発生源におけるガス発生を制御する能力のために（これにより、発生器とこれらの例示的な外部圧力管理ソリューションとの間に介在する管材内のガス閉塞の場合に、前記電解ガス発生器内のガス圧上昇の危険性を防止する）、好ましいかまたは相補的である。圧力センサおよびプロセスコントローラ、または任意の追加電子部品の排除が、サイズを小さくし、コストを削減し、信頼性を高めることができる全体的なシステムの簡略化となることは、容易に理解されるだろう。弁の作動中に発生した過剰なガスを短絡するための容易に便利なまたは安全な場所はないので、圧力逃し弁の使用は一般に、埋設（または部分的に包囲された）用途では除外されることもまた、容易に理解されるだろう。過剰な圧力差によって移植片、対象（被験者；subject）、またはホスト装置を危険にさらす可能性がある周囲の（すなわち、気圧の）圧力の変動を安全に考慮できるという点において、本発明は、埋め込まれるかまたは部分的に収容される用途におけるガス発生の他の方法に対して付加的な利点をもたらすことが、さらに理解されるだろう。これらの目的のために、本発明は、安全性、信頼性、サイズ、コスト、または効率性を過度に妥協することなくこれらの簡略化を可能にするので、インプラント医療および多くの他の用途のために改良されたものである。
【００５３】
前述の埋込可能装置の使用を超えて、小型の、本質的に安全な、および／または信頼できる装置においてｉｎ  ｓｉｔｕで圧力制御されたガス試薬の生成を必要とする任意の用途は、本発明の教示からの恩恵を受けることができる。このような代替用途は、たとえば、腐食防止もしくは促進、臭気制御、表面もしくは密閉空間の洗浄および／もしくは消毒、固定化もしくは密閉された生物の生命維持、ならびに小型センサ用の試薬製造を含み得る。
【００５４】
ここで図１および図２を参照すると、本発明にしたがって構築された電解ガス発生器の第１の実施形態の概略断面図が示されており、電解ガス発生器は全体として符号１１で表されている。（簡潔さおよび明確さのため、本発明の理解にとって重要ではない電解ガス発生器１１の特定の構成要素は、本明細書において図示もしくは記載されないか、または簡略化して図示および／もしくは記載される。）
【００５５】
水電解槽の形態であり得る電解ガス発生器１１は、固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）１３（当該技術分野ではプロトン交換膜としても知られる）を備え得る。高分子電解質膜１３は好ましくは、非多孔質、イオン伝導性、非導電性、液体透過性、および実質的にガス不透過性の膜である。高分子電解質膜１３は、均質なペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）ポリマーから成る（consist of）か、または、均質なペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）ポリマーを含んでいてもよい。前記ＰＦＳＡポリマーは、テトラフルオロエチレンとペル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てもよい。たとえば、いずれもその全体が参照により本明細書に組み込まれる、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号明細書、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号明細書、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号明細書、および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号明細書を参照されたい。ＰＦＳＡ高分子電解質膜の商業的実施形態は、ＮＡＦＩＯＮ（商標）押出キャストＰＦＳＡポリマー膜としてＴｈｅ  Ｃｈｅｍｏｕｒｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ＦＣ，ＬＬＣ（ノースカロライナ州ファイエットビル）によって製造されている。
【００５６】
高分子電解質膜１３は、連続フィルムまたはシートの形態の略平面の一体構造であり得る。本実施形態では、上方または下方から見たときに、高分子電解質膜１３は略円形形状を有していてもよい。また、電解ガス発生器１１の全体形状は、上方または下方から見たときに、高分子電解質膜１３の形状に概ね対応していてもよい。しかしながら、高分子電解質膜１３は、電解ガス発生器１１全体と同様に、略円形形状に限定されるものではなく、略矩形形状また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。
【００５７】
電解ガス発生器１１は、アノード１５およびカソード１７をさらに備え得る。アノード１５およびカソード１７は、高分子電解質膜１３の２つの対向する主面に沿って配置され得る。本実施形態では、アノード１５は高分子電解質膜１３の上面に沿って配置されるように示され、カソード１７は高分子電解質膜１３の底面に沿って配置されるように示されている。しかしながら、高分子電解質膜１３に対するアノード１５およびカソード１７の位置は逆転され得ることが、理解されるべきである。
【００５８】
アノード１５は、アノード電極触媒層１９およびアノード支持体２１を備え得る。アノード電極触媒層１９は、高分子電解質膜１３と直接接触して配置されてもよく、本実施形態では、高分子電解質膜１３の頂部の直上に、頂部と接触して配置されているように示されている。アノード電極触媒層１９は、アノード１５の電気化学的活性領域を画定し、好ましくは高速の表面酸化反応を持続させるのに十分に多孔質、導電性、およびイオン伝導性である。ＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのアノード電極触媒層であってもよいアノード電極触媒層１９は、高速の電気化学反応を持続できる、微粉化された導電性（および任意選択的にイオン伝導性）の材料（たとえば、金属粉末）の形態の電極触媒粒子を含んでいてもよい。電極触媒粒子は、好ましくはイオン伝導性である、機械的固定を提供するためのバインダと共にアノード電極触媒層１９内に分散されている。
【００５９】
ＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのアノード支持体であってもよく、たとえば多孔質チタンのフィルムまたはシートであってもよい、アノード支持体２１は、アノード電極触媒層１９と以下で論じられるアノード側ガスポートとの間の流体（気体および／または液体）移動を可能にするのに、好ましくは十分に多孔質である。この目的のために、アノード支持体２１は、たとえば約０．００１から０．５ｍｍ程度の孔径を有することができる。アノード支持体２１はまた、流体分散をさらに助けるために、たとえば０．２から１０ｍｍ程度のマクロチャネル構造も含み得る。加えて、アノード支持体２１は、アノード電極触媒層１９と以下に論じられるアノード側集電体との間に電気的接続を提供するために導電性であり、アノード支持体２１はまた好ましくはイオン非伝導性である。アノード支持体２１は、アノード電極触媒層１９と直接接触して配置されてもよく、本実施形態では、アノード電極触媒層１９が高分子電解質膜１３とアノード支持体２１との間に挟まれて接触し得るように、アノード電極触媒層１９の頂部に直接配置されるように示されている。アノード支持体２１は、アノード電極触媒層１９を完全に覆うような寸法であってもよく、実際、アノード１５は、アノード電極触媒層１９をアノード支持体２１上に堆積させることによって製造され得る。
【００６０】
カソード１７は、カソード電極触媒層２３およびカソード支持体２５を備え得る。カソード電極触媒層２３は、高分子電解質膜１３と直接接触して配置されてもよく、本実施形態では、高分子電解質膜１３の直下に接触して配置されているように示されている。カソード電極触媒層２３は、カソード１７の電気化学的活性領域を画定し、好ましくは高速の表面還元反応を持続させるのに十分に多孔質、導電性、およびイオン伝導性である。ＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのカソード電極触媒層であってもよいカソード電極触媒層２３は、高速の電気化学反応を持続できる、微粉化された導電性（および任意選択的にイオン伝導性）の材料（たとえば、金属粉末）の形態の電極触媒粒子を含んでいてもよい。電極触媒粒子は、好ましくはイオン伝導性である、機械的固定を提供するためのバインダと共にカソード電極触媒層２３内に分散されている。アノード１５およびカソード１７に関与する反応物および生成物は、電気活性表面全体にわたって移動可能なイオン種と関係する。したがって、高分子電解質膜１３と、オプションで電極触媒層１９および２３内の１つまたは複数のイオン伝導触媒バインダとを含むイオン伝導媒体は、２つの電極を結合し、イオンが、全体反応電気化学の支持体内を流通することを可能にする。
【００６１】
ＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのカソード支持体であってもよく、たとえば多孔質炭素のフィルムまたはシートであってもよい、カソード支持体２５は、カソード電極触媒層２３と以下で論じられるカソード側ガスポートとの間の流体（気体および／または液体）移動を可能にするのに、好ましくは十分に多孔質である。この目的のために、カソード支持体２５は、たとえば約０．００１から０．５ｍｍ程度の孔径を有することができる。カソード支持体２５はまた、流体分散をさらに助けるために、たとえば０．２から１０ｍｍ程度のマクロチャネル構造も含み得る。加えて、カソード支持体２５は、カソード電極触媒層２３と以下に論じられるカソード側集電体との間に電気的接続を提供するために導電性であり、カソード支持体２５はまた好ましくはイオン非伝導性である。カソード支持体２５は、カソード電極触媒層２３と直接接触して配置されてもよく、本実施形態では、カソード電極触媒層２３が高分子電解質膜１３とカソード支持体２５との間に挟まれて接触し得るように、カソード電極触媒層２３の直下に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２５は、カソード電極触媒層２３を完全に覆うような寸法であってもよく、実際、カソード１７は、カソード電極触媒層２３をカソード支持体２５上に堆積させることによって製造され得る。
【００６２】
高分子電解質膜１３、アノード１５、およびカソード１７の組み合わせ、または高分子電解質膜１３、アノード電極触媒層１９、およびカソード電極触媒層２３の組み合わせは、まとめて膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）と見なされてもよい。
【００６３】
電解ガス発生器１１は、アノードシール３１およびカソードシール３３をさらに備え得る。ＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのアノードシールであってもよいアノードシール３１は、液密的にアノード１５の周囲の周りに取り付けられた、略環状または枠状の部材であってもよい。ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）ポリテトラフルオロエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン−モノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、または他の類似の適した材料であり得る、アノードシール３１は、イオン非伝導性および非導電性であり得る。アノードシール３１はまた、アノードシール３１の内周からアノードシール３１の外周に径方向外向きに延在する流体ポートを除いて、非多孔質且つ流体不透過性であってもよい。本実施形態では、アノードシール３１の前述の流体ポートは酸素出口３５であり得る。酸素出口３５は、適切な管材（図示せず）を介して酸素を必要とする場所に流体接続されていてもよく、この管材は、電解ガス発生器１１が管材の内容物によって汚染されるのを、または復水流を電解ガス発生器１１内に戻すのを防止するために、滅菌フィルタおよび／または逆止弁のような特徴を備え得る。たとえば、電解ガス発生器１１が体内に埋め込まれる場合、このような管材は、移植された細胞および／または組織を保持する容器に酸素出口３５を流体接続するために使用されてもよい。あるいは、移植された細胞および／または組織を保持する容器がガス透過性であり且つ容器が酸素出口３５に当接してまたは十分に近接して配置されている場合、このような管材はなくてもよい。
【００６４】
アノードシール３１は、アノードシール３１の内周からアノードシール３１の外周に径方向外向きに延在する第２の流体ポートをさらに備えていてもよく、この第２の流体ポートは、電解ガス発生器１１の外部の供給源からアノード１５に水を供給するための水入口３６として使用されてもよい。たとえば、電解ガス発生器１１の外部にあってもよい貯水器（図示せず）は、アノード１５に水を供給するために、適切な管材（図示せず）を介して水入口３６に流体接続されていてもよい。このような管材は、滅菌フィルタおよび／または逆止弁のような特徴を備え得る。電解ガス発生器１１が体内に埋め込まれている場合、このような貯水器もまた体内に埋め込まれてもよく、または貯水器は、身体の外部に配置されてもよい。あるいは、貯水器を使用する代わりに、電解ガス発生器１１の外部の局所環境の周囲水が、水入口３６を通って電解ガス発生器１１に供給されてもよい。しかしながらこの場合、周囲水の中の選択された汚染物質が水入口３６に侵入するのを防ぐため、およびアノード発生ガスが水入口３６から出るのを防ぐため、水入口３６の外部上に１つ以上のフィルタ（図示せず）を配置することが望ましいだろう。
【００６５】
ＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのカソードシールであってもよいカソードシール３３は、液密的にカソード１７の周囲の周りに取り付けられた、略環状または枠状の部材であってもよい。ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）ポリテトラフルオロエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン−モノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、または他の類似の適した材料であり得る、カソードシール３３は、イオン非伝導性および非導電性であり得る。カソードシール３３はまた、カソードシール３３の内周からカソードシール３３の外周に径方向外向きに延在する２つの流体ポートを除いて、非多孔質および流体不透過性であってもよい。本実施形態では、カソードシール３３の２つの流体ポートのうちの一方は水入口３７であり得、これは電解ガス発生器１１の外部の供給源からカソード１７に水を供給するために使用されてもよい。たとえば、電解ガス発生器１１の外部にあってもよい貯水器（図示せず）は、カソード１７に水を供給するために、適切な管材（図示せず）を介して水入口３７に流体接続されていてもよい。このような管材は、滅菌フィルタおよび／または逆止弁のような特徴を備え得る。電解ガス発生器１１が体内に埋め込まれている場合、このような貯水器もまた体内に埋め込まれてもよく、または貯水器は、身体の外部に配置されていてもよい。あるいは、貯水器を使用する代わりに、電解ガス発生器１１の外部の局所環境の周囲水が、水入口３７を通って電解ガス発生器１１に供給されてもよい。しかしながらこの場合、周囲水の中の選択された汚染物質が水入口３７に侵入するのを防ぐため、およびカソード発生ガスが水入口３７から出るのを防ぐため、水入口３７の外部上に１つ以上のフィルタまたは流量制御弁（図示せず）を配置することが望ましいだろう。
【００６６】
本実施形態では、カソードシール３３内の２つの流体ポートのうちの他方は水素出口３９であり得る。水素出口３９は、適切な管材（図示せず）を介して水素を必要とする場所に、または水素が必要でない場合には、水素が安全に排出され得る場所に、流体接続され得る。このような管材は、滅菌フィルタおよび／または逆止弁のような特徴を備え得る。たとえば、電解ガス発生器１１が体内に埋め込まれていて、移植された細胞および／もしくは組織または生まれつき備える細胞および／もしくは組織を水素で処理することが望ましい場合、水素出口３９に結合されたこのような管材は、移植された細胞および／または組織を保持する容器に水素を送達するために使用されてもよく、または生まれつき備える細胞および／または組織に近接する場所に水素を送達するために使用されてもよい。水素処理が必要でない場合、このような管材は、水素が安全に排出され得る身体の部分に水素を送達するために使用されることが可能である。あるいは、水素が電解ガス発生器１１から安全に拡散し、いかなる管材も必要とせずに身体から排出されることが可能な体内の場所に電解ガス発生器１１が埋め込まれている場合には、このような管材は省略されることが可能である。
【００６７】
本実施形態では、アノード１５およびアノードシール３１は、それら合わせて、高分子電解質膜１３の上面の専有面積に一致するような寸法であってもよく、カソード１７およびカソードシール３３は、それら合わせて、高分子電解質膜１３の底面の専有面積に一致するような寸法であってもよい。上記にもかかわらず、前述の構成要素の専有面積が上記で説明されたものと異なってもよいことは、理解されるべきである。
【００６８】
電解ガス発生器１１は、アノード集電体５１をさらに備え得る。連続フィルムまたはシートの形態の一体構造であり得るアノード集電体５１は、略平面状態から膨らんだまたは膨張状態に（たとえば、ガス圧を受けたときに）可逆的に変形可能な、非多孔質、導電性、可撓性、ダイヤフラム状の部材であってもよい。上方から見たときに、アノード集電体５１が、アノードシール３１の専有面積を越えて短い距離だけ径方向外向きに延在して端子として使用され得るタブ５５を付加的に備え得ることを除いて、アノード集電体５１は、アノード１５とアノードシール３１との合計専有面積と略一致する専有面積を有し得る。本実施形態では、アノード集電体５１は、好ましくは実質的にガス不透過性である。加えて、本実施形態では、アノード集電体５１は、好ましくは弾性であるが、必ずしもそうである必要はない。アノード集電体５１としての使用に適し得る材料の例は、金属（たとえば、銀）またはその他の導電性粒子が中に分散されたシリコーンフィルムまたはシート、および２０１７年３月１４日に発行され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、発明者Ｍｉｔｔｅｌｓｔｅａｄｔらの米国特許第９，５９５，７２７（Ｂ２）号明細書に開示されたタイプの非多孔質、導電性、液体透過性、実質的にガス不透過性の膜を含むが、これらに限定されない。
【００６９】
より具体的には、前述の特許（以下、「‘７２７特許」）によれば、このような非多孔質、導電性、液体透過性、実質的にガス不透過性の膜は、たとえば、導電性材料が分散された固体ポリマー電解質を含んでいてもよい。固体ポリマー電解質としての使用に適した材料の例は、（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、および（ｉｉｉ）イオン交換樹脂を含み得る。より具体的には、固体ポリマー電解質は、たとえば、カチオン交換基が限定されないが−ＳＯ３−、−ＳＯ２ＮＨ＋、−ＰＯ３２−、もしくは−ＣＯ２−であってもよいカチオン交換イオノマー膜であってもよく、またはたとえば、アニオン交換基が限定されないが−ＮＨ２＋であってもよいアニオン交換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の使用に好適な材料は、ＮＡＦＩＯＮ（商標）押出キャストＰＦＳＡポリマー膜としてＴｈｅ  Ｃｈｅｍｏｕｒｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ＦＣ，ＬＬＣ（ノースカロライナ州ファイエットビル）によって製造されているような、ペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）膜であってもよい。ＮＡＦＩＯＮ（商標）ＰＦＳＡの代わりに使用され得る他の材料の例は、２０１１年５月２４日に発行され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、発明者Ｍｉｔｔｅｌｓｔｅａｄｔらの米国特許第７，９４７，４０５（Ｂ２）号明細書に開示されている。
【００７０】
上記の膜の分散導電性材料としての使用に適し得る材料の例は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、金属ナノワイヤ、またはこれらの組み合わせなどの、高アスペクト比で、導電性の非粒子材料を含み得る。膜での使用に適し得るカーボンナノチューブは、約０．２０ｎｍから約１００ｎｍの直径を有し、約０．５０μｍから約２００μｍの長さを有し、約５から約１，０００，０００までの範囲のアスペクト比（すなわち、長さ／直径）を有することができる。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く、または、限定されないが−ＣＯＯＨ、−ＰＯ４−、−ＳＯ３Ｈ、−ＳＨ、−ＮＨ２、第三級アミン、第四級アミン、−ＣＨＯ、−ＯＨ、−ＮＯ２、および−ＰＯ３２−などの１つ以上の官能基を含み得る。また、膜での使用に適し得るカーボンナノチューブは、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、またはこれらの組み合わせを含み得る。
【００７１】
膜での使用に適し得るカーボンナノファイバは、官能化されていなくてもよく、または、限定されないが−ＣＯＯＨ、−ＰＯ４−、−ＳＯ３Ｈ、−ＳＨ、−ＮＨ２、第三級アミン、第四級アミン、−ＣＨＯ、−ＯＨ、−ＮＯ２、および−ＰＯ３２−などの１つ以上の官能基を含み得る。分散した非粒子の導電性材料に加えて、またはこのような材料の代わりに、膜は、限定されないが、カーボンブラック、金属粒子（たとえば、ニオブ粒子、白金粒子、チタン粒子、またはこれらの組み合わせ）、担持金属、またはこれらの組み合わせなどの、分散した導電性粒子を含み得る。
【００７２】
上記の膜は、イオノマーが懸濁液の形態である間に導電性材料をイオノマーに添加し、その後懸濁液を乾燥させることによって、調製され得る。
【００７３】
電解ガス発生器１１は、アノードエンドプレート６１をさらに備え得る。適切に頑丈な金属またはポリマーなど、ＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプの硬質材料で作られた一体構造であってもよいアノードエンドプレート６１は、反転したキャニスタの形状を有し得、底部が開放された内部チャンバ６７を一緒に画定する上壁６３および側壁６５を備え得る。アノードエンドプレート６１は、側壁６５の外面６９がアノードシール３１の外面７１と略整列（略面一）し得るように、適切な寸法に構成され得る。加えて、アノードエンドプレート６１はさらに、側壁６５の内面７３がアノードシール３１の内面７５に対して径方向外向きに離隔され得るような寸法であってもよい。米国特許出願公開第２０１５／０１１２２４７（Ａ１）号明細書に開示されるような血管形成膜（図示せず）が、アノードエンドプレート６１の１つ以上の露出面に適用されてもよい。
【００７４】
アノードエンドプレート６１の側壁６５の底部は、アノード集電体５１の頂部に直接配置されてもよく、アノードエンドプレート６１とアノードシール３１との間にアノード集電体５１の周囲部分７７を固定するために使用されてもよい（アノード集電体５１の周囲部分７７は、アノードシール３１の頂部に直接配置されている）。このようにして、アノード集電体５１の周囲部分７７はアノードエンドプレート６１とアノードシール３１との間で動かないよう保持され得るが、以下でさらに論じられるように、アノード集電体５１とアノード１５との間で特定のアノードガス圧に達すると、アノード集電体５１の中心部分７９はアノード１５から離れて自由に上向きに曲がることが可能である。容易に理解できるように、アノード集電体５１およびアノード１５が互いに電気的に接触しなくなるのに十分なほどアノード集電体５１の中心部分７９がアノード１５から離れて上向きに曲がると、電解ガス発生器１１は電気分解を停止する。
【００７５】
電解ガス発生器１１は、弾性圧縮可能部材８１をさらに備え得る。弾性圧縮可能部材８１は、アノード集電体５１とアノード１５との間のガス圧が特定のガス圧閾値を超えると、アノード１５から離れて上向きに、接触しなくなるようにアノード集電体５１の中心部分７９を変形または膨張させ、アノード集電体５１とアノード１５との間のガス圧が特定のガス圧閾値を下回ると、アノード１５と接触するようにアノード集電体５１の中心部分７９を下向きに平らにするまたは戻るよう強制または付勢するように設計された構造であってもよい。弾性圧縮可能部材８１が中心部分７９をアノード１５から離れるように曲げることができるガス圧閾値と、弾性圧縮可能部材８１が中心部分７９をアノード１５と再び接触するように曲げることができるガス圧閾値とは、同じであっても異なっていてもよい。場合により、弾性圧縮可能部材８１が中心部分７９をアノード１５から離れるように曲げるガス圧閾値の方が、弾性圧縮可能部材８１が中心部分７９をアノード１５と再び接触するように曲げるガス圧閾値よりも著しく大きいことが、有利であり得る。その結果、このような場合、電解ガス発生器１１の動作が一旦停止すると、中心部分７９とアノード１５との間のガス圧が著しく低下するまで電解ガス発生器１１の動作は再開しない。このようにして、電解ガス発生器１１は、その動作状態とオフ状態との間で不必要に切り換えられることが防止され得る。
【００７６】
本実施形態では、弾性圧縮可能部材８１は、アノードエンドプレート６１の内部チャンバ６７の中に配置され得る発泡体のブロックまたはディスクを備え得る。このような発泡体は、クローズドセル発泡体またはオープンセル発泡体であってもよい。適切な発泡体の例は、ポリウレタン発泡体、およびオープンセルシリコーンゴム発泡体などのシリコーンゴム発泡体を含み得るが、これらに限定されない。弾性圧縮可能部材８１は、アノードエンドプレート６１の上壁６３の内面８５と係合する第１の表面８３と、アノード集電体５１と係合する第２の表面８７とを有するように、適切に寸法化され得る。本実施形態では、弾性圧縮可能部材８１は、その非圧縮状態にあるときに、アノードエンドプレート６１の内部チャンバ６７の全容積を実質的に満たすような寸法になっていてもよい。しかしながら、弾性圧縮可能部材８１が必ずしもそのような寸法でなくてもよいことは、理解されるべきである。
【００７７】
本実施形態では、弾性圧縮可能部材８１は発泡体のブロックであり得るが、弾性圧縮可能部材８１はこれに限定されるものではなく、限定されないがコイルばね、皿ばね、密閉ガスポケット、外部接続可能なガス充填ポートを有するガスポケット、またはこれらの組み合わせなどの、任意のタイプの弾性圧縮構造であってもよい。
【００７８】
また、アノード集電体５１が本質的に十分に弾性である場合、弾性圧縮可能部材８１を省略でき得ることは、理解されるべきである。
【００７９】
電解ガス発生器１１はカソード集電体９１をさらに備えていてもよく、これはＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのカソード集電体であってもよく、たとえば白金被覆チタンシートであってもよい。下方から見たときに、カソード集電体９１が、カソードシール３３の専有面積を越えて短い距離だけ径方向外向きに延在し、端子として使用され得るタブ９３を付加的に備えてもよいことを除いて、カソード集電体９１は、カソード１７とカソードシール３３との合計専有面積と実質的に一致する専有面積を有し得る。
【００８０】
電解ガス発生器１１はカソードエンドプレート９５をさらに備えていてもよく、これはＰＥＭベースの水電解槽に従来使用されているタイプのカソードエンドプレートであってもよい。カソードエンドプレート９５は、その側壁９７がカソードシール３３の外面９８と実質的に整列し得るように、適切な寸法になり得る。カソードエンドプレート９５の上壁９９は、カソード集電体９１の直下に配置され得、カソード集電体９１をカソード１７およびカソードシール３３と直接接触したままにするために使用され得る。米国特許出願公開第２０１５／０１１２２４７（Ａ１）号明細書に開示されるような血管形成膜（図示せず）が、カソードエンドプレート９５の１つ以上の露出面に適用されてもよい。
【００８１】
電解ガス発生器１１は、電源１０１をさらに備え得る。たとえば（充電式であってもよい）ＤＣ電池であってもよい電源１０１は、配線１０３によってアノード集電体５１のタブ５５に、および配線１０５によってカソード集電体９１のタブ９３に、電気的に接続され得る。たとえば電解ガス発生器１１が患者に埋め込まれる場合、電源１０１もまた患者に埋め込まれてもよい。あるいは、電源１０１は患者の体外に配置されてもよい。
【００８２】
電解ガス発生器１１は、従来のＰＥＭベースの水電解槽に一般的に見られるその他の構成要素をさらに備え得る。たとえば、弾性圧縮可能部材８１を圧縮し、電解ガス発生器１１の連続した構成要素の良好な電気的接触を維持し、セル外周の良好な封止を達成するために必要とされ得る電解ガス発生器１１に対する静的な力は、アセンブリの内周または外周のあたりで様々な従来の固定または接合手段および技術を使用して、確立および維持されることが可能である。このような手段は、たとえば、エンドプレート６１および９５を互いにクランプすることができる固定具（たとえば、ねじ、リベットなど）、またはシール領域で要素を互いに密着させる接着剤、セメント、もしくは溶接を含み得る。このような手段および技術は、当業者にとって既知であると考えられる。
【００８３】
ここで特に図１を参照すると、アノード集電体５１、アノード１５、高分子電解質膜１３、カソード１７、およびカソード集電体９１の組み合わせにわたって電気的接触が確立されていることがわかる。結果として、電解ガス発生器１１は閉電気回路を形成し、電解ガス発生器１１は、水の電気分解のための動作（または「オン」）状態にある。水は、アノードシール３１の水入口３６および／またはカソードシール３３の水入口３７を通って電解ガス発生器１１内に導入され得、このような水は、電解ガス発生器１１の電気活性界面で従来の方法で電気分解されることが可能であり、このとき高分子電解質膜１３とアノード電極触媒層１９の界面で酸素ガスが発生し、高分子電解質膜１３とカソード電極触媒層２３の界面で水素ガスが発生する。こうして発生した酸素ガスはその後、酸素出口３５を通って電解ガス発生器１１を出ることができ、こうして発生した水素ガスはその後、水素出口３９を通って電解ガス発生器１１を出ることができる。酸素ガスが電解ガス発生器１１を出る速度が電解ガス発生器１１によって酸素が生成される速度より速いかまたはほぼ等しい場合、もしあったとしてもほんのわずかな酸素ガスしかアノード支持体２１とアノード集電体５１との間に蓄積できず、アノード集電体５１にかかる上向きのガス圧は、弾性圧縮可能部材８１によってアノード集電体５１にかか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、アノード集電体５１とアノード支持体２１との間で電気的接触が維持され、ガス発生が継続し得る。
【００８４】
一方、酸素ガスが電解ガス発生器１１を出る速度が電解ガス発生器１１によって酸素が生成される速度より遅い場合、酸素ガスはアノード支持体２１とアノード集電体５１との間に蓄積し、アノード集電体５１にかかる上向きのガス圧は、弾性圧縮可能部材８１によってアノード集電体５１にかか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、図２に見られるように、アノード集電体５１はアノード支持体２１から離れて屈曲または膨張し、これによってアノード集電体５１とアノード支持体２１との間のいかなる電気的接触も切断する。結果として、電解ガス発生器１１は水の電気分解を停止し得る。その後、アノード集電体５１がアノード支持体２１と元通り接触するのに十分なほどアノード支持体２１とアノード集電体５１との間のガス圧が低下するまで、アノード支持体２１とアノード集電体５１との間に蓄積した酸素ガスの少なくとも一部は酸素出口３５を通って電解ガス発生器１１を出ることができ、これによって電気分解を再開させる。
【００８５】
理解され得るように、前述のシナリオは、電解ガス発生器１１によって生成された酸素が管材によって移植された細胞および／または組織を保持する閉じた容器まで導かれる細胞移植片システムの状況において、起こり得る。移植された細胞および／もしくは組織が、発生した酸素が送達される速度を超えるかまたはこれとほぼ等しい速度で、移植された細胞および／もしくは組織に送達された酸素を消費できない場合、または酸素出口３５の下流の流れに何らかの制限がある場合、上記で説明されたように酸素は電解ガス発生器１１内に蓄積し得る。電解ガス発生器１１内に蓄積した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、電解ガス発生器１１は酸素の発生を停止する。このように、電解ガス発生器１１は、自己調節式であると見なされることが可能である。理解され得るように、このような自己調節式電解ガス発生器は、少なくとも外部センサまた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。
【００８６】
ここで図３および図４を参照すると、本発明にしたがって構築された電解ガス発生器の第２の実施形態の概略断面図が示されており、電解ガス発生器は全体として符号１１１で表されている。（簡潔さおよび明確さのため、本発明の理解にとって重要ではない電解ガス発生器１１１の特定の構成要素は、本明細書において図示もしくは記載されないか、または簡略化して図示および／もしくは記載される。）
【００８７】
水電解槽の形態であってもよい、電解ガス発生器１１１は、電解ガス発生器１１と多くの点で似ていてもよい。したがって、電解ガス発生器１１１は、高分子電解質膜１３と同一であり得る高分子電解質膜１１３を備えてもいてよい。加えて、電解ガス発生器１１１はまた、アノード電極触媒層１１９およびアノード支持体１２１を備えるアノード１１５も備えていてもよく、アノード１１５、アノード電極触媒層１１９、およびアノード支持体１２１は、電解ガス発生器１１のアノード１５、アノード電極触媒層１９、およびアノード支持体２１とそれぞれ同一であってもよい。また、電解ガス発生器１１１は、カソード電極触媒層１２３およびカソード支持体１２５を備えるカソード１１７をさらに備えていてもよく、カソード１１７、カソード電極触媒層１２３、およびカソード支持体１２５は、電解ガス発生器１１のカソード１７、カソード電極触媒層２３、およびカソード支持体２５とそれぞれ同一であってもよい。
【００８８】
電解ガス発生器１１１は、アノードシール１３１およびカソードシール１３３をさらに備え得る。アノードシール１３１はアノードシール３１とほとんどの点で類似であってもよく、２つのアノードシール間の主な違いは、アノードシール３１は酸素出口３５および水入口３６を備え得るのに対して、アノードシール１３１は酸素出口１３５を備え得るが水入口を含む必要がないことである。実際、場合によっては、アノードシール１３１が酸素出口１３５を含まないことさえ可能であるかも知れない。カソードシール１３３はカソードシール３３とほとんどの点で類似であってもよく、２つのカソードシール間の主な違いは、カソードシール３３は水入口３７および水素出口３９を備え得るのに対して、カソードシール１３３は水素出口１３９を備え得るが水入口を含む必要がないことである。
【００８９】
電解ガス発生器１１１は、アノード集電体１５１をさらに備え得る。アノード集電体１５１はアノード集電体５１とほとんどの点で類似であってもよく、２つのアノード集電体間の主な違いは、アノード集電体５１は実質的にガス不透過性であり得るのに対して、アノード集電体１５１はガス透過性であることである。アノード集電体１５１は好ましくは液体透過性でもある。
【００９０】
電解ガス発生器１１１は、アノードエンドプレート１６１をさらに備え得る。アノードエンドプレート１６１はアノードエンドプレート６１とほとんどの点で類似であってもよく、２つのエンドプレート間の主な違いは、アノードエンドプレート６１は非多孔質の流体不透過性材料で作られ得るのに対して、アノードエンドプレート１６１は多孔質または流体透過性材料を含み得ることである。たとえば、本実施形態では、アノードエンドプレート１６１は１つ以上の孔１６３を備え得る。孔１６３は、アノードエンドプレート１６１の外部環境からアノードエンドプレート１６１の内部チャンバへ、またはその逆に、気体または液体の通過を可能にし得る。（加えて、孔１６３は局所的外圧との圧力均等化を可能にし得る。）たとえば、外部の水は孔１６３を通って電解ガス発生器１１１のアノード側に導入され得、アノード１１５で発生した酸素ガスは孔１６３を通って電解ガス発生器１１１から排出され得る。選択された汚染物質が電解ガス発生器１１１の外部から孔１６３を通ってアノードエンドプレート１６１の内部チャンバの中まで通過するのを防ぐために、限外濾過膜１６５またはその他の適切な膜もしくはフィルタが孔１６３の中に配置されてもよい。（限外濾過膜１６５を孔１６３の中に配置する代わりに、または限外濾過膜１６５を孔１６３の中に配置することに加えて、限外濾過膜１６５はアノードエンドプレート１６１の外面または内面に沿って孔１６３を横切って配置され得ることが、理解されるべきである。）米国特許出願公開第２０１５／０１１２２４７（Ａ１）号明細書に開示されるような血管形成膜（図示せず）が、アノードエンドプレート１６１の１つ以上の露出面に適用されてもよい。
【００９１】
たとえば、電解ガス発生器１１１が患者に埋め込まれる場合、孔１６３を通って排出された酸素ガスは、孔１６３に結合された１つ以上の管を介して所望の目的地に送達され得る。あるいは、電解ガス発生器１１１は、所望の目的地の付近または所望の目的地に配置されてもよく、排出されたガスは、管材を使用せずに所望の目的地に単純に拡散してもよい。実際、一実施形態によれば、移植された細胞および／または組織を保持する容器のガス透過性の壁は、孔１６３から排出された酸素が移植された細胞および／または組織を保持する容器内まで直接通過できるように、アノードエンドプレート１６１の外部と直接接触していてもよい。
【００９２】
電解ガス発生器１１１は、弾性圧縮可能部材１８１をさらに備え得る。弾性圧縮可能部材１８１は弾性圧縮可能部材８１とほとんどの点で類似であってもよく、２つの弾性圧縮可能部材間の主な違いは、弾性圧縮可能部材８１は多孔質またはガス透過性である必要がないのに対して、弾性圧縮可能部材１８１は、アノード１１５で発生した酸素ガスが通過できるようにするため、好ましくは多孔質またはガス透過性であることである。したがって、たとえば、弾性圧縮可能部材１８１は適切なオープンセル発泡体であってもよい。
【００９３】
電解ガス発生器１１１は、カソード集電体１９１をさらに備え得る。カソード集電体１９１はカソード集電体９１とほとんどの点で類似であってもよく、２つのカソード集電体間の主な違いは、カソード集電体９１は多孔質である必要がないのに対して、カソード集電体１９１は１つ以上の孔１９２を備え得ることである。以下で明らかになるように、孔１９２は、カソード１１７への外部の水の通過を容易にするために使用され得る。
【００９４】
電解ガス発生器１１１は、界面層１９３をさらに備え得る。カソード集電体１９１の下に直接接触して配置された界面層１９３は、液体透過性でガス不透過性の材料を含み得る。このようにして、界面層１９３は、汚染物質（たとえば電解ガス発生器１１１が患者に埋め込まれる場合、外部の水の中の生体分子など）を排除しながら、界面層１９３を通じて外部の水のカソード集電体１９１の孔１９２への通過を容易にすることができ、カソード１１７で発生したガスが界面層１９３を通って流出するのを防ぐことができる。界面層１９３の周囲の周りに封止ガスケット１９４が配置されてもよい。
【００９５】
電解ガス発生器１１１は、カソードエンドプレート１９５をさらに備え得る。カソードエンドプレート１９５はカソードエンドプレート９５とほとんどの点で類似であってもよく、２つのカソードエンドプレート間の主な違いは、カソードエンドプレート９５は多孔質である必要がないのに対して、カソードエンドプレート１９５は１つ以上の孔１９６を備えていてもよく、孔１９６は局所環境と連通し、カソード１１７への送達のために電解ガス発生器１１１内への外部の水の流入を容易にするために、使用され得ることである。たとえば、電解ガス発生器１１１が患者に埋め込まれる場合、カソードエンドプレート１９５および界面層１９３の外面は、血管内殖および組織一体化（組織統合；tissue integration）を促進するために処理されてもよい。米国特許出願公開第２０１５／０１１２２４７（Ａ１）号明細書に開示されるような血管形成膜（図示せず）が、カソードエンドプレート１９５の１つ以上の露出面に適用されてもよい。
【００９６】
電解ガス発生器１１１は電源２０１をさらに備えていてもよく、これは電源１０１と同一であってもよい。電源２０１は、配線２０３によってアノード集電体１５１に、および配線２０５によってカソード集電体１９１に、電気的に接続され得る。
【００９７】
電解ガス発生器１１のように、電解ガス発生器１１１は、従来のＰＥＭベースの水電解槽に一般的に見られるその他の構成要素をさらに備え得る。
【００９８】
ここで特に図３を参照すると、使用時に、アノード集電体１５１、アノード支持体１２１、アノード電極触媒層１１９、高分子電解質膜１１３、カソード電極触媒層１２３、カソード支持体１２５、およびカソード集電体１９１の組み合わせにわたって電気的接触が確立されることがわかる。結果として、電解ガス発生器１１１は閉電気回路を形成し、電解ガス発生器１１１は、水の電気分解のための動作（または「オン」）状態にある。水は、最初にアノードエンドプレート１６１の孔１６３を通過し、次いで弾性圧縮可能部材１８１を通過し、次いでアノード集電体１５１を通過することによって、電解ガス発生器１１１内に導入され得る。加えて、水はまた、カソードエンドプレート１９５の孔１９６を通過し、次いで界面層１９３を通過し、次いでカソード集電体１９１の孔１９２を通過することによって、電解ガス発生器１１１内に導入され得る。次いで、このような水は、電解ガス発生器１１１の電気活性界面で従来の方法で電気分解されることが可能であり、このとき高分子電解質膜１１３とアノード電極触媒層１１９の界面で酸素ガスが発生し、高分子電解質膜１１３とカソード電極触媒層１２３の界面で水素ガスが発生する。こうして発生した水素ガスはその後、水素出口１３９を通って電解ガス発生器１１１を出ることができる。
【００９９】
こうして発生した酸素ガスに関して、第１の部分は酸素出口１３５を通って電解ガス発生器１１１を出ることができ、第２の部分はアノード集電体１５１を通って拡散し、次いで弾性圧縮材料１８１を通過し、次いでアノードエンドプレート１６１の孔１６３を通過することができ、第３の部分はアノード集電体１５１とアノード支持体１２１との間に蓄積し得る。第３の部分のガス圧が弾性圧縮可能部材１８１によって印加された圧力と環境圧力との組み合わせを超えない場合、アノード集電体１５１はアノード支持体１２１と接触したままであることができ、電気分解は継続できる。一方、第３の部分のガス圧が弾性圧縮可能部材１８１によって印加された圧力と環境圧力との組み合わせを超える場合、図４に見られるように、アノード集電体１５１は曲がってアノード支持体１２１と接触しなくなり、これによってアノード集電体１５１とアノード支持体１２１との間のいかなる電気的接触も切断する。結果として、電解ガス発生器１１１は水の電気分解を停止し得る。その後、アノード集電体１５１がアノード支持体１２１と元通り接触するのに十分なほどアノード支持体１２１とアノード集電体１５１との間のガス圧が低下するまで、アノード支持体１２１とアノード集電体１５１との間に蓄積した酸素ガスの少なくとも一部は放散することができ、これによって電気分解を再開させる。
【０１００】
ここで図５および図６を参照すると、本発明にしたがって構築された代替アノード集電体の概略断面図が示されており、代替アノード集電体は全体として符号２５１で表されている。
【０１０１】
電解ガス発生器１１、電解ガス発生器１１１、または類似の原理で動作するその他の電解ガス発生器での使用に適し得るアノード集電体２５１は、アノード集電体５１またはアノード集電体１５１とほとんどの点で類似であってもよく、このようなアノード集電体と同様に使用されてもよい。アノード集電体２５１と、アノード集電体５１またはアノード集電体１５１との間の主な違いは、アノード集電体５１または１５１は一体構造であり得るのに対して、アノード集電体２５１は導電性ダイヤフラム２５３およびリング端子２５５の組み合わせを備え得ることである。導電性ダイヤフラム２５３は、アノード集電体５１またはアノード集電体１５１と構成が類似していてもよい。導電性部材であってもよいリング端子２５５は、導電性ダイヤフラム２５３に接合または固定されていてもよい。図５に見られ得るように、導電性ダイヤフラム２５３は、その弛緩状態にあるとき、実質的に平坦になっている。その結果、導電性ダイヤフラム２５３がこのような扁平状態にあるとき、アノード集電体２５１は、電解ガス発生器を動作（または「オン」状態）に維持するために使用され得る。対照的に、図６に見られ得るように、導電性ダイヤフラム２５３は、たとえばガス圧を受けたときに膨張することができ、リング端子２５５の開口部２５７を通って延在することができる。その結果、導電性ダイヤフラム２５３がこのような膨張状態にあるとき、アノード集電体２５１はそのアノードと電気的接触しないように移動し、これによってそれぞれの電解ガス発生器を非動作（または「オフ」）状態に切り替えさせる。その後、導電性ダイヤフラム２５３がもはやこのようなガス圧を受けなくなったとき、またはガス圧が特定の閾値まで低下したとき、弾性圧縮可能部材８１もしくは１８１からの付勢力のため、および／または導電性ダイヤフラム２５３自体の固有の弾性のため、導電性ダイヤフラム２５３は再び扁平状態になることができる。
【０１０２】
ここで図７および図８を参照すると、本発明にしたがって構築された電解ガス発生器の第３の実施形態の概略断面図が示されており、電解ガス発生器は全体として符号３１１で表されている。（簡潔さおよび明確さのため、本発明の理解にとって重要ではない電解ガス発生器３１１の特定の構成要素は、本明細書において図示もしくは記載されないか、または簡略化して図示および／もしくは記載される。）
【０１０３】
電解ガス発生器３１１は、電解ガス発生器１１１とほとんどの点で類似であってもよい。２つの電解ガス発生器間の主な違いは、電解ガス発生器１１１は、アノード集電体１５１とアノード支持体１２１との間のガス圧が弾性圧縮可能部材１８１によって印加された圧力と環境圧力との組み合わせを超えるときにアノード集電体１５１がアノード支持体１２１と物理的／電気的に接触しないように構成され得るのに対して、電解ガス発生器３１１は、同様の圧力条件下で、程度は減るものの互いに何らかの物理的／電気的接触を維持するように構成された、アノード支持体３２１およびアノード集電体３５１を備え得ることである。「部分的にオン」状態と見なされ得るこのような状態は、より長いおよび／またはより蛇行した伝導経路によって課される追加の直列抵抗のため、電解ガス発生器３１１を通る電流を減少させる。このような電流の減少の結果として、ガス生成の減少が起こり得る。
【０１０４】
理解され得るように、本発明の重要な特徴はアノード集電体であり、これはアノード集電体の対向面にかかる圧力の差に応じて、アノード支持体との可変物理的接触、したがって可変電気的接触も、持続させる。発生したガス圧力に対抗して、弾性圧縮可能部材（たとえば、ゴム発泡体）が、電解ガスの発生が起こる側とは反対側のアノード集電体の側に実装されてもよい。電解ガス発生器の必須構成要素は、環境圧力または発生したガスの圧力のいずれかの変化に対する応答性を可能にするために、集電方式の修正によって改善され得る。物理的接触、したがって導電性も、以下の電気経路に沿って維持される：アノード集電体からアノード支持体、アノード電極触媒層、高分子電解質膜、カソード電極触媒層、カソード支持体、そして最後にカソード集電体へ。セルの２つの集電体への電力の印加は電解ガスの発生を引き起こすので、この状態は「オン」と考えられる。このガス発生は、任意の電気経路またはイオン経路が開放されると（すなわち、切り離されると）停止し（「オフ」状態）、直列回路内のいずれかの構成要素が高抵抗を生じると減少するが、これは電流がこれによって減衰するからである（「部分的にオン」状態）。本発明によれば、「オフ」状態は、印加された電解電流、ならびに、電気分解により生成されたガスと、アノードエンドプレート内の基準領域に伝達される環境圧力と弾性圧縮可能部材の圧縮力の合計との差圧の影響によって、達成され得る。アノード集電体にわたる圧力差（ｄＰ）は、
ｄＰ＝Ｐｅ＋Ｐｃ−Ｐｇ
で表すことができ、Ｐｅは環境圧力、Ｐｃは弾性圧縮可能部材によって印加された圧力、およびＰｇはガス領域におけるガス圧である。ガス領域内の圧力が基準領域内の合算圧力（Ｐｅ＋Ｐｃ）を超えると、ｄＰ値は負になり、アノード集電体は弾性圧縮可能部材の中に向かって撓み、アノード支持体から離れるように移動して、機械的分離および電気回路の開路を引き起こす。「オン」状態の再確立は、自己調節式電解ガス発生器の通常動作の一部であってもよく、また、「オン」状態の再確立は、中に蓄えられた機械的エネルギーが、アノード集電体とアノード支持体との間の機械的接触を回復するのに十分な、電解槽の活性領域に対する力をもたらすように、弾性圧縮可能部材の賢明な選択によって保証される。同様に、環境圧力（すなわち、大気圧、または発生したガスを利用する細胞移植片を有する対象の血圧）が変化する場合、ガスの発生を適切に調節し、これによってガス処理済み移植片の圧力を調整するように、アノード集電体の変位にそれぞれの変化があるだろう。
【０１０５】
「オン」−「オフ」機能は発生したガス圧の一般的な制御に適しているかも知れないが、最も精密な圧力制御を達成するために、電流をより低い非ゼロ値に調節することが好ましいかも知れない。ガス圧Ｐｇと基準領域圧力（弾性圧縮可能部材の圧縮力Ｐｃおよび環境圧力Ｐｅの合計）が等しくなり、アプリケーションへのガス送達の定常状態速度に比例する低速で電流が流れ続けるときに、「部分的にオン」状態となり得る。電解ガス発生器の定電力または定電圧制御の下で、セルを流れる電流は、この場合、より長いおよび／またはより蛇行した伝導経路によって課される追加の直列抵抗によって、減少する。「部分的にオン」状態を示す図８を参照すると、アノード集電体とアノード支持体とは完全には接触していないことがわかる。結果として、セルを流れる電流はアノード支持体を通るさらに長い経路を取らなければならず、アノード集電体とアノード支持体との間のより小さい接触面積およびより小さい接触圧力のため、より大きい接触抵抗が存在する。
【０１０６】
正しい圧力範囲内で所望の電流減衰機能のための自己調節式電解ガス発生器構成要素の特性を設計する際に、弾性圧縮可能部材およびアノード集電体の機械的特性、アノード集電体およびアノード支持体の接触およびシート抵抗特性、ならびに達成される弾性圧縮可能部材の圧縮量を考慮に入れるべきである。ガス圧（Ｐｇ）および基準領域圧（Ｐｅ＋Ｐｃ）がゼロまたは正の差圧（ｄＰ）を生じる「オン」状態では、エンドプレートキャビティ深さおよび弾性圧縮可能部材の厚さは、エンドプレートが周辺シール領域のガスケットに当接して完全に圧縮されたときの弾性圧縮可能部材の圧縮厚さが所望のＰｃを蓄積するように、選択されるべきである。これは弾性圧縮可能部材の圧縮性に由来し、好ましくは圧縮時の材料の応力−歪み特性の弾性変形領域内から選択される。
【０１０７】
本発明の電解ガス発生器は特定の実施形態において、とりわけ、可逆的に膨張可能なアノード集電体と、可逆的に膨張可能なアノード集電体を扁平状態に付勢するように構成された弾性圧縮可能部材とを備えるとして本明細書に説明されてきたが、本発明によれば、代わりに可逆的に膨張可能なカソード集電体と、可逆的に膨張可能なカソード集電体を扁平状態に付勢するように構成された弾性圧縮可能部材とを有するように、このような電解ガス発生器を変更できることは、理解されるべきである。また、本発明によれば、特定の事例では、電解ガス発生器が、とりわけ可逆的に膨張可能なアノード集電体と、可逆的に膨張可能なアノード集電体を扁平状態に付勢するように構成された弾性圧縮可能部材と、可逆的に膨張可能なカソード集電体と、可逆的に膨張可能なカソード集電体を扁平状態に付勢するように構成された弾性圧縮可能部材と、を備えることが望ましいだろうことは、理解されるべきである。
【０１０８】
理解され得るように、本発明の電解ガス発生器は、本発明の電解ガス発生器の複数のユニットのみで構成されるか、または従来のおよび／もしくは新規な電解ガス発生器もしくはその他の電気化学セルと組み合わせた、マルチセルスタックに組み込まれてもよい。
【０１０９】
液相または溶解生成物が拡散によってアプリケーションに送達され、電気分解反応の自動調節が同一の回路遮断方法（一連の電気分解の間の電解質体積、したがって圧力の増減によって支配される）で達成される、全液体システムへの上記の原理の拡大は、本明細書で説明された自己調節原理の付加的な特徴である。
【０１１０】
ここで図９を参照すると、本発明に従って構成されたインプラントシステムの第１の実施形態の図が示されており、インプラントシステムは全体として符号４１１で表されている。（簡潔さおよび明確さのため、本発明の理解にとって重要ではないインプラントシステム４１１の特定の構成要素は、本明細書において図示もしくは記載されないか、または簡略化して図示および／もしくは記載される。）
【０１１１】
インプラントシステム４１１は電解ガス発生器４１３を備え得る。そして電解ガス発生器４１３は、ハウジング上部４１５およびハウジング底部４１７内に収容された、上記で説明された電解ガス発生器のいずれかを備え得る。電解ガス発生器４１３は、電解ガス発生器に電力供給するための電池（図示せず）がその下に配置されている電池蓋４１９を、さらに備え得る。
【０１１２】
インプラントシステム４１１は、移植された細胞および／または組織を保持するための容器４２１をさらに備え得る。容器４２１は、たとえば、移植された細胞および／または組織を保持するための従来の容器であってもよく、またはたとえば、米国特許出願公開第２０１５／０１１２２４７（Ａ１）号明細書に開示されているタイプの容器であってもよい。
【０１１３】
インプラントシステム４１１は、電解ガス発生器４１３を容器４２１に流体接続するための管材４３１をさらに備え得る。より具体的には、管材４３１の一端は電解ガス発生器４１３の酸素出口に流体結合されていてもよく、管材の他端は容器４２１の内部に流体結合されていてもよい。（あるいは、管材４３１は、電解ガス発生器４１３の水素出口を容器４２１の内部に流体結合するために使用されることが可能である。）
【０１１４】
ここで図１０を参照すると、本発明に従って構成されたインプラントシステムの第２の実施形態の図が示されており、インプラントシステムは全体として符号５１１で表されている。（簡潔さおよび明確さのため、本発明の理解にとって重要ではないインプラントシステム５１１の特定の構成要素は、本明細書において図示もしくは記載されないか、または簡略化して図示および／もしくは記載される。）
【０１１５】
インプラントシステム５１１はインプラントシステム４１１とほとんどの点で類似であってもよく、２つのインプラントシステム間の主な違いは、インプラントシステム４１１は電解ガス発生器４１３の酸素出口または水素出口のいずれかを容器４２１の内部に流体結合するための管材４３１を備え得るのに対して、インプラントシステム５１１は電解ガス発生器４１３の酸素出口を容器５１５の内部に流体結合するための第１管材５１３と、電解ガス発生器４１３の水素出口を容器５１５の内部に流体結合するための第２管材５１７とを備え得ることである。容器５１５は、たとえば、米国特許出願公開第２０１５／０１１２２４７（Ａ１）号明細書に開示されているタイプの容器であってもよい。容器５１５は任意選択的に、容器５１５内に封入された細胞または組織内にではなく、移植片から離れて体内に電解により発生した一方または他方のガスの拡散のための、移植された組織との別個の接触面を含んでいてもよい。
【０１１６】
以下の実施例は、説明目的のためだけに提供され、決して本発明の範囲を限定するように意図するものではない。
【０１１７】
実施例１
既存の小型電気分解セルを、自己調節式電解ガス発生器として使用するように適合させた。セルは、セルの活性領域およびシール領域に対する一定の機械的負荷を維持するために、機械加工されたポリ（エーテルエーテルケトン）プラスチックエンドプレートおよびステンレス鋼固定具を使用した。
【０１１８】
セルの中心にある膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）としてＳｏｌｖａｙ  Ａｑｕｉｖｉｏｎ（登録商標）Ｅ７９−０４ＳＸペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）フィルムを利用し、電極触媒には白金黒触媒（Ｅｎｇｅｌｈａｒｄ、４ｍｇ／ｃｍ２）を利用した。電極触媒をＡｑｕｉｖｉｏｎ（登録商標）ＰＦＳＡ溶液（Ｓｏｌｖａｙ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）と混合し、ＭＥＡを利用するために１０００ｐｓｉおよび１７５°Ｃでデカール転写によってＰＥＭに適用した。アノード電極触媒は、電圧効率を改善するためにイリジウムを含有していた。
【０１１９】
ＭＥＡの円形の活性触媒領域（２ｃｍ２）を、その両側で、支持体を備える多孔質の導電性媒体と電気的に接触させ、且つ機械的に補強した。カソード支持体は多孔質炭素（Ｔｏｒａｙ  ＴＧＰＨ−０９０）であり、アノード支持体は多孔質チタン（ＡＤＭＡ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）であった。ＭＥＡの境界を、接着剤付きビニルガスケットで封止した。
【０１２０】
カソード集電体は、端部集電用のタブを有する白金被覆チタンシートであった。アノード集電体（ダイヤフラム集電体）は、米国特許第９，５９５，７２７（Ｂ２）号明細書の実施例８、ビルド２にしたがって作成されたカーボンナノチューブ／ＰＦＳＡ混合物を含む、ＷａＭＭ（商標）膜（Ｇｉｎｅｒ，Ｉｎｃ．，マサチューセッツ州ニュートン）であった。ＷａＭＭ（商標）膜は、良好なセル性能に必要な、水蒸気に対する高い選択透過性および良好な導電性のために選択された。ＷａＭＭ（商標）膜は切断され、シール領域の外縁部まで延在し、集電用のタブを含んでいた。ＭＥＡのアノード面、アノード側ガスケットの内壁、およびアノード支持体と接触するＷａＭＭ（商標）膜の面によって画定された円柱容積は、高い相対圧力での内部容積を構成した。
【０１２１】
ＷａＭＭ（商標）膜は、活性領域と同じ直径に切断された、１／１６’’厚で弾性圧縮可能なオープンセルシリコーンゴム発泡体材料（密度−１２ｌｂｓ／ｆｔ３）によって、アノード支持体の反対の面に支持されていた。アセンブリのこの部分では、セルのシール領域は、発泡体の周りの周方向に位置する１／１６’’厚で正方形プロファイルのブナＮゴム製Ｏリングを備えた。アノード側エンドプレートの面にある小さい穴は、低い相対圧力で、発泡体によって画定された領域の、外部環境との連通を可能にした。
【０１２２】
この自己調節式電解ガス発生器のカソードおよびアノード集電体タブへの、ＤＣ電源からの２．５ボルトの印加によって、セル電流が直ちに約８ｍＡに上昇し、続いて約１０分にわたって約１．５ｍＡまで安定して低下した。図１１のチャートを参照すると、安定した低下の後に、セルは、約２０秒間隔で１ｍＡから約４ｍＡにジャンプして、無期限に電流の振動を開始することが観察された。ガス発生速度は、ガス圧最大値（この場合、約２０ｐｓｉｇ）でこのように減少し、高電流動作に必要なアノード支持体とダイヤフラム集電体との間の電気的接触の度合が回復できる程度に、ダイヤフラム集電体の高相対圧力側からの質量移動によって圧力を緩和するのに十分な期間の後に、回復した。この電流の回復は、一定の印加電圧で新たな圧力差を可能にし、これによって別の圧力−電流−時間サイクルを引き起こした。
【０１２３】
実施例２
既存の小型電気分解セルを、自己調節式電解ガス発生器として使用するように適合させた。セルは、セルの活性領域およびシール領域に対する一定の機械的負荷を維持するために、機械加工されたポリ（エーテルエーテルケトン）プラスチックエンドプレートおよびステンレス鋼固定具を使用した。ガスケットと酸素ポートとの整列を維持するために、位置合わせピンの穴を追加した。
【０１２４】
セルの中心にある膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）としてＳｏｌｖａｙ  Ａｑｕｉｖｉｏｎ（登録商標）Ｅ７９−０５Ｓペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）フィルムを利用し、電極触媒には白金黒触媒（Ｅｎｇｅｌｈａｒｄ、４ｍｇ／ｃｍ２）を利用した。電極触媒をＡｑｕｉｖｉｏｎ（登録商標）ＰＦＳＡ溶液（Ｓｏｌｖａｙ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）と混合し、ＭＥＡを利用するために１０００ｐｓｉおよび１７５°Ｃでデカール転写によってＰＥＭに適用した。アノード電極触媒は、電圧効率を改善するためにイリジウムを含有していた。
【０１２５】
ＭＥＡの円形の活性触媒領域（１ｃｍ２）を、その両側で、支持体を備える多孔質の導電性媒体と電気的に接触させ、機械的に補強した。カソード支持体は多孔質炭素（Ｔｏｒａｙ  ＴＧＰＨ−０９０）であり、アノード支持体は多孔質チタン（ＡＤＭＡ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）であった。ＭＥＡの境界を、アノード面およびカソード面の両方の周囲でポリテトラフルオロエチレンガスケットを用いて封止した。
【０１２６】
カソード集電体は、端部集電用のタブを有する白金被覆チタンシートであった。アノード集電体は、端部集電用のタブを有する白金被覆チタン環であった。ＭＥＡとアノード集電体との間には、（ＭＥＡと接触している）ガス収集用のポートを有する非導電性環と、非導電性環とアノード集電体との間にあるＣｈｏ−Ｓｅａｌ１２１５エラストマ（シリコーンバインダ中の銀めっき銅フィラーで作られた導電性材料、Ｐａｒｋｅｒ  Ｃｈｏｍｅｒｉｃｓ、マサチューセッツ州ウォバーンの製品）で作られた導電性ダイヤフラムとがあった。Ｃｈｏ−Ｓｅａｌ１２１５は、その良好な導電性および弾性機械特性のために選択された。ＭＥＡのアノード面、アノード側ガスケットおよび非導電性ポートの内壁、およびアノード支持体と接触する導電性ダイヤフラムの面によって画定された円柱容積は、高い相対圧力での内部容積を構成した。
【０１２７】
導電性ダイヤフラムは、活性領域径よりもわずかに大きい直径に切断された、１／８’’厚のオープンセルポリウレタンポリエーテル発泡体材料（Ｎｅｗ  Ｅｎｇｌａｎｄ  Ｆｏａｍ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ＬＬＣ，コネチカット州ハートフォードによって製造されたＦｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ  １０３４；密度−０．９  ｌｂ／ｆｔ３）によって、アノード支持体の反対の面に支持されていた。アセンブリのこの部分では、セルのシール領域は、発泡体の周りの周方向に位置する０．０７’’厚で正方形プロファイルのポリテトラフルオロエチレンガスケットを備えた。アノード側エンドプレート面の中央にある小さい穴は、低い相対圧力で、発泡体によって画定された領域の、外部環境との連通を可能にした。アノード側エンドプレートの面を貫通する第２の穴は、ＭＥＡで発生して非導電性ポートを通じて収集されたガスがセルの外へ導かれることを可能にした。
【０１２８】
このように説明された電解ガス発生器を、セルに電流を供給するＤＣ電源と、酸素出口の流量計（Ａｌｉｃａｔ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｍ−０．５ＳＣＣＭ−Ｄ）および圧力変換器（ＩＦＭ  ＰＸ３２３８）と、大気中に放出する流量制限弁と、を有する試験システムに取り付けた。この自己調節式電解ガス発生器のカソード集電体タブとアノード集電体タブとの間のＤＣ電源からの１．５ＶＤＣを超える印加によって、セル電流が直ちに約１０ｍＡに上昇し、続いて電流振動が生じ、セル内の圧力が上昇するにつれて下限が４ｍＡから２ｍＡまでゆっくりと低下した。図１２を参照すると、下限のこの安定した低下の後に、セルは、約１０秒間隔で約２ｍＡから約１０ｍＡの間で無期限に電流の振動を開始することが観察された。ガス発生速度（標準立方センチメートル毎時の酸素ガス流速、ｓｃｃｈ）もまた、セル電流の自己調節にしたがって振動し始め、セルの出口と流量制限弁との間で１．２ｐｓｉｇの一定の調節されたガス圧が観察された。
【０１２９】
上述された本発明の実施形態は単に例示的であるよう意図されており、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、多くの変更および修正を行うことができる。そのような変形および修正はすべて、添付の特許請求の範囲に定義されているように本発明の範囲内にあることが意図されている。
【図１】
2019534112.tif 000003
【図２】
2019534112.tif 000004
【図３】
2019534112.tif 000005
【図４】
2019534112.tif 000006
【図５】
2019534112.tif 000007
【図６】
2019534112.tif 000008
【図７】
2019534112.tif 000009
【図８】
2019534112.tif 000010
【図９】
2019534112.tif 000011
【図１０】
2019534112.tif 000012
【図１１】
2019534112.tif 000013
【図１２】
2019534112.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月25日(2019.7.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2019534112.tif 000015
【図２】
2019534112.tif 000016
【図３】
2019534112.tif 000017
【図４】
2019534112.tif 000018
【図５】
2019534112.tif 000019
【図６】
2019534112.tif 000020
【図７】
2019534112.tif 000021
【図８】
2019534112.tif 000022
【図９】
2019534112.tif 000023
【図１０】
2019534112.tif 000024
【図１１】
2019534112.tif 000025
【図１２】
2019534112.tif 000026
【国際調査報告】
2019534112.tif 000027