自调节电解气体发生器和包括其的植入物系统的制作方法

本申请根据35u.s.c.119(e)要求2016年11月15日提交的发明人simong.stone等人的美国临时专利申请号62/422,420的权益，其公开内容以引用方式并入本文。

联邦政府资助的研究或开发

本发明是在nih-niddk授予的授权号1r43dk113536-01下通过政府支持来完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术：

本发明整体涉及电解气体发生器，并且更具体地涉及新型电解气体发生器和包括该新型电解气体发生器的植入物系统。

在使用点处受控地生成一种或多种类型的气体对于多种工业和医疗应用而言是重要的。电解是用于生成此类气体的常用技术，并且通常涉及使用电流将原料(通常是低成本、稳定的反应物)转化为有用的商品(通常是高成本或不稳定的产物)。由于其高工艺效率、其产物选择性、以及其通过控制施加电流来控制生产速率的固有能力，电解作为生产技术是有利的。被设计成使用电解来生成一种或多种气体的装置有时被称为电解气体发生器。例如，用于氢气产生的电解气体发生器经常在分析实验室中使用以便按需供应高纯度氢气，以用作气相色谱法中的载体和检测器气体。例如，用于氧气产生的电解气体发生器已经用于在皮肤伤口处原位生成氧气，以改善严重烧伤和糖尿病溃疡的愈合过程。此类电解气体发生器通常需要若干基本系统部件来管理性能和安全性，并且这些基本系统部件通常包括电流控制(例如，用于维持生成率和电压效率的dc电源)、下游压力和气体纯度监测(例如，用于过程和环境安全)和流体管理(例如，水反应物进料泵和气液分离单元)。然而，可以理解，此类部件可能增加整个系统的尺寸、成本和复杂性，并且可能使整个系统更难以维护。此外，虽然氢气和氧气是由电解气体发生器产生的两种较常见的气体，但电解气体发生器可用于产生其他气体，诸如但不限于，二氧化碳、氯、臭氧、过氧化氢、二氧化氯、一氧化氮、二氧化硫、硫化氢、一氧化碳、氨、氯化氢、溴化氢和氰化氢。

用于原位气体生成的新兴医疗应用是向位于皮肤下方的细胞和/或组织提供气态氧，或者作为皮下植入装置的一部分包括在内。皮下植入装置是用于原位生成治疗剂并将其传播给需要该治疗剂的患者以用于治疗各种疾病、症状和/或病症的有用工具。通常，此类植入装置包括封装在合适的可植入容器内的细胞和/或组织。可植入容器通常被设计成允许细胞和/或组织产生期望的治疗剂并用于将所产生的治疗剂传播给患者，而同时限制免疫应答。可以理解，向植入装置输送必需气体(例如，氧气)和营养物对于其中包含的细胞和/或组织的活力和功能是重要的。关于向植入装置输送气体，对于患者的安全性尤其重要的是，要防止和/或减轻过量的气体压力以便消除患者的疼痛、感染、组织损伤或栓塞的风险。

在2015年4月23日公开并通过引用整体并入本文的发明人tempelman等人的美国专利申请公开号us2015/0112247a1中，公开了一种用于细胞植入物的气体治疗的系统。根据上述公开(下文称为“‘247公开”)，该系统增强了细胞植入物的活力和功能，特别是具有高细胞密度的植入物，以用于人类或兽医学。该系统使用微型电化学气体发生器子系统，其持续向可植入和免疫隔离的细胞容纳子系统内的细胞供应氧气和/或氢气，以便在高细胞密度下促进细胞活力和功能，同时最小化整个植入物尺寸。细胞容纳子系统被配备有允许通过可植入细胞容纳子系统内的多孔管线或仅气体可渗透的内部气体隔室输送气体的特征。此外，气体发生器子系统包括在植入时允许接近水以进行电解的部件，由此促进气体发生器子系统的长期可植入性。该系统的应用是用于治疗i型糖尿病(t1d)的胰岛(或胰岛类似物)植入物，其被认为是生物人工胰腺。

在2011年2月22日发布并以引用方式并入本文的发明人vardi等人的美国专利号7,892,222b2中公开了一种可植入装置，其包括用于容纳功能细胞的腔室和用于向该腔室内的细胞提供氧气的氧气发生器。根据上述专利(下文称为“‘222专利”)，将功能细胞装载到装置的腔室中，然后将该装置植入体内。该装置包括氧气发生器，即可以产生氧气并使其可用于功能细胞的元件，使得功能细胞不会遭受缺氧。氧气发生器因此产生氧气并且通常在细胞附近释放氧气。在一个实施方式中，氧气发生器包括一对电极。当跨电极施加电势时，通过电解腔室内存在的环境水分子来释放氧气。电极连接到电源(通常是可充电电池)。腔室还可以包括确定功能细胞附近的氧气浓度的氧气传感器。可以提供微处理器以便在传感器检测到氧气浓度低于预定的最小值时打开氧气发生器，并且在氧气浓度高于预定最大值时将其关闭。

在2002年4月9日发布并以引用方式并入本文的发明人colton等人的美国专利号6,368,592b1中，公开了一种通过电解水将氧气输送到细胞的方法。根据上述专利(下文称为“'592专利”)，通过用将水电解为氧气和氢气的氧气发生器生成氧气而在体外或体内向细胞供应氧气。使用具有夹在阳极层与阴极层之间的质子交换膜的多层电解槽片材，可以生成氧气而基本上不生成游离氢气。氧气发生器可以用于将氧气供应到培养板、培养瓶、微量滴定板或体外回路所包含的细胞，或者用于植入体内的封装室(诸如由允许选定组分进入和离开腔室的半透性阻挡层界定的免疫隔离室)中的细胞。生物活性分子可以与细胞一起存在。氧气可以原位输送到体内的细胞，诸如通过将氧气发生器植入腹膜腔控件中的含细胞微囊的附近，或者通过在包含细胞的免疫隔离室附近植入包含氧气发生器的系统。氧气发生器可以连接到电流控制电路和电源。

本发明人已经识别的关于常规用于皮下植入装置的电解气体发生器的一个缺点是，此类电解气体发生器被配置成连续生成气体(在大多数情况下是氧气)或者被配备有某种外部机构(诸如气体传感器和电流控制装置)以控制电解气体发生器的致动。然而，对于皮下植入装置，连续生成气体可能是不合需要的，特别是如果气体生成速率超过植入装置的细胞和/或组织消耗所生成的气体的速率，因为过量的气体可能导致植入物和/或患者的损伤。另一方面，用于控制气体生成的外部机构可能增加植入物的尺寸，这是不希望的，并且增加了植入物的成本和复杂性。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种新型电解气体发生器。

本发明的另一个目的是提供一种如上所述的电解气体发生器，其解决了与现有电解气体发生器相关联的至少一些缺点。

本发明的又一个目的是提供一种如上所述的电解气体发生器，其紧凑、具有最少数量的部件、制造成本低且易于操作。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于电解反应物以生成至少第一气体的电解气体发生器，所述电解气体发生器包括：(a)聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；(b)第一电极，所述第一电极电联接到所述聚合物电解质膜的所述第一面；(c)第二电极，所述第二电极电联接到所述聚合物电解质膜的所述第二面；(d)第一集电器，所述第一集电器是导电的并且在所述第一集电器电联接到所述第一电极的第一状态与所述第一集电器至少部分与所述第一电极电断开的第二状态之间可逆地变形；(e)第二集电器，所述第二集电器是导电的并且电联接到所述第二电极；以及(f)电源，所述电源电联接到所述第一集电器和所述第二集电器；(g)由此当所述第一集电器处于第一状态并且将所述反应物供应到所述电解气体发生器时，在所述第一电极和所述聚合物电解质膜的界面处生成第一气体。

在本发明的更详细的特征中，所述电解气体发生器可以是水电解槽。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以在所述第一状态下与所述第一电极直接物理和电接触，并且可以在所述第二状态下与所述第一电极完全物理和电断开。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以在所述第一状态下与所述第一电极直接物理和电接触，并且可以在所述第二状态下与所述第一电极部分物理和电断开。

在本发明的更详细的特征中，所述第一电极可以是阳极，并且所述第二电极可以是阴极。

在本发明的更详细的特征中，所述电解气体发生器还可以包括可弹性压缩构件，所述可弹性压缩构件与所述第一集电器接合以使所述第一集电器朝向所述第一状态偏置。

在本发明的更详细的特征中，所述可弹性压缩构件可以包括泡沫块。

在本发明的更详细的特征中，所述泡沫可以是开孔泡沫。

在本发明的更详细的特征中，所述泡沫可以是闭孔泡沫。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以是弹性的。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以包括无孔的、不透气的导电隔膜。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以包括无孔的、透气的导电隔膜。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以包括导电隔膜和环形端子。

在本发明的更详细的特征中，所述第二集电器可以包括至少一个孔。

在本发明的更详细的特征中，所述电解气体发生器还可以包括第一流体入口，所述第一流体入口用于允许外部流体进入所述电解气体发生器以进行电解。

在本发明的更详细的特征中，所述电解气体发生器还可以包括第一流体出口，所述第一流体出口用于从所述电解气体发生器排出由此生成的第一气体。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于电解水以生成氧气和氢气的电解气体发生器，所述电解气体发生器包括：(a)聚合物电解质膜，所述聚合物电解质膜具有相对的第一面和第二面；(b)第一电极，所述第一电极电联接到所述聚合物电解质膜的所述第一面；(c)第二电极，所述第二电极电联接到所述聚合物电解质膜的所述第二面；(d)第一集电器，所述第一集电器是导电的并且当承受气体压力时，在所述第一集电器电联接到所述第一电极的第一状态与所述第一集电器至少部分与所述第一电极断开的第二状态之间可逆地变形；(e)第二集电器，所述第二集电器是导电的并且电联接到所述第二电极；(f)第一密封件，所述第一密封件围绕所述第一电极的周边设置，所述第一密封件包括用于排出在所述第一电极处生成的氢气和氧气中的一者的流体出口；(g)第二密封件，所述第二密封件围绕所述第二电极的周边设置，所述第二密封件包括用于排出在所述第二电极处生成的氢气和氧气中的另一者的流体出口；(h)第一端板，所述第一集电器定位在所述第一端板与所述聚合物电解质膜之间；(i)第二端板，所述第二集电器定位在所述第二端板与所述聚合物电解质膜之间；(j)其中所述第一密封件、所述第二密封件、所述第一端板和所述第二端板中的至少一个具有用于允许外部水进入的至少一个入口；以及(k)电源，所述电源电联接到所述第一集电器和所述第二集电器；(l)由此当所述第一集电器处于所述第一状态并且将水供应到所述电解气体发生器时，在所述第一电极和所述聚合物电解质膜的界面处生成氢气和氧气中的一者，并且在所述第二电极与所述聚合物电解质膜的界面处生成氢气和氧气中的另一者。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以在所述第一状态下与所述第一电极直接物理和电接触，并且可以在所述第二状态下与所述第一电极完全物理和电断开。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以在所述第一状态下与所述第一电极直接物理和电接触，并且可以在所述第二状态下与所述第一电极部分物理和电断开。

在本发明的更详细的特征中，所述第一电极可以是阳极，并且所述第二电极可以是阴极。

在本发明的更详细的特征中，所述电解气体发生器还可以包括可弹性压缩构件，所述可弹性压缩构件定位在所述第一端板与所述第一集电器之间并与所述第一端板和所述第一集电器接合以使所述第一集电器朝向所述第一状态偏置。

在本发明的更详细的特征中，所述可弹性压缩构件可以包括泡沫块。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以包括弹性的、无孔的、不透气的导电隔膜。

在本发明的更详细的特征中，所述第一集电器可以包括弹性的、无孔的、透气的导电隔膜，所述泡沫可以是开孔泡沫，并且所述第一端板可以包括至少一个孔。

在本发明的更详细的特征中，所述电解气体发生器还可以包括定位在所述第一端板的至少一个孔内的超滤膜。

在本发明的更详细的特征中，所述第二集电器可以包括至少一个孔，并且所述第二端板可以包括至少一个孔。

在本发明的更详细的特征中，所述电解气体发生器还可以包括定位在所述第二集电器与所述第二端板之间的透液体的、不透气的界面层。

在本发明的更详细的特征中，所述第一密封件和所述第二密封件中的至少一个具有用于允许外部水进入的流体入口。

本发明的另一个目的是提供一种包括上述电解气体发生器的植入物系统。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种植入物系统，所述植入物系统包括：(a)至少一个上述类型的电解气体发生器；(b)用于容纳可植入的一个或多个细胞和/或组织的容器；以及(c)用于将由所述电解气体发生器生成的气体引入所述容器的第一管线。

根据本发明的另一个方面，提供了一种植入物系统，所述植入物系统包括：(a)至少一个上述类型的电解气体发生器；(b)用于容纳可植入的一个或多个细胞和/或组织的容器；(c)用于将由所述电解气体发生器生成的氢气引入所述容器的第一管线；以及(d)用于将由所述电解气体发生器生成的氧气引入所述容器的第二管线。

出于本说明书和权利要求的目的，可当所述发明以给定取向定位或从给定取向观察时，以使用诸如“顶部”、“底部”、“近侧”、“远侧”、“上部”、“下部”、“前部”和“后部”的各种关系术语来描述本发明。应当理解，通过改变本发明的取向，可能需要相应地调整某些关系术语。

本发明的附加目的以及方面、特征和优点将在下面的描述中部分地阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来学习。在说明书中，参考了形成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了用于实施本发明的各种实施方式。将充分详细地描述实施方式以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且应当理解，可以利用其他实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求最佳地限定。

附图说明

在此并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。这些附图不一定按比例绘制，并且出于说明的目的，某些部件可能具有尺寸过小和/或尺寸过大的尺寸。在附图中，其中相同的附图标记表示相同的部分：

图1是根据本发明构造的电解气体发生器的第一实施方式的示意剖视图，该电解气体发生器被示为处于操作(或“打开”)状态；

图2是图1的电解气体发生器的示意剖视图，该电解气体发生器被示为处于非操作(或“关闭”)状态；

图3是根据本发明构造的电解气体发生器的第二实施方式的示意剖视图，该电解气体发生器被示为处于操作(或“打开”)状态；

图4是图3的电解气体发生器的示意剖视图，该电解气体发生器被示为处于非操作(或“关闭”)状态；

图5是根据本发明构造的替代性阳极集电器的示意剖视图，该替代性阳极集电器适用于图1的电解气体发生器或图3的电解气体发生器，替代性集电器在其导电隔膜处于扁平状态下示出，如电解气体发生器处于操作(或“打开”)状态时的情况；

图6是图5的替代性阳极集电器的示意剖视图，其中其导电隔膜处于扩张状态，如电解气体发生器处于非工作(或“关闭”)状态时的情况；

图7是根据本发明构造的电解气体发生器的第三实施方式的示意剖视图，电解气体发生器被示为处于完全操作状态；

图8是图7的电解气体发生器的示意剖视图，该电解气体发生器被示为处于部分操作状态；

图9是根据本发明构造的植入物系统的第一实施方式的示意性透视图；

图10是根据本发明构造的植入物系统的第二实施方式的示意性透视图；

图11是描绘实施例1中描述的电解气体发生器的电流和电压随时间变化的曲线图；以及

图12是描绘实施例2中描述的电解气体发生器的电流、压力和氧气流速随时间变化的曲线图。

具体实施方式

本发明部分地涉及一种新型电解气体发生器，并且还部分地涉及一种包括所述新型电解气体发生器的植入物系统。

在不将本发明简化为单一原理的情况下，本发明的重要概念是电解气体发生器的设计，其在电解过程期间自动经历一种或多种机械改变，诸如一个或多个部件的物理变形。更具体地，当电流通过本发明的电解气体发生器时，在阳极和/或阴极处生成产物，并且电解质也可以经由电渗透从一个电极转移到另一个电极。在水电解的情况下，如果通过电解生成的氢气和氧气的气态产物中的一者或两者在它们生成时不能快速地离开发生器，则它们可以积聚在电解气体发生器内。此类气体在电解气体发生器内的积聚可能导致一个或两个电极隔室中的压力增加，并且这种压力增加继而可能导致电解气体发生器内的某些部件的机械改变。然后可以利用这种电解引起的机械改变来限制进一步电解的程度，因为机械改变可以被工程设计成致使电解气体发生器中的彼此物理接触的两个导电元件变得彼此部分或完全断开。这种断开可以减少或停止电流，此时所生成的一种或多种气体可以保留在其相应的细胞隔室中，直到它们通过其相应出口离开电解气体发生器和/或它们通过电解气体发生器中的一个或多个可渗透层扩散到周围环境。此后，当受影响的细胞隔室中的气体压力减少时，机械改变可以自动逆转，并且已经变得断开的导电元件可以变为电连接，由此可以随之发生进一步电解。以这种方式，本发明的电解气体发生器可以能够在其附近容纳恒定的气体活动以便维持邻近组织或另一种植入物的细胞保护、呼吸和/或代谢功能，并且可以仅通过连接到电源(诸如恒定dc电流源)来实现。恒定dc电流源(诸如电池)可以与电解气体发生器共同植入，或者可以容纳在体外并经皮线连到电解气体发生器。这种系统可以可选地装配有辅助控制系统，该系统在检测到电解气体发生器已经被解除致动时(即，通过使用电流传感器)，减慢重新致动过程或者完全阻止它(即，锁定电路打开)以满足性能或安全标准。

本发明的电解气体发生器特别适用于完全植入的医疗装置，其中氧气通过扩散(即，经由气体可渗透膜)输送到一个或多个植入的免疫隔离胶囊中的细胞或组织，其速率由所述细胞或组织的代谢消耗速率管理。在这些情况下，重要的是控制氧气压力以准确控制剂量，减轻缺氧和高氧的可能影响，并最小化完全植入系统的功耗和系统复杂性。应当容易理解的是，本申请中教导的原理同样适用于其中在阴极处固有压力控制下生成的气体是氢气，或者此外，任何阳极或阴极产生的电解产物气体的电解气体发生器。

本发明的固有压力管理能力在关键应用(诸如植入的医疗装置)中相对其他压力控制方法是优选的或互补的，所述其他压力控制方法包括但不限于闭环过程控制器(压力传感器加电流控制器)、外部压力开关或减压阀，控制其源处的气体生成的能力(由此排除了在所述发生器与这些示例性外在压力管理解决方案之间插入管线情况下的电解气体发生器中的气体压力累积的风险)。容易理解的是，消除压力传感器和过程控制器或任何附加电子部件包括整个系统的简化，这可以导致更小的尺寸、更低的成本和更高的可靠性。还将容易理解的是，通常在植入(或以其他方式部分封闭)的应用中排除使用减压阀，因为没有方便或安全的位置来分流在阀致动期间生成的过量气体。还应当理解，本发明在植入的或以其他方式部分包含的应用中提供了超过其他气体生成方法的附加优点，因为它可以安全地考虑到环境(即气压)压力的变化，否则该变化可能由于过大的压差而使植入物、受试者或宿主装置处于危险中。为此目的，本发明是对植入式医疗和许多其他应用的改进，因为它能够实现这些简化而不会过度损害安全性、可靠性、尺寸、成本或效率。

除了上述可植入装置的使用之外，在小型、本质安全和/或可靠装置中需要气体试剂的原位压力控制生成的任何应用都可受益于本发明的教导。这些替代性应用可以包括例如腐蚀抑制或加速、气味控制、表面或封闭空间的清洁和/或消毒、固定或封闭生物体的生命支持、以及用于微型传感器的试剂生产。

现在参考图1和图2，示出了根据本发明构造的电解气体发生器的第一实施方式的示意性剖视图，电解气体发生器用附图标记11一般地表示。(为了简单和清楚起见，电解气体发生器11的对于理解本发明并不重要的某些部件未在本文中示出或描述，或者以简化的方式在本文中示出和/或描述。)

可为水电解槽形式的电解气体发生器11可以包括固体聚合物电解质膜(pem)13(在本领域中也称为质子交换膜)。聚合物电解质膜13优选是无孔的、导离子的、非导电的、透液体的且基本上不透气的膜。聚合物电解质膜13可以由均相全氟磺酸(pfsa)聚合物组成或包括均相全氟磺酸(pfsa)聚合物。所述pfsa聚合物可以通过四氟乙烯和全氟乙烯基醚磺酸的共聚合形成。参见例如，1966年11月1日授权的发明人connolly等人的美国专利号3,282,875；1984年9月11日授权的发明人ezzell等人的美国专利号4,470,889；1984年10月23日授权的发明人ezzell等人的美国专利号4,478,695；以及2002年12月10日授权的发明人cisar的美国专利号6,492,431，所有这些专利全文以引用方式并入本文中。pfsa聚合物电解质膜的商业实施方式由thechemourscompanyfc，llc(北卡罗亚纳州的费耶特维尔)制造作为nafion^tm挤出铸造pfsa聚合物膜。

聚合物电解质膜13可以是以连续膜或片材形式的大致平面的整体结构。在本实施方式中，当从上方或下方观察时，聚合物电解质膜13可以具有大致圆形的形状。此外，当从上方或下方观察时，电解气体发生器11的整体形状可以大致对应于聚合物电解质膜13的形状。然而，应当理解，聚合物电解质膜13以及电解气体发生器11作为整体不限于大致圆形的形状，并且可以具有大致矩形的形状或其他合适的形状。

电解气体发生器11还可以包括阳极15和阴极17。阳极15和阴极17可以沿聚合物电解质膜13的两个相对主面定位。在本实施方式中，阳极15被示为沿聚合物电解质膜13的顶面定位，并且阴极17被示为沿聚合物电解质膜13的底面定位；然而，应当理解，阳极15和阴极17相对于聚合物电解质膜13的位置可以反转。

阳极15可以包括阳极电催化剂层19和阳极支撑件21。阳极电催化剂层19可以定位成与聚合物电解质膜13直接接触，并且在本实施方式中，被示为直接位于聚合物电解质膜13的顶部上方并与其接触。阳极电催化剂层19限定阳极15的电化学活性区域，并且优选地是足够多孔的以及导电和导离子的以维持表面氧化反应的高速率。可以是常规用于基于pem的水电解槽中的类型的阳极电催化剂层的阳极电催化剂层19可以包括以精细导电(和任选地，导离子)材料(诸如金属粉末)形式的电催化剂颗粒，其可以维持高速率的电化学反应。电催化剂颗粒连同粘结剂一起分布在阳极电催化剂层19内以提供机械固定，该粘结剂优选是导离子的。

可以是常规用于基于pem的水电解槽中的类型的阳极支撑件并例如可以是多孔钛膜或片材的阳极支撑件21优选是足够多孔的，以允许在阳极电催化剂层19与将在下面讨论的阳极侧气体端口之间的流体(气体和/或液体)转移。为此，阳极支撑件21可以具有例如约0.001-0.5mm的孔尺寸。阳极支撑件21还可以包含例如约0.2-10mm的宏观通道特征，以进一步辅助流体分布。此外，阳极支撑件21是导电的，以提供阳极电催化剂层19与将在下面讨论的阳极侧集电器之间的电连接性，并且阳极支撑件21也优选是非导离子的。阳极支撑件21可以被定位成与阳极电催化剂层19直接接触，并且在本实施方式中，被示为直接位于阳极电催化剂层19的顶部上，使得阳极电催化剂层19可以夹在聚合物电解质膜13与阳极支撑件21之间并与其接触。阳极支撑件21的尺寸可以设计成完全覆盖阳极电催化剂层19，并且实际上，阳极15可以通过使阳极电催化剂层19在阳极支撑件21上沉积来制造。

阴极17可以包括阴极电催化剂层23和阴极支撑件25。阴极电催化剂层23可以定位成与聚合物电解质膜13直接接触，并且在本实施方式中，被示为直接位于聚合物电解质膜13下方并与其接触。阴极电催化剂层23限定阴极17的电化学活性区域，并且优选地是足够多孔的以及导电和导离子的以维持表面还原反应的高速率。可以是常规用于基于pem的水电解槽中的类型的阴极电催化剂层的阴极电催化剂层23可以包括以精细导电(和任选地，导离子)材料(诸如金属粉末)形式的电催化剂颗粒，其可以维持高速率的电化学反应。电催化剂颗粒连同粘结剂一起分布在阴极电催化剂层23内以提供机械固定，该粘结剂优选是导离子的。阳极15和阴极17处涉及的反应物和产物意味着在整个电活性表面中可移动的离子物质；因此，电催化剂层19和23中的包括聚合物电解质膜13、以及任选地一种或多种导离子的催化剂粘结剂的导离子介质联接两个电极并允许离子流动以支持整体反应电化学。

可以是常规用于基于pem的水电解槽中的类型的阴极支撑件并例如可以是多孔碳膜或片材的阴极支撑件25优选是足够多孔的，以允许在阴极电催化剂层23与将在下面讨论的阴极侧气体端口之间的流体(气体和/或液体)转移。为此，阴极支撑件25可以具有例如约0.001-0.5mm的孔尺寸。阴极支撑件25还可以包含例如约0.2-10mm的宏观通道特征，以进一步辅助流体分布。此外，阴极支撑件25是导电的，以提供阴极电催化剂层23与将在下面讨论的阴极侧集电器之间的电连接性，并且阴极支撑件25也优选是非导离子的。阴极支撑件25可以被定位成与阴极电催化剂层23直接接触，并且在本实施方式中，被示为直接位于阴极电催化剂层23下方并与其接触，使得阴极电催化剂层23可以夹在聚合物电解质膜13与阴极支撑件25之间并与其接触。阴极支撑件25的尺寸可以设计成完全覆盖阴极电催化剂层23，并且实际上，阴极17可以通过使阴极电催化剂层23在阴极支撑件25上沉积来制造。

聚合物电解质膜13、阳极15和阴极17的组合，或者聚合物电解质膜13、阳极电催化剂层19和阴极电极催化剂层23的组合可以被统称为膜电极组件(mea)。

电解气体发生器11还可以包括阳极密封件31和阴极密封件33。可以是常规用于基于pem的水电解槽中的类型的阳极密封件的阳极密封件31可以是以流体密封的方式围绕阳极15的周边安装的大致环形或框架状构件。可以由teflon^tm聚四氟乙烯、乙烯-丙烯-二烯-单体(epdm)橡胶、或另一种类似合适的材料制成的阳极密封件31可以是非导离子的和非导电的。除了从阳极密封件31的内周边径向向外延伸到阳极密封件31的外周边的流体端口之外，阳极密封件31也可以是无孔的和不透流体的。在本实施方式中，阳极密封件31中的上述流体端口可以是氧气出口35。氧气出口35可以经由合适的管线(未示出)流体连接到需要氧气的位置，该管线可以被配备有诸如灭菌过滤器和/或止回阀的特征以防止电解气体发生器11被管线的内容物污染或使冷凝物向后流入电解气体发生器11。例如，在将电解气体发生器11植入体内的情况下，这种管线可用于将氧气出口35流体连接到容纳植入的细胞和/或组织的容器。可选地，如果容纳植入的细胞和/或组织的容器可以是透气的并且容器抵靠或充分靠近氧气出口35定位，则可以取消这种管线。

阳极密封件31可附加地包括从阳极密封件31的内周边径向向外延伸到阳极密封件31的外周边的第二流体端口，该第二流体端口可以用作水入口36以从电解气体发生器11外部的源向阳极15供应水。例如，可在电解气体发生器11外部的储水器(未示出)可以经由合适的管线(未示出)流体连接到水入口36以便将水供应到阳极15。这种管可以被配备有诸如灭菌过滤器和/或止回阀的特征。在将电解气体发生器11植入体内的情况下，这种储水器也可以植入体内，或者储水器可以定位在体外。可选地，代替使用储水器，可以通过水入口36将电解气体发生器11外部的局部环境中的环境水供应到电解气体发生器11；然而，在这种情况下，可能期望在水入口36的外部放置一个或多个过滤器(未示出)，以避免环境水中的选定污染物进入水入口36并防止阳极生成的气体通过水入口36离开。

可以是常规用于基于pem的水电解槽中的类型的阳极密封件的阴极密封件33可以是以流体密封的方式围绕阴极17的周边安装的大致环形或框架状构件。可以由teflon^tm聚四氟乙烯、乙烯-丙烯-二烯-单体(epdm)橡胶、或另一种类似合适的材料制成的阴极密封件33可以是非导离子的和非导电的。除了从阴极密封件33的内周边径向向外延伸到阴极密封件33的外周边的两个流体端口之外，阴极密封件33也可以是无孔的和不透流体的。在本实施方式中，阴极密封件33中的两个流体端口中的一个可以是水入口37，其可以用于从电解气体发生器11外部的源向阴极17供应水。例如，可在电解气体发生器11外部的储水器(未示出)可以经由合适的管线(未示出)流体连接到水入口37以便将水供应到阴极17。这种管可以被配备有诸如灭菌过滤器和/或止回阀的特征。在将电解气体发生器11植入体内的情况下，这种储水器也可以植入体内，或者储水器可以定位在体外。可选地，代替使用储水器，可以通过水入口37将电解气体发生器11外部的局部环境中的环境水供应到电解气体发生器11；然而，在这种情况下，可能期望在水入口37的外部放置一个或多个过滤器或流量控制阀(未示出)，以避免环境水中的选定污染物进入水入口37并防止阴极生成的气体通过水入口37离开。

在本实施方式中，阴极密封件33中的两个流体端口中的另一个可以是氢气出口39。氢气出口39可以经由合适的管线(未示出)流体连接到需要氢气的位置，或者如果不需要氢气，则该氢气出口可以流体连接到安全地排出氢气的位置。这种管可以被配备有诸如灭菌过滤器和/或止回阀的特征。例如，在将电解气体发生器11植入体内并且期望用氢气处理植入的或天然的细胞和/或组织的情况下，连接到氢气出口39的这种管线可以用于将氢气输送到容纳植入的细胞和/或组织的容器，或者可以用于将氢气输送到靠近天然的细胞和/或组织的位置。在不需要氢气治疗的情况下，可以使用这种管线将氢气输送到可以安全将其排出的身体部分；可选地，如果将电解气体发生器11植入氢气可安全地从电解气体发生器11扩散并且在不需要任何管线的情况下从体内排出的体内位置，则可以省略这种管线。

在本实施方式中，阳极15和阳极密封件31的尺寸可以设计成共同匹配聚合物电解质膜13的顶表面的占有面积，并且阴极17和阴极密封件33的尺寸可以设计成共同匹配聚合物电解质膜13的底表面的占有面积。尽管如此，应当理解，前述部件的占有面积可以与上述内容不同。

电解气体发生器11还可以包括阳极集电器51。可为以连续膜或片材形式的整体结构的阳极集电器51可以是无孔的、导电的、柔性的、隔膜状的构件，其能够从大致平面状态可逆地变形(例如，当受到气体压力时)到鼓起或扩张状态。当从上方观察时，阳极集电器51的占有面积可以与阳极15和阳极密封件31的共同占有面积基本上匹配，除了阳极集电器51可以附加地包括突片55之外，该突片55可以径向向外延伸短距离超过阳极密封件31的占有面积并且可以用作端子。在本实施方式中，阳极集电体51优选基本上是不透气的。此外，在本实施方式中，阳极集电体51优选为弹性但不是必须为弹性的。可适合用作阳极集电器51的材料的示例包括但不限于2017年3月14日授权的发明人mittelsteadt等人的并且全文以引用方式并入本文的美国专利号9,595,727b2中公开的类型的硅氧烷膜或片材，其具有分散在其中的金属(例如，银)或其他导电颗粒以及无孔、导电、透液体、基本上不透气的膜。

更具体地，根据上述专利(下文称为“‘727专利”)，这种无孔、导电、透液体、基本上不透气的膜可以包括例如导电材料分散到其中的固体聚合物电解质。适合用作固体聚合物电解质的材料的示例可以包括(i)包含金属盐的聚合物组合物；(ii)包含电解质的聚合物凝胶；以及(iii)离子交换树脂。更具体地，固体聚合物电解质例如可以是阳离子交换离聚物(ionomer)膜，其中阳离子交换基团可以是但不限于-so3^-、-so2nh⁺、-po3^2-、或-co2^-，或者例如可以是阴离子交换离聚物膜，其中阴离子交换基团可以是但不限于-nh2⁺。用作固体聚合物电解质的优选材料可以是全氟磺酸(pfsa)膜，诸如由thechemourscompanyfc，llc(北卡罗亚纳州的费耶特维尔)制造作为nafion^tm挤出铸造pfsa聚合物膜。在2011年5月24日授权的发明人mittelsteadt等人的并且全文以引用方式并入本文的美国专利号7,947,405b2中公开了可用于代替nafion^tmpfsa的其他材料的示例。

可适合用作上述膜的分散的导电材料的材料的示例可以包括高纵横比的、导电的非颗粒材料，诸如碳纳米管、碳纳米纤维、金属纳米线或其组合。可适用于膜的碳纳米管可以具有约0.20nm至约100nm的直径，可以具有约0.50μm至约200μm的长度，并且可以具有在约5至约1,000,000的范围内的纵横比(即，长度/直径)。附加地，可适用于膜的碳纳米管可以是非官能化的或可以包括一个或多个官能团，诸如但不限于-cooh、-po4^-、-so3h、-sh、-nh2、叔胺、季胺、-cho、-oh、-no2和-po3^2-。此外，可适用于膜的碳纳米管可以包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其组合。

可适用于膜的碳纳米纤维可以是非官能化的或可以包括一个或多个官能团，诸如但不限于-cooh、-po4^-、-so3h、-sh、-nh2、叔胺、季胺、-cho、-oh、-no2和-po3^2-。除了包括分散的、非颗粒的导电材料或代替此类材料，膜还可包括分散的导电颗粒，诸如但不限于炭黑、金属颗粒(例如，铌颗粒、铂颗粒、钛颗粒或其组合)、负载的金属颗粒或其组合。

上述膜可以通过在离聚物为悬浮液形式时将导电材料加入离聚物中以及然后干燥悬浮液来制备。

电解气体发生器11还可以包括阳极端板61。可以是由基于pem的水电解槽中常规使用的类型的刚性材料(诸如适当强的金属或聚合物)制成的整体结构的阳极端板61可以具有倒置罐的形状，并且可以包括共同限定具有开放底部的内腔67的顶壁63和侧壁65。阳极端板61的尺寸可以被适当地设置成使得侧壁65的外表面69可以与阳极密封件31的外表面71基本上对准。此外，阳极端板61的尺寸可以被进一步设置成使得侧壁65的内表面73可以相对于阳极密封件31的内表面75径向向外间隔开。诸如在美国专利申请公开号us2015/0112247a1中公开的血管形成膜(未示出)可以应用于阳极端板61的一个或多个暴露表面。

阳极端板61的侧壁65的底部可以直接定位在阳极集电器51的顶部上，并且可以用于将阳极集电器51的周边部分77固定在阳极端板61与阳极密封件31之间(阳极集电器51的周边部分77直接定位在阳极密封件31的顶部上)。以此方式，阳极集电器51的周边部分77可以容纳在阳极端板61与阳极密封件31之间不动，然而当阳极集电器51与阳极15之间达到特定的阳极气体压力时，阳极集电器51的中心部分79可以远离阳极15自由地向上弯曲，这将在下面进一步讨论。可以容易理解的是，当阳极集电器51的中心部分79远离阳极15充分向上弯曲以使得阳极集电器51和阳极15不再彼此电接触时，电解气体发生器11停止电解。

电解气体发生器11还可包括可弹性压缩构件81。可弹性压缩构件81可以是一种结构，该结构被设计成：当阳极集电器51与阳极15之间的气体压力超过某个阈值气体压力时，允许阳极集电器51的中心部分79变形或向上扩张远离阳极15并不与其接触；以及当阳极集电器51与阳极15之间的气体压力低于某个阈值气体压力时，致使或偏置阳极集电器51的中心部分79以使其变平或向下收缩以便与阳极15接触。可弹性压缩构件81可以允许中心部分79弯曲远离阳极15的阈值气体压力，以及可弹性压缩构件81可以致使中心部分79弯曲回与阳极15接触的阈值气压可以相同或不同。在一些情况下，可能有利的是，可弹性压缩构件81允许中心部分79弯曲远离阳极15的阈值气体压力显著大于可弹性压缩构件81迫使中心部分79弯曲回与阳极15接触的阈值气体压力。因此，在这种情况下，一旦电解气体发生器11的操作停止，它直到中心部分79与阳极15之间的气体压力显著下降才会恢复。以此方式，可以防止电解气体发生器11不期望地在其操作状态与关闭状态之间来回卡顿(stuttering)。

在本实施方式中，可弹性压缩构件81可以包括可设置在阳极端板61的内腔67内的泡沫块或泡沫盘。这种泡沫可以是闭孔泡沫或开孔泡沫。合适泡沫的示例可以包括但不限于聚氨酯泡沫和硅橡胶泡沫，诸如开孔硅橡胶泡沫。可弹性压缩构件81的尺寸可以被适当地设置，以具有与阳极端板61的顶壁63的内表面85接合的第一表面83以及与阳极集电器51接合的第二表面87。在本实施方式中，可弹性压缩构件81的尺寸可以被设置成使得当处于其未压缩状态时，它基本上填充阳极端板61的内腔67的整个容积；然而，应当理解，可弹性压缩构件81的尺寸不需要被这样设置。

尽管在本实施方式中，可弹性压缩构件81可以是泡沫块，但可弹性压缩构件81不限于此并且可以是任何类型的可弹性压缩结构，诸如但不限于螺旋弹簧、贝氏弹簧、封闭气袋、具有外部可参考的气体填充端口的气袋、或其组合。

而且，应当理解，如果阳极集电器51具有足够的固有弹性，则可以省略可弹性压缩构件81。

电解气体发生器11还可以包括阴极集电器91，其可以是常规用于基于pem的水电解槽的类型的阴极集电器并且可以是例如涂覆铂的钛板。当从下方观察时，阴极集电器91的占有面积可以与阴极17和阴极密封件33的共同占有面积基本上匹配，除了阴极集电器91可以附加地包括突片93之外，该突片可以径向向外延伸短距离超过阴极密封件33的占有面积并且可以用作端子。

电解气体发生器11还可以包括阴极端板95，该阴极端板可以是常规用于基于pem的水电解槽的类型的阴极端板。阴极端板95的尺寸可以被适当地设置成使得其侧壁97可以与阴极密封件33的外表面98基本上对准。阴极端板95的顶壁99可以直接定位在阴极集电器91下方，并且可以用于保持阴极集电器91与阴极17和阴极密封件33直接接触。诸如在美国专利申请公开号us2015/0112247a1中公开的血管形成膜(未示出)可以应用于阴极端板95的一个或多个暴露表面。

电解气体发生器11还可以包括电源101。可以是例如dc电池(其可以是可充电的)的电源101可以通过导线103电连接到阳极集电器51的突片55，并且通过导线105电连接到阴极集电器91的突片93。例如，在将电解气体发生器11植入患者体内的情况下，也可以将电源101植入患者体内；可选地，电源101可以定位在患者体外。

电解气体发生器11还可以包括在常规的基于pem的水电解槽中常见的其他部件。例如，为了压缩可弹性压缩构件81、维持电解气体发生器11的串联部件的良好电接触、并实现细胞周边的良好密封而可能需要的对电解气体发生器11的静力可以使用各种常规的固定或结合工具和技术围绕组件内部或外部周边来建立和维护。例如，此类工具可以包括可将端板61和95夹在一起的紧固件(例如，螺钉、铆钉等)，或者在密封区域中将元件粘着在一起的粘合剂、黏固剂或焊接剂。这些工具和技术被认为是本领域普通技术人员已知的。

现在具体参考图1，可以看出跨阳极集电器51、阳极15、聚合物电解质膜13、阴极17和阴极集电器91的组合建立电接触。因此，电解气体发生器11形成闭合电路，并且电解气体发生器11处于用于电解水的操作(或“打开”)状态。水可以通过阳极密封件31的水入口36和/或阴极密封件33的水入口37来引入电解气体发生器11，并且这种水可能以常规方式在电解气体发生器11的电活性界面处被电解，其中在聚合物电解质膜13和阳极电催化剂层19的界面处生成氧气，并且在聚合物电解质膜13和阴极电催化剂层23的界面处生成氢气。由此生成的氧气然后可以通过氧气出口35离开电解气体发生器11，并且由此生成的氢气然后可以通过氢气出口39离开电解气体发生器11。如果氧气可以离开电解气体发生器11的速率大于或近似等于由电解气体发生器11生成氧气的速率，(如果有的话，则非常少)氧气可以在阳极支撑件21与阳极集电器51之间积聚，并且施加在阳极集电器51上的向上指向的气体压力可以小于由可弹性压缩构件81施加在阳极集电器51上的向下指向的机械压力。因此，可以在阳极集电器51与阳极支撑件21之间保持电接触，并且气体生成可以继续。

另一方面，如果氧气可以离开电解气体发生器11的速率小于电解气体发生器11生成氧气的速率，则氧气可以在阳极支撑件21与阳极集电器51之间积聚，并且最终施加在阳极集电器51上的向上指向的气体压力可以大于由可弹性压缩构件81施加在阳极集电器51上的向下指向的机械压力。因此，如图2所示，阳极集电器51可以远离阳极支撑件21弯曲或扩张，由此破坏阳极集电器51与阳极支撑件21之间的任何电接触。因此，电解气体发生器11可以停止电解水。此后，积聚在阳极支撑件21与阳极集电体51之间的氧气中的至少一些可以通过氧气出口35离开电解气体发生器11，直到阳极支撑件21与阳极集电器51之间的气体压力充分降低以使得阳极集电体51恢复与阳极支撑件21接触，由此允许电解恢复。

可以理解，前述情况可以在细胞植入物系统的背景下发生，其中由电解气体发生器11产生的氧气通过管线传导到容纳植入的细胞和/或组织的密闭容器中。如果植入的细胞和/或组织不能以超过或基本上等于所生成的氧气的输送速率的速率消耗输送到其的氧气，或者如果对氧气出口35下游的流动有某种限制，则氧气可能积聚在电解气体发生器11中，如上所述。如果在电解气体发生器11内积聚的氧气的量足以产生超过预定阈值的压力，则电解气体发生器11停止生成氧气。以此方式，电解气体发生器11可以被认为是自调节的。可以理解，这种自调节电解气体发生器至少因为它不需要外部传感器或反馈机构而是有利的。

现在参考图3和图4，示出了根据本发明构造的电解气体发生器的第二实施方式的示意性剖视图，电解气体发生器用附图标记111一般地表示。(为了简单和清楚起见，电解气体发生器111的对于理解本发明并不重要的某些部件未在本文中示出或描述，或者以简化的方式在本文中示出和/或描述。)

可以是以水电解槽形式的电解气体发生器111可以在许多方面类似于电解气体发生器11。因此，电解气体发生器111可以包括聚合物电解质膜113，其可与聚合物电解质膜13相同。此外，电解气体发生器111还可包括阳极115，该阳极115包括阳极电催化剂层119和阳极支撑件121，其中阳极115、阳极电催化剂层119和阳极支撑件121可以分别与电解气体发生器11的阳极15、阳极电催化剂层19和阳极支撑件21相同。此外，电解气体发生器111还可包括阴极117，该阴极117包括阴极电催化剂层123和阴极支撑件125，其中阴极117、阴极电催化剂层123和阴极支撑件125可以分别与电解气体发生器11的阴极17、阴极电催化剂层23和阴极支撑件25相同。

电解气体发生器111还可以包括阳极密封件131和阴极密封件133。阳极密封件131在大多数方面可以类似于阳极密封件31，其中两个阳极密封件之间的主要差异在于：阳极密封件31可包括氧气出口35和水入口36，而阳极密封件131可包括氧气出口135但不需要包括水入口。实际上，在某些情况下，甚至可能使阳极密封件131不包括氧气出口135。阴极密封件133在大多数方面可以类似于阴极密封件33，其中两个阴极密封件之间的主要差异在于：阴极密封件33可包括水入口37和氢气出口39，而阴极密封133可包括氢气出口139但不需要包括水入口。

电解气体发生器111还可以包括阳极集电器151。阳极集电器151在大多数方面可类似于阳极集电器51，其中两个阳极集电器之间的主要差异在于，阳极集电器51可以是基本上不透气的，而阳极集电器151是透气的。阳极集电器151也优选是透液体的。

电解气体发生器111还可以包括阳极端板161。阳极端板161在大多数方面可以类似于阳极端板61，其中两个端板之间的主要差异在于：阳极端板61可以由无孔的不透流体的材料制成，而阳极端板161可以包括多孔或透流体的材料。例如，在本实施方式中，阳极端板161可包括一个或多个孔163。孔163可以允许气体或液体从阳极端板161的外部环境通向阳极端板161的内腔，反之亦然。(此外，孔163可以允许与局部外部压力的压力平衡。)例如，外部水可以通过孔163引入电解气体发生器111的阳极侧，并且阳极115处生成的氧气可以通过孔163从电解气体发生器111排出。超滤膜165或其他合适的膜或过滤器可以定位在孔163内，以避免选定污染物从电解气体发生器111的外部穿过孔163进入阳极端板161的内腔。(应当理解，代替或除了将超滤膜165定位在孔163内之外，超滤膜165可以沿着阳极端板161的外表面或内表面跨孔163定位。)诸如在美国专利申请公开号us2015/0112247a1中公开的血管形成膜(未示出)可以应用于阳极端板161的一个或多个暴露表面。

例如，在将电解气体发生器111植入患者体内的情况下，通过孔163排出的氧气可以经由联接到孔163的一个或多个管输送到期望目的地。可选地，电解气体发生器111可以定位在期望目的地附近或期望目的地处，并且排出的气体可以简单地扩散到期望目的地而不使用管线。实际上，根据一个实施方式，容纳植入的细胞和/或组织的容器的透气壁可以直接与阳极端板161的外部接触，使得从孔163排出的氧气可以直接进入容纳植入的细胞和/或组织的容器。

电解气体发生器111还可包括可弹性压缩构件181。可弹性压缩构件181在大多数方面可类似于可弹性压缩构件81，其中两个可弹性压缩构件之间的主要差异在于：可弹性压缩构件81不需要是多孔的或透气的，而可弹性压缩构件181优选地是多孔的或透气的以使得在阳极115处生成的氧气能够穿过其中。因此，例如，可弹性压缩构件181可以是合适的开孔泡沫。

电解气体发生器111还可以包括阴极集电器191。阴极集电器191在大多数方面可以类似于阴极集电器91，其中两个阴极集电器之间的主要差异在于：阴极集电器91不需要是多孔的，而阴极集电器191可包括一个或多个孔192。如下面将变得明显的，孔192可用于促进外部水通向阴极117。

电解气体发生器111还可以包括界面层193。位于阴极集电器191下方并与该阴极集电器直接接触的界面层193可以包括透液体的不透气材料。以此方式，界面层193可以促进外部水穿过其中到达阴极集电器191的孔192，同时排除污染物(诸如所述外部水中的生物分子，例如在电解气体发生器111植入患者体内的情况下)并且可以防止阴极117处生成的气体从其中出去。密封垫圈194可以围绕界面层193的周边定位。

电解气体发生器111还可以包括阴极端板195。阴极端板195在大多数方面可类似于阴极端板95，其中两个阴极端板之间的主要差异在于：阴极端板95不需要是多孔的，而阴极端板195可包括一个或多个孔196，其可以用于与本地环境连通并促进外部水进入电解气体发生器111以输送到阴极117。例如，在将电解气体发生器111植入患者体内的情况下，可以处理阴极端板195和界面层193的外表面以促进血管向内生长和组织整合。诸如在美国专利申请公开号us2015/0112247a1中公开的血管形成膜(未示出)可以应用于阴极端板195的一个或多个暴露表面。

电解气体发生器111还可以包括电源201，其可以与电源101相同。电源201可以通过线203电连接到阳极集电器151并且通过线205电连接到阴极集电器191。

与电解气体发生器11一样，电解气体发生器111还可以包括在常规的基于pem的水电解槽中常见的其他部件。

在使用中，现在具体参见图3，可以看出跨阳极集电器151、阳极支撑件121、阳极电催化剂层119、聚合物电解质膜113、阴极电催化剂层123、阴极支撑件125和阴极集电器191的组合建立电接触。因此，电解气体发生器111形成闭合电路，并且电解气体发生器111处于用于电解水的操作(或“打开”)状态。水可以通过首先穿过阳极端板161的孔163，然后穿过可弹性压缩构件181，并且然后穿过阳极集电器151来引入电解气体发生器111中。此外，水还可以通过穿过阴极端板195的孔196，然后穿过界面层193，并且然后穿过阴极集电器191的孔192来引入电解气体发生器111。这种水然后可能以常规方式在电解气体发生器111的电活性界面处被电解，其中在聚合物电解质膜113和阳极电催化剂层119的界面处生成氧气，并且在聚合物电解质膜113和阴极电催化剂层123的界面处生成氢气。由此生成的氢气然后可以通过氢气出口139离开电解气体发生器111。

关于由此生成的氧气，第一部分可以通过氧气出口135离开电解气体发生器111；第二部分可以通过阳极集电器151扩散，然后穿过弹性可压缩材料181，并且然后穿过阳极端板161的孔163；并且第三部分可以积聚在阳极集电器151与阳极支撑件121之间。如果第三部分的气体压力不超过由弹性压缩构件181施加的压力和环境压力的组合，则阳极集电器151可以保持与阳极支撑件121接触，并且电解可以继续。另一方面，如果第三部分的气体压力超过由弹性压缩构件181施加的压力和环境压力的组合，则如图4所示，阳极集电器151可以弯曲而不与阳极支撑件121接触，由此破坏阳极集电器151与阳极支撑件121之间的任何电接触。因此，电解气体发生器111可以停止电解水。此后，积聚在阳极支撑件121与阳极集电体151之间的氧气中的至少一些可以消散，直到阳极支撑件121与阳极集电器151之间的气体压力充分降低以使得阳极集电体151恢复与阳极支撑件121接触，由此允许电解恢复。

现在参考图5和图6，示出了根据本发明构造的替代性阳极集电器的示意剖视图，替代性阳极集电器由附图标记251一般地表示。

可适用于电解气体发生器11、电解气体发生器111、或以类似原理操作的其他电解气体发生器的阳极集电器251在大多数方面可以类似于阳极集电器51或阳极集电器151，并且可以类似地用于此类阳极集电器。阳极集电器251与阳极集电器51或阳极集电器151之间的主要差异可以是，阳极集电器51或151可以是单件结构，而阳极集电器251可以包括导电隔膜253和环形端子255的组合。导电隔膜253的组成可以类似于阳极集电器51或阳极集电器151。可以是导电构件的环形端子255可以粘结或以其他方式固定到导电隔膜253。从图5中可以看出，当处于其松弛状态时，导电隔膜253基本上是平放的。因此，在导电隔膜253处于这种扁平状态的情况下，阳极集电器251可以用于将电解气体发生器保持在操作(或“打开”状态)。相比之下，如图6中可见，导电隔膜253可以例如在受到气体压力时扩张并且可以延伸通过环形端子255中的开口257。因此，在导电隔膜253处于这种扩张状态的情况下，阳极集电器251可以移出与其阳极的电接触，由此致使相应的电解气体发生器切换到非操作(或“关闭”)状态。此后，当导电隔膜253不再受到这种气体压力时或当气体压力减少到某个阈值时，导电隔膜253由于来自可弹性压缩构件81或181的偏置力和/或由于其自身固有的弹性而可以再次呈现扁平状态。

现在参考图7和图8，示出了根据本发明构造的电解气体发生器的第三实施方式的示意性剖视图，电解气体发生器用附图标记311一般地表示。(为了简单和清楚起见，电解气体发生器311的对于理解本发明并不重要的某些部件未在本文中示出或描述，或者以简化的方式在本文中示出和/或描述。)

电解气体发生器311在大多数方面可类似于电解气体发生器111。两个电解气体发生器之间的主要差异可以是：电解气体发生器111可以被配置成使得当阳极集电器151与阳极支撑件121之间的气体压力超过由弹性压缩构件181施加的压力和环境压力的组合时，阳极集电器151不与阳极支撑件121进行物理/电接触，而电解气体发生器311可以包括阳极支撑件321和阳极集电器351，其在类似的压力条件下被配置成彼此保持一些物理/电接触，尽管程度减小。由于更长和/或更曲折的传导路径所施加的增加的串联电阻，可被视为“部分打开”状况的这种状态导致通过电解气体发生器311的电流减小。由于这种电流减小，可能随之发生气体产生的减小。

可以理解，本发明的重要特征是阳极集电器，其响应于阳极集电器的相对面上的压力差而维持与阳极支撑件的可变物理接触以及因此维持与其的可变电接触。与所生成的气体压力相反，可以在阳极集电器的与发生电解气体生成的一侧相对的一侧上实现可弹性压缩构件(例如，橡胶泡沫)。电解气体发生器的基本部件可以通过修改集电方案来改进，以使得能够响应环境压力或所生成的气体的压力的变化。沿着以下电路径维持物理接触，并因此维持电导率：阳极集电器到阳极支撑件，到阳极电催化剂层，到聚合物电解质膜，到阴极电催化剂层，到阴极支撑件，并最后到阴极集电器。该状态被认为是“打开”，因为向细胞的两个收集器施加电力致使电解气体生成。如果任何电或离子通路被打开(即，断开)，则该气体生成停止(“关闭”状态)；并且如果串联电路中的任何部件产生高电阻，则该气体生成减小，因为电流由此被衰减(“部分打开”状态)。通过本发明，可以通过影响所施加的电解电流以及电解产生的气体与传送到阳极端板内的参考区域的环境压力和可弹性压缩构件的压缩的组合之间的压差来实现“关闭”状态。跨阳极集电器的压差(dp)可表示为：

dp＝pe+pc-pg

其中pe是环境压力，pc是由可弹性压缩构件施加的压力，并且pg是气体区域中的气体压力。当气体区域中的压力超过参考区域中的组合压力(pe+pc)时，dp值变为负值，并且阳极集电器偏转到可弹性压缩构件中并远离阳极支撑件移动，从而致使电路的机械分离和打开。“打开”状态的重新建立可以是自调节电解气体发生器的正常操作的一部分，并且通过明智地选择可弹性压缩构件以使得存储在其中的机械能导致电解槽的活性区域上的力足以恢复阳极集电器和阳极支撑件之间的机械接触来确保。类似地，在环境压力(即，具有利用所生成的气体的细胞植入物的受试者的气压或血压)改变的情况下，阳极集电器的位移将存在相应的改变以便适当地调节气体的生成，并由此调整气体处理的植入物的压力。

虽然“打开”-“关闭”功能可以适用于所生成的气体压力的一般控制，但可能优选的是将电流调节到较低的非零值以便实现最精细的压力控制。当气体压力pg和参考区域压力(可弹性压缩构件压缩pc和环境压力pe的总和)已经平衡并且电流继续以与气体输送的稳态速率成比例减小的速率流动到应用时，可以实现“部分打开”状况。在电解气体发生器的恒定功率或电压控制下，通过细胞的电流在这种情况下通过更长和/或更曲折的传导路径所施加的增加的串联电阻而减小。参见图8，其示出“部分打开”状态，可以看出阳极集电器和阳极支撑件没有完全接触。因此，流过细胞的电流必须采用阳极支撑件的较长路径，并且由于较小的接触面积以及阳极集电器与阳极支撑件之间的减小的接触压力而存在较大的接触电阻。

在工程设计自调节电解气体发生器部件特性以用于在正确压力范围内实现期望的电流衰减功能时，应当考虑可弹性压缩构件和阳极集电器的机械特性、阳极集电器和阳极支撑件的接触和片材电阻率特性、以及所实现的可弹性压缩构件的压缩量。对于其中气体压力(pg)和参考区域压力(pe+pc)产生零或正压差(dp)的“打开”状态，端板腔深度和可弹性压缩构件厚度应当被选择成使得当端板在周边密封区域中完全抵靠垫圈时，可弹性压缩构件的压缩厚度存储期望的pc。这可以源自可弹性压缩构件的可压缩性，其优选地选自材料在压缩时的应力-应变特性的弹性变形区域内。

尽管本发明的电解气体发生器在本文中在某些实施方式中已经被描述为具体地包括可逆地扩张的阳极集电器以及被配置成将可逆地扩张的阳极集电器偏置成扁平状态的可弹性压缩构件，但应当理解，根据本发明，可以将这种电解气体发生器修改为替代地具有可逆地扩张的阴极集电器以及被配置成将可逆地扩张的阴极集电器偏置到扁平状态的可弹性压缩构件。此外，应当理解，根据本发明，在某些情况下可能期望电解气体发生器包括可逆地扩张的阳极集电器、被配置成将可逆地扩张的阳极集电器偏置到扁平状态的可弹性压缩构件、可逆地扩张的阴极集电器、以及被配置成将可逆地扩张的阴极集电器偏置到扁平状态的可弹性压缩构件等。

可以理解，本发明的电解气体发生器可以合并到多电池组中，其仅由本发明的电解气体发生器的多个单元组成，或者与常规和/或新型的电解气体发生器或其他电化学单元组合。

将上述原理扩展到全液体系统—其中液相或溶解的产物通过扩散输送到应用，并且电解反应的自动调节是以相同的断路方式实现的(由电解液体积以及因此在电解过程期间的压力的增加或减少管理，)—是这里描述的自调节原理的另一个特征。

现在参照图9，示出了根据本发明构造的植入物系统的第一实施方式，该植入物系统由附图标记411一般地表示。(为了简单和清楚起见，植入物系统411的对于理解本发明并不重要的某些部件未在本文中示出或描述，或者以简化的方式在本文中示出和/或描述。)

植入物系统411可以包括电解气体发生器413。电解气体发生器413继而可以包括封装在壳体顶部415和壳体底部417内的任何上述电解气体发生器。电解气体发生器413还可以包括电池盖419，在该电池盖下方可以设置用于为电解气体发生器供电的电池(未示出)。

植入物系统411还可以包括用于容纳植入的细胞和/或组织的容器421。容器421可以是例如用于容纳植入的细胞和/或组织的常规容器，或者可以是例如美国专利申请公开号us2015/0112247a1中公开的类型的容器。

植入物系统411还可以包括用于将电解气体发生器413流体连接到容器421的管线431。更具体地，管线431的一端可以流体联接到电解气体发生器413的氧气出口，并且管线的另一端可以流体联接到容器421的内部。(可选地，管线431可以用于将电解气体发生器413的氢气出口流体联接到容器421的内部。)

现在参照图10，示出了根据本发明构造的植入物系统的第二实施方式，该植入物系统由附图标记511一般地表示。(为了简单和清楚起见，植入物系统511的对于理解本发明并不重要的某些部件未在本文中示出或描述，或者以简化的方式在本文中示出和/或描述。)

植入物系统511在大多数方面可类似于植入物系统411，其中两个植入物系统之间的主要差异在于：植入物系统411可以包括用于将电解气体发生器413的氧气出口或氢气出口流体联接到容器421的内部的管线431，而植入物系统511可以包括用于将电解气体发生器413的氧气出口流体联接到容器515的内部的第一管线513，以及用于将电解气体发生器413的氢气出口流体联接到容器515的内部的第二管线517。容器515可以是例如美国专利申请公开号us2015/0112247a1中公开的类型的容器。容器515可以任选地包括与植入的组织的单独界面，以用于使一种或另一种电解生成的气体远离植入物扩散并进入体内，而不是进入包封在容器515中的细胞或组织中。

提供以下实施例仅用于说明目的并且决不是旨在限制本发明的范围：

实施例1

预先存在的小型电解单元适合用作自调节电解气体发生器。该单元使用机加工的聚(醚醚酮)塑料端板和不锈钢紧固件以保持对单元的活性和密封区域的恒定机械负载。

位于电池核心处的膜电极组件(mea)利用solvaye79-04sx全氟磺酸(pfsa)膜作为质子交换膜(pem)，并且利用铂黑催化剂(engelhard，4mg/cm²)作为电催化剂。将电催化剂与aquivionpfsa溶液(solvayspecialtypolymers)混合，并且通过在1000psi和175℃下的贴花转移将其施加到pem上以使mea单元化。阳极电催化剂包含铱以用于改善电压效率。

mea的圆形活性催化剂区域(2cm²)被电接触并在两侧用包括支撑件的多孔导电介质来机械增强。阴极支撑件是多孔碳(toraytgph-090)，并且阳极支撑件是多孔钛(admaproducts)。mea的边缘用粘合剂背衬的乙烯基垫圈来密封。

阴极集电器是具有用于边缘收集的突片的镀铂钛板。阳极集电器(隔膜集电器)是wamm^tm膜(giner，inc.，newton，ma)，其包含根据美国专利号9,595,727b2的实施方式8、构建2制造的碳纳米管/pfsa共混物。选择wamm^tm膜是因为它具有高水蒸气选择渗透性和良好的导电性，这是良好电池性能所必需的。wamm^tm膜被切割以延伸至密封区域的外边缘并包括用于电流收集的突片。由mea的阳极面、阳极侧垫圈的内壁和接触阳极支撑件的wamm^tm膜的面限定的圆柱形体积包括在高相对压力下的内部体积。

wamm^tm膜通过1/16”厚的可弹性压缩的开孔硅橡胶泡沫材料(密度为12lbs/ft³)支撑在与阳极支撑件相对的面上，该材料被切割为与活性区域相同的直径。在组件的该部分中，电池的密封区域包括1/16”厚的方形轮廓的buna-n橡胶o形环，其围绕泡沫的周边放置。阳极侧端板面上的小孔在低相对压力下允许由泡沫限定的区域连通到外部环境。

从dc电源向这种自调节电解气体发生器的阴极和阳极集电器突片施加2.5伏电压导致单元电流立即增加到大约8ma，然后在大约10分钟内稳定下降到大约1.5ma。参照图11的图表，在该稳定下降之后，观察到电池的电流开始无限期地振荡，其中以约20秒的间隔从1ma跳跃到约4ma。因此，气体生成速率在气体压力最大值(在这种情况下约为20psig)下减少，并且在足以使压力通过质量传递而从隔膜收集器的高相对压力侧释放的时间段后恢复，其程度可以恢复高电流操作所需的阳极支撑件与隔膜收集器之间的电接触的程度。恢复该电流允许在恒定施加电压下重新产生压差，由此引起另一个压力-电流-时间循环。

实施例2

预先存在的小型电解单元适合用作自调节电解气体发生器。该单元使用机加工的聚(醚醚酮)塑料端板和不锈钢紧固件以保持对单元的活性和密封区域的恒定机械负载。添加配准销孔以保持垫圈和氧气端口的对准。

位于电池核心处的膜电极组件(mea)利用solvaye79-05s全氟磺酸(pfsa)膜作为质子交换膜(pem)，并且利用铂黑催化剂(engelhard，4mg/cm²)作为电催化剂。将电催化剂与aquivionpfsa溶液(solvayspecialtypolymers)混合，并且通过在1000psi和175℃下的贴花转移将其施加到pem上以使mea单元化。阳极电催化剂包含铱以用于改善电压效率。

mea的圆形活性催化剂区域(1cm²)被电接触并在两侧用包括支撑件的多孔导电介质来机械增强。阴极支撑件是多孔碳(toraytgph-090)，并且阳极支撑件是多孔钛(admaproducts)。mea的边界载阳极面和阴极面周边上用聚四氟乙烯垫圈密封。

阴极集电器是具有用于边缘收集的突片的镀铂钛板。阳极集电器是具有用于边缘收集的突片的镀铂环带。在mea和阳极集电器之间是非导电环带，其具有用于气体收集的端口(接触mea)以及由cho-seal1215弹性体制成的导电隔膜(由硅酮粘结剂中的镀银铜填料制成的导电材料，parkerchomerics，woburn，ma的产品)，其位于非导电环带与阳极集电器之间。选择cho-seal1215是因为它具有良好的导电性和弹性机械特性。由mea的阳极面、阳极侧垫圈和非导电端口的内壁、以及与阳极支撑件接触的导电隔膜的面限定的圆柱形体积包括在高相对压力下的内部体积。

导电隔膜通过1/8”厚的开孔聚氨酯聚醚泡沫材料(由newenglandfoamproducts，llc，hartford，ct制造的formulation1034；密度为0.9lb/ft³)支撑在与阳极支撑件相对的面上，该材料被切割为略大于活性区域直径的直径。在组件的该部分中，电池的密封区域包括0.07”厚的方形轮廓的聚四氟乙烯垫圈，其围绕泡沫的周边放置。阳极侧端板面中心中的小孔在低相对压力下允许由泡沫限定的区域连通到外部环境。通过阳极侧端板面的第二孔允许在mea处生成气体并通过非导电端口收集气体以便将其引出细胞。

如此描述的电解气体发生器被装配到具有dc电源以向细胞提供电流的测试系统、氧气出口上的流量计(alicatscientificm-0.5sccm-d)和压力传感器(ifmpx3238)、以及排放到大气中的流量限制阀。在该自调节电解气体发生器的阴极和阳极集电极器突片之间从dc电源施加超过1.5vdc的电压导致单元电流立即增加到约10ma，随后是电流振荡，其中当电池中的压力升高时，下限从4ma缓慢减少到2ma。参照图12，在下限的该稳定减少之后，观察到电池的电流以约10秒的间隔开始在约2ma与约10ma之间无限期地振荡。气体生成速率(以每小时的标准立方厘米计的氧气流速，scch)也根据电池电流的自调节而振荡，并且在电池的出口与流量限制阀之间观察到为约1.2psig的恒定调节气体压力。

以上描述的本发明的实施方式仅是示例性的，并且本领域技术人员将能够在不脱离本发明的精神的情况下对其进行多种变化和修改。所有这些变化和修改都旨在所附权利要求中限定的本发明的范围内。