JP2001333983A

JP2001333983A - 酸素供給システム

Info

Publication number: JP2001333983A
Application number: JP2000156142A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasaki; 隆佐々木; Tatsuo Suda; 龍生須田
Original assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】在宅酸素療法において、酸素ボンベ、吸着型
酸素濃縮装置、膜型酸素濃縮装置等、従来と全く異なる
構成を採用することにより、患者に対して好適な在宅酸
素療法を行なうことができる酸素供給システムを提供す
ることを課題とする。【解決手段】本発明は、水を貯蔵する水貯蔵装置２
と、該水貯蔵装置２から供給された水を電気分解する水
電解装置８とを備え、該水電解装置８で生成された酸素
を呼吸用気体として用いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素供給システ
ム、より詳しくは、在宅酸素療法に用いられる酸素供給
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、呼吸器疾患患者に対する在宅
酸素療法が提唱され、この在宅酸素療法に用いられる酸
素供給システムとしては、酸素ボンベ、液体酸素など
を使用する方式、空気をゼオライトなどの吸着体で処
理し、濃縮酸素を得る方式、いわゆる吸着型酸素濃縮装
置を使用する方式、金属酸化物製又はセラミック製の
酸素イオン透過性膜を用いて、酸素を発生させて濃縮さ
せる方式、いわゆる膜型酸素濃縮装置を使用する方式が
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、の方
式にあっては、酸素の消費に伴ってボンベを定期的に交
換しなければならず、患者に多大な負担を強いることと
なる。の方式にあっては、空気を吸着する際に水分も
吸着するため、乾燥した濃縮酸素が得られ、このまま患
者に供給すると、患者の鼻腔粘膜が乾燥し、苦痛を誘発
させるという欠点がある。しかも、酸素以外にも不純物
ガスが発生して、患者に悪影響を及ぼすおそれがある。
さらに、この方式では、加圧吸着及び減圧脱離を繰り返
すため、弁の開閉音、減圧音が騒音の原因となってい
た。の方式にあっては、酸素ガスと同時に水分も濃縮
されるため、特別な加湿を必要としないが、得られる酸
素濃度が４０％程度と比較的小さいため大多数の患者の
要求に堪えられない。また、この方式では、膜を７００
℃程度にまで加熱しないと酸素が発生しないため、酸素
が発生するまで時間を要していたが、このため、瞬時に
酸素を必要とする場合には別途貯留タンクや酸素吸着カ
ラム等を設けなければならず、装置が複雑化してコスト
高の原因となっていた。

【０００４】そこで、本発明は上記従来の問題点に鑑み
てなされたもので、従来と全く異なる構成を採用するこ
とにより、コスト効果的で適度に湿潤な酸素を供給で
き、騒音の少ない在宅酸素療法用の酸素供給システムを
提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に鑑
みてなされたもので、水を貯蔵する水貯蔵装置２と、該
水貯蔵装置２から供給された水を電気分解する水電解装
置８とを備え、該水電解装置８で生成された酸素を呼吸
用気体として用いることを特徴とする。

【０００６】上記構成からなる酸素供給システムによれ
ば、水貯蔵装置２から供給された水が、水電解装置８に
おいて酸素と水素とに電気分解される。かかる酸素は、
純度が高く（約９９．９％）、水電解装置８において電
解されなかった残存水によって適度に加湿された状態に
あるため、呼吸用気体として好適に利用することができ
る。また、水電解に伴う温度上昇により蒸気圧が上が
り、その結果、酸素の加湿が促進されるという効果もあ
る。

【０００７】また、本発明に係る酸素供給システムは、
請求項２記載の如く、前記水貯蔵装置２と前記水電解装
置８との間に、水貯蔵装置２内の水を水電解装置８に供
給するための第一の配管３、及び水電解装置８で生成さ
れた酸素を水貯蔵装置２に供給するための第二の配管４
がそれぞれ接続されると共に、水貯蔵装置２に、供給さ
れた酸素を呼吸用気体として供給するための第三の配管
５が接続され、さらに、水貯蔵装置２内の水位が水電解
装置２よりも高くなるよう、水貯蔵装置２と水電解装置
８との間に高低差が設けられてなる構成を採用すること
ができる。

【０００８】上記構成からなる酸素供給システムによれ
ば、水貯蔵装置２内に貯蔵されている水は、自重により
第一の配管３を介して水電解装置８に供給される。ま
た、水電解装置８で生成された酸素は、いわゆるエアリ
フト効果により水電解装置８内の水を従えて第二の配管
４を介して水貯蔵装置２に供給される。両者に高低差を
設けることにより、第一の配管３、第二の配管４共にポ
ンプ等の手段を設ける必要が無いので、低騒音化を実現
することができ、さらにシステム構成の簡素化、低コス
ト化を図ることができ、利用者の負担を軽減することが
できる。

【０００９】さらに、本発明に係る酸素供給システム
は、請求項３記載の如く、前記水電解装置８が、固体電
解質膜１００１を挟んで両側に陽極室１００６と陰極室
１００７とを備えた電解セル１０１からなり、前記第一
の配管３の一端が、陽極室１００６に接続され、且つ、
電解セル１０１が、陽極室１００６が陰極室１００７よ
りも上位となるように横置きにされてなる構成を採用す
ることができる。

【００１０】上記構成からなる酸素供給システムによれ
ば、水が供給される陽極室１００６の下に固体電解質膜
１００１が介在する態様となるため、固体電解質膜１０
０１の全体に水が接触することとなり、電解処理性が向
上する。

【００１１】また、本発明に係る酸素供給システムは、
請求項５記載の如く、水電解装置８で生成された水素を
用いて発電を行い、該電力を水電解装置８に給電する発
電装置１８をさらに備えてなるものがより好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参酌しつつ説明する。

【００１３】図１は、本実施形態に係る酸素供給システ
ムを示す系統図である。図２は、電解セルの詳細を示す
系統図である。図３は、燃料電池の概略構成を示す説明
図である。図１に示す酸素供給システム１は、在宅酸素
療法用として、呼吸器疾患患者（対象者）に酸素を供給
するために開発されたもので、気水分離タンク２と、純
水の電気分解をなし得る水電解装置８と、該水電解装置
８に電力を給電する電源装置１６とを備えている。

【００１４】一例として水電解装置８は、純水の電気分
解をなし得る電解セル１０１からなる水電解装置であ
り、該電解セル１０１は、図２に示す如く、固体電解質
膜１００１と、該固体電解質膜１００１の両側に設けら
れた電極板（陽極側電極板１００２，陰極側電極板１０
０３）と、固体電解質膜１００１と電極板１００２，１
００３との間に設けられた給電体（陽極側給電体１００
４，陰極側給電体１００５）等を用いて構成され、固体
電解質膜１００１と陽極側電極板１００２とで挟まれた
空間からなる陽極室１００６と、固体電解質膜１００１
と陰極側電極板１００３とで挟まれた空間からなる陰極
室１００７とが形成されている。

【００１５】固体電解質膜１００１としては、例えば、
固体高分子電解質を膜状に形成したもの（以下「固体高
分子電解質膜」ともいう。）１００８の両面に貴金属、
特に白金族金属から成る多孔質層（電極触媒層１００
９，１０１０）を形成したものを用いることが好まし
い。ここで、固体高分子電解質膜１００８としては、例
えば、カチオン交換膜（フッ素樹脂系スルフォン酸カチ
オン交換膜（デュポン社製「ナフィオン１１７」等））
を用いることが好ましい。

【００１６】電極触媒層１００９，１０１０は、例え
ば、化学的に（無電解メッキ、ホットプレス等によっ
て）、固体高分子電解質膜１００８の両面に形成されて
いる。さらに、この場合、電極触媒層１００９，１０１
０を形成する多孔質層（多孔質メッキ層）としては、白
金族金属のうち白金を用いることが好ましく、特に、白
金とイリジウムとから成る二層構造とすることが好まし
い。

【００１７】前記電解セル１０１の陽極室１００６及び
陰極室１００７には、それぞれ端子９，９が設けられて
いる（図１参照）。そこで、端子９に電源装置１６を接
続し、給電すれば、陽極室１００６側（アノード）で
は、２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- なる反応が起こって酸素ガスが発生する。この反応によ
って陽極室１００６側で発生した水素イオンは、少量の
水と共に固体電解質膜１００１を透過して陰極室１００
７（カソード）に至り、陰極室１００７側では、４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂ なる反応が起こって水素ガスが発生する。

【００１８】そして、陽極側電極板１００２には、純水
供給孔１００２ａと、酸素抽出孔１００２ｂとが形成さ
れており、純水供給孔１００２ａを介して、電解セル１
０１外部から陽極室１００６に対して純水が供給され、
酸素抽出孔１００２ｂを介して、陽極室１００６にて生
成された酸素が電解セル１０１外部に抽出される。陰極
側電極板１００３には、水素抽出孔１００３ｂが形成さ
れており、この水素抽出孔１００３ｂを介して、陰極室
１００７にて生成された水素が電解セル１０１外部に抽
出される。

【００１９】ここで、図１に戻り、前記気水分離タンク
２から、貯蔵された純水を陽極室１００６に供給する純
水供給配管３が接続され、陽極室１００６から、生成さ
れた酸素を気水分離タンク２に供給する酸素供給配管４
が接続され、気水分離タンク２から、液分（純水）が分
離された酸素を患者に供給する酸素用配管５が接続され
ている。尚、６は、気水分離タンク２内に純水を補充す
べく、該気水分離タンク２に接続された純水補充配管で
ある。

【００２０】ここで、本実施形態に係る酸素供給システ
ム１の特徴部分は、気水分離タンク２が水電解装置８よ
りも高位置に配置、即ち、気水分離タンク２内の水位が
水電解装置８よりも高くなるよう、該気水分離タンク２
と該水電解装置８との間に高低差が設けられていること
にある。

【００２１】また、本実施形態に係る酸素供給システム
１のもう一つの特徴部分は、電解セル１０１の陽極室１
００６が陰極室１００７よりも上位となるよう、電解セ
ル１０３を横置きにした、即ち、固体電解質膜１００１
が水平となるよう、電解セル１０３を配置したことにあ
る。

【００２２】即ち、前記純水供給配管３は、一端が気水
分離タンク２の底部の接続される一方、他端が電解セル
１０１の上部（陽極室１００６の純水供給孔１００２
ａ）に接続されており、気水分離タンク２内の純水の液
面と電解セル１０１の上部（純水供給孔１００２ａ）と
の高低差がＨとなっている。従って、気水分離タンク２
内の純水は、自重により純水供給配管３を介して水電解
装置８の陽極室１００６内に自動的に供給されるため、
純水供給配管３には、ポンプ等の手段を配設していな
い。

【００２３】また、酸素供給配管４は、一端が電解セル
１０１の上部（陽極室１００６の酸素抽出孔１００２
ｂ）に接続される一方、他端が気水分離タンク２の上部
に接続されている。従って、陽極室１００６で生成され
た酸素は、比重により酸素供給配管４を介して気水分離
タンク２内に自動的に供給されるため、酸素供給配管４
には、ポンプ等の手段を配設していない。しかも、酸素
が酸素供給配管４を流通することにより、陽極室１００
６内の純水も酸素供給配管４を介して気水分離タンク２
に供給される（酸素ガスによるエアリフト効果）ため、
純水は、純水供給配管３及び酸素供給配管４を介して気
水分離タンク２と電解セル１０１との間を循環すること
となる。

【００２４】このようにして、気水分離タンク２内に
は、酸素が貯蔵される（本実施形態においては、酸素の
生成量は、３〜５リットル／ｍｉｎ）。そして、前記酸
素用配管には、流量調整バルブ１０、流量計１１が配設
されており、患者にとって好適な呼吸用気体が供給され
るようになっている。

【００２５】前記電源装置１６は、外部直流電源１７
と、酸素及び水素の化学反応を利用して電力を発生する
燃料電池１８とからなる。外部直流電源１７には、結線
１２が接続され、燃料電池１８には、結線１３が接続さ
れ、水電解装置８の端子９，９に接続された結線１４に
配設された切替スイッチ１５により、外部直流電源１７
及び燃料電池１８の何れか一方と水電解装置８と接続す
ることができる。尚、外部直流電源１７及び燃料電池１
８の何れか一方でなく、両者を並列にして水電解装置８
と接続するものであってもよい。

【００２６】ここで、前記電解セル１０１の陰極室１０
０７から、生成された水素（本実施形態においては、水
素の生成量は、６〜１０リットル／ｍｉｎ）を燃料電池
１８に供給する水素供給配管１９が接続されている。即
ち、該水素供給配管１９は、一端が電解セル１０１の下
部（陰極室１００７の水素抽出孔１００３ｂ）に接続さ
れる一方、他端が燃料電池１８に接続されている。

【００２７】前記燃料電池１８は、図３に示す如く、最
も実用化が進んでいる、いわゆるリン酸型の燃料電池１
８であり、プラスの電極板（空気極）１５０とマイナス
の電極板（燃料極）１５１とがリン酸電解質膜１５２を
挟んだ構造となっている。燃料極１５１側では、水素供
給配管２３から供給された水素ガスが、２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- なる反応を起こして水素イオンと電子を発生する。そし
て、発生した水素イオンはリン酸電解質膜を透過して空
気極１５０に至り、空気極１５０側では、この水素イオ
ンと、酸素供給配管２１から供給された酸素ガスと、燃
料極１５１から結線１５３を通じて送られてきた電子と
が、Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏなる反応を起こす。これらの反応によって発電が行なわ
れ、水電解装置８に電力供給が可能となる。

【００２８】尚、２０は、燃料電池１８で生成された水
を排出するためのドレン配管であり、２１は、燃料電池
１８に酸素を供給するための酸素供給配管である。２０
は、生成された水をそのまま廃棄するようにしてもよ
く、また、ポンプを配設させた状態で前記純水補充配管
６に接続し、燃料電池１８で生成された水を気水分離タ
ンク２に供給する（純水を循環させる）ようにしてもよ
い。

【００２９】以上の如く、本実施形態に係る酸素供給シ
ステムによれば、純水や生成された酸素を送給するため
のポンプや、酸素を加湿するための加湿器が不要とな
り、極めて簡潔な構成にして患者に酸素を提供すること
ができる。また、電力の一部を燃料電池１８から賄うよ
うにしたため、コストパフォーマンスにも優れている。

【００３０】さらに、上記実施形態における電解セル１
０１は、固体電解質膜として固体高分子電解質膜を用い
るため、水電解処理において電解セル１０１内を加温す
る必要が無く、通電すると瞬時に水電解処理が行なわれ
るため、患者の酸素要求に対して迅速に対応することが
できる。

【００３１】また、上記実施形態における電解セル１０
１は、純度約９９．９％の酸素を生成するため、濃縮処
理が不要である。さらに、生成された酸素は、湿分を有
し、不純物ガスを含まないため、酸素療法に適した呼吸
用気体を患者に提供することができる。

【００３２】さらに、燃料電池１８で生成された水をポ
ンプ等で送給して、気水分離タンク２に送るようにすれ
ば、純水を補充する手間が無くなり、メンテナンス性を
向上させることができる。

【００３３】尚、本発明に係る酸素供給システムは、上
記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【００３４】例えば、電解セル１０１は、陽極室１００
６が陰極室１００７よりも上位となるようにして横置き
にするのがより好ましいが、この逆であってもよく、ま
た、縦置きにしてもよい。

【００３５】そして、気水分離タンク２と水電解装置８
との間の高低差を考慮することなく、純水供給配管３、
酸素供給配管４のそれぞれにポンプ等の手段を設けるも
のであってもよい。

【００３６】また、純水が入手できない場合には、蒸留
水であってもよい。

【００３７】さらに、電極触媒層は上記構成に限定され
るものではなく、例えば、イリジウムの他に、二種類以
上の白金族金属をメッキした多層構造の電極触媒層を形
成して、これを固体高分子電解質膜１００８の両面に形
成することによって、固体電解質膜１００１を構成して
もよい。また、白金族触媒と結着剤（ＰＴＦＥ）等を混
合塗布したシートを熱圧着により固体高分子電解質膜に
接合して、固体電解質膜を構成してもよい。

【００３８】また、上記実施形態においては、固体電解
質膜１０の両側に、第一電極板１００２と第二電極板１
００３とが設けられ、電極板１００２，１００３は、そ
れぞれ単極式電極として構成されている。しかし、電極
板としては、複極式電極板を用いることもできる。すな
わち、陽極側電極板においては、固体電解質膜に近接す
る面が陽極となって、他面が陰極となり、また、陰極側
電極板においては、固体電解質膜に近接する面が陰極と
なって、他面が陽極となる構成が好ましい。このような
複極式電極板を用いた電解セルであれば、複数個直列的
に配設して、より高い処理能力を実現可能な電解装置を
得ることが可能となる。また、単極式の電解セルを複数
個並列に並べて使用することも可能である。

【００３９】また、燃料電池１８としては、リン酸型に
限らず、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、
アルカリ型等、公知の燃料電池を採用することができ、
また、燃料電池以外にも、水素エンジン発電機等、水素
を燃料とする発電装置を採用することができる。そし
て、電源装置としては、家庭用電源でもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上の如く、本発明に係る酸素供給シス
テムは、水を貯蔵する水貯蔵装置と、該水貯蔵装置から
供給された水を電気分解する水電解装置とを備え、水電
解装置で生成された、純度が高く、適度に加湿された酸
素を呼吸用気体として用いるものであるため、患者に対
して好適な在宅酸素療法を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る酸素供給システムの系統図を
示す。

【図２】同実施形態の電解セルの概略構成説明図を示
す。

【図３】同実施形態の燃料電池の概略構成説明図を示
す。

【符号の説明】

１…酸素供給システム、２…気水分離タンク（純水貯蔵
装置）、３…純水供給配管（第一の配管）、４…酸素供
給配管（第二の配管）、５…酸素用配管（第三の配
管）、６…純水補充配管（第四の配管）、８…水電解装
置、１０…流量調整バルブ、１１…流量計、１６…電源
装置、１７…外部直流電源、１８…燃料電池、１９…水
素供給配管（第五の配管）、２０…ドレン配管（第四の
配管）、１０１…電解セル、１００１…固体電解質膜、
１００６…陽極室、１００７…陰極室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水を貯蔵する水貯蔵装置（２）と、該水
貯蔵装置（２）から供給された水を電気分解する水電解
装置（８）とを備え、該水電解装置（８）で生成された
酸素を呼吸用気体として用いることを特徴とする酸素供
給システム。
【請求項２】前記水貯蔵装置（２）と前記水電解装置
（８）との間に、水貯蔵装置（２）内の水を水電解装置
（８）に供給するための第一の配管（３）、及び水電解
装置（８）で生成された酸素を水貯蔵装置（２）に供給
するための第二の配管（４）がそれぞれ接続されると共
に、水貯蔵装置（２）に、供給された酸素を呼吸用気体
として供給するための第三の配管（５）が接続され、さ
らに、水貯蔵装置（２）内の水位が水電解装置（２）よ
りも高くなるよう、水貯蔵装置（２）と水電解装置
（８）との間に高低差が設けられてなる請求項１記載の
酸素供給システム。
【請求項３】前記水電解装置（８）が、固体電解質膜
（１００１）を挟んで両側に陽極室（１００６）と陰極
室（１００７）とを備えた電解セル（１０１）からな
り、前記第一の配管（３）の一端が、陽極室（１００
６）に接続され、且つ、電解セル（１０１）が、陽極室
（１００６）が陰極室（１００７）よりも上位となるよ
うに横置きにされてなる請求項１又は２記載の酸素供給
システム。
【請求項４】前記固体電解質膜（１００１）として、
固体高分子電解質膜（１００８）を用いてなる請求項３
記載の酸素供給システム。
【請求項５】前記水電解装置（８）で生成された水素
を用いて発電を行い、該電力を水電解装置（８）に給電
する発電装置（１８）をさらに備えてなる請求項１乃至
４の何れかに記載の酸素供給システム。