JP2002206775A

JP2002206775A - 加湿装置

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Publication number: JP2002206775A
Application number: JP2000402840A
Authority: JP
Inventors: Matsusato Sugano; 松佐登菅野; Makoto Yoshida; 吉田　　誠; Hitoshi Nakamura; 仁志中村; Shiro Yamauchi; 四郎山内; Hide Kimura; 秀木村; Takeaki Hanada; 武明花田; Hideki Sakai; 英樹酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Teijin Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Teijin Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-26
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP4274686B2

Abstract

(57)【要約】【課題】水素ガスの発生を抑制しつつ、水の補充など
定期的な手入れが不要で、連続的に十分な加湿度が得ら
れ、かつ加湿度を自由にかつ容易に設定できる加湿装置
を提供すること。【解決手段】固体高分子電解質膜の両側に触媒作用を
持つ電極を備えた固体高分子電解素子の陰極側に被加湿
気体を流通させるようにした加湿装置において、加湿装
置の出口に気体中の水素の存在を検出する水素センサを
設け、水素センサが水素を検出すると、該固体高分子電
解素子に流れる電流を停止させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質膜を使
用して気体を加湿する加湿装置に関し、特に水を補充す
ることなく連続して加湿された気体を利用することを可
能にする加湿装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業用や医療用に用いられる医療用気体
は、ボンベ入りの圧縮気体またはボンベ入り液化気体で
供給されたり、或いは精製・濃縮装置から直接供給され
る。これらの医療用気体では、一般的に、製造段階で不
純物として極限まで水分が取り除かれている。このよう
な絶乾状態の気体を、患者が医療用気体として吸入する
と、例えば上気道粘膜の繊毛運動低下、体内水分、熱量
の損失、喀痰の乾燥による喀出困難といった問題が生じ
る。そのため、医療用気体の患者への吸入に先立って加
湿器等を用いて医療用気体を加湿しておく必要がある。

【０００３】従来、医療用気体のような小流量の気体を
加湿する加湿器としては、精製水を入れた容器の中に被
加湿気体を通す方式のもの、水中に被加湿気体を泡状に
して通す方式のものが多く用いられてきた。しかしこれ
らの加湿器は水を用いているために、長期の使用に際し
ては細菌の繁殖や加湿水の腐敗等が危惧され、定期的に
水の補充・交換を行うなどの手入れが必要となる。ま
た、こうした手入れの際の組み立て過誤により気体が正
常に供給されなくなる等の問題があった。

【０００４】この問題を解決する方法として、特開平10
-248935号公報には、水分移動膜で構成された管を用
い、管の外面に室内空気を供給し内面に被加湿気体とし
て医療用気体を流通することにより、空気中の水分を水
蒸気分圧差を利用して被加湿気体中に移行させて加湿す
る方法が開示されている。然しながら、この方法では、
被加湿気体の加湿度は供給空気の湿度に大きく左右さ
れ、特に外気の湿度が低い場合に被加湿気体が十分に加
湿されず加湿不足となる問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開2000-51638号公報
には、陽イオン伝導性の固体高分子電解質を用いた除湿
器が開示されている。これ、陽イオン伝導性の固体高分
子電解質の片面に陰極、反対側の面に陽極を持った基本
構造をしており、これに電流を流す事により陽極・陰極
において生じる下記のの反応を利用するものである。

【０００６】陽極側：２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- 陰極側：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏこのように固体高分子電解質を用いた除湿器では、陰極
側で水素が酸素と結合して水が発生するので、陰極側に
酸素を含む被加湿気体を流通すれば、加湿器として用い
ることができる。然しながら、この場合、陰極側への酸
素の供給が途絶えると、水素イオンがそのまま水素ガス
として放出され、引火、爆発を起こすおそれがあるとい
う問題がある。

【０００７】本発明は従来技術の問題を解決することを
技術課題としており、水素ガスの発生を抑制しつつ、水
の補充など定期的な手入れが不要で、連続的に十分な加
湿度が得られ、かつ加湿度を自由にかつ容易に設定でき
る加湿装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の加湿器は、陽極
側に水分子を酸素分子と水素イオンに電気分解する触媒
層、陰極側に酸素分子と水素イオンから水分子を生成す
る触媒層を備えた固体高分子電解素子、その固体高分子
電解素子に電流を流すための直流電源、直流電源より供
給される電流または電圧を制御する電流制御回路およ
び、固体高分子電解素子からの水素の発生を検知する水
素検出手段または加湿器に流入する被加湿気体、あるい
は加湿器より取り出される、加湿された気体の流量低下
を検知する流量計を有するものである。

【０００９】固体高分子電解素子としては、陽極側、陰
極側に白金や白金担持カーボン、ルテニウム、インジウ
ム、パラジウムなどの白金族金属、またはこれらの酸化
物を陽イオン伝導性固体電解質膜表面に分布させたもの
を使用することができる。陽イオン伝導性固体電解質膜
としては、例えばデュポン社製NAFION-117などの膜を使
用することができる。また、水素検出手段としては、例
えば酸化スズを用い、表面の吸着酸素量が雰囲気中の還
元性ガスの量によって変化する事による、電気抵抗の変
化を利用するものを用いることができる。

【００１０】かかる両面に電極を備えた陽イオン伝導性
固体電解質膜である固体高分子電解素子に通電すると、
陽極側で生成された酸素は陽極側の気体中に放出され、
電子は陽極から配線を通って電源へ行き、水素イオンが
膜を透過して陰極側に移動する。陰極側では陽極側から
透過してきた水素と電源より運ばれてきた電子、陰極側
気体中の酸素より、水分子が生成され、陰極側気体中に
放出される。結果として、陽極側では酸素が生成される
とともに除湿され、陰極側では酸素を消費して陰極側気
体を加湿する。

【００１１】ここで陰極側への酸素の供給が停止あるい
は低下すると、陰極側に到達した水素イオンの少なくと
も一部は酸素と結合することなくそのまま２個の電子と
結合して水素分子となって被加湿気体中に放出される。
水素分子が発生し始める最低の被加湿気体の流量は、被
加湿気体中に含まれる酸素の単位時間あたりの供給分子
数が単位時間あたりに移動する水素イオンの数の四分の
一以下になる流量である。被加湿気体に含まれている酸
素濃度をＣ（モル分率）、素子に流れる電流をＩ（Ａ）
とすると、水素が発生し始める最低の流量Ｆ（ＳＣＣ
Ｍ）は以下の式で表される。

【００１２】Ｆ＝３．８０・Ｉ／Ｃ …（１）なお、単位ＳＣＣＭは、１分間に流れる気体の分子数を
標準状態の気体の容積ｍＬであらわした流量単位であ
る。被加湿気体の流量がこの値以下になると、確実に水
素が発生する。実際には酸素分子と加湿素子表面との接
触効率などにより、これより若干高い流量でも水素が発
生する。

【００１３】これを防止するために本発明では水素の発
生あるいは酸素供給量の低下を検知して固体高分子電解
加湿素子への電流の供給を停止するための電圧制御手段
または電流制御手段を備えている。また、加湿器下流側
の導管が閉塞しても加湿器に流れる流量が、（１）式で
表される流量よりも低下しないように、加湿器の下流側
に安全弁または小孔を設けて、下流側の導管の閉塞によ
る圧力上昇を検出して被加湿気体を排出するような構成
のものが好ましい。

【００１４】また、万が一水素ガスが発生した場合でも
その水素ガスが速やかに吸収、消費されるように、加湿
素子を出た被加湿気体が水素ガスを酸化せしめる性質を
持つ触媒を配置した反応装置を通過するような構成のも
のや、被加湿気体側が陽極側に、空気側が陰極側になる
よう構成された燃料電池を備え、加湿器を出た被加湿気
体を燃料電池の陰極側に通し、発生した水素を燃料電池
の燃料として消費する構成のものが好ましい。とくに後
者の方法は、被加湿気体中に酸素が全く無くなってしま
った場合でも、発生した水素は、燃料電池の陽極で水素
イオンとなり、燃料電池の膜を通じて陽極側に移動し、
陽極膜面で空気中の酸素と結合し、消費される利点があ
る。また、燃料電池に発生する起電力または流れる電流
を測定することにより、同時に水素発生も検出すること
ができるという利点も併せ持つ。

【００１５】また、加湿器停止時に固体高分子電解素子
の陽極と陰極を短絡する事により、水素発生の検出が遅
れた場合でも固体高分子電解素子が固体高分子型の燃料
電池として動作し、水素を外気の酸素と結合させること
により速やかに吸収することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好ましい実施形態を説明する。先ず、図１を参照して
本発明の第１の実施形態による加湿装置を説明する。第
１の実施形態による加湿装置１０は加湿器ユニット２０
を具備している。加湿器ユニット２０は、固体高分子電
解質膜２２を具備しており、固体高分子電解質膜２２の
一側面には陽極２４が接合され、反対側の側面には陰極
２６が接合されている。陽極２４および陰極２６は、直
流電源１８の陽極および陰極に接続されている。陽極２
４および陰極２６は、触媒作用を有する白金や白金担持
カーボン、ルテニウム、インジウム、パラジウムなどの
白金族金属、または、これらの酸化物を陽イオン伝導性
固体電解質膜表面に分布させたものを使用することがで
きる。固体高分子電解質膜２２は、陽イオン伝導性固体
電解質膜であって、例えばデュポン社製NAFION-117など
の膜を使用することができる。更に、加湿装置１０は送
風機１２を具備しており、送風機１２は空気供給路（図
示せず）を介して加湿器ユニット２０の陽極に空気を供
給する。

【００１７】また、加湿器ユニット２０は、陰極２６の
表面を包囲するように設けられた被加湿気体流通路２８
を具備しており、被加湿気体流通路２８は、入口管路６
を介して医療用気体供給源（図示せず）に接続された入
口ポート２８ａと、出口管路８を介して患者に装着され
ている医療用気体供給用のマスクまたはカニューレ等に
接続された出口ポート２８ｂとを有している。出口管路
８には、水素検出手段としての水素センサ３０、湿度検
出手段としての湿度センサ３２および反応装置１４が順
次に設けられている。反応装置１４には水素と酸素とを
反応させ水を生成する触媒、例えば白金や白金担持カー
ボンが充填されており、加湿器ユニット２０において万
が一水素が発生した場合でも、反応装置１４内でほとん
ど全てが酸素と結合して水となり、出口導管８を通って
供給対象へと供給されるようになっている。水素センサ
３０としては、例えば酸化スズを用いて表面の吸着酸素
量が雰囲気中の還元性ガスの量によって変化する事によ
る、電気抵抗の変化を利用するものを用いることができ
る。

【００１８】水素センサ３０および湿度センサ３２は、
直流電源１８の電圧を制御する電源制御装置１６に接続
されている。電源制御装置１６は、水素センサ３０が水
素を検出すると、直流電源１８から陽極２４および陰極
２６への電圧の供給を停止する。また、電源制御装置１
６は、好ましくは、電圧供給停止時に同時に陽極２４お
よび陰極２６を短絡するように構成されている。電源制
御装置１６による直流電源１８の制御方法は、直流電源
１８から陽極２４および陰極２６への電圧値を直接制御
してもよいが、陽極２４および陰極２６へ電圧を供給、
停止する所謂on-off制御として、電圧を供給している時
間（on時間）と停止している時間（off時間）を制御す
るようにしてもい。その場合、出力される被加湿気体の
湿度変動を押さえるためにon-offの間隔は１０秒以下に
することが好ましい。また、電源制御装置１６は、直流
電源１８から陽極２４および陰極２６への供給電流を制
御しても良い。電源制御装置１６は、湿度センサ３２に
より検知された出口管路８内の医療用気体の湿度が所定
の値よりも低下した場合に、直流電源１８から陽極２４
および陰極２６への電圧または電流値を増加させ、湿度
が上昇した場合には減少させる。

【００１９】次に、図２を参照して本発明の第２の実施
形態を説明する。なお、図２において第１の実施形態と
同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。第２
の実施形態による加湿装置４０は、第１の実施形態と同
様の加湿器ユニット２０を具備している。第２の実施形
態では、入口管路６には酸素濃度検出手段としての酸素
センサ４２と、流量測定手段としての流量センサ４６と
が配設されている。被加湿気体流通路２８には温度セン
サ４８が配設されている。酸素センサ４２、流量センサ
４６および温度センサ４８は、電源制御装置１６に接続
されている。加湿器ユニット２０へ供給する電流と水分
の移動量は略比例しているので、温度センサ４８により
検知された温度から飽和水蒸気量がわかれば、飽和水蒸
気量と流量から、ある湿度まで加湿するために必要な水
分移動量が求まる。電源制御装置１６は、流量センサ４
６と温度センサ４８からの信号に基づき必要な加湿量を
計算し、設定値の加湿度を得るために必要な水分移動量
に相当する電流を流すように直流電源１８に制御信号を
送る。

【００２０】固体高分子電解質を用いた加湿器では、外
部の水を電気分解して水素と酸素とに分けた後に、水素
のみが膜を通して被加湿気体側へ移動する。これを再び
水に戻すためには、被加湿気体側に酸素が含まれている
ことが必要となる。酸素濃度が低下すると、水素イオン
はそのまま水素分子となって被加湿気体側へ放出され危
険な状態となる。そこで、本実施形態では、電源制御装
置１６は、流量センサ４６と酸素センサ４２からの信号
を受け取り、流量または酸素濃度が低下した場合に加湿
器を停止させるように直流電流１８に制御信号を送る。
なお、図２において、温度センサ４８は被加湿気体流通
路２８の外側に配置されているように図示されている
が、温度センサ４８は、好ましくは、被加湿気体流通路
２８内に配設されている。

【００２１】図３を参照して本発明の第３の実施形態を
説明する。なお、図３において第１の実施形態と同様の
構成要素には同じ参照番号が付されている。第３の実施
形態による加湿装置５０は、第１と第２の加湿器ユニッ
ト６０、７０を具備している。第１と第２の加湿器ユニ
ット６０、７０は第１の実施形態の加湿器ユニット２０
と同様に構成されており、固体高分子電解質膜６２、７
２を有し該固体高分子電解質膜６２、７２の一側面には
陽極６４、７４が接合され、反対側の側面には陰極６
６、７６が接合されている。

【００２２】また、第１と第２の加湿器ユニット６０、
７０は、各々の陰極６６、７６の表面を包囲するように
設けられた被加湿気体流通路６８、７８を具備してい
る。第１の加湿器ユニット６０の被加湿気体流通路６８
の入口ポート６８ａは、入口管路６を介して医療用気体
供給源（図示せず）に接続されており、出口ポート６８
ｂは、接続管路９を介して第２の加湿器ユニット７０の
被加湿気体流通路７８の入口ポート７８ａに接続されて
いる。第２の加湿器ユニット７０の被加湿気体流通路７
８の出口ポート７８ｂは、出口管路８を介して患者に装
着されている医療用気体供給用のマスクまたはカニュー
レ等に接続されている。接続管路９には湿度センサ３２
が配設されており、該湿度センサ３２は、電源制御装置
１６に接続さている。

【００２３】第２の加湿器ユニット７０は、被加湿気体
側を陰極、外気側を陽極として燃料電池を構成してい
る。第１の加湿器ユニット６０による加湿度の制御法、
水素発生時の加湿器停止法は第１の実施形態と同一であ
る。第１の実施形態と異なる点は、触媒を用いた反応装
置１４に代えて第２の実施形態では、第２の加湿器ユニ
ット７０による燃料電池が存在する事である。この燃料
電池の陽極７４と陰極７６は、図３に示すように電気的
に短絡あるいは低抵器７０ａを介して接続されており、
陰極７６側に水素が発生すると陽極７４から短絡路を通
って陰極７６に電流が流れ、同時に陰極７６から陽極７
４へ膜内を通って水素イオンが移動する。陽極７４に到
達した水素イオンは、空気中の酸素と結合して水となっ
て消費される。

【００２４】また、第２の加湿器ユニット７０において
水素を検出するために、電流センサ５２が短絡路７０ａ
に接続されており、水素発生時に燃料電池としての第２
の加湿器ユニット７０に流れる電流を検出することによ
り水素発生の有無を知ることができる。なお、既述の実
施形態では、陽極側に空気を送り込むための送風機によ
り強制換気を行うようになっているが自然換気を用いた
ものでも良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加湿装置の好ましい実施形態を示す概
略フロー図。

【図２】本発明の加湿装置の別の実施形態を示す概略フ
ロー図。

【図３】本発明の加湿装置の別の実施形態を示す概略フ
ロー図。

【符号の説明】

６…入口管路８…出口管路１０…加湿装置１２…送風機１４…反応装置１６…電源制御装置１８…直流電源２０…加湿器ユニット２２…固体高分子電解質膜２４…陽極２６…陰極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｋ (72)発明者吉田誠東京都日野市旭ヶ丘４丁目３番２号帝人株式会社東京研究センター内 (72)発明者中村仁志東京都日野市旭ヶ丘４丁目３番２号帝人株式会社東京研究センター内 (72)発明者山内四郎東京都千代田区丸の内２丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者木村秀東京都千代田区丸の内２丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者花田武明兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号菱彩テクニカ株式会社内 (72)発明者酒井英樹兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号菱彩テクニカ株式会社内Ｆターム(参考） 3L055 BA01 DA05 DA14 5H027 AA06 BA16 BC06 DD03 KK31 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜の両側に触媒作用を
持つ電極を備えた固体高分子電解素子と、該固体高分子
電解素子の陽極側に設けられた水分を含んだ空気を流通
させるための空気流通路と、固体高分子電解素子の陰極
側に被加湿気体を流通させるための被加湿気体流通路
と、該陰極及び陽極に電流を流す電源装置を備えた加湿
装置において、前記被加湿気体流通路の出口側に設けられた気体中の水
素の存在を検出する水素検出手段と、該水素検出手段か
らの信号により該固体高分子電解素子に流す電流を制御
する電流制御手段とを備え、前記水素検出手段が水素を
検出すると、前記電流制御手段が該固体高分子電解素子
に流れる電流を停止させることを特徴とする加湿装置。
【請求項２】固体高分子電解質膜の両側に触媒作用を
持つ電極を備えた固体高分子電解素子と、該固体高分子
電解素子の陽極側に設けられた水分を含んだ空気を流通
させるための空気流通路と、固体高分子電解素子の陰極
側に被加湿気体を流通させるための被加湿気体流通路
と、該陰極及び陽極に電流を流す電源装置を備えた加湿
装置において、前記加湿装置に流通する気体の流量を測定する流量測定
手段と、該流量測定手段からの信号により前記固体高分
子電解素子に流通する電流を制御する電流制御手段とを
備え、前記流量測定手段からの信号が予め設定しておい
た最低流量よりも低下したときに該電流制御手段が該固
体高分子電解素子に流す電流を停止させることを特徴と
する加湿装置。
【請求項３】少なくとも２個の固体高分子電解素子を
有し、そのうち少なくとも１つの固体高分子電解素子
が、膜の被加湿気体側の面を陰極に、空気側の面を陽極
に燃料電池として動作するように構成され、該燃料電池
の陰極と陽極が短絡されていることを特徴とする請求項
１または２記載の加湿装置。
【請求項４】前記加湿装置に流通する被加湿気体の流
量に応じて、前記固体高分子電解素子に流通する電流を
変化させる事を特徴とする請求項１から３の何れか１項
に記載の加湿装置。
【請求項５】前記加湿装置に流入する被加湿気体の酸
素濃度を測定する酸素濃度測定手段を備え、流入する被
加湿気体の酸素濃度が予め設定しておいた値よりも低下
したときに前記固体高分子電解素子に流れる電流を停止
させることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に
記載の加湿装置。
【請求項６】前記固体高分子電解素子に流れる電流が
停止したときに、前記固体高分子電解素子の陽極と陰極
とを短絡する事を特徴とする請求項１から５の何れか１
項に記載の加湿装置。
【請求項７】被加湿気体流通路の下流側に水素を酸化
する触媒を充填した反応装置を設けたことを特徴とする
請求項１から６の何れか１項に記載の加湿装置。
【請求項８】前記被加湿気体流通路の下流側に該流通
路の内圧が一定の圧力を超えたときに、気体を系外に排
出するようにしたことを特徴とする請求項１から７の何
れか１項に記載の加湿装置。
【請求項９】前記被加湿気体流通路の下流側に常時少
量の気体を系外に排出する小孔を持つことを特徴とする
請求項１から７の何れか１項に記載の加湿装置。
【請求項１０】前記小孔が、加湿器下流側の気体流量
が零になった場合でも、下記の式であらわされるＦなる
流量が該小孔より流出するように設計されていることを
特徴とする請求項９記載の加湿装置。Ｆ（ＳＣＣＭ）＝３．８０ｋ・Ｉ（Ａ）／Ｃここで、ｋ：安全係数で１より大きい値Ｃ：被加湿ガスの酸素濃度（モル分率）Ｉ：素子電流（アンペア）ＳＣＣＭ：標準状態で１ｍＬに相当する分子数の気体が
流れる流量（ｍＬ／分）である。