JP2004148116A - 酸素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】在宅酸素療法において、ポンプ等の手段を設けず、低騒音化を実現することができ、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酸素供給システムを提供する。
【解決手段】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、水貯蔵装置２と水電解装置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ようにした。
【選択図】図１

Description

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。

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、（１）酸素ボンベ、液体酸素などを使用する方式、（２）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、（３）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。

しかしながら、（１）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。（２）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。（３）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。

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。

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、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ことを特徴とする。

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。

しかも、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。

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。

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１００１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。

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、加えて、水貯蔵装置と水電解装置との間に高低差を設けることにより、第一の配管、第二の配管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。

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。

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。

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１００３）と、固体電解質膜１００１と電極板１００２，１００３との間に設けられた給電体（陽極側給電体１００４，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。

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１００９，１０１０）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。

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１００９，１０１０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。

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１００７（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。

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１０１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。

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。

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。

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１００６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。

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１００２ａ）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。

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１００２ｂ）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１００６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。

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５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。

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。

さらに、上記実施形態における電解セル１０１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。

また、上記実施形態における電解セル１０１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。

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。

例えば、電解セル１０１は、陽極室１００６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。

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。

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。

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。

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１００３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。

本実施形態に係る酸素供給システムの系統図を示す。 同実施形態の電解セル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 (3)

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、
   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ことを特徴とする酸素供給システム。
2. 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請求項１記載の酸素供給システム。
3. 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２記載の酸素供給システム。