JP2023011956A - 酸素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで酸素を生成可能な酸素生成装置を提供する。【解決手段】酸素生成装置１は、酸素還元反応により、酸素発生反応のための活物質を生成する第１電池１１と、酸素発生反応により酸素を生成する第２電池１２と、第１電池１１により生成された電荷を充電すると共に、第２電池１２が酸素を生成するときに電荷を放電して第２電池１２に電荷を供給する蓄電装置１３と、第１電池１１と蓄電装置１３とを接続する第１経路と、第２電池１２と蓄電装１３置とを接続する第２経路とを切り換える切換回路１４と、第１経路と第２経路との間の切り換えを制御する制御装置４０とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、酸素生成装置に関する。

近年、喘息、慢性閉塞性肺疾患、間質性肺炎等の呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その効果的な治療法のひとつに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素濃縮ガスを患者に吸入させるものである。その供給源として、酸素濃縮装置、液体酸素、酸素ガスボンベ等が知られているが、使用時の便利さや保守管理の容易さから、在宅酸素療法（Home Oxygen Therapy, HOT）には酸素生成装置又は酸素濃縮装置が主に用いられている。

一般的な酸素濃縮装置は、空気中に存在する約２１％の酸素を分離濃縮して患者供給ガスとして患者に供給する装置であり、高濃度の酸素が得られる点から、現在では酸素より窒素を優先的に吸着しうる吸着剤を用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が主流になっている。医療向け酸素濃縮装置では一般的に酸素濃度を約９０％前後に保ち、生成した酸素の流量を調整することで酸素投与量を調節している。

特開２００９－６２２３５号公報

従来から用いられている酸素濃縮装置ではコンプレッサーの動作や吸着筒加減圧による吸脱着工程により騒音や振動が発生しており、特に夜間において、患者が室内で使用する場合には、その騒音により十分な睡眠をとることができない場合があった。また、当該コンプレッサーによる消費電力が大きいため、更なる省電力化が望まれていた。

本発明の発明者らは、鋭意研究により亜鉛空気電池を酸素生成装置（酸素濃縮装置）に適用することができることを見出した。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、低騒音化及び省電力化を向上することができる酸素生成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る酸素生成装置は、酸素還元反応により酸素発生反応のための活物質を生成する第１電池と、酸素発生反応により酸素を生成する第２電池と、第１電池により生成された電荷を充電すると共に、第２電池が酸素を生成するときに電荷を放電して第２電池に電荷を供給する蓄電装置と、第１電池と蓄電装置とを接続する第１経路と、第２電池と蓄電装置とを接続する第２経路とを切り換える切換回路と、第１経路と第２経路との間の切り換えを制御する制御装置とを有する。

また、本発明に係る酸素生成装置は、第１電池は、空気極である第１正極、亜鉛を含有する負極、及び負極が浸漬されるアルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液を有し、第２電池は、第１正極と異なる空気極である第２正極、負極及び電解液を有し、第１電池及び第２電池は、第１正極、第２正極、負極及び電解液により形成される３電極方式の亜鉛空気電池として一体化されることが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、第２電池により生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵槽と、酸素貯蔵槽により貯蔵された酸素量を測定する酸素量測定センサと、を更に有し、制御装置は、酸素量測定センサによって測定された酸素量を示す酸素量情報を取得する酸素量情報取得部と、酸素量情報に対応する酸素量が所定の第１酸素しきい値よりも多いか否かを判定する酸素量判定部と、酸素量が第１酸素しきい値よりも多いと判定されたときに、第１経路に切り換える期間である第１期間の単位時間当たりの比率を減少し、酸素量が第１酸素しきい値よりも少ないと判定されたときに、第１期間の単位時間当たりの比率を増加する酸素量調整部とを有することが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、第１正極に酸素を含む気体を供給する吸気装置を更に有することが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、酸素量判定部は、酸素量情報に対応する酸素量が所定の第２酸素しきい値よりも多いか否かを更に判定し、制御装置は、酸素量が第２酸素しきい値よりも少ないと判定されたときに、第１正極への気体の供給量を増加することを示す気体供給指示を吸気装置に出力する酸素供給指示部を更に有することが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、第１電池及び第２電池の温度を測定する温度センサと、第１電池及び第２電池を冷却する冷却装置と、を更に有し、制御装置は、温度センサによって測定された温度を示す温度情報を取得する温度情報取得部と、温度情報に対応する温度が所定の第１温度しきい値よりも高いか否かを判定する温度判定部と、温度が第１温度しきい値よりも高いと判定されたときに、第１電池及び第２電池を冷却することを示す冷却指示を冷却装置に出力する酸素量冷却指示部とを有することが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、冷却装置は、亜鉛空気電池の内部に配置される排気装置を有することが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、第１電池及び第２電池の温度を測定する温度センサと、第１電池及び第２電池の湿度を測定する湿度センサと、電解液を循環する循環装置と、を更に有し、制御装置は、温度センサによって測定された温度を示す温度情報を取得する温度情報取得部と、湿度センサによって測定された湿度を示す湿度情報を取得する湿度情報取得部と、温度情報に対応する温度が所定の第２温度しきい値よりも高いか否かを判定する温度判定部と、湿度情報に対応する湿度が所定の湿度しきい値よりも低いか否かを判定する湿度判定部と、温度が第２温度しきい値よりも高いと判定されたとき、又は湿度が湿度しきい値よりも低いと判定されたときに、電解液の循環量を増加することを示す電解液循環指示を循環装置に出力する電解液循環指示部とを有することが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、電解液の残量を測定する残量検出センサと、電解液を補充する補充装置と、を更に有し、制御装置は、残量検出センサによって測定された電解液の残量を示す残量情報を取得する残量情報取得部と、残量情報に対応する電解液の残量が所定の残量しきい値よりも少ないか否かを判定する残量判定部と、電解液の残量が残量しきい値よりも少ないと判定されたときに、電解液を補充することを示す電解液補充指示を補充装置に出力する電解液補充指示部とを有することが好ましい。

また、本発明に係る酸素生成装置では、第２電池が生成した酸素と空気とを混合して、酸素の濃度が調整された酸素ガスを生成する酸素濃度調整装置を更に有することが好ましい。

本発明は、低騒音化及び省電力化を向上することができる酸素生成装置を提供することができる。

実施形態に係る酸素生成装置の概略を示すブロック図である。 亜鉛空気電池の充放電特性を示す図である。 実施形態に係る酸素生成装置のブロック図である。 図３に示す酸素濃度調整装置を示すブロック図である。 図３に示す制御装置のブロック図である。 図３に示す制御装置により実行される制御処理のフローチャート（その１）である。 図３に示す制御装置により実行される制御処理のフローチャート（その２）である。 図６及び７に示すＳ１０３～Ｓ１２３の処理を繰り返したときのＲＨＥ基準の蓄電装置の正極の電位の変化を示す図である。 （ａ）は充電用電池の正極を示す図であり、（ｂ）は充電用電池の負極を示す図である。 （ａ）は使用された充電用電池の全体を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す充電用電池の要部を示す図であり、（ｃ）は酸素量の測定に使用されたガスクロマトグラフィーの外観を示す図である。 充電処理中の充電電池を示す図である。 正極から発生する酸素量の経時変化を示す図である。 （ａ）は充電処理を実行する前の負極を示す図であり、（ｂ）は充電処理を実行した後の負極を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に示す負極の部分拡大図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る酸素生成装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

（実施形態に係る酸素生成装置の概要）
図１は、実施形態に係る酸素生成装置の概略を示すブロック図である。

酸素生成装置１は、３電極方式の亜鉛空気電池１０と、蓄電装置１３と、切換回路１４と、第１ＤＣ－ＤＣ回路１５と、第２ＤＣ－ＤＣ回路１６と、酸素排出装置１７とを有する。

亜鉛空気電池１０は、第１正極とも称される放電正極１０１と、第２正極とも称される充電正極１０２と、負極１０３と、電解液１０４とを有する。

放電正極１０１は、酸素還元活性を有する触媒が配置される。放電正極１０１の触媒は、例えばＬａ_0.5Ｃａ_0.5ＣｏＯ₃が好ましく、白金、銀、パラジウム、ロジウム、鉄、ニッケル、コバルト、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、二酸化マンガン、窒素含有カーボン、及びフタロシアニン錯体等であってもよい。放電正極１０１は、これら触媒を担持した表面積が大きいカーボンブラックや金属粉末等の導電性担体をバインダで結着して形成される。

充電正極１０２は、水の電解反応における酸素発生過電圧が低く、耐食性の高い材料で形成される。充電正極１０２の材料は、ニッケル及び銅並びにニッケル合金及び銅合金等である。充電正極１０２は、多孔体、メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル及び不織布等の形状とする、又はめっき及び機械加工等により表面粗化した形状とすることにより、表面積が大きい形状とすることが好ましい。

負極１０３は、充電正極１０２と同様に表面積が大きい形状を有する亜鉛により形成される。負極１０３は、粉状の亜鉛及び酸化亜鉛をバインダで結着して形成されてもよい。なお、負極１０３は、公知の添加剤が添加されてもよい。また、負極１０３は、アルミ、クロム、鉄、スズ、鉛等の水素よりも希の金属で形成されてもよい。

電解液１０４は、水酸化カリウム、水酸化充ナトリウム及び水酸化リチウム亜鉛イオン等及びこれらを混合した水溶液系電解質を溶解したアルカリ金属水酸化物水溶液であり、亜鉛イオンを含有する。電解液１０４に含有される亜鉛イオンの濃度は、飽和濃度が好ましい。亜鉛イオンは、酸化亜鉛、及び硫酸亜鉛等の亜鉛化合物を水溶液系電解質に添加してもよく、負極１０３から水溶液系電解質に溶解させてもよい。

亜鉛空気電池１０は、酸素還元反応により、酸素発生反応のための活物質を生成する第１電池１１、及び酸素発生反応により酸素を生成する第２電池１２の２つの電池とを含む。３電極方式の亜鉛空気電池１０は、第１電池１１及び第２電池１２を含む電池の一例である。第１電池１１は放電正極１０１、負極１０３及び電解液１０４により形成される亜鉛空気電池であり、第２電池１２は充電正極１０２、負極１０３及び電解液１０４により形成される亜鉛空気電池である。

蓄電装置１３は、例えばリチウムイオン電池等の大容量且つ充放電効率の高い蓄電池であり、切換回路１４を介して亜鉛空気電池１０に接続される。蓄電装置１３は、亜鉛空気電池１０の充放電に応じて充放電することで、亜鉛空気電池１０から供給される電荷を充電すると共に、亜鉛空気電池１０に電荷を放電する。

切換回路１４は、第１スイッチ１４１と、第２スイッチ１４２と、第３スイッチ１４３と、第４スイッチ１４４を有し、亜鉛空気電池１０の充放電状態を切り換える。第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２のそれぞれは、１極双投型のスイッチである。第１スイッチ１４１は第３スイッチ１４３を介して蓄電装置１３の負極に接続され、第２スイッチ１４２は第４スイッチ１４４を介して蓄電装置１３の正極に接続される。

第１スイッチ１４１の一方の接点は第１ＤＣ－ＤＣ回路１５を介して負極１０３に接続され、第１スイッチ１４１の他方の接点は第２ＤＣ－ＤＣ回路１６を介して負極１０３に接続される。第２スイッチ１４２の一方の接点は第１ＤＣ－ＤＣ回路１５を介して放電正極１０１に接続され、第２スイッチ１４２の他方の接点は第２ＤＣ－ＤＣ回路１６を介して充電正極１０２に接続される。

第３スイッチ１４３及び第４スイッチ１４４のそれぞれは、１極単投型のスイッチである。第３スイッチ１４３及び第４スイッチ１４４がオフするとき、亜鉛空気電池１０と蓄電装置１３との間は絶縁され、第３スイッチ１４３及び第４スイッチ１４４がオンするとき、亜鉛空気電池１０と蓄電装置１３との間は導通される。

第１ＤＣ－ＤＣ回路１５及び第２ＤＣ－ＤＣ回路１６のそれぞれは、蓄電装置１３の正極と負極との間に印加される電圧を、放電正極１０１及び充電正極１０２のそれぞれと負極１０３との間に印加される電圧との間で直流―直流変換する。

酸素排出装置１７は、一次酸素貯蔵槽１７１と、排出ファン１７２と、排出バルブ１７３とを有する。一次酸素貯蔵槽１７１は、充電正極１０２で発生する酸素を貯蔵し、排出ファン１７２は、排出バルブ１７３が開く間に一次酸素貯蔵槽１７１に貯蔵された酸素を不図示の酸素貯蔵層に搬送する。

放電正極１０１と蓄電装置１３の正極とが接続され且つ負極１０３と蓄電装置１３の負極とが接続されて、第１電池１１と蓄電装置１３との間を接続する第１経路を切換回路１４が形成するとき、第１電池１１は、放電状態になる。第１電池１１が放電状態であるとき、放電正極１０１において空気中の酸素を用いて以下に示す酸素還元反応が進行する。

一方、第１電池１１が放電状態であるとき、負極１０３において以下に示す酸化反応が進行して、負極１０３から亜鉛酸イオンが生成されて、生成された亜鉛酸イオンは、電解液１０４に溶解する。負極１０３から亜鉛酸イオンは、第１電池１１が生成する酸素発生反応のための活物質の一例である。

第１電池１１と蓄電装置１３との間を接続する第１経路を切換回路１４が形成するとき、第１電池１１は電荷を放電し、第１電池１１が放電した電荷は、蓄電装置１３に充電される。

充電正極１０２と蓄電装置１３の正極とが接続され且つ負極１０３と蓄電装置１３の負極とが接続されて、第２電池１２と蓄電装置１３との間を接続する第２経路を切換回路１４が形成するとき、第２電池１２は、充電状態になる。第１電池１１が充電状態であるとき、充電正極１０２において以下に示す酸素発生反応が進行して、充電正極１０２から酸素が発生する。充電正極１０２から発生した酸素は、酸素排出装置１７の一次酸素貯蔵槽１７１に貯蔵される。

一方、第１電池１１が充電状態であるとき、負極１０３において以下に示す還元反応が進行して、電解液１０４に溶解していた亜鉛酸イオンから亜鉛が生成し、生成した亜鉛が負極１０３に付着する。

第１電池１１と蓄電装置１３との間を接続する第１経路を切換回路１４が形成するとき、第１電池１１は電荷を放電し、第１電池１１が放電した電荷は、蓄電装置１３に充電される。

図２は、亜鉛空気電池１０の充放電特性を示す図である。図２において、横軸は、可逆水素電極（Reversible Hydrogen Electrode、ＲＨＥ）を基準として測定された電位を示す。

放電正極１０１及び充電正極１０２に配置される酸素の平衡電位は１．２３Ｖであり、負極１０３に配置される亜鉛の平衡電位は－０．４２Ｖである。酸素還元反応が進行するとき、放電正極１０１の電位が下降すると共に、負極１０２の電位が上昇することで、放電電正極１０１と負極１０３との間の放電電圧は、１．２Ｖ程度になる。一方、酸素発生反応が進行するとき、放電正極１０１の電位が上昇すると共に、負極１０２の電位が下降することで、放電電正極１０１と負極１０３との間の放電電圧は、２．０Ｖ程度になる。

実施形態に係る酸素生成装置１は、亜鉛空気電池１０を酸素発生部として使用すると共に、亜鉛空気電池１０が充放電する電荷を蓄電装置１３が充放電することで、酸素を発生するときに発生する電気エネルギーを蓄電装置１３に貯蔵できる。実施形態に係る酸素生成装置１は、酸素を発生するときに発生する電荷を蓄電装置１３に貯蔵することで、外部から最小限の電力の供給により酸素を発生可能となる。

（実施形態に係る酸素生成装置の構成及び機能）
図３は、実施形態に係る酸素生成装置のブロック図である。図３において、実線は空気及び酸素を含む気体を搬送する配管を示し、破線は電解液１０４を搬送する配管を示し、一転鎖線は電気配線を示す。

酸素生成装置２は、酸素生成装置１の構成要素に加えて、吸気装置１８と、酸素貯蔵槽１９と、酸素濃度調整装置２０と、酸素濃度センサ２１と、酸素流量センサ２２と、供給バルブ２３と、電解液貯蔵槽２４と、ポンプ２５とを有する。酸素生成装置２は、圧力センサ２６と、温度センサ２７と、湿度センサ２８と、液位センサ２９と、冷却装置３０と、循環装置３１と、制御装置４０とを更に有する。亜鉛空気電池１０、第１電池１１、第２電池、蓄電装置１３、切換回路１４、第１ＤＣ－ＤＣ回路１５、第２ＤＣ－ＤＣ回路１６及び酸素排出装置１７の構成及び機能は、図１を参照して既に説明しているので、ここでは詳細な説明は省略する。

吸気装置１８は、吸気ファン１８１を有し、亜鉛空気電池１０の放電正極１０１に空気を供給する。吸気ファン１８１は、制御装置４０から吸気指示が入力されることに応じて回転して放電正極１０１への酸素の供給量を増加させる。吸気装置１８は、加湿機構及び脱炭酸機構を有することが好ましい。吸気装置１８は、加湿機構を有することで、電解液１０４の液量が減少することを抑制すると共に、第１電池１１を相対湿度が１００％である湿潤空気の雰囲気中に配置して第１電池１１を亜鉛空気電池として良好に動作させることができる。なお、第２電池１２は、湿潤空気の雰囲気中に配置しなくてもよい。また、吸気装置１８は、脱炭酸機構を有することで、電解液１０４の劣化を抑制できる。

酸素貯蔵槽１９は、酸素排出装置１７に配管を介して接続され、亜鉛空気電池１０によって生成された酸素を貯蔵する。酸素濃度調整装置２０は、酸素貯蔵槽１９に貯蔵される酸素と空気とを混合して、濃度が調整された酸素ガスを生成し、濃度が調整された酸素ガスを、ＨＯＴ装置を利用する患者等に提供する。

図４は、酸素濃度調整装置２０を示すブロック図である。

酸素濃度調整装置２０は、主流量調整弁２０１と、空気取入ポンプ２０２と、ミキシングバルブ２０３とを有する。主流量調整弁２０１は、例えば電磁弁であり、酸素貯蔵槽１９から流入する濃度１００％の酸素の流量を調整して、ミキシングバルブ２０３に供給する。空気取入ポンプ２０２は、例えば電動ポンプであり、外部から空気を取り入れて、取り入れた空気をミキシングバルブ２０３に供給する。

ミキシングバルブ２０３は、主流量調整弁２０１から供給される濃度が１００％の酸素と、空気取入ポンプ２０２から供給される空気とを混合して、任意の酸素濃度を提供することができる。例えば、ミキシングバルブ２０３は、主流量調整弁２０１から供給される濃度が１００％の酸素の供給量の１０％の量の空気を、濃度が１００％の酸素と混合することで濃度が９０％の酸素を生成する。

酸素濃度センサ２１は、例えばジルコニア式の酸素濃度計であり、患者等に提供する酸素の濃度を示す酸素濃度情報を制御装置４０に出力する。酸素流量センサ２２は、例えばフロート式の酸素流量計であり、患者等に提供する酸素の流量を示す酸素流量情報を制御装置４０に出力する。供給バルブ２３は、酸素貯蔵槽１９に配管を介して接続され、制御装置４０から酸素供給指示が入力されることに応じて開動作して、患者等に酸素を提供する。

電解液貯蔵槽２４は、亜鉛空気電池１０の電解液１０４を貯蔵する貯蔵槽であり、ポンプ２５が設置される。ポンプ２５は、電解液１０４を補充することを示す電解液補充指示が入力されることに応じて電解液１０４を亜鉛空気電池１０に補充する補充装置である。

圧力センサ２６は、例えばピエゾ素子を有する半導体式圧力センサであり、酸素貯蔵槽１９の内部に配置され、酸素貯蔵槽１９に貯蔵される酸素の圧力を示す貯蔵圧力情報を制御装置４０に出力する。圧力センサ２６は、第２電池１２により生成された酸素量を測定する酸素量測定センサの一例である。また、圧力センサ２６から出力される貯蔵圧力情報は、酸素量測定センサによって測定された酸素量を示す酸素量情報の一例である。

温度センサ２７は、例えば熱電対を有する接触式の温度センサであり、亜鉛空気電池１０の筐体に配置され、亜鉛空気電池１０を形成する第１電池１１及び第２電池１２の温度を測定し、測定した温度を示す温度情報を制御装置４０に出力する。

湿度センサ２８は、例えば抵抗式又は容量式の湿度センサであり、亜鉛空気電池１０の筐体に配置され、亜鉛空気電池１０を形成する第１電池１１及び第２電池１２の湿度を測定し、測定した湿度を示す湿度情報を制御装置４０に出力する。なお、吸気装置１８が加湿機構を有する場合、湿度センサ２８は省略されてもよい。湿度センサ２８を省略することで、酸素生成装置１の構成を簡略化できる。

液位センサ２９は、例えば超音波式、電磁式及びレーザ式等の非接触型レベルセンサであり、亜鉛空気電池１０の内部に配置され、亜鉛空気電池１０に収容される電解液１０４の液面のレベルを示す液面レベル情報を制御装置４０に出力する。液位センサ２９は、電解液１０４の残量を測定する残量検出センサの一例である。また、液位センサ２９から出力される液面レベル情報は、残量検出センサによって測定された電解液の残量を示す残量情報の一例である。

冷却装置３０は、例えば亜鉛空気電池１０の内部に配置される排気装置である排気ファンを有する。亜鉛空気電池１０の内部に配置される。冷却装置３０は、冷却指示が制御装置４０から入力されることに応じて排気ファンを回転することで、亜鉛空気電池１０から排気ガスを排気することで、亜鉛空気電池１０の構成要素を冷却する。循環装置３１は、電解液１０４を補充することを示す電解液補充指示が制御装置４０から入力されることに応じて、プロペラを回転することで電解液１０４を攪拌する。

図５は、制御装置４０のブロック図である。

制御装置４０は、通信部４１と、記憶部４２と、処理部５０とを有する。通信部４１、記憶部４２及び処理部５０は、バス４５を介して互いに接続される。制御装置４０は、第１経路と第２経路との間を切り換る切換動作を含む酸素生成装置２の種々の動作を制御する。

通信部４１は、Ｉ２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）等の有線の通信インターフェース回路を有する。通信部４１は、電気配線を介して酸素排出装置１７～循環装置３１と通信を行う。

記憶部４２は、例えば、半導体記憶装置を備える。記憶部４２は、処理部５０での処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。例えば、記憶部４２は、アプリケーションプログラムとして、酸素生成装置２の動作を制御する制御処理を処理部５０に実行させるための制御プログラム等を記憶する。酸素生成装置２の動作を制御する制御プログラムは、例えばＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から、公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部４２にインストールされてもよい。また、記憶部４２は、酸素生成装置２の動作を制御する制御処理で使用される種々のデータを記憶する。

処理部５０は、一又は複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。処理部５０は、制御装置４０の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵである。処理部５０は、記憶部４２に記憶されているプログラム（ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム等）に基づいて処理を実行する。また、処理部５０は、複数のプログラム（アプリケーションプログラム等）を並列に実行できる。

処理部５０は、切換制御部５１と、酸素量情報取得部５２と、酸素量判定部５３と、酸素量調整部５４と、酸素供給指示部５５と、温度情報取得部５６と、湿度情報取得部５７と、温度判定部５８とを有する。処理部５０は、電池冷却指示部５９と、電解液循環指示部６０と、湿度判定部６１と、残量情報取得部６２と、残量判定部６３と、電解液補充指示部６４とを更に有する。これらの各部は、処理部５０が備えるプロセッサで実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、これらの各部は、ファームウェアとして制御装置４０に実装されてもよい。

（実施形態に係る制御装置による制御処理）
図６は制御装置４０により実行される制御処理のフローチャート（その１）であり、図７は制御装置４０により実行される制御処理のフローチャート（その２）である。図６及び７に示す制御処理は、予め記憶部４２に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部５０により制御装置４０の各要素と協働して実行される。

まず、切換制御部５１は、動作開始指示を取得したか否かを判定する（Ｓ１０１）。動作開始指示は、例えば酸素生成装置２の筐体に配置される「開始ボタン」を、酸素生成装置２を使用する患者が押下することに応じて切換制御部５１によって取得される。切換制御部５１は、動作開始指示を取得したと判定する（Ｓ１０１－ＹＥＳ）まで、Ｓ１０１の処理を繰り返す。

切換制御部５１は、動作開始指示を取得したと判定する（Ｓ１０１－ＹＥＳ）と、第３スイッチ１４３及び第４スイッチ１４４をオンして亜鉛空気電池１０と蓄電装置１３との間を導通することを示す導通指示を切換回路１４に出力する（Ｓ１０２）。切換回路１４は、導通指示が入力することに応じて、第３スイッチ１４３及び第４スイッチ１４４をオンして亜鉛空気電池１０と蓄電装置１３との間を導通する。本実施形態においては、切換回路１４が亜鉛空気電池１０と蓄電装置１３との間が導通するとき、第１電池１１と蓄電装置１３とを接続する第１経路が第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２により形成され、第１電池１１は放電状態になるように第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２を制御する。

次いで、切換制御部５１は、第１経路に切り換える期間である第１期間を計時する（Ｓ１０３）。切換制御部５１は、第１期間が経過すると、第１経路から第２経路に切り換えることを示す第２経路切換指示を切換回路１４に出力する（Ｓ１０４）。切換回路１４は、第２経路切換指示が入力することに応じて、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２を切り換えて第２電池１２と蓄電装置１３とを接続する第２経路が形成される。第２経路が形成されるとき、第２電池１２は、充電状態になり、酸素を発生する。次いで、切換制御部５１は、第２経路に切り換える期間である第２期間を経時する（Ｓ１０５）。

次いで、酸素量情報取得部５２は、圧力センサ２６によって測定された酸素貯蔵槽１９に貯蔵される酸素の圧力を示す貯蔵圧力情報を取得する（Ｓ１０６）。次いで、酸素量判定部５３は、貯蔵圧力情報に対応する酸素の圧力が所定の第１酸素しきい値よりも高いか否かを判定する（Ｓ１０７）。第１酸素しきい値は、酸素貯蔵槽１９に貯蔵された酸素の圧力が所望の圧力に達しているか否かを判定するためのしきい値である。

酸素量判定部５３によって酸素の圧力が第１酸素しきい値よりも高いと判定される（Ｓ１０７－ＹＥＳ）と、酸素量調整部５４は、第１期間の単位時間当たりの比率を減少する（Ｓ１０８）。酸素量調整部５４は、第１期間の単位時間当たりの比率を減少すると共に、第２期間の単位時間当たりの比率を増加する。

酸素量判定部５３によって酸素の圧力が第１酸素しきい値よりも低いと判定される（Ｓ１０７－ＮＯ）と、酸素量調整部５４は、第１期間の単位時間当たりの比率を増加する（Ｓ１０９）。酸素量調整部５４は、第１期間の単位時間当たりの比率を増加すると共に、第２期間の単位時間当たりの比率を減少する。

次いで、酸素量判定部５３は、貯蔵圧力情報に対応する酸素の圧力が所定の第２酸素しきい値よりも高いか否かを判定する（Ｓ１１０）。第２酸素しきい値は、放電正極１０１への酸素の供給が十分か否かを判定するためのしきい値である。

放電正極１０１への酸素量判定部５３によって酸素の圧力が第２酸素しきい値よりも低いと判定される（Ｓ１１０－ＮＯ）と、酸素供給指示部５５は、放電正極１０１に酸素を含む気体を供給することを示す気体供給指示を吸気装置１８に出力する（Ｓ１１１）。吸気装置１８は、気体供給指示が入力されることに応じて、吸気ファン１８１の回転を開始して放電正極１０１への空気の供給量を増加する。吸気装置１８は、所定の回転時間が経過した後に、吸気ファン１８１の回転を停止する。なお、吸気装置１８の吸気ファン１８１は、常時回転していてもよい。吸気装置１８が常時回転するとき、気体供給指示が入力されることに応じて、吸気ファン１８１の回転速度を速くして放電正極１０１への空気の供給量を増加してもよい。吸気装置１８は、所定の回転時間が経過した後に、吸気ファン１８１の回転速度を気体供給指示が入力される前の速度に戻す。

次いで、温度情報取得部５６は、温度センサ２７によって測定された温度を示す温度情報を取得する（Ｓ１１２）。次いで、湿度情報取得部５７は、湿度センサ２８によって測定された湿度を示す湿度情報を取得する（Ｓ１１３）。

次いで、温度判定部５８は、Ｓ１１３の処理で取得された温度情報に対応する温度が所定の第１温度しきい値よりも高いか否かを判定する（Ｓ１１４）。第１温度しきい値は、亜鉛空気電池１０の温度が上昇して亜鉛空気電池１０が劣化することを防止するための第１のしきい値である。

温度判定部５８によって温度が第１温度しきい値よりも高いと判定された（Ｓ１１４－ＹＥＳ）とき、電池冷却指示部５９は、第１電池１１及び第２電池１２を冷却することを示す冷却指示を冷却装置３０に出力する（Ｓ１１５）。冷却装置３０は、冷却指示が入力されることに応じて、亜鉛空気電池１０から排気ガスを排気して第１電池１１及び第２電池１２の冷却を開始する。冷却装置３０は、所定の冷却時間が経過した後に、第１電池１１及び第２電池１２の冷却を停止する。なお、冷却装置３０の排気ファンは、常時回転していてもよい。冷却装置３０が常時回転するとき、冷却指示が入力されることに応じて、排気ファンの回転速度を速くして亜鉛空気電池１０から排気される排気ガスの排気量を増加してもよい。冷却装置３０は、所定の冷却時間が経過した後に、排気ファンの回転速度を冷却指示が入力される前の速度に戻す。

次いで、温度判定部５８は、Ｓ１１２の処理で取得された温度情報に対応する温度が所定の第２温度しきい値よりも高いか否かを判定する（Ｓ１１６）。第２温度しきい値は、電解液１０４の温度が上昇して亜鉛空気電池１０が劣化することを防止するための第２のしきい値である。

温度判定部５８によって温度が第２温度しきい値よりも高いと判定された（Ｓ１１６－ＹＥＳ）とき、電解液循環指示部６０は、電解液１０４を循環することを示す電解液循環指示を循環装置３１に出力する（Ｓ１１７）。循環装置３１は、電解液循環指示が入力されることに応じて、電解液１０４の循環を開始する。循環装置３１は、所定の循環時間が経過した後に、電解液１０４の循環を停止する。なお、循環装置３１は、電解液１０４を循環していてもよい。循環装置３１が電解液１０４を循環するとき、電解液循環指示が入力されることに応じて、電解液１０４の循環量を増加してもよい。循環装置３１は、所定の循環時間が経過した後に、電解液１０４の循環量を電解液循環指示が入力される前の量に戻す。

温度判定部５８によって温度が第２温度しきい値よりも高くないと判定された（Ｓ１１６－ＮＯ）とき、湿度判定部６１は、Ｓ１１３の処理で取得された湿度情報に対応する湿度が所定の湿度しきい値よりも低いか否かを判定する（Ｓ１１８）。湿度判定部６１によって湿度が所定の湿度しきい値よりも低いと判定された（Ｓ１１８－ＹＥＳ）とき、電解液循環指示部６０は、電解液１０４を循環することを示す電解液循環指示を循環装置３１に出力する（Ｓ１１７）。

次いで、残量情報取得部６２は、亜鉛空気電池１０に収容される電解液１０４の液面のレベルを示す液面レベル情報を液位センサ２９から取得する（Ｓ１１９）。次いで、残量判定部６３は、Ｓ１１７の処理で取得された液面レベル情報に対応する液面レベルが所定のレベルしきい値よりも低いか否かを判定する（Ｓ１２０）。残量判定部６３によって液面レベルが所定のレベルしきい値よりも低いと判定された（Ｓ１２０－ＹＥＳ）とき、電解液補充指示部６４は、電解液を補充することを示す電解液補充指示をポンプ２５に出力する（Ｓ１２１）。ポンプ２５は、電解液補充指示が入力されることに応じて、電解液貯蔵槽２４から亜鉛空気電池１０への電解液１０４の補充を開始する。ポンプ２５は、所定の補充時間が経過した後に、電解液１０４の補充を停止する。

次いで、切換制御部５１は、動作停止指示を取得したか否かを判定する（Ｓ１２２）。動作停止指示は、例えば酸素生成装置２の筐体に配置される「停止ボタン」を、酸素生成装置２を使用する患者が押下することに応じて切換制御部５１によって取得される。

切換制御部５１は、動作終了指示を取得していないと判定し（Ｓ１２２－ＮＯ）、第２期間が経過すると、第２経路から第１経路に切り換えることを示す第１経路切換指示を切換回路１４に出力する（Ｓ１２３）。切換回路１４は、第１経路切換指示が入力することに応じて、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２を切り換えて第１電池１１と蓄電装置１３とを接続する第１経路を形成する。次いで、処理はＳ１０３に戻る。切換制御部５１によって動作終了指示を取得したと判定される（Ｓ１２２－ＹＥＳ）まで、Ｓ１０３～Ｓ１２３の処理が繰り返される。

図８は、Ｓ１０３～Ｓ１２３の処理を繰り返したときのＲＨＥ基準の蓄電装置１３の正極の電位の変化を示す図である。

蓄電装置１３の正極の電位は、図８において期間ｔ１で示される第１電池１１に接続される間は低い値を示し、図８において期間ｔ２で示される第２電池１２に接続される間は高い値を示し、いずれもほぼ一定値を維持する。

切換制御部５１は、動作終了指示を取得したと判定する（Ｓ１２２－ＹＥＳ）と、第３スイッチ１４３及び第４スイッチ１４４をオフして亜鉛空気電池１０と蓄電装置１３との間を遮断することを示す遮断指示を切換回路１４に出力する（Ｓ１２４）。切換回路１４は、遮断指示が入力することに応じて、第３スイッチ１４３及び第４スイッチ１４４をオフして亜鉛空気電池１０と蓄電装置１３との間を遮断する。

（実施形態に係る酸素生成装置の作用効果）
実施形態に係る酸素生成装置は、亜鉛空気電池を酸素発生部として使用すると共に、亜鉛空気電池が充放電する電荷を蓄電装置が充放電することで、酸素を発生するときに発生する電荷を蓄電装置に貯蔵できる。実施形態に係る酸素生成装置は、酸素を発生するときに発生する電荷を蓄電装置に貯蔵することで、外部から最小限の電力の供給により酸素を発生可能となる。またコンプレッサーを用いていないため、低騒音化を向上させることができる。

また、実施形態に係る酸素生成装置は、酸素量測定センサによって酸素貯蔵槽に貯蔵される酸素量を測定することで、消費される酸素量に応じて生成する酸素量を調整することができる。

また、実施形態に係る酸素生成装置は、亜鉛空気電池の正極に酸素を含む気体を供給する吸気装置を有するので、生成する酸素量が増加するときに亜鉛空気電池の正極に酸素を含む気体を供給することができる。

例えば、実施形態に係る酸素生成装置は、酸素貯蔵槽に貯蔵される酸素量が減少したときに生成する酸素量を増加することに応じて、亜鉛空気電池の正極に酸素を含む気体を供給することができる。

また、実施形態に係る酸素生成装置は、亜鉛空気電池の温度を測定する温度センサと、亜鉛空気電池を冷却する冷却装置を有するので、亜鉛空気電池の温度が上昇したときに亜鉛空気電池を冷却することで、亜鉛空気電池の劣化を防止できる。

また、冷却装置が装置亜鉛空気電池の内部に配置される排気装置である排気ファンを有することで、亜鉛空気電池の冷却及び排気を排気ファンにより容易且つ簡単な構造で実現することができる。

また、実施形態に係る酸素生成装置は、亜鉛空気電池の温度及び湿度を測定する温度センサ及び湿度センサと、電解液を循環する循環装置とを有するので、亜鉛空気電池の温度及び湿度に応じて電解液を循環することで亜鉛空気電池の劣化を防止できる。

また、実施形態に係る酸素生成装置は、亜鉛空気電池の電解液の残量を測定する残量検出センサと、電解液を補充する補充装置を有するので、亜鉛空気電池の電解液が蒸発等により減少したときに電解液を補充できる。

また、実施形態に係る酸素生成装置は、生成した酸素と空気とを混合して酸素の濃度が調整された酸素ガスを生成する酸素濃度調整装置を有するので、生成する酸素量よりも供給可能な酸素量を多くすることで、酸素生成時に供給される電力をより少なくできる。

第２電池１２に対応する充電用電池を作製し、作製した充電用電池のファラデー効率を測定することで、亜鉛空気電池を酸素発生源として使用するときの酸素発生効率を検証した。

図９（ａ）は充電用電池の正極を示す図であり、図９（ｂ）は充電用電池の負極を示す図である。

正極７１は、触媒７２と、集電体７４とを有する。触媒７２は、Ca₂FeCoO₅を含有する所定量の原料をインク状になるまで加熱攪拌して形成され、治具７３を用い集電体７４に塗布された。集電体７４は、ニッケル板であり、一体化された触媒７２、集電体７４は、窒素雰囲気中で１５分間に亘り３５０℃の温度で焼成された。焼成後に触媒７２は表面に凹凸が形成された。一方、焼成後の集電体７４の抵抗値は、０．０８Ωであり、変化しなかった。

負極７５は、亜鉛の板状部材である。電解液は、２５℃においてＺｎＯ飽和の４Ｍの水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液である。

充電用電池のファラデー効率の測定は、以下の６個の処理を順次実行することにより実施された。
（１）内部に窒素が予め注入されたシリンジを、正極７１に発生する酸素を収容可能に充電用電池に取り付ける。
（２）正極７１と負極７２との間に正極の電位で約0.8 vs RHEの放電電位を１分間に亘って印加する。
（３）正極７１と負極７２との間に１．６Ｖ又は１．７Ｖの放電電位を１０分間に亘って印加して充電用電池を充電する充電処理を実行する。
（４）充電用電池に取り付けられたシリンジを充電用電池から取り外す。
（５）シリンジに収容された酸素及び窒素の量をガスクロマトグラフィーにより測定する。
（６）ガスクロマトグラフィーにより測定された酸素及び窒素の比率と、予めシリンジ７６の内部に注入された窒素の量から、シリンジ７６の内部に収容された酸素の量を演算する。

図１０（ａ）は使用された充電用電池の全体を示す図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示す充電用電池の要部を示す図であり、図１０（ｃ）は酸素量の測定に使用されたガスクロマトグラフィーの外観を示す図である。

充電用電池７０の正極７０の上方には、シリンジ７６が着脱可能に配置される。シリンジ７６の内部には２０ｍＬの窒素が予め注入される。シリンジ７６の内部に注入された窒素は、ガスクロマトグラフィー７７により測定された酸素量の決定するときに、酸素の量を演算するときの基準元素として使用される。ガスクロマトグラフィー７７は、検出した元素の量を直接測定できず、シリンジ７６の内部に収容された酸素の量は、ガスクロマトグラフィー７７により測定された酸素及び窒素の割合と、シリンジ７６の内部に注入された窒素の量である２０ｍＬとから演算される。

図１１は充電処理中の充電電池７０を示す図であり、図１２は正極７０から発生する酸素量の経時変化を示す図である。図１２において、横軸は経過時間を秒単位で示し、縦軸は正極７０から発生する酸素量を任意単位で示す。

充電電池７０が充電処理を実行する間、正極７１から酸素７７が略一定量で継続して発生することが確認された。一方、負極７５では気泡発生は目視では確認されなかった。

図１３（ａ）は充電処理を実行する前の負極７５を示す図であり、図１３（ｂ）は充電処理を実行した後の負極７５を示す図であり、図１３（ｃ）は図１３（ｂ）に示す負極７５の部分拡大図である。

充電用電池７０が充電処理を実行することで、負極７５の表面には、デンドライトとも称される樹枝状亜鉛金属結晶が生成されたことが確認された。

表１は、充電用電池７０のファラデー効率を示す。

充電用電池７０のファラデー効率は、印加電圧にかかわらず９０％以上の高い値となった。充電用電池７０のファラデー効率が９０％以上となることが示されたことで、亜鉛空気電池を酸素発生源として使用するときに高い酸素発生効率が実現可能であることが示された。

１、２ 酸素生成装置
１０ 亜鉛空気電池
１１ 第１電池
１２ 第２電池
１３ 蓄電装置
１４ 切換回路
１５ 第１ＤＣ－ＤＣ回路
１６ 第２ＤＣ－ＤＣ回路
１７ 酸素排出装置

Claims (10)

1. 酸素還元反応により、酸素発生反応のための活物質を生成する第１電池と、
   酸素発生反応により酸素を生成する第２電池と、
   前記第１電池により生成された電荷を充電すると共に、前記第２電池が酸素を生成するときに電荷を放電して前記第２電池に電荷を供給する蓄電装置と、
   前記第１電池と前記蓄電装置とを接続する第１経路と、前記第２電池と蓄電装置とを接続する第２経路とを切り換える切換回路と、
   前記第１経路と前記第２経路との間の切り換えを制御する制御装置と、
   を有することを特徴とする酸素生成装置。
2. 前記第１電池は、空気極である第１正極、亜鉛を含有する負極、及び負極が浸漬されるアルカリ金属水酸化物水溶液を含む電解液を有し、
   前記第２電池は、前記第１正極と異なる空気極である第２正極、前記負極及び前記電解液を有し、
   前記第１電池及び前記第２電池は、前記第１正極、前記第２正極、前記負極及び前記電解液により形成される３電極方式の亜鉛空気電池として一体化される、請求項１に記載の酸素生成装置。
3. 前記第２電池により生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵槽と、
   前記酸素貯蔵槽により貯蔵された酸素量を測定する酸素量測定センサと、を更に有し、
   前記制御装置は、
   前記酸素量測定センサによって測定された酸素量を示す酸素量情報を取得する酸素量情報取得部と、
   前記酸素量情報に対応する酸素量が所定の第１酸素しきい値よりも多いか否かを判定する酸素量判定部と、
   前記酸素量が前記第１酸素しきい値よりも多いと判定されたときに、前記第１経路に切り換える期間である第１期間の単位時間当たりの比率を減少し、前記酸素量が前記第１酸素しきい値よりも少ないと判定されたときに、前記第１期間の単位時間当たりの比率を増加する酸素量調整部と、
   を有する、請求項２に記載の酸素生成装置。
4. 前記第１正極に酸素を含む気体を供給する吸気装置を更に有する、請求項３に記載の酸素生成装置。
5. 前記酸素量判定部は、前記酸素量情報に対応する酸素量が所定の第２酸素しきい値よりも多いか否かを更に判定し、
   前記制御装置は、前記酸素量が前記第２酸素しきい値よりも少ないと判定されたときに、前記第１正極への前記気体の供給量を増加することを示す気体供給指示を前記吸気装置に出力する酸素供給指示部を更に有する、請求項４に記載の酸素生成装置。
6. 前記第１電池及び第２電池の温度を測定する温度センサと、
   前記第１電池及び第２電池を冷却する冷却装置と、を更に有し、
   前記制御装置は、
   前記温度センサによって測定された温度を示す温度情報を取得する温度情報取得部と、
   前記温度情報に対応する温度が所定の第１温度しきい値よりも高いか否かを判定する温度判定部と、
   前記温度が前記第１温度しきい値よりも高いと判定されたときに、前記第１電池及び前記第２電池を冷却することを示す冷却指示を前記冷却装置に出力する酸素量冷却指示部と、
   を有する、請求項３～５の何れか一項に記載の酸素生成装置。
7. 前記冷却装置は、前記亜鉛空気電池の内部に配置される排気装置を有する、請求項６に記載の酸素生成装置。
8. 前記第１電池及び第２電池の温度を測定する温度センサと、
   前記第１電池及び第２電池の湿度を測定する湿度センサと、
   前記電解液を循環する循環装置と、を更に有し、
   前記制御装置は、
   前記温度センサによって測定された温度を示す温度情報を取得する温度情報取得部と、
   前記湿度センサによって測定された湿度を示す湿度情報を取得する湿度情報取得部と、
   前記温度情報に対応する温度が所定の第２温度しきい値よりも高いか否かを判定する温度判定部と、
   前記湿度情報に対応する湿度が所定の湿度しきい値よりも低いか否かを判定する湿度判定部と、
   前記温度が前記第２温度しきい値よりも高いと判定されたとき、又は前記湿度が前記湿度しきい値よりも低いと判定されたときに、前記電解液の循環量を増加することを示す電解液循環指示を前記循環装置に出力する電解液循環指示部と、
   を有する、請求項３～５の何れか一項に記載の酸素生成装置。
9. 前記電解液の残量を測定する残量検出センサと、
   前記電解液を補充する補充装置と、を更に有し、
   前記制御装置は、
   前記残量検出センサによって測定された前記電解液の残量を示す残量情報を取得する残量情報取得部と、
   前記残量情報に対応する前記電解液の残量が所定の残量しきい値よりも少ないか否かを判定する残量判定部と、
   前記電解液の残量が前記残量しきい値よりも少ないと判定されたときに、前記電解液を補充することを示す電解液補充指示を前記補充装置に出力する電解液補充指示部と、
   を有する、請求項３～８の何れか一項に記載の酸素生成装置。
10. 前記第２電池が生成した酸素と空気とを混合して、酸素の濃度が調整された酸素ガスを生成する酸素濃度調整装置を更に有する、請求項１～９の何れか一項に記載の酸素生成装置。

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