JP3728545B2

JP3728545B2 - Fluid supply device

Info

Publication number: JP3728545B2
Application number: JP34792495A
Authority: JP
Inventors: 哲斉藤; 戸塚　　和秀; 雄耕藤田
Original assignee: 日本電池株式会社
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2015-12-14
Also published as: JPH09164192A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体を精度よく供給するための、流体供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、流体を微量ずつ、しかも精度よく注入するために、電気化学方式を利用した流体供給装置が使用されるようになった。
【０００３】
本願発明者のひとりは、直流電流を通電することによって、その電流値に比例する量の気体を発生する電気化学セルを利用し、ポンプ機能とガスの流量制御機能とを有する装置を提案し（特公昭５８−４８２０９号）、この原理を利用して電気化学的輸液ポンプが提案された（Ｈ．Ｊ．Ｒ．マゲット、米国特許第４，５２２，６９８号）。
【０００４】
この電気化学的輸液ポンプは、電解質として機能する含水されたカチオン交換膜の両面に多孔性のガス拡散電極を接合した電気化学セルを有しており、電気化学セルの陽極に水素を供給し、陽・陰両極間に直流電流を通電したとき、陽極では水素が水素イオンとなり、生成した水素イオンがイオン交換膜を通って陰極側に達し、そこで水素が発生するという電気化学反応が起こることを利用したものである。すなわち、陰極で発生する昇圧された水素をピストン、ダイヤフラム、ベローズ等を押すための駆動源として利用するものである。また、この電気化学セルの反応物質として水素の代りに酸素を利用することも可能であり、陰極に供給すべき酸素源として空気を用いれば、輸液ポンプの構造はかなり簡単なものになる。
【０００５】
このような電気化学方式を利用した輸液ポンプは、医療用の薬剤の供給にとどまらず、一般的には気体や液体などのあらゆる流体の供給に使用することができる。電気化学方式の流体供給装置は、電気化学セルに通電する電流の大きさによって流体の供給速度を決めることができるため、特に微量の流体を精度よく供給するような用途に適している。
【０００６】
この電気化学式流体供給装置に使用する電気化学セルとしては、上で述べた系以外にいろいろな種類が考えられるが、その一つとして、水の電気分解反応を利用する水電解セル（特開平２−３０２２６４）がある。このセルは、カチオン交換膜の片面に陰極を、他面に陽極をそれぞれ接合した電気化学セルに水を保持させ、両極に直流電流を通電した際に水の電気分解によって発生する水素か酸素、あるいは水素と酸素の混合ガスを加圧源とするものである。
【０００７】
本発明になる流体供給装置は、密閉容器中に収納した流体貯蔵部と電気化学セル部とを備え、通電によって電気化学セルから発生する気体によって流体貯蔵部中の流体を押し出すものである。
【０００８】
本発明になる流体供給装置に使用可能な電気化学セルのひとつとして、含水させたカチオン交換膜の両面に多孔性白金電極を取り付けた水電解セルがある。この水電解セルに直流電流を通電すると、陽極では水が分解して酸素とプロトンになり、プロトンはカチオン交換膜を通って陰極に達し、そこで水素になる。このように水電解セルにおいては、通電によって陽極から酸素が、また陰極から水素が発生するので、酸素または水素のいずれか一方、あるいは酸素と水素の両方を、流体供給装置の加圧源に利用することができる。
【０００９】
カチオン交換膜を電解質に使用した水電解セルにおける電極反応は次のようになる。
【００１０】
陰極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂
陽極：２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^-
全反応：２Ｈ₂Ｏ→２Ｈ₂＋Ｏ₂
この水電解セルにおいては、通電によって気体を発生させる場合、陽極では水が消費される。反応式から計算すると、水の消費量は１ｍＡｈ当たり０．３３６ｍｇとなる。この反応においては、陽極で発生したプロトン（Ｈ⁺）がカチオン交換膜中を通って陰極側へ移動するが、この時プロトンの移動と同時に水も陽極側から陰極側へ移動する。プロトン１個当たりの水移動量は、例えば、ＤｕＰｏｎｔ社のパーフルオロカーボンスルホン酸膜Ｎａｆｉｏｎ１１７を用いた場合、本発明者らの測定結果によれば、電流密度が４０ｍＡ／ｃｍ²の場合２．７０個、８０ｍＡ／ｃｍ²の場合２．８５個、１０５ｍＡ／ｃｍ²の場合２．９５個となる。
【００１１】
したがって、この電気化学セルにおいては、電気分解に消費される水と、電気泳動によって陰極側に泳動し実質的にイオン交換膜の外側に排出される水とを補給しなければならない。
【００１２】
そこで、電気化学セルにおいては、電気分解によって消費される水と電気泳動によって外部に排出される水の合計の水量を、電気化学セル内のイオン交換膜以外の場所にあらかじめ貯蔵し、しかもこの水を電解質としてのイオン交換膜と常時接触させておけば、通電によるイオン交換膜中の水の減少を防止し、イオン交換膜の電導度を常に一定に保ち、電気化学セルの特性を安定させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
いっぽう、従来の電気化学方式を使用した流体供給装置は、電気化学セルから発生する気体の圧力で目的の流体を押し出すことを特徴とするものであるため、加圧に使用する気体を流体貯蔵部の入った圧力伝送部に導入し、同時に加圧に使用しない気体を電気化学セルの外部に放出することになる。電気化学セルに上述の水電解セルを使用して酸素を加圧に使用する場合には、酸素を圧力伝送部に導入し、水素を電気化学セルの外部に放出するが、この時、酸素発生側に水が貯蔵されていれば、この水が酸素といっしょに圧力伝送部に入り問題になる。また、水素発生側からは外部に水が漏れるという不都合が生じる。また、水素発生側に水が貯蔵されている場合には、酸素発生側からは水は出ないが、水素発生側からは外部に水が漏れることになる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明になる流体供給装置においては、水が電気化学セルの外部に漏れることを防止するものである。すなわち、電気化学セルから気体が発生すると同時に、水が電気化学セルの外部に漏れる場合、電気化学セルの気体の通路に吸水性高分子物質を取り付けることを特徴とするものである。
【００１５】
吸水性高分子物質としては、例えば、ポリアクリル酸ナトリウムやビニルアルコール／アクリル酸ナトリウム共重合体などの合成高分子物質が知られており、外観は粉末状あるいは繊維状で、多数の親水基をもつ水溶性高分子をわずかに架橋して三次元網状化して、水に不溶化したものである。この吸水性高分子物質は水と接触すると、吸水・膨潤してゲル状に変化し、吸水性高分子物質１ｇ当たり１００〜１５０ｍｌの水を吸収するという性質を持っている。
【００１６】
この吸水性高分子物質は、気体と同時に水が発生する電極側に取り付ければよい。例えば上述の水電解セルの場合、酸素を加圧に使用し水貯蔵部が酸素発生側に取り付られておれば陽極（酸素発生側）と陰極（水素発生側）の両電極に、酸素を加圧に使用し、水貯蔵部が水素発生側に取り付られておれば陰極（水素発生側）のみに、また、水素を加圧に使用し水貯蔵部が酸素発生側に取り付られておれば、陽極（酸素発生側）と陰極（水素発生側）の両電極に、水素を加圧に使用し水貯蔵部が水素発生側に取り付られておれば陰極（水素発生側）のみに、それぞれ取り付ければよい。また、酸素と水素を同時に加圧ガスに使用する場合、吸水性高分子物質は陽極（酸素発生側）と陰極（水素発生側）の両電極に取り付ければよい。このように、吸水性多孔性高分子物質を気体の通路に取り付けることによって、電気化学セルから外部への水漏れを防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明になる流体供給装置に使用する電気化学セルの構造を図１に基づいて説明する。図１は電気化学セルの好適な例としての水電解セルの断面構造を示したもので、図において、１は電解質としてはたらくイオン交換膜、２は陽極としての多孔性白金電極、３は陰極としてはたらく多孔性白金電極、４は陽極集電体、５は陰極集電体、６は陽極リード線、７は陰極リード線、８はパッキング、９はセル容器、１０は酸素通路、１１は水素通路、１２はセル容器９の陽極側に設けた水貯蔵部、１３は水、１４は酸素通路１０に設けた吸水性高分子物質膜、１５は水素通路１１に設けた吸水性高分子物質、１６は水素発生側空間である。
【００１８】
この構造の水電解セルに直流を通電した場合、陽極２で水が消費され、陽極２から酸素が、また陰極３から水素が発生する。このとき、イオン交換膜１の内部の水がわずかでも減少すると、イオン交換膜１に接触している水貯蔵部１２の中の水１３は、減少した分だけイオン交換膜１の内部に移動するため、イオン交換膜１に含まれる水の量は常にほぼ一定に保たれ、通電中のイオン交換膜の伝導度はほぼ一定となり、安定した電気化学セルの特性が得られるものであり、定電流通電の場合には電気化学セルの電圧はほぼ一定となり、単位時間当たりに発生する気体の量も一定となる。
【００１９】
図１においては、酸素は水貯蔵部内の水１３を通って、酸素通路１０から電気化学セルの外部に出るが、酸素と同時に外部に出ようとする水１３は、高吸水性高分子物質１４に吸収されて、電気化学セルの外部には漏れなくなる。また、水素発生電極側においては、陽極から陰極側へのプロトン移動とともに水が移動し出てくるが、この水は吸水性高分子物質１５に吸収されて、水素だけが電気化学セルの外部に放出され、外部に漏れることはない。
【００２０】
本発明に使用できる電気化学セルは、一般的には、含水させることによってイオン導電性を示すイオン交換膜を電解質に使用し、陽極・陰極いずれかの電極側に水が存在し、直流電流を通電すると通電電気量に比例して気体を発生し、いずれかの電極から水が生成する、あらゆるセルが使用可能であるが、より具体的にはつぎのようなセルの使用が可能である。
【００２１】
１）カチオン交換膜の片面に陽極を接合し、陰極として二酸化マンガンのような金属酸化物電極を取り付けたセルにおいて、両極に直流電流を通電すると、つぎの反応が起こる。
【００２２】
陰極：４ＭｎＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→４ＭｎＯＯＨ
陽極：２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-
全反応：４ＭｎＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ→４ＭｎＯＯＨ＋Ｏ₂
陽極では水が電解されて酸素が発生するので、この酸素を加圧源に利用する。なお、陽極で生成した水素イオンはカチオン交換膜の中を通って陰極に達し、金属酸化物と反応する。このセルの場合には、陰極側からは気体の発生がないので、陰極側を密閉構造にして、陰極側からの水漏れを防ぐことができる。すなわち、プロトンとともに陰極側に移動した水は、陰極側に存在する空間がないと、カチオン交換膜に吸収されるか、カチオン交換膜を通って陽極側に移動する。したがって、水は陽極側に貯蔵するだけでよいので、吸水性高分子物質は陽極側にのみ取り付ければよい。
【００２３】
２）アニオン交換膜の両面に多孔性白金電極を取り付けた水電解セルに直流電流を通電すると、次の反応が起こる。
【００２４】
陽極：４ＯＨ^-→Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-
陰極：４Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→２Ｈ₂＋４ＯＨ^-
全反応：２Ｈ₂Ｏ→２Ｈ²＋Ｏ₂
この水電解セルにおいては、陰極では水が分解して水素と水酸イオンになり、水酸イオンはアニオン交換膜を通って陽極に達し、そこで酸素と水になるので、この酸素を加圧源に利用する。このセルの場合には、陰極側では水が分解するだけで、気体の発生がないので、陰極側を密閉構造にして水漏れを防ぐことができる。したがって、水は陽極側から発生するので、吸水性高分子物質は陽極側にのみ取り付ければよい。
【００２５】
３）アニオン交換膜の片面に陽極を接合し、陰極として二酸化マンガンやオキシ水酸化ニッケルのような金属酸化物電極を取り付けたセルにおいて、両極に直流電流を通電すると、つぎの反応が起こる。
【００２６】
陰極：４ＭｎＯ₂＋４Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＭｎＯＯＨ＋４ＯＨ^-
陽極：４ＯＨ^-→Ｏ₂＋２Ｈ₂０＋４ｅ^-
全反応：４ＭｎＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ→４ＭｎＯＯＨ＋Ｏ₂
このセルにおいては、陰極では水が電解されて水酸イオンを生成し、水酸イオンはアニオン交換膜中を通って陽極に達し、酸素と水になるので、この酸素を加圧源に利用する。このセルの場合には、陰極側では水が分解するだけで、気体の発生がないので、陰極側を密閉構造にして水漏れを防ぐことができる。したがって、水は陽極側から発生するので、吸水性高分子物質は陽極側にのみ取り付ければよい。
【００２７】
次に、本発明になる流体供給装置の作動原理を図２に基づいて説明する。図２は本発明になる流体供給装置の使用中の断面を示したもので、１７は流体貯蔵部としての袋状体、１８は流体、１９は流体供給口、２０は袋状体を内部に収納した密閉容器で、気体の圧力では変形しない硬い材質から構成されている。袋状体１７の外面と密閉容器２０の内面で圧力伝送部２１を形成し、この圧力伝送部２１に電気化学セルから発生した気体が蓄積される。また、２２は気体導入管、２３は電気化学セル、２４は電源、２５はスイッチである。
【００２８】
この流体供給装置を使用するにあたっては、まずスイッチ２５を入れて電気化学セル２３に直流電流を通電し、その時に電気化学セル２３から発生した気体を気体導入管２２を通して圧力伝送部２１に導入する。すると圧力伝送部２１の内部の圧力が上昇し、袋状体１７と密閉容器２０の内面を押すが、密閉容器２０は気体の圧力で変形しない材質から構成されているために、袋状体１７のみが収縮する方向に変形する。この袋状体１７の変形は、圧力伝送部２１に気体が導入されるのとほぼ同時に開始される。その結果、袋状体１７の内部の流体１８は押し出されて、流体供給口１９から外部に供給される。電気化学セル２３から気体の発生を続けると、袋状体１７の内部の流体１８は流体供給口１９から外部に供給し続けることになる。
【００２９】
電気化学セルから発生する気体の体積は、１Ａｈの通電電気量に対し、理論値で水素の場合４２０ｍｌ（０℃、１気圧）、酸素の場合２１０ｍｌ（０℃、１気圧）となり、通電電気量に比例するので、袋状体を押す気体を酸素のみか水素のみ、あるいは酸素と水素の両方とするいずれの場合も、通電電流の大きさを決めることによって流体の供給速度を決めることができるものである。
【００３０】
また、流体供給口１９に逆流防止弁を設けることも可能であるし、電気化学セル２３を密閉容器２０に直接取り付けて、気体導入管２２を省略してもよい。
さらに、電気化学セルの作動には直流電流が必要であるが、比較的多量の流体の供給が必要な場合には大電流が必要であるために、交流電源から直流電源装置を介して電気化学セルに直流電流を供給すればよい。一方、１時間に１ｍｌ程度の微量の流体を供給するような場合には、小型の電池を電源とすればよい。このような小型の電池を用いる場合には、電池と電気化学セルとを上述の容器の端部に直接装着すれば、流体供給装置は携帯型となる。
【００３１】
本発明の流体供給装置は、患者へ薬液を供給するという医療用に最適であるが、工業用その他のすべての液体及び気体などの流体の供給にも適用が可能である。
【００３２】
【実施例】
本発明になる流体供給装置の構造および使用方法を、好適な実施例を用いて詳述する。
【００３３】
［実施例１］流体貯蔵部としての有機ポリマーシートからなる袋状体と、電気化学セルとしての水電解セルからなる、流体供給装置を作製した。図２は使用前の状態の断面構造を示したものであり、図３は使用中の状態の断面構造を示したものであり、図２と図３における記号は同じものを示すものとする。
【００３４】
図２において、１７は流体を貯蔵する袋状体で、材質はポリ塩化ビニルで、大きさは７０ｍｍ×５０ｍｍ、厚みは０．５ｍｍとし、シートの端部は熱融着で一体化した。１８は流体であり、ここでは約３０ｍｌの生理食塩水を使用した。１９は流体供給口で、材質はポリ塩化ビニルとし、寸法は外径５ｍｍ、内径４ｍｍとした。２０は袋状体を内部に収納したアクリル製密閉容器で、内部の寸法は６０ｍｍ×４０ｍｍ×１５ｍｍとし、この密閉容器は気体の圧力では変形しない。袋状体１７の外面と密閉容器２０の内面で圧力伝送部２１を形成し、この圧力伝送部２１に電気化学セルから発生した気体が蓄積される。使用前の状態では、圧力伝送部２１の体積は小さい。２２は気体導入管で、材質はポリ塩化ビニルとし、寸法は外径５ｍｍ、内径４ｍｍとした。２３は電気化学セルであり、２４は電源で、電池と抵抗を組み合わせたものであり、２５はスイッチである。
【００３５】
電気化学セルとしては、図１に断面構造を示した水電解セルを使用した。図１において、１は電解質としてはたらくイオン交換膜で、直径１２ｍｍの固体高分子プロトン導電体を使用した。２は陽極、３は陰極で、ともに固体高分子プロトン導電体の両面に無電解メッキで直径８ｍｍの多孔性白金電極を接合したものである。４は陽極集電体、５は陰極集電体、６は陽極リード線、７は陰極リード線で、４〜７の材質はいずれもチタンとした。８はシリコンパッキング、９はセル容器で、材質はアクリルとした。１０は酸素通路、１１は水素通路口、１２は水貯蔵部、１３は水、１４は酸素通路１０に取り付けた吸水性高分子物質で、０．２ｇ使用し、１５は水素通路１１に取り付けた吸水性高分子物質で、０．３ｇ使用した。１６は水素発生側空間である。
【００３６】
この流体供給装置を、例えば生理食塩水の供給に使用するにあたっては、まずスイッチ２５を入れて電源２４から電気化学セル２３に５０ｍＡの直流電流を流すと、電気化学セル２３では水の電気分解反応が起こり、陽極から発生する酸素を気体導入管２２を通して気体を蓄積する圧力伝送部２１に導入すれば、通電を続けることにより、圧力伝送部２１の内部の酸素の圧力が上昇し、袋状体１７のみが収縮する方向に変形し、袋状体１７の内部の生理食塩水１８は押し出されて、流体供給口１９から外部に１時間当たり１０ｍｌの速度でが供給される。
【００３７】
図３は、本発明になる流体供給装置の使用途中の状態を示す断面構造で、圧力伝送部２１中の酸素の体積は増大し、同時に袋状体１７は収縮して、その中の生理食塩水１８は外部に供給されて、その量は減少している。
【００３８】
この流体供給装置においては、酸素通路と水素通路に取り付けた高吸水性高分子物質のために、密閉空間へは酸素のみが導入されて水ははいらず、また、電気化学セルの外部へは水素のみが放出されて水漏れはおこらない。
【００３９】
なお、圧力伝送部２１に導入する気体として陰極から発生する水素を使用する場合には、電流は２５ｍＡでよく、また、酸素と水素を同時に導入した場合には、電流は１７ｍＡでよい。いずれの場合でも水の電気分解による一定圧力の酸素あるいは水素の発生量は、通電電気量（電流×時間）によって決まるため、定電流を通電する場合には、単位時間当たりの流体の供給量は一定となるので、通電電流の大きさを変えることによって任意の流体供給量が得られるものである。
【００４０】
［実施例２］陰極側の水素通路にのみ吸水性高分子物質を備えた水電解セルを使用した、流体供給装置を作製した。水電解セルの構造以外はすべて実施例１と同じとした。
【００４１】
この場合には、酸素発生側には吸水性高分子物質がないために、圧力伝送部には酸素と水が入る事になるが、水素発生側からの水漏れは防止することができる。実施例１と同様の電流を流すと同様の速度で生理食塩水が供給された。
【００４２】
［実施例３］袋状体を内部に収納した密閉容器に電気化学セルを直接取り付けた流体供給装置を作製した。図４は使用前の断面構造を示したもので、図における記号１７〜２５は図２と同じものを示しており、電気化学セル２３は密閉容器２０に直接取り付けてあり、この場合には気体導入管は不必要である。実施例１と同様の電流を流すと同様の速度で生理食塩水が供給された。
【００４３】
［実施例４］流体貯蔵部としての袋状体に、流体注入口と流体供給口をそれぞれ別々に取り付けた、実施例１と同様の構造の流体供給装置を作製した。実施例１と同様の電流を流すと同様の速度で生理食塩水が供給された。
【００４４】
［実施例５］流体供給口には逆流防止弁を取り付けた、実施例１と同様の構造の流体供給装置を作製した。この装置では、使用しない状態では流体供給口からの液漏れはまったくなく、また、使用中に流体供給口の外側が減圧状態となっても、液の供給は停止した。この構造にすることによって、流体としては液体の代わりに気体を使用することも可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明になる流体供給装置においては、電気化学セルから発生する気体によって目的の流体の供給量を決めるものであり、電気化学セルからの気体の発生量は通電電気量、言い換えると（電流×時間）によって設定することができ、単位時間当りの供給量は電流の値で、また定電流を通電する場合には、合計の供給量は時間によって決めることができるという、きわめて簡単な方法で、流体を精度良く供給することができるものである。
【００４６】
また、本発明になる流体供給装置は、内部に流体貯蔵部を収納した密閉容器と電気化学セルおよび電源を備えたもので、全体として小型・軽量化が可能であるために持ち運ぶことができ、衣服のポケット等に入れて使用する携帯用としてきわめて便利である。
【００４７】
さらに、本発明になる流体供給装置に使用する電気化学セルにおいては、気体が発生すると同時に水が電気化学セルの外部に漏れる場合、電気化学セルの気体の通路に吸水性高分子物質を取り付けることによって、電気化学セルの外部への水の漏れを防止するものである。
【００４８】
さらに、本発明になる流体供給装置は、使用にあたっての操作が容易であり、特に医療用の薬液供給に使用する場合、患者にとってきわめて使いやすいものとなる。
【００４９】
以上のように、本発明になる流体供給装置は、構造が簡単で、安価で、しかも取り扱いが容易であり、従来の電気化学的流体供給装置の欠点を取り除くことができるものであり、その工業的価値はきわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる流体供給装置に使用する、電気化学セルの断面を示す図である。
【図２】本発明になる流体供給装置の、使用前の状態の断面を示す図である。
【図３】本発明になる流体供給装置の、使用途中の状態の断面を示す図である。
【図４】本発明になる実施例３にかかる流体供給装置に使用する、電気化学セルの断面を示す図である。
【符号の説明】
１イオン交換膜
２陽極
３陰極
１４酸素発生側吸水性高分子物質
１５水素発生側吸水性高分子物質
１７袋状体
２１圧力伝送部
２３電気化学セル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fluid supply apparatus for supplying fluid with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in order to inject a small amount of fluid with high accuracy, a fluid supply device using an electrochemical method has come to be used.
[0003]
One of the inventors of the present application proposes an apparatus having a pump function and a gas flow rate control function using an electrochemical cell that generates a gas in an amount proportional to the current value by passing a direct current. (Japanese Patent Publication No. 58-48209 ), an electrochemical infusion pump was proposed using this principle (HJR Mugget, US Pat. No. 4,522,698).
[0004]
This electrochemical infusion pump has an electrochemical cell in which porous gas diffusion electrodes are joined to both surfaces of a hydrated cation exchange membrane that functions as an electrolyte, and supplies hydrogen to the anode of the electrochemical cell, When a direct current is passed between the positive and negative electrodes, hydrogen becomes hydrogen ions at the anode, and the generated hydrogen ions pass through the ion exchange membrane and reach the cathode, where an electrochemical reaction occurs where hydrogen is generated. It is used. That is, the pressurized hydrogen generated at the cathode is used as a drive source for pushing a piston, a diaphragm, a bellows or the like. In addition, oxygen can be used instead of hydrogen as a reactant of the electrochemical cell, and the structure of the infusion pump is considerably simplified if air is used as an oxygen source to be supplied to the cathode.
[0005]
Such an infusion pump using an electrochemical method is not limited to the supply of medical drugs but can generally be used to supply all fluids such as gas and liquid. An electrochemical fluid supply apparatus can determine the supply speed of a fluid depending on the magnitude of a current passed through an electrochemical cell, and thus is particularly suitable for an application in which a very small amount of fluid is supplied with high accuracy.
[0006]
As the electrochemical cell used in this electrochemical fluid supply apparatus, various types other than the above-described system can be considered, and one of them is a water electrolysis cell using an electrolysis reaction of water (Japanese Patent Laid-Open No. 2). -302264). In this cell, water is held in an electrochemical cell in which a cathode is joined to one side of the cation exchange membrane and an anode is joined to the other side, and hydrogen or oxygen generated by electrolysis of water when a direct current is applied to both electrodes, Alternatively, a mixed gas of hydrogen and oxygen is used as a pressure source.
[0007]
The fluid supply apparatus according to the present invention includes a fluid storage unit and an electrochemical cell unit housed in an airtight container, and pushes out the fluid in the fluid storage unit by gas generated from the electrochemical cell when energized.
[0008]
One of the electrochemical cells that can be used in the fluid supply apparatus according to the present invention is a water electrolysis cell in which porous platinum electrodes are attached to both surfaces of a hydrated cation exchange membrane. When a direct current is passed through the water electrolysis cell, water decomposes into oxygen and protons at the anode, and the protons pass through the cation exchange membrane and reach the cathode, where they become hydrogen. In this way, in the water electrolysis cell, oxygen is generated from the anode and hydrogen is generated from the cathode by energization, so that either oxygen or hydrogen, or both oxygen and hydrogen are used as the pressurization source of the fluid supply device. can do.
[0009]
The electrode reaction in a water electrolysis cell using a cation exchange membrane as an electrolyte is as follows.
[0010]
Cathode: 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂
Anode: 2H ₂ O → 4H ⁺ + O ₂ + 4e ⁻
Total reaction: 2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂
In this water electrolysis cell, when gas is generated by energization, water is consumed at the anode. When calculated from the reaction formula, the water consumption is 0.336 mg per mAh. In this reaction, protons (H ⁺ ) generated at the anode move to the cathode side through the cation exchange membrane. At this time, water moves from the anode side to the cathode side simultaneously with the movement of the protons. For example, when a perfluorocarbon sulfonic acid membrane Nafion 117 manufactured by Du Pont is used, the water transfer amount per proton is 2.70 when the current density is 40 mA / cm ² . number, 2.85 one case of 80mA / cm ^2, the 2.95 one case of 105mA / cm ^2.
[0011]
Therefore, in this electrochemical cell, water consumed for electrolysis and water that migrates to the cathode side by electrophoresis and is substantially discharged outside the ion exchange membrane must be replenished.
[0012]
Therefore, in the electrochemical cell, the total amount of water consumed by electrolysis and water discharged outside by electrophoresis is stored in advance in a place other than the ion exchange membrane in the electrochemical cell, and this water is also stored. If the electrolyte is kept in constant contact with the ion exchange membrane as an electrolyte, the decrease of water in the ion exchange membrane due to energization is prevented, the conductivity of the ion exchange membrane is always kept constant, and the characteristics of the electrochemical cell are stabilized. Can do.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, the fluid supply device using the conventional electrochemical method is characterized by extruding the target fluid with the pressure of the gas generated from the electrochemical cell. At the same time, a gas not used for pressurization is discharged to the outside of the electrochemical cell. When oxygen is used for pressurization using the above-mentioned water electrolysis cell for the electrochemical cell, oxygen is introduced into the pressure transmission part and hydrogen is released to the outside of the electrochemical cell. If water is stored on the side, this water enters the pressure transmission section together with oxygen and becomes a problem. In addition, there is a disadvantage that water leaks to the outside from the hydrogen generation side. Further, when water is stored on the hydrogen generation side, water does not come out from the oxygen generation side, but water leaks to the outside from the hydrogen generation side.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the fluid supply apparatus according to the present invention, water is prevented from leaking outside the electrochemical cell. That is, when gas is generated from the electrochemical cell and water leaks to the outside of the electrochemical cell, a water-absorbing polymer substance is attached to the gas passage of the electrochemical cell.
[0015]
As the water-absorbing polymer material, for example, synthetic polymer materials such as sodium polyacrylate and vinyl alcohol / sodium acrylate copolymer are known, and the appearance is powdery or fibrous and has many hydrophilic groups. The water-soluble polymer is slightly cross-linked to form a three-dimensional network and insolubilized in water. When this water-absorbing polymer substance comes into contact with water, it absorbs and swells to change into a gel, and has a property of absorbing 100 to 150 ml of water per 1 g of the water-absorbing polymer substance.
[0016]
This water-absorbing polymer substance may be attached to the electrode side where water is generated simultaneously with the gas. For example, in the case of the water electrolysis cell described above, if oxygen is used for pressurization and the water storage part is attached to the oxygen generation side, oxygen is supplied to both the anode (oxygen generation side) and the cathode (hydrogen generation side). If used for pressurization and the water storage part is attached to the hydrogen generation side, only the cathode (hydrogen generation side) is used, and hydrogen is used for pressurization and the water storage part is attached to the oxygen generation side. If both the anode (oxygen generation side) and cathode (hydrogen generation side) electrodes are pressurized with hydrogen and the water reservoir is attached to the hydrogen generation side, only the cathode (hydrogen generation side) , Each may be attached. Further, when oxygen and hydrogen are simultaneously used for the pressurized gas, the water-absorbing polymer substance may be attached to both the anode (oxygen generation side) and the cathode (hydrogen generation side). In this manner, by attaching the water-absorbing porous polymer substance to the gas passage, water leakage from the electrochemical cell to the outside can be prevented.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The structure of the electrochemical cell used in the fluid supply apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a water electrolysis cell as a preferred example of an electrochemical cell. In the figure, 1 is an ion exchange membrane that works as an electrolyte, 2 is a porous platinum electrode as an anode, and 3 is a cathode. Working porous platinum electrode, 4 is anode current collector, 5 is cathode current collector, 6 is anode lead wire, 7 is cathode lead wire, 8 is packing, 9 is cell container, 10 is oxygen passage, 11 is hydrogen passage , 12 is a water storage portion provided on the anode side of the cell container 9, 13 is water, 14 is a water-absorbing polymer material film provided in the oxygen passage 10, 15 is a water-absorbing polymer material provided in the hydrogen passage 11, 16 Is the hydrogen generation side space.
[0018]
When a direct current is applied to the water electrolysis cell having this structure, water is consumed at the anode 2, oxygen is generated from the anode 2, and hydrogen is generated from the cathode 3. At this time, if the water in the ion exchange membrane 1 is slightly reduced, the water 13 in the water storage unit 12 in contact with the ion exchange membrane 1 moves into the ion exchange membrane 1 by the reduced amount. Therefore, the amount of water contained in the ion exchange membrane 1 is always kept almost constant, the conductivity of the ion exchange membrane during energization is almost constant, and stable electrochemical cell characteristics can be obtained. In the case of energization, the voltage of the electrochemical cell is substantially constant, and the amount of gas generated per unit time is also constant.
[0019]
In FIG. 1, oxygen passes through the water 13 in the water storage section and exits from the oxygen passage 10 to the outside of the electrochemical cell. And is not leaked outside the electrochemical cell. On the hydrogen generating electrode side, water moves out with proton movement from the anode to the cathode side, but this water is absorbed by the water-absorbing polymer substance 15 and only hydrogen is transferred to the outside of the electrochemical cell. It is released and does not leak to the outside.
[0020]
In general, an electrochemical cell that can be used in the present invention uses an ion-exchange membrane that exhibits ionic conductivity by containing water as an electrolyte, water is present on either the anode or cathode side, and a direct current is generated. When energized, any cell can be used in which gas is generated in proportion to the amount of energized electricity and water is generated from one of the electrodes. More specifically, the following cells can be used.
[0021]
1) In a cell in which an anode is joined to one side of a cation exchange membrane and a metal oxide electrode such as manganese dioxide is attached as a cathode, the following reaction occurs when a direct current is applied to both electrodes.
[0022]
Cathode: 4MnO ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 4MnOOH
Anode: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻
Total reaction: 4MnO ₂ + 2H ₂ O → 4MnOOH + O ₂
Since water is electrolyzed at the anode to generate oxygen, this oxygen is used as a pressure source. The hydrogen ions generated at the anode pass through the cation exchange membrane and reach the cathode and react with the metal oxide. In the case of this cell, since no gas is generated from the cathode side, the cathode side can be sealed to prevent water leakage from the cathode side. That is, water that has moved to the cathode side together with protons is absorbed by the cation exchange membrane or moves to the anode side through the cation exchange membrane if there is no space on the cathode side. Therefore, since water only needs to be stored on the anode side, the water-absorbing polymer material only needs to be attached to the anode side.
[0023]
2) When a direct current is passed through a water electrolysis cell having porous platinum electrodes on both sides of an anion exchange membrane, the following reaction occurs.
[0024]
Anode: 4OH ⁻ → O ₂ + 2H ₂ O + 4e ⁻
Cathode: 4H ₂ O + 4e ⁻ → 2H ₂ + 4OH ⁻
Total reaction: 2H ₂ O → 2H ² + O ₂
In this water electrolysis cell, water is decomposed into hydrogen and hydroxide ions at the cathode, and the hydroxide ions reach the anode through the anion exchange membrane, where they become oxygen and water. To use. In the case of this cell, water is decomposed only on the cathode side, and no gas is generated. Therefore, the cathode side can be sealed to prevent water leakage. Accordingly, since water is generated from the anode side, the water-absorbing polymer material only needs to be attached to the anode side.
[0025]
3) In a cell in which an anode is joined to one side of an anion exchange membrane and a metal oxide electrode such as manganese dioxide or nickel oxyhydroxide is attached as a cathode, the following reaction occurs when a direct current is applied to both electrodes.
[0026]
Cathode: 4MnO ₂ + 4H ₂ O + 4e ⁻ → 4MnOOH + 4OH ⁻
Anode: 4OH ⁻ → O ₂ + 2H ₂ 0 + 4e ⁻
Total reaction: 4MnO ₂ + 2H ₂ O → 4MnOOH + O ₂
In this cell, water is electrolyzed at the cathode to generate hydroxide ions, and the hydroxide ions reach the anode through the anion exchange membrane and become oxygen and water, so this oxygen is used as a pressure source. . In the case of this cell, water is decomposed only on the cathode side, and no gas is generated. Therefore, the cathode side can be sealed to prevent water leakage. Accordingly, since water is generated from the anode side, the water-absorbing polymer material only needs to be attached to the anode side.
[0027]
Next, the operation principle of the fluid supply apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a cross section of the fluid supply device according to the present invention in use, wherein 17 is a bag-like body as a fluid reservoir, 18 is a fluid, 19 is a fluid supply port, and 20 is a bag-like body inside. It is a closed sealed container and is made of a hard material that does not deform under the pressure of gas. A pressure transmission portion 21 is formed by the outer surface of the bag-like body 17 and the inner surface of the sealed container 20, and gas generated from the electrochemical cell is accumulated in the pressure transmission portion 21. Further, 22 is a gas introduction tube, 23 is an electrochemical cell, 24 is a power source, and 25 is a switch.
[0028]
In using this fluid supply device, first, the switch 25 is turned on to supply a direct current to the electrochemical cell 23, and the gas generated from the electrochemical cell 23 at that time is introduced into the pressure transmission unit 21 through the gas introduction pipe 22. . Then, the pressure inside the pressure transmission unit 21 rises and pushes the bag-like body 17 and the inner surface of the sealed container 20. However, since the sealed container 20 is made of a material that is not deformed by the gas pressure, the bag-like body 17. Only deforms in the shrinking direction. The deformation of the bag-like body 17 starts almost simultaneously with the introduction of gas into the pressure transmission unit 21. As a result, the fluid 18 inside the bag-like body 17 is pushed out and supplied from the fluid supply port 19 to the outside. When the generation of gas from the electrochemical cell 23 is continued, the fluid 18 inside the bag-like body 17 continues to be supplied to the outside from the fluid supply port 19.
[0029]
The volume of gas generated from the electrochemical cell is theoretically 420 ml (0 ° C, 1 atm) for hydrogen and 210 ml (0 ° C, 1 atm) for oxygen with respect to the energized amount of electricity of 1 Ah. Therefore, the fluid supply speed can be determined by determining the magnitude of the energizing current in both cases where only oxygen, hydrogen, or both oxygen and hydrogen are used to push the bag. It is.
[0030]
In addition, a backflow prevention valve can be provided at the fluid supply port 19, or the electrochemical cell 23 may be directly attached to the sealed container 20 and the gas introduction pipe 22 may be omitted.
Furthermore, the operation of the electrochemical cell requires a direct current, but when a relatively large amount of fluid is required, a large amount of current is required. A direct current may be supplied to the cell. On the other hand, when supplying a minute amount of fluid of about 1 ml per hour, a small battery may be used as a power source. When such a small battery is used, if the battery and the electrochemical cell are directly attached to the end of the container, the fluid supply device becomes portable.
[0031]
The fluid supply device of the present invention is optimal for medical use in which a chemical solution is supplied to a patient, but can also be applied to supply of all other industrial fluids such as liquids and gases.
[0032]
【Example】
The structure and method of use of the fluid supply apparatus according to the present invention will be described in detail using preferred embodiments.
[0033]
[Example 1] A fluid supply device including a bag-like body made of an organic polymer sheet as a fluid storage portion and a water electrolysis cell as an electrochemical cell was produced. FIG. 2 shows a cross-sectional structure in a state before use, FIG. 3 shows a cross-sectional structure in a state in use, and the symbols in FIGS. 2 and 3 indicate the same thing.
[0034]
In FIG. 2, 17 is a bag-like body for storing fluid, the material is polyvinyl chloride, the size is 70 mm × 50 mm, the thickness is 0.5 mm, and the end portions of the sheet are integrated by heat sealing. 18 is a fluid, and about 30 ml of physiological saline was used here. A fluid supply port 19 is made of polyvinyl chloride and has dimensions of an outer diameter of 5 mm and an inner diameter of 4 mm. Reference numeral 20 denotes an acrylic airtight container containing a bag-like body, and the internal dimensions are 60 mm × 40 mm × 15 mm, and this airtight container is not deformed by gas pressure. A pressure transmission portion 21 is formed by the outer surface of the bag-like body 17 and the inner surface of the sealed container 20, and gas generated from the electrochemical cell is accumulated in the pressure transmission portion 21. In a state before use, the volume of the pressure transmission unit 21 is small. Reference numeral 22 denotes a gas introduction tube, which is made of polyvinyl chloride and has dimensions of an outer diameter of 5 mm and an inner diameter of 4 mm. 23 is an electrochemical cell, 24 is a power source, a combination of a battery and a resistor, and 25 is a switch.
[0035]
As the electrochemical cell, a water electrolysis cell having a cross-sectional structure shown in FIG. 1 was used. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an ion exchange membrane serving as an electrolyte, and a solid polymer proton conductor having a diameter of 12 mm is used. 2 is an anode and 3 is a cathode, both of which are formed by bonding a porous platinum electrode having a diameter of 8 mm to both surfaces of a solid polymer proton conductor by electroless plating. 4 is an anode current collector, 5 is a cathode current collector, 6 is an anode lead wire, 7 is a cathode lead wire, and 4 to 7 are all made of titanium. 8 is silicon packing, 9 is a cell container, and the material is acrylic. 10 is an oxygen passage, 11 is a hydrogen passage port, 12 is a water storage section, 13 is water, 14 is a water-absorbing polymer substance attached to the oxygen passage 10, 0.2 g is used, and 15 is attached to the hydrogen passage 11. 0.3 g of water-absorbing polymer material was used. Reference numeral 16 denotes a hydrogen generation side space.
[0036]
When this fluid supply device is used, for example, for supplying physiological saline, first, when the switch 25 is turned on and a direct current of 50 mA is passed from the power source 24 to the electrochemical cell 23, the electrochemical cell 23 performs an electrolysis reaction of water. If oxygen generated from the anode is introduced into the pressure transmission part 21 that accumulates gas through the gas introduction pipe 22, the pressure of oxygen inside the pressure transmission part 21 rises by continuing energization, and the bag-like body Only 17 is deformed in a contracting direction, the physiological saline 18 inside the bag-like body 17 is pushed out, and is supplied from the fluid supply port 19 to the outside at a rate of 10 ml per hour.
[0037]
FIG. 3 is a cross-sectional structure showing a state in use of the fluid supply apparatus according to the present invention. The volume of oxygen in the pressure transmission unit 21 increases, and at the same time, the bag-like body 17 contracts, and the physiological saline therein The water 18 is supplied to the outside and the amount thereof is decreasing.
[0038]
In this fluid supply device, because of the superabsorbent polymer substance attached to the oxygen passage and the hydrogen passage, only oxygen is introduced into the sealed space and no water is contained, and hydrogen is not introduced into the outside of the electrochemical cell. Only water is released and no water leaks.
[0039]
When hydrogen generated from the cathode is used as the gas introduced into the pressure transmission unit 21, the current may be 25 mA, and when oxygen and hydrogen are introduced simultaneously, the current may be 17 mA. In any case, the amount of oxygen or hydrogen generated at a constant pressure by electrolysis of water is determined by the amount of electricity (current x time). Therefore, when a constant current is applied, the amount of fluid supplied per unit time is Since it becomes constant, an arbitrary fluid supply amount can be obtained by changing the magnitude of the energization current.
[0040]
[Example 2] A fluid supply device using a water electrolysis cell provided with a water-absorbing polymer material only in the hydrogen passage on the cathode side was produced. Except for the structure of the water electrolysis cell, everything was the same as in Example 1.
[0041]
In this case, since there is no water-absorbing polymer substance on the oxygen generation side, oxygen and water enter the pressure transmission part, but water leakage from the hydrogen generation side can be prevented. When the same current as in Example 1 was passed, physiological saline was supplied at the same rate.
[0042]
[Example 3] A fluid supply apparatus in which an electrochemical cell was directly attached to an airtight container containing a bag-like body was produced. FIG. 4 shows a cross-sectional structure before use. Symbols 17 to 25 in FIG. 4 are the same as those in FIG. 2, and the electrochemical cell 23 is directly attached to the sealed container 20. An introduction pipe is unnecessary. When the same current as in Example 1 was passed, physiological saline was supplied at the same rate.
[0043]
[Example 4] A fluid supply apparatus having the same structure as that of Example 1 was manufactured by separately attaching a fluid injection port and a fluid supply port to a bag-like body serving as a fluid storage unit. When the same current as in Example 1 was passed, physiological saline was supplied at the same rate.
[0044]
[Example 5] A fluid supply apparatus having a structure similar to that of Example 1 in which a backflow prevention valve was attached to the fluid supply port was produced. In this apparatus, there was no liquid leakage from the fluid supply port when not in use, and the liquid supply stopped even when the outside of the fluid supply port was in a reduced pressure state during use. With this structure, it is possible to use a gas instead of a liquid as the fluid.
[0045]
【The invention's effect】
In the fluid supply apparatus according to the present invention, the supply amount of the target fluid is determined by the gas generated from the electrochemical cell, and the generation amount of the gas from the electrochemical cell is the amount of energized electricity, in other words, (current × time). ), The supply amount per unit time is the current value, and when a constant current is applied, the total supply amount can be determined by the time. Can be supplied with high accuracy.
[0046]
In addition, the fluid supply device according to the present invention includes a sealed container that houses a fluid storage unit therein, an electrochemical cell, and a power source, and can be carried because it can be reduced in size and weight as a whole, It is very convenient as a portable device for use in a pocket of clothes.
[0047]
Furthermore, in the electrochemical cell used in the fluid supply apparatus according to the present invention, when water is leaked to the outside of the electrochemical cell at the same time as gas is generated, a water-absorbing polymer substance is attached to the gas passage of the electrochemical cell. Prevents leakage of water to the outside of the electrochemical cell.
[0048]
Furthermore, the fluid supply device according to the present invention is easy to operate in use, and is extremely easy for the patient to use, especially when used for medical solution supply.
[0049]
As described above, the fluid supply apparatus according to the present invention is simple in structure, inexpensive, easy to handle, and can eliminate the disadvantages of the conventional electrochemical fluid supply apparatus. Target value is extremely high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a cross section of an electrochemical cell used in a fluid supply apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a fluid supply device according to the present invention before use.
FIG. 3 is a view showing a cross section of the fluid supply device according to the present invention in the middle of use.
FIG. 4 is a diagram showing a cross section of an electrochemical cell used in a fluid supply apparatus according to Example 3 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion exchange membrane 2 Anode 3 Cathode 14 Oxygen generation side water-absorbing polymer material 15 Hydrogen generation side water-absorbing polymer material 17 Bag-shaped body 21 Pressure transmission part 23 Electrochemical cell

Claims

A fluid storage unit, a pressure transmission unit, and an electrochemical cell unit. The electrochemical cell includes an anode, a cathode, an electrolyte, and a cell container. The electrolyte is made of an ion exchange membrane that generates ionic conductivity by containing water. The gas passage is provided with a water-absorbing polymer substance, the fluid reservoir is provided with a fluid supply port, and a gas generated by applying a direct current to the electrochemical cell unit is introduced into the pressure transmission unit. The fluid supply device is characterized in that the fluid storage unit is pushed and fluid is supplied from the fluid supply port.