JP5091364B1 - 生体用水素ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】健康上有益な水素ガスを医療の現場や家庭で安全に使用することができる生体用水素ガス供給装置を提供する。
【解決手段】被電解原水１２が導入される電解室１１と、前記電解室の内部と外部とを区画する一つ以上の隔膜１３と、前記電解室の内部及び外部のそれぞれに前記隔膜を挟んで設けられた少なくとも一対の電極板１４，１５と、を有し、前記電解室の外部の電極板が前記隔膜に接触させて設けられている電解槽１と、前記一対の電極板に直流電圧を印加する直流電源２と、陰極となる電極板から発生する水素ガスを希釈するための希釈用ガス供給器３と、を備え、前記希釈用ガス供給器から供給される希釈用ガスを前記陰極に送風することにより、電解時の前記陰極近傍の水素ガス濃度を常に４vol％未満に維持し水素ガス濃度が０．１〜４vol％の、水素ガスと希釈用ガスを含む混合ガスを生体に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体用水素ガス供給装置に関するものである。

生体用水素ガス供給装置として、水素ガス発生装置から鼻腔カニューラへの導管の一部に空気混合器を取り付けることにより、供給する水素ガスの濃度を任意に設定することができる生体用水素ガス供給装置が知られている（特許文献１）。

特開２００９−５８８１号公報

しかしながら、上記従来の生体用水素ガス供給装置では、鼻腔カニューラへの導管の一部に取り付けられた空気混合器内で水素ガスを混合するため、水素ガス発生装置から空気混合器に至る導管においては爆発限界を超える水素ガスを通過させており、医療の現場や家庭で、安全に使用することができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、健康上有益な水素ガスを医療の現場や家庭で安全に使用することができる生体用水素ガス供給装置を提供することである。

本発明は、水素ガスが発生する陰極表面もしくは陰極水面に希釈用ガスを吹き付けることにより、水素ガス発生の時点から生体に送り届けられるまでのあらゆる時点において、水素ガスを爆発限界外の濃度である４vol％未満に維持することができる生体用水素ガス供給装置を提供することを通じて、課題を解決する。

本発明によれば、健康上有益な水素ガスを、医療の現場や家庭で安全に使用することができる。

本発明の一実施の形態に係る生体用水素ガス供給装置を示す図である。

本発明の一実施の形態に係る生体用水素ガス供給装置１は、図１に示すように、被電解原水１２が導入される電解室１１と、前記電解室１１の内部と外部とを区画する一つ以上の隔膜１３と、前記電解室１１の内部及び外部のそれぞれに、前記隔膜１３を挟んで設けられた少なくとも一対の電極板１４，１５と、を有し、前記電解室１１の外部の電極板１５が前記隔膜１３に接触させて設けられている電解槽１と、前記電解槽１の電極板１４，１５に直流電圧を印加する直流電源２と、陰極となる電極板１４又は１５から発生する水素ガスを希釈するための希釈用ガス供給器３と、を備え、前記希釈用ガス供給器３から供給される希釈用ガスが前記陰極となる電極板１４又は１５の近傍に送風されることを通じて、電解時の前記陰極近傍の水素ガス濃度が常に４vol％未満に維持されることにより、爆発限界以下の、該水素ガスと該希釈用ガスを含む混合ガスを生体に供給することができる生体用水素ガス供給装置として実施される。

ここで、生体用水素ガス供給装置１とは、主として、生体（細胞や臓器を含む）の健康維持や機能維持、疾病改善や機能改善、健康診断や機能測定を目的に、生体に水素ガスを供給することである。その供給手段としては、これに限るものではないが、鼻腔や口腔からの吸入による供給、皮膚や臓器への曝露や吹込みによる供給、または液状薬剤や臓器保存液など生体に適用されることを前提とした生体適用液への曝露や吹込みによる供給、生体を有する容器や回路の外側からの拡散による供給などを含む。

ここで、被電解原水は、水の電気分解の過程を通じて陰極に水素ガスを発生させることができる水であり、水道水、浄水、精製水、蒸留水などを含む。被電解原水は、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなど電解質を適宜含有していてもよい。
前記電解室１１の内部と外部とを区画する一つ以上の隔膜１３と、前記電解室１１の内部及び外部のそれぞれに、前記隔膜１３を挟んで設けられた少なくとも一対の電極板１４，１５と、を有し、前記電解室１１の外部の電極板１５が前記隔膜１３に接触させて設けられている電解槽１については、たとえば、特許第３３４９７１０号などに記載される電解槽が含まれる。

なお、電解室１１の内部の電極板１４については、隔膜１３に接触させて設けられていても、隔膜からわずかな隙間（隔膜から１センチメートル以下、好ましくは５ミリメートル以下、より好ましくは１ミリメートル以下、さらに好ましくは０．５ミリメートル以下）を空けて設けられていてもよい。

電極板１４，１５は、これに限るものではないが、例えば、チタン板を素材として、白金、イリジウム、パラジウムなどの群から選ばれる貴金属を被覆したものを用いることができる。

また、隔膜１３には陽イオン交換膜を用いることが望ましく、イオン伝導性、物理強度、ガスバリア性、化学的安定性、電気化学的安定性、熱的安定性等の諸要因を考慮すると、電解質基としてスルホン酸基を備えた全フッ素系スルホン酸膜を好適に使用できる。このような膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルとテトラフルオロエチレンとの共重合体膜であるナフィオン膜（登録商標、デュ・ポン社製）、フレミオン膜（登録商標、旭硝子社製）、アシプレックス膜（登録商標、旭化成社製）などが挙げられる。

なお、電極板１４，１５間に隔膜１３を挟まない場合、陰極で発生した水素ガスに対して陽極で発生した酸素ガスや塩素ガスが混合してしまうことになるため、爆発の危険性や生体に対する有毒性の観点から好ましくない。

特に水素ガスと塩素ガスは、光により常温で反応することが知られているため、本発明の水素ガスと希釈用ガスを含む混合ガスにおける塩素ガス濃度は低ければ低いほど望ましく、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは０．５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは０．１ｐｐｍ以下である。

被電解原水１２を電解室１１の内部に導入し、直流電源２より直流電圧を印加することで、被電解原水１２は電気分解され、陰極に水素ガスが発生する。このとき、電解室１１の内部の電極板１４を陰極とし、電解室１１の外部の電極板１５を陽極とする場合と、電解室１１の内部の電極板１４を陽極とし、電解室１１の外部の電極板１５を陰極とする場合とがあるが、そのそれぞれについて以下説明する。

まず、電解室１１の内部の電極板１４を陰極とし、電解室１１の外部の電極板１５を陽極とする場合、電気分解によって陰極に発生した水素ガスは、電解室１１内の水（陰極水）中を上昇しながら電解室１１の内部のヘッドスペース部４（陰極水面上部の空間）に移行する。このとき、電解室１１が蓋などで閉鎖され、水素ガスの大気への拡散が妨げられているのであれば、時間とともにヘッドスペース部４の水素濃度は高まり水素ガスの爆発限界である４vol％を超える。しかし、電解室１１が閉鎖されておらず、ヘッドスペース部４が大気に開放されている場合であっても、陰極水面近傍のいずれかの地点においては、局所的であれ、水素ガスの爆発濃度範囲である４vol％以上、７５vol％未満の濃度域が形成されている。事実、出願人の知見によると、本発明に限らず、電気分解時の陰極水面に炎を近づけると、接近の過程のどこかで小さな爆鳴が発生することは少なくない。

次に、電解室１１の内部の電極板１４を陽極とし、電解室１１の外部の電極板１５を陰極とする場合、陰極は電解室１１の外部にあるため、基本的には大気に開放された状態にある。この場合、むき出しにされた陰極近傍において、上記同様、局所的であれ、水素ガスの爆発濃度範囲である４vol％以上、７５vol％未満の濃度域が形成されている。また、電解室１１の内部の電極板１４を陰極とする場合とは異なり、後述する側室１６などを設けて水を入れない限りは、熱を吸収する水が周囲に存在しないため、不意の着火による爆発可能性が高まる。

したがって、本発明においては、電解室１１の内部の電極板１４を陰極とし、電解室１１の外部の電極板１５を陽極とする場合であれ、電解室１１の内部の電極板１４を陽極とし、電解室１１の外部の電極板１５を陰極とする場合であれ、陰極に発生した水素ガス濃度を、希釈用ガス供給器３から希釈用ガスを陰極近傍に送風することを通じて、電解時の陰極近傍の水素ガス濃度を厳格にコントロールすることが重要である。

すなわち、本発明で最も高濃度の水素ガスが発生する局面である「電解時の陰極」において、発生した水素ガスを直ちに希釈することを通じて、生体に供給されるまでの以降の送風経路のすべてで水素ガス濃度を４vol％未満に維持することが重要である。したがって、希釈用ガスの供給は電気分解が開始すると同時に、あるいはそれに先立って作動させておくこと望ましく、また不意の事故で希釈用ガス供給器３が停止したときにはそれと連動して自動的に電気分解を停止することができる機構を備えていることが望ましい。こうした観点から、陰極で発生した水素ガスを電解室１１から導出した後、導管のいずれかの地点に設けられた空気混合器で水素ガスを希釈するような実施形態は本発明には含まれない。

なお、本発明の希釈用ガスは、通常大気や人口空気を含む概念であり、酸素濃度を調整された医療用ガスや、その他医療用成分を含んだ医療用ガスも含まれる。こうした希釈用ガスを供給する希釈用ガス供給器３には、エアポンプなど希釈用ガスを送風できる装置が含まれる。

またここで、陰極近傍とは、上述のように、その周囲に水が存在する場合は陰極水面近傍の概念を含むものであり、近傍とは、陰極（または陰極水面）から７センチメートル、好ましくは５センチメートル、より好ましくは３センチメートル、最も好ましくは１センチメートル離れた位置を含む概念である。また本発明では、電解開始１分後、想定される電解時間の半分が経過した時点、電解終了時のそれぞれにおいて、陰極近傍の水素ガス濃度を測定し、そのいずれにおいても水素ガス濃度が４％未満である場合を、「電解時の陰極近傍の水素ガス濃度が常に４vol％未満に維持」したと見做す。

一方、本発明は、あくまで生体用水素ガス供給装置にかかわる発明であるため、水素ガス濃度を４vol％未満に維持するとはいえ必要以上の希釈を求めるものでもない。したがって、陰極に発生した水素ガスを安全に系外へ廃棄すべく、水素ガス濃度を限りなくゼロに近づけることを目指して盲目的に電解槽に送風すれば良いというものではなく、電解条件の管理や送風量の管理を伴うことが望ましい。

すなわち、たとえば、人間や動物が１分間に吸入する空気量を目安に、例えば、２Ｌ／分以上、好ましくは４Ｌ／分以上、より好ましくは６Ｌ／分以上、さらに好ましくは８Ｌ／分以上、とくに好ましくは１０Ｌ／分以上の送風量で希釈用ガスが送風されるとき、水素ガスと希釈用ガスを含む混合ガスにおける水素ガス濃度が０．１vol％以上、好ましくは０．３vol％以上、より好ましくは０．５vol％以上、さらに好ましくは１vol％以上、とくに好ましくは２．５vol％以上であって、４vol％未満になるように電解条件を管理することが望ましい。

そうした電解条件には、被電解原水の水量、被電解原水の水温、電解電流値などがかかわる。たとえば、１．４Ｌの被電解原水１２を有する電解室１１に対して、希釈用ガスを５Ｌ／分の送風量で陰極近傍に送風するとき、１５Ａの電解電流で被電解原水１２を電気分解すると、水素ガスと希釈用ガスを含む混合ガスにおける水素ガス濃度は、電解開始１分後、想定される電解時間の半分が経過した時点、電解終了時のそれぞれにおいて、およそ２．４vol％前後に維持される。また、電解時間に応じて電解室１１内の被電解原水１２の水温が上昇するが、混合ガスにおける水素ガス濃度を維持しつつ被電解原水１２の水温の上昇を防ぐためには、電解電流値を変えずに、被電解原水１２の水量（電解室１１の容積）は減らす方向に、被電解原水１２の水温は低い方向に、電極板１４，１５の面積は広い方向に、など適宜調整すればよい。

また、電解室１１の内部の電極板１４を陽極とし、電解室１１の外部の電極板１５を陰極とする電気分解にあっては、電解室１１の外部の電極板１５を側室１６で囲むとともに、電解室１１のほかこうした側室１６にも被電解原水を満たして電気分解することにより、混合ガスにおける水素ガス濃度を維持したまま被電解原水１２の水温の上昇を抑えることができる。なお、側室１６は通常、電解室１１の外部の電極板１５を含む一面、その面から四辺を接して上方に伸びる四面、電解室１１の外部の電極板１５を含む一面と対向して配置される一面の計六面を含むが、これに限るものではない。側室１６は、被電解原水をそこに満たさない場合であっても、得られた混合ガスを外部の大気から区画する空間として使用することができる。しかし、本発明の混合ガスが４vol％以下の水素ガスを含まないとはいえ、水素ガスを含むガスを必要以上に貯留することは必ずしも望ましくない。したがって、側室１６の体積は、これに限るものではないが、電解室１１の容積の３倍以下、好ましくは２倍以下、より好ましくは１倍以下、さらに好ましくは０．５倍以下である。

なお、混合ガスを生体に供給する形態としては、たとえば、陰極近傍や陰極水面近傍または陰極室に直接顔を近づけ混合ガスを吸入する形態のほか、電極室１１または側室１６に設けられた混合ガス導出口１８より混合ガスを吸入する形態が含まれる。

また、電解室１１に、希釈用ガス供給器３よりの希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入口１７ａ、及び混合ガスを導出する混合ガス導出口１８ａが設けられており、電解室１１内に被電解原水１２が導入されている状態で、前記電解室１１の内部に設けられた電極板１４を陰極とし、前記電解室１１の外部に設けられた電極板１５を陽極として、前記直流電源２からの直流電圧を両電極板１４，１５に印加する生体用水素ガス供給装置や、あるいは、側室１６に、前記希釈用ガス供給器３よりの希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入口１７、及び前記混合ガスを導出する混合ガス導出口１８が設けられており、前記電解室１１の内部に被電解原水１２が導入されている状態で、前記電解室１１の内部に設けられた電極板１４を陽極とし、前記電解室１１の外部に設けられた電極板１５を陰極として、前記直流電源２からの直流電圧を両電極板１４，１５に印加する生体用水素ガス供給装置なども含まれる。

なお、電極板１４，１５の極性を反転しても使用することができるリバーシブルな特徴を持たせるため、希釈用ガス導入口１７や混合ガス導出口１８は電解室１１と側室１６ともに設けられていてもよい。

また、鼻腔カニューラなどアタッチメントを混合ガス導出口１８または１８ａに適宜接続することで、生体供給時の利便性や混合ガス供給の安定性を高めることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。なお、本願において特に断りがない場合は、各種物性値を計測するのに用いた各種計器類は、水素ガス濃度計が「ＸＰ―３１４０（新コスモス電機社製）」、電流計が「クランプＡＣ/ＤＣハイテスタ３２６５（日置電機社製）」、電圧計が「ＣＤＭ―２０００（ＣＵＳＴＯＭ社製）」である。

［実施例１］
被電解原水が導入される電解室と、電解室における内と外を区画する陽イオン交換膜（「ナフィオン４２４」（デュポン社製））と、電解室内外のそれぞれに、陽イオン交換膜を挟んで設けられた一対の白金電極と、を有し、電解室外の電極板が陽イオン交換膜に接触させて設けられており、さらに電解室内の電極板も陽イオン交換膜に接触させて設けられている電解槽の電解室に、水温２０．８℃の藤沢市水道水１．４Ｌを入れるとともに陽イオン交換膜にも水を湿潤させた。

その後、電解室内に設けられた電極板を陰極とし、電解室外に設けられた電極板を陽極として直流電源からの直流電圧を両電極間に印加し、電解電流１５Ａで電気分解した。

電気分解の開始と同時に、希釈用ガス供給器としてエアポンプ（Ｓｉｌｅｎｔβ１２０（マルカン社製））より５Ｌ／分で通常大気を陰極に送風した。電解開始１分後、５分後、電解終了時(電解開始から１０分後)における陰極水面から７ｃｍの地点の水素ガス濃度、電解電圧、及び電解室の水温を測定した。その結果を表１に示す。

［実施例２］
実施例１の電解槽においてさらに電解室外の電極板を囲む側室を設けるとともに、電解室と側室に水温１９．０℃の藤沢市水道水を１．４Ｌずつ入れ、電解室内に設けられた電極板を陰極とし、電解室外に設けられた電極板を陽極として直流電源からの直流電圧を両電極間に印加し、電解電流１５Ａで電気分解した。

電気分解の開始と同時に、希釈用ガス供給器として上記のエアポンプより５Ｌ／分で通常大気を陰極に送風した。電解開始１分後、５分後、電解終了時(電解開始から１０分後)における陰極水面から７ｃｍの地点の水素ガス濃度、電解電圧、及び電解室の水温を測定した。その結果を表１に示す。

［実施例３］
被電解原水が導入される電解室と、電解室における内と外を区画する上記の陽イオン交換膜と、電解室内外のそれぞれに、陽イオン交換膜を挟んで設けられた一対の白金電極と、を有し、電解室外の電極板が陽イオン交換膜に接触させて設けられており、さらに電解室内の電極板も陽イオン交換膜に接触させて設けられていることを特徴とする電解槽の電解室に、水温２０．１℃の藤沢市水道水１．４Ｌを入れるとともに、電解室内に設けられた電極板を陽極とし、電解室外に設けられた電極板を陰極として直流電源からの直流電圧を両電極間に印加し、電解電流１５Ａで電気分解した。

電気分解の開始と同時に、希釈用ガス供給器として上記のエアポンプより５Ｌ／分で通常大気を陰極に送風した。電解開始１分後、５分後、電解終了時(電解開始から１０分後)における陰極から７ｃｍの地点の水素ガス濃度、電解電圧、及び電解室の水温を測定した。その結果を表１に示す。

［比較例１から３］
実施例１から３において、通常大気を送風しない場合の、電解開始１分後、５分後、電解終了時(電解開始から１０分後)における陰極水面から７ｃｍの地点の水素ガス濃度、電解電圧、及び電解室の水温をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。なお比較例１から３に使用した被電解原水の水温は、それぞれ２０．１℃、２０．９℃、２０．８℃であった。

１…生体用水素ガス供給装置
１１…電解室
１２…被電解原水
１３…隔膜
１４，１５…電極板
１６…側室
１７，１７ａ…希釈用ガス導入口
１８，１８ａ…混合ガス導出口
２…直流電源
３…希釈用ガス供給器
４…ヘッドスペース部

Claims (10)

1. 被電解原水が導入される電解室と、前記電解室の内部と外部とを区画する一つ以上の隔膜と、前記電解室の内部及び外部のそれぞれに前記隔膜を挟んで設けられた少なくとも一対の電極板と、を有し、前記電解室の外部の電極板が前記隔膜に接触させて設けられている電解槽と、
   前記一対の電極板に直流電圧を印加する直流電源と、
   陰極となる電極板から発生する水素ガスを希釈するための希釈用ガス供給器と、を備え、
   前記希釈用ガス供給器から供給される希釈用ガスを前記陰極又は陰極水面に送風することにより、電解時の前記陰極又は前記陰極水面から７ｃｍ離れた位置の水素ガス濃度を常に４vol％未満に維持し、水素ガス濃度が０．１〜４vol％の、水素ガスと希釈用ガスを含む混合ガスを生体に供給する生体用水素ガス供給装置。
2. 請求項１に記載の生体用水素ガス供給装置において、さらに前記電解室の内部の電極板が前記隔膜に接触させて設けられている生体用水素ガス供給装置。
3. 請求項１または２に記載の生体用水素ガス供給装置において、
   前記電解室には、前記希釈用ガス供給器からの希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入口と、前記混合ガスを導出する混合ガス導出口とが設けられ、
   前記電解室の内部に被電解原水が導入されている状態で、前記電解室の内部に設けられた電極板を陰極とし、前記電解室の外部に設けられた電極板を陽極として、前記直流電源からの直流電圧を両電極板に印加する生体用水素ガス供給装置。
4. 請求項１または２に記載の生体用水素ガス供給装置において、前記電解室の外部に、前記一対の電極板の一方の電極板を包含する側室が設けられている生体用水素ガス供給装置。
5. 請求項４に記載の生体用水素ガス供給装置において、
   前記側室には、前記希釈用ガス供給器からの希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入口と、前記混合ガスを導出する混合ガス導出口とが設けられて、
   前記電解室の内部に被電解原水が導入されている状態で、前記電解室の内部に設けられた電極板を陽極とし、前記電解室の外部に設けられた電極板を陰極として、前記直流電源からの直流電圧を両電極板に印加する生体用水素ガス供給装置。
6. 請求項４に記載の生体用水素ガス供給装置において、前記電解室の内部および前記側室に被電解原水が導入される生体用水素ガス供給装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の生体用水素ガス供給装置において、前記希釈用ガスが通常大気である生体用水素ガス供給装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の生体用水素ガス供給装置において、前記希釈用ガスが２Ｌ／分以上の通気量で送風される生体用水素ガス供給装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の生体用水素ガス供給装置において、前記混合ガスの塩素ガス濃度が１ｐｐｍ以下である生体用水素ガス供給装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の生体用水素ガス供給装置において、前記直流電圧を印加するのと同時にまたはこれに先立って、希釈用ガス供給器を作動させる生体用水素ガス供給装置。

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