JPS6051610A - 酸素濃度の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は＃素を含む混合気体の酸素濃度の制御装置およ
び制御方法に関するものである。さらに詳しくは、ひと
つの′α気化学旧酸素分離装置に脱１讃素機能と酸素発
生機能の双方を６１こせるとともに、酸素濃度の制御対
象となる祭器と分離し得る酸素＃度の制御装置と制御方
法に関するものである。

生物学、化学、医学、金目学その他の研究分野で、気相
中の酸素１度を任意に制御する必要がある場合が多い、
しかるに従来、４素、アルゴン。

炭酸ガスあるいはヘリウムの如き気体と酸素とを適当に
７昆合するという方法が採用さ１てい１こが、ボンベ操
作およびガスの流量調節操作は煩雑であつ１こ。

これに対し、本＠発明者らは、′特公昭５７−２８９０
７号で電気化学的手法を用いて酸素濃度を自動的に制ｔ
ｉａｌする方法を１是案し１こ。

すなオ）ち、酸素の電解、！１元に汀効なガス拡散電極
を陰極とし、酸素発生電極を陽極とし、水酸イヒカリウ
ム、水酸化ナトリウムあるいは硫酸の水溶漱もしくはカ
チオン交換膜などを電解液あるＬ）１．を電解°百とし
てなる電解槽において、陰極に酸素を含む混合ガスを供
給しつつ、陰・陽画極間に直流電圧を印加すると、陰極
では （Ｊ２　＋　２ｕ２ｕ　＋　４ｅ−−＋　４（Ｊｌ（−
（７７１／　カリ電解液）ま１こは、 ｕ２４−４Ｈ”　＋　４ｅ−→２ｕ２ｕ　（酸性電解膜
まＴこはカチオン交換膜）なる反応により、酸素が選択
的に消ｑ聞され、陽極では ４０１　＋Ｕｚ＋２Ｈ２（Ｊ＋４ｅ　（アルカリ電解液
）まＴこは、 ２Ｈ２ＬＪ→（Ｊ＋　＋　４Ｈ＋＋４ｅ−（酸性電解Ｆ
Ｌま１こはカチオン交換膜）なる反応Ｖこより、酸素が
’＋１生する。

つ土ｈ　、　ＩＷ索を含む混合ガス中の酸素だけが陰極
側から内處側に停行するので、か＼る電解槽は峙孝分博
藤片と１で機能する、 しγこがって、かかる酸素分離装置を２　Ｉｔ？！用意
し、そのうちの１個の陰極に酸素濃度を制御しようとす
る酸素１！１度制御室の中の気体を接触さ１ｔろととも
にｉｌ［から宅生じてくる＠素を子・７Ｆに排気せしめ
ろ一方、他の１個の陰極に大気を供給し、陽罹から発生
してくる酸素を酸素濃度制御室に供給するようにし、酸
素ａ度制御室の酸素１度が所定のそれより高すぎる場合
には、１ｇ１者の脱酸素機能を葡する酸素分離装置を作
動せしめて酸素濃度を低下させ、所定の酸素濃度より低
すぎるときには、後者の酸素濃度発生機能を有する酵素
分Ｉｌｌ装置を作動せしめて、酸素＃度を咽太さく＋る
ことにより、酸素ａ度制御室内の酸素＃度を所定のそ！
”Ｌ　Ｋ　、ｌｉ制御することができる。

このように、脱１！！！累機能を利用する酸紮分離装Ｗ
１と酸素発生機能を利用する酸素分離装置とをそれぞれ
別途に用意して酸素濃度を制御する方法が前述の特公昭
５７−２８９０７号に記載されている方法ｌ′あるが、
この方法はあまり効果的な方法とはいえない。

一方、ｔｉＥ米の酸素濃度制御装置では、電気化学（ｉ
ジ酸素分離装置と酸素濃度の制御の対象となる比較的大
きな容積をもつチャンバーとが一体となっているととも
に酸素ａ　１３ｊ　、？（が、このチャ゛ツバの中に設
ｆａされているのが普通であつ１こ。しかしながら、実
際には大きなチャンバ全体の酸素装置を制御する必要は
必ずしもなく、比較的小さな容積の容器ですむ場合がむ
しろ多い、ま１こ酸素濃１■をいろいろ変えｈ実験をお
こなう必要がある場合が多いが、ひとつのチャ゛ツバで
このような実験をおこなおうとすると時間がかかりすぎ
る。

本づｄ明は、かかる欠点を除去せんとするものであり、
ひとつの電気化学的＋１！２素分離装置に脱酸素機能と
酸素発生機能との双方をもｆこせるとともに、酸素９度
を制御すべき容器と電気化学的酸素分離装置を主体とす
る酸素濃度制御装置とを別々に独立させｒこ点に特長を
有する。

すなわら、本発明の酸素濃度制御装置は、ひとつの電気
化学的酸素分離装置と、酸素濃９計を収納せるＨ索ｍ度
検出室と制御部と脱酸素ガス糸路と酸素供給系路とで構
成きれ、この酸素ｔｈ！度制御装置と気密容器とが接続
されγことき、電気化学的酸素分離装置の陰極での脱酸
素１〕応を利用する脱酸素ガスの端環糸路もしくは陰極
に７気を導入し１こ際に隔間から発生する＃、素を気ｆ
ｆｌ容器に供給する酸素供給系路を適宜選択して気ｉｇ
容器の酸素濃度を制御するようになっている。

まｆコ、酸素一度制御装置と気密容器とは着脱自在のガ
スソケＩトで接続されろようになっていて、酸素＃度が
制御され１このちには気密容器が酸素濃度制御装置から
切り離され、恒温室であるチャ゛／バに入れらノ］るよ
うになっているうかかる方式を採用すると、通常の汎用
恒温槽がηＬ用できるのですこぶる便利である。

まｒコ従来、酸素濃度イ［はキャンバの中に設置されて
い１こが、本発明の場合には、酸素＃圧制ｔｌＩＩＩ装
置側に設置されているので、と述のように気密容器こと
は全く容易となる。

本発明で用いられる％田容器は蓋つきのものでなけｔｌ
ばならないが、内部が観察できるようにするｆこめには
、ガラスあるいはアクリル樹脂製のものが適している。

？［気化学的酸素分１１１装置の電解質としては、炭酸
ガスの影響を受けない硫酸あるいは陽イオン交換膜が適
している。ｒ！ＪＪイオン交換嘆としては、パーフロロ
カーホ′／をペースにし、これにスルフォン酸基あるい
はカルボン酸基を導入しｒこ水素イオン伝導性のものが
適している。硫酸を電解質とし１こ場合には、陰咀とし
てはカーボンに白金族金属触媒を担持し１こものとフッ
素樹脂との混合物をチタンあるいはタンタルに金あるい
は白金をメッキし１こエキスバンドメタルに圧着すると
ともに、多孔性ポリ４フツ化エチレン膜を裏打ちし１こ
ものがよく、隠面としては、チタンのエキスバンドメタ
ルか板に白金をメッキするか、白金ｔイリジウムの腹合
酸化物を被覆しｒコものが適しているう電解質として、
陽イオ゛／交換膜を用いｒこ場合に用いられる。陰極と
しては白金ブラック粉末もしくは白金と金との合金粉末
などからなる触媒粉末とフッ素樹脂との混合物か、この
混合物に陽イオン交換膜１１Ｎの粉末もしくは短繊維を
混入＋、　ｒニーものをイオン交換膜にホットプレスす
るのがよい。

陽極としては、酸化イリジウムもしくは白金ブラック粉
末を触媒として、陰極の場合と同様にホットプレスする
か、白金あるいはロジウムを無を解メッキし１こものが
適している。

酸素贋度計としては、がルバニｉ油式（燃料電池式〕の
もの、ポーラログラフ式のもの、あるいはジルコニア式
のものが用いられる。

酸素濃度制御装置の制御部は、比較器、シーケンス回路
およびｔ源から構成さｔｌろ電気回路であり、酸素濃置
針からの検知信号が所定値より高いか低いかを比較器で
比較し、電気化学的酸素分離装置を脱酸素装置として作
動させるか酸素発生装置として作動させるかを判断し、
シーケンス回路で、後述のように弁の開閉の順序を制御
するとと供給Ａ：＋１１こり、ポツプが駆動されγこり
する、後述の弁は、１［磁弁にして′ｆｌＩ１１１１部
で自動制御されるのが望ましいが、場合によっては手動
式のものにしてもよい。

気密容器の中の相対湿度を１００％にするｆコめには気
ｇ！谷器の中に水を入れＴコ容器を収納しておけばよい
。

この酸素Ｉ！１１度制御装置を微生物憧細府の培養に使
用しようとする際には、培地にグツドの緩衝液を用いれ
ば、気密容器の炭酸ガス濃度を特に調整しなくても、培
地のＰＨは一定に保持されろ。

以下、本発明の一実施例について詳述するう実桶例： 第１図に、本発明の一実施例にかかる酸素濃度ＭＷ（Ｉ
ｔと気密容器（２）とから構成されろ。酸素＠開制御装
置ｔ＋１１は主として電気化学的酸素分離・装置１ｉｉ
（３１と酸素４度検出室（４）と酸素Ｉｌ１度を制御す
るｒこめの電気回路部（６１と往路ガス系路（６）と復
路ガス糸路μ）とで構成される、 電気化学的脱酸素分離装置ｔ　＋８１は、パーフロロカ
（８）、白金ブラック粉末とポリ４フツ化エチレンとの
混合物からなる陰極（９）、酸化イリジウム粉末とポリ
４フツ化エチレンとの混合物からなる陽極（１０）　、
白金メッキしｔこエキスパンデッドチタンからなる陰極
集電体（１１ハ　白金メッキしｆこエキスパンデッドチ
タンからなろ陽能集に体（１２Ｊ　、チタン板からなる
陰極４＃１子板（１８Ｌチタン板からなる陽極端子板（
１４）、＠圀ガス室（１５）、陽極水室（１６）お合さ
れている。堝庵水室（１６）には水タック（１８）から
水が供給され、この水の供給によって、陽イオン交換膜
（８）が水素イオン伝導体として機能する、気密容器の
には、着脱自在の往路用ガスプラグ（１９）とイ箋路用
カスプ）グ（２０）が装着され、酸素濃度制御装置史の
往路ガス系略密の先端部には着脱自在の往路用カスフケ
１ト（２１）が、復路カス系路（７）の先端部には復路
用ガスソケット（２２）が装着されていて、往路用ガス
プラグ（１９）と往路用ガスソケット（２１）とが接続
され、復路用ガスプラグ（２０）と復路用ガスソケット
（２２）とが接続されている。

このようにガスプラグとガスソケットとの接続により、
酸素祷夏制御装置＋１＋と気密容器（２）とが連通状ｒ
Ｉ３になる。ガスプラグとガスソケットとを切り離すと
ガスプラグが一種の弁になり、気密容器ｔ２１の気密性
が保持される。

気密容器（２）の中の酸素Ｉｎ度は酸素９度検出室（４
）の中に収納されている酸素濃度計（２８）によって検
知され、その信号は電気回路部（５）に送られる。

気密容器（２）の中の酸素ａ度が所望値よりも高すぎろ
場合には、電気化学的酸素分離装［ｔμが脱酸素装置と
しての機能を果す。この場合には、往路ガス系路（φに
設けられている往路用脱酸素ガス弁（２４）　、酸素放
出弁（２５）および復路ガス系路ｔ７Ｈｃ設（すらＪｌ
でいろ（夏路用脱酸素ガス弁（２６）を開き・往路ガス
系ｖ？５’舅に設けられている往路用酸素供給弁（２７
）　、脱酸素残余空気放出弁（２８）および復路ガス系
＆１ｉ５１υに没（すら−１している！！！、気導入弁
（２９）を閉じ、循環ポンプ（８０）を駆動さ＋１つつ
、１１１Ｍ子板（１８）と陽極端子板（」４）との間に
直流Ｎ、流を通゛１シすると気密容器（２１内のガスが
復路ガス系路（７）を経て、陰極ガス室（Ｅ５）に供給
され、陰極＋９１で脱酸素反応が起り、晩酸嚢さ第１，
１こカスが往路用脱酸素ガス弁（２４）を経て、Ｌ′ｆ
Ｇ密容器（２）に供給されろ、ま１ここの脱酸素反応の
際、陽極（ｌＯ）から舶生ずる酸素は、＃素放出弁（２
５）から系外に放出されろ。

復路がス系路（７）に設けら１’Ｌｆこ緘王１ｕｌｌ償
ブｐ　（８１Ｊはいオ）ゆるりリーフ弁あるいはプロピ
レングリコールの如き蒸気圧の低い液体を１わいろ成体
プＰから構成され、脱酸素によって系内が減匝になつｆ
ことき、この減千を補償するｆこめに、大気を系内に自
ｅ的に導入するｒ二めのらのである。なお、この蛾王補
償の１コめに導入される空気中のｖｌ素をも合わせて電
気化学的酵素分Ｓ装置＆（８１により除去される。

このようなカスの醋環と脱酸素操作の繰り返しによって
、気密′＠Ｉ器ｔ２１内の酸素９度が所望値咀で下げら
れろ。

１１ハ方、気密容器（２）の中の酸素濃度が所望値よ−
）も低すぎる場合には、電気化学的酸素分離装置（８）
が酸素発生装置としての機能を果す。この場合には、往
路用酸素供給弁（ｎ）、脱酸素残余空気放出弁（２８）
および空気導入弁（２９）を開き、往路用脱酸素ガス弁
（２４Ｊ　、酸素放出弁（２５）および復路用脱酸素ガ
ス弁（２６）を閉じ、空気導入ポンプ（３２）を駆動さ
せつつ、陰極端子板（１８）と陽極端子板（１４）との
間に１ば流電流を通電すると、空気が系外がら空気導入
ポンプ（８２）によって陰甑ガス室（１５）に供給され
、唱欄（９１で酸素の電解４元が起り、脱酸素さｉｔｆ
コガスが脱酸素残余空気放出弁（２８）から系外に放出
されろと同時に、陽極（ｌＯ）から発生する酸素は、往
路用酸素供給弁（２７）を経て気密容器（２）に供給さ
れる。この酸素ガスの供給によって気密容器Ｑ）から追
い出されるガスは酸素濃度検出室（４）および復路ガス
系路（７！に設けられｔ二過圧補償弁（８３）を経て系
外に放出されろ、酸素濃度検出室＋４１に収納され１こ
酸素濃度計（２８）の指示が所望値になつＴコとき、Ｉ
Ｑ流電流の通電が止められる。

上述の各種の弁は、減圧補償弁（３１）および過圧補償
弁（８８）を徐いて、いずれもＴＬ電磁弁ｔっていて、
電気回路部（５）に組み込まれているシーケンス回路に
よって、自動的にしかも適切な順序にしｆこがって開閉
がおこなわれろ、循環ポンプ（３ｏ）および空気導入ポ
ンプ（３２）の駆動も一定のシーケソスにし１こかう。

気密容器（２）の酸素１１１度が所望値に到達し１この
ちには、往路用ガスプラグ（１９Ｊと往路用ガスソケッ
ト（２１）を切り離すとともに、復唱用ガスプラグ（２
０）と復路用ガスソケット（２２）とを切り離すうかく
して気密容器＋２１と酸素濃度制御装置＋１１とが切り
離されろ。この気密容器（２）の温度を一定にするｔコ
めには、恒温室に入れればよい。

上述の”電気化学的酸素分離装置１（８１の陰甑ｆ９１
および陽極（１０）の作用面積を２　ｄｍ　とし、気！
’ｆｆ容器＋２１の内容積を１５１とし、最初気密容器
（２）内に空気が人っていｆこ場合、酸素濃度を２０分
で１０％および８０９６　にすることができ１こ、 なお上述の実施例では、電気化学的酸素分離装置兜は、
単セルで構成さｉｔているが、複数のセルでＪＲ成して
もよい６まｆこ過圧補償弁（３３月よ電磁弁にして、戒
気化学的酸素分離装＠（Ｓ＋を酸素発生装置として作動
させろときにこの弁を開くようにしてもよい、さらには
循環ポンプ（３０）と空気導入ポツプ（３２）とを共通
にしてひとつのポツプにし、醋環ポンプ（８（りの位置
に設置してもよい。この場合にはを気導入弁（２９）も
循環ポンプ（８０）に隣接されろことりＬする・ 以しＲ：述せる如く、本発明はひとつの電気１ヒ学的酸
素分離装置に、脱酸素機能と酸素発生機能とをもｆこせ
ることに、より、より効率的に酸素濃度を制御すること
が可能で、しかも酸素濃度を制御すべき容器と分離独豆
し得る酸素＃度制御￥２１！１！および酸素濃度の制御
方法を提供するもので、その工業的価値極めて大である
、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる酸素濃度制御システ
ムの系統図を示す。 」・・・・・・酸素濃度制御装置、　２・−・気ＷＩ容
器。 旦・・・・・・電気＋１ｊ学的酸素分離装４．４・・用
酸素濃度検出器、　５・・・・・Ｋ気回路部、　６・・
−・・往路ガス系路、工・−・復路がス系路、　８・・
・・・陽イオン交換膜、　９・・間隙ｍ、ｏし聞・陽極
。 １１・・・・・・陰１ｊｉｉ築電体、１２・・・・・・
陽極集電体。 １８・・・・・・陰極端子板、１４・・−・・尚％端子
板。 Ｉ５・・・・・・陰極ガス室、１６・・間陽硬水室。 １７・・聞セルフレーム、【８・・・・水タンク。 １９・・・・・・往路用ガスプラグ、２０・・回復路用
ガスプラグ、２１・・聞往路用ガスソヶブト。 ２２・・・・・・復路用ガスソケット、２３・・曲酸素
ｉｖ１度計。 ２４・・・・・・往路用酸素ガス弁、２５・・・・・・
酸素放出弁。 ２６・・・・・・復路用脱酸素ガス弁、２７・・聞往路
用酸素供給弁、２８・・・用脱酸素残余空気放出弁。 ２９・・・・・空気導入弁、８Ｆ＋・・曲咽環ポ゛／ブ
。 ３１・・・・・・減圧補償弁、８２・・・・・突気導入
ポツプ。 ８８・・・・・・過圧補償弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ！、酸素の選択的電解還元に有効なガス拡散［蓮からな
   る陰極と酸素発生電極からなるｌｓ極と電解質とからな
   り、脱酸素機能と酸素発生機能とを■する（社）気化学
   旧酸素分離装置と＃ｌ累ａ度計を収納せる酸素濃度１寅
   出室と酸素濃度を制御する１こめの７に気回路部と往路
   ガス系路と復路ガス系路とで構成され、往路ガス系路の
   先端部に往路用ガスソケットを装着し、往路ガス糸路を
   往路用脱酸素ガス系路と往路用酸素発生系路とに分岐せ
   しめ、往路用脱酸素ガス糸路に往路用脱酸素ガス弁と脱
   酸素残余空気放出弁とを設け、往路用酸素発生系路に往
   路用酸素供給弁と酸素放出弁とを設けるとともに、＜１
   路カス系略の先端部に復路用ガスソケリトを装着し、１
   略がス系路に酸素濃度検出室と過圧補償弁と復路用脱酸
   素ガス弁と循環ポンプと誠１ＥＰｉ１］償弁と空気導入
   ポンプと７気導入弁とを設けてなることを特徴とする酸
   素濃度の制御装置。 ２、酸素の選択的電解還元に葡効なガス拡散を極からな
   る陰極と酸素発生！仮からなる陽極と電解質とからなり
   、脱酸素機能と酸素発生機能とを有する電気化学的酸素
   分離装置とｆｖｌ素濃度計を収納せる酸素濃度検出室と
   酸素濃度を制御するｆコめの電気回路部と往路ガス系路
   と復路ガス糸路とで構成され、往路ガス糸路の先端部に
   往路用ガスフケ１トを装着し・往路ガス系路を往路用脱
   酸素ガス系路と往路ｌｆＪ酸素発生系路とに分岐せしめ
   、往路用脱酸素ガス糸路に住路用説ｌβ素ガス弁と脱酸
   素残余空気放出弁とを設け、往路用酸素発生系路にくし 往路用酸素供給弁と酸素放出弁を設けろとともに復路ガ
   ス系路の先端部に復路用ガスソケ°ソトを装着し、復路
   ガス系路に酸素＃度検出室と過圧補償弁と　復路用脱酸
   素ガス弁と鎖環ポンプと減圧→。 償弁と空気導入ポンプと空気導入弁とを設けてなる酸素
   濃度の制御装置の往路用ガスソケットおよび復路用ガス
   ソケットを酸素濃度を制御すべき気密容器の往路用ガス
   プラグおよび復路用ガスブラりにそれぞれ接続し、気密
   容器内の酸素濃度が所望値より高すぎる１祭には、往路
   用脱酸素ガス弁。 入弁を閉じ、循環ポンプを＊ｑｔｂせしめつつ、酸繁制
   御ψを制御するｆコめの′電気回路部から電気化学的酸
   素分啼装置に１ｑ流電流を通電せしめることによって、
   前記気密祭器に脱酸素され１こガスを開環せしめ、曲記
   気ＷＩ谷器内の酸素濃度が所望値よりもス弁、酸素放出
   弁および復路用脱酸素ガス弁を閉１ン、空気導入ボ゛／
   プを駆動させつつ、酸素濃度を制御するｒ、＝めの電気
   回路部から電気化学的脱酸素分離装置αに＋ＦｆＭＥ電
   流を９通電せしめろことによってｍＪ記容器に酸素を供
   給せしめるとともに、気密容器から復路用ガスプラグを
   経て追い出されてくるガスを過王浦償弁を経て系外に放
   出せしめろことによって１１ｕ記気密容器の酸素濃度を
   制御せしめ、しかるのらに、１１ｕ記往路用ガスソケツ
   トと往路用ガスプラグおよび復路用ガスソケットと復路
   用ガスプラグとをそれぞれ切り離すことを特徴とする酸
   素濃度の制御方法。