WO2016002734A1 - 作動装置およびこれを用いたポンプ - Google Patents

Abstract

　水を電気分解したガスによって流体を制御するポンプの分野において、発生ガスとして水素または酸素のみを利用する方法しかなく、効率が悪かった。特に小型ポンプにおいては高い効率が求められる。　発生ガスの水素と酸素を両方利用する。電気分解に使用する電極材料は水素と酸素の再結合の触媒として作用しない材料とする。

Description

作動装置およびこれを用いたポンプ

　本発明は、微少な流体制御を行うガス式作動装置およびこれを用いたポンプに関する。

　ガスを発生させてその圧力で流体微少制御をする装置として、ガスの発生源を水の電気分解に求めるものが提案されている。（ＵＳ４５２２６９８、特開平０８－０１０６０５、など）

米国特許Ｎｏ．４５２２６９８公報 特開平０８－０１０６０５公報

　従来より、この種の電極の材料としては白金が用いられてきている。白金は水の電気分解電圧が低いため水の電気分解の効率が良いためである。しかしながら、電気分解によって発生した水素および酸素が混合された状態においては、電極材料の白金が持つ触媒作用によって水素と酸素の再結合が促され、発生したガス（水素および酸素）が減少してしまう。この再結合は電気分解後も時間の経過と共に進行する。よって、電気分解時の発生ガス量は供給した電流量に比例することが判っていながらも、その後再結合によってガス量が変化し、結果として流体の制御の精度が悪化するという問題があった。（再結合問題）

　そこで、発生したガス（水素および酸素）の再結合を抑制するために特許文献１（ＵＳ４５２２６９８）で示されるようにカチオン交換膜を介して水素および酸素を分離させて一方のガスのみで駆動させる方法や、同様に特許文献２（特開平０８－０１０６０５）で示されるようにカチオン交換膜を介して水素および酸素を分離させ、水素吸蔵合金を用いて水素を吸蔵せしめ、酸素のみで駆動されることでカチオン交換膜を介して生じる再結合を抑制し駆動精度を上げかつ放出される水素の爆発を抑制する方法などが提案されている。
　しかしながら、これらの方法はどちらかの電極で発生したガスのみを使用するためガス利用効率の面で問題があった。（ガス利用効率問題）

　本発明は、上記の課題を解決ために成されたものであり、従来、一方の電極で発生したガスのみで駆動させて効率を低下させていた問題点を解決し、更に再結合による精度低下を防止することで、高効率、高精度のガス発生型の作動装置およびポンプを提供することにある。

　上述の問題を解決すべく本発明が成された。

　本発明の作動装置は、ガス室と、ガス室内に設置され水を電気分解する電極と、を有し、電気分解で発生したガスによりガス室を加圧することで駆動する作動装置であって、電極材料が水素と酸素の結合触媒として作用しない材料であることを特徴としている。
　この特徴により、電気分解で得られるガス（水素および酸素）を全て駆動目的に使用することができ、ガスの再結合も図ることができる。

　更に本発明の作動装置は、電極材料が金またはカーボンであることを特徴としている。
　この特徴により、電極材料が具体的に特定され、発明の実施が容易となる。

　加えて本発明の作動装置は、電極が櫛形状であることを特徴としている。
　この特徴により、両電極の相対する総線長が極大となり、電気分解電圧が低下することで効率が向上し、小型化も容易とすることが可能となる。

　更に本発明の作動装置は、櫛形状の電極の電極幅および電極間隔が0.1mm以下であることを特徴としている。
　同一面積内に電極を形成する場合、電極幅、および電極間隔が微細であるほど、総線長が増大し、かつ、電極間距離が短くなることで電気分解電圧が低下する。また、電極間距離が0.1mm以下の場合その影響が顕著に表れる。
　電極間距離を微小として更に電気分解の効率を向上することが可能となる。

　また本発明の作動装置は、含水する固体電解質を介して電気分解が行われることを特徴としている。
　この特徴により、電気分解を行う対象の液体が重力方向の制限を受けることが無くなり、作動装置の姿勢を自由に設定することが可能となる。

　本発明の作動装置は、固体電解質がプロトン伝導体であることを特徴としている。
　この特徴により、固体電解質の具体的物質が特定され、発明の実施が容易になる。プロトン伝導体としては例としてＮａｆｉｏｎがあげられる。

　本発明の作動装置は、電極の陽極および陰極が異なる電極材料で構成されており、陽極は酸素過電圧の低い電極材料であり、陰極は水素過電圧の低い電極材料であることを特徴としている。
　この特徴により、更に電気分解の効率を高めることが可能となる。

　本発明の作動装置を使用したポンプは、ポンプの流体貯蔵庫内に作動装置のガス室が変形可能な状態で設けられていることを特徴としている。
　この特徴により、電気分解によって発生したガスを効率良く精度高く駆動可能な作動装置をポンプの流体貯蔵庫内に設けられ、総体としてポンプも効率良く精度高く動作させることが可能となる。

　本発明により高効率・高精度な作動装置が実現可能となり、これを用いたポンプにおいて再結合問題・ガス利用効率問題が解決できる。

本発明の一実施形態のガス式作動装置のボンプの構成を示す図であり、発生したガスが少ない状態を示す図である。 本発明一実施形態のガス式作動装置の構成を示す図であり、発生したガスが多い状態を示す図である。 櫛状の電極を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態の流体送出の制御を行うガス式作動装置の流体ポンプの構造を示すもので、ガスが少ない状態を示している。図２は、ガスが多い状態を示している。

　図１に示すように、この流体ポンプは、送出される流体（主に液体）が貯蔵される送出液貯蔵庫となる送出液格納室２と、この送出液格納室２にガスを供給するガス室となる電解液格納室３を備えている。送出液格納室２には、電解液格納室３から供給されるガスにより送出液格納室２内で膨張あるいは縮小するベローズ（気密提灯）２１が設けられている。このベローズ２１の外側には、送出する送出液２２が格納されている。送出液２２は、例を挙げれば、微量で継続的に送出制御されるのが好ましい医療用の「薬液」や「輸液」である。
　電解液格納室３には、電極３１が設けられ、電解液３２が入れられている。送出液格納室２と電解液格納室３との間の隔壁にはガスが透過できるガス透過膜４が設けられており、電解液格納室３で発生したガスをベローズ２１に導くことができる。
　送出液格納室２には、送出液の送出口５が設けられており、送出口５には、送出液の逆流防止のための逆止弁５１が設けられている。

　送出液格納室２から送出液２２は逆止弁５１を通過して外部へ送出される。従って、送出液格納室２の容量以上の液体を送出する場合には送出液格納室２へ外部より液体を補充する。
　電解液格納室３内には電極と電気分解してガスを発生させる素となる液体（本実施の形態では水、前述のポンプとして送出する液体とは別）が内包されている。
　なお、本発明では、電気分解の対象となる液体を「電解液」、ポンプとして送出する対象となる液体を「送出液」、と定義する。

　送出液格納室２および電解液格納室３は、密閉構造であり、電極３１に電圧を印加して電気分解を行うと、ガス（水素と酸素）が発生するがガス透過膜４を通過して、そのままベローズ２１内に留まり、ベローズ２１内の圧力を上昇させる。圧力上昇に伴いベローズ２１が膨張し、送出液格納室２内の送出液２２が押圧され、逆止弁５１を通して外部へ送出される。
　送出液２２が外部へ送出されることにより送出液格納室２内の送出液２２の残量が減り、ベローズ２１の容積が増え、ベローズ２１内の圧力が低下する。ベローズ２１内の圧力が外部気圧と平衡した時点で送出液２２の送出が停止する。

　この送出された送出液２２の容量は電解液格納室３内で発生したガス（水素と酸素）の量と等しい。また、発生したガスの量は電極３１間（陽極－陰極）に流れた電荷に比例する。その為、外部の制御装置で電流量を計測できれば発生するガスの量を正確に計算でき、送出する送出液の量を精度高く制御することができる。

　本実施の形態においては、電解液は水を想定している。常温では電気分解により水から１３００倍近い体積のガス（水素と酸素）を発生させることができる。電解液格納室３を密閉構造としてあっても電解液格納室３内の電解液の量からかなりの体積のガスを発生することができ、同量の送出液２２を外部へ送出する能力を持つことができる。

　このように、本実施の形態のベローズ２１の内部では水素と酸素が混在する状況であるため、電極に白金などの再結合触媒機能を有する材料を使うことは、送出制御の精度を悪化させることになる。電極として金やカーボンを使用すると白金と比べ電気分解電圧が高いので効率が悪いように見えるが、本発明実施の形態のような作動装置（およびポンプ）の使用状況においては電気分解後のガスの再結合による損失も考慮せねばならず、総合的に金やカーボンの方が安定した精度と効率が実現できるのである。

　また、電解液格納室３の電極は櫛形状とし陽極と陰極とを対向して配置されるようにしても良い。
　この櫛形状の電極の例を図３に示す。図３に示すように、櫛の歯状の陽極３１－ｐと、陰極３１－ｍとを対向して配置する電極構造とする。この様にすることで電極の表面面積を広く取ることができ、電気分解の効率を更に向上することが可能となる。

　加えて、この櫛形状電極の電極幅および電極間隔を微小とすると更に電気分解の効率が向上する。従来の白金電極を用いた電気分解において電極間距離を微小とすると、陽極および陰極において発生したガス（水素と酸素）も発生時点から近接することになり、発生直後より電極の触媒作用が強く機能して再結合を催すという不都合があり、本来であれば電気分解の効率向上を狙った電極間距離の微小化が逆効果となっていた。
　本発明では電極間距離の微小化は直接的に効率向上に貢献することができる。
　微小化とは具体的には0.1mm以下の様な微細なものを意味する。

　また、電解液を単にイオン質を含んだ水のみとせず、含水する固体電解質としても良い。
　この様な物質を採用することで電解液の鉛直方向に対する留意を不要とすることができ、作動装置（およびこれを用いたポンプ）の姿勢を自由に設定することが可能となる。
　また、固体電解質としてはプロトン伝導体、特にＮａｆｉｏｎなどが好適である。

　更には、電極材料は前述の金やカーボンなどの再結合作用の無いもの一種類に揃えて陽極と陰極に採用する必要は無く、陽極と陰極とで異なる材料を用いても良い。その際に、陽極は酸素過電圧の低い電極材料であり陰極は水素過電圧の低い電極材料であるというような選択をしても良い。

　上述の説明では、電解液格納室３から供給されるガスで膨張または収縮する構造として袋状のベローズを用いる例で説明したが、ガスによって送出液格納室内で膨縮する構造であればどのようなものであってもよく、例えばバルーンのようなものでもよい。また、膨張したベローズで送出液を送出するようにしたが、逆に送出液を収縮する袋状の容器に入れて、外からのガスの圧力により送出するようにしてもよい。さらに、図１、図２の送出液格納室２、電解液格納室３の形状は角張っているが、液体送出ポンプとしての機能を果たせれば、その形状には限定がなく、また送出液格納室２や電解液格納室３の材料も、外部から例えば針を用いて送出液等を補充できるものが好ましい。

　以上、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。

　量産可能な作動装置およびこれを使用するポンプによって流体の制御を高効率・高精度で実現でき、高い経済性と広い応用可能性を得られるなどの効果を有している。

　１　ガス式作動装置
　２　送出液格納室
　３　電解液格納室
　４　ガス透過膜
　５　送出口
　２１　ベローズ
　２２　送出液
　３１　電極
　３２　電解液
　５１　逆止弁

Claims (8)

1. 　ガス室と、該ガス室内に設置され水を電気分解する電極と、を有し、
   　電気分解で発生したガスにより該ガス室を加圧することで駆動する作動装置であって、
   　前記電極材料は、水素と酸素の結合触媒として作用しない材料である、
   　ことを特徴とする作動装置。
2. 　前記電極材料が金またはカーボンである、
   　ことを特徴とする請求項１の作動装置。
3. 　前記電極が櫛形状である、
   　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の作動装置。
4. 　前記櫛形状の電極の電極幅および電極間隔が0.1mm以下である、
   　ことを特徴とする請求項３に記載の作動装置。
5. 　含水する固体電解質を介して電気分解が行われる、
   　ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の作動装置。
6. 　前記固体電解質がプロトン伝導体である、
   　ことを特徴とする請求項５記載の作動装置。
7. 　請求項１から請求項６のうち一項に記載の作動装置であって、
   　前記電極の陽極および陰極が異なる電極材料で構成されており、
   　前記陽極は酸素過電圧の低い電極材料であり、
   　前記陰極は水素過電圧の低い電極材料である、
   　ことを特徴とする作動装置。
8. 　請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の作動装置を使用したポンプであり、
   　該ポンプの流体貯蔵庫内に前記作動装置のガス室が変形可能な状態で設けられている、
   　ことを特徴とするポンプ。

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