【発明の名称】酸素供給システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】水を貯蔵する水貯蔵装置（２）と、該水貯蔵装置（２）から供給された水を電気分解する水電解装置（８）とを備え、該水電解装置（８）で生成された酸素を呼吸用気体として用いることを特徴とする酸素供給システム。
【請求項２】前記水電解装置（８）で生成された水素を用いて発電を行い、該電力を水電解装置（８）に給電する発電装置（１８）をさらに備えてなる請求項１記載の酸素供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素供給システム、より詳しくは、在宅酸素療法に用いられる酸素供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、呼吸器疾患患者に対する在宅酸素療法が提唱され、この在宅酸素療法に用いられる酸素供給システムとしては、（１）酸素ボンベ、液体酸素などを使用する方式、（２）空気をゼオライトなどの吸着体で処理し、濃縮酸素を得る方式、いわゆる吸着型酸素濃縮装置を使用する方式、（３）金属酸化物製又はセラミック製の酸素イオン透過性膜を用いて、酸素を発生させて濃縮させる方式、いわゆる膜型酸素濃縮装置を使用する方式が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（１）の方式にあっては、酸素の消費に伴ってボンベを定期的に交換しなければならず、患者に多大な負担を強いることとなる。（２）の方式にあっては、空気を吸着する際に水分も吸着するため、乾燥した濃縮酸素が得られ、このまま患者に供給すると、患者の鼻腔粘膜が乾燥し、苦痛を誘発させるという欠点がある。しかも、酸素以外にも不純物ガスが発生して、患者に悪影響を及ぼすおそれがある。さらに、この方式では、加圧吸着及び減圧脱離を繰り返すため、弁の開閉音、減圧音が騒音の原因となっていた。（３）の方式にあっては、酸素ガスと同時に水分も濃縮されるため、特別な加湿を必要としないが、得られる酸素濃度が４０％程度と比較的小さいため大多数の患者の要求に堪えられない。また、この方式では、膜を７００℃程度にまで加熱しないと酸素が発生しないため、酸素が発生するまで時間を要していたが、このため、瞬時に酸素を必要とする場合には別途貯留タンクや酸素吸着カラム等を設けなければならず、装置が複雑化してコスト高の原因となっていた。
【０００４】
そこで、本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、従来と全く異なる構成を採用することにより、コスト効果的で適度に湿潤な酸素を供給でき、騒音の少ない在宅酸素療法用の酸素供給システムを提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、水を貯蔵する水貯蔵装置２と、該水貯蔵装置２から供給された水を電気分解する水電解装置８とを備え、該水電解装置８で生成された酸素を呼吸用気体として用いることを特徴とする。
【０００６】
上記構成からなる酸素供給システムによれば、水貯蔵装置２から供給された水が、水電解装置８において酸素と水素とに電気分解される。かかる酸素は、純度が高く（約９９．９％）、水電解装置８において電解されなかった残存水によって適度に加湿された状態にあるため、呼吸用気体として好適に利用することができる。また、水電解に伴う温度上昇により蒸気圧が上がり、その結果、酸素の加湿が促進されるという効果もある。
【０００７】
また、本発明に係る酸素供給システムは、請求項２記載の如く、水電解装置８で生成された水素を用いて発電を行い、該電力を水電解装置８に給電する発電装置１８をさらに備えてなるものがより好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参酌しつつ説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る酸素供給システムを示す系統図である。図２は、電解セルの詳細を示す系統図である。図３は、燃料電池の概略構成を示す説明図である。図１に示す酸素供給システム１は、在宅酸素療法用として、呼吸器疾患患者（対象者）に酸素を供給するために開発されたもので、気水分離タンク２と、純水の電気分解をなし得る水電解装置８と、該水電解装置８に電力を給電する電源装置１６とを備えている。
【００１０】
一例として水電解装置８は、純水の電気分解をなし得る電解セル１０１からなる水電解装置であり、該電解セル１０１は、図２に示す如く、固体電解質膜１００１と、該固体電解質膜１００１の両側に設けられた電極板（陽極側電極板１００２，陰極側電極板１００３）と、固体電解質膜１００１と電極板１００２，１００３との間に設けられた給電体（陽極側給電体１００４，陰極側給電体１００５）等を用いて構成され、固体電解質膜１００１と陽極側電極板１００２とで挟まれた空間からなる陽極室１００６と、固体電解質膜１００１と陰極側電極板１００３とで挟まれた空間からなる陰極室１００７とが形成されている。
【００１１】
前記電解セル１０１の陽極室１００６及び陰極室１００７には、それぞれ端子９，９が設けられている（図１参照）。そこで、端子９に電源装置１６を接続し、給電すれば、陽極室１００６側（アノード）では、
２Ｈ2Ｏ → Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ-
なる反応が起こって酸素ガスが発生する。この反応によって陽極室１００６側で発生した水素イオンは、少量の水と共に固体電解質膜１００１を透過して陰極室１００７（カソード）に至り、陰極室１００７側では、
４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2
なる反応が起こって水素ガスが発生する。
【００１２】
そして、陽極側電極板１００２には、純水供給孔１００２ａと、酸素抽出孔１００２ｂとが形成されており、純水供給孔１００２ａを介して、電解セル１０１外部から陽極室１００６に対して純水が供給され、酸素抽出孔１００２ｂを介して、陽極室１００６にて生成された酸素が電解セル１０１外部に抽出される。陰極側電極板１００３には、水素抽出孔１００３ｂが形成されており、この水素抽出孔１００３ｂを介して、陰極室１００７にて生成された水素が電解セル１０１外部に抽出される。
【００１３】
ここで、図１に戻り、前記気水分離タンク２から、貯蔵された純水を陽極室１００６に供給する純水供給配管３が接続され、陽極室１００６から、生成された酸素を気水分離タンク２に供給する酸素供給配管４が接続され、気水分離タンク２から、液分（純水）が分離された酸素を患者に供給する酸素用配管５が接続されている。尚、６は、気水分離タンク２内に純水を補充すべく、該気水分離タンク２に接続された純水補充配管である。
【００１４】
このようにして、気水分離タンク２内には、酸素が貯蔵される（本実施形態においては、酸素の生成量は、３〜５リットル／ｍｉｎ）。そして、前記酸素用配管５には、流量調整バルブ１０、流量計１１が配設されており、患者にとって好適な呼吸用気体が供給されるようになっている。
【００１５】
前記電源装置１６は、外部直流電源１７と、酸素及び水素の化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１８とからなる。外部直流電源１７には、結線１２が接続され、燃料電池１８には、結線１３が接続され、水電解装置８の端子９，９に接続された結線１４に配設された切替スイッチ１５により、外部直流電源１７及び燃料電池１８の何れか一方と水電解装置８と接続することができる。尚、外部直流電源１７及び燃料電池１８の何れか一方でなく、両者を並列にして水電解装置８と接続するものであってもよい。
【００１６】
ここで、前記電解セル１０１の陰極室１００７から、生成された水素（本実施形態においては、水素の生成量は、６〜１０リットル／ｍｉｎ）を燃料電池１８に供給する水素供給配管１９が接続されている。
【００１７】
前記燃料電池１８は、図３に示す如く、最も実用化が進んでいる、いわゆるリン酸型の燃料電池１８であり、プラスの電極板（空気極）１５０とマイナスの電極板（燃料極）１５１とがリン酸電解質膜１５２を挟んだ構造となっている。燃料極１５１側では、水素供給配管２３から供給された水素ガスが、
２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ-
なる反応を起こして水素イオンと電子を発生する。そして、発生した水素イオンはリン酸電解質膜を透過して空気極１５０に至り、空気極１５０側では、この水素イオンと、酸素供給配管２１から供給された酸素ガスと、燃料極１５１から結線１５３を通じて送られてきた電子とが、
Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
なる反応を起こす。これらの反応によって発電が行なわれ、水電解装置８に電力供給が可能となる。
【００１８】
尚、２０は、燃料電池１８で生成された水を排出するためのドレン配管であり、２１は、燃料電池１８に酸素を供給するための酸素供給配管である。２０は、生成された水をそのまま廃棄するようにしてもよく、また、ポンプを配設させた状態で前記純水補充配管６に接続し、燃料電池１８で生成された水を気水分離タンク２に供給するようにしてもよい。
【００１９】
以上の如く、本実施形態に係る酸素供給システムによれば、純水や生成された酸素を送給するためのポンプや、酸素を加湿するための加湿器が不要となり、極めて簡潔な構成にして患者に酸素を提供することができる。また、電力の一部を燃料電池１８から賄うようにしたため、コストパフォーマンスにも優れている。
【００２０】
また、上記実施形態における電解セル１０１は、純度約９９．９％の酸素を生成するため、濃縮処理が不要である。さらに、生成された酸素は、湿分を有し、不純物ガスを含まないため、酸素療法に適した呼吸用気体を患者に提供することができる。
【００２１】
さらに、燃料電池１８で生成された水をポンプ等で送給して、気水分離タンク２に送るようにすれば、純水を補充する手間が無くなり、メンテナンス性を向上させることができる。
【００２２】
尚、本発明に係る酸素供給システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２３】
例えば、純水が入手できない場合には、蒸留水であってもよい。
【００２４】
また、上記実施形態においては、固体電解質膜１０の両側に、第一電極板１００２と第二電極板１００３とが設けられ、電極板１００２，１００３は、それぞれ単極式電極として構成されている。しかし、電極板としては、複極式電極板を用いることもできる。すなわち、陽極側電極板においては、固体電解質膜に近接する面が陽極となって、他面が陰極となり、また、陰極側電極板においては、固体電解質膜に近接する面が陰極となって、他面が陽極となる構成が好ましい。このような複極式電極板を用いた電解セルであれば、複数個直列的に配設して、より高い処理能力を実現可能な電解装置を得ることが可能となる。また、単極式の電解セルを複数個並列に並べて使用することも可能である。
【００２５】
また、燃料電池１８としては、リン酸型に限らず、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、アルカリ型等、公知の燃料電池を採用することができ、また、燃料電池以外にも、水素エンジン発電機等、水素を燃料とする発電装置を採用することができる。そして、電源装置としては、家庭用電源でもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上の如く、本発明に係る酸素供給システムは、水を貯蔵する水貯蔵装置と、該水貯蔵装置から供給された水を電気分解する水電解装置とを備え、水電解装置で生成された、純度が高く、適度に加湿された酸素を呼吸用気体として用いるものであるため、患者に対して好適な在宅酸素療法を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る酸素供給システムの系統図を示す。
【図２】同実施形態の電解セルの概略構成説明図を示す。
【図３】同実施形態の燃料電池の概略構成説明図を示す。
【符号の説明】
１…酸素供給システム、２…気水分離タンク（純水貯蔵装置）、３…純水供給配管（第一の配管）、４…酸素供給配管（第二の配管）、５…酸素用配管（第三の配管）、６…純水補充配管（第四の配管）、８…水電解装置、１０…流量調整バルブ、１１…流量計、１６…電源装置、１７…外部直流電源、１８…燃料電池、１９…水素供給配管（第五の配管）、２０…ドレン配管（第四の配管）、１０１…電解セル、１００１…固体電解質膜、１００６…陽極室、１００７…陰極室Patent application title: Oxygen supply system
1. A water storage device (2) for storing water, and a water electrolysis device (8) for electrolyzing water supplied from the water storage device (2), the water electrolysis device (8) An oxygen supply system characterized in that the oxygen generated by the oxygen is used as a breathing gas.
2. A power generating apparatus (18) according to claim 1, further comprising: a power generating unit (18) for generating power using hydrogen generated by the water electrolysis unit (8) and feeding the electric power to the water electrolysis unit (8). Oxygen supply system.
Detailed Description of the Invention
[0001]
Field of the Invention
The present invention relates to oxygen delivery systems, and more particularly to oxygen delivery systems used for home oxygen therapy.
[0002]
[Prior Art]
Conventionally, home oxygen therapy for respiratory disease patients has been proposed, and as an oxygen supply system used for this home oxygen therapy, (1) oxygen cylinder, liquid oxygen etc., (2) air such as zeolite Treatment with an adsorbent to obtain concentrated oxygen, method using a so-called adsorption type oxygen concentrator, (3) Oxygen is generated and concentrated using an oxygen ion permeable membrane made of metal oxide or ceramic There is known a method using a so-called membrane oxygen concentrator.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method (1), the cylinder must be periodically replaced with the consumption of oxygen, which imposes a great burden on the patient. In the method (2), moisture is also adsorbed when air is adsorbed, and dry concentrated oxygen is obtained. If it is supplied to the patient as it is, the nasal cavity mucous membrane of the patient is dried, causing a pain. There is. In addition to oxygen, impurity gas may be generated to adversely affect the patient. Furthermore, in this method, since the pressure adsorption and pressure reduction desorption are repeated, the opening and closing sound of the valve and the pressure reduction sound cause noise. In the method (3), the moisture is also concentrated at the same time as the oxygen gas, so no special humidification is required, but because the obtained oxygen concentration is relatively small at about 40%, it is required for the majority of patients. I can not bear it. Moreover, in this method, oxygen is not generated unless the film is heated to about 700 ° C., so it takes time until oxygen is generated. Therefore, when oxygen is required instantaneously, it is necessary to separately store oxygen. It is necessary to provide a tank, an oxygen adsorption column, etc., which complicates the apparatus and causes an increase in cost.
[0004]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and by adopting a configuration completely different from the conventional one, cost-effective and moderately wet oxygen can be supplied, and it is for home oxygen therapy with little noise. It is an object to provide an oxygen supply system.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and comprises a water storage device 2 for storing water, and a water electrolysis device 8 for electrolyzing water supplied from the water storage device 2, and the water electrolysis device The oxygen generated at 8 is used as a breathing gas.
[0006]
According to the oxygen supply system configured as described above, the water supplied from the water storage device 2 is electrolyzed in the water electrolysis device 8 into oxygen and hydrogen. Such oxygen is high in purity (about 99.9%) and appropriately humidified by residual water not electrolyzed in the water electrolysis device 8, and therefore, can be suitably used as a breathing gas. In addition, there is also an effect that the vapor pressure is raised by the temperature rise accompanying the water electrolysis, and as a result, the humidification of oxygen is promoted.
[0007]
The oxygen supply system according to the present invention, as described in claim 2, further includes a power generation device 18 that generates power using hydrogen generated by the water electrolysis device 8 and feeds the power to the water electrolysis device 8. Is more preferable.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0009]
FIG. 1 is a system diagram showing an oxygen supply system according to the present embodiment. FIG. 2 is a system diagram showing details of the electrolysis cell. FIG. 3 is an explanatory view showing a schematic configuration of a fuel cell. The oxygen supply system 1 shown in FIG. 1 has been developed to supply oxygen to respiratory disease patients (subjects) for home oxygen therapy, and it uses an air-water separation tank 2 and electrolysis of pure water. The water electrolyzer 8 which can be provided, and the power supply device 16 which supplies electric power to this water electrolyzer 8 are provided.
[0010]
As one example, the water electrolysis apparatus 8 is a water electrolysis apparatus comprising an electrolysis cell 101 capable of performing electrolysis of pure water, and the electrolysis cell 101 comprises a solid electrolyte film 1001 and the solid electrolyte film 1001 as shown in FIG. Electrode plate (anode side electrode plate 1002, cathode side electrode plate 1003) provided on both sides of the electrode, and a feed body provided between solid electrolyte film 1001 and electrode plates 1002 and 1003 (anode side feed body 1004, cathode The anode chamber 1006 is configured using the side feed body 1005 or the like and is a space sandwiched between the solid electrolyte film 1001 and the anode side electrode plate 1002, and is sandwiched between the solid electrolyte film 1001 and the cathode side electrode plate 1003. A cathode chamber 1007 consisting of a space is formed.
[0011]
Terminals 9 and 9 are provided in the anode chamber 1006 and the cathode chamber 1007 of the electrolysis cell 101, respectively (see FIG. 1). Therefore, if the power supply device 16 is connected to the terminal 9 and power is supplied, in the anode chamber 1006 side (anode),
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -
Reaction occurs to generate oxygen gas. The hydrogen ions generated on the anode chamber 1006 side by this reaction pass through the solid electrolyte film 1001 together with a small amount of water to reach the cathode chamber 1007 (cathode), and on the cathode chamber 1007 side,
4H + + 4e - → 2H 2
Reaction occurs to generate hydrogen gas.
[0012]
A pure water supply hole 1002 a and an oxygen extraction hole 1002 b are formed in the anode side electrode plate 1002, and pure water is supplied to the anode chamber 1006 from the outside of the electrolytic cell 101 through the pure water supply hole 1002 a. The oxygen generated in the anode chamber 1006 is extracted to the outside of the electrolytic cell 101 through the oxygen extraction hole 1002 b. A hydrogen extraction hole 1003 b is formed in the cathode side electrode plate 1003, and hydrogen generated in the cathode chamber 1007 is extracted to the outside of the electrolytic cell 101 through the hydrogen extraction hole 1003 b.
[0013]
Here, returning to FIG. 1, the pure water supply pipe 3 for supplying the stored pure water to the anode chamber 1006 is connected from the steam / water separation tank 2, and the generated oxygen is separated from the air / water from the anode chamber 1006. An oxygen supply pipe 4 supplied to the tank 2 is connected, and an oxygen pipe 5 supplied from the air / water separation tank 2 to the patient for which oxygen (pure water) has been separated is connected. Reference numeral 6 denotes a pure water replenishment pipe connected to the air / water separation tank 2 in order to replenish pure water in the air / water separation tank 2.
[0014]
Thus, oxygen is stored in the air-water separation tank 2 (in the present embodiment, the amount of generated oxygen is 3 to 5 liters / min). A flow control valve 10 and a flow meter 11 are disposed in the oxygen pipe 5 so as to supply a breathing gas suitable for the patient.
[0015]
The power supply unit 16 comprises an external DC power supply 17 and a fuel cell 18 which generates electric power by using a chemical reaction of oxygen and hydrogen. A wire connection 12 is connected to the external DC power supply 17, a wire connection 13 is connected to the fuel cell 18, and a changeover switch 15 disposed on the wire connection 14 connected to the terminals 9 and 9 of the water electrolysis device 8 is One of the external DC power supply 17 and the fuel cell 18 can be connected to the water electrolysis device 8. It is to be noted that not the external DC power supply 17 or the fuel cell 18 but both may be connected in parallel and connected to the water electrolysis device 8.
[0016]
Here, a hydrogen supply pipe 19 for supplying hydrogen generated from the cathode chamber 1007 of the electrolysis cell 101 (in this embodiment, the amount of generated hydrogen is 6 to 10 liters / min) to the fuel cell 18 is connected. It is done.
[0017]
The fuel cell 18 is a so-called phosphoric acid type fuel cell 18 which has been most commercialized as shown in FIG. 3 and includes a positive electrode plate (air electrode) 150 and a negative electrode plate (fuel electrode) 151. And a structure in which the phosphoric acid electrolyte membrane 152 is sandwiched. At the fuel electrode 151 side, the hydrogen gas supplied from the hydrogen supply pipe 23 is
2H 2 → 4H + + 4e -
Reaction to generate hydrogen ions and electrons. The generated hydrogen ions pass through the phosphoric acid electrolyte membrane to reach the air electrode 150, and on the air electrode 150 side, the hydrogen ions, oxygen gas supplied from the oxygen supply pipe 21, and the fuel electrode 151 connect 153. And the electrons sent through
O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
Cause a reaction that Power generation is performed by these reactions, and power can be supplied to the water electrolysis device 8.
[0018]
Reference numeral 20 denotes a drain pipe for discharging the water generated by the fuel cell 18, and reference numeral 21 denotes an oxygen supply pipe for supplying oxygen to the fuel cell 18. 20 may be made to discard the generated water as it is, or it may be connected to the pure water replenishing pipe 6 in a state where a pump is disposed, and the water generated by the fuel cell 18 may be separated into an air-water separation tank It may be supplied to 2.
[0019]
As described above, according to the oxygen supply system according to the present embodiment, a pump for supplying pure water and generated oxygen and a humidifier for humidifying oxygen become unnecessary, and the configuration is extremely simple. It can provide oxygen to the patient. In addition, since a part of the power is supplied from the fuel cell 18, the cost performance is also excellent.
[0020]
In addition, the electrolysis cell 101 in the above embodiment generates oxygen having a purity of about 99.9%, so that concentration processing is unnecessary. Furthermore, the generated oxygen has moisture content and is free of impurity gases, so it can provide the patient with a breathing gas suitable for oxygen therapy.
[0021]
Furthermore, if the water generated by the fuel cell 18 is fed by a pump or the like and sent to the air-water separation tank 2, it is not necessary to replenish pure water, and the maintainability can be improved.
[0022]
In addition, the oxygen supply system which concerns on this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0023]
For example, if pure water is not available, it may be distilled water.
[0024]
Further, in the above embodiment, the first electrode plate 1002 and the second electrode plate 1003 are provided on both sides of the solid electrolyte film 10, and the electrode plates 1002 and 1003 are respectively configured as unipolar electrodes. However, a bipolar electrode plate can also be used as the electrode plate. That is, in the anode side electrode plate, the surface close to the solid electrolyte film is the anode and the other surface is the cathode, and in the cathode side electrode plate, the surface close to the solid electrolyte film is the cathode, It is preferable that the other side be an anode. In the case of an electrolytic cell using such a bipolar electrode plate, a plurality of electrolytic cells can be arranged in series to obtain an electrolytic device capable of achieving higher throughput. In addition, it is also possible to use a plurality of single-pole electrolytic cells arranged in parallel.
[0025]
The fuel cell 18 is not limited to the phosphoric acid type, and may be a known fuel cell such as a molten carbonate type, solid electrolyte type, solid polymer type, alkali type, etc. Also, a hydrogen-powered generator such as a hydrogen engine generator can be adopted as a power generator using hydrogen as a fuel. The power supply device may be a household power supply.
[0026]
【Effect of the invention】
As described above, the oxygen supply system according to the present invention comprises a water storage device for storing water, and a water electrolysis device for electrolyzing water supplied from the water storage device, and is produced by the water electrolysis device. The high purity and moderately humidified oxygen is used as the breathing gas, so that it is possible to perform suitable home oxygen therapy on the patient.
Brief Description of the Drawings
FIG. 1 shows a system diagram of an oxygen supply system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a schematic configuration explanatory view of an electrolysis cell of the same embodiment.
FIG. 3 shows a schematic configuration explanatory view of a fuel cell of the same embodiment.
[Description of the code]
1 ... oxygen supply system, 2 ... air and water separation tank (pure water storage device), 3 ... pure water supply pipe (first pipe), 4 ... oxygen supply pipe (second pipe), 5 ... pipe for oxygen Third piping), 6 ... pure water replenishment piping (fourth piping), 8 ... water electrolysis device, 10 ... flow adjustment valve, 11 ... flow meter, 16 ... power supply unit, 17 ... external DC power supply, 18 ... fuel Battery 19 hydrogen supply pipe (fifth pipe) 20 drain pipe (fourth pipe) 101 electrolysis cell 1001 solid electrolyte membrane 1006 anode chamber 1007 cathode chamber