(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体貯蔵部と圧力伝送部と電気化学セル部とを備え、前記電気化学セルは陽極と陰極と電解質とセル容器とを備え、前記電解質は含水することによってイオン導電性を生じるイオン交換膜からなり、気体通路に、吸水性高分子物質を備え、前記流体貯蔵部には流体供給口を設け、前記電気化学セル部に直流電流を通電することによって発生する気体を前記圧力伝送部に導入することにより、前記流体貯蔵部を押し、前記流体供給口から流体を供給することを特徴とする、流体供給装置。
【発明の詳細な説明】
【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：２Ｈ2 Ｏ→４Ｈ+ ＋Ｏ2 ＋４ｅ- 
全反応：２Ｈ2 Ｏ→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、Ｄｕ  Ｐｏｎｔ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：２Ｈ2 Ｏ→Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ- 
全反応：４ＭｎＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ→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 ＋２Ｈ2 Ｏ＋４ｅ- 
陰極：４Ｈ2 Ｏ＋４ｅ- →２Ｈ2 ＋４ＯＨ- 
全反応：２Ｈ2 Ｏ→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 ＋４Ｈ2 Ｏ＋４ｅ- →４ＭｎＯＯＨ＋４ＯＨ- 
陽極：４ＯＨ- →Ｏ2 ＋２Ｈ2 ０＋４ｅ- 
全反応：４ＭｎＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ→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
【図１】
0003728545.tif 000002
【図２】
0003728545.tif 000003
【図３】
0003728545.tif 000004
【図４】
0003728545.tif 000005