(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含有する混合気体から酸素を電気化学的に分離する装置であって、ｐＨが１２以上であるアルカリ性水溶液からなる電解質と、該電解質に接し、供給気体に存在する酸素を過酸化物に還元する、フッ素樹脂をバインダーとしてカーボン粉末をカーボンクロス製の多孔性電極基体に担持したガス透過性陰極と、該電解質に接し、過酸化物を酸化して高濃度の酸素を生成する、多孔性チタンメッシュ表面に酸化イリジウムを熱分解により形成した陽極とを備え、
該陰極において、反応式：O2 + H2O + 2e → HO2-+ OH-により供給気体に存在する酸素を過酸化物（HO2-）に還元すると共に、該陽極において、反応式：HO2‐ + OH‐ → O2 + H2O + 2eにより過酸化物を酸化して高濃度の酸素を生成させ、
スペーサーを介して該陽極を該陰極の上部に配置し、陽極上部より酸素を捕集する酸素放出口を備えた電気化学的酸素濃縮装置。
【請求項２】
該陰極をニッケルメッシュの集電体上に設置し、該陽極と該陰極の電極間距離が６mmであるスペーサーを備えた、請求項１記載の電気化学的酸素濃縮装置。
【請求項３】
該スペーサーが、その内側に該電解質の溶液が貯まる筒状構造を有するものである請求項１または２に記載の電気化学的酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素を含有する混合気体から酸素濃縮気体を分離して使用するための酸素濃縮装置に関する。さらに詳細には、電気化学反応を利用し、空気から高濃度の酸素濃縮気体を低消費電力、低騒音かつ安全に使用者に供給する酸素濃縮装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年ぜんそく、肺気腫症、慢性気管支炎などの呼吸器系器官の疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、その治療法で最も効果的なものの１つに酸素吸入療法がある。かかる酸素吸入療法とは、酸素ガスあるいは酸素富化空気を患者に吸入させるものであって、その酸素ガスや酸素富化空気の供給源として酸素ガスボンベが従来用いられ、さらに近年、空気中から酸素濃縮気体を分離する酸素濃縮器が開発されてからは、使用時の便利さや保守管理の容易さから次第に普及してきている。
【０００３】
酸素濃縮器としては主に、酸素選択性透過膜を用いた膜型酸素濃縮器と、窒素または酸素を選択的に吸着し得る吸着剤を用いた吸着型酸素濃縮器の２種類があり、９０％以上の高濃度酸素を必要とする場合には吸着型酸素濃縮器が使用されてきた。
【０００４】
吸着型酸素濃縮器は、５Ａ型や１３Ｘ型ゼオライトなど酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填した吸着床にコンプレッサーを用いて加圧空気を供給し窒素を吸着させ酸素を取り出す吸着工程と吸着床を減圧し窒素を脱着再生する脱着工程を繰り返し行うことで酸素を生成する圧力変動吸着型酸素濃縮器が用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
在宅で酸素吸入療法を行う場合にはコンプレッサーから発生する騒音を低減する必要があり、吸音材設置や防音処理の為に装置が大きくなるといった課題があった。
【０００６】
一方、酸素濃縮の分野では、多くの電気化学的方法および装置が公知であり、コンプレッサーなどの騒音源を使用する必要がなく低騒音である。かかる方法としては、水の電気分解により酸素を発生する方法、セラミック系固体電解質あるいは固体ポリマー電解質を使用した燃料電池技術を利用する方法などがある。
【０００７】
水の電気分解により酸素を発生する方法は副生成物として水素が発生するため、酸素を使用する前に水素を除去する必要がある。さらに、電解中に酸素と水素が共存することは、安全上極めて問題である。また水の電気分解は次式に示すように４電子反応プロセスであるため、多大なエネルギーが必要であり、消費電力が大きくなる。
２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ
Ｅ0＝１．２２９Ｖ
【０００８】
また、セラミック系固体電解質燃料電池技術を利用する方法は、電解質のイオン伝導性を向上させるため７００℃から１０００℃の高温にしなければならず、安全のため断熱材などを使用すると装置が大きくなり、またエネルギーロスも大きくなる。
【０００９】
固体ポリマー電解質燃料電池技術を利用する方法は、特表平１０−５０４００６号公報に消費電力の低減を指向した２電子反応プロセスによる方法が開示されている。水の電気分解のような４電子プロセスと比較して、２電子反応プロセスは反応電子数が１／２なので消費電力の低減が可能となる。しかし、電解質に固相ポリマー電解質を使用するため、電解質抵抗成分が大きくなり消費電力の低減には不利である。
【００１０】
本発明の目的は、使用者に対して高濃度酸素を低消費電力、低騒音かつ安全に供給する酸素濃縮装置を提供することにある。
【００１１】
以上、医療分野での利用を中心に述べてきたが、本発明の利用分野を医療用途に限定するものではなく、オンサイトでの酸素供給を必要とする用途に適用可能である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる課題に対して本発明者は鋭意検討した結果、以下の装置を見出した。すなわち本発明は、酸素を含有する混合気体から酸素を電気化学的に分離する装置であり、アルカリ性水溶液からなる電解質と、該電解質に接し、供給気体に存在する酸素を過酸化物に還元する陰極と、該電解質に接し、過酸化物を酸化して高濃度の酸素を生成する陽極とを備えることを特徴とする電気化学的酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１３】
また本発明は、かかる供給気体が空気であり、該電解質のｐＨが１２以上であることを特徴とする電気化学的酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１４】
また本発明は、かかる陰極が、炭素、あるいは金を担持した炭素粒子からなる気体透過性電極であり、また該陽極が、ニッケル、白金、イリジウム、又はこれら金属の合金、またはこれら金属の酸化物を含む電極であることを特徴とする電気化学的酸素濃縮装置を提供するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の電気化学的酸素濃縮装置の好ましい実施形態を説明する。
本発明の電気化学的酸素濃縮装置は、アルカリ水溶液からなる電解質と陰極（カソード）と陽極（アノード）から構成される。電解質溶液は、酸素の２電子還元プロセスで生成する過酸化物を、低エネルギーで効率よく酸化させ酸素に戻すため、ｐＨ１２以上のアルカリ性水溶液を用いる。
【００１６】
かかる電気化学的酸素濃縮装置は、空気などの混合気体に含まれる酸素を選択的に２電子反応プロセスで効率よく還元する陰極と、酸素の２電子還元体を拡散するアルカリ水溶液電解質と、酸素の２電子還元体を効率よく酸化させ酸素を生成する陽極から構成される。２電子還元反応プロセスでは、酸素−酸素結合が破壊されない可逆反応であるため、低エネルギーで酸素濃縮気体が得られ、消費電力を低下させることが出来る。さらに中性あるいは酸性雰囲気下の場合と比較して、アルカリ性雰囲気下では、酸素の還元体である過酸化物が低いエネルギーで酸化されるため、より一層の消費電力の低減が可能となる。
【００１７】
酸素濃縮器が酸素吸入療法に使用される場合、酸素処方量は１分間当たりの酸素流量を目安にして設定される。１分間に３Ｌの濃度１００％の酸素を生成する場合、水の電気分解などの４電子反応プロセスでは７９０Ａの電流が必要となる（２５℃、１気圧）。これに対して２電子反応プロセスでは反応に関係する電子数が４電子反応プロセスの１／２であるので、３９５Ａの電流となる（２５℃、１気圧）。上記２つの反応プロセスにおいて、陰極と陽極に印加する電圧が等しいと仮定すると、２電子反応プロセスの消費電力は４電子反応プロセスの半分となる。実際には、水の電気分解で陰極と陽極間に印加する電圧は１Ｖ以上である。一方、２電子反応プロセスでは、両極間に印加する電圧は４電子反応プロセスより小さくても反応は進行する。
【００１８】
本発明における陰極で起きる反応は以下の式で表される。
Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ  →  ＨＯ2-＋ＯＨ-
Ｅ0＝−０．０６５Ｖ
【００１９】
陽極で起きる反応は以下の式で表される。
ＨＯ2-＋ＯＨ-  →  Ｏ2＋Ｈ2Ｏ＋２ｅ
【００２０】
上記２つの式で表される酸素の酸化還元反応は可逆な系であり、理論的には両極間電圧が０Ｖで反応は進行することになる。しかし、実際には電極の活性化電位、電解質および電極の抵抗が存在するため０Ｖより大きい値となる。
【００２１】
特表平１０−５０４００６号公報では、２電子反応反応プロセスを利用することで大量の酸素生産を低い動力消費で行う技術が開示されているが、本発明では、上述の電極の活性化電位および電解質の抵抗を可能な限り低減し、低い電極電圧での酸素濃縮を可能にしている。
【００２２】
そして、電解質をアルカリ性水溶液とし、更に陽極をニッケルあるいは白金あるいはイリジウムあるいはこれら金属の合金あるいはこれら金属の酸化物を含む電極とすることで、酸素発生における活性化電位は大幅に低減可能となる。
【００２３】
本発明の電気化学的酸素濃縮装置はｐＨ１２以上のアルカリ水溶液を電解質に使用する。またアルカリ性水溶液を多孔性PTFEなどの基体に浸み込ませて使用しても良い。ｐＨ１２以上の強アルカリ性水溶液の導電率は大きく、電解質抵抗も大きく減少する。アルカリ性水溶液電解質としては、１０％以上のＫＯＨあるいはＮａＯＨ水溶液を使用するのが好ましい。これらの電解質水溶液の導電率は０．２Ｓ・ｃｍ-1以上であり、ポリマー系固体電解質の導電率に比較して１桁以上大きい。
【００２４】
アルカリ性電解質中では酸素還元反応により生成する過酸化物が、中性、酸性電解質中での場合と比較して、より低いエネルギーで酸化されるため、両電極間の印加電圧が０.１Ｖ以上で反応が起き、陽極では酸素が発生し始める。この時、毎分３Ｌの１００％酸素を発生させるのに必要な消費電力は、反応が全て２電子反応プロセスで進行したと仮定して（電流効率１００％）理論的に約４０Ｗとなる。
【００２５】
酸素を還元する陰極は、供給気体に含まれる酸素を、効率良く２電子プロセスで過酸化物に還元するのに適した、炭素、あるいは金を担持した炭素粒子からなるガス透過性電極を用いる。コスト面、安定性の面では炭素電極が好ましい。ガス透過性電極は、燃料電池用のガス拡散電極と同様、高表面積とするため炭素粉末あるいは金を担持した炭素粒子を、フッ素樹脂などの疎水性樹脂をバインダーとして用い、カーボンクロスの多孔性電極基体に固定して作製する。その他、親水性の反応層と疎水性のガス拡散層を両面に有する半疎水性ガス拡散電極を使用しても良い。
【００２６】
また酸素を発生する陽極は、アルカリ性水溶液電解質中で低エネルギーで効率良く過酸化物を酸化し酸素発生を行うのに適した、ニッケル、白金、またはイリジウム、あるいはこれらの合金、あるいはこれらの金属の酸化物を含む電極を用いる。特に電解質水溶液中に浸漬して使用する場合、ニッケル単体、あるいはチタンなど母材に白金、イリジウムをめっきしたものを使用するのが好ましい。あるいは、陰極と同様に炭素粒子上に白金あるいはイリジウムを担持してガス透過性電極として使用してもよい。低消費電力を実現するにはイリジウムを使用するのが好ましく、コスト面を考えるとイリジウム担持カーボン、あるいはイリジウムメッキチタンが好ましい。
【００２７】
以下に添付図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図１に本発明の電気化学的酸素濃縮装置における酸素発生モジュールの一例を示す。ここに示すのは酸素発生モジュールの一部分を構成する一つの電気化学セルであり、実際にはこのようなセルを複数個直列あるいは並列に接続して所望の酸素流量を得るものである。
【００２８】
本発明の電気化学的酸素濃縮装置を構成する電気化学セルは、陰極1、陽極2、両極間を連結するアルカリ性水溶液電解質3から構成される。両極間に適当な電圧を印加し、陰極室4に酸素を含有する供給気体を導入管6より導入することにより、供給気体から酸素を分離する。供給気体が陰極と接触すると、供給気体中の酸素が陰極において２電子プロセスで還元され、過酸化物となる。過剰な空気は排気管7を介して、陰極室4から排出される。陰極1で発生した過酸化物は電解質3に移動し、拡散、対流および電子移動の影響下に電解質中を陽極2へ移動し、陽極において２電子プロセスで再び酸化されて酸素となる。酸素は酸素ガスの形で陽極から放出され、放出管8を介して使用者に供給される。
【００２９】
本発明の電気化学セルに気体を供給あるいは放出する際には静粛性に優れた送風ファンなどを使用すれば良く、騒音の低減は考慮しなくてもよい。また、反応は常温で起こり、水素の発生も起こらないので安全である。
【００３０】
［実施例１］
図２に本実施例で使用した電気化学セルの模式図を示す。カーボン粉末を、フッ素樹脂をバインダーとしてカーボンクロス製の多孔性電極基体に担持しガス透過性陰極9とした。多孔性チタンメッシュ表面に酸化イリジウムを熱分解により形成したものを陽極11とした。陰極をニッケルメッシュの集電体10上に設置し、電極間距離が６mmとなるようにスペーサー12を用いて陽極を陰極の上部に配置した。スペーサーは内側に電解質溶液がたまるように筒状となっている。陰極の下部および陰極の上部に、スペーサーと同一断面形状をもつ筒状成型物13を設置し、各電解セル構成部材の接触部から溶液が漏れ出さないように両端のエンドプレート16間を、ボルトを使用して締付け、電気化学セルを構成する。なお、陰極下部の筒状成型物13には、供給気体を取り込むための通気孔14を開けてある。筒状の電解セルの上部の酸素ガス放出管15から陰極上に１０％ＮａＯＨ水溶液を陽極が全て浸るように注ぎ、陰極集電体と陽極を直流電源に接続して両極間に電圧を印加し酸素濃縮を行った。端子間電圧０．１Ｖで２４ｍＡの電流が流れ、電流効率１００％で９８％以上の酸素ガスが発生した。この時、毎分３Ｌの酸素発生に必要な消費電力は４０Ｗであった。
【００３１】
［実施例２］
実施例１と同一の電極を使用して電解セルを構成し、電解質を０．４％ＮａＯＨ水溶液とした。この電解質溶液のｐＨは１２．９であった。陰極集電体と陽極を直流電源に接続して電圧を印加したところ、０．１Ｖで７ｍＡの電流が流れ電流効率１００％で９８％以上の酸素ガスが発生した。この時、毎分３Ｌの酸素発生に必要な消費電力は４０Ｗであった。
【００３２】
［比較例１］
実施例１と同一の電極を使用して電解セルを構成し、電解質を１４％Ｎａ2ＳＯ4水溶液とした。この電解質水溶液のｐＨは４．３であった。陰極集電体と陽極を直流電源に接続して電圧を印加したところ０．５Ｖで１ｍＡの電流が流れた。この時、毎分３Ｌの酸素発生に必要な消費電力は１９８Ｗであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気化学的酸素濃縮器における酸素発生モジュールの模式図。
【図２】実施例で使用した電気化学セルの模式図。
【符号の説明】
１    陰極
２    陽極
３    アルカリ性電解質水溶液
４    陰極室
５    陽極室
６    供給気体導入管
７    供給ガス排出管
８    酸素ガス放出管
９    ガス透過性陰極
１０    集電体
１１    陽極
１２    スペーサー
１３    筒状成型物
１４    通気孔
１５    酸素放出管
１６    エンドプレート
【図１】
0004174560.tif 000002
【図２】
0004174560.tif 000003