(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に触媒作用を持つ電極を備えた固体高分子電解素子と、該固体高分子電解素子の陽極側に設けられた水分を含んだ空気を流通させるための空気流通路と、固体高分子電解素子の陰極側に被加湿気体を流通させるための被加湿気体流通路と、該陰極及び陽極に電流を流す電源装置を備えた加湿装置において、
前記被加湿気体流通路の出口側に設けられた気体中の水素の存在を検出する水素検出手段と、該水素検出手段からの信号により該固体高分子電解素子に流す電流を制御する電流制御手段とを備え、前記水素検出手段が水素を検出すると、前記電流制御手段が該固体高分子電解素子に流れる電流を停止させ、前記固体高分子電解素子に流れる電流が停止したときに、前記固体高分子電解素子の陽極と陰極とを短絡することを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両側に触媒作用を持つ電極を備えた固体高分子電解素子と、該固体高分子電解素子の陽極側に設けられた水分を含んだ空気を流通させるための空気流通路と、固体高分子電解素子の陰極側に被加湿気体を流通させるための被加湿気体流通路と、該陰極及び陽極に電流を流す電源装置を備えた加湿装置において、
前記加湿装置に流通する気体の流量を測定する流量測定手段と、該流量測定手段からの信号により前記固体高分子電解素子に流通する電流を制御する電流制御手段とを備え、前記流量測定手段からの信号が予め設定しておいた最低流量よりも低下したときに該電流制御手段が該固体高分子電解素子に流す電流を停止させることを特徴とする加湿装置。
【請求項３】
少なくとも２個の固体高分子電解素子を有し、そのうち少なくとも１つの固体高分子電解素子が、膜の被加湿気体側の面を陰極に、空気側の面を陽極に燃料電池として動作するように構成され、該燃料電池の陰極と陽極が短絡されていることを特徴とする請求項１または２記載の加湿装置。
【請求項４】
前記加湿装置に流通する被加湿気体の流量に応じて、前記固体高分子電解素子に流通する電流を変化させる事を特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の加湿装置。
【請求項５】
前記加湿装置に流入する被加湿気体の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段を備え、流入する被加湿気体の酸素濃度が予め設定しておいた値よりも低下したときに前記固体高分子電解素子に流れる電流を停止させることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の加湿装置。
【請求項６】
被加湿気体流通路の下流側に水素を酸化する触媒を充填した反応装置を設けたことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の加湿装置。
【請求項７】
前記被加湿気体流通路の下流側に該流通路の内圧が一定の圧力を超えたときに、気体を系外に排出するようにしたことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の加湿装置。
【請求項８】
前記被加湿気体流通路の下流側に常時少量の気体を系外に排出する小孔を持つことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の加湿装置。
【請求項９】
前記小孔が、加湿器下流側の気体流量が零になった場合でも、下記の式であらわされるＦなる流量が該小孔より流出するように設計されていることを特徴とする請求項８記載の加湿装置。
Ｆ（ＳＣＣＭ）＝３．８０ｋ・Ｉ（Ａ）／Ｃ
ここで、
ｋ：安全係数で１より大きい値
Ｃ：被加湿ガスの酸素濃度（モル分率）
Ｉ：素子電流（アンペア）
ＳＣＣＭ：標準状態で１ｍＬに相当する分子数の気体が流れる流量（ｍＬ／分）
である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質膜を使用して気体を加湿する加湿装置に関し、特に水を補充することなく連続して加湿された気体を利用することを可能にする加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業用や医療用に用いられる医療用気体は、ボンベ入りの圧縮気体またはボンベ入り液化気体で供給されたり、或いは精製・濃縮装置から直接供給される。これらの医療用気体では、一般的に、製造段階で不純物として極限まで水分が取り除かれている。このような絶乾状態の気体を、患者が医療用気体として吸入すると、例えば上気道粘膜の繊毛運動低下、体内水分、熱量の損失、喀痰の乾燥による喀出困難といった問題が生じる。そのため、医療用気体の患者への吸入に先立って加湿器等を用いて医療用気体を加湿しておく必要がある。
【０００３】
従来、医療用気体のような小流量の気体を加湿する加湿器としては、精製水を入れた容器の中に被加湿気体を通す方式のもの、水中に被加湿気体を泡状にして通す方式のものが多く用いられてきた。しかしこれらの加湿器は水を用いているために、長期の使用に際しては細菌の繁殖や加湿水の腐敗等が危惧され、定期的に水の補充・交換を行うなどの手入れが必要となる。また、こうした手入れの際の組み立て過誤により気体が正常に供給されなくなる等の問題があった。
【０００４】
この問題を解決する方法として、特開平10-248935号公報には、水分移動膜で構成された管を用い、管の外面に室内空気を供給し内面に被加湿気体として医療用気体を流通することにより、空気中の水分を水蒸気分圧差を利用して被加湿気体中に移行させて加湿する方法が開示されている。然しながら、この方法では、被加湿気体の加湿度は供給空気の湿度に大きく左右され、特に外気の湿度が低い場合に被加湿気体が十分に加湿されず加湿不足となる問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開2000-51638号公報には、陽イオン伝導性の固体高分子電解質を用いた除湿器が開示されている。これ、陽イオン伝導性の固体高分子電解質の片面に陰極、反対側の面に陽極を持った基本構造をしており、これに電流を流す事により陽極・陰極において生じる下記のの反応を利用するものである。
【０００６】
陽極側：  ２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-
陰極側：  Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ
このように固体高分子電解質を用いた除湿器では、陰極側で水素が酸素と結合して水が発生するので、陰極側に酸素を含む被加湿気体を流通すれば、加湿器として用いることができる。然しながら、この場合、陰極側への酸素の供給が途絶えると、水素イオンがそのまま水素ガスとして放出され、引火、爆発を起こすおそれがあるという問題がある。
【０００７】
本発明は従来技術の問題を解決することを技術課題としており、水素ガスの発生を抑制しつつ、水の補充など定期的な手入れが不要で、連続的に十分な加湿度が得られ、かつ加湿度を自由にかつ容易に設定できる加湿装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の加湿器は、陽極側に水分子を酸素分子と水素イオンに電気分解する触媒層、陰極側に酸素分子と水素イオンから水分子を生成する触媒層を備えた固体高分子電解素子、その固体高分子電解素子に電流を流すための直流電源、直流電源より供給される電流または電圧を制御する電流制御回路および、固体高分子電解素子からの水素の発生を検知する水素検出手段または加湿器に流入する被加湿気体、あるいは加湿器より取り出される、加湿された気体の流量低下を検知する流量計を有するものである。
【０００９】
固体高分子電解素子としては、陽極側、陰極側に白金や白金担持カーボン、ルテニウム、インジウム、パラジウムなどの白金族金属、またはこれらの酸化物を陽イオン伝導性固体電解質膜表面に分布させたものを使用することができる。陽イオン伝導性固体電解質膜としては、例えばデュポン社製NAFION-117などの膜を使用することができる。また、水素検出手段としては、例えば酸化スズを用い、表面の吸着酸素量が雰囲気中の還元性ガスの量によって変化する事による、電気抵抗の変化を利用するものを用いることができる。
【００１０】
かかる両面に電極を備えた陽イオン伝導性固体電解質膜である固体高分子電解素子に通電すると、陽極側で生成された酸素は陽極側の気体中に放出され、電子は陽極から配線を通って電源へ行き、水素イオンが膜を透過して陰極側に移動する。陰極側では陽極側から透過してきた水素と電源より運ばれてきた電子、陰極側気体中の酸素より、水分子が生成され、陰極側気体中に放出される。結果として、陽極側では酸素が生成されるとともに除湿され、陰極側では酸素を消費して陰極側気体を加湿する。
【００１１】
ここで陰極側への酸素の供給が停止あるいは低下すると、陰極側に到達した水素イオンの少なくとも一部は酸素と結合することなくそのまま２個の電子と結合して水素分子となって被加湿気体中に放出される。
水素分子が発生し始める最低の被加湿気体の流量は、被加湿気体中に含まれる酸素の単位時間あたりの供給分子数が単位時間あたりに移動する水素イオンの数の四分の一以下になる流量である。被加湿気体に含まれている酸素濃度をＣ（モル分率）、素子に流れる電流をＩ（Ａ）とすると、水素が発生し始める最低の流量Ｆ（ＳＣＣＭ）は以下の式で表される。
【００１２】
Ｆ＝３．８０・Ｉ／Ｃ        …（１）
なお、単位ＳＣＣＭは、１分間に流れる気体の分子数を標準状態の気体の容積ｍＬであらわした流量単位である。被加湿気体の流量がこの値以下になると、確実に水素が発生する。実際には酸素分子と加湿素子表面との接触効率などにより、これより若干高い流量でも水素が発生する。
【００１３】
これを防止するために本発明では水素の発生あるいは酸素供給量の低下を検知して固体高分子電解加湿素子への電流の供給を停止するための電圧制御手段または電流制御手段を備えている。
また、加湿器下流側の導管が閉塞しても加湿器に流れる流量が、（１）式で表される流量よりも低下しないように、加湿器の下流側に安全弁または小孔を設けて、下流側の導管の閉塞による圧力上昇を検出して被加湿気体を排出するような構成のものが好ましい。
【００１４】
また、万が一水素ガスが発生した場合でもその水素ガスが速やかに吸収、消費されるように、加湿素子を出た被加湿気体が水素ガスを酸化せしめる性質を持つ触媒を配置した反応装置を通過するような構成のものや、被加湿気体側が陽極側に、空気側が陰極側になるよう構成された燃料電池を備え、加湿器を出た被加湿気体を燃料電池の陰極側に通し、発生した水素を燃料電池の燃料として消費する構成のものが好ましい。とくに後者の方法は、被加湿気体中に酸素が全く無くなってしまった場合でも、発生した水素は、燃料電池の陽極で水素イオンとなり、燃料電池の膜を通じて陽極側に移動し、陽極膜面で空気中の酸素と結合し、消費される利点がある。また、燃料電池に発生する起電力または流れる電流を測定することにより、同時に水素発生も検出することができるという利点も併せ持つ。
【００１５】
また、加湿器停止時に固体高分子電解素子の陽極と陰極を短絡する事により、水素発生の検出が遅れた場合でも固体高分子電解素子が固体高分子型の燃料電池として動作し、水素を外気の酸素と結合させることにより速やかに吸収することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、図１を参照して本発明の第１の実施形態による加湿装置を説明する。
第１の実施形態による加湿装置１０は加湿器ユニット２０を具備している。加湿器ユニット２０は、固体高分子電解質膜２２を具備しており、固体高分子電解質膜２２の一側面には陽極２４が接合され、反対側の側面には陰極２６が接合されている。陽極２４および陰極２６は、直流電源１８の陽極および陰極に接続されている。陽極２４および陰極２６は、触媒作用を有する白金や白金担持カーボン、ルテニウム、インジウム、パラジウムなどの白金族金属、または、これらの酸化物を陽イオン伝導性固体電解質膜表面に分布させたものを使用することができる。固体高分子電解質膜２２は、陽イオン伝導性固体電解質膜であって、例えばデュポン社製NAFION-117などの膜を使用することができる。更に、加湿装置１０は送風機１２を具備しており、送風機１２は空気供給路（図示せず）を介して加湿器ユニット２０の陽極に空気を供給する。
【００１７】
また、加湿器ユニット２０は、陰極２６の表面を包囲するように設けられた被加湿気体流通路２８を具備しており、被加湿気体流通路２８は、入口管路６を介して医療用気体供給源（図示せず）に接続された入口ポート２８ａと、出口管路８を介して患者に装着されている医療用気体供給用のマスクまたはカニューレ等に接続された出口ポート２８ｂとを有している。出口管路８には、水素検出手段としての水素センサ３０、湿度検出手段としての湿度センサ３２および反応装置１４が順次に設けられている。反応装置１４には水素と酸素とを反応させ水を生成する触媒、例えば白金や白金担持カーボンが充填されており、加湿器ユニット２０において万が一水素が発生した場合でも、反応装置１４内でほとんど全てが酸素と結合して水となり、出口導管８を通って供給対象へと供給されるようになっている。水素センサ３０としては、例えば酸化スズを用いて表面の吸着酸素量が雰囲気中の還元性ガスの量によって変化する事による、電気抵抗の変化を利用するものを用いることができる。
【００１８】
水素センサ３０および湿度センサ３２は、直流電源１８の電圧を制御する電源制御装置１６に接続されている。電源制御装置１６は、水素センサ３０が水素を検出すると、直流電源１８から陽極２４および陰極２６への電圧の供給を停止する。また、電源制御装置１６は、好ましくは、電圧供給停止時に同時に陽極２４および陰極２６を短絡するように構成されている。電源制御装置１６による直流電源１８の制御方法は、直流電源１８から陽極２４および陰極２６への電圧値を直接制御してもよいが、陽極２４および陰極２６へ電圧を供給、停止する所謂on-off制御として、電圧を供給している時間（on時間）と停止している時間（off時間）を制御するようにしてもい。その場合、出力される被加湿気体の湿度変動を押さえるためにon-offの間隔は１０秒以下にすることが好ましい。また、電源制御装置１６は、直流電源１８から陽極２４および陰極２６への供給電流を制御しても良い。電源制御装置１６は、湿度センサ３２により検知された出口管路８内の医療用気体の湿度が所定の値よりも低下した場合に、直流電源１８から陽極２４および陰極２６への電圧または電流値を増加させ、湿度が上昇した場合には減少させる。
【００１９】
次に、図２を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、図２において第１の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
第２の実施形態による加湿装置４０は、第１の実施形態と同様の加湿器ユニット２０を具備している。第２の実施形態では、入口管路６には酸素濃度検出手段としての酸素センサ４２と、流量測定手段としての流量センサ４６とが配設されている。被加湿気体流通路２８には温度センサ４８が配設されている。酸素センサ４２、流量センサ４６および温度センサ４８は、電源制御装置１６に接続されている。加湿器ユニット２０へ供給する電流と水分の移動量は略比例しているので、温度センサ４８により検知された温度から飽和水蒸気量がわかれば、飽和水蒸気量と流量から、ある湿度まで加湿するために必要な水分移動量が求まる。電源制御装置１６は、流量センサ４６と温度センサ４８からの信号に基づき必要な加湿量を計算し、設定値の加湿度を得るために必要な水分移動量に相当する電流を流すように直流電源１８に制御信号を送る。
【００２０】
固体高分子電解質を用いた加湿器では、外部の水を電気分解して水素と酸素とに分けた後に、水素のみが膜を通して被加湿気体側へ移動する。これを再び水に戻すためには、被加湿気体側に酸素が含まれていることが必要となる。酸素濃度が低下すると、水素イオンはそのまま水素分子となって被加湿気体側へ放出され危険な状態となる。そこで、本実施形態では、電源制御装置１６は、流量センサ４６と酸素センサ４２からの信号を受け取り、流量または酸素濃度が低下した場合に加湿器を停止させるように直流電流１８に制御信号を送る。なお、図２において、温度センサ４８は被加湿気体流通路２８の外側に配置されているように図示されているが、温度センサ４８は、好ましくは、被加湿気体流通路２８内に配設されている。
【００２１】
図３を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、図３において第１の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
第３の実施形態による加湿装置５０は、第１と第２の加湿器ユニット６０、７０を具備している。第１と第２の加湿器ユニット６０、７０は第１の実施形態の加湿器ユニット２０と同様に構成されており、固体高分子電解質膜６２、７２を有し該固体高分子電解質膜６２、７２の一側面には陽極６４、７４が接合され、反対側の側面には陰極６６、７６が接合されている。
【００２２】
また、第１と第２の加湿器ユニット６０、７０は、各々の陰極６６、７６の表面を包囲するように設けられた被加湿気体流通路６８、７８を具備している。第１の加湿器ユニット６０の被加湿気体流通路６８の入口ポート６８ａは、入口管路６を介して医療用気体供給源（図示せず）に接続されており、出口ポート６８ｂは、接続管路９を介して第２の加湿器ユニット７０の被加湿気体流通路７８の入口ポート７８ａに接続されている。第２の加湿器ユニット７０の被加湿気体流通路７８の出口ポート７８ｂは、出口管路８を介して患者に装着されている医療用気体供給用のマスクまたはカニューレ等に接続されている。接続管路９には湿度センサ３２が配設されており、該湿度センサ３２は、電源制御装置１６に接続さている。
【００２３】
第２の加湿器ユニット７０は、被加湿気体側を陰極、外気側を陽極として燃料電池を構成している。第１の加湿器ユニット６０による加湿度の制御法、水素発生時の加湿器停止法は第１の実施形態と同一である。第１の実施形態と異なる点は、触媒を用いた反応装置１４に代えて第２の実施形態では、第２の加湿器ユニット７０による燃料電池が存在する事である。この燃料電池の陽極７４と陰極７６は、図３に示すように電気的に短絡あるいは低抵器７０ａを介して接続されており、陰極７６側に水素が発生すると陽極７４から短絡路を通って陰極７６に電流が流れ、同時に陰極７６から陽極７４へ膜内を通って水素イオンが移動する。陽極７４に到達した水素イオンは、空気中の酸素と結合して水となって消費される。
【００２４】
また、第２の加湿器ユニット７０において水素を検出するために、電流センサ５２が短絡路７０ａに接続されており、水素発生時に燃料電池としての第２の加湿器ユニット７０に流れる電流を検出することにより水素発生の有無を知ることができる。
なお、既述の実施形態では、陽極側に空気を送り込むための送風機により強制換気を行うようになっているが自然換気を用いたものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加湿装置の好ましい実施形態を示す概略フロー図。
【図２】本発明の加湿装置の別の実施形態を示す概略フロー図。
【図３】本発明の加湿装置の別の実施形態を示す概略フロー図。
【符号の説明】
６…入口管路
８…出口管路
１０…加湿装置
１２…送風機
１４…反応装置
１６…電源制御装置
１８…直流電源
２０…加湿器ユニット
２２…固体高分子電解質膜
２４…陽極
２６…陰極
【図１】
0004274686.tif 000002
【図２】
0004274686.tif 000003
【図３】
0004274686.tif 000004