JPH0810605A

JPH0810605A - 流体供給装置

Info

Publication number: JPH0810605A
Application number: JP6171804A
Authority: JP
Inventors: Satoru Saito; 哲斉藤; Yuko Fujita; 雄耕藤田
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】構造が簡単、使用時の操作が容易、しかも小
型・軽量化が可能といった長所を有し、携帯用に適した
流体供給装置を提供する。【構成】水電解セルの陽極から発生する酸素を加圧ガ
スに利用し、陰極から発生する水素を水素吸蔵合金１４
に吸蔵させ、流体供給装置の外部に水素を放出させない
ようにする。陰極から発生する水素は水素貯蔵容器１３
中に導入され、そこでただちに水素吸蔵合金１４に吸蔵
される。したがって、いったん発生した水素がカチオン
交換膜６を透過して酸素側に達し、そこで酸素と再結合
して水に戻る、という現象を防止することができ、通電
電気量と酸素発生量の関係、いいかえると通電電気量と
流体供給量の間に正確な関係が保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分】本発明は、流体を精度よく供給する
ための流体供給器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】薬液を微量ずつ、しかも精度よく人体に
注入するために各種輸液ポンプが、広く使用されてい
る。

【０００３】従来の輸液ポンプは、その方式の違いによ
ってシリンジポンプ、ペリスタルティック（ロータ式）
ポンプ、フィンガーポンプ、ベローズポンプの４種類に
分類される。これらのうち、ベローズポンプ以外のもの
は、いずれも薬液を押し出すための駆動源としてステッ
ピングモータ、ロータリソレノイドモータ、あるいは直
流モータなどのモータを使い、薬液吐出量の制御に複雑
な機構を採用しているので、その重量および寸法とも一
般に大きく、また高価でもある。そのため、病院のベッ
ドサイドで使われるのが普通であり、携帯用あるいは使
い捨て型にするには不向きである。また、ベローズポン
プは、フレオンガスの気化圧を利用してベローズを押
し、それによって薬液を吐出させる方式のものである
が、フレオンガスの気化圧を制御することが難しく、特
に微量の薬液を長時間かけて注入する場合には、その注
入精度に問題がある。

【０００４】いっぽう、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ガス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とを同時に行う
装置を提案している（日本特許番号第１２１４００１
号）。近年、この原理を利用して電気化学的輸液ポンプ
が提案されている（Ｈ．Ｊ．Ｒ．マゲット、米国特許第
４，５２２，６９８号）。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イオン交換膜の両
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、該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。

【０００５】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。

【０００６】さらに、この電気化学的輸液ポンプの改良
型としての、水の電気分解反応を利用する方法（特開平
２−３０２２６４）は、イオン交換膜の片面に陰極を、
他面に陽極をそれぞれ一体に接合するか、あるいは片面
に陰極と陽極をそれぞれ絶縁するように離して一体に接
合した電気化学セルに含水させ、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輸液ポンプの加圧源とす
るものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電気化学方式を用いて
薬液を供給する型の輸液ポンプの作動原理は、電気化学
セルに直流電流を通電すると、ファラデーの法則にした
がって通電電気量に比例して酸素や水素などのガスが発
生するため、このガスの圧力でベローズやダイヤフラム
を介して薬液を押し出すものである。この時のガスの発
生量は、電気化学セル部に通電する電気量（電流×時
間）により、きわめて精密に制御できるので、薬液等の
液体の供給量を精度よく決めることができるという特徴
がある。

【０００８】電気化学セルとしては、原理的には、電解
質に固体高分子カチオン交換膜・固体高分子アニオン交
換膜・無機プロトン導電体・水溶液系電解液等を使用
し、直流電流を通電することによってガスが発生するあ
らゆるセルの利用が可能である。

【０００９】しかし、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電極を接合した電気化学
セルを使用し、このセルの陽極に水素を供給し陰極から
発生する水素を加圧源に利用する水素移動セルや、陰極
に酸素や空気を供給し陽極から発生する酸素を加圧源に
利用する酸素移動セルでは、微量の薬液を供給するよう
な小電流で使用する場合はあまり問題は生じないが、大
電流を流して短時間に多量のガスを発生させる場合に
は、電気化学セルの過電圧が大きくなり、加える電圧を
大きくしなければならず、あまり高い電圧を加えると、
水素もしくは酸素移動セルではなく水電解セルになって
しまい、供給するガスの圧力をかなり上げる必要があつ
た。また、供給するガスが乾燥している場合、カチオン
交換膜中の水が蒸発し、カチオン交換膜自体の抵抗が増
大するという欠点があり、これを避けるためには供給す
るガスを加湿しなければならず、複雑な制御手段が必要
であった。

【００１０】いっぽう、水電解セルは、直流電流を通電
することによって水が電気分解し、陽極から酸素が、陰
極から水素が発生するという、きわめて単純な反応を利
用するもので、加圧ガスとしては水素、酸素あるいは両
者の混合ガスを利用することができるが、酸素を加圧ガ
スに使用するのが望ましい。

【００１１】しかし、この場合は水素が輸液ポンプの外
部に放出される。例えば、１時間当り１００ｍｌの薬液
を供給しようとする場合には、少なくとも１００ｍｌの
酸素が必要であり、この時には２００ｍｌの水素が外部
に放出されることになる。これは１分間に３．３３ｍｌ
の水素発生量であり、この程度の水素の量なら危険性は
ないが、短時間に多量の薬液を供給する場合には同時に
多量の水素が放出され、危険が伴うことになる。

【００１２】また、陰極から発生する水素が、電解質で
あるカチオン交換膜の近傍にとどまっている場合、水素
は酸素に比べて、電解質に使用するカチオン交換膜を極
めて透過しやすいために、いったん発生した水素の一部
はカチオン交換膜を通り抜けて酸素側に達して、水素と
酸素が電極として使用する金属の触媒作用によって再結
合して元の水に戻ってしまい、通電電気量と酸素発生量
の間に、いいかえると通電電気量と薬液供給量の間に正
確な関係を得ることが困難であった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気化学方式
の輸液ポンプの上記のような課題を解決するためになさ
れたものであり、用途も輸液ポンプに限定されず、薬液
以外の液体や気体等の一般的な流体を供給する装置を提
供するもので、その目的とするところは、構造が簡単、
使用時の操作が容易、しかも小型・軽量化が可能といっ
た長所を有し、携帯用に適した流体供給装置を提供する
ことにある。

【００１４】本発明にかかる流体供給装置は、水電解セ
ルの陽極から発生する酸素を加圧ガスに利用し、陰極か
ら発生する水素を水素吸蔵合金に吸蔵させ、流体供給装
置の外部に水素を放出させないようにしたことを特徴と
するものである。

【００１５】本発明に使用できる水電解セルとしては、
固体高分子カチオン交換膜の両面に多孔性金属電極を接
合したセルを使用し、両電極は水と接しており、通電に
よって陽極から発生する酸素を加圧ガスに利用する。
尚、このような水電解セルでは陽極側にも陰極側にもあ
らかじめ水を入れておくのが普通であるが、固体高分子
イオン交換膜はその内部に多量の水を吸収することがで
き、そのことによってプロトン導電性機能を発揮して電
解質として働くものであり、必ずしも陽極側と陰極側と
の両方に水を入れておく必要がなく、どちらか一方の電
極側に水を入れておけば、もし電極反応で水が必要にな
れば、反対側の電極側から固体高分子イオン交換膜を通
して水が供給される。

【００１６】また、流体供給口に逆流防止弁を取り付け
ることも可能である。

【００１７】

【作用】本発明になる流体供給装置においては、あらか
じめ流体貯蔵部に薬液等の流体を貯蔵しておき、水電解
セルの両電極あるいは片方の電極を水に接触した状態と
し、陽極と陰極間に直流電流を通電すると、水の電気分
解が起こり、陽極からは酸素が、陰極からは水素が発生
する。流体貯蔵部として、気体の圧力によって変形可能
なやわらかい袋状体を使用し、これを圧力によって変形
しない別の密閉容器中に配置し、電気化学セルの陽極か
ら発生する酸素が密閉容器の内部に蓄積するようにした
場合、通電し続けると、密閉容器内部の圧力は上昇し、
その圧力が薬液等の流体の入った袋状体に加わり、袋状
体は縮小する方向に変形し、その結果、密閉容器の外部
に出ている流体供給口から薬液等の流体が供給される。

【００１８】水の電気分解による一定圧力の酸素の発生
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
給量は一定になり、通電電流の大きさを変えることによ
って任意の流体の供給量が得られるものである。

【００１９】いっぽう、電気化学セルの陰極から発生す
る水素は、水素吸蔵合金を備えた水素貯蔵容器の内部に
導入され、そこで水素吸蔵合金と反応して吸蔵され、水
素は流体供給装置の外部にはまったく放出されなくな
る。

【００２０】よく知られているように、水素吸蔵合金に
おいて、金属−水素系の平衡は、金属水素化物の解離圧
と組成との等温線図であらわされる。水素吸蔵合金を、
ある温度・ある水素圧下におくと、一定の組成の金属水
素化物が生成する。例えば、金属水素化物としてランタ
ン−ニッケル５水素化物（ＬａＮｉ_５Ｈ）を使用した
合、この水素化物を２５℃、２気圧の水素と平衡に保つ
と、ＬａＮｉ_５Ｈ_６となる。すなわち、１モルのＬａＮ
ｉ５Ｈ（４３３．５ｇ）で約５ｇの水素を吸蔵する。こ
の水素は、１気圧、２５℃では約６１．１リットルに相
当する。

【００２１】いま、１時間当り１００ｍｌの薬液を５時
間供給する流体供給装置を考えると、２５℃、１気圧
で、酸素の最低必要量は５００ｍｌであり、この時同時
に発生する水素は１リットルとなるので、この水素を吸
蔵させるのに必要なＬａＮｉ_５Ｈは約７ｇとなる。この
ように、わずかの量の金属水素化物によって、多量の水
素を吸蔵でき、水素を外部にまったく放出しないように
することができる。

【００２２】なお、供給すべき目的の流体としては、通
常は薬液が考えられるが、本発明の流体供給装置の用途
は、薬液の供給に限定されるものではなく、液体や気体
などのあらゆる流体の供給に利用できることはいうまで
もない。

【００２３】

【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。

【００２４】［実施例１］流体貯蔵部として袋状体、
水素吸蔵合金としてランタン−ニッケル５水素化物を使
用した流体供給装置を作製した。図１はその断面構造を
示したもので、図において、１は流体貯蔵部としての軟
らかいネオプレンゴム製の袋であり、袋部分の厚みは
０．２ｍｍ、内容積は最大１３０ｍｌであり、この袋に
は流体供給口２を取り付けてある。３はアクリル製のケ
ースで、厚み３ｍｍ、外径６０ｍｍ、長さ７０ｍｍの円
筒形であり、数気圧の圧力を加えても変形せず、その内
部に流体貯蔵部としてのゴム製の袋１を収納している。
４は供給すべき目的の流体であり、ここでは生理食塩水
１００ｍｌを使用した。５は細管、６は注射針である。
７は気体発生部としての電気化学セル部で、８は電解質
として機能するカチオン交換膜で、ここでは厚み０．２
ｍｍ、直径４０ｍｍ含水したのナフィオン１１７膜を使
用した。９は陽極、１０は陰極で、ともにカチオン交換
膜の両面に無電解メッキ法で接合した直径３０ｍｍの多
孔性白金電極である。１１はカチオン交換膜に接した水
である。１２は電池と定電流回路を組み合わせた直流定
電流電源である。１３はステンレス製の水素貯蔵容器で
あり、外径６０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒形であり、そ
の内部には水素吸蔵合金１４としてのランタン−ニッケ
ル５水素化物（ＬａＮｉ_５Ｈ）を５ｇ充填しておく。た
だし、水素吸蔵金と電気化学セルの陰極とは直接接触し
ない状態に配置しておく。

【００２５】この流体供給装置を使用するにあたって
は、直流定電流電源１２から、陽極９と陰極１０間に４
５０ｍＡの直流電流を通電すると、電気化学セル部７で
は水の電気分解反応が起こり、陽極からは酸素１５が、
また、陰極からは水素１６が発生する。酸素１５は、ゴ
ム製の袋１とケース３の間の空間部分１７にたまり、ゴ
ム製の袋１は縮小する方向に変形し、生理食塩水４は流
体供給口２、細管５を通って、注射針６から供給され
る。通電を続けると、生理食塩水は１時間で１００ｍｌ
供給され、５分おきの供給量は常に一定に保たれ、通電
電気量と供給量の関係の精度はきわめて良いことが示さ
れた。

【００２６】いっぽう、この時に陰極から発生する約２
００ｍｌの水素は水素貯蔵容器１３の中に導かれ、そこ
で水素吸蔵合金ＬａＮｉ_５Ｈに吸蔵される。ＬａＮｉ_５
Ｈは２５℃、２気圧の水素と接触すると、１ｇ当り約１
４０ｍｌの水素を吸蔵することができるため、あらかじ
め５ｇのＬａＮｉ_５Ｈを水素貯蔵容器１３中に入れてお
ば、陰極から発生する水素をすべて吸蔵することがで
き、流体供給装置の外部に出ることはなかった。

【００２７】［実施例２］構造は実施例１とまったく
同じで、水素吸蔵合金としてランタン−ニッケル５水素
化物の代わりにミッシュメタル系合金［Ｍｍ（Ｎｉ_４Ｍ
ｎ_０ _． _２Ａｌ_０．２Ｃｏ_０．６）］を使用した流体供給
装置を作製した。ミッシュメタル系金は５ｇ使用した。
このミッシュメタル系合金は、２５℃、１．５気圧で
は、１ｇあたり約１５０ｍｌの水素を吸蔵することがで
きる。実施例１と同様に電気化学セル部に４５０ｍＡの
直流電流を通電すると、１時間に１００ｍｌの生理食塩
水が供給され、５分おきの供給量は常に一定に保たれ、
通電電気量と供給量の関係の精度はきわめて良く、同時
に発生した２００ｍｌの水素は、ミッシュメタル系合金
に吸蔵され、流体供給装置の外部に出ることはなかっ
た。

【００２８】［実施例３］構造は実施例１とまったく
同じであるが、水素貯蔵容器中の水素吸蔵合金であるＬ
ａＮｉ_５Ｈを、電気化学セルの陰極に直接取り付け、し
かも水素吸蔵合金と電解質とは接触しない構造とした、
流体供給装置を作製した。その断面構造を図２に示す。
図における記号１〜１７は、実施例１と同じものを示す
ものとする。ここでは５ｇのＬａＮｉ_５Ｈを使用した。

【００２９】実施例１と同様に、電気化学セルに４５０
ｍＡの直流電流を通電すると、１時間に１００ｍｌの生
理食塩水が供給され、５分おきの供給量は常に一定に保
たれ、通電電気量と供給量の関係の精度はきわめて良
く、同時に発生した２００ｍｌの水素は、水素吸蔵合金
ＬａＮｉ_５Ｈに吸蔵され、流体供給装置の外部に出るこ
となかった。

【００３０】［実施例４］流体貯蔵部として、実施例
１で述べたゴム製の袋状体の代わりに、１００ｍｌ用の
市販の使い捨て型注射器の外筒と吸子の先端のゴムのピ
ストンを使用した流体供給装置を作製した。その断面構
造を図３に示す。図において２〜１７は実施例１と同じ
ものを示すものとし、流体貯蔵部としては注射器の外筒
１８と、吸子の先端のゴムのピストン１９を使用した。
２０は注射器の先端部分である。また、アクリル製円筒
３の長さは１４０ｍｍとし、注射器の先端部分２０は流
体供給口２に差し込まれている。

【００３１】電気化学セルに６００ｍＡの直流定電流を
通電すると、吸子の先端部のゴムのピストン１９が注射
器の外筒１８の中へ押し込まれる方向に移動し、実施例
１と同様に、１時間に１００ｍｌの生理食塩水が供給さ
れ、５分おきの供給量は常に一定に保たれ、通電電気量
と供給量の関係の精度はきわめて良い。この場合は、吸
子の先端部のゴムのピストン１９と注射器の外筒１８の
間には摩擦抵抗があるために、実施例１と同様の速度で
生理食塩水を供給するためには、実施例１よりも大きな
圧力が必要であるために、６００ｍＡという大きな電流
を流す必要がある。

【００３２】［実施例５］実施例１と同様の構造で、
流体供給口には逆流防止弁を取り付けた流体供給装置を
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。

【００３３】

【発明の効果】本発明になる流体輸送器においては、電
気化学セルとして水電解セルを使用しているために、水
素移動セルや酸素移動セルの場合のように、通電する電
流が小電流の範囲に制限されたり、電解質としてはたら
くイオン交換膜の乾燥による抵抗増大の心配がなく、こ
れらを解決するためのガスの加圧や加湿などの複雑な制
御機構は不必要である。また、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、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長時間にわたって精度良く
供給することができるものである。

【００３４】本発明になる、電気化学セルから発生する
ガスで流体貯蔵部を押して流体を供給する流体供給装置
においては、加圧ガスとして陽極から発生する酸素を使
用することは決定的に重要である。すなわち、陰極から
発生する水素は水素貯蔵容器中に導入され、そこでただ
ちに水素吸蔵合金に吸蔵される。したがって、いったん
発生した水素がカチオン交換膜を透過して酸素側に達
し、そこで酸素と再結合して水に戻る、という現象を防
止することができ、その結果、通電電気量と酸素発生量
の関係、いいかえると通電電気量と流体供給量の間に正
確な関係が保たれるものである。もちろん、流体供給装
置を使用中に水素が外部に漏れる危険性を全くなくすこ
とができるし、流体供給装置を使用後には流体供給装置
には酸素のみが蓄積されているので、ガスを抜き取る際
の危険性はまったくない。

【００３５】なお、水素貯蔵合金としては、実施例で述
べたランタン−ニッケル５水素化物やミッシュメタル系
水素化物以外にも、チタン−ニッケル系水素化物などの
あらゆる種類の水素吸蔵合金の使用が可能である。ま
た、水素吸蔵合金は、実施例１で述べたように、電気化
学セルの陰極と離れた状態としてもよいし、実施例３で
述べたように、陰極に直接取り付けたり、場合によって
は多孔性シートを介して陰極に取り付けてもよいが、い
ずれの場合も、電解質である固体高分子イオン交換膜と
は接触しない状態にしておく。

【００３６】また、本発明になる流体供給装置において
は、流体貯蔵部としては、ゴム製の袋状体や使い捨て型
注射器を使用するために、気体発生部は繰り返し使用が
可能である。なお、流体貯蔵部に袋状体を使用する場
合、袋状体の材質は実施例１で述べたゴムだけではな
く、やわらかいプラスチツクや薄い金属からなる袋ある
いは蛇腹状の容器など、気体の圧力によって変形可能な
容器であればどんなものでもよい。また、流体貯蔵部と
しては、市販の使い捨て型のプラスチツク製の注射器
や、ガラス製注射器をそのまま使用することも可能であ
り、より小型にする場合には、実施例４で述べたよう
な、注射器の外筒とピストンのみから構成されるものを
使用することができる。この場合、ピストンとしては、
実施例４で述べたように、市販の注射器の吸子の先端部
分のピストンをそのまま使用してもよいし、別にＯ−リ
ングをとりつけた円柱形ピストンなど、種々の形状・材
質のものが使用可能である。

【００３７】さらに、流体貯蔵部の流体供給口に逆流防
止弁を備えることによって、使用しない状態での薬液等
の漏れの心配はなく、供給する流体として気体を使用す
ることも可能となる。

【００３８】さらに、本発明になる流体供給装置全体と
しては、構造が単純で、小型・軽量化が可能であり、携
帯用にでき、使用にあたっての操作も容易であり、特に
医療用の薬液供給に使用する場合、患者にとつてきわめ
て使いやすいものとなる。

【００３９】以上のように、本発明になる流体供給装置
器は、構造が簡単で、安価で、流体供給部を使い捨て型
にすることも可能となり、従来のベローズやダイヤフラ
ムあるいは電気化学方式を用いた輸液ポンプやの欠点を
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】本発明になる実施例１にかかる流体供給装置
の、断面構造を示した図である。

【図２】本発明になる実施例３にかかる流体供給装置
の、断面構造を示した図である。

【図３】本発明になる実施例４にかかる流体供給装置
の、断面構造を示した図である。

【符号の説明】

１ゴム製袋状体３アクリル製ケース４生理食塩水７電気化学セル６カチオン交換膜１３水素貯蔵容器１４水素吸蔵合金

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水電解セルを有する気体発生部と、気体
の圧力により変形可能な流体貯蔵部とを備え、該水電解
セルに直流電流を通電することによって陽極から発生す
る酸素で流体貯蔵部を加圧して流体を押しだし、該水電
解セルの陰極から発生する水素を、水素吸蔵合金に吸蔵
せしめるように構成してなることを特徴とする、流体供
給装置。
【請求項２】水素貯蔵合金を水素貯蔵容器中に収納し
てなる、請求項１記載の、流体供給装置。
【請求項３】水素貯蔵合金を、直接あるいは多孔性シ
ートを介して、電気化学セルの陰極に取り付けてなる、
請求項１記載の、流体供給装置。