JP2020169347A - 三フッ化窒素製造用電解槽 - Google Patents

Abstract

【課題】三フッ化窒素製造用電解槽において、両極で発生するガスの混合を阻止し、電流密度を均一にすることを課題とする。【解決手段】フッ化水素含有の溶融塩物質を電解し、三フッ化窒素を製造するための電解槽１において、陰極２の外面に密着して、又は陰極表面に近接して、電解により発生するガスを通さない極微細孔の電導性隔膜４を設けることにより、課題を解決する。【選択図】図１

Description

この発明は、フッ化アンモニウムとフッ化水素を主原料とする溶融塩電解により三フッ化窒素を製造するための電解槽に関するものであり、具体的には、ニッケルイオン等金属イオンの陰極側への移動を阻止し、両極ガスの混合を防止する技術に関する。

図４に、非導電性の樹脂又は金属の板を隔膜とする従来の電解槽を示す。
フッ化アンモニウムとフッ化水素を主原料とする溶融塩電解では、陽極から発生する三フッ化窒素あるいはフッ素ガスと陰極から発生する水素ガスが混合すると爆発性混合ガスとなる。
そこで、両極ガスの混合を阻止するために、陰極２１と陽極２２の間に隔壁２３が設けられている。しかしこの隔壁１３は両電極の下端に至らない長さであり、両電極の下部が露出されているので、ガスの混合を完全に防止することができない。また陽極および隔壁から生じたニッケルイオンは自由に移動できて、運転トラブルの原因になる。

隔壁２３が非電導性樹脂で作られている場合、電流は隔壁を迂回するので電解電流密度は不均一になり効率が低下する。また隔壁が金属の場合、分極により電解電圧の上昇と金属の溶解および金属の析出によるメンテナンス上のトラブルが発生する。

また発生ガスの拡散を防止するため極間距離を広くとる必要があり電力の損失を招く。

特開平０８−１７６８７２号公報

この発明は、両極で発生するガスの混合を阻止することと、不要な隔壁を取り去り電流密度を均一にすることを課題とするものである。

この発明の電解槽は、フッ化水素含有の溶融塩物質を電解し、三フッ化窒素を製造するための電解槽において、陰極外面に密着して、又は陰極表面に近接して、電解により発生するガスを通さない極微細孔の電導性隔膜を設けることにより、課題を解決するものである。
前記陰極は、ステンレス、ニッケル等の金属製メッシュが好ましい。

前記電導性隔膜は、耐久性の観点から陽イオン交換膜が好ましいが、荷電基を持たなくてもイオンの透過を妨げない微細孔を持つ隔膜は電導性を持つので、イオン交換膜に限られるものではない。

電導性隔膜は、陰極の外面に密着させ、又は電極上に膜を合成し一体として形成し、陰極と隔膜は一体とすることが好ましい。この構成により、陰極は隔膜によって陽極液から完全に遮蔽される。

陰極は、側壁及び底壁を備えた室枠に収納され電導性隔膜を取り付けて陰極室を構成し、前記室枠の底部には陽極液との連通孔を設けた構成とすることが好ましい。この構成により、メッシュ状の陰極を安定して保持することができ、陰極は一層確実に陽極から遮断される。そして、連通孔を設けることにより、電導性隔膜を挟む差圧は＋０に保たれる。

この発明によれば、陰極外面に密着して、又は陰極表面に近接して、電解により発生するガスを通さない極微細孔の電導性隔膜を設けたので、陰極室を陽極室から分離することができる。したがって、陽極ガスは隔膜により完全に陰極室から遮断され、両極のガスが混合することがなく、安定した電解を継続することができる。
また、陰極ガスは純粋な水素ガスとして利用することができる。

前記電導性隔膜は陰極外面に密着又は近接している。そして電導性隔膜により極間距離は短縮され、電解電流密度は均一化する。これにより、消費電力の低減および生産能力の向上が図られる。特に、電導性隔膜を陰極に密着させることにより、陰極―隔膜間（極間距離）が０ギャップとなる。

前記電導性隔膜は、電解により発生するガスを通さない微細孔を持つので、１価イオン選択透過性を持ち、ニッケルイオン等金属イオンが陰極室に移動することなく 陰極での金属イオンの析出によるトラブルが防止される。

この発明実施例の電解槽 同じく陰極の斜視図 同じく室枠の斜視図 従来の電解槽

以下、この発明の実施例を説明する。

電解槽１に陰極２及び陽極３が配設してある。
前記陰極２は、断面長方形としたステンレス製又はニッケル製のメッシュであり、その外面に、電導性隔膜４としてスルホン酸タイプのパーフロロ系陽イオン交換膜が張り付けてある。前記陰極２は、リード線によって外部の電源と接続してある。
前記電導性隔膜４の透過孔は、陽極側及び陰極側で発生するガスを通さない大きさとしてある。

前記電導性隔膜４が貼り付けられた陰極２は、室枠５に装着してある。この室枠５は、断面長方形で、周壁及び底壁を備え、上部に蓋５ａが取り付けてある。室枠５はフッ素樹脂製であり、底壁に連通孔５ｂが設けてある。
前記陰極２，電導性隔膜４及び室枠５で陰極室６を構成している。
前記陰極室６は、室枠５の蓋５ａを電解槽１の上面に係止させてあり、着脱自在としてある。

上記の構成により、電解槽１は、電導性隔膜４で囲われた陰極室６（陰極の内側）と、その余の部分とが隔離され、その余の部分は全て陽極室７となる。そして、陰極ガス（水素）は、陰極室６に接続された陰極ガス出口ライン８から排出され、陽極ガス（三フッ化窒素など）は、陽極ガス出口ライン９から排出される。
図中、符号１０はスチーム・冷却水入口、１１はスチーム・冷却水出口である。

以下、この発明の実験例を説明する。

実験例１

平面視の面積が１４４ｃｍ^２、厚みが１ｃｍの上部に蓋がつき下部に連通孔のあいたフッ素樹脂製の枠体５に陰極２として５メッシュ、線径１ｍｍのステンレス製メッシュを取り付け、さらにメッシュ上に電導性隔膜４としてスルホン酸タイプのパーフロロ系陽イオン交換膜を張り付けた。
陰極２は枠体の蓋５ｂを通したリード線によって外部の電源と接続し、陰極ガスは陰極ガス出口ライン８を通して外部に排出した。また、陽極３もリード線によって外部の電源と接続してある。
前記イオン交換膜の有効通電部分の面積は１２１ｃｍ^２である。この陰極室６を、陽極３を具備した電解槽１に取り付けた。陽極３は厚さ５ｍｍ、１００ｃｍ^２のニッケル板を使用した。両極間の距離は約３ｃｍである。

電解液としてモル比１／２（ＮＨ_４Ｆ／ＨＦ）の溶融塩を使い、温度１２０℃、圧力＋0ｋｇ／ｃｍ^２、電流１７Ａで電解し、槽電圧６Ｖで両極室ガスの混合はなく安定していた。

実験例２

上記実験例１と同じ構成の電解槽を用いた。ただし電導性隔膜４にはイオン交換膜ではなく、厚さ１３０ミクロン、平均口径０．５ミクロンのテフロン（登録商標）製多孔質フィルムを使用し、これを陰極２に貼り付けた。
実験例１と同一の電解条件で運転した結果、槽電圧８Ｖで両極室ガスの混合はなく安定していたが、微かに陰極にニッケルの析出が見られた。

この発明は、半導体の分野におけるドライエッチングチャントやクリーニングガスとして需要が増大している三フッ化窒素を効率よく製造することに寄与するものであり、産業上の利用可能性を有するものである。

１ 電解槽
２ 陰極
３ 陽極
４ 電導性隔膜
５ 室枠
６ 陰極室

Claims (4)

1. フッ化水素含有の溶融塩物質を電解し、三フッ化窒素を製造するための電解槽において、陰極外面に密着して、又は陰極外面に近接して、電解により発生するガスを通さない極微細孔の電導性隔膜を設けた三フッ化窒素製造用電解槽。
2. 電導性隔膜は陽イオン交換膜とした、請求項１に記載の三フッ化窒素製造用電解槽。
3. 電導性隔膜は、陰極の外面に密着又は電極面に形成された、請求項１又は２に記載の三フッ化窒素製造用電解槽。
4. 陰極及び電導性隔膜は、周壁及び底壁を備えた室枠に収納されて陰極室を構成し、前記室枠の底部には陽極液との連通孔を設けた、請求項１ないし３の何れかに記載の三フッ化窒素製造用電解槽。