JP4059663B2 - 水素ガスの精製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガス中に不純物として含まれる窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を効率よく除去する水素ガスの精製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造工業において、水素ガスは、各工程の還元性雰囲気ガス等として大量に使用されている。近年の半導体の集積度の向上に伴い、水素ガスの高純度化に対する要求はますます厳しくなってきている。
【０００３】
一般に、水素ガスには数ppb 〜数１０ppm 程度の不純物が含まれており、半導体デバイス製造工業で使用する場合には、不純物をsub-ppb オーダー（つまり１ppb 未満）の超高純度まで精製することが望まれている。
【０００４】
水素ガスを超高純度まで精製する方法として、水素ガスを３００〜５００℃の加熱下でパラジウム合金膜に透過させる方法や、水素ガスを吸着材を用いて極低温下で物理吸着させる方法が採用されている。
【０００５】
このほか、合金ゲッタ剤を用いる次のような方法も提案されている。
（イ）特許第２９５４７０５号
不純物を含む水素ガスを、室温付近（５〜５０℃）のニッケルおよび／またはニッケル化合物を包含する粒状物質からなるニッケル含有ベッドと接触させた後、さらに高温下（たとえば２００〜６００℃）で非蒸発型ゲッタ（たとえば、Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ、Ｚｒ−Ｍｎ−Ｆｅ、なおＺｒは一部Ｔｉで置換可）と接触させる方法。ここで、ニッケル含有ベッドは、天然または合成モレキュラーシーブで構成される収着ベッドの前または後におくことができる。
（ロ）特開平７−２４２４０１号公報
原料水素ガスを、ジルコニウム合金（たとえば、ＺｒとＶとの二元合金、ＺｒとＶとＮｉ，Ｃｒ，Ｃｏから選ばれた元素との多元合金）の水素化物と、加熱下（殊に４００〜６００℃）に接触させる方法。
（ハ）特開平９−１９４９７０号公報
水素ガスを、ジルコニウム合金（Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｃｏのうちの少なくとも１種の元素１０〜７０重量％、Ｎｉの１〜２０重量％、残部がＺｒ）の水素化物に３５０〜９００℃で接触させ、ついで、マグネシウムまたはカルシウム合金（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒのうちの少なくとも１種の元素２０〜９０重量％、残部がマグネシウムまたはカルシウム）の水素化物に３５０〜９００℃で接触させる方法。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
水素ガスを超高純度まで精製する方法として従来提案されている方法のうち、パラジウム合金膜を用いる方法は、水素だけが選択的に透過できるため、容易に超高純度の水素ガスが得られるが、膜の抵抗が大きいため、原料水素と精製水素の圧力差が大きくなる欠点がある。また、材料および製作のコストが大きく、大流量の精製では装置コストの面で不利となる欠点がある。
【０００７】
吸着材を用いる方法は、室温下では窒素やメタンが除去できないため、極低温下で接触させる必要がある。このため、冷熱源として液体窒素が必要であり、液体窒素を供給するための断熱配管の施工が必要となる。また、吸着材は、精製時は極低温下で使用し、再生時は高温下で使用するため、吸着材を充填するカラムを十分に熱交換が行えるような構造にする必要があり、複雑になると共に、装置の規模や製作コストが大きくなる欠点がある。
【０００８】
合金ゲッタ剤を用いる方法のうち、ニッケル触媒やモレキュラーシーブでメタンと窒素以外の不純物を反応や吸着で除去し、ついで高温下の非蒸発型ゲッタでメタンと窒素を除去する上記（イ）の方法は、ニッケル触媒やモレキュラーシーブで再生工程と精製工程を交互に行うため、各充填カラムが２塔以上必要となり、装置の構成が複雑になると共に、装置の規模が大きくなる欠点がある。
【０００９】
また、ジルコニウム合金の水素化物と加熱下に接触させる上記（ロ）の方法、ジルコニウム合金の水素化物と、マグネシウムまたはカルシウム合金の水素化物とに、加熱下に順次接触させる上記（ハ）の方法を含め、合金ゲッタ剤を用いるこれら（イ）、（ロ）、（ハ）のいずれの方法も、ゲッタの加熱時に合金ゲッタ剤に含有する炭素と雰囲気水素によるメタン生成の挙動や生成メタンの低減方法に関する記載がなく、精製が可能となるまでの前処理条件が不明である。
【００１０】
さらに、上記（イ）、（ハ）には、不純物の除去濃度は示されているものの、ゲッタの不純物除去量に関する記載がなく、実用上問題のない除去量を有しているか不明である。
【００１１】
また、上記（ロ）の方法にあっては、合金ゲッタ剤の温度を最も除去が難しいメタンが除去可能な高温にする必要があり、その温度より低温で除去可能なその他の不純物の除去を考えた場合、エネルギー面で不経済である。
【００１２】
本発明は、このような問題点を解決すべく、加熱下の合金ゲッタ剤から反応生成するメタンを短時間で低減してから、特定の合金ゲッタ剤を２段に配置し、各段を異なる温度に設定して精製操作を行うことにより、不純物除去量が優れ、かつ経済的にも有利な水素ガスの精製方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素ガスの精製方法は、
不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガスを、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)に接触させ、ついで前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)に接触させて、水素ガスを精製するにあたり、
その水素ガスの精製操作に先立ち、前記合金ゲッタ剤(11), (13)に、前記の各不純物の濃度が１ppb 未満の超高純度水素ガスを、７００〜８００℃でかつ空間速度ＳＶ１００〜２０００hr-1の条件で少なくとも４８時間以上接触させて、該合金ゲッタ剤(11), (13)に含有する炭素と供給水素との反応により生成するメタンを１ppb 未満にまで低減させる前処理を行うこと
を特徴とするものである。
【００１４】
本発明の水素ガスの精製方法は、より詳しくは、
不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガスを精製する方法であって、
水素ガスを精製するに先立ち、合金ゲッタ剤 (11), (13) に、前記の各不純物の濃度が１ ppb 未満の超高純度水素ガスを、７００〜８００℃でかつ空間速度１００〜２０００ hr -1 の条件で少なくとも４８時間以上接触させて、該合金ゲッタ剤 (11), (13) に含有する炭素と供給水素との反応により生成するメタンを１ ppb 未満にまで低減させる前処理を行った後、不純物を含む水素ガスと接触させること、
上記の前処理を行った後、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)に、前記不純物を含む水素ガスを３００〜５００℃で接触させて、該不純物の中の窒素、酸素、水分を除去すると共に、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに転化して、実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスとなすこと、
ついで、この実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスを、前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)に５５０〜６００℃で接触させて、メタンを除去すること
を特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。なお、本発明において、「不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガス」とは、不純物としてこれらの６成分の全てを含むという限定的意味ではなく、それらのうち少なくとも一部を含む場合をも包含するという趣旨である。
【００１６】
〈合金ゲッタ剤(11), (13)〉
本発明においては、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11), (13)として、好適には、ミッシュメタル(Mm)、ハフニウム(Hf)のうち１種または２種の元素の合計重量が１〜１０重量％、アルミニウム(Al)の含量が１〜１０重量％、バナジウム(V) 、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)のうち１種または２種以上の元素の合計含量が５〜５０重量％、残部がジルコニウム(Zr)からなる多元合金が用いられる。このような組成を有する合金ゲッタ剤が、本発明の目的に特に適しているからである。
【００１７】
〈合金ゲッタ剤からのメタン生成の低減（前処理）〉
一般に、合金ゲッタ剤には、５０〜５０００重量ppm の炭素が含まれており、加熱下で水素と接触した場合、水素と反応してメタンが生成する。
【００１８】
従って、不純物を含む水素ガスを超高純度まで精製する場合は、予めこの生成メタンを低減することが特に望ましい。そこで、生成メタンの低減に先立ち、合金ゲッタ剤の水素化処理を行うことが有効である。
【００１９】
この場合、合金ゲッタ剤に直接水素１００％を流し、加熱下で精製するのは、設定している制御温度を超えて異常発熱を生じるので、危険である。
【００２０】
水素化反応は発熱反応であるため、室温下でアルゴン等の不活性ガスで空気成分を置換した後、前記の不活性ガスで２０容量％程度の濃度に調整した水素ガスと１２時間以上接触させ、ついで１００容量％の水素ガスと接触させた後、所定の温度まで昇温を行う。
【００２１】
この過程で、合金ゲッタ剤は水素と接触して水素化物となり、体積膨張が生じて数１０μm 程度の微粉末になる。
【００２２】
合金ゲッタ剤で生成されるメタンを１ppb 未満の極低濃度レベルまで低減することは、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分の各不純物が１ppb 未満の超高純度水素ガスを７００〜８００℃でかつ、空間速度ＳＶ１００〜２０００hr-1の条件で、少なくとも４８時間以上接触させることで達成できる。
【００２３】
そして、前記の前処理方法を行った後、精製温度を６００℃以下に維持して、後述の精製工程に供すればよい。
【００２４】
合金ゲッタ剤からのメタン生成の低減のために使用する水素ガス中の不純物は、上記のように精製水素ガスの保証値未満の濃度とする。水素ガス中の不純物が多いと、生成メタン低減過程で合金ゲッタ剤と反応し、精製時の不純物除去能力の低下を招くため好ましくない。生成メタン低減のための温度は、７００℃よりも低温になると単位時間あたりに生成するメタン量が少なく、低減するまでに長時間を要する。一方、８００℃よりも高温になると、生成メタンの低減時間は短縮されるものの、合金ゲッタ剤を充填するカラムに耐熱性材料を使用する必要が生じ、経済面で不利となる。
【００２５】
メタン生成低減のための空間速度ＳＶは、１００hr-1より小さくなると、生成メタンの脱離速度が低下する。一方、２０００hr-1より大きくなると、水素ガスの使用量が多くなりすぎて、ガスコストが増大する。
【００２６】
〈水素ガスの精製〉
本発明においては、前記の方法により生成メタンを低減した合金ゲッタ剤に、不純物を含む水素ガスを接触させて、不純物の除去を行う。
【００２７】
本発明に従って不純物を除去するには、生成メタンを低減した合金ゲッタ剤(11)に、不純物を含む水素ガスを３００〜５００℃で接触させて、該不純物の中の窒素、酸素、水分を除去すると共に、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに転化して、実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスとなす。ついで、この実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスを、前記と同一組成または別組成の合金ゲッタ剤に５５０〜６００℃で接触させて、メタンを除去する。
【００２８】
窒素、酸素および水分を除去し、一酸化炭素と二酸化炭素をメタンに転化するための温度は、３００℃より低い場合は、酸素および水分の除去と一酸化炭素と二酸化炭素をメタンに転化することはできるが、窒素が効率的に除去できない。また、５００℃より高いと、メタンが一部反応し、他の不純物の除去量が低下する。
【００２９】
メタンを除去する温度は、５５０℃より低いと反応効率が低下し、１ppb 未満まで除去できない。また、６００℃より高いと、合金ゲッタ剤で生成されるメタンの濃度レベルが１ppb を越え、精製の保証濃度を得ることが難しくなる。
【００３０】
なお、各不純物の除去は、本発明のごとく２段階に温度調整をせずに、５５０〜６００℃の同一温度に維持した合金ゲッタ剤に接触させることでも行うことができないわけではないが、多成分を同時に除去した場合、最も除去が難しいメタンの除去を目的とする５５０〜６００℃の高温部を、それより低温の３００〜５００℃で除去できるその他の成分の除去に適用することになるので、エネルギーロスが生じ、不経済となる。
【００３１】
〈圧力損失の低減〉
先に述べたように、合金ゲッタ剤は、前処理工程における水素ガスとの接触により微粉末の形状となるため、精製時に圧力損失を生じやすい。
【００３２】
充填層の圧力損失は、一般には充填層高および空塔線速度ＬＶに比例するが、合金ゲッタ剤は粉末状態でも高温下で水素を吸蔵して体積膨張が生じ、充填層高の増加以上に圧力損失が生じる。
【００３３】
これは、充填層高が長くなると、ガスの流れ方向（縦方向）で体積膨張をカバーできなくなり、径方向（横方向）に応力が生じ、特に充填層下部が極めて密な充填状態になるためである。
【００３４】
そこで、本発明においては、合金ゲッタ剤の充填層高さが過大になるとき、たとえば２００mmを越えるとか２５０mmを越えるとかいうような高さが必要な場合は、充填層を分割し、充填層と充填層の間に空間部(S) を設けて、上記のような密充填状態を緩和することが特に望ましい。そして、さらに水素ガスとの接触時の見掛けの空塔線速度ＬＶを５cm/sec以下に抑えるという工夫を講ずれば、実用上問題のない圧力損失での精製が可能となる。
【００３５】
図４は、圧力損失を低減するために、合金ゲッタ剤を分割充填したカラムの一例を示した概略説明図である。
【００３６】
〈精製装置〉
上述の精製方法を実施するために、水素ガスの精製装置としては、
・前記不純物を含む水素ガスを接触させて、該不純物の中の窒素、酸素、水分を除去すると共に、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに転化して、実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスとなすための、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)を充填した精製塔(4) と、
・この実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスを接触させてメタンを除去するための、前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)を充填した精製塔(6)
とを備えてなるものが用いられる。
【００３７】
先に言及した図４、および以下で説明する図２〜３において、(4), (6)は精製塔、(5) は精製塔(4) の分析用ガス出口またはパージガス出口、(11), (13)は合金ゲッタ剤、(12), (14)は加熱機構、(S) は空間部、(V) はバルブである。
【００３８】
図２は、個別のカラムに合金ゲッタ剤を充填した場合の概略説明図である。
図３は、同一のカラムに合金ゲッタ剤を２層充填した場合の概略説明図である。
【００３９】
合金ゲッタ剤(11), (13)を充填する精製塔(4), (6)は、
・図２に示すように、２つの精製塔（カラム）を直列に設置し、精製塔（カラム）ごとに個別に温度調整を行う態様、
・図３に示すように、１つ精製塔（カラム）の内部に２種類の充填層を設け、精製塔（カラム）の上部と下部を個別に温度調整を行う態様
のいずれの態様も可能である。
【００４０】
ところで、合金ゲッタ剤による精製は、不可逆的な反応で不純物を除去するものであるため、再生ができず、定期的にカラムを交換する必要がある。
【００４１】
図２の態様は、前段の合金ゲッタ剤の交換周期と後段の合金ゲッタ剤の交換周期とが異なった場合でも、片方の精製塔のみの交換が可能であり、有効に合金ゲッタ剤を使用できる利点がある。
【００４２】
図３の態様は、前段と後段の合金ゲッタ剤を同時に交換する必要があるが、精製塔がコンパクトになり、装置の規模を小さくできる利点がある。また、加熱時に、前段の合金ゲッタ剤と後段の合金ゲッタ剤の間からの熱損失が小さくて済み、経済的な運転が可能となる。
【００４３】
〈作用〉
本発明によれば、前処理工程を行うことにより、合金ゲッタ剤で生成するメタンを効率よく低減することができ、短時間で精製を開始することが可能となる。そして、精製工程において、２種類の温度条件の合金ゲッタ剤を組み合わせて使用することにより、各不純物を１ppb 未満に低減した超高純度水素を、安定的にかつ経済的に得ることができる。
【００４４】
【実施例】
次に実施例をあげて本発明をさらに説明する。
【００４５】
実施例１
（装置の説明）
図１は、本発明の方法に従って水素ガスの精製を行うときの精製装置の一例を示した概略説明図である。
【００４６】
図１において、(1) は原料水素ガス入口、(2) は超高純度水素ガス入口、(3) は超高純度アルゴンガス入口、(4), (6)は精製塔、(5) は精製塔(4) の分析用ガス出口またはパージガス出口、(7) は精製塔(6) の分析用ガス出口またはパージガス出口、(8) は冷却機構、(9) は精製水素ガス出口、(10)はパージ水素ガス排出口、(11), (13)は合金ゲッタ剤、(12), (14)は加熱機構、(F1), (F2), (F3)は流量調整器、(V) はバルブである。
【００４７】
（合金ゲッタ剤(11), (13)）
合金ゲッタ剤(11), (13)として、ジルコニウム(Zr)６０重量％、バナジウム(V) ２９重量％、アルミニウム(Al)４重量％、ハフニウム(Hf) 0.5重量％、ミッシュメタル(Mm)４重量％、鉄(Fe)２重量％、ニッケル 0.5重量％の組成を有する直径３mm、長さ３mmのペレット状の合金ゲッタ剤を用いた。
【００４８】
（前処理操作）
図１の装置を用いて水素ガスの精製を行った。まず、内径42.6mmのステンレス鋼製の精製塔(4), (6)のそれぞれに、上記の合金ゲッタ剤を、いずれも２００mmとなるように充填した（トータル充填高さは４００mm）。
【００４９】
各精製塔(4), (6)内の空気成分をアルゴンガスで置換した後、水素ガスをアルゴンガスで希釈して、２０容量％の濃度に調整した水素ガスを、圧力 0.1MPaG、流量１NL/minで１２時間連続で流し、合金ゲッタ剤の水素化処理を行った。発熱が終了した後、水素ガス１００容量％に変えて同様の処理を行った。各塔の空間速度ＳＶは２１０hr-1、２塔合計の空間速度ＳＶは１０５hr-1に設定した。なお、水素ガスとアルゴンガスは、共に、各不純物濃度が１ppb 未満の超高純度のものを使用した。
【００５０】
ついで、超高純度水素ガスを、圧力 0.5MPaG、流量５NL/minで流しながら、精製塔(4), (6)を共に７００℃まで加熱した状態で４８時間保持した。加熱開始後、精製塔出口ガス中のメタンは最大４００ppm 程度の濃度が検出され、時間の経過とともに減少する傾向が見られた。４８時間経過後、精製塔(4) を４５０℃に、精製塔(6) を５８０℃に保持して、精製塔(6) の出口ガス中のメタン濃度を測定したところ、 0.5ppb の低濃度であった。
【００５１】
（精製操作）
次に、精製塔(4) の温度を３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃に、一方、精製塔(6) の温度を５５０℃、５８０℃、６００℃の各温度に調節しながら、不純物濃度が窒素５ppm 、酸素５ppm 、一酸化炭素 0.1ppm 、二酸化炭素 0.1ppm 、メタン 0.1ppm 、水分１０ppm となるように不純物を添加した水素ガスを、圧力 0.5MPaG、流量５NL/minで連続的に供給して精製を行った。各塔の空間速度ＳＶは１０５２hr-1、２塔合計の空間速度ＳＶは５２６hr-1に設定した。
【００５２】
なお、不純物の分析は、大気圧イオン化質量分析計(API-MS)、ガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS) 、水素炎イオン化式ガスクロマトグラフ(GC-FID)を用いて行った。
【００５３】
表１に、各温度条件における精製時の精製塔(4) 出口ガスの不純物濃度を示す。また、表２に、各温度条件における精製時の精製塔(6) 出口ガスの不純物濃度を示す。
【００５４】
【表１】
精製温度 ( ℃ ) 精製塔 (4) 出口ガス中の不純物濃度 (ppb)
(4) (6) N 2 O 2 CO CO 2 CH 4 H 2 O
300 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 297 0.7
300 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 305 0.6
300 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 302 0.6
350 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 310 0.5
350 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 295 0.6
350 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 299 0.5
400 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 298 0.5
400 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 299 0.5
400 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 303 0.5
450 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 300 0.3
450 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 298 0.4
450 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 305 0.3
500 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 301 0.3
500 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 306 0.2
500 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 296 0.2
【００５５】
【表２】
精製温度 ( ℃ ) 精製塔 (6) 出口ガス中の不純物濃度 (ppb)
(4) (6) N 2 O 2 CO CO 2 CH 4 H 2 O
300 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
300 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
300 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
350 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
350 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
350 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
400 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.4
400 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
400 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
450 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
450 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.2
450 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
500 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
500 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
500 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
【００５６】
表１に示すように、各温度条件とも、窒素、酸素、水分が除去され、一酸化炭素、二酸化炭素が全てメタンに転化されていた。
【００５７】
表２に示すように、各温度条件とも、入口に多く含まれていたメタンのほか、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水分も１ppb 未満であり、充分な精製能力が得られた。
【００５８】
また、精製塔(4) の温度が５００℃、精製塔(6) の温度が６００℃の、見掛けの空塔線速度ＬＶが最も大きくなる条件で精製した際の原料水素に対する精製水素の圧力降下は 0.02MPaであり、実用上問題のないレベルであった。なお、圧力0.5MPaG における空塔線速度ＬＶは、５００℃の場合が2.79cm/sec、６００℃の場合が3.15cm/secであった。
【００５９】
実施例２
後段の合金ゲッタ剤(13)として、ジルコニウム(Zr)５０重量％、バナジウム(V) ３６重量％、アルミニウム(Al)６重量％、ハフニウム(Hf)１重量％、ミッシュメタル(Mm)６重量％、鉄(Fe) 0.7重量％、ニッケル 0.3重量％の組成を有する直径３mm、長さ３mmのペレット状の合金ゲッタ剤を用いたほかは、実施例１と同一の方法で精製を行った。
【００６０】
表３に、各温度条件における精製時の、精製塔(6) の出口ガスの不純物濃度を示す。
【００６１】
【表３】
精製温度 ( ℃ ) 精製塔 (6) 出口ガス中の不純物濃度 (ppb)
(4) (6) N 2 O 2 CO CO 2 CH 4 H 2 O
300 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.4
300 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
300 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
350 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
350 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
350 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.3
400 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
400 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
400 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
450 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.4
450 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
450 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
500 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.2
500 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
500 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
【００６２】
表３に示すように、各温度条件とも、入口に多く含まれていたメタンのほか、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水分も１ppb 未満であり、充分な精製能力が得られた。
【００６３】
実施例３
原料水素ガス中の不純物濃度を、窒素１００ppm 、酸素１００ppm 、一酸化炭素２ppm 、二酸化炭素２ppm 、メタン２ppm 、水分２００ppm に変更したほかは、実施例１と同一の方法で精製を行った。各温度条件とも、精製塔(4) の出口ガスにメタン以外の不純物が１ppb を越える時間まで精製を行った。
【００６４】
表４に、精製塔(4) 出口ガス中にメタン以外の不純物が最初に１ppb を越えた成分（第一破過成分）と精製に要した時間、およびその時の精製塔(6) 出口ガス中のメタン濃度を示す。
【００６５】
【表４】
精製温度 (℃) 精製塔(4) の 精製塔(4) の 精製塔(6) 出口の
(4) (6) 第一破過成分 第一破過時間 (hr) メタン濃度 (ppb)
300 550 N2 215 0.4
300 580 N2 217 0.5
300 600 N 2 214 0.6
350 550 N2 655 0.4
350 580 N2 653 0.5
350 600 N 2 655 0.5
400 550 N2 890 0.4
400 580 N2 889 0.5
400 600 N 2 891 0.7
450 550 N2 1381 0.3
450 580 N2 1379 0.5
450 600 N 2 1383 0.6
500 550 N2 1725 0.4
500 580 N2 1727 0.5
500 600 N 2 1727 0.6
【００６６】
表４に示すように、各温度条件とも、精製塔(4) の第一破過成分は窒素であった。また、その時の精製塔(6) 出口ガス中のメタン濃度は全て１ppb 未満であり、充分な精製能力が得られた。
【００６７】
実施例４
精製塔(6) の合金ゲッタ剤(13)の充填量を２倍にし、充填層を高さ２００mmずつの２分割にかつ充填層間に１００mmの空間部(S) を設けたほかは（合金ゲッタ剤(11), (13)トータル充填高さは６００mmとなる）、実施例１と同一の方法で圧力損失を測定した。
【００６８】
その際の圧力降下は
0.03MPaとなり、充填高さに比例した結果が得られた。
【００６９】
参考例１
前処理工程における水素化処理後の加熱温度の７００℃を６００℃に変えたほかは、実施例１と同一の方法で生成メタンの低減処理を行った。
【００７０】
４８時間経過後、精製塔(4) を４５０℃に、精製塔(6) を５８０℃に保持して、精製塔(6) の出口ガス中のメタン濃度を測定したところ 3.6ppb であり、１ppb を越える濃度であった。
【００７１】
さらに６００℃で加熱を継続し、同様の操作で、精製塔(6) の出口ガス中のメタン濃度を測定したところ、１ppb 未満を達成するするために２１０時間を要した。
【００７２】
参考例２
精製塔(6) の合金ゲッタ剤の充填量を２倍にし、充填層を高さを４００mmにしたほかは（合金ゲッタ剤(11), (13)トータル充填高さは６００mmとなる）、実施例１と同一の方法で圧力損失を測定した。
【００７３】
その際の圧力降下は 0.09MPaとなり、充填高さの増加比以上に圧力損失が生じていた。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、前処理工程を行うことにより、合金ゲッタ剤で生成するメタンを効率よく低減でき、短時間で精製が可能となる。そして、精製工程において、２種類の温度条件の合金ゲッタ剤を組み合わせて使用することにより、各不純物を１ppb 未満に低減した超高純度水素を、安定的にかつ経済的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法に従って水素ガスの精製を行うときの精製装置の一例を示した概略説明図である。
【図２】 個別のカラムに合金ゲッタ剤を充填した場合の概略説明図である。
【図３】 同一のカラムに合金ゲッタ剤を２層充填した場合の概略説明図である。
【図４】 圧力損失を低減するために、合金ゲッタ剤を分割充填したカラムの一例を示した概略説明図である。
【符号の説明】
(1) …原料水素ガス入口、
(2) …超高純度水素ガス入口、
(3) …超高純度アルゴンガス入口、
(4) …精製塔、
(5) …（精製塔(4) の）分析用ガス出口またはパージガス出口、
(6) …精製塔、
(7) …（精製塔(6) の）分析用ガス出口またはパージガス出口、
(8) …冷却機構、
(9) …精製水素ガス出口、
(10)…パージ水素排出口、
(11)…合金ゲッタ剤、
(12)…加熱機構、
(13)…合金ゲッタ剤、
(14)…加熱機構、
(S) …空間部、
(F1)〜(F4)…流量調整器、
(V) …バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガス中に不純物として含まれる窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を効率よく除去する水素ガスの精製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造工業において、水素ガスは、各工程の還元性雰囲気ガス等として大量に使用されている。近年の半導体の集積度の向上に伴い、水素ガスの高純度化に対する要求はますます厳しくなってきている。
【０００３】
一般に、水素ガスには数ppb 〜数１０ppm 程度の不純物が含まれており、半導体デバイス製造工業で使用する場合には、不純物をsub-ppb オーダー（つまり１ppb 未満）の超高純度まで精製することが望まれている。
【０００４】
水素ガスを超高純度まで精製する方法として、水素ガスを３００〜５００℃の加熱下でパラジウム合金膜に透過させる方法や、水素ガスを吸着材を用いて極低温下で物理吸着させる方法が採用されている。
【０００５】
このほか、合金ゲッタ剤を用いる次のような方法も提案されている。
（イ）特許第２９５４７０５号
不純物を含む水素ガスを、室温付近（５〜５０℃）のニッケルおよび／またはニッケル化合物を包含する粒状物質からなるニッケル含有ベッドと接触させた後、さらに高温下（たとえば２００〜６００℃）で非蒸発型ゲッタ（たとえば、Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ、Ｚｒ−Ｍｎ−Ｆｅ、なおＺｒは一部Ｔｉで置換可）と接触させる方法。ここで、ニッケル含有ベッドは、天然または合成モレキュラーシーブで構成される収着ベッドの前または後におくことができる。
（ロ）特開平７−２４２４０１号公報
原料水素ガスを、ジルコニウム合金（たとえば、ＺｒとＶとの二元合金、ＺｒとＶとＮｉ，Ｃｒ，Ｃｏから選ばれた元素との多元合金）の水素化物と、加熱下（殊に４００〜６００℃）に接触させる方法。
（ハ）特開平９−１９４９７０号公報
水素ガスを、ジルコニウム合金（Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｃｏのうちの少なくとも１種の元素１０〜７０重量％、Ｎｉの１〜２０重量％、残部がＺｒ）の水素化物に３５０〜９００℃で接触させ、ついで、マグネシウムまたはカルシウム合金（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒのうちの少なくとも１種の元素２０〜９０重量％、残部がマグネシウムまたはカルシウム）の水素化物に３５０〜９００℃で接触させる方法。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
水素ガスを超高純度まで精製する方法として従来提案されている方法のうち、パラジウム合金膜を用いる方法は、水素だけが選択的に透過できるため、容易に超高純度の水素ガスが得られるが、膜の抵抗が大きいため、原料水素と精製水素の圧力差が大きくなる欠点がある。また、材料および製作のコストが大きく、大流量の精製では装置コストの面で不利となる欠点がある。
【０００７】
吸着材を用いる方法は、室温下では窒素やメタンが除去できないため、極低温下で接触させる必要がある。このため、冷熱源として液体窒素が必要であり、液体窒素を供給するための断熱配管の施工が必要となる。また、吸着材は、精製時は極低温下で使用し、再生時は高温下で使用するため、吸着材を充填するカラムを十分に熱交換が行えるような構造にする必要があり、複雑になると共に、装置の規模や製作コストが大きくなる欠点がある。
【０００８】
合金ゲッタ剤を用いる方法のうち、ニッケル触媒やモレキュラーシーブでメタンと窒素以外の不純物を反応や吸着で除去し、ついで高温下の非蒸発型ゲッタでメタンと窒素を除去する上記（イ）の方法は、ニッケル触媒やモレキュラーシーブで再生工程と精製工程を交互に行うため、各充填カラムが２塔以上必要となり、装置の構成が複雑になると共に、装置の規模が大きくなる欠点がある。
【０００９】
また、ジルコニウム合金の水素化物と加熱下に接触させる上記（ロ）の方法、ジルコニウム合金の水素化物と、マグネシウムまたはカルシウム合金の水素化物とに、加熱下に順次接触させる上記（ハ）の方法を含め、合金ゲッタ剤を用いるこれら（イ）、（ロ）、（ハ）のいずれの方法も、ゲッタの加熱時に合金ゲッタ剤に含有する炭素と雰囲気水素によるメタン生成の挙動や生成メタンの低減方法に関する記載がなく、精製が可能となるまでの前処理条件が不明である。
【００１０】
さらに、上記（イ）、（ハ）には、不純物の除去濃度は示されているものの、ゲッタの不純物除去量に関する記載がなく、実用上問題のない除去量を有しているか不明である。
【００１１】
また、上記（ロ）の方法にあっては、合金ゲッタ剤の温度を最も除去が難しいメタンが除去可能な高温にする必要があり、その温度より低温で除去可能なその他の不純物の除去を考えた場合、エネルギー面で不経済である。
【００１２】
本発明は、このような問題点を解決すべく、加熱下の合金ゲッタ剤から反応生成するメタンを短時間で低減してから、特定の合金ゲッタ剤を２段に配置し、各段を異なる温度に設定して精製操作を行うことにより、不純物除去量が優れ、かつ経済的にも有利な水素ガスの精製方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素ガスの精製方法は、
不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガスを、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)に接触させ、ついで前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)に接触させて、水素ガスを精製するにあたり、
その水素ガスの精製操作に先立ち、前記合金ゲッタ剤(11), (13)に、前記の各不純物の濃度が１ppb 未満の超高純度水素ガスを、７００〜８００℃でかつ空間速度ＳＶ１００〜２０００hr-1の条件で少なくとも４８時間以上接触させて、該合金ゲッタ剤(11), (13)に含有する炭素と供給水素との反応により生成するメタンを１ppb 未満にまで低減させる前処理を行うこと
を特徴とするものである。
【００１４】
本発明の水素ガスの精製方法は、より詳しくは、
不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガスを精製する方法であって、
水素ガスを精製するに先立ち、合金ゲッタ剤 (11), (13) に、前記の各不純物の濃度が１ ppb 未満の超高純度水素ガスを、７００〜８００℃でかつ空間速度１００〜２０００ hr -1 の条件で少なくとも４８時間以上接触させて、該合金ゲッタ剤 (11), (13) に含有する炭素と供給水素との反応により生成するメタンを１ ppb 未満にまで低減させる前処理を行った後、不純物を含む水素ガスと接触させること、
上記の前処理を行った後、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)に、前記不純物を含む水素ガスを３００〜５００℃で接触させて、該不純物の中の窒素、酸素、水分を除去すると共に、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに転化して、実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスとなすこと、
ついで、この実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスを、前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)に５５０〜６００℃で接触させて、メタンを除去すること
を特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。なお、本発明において、「不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガス」とは、不純物としてこれらの６成分の全てを含むという限定的意味ではなく、それらのうち少なくとも一部を含む場合をも包含するという趣旨である。
【００１６】
〈合金ゲッタ剤(11), (13)〉
本発明においては、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11), (13)として、好適には、ミッシュメタル(Mm)、ハフニウム(Hf)のうち１種または２種の元素の合計重量が１〜１０重量％、アルミニウム(Al)の含量が１〜１０重量％、バナジウム(V) 、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)のうち１種または２種以上の元素の合計含量が５〜５０重量％、残部がジルコニウム(Zr)からなる多元合金が用いられる。このような組成を有する合金ゲッタ剤が、本発明の目的に特に適しているからである。
【００１７】
〈合金ゲッタ剤からのメタン生成の低減（前処理）〉
一般に、合金ゲッタ剤には、５０〜５０００重量ppm の炭素が含まれており、加熱下で水素と接触した場合、水素と反応してメタンが生成する。
【００１８】
従って、不純物を含む水素ガスを超高純度まで精製する場合は、予めこの生成メタンを低減することが特に望ましい。そこで、生成メタンの低減に先立ち、合金ゲッタ剤の水素化処理を行うことが有効である。
【００１９】
この場合、合金ゲッタ剤に直接水素１００％を流し、加熱下で精製するのは、設定している制御温度を超えて異常発熱を生じるので、危険である。
【００２０】
水素化反応は発熱反応であるため、室温下でアルゴン等の不活性ガスで空気成分を置換した後、前記の不活性ガスで２０容量％程度の濃度に調整した水素ガスと１２時間以上接触させ、ついで１００容量％の水素ガスと接触させた後、所定の温度まで昇温を行う。
【００２１】
この過程で、合金ゲッタ剤は水素と接触して水素化物となり、体積膨張が生じて数１０μm 程度の微粉末になる。
【００２２】
合金ゲッタ剤で生成されるメタンを１ppb 未満の極低濃度レベルまで低減することは、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分の各不純物が１ppb 未満の超高純度水素ガスを７００〜８００℃でかつ、空間速度ＳＶ１００〜２０００hr-1の条件で、少なくとも４８時間以上接触させることで達成できる。
【００２３】
そして、前記の前処理方法を行った後、精製温度を６００℃以下に維持して、後述の精製工程に供すればよい。
【００２４】
合金ゲッタ剤からのメタン生成の低減のために使用する水素ガス中の不純物は、上記のように精製水素ガスの保証値未満の濃度とする。水素ガス中の不純物が多いと、生成メタン低減過程で合金ゲッタ剤と反応し、精製時の不純物除去能力の低下を招くため好ましくない。生成メタン低減のための温度は、７００℃よりも低温になると単位時間あたりに生成するメタン量が少なく、低減するまでに長時間を要する。一方、８００℃よりも高温になると、生成メタンの低減時間は短縮されるものの、合金ゲッタ剤を充填するカラムに耐熱性材料を使用する必要が生じ、経済面で不利となる。
【００２５】
メタン生成低減のための空間速度ＳＶは、１００hr-1より小さくなると、生成メタンの脱離速度が低下する。一方、２０００hr-1より大きくなると、水素ガスの使用量が多くなりすぎて、ガスコストが増大する。
【００２６】
〈水素ガスの精製〉
本発明においては、前記の方法により生成メタンを低減した合金ゲッタ剤に、不純物を含む水素ガスを接触させて、不純物の除去を行う。
【００２７】
本発明に従って不純物を除去するには、生成メタンを低減した合金ゲッタ剤(11)に、不純物を含む水素ガスを３００〜５００℃で接触させて、該不純物の中の窒素、酸素、水分を除去すると共に、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに転化して、実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスとなす。ついで、この実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスを、前記と同一組成または別組成の合金ゲッタ剤に５５０〜６００℃で接触させて、メタンを除去する。
【００２８】
窒素、酸素および水分を除去し、一酸化炭素と二酸化炭素をメタンに転化するための温度は、３００℃より低い場合は、酸素および水分の除去と一酸化炭素と二酸化炭素をメタンに転化することはできるが、窒素が効率的に除去できない。また、５００℃より高いと、メタンが一部反応し、他の不純物の除去量が低下する。
【００２９】
メタンを除去する温度は、５５０℃より低いと反応効率が低下し、１ppb 未満まで除去できない。また、６００℃より高いと、合金ゲッタ剤で生成されるメタンの濃度レベルが１ppb を越え、精製の保証濃度を得ることが難しくなる。
【００３０】
なお、各不純物の除去は、本発明のごとく２段階に温度調整をせずに、５５０〜６００℃の同一温度に維持した合金ゲッタ剤に接触させることでも行うことができないわけではないが、多成分を同時に除去した場合、最も除去が難しいメタンの除去を目的とする５５０〜６００℃の高温部を、それより低温の３００〜５００℃で除去できるその他の成分の除去に適用することになるので、エネルギーロスが生じ、不経済となる。
【００３１】
〈圧力損失の低減〉
先に述べたように、合金ゲッタ剤は、前処理工程における水素ガスとの接触により微粉末の形状となるため、精製時に圧力損失を生じやすい。
【００３２】
充填層の圧力損失は、一般には充填層高および空塔線速度ＬＶに比例するが、合金ゲッタ剤は粉末状態でも高温下で水素を吸蔵して体積膨張が生じ、充填層高の増加以上に圧力損失が生じる。
【００３３】
これは、充填層高が長くなると、ガスの流れ方向（縦方向）で体積膨張をカバーできなくなり、径方向（横方向）に応力が生じ、特に充填層下部が極めて密な充填状態になるためである。
【００３４】
そこで、本発明においては、合金ゲッタ剤の充填層高さが過大になるとき、たとえば２００mmを越えるとか２５０mmを越えるとかいうような高さが必要な場合は、充填層を分割し、充填層と充填層の間に空間部(S) を設けて、上記のような密充填状態を緩和することが特に望ましい。そして、さらに水素ガスとの接触時の見掛けの空塔線速度ＬＶを５cm/sec以下に抑えるという工夫を講ずれば、実用上問題のない圧力損失での精製が可能となる。
【００３５】
図４は、圧力損失を低減するために、合金ゲッタ剤を分割充填したカラムの一例を示した概略説明図である。
【００３６】
〈精製装置〉
上述の精製方法を実施するために、水素ガスの精製装置としては、
・前記不純物を含む水素ガスを接触させて、該不純物の中の窒素、酸素、水分を除去すると共に、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに転化して、実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスとなすための、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)を充填した精製塔(4) と、
・この実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスを接触させてメタンを除去するための、前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)を充填した精製塔(6)
とを備えてなるものが用いられる。
【００３７】
先に言及した図４、および以下で説明する図２〜３において、(4), (6)は精製塔、(5) は精製塔(4) の分析用ガス出口またはパージガス出口、(11), (13)は合金ゲッタ剤、(12), (14)は加熱機構、(S) は空間部、(V) はバルブである。
【００３８】
図２は、個別のカラムに合金ゲッタ剤を充填した場合の概略説明図である。
図３は、同一のカラムに合金ゲッタ剤を２層充填した場合の概略説明図である。
【００３９】
合金ゲッタ剤(11), (13)を充填する精製塔(4), (6)は、
・図２に示すように、２つの精製塔（カラム）を直列に設置し、精製塔（カラム）ごとに個別に温度調整を行う態様、
・図３に示すように、１つ精製塔（カラム）の内部に２種類の充填層を設け、精製塔（カラム）の上部と下部を個別に温度調整を行う態様
のいずれの態様も可能である。
【００４０】
ところで、合金ゲッタ剤による精製は、不可逆的な反応で不純物を除去するものであるため、再生ができず、定期的にカラムを交換する必要がある。
【００４１】
図２の態様は、前段の合金ゲッタ剤の交換周期と後段の合金ゲッタ剤の交換周期とが異なった場合でも、片方の精製塔のみの交換が可能であり、有効に合金ゲッタ剤を使用できる利点がある。
【００４２】
図３の態様は、前段と後段の合金ゲッタ剤を同時に交換する必要があるが、精製塔がコンパクトになり、装置の規模を小さくできる利点がある。また、加熱時に、前段の合金ゲッタ剤と後段の合金ゲッタ剤の間からの熱損失が小さくて済み、経済的な運転が可能となる。
【００４３】
〈作用〉
本発明によれば、前処理工程を行うことにより、合金ゲッタ剤で生成するメタンを効率よく低減することができ、短時間で精製を開始することが可能となる。そして、精製工程において、２種類の温度条件の合金ゲッタ剤を組み合わせて使用することにより、各不純物を１ppb 未満に低減した超高純度水素を、安定的にかつ経済的に得ることができる。
【００４４】
【実施例】
次に実施例をあげて本発明をさらに説明する。
【００４５】
実施例１
（装置の説明）
図１は、本発明の方法に従って水素ガスの精製を行うときの精製装置の一例を示した概略説明図である。
【００４６】
図１において、(1) は原料水素ガス入口、(2) は超高純度水素ガス入口、(3) は超高純度アルゴンガス入口、(4), (6)は精製塔、(5) は精製塔(4) の分析用ガス出口またはパージガス出口、(7) は精製塔(6) の分析用ガス出口またはパージガス出口、(8) は冷却機構、(9) は精製水素ガス出口、(10)はパージ水素ガス排出口、(11), (13)は合金ゲッタ剤、(12), (14)は加熱機構、(F1), (F2), (F3)は流量調整器、(V) はバルブである。
【００４７】
（合金ゲッタ剤(11), (13)）
合金ゲッタ剤(11), (13)として、ジルコニウム(Zr)６０重量％、バナジウム(V) ２９重量％、アルミニウム(Al)４重量％、ハフニウム(Hf) 0.5重量％、ミッシュメタル(Mm)４重量％、鉄(Fe)２重量％、ニッケル 0.5重量％の組成を有する直径３mm、長さ３mmのペレット状の合金ゲッタ剤を用いた。
【００４８】
（前処理操作）
図１の装置を用いて水素ガスの精製を行った。まず、内径42.6mmのステンレス鋼製の精製塔(4), (6)のそれぞれに、上記の合金ゲッタ剤を、いずれも２００mmとなるように充填した（トータル充填高さは４００mm）。
【００４９】
各精製塔(4), (6)内の空気成分をアルゴンガスで置換した後、水素ガスをアルゴンガスで希釈して、２０容量％の濃度に調整した水素ガスを、圧力 0.1MPaG、流量１NL/minで１２時間連続で流し、合金ゲッタ剤の水素化処理を行った。発熱が終了した後、水素ガス１００容量％に変えて同様の処理を行った。各塔の空間速度ＳＶは２１０hr-1、２塔合計の空間速度ＳＶは１０５hr-1に設定した。なお、水素ガスとアルゴンガスは、共に、各不純物濃度が１ppb 未満の超高純度のものを使用した。
【００５０】
ついで、超高純度水素ガスを、圧力 0.5MPaG、流量５NL/minで流しながら、精製塔(4), (6)を共に７００℃まで加熱した状態で４８時間保持した。加熱開始後、精製塔出口ガス中のメタンは最大４００ppm 程度の濃度が検出され、時間の経過とともに減少する傾向が見られた。４８時間経過後、精製塔(4) を４５０℃に、精製塔(6) を５８０℃に保持して、精製塔(6) の出口ガス中のメタン濃度を測定したところ、 0.5ppb の低濃度であった。
【００５１】
（精製操作）
次に、精製塔(4) の温度を３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃に、一方、精製塔(6) の温度を５５０℃、５８０℃、６００℃の各温度に調節しながら、不純物濃度が窒素５ppm 、酸素５ppm 、一酸化炭素 0.1ppm 、二酸化炭素 0.1ppm 、メタン 0.1ppm 、水分１０ppm となるように不純物を添加した水素ガスを、圧力 0.5MPaG、流量５NL/minで連続的に供給して精製を行った。各塔の空間速度ＳＶは１０５２hr-1、２塔合計の空間速度ＳＶは５２６hr-1に設定した。
【００５２】
なお、不純物の分析は、大気圧イオン化質量分析計(API-MS)、ガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS) 、水素炎イオン化式ガスクロマトグラフ(GC-FID)を用いて行った。
【００５３】
表１に、各温度条件における精製時の精製塔(4) 出口ガスの不純物濃度を示す。また、表２に、各温度条件における精製時の精製塔(6) 出口ガスの不純物濃度を示す。
【００５４】
【表１】
精製温度 ( ℃ ) 精製塔 (4) 出口ガス中の不純物濃度 (ppb)
(4) (6) N 2 O 2 CO CO 2 CH 4 H 2 O
300 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 297 0.7
300 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 305 0.6
300 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 302 0.6
350 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 310 0.5
350 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 295 0.6
350 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 299 0.5
400 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 298 0.5
400 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 299 0.5
400 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 303 0.5
450 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 300 0.3
450 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 298 0.4
450 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 305 0.3
500 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 301 0.3
500 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 306 0.2
500 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 296 0.2
【００５５】
【表２】
精製温度 ( ℃ ) 精製塔 (6) 出口ガス中の不純物濃度 (ppb)
(4) (6) N 2 O 2 CO CO 2 CH 4 H 2 O
300 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
300 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
300 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
350 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
350 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
350 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
400 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.4
400 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
400 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
450 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
450 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.2
450 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
500 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
500 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
500 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
【００５６】
表１に示すように、各温度条件とも、窒素、酸素、水分が除去され、一酸化炭素、二酸化炭素が全てメタンに転化されていた。
【００５７】
表２に示すように、各温度条件とも、入口に多く含まれていたメタンのほか、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水分も１ppb 未満であり、充分な精製能力が得られた。
【００５８】
また、精製塔(4) の温度が５００℃、精製塔(6) の温度が６００℃の、見掛けの空塔線速度ＬＶが最も大きくなる条件で精製した際の原料水素に対する精製水素の圧力降下は 0.02MPaであり、実用上問題のないレベルであった。なお、圧力0.5MPaG における空塔線速度ＬＶは、５００℃の場合が2.79cm/sec、６００℃の場合が3.15cm/secであった。
【００５９】
実施例２
後段の合金ゲッタ剤(13)として、ジルコニウム(Zr)５０重量％、バナジウム(V) ３６重量％、アルミニウム(Al)６重量％、ハフニウム(Hf)１重量％、ミッシュメタル(Mm)６重量％、鉄(Fe) 0.7重量％、ニッケル 0.3重量％の組成を有する直径３mm、長さ３mmのペレット状の合金ゲッタ剤を用いたほかは、実施例１と同一の方法で精製を行った。
【００６０】
表３に、各温度条件における精製時の、精製塔(6) の出口ガスの不純物濃度を示す。
【００６１】
【表３】
精製温度 ( ℃ ) 精製塔 (6) 出口ガス中の不純物濃度 (ppb)
(4) (6) N 2 O 2 CO CO 2 CH 4 H 2 O
300 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.4
300 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
300 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
350 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
350 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
350 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.3
400 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
400 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.3
400 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
450 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.4
450 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
450 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.2
500 550 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.4 0.2
500 580 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.5 0.3
500 600 <0.03 <1 <0.05 <0.02 0.6 0.2
【００６２】
表３に示すように、各温度条件とも、入口に多く含まれていたメタンのほか、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水分も１ppb 未満であり、充分な精製能力が得られた。
【００６３】
実施例３
原料水素ガス中の不純物濃度を、窒素１００ppm 、酸素１００ppm 、一酸化炭素２ppm 、二酸化炭素２ppm 、メタン２ppm 、水分２００ppm に変更したほかは、実施例１と同一の方法で精製を行った。各温度条件とも、精製塔(4) の出口ガスにメタン以外の不純物が１ppb を越える時間まで精製を行った。
【００６４】
表４に、精製塔(4) 出口ガス中にメタン以外の不純物が最初に１ppb を越えた成分（第一破過成分）と精製に要した時間、およびその時の精製塔(6) 出口ガス中のメタン濃度を示す。
【００６５】
【表４】
精製温度 (℃) 精製塔(4) の 精製塔(4) の 精製塔(6) 出口の
(4) (6) 第一破過成分 第一破過時間 (hr) メタン濃度 (ppb)
300 550 N2 215 0.4
300 580 N2 217 0.5
300 600 N 2 214 0.6
350 550 N2 655 0.4
350 580 N2 653 0.5
350 600 N 2 655 0.5
400 550 N2 890 0.4
400 580 N2 889 0.5
400 600 N 2 891 0.7
450 550 N2 1381 0.3
450 580 N2 1379 0.5
450 600 N 2 1383 0.6
500 550 N2 1725 0.4
500 580 N2 1727 0.5
500 600 N 2 1727 0.6
【００６６】
表４に示すように、各温度条件とも、精製塔(4) の第一破過成分は窒素であった。また、その時の精製塔(6) 出口ガス中のメタン濃度は全て１ppb 未満であり、充分な精製能力が得られた。
【００６７】
実施例４
精製塔(6) の合金ゲッタ剤(13)の充填量を２倍にし、充填層を高さ２００mmずつの２分割にかつ充填層間に１００mmの空間部(S) を設けたほかは（合金ゲッタ剤(11), (13)トータル充填高さは６００mmとなる）、実施例１と同一の方法で圧力損失を測定した。
【００６８】
その際の圧力降下は
0.03MPaとなり、充填高さに比例した結果が得られた。
【００６９】
参考例１
前処理工程における水素化処理後の加熱温度の７００℃を６００℃に変えたほかは、実施例１と同一の方法で生成メタンの低減処理を行った。
【００７０】
４８時間経過後、精製塔(4) を４５０℃に、精製塔(6) を５８０℃に保持して、精製塔(6) の出口ガス中のメタン濃度を測定したところ 3.6ppb であり、１ppb を越える濃度であった。
【００７１】
さらに６００℃で加熱を継続し、同様の操作で、精製塔(6) の出口ガス中のメタン濃度を測定したところ、１ppb 未満を達成するするために２１０時間を要した。
【００７２】
参考例２
精製塔(6) の合金ゲッタ剤の充填量を２倍にし、充填層を高さを４００mmにしたほかは（合金ゲッタ剤(11), (13)トータル充填高さは６００mmとなる）、実施例１と同一の方法で圧力損失を測定した。
【００７３】
その際の圧力降下は 0.09MPaとなり、充填高さの増加比以上に圧力損失が生じていた。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、前処理工程を行うことにより、合金ゲッタ剤で生成するメタンを効率よく低減でき、短時間で精製が可能となる。そして、精製工程において、２種類の温度条件の合金ゲッタ剤を組み合わせて使用することにより、各不純物を１ppb 未満に低減した超高純度水素を、安定的にかつ経済的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法に従って水素ガスの精製を行うときの精製装置の一例を示した概略説明図である。
【図２】 個別のカラムに合金ゲッタ剤を充填した場合の概略説明図である。
【図３】 同一のカラムに合金ゲッタ剤を２層充填した場合の概略説明図である。
【図４】 圧力損失を低減するために、合金ゲッタ剤を分割充填したカラムの一例を示した概略説明図である。
【符号の説明】
(1) …原料水素ガス入口、
(2) …超高純度水素ガス入口、
(3) …超高純度アルゴンガス入口、
(4) …精製塔、
(5) …（精製塔(4) の）分析用ガス出口またはパージガス出口、
(6) …精製塔、
(7) …（精製塔(6) の）分析用ガス出口またはパージガス出口、
(8) …冷却機構、
(9) …精製水素ガス出口、
(10)…パージ水素排出口、
(11)…合金ゲッタ剤、
(12)…加熱機構、
(13)…合金ゲッタ剤、
(14)…加熱機構、
(S) …空間部、
(F1)〜(F4)…流量調整器、
(V) …バルブ
Claims (2)
- 不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガスを、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)に接触させ、ついで前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)に接触させて、水素ガスを精製するにあたり、
その水素ガスの精製操作に先立ち、前記合金ゲッタ剤(11), (13)に、前記の各不純物の濃度が１ppb 未満の超高純度水素ガスを、７００〜８００℃でかつ空間速度ＳＶ１００〜２０００hr-1の条件で少なくとも４８時間以上接触させて、該合金ゲッタ剤(11), (13)に含有する炭素と供給水素との反応により生成するメタンを１ppb 未満にまで低減させる前処理を行うこと
を特徴とする水素ガスの精製方法。 - 不純物として、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水分を含む水素ガスを精製する方法であって、
水素ガスを精製するに先立ち、合金ゲッタ剤 (11), (13) に、前記の各不純物の濃度が１ ppb 未満の超高純度水素ガスを、７００〜８００℃でかつ空間速度１００〜２０００ hr -1 の条件で少なくとも４８時間以上接触させて、該合金ゲッタ剤 (11), (13) に含有する炭素と供給水素との反応により生成するメタンを１ ppb 未満にまで低減させる前処理を行った後、不純物を含む水素ガスと接触させること、
上記の前処理を行った後、ジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(11)に、前記不純物を含む水素ガスを３００〜５００℃で接触させて、該不純物の中の窒素、酸素、水分を除去すると共に、一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに転化して、実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスとなすこと、
ついで、この実質的に不純物としてメタンだけを含む水素ガスを、前記と同一組成または別組成のジルコニウム(Zr)を主成分とする合金ゲッタ剤(13)に５５０〜６００℃で接触させて、メタンを除去すること
を特徴とする水素ガスの精製方法。
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