JP5375673B2

JP5375673B2 - フッ素ガス生成装置

Info

Publication number: JP5375673B2
Application number: JP2010044489A
Authority: JP
Inventors: 亜紀応菊池; 啓太中原; 敦之徳永
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: JP2011179072A

Description

本発明は、フッ素ガス生成装置に関するものである。

従来のフッ素ガス生成装置として、電解槽を使用し、電気分解によってフッ素ガスを生成する装置が知られている。

特許文献１には、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解する電解槽を備え、陽極側の第１気相部分にフッ素ガスを主成分とするプロダクトガスを発生させると共に、陰極側の第２気相部分に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させるフッ素ガス生成装置が開示されている。

特開２００４−４３８８５号公報

特許文献１に記載のようなフッ素生成装置においては、通常、陽極に炭素電極が用いられている。このことから、電解槽の溶融塩中の水分濃度が高い状態で電解を実施すると、溶融塩中の水分と炭素電極とが反応することによって電極表面が酸化される。酸化された電極表面は不安定であるため、フッ素と容易に反応し、陽極効果が発生するおそれがある。陽極効果が発生すると、安定した電解が困難となる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、安定して電解可能なフッ素ガス生成装置を提供することを目的とする。

本発明は、溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、溶融塩が貯留され、溶融塩に浸漬された陽極にて生成されたフッ素ガスを主成分とする主生ガスが導かれる第１気室と、溶融塩に浸漬された陰極にて生成された水素ガスを主成分とする副生ガスが導かれる第２気室とが溶融塩液面上に分離して区画された電解槽と、前記陽極と前記陰極との間に電流を供給する電源と、前記電解槽の溶融塩中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置と、前記水分濃度測定装置によって測定された水分濃度が予め定められた基準値よりも高いと判定した場合には、前記陽極と前記陰極との間に供給される電流が低下するように前記電源を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、制御装置は、溶融塩中の水分濃度が予め定められた基準値よりも高いと判定した場合には、陽極と陰極との間に供給される電流が低下するように電源を制御するため、陽極効果の発生が抑制され、安定した電解が可能となる。

本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置を示す系統図である。制御装置を示すブロック線図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置１００について説明する。

フッ素ガス生成装置１００は、電気分解によってフッ素ガスを生成し、生成されたフッ素ガスを外部装置４へと供給するものである。外部装置４としては、例えば半導体製造装置であり、その場合、フッ素ガスは、例えば半導体の製造工程においてクリーニングガスとして使用される。

フッ素ガス生成装置１００は、電気分解によってフッ素ガスを生成する電解槽１と、電解槽１から生成したフッ素ガスを外部装置４へと供給するフッ素ガス供給系統２と、フッ素ガスの生成に伴って生成された副生ガスを処理する副生ガス処理系統３とを備える。

まず、電解槽１について説明する。

電解槽１には、フッ化水素（ＨＦ）を含む溶融塩が貯留される。本実施の形態では、溶融塩として、フッ化水素とフッ化カリウム（ＫＦ）の混合物（ＫＦ・２ＨＦ）が用いられる。

電解槽１の内部は、溶融塩中に浸漬された区画壁６によって陽極室１１と陰極室１２とに区画される。陽極室１１及び陰極室１２の溶融塩中には、それぞれ陽極７及び陰極８が浸漬される。陽極７と陰極８の間に電源９から電流が供給されることによって、陽極７ではフッ素ガス（Ｆ₂）を主成分とする主生ガスが生成され、陰極８では水素ガス（Ｈ₂）を主成分とする副生ガスが生成される。陽極７には炭素電極が用いられ、陰極８には軟鉄、モネル、又はニッケルが用いられる。

電解槽１内の溶融塩液面上には、陽極７にて生成されたフッ素ガスが導かれる第１気室１１ａと、陰極８にて生成された水素ガスが導かれる第２気室１２ａとが互いのガスが行き来不能に区画壁６によって区画される。このように、第１気室１１ａと第２気室１２ａは、フッ素ガスと水素ガスとの混触による反応を防ぐため、区画壁６によって完全に分離される。これに対して、陽極室１１と陰極室１２の溶融塩は、区画壁６によって分離されず区画壁６の下方を通じて連通している。

ＫＦ・２ＨＦの融点は７１．７℃であるため、溶融塩の温度は９０〜１００℃に調節される。電解槽１の陽極７及び陰極８から生成したフッ素ガス及び水素ガスのそれぞれには、溶融塩からフッ化水素が蒸気圧分だけ気化して混入する。このように、陽極７にて生成され第１気室１１ａに導かれるフッ素ガス及び陰極８にて生成され第２気室１２ａに導かれる水素ガスのそれぞれには、フッ化水素ガスが含まれている。

電解槽１には、貯留された溶融塩の液面レベルを検出する液面レベル検出器としての液面計１３が設けられる。液面計１３は、電解槽１内に挿入された挿入管１３ａを通じて一定流量の窒素ガスを溶融塩中にパージした際の背圧を検知し、その背圧と溶融塩の液比重とから液面レベルを検出する背圧式液面計である。

次に、フッ素ガス供給系統２について説明する。

第１気室１１ａには、フッ素ガスを外部装置４へと供給するための第１メイン通路１５が接続される。

第１メイン通路１５には、第１気室１１ａからフッ素ガスを導出して搬送する第１ポンプ１７が設けられる。第１ポンプ１７には、ベローズポンプやダイアフラムポンプ等の容積型ポンプが用いられる。

第１メイン通路１５における第１ポンプ１７の上流には、主生ガスに混入したフッ化水素ガスを捕集してフッ素ガスを精製する精製装置１６が設けられる。精製装置１６は、フッ素とフッ化水素との沸点の違いを利用して、フッ素ガスからフッ化水素ガスを分離して取り除く深冷精製装置である。なお、精製装置１６として、深冷精製装置に代わり、フッ素ガス中のフッ化水素ガスをフッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の吸着剤に吸着させてフッ素ガスからフッ化水素ガスを分離して取り除く装置を用いるようにしてもよい。

第１メイン通路１５における第１ポンプ１７の下流には、第１ポンプ１７によって搬送されたフッ素ガスを貯留するためのバッファタンク２１が設けられる。バッファタンク２１に貯留されたフッ素ガスは外部装置４へと供給される。

バッファタンク２１の下流には、外部装置４へと供給されるフッ素ガスの流量を検出する流量計２６が設けられる。電源９は、流量計２６の検出結果に基づいて、陽極７と陰極８の間に供給される電流値を制御する。具体的には、バッファタンク２１から外部装置４へと供給されたフッ素ガス量がバッファタンク２１に補充されるように、陽極７におけるフッ素ガスの生成量を制御する。

このように、陽極７におけるフッ素ガスの生成量は、外部装置４へと供給されたフッ素ガス量を補充するように制御されるため、バッファタンク２１の内部圧力は大気圧よりも高い圧力に維持される。これに対して、フッ素ガスが使用される外部装置４側は大気圧であるため、外部装置４に設けられるバルブを開弁すれば、バッファタンク２１と外部装置４との間の圧力差によって、バッファタンク２１から外部装置４へとフッ素ガスが供給されることになる。

第１メイン通路１５における精製装置１６の上流には、フッ素ガスの流通と遮断を切り替える遮断弁２３が設けられる。第１メイン通路１５には、遮断弁２３の上流から分岐し、フッ素ガスを排出するための排出通路２５が設けられる。排出通路２５には、フッ素ガスの排出と遮断を切り替える排出弁２４が設けられる。排出通路２５における排出弁２４の下流には除害部２７が設けられ、排出通路２５を通じて排出されるフッ素ガスは除害部２７にて無害化されて放出される。

次に、副生ガス処理系統３について説明する。

第２気室１２ａには、水素ガスを外部へと排出するための第２メイン通路３０が接続される。

第２メイン通路３０には、第２気室１２ａから水素ガスを導出して搬送する第２ポンプ３１が設けられる。

第２メイン通路３０における第２ポンプ３１の下流には除害部３４が設けられ、第２ポンプ３１にて搬送された水素ガスは除害部３４にて無害化されて放出される。

フッ素ガス生成装置１００は、電解槽１の溶融塩中にフッ素ガスの原料であるフッ化水素を供給する原料供給系統５も備える。以下では、原料供給系統５について説明する。

電解槽１は、電解槽１に補充するためのフッ化水素が貯留されたフッ化水素供給源４０と原料供給通路４１を介して接続される。フッ化水素供給源４０に貯留されたフッ化水素は、原料供給通路４１を通じて電解槽１の溶融塩中に供給される。

原料供給通路４１には、フッ化水素の供給流量を制御する流量制御弁４２が設けられる。流量制御弁４２は、液面計１３の検出結果に基づいて、電解槽１の溶融塩の液面レベルが予め定められた所定レベルとなるように、フッ化水素の供給流量を制御する。つまり、流量制御弁４２は、溶融塩中で電気分解されたフッ化水素を補給するように、フッ化水素の供給流量を制御する。

また、原料供給通路４１には、キャリアガス供給源４５から供給されるキャリアガスを原料供給通路４１内に導くキャリアガス供給通路４６が接続される。キャリアガス供給通路４６には、キャリアガスの供給と遮断を切り換える遮断弁４７が設けられる。キャリアガスは、フッ化水素を溶融塩中に導くための同伴ガスであり、不活性ガスである窒素ガスが用いられる。フッ素ガス生成装置１００の運転時には、遮断弁４７は原則開状態であり、窒素ガスは電解槽１の陰極室１２の溶融塩中に供給される。窒素ガスは、溶融塩中にはほとんど溶けず、第２気室１２ａから副生ガス処理系統３を通じて排出される。なお、キャリアガスとして、他の不活性ガス、例えばアルゴンガスやヘリウムガスを用いるようにしてもよい。

ここで、電解槽１の溶融塩中には微量の水分が含まれている。この水分は、原料供給通路４１を通じて供給されるフッ化水素と共に電解槽１内に持ち込まれたり、キャリアガス供給通路４６を通じて原料供給通路４１に供給される窒素ガスと共に電解槽１内に持ち込まれたり、液面計１３を通じてパージされる窒素ガスと共に電解槽１内に持ち込まれたりするものである。また、溶融塩中に含まれる水分には、電解中に持ち込まれる水分の他、当初から溶融塩中に混入している水分もある。電解槽１の溶融塩中の水分濃度が高い状態で電解を実施すると、溶融塩中の水分と炭素電極とが反応することによって陽極７の表面が酸化されるため、陽極効果が発生するおそれある。ここで、陽極効果とは、電気分解の継続が不可能になるまで電解電圧が上昇する現象のことをいう。

その対策として、フッ素ガス生成装置１００は、電解槽１の溶融塩中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置５０と、水分濃度測定装置５０の測定結果に基づいてフッ素ガスの生成供給を制御する制御装置６０とを備える。

水分濃度測定装置５０は、電解槽１に接続されたサンプリング通路５１を通じてサンプリングされた溶融塩中の水分濃度を測定し、測定結果を制御装置６０に出力するものである。具体的には、水分濃度測定装置５０は、サンプリングされた溶融塩をフッ化カリウムとフッ化水素とに熱分解する熱分解工程と、熱分解工程によって揮発したフッ化水素を凝固させて捕集する捕集工程と、捕集工程にて捕集したフッ化水素中の水分濃度を測定する測定工程とを行うことによって、サンプリングされた溶融塩中の水分濃度の測定を行う。測定工程では、カールフィッシャー測定装置又は電気伝導度測定装置が用いられる。

なお、水分濃度測定装置５０による水分濃度の測定は常時行ってもよいし、所定時間毎に行うようにしてもよい。

制御装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを備えるマイコンにて構成される。制御装置６０は、図２に示すように、溶融塩中の水分濃度の基準値が記憶された記憶部６１と、水分濃度測定装置５０によって測定された測定結果である溶融塩中の水分濃度が記憶部６１に記憶された基準値よりも高いか否かを判定する判定部６２と、判定部６２による判定結果に基づいて、電源９に対して指令信号を出力する指令部６３とを備える。

記憶部６１に記憶された基準値は、実験等を行うことによって予め定められた値であり、陽極効果の発生を防止、つまり陽極７の保護の観点から決定される。具体的には、５００ｗｔ．ｐｐｍに設定される。

溶融塩中の水分濃度が基準値以下の場合には、指令部６３は陽極７と陰極８との間に供給される電流が保持されるように電源９に対して指令信号を出力し、通常運転が行われる。これに対して、溶融塩中の水分濃度が基準値よりも高い場合には、陽極効果が発生するおそれがあるため、指令部６３は陽極７と陰極８との間に供給される電流が低下するように電源９に対して指令信号を出力する。具体的には、陽極７と陰極８との間に供給される電流の電流密度が０．１〜５．０Ａ／ｄｍ²の範囲となるように電流を低下させる。これにより、陽極７での電解が抑えられるため、陽極効果の発生が防止される。

また、溶融塩中の水分濃度が基準値よりも高い場合には、溶融塩中の水分と生成したフッ素とが反応することによって、ＯＦ₂などの不純物ガスが生じ、フッ素ガス濃度が低下する。そのため、指令部６３は、判定部６２による判定結果に基づいて、遮断弁２３及び排出弁２４に対しても指令信号を出力し、外部装置４へのフッ素ガスの供給を制御する。具体的には、溶融塩中の水分濃度が基準値以下の場合には、指令部６３は遮断弁２３に対して開弁指令、排出弁２４に対して閉弁指令を出力し、通常運転が行われる。これにより、陽極７にて生成されたフッ素ガスは、第１メイン通路１５を通じて外部装置４へと供給される。これに対して、溶融塩中の水分濃度が基準値よりも高い場合には、指令部６３は遮断弁２３に対して閉弁指令、排出弁２４に対して開弁指令を出力する。これにより、陽極７にて生成されたフッ素ガスは、排出通路２５を通じて排出され除害されるため、不純物ガスを含むフッ素ガスが外部装置４へと供給されることを防止することができる。

陽極７にて生成されたフッ素ガスが排出されることによって、溶融塩中の水分濃度は低下する。そして、溶融塩中の水分濃度が基準値以下となった場合には、指令部６３は、陽極７と陰極８との間に供給される電流が増加するように電源９に対して指令信号を出力すると共に、遮断弁２３に対して開弁指令、排出弁２４に対して閉弁指令を出力し、通常運転に復帰する。

以上の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

フッ素ガス生成装置１００は、溶融塩中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置５０と、水分濃度測定装置５０の測定結果が基準値よりも高いと判定した場合には、陽極７と陰極８との間に供給される電流が低下するように電源９を制御する制御装置６０とを備える。したがって、溶融塩中の水分濃度が高い場合でも、陽極効果の発生が防止されるため、安定した電解が可能となる。

さらに、制御装置６０は、水分濃度測定装置５０の測定結果が基準値よりも高いと判定した場合には、遮断弁２３が閉弁し、排出弁２４が開弁するように制御するため、陽極７にて生成されたフッ素ガスは、外部装置４へは供給されず、排出通路２５を通じて排出される。そのため、不純物ガスを含むフッ素ガスが外部装置４へと供給されることを防止することができる。

また、陽極７にて生成されたフッ素ガスを排出通路２５を通じて排出することによって、電解槽１の溶融塩中の水分濃度が低下するため、電解槽１の材料である金属の腐食を防止することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、フッ素ガスを生成する装置に適用することができる。

１００フッ素ガス生成装置
１電解槽
２フッ素ガス供給系統
３副生ガス処理系統
４外部装置
５原料供給系統
７陽極
８陰極
１３液面計
１５第１メイン通路
２３遮断弁
２４排出弁
２５排出通路
４０フッ化水素供給源
４１原料供給通路
５０水分濃度測定装置
５１サンプリング通路
６０制御装置
６１記憶部
６２判定部
６３指令部

Claims

溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、
溶融塩が貯留され、溶融塩に浸漬された陽極にて生成されたフッ素ガスを主成分とする主生ガスが導かれる第１気室と、溶融塩に浸漬された陰極にて生成された水素ガスを主成分とする副生ガスが導かれる第２気室とが溶融塩液面上に分離して区画された電解槽と、
前記陽極と前記陰極との間に電流を供給する電源と、
前記電解槽の溶融塩中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置と、
前記水分濃度測定装置によって測定された水分濃度が予め定められた基準値よりも高いと判定した場合には、前記陽極と前記陰極との間に供給される電流が低下するように前記電源を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とするフッ素ガス生成装置。
前記第１気室に接続され、主成ガスを外部装置へと供給するための第１メイン通路と、
前記第１メイン通路に設けられ、主生ガスの流通と遮断を切り替える遮断弁と、
前記第１メイン通路における前記遮断弁の上流から分岐して設けられ、主生ガスを排気するための排気通路と、
前記排気通路に設けられ、主生ガスの排出と遮断を切り替える排出弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、溶融塩中の水分濃度が前記基準値よりも高いと判定した場合には、前記遮断弁を閉弁すると共に、前記排出弁を開弁することを特徴とする請求項１に記載のフッ素ガス生成装置。