JP5402605B2 - フッ素ガス生成装置 - Google Patents
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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中でフッ化水素を電気分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成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。
この種のフッ素ガス生成装置では、電解槽の陽極から発生するフッ素ガスに溶融塩から気化したフッ化水素ガスが混入する。そのため、陽極から発生するガスからフッ化水素を分離してフッ素ガスを精製する必要がある。
フッ素ガスの粗精製として、フッ化水素の融点（−８４℃）以下の−８０℃程度に設定した凝縮器にフッ素ガスを通過させてフッ化水素を凝縮させる方法が知られている。
しかしながら、凝縮したフッ化水素は所定量溜まった後は取り除く必要があり、取り除くには電解槽を停止させなければならない。
また、電解槽を停止させないようにするためには、凝縮器を２系統用意し、バッチ方式で切り換えていずれか一方を使用するように制御しなければならないため、装置が複雑となる。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、フッ素ガスの粗精製の過程で電解槽を停止させる必要がなく、かつ簡便な構造にてフッ素ガスを粗精製することができる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成ガスが導かれる第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成ガスが導かれる第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、前記電解槽の溶融塩から気化して前記陽極から生成された主生成ガスに混入したフッ化水素ガスを凝縮させてフッ素ガスを粗精製する粗精製装置と、を備え、前記粗精製装置は、主生成ガスが通過すると共に、通過中に凝縮したフッ化水素を貯留可能なフッ化水素貯留槽と、前記フッ化水素貯留槽をフッ化水素の融点を超える温度で冷却することによって、主生成ガスに混入したフッ化水素ガスを凝縮させる冷却装置と、を備え、前記フッ化水素貯留槽は、フッ化水素液面上に主生成ガスが通過する気相部を有する凝縮槽と、フッ化水素液中にキャリアガスが供給されることによって、フッ化水素が外部へ排出される排出槽と、を備え、前記凝縮槽と前記排出槽の液相部は連通し、かつ、前記凝縮槽と前記排出槽の気相部は分離されてなることを特徴とする。
本発明によれば、フッ化水素の排出は気相部が凝縮槽の気相部と分離された排出槽のフッ化水素液中にキャリアガスを供給することによって連続的に行われる。このように、フッ素ガスの粗精製の過程で凝縮されたフッ化水素は連続的に排出されるため、フッ素ガスの粗精製の過程で電解槽を停止させる必要がなく、かつ簡便な構造にてフッ素ガスを粗精製することができる。
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成ガスを処理する副生成ガス処理系統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成ガスが生成され、陰極８では水素ガス（Ｈ2）を主成分とする副生成ガスが生成される。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９１〜９３℃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。
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、フッ素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としては、フッ素ガスに混入したフッ化水素ガスが凝固する一方、フッ素ガスは通過するように、フッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度でフッ素ガスを冷却する装置、又は、フッ素ガスに混入した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る装置が用いられる。
また、第１メイン通路１５における精製装置１６の上流には、フッ素ガスに混入したフッ化水素ガスを凝縮させてフッ素ガスを粗精製する粗精製装置５０が設けられる。このように、粗精製装置５０は、精製装置１６による本精製の前段階としてフッ素ガスを粗精製する装置である。粗精製装置５０については、後に詳述する。
次に、副生成ガス処理系統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して補充するための原料供給系統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。
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。キャリアガスは、フッ化水素を溶融塩中に導くためのガスであり、不活性ガスである窒素ガスが用いられる。窒素ガスは、フッ化水素と共に陰極室１２の溶融塩中に供給され、溶融塩中にはほとんど溶けず、第２気室１２ａから第２メイン通路３０を通じて排出される。
次に、粗精製装置５０について説明する。
粗精製装置５０は、フッ素ガスが通過すると共に、フッ素ガスの通過中に凝縮したフッ化水素を貯留可能なフッ化水素貯留槽５１と、フッ化水素貯留槽５１をフッ化水素の融点（−８４℃）を超える温度で冷却することによって、フッ素ガスに混入したフッ化水素ガスを凝縮させる冷却装置５２とを備える。
フッ化水素貯留槽５１は、フッ化水素液面上にフッ素ガスが通過する気相部５４ａを有する凝縮槽５４と、フッ化水素液中にキャリアガスが供給されることによって、フッ化水素が外部へ排出される排出槽５５とを備える。
凝縮槽５４は、フッ素ガスが気相部５４ａを通過する際に凝縮されたフッ化水素が滴下して貯留される構造となっている。
排出槽５５は、連通路５６を通じて凝縮槽５４と連通している。凝縮槽５４と排出槽５５は互いの底面が同一平面となるように並んで配置され、連通路５６は互いの底面に沿って形成される。したがって、凝縮槽５４の気相部５４ａを通過する際に凝縮されたフッ化水素は、連通路５６を通じて排出槽５５に流入する。このように、凝縮槽５４にて凝縮されたフッ化水素は、連通路５６を通じて凝縮槽５４と排出槽５５の間を行き来可能であり、凝縮槽５４と排出槽５５の液相部は連通しているため同一液面レベルとなる。
連通路５６がフッ化水素で満たされた状態では、凝縮槽５４の気相部５４ａと排出槽５５の気相部５５ａとは、連通路５６に満たされたフッ化水素によって液シールされた状態となる。つまり、凝縮槽５４の気相部５４ａと排出槽５５の気相部５５ａとは、分離された状態となり独立した空間を構成する。このため、凝縮槽５４の気相部５４ａに流入したフッ素ガスは、排出槽５５の気相部５５ａに流入することはなく気相部５４ａを通過する。
冷却装置５２は、フッ化水素貯留槽５１を部分的に収容する冷却槽５８と、冷却槽５８に冷媒入口管５９ａ及び冷媒出口管５９ｂを通じて冷媒を給排する給排系統５９と、冷媒の供給量を制御することによってフッ化水素貯留槽５１の温度を制御する制御装置（図示せず）とを備える。
フッ化水素貯留槽５１の温度は、フッ化水素が凝固しないようにフッ化水素の融点（−８４℃）を超える温度に制御される。また、電解槽１中の溶融塩（ＫＦ・２ＨＦ）の温度は９１〜９３℃であり、９２℃におけるＫＦ・２ＨＦの蒸気圧は４３．５ｔｏｒｒである。蒸気圧が４３．５ｔｏｒｒにおけるフッ化水素の飽和温度は−４７℃である。このため、フッ化水素は−４７℃より高い温度では液化しないため、フッ化水素貯留槽５１の温度は−４７℃以下に制御される。つまり、フッ化水素貯留槽５１の温度は、フッ素ガスに混入したフッ化水素ガスを凝縮させ、かつ凝縮して貯留されたフッ化水素を液体状態に保つため、冷却装置５２によってフッ化水素の融点を超え、−４７℃以下に制御される。
冷却槽５８の冷媒としては、使用温度にて凝固しないものであれば、フロン系、エタノール系、メタノール系、シリコン系、又はトリクロロエチレン等、何を用いてもよい。
凝縮槽５４の気相部５４ａでのフッ化水素ガスの凝縮効率を上げるため、気相部５４ａにラシヒリング等の金属充填材を充填するようにしてもよい。気相部５４ａに金属充填材を充填することによって、金属充填材も冷媒によって冷却される。このため、気相部５４ａをフッ素ガスが通過する際、フッ素ガスは金属充填材に接触することによっても冷却されるため、フッ素ガス中のフッ化水素ガスを効率良く凝縮させることができる。
また、気相部５４ａをシェルアンドチューブ式の構成にしてもよい。つまり、気相部５４ａを複数のチューブにて構成し、そのチューブを冷却槽５８の冷媒によって冷却するようにしてもよい。このように構成することによって、限られたスペースにて伝熱面積を大きくすることができるため、フッ化水素を効率良く凝縮させることができる。
排出槽５５には、フッ化水素液中にキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給通路７６が設けられる。キャリアガスは、排出槽５５に貯留されたフッ化水素を外部へ排出するためのガスであり、不活性ガスである窒素ガスが用いられる。また、排出槽５５の気相部５５ａには、フッ化水素を排出するための排出通路６０が接続される。
キャリアガス供給通路７６は、上流端がキャリアガス供給源７５に接続され、下流端の供給口７６ａが排出槽５５のフッ化水素液中に挿入される。キャリアガス供給通路７６を通じて排出槽５５のフッ化水素液中に供給された窒素ガスは、蒸気圧分のフッ化水素を含んだ状態で、排出通路６０を通じて排出槽５５から排出され、排出通路６０の下流端に設けられた除害部６１にて無害化されて放出される。このように、排出槽５５に貯留されたフッ化水素は、フッ化水素液中にキャリアガスが供給されることによって、そのキャリアガスに同伴されて排出される。つまり、排出槽５５のフッ化水素液中にキャリアガスが連続して供給されることによって、フッ化水素は連続的に排出される。
キャリアガス供給通路７６は、供給口７６ａから供給されるキャリアガスが連通路５６内に流入しないように、供給口７６ａが連通路５６よりも上方に位置するように配置される。これにより、供給口７６ａから供給されるキャリアガスは、連通路５６よりも上方に供給され、連通路５６内に流入することはない。よって、キャリアガスが凝縮槽５４に流入してフッ素ガスに混入することはない。
次に、粗精製装置５０の動作について説明する。
電解槽１の陽極７にて生成されたフッ素ガスは粗精製装置５０に流入する。粗精製装置５０のフッ化水素貯留槽５１の温度は、冷却装置５２によってフッ化水素の融点を超え、−４７℃以下に制御されているため、フッ素ガスが凝縮槽５４の気相部５４ａを通過する際、フッ素ガス中のフッ化水素ガスは凝縮して凝縮槽５４に貯留される。このように、凝縮槽５４ではフッ素ガスの粗精製が行われる。凝縮槽５４を通過したフッ素ガスは、下流に設けられた精製装置１６に流入して本精製される。粗精製装置５０は、精製装置１６の前段階としてフッ素ガスを粗精製するものであり、本精製を行う精製装置１６の負荷を低減する機能を有する。
凝縮槽５４にて凝縮されたフッ化水素は、連通路５６を通じて排出槽５５に流入するため、凝縮槽５４と排出槽５５の液相部の液面レベルは同一の状態を保って上昇する。そして、連通路５６がフッ化水素で満たされることによって、凝縮槽５４の気相部５４ａと排出槽５５の気相部５５ａとは分離された状態となる。なお、気相部５４ａと気相部５５ａが分離されるまでの間、フッ素ガスが排出槽５５を通じて外部へと排出されないように、排出通路６０に設けられたバルブ（図示せず）が閉弁される。
気相部５４ａと気相部５５ａがフッ化水素にて分離された後、排出槽５５のフッ化水素液中にキャリアガス供給通路７６を通じて窒素ガスを供給し、排出槽５５のフッ化水素を排出通路６０を通じて排出する。
このように、凝縮槽５４ではフッ化水素の凝縮が連続的に行われ、かつ排出槽５５ではフッ化水素の排出が連続的に行われる。
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。
粗精製装置５０では、凝縮槽５４にてフッ化水素の凝縮が連続的に行われ、同時に排出槽５５にてフッ化水素の排出が連続的に行われる。このように、フッ素ガスの粗精製の過程で凝縮されたフッ化水素は連続的に排出されるため、粗精製装置５０ではフッ化水素を取り除く作業を行う必要がなく、フッ素ガスの粗精製の過程で電解槽１を停止させる必要がない。また、フッ化水素の排出は、気相部５５ａが凝縮槽５４の気相部５４ａと分離された排出槽５５のフッ化水素液中にキャリアガスを供給するだけで行うことができるため、簡便な構造にてフッ素ガスを粗精製することができる。
また、粗精製装置５０にてフッ化水素の凝縮と排出が連続して行われるため、下流に設けられる精製装置１６の負荷を低減することができ、結果として、精製装置１６の再生サイクルが長くなると共に、精製装置１６のメンテナンスの頻度も少なくなる。
以下に、本実施の形態の他の形態について説明する。
（１）上記実施の形態では、排出槽５５から排出されたフッ化水素は、排出通路６０の下流端に設けられた除害部６１にて無害化されて放出される。しかし、これに代わり、図２に示すように、排出通路６０の下流端を電解槽１に接続し、排出槽５５から排出されたフッ化水素を電解槽１に回収するようにしてもよい。この場合、キャリアガスである窒素ガスも電解槽１に導かれることになるため、フッ化水素は電解槽１の陰極室１２に回収するのが望ましい。電解槽１に回収されたフッ化水素は、フッ素ガスを生成するために再利用されるため、フッ素ガスの粗精製の過程で凝縮されたフッ化水素を有効に利用することが可能となる。なお、排出槽５５から排出されたフッ化水素をフッ化水素供給源４０に回収するようにしてもよい。
（２）上記実施の形態は、キャリアガスとして不活性ガスである窒素ガスを用いるものである。これに代わり、キャリアガスとしてフッ素ガス（主生成ガス）又は水素ガス（副生成ガス）を用いるようにしてもよい。つまり、キャリアガスとして、フッ素ガス、水素ガス、及び不活性ガスのいずれかが用いられる。
キャリアガスとしてフッ素ガスを用いる場合には、第１ポンプ１７の下流にフッ素ガスを貯留するバッファタンクを設け、そのバッファタンクに貯留されたフッ素ガスをキャリアガスとして用いるようにすればよい。この場合、排出通路６０の下流端は電解槽１の陽極室１１に接続され、排出槽５５から排出されたフッ化水素は電解槽１の陽極室１１に回収される。
キャリアガスとして水素ガスを用いる場合には、第２ポンプ３１の下流に水素ガスを貯留するバッファタンクを設け、そのバッファタンクに貯留された水素ガスをキャリアガスとして用いるようにすればよい。この場合、排出通路６０の下流端は電解槽１の陰極室１２に接続され、排出槽５５から排出されたフッ化水素は電解槽１の陰極室１２に回収される。
（３）上記実施の形態では、凝縮槽５４の気相部５４ａと排出槽５５の気相部５５ａとは、連通路５６に満たされたフッ化水素液にて分離されるものである。これに代わり、図３に示すように、気相部５４ａと気相部５５ａとをフッ化水素液中に浸漬された区画壁７０によって分離するようにしてもよい。この場合、キャリアガス供給通路７６は、供給口７６ａから供給されるキャリアガスが凝縮槽５４に流入してフッ素ガスに混入しないように、供給口７６ａが区画壁７０の下端部よりも上方に位置するように配置される。
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 副生成ガス処理系統
４ 外部装置
５ 原料供給系統
７ 陽極
８ 陰極
１１ａ 第１気室
１２ａ 第２気室
１５ 第１メイン通路
１６ 精製装置
５０ 粗精製装置
５１ フッ化水素貯留槽
５２ 冷却装置
５４ 凝縮槽
５４ａ 気相部
５５ 排出槽
５５ａ 気相部
５６ 連通路
５８ 冷却槽
５９ 給排系統
６０ 排出通路
７０ 区画壁
７５ キャリアガス供給源
７６ キャリアガス供給通路
７６ａ 供給口
１ 電解槽
２ フッ素ガス供給系統
３ 副生成ガス処理系統
４ 外部装置
５ 原料供給系統
７ 陽極
８ 陰極
１１ａ 第１気室
１２ａ 第２気室
１５ 第１メイン通路
１６ 精製装置
５０ 粗精製装置
５１ フッ化水素貯留槽
５２ 冷却装置
５４ 凝縮槽
５４ａ 気相部
５５ 排出槽
５５ａ 気相部
５６ 連通路
５８ 冷却槽
５９ 給排系統
６０ 排出通路
７０ 区画壁
７５ キャリアガス供給源
７６ キャリアガス供給通路
７６ａ 供給口
Claims (6)
- 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成ガスが導かれる第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成ガスが導かれる第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、
前記電解槽の溶融塩から気化して前記陽極から生成された主生成ガスに混入したフッ化水素ガスを凝縮させてフッ素ガスを粗精製する粗精製装置と、を備え、
前記粗精製装置は、
主生成ガスが通過すると共に、通過中に凝縮したフッ化水素を貯留可能なフッ化水素貯留槽と、
前記フッ化水素貯留槽をフッ化水素の融点を超える温度で冷却することによって、主生成ガスに混入したフッ化水素ガスを凝縮させる冷却装置と、を備え、
前記フッ化水素貯留槽は、
フッ化水素液面上に主生成ガスが通過する気相部を有する凝縮槽と、
フッ化水素液中にキャリアガスが供給されることによって、フッ化水素が外部へ排出される排出槽と、を備え、
前記凝縮槽と前記排出槽の液相部は連通し、かつ、前記凝縮槽と前記排出槽の気相部は分離されてなることを特徴とするフッ素ガス生成装置。 - 前記フッ化水素貯留槽は、前記凝縮槽と前記排出槽を連通する連通路を備え、
前記凝縮槽と前記排出槽の気相部とは、前記連通路に満たされたフッ化水素液によって分離され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。 - 前記キャリアガスは、前記連通路がフッ化水素で満たされた状態で、前記連通路よりも上方に供給されることを特徴とする請求項２に記載のフッ素ガス生成装置。
- 前記凝縮槽と前記排出槽の気相部とは、フッ化水素液中に浸漬された区画壁によって分離され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。
- 前記排出槽から排出されたフッ化水素は、前記電解槽又は前記電解槽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に回収されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のフッ素ガス生成装置。
- 前記キャリアガスとして、主生成ガス、副生成ガス、及び不活性ガスのいずれかが用いられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のフッ素ガス生成装置。
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