JP5402608B2 - フッ素ガス生成装置 - Google Patents

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。

フッ素ガスの精製として、フッ化水素の融点（−８４℃）以下の−１８０℃程度に設定した固化器にフッ素ガスを通過させてフッ化水素を凝固させて捕集する方法が知られている。

特開２００４−４３８８５号公報

しかしながら、フッ化水素を凝固させて捕集する場合には、凝固したフッ化水素が所定量に達した後は、固化器を昇温して凝固したフッ化水素を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、固化器を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捕集してフッ素ガスを精製する精製装置と、を備え、前記精製装置は、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、前記粗精製装置の下流に設けられ、フッ化水素ガスを凝固させてフッ素ガスを本精製する本精製装置と、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第１冷却装置と、を備え、前記本精製装置は、主生成ガスが通過するガス通過部と、主生成ガスに混入したフッ化水素ガスが凝固する一方、フッ素ガスは前記ガス通過部を通過するように、フッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度で前記ガス通過部を冷却する第２冷却装置と、を備え、前記本精製装置の前記ガス通過部を主生成ガスが通過する際に凝固したフッ化水素は、前記粗精製装置の前記フッ化水素貯留槽に落下して貯留され、排出設備を通じて外部へ排出されることを特徴とする。

本発明によれば、本精製装置のガス通過部を主生成ガスが通過する際に凝固したフッ化水素は、粗精製装置のフッ化水素貯留槽に落下して貯留され排出設備を通じて外部へ排出されるため、フッ素ガスの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精製することができる。

本発明の第１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。 本発明の第１の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置の他の形態を示す系統図である。 本発明の第１の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置の他の形態を示す系統図である。 本発明の第１の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置の他の形態を示す系統図である。 本発明の第２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。

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。

＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１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、精製装置１６について説明する。

精製装置１６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１３と、粗精製装置１３の下流に設けられ、フッ素ガスに混入したフッ化水素ガスを凝固させてフッ素ガスを本精製する本精製装置１４とを備え、粗精製装置１３と本精製装置１４が一体に設けられるものである。

粗精製装置１３は、本精製装置１４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１３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第１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。排出槽５５がフッ化水素を外部へ排出する排出設備に該当する。

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。

第１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冷媒給排系統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、第１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。

本精製装置１４は、粗精製装置１３によって粗精製されたフッ素ガスを本精製する装置である。本精製装置１４は、フッ素ガスが通過するガス通過部８１と、フッ素ガスに混入したフッ化水素ガスが凝固する一方、フッ素ガスはガス通過部を通過するように、フッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度でガス通過部８１を冷却する第２冷却装置８２とを備える。

ガス通過部８１は、ガス入口部がフッ化水素貯留槽５１のフッ化水素液面に臨むように、フッ化水素貯留槽５１の上部に連通して設けられる。具体的には、ガス通過部８１は、フッ化水素貯留槽５１の凝縮槽５４の上部に連通して設けられる。

凝縮槽５４は、冷却槽５８から鉛直上方に突出する突出部５７を有し、突出部５７の延長部が本精製装置１４のガス通過部８１として形成される。このように凝縮槽５４の突出部５７とガス通過部８１とは、一体に鉛直上方に立設して形成される。

第２冷却装置８２は、ガス通過部８１を部分的に包囲し、内部に冷媒としての液体窒素を貯留可能なジャケットチューブ８５と、ジャケットチューブ８５に対して液体窒素を給排する液体窒素給排系統８６とを備える。

ジャケットチューブ８５内の液体窒素の温度は、フッ素ガスに混入したフッ化水素ガスを固化捕集してフッ素ガス中のフッ化水素濃度の低くするため、フッ化水素の融点（−８４℃）以下のできる限り低い温度が望ましい。ただし、フッ素ガスが液化されてしまっては、外部装置４にフッ素ガスが供給されなくなってしまうため、フッ素の沸点（−１８８℃）以上の温度でなければならない。具体的には、ジャケットチューブ８５内の圧力は０．４ＭＰａに制御され、ジャケットチューブ８５内の液体窒素の温度が−１８０℃程度に設定される。なお、冷媒として、液体窒素に代わり液体アルゴンを用いるようにしてもよい。

ガス通過部８１は、ジャケットチューブ８５によって、フッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度に冷却されるため、ガス通過部８１内ではフッ素ガスに混入したフッ化水素ガスのみが凝固し、フッ素ガスはガス通過部８１を通過する。ガス通過部８１にて凝固したフッ化水素は、ガス通過部８１と凝縮槽５４を落下してフッ化水素貯留槽５１に貯留される。フッ化水素貯留槽５１は、フッ化水素の融点を超える温度に制御されているため、ガス通過部８１にて凝固したフッ化水素は、フッ化水素貯留槽５１内にて液化して貯留されることになる。

このように、ガス通過部８１にて凝固したフッ化水素は、ガス通過部８１に蓄積されることなく、フッ化水素貯留槽５１に落下して貯留される。フッ化水素貯留槽５１には、粗精製の過程にて捕集されたフッ化水素及び本精製の過程にて捕集されたフッ化水素の双方が貯留されることになる。

次に、精製装置１６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１３のフッ化水素貯留槽５１に流入する。フッ化水素貯留槽５１の温度は、第１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。粗精製装置１３は、本精製の前段階としてフッ素ガスを粗精製するものであり、本精製装置１４の負荷を低減する機能を有する。

凝縮槽５４を通過したフッ素ガスは、本精製装置１４のガス通過部８１に流入する。ガス通過部８１の温度は、第２冷却装置８２によってフッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度に冷却されるため、ガス通過部８１内ではフッ素ガスに混入したフッ化水素ガスのみが凝固し、フッ素ガスはガス通過部８１を通過する。ガス通過部８１にて凝固したフッ化水素は、フッ化水素貯留槽５１に落下して貯留される。

凝縮槽５４に貯留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、粗精製装置１３の凝縮槽５４ではフッ化水素の凝縮と落下、本精製装置１４のガス通過部８１ではフッ化水素の凝固と落下が連続的に行われ、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。

以上の第１の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

本精製装置１４のガス通過部８１をフッ素ガスが通過する際に凝固したフッ化水素は、粗精製装置１３のフッ化水素貯留槽５１に落下して貯留され排出槽５５を通じて外部へ排出されるため、フッ素ガスの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精製することができる。

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、フッ素ガスの精製の過程で捕集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。

（４）上記実施の形態では、フッ化水素貯留槽５１に貯留されたフッ化水素を外部へ排出する排出設備は、排出槽５５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フッ化水素を外部へ排出するものである。これに代わり、図４に示すように、フッ化水素貯留槽５１に貯留されたフッ化水素を排出ポンプ７１によって排出するようにしてもよい。排出通路６０はフッ化水素貯留槽５１の液相部に接続され、排出ポンプ７１は排出通路６０に介装される。この場合、排出ポンプ７１によって排出されるフッ化水素は、電解槽１の陽極室１１又はフッ化水素供給源４０に回収するようにすればよい。

＜第２の実施の形態＞
図５を参照して、本発明の第２の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置２００について説明する。

以下では、上記第１の実施の形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施の形態と同様の構成には、同一の符号を付し説明を省略する。

フッ素ガス生成装置２００は、本精製装置１４の構成が上記第１の実施の形態と異なる。以下、具体的に説明する。

本精製装置１４は、並列に設けられた第１本精製装置１４ａと第２本精製装置１４ｂの２つの系統からなり、いずれか一方の系統のみをフッ素ガスが通過するように切り換えられる。つまり、第１本精製装置１４ａ及び第２本精製装置１４ｂのうち一方が運転状態である場合には、他方は停止又は待機状態となる。第１本精製装置１４ａ及び第２本精製装置１４ｂは同じ構成であり、前記第１の実施の形態にて説明したとおりである。なお、第１本精製装置１４ａの構成には符号に「ａ」を付し、第２本精製装置１４ｂの構成には符号に「ｂ」を付して区別する。

ここで、上記第１の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置１００では、本精製装置１４のガス通過部８１にてフッ化水素の凝固と落下が連続的に行われるため、ガス通過部８１にてフッ化水素が詰まることは基本的にはない。しかし、フッ素ガス生成装置１００の運転を長時間継続する場合には、ガス通過部８１にて凝固したフッ化水素が蓄積されガス通過部８１が閉塞される懸念がある。その場合、凝固したフッ化水素を取り除くために電解槽１を停止させなければならない。そのような事態を回避するために、フッ素ガス生成装置２００では、本精製装置１４が２基並列に配置され、一方のガス通過部８１ａが凝固したフッ化水素にて閉塞された場合には、他方のガス通過部８１ｂをフッ素ガスが通過するように本精製装置１４の運転切り換えが行われる。

ガス通過部８１ａ，８１ｂの出口通路２２ａ，２２ｂには、フッ素ガスのガス通過部８１ａ，８１ｂの通過と遮断を切り替える遮断弁２４ａ，２４ｂが設けられる。遮断弁２４ａが開状態、遮断弁２４ｂが閉状態の場合には、ガス通過部８１ａのみをフッ素ガスが通過するため、第１本精製装置１４ａは運転状態、第２本精製装置１４ｂは停止状態となる。また、遮断弁２４ａが閉状態、遮断弁２４ｂが開状態の場合には、ガス通過部８１ｂのみをフッ素ガスが通過するため、第１本精製装置１４ａは停止状態、第２本精製装置１４ｂは運転状態となる。このように、遮断弁２４ａ，２４ｂの開閉によって本精製装置１４の運転切り換えが行われる。

本精製装置１４では、ガス通過部８１ａ，８１ｂでの凝固したフッ化水素の蓄積状態を監視する必要がある。ガス通過部８１ａ，８１ｂでの凝固したフッ化水素の蓄積量は、精製装置１６の入口通路２１とガス通過部８１ａ，８１ｂの出口通路２２ａ，２２ｂとに渡って設けられた差圧計２３の検出結果、つまり、ガス通過部８１ａ，８１ｂの入口と出口の差圧によって判断される。差圧計２３によって検出された差圧が所定値に達した場合には、ガス通過部８１ａ，８１ｂでの凝固したフッ化水素の蓄積量が所定量に達したと判断して、本精製装置１４の運転切り換えが行われる。つまり、差圧計２３の検出結果に基づいて、遮断弁２４ａ，２４ｂの開閉が行われる。

フッ素ガス生成装置２００には精製装置１６の動作を制御する制御手段としてのコントローラ（図示せず）が搭載される。コントローラは、差圧計２３の検出結果に基づいて、遮断弁２４ａ，２４ｂの開閉を制御する。差圧計２３は、ガス通過部８１ａ，８１ｂのフッ化水素の蓄積状態を検出する蓄積状態検出器に該当する。

差圧計２３と出口通路２２ａ，２２ｂとをつなぐ通路には、それぞれ弁２５ａ，２５ｂが設けられる。弁２５ａ，２５ｂは、常時開弁状態に設定される。

次に、精製装置１６の動作について説明する。以下では、第１本精製装置１４ａが運転状態、第２本精製装置１４ｂが待機状態である場合について説明する。

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１３のフッ化水素貯留槽５１に流入する。フッ化水素貯留槽５１の温度は、第１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。

本精製装置１４では、遮断弁２４ａが開状態、遮断弁２４ｂが閉状態であるため、凝縮槽５４を通過したフッ素ガスは、第１本精製装置１４ａのガス通過部８１ａのみを通過する。ガス通過部８１ａの温度は、第２冷却装置８２ａによってフッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度に冷却されるため、ガス通過部８１ａ内ではフッ素ガスに混入したフッ化水素ガスのみが凝固し、フッ素ガスはガス通過部８１ａを通過する。

フッ素ガス生成装置２００を長時間継続して運転する場合には、ガス通過部８１ａでの凝固したフッ化水素の蓄積量が徐々に増加する。そして、差圧計２３によって検出された差圧が所定値に達した場合には、ガス通過部８１ａでの凝固したフッ化水素の蓄積量が所定量に達したと判断して、第２本精製装置１４ｂの遮断弁２４ｂを開弁し、凝縮槽５４を通過したフッ素ガスをガス通過部８１ｂに流通させる。その後、第１本精製装置１４ａの遮断弁２４ａを閉弁し、ガス通過部８１ａのフッ素ガスの流通を遮断し、第１本精製装置１４ａを停止させる。このようにして、本精製装置１４の運転切り換えが行われ、凝縮槽５４を通過したフッ素ガスは、第２本精製装置１４ｂのガス通過部８１ｂのみを通過する。ガス通過部８１ｂの温度は、第２冷却装置８２ｂによってフッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度に冷却されるため、ガス通過部８１ｂ内ではフッ素ガスに混入したフッ化水素ガスのみが凝固し、フッ素ガスはガス通過部８１ｂを通過する。

第１本精製装置１４ａでは、運転停止後、蓄積されたフッ化水素が取り除かれ再生される。具体的には、液体窒素給排系統８６ａの液体窒素の流通を停止し、ジャケットチューブ８５ａへの液体窒素の供給を停止する。つまり、ジャケットチューブ８５ａによるガス通過部８１ａの冷却を解除する。これにより、ガス通過部８１ａの温度は上昇し、凝固していたフッ化水素は液化してフッ化水素貯留槽５１に落下して貯留される。凝固していたフッ化水素が全てフッ化水素貯留槽５１に貯留された後、液体窒素給排系統８６ａを通じて再びジャケットチューブ８５ａ内に液体窒素を供給する。そして、ジャケットチューブ８５ａ内の液体窒素の温度が−１８０℃程度に設定されて第１本精製装置１４ａは待機状態となる。このように、停止中の第１本精製装置１４ａは待機状態となるため、運転中の第２本精製装置１４ｂにおいて、差圧計２３によって検出された差圧が所定値に達した場合には、第２本精製装置１４ｂの運転を停止すると共に、第１本精製装置１４ａを速やかに起動し、本精製装置１４の運転切り換えを行うことができる。

凝縮槽５４に貯留されたフッ化水素は、上記第１の実施の形態と同様に、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することによって排出される。

以上の第２の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

本精製装置１４は、２基並列に配置され、運転切り換えによって停止した本精製装置１４は、再生されて待機状態となるため、いつでも運転できる状態となる。このため、運転中の本精製装置１４において凝固したフッ化水素の蓄積量が多くなった場合には、待機状態の本精製装置１４を速やかに起動させることができる。したがって、フッ素ガス生成装置２００自体を停止させる必要がなく、外部装置４へと安定してフッ素ガスを供給することができる。

また、フッ化水素を固化器内にて凝固させて捕集する従来の精製装置では、精製装置を再生する際には、固化器内に不活性ガスを供給すると共に、排出ポンプ等によって固化器内のフッ化水素を吸引して取り除く必要があり、また、フッ化水素を取り除いた後は固化器内にフッ素ガスを充填するガス置換の作業を行う必要がある。しかし、フッ素ガス生成装置２００では、本精製装置１４を再生する際には、ガス通過部８１の冷却を解除するだけで、凝固していたフッ化水素が液化してフッ化水素貯留槽５１に落下して貯留されるため、フッ化水素を取り除くための特別な設備を設ける必要がない。また、凝固していたフッ化水素を液化させてフッ化水素貯留槽５１に貯留する一連の作業は、ガス通過部８１にフッ素ガスが充填された状態で行われるため、フッ化水素を取り除いた後にガス通過部８１にフッ素ガスを充填するガス置換の作業を行う必要がない。このように、簡便な構造にて凝固したフッ化水素の除去及び本精製装置１４の再生を行うことができる。

また、フッ素ガス生成装置２００は、本精製の前段階として粗精製装置１３にてフッ化水素の凝縮が連続して行われるため、下流に設けられる本精製装置１４の負荷を低減することができ、本精製装置１４の運転切り換えのサイクルを長くすることができる。

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。

なお、上記第２の実施の形態では、本精製装置１４を２基並列に配置する構成としたが、本精製装置１４を３基以上並列に配置して３系統以上にて構成するようにしてもよい。

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。

１００，２００ 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
１３ 粗精製装置
１４ 本精製装置
１４ａ 第１本精製装置
１４ｂ 第２本精製装置
１５ 第１メイン通路
１６ 精製装置
２３ 差圧計
２４ａ，２４ｂ 遮断弁
４０ フッ化水素供給源
５１ フッ化水素貯留槽
５２ 第１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 冷媒給排系統
６０ 排出通路
７６ キャリアガス供給通路
８１ ガス通過部
８２ 第２冷却装置
８５ ジャケットチューブ
８６ 液体窒素給排系統

Claims (9)

1. 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捕集してフッ素ガスを精製する精製装置と、を備え、
   前記精製装置は、
   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、
   前記粗精製装置の下流に設けられ、フッ化水素ガスを凝固させてフッ素ガスを本精製する本精製装置と、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第１冷却装置と、を備え、
   前記本精製装置は、
   主生成ガスが通過するガス通過部と、
   主生成ガスに混入したフッ化水素ガスが凝固する一方、フッ素ガスは前記ガス通過部を通過するように、フッ素の沸点以上かつフッ化水素の融点以下の温度で前記ガス通過部を冷却する第２冷却装置と、を備え、
   前記本精製装置の前記ガス通過部を主生成ガスが通過する際に凝固したフッ化水素は、前記粗精製装置の前記フッ化水素貯留槽に落下して貯留され、排出設備を通じて外部へ排出されることを特徴とするフッ素ガス生成装置。
2. 前記本精製装置の前記ガス通過部は、ガス入口部が前記フッ化水素貯留槽のフッ化水素液面に臨むように、前記粗精製装置の前記フッ化水素貯留槽に連通して設けら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。
3. 前記精製装置の動作を制御する制御手段をさらに備え、
   前記本精製装置は、２基以上並列に配置され、
   前記本精製装置は、前記ガス通過部のフッ化水素の蓄積状態を検出する蓄積状態検出器を備え、
   前記制御手段は、前記蓄積状態検出器の検出結果に基づいて、待機状態の本精製装置を主生成ガスが通過するように前記本精製装置の運転切り換えを行い、
   前記運転切り換えによって停止した本精製装置では、前記第２冷却装置による前記ガス通過部の冷却が解除されることによって、凝固していたフッ化水素が液化して前記粗精製装置の前記フッ化水素貯留槽に落下して貯留されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフッ素ガス生成装置。
4. 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前記排出設備としての排出槽と、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請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフッ素ガス生成装置。
5. 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４に記載のフッ素ガス生成装置。
6. 前記キャリアガスを、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するキャリアガス供給通路をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のフッ素ガス生成装置。
7. 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４に記載のフッ素ガス生成装置。
8. 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４から請求項７のいずれか１項に記載のフッ素ガス生成装置。
9. 排出設備を通じて外部へ排出されるフッ化水素は、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８のいずれか１項に記載のフッ素ガス生成装置。

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