JP5991070B2 - フッ素ガス生成装置及びフッ素ガス生成装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、フッ素ガス生成装置及びフッ素ガス生成装置の制御方法に関する。

従来のフッ素ガスの生成装置として、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。

特許文献１に記載のフッ素ガス生成装置では、プロダクトガスは主バッファタンクに貯留され、主バッファタンク内の圧力は圧力計にて測定される。圧力計の測定結果は制御部に伝達され、制御部は圧力計の測定結果に基づいて電流源をオンオフ制御する。このように、陽極にて発生するプロダクトガスの発生量は、主バッファタンク内の圧力に基づいて制御される。

また、特許文献２には、電気分解に必要な電解槽への電流の制御方法が開示されている。特許文献２に記載の電流制御方法は、電解槽に一定の電流を印加したときの陰極、陽極間の電圧変動幅を測定し、この電圧変動幅に応じて投入電流量を変動させながら電流を印加する方法である。

このように、フッ素ガス生成装置の電気分解に必要な電解槽への電力供給方法は、一般的に、特許文献１や特許文献２に記載されている様に、電源装置から出力される電流値を調整し、電圧値は成り行きで変動する様に、電力を制御する。これは、電気分解によって電解槽から発生するフッ素ガスの流量と、電解槽に通電した電流値との間には下記（数式１）式の関係が成り立っており、電流値を制御することにより、電解槽から発生するフッ素ガスの流量が制御できるためである。

一方、電解槽への通電において印加される電圧、すなわち、電気分解に必要な電圧は、電気分解によって発生するフッ素と水素の標準電極電位等から算出される理論電解電圧（約２．９Ｖ）に、活性化過電圧及び電解槽を構成する部材の電気抵抗に起因して発生する電圧を加えた値となる。活性化過電圧は、電解反応の活性化に必要なエネルギーに起因する電圧であり、電極の種類や電解浴の組成によって変化する。また、部材の電気抵抗に起因して発生する電圧は、オームの法則により、電圧＝電流値×抵抗の関係に依存する。

ここで、抵抗は、電解槽に含まれる部材のうち電気が通電される部材の電気抵抗や、各部材の接触抵抗の他、電解槽と電源装置を繋ぐ配線などの抵抗の総和である。これらの抵抗値は、電解槽の構成や使用する材質によって決まるため、同じ構造の電解槽であれば同様の値が得られる。

特開２００４−４３８８５号公報 特開２００４−３５３０１９号公報

しかし、フッ素ガスを発生させる電解槽内では、電解浴中の陽極の表面が発生したフッ素ガスと反応することにより、陽極の濡れ性が低下し、電気抵抗が増大する場合がある。この濡れ性の低下が極端に進行すると、電圧を印加しても電流が流れなくなる、いわゆる「陽極効果」と呼ばれる現象が発生する。

また、電気分解によって発生したフッ素ガスは腐食性が非常に高いため、電解槽内部の部材が腐食される可能性がある。さらに、電解浴がフッ化水素を含む溶融塩である場合には、フッ化水素により電解槽内部の部材が腐食される可能性もある。この腐食の進行により電気抵抗が増加するため、同一値の電流を流すために印加する電圧は増加することになる。電圧が増加すると、電解槽（電極対）にかかる負荷（電流×電圧）が増大するため、電気腐食が発生しやすくなり、ジュール熱（電流×電圧×時間）が増大する。

特に、ジュール熱の増大は、電解槽内の温度上昇を招き、陽極の表面とフッ素ガスとの反応性がさらに高まり、これにより陽極の腐食がさらに促進する。複数の電解槽を用いてフッ素ガスを生成する場合、腐食の進行又は電解槽ごとに陽極効果の発生頻度は異なる。抵抗が増大した電解槽では部材の腐食がより促進され、その電解槽のメンテナンス頻度が増大する等の問題を生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、複数の電解槽を用いてフッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置において、電解槽間での電極抵抗の差によって生じる電解槽の使用寿命の短縮化を低減しつつ、安定してフッ素ガスを自動供給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。

本発明の一態様は、電解浴中のフッ素化合物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、それぞれが、容器と、前記容器内に収容されているフッ素化合物を含む電解浴と、前記電解浴に挿入された陽極及び陰極と、を有し、前記陽極及び陰極間を流れる電流により前記電解浴中のフッ素化合物を電気分解することによりフッ素ガスを生成する、複数の電解槽と、前記複数の電解槽に、電気分解によるフッ素ガスの生成に必要な電力を供給する電源と、前記電源から前記複数の電解槽へ与えられている電流を検出する、実電流検出手段と、前記複数の電解槽によるフッ素ガスを含むガスの生成量に基づいて前記複数の電解槽に与える電流の総和を決定し、前記実電流検出手段により検出された前記複数の電解槽へ与えられている電流の総和と前記決定した電流の総和との差が小さくなるように、前記複数の電解槽へ与えられる電圧の値が同一増減方向において増減するように前記電源を出力電圧において制御する、制御手段と、を含むものである。

本発明の一態様によれば、フッ素ガス生成装置において複数の電解槽への電力を制御する場合、電解槽間での電気抵抗の差によって生じる電解槽の使用寿命の短縮化を低減しつつ、安定してフッ素ガスを自動供給することができる。

本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置に備えられた電解槽ユニットの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置の構成例を示す系統図である。 本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置の他の構成例を示す系統図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本実施形態のフッ素ガス生成装置は、複数の電解槽を用いてフッ素ガスを生成する。各電解槽は、フッ素化合物を含む電解浴において、電気分解によりフッ素ガスを生成する。

本実施形態のフッ素ガス生成装置は、複数の電解槽におけるフッ素ガス生成量の制御において、当該複数の電解槽へ供給する総電流値を決定し、決定した総電流値に応じて、当該複数の電解槽のそれぞれに供給する電圧を調整する。本実施形態のフッ素ガス生成装置は、フッ素ガスを生成する複数の電解槽を含むフッ素ガス生成装置において、当該複数の電解槽における一部の電解槽にかかる負荷のみを大きく増大させることなく、フッ素ガスを安定して自動供給する。

上述のように、本実施形態のフッ素ガス生成装置は、複数の電解槽（電解槽ユニット）を有する。まず、図１を参照して、本実施形態のフッ素ガス生成装置が使用する電解槽ユニット５０の構成を説明する。

本実施形態の電解槽ユニット５０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を制御するための機器及び弁並びに電解槽１において生成されたガスを導出するための経路（弁を含む）を含む。電解槽ユニット５０は、コントローラ１０によって制御される。

コントローラ１０は、各計器から出力される検出結果（監視結果）に基づいて各機器及び各弁の動作を制御する制御手段である。以下に説明する例においては、コントローラ１０は、各電解槽ユニット５０及び他の機器や弁を制御する。図１は、説明の便宜上、参照符号「１０」で指示された複数の矩形を図示するが、これらは全て同一のコントローラ１０を示している。コントローラ１０は、各電解槽１ユニットに割り当てられた、分離された構成要素（制御デバイス）を含むことができる。コントローラ１０は、異なる機器や弁を制御する異なる構成要素（制御デバイス）を含むことができる。

コントローラ１０は、例えば、プロセッサであるＣＰＵ、プログラム及び当該プログラムが使用する制御データを格納する不揮発性記憶デバイスであるＲＯＭ、及び、主記憶デバイスであるＲＡＭを備えるマイコン、を有する。ＲＯＭに記憶されているプログラム及びデータは、ＲＡＭにロードされる。

ＣＰＵは、ＲＡＭに記憶されているプログラムを実行することによってコントローラ１０に実装される所定の機能を実現する。ＲＡＭは、プロセッサによって実行されるプログラム、及び、プログラムの実行に必要な制御データを記憶する。本実施形態においてコントローラ１０のハードウェア構成は限定されず、例えば、コントローラ１０の機能の一部又は全ては論理回路により実現されていてもよい。

本例において、電解槽１の容器には、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。これは一例であって、電気分解によりフッ素ガスを生成するためのフッ素化合物及びそれを含む電解液は、フッ素ガス生成装置の設計に従って適切な材料が選択される。

電解槽１の内部は、溶融塩中にその一部が浸漬され、一部が溶融塩上で露出している区画壁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は、それぞれ、溶融塩中で満たされている部分と、溶融塩液面上の気室とを含む。

電解槽１は陽極７及び陰極８を有し、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との間に電源装置９から電気分解に必要な電力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、例えば、炭素電極が用いられ、陰極８には、例えば、軟鉄、モネル、又はニッケルが用いられる。陽極７及び陰極８の材料は、これらに限定されず、設計により適切な材料が選択される。

本例において、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１１１と、陰極８にて生成された水素ガスが導かれる第２気室１２１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１１１と第２気室１２１とは、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、陽極室１１と陰極室１２は、区画壁６の下方を通じて、溶融塩内で連通している。

第１気室１１１には、陽極７で発生した主生ガスを導出するための主生ガス導出通路６０が接続している。第２気室１２１には、陰極８で発生した副生ガスを導出するための副生ガス導出経路７０が接続している。

電解槽１の陽極７及び陰極８から生成され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１１１に導かれる主生ガス及び陰極８にて生成され第２気室１２１に導かれる副生ガスのそれぞれには、フッ化水素ガスが含まれている。

電解槽ユニット５０は、電解槽１内の溶融塩の温度を調節する温度調節装置６５を含む。電解槽１内の溶融塩の温度は、温度調節装置６５によってＫＦ・２ＨＦの融点である７１．７℃以上、例えば、８５〜９５℃に調節される。電解槽ユニット５０は、電解槽１に設置され、溶融塩の温度を検出する温度検出器としての温度計６９を含む。温度計６９の検出結果は、コントローラ１０に出力される。

本例において、温度調節装置６５は、電解槽１の外壁に設定されたジャケット６６、電解槽１の内部に設定されたチューブ（図示せず）、電解槽１の外部に設置され、ジャケット６６及びチューブに蒸気又は冷却水を循環させる加熱冷却装置６７を備える。コントローラ１０は、温度計６９の検出温度に応じて温度調節装置６５を制御する。

コントローラ１０から出力される信号に従って、温度調節装置６５は、溶融塩の温度調節を行う。具体的には、温度調節装置６５は、溶融塩の温度を上げる場合には、加熱冷却装置６７からジャケット６６及びチューブに蒸気を流通させ、溶融塩の温度を下げる場合には、加熱冷却装置６７からジャケット６６及びチューブに冷却水を流通させる。

電解槽１の温度調節装置６５の構成及び有無は、設計に依存する。例えば、ジャケット６６及びチューブのいずれか一方のみを設置してもよい。また、ジャケット６６及びチューブに蒸気又は冷却水を循環させる代わりに、シリコンオイル等の温冷媒を循環させるようにしてもよい。さらに、電解槽１の外壁にヒータやコンデンサ等の熱交換機を設けて溶融塩の温度を調節するようにしてもよい。

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１４が設けられる。液面計１４は、電解槽１内に挿入された挿入管１４１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。液面計１４の検出結果はコントローラ１０に出力される。

また、電解槽ユニット５０は、電解槽１の第１気室１１１と第２気室１２１との圧力差を検出する差圧検出器としての差圧計２０を含む。差圧計２０の検出結果は、コントローラ１０に出力される。

電解槽ユニット５０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を含む。以下では、原料供給系統５について説明する。本例において、原料供給系統５は、電解槽１と接続する原料供給通路４１と、電解槽１の外部に設置され、原料供給通路４１を介して電解槽１に接続し、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とを含む。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が設けられている。コントローラ１０は流量制御弁４２（の開度）を制御し、流量制御弁４２は、コントローラ１０から出力される信号に基づいて開度を調整する。具体的には、コントローラ１０は、液面計１４によって検出された溶融塩の液面レベルがＲＯＭに記憶され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、電解槽ユニット５０の外部に設置された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が設けられている。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、例えば、不活性ガスである窒素ガスが用いられる。

本例において、窒素ガスは、陰極室１２の溶融塩中に供給される。窒素ガスは、溶融塩中にほとんど溶けず、第２気室１２１から副生ガス処理系統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。

次に、図２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、複数の電解槽ユニットを含み、それらによって生成されたフッ素ガスを、外部装置４へと供給する。外部装置４は、例えば半導体製造装置である。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、少なくとも２基（２基以上）の電解槽ユニットを含み、図２の例においては、２基の電解槽ユニット５０Ａ、５０Ｂが示されている。電解槽ユニット５０Ａは電解槽１Ａ並びに陽極７Ａ及び陰極８Ａを有し、電解槽ユニット５０Ｂは電解槽１Ｂ並びに陽極７Ｂ及び陰極８Ｂを有する。

陽極７Ａにおいて生成された主生ガスは主生ガス導出通路６０Ａにより導出され、陽極７Ｂにおいて生成された主生ガスは主生ガス導出通路６０Ｂにより導出される。本例において、電解槽ユニット５０Ａ、５０Ｂは同一構成を有する。電解槽ユニット５０Ａ、５０Ｂは異なる構成、例えば、異なる陽極と陰極の電解面積を有していてもよいし、他の異なる要素を有していてもよい。電解面積は、電極において溶融塩に浸漬された部分で、対極（陽極の場合は陰極、陰極の場合は陽極）と向かい合った面の面積である。

フッ素ガス生成装置１００に含まれる電解槽ユニット５０の基数は、電解槽ユニット５０に含まれる電解槽１の主生ガス発生能力とフッ素ガス生成装置１００に必要なフッ素ガス供給流量によって選択され、特に上限は制限されない。

フッ素ガス生成装置１００は、さらに、電気分解に必要な電力を電解槽１に供給する電力供給系統８０、電解槽ユニット５０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、そして、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を備える。コントローラ１０は、フッ素ガス生成装置１００に含まれる機器や計器類、バルブ等の動作を制御する。

先ず、フッ素ガス供給系統２について説明する。フッ素ガス供給系統２は、第１メイン通路１５、精製装置１６、昇圧装置１７、バッファタンク２１、流量計２６、流量制御弁２７を含む。第１メイン通路１５は、電解槽ユニット５０Ａ、５０Ｂからのフッ素ガスを集約し、外部装置４へ供給するための通路である。電解槽ユニット５０Ａ、５０Ｂの主生ガス導出通路６０Ａ、６０Ｂは第１メイン通路１５に接続し、第１メイン通路１５に集約されている。

第１メイン通路１５に、フッ素ガスを貯留するためのバッファタンク２１が設けられている。バッファタンク２１に貯留されたガス、本例においてフッ素ガスは、外部装置４へと供給される。バッファタンク２１には、その内部圧力を検出する圧力検出器としての圧力計２４が設けられている。圧力計２４の検出結果はコントローラ１０に出力される。

第１メイン通路１５におけるバッファタンク２１の下流には、バッファタンク２１から外部装置４へと供給されるガス、本例においてフッ素ガス、の流量を検出する流量検出器としての流量計２６が設けられている。流量計２６の検出結果はコントローラ１０に出力される。圧力計２４と流量計とは、電解槽１Ａ、１Ｂが生成したガスの量（図２の例でフッ素ガスの量）を検出する。なお、圧力計２４及び流量計２６の検出結果に応じた電解槽１Ａ、１Ｂへ供給する電力の調整方法については後で詳述する。

第１メイン通路１５における流量計２６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調整する流量制御弁２７が設けられる。流量制御弁２７はコントローラ１０から出力される信号に応じて開度が制御される。

具体的には、コントローラ１０は、流量計２６によって検出されたフッ素ガスの流量と所定の基準流量値とに基づいて、流量制御弁２７の開度を制御する。例えば、コントローラ１０は、流量計２６によって検出されたフッ素ガスの流量が、上記基準流量値（目標流量値）と一致するように、流量制御弁２７の開度を制御する。目標流量値は、ＲＯＭに予め記憶されている又はＲＯＭに記憶された値から算出してもよい。

例えば、コントローラ１０のＲＯＭには複数の目標流量値が記憶されている。目標流量は、外部装置４が必要とするフッ素ガスの流量に応じて決まり、例えば、それらは一致する。流量制御弁２７の制御において参照される目標流量値は、フッ素ガス生成装置１００を操作するオペレータによって変更される。コントローラ１０は、他の方法により流量制御弁２７（ガス流量）を制御してもよい。例えば、コントローラ１０は、基準値で決まる数値範囲内にガス流量が入るように、流量制御弁２７を制御してもよい。

第１メイン通路１５におけるバッファタンク２１の上流には、フッ素ガスを昇圧する昇圧装置１７が設けられる。例えば、昇圧装置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。昇圧装置１７を設置しなくともよい。

第１メイン通路１５における昇圧装置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。図２の例において、精製装置１６は、並列に設けられた第１精製装置１６１Ａと第２精製装置１６１Ｂの２つの系統からなり、第１精製装置１６１Ａ及び第２精製装置１６１Ｂの上流にはそれぞれ入口弁２２Ａ、２２Ｂが設けられ、下流にはそれぞれ出口弁２３Ａ、２３Ｂが設けられている。

入口弁２２Ａ、２２Ｂ及び出口弁２３Ａ、２３Ｂは、陽極７Ａ、７Ｂから生成されたフッ素ガスが第１精製装置１６１Ａ及び第２精製装置１６１Ｂのいずれか一方のみを通過するように開閉が切り換えられる。つまり、第１精製装置１６１Ａ及び第２精製装置１６１Ｂ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。精製装置１６は、１又は３以上の系統で構成されていてもよい。

次に、副生ガス処理系統３について説明する。副生ガス処理系統３は、第２メイン通路３０及び除害部３４を含む。各電解槽１Ａ、１Ｂの第２気室に接続され、副生ガスを導出するための副生ガス導出経路７０Ａ、７０Ｂは集約され、第２メイン通路３０に接続される。第２メイン通路３０には、除害部３４が設けられ、副生された水素ガスは、除害部３４にて無害化されて放出される。

次に電力供給系統８０について説明する。図２では、符号８０が、２か所を示しているが、これらは、電力供給系統８０に含まれる構成要素を指示している。電解槽ユニット５０Ａに含まれる電解槽１Ａに設置された陽極７Ａと陰極８Ａには、電気分解に必要な電力を供給する電源装置９Ａが接続される。同様に、電解槽ユニット５０Ｂに含まれる電解槽１Ｂに設置された陽極７Ｂと陰極８Ｂには、電気分解に必要な電力を供給する電源装置９Ｂが接続される。電源装置９Ａ、９Ｂは、電力供給系統８０に含まれている。

電源装置９Ａ、９Ｂにはコントローラ１０が接続されている。後述するように、コントローラ１０は、電源装置９Ａ、９Ｂからの出力電圧において電源装置９Ａ、９Ｂを制御し、出力電圧を直接に制御することで電源装置９Ａ、９Ｂが電解槽１Ａ、１Ｂ（電極対）に供給する電力（電流）を制御する。

コントローラ１０は、電源装置９Ａにより、陽極７Ａと陰極８Ａの電極間に印加する電圧を調整する一方で、実際に通電された電圧値と電流値のデータを、電源装置９Ａから収集する。同様に、コントローラ１０は、電源装置９Ｂにより、陽極７Ｂと陰極８Ｂの電極間に印加する電圧を調整する一方で、実際に通電された電圧値と電流値のデータを、電源装置９Ｂから収集する。

本例においては、１台のコントローラ１０に対して複数台の電源装置９Ａ、９Ｂが接続しており、１台のコントローラ１０が複数台の電源装置９Ａ、９Ｂを制御している。これと異なり、電源装置９Ａ、９Ｂのそれぞれに、個別のコントローラを接続してもよい。この構成においては、全てのコントローラがイーサネット（イーサネットは登録商標）やＲＳ−２３２Ｃなどのインターフェイスで接続され、電源装置の制御に必要なデータが、全てのコントローラで共有される。

図３は、図２とは異なる、フッ素ガス生成装置１００の他の構成例を模式的に示している。図２の構成例においては、電解槽ユニット５０Ａ、５０Ｂに、それぞれ１台ずつの各電源装置９Ａ又は９Ｂが接続している。１台の電源装置９の出力容量が複数の電解槽における電気分解に必要な電力を供給できる場合、１台の電源装置９から複数の電解槽に電力を供給してもよい。例えば図３に示す構成例において、コントローラ１０に接続されている１台の電源装置９に対して、３基の電解槽ユニット５０Ａ〜５０Ｃが並列に接続されている。

以下においては、図２の構成例を参照して、コントローラ１０による電解槽１Ａ、１Ｂへの供給電力制御を説明する。後に詳述するように、コントローラ１０は、電源装置９Ａ、９Ｂからの出力を、電圧において制御する。本実施形態のフッ素ガス生成装置は、複数の電解槽におけるフッ素ガス生成量の制御において、当該複数の電解槽へ供給する総電流値を決定し、決定した総電流値に基づいて各電解槽への出力電圧を調整する。

総電流値に基づいて複数電解槽への供給電力を制御することで、所望量のフッ素ガスを自動供給することができる。電流値ではなく電圧を調整して複数電極対への供給電力を制御することで、特定の電解槽においてのみ腐食が進行して電極抵抗が大きく増加し、当該特定の電解槽の電極対のみ負荷が大きく増大することを防止する。このように、本実施形態のフッ素ガス生成装置は、安定してフッ素ガスを供給することができる。

一例において、コントローラ１０は、決定した総電流値に基づいて当該複数の電解槽へ供給する電圧を同一増減方向において増減させる。これにより、複数の電解槽における特定の電解槽においてのみ腐食が大きく進行することをより適切に防ぐことができる。

例えば、コントローラ１０は、複数の電解槽に出力する電圧値の比が一定であるように、複数の電解槽のそれぞれに出力する電圧を調整する。図２の例において、電源装置９Ａから電解槽１Ａに出力される電圧値をＶ１、電源装置９Ｂから電解槽１Ｂに出力される電圧をＶ２として、コントローラ１０は、Ｖ１とＶ２の比が一定であるように、電源装置９Ａ、９Ｂを制御する。Ｖ１とＶ２の比は、例えば、電解槽１Ａ、１Ｂ間の陽極７Ａ、７Ｂの電解面積の比に応じて決定してもよい（例えばそれらが一致）。３以上の電解槽の制御において、異なる電解槽対間の比は、同一又は異なる。

コントローラ１０は、複数の電解槽に出力する電圧値の増減量が同一となるように、電源装置を制御してもよい。例えば、複数の電解槽に同一又は異なる基準電圧値が定義されており、コントローラ１０は、基準電圧値から、同一量だけ複数の電解槽に出力する電圧を変化させ、各電解槽間において、出力電圧出力電圧の差分が一定である。差分が０であるとき、二つの電解槽への出力電圧値は同一である。３以上の電解槽の制御において、異なる電解槽対間の差分は、同一又は異なる。

これらにより、フッ素ガスを生成する複数の電解槽を含むフッ素ガス生成装置において、複雑な制御構成を必要とすることなく、一部の電解槽にかかる負荷のみを大きく増大させずに、フッ素ガスを安定して自動供給することができる。

以下においては、全ての電解槽の電極対に出力される電圧が同一である例を説明する。これにより、高度な演算能力を有する制御装置を用いることなく、簡便な制御によってフッ素ガスを安定して自動供給することができる。

図３の構成例においては、一つの電源装置９から全ての電解槽ユニット５０Ａ〜５０Ｃへの出力が並列であり、全ての出力電圧は同一である。上記例において、電解槽間の電圧値の比が１又はその差分が０のケースに相当する。図２の構成例において、電源装置９Ａから陽極７Ａと陰極８Ａの電極間に印加される電圧及び電源装置９Ｂから陽極７Ｂと陰極８Ｂの電極間に印加される電圧が同一である。このように、コントローラ１０は、電源装置から電解槽の電極対に出力する電圧値が全ての電解槽で同じとなる様に、各電源装置に制御信号を出力する。

複数基の電解槽ユニット中の一部の電解槽ユニットの使用を、メンテナンス、又は緊急時等の事情により中止する場合、フッ素ガス生成装置１００からのフッ素ガスの供給を中止することなしに、使用中止に該当する電解槽ユニットのみ使用を中止することがある。この場合、使用中止に該当する電解槽ユニット以外の電解槽（フッ素ガスの生成に使用する電解槽）の電極対のみに同一の電圧を印加する。

図２において、コントローラ１０は、バッファタンク２１の圧力を監視する圧力計２４及び第１メイン通路１５においてバッファタンク２１の下流において流量を監視する流量計２６により検出されたデータ（圧力及び流量）から演算される電流値とオペレータの入力値（パラメータ）とに基づいて、電気分解に必要な電流値（複数電解槽への総電流値）を算出し、当該算出値と、各電解槽１Ａ、１Ｂに実際に通電されている電流値の総和との比較によって、電源装置９Ａ、９Ｂから出力される電圧の制御を行う。

以下に、電流値の算出方法及び、電圧の制御方法の一例を説明する。コントローラ１０は、流量計２６により、フッ素ガス生成装置１００から外部装置４に供給されるフッ素ガス流量を検出し、その検出結果から、上記数式１に従って、検出された流量を維持するフッ素ガスを生成するための電気分解に必要な電流値（目標電流値）を算出する。

具体的には、コントローラ１０のＲＯＭは、上記数式１における電流効率を９５％として上記数式１を変形した下記数式２を記憶している。コントローラ１０は、この数式２に従って、目標電流値を算出する。コントローラ１０のＲＡＭは、算出された目標電流値を記憶する。

検出流量（Ｌ／ｍｉｎ）＝目標電流値（Ａ）×６．６１５５×１０^-3 （数式２）
目標電流値に対して、最低電流値が設定される。最低電流値は、予め設定されている最低電流密度の値に基づき設定される。ここで、電流密度は、電解槽１に設置された陽極７の電解面積で電流値を除算したものである。

例えば、設定されている最低電流密度が０．５Ａ／ｄｍ²であるとすると、陽極の電解面積が１０ｄｍ²の場合、最低電流値は５Ａとなる。これにより、電源装置９Ａ、９Ｂは、流量計２６によって検出された流量が０Ｌ／ｍｉｎであっても、目標電流値が０Ａとならない様に制御される。但し、流量計２６によって検出された流量が一定時間以上０Ｌ／ｍｉｎ継続した場合は、電源装置９Ａ、９Ｂは、目標電流値は０Ａとなる様に制御される。

コントローラ１０は、圧力計２４によりバッファタンク２１内の圧力を検出し、その検出結果に基づいて、目標電流値又は他の予め設定されている電流値から補正電流値を算出する。一例において、圧力計２４における検出圧力に対して、予め複数の圧力範囲が定義されている。

以下に説明する例においては、圧力は６つの圧力範囲（区分）に区分けされており、圧力が高い順に、区分１〜区分６が定義されている。区分１の圧力範囲が最も高く、区分６の圧力範囲が最も低い。圧力範囲の区分はバッファタンク２１の容量及び耐圧、並びに、昇圧装置１７に含まれる昇圧ポンプの能力等によって決定される。

各区分に対して、補正電流値の演算方法が定義されている。各区分における補正電流値の演算方法の例は以下の通りである。
区分１：補正電流値＝電解停止（０Ａ）
区分２：補正電流値＝最低電流値
区分３：補正電流値＝目標電流値×９０％
区分４：補正電流値＝目標電流値
区分５：補正電流値＝目標電流値×１１０％
区分６：補正電流値＝フッ素ガス生成装置１００の最大電流値

コントローラ１０は、圧力計２４の検出結果と各区分とを比較し、検出結果が含まれる区分を特定する。コントローラ１０は、特定した区分に関連付けられている演算方法に従って、補正電流値を算出する。

上記区分６に対して定義された演算方法における「フッ素ガス生成装置１００の最大電流値」は、フッ素ガス生成装置１００に含まれる電解槽１Ａ、１Ｂや電源装置９Ａ、９Ｂなど各機器の仕様によって決まるフッ素ガス生成装置１００の設計能力に、一定の安全率をかけて算出した電流値の上限である。

なお、安全率については、フッ素ガス生成装置１００の設計指針に基づいて決定されるほか、上述のメンテナンス又は緊急時等の事情により使用を中止する電解槽がある場合は、その状況に応じて、適時安全率が変更される。例えば３基の電解槽を含むフッ素ガス生成装置を安全率７５％で設計した場合、３基の電解槽が稼働している場合の最大電流値は、フッ素ガス生成装置の設計能力×７５％として算出され、３基のうち１基の電解槽がメンテナンスにより使用を中止する必要が生じた場合、安全率は７５％の２／３、すなわち５０％に変更され、最大電流値がフッ素ガス生成装置の設計能力×５０％として算出される。

一方、フッ素ガス生成装置１００を操作するオペレータが変更可能なフッ素ガスの目標流量の上限値についても、最大電流値に応じて変更される。具体的には、上述の数式２の電流値にフッ素ガス生成装置１００の最大電流値を入力して算出される流量が、目標流量の上限値としてコントローラ１０に取り込まれ（記憶され）、この算出された目標流量の上限値よりもオペレータが入力した流量値の方が大きい場合は、コントローラ１０は、オペレータの入力した流量値を自動的に目標流量の上限値に変更する。

コントローラ１０は、上記補正電流値の演算と並行して、実電流値及び、電流偏差範囲の演算を行う。具体的には、コントローラ１０は、フッ素ガス生成装置１００に含まれる全ての電源装置９Ａ、９Ｂのそれぞれから通電されている電流値のデータを、電源装置９Ａ、９Ｂから取込み、それらを合計した値（総電流値）を実電流値としてＲＡＭに記憶する。コントローラ１０は、電流偏差範囲として、例えば、フッ素ガス生成装置１００の最大電流値の２％を算出し、その値をＲＯＭに記憶する。

次に、コントローラ１０は、算出された補正電流値と実電流値とを比較する。実電流値が、補正電流値＋電流偏差範囲より高い場合、コントローラ１０は、各電源装置９Ａ、９Ｂから各電解槽１Ａ、１Ｂに出力する電圧値の下降を開始する。この電圧値の下降速度は、電解槽１Ａ、１Ｂの構成や、フッ素ガス生成装置１００全体の能力によって異なる。

下降速度が速い場合、実電流値のオーバーシュートが発生するなど、制御精度が低下する。その一方、下降速度が遅い場合、外部装置４へのフッ素ガス供給量の変化とフッ素ガス生成量の変化との乖離が大きくなり、バッファタンク２１内の圧力が異常に増加する可能性がある。そのため、コントローラ１０は、適正な速度をあらかじめ算出し、その速度で電圧を下げる。

コントローラ１０は、電圧の下降中において、電源装置９Ａ、９Ｂから電流値と電圧値の値を随時取得し、それらの値を監視する。電圧値の下降を開始した後、コントローラ１０Ａは、一定の下降速度を保持し、実電流値＝補正電流値となったら、電圧の下降を停止する。

一方、補正電流値と実電流値の比較において、実電流値が補正電流値−電流偏差範囲より低い場合、コントローラ１０は、各電源装置９Ａ、９Ｂから各電解槽１Ａ、１Ｂに出力される電圧値の上昇を開始する。なお、コントローラ１０は、上昇速度についても適正な速度をあらかじめ算出し、その速度で電圧を上げる。コントローラ１０は、電圧値の上昇を開始した後一定の上昇速度を保持し、実電流値＝補正電流値となったら電圧の上昇を停止する。

コントローラ１０は、補正電流値と実電流値の比較を、常時又は一定周期ごとに行い、電圧値の調整を調整する。コントローラ１０が一定周期ごとに補正電流値と実電流値の比較を実施する場合、その周期の長さは、フッ素ガス生成装置１００自体の仕様及びその使用環境にもよる。例えば、その周期は１０ｍｉｎ未満に設定される。１０ｍｉｎ以上の長い周期とした場合、外部装置４へ供給されるフッ素ガスの流量と、電解槽１Ａ、１Ｂで発生するフッ素ガスの流量の乖離により、バッファタンク２１の圧力変動を生じ、バッファタンク内の圧力を適正な範囲内に収めることが困難となる可能性がある。

コントローラ１０は、他の方法により、電源装置９Ａ、９Ｂの出力電圧を調整してもよい。例えば、コントローラ１０は、電圧変更開始前の電流値と電圧値から、各電解槽の抵抗値を計算し、その値を使用して実電流値（電解槽１Ａ、１Ｂの電流値の総和）が補正電流値に一致する推定電圧値を算出する。当該電圧値への変更後に、コントローラ１０は、実電流値を確認し、実電流値と補正電流値との差に応じて、上記方法により出力電圧値を調整する。

上述のように、本実施形態において、電源装置から陽極と陰極の間に供給される電流値をバッファタンクから外部装置へと供給されるフッ素ガス流量に基づいて演算し、その演算された電流値はバッファタンクの圧力に基づいて補正することで、フッ素ガスを外部装置へとより安定的に供給することができる。

複数基の電解槽ユニットを同時に制御する場合、各電解槽ユニットへの電圧を調整して電流を制御することで、各電解槽ユニットに含まれる電解槽の抵抗の差によって通電される電流値を自動的に分配し、腐食等の発生により、電気抵抗が増加した電解槽には電流が流れにくくなり、腐食反応の促進による電解槽の使用寿命の短縮化を低減することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

例えば、上記例では精製装置１６が第１メイン通路１５に設置されているが、精製装置の小型化を目的として、電解槽ユニットと同数の精製装置を用意し、各電解槽の主生ガス導出経路にそれぞれ設置しても良い。発生した主生ガスにおけるフッ素ガスの純度が産業上問題にならない場合は、精製装置を設置しなくても良い。

上記例は、流量計及び圧力計の検出値を参照して、複数の電解槽によるガス生成量（上記例において精製後のフッ素ガス量）に基づき補正電流値を決定するが、本発明は、バッファタンクを有していないフッ素ガス生成装置に適用できる。例えば、コントローラは、外部装置に供給されるフッ素ガス流量（複数の電解槽によるガス生成量を表す値の一つ）を監視し、その流量が基準値に近付くように、各電解槽に出力する電圧を調整する。

このように、コントローラは、メイン通路における圧力検出値を使用せず、検出ガス流量値を使用して各電解槽に出力する電圧を調整する他、フッ素ガス流量を参照せず、バッファタンクにおける検出圧力値（複数の電解槽によるガス生成量を表す値の一つ）から算出した電流値により、各電解槽に出力する電圧を調整してもよい。例えば、上記六つ区分において、目標電流値に代えて、基準値が設定される。

１、１Ａ、１Ｂ 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
６ 区画壁
７、７Ａ、７Ｂ 陽極
８、８Ａ、８Ｂ 陰極
９、９Ａ、９Ｂ 電源装置
１０ コントローラ
１１１ 第１気室
１２１ 第２気室
１４ 液面計
１５ 第１メイン通路
１６ 精製装置
１７ 昇圧装置
２０ 差圧計
２１ バッファタンク
２４ 圧力計
２６ 流量計
２７ 流量制御弁
３０ 第２メイン通路
４０ フッ化水素供給源
４１ 原料供給通路
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 電解槽ユニット
６０、６０Ａ、６０Ｂ 主生ガス導出通路
６５ 温度調節装置
６９ 温度計
７０、７０Ａ、７０Ｂ 副生ガス導出経路
１００ フッ素ガス生成装置

Claims (5)

1. 電解浴中のフッ素化合物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、
   それぞれが、容器と、前記容器内に収容されているフッ素化合物を含む電解浴と、前記電解浴に挿入された陽極及び陰極と、を有し、前記陽極及び陰極間を流れる電流により前記電解浴中のフッ素化合物を電気分解することによりフッ素ガスを生成する、複数の電解槽と、
   前記複数の電解槽に、電気分解によるフッ素ガスの生成に必要な電力を供給する電源と、
   前記電源から前記複数の電解槽へ与えられている電流を検出する、実電流検出手段と、
   前記複数の電解槽によるフッ素ガスを含むガスの生成量に基づいて前記複数の電解槽に与える電流の総和を決定し、前記実電流検出手段により検出された前記複数の電解槽へ与えられている電流の総和と前記決定した電流の総和との差が小さくなるように、前記複数の電解槽へ与えられる電圧の値が同一増減方向において増減するように前記電源を出力電圧において制御する、制御手段と、を含むフッ素ガス生成装置。
2. 請求項１に記載のフッ素ガス生成装置であって、
   前記複数の電解槽で生成されたフッ素ガスを含む主生ガスを導出するための複数のガス導出通路と、
   前記複数のガス導出通路により導出される主生ガスを集約するメイン通路と、
   前記メイン通路に形成されているバッファタンクと、
   前記メイン通路において、前記バッファタンクの下流側においてガス流量を検出する流量検出手段と、
   前記バッファタンクの圧力を検出する圧力検出手段と、をさらに有し、
   前記制御手段は、前記流量検出手段と前記圧力検出手段における検出結果を使用して前記複数の電解槽に与える電流の総和を決定する、フッ素ガス生成装置。
3. 請求項１又は２に記載のフッ素ガス生成装置であって、
   前記制御手段は、前記複数の電解槽のそれぞれに与える電圧の比が一定であるように、前記電源を制御する、フッ素ガス生成装置。
4. 請求項３に記載のフッ素ガス生成装置であって、
   前記制御手段は、前記複数の電解槽に与える電圧値が同一あるように前記電源を制御する、フッ素ガス生成装置。
5. 電解浴中のフッ素化合物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の制御方法であって、
   前記フッ素ガス生成装置は、それぞれが、容器と、前記容器内に収容されているフッ素化合物を含む電解浴と、前記電解浴に挿入された陽極及び陰極と、を有し、前記陽極及び陰極間を流れる電流により前記電解浴中のフッ素化合物を電気分解することによりフッ素ガスを生成する、複数の電解槽と、
   前記複数の電解槽に、前記フッ素化合物の電気分解に必要な電力を供給する電源と、を含み、
   前記制御方法は、
   前記電源から前記複数の電解槽へ与えられている電流を検出し、
   前記複数の電解槽によるフッ素ガスを含むガスの生成量に基づいて前記複数の電解槽に与える電流の総和を決定し、
   前記検出された前記複数の電解槽へ与えられている電流の総和と前記決定した電流の総和とを比較し、
   前記比較の結果に応じて、前記検出された前記複数の電解槽へ与えられている電流の総和と前記決定した電流の総和との差が小さくなるように、前記複数の電解槽へ与えられる電圧の値が同一増減方向において増減するように前記電源を出力電圧において制御する、フッ素ガス生成装置の制御方法。