JP7284530B2 - 水素回収再生システム - Google Patents

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Description

本発明は、水素回収再生システムに関し、特に、水素を効果的に回収及び再利用すること
ができ、水素を高純度で精製することができる水素回収再生システムに関する。
一般的な半導体製造工程及び光電製造工程が完了した後、残りのプロセスガス（すなわち
、排ガス）には、通常、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２
Ｈ６）、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（Ｃ
Ｈ３）３）、及び高濃度の水素が含まれる。その中、アンモニア、シラン、ジシラン、ホ
スフィン、アルシン、トリメチルガリウムは、いずれも環境汚染物質である。
現在、上記の環境汚染物質の処理方法は、通常、排ガスを、硫酸又は次亜塩素酸で洗浄し
た後直接大気中に排出することである。しかしながら、この処理方法には多くの欠点があ
る。例えば、処理された廃水中の窒素濃度は数万ｐｐｍに達し、法定基準よりもはるかに
高くなっている。また、水素は直接大気中に放出され、爆発の危険性があり、しかも水素
の浪費をもたらす。
さらに、半導体製造工程や、光電製造工程又は化学メーカ製造プロセスでは、関連する当
業者は通常、残りのプロセス排ガス（前述の様々なガスなど）を燃焼によって処理するた
め、プロセスはより複雑であり、また、設備や処理コストも比較的高価である。
これに鑑みて、上記の問題を効果的に解決するために、本発明の主な目的は、水素を効果
的に回収及び再利用する水素回収再生システムを提供することにある。
本発明の次の目的は、高純度で水素を精製できる水素回収再生システムを提供することに
ある。
本発明の次の目的は、回収コストの低い水素回収再生システムを提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、混合ガスを受けや処理して有害な物質を除去す
るために使用される処理装置と、前記処理装置に接続された、前記混合ガス中の水素以外
のガスを除去するために使用される電気化学水素精製装置と、前記電気化学水素精製装置
に接続された、精製後の水素の水分を取り除くための除水装置と、を含む水素回収再生シ
ステムを提供する。
本発明のシステムの設計によれば、まず、前記処理装置はあるプロセスで排出された混合
ガスを受け取って処理し、混合ガス中の窒化物、硫化物などの有害物質を除去する。次に
、前記電気化学水素精製装置を使用して、混合ガス中の水素以外のガス及び不純物を除去
し、さらに、ポンプ装置で前記電気化学水素精製装置内の水素を除水装置に押し出す圧力
を提供する。最後に、前記除水装置を用いて精製した水素中の水分を除去することによっ
て、より高純度の水素を分離できるため、水素を効果的に回収して再利用する効果が達成
できる。
本発明の水素回収再生システムの好ましい実施形態の概略ブロック図である。 本発明の水素回収再生システムの好ましい実施形態の電気化学水素精製装置の実施概略図である。 本発明の水素回収再生システムの他の実施形態の概略ブロック図である。
本発明の上記の目的、構造及び機能的特徴について、添付図面の好ましい実施形態に基づ
いて説明する。
図１及び図２を参照されたい。図１及び図２は、本発明の水素回収再生システム２の好ましい実施形態の概略ブロック図、及び電気化学水素精製装置の実施概略図である。図に示すように、水素回収再生システム２は、処理装置２０と、水素精製装置２１と、除水装置２３とを含む。本発明において、水素回収再生システム２は、水素４、窒素６、アンモニア、その他のガスを含有する混合ガス３から水素４を回収して再利用する。ここで、混合ガス３は、例えば、半導体製造工程又は光電製造工程の完了後に残る排ガスであり、ここで、残りの排ガスには、水素４、窒素６、アンモニア、シラン、ジシラン、ホスフィン、アルシン、トリメチルガリウム、又はその組成物を含む。
まず、前述の混合ガス３は、パイプライン５を介して、処理装置２０として選択されたロ
ーカルスクラバー（ｌｏｃａｌ ｓｃｒｕｂｂｅｒ）に排出される。そして、前記ローカ
ルスクラバーを以って、先に、混合ガス３を予備処理しておいた。これにより、混合ガス
３中の有毒ガスや物体の粒子（ほこりなど）又は有害物質（窒化物、硫化物など）を除去
することで、無害なガスだけが残された。その後、予備処理された混合ガス3を電気化学
水素精製装置２１に入る。
なお、前記ローカルスクラバーは、原理的に電気温水洗浄タイプ、充填水洗浄タイプ、乾
式吸着タイプなどに分けられている。本発明の水素回収再生システム２では、ユーザの要
求に応じて、どのタイプのローカルスクラバーが混合ガス３の処理に適用するのかについ
て決めることができる。このため、前述の処理装置２０として、前記に述べた各タイプの
ローカルスクラバーは、本発明の範囲に含まれるべきである。こういうことを先ず説明し
ておく、ご留意ください。
次に、洗浄された混合ガス３は、パイプライン５を介して電気化学水素精製装置２１に送られ、電気化学水素精製装置２１で混合ガス３中の水素４以外のガス及び他の不純物を除去する。なお、前記電気化学水素精製装置２１は、混合ガス３中の水素４以外のガス及び不純物を除去するために電気化学的方法を選択したことに特に留意されたい。言い換えれば、混合ガス３は、電気化学水素精製装置２１内で電気化学的方法によって水素４以外のガス（窒素６、アンモニアなど）及び不純物が除去・分離されるため、電気化学水素精製装置２１内に水素４のみが保持され、これまで混合ガス３中に水素４以外のすべてのガスが分離されて存在せず、水素４がパイプライン５を介して除水装置２３に入る。
図２と併せて参照しながらより詳しく説明する。電気化学水素精製装置は、吸気通路９０
と、プロトン交換膜７と、アノード触媒反応層７０と、カソード触媒反応層７１と、排気
通路９１と、外部電源８とをさらに有する。吸気通路９０は、前述の処理装置２０に接続
され、処理装置２０で処理された混合ガス３は、吸気通路９０を通って電気化学水素精製
装置２１に入り、続いて、プロトン交換膜７によって水素４以外のガスを遮断するととも
に、プロトン交換膜７を介して複数の水素イオン４０を伝送しかつ複数の電子４１の通過
を隔離することができる。
アノード触媒反応層７０及びカソード触媒反応層７１は、プロトン交換膜７の対向する両
側にそれぞれ配置された。アノード及びカソード触媒反応層７０、７１に白金（Ｐｔ）、
ルテニウム（Ｒｕ）又は他の貴金属を触媒として提供して電気化学した後、生成物（生成
物は水素４を指す）が排気通路９１を通って拡散し排出され、混合ガス３中の水素４以外
のガス及び不純物の除去を完了する。
次に、水素４は、除水装置２３に入る前にポンプ装置２２を通過し、ポンプ装置２２で水
素精製装置２１内の水素４を除水装置２３に押し出す圧力を提供する。電気化学水素精製
装置２１によって分離された水素４はまだ一部の水分を含むため、除水装置２３によって
水分が除去される必要がある。除水装置２３は、凍結除水法で精製した水素４内の水分を
除去する方法を選択するため、高純度の水素４に分離することができる。
さらに、図３を共に参照されたい。なお、本発明は、除水装置２３に接続された吸着素子
２４をさらに含み、吸着素子２４は、精製後の水素４内の水分を吸着するために使用され
る。すなわち、吸着素子２４は、除水装置２３の補助素子として使用することができるの
で、分離された水素４の水分除去速度はより速く、水素４の純度はより高く、相乗効果を
得ることができる。吸着素子２４は、活性化炭素、ゼオライト、シリコン、活性化アルミ
ナ、分子ふるい、酸化マンガン、水酸化カルシウム、グラフェン及び中空繊維からなる群
から何れか１種を選択することができる。
このように、前述装置の様々な機能により、高純度の水素４を分離することが達成でき、
高い効率の水素回収及び再生のシステムを形成することができ、また、回収プロセスは従
来の水素回収方式と比べ、コストは比較的低く、水素４回収のコストを大幅に削減するこ
とができる。
上記のように、本発明は、従来技術に比べて以下の利点を有する。
１．水素を効果的に回収し再利用できる。
２．高純度で水素を精製することができる。
３．回収プロセスのコストが低下される。
以上、本発明について詳細に説明されたが、上記に説明されたものは本発明の好ましい実
施形態の１つに過ぎず、本発明の実施範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の
特許請求の範囲に基にづいて行った均等な変更及び修正などは、本発明の特許の請求範囲
に含まれるべきである。
２水素回収再生システム ２０処理装置
２１電気化学水素精製装置 ２２ポンプ装置
２３除水装置 ２４吸着素子
３混合ガス ４水素
４０水素イオン ４１電子
５パイプライン ６窒素
７プロトン交換膜 ７０アノード触媒反応層
７１カソード触媒反応層 ８外部電源
９０吸気通路 ９１排気通路

Claims (4)

  1. 混合ガスを受け取って処理して、有害な物質を除去するために使用される処理装置と、
    前記処理装置に接続された、前記混合ガス中の水素以外のガスを除去するために使用される電気化学水素精製装置と、
    前記電気化学水素精製装置に接続された、精製後の水素の水分を取り除くための除水装置とを含む水素回収再生システムにおいて、
    前記混合ガスは、水素を含み、且つ窒素、アンモニア、アルゴン、シリコン化合物、リン化合物、ヒ素化合物、ガリウム化合物、インジウム化合物、又はそれらの組成物を含み、
    前記処理装置は、ローカルスクラバー（ｌｏｃａｌ ｓｃｒｕｂｂｅｒ）を使用し、
    前記除水装置は、凍結除水法で精製した水素中の水分を除去する方法を利用する、
    ことを特徴とする水素回収再生システム。
  2. 前記電気化学水素精製装置に接続されたポンプ装置をさらに含み、
    前記ポンプ装置は、前記電気化学水素精製装置内の水素を押し出すための圧力を提供するために使用される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の水素回収再生システム。
  3. 前記ポンプ装置に接続された、精製した水素中の水分を吸着するための吸着素子をさらに含み、
    前記吸着素子は、活性化炭素、ゼオライト、シリコン、活性化アルミナ、分子ふるい、酸化マンガン、水酸化カルシウム、グラフェン及び中空繊維からなる群から選択される何れか１種である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の水素回収再生システム。
  4. 前記電気化学水素精製装置は、吸気通路と、プロトン交換膜と、アノード触媒反応層と、カソード触媒反応層と、排気通路と、外部電源とをさらに有し、
    前記吸気通路は前記処理装置に接続され、
    前記プロトン交換膜は、複数の水素イオンを伝送しかつ複数の電子の通過を隔離するために使用され、
    前記アノード触媒反応層及びカソード触媒反応層は、前記プロトン交換膜の対向する両側にそれぞれ配置され、
    前記アノード及びカソード触媒反応層に白金（Ｐｔ）又はルテニウム（Ｒｕ）又は他の貴金属を提供し、触媒として電気化学反応した後、生成物が前記排気通路を通って拡散し排出される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の水素回収再生システム。
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