KR20140035957A

KR20140035957A - 전해장치

Info

Publication number: KR20140035957A
Application number: KR1020137034358A
Authority: KR
Inventors: 마사시 고다마; 요시오 쇼다이
Original assignee: 도요탄소 가부시키가이샤
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-03-24
Also published as: WO2013001800A1; CN103635609A; DE112012002702T5; DE112012002702T8; TW201311935A

Abstract

전해조 본체의 상부의 개구가 시일부재를 끼고 제1 덮개체에 의해 폐색된다. 제1 덮개체의 개구는 시일부재를 끼고 제2 덮개체에 의해 폐색된다. 제1 덮개체의 개구는 전해조 본체의 개구보다 작다. 제2 덮개체의 하면에는 전해조 본체 내를 양극실과 음극실로 분리하는 격벽이 일체적으로 설치된다. 양극실은 시일부재의 내측의 영역에 배치된다. 양극은 양극실내에서 제2 덮개체에 부착되고 전해조 본체의 내면에는 음극이 형성된다. 전해조내의 전해욕이 전기 분해됨으로써 양극실에서 불소 가스가 발생한다. 액체 격벽에는 복수의 원형의 관통구멍이 형성되어도 좋다. 각 관통구멍은 양극실측의 단부로부터 음극실측이 단부까지 비스듬히 상방으로 연장되는 상면을 갖는다. 관통구멍의 양극측단의 상하 방향의 직경은 전해욕이 통과 가능하고 또한 불소 가스 및 수소 가스의 기포가 통과하지 않는 크기로 설정된다. 관통구멍의 음극측단의 상하방향의 직경은 관통구멍의 양극측단의 직경보다 크다.

Description

전해장치{ELECTROLYSIS DEVICE}

본 발명은 전해조를 구비한 전해장치에 관한 것이다.

종래, 반도체의 제조공정 등에서 재료의 세정 및 표면개질 등의 여러 가지 용도로 불소 가스가 사용되고 있다. 이 경우, 불소 가스 자체가 사용되는 경우도 있고, 불소 가스를 기초로 합성된 NF3(삼불화 질소)가스, NeF(불화네온)가스 및 ArF(불화아르곤)가스 등의 여러 가지 불소계 가스가 사용되는 경우도 있다.

불소 가스를 안정적으로 공급하기 위해 통상 HF(불화수소)를 전기분해하여 불소 가스를 발생하는 전해장치가 사용된다. 이와 같은 전해장치에서는 예를 들어 전해조 내에 KF-HF(칼륨-불화수소)계의 혼합 용융염으로 이루어진 전해욕이 형성된다. 전해조 내의 전해욕이 전기 분해되어 불소 가스가 발생된다.

예를 들어, 특허문헌 1에 기재된 용융염 전해장치는 전해조 본체와 상부덮개에 의해 구성된 전해조를 갖는다. 전해조의 내부는 전해조의 중심부에 위치하는 양극실과 그 양극실을 둘러싸는 음극실로 격벽에 의해 분리되어 있다. 양극실에는 양극이 배치되고 음극실에는 음극이 설치되어 있다. 상부 덮개의 대략 중앙부에는 양극을 전해조 본체내에 삽입하기 위한 개구부가 형성되고, 개구부를 덮도록 덮개체가 설치되어 있다. 덮개체와 상부 덮개 사이에는 가스시일재가 개재된다. 덮개체에는 양극을 유지하는 연결봉이 수직으로 설치되어 있다.

상기와 같이 전해조내에서는 불소 가스와 함께 수소 가스가 발생된다. 그 때문에, 전해조내에는 발생되는 불소 가스와 수소 가스를 분리하기 위한 격벽이 설치된다. 특허문헌 2에 기재되는 전해조에서는 가스의 혼합을 방지하기 위해 다공성 또는 섬유상의 구성을 갖는 격판이 사용된다. 이 경우, 전해욕이 격판을 투과하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 전해조 내에 배치되는 양극과 음극 사이의 통전 저항의 증가가 방지된다.

일본 공개특허공보 제2005-48290호 일본 공개특허공보 제2000-104187호

특허문헌 1에 기재된 용융염 전해장치에서는 덮개체를 상부 덮개로부터 분리함으로써 양극을 상부 덮개와 함께 용이하게 전해조 본체로부터 분리할 수 있다. 이에 의해, 양극이 소모된 경우에도 양극을 용이하게 교환하는 것이 가능해진다.

그러나, 상기 용융염 전해장치에서는 덮개체와 상부 덮개 사이에 개재되는 가스시일재에는 불소 가스에 대한 내식성이 요구된다. 또한, 불소 가스에 대해서 내식성을 갖는 가스시일재이어도 장기적으로 불소 가스에 접함으로써 부식된다. 그 때문에, 빈번하게 가스시일재를 교환할 필요가 있다. 그 결과, 유지관리비용이 증가한다. 또한, 가스시일재를 교환하는 빈도는 양극을 교환하는 빈도보다 많으므로 메인터넌스의 작업효율이 나쁘다.

또한, 본 발명자는 특허문헌 2의 전해조에서는 발생한 가스의 기포가 격판의 구멍을 막음으로써 전해욕의 투과가 방해받는 것을 발견했다. 그에 의해 전해욕의 전해반응을 안정적으로 진행시킬 수 없다.

본 발명의 목적은 유지관리비용의 감소 및 유지관리작업의 효율 향상이 가능한 전해장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기체의 혼합을 방지하면서 전해반응을 안정적으로 진행시키는 것이 가능한 전해장치를 제공하는 것이다.

(1) 본 발명의 1 국면에 따른 전해장치는 전해욕을 전기 분해함으로써 불소 및 다른 기체를 발생하기 위한 전해장치로, 전해욕을 수용하는 전해조를 구비하고 전해조는 제1 개구를 상부에 갖는 전해조 본체와, 제1 개구보다 작은 제2 개구를 갖고, 제1 개구를 폐색하도록 전해조 본체에 설치되는 제1 덮개체와, 제2 개구를 둘러싸도록 제1 덮개체에 설치되는 제1 시일부재와, 제2 개구를 폐색하도록 제1 시일부재를 끼고 제1 덮개체상에 설치되는 제2 덮개체와, 제2 덮개체에 부착되는 제1 전극과, 전해조 본체내를 불소가 발생되는 제1 실과 다른 기체가 발생되는 제2 실로 분리하는 격벽을 포함하고, 격벽은 제1 실이 제1 시일부재의 내측의 영역에 배치되도록 형성되는 것이다.

상기 전해장치에서는 전해조 본체의 상부의 제1 개구가 제1 덮개체에 의해 폐색된다. 제1 덮개체의 제2 개구는 제1 시일부재를 끼고 제2 덮개체에 의해 폐색된다. 제1 전극이 제2 전극에 부착된다. 제2 개구는 제1 개구보다 작으므로, 제2 덮개체는 제1 덮개체보다 소형이고 경량인 구성이 된다. 그 때문에, 제1 전극이 소모된 경우에도 제2 덮개체를 제1 덮개체로부터 분리함으로써 제1 전극을 용이하게 교환할 수 있다.

또한, 제1 실은 격벽에 의해 제1 시일부재의 내측의 영역에 배치된다. 이 경우, 제1 실에서 발생되는 불소가 제1 시일부재에 접촉되는 일이 없으므로 제1 시일부재의 부식이 방지된다. 이에 의해, 제1 시일부재를 교환하는 빈도가 감소된다.

그 결과, 전해장치의 유지관리비용이 감소되고 또한 유지관리의 작업효율이 향상된다.

(2) 격벽은 제1 전극의 주위를 둘러싸도록 제1 덮개체에 일체적으로 설치되어도 좋다. 이 경우, 제2 덮개체를 제1 덮개체로부터 분리함으로써 격벽을 용이하게 점검할 수 있다. 이에 의해, 전해장치의 유지관리비용이 보다 감소되고 또한 유지관리작업의 효율이 보다 향상된다.

(3) 전해조 본체가 제2 전극으로서 기능해도 좋다. 이 경우, 제2 전극을 별개로 설치할 필요가 없다. 이에 의해, 전해장치의 구성을 단순화할 수 있다.

(4) 전해장치는 제1 개구를 둘러싸도록 전해조 본체에 설치되는 제2 시일부재를 추가로 구비하고 제1 덮개체는 제2 시일부재를 끼고 전해조 본체상에 설치되어도 좋다.

이 경우, 제1 덮개체를 전해조 본체로부터 분리하는 것이 가능해진다. 그 때문에 제1 덮개체를 전해조 본체로부터 분리함으로써 전해장치의 내부를 점검할 수 있다.

(5) 본 발명의 다른 국면에 따른 전해장치는 전해욕을 수용하는 전해조와, 전해조 내를 양극실과 음극실로 구획하도록 설치되고, 전해욕 중의 이온이 통과 가능한 개구를 갖는 격벽과, 전해조의 양극실에 설치되는 양극와, 전해조의 음극실에 설치되는 음극을 구비하고, 격벽의 개구는 양극실 및 음극실 중 적어도 한쪽을 향하여 비스듬히 상방으로 연장되는 상면을 갖는 것이다.

그 전해장치에서는 격벽에 의해 전해조내가 양극실과 음극실로 구획된다. 양극실에 설치된 양극와 음극실에 설치된 음극 사이에 전압이 인가되고, 전해조 내의 전해욕이 전기 분해된다. 이에 의해, 양극실 및 음극실에서 기체가 발생한다.

격벽에는 전해욕 중의 이온이 통과 가능한 개구가 설치된다. 개구는 양극실 및 음극실 중 적어도 한쪽을 향하여 비스듬히 상방으로 연장되는 상면을 갖는다. 그 때문에, 발생되는 기체의 거품이 양극실 및 음극실의 상기 중 적어도 어느 한쪽으로부터 개구내에 진입해도 그 거품은 개구의 상면을 따라서 양극실 또는 음극실로 되돌아간다. 따라서, 발생되는 기체의 거품이 통과하지 않도록 개구의 크기를 설정함으로써 양극실에서 발생되는 기체와 음극실에서 발생되는 기체가 혼합되는 것을 방지하면서 발생되는 기체의 거품에 의해 개구가 막히는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 기체의 혼합을 방지하면서 전해욕의 전해반응을 안정적으로 진행시킬 수 있다.

(6) 양극실에서 불소 가스가 발생되고, 음극실에서 수소 가스가 발생되며, 개구의 상면은 음극실측을 향하여 비스듬히 상방으로 연장되도록 설치되어도 좋다.

수소 가스는 불소 가스에 비하여 전해욕에 용해되기 어려우므로, 수소 가스의 거품은 개구내에 체류하여 개구를 막기 쉽다. 그래서, 개구의 상면이 음극실측을 향하여 대각선 상방으로 연장되도록 설치됨으로써 음극실에서 발생되는 수소 가스의 거품이 개구내에 진입해도 그 거품은 개구의 상면을 따라서 음극실로 되돌아간다. 그에 의해 수소 가스에 의해 개구가 막히는 것이 방지된다.

(7) 양극실측에서의 개구의 단부의 면적은 음극실측에서의 개구의 단부의 면적보다 작아도 좋다.

이 경우, 양극실에서 발생되는 불소 가스가 개구내에 진입하는 것이 방지된다. 이에 의해, 불소 가스가 음극실로 이동하는 것이 방지되고 불소 가스와 수소 가스가 혼합되는 것이 방지된다.

(8) 격벽은 전해욕에 침지되는 액체 격벽을 포함하고, 개구는 액체 격벽에 설치되며 액체 격벽은 퍼플루오로 수지에 의해 형성되어도 좋다.

이 경우, 전해욕에 의해 액체 격벽이 부식되는 것이 방지된다. 또한, 개구를 형성할 때의 액체격벽의 가공이 용이해진다. 또한, 액체 격벽의 재료 비용이 감소된다.

(9) 양극의 표면에 도전성 다이아몬드 코팅이 실시되어도 좋다. 이 경우, 양극에 분극이 발생하기 어려워지므로 기체의 발생효율이 향상된다. 기체의 발생량이 많아져도 격벽의 개구가 거품에 의해 막히는 것이 방지되므로 전해반응을 안정적으로 진행시킬 수 있다.

본 발명에 따르면 전해장치의 메인터넌스 비용의 감소 및 메인터넌스 작업의 효율 향상이 가능해진다.

또한, 본 발명에 따르면 기체의 혼합을 방지하면서 전해반응을 안정적으로 진행시키는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 전해장치의 모식적 단면도이다.
도 2는 도 1의 전해조의 분해사시도이다.
도 3은 제2 덮개체의 하면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 전해장치의 모식적 단면도이다.
도 5는 액체 격벽의 외관사시도이다.
도 6은 액체 격벽에 형성되는 관통구멍의 확대도이다.
도 7은 액체 격벽에 형성되는 관통구멍의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 8은 액체 격벽의 다른 예에 대해서 설명하기 위한 단면도이다.

[1] 제1 실시형태

이하, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 전해장치(기체발생장치)에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

(1) 전해장치의 구성

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 전해장치의 모식적 단면도이다. 도 1의 전해장치(10)는 불소 가스를 발생하는 기체발생장치이다. 도 1에 도시한 바와 같이 전해장치(10)는 전해조(11)를 구비한다. 전해조(11)는 전해조 본체(11a), 제1 덮개체(11b), 시일부재(11c), 제2 덮개체(11d) 및 시일부재(11e)에 의해 구성된다. 제2 덮개체(11d)의 하면에는 전해조 본체(11a) 내의 중심부의 공간을 둘러싸도록 격벽(13)이 일체적으로 설치된다. 전해조 본체(11a), 제1 및 제2 덮개체(11b, 11d) 및 격벽(13)은 예를 들어 Ni(니켈), 모넬, 순철 또는 스텐레스강 등의 금속 또는 합금에 의해 형성된다.

전해조(11)에서는 고전류의 전력이 취급된다. 또한, 음극실(14b) 내에 수소 등의 기체가 존재하는 경우, 정전기 또는 방전에 의한 음극실(14b) 내의 방전을 방지할 필요가 있다. 그 때문에, 음극실(14b)의 제1 덮개체(11b)는 접지선(E1)에 의해 접지된다. 이에 의해, 전해조(11)로부터의 누전에 의한 감전 등이 방지되고 또한 수소 등의 기체가 폭발하는 것을 방지할 수 있다.

전해조(11) 내에는 KF-HF(칼륨-불화수소)계 혼합용융염으로 이루어진 전해욕(전해액)(12)이 형성된다. 전해조(11) 내에서 격벽(13)의 내측에 양극실(14a)이 형성되고, 격벽(13)의 외측에 음극실(14b)이 형성된다.

양극실(14a)내에 양극(15a)이 배치된다. 격벽(13)의 일부 및 양극(15a)은 전해욕(12)에 침지된다. 전해조 본체(11a)의 내면에는 음극(15b)이 형성된다. 음극(15b)의 재료로서는 예를 들어 Ni를 사용하는 것이 바람직하다.

HF를 공급하기 위한 HF공급라인(18a)이 제1 덮개체(11b)에 접속된다. HF공급라인(18a)은 온도 조정용 히터(18b)로 덮인다. 이에 의해 HF공급라인(18a)에서 HF가 액화되는 것이 방지된다. 전해욕(12)의 액면의 높이는 액면검출장치(도시하지 않음)에 의해 검출된다. 액면검출장치에 의해 검출되는 액면의 높이가 소정값보다 낮아지면 HF공급라인(18a)을 통하여 전해조(11) 내에 HF가 공급된다.

상기 전해장치(10)는 제어부(23)를 구비한다. 전해조(11) 내의 전해욕(12)은 실온이고 또한 대기압하에서는 고체 상태를 취한다. 그 때문에, 전해욕(12)의 전기분해를 실시하기 위해서는 전해욕(12)을 80~90℃로 가열하여, 액체상태로 용해시킬 필요가 있다. 제어부(23)는 온도센서(도시하지 않음)에 의해 검출되는 전해욕(12)의 온도에 기초하여 온도제어부(도시하지 않음)를 제어하여, 전해욕(12)의 온도를 80~90℃로 유지한다.

제어부(23)에 의해 양극(15a)과 음극(15b) 사이에 전압이 인가된다. 그에 의해 전해조(11) 내의 전해욕(12)이 전기 분해된다. 그 결과, 양극실(14a)에서 주로 불소 가스가 발생한다. 또한, 음극실(14b)에서 주로 수소 가스가 발생한다.

제2 덮개체(11d)에는 가스 배출구(16a)가 설치되고 제1 덮개체(11b)에는 가스 배출구(16b)가 설치된다. 가스 배출구(16a)에는 배기관(17a)이 접속되고 가스 배출구(16b)에는 배기관(17b)이 접속된다. 가스 배출관(16a)은 양극실(14a)에 연통하고, 가스 배출구(16b)는 음극실(14b)에 연통된다. 양극실(14a)에서 발생되는 기체는 가스 배출구(16a)로부터 배기관(17a)을 통하여 배출되고 음극실(14b)에서 발생되는 기체는 가스 배출구(16b)로부터 배기관(17b)을 통하여 배출된다.

(2) 전해조의 상세한 내용

도 2는 도 1의 전해조(11)의 분해사시도이다. 도 3은 제2 덮개체(11d)의 하면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이 전해조 본체(11a)는 저면부 및 4개의 측면부를 갖고, 상부에 직사각형의 개구(H1)를 갖는다. 시일부재(11c)는 개구(H1)를 둘러싸도록 4개의 측면부의 상단면상에 설치된다. 시일부재(11c)는 예를 들어 불소고무로 이루어진 O링이다. 제1 덮개체(11b)는 직사각형 형상을 갖고 또한 개구(H1)보다도 큰 치수를 갖는다. 상기 제1 덮개체(11b)는 전해조 본체(11a)의 개구(H1)를 폐쇄하도록 시일부재(11c)상에 배치된다. 그에 의해, 전해조 본체(11a)와 제1 덮개체(11b)가 시일부재(11c)에 의해 서로 전기적으로 절연되면서 밀봉된다.

제1 덮개체(11b)는 대략 중앙부에 직사각형의 개구(H2)를 갖는다. 시일부재(11e)는 개구(H2)에서의 제1 덮개체(11b)의 가장자리부를 따라서 개구(H2)를 둘러싸도록 제1 덮개체(11b)의 상면에 설치된다. 시일부재(11e)는 예를 들어 불소고무로 이루어진 O링이다. 제2 덮개체(11d)는 직사각형 형상을 갖고 개구(H2)보다 큰 치수를 갖는다. 상기 제2 덮개체(11d)는 제1 덮개체(11b)의 개구(H2)를 폐색하도록 시일부재(11e) 상에 배치된다. 그에 의해, 제1 덮개체(11b)와 제2 덮개체(11d)가 시일부재(11e)에 의해 서로 전기적으로 절연되면서 밀봉된다. 제1 덮개체(11b)에는 HF공급라인(18a)이 삽입되는 HF공급구멍(18c)이 설치된다.

격벽(13)은 4개의 측벽(13a, 13b, 13c, 13d)로 이루어진다. 도 3에 도시한 바와 같이 격벽(13)은 제2 덮개체(11d)의 하면에 제2 덮개체(11d)와 일체적으로 설치된다. 격벽(13)의 4개의 측벽(13a~13d)은 예를 들어 Ni 또는 모넬로 이루어진다. 제2 덮개체(11d)의 하면측에서 격벽(13)의 4개의 측벽(13a~13d)에 의해 둘러싸여지는 공간내에 직사각형 판형상의 양극(15a)이 도 2의 부착 부재(19)를 통하여 부착된다. 양극(15a)의 재료로서는 예를 들어 저분극성 탄소전극이 사용된다.

(3) 효과

본 실시형태에 관한 도 1의 전해장치(10)에서는 시일부재(11c, 11e)가 양극실(14a)의 외측에 배치된다. 그 때문에, 양극실(14a) 내에서 발생하는 불소 가스가 시일부재(11c, 11e)와 접촉되지 않는다. 그에 의해, 시일부재(11c, 11e)의 부식을 방지할 수 있다. 그 결과, 시일부재(11c, 11e)의 점검 및 교환을 하는 빈도가 감소된다.

또한, 제2 덮개체(11d)를 제1 덮개체(11b)로부터 분리함으로써 양극(15a)을 제2 덮개체(11d)와 함께 전해조 본체(11a)로부터 용이하게 분리할 수 있다. 이에 의해, 양극(15a)이 소모된 경우에도 양극(15a)을 용이하게 교환하는 것이 가능해진다. 특히, 전해조(11)가 대형화되는 경우, 전해조 본체(11a) 및 제1 덮개체(11b)는 대형화되고 중량화된다. 이와 같은 경우에도 제2 덮개체(11d)를 대형화할 필요가 없으므로 제2 덮개체(11d)를 제1 덮개체(11b)로부터 용이하게 분리할 수 있다.

또한, 전해장치(10)를 장기에 걸쳐 사용한 경우 격벽(13)이 소모되어 있는지의 여부를 점검할 필요가 있다. 이와 같은 경우에도 제2 덮개체(11d)를 제1 덮개체(11b)로부터 분리함으로써 격벽(13)을 제1 덮개체(11b)로부터 분리할 수 있다. 그에 의해, 격벽(13)을 용이하게 점검하는 것이 가능해진다.

이들의 결과, 전해장치(10)의 메인터넌스의 비용을 감소시키고 또한 메인터넌스 작업 효율을 향상시킬 수 있다.

(4) 다른 실시형태

상기 실시형태에서 전해조 본체(11a)는 저면부 및 4개의 측면부를 갖고, 상부에 직사각형 형상의 개구(H1)를 갖지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 전해조 본체(11a)는 저면부 및 원통형상의 측면부를 갖고, 상부에 원형의 개구를 갖고 있어도 좋다. 이 경우, 전해조 본체(11a)의 개구는 원형 형상을 갖는 제1 덮개체(11b)에 의해 폐색된다.

제1 덮개체(11b)는 직사각형의 개구(H2)를 갖지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 덮개체(11b)는 원형의 개구를 구비해도 좋다. 이 경우, 제1 덮개제(11b)의 개구는 원형 형상을 갖는 제2 덮개체(11d)에 의해 폐색된다.

격벽(13)은 4개의 측벽(13a~13d)에 의해 구성되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 격벽(13)은 원통형상의 측벽에 의해 구성되어도 좋다. 또한, 격벽(13)과 제2 덮개체(11d)가 일체적으로 설치되는 것이 바람직하고, 별개의 금속재료에 의해 형성된 격벽(13) 및 제2 덮개체(11d)가 용접됨으로써 일체적으로 설치되는 것이 보다 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 격벽(13)과 제2 덮개체(11d)가 주조에 의해 일체적으로 설치되어도 좋다.

제2 덮개체(11d)와의 사이의 밀착성이 확보되고 양극실(14a)의 기밀성이 유지되는 것이면 격벽(13)은 제2 덮개체(11d)와 별개로 설치되어도 좋다. 이 경우, 격벽(13)과 제2 덮개체(11d) 사이에 금속시일 등의 내식성이 높은 시일재를 설치함으로써 밀착성을 확보하는 것이 바람직하다.

(5) 청구항의 각 구성요소와 실시형태의 각 부의 대응관계

이하, 청구항의 각 구성요소와 실시형태의 각 부의 대응예에 대해서 설명하지만, 본 발명은 하기의 예에 한정되지 않는다.

상기 실시형태에서는 전해욕(12)이 전해욕의 예이고, 전해장치(10)가 전해장치이며, 수소가 다른 기체의 예이고 전해조(11)가 전해조의 예이며, 전해조 본체(11a)가 전해조 본체의 예이다. 개구(H1)가 제1 개구의 예이고 개구(H2)가 제2 개구의 예이며, 제1 덮개체(11b)가 제1 덮개체의 예이고 제2 덮개체(11d)가 제2 덮개체의 예이며, 시일부재(11e)가 제1 시일부재의 예이고 시일부재(11c)가 제2 시일부재의 예이다. 양극(15a)이 제1 전극의 예이고 음극(15b)이 제2 전극의 예이며, 양극실(14a)이 제1 실의 예이고 음극실(14b)이 제2 실의 예이며 격벽(13)이 격벽의 예이다.

청구항의 각 구성요소로서 청구항에 기재되어 있는 구성 또는 기능을 갖는 다른 여러 가지 요소를 사용할 수도 있다.

[2] 제2 실시형태

이하, 본 발명의 제2 실시형태에 관한 전해장치에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

(1) 전해장치의 구성

도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 전해장치의 모식적 단면도이다. 도 4의 전해장치(10)는 불소 가스를 발생하는 전해장치이다. 도 4에 도시한 바와 같이 전해장치(10)는 전해조(11)를 구비한다. 전해조(11)는 전해조 본체(11a) 및 상부 덮개체(11f)를 포함한다.

전해조 본체(11a) 및 상부 덮개체(11f)는 예를 들어 Ni(니켈), 모넬, 순철 또는 스텐레스강 등의 금속 또는 합금에 의해 형성된다. 전해조 본체(11a)는 저면부 및 측면부를 갖고 상부에 개구를 갖는다. 저면부의 상면을 덮도록 절연부재(11g)가 배치된다. 측면부의 상단면상에는 절연부재(시일부재)(11h)가 부착된다. 절연부재(11g, 11h)는 수지 등의 절연재료로 이루어진다. 전해조 본체(11a)의 개구를 폐쇄하도록 절연부재(11h) 상에 상부 덮개체(11f)가 배치된다. 이에 의해, 전해조 본체(11a)와 상부 덮개체(11f)가 절연부재(11h)에 의해 서로 전기적으로 절연된다.

전해조(11) 내에는 KF-HF(칼륨-불화수소)계 혼합용융염으로 이루어진 전해욕(12)이 수용된다. 상부 덮개체(11f)의 하면으로부터 하방으로 연장되도록 원통형상의 격벽(13)이 설치된다. 격벽(13)은 원통형상의 기체 격벽(13A) 및 원통형상의 액체 격벽(13B)으로 이루어진다. 기체 격벽(13A)은 상부 덮개체(11f)에 일체적으로 설치된다. 기체 격벽(13A)의 하단부의 높이는 전해욕(12)의 액면의 높이와 대략 동등해지도록 설정된다. 기체 격벽(13A)의 재료로서는 Ni(니켈), Ni합금, 모넬, 순철 또는 스텐레스강 등의 금속 또는 합금이 사용되는 것이 바람직하다. 이 경우, 불소 가스 및 불화수소 증기에 의한 기체 격벽(13A)의 부식이 억제된다. 기체격벽(13A)은 상부 덮개체(11f)로부터 분리 가능하게 설치되어도 좋다.

액체 격벽(13B)은 전해욕(12)에 침지되도록 기체 격벽(13A)의 하단부에 부착된다. 액체 격벽(13B)에는 전해욕(12)의 투과성을 확보하기 위한 복수의 관통구멍(H(후술하는 도 5))이 형성된다. 액체 격벽(13B)의 상세한 내용에 대해서는 후술한다. 액체 격벽(13B)의 재료로서는 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 또는 PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체) 등의 퍼플루오로 수지가 사용되는 것이 바람직하고, 특히 PTFE가 사용되는 것이 바람직하다. 이 경우, 액체 격벽(13B)의 재료로서 금속이 사용되는 경우에 비하여, 전해욕(12)에 의한 액체 격벽(13B)의 부식이 억제된다. 또한, 상기의 관통구멍(H)을 형성할 때의 가공이 용이해진다. 또한, 액체 격벽(13B)의 재료 비용이 감소된다.

전해조(11) 내에서 격벽(13)의 내측에 양극실(14a)이 형성되고 격벽(13)의 외측에 음극실(14b)이 형성된다. 양극실(14a) 내에서 전해욕(12)에 침지되도록 양극(15a)이 배치된다. 양극(15a)의 재료로서는 예를 들어 저분극성 탄소전극을 사용하는 것이 바람직하다.

양극(15a)의 표면에는 도전성 다이아몬드 코팅이 실시되는 것이 바람직하다. 구체적으로는 다이아몬드 원료로서 수소 가스 및 탄소원의 혼합 가스를 사용하고 또한 그 혼합 가스에 탄소와 원자가가 다른 원소(이하, 도펀트라고 부름)를 미량 첨가함으로써, 도전성을 갖는 다이아몬드 코팅층을 형성할 수 있다. 도펀트로서는 붕소, 인 또는 질소를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 붕소를 사용하는 것이 바람직하다. 첨가되는 도펀트의 중량은 다이아몬드 코팅층의 전 중량에 대해서 1ppm 이상 30000 ppm 이하인 것이 바람직하고, 100 ppm 이상 10000ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 양극(15a)의 표면에 도전성 다이아몬드 코팅이 실시됨으로써 양극(15a)에서 분극이 발생하기 어려워진다. 그 때문에, 불소 가스의 생성 효율이 향상된다. 본 실시형태에서는 전해조 본체(11a)의 측면부가 음극으로서 기능한다. 전해조(11) 내에 HF를 공급하기 위한 HF공급라인(18a)이 상부 덮개체(11f)에 접속된다. HF공급라인(18a)은 온도조정용 히터(18b)로 덮인다. 이에 의해, HF공급라인(18a)에서 HF가 액화되는 것이 방지된다. 전해욕(12)의 액면의 높이는 액면검출장치(도시하지 않음)에 의해 검출된다. 액면검출장치에 의해 검출되는 액면의 높이가 소정 값보다 낮아지면, HF공급라인(18a)을 통하여 전해조(11) 내에 HF가 공급된다.

상부 덮개체(11f)에는 가스 배출구(16a, 16b)가 설치된다. 가스 배출구(16a)에는 배기관(17a)이 접속되고 가스배출구(16b)에는 배기관(17b)이 접속된다. 가스 배출구(16a)는 양극실(14a)에 연통되고 가스 배출구(16ab)는 음극실(14b)에 연통된다.

양극(15a)과 전해조 본체(11a) 사이에 전압이 인가됨으로써 전해욕(12)이 전기 분해된다. 이 경우, 양극(15a)의 표면상에서 불소 가스가 발생하고, 전해조 본체(11a)의 측면부의 내면상에서 수소 가스가 발생한다. 전해조 본체(11a)의 저면부의 상면은 절연부재(11g)에 의해 덮이므로, 저면부의 상면상에서는 전해욕(12)의 전해 반응이 진행되지 않고 수소 가스가 발생하지 않는다.

양극실(14a)에서 발생한 불소 가스는 가스 배출구(16a)로부터 배기관(17a)을 통하여 전해조(11)의 외부로 인도된다. 음극실(14b)에서 발생한 수소 가스는 가스 배출구(16b)로부터 배기관(17b)을 통하여 전해조(11)의 외부에 인도된다.

(2) 액체 격벽의 상세한 내용

도 5는 액체 격벽(13B)의 외관사시도이고, 도 6은 액체 격벽(13B)에 형성되는 관통구멍(H)의 확대도이다. 도 6의 (a)는 관통구멍(H)의 종단면도이고, 도 6(b)는 양극실(14a)에서 본 관통구멍(H)의 측면도이며, 도 6(c)는 음극실(14b)에서 본 관통구멍(H)의 측면도이다. 도 6(a)는 도 6(b) 및 도 6(c)의 A-A선 단면을 도시한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 액체 격벽(13B)에는 복수의 원형의 관통구멍(H)이 형성된다. 도 5의 예에서는 복수의 관통구멍(H)이 액체 격벽(13B)의 둘레방향을 따라서 2열을 이룬다. 이 경우, 전해욕(12) 중의 이온이 복수의 관통구멍(H)을 지나 양극실(14a)과 음극실(14b) 사이에서 이동 가능해진다. 이에 의해, 양극실(14a) 및 음극실(14b)에서 전해 반응이 안정적이고 원활하게 진행된다.

이 경우, 전해반응에 의해 발생한 불소 가스 및 수소 가스가 관통구멍(H)을 지나 이동하면, 양극실(14a) 또는 음극실(14b)에서 불소 가스와 수소 가스가 혼합된다. 이에 의해, 불소 가스와 수소 가스가 반응하여 불소 가스의 생성 효율이 저하되고 또한 불소 가스 및 수소 가스의 비에 따라서는 폭발성의 혼합가스가 생성될 가능성도 생각된다.

그래서, 각 관통구멍(H)의 직경은 불소 가스 및 수소 가스의 기포가 통과하지 않는 크기로 설정된다. 그러나, 이에 의해 기포가 관통구멍(H) 내에 체류하고 관통구멍(H)이 막히는 경우가 있다. 특히, 수소 가스는 불소 가스에 비하여 전해욕(12)에 용해되기 어려우므로, 수소 가스의 기포는 관통구멍(H) 내에 체류하기 쉬워 관통구멍(H)을 막기 쉽다. 관통구멍(H)이 막히면 전해욕(12)이 관통구멍(H)을 통과하여 이동할 수 없다. 이에 의해, 안정적으로 전해반응을 진행시킬 수 없다.

그래서, 본 실시형태에서는 도 6에 도시한 바와 같이 각 관통구멍(H)이 양극실(14a)측의 단부로부터 음극실(14b)측의 단부까지 대각선 상방으로 연장되는 상면(L1)을 갖는다. 이하, 양극실(14a)측에서의 관통구멍(H)의 단부를 양극측단이라고 부르고, 음극실(14b)측에서의 관통구멍(H)의 단부를 음극측단이라고 부른다. 관통구멍(H)의 하면(L2)은 양극측단부터 음극측단까지 수평으로 연장된다. 여기에서, 관통구멍(H)의 상면이라는 것은 관통구멍(H)의 내주면 중 하방을 향하는 영역을 말하고, 관통구멍(H)의 하면이라는 것은 관통구멍(H)의 내주면 중 상방을 향하는 영역을 말한다.

관통구멍(H)의 양극측단의 상하 방향의 직경(D1)은 전해욕이 통과 가능하고 또한 불소 가스 및 불소 가스의 거품이 통과하지 않는 크기로 설정된다. 직경(D1)은 예를 들어 1㎜ 이상 3㎜ 이하이고, 1㎜ 이상 2㎜ 이하인 것이 바람직하다. 관통구멍(H)의 음극측단의 상하방향의 직경(D2)은 직경(D1)보다 크다. 직경(D2)는 예를 들어 5㎜ 이상 10㎜ 이하이고 5㎜ 이상 8㎜ 이하인 것이 바람직하다. 액체 격벽(13B)의 두께(TH)는 예를 들어 5㎜ 이상 10㎜ 이하이고 5㎜ 이상 8㎜이하인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관한 전해장치(10)에서는 음극실(14b)로부터 수소 가스의 기포가 관통구멍(H) 내에 진입해도 그 기포는 관통구멍(H)의 상면을 따라서 음극실(14b)로 되돌아가고 액면에 부상한다. 따라서, 음극실(14b)로부터 관통구멍(H)내에 진입한 수소 가스의 기포가 관통구멍(H)을 막는 것이 방지된다.

또한, 양극실(14a)측에서의 관통구멍(H)의 상하방향의 직경은 음극실(14b)측에서의 관통구멍(H)의 상하방향의 직경보다 작다. 또한, 상기와 같이 불소 가스는 수소 가스에 비하여 전해욕(12) 중에 용해되기 쉽다. 그 때문에 불소 가스의 기포가 양극실(14a)로부터 관통구멍(H)내에 진입하는 것이 방지된다.

이와 같이, 불소 가스 및 수소 가스의 기포가 관통구멍(H)을 통과하여 이동하는 것이 방지되면서, 불소 가스 및 수소 가스의 기포가 관통구멍(H)을 막는 것이 방지된다. 이에 의해, 불소 가스의 생성효율을 저하시키지 않고 전해반응을 안정적이고 원활하게 진행시킬 수 있다.

(3) 관통구멍의 다른 예

(3-1)

액체 격벽(13B)의 관통구멍(H)의 형상은 도 5 및 도 6의 예에 한정되지 않는다. 도 7은 액체 격벽(13B)에 형성되는 관통구멍(H)의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 7(a) 및 도 7(b)의 예에 대해서 도 5 및 도 6의 예와 다른 점을 설명한다.

도 7(a)의 예에서는 관통구멍(H)의 상면(L1)이 양극측단부터 양극측단과 음극측단의 중간점(P1)까지 수평으로 연장하고, 중간점(P1)으로부터 음극측단까지 비스듬히 상방으로 연장된다. 이 경우에도 음극실(14b)로부터 관통구멍(H)내에 진입한 수소 가스의 기포가 관통구멍(H)을 막는 것이 방지되고 또한 불소 가스의 기포가 양극실(14a)로부터 관통구멍(H)내에 진입하는 것이 방지된다.

도 7(b)의 예에서는 관통구멍(H)의 상면(L1)이 양극측단부터 중간점(P1)까지 비스듬히 하방으로 연장되고, 중간점(P1)부터 음극측단까지 비스듬히 상방으로 연장된다. 이 경우에도 음극실(14b)로부터 관통구멍(H)내에 진입한 수소 가스의 기포가 관통구멍(H)을 막는 것이 방지된다. 또한, 양극실(14a)로부터 관통구멍(H)내에 불소 가스의 기포가 진입해도, 그 기포는 관통구멍(H)의 상면(L1)을 따라서 양극실(14a)에 되돌아가고 액면으로 부상한다. 따라서, 양극실(14a)로부터 관통구멍(H) 내에 진입한 불소 가스의 기포가 관통구멍(H)을 막는 것이 방지된다.

(3-2)

상기의 예에서는 관통구멍(H)이 원형의 종단면을 갖지만, 관통구멍(H)이 타원형상, 삼각형 또는 사각형 등의 다른 형상의 종단면을 갖고 있어도 좋다.

(3-3)

상기의 예에서는 관통구멍(H)의 상면(L1)이 음극측단을 향하여 비스듬히 상방으로 직선형상으로 연장되도록 설치되지만, 이에 한정되지 않고 예를 들어 관통구멍(H)의 상면(L1)이 음극측단을 향하여 비스듬히 상방으로 만곡하여 연장되도록 설치되어도 좋다.

(4) 액체 격벽의 다른 예

도 8은 액체 격벽(13B)의 다른 예에 대해서 설명하기 위한 단면도이다. 도 8에는 기체 격벽(13A)의 하단부 및 액체 격벽(13B)의 상단부가 도시된다. 도 8의 예에 대해서 도 5 및 도 6의 예와 다른 점을 설명한다.

도 8의 예에서는 액체 격벽(13B)의 상단부가 기체 격벽(13A)의 외주면(음극실(14b)측의 면)의 하단부를 덮도록 설치된다. 기체 격벽(13A)의 하단부가 전해욕(12)에 침지되는 상태에서 전해욕(12)의 전해 반응이 진행되는 경우, 전해욕(12) 내에서 기체 격벽(13A)이 분극(分極)하고, 기체 격벽(13A)의 외주면이 양의 전하를 띤다. 이 경우, 양의 전하를 띤 기체 격벽(13A)의 외주면으로부터 금속이 이온화되어 전해욕(12) 중에 용출되고, 기체 격벽(13A)의 외주면이 부식되기 쉬워진다. 그래서, 본 예에서는 전해욕(12)에 침지되는 기체 격벽(13A)의 외주면의 부분이 액면 격벽(13B)에 의해 덮인다. 이에 의해, 기체 격벽(13A)의 외주면에 전해욕(12)이 접촉되는 것이 방지되어, 전해욕(12)에 침지되는 기체 격벽(13A)의 외주면 부분이 부식되는 것이 방지된다.

또한, 액면 격벽(13B)의 상단부는 전해욕(12)의 액면의 상방까지 연장되는 것이 바람직하다. 이 경우, 기체 격벽(13A)의 외주면에 전해욕(12)이 접촉되는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 액면 격벽(13B)의 상단부는 음극실(14b)측에 위치하므로, 액면 격벽(13B)의 상단부가 전해욕(12)의 액면의 상방까지 연장되어 있어도 액면 격벽(13B)에 불소 가스 및 불화수소 증기가 접촉되는 일은 없다. 그 때문에 액면 격벽(13B)의 부식이 방지된다.

(5) 다른 실시형태

(5-1)

상기 실시형태에서는 기체격벽(13A)과 액체 격벽(13B)이 별체로서 설치되지만 기체 격벽(13A) 및 액체 격벽(13B)의 부식이 방지되는 경우 또는 기체 격벽(13A) 및 액체 격벽(13B)의 부식이 문제가 되지 않는 경우에는 기체 격벽(13A) 및 액체 격벽(13B)이 일체적으로 설치되어도 좋다.

(5-2)

상기 실시형태에서는 기체 격벽(13A) 및 액체 격벽(13B)이 각각 원통형상이지만, 이에 한정되지 않고 기체 격벽(13A) 및 액체 격벽(13B)이 각각 각통 형상 또는 평판 형상 등의 다른 형상이어도 좋다.

(5-3)

상기 실시형태는 불소 가스를 발생하는 전해장치에 본 발명을 적용한 예이지만 산소가스 등의 다른 기체를 발생하는 전해장치에도 본 발명을 동일하게 적용할 수 있다.

(6) 청구항의 각 구성요소와 실시형태의 각 부의 대응관계

상기 실시형태에서는 전해욕(12)이 전해욕의 예이고 전해조(11)가 전해조의 예이며, 관통구멍(H)이 개구의 예이고 상면(L1)이 상면의 예이며, 격벽(13)이 격벽의 예이고 양극실(14a)이 양극실의 예이며, 양극(15a)이 양극의 예이고, 음극실(14b)이 음극실의 예이며, 음극(15b)이 음극의 예이고, 액체 격벽(13B)이 액체격벽의 예이다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명은 기체발생장치 등의 여러 가지의 전해장치에 유효하게 이용할 수 있다.

Claims

전해욕을 전기 분해함으로써 불소 및 다른 기체를 발생하기 위한 전해장치에 있어서,
전해욕을 수용하는 전해조를 구비하고,
상기 전해조는,
제1 개구를 상부에 갖는 전해조 본체,
상기 제1 개구보다 작은 제2 개구를 구비하고, 상기 제1 개구를 폐색하도록 상기 전해조 본체에 설치되는 제1 덮개체,
상기 제2 개구를 둘러싸도록 상기 제1 덮개체에 설치되는 제1 시일부재,
상기 제2 개구를 폐색하도록 상기 제1 시일부재를 끼고 상기 제1 덮개체 상에 설치되는 제2 덮개체,
상기 제2 덮개체에 부착되는 제1 전극, 및
상기 전해조 본체 내를 불소가 발생되는 제1 실과 다른 기체가 발생되는 제2 실로 분리하는 격벽을 포함하고,
상기 격벽은 상기 제1 실이 상기 제1 시일부재의 내측의 영역에 배치되도록 형성되는 전해장치.
제 1 항에 있어서,
상기 격벽은 상기 제1 전극의 주위를 둘러싸도록 상기 제1 덮개체에 일체적으로 설치되는 전해장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전해조 본체가 제2 전극으로서 기능하는 전해장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 개구를 둘러싸도록 상기 전해조 본체에 설치되는 제2 시일부재를 추가로 구비하고,
상기 제1 덮개체는 상기 제2 시일부재를 끼고 상기 전해조 본체상에 설치되는 전해장치.
전해욕을 수용하는 전해조,
상기 전해조내를 양극실과 음극실로 구획하도록 설치되고 상기 전해욕 중의 이온이 통과 가능한 개구를 갖는 격벽,
상기 전해조의 상기 양극실에 설치되는 양극, 및
상기 전해조의 상기 음극실에 설치되는 음극을 구비하고,
상기 격벽의 상기 개구는 상기 양극실 및 상기 음극실 중 적어도 한쪽을 향하여 비스듬히 상방으로 연장되는 상면을 갖는 전해장치.
제 5 항에 있어서,
상기 양극실에서 불소 가스가 발생되고 상기 음극실에서 수소 가스가 발생되며,
상기 개구의 상기 상면은 상기 음극실측을 향하여 비스듬히 상방으로 연장되도록 설치되는 전해장치.
제 6 항에 있어서,
상기 양극실측에서의 상기 개구 단부의 면적은 상기 음극실측에서의 상기 개구 단부의 면적보다 작은 전해장치.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 격벽은 상기 전해욕에 침지되는 액체 격벽을 포함하고,
상기 개구는 상기 액체격벽에 설치되며
상기 액체 격벽은 퍼플루오로 수지에 의해 형성되는 전해장치.
제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극의 표면에 도전성 다이아몬드 코팅이 실시되는 전해장치.