気体発生装置
【課題】気体の混合を防止しつつ電解反応を安定に進行させることが可能な気体発生装置を提供する。
【解決手段】液体隔壁１３ｂには複数の円形の貫通孔Ｈが形成される。各貫通孔Ｈは、陽極室１４ａ側の端部から陰極室１４ｂ側の端部まで斜め上方に延びる上面Ｌ１を有する。貫通孔Ｈの陽極側端の上下方向の径Ｄ１は、電解液が通過可能でかつフッ素ガスおよび水素ガスの泡が通過しないような大きさに設定される。貫通孔Ｈの陰極側端の上下方向の径Ｄ２は、径Ｄ１よりも大きい。
【解決手段】液体隔壁１３ｂには複数の円形の貫通孔Ｈが形成される。各貫通孔Ｈは、陽極室１４ａ側の端部から陰極室１４ｂ側の端部まで斜め上方に延びる上面Ｌ１を有する。貫通孔Ｈの陽極側端の上下方向の径Ｄ１は、電解液が通過可能でかつフッ素ガスおよび水素ガスの泡が通過しないような大きさに設定される。貫通孔Ｈの陰極側端の上下方向の径Ｄ２は、径Ｄ１よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体を発生する気体発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程等において、材料の洗浄および表面改質等の種々の用途でフッ素ガスが用いられている。この場合、フッ素ガス自体が用いられることもあり、フッ素ガスを基に合成されたＮＦ３（三フッ化窒素）ガス、ＣＦ４（四フッ化炭素）ガスおよびＣ２Ｆ６（六フッ化エタン）ガス等の種々のフッ素系ガスが用いられることもある。
【０００３】
フッ素ガスを安定に供給するために、ＨＦ（フッ化水素）を電気分解してフッ素ガスを発生する気体発生装置が用いられる。このような気体発生装置では、例えば、電解槽内にＫＦ−ＨＦ（カリウム−フッ化水素）系の混合溶融塩からなる電解液が収容される。電解槽内の電解液が電気分解されることによりフッ素ガスが発生される。
【０００４】
電解槽内においては、フッ素ガスとともに水素ガスが発生される。そのため、電解槽内には、発生されるフッ素ガスと水素ガスとを分離するための隔壁が設けられる。特許文献１に記載される電解槽では、ガスの混合を防止するために、多孔性または繊維状の構成を有する隔板が用いられる。この場合、電解液が隔板を透過することが可能となる。そのため、電解槽内に配置される陽極と陰極との間の通電抵抗の増加が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１０４１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者は、特許文献１の電解槽では、発生したガスの泡が隔板の孔を塞ぐことによって電解液の透過が妨げられることを見出した。それにより、電解液の電解反応を安定に進行させることができない。
【０００７】
本発明の目的は、気体の混合を防止しつつ電解反応を安定に進行させることが可能な気体発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る気体発生装置は、電解液を収容する電解槽と、電解槽内を陽極室と陰極室とに区画するように設けられ、電解液中のイオンが通過可能な開口を有する隔壁と、電解槽の陽極室に設けられる陽極と、電解槽の陰極室に設けられる陰極とを備え、隔壁の開口は、陽極室および陰極室の少なくとも一方に向かって斜め上方に延びる上面を有するものである。
【０００９】
その気体発生装置においては、隔壁により電解槽内が陽極室と陰極室とに区画される。陽極室に設けられた陽極と陰極室に設けられた陰極との間に電圧が印加されることにより、電解槽内の電解液が電気分解される。それにより、陽極室および陰極室において気体が発生する。
【００１０】
隔壁には、電解液中のイオンが通過可能な開口が設けられる。開口は、陽極室および陰極室の少なくとも一方に向かって斜め上方に延びる上面を有する。そのため、発生される気体の泡が陽極室および陰極室の上記の少なくとも一方から開口内に進入しても、その泡は開口の上面に沿って陽極室または陰極室に戻される。したがって、発生される気体の泡が通過しないように開口の大きさを設定することにより、陽極室で発生される気体と陰極室で発生される気体とが混合されることを防止しつつ、発生される気体の泡によって開口が塞がれることを防止することができる。その結果、気体の混合を防止しつつ電解液の電解反応を安定に進行させることができる。
【００１１】
（２）陽極室においてフッ素ガスが発生され、陰極室において水素ガスが発生され、開口の上面は、陰極室側に向かって斜め上方に延びるように設けられてもよい。
【００１２】
水素ガスはフッ素ガスに比べて電解液に溶解しにくいので、水素ガスの泡は開口内に滞留して開口を塞ぎやすい。そこで、開口の上面が陰極室側に向かって斜め上方に延びるように設けられることにより、陰極室で発生される水素ガスの泡が開口内に進入しても、その泡は開口の上面に沿って陰極室に戻される。それにより、水素ガスによって開口が塞がれることが防止される。
【００１３】
（３）陽極室側における開口の端部の面積は、陰極室側における開口の端部の面積よりも小さくてもよい。
【００１４】
この場合、陽極室において発生されるフッ素ガスが開口内に進入することが防止される。それにより、フッ素ガスが陰極室に移動することが防止され、フッ素ガスと水素ガスとが混合されることが防止される。
【００１５】
（４）隔壁は、電解液に浸漬する液体隔壁を含み、開口は液体隔壁に設けられ、液体隔壁は、パーフルオロ樹脂により形成されてもよい。
【００１６】
この場合、電解液により液体隔壁が腐食することが防止される。また、開口を形成する際の液体隔壁の加工が容易になる。さらに、液体隔壁の材料コストが低減される。
【００１７】
（５）陽極の表面に導電性ダイヤモンドコーティングが施されてもよい。この場合、陽極に分極が発生しにくくなるため、気体の発生効率が向上される。気体の発生量が多くなっても、隔壁の開口が泡によって塞がれることが防止されるので、電解反応を安定に進行させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、気体の混合を防止しつつ電解反応を安定に進行させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る気体発生装置の模式的断面図である。
【図２】液体隔壁の外観斜視図である。
【図３】液体隔壁に形成される貫通孔の拡大図である。
【図４】液体隔壁に形成される貫通孔の他の例を示す図である。
【図５】液体隔壁の他の例について説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態に係る気体発生装置について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（１）気体発生装置の構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る気体発生装置の模式的断面図である。図１の気体発生装置１０は、フッ素ガスを発生する気体発生装置である。図１に示すように、気体発生装置１０は電解槽１１を備える。電解槽１１は、電解槽本体１１ａおよび上部蓋体１１ｂを含む。
【００２２】
電解槽本体１１ａおよび上部蓋体１１ｂは、例えばＮｉ（ニッケル）、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金により形成される。電解槽本体１１ａは、底面部および側面部を有し、上部に開口を有する。底面部の上面を覆うように、絶縁部材１１ｃが配置される。側面部の上端面上には、絶縁部材１１ｄが取り付けられる。絶縁部材１１ｃ，１１ｄは、樹脂等の絶縁材料からなる。電解槽本体１１ａの開口を閉塞するように、絶縁部材１１ｄ上に上部蓋体１１ｂが配置される。それにより、電解槽本体１１ａと上部蓋体１１ｂとが絶縁部材１１ｄにより互いに電気的に絶縁される。
【００２３】
電解槽１１内には、ＫＦ−ＨＦ（カリウム−フッ化水素）系混合溶融塩からなる電解液１２が収容される。上部蓋体１１ｂの下面から下方に延びるように、円筒状の隔壁１３が設けられる。隔壁１３は、円筒状の気体隔壁１３ａおよび円筒状の液体隔壁１３ｂからなる。気体隔壁１３ａは上部蓋体１１ｂに一体的に設けられる。気体隔壁１３ａの下端部の高さは、電解液１２の液面の高さと略等しくなるように設定される。気体隔壁１３ａの材料としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉ合金、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金が用いられることが好ましい。この場合、フッ素ガスおよびフッ化水素蒸気による気体隔壁１３ａの腐食が抑制される。気体隔壁１３ａは、上部蓋体１１ｂから取り外し可能に設けられてもよい。
【００２４】
液体隔壁１３ｂは、電解液１２に浸漬するように気体隔壁１３ａの下端部に取り付けられる。液体隔壁１３ｂには、電解液１２の透過性を確保するための複数の貫通孔Ｈ（後述の図２）が形成される。液体隔壁１３ｂの詳細については後述する。液体隔壁１３ｂの材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）またはＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のパーフルオロ樹脂が用いられることが好ましく、特にＰＴＦＥが用いられることが好ましい。この場合、液体隔壁１３ｂの材料として金属が用いられる場合に比べて、電解液１２による液体隔壁１３ｂの腐食が抑制される。また、上記の貫通孔Ｈを形成する際の加工が容易になる。さらに、液体隔壁１３ｂの材料コストが低減される。
【００２５】
電解槽１１内において、隔壁１３の内側に陽極室１４ａが形成され、隔壁１３の外側に陰極室１４ｂが形成される。陽極室１４ａ内で電解液１２に浸漬するように陽極１５ａが配置される。陽極１５ａの材料としては、例えば低分極性炭素電極を用いることが好ましい。
【００２６】
陽極１５ａの表面には、導電性ダイヤモンドコーティングが施されることが好ましい。具体的には、ダイヤモンド原料として水素ガスおよび炭素源の混合ガスを用いるとともに、その混合ガスに炭素と原子価が異なる元素（以下、ドーパントと呼ぶ）を微量添加することにより、導電性を有するダイヤモンドコーティング層を形成することができる。ドーパントとしては、硼素、リンまたは窒素を用いることが好ましく、特に硼素を用いることが好ましい。添加されるドーパントの重量は、ダイヤモンドコーティング層の全重量に対して、１ｐｐｍ以上３００００ｐｐｍ以下であることが好ましく、１００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であることがより好ましい。陽極１５ａの表面に導電性ダイヤモンドコーティングが施されることにより、陽極１５ａで分極が発生しにくくなる。そのため、フッ素ガスの生成効率が向上される。本実施の形態では、電解槽本体１１ａの側面部が陰極として機能する。
【００２７】
電解槽１１内にＨＦを供給するためのＨＦ供給ライン１８ａが上部蓋体１１ｂに接続される。ＨＦ供給ライン１８ａは温度調整用ヒータ１８ｂで覆われる。これにより、ＨＦ供給ライン１８ａでＨＦが液化することが防止される。電解液１２の液面の高さは液面検出装置（図示せず）により検出される。液面検出装置により検出される液面の高さが所定値よりも低くなると、ＨＦ供給ライン１８ａを通して電解槽１１内にＨＦが供給される。
【００２８】
上部蓋体１１ｂには、ガス排出口１６ａ，１６ｂが設けられる。ガス排出口１６ａには排気管１７ａが接続され、ガス排出口１６ｂには排気管１７ｂが接続される。ガス排出口１６ａは陽極室１４ａに連通し、ガス排出口１６ｂは陰極室１４ｂに連通する。
【００２９】
陽極１５ａと電解槽本体１１ａとの間に電圧が印加されることにより、電解液１２が電気分解される。この場合、陽極１５ａの表面上でフッ素ガスが発生し、電解槽本体１１ａの側面部の内面上で水素ガスが発生する。電解槽本体１１ａの底面部の上面は絶縁部材１１ｃにより覆われるので、底面部の上面上では電解液１２の電解反応が進行せず、水素ガスが発生しない。
【００３０】
陽極室１４ａで発生したフッ素ガスは、ガス排出口１６ａから排気管１７ａを通して電解槽１１の外部に導かれる。陰極室１４ｂで発生した水素ガスは、ガス排出口１６ｂから排気管１７ｂを通して電解槽１１の外部に導かれる。
【００３１】
（２）液体隔壁の詳細
図２は液体隔壁１３ｂの外観斜視図であり、図３は液体隔壁１３ｂに形成される貫通孔Ｈの拡大図である。図３（ａ）は貫通孔Ｈの縦断面図であり、図３（ｂ）は陽極室１４ａから見た貫通孔Ｈの側面図であり、図３（ｃ）は陰極室１４ｂから見た貫通孔Ｈの側面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）および図３（ｃ）のＡ−Ａ線断面を示す。
【００３２】
図２に示すように、液体隔壁１３ｂには複数の円形の貫通孔Ｈが形成される。図２の例では、複数の貫通孔Ｈが、液体隔壁１３ｂの周方向に沿って２列をなす。この場合、電解液１２中のイオンが複数の貫通孔Ｈを通って陽極室１４ａと陰極室１４ｂとの間で移動可能となる。これにより、陽極室１４ａおよび陰極室１４ｂにおいて電解反応が安定にかつ円滑に進行する。
【００３３】
この場合、電解反応により発生したフッ素ガスおよび水素ガスが貫通孔Ｈを通って移動すると、陽極室１４ａまたは陰極室１４ｂにおいてフッ素ガスと水素ガスとが混合される。それにより、フッ素ガスと水素ガスとが反応してフッ素ガスの生成効率が低下するとともに、フッ素ガスおよび水素ガスの比によっては爆発性の混合ガスが生成される可能性も考えられる。
【００３４】
そこで、各貫通孔Ｈの径は、フッ素ガスおよび水素ガスの泡が通過しないような大きさに設定される。しかしながら、これによって泡が貫通孔Ｈ内に滞留し、貫通孔Ｈが塞がれることがある。特に、水素ガスはフッ素ガスに比べて電解液１２に溶解しにくいので、水素ガスの泡は、貫通孔Ｈ内に滞留しやすく、貫通孔Ｈを塞ぎやすい。貫通孔Ｈが塞がれると、電解液１２が貫通孔Ｈを通って移動することができない。それにより、安定に電解反応を進行させることができない。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、図３に示すように、各貫通孔Ｈが、陽極室１４ａ側の端部から陰極室１４ｂ側の端部まで斜め上方に延びる上面Ｌ１を有する。以下、陽極室１４ａ側における貫通孔Ｈの端部を陽極側端と呼び、陰極室１４ｂ側における貫通孔Ｈの端部を陰極側端と呼ぶ。貫通孔Ｈの下面Ｌ２は、陽極側端から陰極側端まで水平に延びる。ここで、貫通孔Ｈの上面とは、貫通孔Ｈの内周面のうち、下方を向く領域をいい、貫通孔Ｈの下面とは、貫通孔Ｈの内周面のうち、上方を向く領域をいう。
【００３６】
貫通孔Ｈの陽極側端の上下方向の径Ｄ１は、電解液が通過可能でかつフッ素ガスおよび水素ガスの泡が通過しないような大きさに設定される。径Ｄ１は、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。貫通孔Ｈの陰極側端の上下方向の径Ｄ２は、Ｄ１よりも大きい。径Ｄ２は、例えば５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、５ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。液体隔壁１３ｂの厚みＴＨは、例えば５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、５ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
本実施の形態に係る気体発生装置１０においては、陰極室１４ｂから水素ガスの泡が貫通孔Ｈ内に進入しても、その泡は、貫通孔Ｈの上面に沿って陰極室１４ｂに戻り、液面に浮上する。したがって、陰極室１４ｂから貫通孔Ｈ内に進入した水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。
【００３８】
また、陽極室１４ａ側における貫通孔Ｈの上下方向の径は、陰極室１４ｂ側における貫通孔Ｈの上下方向の径よりも小さい。さらに、上記のように、フッ素ガスは、水素ガスに比べて電解液１２中に溶解しやすい。そのため、フッ素ガスの泡が陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内に進入することが防止される。
【００３９】
このように、フッ素ガスおよび水素ガスの泡が貫通孔Ｈを通って移動することが防止されつつ、フッ素ガスおよび水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。それにより、フッ素ガスの生成効率を低下させることなく、電解反応を安定にかつ円滑に進行させることができる。
【００４０】
（３）貫通孔の他の例
（３−１）
液体隔壁１３ｂの貫通孔Ｈの形状は、図２および図３の例に限らない。図４は、液体隔壁１３ｂに形成される貫通孔Ｈの他の例を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）の例について、図２および図３の例と異なる点を説明する。
【００４１】
図４（ａ）の例では、貫通孔Ｈの上面Ｌ１が、陽極側端から陽極側端と陰極側端との中間点Ｐ１まで水平に延び、中間点Ｐ１から陰極側端まで斜め上方に延びる。この場合も、陰極室１４ｂから貫通孔Ｈ内に進入した水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止されるとともに、フッ素ガスの泡が陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内に進入することが防止される。
【００４２】
図４（ｂ）の例では、貫通孔Ｈの上面Ｌ１が、陽極側端から中間点Ｐ１まで斜め下方に延び、中間点Ｐ１から陰極側端まで斜め上方に延びる。この場合も、陰極室１４ｂから貫通孔Ｈ内に進入した水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。また、陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内にフッ素ガスの泡が進入しても、その泡は、貫通孔Ｈの上面Ｌ１に沿って陽極室１４ａに戻り、液面に浮上する。したがって、陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内に進入したフッ素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。
【００４３】
（３−２）
上記の例では、貫通孔Ｈが円形の縦断面を有するが、貫通孔Ｈが楕円形状、三角形または四角形等の他の形状の縦断面を有してもよい。
【００４４】
（３−３）
上記の例では、貫通孔Ｈの上面Ｌ１が陰極側端に向かって斜め上方に直線状に延びるように設けられるが、これに限らず、例えば貫通孔Ｈの上面Ｌ１が陰極側端に向かって斜め上方に湾曲して延びるように設けられてもよい。
【００４５】
（４）液体隔壁の他の例
図５は、液体隔壁１３ｂの他の例について説明するための断面図である。図５には、気体隔壁１３ａの下端部および液体隔壁１３ｂの上端部が示される。図５の例について、図２および図３の例と異なる点を説明する。
【００４６】
図５の例では、液体隔壁１３ｂの上端部が、気体隔壁１３ａの外周面（陰極室１４ｂ側の面）の下端部を覆うように設けられる。気体隔壁１３ａの下端部が電解液１２に浸漬する状態で電解液１２の電解反応が進行する場合、電解液１２内で気体隔壁１３ａが分極し、気体隔壁１３ａの外周面が正の電荷を帯びる。その場合、正の電荷を帯びた気体隔壁１３ａの外周面から金属がイオン化して電解液１２中に溶出し、気体隔壁１３ａの外周面が腐食されやすくなる。そこで、本例では、電解液１２に浸漬する気体隔壁１３ａの外周面の部分が液面隔壁１３ｂにより覆われる。それにより、気体隔壁１３ａの外周面に電解液１２が接触することが防止され、電解液１２に浸漬する気体隔壁１３ａの外周面の部分が腐食することが防止される。
【００４７】
また、液面隔壁１３ｂの上端部は、電解液１２の液面の上方まで延びることが好ましい。この場合、気体隔壁１３ａの外周面に電解液１２が接触することを確実に防止することができる。なお、液面隔壁１３ｂの上端部は陰極室１４ｂ側に位置するので、液面隔壁１３ｂの上端部が電解液１２の液面の上方まで延びていても、液面隔壁１３ｂにフッ素ガスおよびフッ化水素蒸気が接触することはない。そのため、液面隔壁１３ｂの腐食が防止される。
【００４８】
（５）他の実施の形態
（５−１）
上記実施の形態では、気体隔壁１３ａと液体隔壁１３ｂとが別体として設けられるが、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂの腐食が防止される場合または気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂの腐食が問題とならない場合には、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂが一体的に設けられてもよい。
【００４９】
（５−２）
上記実施の形態では、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂがそれぞれ円筒状であるが、これに限らず、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂがそれぞれ角筒状または平板状等の他の形状であってもよい。
【００５０】
（５−３）
上記実施の形態は、フッ素ガスを発生する気体発生装置に本発明を適用した例であるが、酸素ガス等の他の気体を発生する気体発生装置にも本発明を同様に適用することができる。
【００５１】
（６）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【００５２】
上記実施の形態では、電解液１２が電解液の例であり、電解槽１１が電解槽の例であり、貫通孔Ｈが開口の例であり、上面Ｌ１が上面の例であり、隔壁１３が隔壁の例であり、陽極室１４ａが陽極室の例であり、陽極１５ａが陽極の例であり、陰極室１４ｂが陰極室の例であり、陰極１５ｂが陰極の例であり、液体隔壁１３ａが液体隔壁の例である。
【００５３】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、種々の気体発生装置に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 電解装置
１１ 電解槽
１１ａ 電解槽本体
１１ｂ 上部蓋体
１１ｃ，１１ｄ 絶縁部材
１２ 電解液
１３ 隔壁
１３ａ 気体隔壁
１３ｂ 液体隔壁
１４ａ 陽極室
１４ｂ 陰極室
１５ａ 陽極
１６ａ，１６ｂ ガス排出口
１７ａ，１７ｂ 排気管
１８ａ ＨＦ供給ライン
１８ｂ 温度調整用ヒータ
Ｈ 貫通孔
Ｌ１ 上面
Ｌ２ 下面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体を発生する気体発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程等において、材料の洗浄および表面改質等の種々の用途でフッ素ガスが用いられている。この場合、フッ素ガス自体が用いられることもあり、フッ素ガスを基に合成されたＮＦ３（三フッ化窒素）ガス、ＣＦ４（四フッ化炭素）ガスおよびＣ２Ｆ６（六フッ化エタン）ガス等の種々のフッ素系ガスが用いられることもある。
【０００３】
フッ素ガスを安定に供給するために、ＨＦ（フッ化水素）を電気分解してフッ素ガスを発生する気体発生装置が用いられる。このような気体発生装置では、例えば、電解槽内にＫＦ−ＨＦ（カリウム−フッ化水素）系の混合溶融塩からなる電解液が収容される。電解槽内の電解液が電気分解されることによりフッ素ガスが発生される。
【０００４】
電解槽内においては、フッ素ガスとともに水素ガスが発生される。そのため、電解槽内には、発生されるフッ素ガスと水素ガスとを分離するための隔壁が設けられる。特許文献１に記載される電解槽では、ガスの混合を防止するために、多孔性または繊維状の構成を有する隔板が用いられる。この場合、電解液が隔板を透過することが可能となる。そのため、電解槽内に配置される陽極と陰極との間の通電抵抗の増加が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１０４１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者は、特許文献１の電解槽では、発生したガスの泡が隔板の孔を塞ぐことによって電解液の透過が妨げられることを見出した。それにより、電解液の電解反応を安定に進行させることができない。
【０００７】
本発明の目的は、気体の混合を防止しつつ電解反応を安定に進行させることが可能な気体発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る気体発生装置は、電解液を収容する電解槽と、電解槽内を陽極室と陰極室とに区画するように設けられ、電解液中のイオンが通過可能な開口を有する隔壁と、電解槽の陽極室に設けられる陽極と、電解槽の陰極室に設けられる陰極とを備え、隔壁の開口は、陽極室および陰極室の少なくとも一方に向かって斜め上方に延びる上面を有するものである。
【０００９】
その気体発生装置においては、隔壁により電解槽内が陽極室と陰極室とに区画される。陽極室に設けられた陽極と陰極室に設けられた陰極との間に電圧が印加されることにより、電解槽内の電解液が電気分解される。それにより、陽極室および陰極室において気体が発生する。
【００１０】
隔壁には、電解液中のイオンが通過可能な開口が設けられる。開口は、陽極室および陰極室の少なくとも一方に向かって斜め上方に延びる上面を有する。そのため、発生される気体の泡が陽極室および陰極室の上記の少なくとも一方から開口内に進入しても、その泡は開口の上面に沿って陽極室または陰極室に戻される。したがって、発生される気体の泡が通過しないように開口の大きさを設定することにより、陽極室で発生される気体と陰極室で発生される気体とが混合されることを防止しつつ、発生される気体の泡によって開口が塞がれることを防止することができる。その結果、気体の混合を防止しつつ電解液の電解反応を安定に進行させることができる。
【００１１】
（２）陽極室においてフッ素ガスが発生され、陰極室において水素ガスが発生され、開口の上面は、陰極室側に向かって斜め上方に延びるように設けられてもよい。
【００１２】
水素ガスはフッ素ガスに比べて電解液に溶解しにくいので、水素ガスの泡は開口内に滞留して開口を塞ぎやすい。そこで、開口の上面が陰極室側に向かって斜め上方に延びるように設けられることにより、陰極室で発生される水素ガスの泡が開口内に進入しても、その泡は開口の上面に沿って陰極室に戻される。それにより、水素ガスによって開口が塞がれることが防止される。
【００１３】
（３）陽極室側における開口の端部の面積は、陰極室側における開口の端部の面積よりも小さくてもよい。
【００１４】
この場合、陽極室において発生されるフッ素ガスが開口内に進入することが防止される。それにより、フッ素ガスが陰極室に移動することが防止され、フッ素ガスと水素ガスとが混合されることが防止される。
【００１５】
（４）隔壁は、電解液に浸漬する液体隔壁を含み、開口は液体隔壁に設けられ、液体隔壁は、パーフルオロ樹脂により形成されてもよい。
【００１６】
この場合、電解液により液体隔壁が腐食することが防止される。また、開口を形成する際の液体隔壁の加工が容易になる。さらに、液体隔壁の材料コストが低減される。
【００１７】
（５）陽極の表面に導電性ダイヤモンドコーティングが施されてもよい。この場合、陽極に分極が発生しにくくなるため、気体の発生効率が向上される。気体の発生量が多くなっても、隔壁の開口が泡によって塞がれることが防止されるので、電解反応を安定に進行させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、気体の混合を防止しつつ電解反応を安定に進行させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る気体発生装置の模式的断面図である。
【図２】液体隔壁の外観斜視図である。
【図３】液体隔壁に形成される貫通孔の拡大図である。
【図４】液体隔壁に形成される貫通孔の他の例を示す図である。
【図５】液体隔壁の他の例について説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態に係る気体発生装置について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（１）気体発生装置の構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る気体発生装置の模式的断面図である。図１の気体発生装置１０は、フッ素ガスを発生する気体発生装置である。図１に示すように、気体発生装置１０は電解槽１１を備える。電解槽１１は、電解槽本体１１ａおよび上部蓋体１１ｂを含む。
【００２２】
電解槽本体１１ａおよび上部蓋体１１ｂは、例えばＮｉ（ニッケル）、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金により形成される。電解槽本体１１ａは、底面部および側面部を有し、上部に開口を有する。底面部の上面を覆うように、絶縁部材１１ｃが配置される。側面部の上端面上には、絶縁部材１１ｄが取り付けられる。絶縁部材１１ｃ，１１ｄは、樹脂等の絶縁材料からなる。電解槽本体１１ａの開口を閉塞するように、絶縁部材１１ｄ上に上部蓋体１１ｂが配置される。それにより、電解槽本体１１ａと上部蓋体１１ｂとが絶縁部材１１ｄにより互いに電気的に絶縁される。
【００２３】
電解槽１１内には、ＫＦ−ＨＦ（カリウム−フッ化水素）系混合溶融塩からなる電解液１２が収容される。上部蓋体１１ｂの下面から下方に延びるように、円筒状の隔壁１３が設けられる。隔壁１３は、円筒状の気体隔壁１３ａおよび円筒状の液体隔壁１３ｂからなる。気体隔壁１３ａは上部蓋体１１ｂに一体的に設けられる。気体隔壁１３ａの下端部の高さは、電解液１２の液面の高さと略等しくなるように設定される。気体隔壁１３ａの材料としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉ合金、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金が用いられることが好ましい。この場合、フッ素ガスおよびフッ化水素蒸気による気体隔壁１３ａの腐食が抑制される。気体隔壁１３ａは、上部蓋体１１ｂから取り外し可能に設けられてもよい。
【００２４】
液体隔壁１３ｂは、電解液１２に浸漬するように気体隔壁１３ａの下端部に取り付けられる。液体隔壁１３ｂには、電解液１２の透過性を確保するための複数の貫通孔Ｈ（後述の図２）が形成される。液体隔壁１３ｂの詳細については後述する。液体隔壁１３ｂの材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）またはＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のパーフルオロ樹脂が用いられることが好ましく、特にＰＴＦＥが用いられることが好ましい。この場合、液体隔壁１３ｂの材料として金属が用いられる場合に比べて、電解液１２による液体隔壁１３ｂの腐食が抑制される。また、上記の貫通孔Ｈを形成する際の加工が容易になる。さらに、液体隔壁１３ｂの材料コストが低減される。
【００２５】
電解槽１１内において、隔壁１３の内側に陽極室１４ａが形成され、隔壁１３の外側に陰極室１４ｂが形成される。陽極室１４ａ内で電解液１２に浸漬するように陽極１５ａが配置される。陽極１５ａの材料としては、例えば低分極性炭素電極を用いることが好ましい。
【００２６】
陽極１５ａの表面には、導電性ダイヤモンドコーティングが施されることが好ましい。具体的には、ダイヤモンド原料として水素ガスおよび炭素源の混合ガスを用いるとともに、その混合ガスに炭素と原子価が異なる元素（以下、ドーパントと呼ぶ）を微量添加することにより、導電性を有するダイヤモンドコーティング層を形成することができる。ドーパントとしては、硼素、リンまたは窒素を用いることが好ましく、特に硼素を用いることが好ましい。添加されるドーパントの重量は、ダイヤモンドコーティング層の全重量に対して、１ｐｐｍ以上３００００ｐｐｍ以下であることが好ましく、１００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であることがより好ましい。陽極１５ａの表面に導電性ダイヤモンドコーティングが施されることにより、陽極１５ａで分極が発生しにくくなる。そのため、フッ素ガスの生成効率が向上される。本実施の形態では、電解槽本体１１ａの側面部が陰極として機能する。
【００２７】
電解槽１１内にＨＦを供給するためのＨＦ供給ライン１８ａが上部蓋体１１ｂに接続される。ＨＦ供給ライン１８ａは温度調整用ヒータ１８ｂで覆われる。これにより、ＨＦ供給ライン１８ａでＨＦが液化することが防止される。電解液１２の液面の高さは液面検出装置（図示せず）により検出される。液面検出装置により検出される液面の高さが所定値よりも低くなると、ＨＦ供給ライン１８ａを通して電解槽１１内にＨＦが供給される。
【００２８】
上部蓋体１１ｂには、ガス排出口１６ａ，１６ｂが設けられる。ガス排出口１６ａには排気管１７ａが接続され、ガス排出口１６ｂには排気管１７ｂが接続される。ガス排出口１６ａは陽極室１４ａに連通し、ガス排出口１６ｂは陰極室１４ｂに連通する。
【００２９】
陽極１５ａと電解槽本体１１ａとの間に電圧が印加されることにより、電解液１２が電気分解される。この場合、陽極１５ａの表面上でフッ素ガスが発生し、電解槽本体１１ａの側面部の内面上で水素ガスが発生する。電解槽本体１１ａの底面部の上面は絶縁部材１１ｃにより覆われるので、底面部の上面上では電解液１２の電解反応が進行せず、水素ガスが発生しない。
【００３０】
陽極室１４ａで発生したフッ素ガスは、ガス排出口１６ａから排気管１７ａを通して電解槽１１の外部に導かれる。陰極室１４ｂで発生した水素ガスは、ガス排出口１６ｂから排気管１７ｂを通して電解槽１１の外部に導かれる。
【００３１】
（２）液体隔壁の詳細
図２は液体隔壁１３ｂの外観斜視図であり、図３は液体隔壁１３ｂに形成される貫通孔Ｈの拡大図である。図３（ａ）は貫通孔Ｈの縦断面図であり、図３（ｂ）は陽極室１４ａから見た貫通孔Ｈの側面図であり、図３（ｃ）は陰極室１４ｂから見た貫通孔Ｈの側面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）および図３（ｃ）のＡ−Ａ線断面を示す。
【００３２】
図２に示すように、液体隔壁１３ｂには複数の円形の貫通孔Ｈが形成される。図２の例では、複数の貫通孔Ｈが、液体隔壁１３ｂの周方向に沿って２列をなす。この場合、電解液１２中のイオンが複数の貫通孔Ｈを通って陽極室１４ａと陰極室１４ｂとの間で移動可能となる。これにより、陽極室１４ａおよび陰極室１４ｂにおいて電解反応が安定にかつ円滑に進行する。
【００３３】
この場合、電解反応により発生したフッ素ガスおよび水素ガスが貫通孔Ｈを通って移動すると、陽極室１４ａまたは陰極室１４ｂにおいてフッ素ガスと水素ガスとが混合される。それにより、フッ素ガスと水素ガスとが反応してフッ素ガスの生成効率が低下するとともに、フッ素ガスおよび水素ガスの比によっては爆発性の混合ガスが生成される可能性も考えられる。
【００３４】
そこで、各貫通孔Ｈの径は、フッ素ガスおよび水素ガスの泡が通過しないような大きさに設定される。しかしながら、これによって泡が貫通孔Ｈ内に滞留し、貫通孔Ｈが塞がれることがある。特に、水素ガスはフッ素ガスに比べて電解液１２に溶解しにくいので、水素ガスの泡は、貫通孔Ｈ内に滞留しやすく、貫通孔Ｈを塞ぎやすい。貫通孔Ｈが塞がれると、電解液１２が貫通孔Ｈを通って移動することができない。それにより、安定に電解反応を進行させることができない。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、図３に示すように、各貫通孔Ｈが、陽極室１４ａ側の端部から陰極室１４ｂ側の端部まで斜め上方に延びる上面Ｌ１を有する。以下、陽極室１４ａ側における貫通孔Ｈの端部を陽極側端と呼び、陰極室１４ｂ側における貫通孔Ｈの端部を陰極側端と呼ぶ。貫通孔Ｈの下面Ｌ２は、陽極側端から陰極側端まで水平に延びる。ここで、貫通孔Ｈの上面とは、貫通孔Ｈの内周面のうち、下方を向く領域をいい、貫通孔Ｈの下面とは、貫通孔Ｈの内周面のうち、上方を向く領域をいう。
【００３６】
貫通孔Ｈの陽極側端の上下方向の径Ｄ１は、電解液が通過可能でかつフッ素ガスおよび水素ガスの泡が通過しないような大きさに設定される。径Ｄ１は、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。貫通孔Ｈの陰極側端の上下方向の径Ｄ２は、Ｄ１よりも大きい。径Ｄ２は、例えば５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、５ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。液体隔壁１３ｂの厚みＴＨは、例えば５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、５ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
本実施の形態に係る気体発生装置１０においては、陰極室１４ｂから水素ガスの泡が貫通孔Ｈ内に進入しても、その泡は、貫通孔Ｈの上面に沿って陰極室１４ｂに戻り、液面に浮上する。したがって、陰極室１４ｂから貫通孔Ｈ内に進入した水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。
【００３８】
また、陽極室１４ａ側における貫通孔Ｈの上下方向の径は、陰極室１４ｂ側における貫通孔Ｈの上下方向の径よりも小さい。さらに、上記のように、フッ素ガスは、水素ガスに比べて電解液１２中に溶解しやすい。そのため、フッ素ガスの泡が陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内に進入することが防止される。
【００３９】
このように、フッ素ガスおよび水素ガスの泡が貫通孔Ｈを通って移動することが防止されつつ、フッ素ガスおよび水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。それにより、フッ素ガスの生成効率を低下させることなく、電解反応を安定にかつ円滑に進行させることができる。
【００４０】
（３）貫通孔の他の例
（３−１）
液体隔壁１３ｂの貫通孔Ｈの形状は、図２および図３の例に限らない。図４は、液体隔壁１３ｂに形成される貫通孔Ｈの他の例を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）の例について、図２および図３の例と異なる点を説明する。
【００４１】
図４（ａ）の例では、貫通孔Ｈの上面Ｌ１が、陽極側端から陽極側端と陰極側端との中間点Ｐ１まで水平に延び、中間点Ｐ１から陰極側端まで斜め上方に延びる。この場合も、陰極室１４ｂから貫通孔Ｈ内に進入した水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止されるとともに、フッ素ガスの泡が陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内に進入することが防止される。
【００４２】
図４（ｂ）の例では、貫通孔Ｈの上面Ｌ１が、陽極側端から中間点Ｐ１まで斜め下方に延び、中間点Ｐ１から陰極側端まで斜め上方に延びる。この場合も、陰極室１４ｂから貫通孔Ｈ内に進入した水素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。また、陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内にフッ素ガスの泡が進入しても、その泡は、貫通孔Ｈの上面Ｌ１に沿って陽極室１４ａに戻り、液面に浮上する。したがって、陽極室１４ａから貫通孔Ｈ内に進入したフッ素ガスの泡が貫通孔Ｈを塞ぐことが防止される。
【００４３】
（３−２）
上記の例では、貫通孔Ｈが円形の縦断面を有するが、貫通孔Ｈが楕円形状、三角形または四角形等の他の形状の縦断面を有してもよい。
【００４４】
（３−３）
上記の例では、貫通孔Ｈの上面Ｌ１が陰極側端に向かって斜め上方に直線状に延びるように設けられるが、これに限らず、例えば貫通孔Ｈの上面Ｌ１が陰極側端に向かって斜め上方に湾曲して延びるように設けられてもよい。
【００４５】
（４）液体隔壁の他の例
図５は、液体隔壁１３ｂの他の例について説明するための断面図である。図５には、気体隔壁１３ａの下端部および液体隔壁１３ｂの上端部が示される。図５の例について、図２および図３の例と異なる点を説明する。
【００４６】
図５の例では、液体隔壁１３ｂの上端部が、気体隔壁１３ａの外周面（陰極室１４ｂ側の面）の下端部を覆うように設けられる。気体隔壁１３ａの下端部が電解液１２に浸漬する状態で電解液１２の電解反応が進行する場合、電解液１２内で気体隔壁１３ａが分極し、気体隔壁１３ａの外周面が正の電荷を帯びる。その場合、正の電荷を帯びた気体隔壁１３ａの外周面から金属がイオン化して電解液１２中に溶出し、気体隔壁１３ａの外周面が腐食されやすくなる。そこで、本例では、電解液１２に浸漬する気体隔壁１３ａの外周面の部分が液面隔壁１３ｂにより覆われる。それにより、気体隔壁１３ａの外周面に電解液１２が接触することが防止され、電解液１２に浸漬する気体隔壁１３ａの外周面の部分が腐食することが防止される。
【００４７】
また、液面隔壁１３ｂの上端部は、電解液１２の液面の上方まで延びることが好ましい。この場合、気体隔壁１３ａの外周面に電解液１２が接触することを確実に防止することができる。なお、液面隔壁１３ｂの上端部は陰極室１４ｂ側に位置するので、液面隔壁１３ｂの上端部が電解液１２の液面の上方まで延びていても、液面隔壁１３ｂにフッ素ガスおよびフッ化水素蒸気が接触することはない。そのため、液面隔壁１３ｂの腐食が防止される。
【００４８】
（５）他の実施の形態
（５−１）
上記実施の形態では、気体隔壁１３ａと液体隔壁１３ｂとが別体として設けられるが、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂの腐食が防止される場合または気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂの腐食が問題とならない場合には、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂが一体的に設けられてもよい。
【００４９】
（５−２）
上記実施の形態では、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂがそれぞれ円筒状であるが、これに限らず、気体隔壁１３ａおよび液体隔壁１３ｂがそれぞれ角筒状または平板状等の他の形状であってもよい。
【００５０】
（５−３）
上記実施の形態は、フッ素ガスを発生する気体発生装置に本発明を適用した例であるが、酸素ガス等の他の気体を発生する気体発生装置にも本発明を同様に適用することができる。
【００５１】
（６）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【００５２】
上記実施の形態では、電解液１２が電解液の例であり、電解槽１１が電解槽の例であり、貫通孔Ｈが開口の例であり、上面Ｌ１が上面の例であり、隔壁１３が隔壁の例であり、陽極室１４ａが陽極室の例であり、陽極１５ａが陽極の例であり、陰極室１４ｂが陰極室の例であり、陰極１５ｂが陰極の例であり、液体隔壁１３ａが液体隔壁の例である。
【００５３】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、種々の気体発生装置に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 電解装置
１１ 電解槽
１１ａ 電解槽本体
１１ｂ 上部蓋体
１１ｃ，１１ｄ 絶縁部材
１２ 電解液
１３ 隔壁
１３ａ 気体隔壁
１３ｂ 液体隔壁
１４ａ 陽極室
１４ｂ 陰極室
１５ａ 陽極
１６ａ，１６ｂ ガス排出口
１７ａ，１７ｂ 排気管
１８ａ ＨＦ供給ライン
１８ｂ 温度調整用ヒータ
Ｈ 貫通孔
Ｌ１ 上面
Ｌ２ 下面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液を収容する電解槽と、
前記電解槽内を陽極室と陰極室とに区画するように設けられ、前記電解液中のイオンが通過可能な開口を有する隔壁と、
前記電解槽の前記陽極室に設けられる陽極と、
前記電解槽の前記陰極室に設けられる陰極とを備え、
前記隔壁の前記開口は、前記陽極室および前記陰極室の少なくとも一方に向かって斜め上方に延びる上面を有することを特徴とする気体発生装置。
【請求項２】
前記陽極室においてフッ素ガスが発生され、前記陰極室において水素ガスが発生され、
前記開口の前記上面は、前記陰極室側に向かって斜め上方に延びるように設けられることを特徴とする請求項１記載の気体発生装置。
【請求項３】
前記陽極室側における前記開口の端部の面積は、前記陰極室側における前記開口の端部の面積よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の気体発生装置。
【請求項４】
前記隔壁は、前記電解液に浸漬する液体隔壁を含み、
前記開口は前記液体隔壁に設けられ、
前記液体隔壁は、パーフルオロ樹脂により形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気体発生装置。
【請求項５】
前記陽極の表面に導電性ダイヤモンドコーティングが施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の気体発生装置。
【請求項１】
電解液を収容する電解槽と、
前記電解槽内を陽極室と陰極室とに区画するように設けられ、前記電解液中のイオンが通過可能な開口を有する隔壁と、
前記電解槽の前記陽極室に設けられる陽極と、
前記電解槽の前記陰極室に設けられる陰極とを備え、
前記隔壁の前記開口は、前記陽極室および前記陰極室の少なくとも一方に向かって斜め上方に延びる上面を有することを特徴とする気体発生装置。
【請求項２】
前記陽極室においてフッ素ガスが発生され、前記陰極室において水素ガスが発生され、
前記開口の前記上面は、前記陰極室側に向かって斜め上方に延びるように設けられることを特徴とする請求項１記載の気体発生装置。
【請求項３】
前記陽極室側における前記開口の端部の面積は、前記陰極室側における前記開口の端部の面積よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の気体発生装置。
【請求項４】
前記隔壁は、前記電解液に浸漬する液体隔壁を含み、
前記開口は前記液体隔壁に設けられ、
前記液体隔壁は、パーフルオロ樹脂により形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気体発生装置。
【請求項５】
前記陽極の表面に導電性ダイヤモンドコーティングが施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の気体発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１９０３５（Ｐ２０１３−１９０３５Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５０６６（Ｐ２０１１−１５５０６６）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
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