(57)【要約】【課題】  小型で、効率よく、電気化学反応を用いてガスを分解しながら、破損要因を除去した安全性の高いガス分解装置を提供する。【解決手段】  ＭＥＡ(Membrane  Electrode  Assembly)と、アノードに接するように位置し、排気ガスが導入される分解室３と、分解室３に連通する排気ガス流路１１と、カソードに接するように位置し、空気が導入される空気室５ａ，５ｂと、空気室５ａ，５ｂに連通する空気流路１２ａ，１２ｂと、分解室の圧力と空気室の圧力差を小さくするための差圧調整機構６，７とを備えることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、前記第１電極と対をなす第２電極、および前記第１電極と第２電極とに挟まれる電解質で構成されるＭＥＡ(Membrane  Electrode  Assembly)と、
前記第１電極に接するように位置し、該第１電極と電気化学反応する成分を含む第１の気体が導入される第１気体室と、
前記第１気体室に連通する第１流路と、
前記第２電極に接するように位置し、該第２電極と電気化学反応する成分を含む第２の気体が導入される第２気体室と、
前記第２気体室に連通する第２流路と、
前記第１気体室の圧力と第２気体室の圧力差を小さくするための差圧調整機構とを備えることを特徴とする、ガス分解装置。
【請求項２】
前記差圧調整機構が、前記第１流路と第２流路との差圧を検知する差圧計と、前記第１流路および第２流路の一方または両方に配置され、前記差圧計の信号に基づいて、気体流量を調整する流量調整部とで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のガス分解装置。
【請求項３】
前記ＭＥＡを第１のＭＥＡとして、前記第２気体室の前記第１のＭＥＡと反対側に、当該第２気体室を画する第２のＭＥＡをさらに備え、前記第１のＭＥＡと第２のＭＥＡとは、前記第２気体室を挟んで、同じ極性の第２電極を対向させており、前記第２のＭＥＡの前記第１のＭＥＡと反対側に、前記第１の気体と同じ気体が導入される第３気体室を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のガス分解装置。
【請求項４】
前記第１の気体を空気とし、前記第２の気体をアンモニアを含む排気ガスとして、半導体製造装置から排出される排気ガス中のアンモニアを、空気を用いて、２５ｐｐｍ以下に分解するために、前記半導体製造装置の排気系統の大気放出部に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分解装置であって、より具体的には、特定のガス成分を、小型装置で効率よく分解しながら安全性を向上させたガス分解装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アンモニアやＮＯｘ等の有害ガスを除去する装置は、従来から多く提案されてきた。このような装置のなかで、電気化学的方法によって有毒ガスを分解する方法は、保守コストや装置の小型化の点で有利であり、注目を集めている（特許文献１）。とくにアノード層／電解質層／カソード層で構成されるＭＥＡ(Membrane  Electrode  Assembly)を用いたガス分解装置は、装置の小型化を促進することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４５４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、有毒ガスの分解装置には、高度の安全性が要求され、耐久性向上のために、破損に連なる要因はできる限り除去しておくことが望ましい。本発明は、小型で、効率よく、電気化学反応を用いてガスを分解しながら、破損要因を除去した安全性の高いガス分解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のガス分解装置は、第１電極、第１電極と対をなす第２電極、および第１電極と第２電極とに挟まれる電解質で構成されるＭＥＡ(Membrane  Electrode  Assembly)と、第１電極に接するように位置し、該第１電極と電気化学反応する成分を含む第１の気体が導入される第１気体室と、第１気体室に連通する第１流路と、第２電極に接するように位置し、該第２電極と電気化学反応する成分を含む第２の気体が導入される第２気体室と、第２気体室に連通する第２流路と、第１気体室の圧力と第２気体室の圧力差を小さくするための差圧調整機構とを備えることを特徴とする。
【０００６】
上記の構成によれば、ＭＥＡの両側の第１および第２の気体室の圧力差に起因するＭＥＡの破損を避けることができる。ＭＥＡの電解質は脆いものが多く、両側の気体室の圧力差が大きくなると、ＭＥＡに歪みが生じて破損にいたるが、上記の圧力調整機構によって圧力差を抑制される。この結果、小型で、効率よく、電気化学反応を用いてガスを分解しながら、破損要因を除去して安全性を向上することができる。上記のガス分解装置では、分解対象のガス成分を含む気体は、第１の気体でも第２の気体でもよい。また、上記のガス分解装置は、燃料電池として用いることもできるし、また、有害ガスを極低濃度まで分解するための除害装置であってもよい。上記の電気化学反応は、高温状態で実用レベルの分解速度を持つことを目的に、通常、ヒータ等により高温に加熱される。加熱される温度範囲としては、たとえば６００℃〜９５０℃の温度範囲である。差力調整機構は、どのようなものでもよい。
【０００７】
上記の差圧調整機構を、第１流路と第２流路との差圧を検知する差圧計と、第１流路および第２流路の一方または両方に配置され、差圧計の信号に基づいて、気体流量を調整する流量調整部とで構成することができる。これによって、簡単な構造によって、差圧調整機構を構成することができる。
【０００８】
上記のＭＥＡを第１のＭＥＡとして、第２気体室の第１のＭＥＡと反対側に、当該第２気体室を画する第２のＭＥＡをさらに備え、第１のＭＥＡと第２のＭＥＡとは、第２気体室を挟んで、同じ極性の第２電極を対向させており、第２のＭＥＡの第１のＭＥＡと反対側に、第１の気体と同じ気体が導入される第３気体室を備えることができる。この構成によれば、たとえば、上記のガス分解装置を除害装置として、有害ガスを含む排気ガスを第２の気体として第２気体室に導入することで、両側のＭＥＡによって、有害ガスを極低濃度にまで分解することが容易となる。この結果、差圧によるＭＥＡの破損要因を除きながら、有害ガスを容易に極低濃度に除害することができる。上記のように気体室の両側に電極が配置される構造を両側電極構造と呼ぶ場合がある。両側に電極を持つ気体室（第２気体室）は、本ガス分解装置を除害装置として用いる場合、通常、分解対象の有害ガスを含む気体が導入される。その理由は、あとで詳しく説明する。
【０００９】
第１の気体を空気とし、第２の気体をアンモニアを含む排気ガスとして、半導体製造装置から排出される排気ガス中のアンモニアを、空気を用いて、２５ｐｐｍ以下に分解するために、上記のガス分解装置を半導体製造装置の排気系統の大気放出部に配置することができる。これによって、差圧によるＭＥＡ破損の要因を除きながら、定期点検等のメンテナンスを抑制し、小型で、効率よく極低濃度までアンモニアを分解することができるアンモニア除害装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小型で、効率よく、電気化学反応を用いてガスを分解しながら、破損要因を除去した安全性の高いガス分解装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるガス分解装置の構成を示す図である。
【図２】図１のガスガス分解装置のセル部分の断面図である。
【図３】図２のガス分解装置のＭＥＡを含む拡大図である。
【図４】実施の形態１におけるガス分解装置の変形例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるガス分解装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態２におけるガス分解装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のガス分解装置が用いられるガス分解の態様例をいくつか、表１に示す。表１において、番号Ｒ１〜Ｒ４、およびＲ６は、ガス分解の結果、電力を生成する電気化学反応であり、いわゆる燃料電池として作動する。また、番号Ｒ５、Ｒ７、Ｒ８は、ガス分解に電力投入を要し、電気分解の電気化学反応である。本発明のガス分解装置は、表１に例示するすべての電気化学反応に用いることができる。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるガス分解装置１０を示す図である。また、図２は、ガス分解装置１０のセルＣの構造の概略図である。ガス分解装置１０は、半導体製造における排気ガス（第２の気体）に含まれるアンモニアを１０ｐｐｍ以下に分解して、そのまま大気に放出するために用いられる。電気化学反応が進行するセルＣは、空気（第１の気体）が導入される２つの空気室（第１気体室）５ａ，５ｂを有する。空気室５ａと分解室（第２気体室）２との間にはＭＥＡ１が位置し、また空気室５ｂと分解室３との間にもＭＥＡ２が介在する。このあと説明するように、ＭＥＡ１，２はアノードを対面させるようにして、分解室３を挟んでいる。このため、分解室３の両側にアノードが位置することになり、上述のように、両側電極構造と呼ぶ。空気室５ａ，５ｂには、図示しないカソード集電体である導電多孔体がＭＥＡ１，２のカソード１ｃ，２ｃに接触するように配置され、また分解室３には、同じく図示しないアノード集電体の導電多孔体がアノード１ａ，２ａに接触した状態で配置される。上記の導電多孔体は連続気孔をもつものであり、金属多孔体が用いられるが、金属多孔体である必要はなく、織布、不織布などの繊維状の連続多孔体であってもよい。ＭＥＡは、セラミックスの固体電解質を含む積層体が用いられる。固体電解質を構成するセラミックスは比較的脆い。ＭＥＡの厚みは１μｍ〜１００μｍとするのがよい。
アンモニアを含む排気ガスは、排気流路（第２流路）１１を通って、分解室３に導入され、アンモニアを極低濃度にまで分解して、分解後の成分を含めて処理済み排気流路２１から、図示しない水トラップ等を経て大気に放出される。また、空気は、空気流路（第１流路）１２から流量制御器７を経て分岐され、二本の分岐流路１２ａ，１２ｂから空気室５ａ，５ｂに導入される。ここでＭＥＡ１，２のカソードにおいて、所定量の酸素から酸素イオンをＭＥＡのアノード側へと供給する反応をして、残りの空気は、やはり水トラップ等を経て放出される。
【００１５】
化合物半導体などの半導体製造において、排気ガスは間欠的に発生する。排気ガスが発生しない間も、排気流路１１には１ＳＬＭ〜数十ＳＬＭの窒素ガス等が流されているが、排気ガスが発生すると、排気流路１１には数十〜数百ＳＬＭのアンモニアを含む気体が流れる。
仮に、何の対策もとらない場合を想定する。空気流路１２ａ，１２ｂの流量を一定のレベル、たとえば排気ピークに合わせた空気量を流しておくと、排気ガスが発生しない期間は、空気室５ａ，５ｂの圧力は分解室３の圧力を大きく超えて、２枚のＭＥＡ１，２に大きな圧力がかかる。排気ガスの発生は間欠的に繰り返されるので、長期間の使用において、繰り返し圧力がＭＥＡ１，２にかかる。この結果、終にはＭＥＡ１，２が破損にいたる。アンモニアのような有害ガスの分解装置が、上記のような破損要因を内在することは安全上好ましくない。また、排気ガスの発生量と、非発生の時の流量との平均値に合わせた空気量とすると、排気ガス発生時のピーク量の処理をすることができず、所定レベル以下にアンモニアを分解することができない。分解不足は安全上許されない。
【００１６】
本実施の形態のガス分解装置１０においては、図１に示すように排気流路１１と、空気流路１２ａとの差圧を検知する差圧計６を配置し、制御信号または差圧信号を流量制御器７に送信する。流量制御器７では、その信号に基づいて、流量を制御して差圧を小さくするようにする。差圧計６は、ダイアフラム式など、どのような差圧計であってもよい。また、空気流路１２ａと、排気流路１１とに個別に圧力計を取り付け、それぞれの圧力をマイコン等に送り、差圧を割り出し、流量制御器７の流量を制御してもよい。流量制御器７には  可変バルブ、可変ダンパーなどを用いることができる。
上記の圧力調整機構６，７を用いることで、本実施の形態におけるガス分解装置１０は、間欠的に繰り返し発生する排気ガスの流量に合わせて、オンタイムで空気量を流すことができる。このため、セルＣ内の空気室５ａ，５ｂと、分解室３との間に、実質的に圧力差を生じないようにでき、ＭＥＡ１，２に圧力は加わることが抑制される。この結果、長期間、稼働させても、ＭＥＡ１，２が破損することがなくなる。また、空気の取り入れに必要な電力についても、必要な量に限定できるので、節約することができる。
【００１７】
次に、上記のガス分解反応について、図３を用いて微視的に説明する。分解室３に導入されたアンモニアは、ＭＥＡ１，２のアノード１ａ，２ａにおいて、２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−の反応（アノード反応）をする。酸素イオンＯ２−は、ＭＥＡ１，２のカソード１ｃ，２ｃを経由して空気中の酸素から供給される。反応後の流体であるＮ２＋３Ｈ２Ｏはアノードから、処理済み排気流路２１を経て放出される。
また、空気室５ａ，５ｂに導入された空気の中の酸素は、ＭＥＡ１，２のカソード１ｃ，２ｃにおいて、Ｏ２＋２ｅ−→２Ｏ２−の反応（カソード反応）をする。酸素イオンは、カソード１ｃ，２ｃから電解質１ｂ，２ｂを通って、アノード１ａ，２ａに到達する。アノード１ａ，２ａに到達した酸素イオンは、アンモニアと上記反応をして、アンモニアは分解される。分解されたアンモニアは、窒素ガスおよび水蒸気（Ｈ２Ｏ）となって、放出される。アノード１ａ，２ａで生成した電子ｅ−は、アノード集電体１３を通り、外部負荷Ｌを経て、カソード集電体１５ａ，１５ｂからカソード１ｃ，２ｃへと流れる。上記の反応の結果、アノード１ａ，２ａとカソード１ｃ，２ｃとの間に電位差が生じ、カソード１ｃ，２ｃは、アノード１ａ，２ａよりも電位が高くなる。
【００１８】
次に、図１に示した両側電極構造の特徴について説明する。図１のように、分解室３が１つで、両側にＭＥＡ１，２がある場合（本実施の形態）と、比較例とを比較する。比較例は、分解室が２つで、その分解室は、ともに片側にのみＭＥＡがあり、対面側には絶縁仕切りシートがある、仮の構造を有するものとする。
（１）仮にアンモニアが多量にこれら流路に導入される場合、分解箇所（アノード２）の全面積は、両者、同じであり、分解されるアンモニアの総量は大差がない。このため、たとえば燃料電池の発電効率などを問題にする場合、本実施の形態例と比較例とは、大差ない結果をもたらす。
（２）しかし、極低濃度、たとえばｐｐｍオーダーまでアンモニアを除害（分解）する場合、比較例では未反応のまま壁（絶縁仕切りシート）に接触して流れるアンモニアの存在によって、ＭＥＡの所要長さは長いものになる。未反応のままの状態を許す壁があるからである。極低濃度まで除害するには、比較例ではその壁から未反応のアンモニアを剥がして反対側の壁（アノード）に接触させる必要がある。未反応のままの状態がある壁はないほうが、アンモニアをその壁の箇所を自由に通り抜けできるので、分解反応を停滞させずに済む。すなわち、本実施の形態例の分解室のように、上壁および下壁ともにアノード１ａ，２ａとされ、ともに分解が進行する場合、未反応のまま壁に接触する箇所はないので、ｐｐｍオーダーまで分解するＭＥＡの所要長さは短くなる。
（３）本実施の形態の分解室３は、比較例の絶縁仕切りシートを伴う２つの分解室と比べて、絶縁仕切りシートを配置する必要がないので、圧力損失が小さくしやすい。このため、圧力損失という面でも有利である。
上記（１）および（２）によって、極低濃度レベルまで有害成分を除害する装置において、両側電極構造は装置の小型化、とくに流路長の短縮に大きな効果を奏する。また、（３）圧力損失を抑制しやすい。
なお、ここでの比較例は、あくまで両側電極構造との比較のための例であって、本発明の最も広い構成要件を備えるかぎり、両側電極構造を満たさなくても本発明のガス分解装置に含まれる。
【００１９】
本発明における圧力調整機構は、上記の両側電極構造に対して、とくに安全性を高める作用を奏する。すなわち、両側電極構造では、分解室２の両側ともに強度的に弱いＭＥＡ１，２が配置されるので、圧力の不均衡を受けて破損しやすい。これに対して、上述のように、上記の圧力調整機構６，７を用いることで、セルＣ内の空気室５ａ，５ｂと、分解室３との間に、実質的に圧力差を生じないようにでき、ＭＥＡ１，２に圧力は加わることが抑制される。この結果、長期間、稼働させても、ＭＥＡ１，２が破損することがなくなる。要は、繰り返し圧力を微小欠陥の成長が生じない、しきい応力値以下にすることができる。
【００２０】
（実施の形態１の変形例）
図４は、図１または図２の両側電極分解室３を、２組、積層した積層構造の一部分を示す図である。図４の積層構造では、２つの分解室３では、共に、アンモニアが上壁および下壁のアノード１ａ，２ａにおいて分解することは、実施の形態１のものと同じであるが、真ん中の５ｂにおいて、酸素が上壁および下壁のカソード１ｃ，２ｃにおいて分解する。すなわち空気室５ｂも両側電極（カソード）構造となり、酸素は、上壁および下壁のＭＥＡ１，２のカソード１ｃ，２ｃで反応して酸素イオンＯ２−になる。しかし、最上段および最下段の空気室５ａ，５ａでは、一方はＭＥＡのカソード１ｃ，２ｃであるが、他方は普通の絶縁壁１９である。
【００２１】
図４に示すように、両側電極の分解室３を積層した構造では、強度が小さい、または比較的脆いＭＥＡ１，２が、４箇所で分解室３と空気室３ａ，３ｂの隔壁を構成する。仮に何も対策をとらない場合、４枚のＭＥＡ１，２は、両側の室の差圧に応じて圧力を受け、ひずむ。この圧力差の発生は、半導体装置の製造時に大きくなり、したがって繰り返し圧力、および繰り返しひずみが発生する。このため、使用当初は小さな欠陥であっても、繰り返しひずみによって成長して、やがて破損にいたる。図４に示す変形例では、ＭＥＡの枚数が多い分、圧力差に起因する破損の発生箇所が多くなる。しかし、図４に示すように、本実施の形態では、分解室３の各々と、隣の空気室５ａ，５ｂとの差圧を検知して、差圧を小さくするように、流量調整部７ａ，７ｂ，７ｃが空気の流量を調整し、排気ガス流路１１の圧力に合うようにすることができる。この結果、セルＣの長さを短くし、多量の排気ガスを極低濃度まで下げながら、安全性を確保することができる。
【００２２】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるガス分解装置１０を示す図である。分解装置１０は、ＭＥＡ１をはさみ空気室５と分解室または燃料室３が配置されている。分解室または燃料室３は、片側のみＭＥＡ１の電極（カソードまたはアノード）に接している。この分解装置１０は、燃料電池として作動してもよいし、ガス除害装置として作動してもよい。すなわち、表１に示す電気化学反応以外のものであってもよい。本実施の形態では、空気室５と分解室３との差圧を検知する差圧計６を配置して、空気流路１２に設けられた吸入ブロア２７の吸入量を調整する。このような構成により、実施の形態１と同様に、ＭＥＡ１の両側の圧力差を抑制して、差圧に起因するＭＥＡの破損を抑止することができる。
【００２３】
（実施の形態２の変形例）
図６は、図５に示すガス分解装置１０を、複数、積層して燃料電池として用いる場合を示す図である。燃料電池として用いる場合、単位燃料電池３０は、電気的に直列に接続され、単位燃料電池の間に絶縁壁１９が配置される。電気的接続は、所定の単位燃料電池のアノード集電体１３と、隣の単位電池のカソード集電体１５とを導電接続することで行われる。このような場合、ＭＥＡ１は空気室５と、燃料室または分解室３との差圧によって破損しやすい。図６に示すように、単位燃料電池３０ごとにＭＥＡ１の両側に導入される流路の差圧を検知して、空気流路１２の流量を調整することで、ＭＥＡ１の破損を抑止することができる。
【００２４】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、小型で、効率よく、電気化学反応を用いてガスを分解しながら、破損要因を除去した安全性の高いガス分解装置を得ることができる。とくに両側電極構造の分解室をもつ除害装置では、ＭＥＡが隔壁を構成しながら両側に位置するため破損リスクが高いが、その破損リスクを抑止しながら、分解室の長さを短くすることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１，２  ＭＥＡ、１ａ，２ａ  アノード、１ｂ，２ｂ  電解質、１ｃ，２ｃ  カソード、３  分解室（燃料室）、５，５ａ，５ｂ  空気室、６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ  
差圧計、７，７ａ，７ｂ，７ｃ  流量制御器、１０  アンモニア分解装置、１１  排気ガス流路、１２，１２ａ，１２ｂ  空気流路、１３  アノード集電体、１５，１５ａ，１５ｂ  カソード集電体、１９  絶縁壁、２１  処理済みガス流路、２２，２２ａ，２２ｂ  反応後の空気流路、２７  吸入ブロア、３０  単位燃料電池、Ｃ  反応セル部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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