(57)【要約】フッ素を生成する電解セル内に陽極を設置かつシールするための装置が記載されている。この装置は陽極接続部材（３２）を含んでなる。この陽極接続部材は、フッ素セルのスカート壁（２０）の開口（７０）を通過するとともに、スカート壁蓋部材（７２）に電気的に接続されている。このスカート壁蓋部材は、前記スカート壁とシール可能に係合されているとともに、そこから電気的に絶縁されている。
2005532475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素を生成する電解セル内に陽極を設置かつシールするための装置であって、この装置は陽極接続部材を含んでなり、この陽極接続部材は、前記フッ素セルのスカート壁の開口内を通過するとともに、スカート壁蓋部材に電気的に接続されており、このスカート壁蓋部材は、前記開口をシールするように前記スカート壁とシール可能に係合されているとともに、前記スカート壁から電気的に絶縁されている装置において、不導体のスペーサ部材が前記蓋部材と前記スカート壁との間に置かれていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記スペーサ部材がセラミックからなる請求項１に記載の陽極シール装置。
【請求項３】
前記セラミックは、アルミナ、フッ化カルシウム、およびフッ化マグネシウムからなる群から選択される請求項２に記載の陽極シール装置。
【請求項４】
前記スペーサは、環状の形状を有するとともに、前記陽極接続部材が通過する前記開口と前記陽極接続部材自身との両方の周り囲んでいる先行する請求項のいずれか一項に記載の陽極シール装置。
【請求項５】
前記スペーサ部材が２つのガスケットの間に挟まれている先行する請求項のいずれか一項に記載の陽極シール装置。
【請求項６】
前記ガスケットが渦巻ガスケットである請求項５に記載の陽極シール装置。
【請求項７】
前記ガスケットが金属ビードガスケットである請求項５に記載の陽極シール装置。
【請求項８】
前記ガスケットが、エンボス加工によって形成されたビードを有する金属板を含んでなる請求項７に記載の陽極接続装置。
【請求項９】
前記渦巻ガスケットが、内側および／または外側保持リングを備えている請求項６に記載の陽極シール装置。
【請求項１０】
前記陽極接続部材が前記蓋部材に溶接されている先行する請求項のいずれか一項に記載の陽極シール装置。
【請求項１１】
前記陽極接続部材は、機械的固定手段によって前記スカート壁蓋部材に取り付けられており、前記装置はさらに補助的な蓋部材を含み、この補助的な蓋部材と前記スカート壁蓋部材とは別のガスケットによってシールされ、この別のガスケットは前記陽極接続部材を固定する手段の周りを囲んでいる請求項１〜９のいずれか一項に記載の陽極シール装置。
【請求項１２】
前記ガスケットが渦巻ガスケットである請求項１１に記載の陽極シール装置。
【請求項１３】
フッ素を生成する電解セル内に陽極をシール可能に設置する方法であって、フッ素を生成する電解セルにスカート部材を設けるステップであり、前記スカート部材は一端が開放した構造を有し、使用時において、この開放端の下側先端は電解質内に浸漬して、閉じられた容積を形成するステップと、陽極接続部材を貫通させるための開口を前記スカート部材に形成するステップと、前記陽極接続部材をスカート壁蓋部材から懸垂させ、少なくとも１つの不導体のスペーサ部材を前記開口と前記スカート壁蓋部材との間に設けることによって、前記開口を前記スカート壁蓋部材によってシールするステップとを含んでなる方法。
【請求項１４】
先行する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の陽極シール装置を有するフッ素生成セル。
【請求項１５】
請求項１３の方法によって作製される陽極シール装置を有するフッ素生成セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フッ素セルの構造、特にこのようなセルにおけるフッ素生成区画への陽極接続部の閉鎖に関する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
フッ素生成セルは、フッ化水素の電解によって、ガス状のフッ素と水素を生成する。フッ素および水素は、互いに接触した時に爆発的に再結合するので、電解中に生成されるとき、それらを完全に分離する必要がある。フッ素セルは、一般的に、上記の２つのガスが電解質の表面水準の上方の２つの区画内に収集されるように構成されている。多くの場合、これらの区画は、いわゆるスカートによって分離されている。スカートは、セルの上側の略水平壁の一部であって、そこから懸垂され、電解質内に延在し、陽極を包囲するように構成されることが多い。しかし、スカートは、それが包囲する陽極と、セル容器の内壁によって形成されることが多い陰極に関して、電気的に中性に維持されなければならない。従って、スカートは、陽極（および陰極）から電気的に絶縁され、フッ素の漏れに対してフッ素区画を完全にシールしながら、（「スタッド」とも呼ばれる）陽極接続部がスカート内を通過するかまたはそこに接続される必要がある。
【０００３】
陽極に接続するためのスタッドを設け、このスタッドを上側水平スカート壁部内の絶縁部材内とフッ素系エラストマーラバーのようなプラスチック材料からなるシール内を通過させる方法が行なわれている。しかし、電解によるフッ素の生成に固有の高い電流によって、大量の熱が抵抗加熱によって生成される。この状況は、多くの場合、スタッドと一般的に使用される炭素陽極との間の弱い電気的接続によって、深刻になる。この加熱の影響によって、プラスチックシール材料とその材料と直接的に接触するフッ素との間に制御の及ばない化学反応が生じ、その結果、フッ素漏れを引き起こすことがある。極端な場合、スタッド金属自身までが上記の漏れによるフッ素ガス流において焼付き、いわゆる「スタッドファイア」を生じる。これは、国際公開第９６／０８５８９号パンフレットに示される構成によって、いくらかは緩和されている。ここでは、スカート壁内の絶縁シールを通過する陽極接続スタッドに代わって、スタッドはスタッド部材をスカート壁の片側に溶接することによって形成されるので、貫通穴がなく、フッ素区画は陽極スタッドから離れた絶縁ガスケットによって閉鎖される。しかし、以前の構成に対する改良策であるこの実施形態においてさえ、シールガスケットは、依然としてフッ素ガスと直接的に接触し、特になんらかの理由によって予期しない温度上昇が生じたとき、侵食の影響を受けやすい。
【０００４】
例えば、半導体産業の場合、フッ素のような毒性または有害なガスを利用するどのような処理プラントであっても、最も厳しいレベルの耐漏れ性を維持することが不可欠とされている。何故なら、このようなプラント内で作業する人々の大半は、一般的に、通常の非保護性衣服のみを着用しているからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、フッ素と直接的に接触するように露出されるポリマーシール部材の大きな面積の部分をなくすかまたはできるだけ少なくするフッ素セル構造を提供することにある。
【０００６】
本発明のさらに他の目的は、フッ素漏れに対して極めて高い完全性を有するフッ素セル構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１態様によれば、フッ素生成電解セル内において陽極をシールするための装置であって、フッ素セルのスカート壁の開口を通過し、スカート壁蓋部材に電気的に接続される陽極接続部材を備え、スカート壁蓋部材は開口をシールするようにスカート壁とシール可能に係合され、かつスカート壁から電気的に絶縁されている装置において、不導体のスペーサ部材が蓋部材とスカート壁との間に介在することを特徴とする装置が提供される。
【０００８】
本発明において、スカート壁蓋部材は、例えば、セラミックスペーサ部材のような非電導性のスペーサ部材によって、開口の周囲に沿ってスカート壁とシール可能に係合され、かつそのスカート壁から電気的に絶縁される。スペーサ部材は、陽極接続部材を包囲してもよい。スペーサ部材は、容認できない量のフッ素ガスが拡散する通路をなす大きい連通穴が存在しないという意味において、本質的に非多孔性である。
【０００９】
利用され得るセラミック材料の例として、アルミナ、フッ化カルシウム、およびフッ化マグネシウムが挙げられる。スペーサ部材の材料は、最大で１０容積％の濃度のフッ化水素を含むフッ素ガスの影響に対する耐性を有していなければならない。
【００１０】
本発明の装置の好ましい一実施形態において、セラミックスペーサは、平坦なシール面を有する環状の形状を有し、陽極接続部材が延在する開口と陽極接続部材自身の両方を包囲する。
【００１１】
セラミック部材が、各径方向面に１つのガスケットが位置するようにして、２つのガスケット間に挟まれると、さらに好ましい。本発明の装置のさらに好ましい実施形態において、ガスケットは、多くの異なる製造業者によって提供される、いわゆる渦巻ガスケットである。渦巻ガスケットは、Ｖ型断面を有する巻線要素として知られる、少なくとも一種の材料の帯片からなる螺旋状の巻線を備えている。多くの場合、渦巻ガスケットはシール要素として知られている同様の断面を有する第２要素も含んでいる。これらの２つの帯片は一緒に配置され、断面から見て、交互に配置される要素が形成されるように、一緒に巻かれる。巻線要素は、一般的に、十分な柔軟性を有し、適切な冶金条件、例えば、焼鈍または冷間加工が施され、並びにフッ素に対する相性のよい、任意の金属、例えば、ステンレス鋼またはニッケルであってよい。シール要素の帯片は、ＰＴＥＦ、膨張黒鉛、またはアスベストのような非金属性材料であってもよく、あるいは、銅のような他の軟質金属であってもよい。ガスケットの渦巻部は、その渦巻部の巻戻しまたは変形を防ぐために、内側および／または外側保持リングを有していてもよい。
【００１２】
金属要素をその構造内に有する渦巻ガスケットを用いる場合、陽極をスカート壁から電気絶縁し、スカート壁を電気的に中性にするために、セラミックスペーサ部材のような不導体スペーサ部材が必要である。
【００１３】
本発明において、例えば、シール要素の帯片がＰＴＥＦである場合、ガスケットの幾何学的な形状によって、ＰＴＥＦの極めて小さい面積しかフッ素ガスに露出されない。しかし、フッ素に対する耐性を有するあらゆる金属構造を有する渦巻ガスケットが用いられてもよい。
【００１４】
本発明において意図されるこのような渦巻ガスケットは、その特性から、一般的に環状の形状を有し、その構造および寸法は、絶縁スペーサ部材の径方向面の寸法に適合するように選択されるとよい。
【００１５】
陽極接続部材はスカート壁蓋部材の内面に溶接されてもよい。しかし、寸法精度の理由から、陽極接続部材は、機械加工によって形成され、機械的な固定具によってスカート壁蓋部材に取り付けられるのが好ましい。この場合、陽極接続部材および陽極は、補修または保守のために容易に除去されるとよい。このような構造の場合、一般的に、貫通穴をスカート壁蓋部材に形成し、例えば、ネジのような固定具をその貫通穴に通し、陽極接続部材内の適切な嵌入穴に配置することが必要である。例えば、共同作用するねじ山を介して固定具が嵌入される穴からのフッ素の放出、すなわち、漏れをシールするワッシャー付きの固定手段を設けることができる。しかし、安全の観点から、陽極固定手段は、それ自身が補助蓋部材によって大気雰囲気からシールされ、補助蓋部材は陽極接続部材を固定する手段を包囲するさらに他のガスケットによってスカート壁蓋部材にシールされるのが好ましい。このような他のガスケットも、有利には、渦巻ガスケットからなるとよい。
【００１６】
渦巻ガスケットが本発明のシール装置において極めて効果的であることはわかっているが、例えば、銅、銅−ニッケル合金、または鋼のようなシート金属からなる他の種類のガスケットがエンボス加工されたビードガスケットの形態で用いられてもよい。エンボス加工されたビードガスケットは、シールされる部分を包囲する細長のビードが金属シートにエンボス加工によって形成され、シールを行なう組立中に、このビードが圧縮される。  
【００１７】
陽極接続部材は、どのような公知の手段によって、炭素陽極のような陽極に接続されてもよいし、または少なくとも部分的にセル内の電解質内に浸漬されるのに適するようにされている陽極部と一体的に形成されてもよい。
【００１８】
本発明の第２態様によれば、フッ素生成電解セルに陽極をシール可能に設置する方法において、フッ素生成電解セル用のスカート部材を設けるステップであって、スカート部材は端部が開いた構造を有し、使用時において、開端部の下側先端が電解質内に浸漬され、閉じられた容積部を形成するステップと、陽極接続部材が貫通する開口を前記スカート部材に形成するステップと、前記陽極接続部材をスカート壁蓋部材から懸垂させ、少なくとも１つのシール用の不導体スペーサ部材を開口とスカート壁蓋部材との間に設けることによって、開口をスカート壁蓋部材によってシールするステップとを備えることを特徴とする方法が設けられる。
【００１９】
前述したように、少なくとも１つのシール用非電導部材は、非電導性のセラミックスペーサ部材であってもよい。安全性の観点から、渦巻ガスケット、好ましくは、前記スペーサ部材の各径方向面に設けられる渦巻ガスケットのような適切なガスケットによって、さらに他のシールがなされてもよい。
【００２０】
スカート壁、スカート壁蓋部材、および補助蓋部材は、取付け時において、ネジ付きスタッド、ナット、ボルトのような従来の機械的な固定手段によって、保持されてもよい。陽極シール装置の構成部分を形成する材料は、フッ素生成技術に用いられる公知の材料であってもよい。
【００２１】
本発明の第３態様によれば、第１態様の陽極シール装置を有するフッ素生成セルが設けられる。
【００２２】
本発明がさらに十分に理解されるように、以下、添付の図面を参照して、例を図示的に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図面について説明するが、これらの図面において、同一の特徴部分は共通の符号によって示される。
【００２４】
図１は、本発明に係る陽極シール装置１２を有する電解フッ素生成セル１０を概略的に示す部分的に断面の正面図である。セルの大半は、従来のものであり、ここに述べる本発明の陽極シール装置を配置するためにのみ、図示され、かつ説明される。
【００２５】
セル１０は、外側セル容器１４と、スカート部材２０と、陽極シール装置１２とを備えている。外側セル容器１４は陰極１６をも構成し、電解質１８を含む。スカート部材２０は、略水平上板２２と、懸垂したガス分離スカート部材２４とを備えている。ガス分離スカート部材２４は電解質１８の表面２６の下方に延在し、陽極３０と陽極接続部材３２とを完全に取り巻いている。陽極シール装置１２は、ここでは、本発明によるものである。セルの構造は２つの分離区画４０および４２を有している。分離区画４０および４２の各々は、その下端が電解質の表面２６によって閉じられている。電解質１８に電流を流すことによって電解質１８が電気分解されると、水素とフッ素が、それぞれ、これらの分離区画に入る。これら２つの分離区画に、ガスの流れを制御する弁手段４８および５０を有する出口導管４４および４６が設けられている。本発明に係る陽極シール装置１２は、陽極接続部５６をも備えている。大気温度では一般的に固体である電解質を溶解するために、通常、加熱ジャケット（図示せず）がセル容器１４の周囲に設けられている。この加熱ジャケットは、例えば、蒸気ジャケットまたは電気的に加熱されるブランケットからなるとよい。陽極区画４２の下方の陰極領域に水素が生成され、その水素がフッ素区画４２内に上昇し、フッ素と爆発的に再結合するのを防ぐために、一般的に非導電性のプラスチックからなる板５８がセル底面に固定されている。スカート２０は、絶縁ガスケット６０によって、陰極容器１４から電気的に中性に絶縁され、また、以下に詳細に説明する手段によって、陽極シール装置１２から電気的に中性に絶縁されている。絶縁ガスケット６０はフッ素とは接触せず、スカート２０は、例えば、機械的な固定手段（図示せず）によって、セル壁の上部に保持されている。
【００２６】
図２および３を参照するに、本発明に係る陽極シール装置が、さらに詳細に示されている。図２のシール装置１２は、図３の線２−２に沿った断面である。陽極接続部材は、最終的に、図１に示されるように、電解質１８内に少なくとも部分的に浸漬される陽極３０に接続されている。しかし、陽極またはその構造自体のいずれも、本発明のいかなる部分をも構成せず、用いられるフッ素セルの形式によるどのような適切な構造または材料であってもよい。（図２では切り取られて図示される）陽極接続部材３２は、スカート部材２０の水平上板２２内の開口７０内を通過する。陽極接続部材３２は、ネジ７４によって、スカート壁蓋部材７２に固定されている。このネジ７４は、穴７６を貫通し、接続部材７２のボス８０内のネジ付き穴７８内に入る。しかし、部材３２を蓋部材７２に接続するいかなる手段が用いられてもよい。ここに記載される装置は、陽極３０を懸垂したスカート壁部材２４と接触しないように維持するような精度で、陽極３０を懸垂しているが、この精度を確実に得るために、例えば、陽極３０を蓋部材７２の下側８２に溶接してもよい。あるいは、接続部材３２の端に、例えば、雄ネジ部を設け、この雄ネジ部を、例えば、蓋部材７２内の共同作用する穴にねじ込んでもよい。蓋部材７２は、２つの環状ガスケット９２の中間に位置する不導体環状スペーサリング９０によって、スカート２０から絶縁されている。この場合、ガスケット９２は、内側保持リング９４および外側保持リング９６を有する渦巻ガスケットである。ガスケット９２は電導体であるが、不導体スペーサリング９０によって分離されている。このスペーサリング９０は、ここでは、非多孔性アルミナセラミックからなる。スペーサリング９０およびガスケット９２によって、フッ素の漏れに対する完全なシールが得られ、スペーサリング９０によって、陽極３０のスカート２０からの電気的な絶縁が得られる。しかし、穴７６が存在するので、フッ素漏れの経路が生じる可能性がある。そのため、完璧な安全を得る観点から、補助蓋部材１００がさらに設けられている。この補助蓋部材１００は、他の渦巻ガスケット１０２によって、蓋部材７２にシールされている。ネジ７４の頭を収容するための凹部１０４が補助蓋部材１００に設けられている。補助蓋部材１００、ふた部材７２、スペーサリング９０、ガスケット９２および１０２は、すべて、ネジ付きスタッド１０８およびナット１１０によって、一緒に保持されている。これらのスタッドは、絶縁スリーブ１１２によって、蓋部材７２および補助蓋部材１００から絶縁されている。絶縁スリーブ１１２は、ここでは、マイラー（Mylar）（登録商標）プラスチック材料からなり、長さ方向に沿って延在している。ナット１１０は、絶縁ワッシャー１１６によって、補助蓋部材の上面１１４から絶縁されている。絶縁ワッシャー１１６は、ここでは、タフノール（Tufnol）（登録商標）のようなフェノール材料からなる。スペーサリング９０とガスケット９２および１０２は、すべて、スタッド１０８の軸を画成するピッチ円１２０内、および、勿論、スタッド１０８の直径の最内限を画成する円１２２内に存在する。従って、絶縁スリーブ１１２およびワッシャー１１６は、フ���素と接触しない。電源および制御装置（両方とも図示せず）と陽極を確実に接続する電気コネクター５６が設けられている。
【００２７】
図示される実施形態において、陽極接続部材３２を蓋部材７２に固定するためのネジ７４が通る貫通穴７６が蓋部材７２に設けられるが、この貫通穴７６はフッ素漏れの源になることがあり得るので、補助蓋部材１００が用いられている。しかし、もし接続部材３２を蓋部材７２に固定するのに貫通穴を蓋部材７２に設けない構造が用いられるなら、補助蓋部材１００は必要ない。図面を参照して示される構造の１つの重要な利点は、スカート壁部分２４内における陽極３０の正確な角度位置が自動的に達成されるという点にある。
【００２８】
前述の実施形態において、スペーサリング９０の面と、対応するスカート上板、蓋部材、および補助部材の面をシールするために、渦巻ガスケットが用いられている。このようなガスケットの構造は先行技術において公知であるが、本発明に用いられると、特に好適である。前述したように、金属要素とポリマー要素を二重に巻くことによって構成される渦巻ガスケットを用いる場合、渦巻ガスケットにおける極めて小さい端面領域のみがフッ素ガスに露出される可能性がある。保持リングを用いる場合、この領域が実質的に排除される。しかし、エンボス加工されたビードガスケットのような他の種類の金属ガスケットが用いられてもよい。ビードガスケットは、ビードを実質的に平坦な金属板内にエンボス加工によって形成し、ビードを締付け負荷によって圧縮することによって、シールを行なう。
【００２９】
本発明によれば、ポリマーガスケットの大面積をフッ素と接触させずに、フッ素セルのフッ素区画が効率的にシールされ、従って、フッ素漏れを生じる劣化のおそれおよびスタッドファイアの可能性が、先行技術のシール方法と比較して、著しく低減される。
【００３０】
図面によって説明した実施形態において、陽極接続部材３２には、さらに保持バー（図示せず）を挿入させる穴１３０が設けられている。この保持バーは、シールなどを点検、保守、および置換するか、またはフッ素セルを補修するときに用いられる。陽極シール装置１２を保守などのために分解するとき、陽極が容器の底に落下するのを防ぐために、蓋部材７２の除去する前に、保持バーを陽極３０に挿入され、スカート上面２２を横切って載置することによって、陽極アセンブリを持ち上げるとよい。
【００３１】
本発明の他の実施形態において、陽極接続部材の少なくとも一部が蓋部材７２の一体部分、例えば、蓋部材７２の内側の中心部分から懸垂される差込部として形成され、その差込部に、陽極が雌ネジ付きのカラーによって接合されてもよい。ここで、雌ネジ付きカラーは、例えば、その上端が陽極接続部のネジ付き端と共同作用し、その下端が陽極ハンガーに接続されるロッドのネジ付き端と共同作用する。従って、この実施形態では、補助蓋部材は必要ではない。さらに、蓋部材および陽極接続部材は一体構造物である。
【００３２】
本発明によって構成されたフッ素セルは、フッ素漏れに対して極めて高い完全性を有し、ヘリウム漏れ試験に合格するのに十分な１０-5ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）よりも良好な耐漏れ性を呈する、ことがわかっている。
【００３３】
本発明において用いることができるシール部材の種類は、制限はされないが、あらゆる金属シール、例えば、鋼、ニッケル、銅、銅−ニッケル合金、およびアルミニウムからなるリングジョイント、あらゆる金属巻線を用いる渦巻ジョイント、前述のビード式ガスケットのようなプロフィルジョイントを含む。あるいは、部分金属シールが用いられてもよい。これらの部分金属シールは、制限はされないが、軟質シール材料が溝または舌部と溝内に封入されている軟質シール材料からなるリングジョイント、軟質シール巻線と金属巻線を組合せて含む渦巻ジョイント、および充填材料が封入されている金属外皮からなる外皮ジョイントを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る陽極を設置する装置を有する電解フッ素生成セルを概略的に示す正面断面図である。
【図２】図１の陽極シール装置を拡大して示す図である。
【図３】図２の矢印３の方向における、図１および２の装置の平面図である。
【図１】
2005532475.tif 000003
【図２】
2005532475.tif 000004
【図３】
2005532475.tif 000005
【国際調査報告】
2005532475.tif 000006
2005532475.tif 000007