专利名称：包含用于可燃气体残余物后处理的氧离子泵的电化学反应器的制作方法
包含用于可燃气体残余物后处理的氧离子泵的电化学反应器本发明涉及一种方法及设备，用于对包含可燃气体比如氢气或,友 氪化合物的气体流进行抽吸。许多工艺使用或产生包含燃料比如氢气与碳氢化合物且潜在地 可燃的混合物。比如，外延积淀工艺广泛地用于高速半导体装置，高 速半导体装置同时用于硅与复合半导体应用。外延积淀在高温典型地大约在800-1 IO(TC的高温氢气环境中并在真空状态下，利用硅源气体， 典型地为硅烷或氯硅烷复合物如三氯硅烷或二氯硅烷中的一种。在这 种积淀工艺中，积淀气体在处理腔室中的停留时间相对短暂，并且在 积淀工艺中，仅仅消耗了供应给腔室的气体的很小一部分比例。结果， 供应给腔室的积淀气体中的大多数连同来自积淀工艺中的副产品从 腔室中排出去。虽然废气自身并不可燃，对这种混合物的抽吸要求对来自泵的前 级管路及废气管路的泄露完整性特别地注意，以确保没有空气进入管 路中。 一旦气体混合物高于其下爆炸极限(LEL)的话，泵内的任何点 燃源可能导致危险火焰的产生，危险火焰经由泵而行进到废气管路 中。用于避免点燃可燃气体流的常用技术是将过量的惰性清除气体， 典型地为氮气引入到气体流中，用于促使气体流低于其LEL，然后用 于将气体流紧跟着传送到消除装置典型地为燃烧器中，用于在气体流 排放到大气中之前而可控制地将可燃气体转化为其它种类。然而，将 清除气体供应到气体流中可减小消除装置的效率，并且既浪费又成本 高。此外，使用燃烧器来破坏可燃气体可导致其它不需要的化学物质 作为将可燃气体破坏的副产品而排放到大气中。在第一方面中，本发明提供一种用于对包含可燃气体的气体流进行抽吸的方法，包括以下步骤在低于大气压的压力将气体流传送到 离子传导膜片一侧；将膜片的另一侧暴露在氧化气体中；跨越膜片施 力口电势差，使得各种反应性氧化物(reactive oxidising species)透过膜片 而与可燃气体反应，从而至少产生水蒸汽；及随后在真空泵处接收气 体，其中，水蒸汽从真空泵上游的气体流中冷凝，或者在真空泵内的 气体流中冷凝。因为潜在可爆性气体混合物的总压力得以减小，涉及可燃气体与 氧化剂的气相化学反应的灾难特性也得以减小。通过在低于大气压的 压力下，优选地在小于50mbar,更优选地在小于10mbar的低于大气 压的压力下，将各种反应性氧化物比如氧阴离子或氧基传送到可燃气 体中，需要加入气体流中以便将气体流减小到低于其下爆炸极限的惰 性清除气体的量得以减小，优选地减小到零，从而可避免复杂的清除 气体系统及与其相关的成本。与离子传导膜片比如钇稳定化的锆或掺有钆的二氧化铈氧阴离 子导体相关的优点是需要跨越膜片施加电势差，以便促使各种氧化 物透过膜片，否则膜片无法供各种氧化物透过。因此，在动力失效的 情况下，氧阴离子向气体流的移动得以抑制，进而避免了在膜片内产 生潜在可爆性大气。通过控制施加于膜片的电势差的幅度，各种氧化 物的透过率可得到控制，从而使各种氧化物进入气体流的速率充足， 从而与气体流内的大致全部可燃气体反应。用于驱动氧阴离子穿过膜 片的电流的绝对幅度将大体上依赖于位于膜片侧边的电极的表面区 域、氧化气体的局部压力及气体流内可燃气体的数量。根据用于测量 膜片下游的气体流内的氧气存在量的传感器的输出值，施加于膜片上 的电势差可得以调整。比如，如果传感器没有检测到氧气的话，这可 提供一种迹象氧气向膜片的渗透不足以使氧气与所有可燃气体反 应，并且电势差或电流强度可因此而逐渐增加，直到传感器检测到气 体流中存在氧气为止。此外，由于可燃气体与各种氧化物之间的反应产品中的至少一种或在氢气的情况下为全部反应产品可冷凝，需要对气体流进行抽吸的 真空泵的尺寸可得以减小，比如当可冷凝核素例如水蒸汽从气体流中冷凝的时候，包含于气体流中的氢气的每个slm(标准升/分钟)产生了 抽吸速度的额外slm。水蒸汽可在位于膜片与真空泵之间的冷凝器内从气体流中冷凝。 备选地，真空泵可具有抽吸机构，其将气体流暴露在水中，并且水蒸 汽从气体流中冷凝。具有这种抽吸机构的真空泵的例子包括液体环泵 与液体喷射泵。如上文所提到的那样，可使用位于膜片 一侧上的笫一电极及位于 膜片另一侧上的第二电极而将电势差施加到膜片上，其中电极中的至 少 一个包括催化材料比如铂，用于改善反应动力性。可提供用于控制膜片温度的装置。根据膜片的特性，膜片可能需 要加热到高温，以便具有所要求的各种氧化物传导程度。在低于临界 温度(Tc)的温度中，电解材料可以为非传导性，但在高于Tc的温度中， 电解质可以逐渐变得更具传导性。可方便地提供围绕膜片的加热器， 用于将膜片加热到所要求的温度。在优选实施例中，膜片为具有开孔的圆柱形，气体流经由开孔而 被真空泵抽吸。为了增加破坏效率，可以平行地提供多个圆柱形膜片。 备选地，膜片可具有板状结构。氧化气体可来源于气态氧化源。虽然可使用其它气体组分，典型 地将大气空气用作气态氧化源。在第二方面中，本发明提供一种用于抽吸包含可燃气体的气体流 的系统。系统包括离子传导膜片；用于在低于大气压的压力下将气体 流抽吸到膜片一侧的真空泵，膜片的另一侧暴露在氧化气体中；用于 跨越所述膜片施加电势差的装置，用于使各种反应性氧化物穿过膜 片，以便与可燃气体反应，进而至少产生水蒸汽，真空泵设置成接收 来自膜片的气体流，并设置成具有抽吸机构，抽吸机构将气体暴露在 水中，并且水蒸汽从气体流中冷凝。在第三方面中，本发明提供一种用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统。系统包括离子传导膜片；用于在低于大气压的压力下将气体 流抽吸到膜片一侧的真空泵，膜片的另一侧暴露在氧化气体中；用于 跨越所述膜片施加电势差的装置，用于使各种反应性氧化物穿过膜 片，以便与可燃气体反应，进而至少产生水蒸汽，真空泵设置成接收 来自膜片的气体流，并设置成具有抽吸机构，抽吸机构将气体暴露在 水中，并且水蒸汽从气体流中冷凝。面，反之亦然。现在将结合附图描述本发明的优选特征，其中
图1展示了用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统的第 一个实施例；图2更详细地展示了图1所示系统的电化学电池与冷凝器的配置；图3展示了用于控制施加于图2所示电池的电化学膜片上的电势 差的系统；图4展示了穿过具有管状电化学膜片阵列的电化学电池的截面图；图5展示了用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统的笫二个实施 例；及图6展示了适于用于图5所示系统的泵的抽吸机构。参考图1,用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统的第一个实施 例包括用于在低于大气压的压力下经由电化学电池12对气体流进行 抽吸的真空泵IO及位于电池12下游的冷凝器14。真空泵IO可具有 任何抽吸机构，该抽吸机构适于在适当的低于大气压的压力下，优选 地在小于50mbar,更优选地在小于lOmbar的低于大气压的压力下， 经由电池12而对气体流进行抽吸。真空泵IO可在大气压力下或在大气压力左右或在另一个低于大气压的压力下将气体流排出，在这种情 况下，额外的真空泵可位于真空泵10的下游，用于接收从真空泵中去。、 " ' , 、 、电化学电池12及冷凝器14的例子更详细地展示于图2中。电池 12包括用于接收气体流的法兰状入口 16及法兰状出口 18，气体流经 由该法兰状出口 18而从电池12 ^皮排到冷凝器14。电化学膜片20位 于法兰状入口 16与法兰状出口 18之间。膜片20具有圆柱形膜片的 形式，圓柱形膜片具有开孔22,气体流经由该开孔22而被真空泵所 抽吸。在此例子中，膜片20由氧阴离子导体，比如钇稳定化的锆或 掺有钆的二氧化铈所形成。第一电极24形成于膜片20的内表面上，用于暴露在气体流中， 而第二电极26则形成于膜片20的外表面上，用于暴露在氧化气体比 如空气中。电极24、 26可借助技术比如真空溅镀或将任何适当商业 上可获得的"油墨，，施加于表面而积淀上去。在电极中的一个借助油 墨而形成于膜片20的表面上的情况中，整个组件必须在油墨特性所 确定的适当气氛中进行烧制。第一电极24优选地由能够将碳氢化合 物催化氧化成二氧化碳与水的材料及/或能够将氢气催化氧化成水的 材料所形成。 一个适当的例子是柏。第二电极优选地由能够催化氧或 其它各种反应性氧化物的解离吸附的材料所形成。再次， 一个适当的 例子是铂。在将气体而不是空气用作氧化气体源的场合中，电池12 可以被壳体所环绕，该壳体具有用于接收氧化气体流的入口及用于将 这种气流从壳体中驱出的出口 。根据用于形成膜片20的材料特性，膜片可能需要加热，以便将 其温度升到高于临界温度Tc,膜片20能够在临界温度Tc时传导各种 反应性氧化物，比如氧阴离子。考虑到这一点，电池12可以包括围 绕膜片20延伸的加热器，用于将膜片20加热到所要求的温度，再次 根据用于形成膜片26的材料，该温度可以为至少30(TC。可以提供加热器控制器30，用于控制加热器28,比如作为对接收自靠近膜片20而定位的热电偶的温度信号的响应。提供低压电源32，以便将电势差施加于第一与第二电极24、 26 之间，并且因此而穿过膜片20。同时提供伏安计34,用于测量电极 24、 26之间的电势差。在壳体环绕膜片20的地方，气密性引电器可 以允许对恒定电源32及伏安计34的电连接，以便传递到电极24、 26。在使用的过程中，膜片20的外表面暴露在氧化气体，方便地为 空气中，并且借助电源32而将电势差跨越膜片20施加。在第二电极 26处，将空气中的氧气减小，以便形成氧阴离子O2+2V0+4e- : 2Oo其中，Vo为双电荷氧阴离子空位，而Oo则为膜片20内的填充氧 阴离子点位。当膜片20的温度高于Tc时，氧阴离子将以一定速率透 过膜片20，该速率依赖于电极24、 26的表面区域、氧气在膜片20外 表面上的局部压力及跨越膜片20施加的电势差。在第 一 电极24处，氧阴离子与包含于气体流中的可燃气体反应， 可燃气体经由膜片的开孔22而传送，并且因此而传送到膜片的内表 面上。比如，对于具有通式CxHy且x》0、 y》2的可燃气体而言，反 应是根据通用方程进行的C為 + (2x+y/2)02 = xC02 + y/2H20 + (4x+y)e'从而产生水蒸汽，并且当x>l时产生二氧化碳。如图3所示，气体传感器50可以位于电池12的下游，用于^r测 存在于电池12下游的气体流内的氧气量。根据比如包含于气体流内 的氧气量，传感器50可以将信号输出到控制器52。当此气体流中未 包含氧气时，这可显示为电池12内的可燃气体不完全减少的迹象， 因此作为对从传感器50输出的信号的响应，控制器52可以将信号输 出到电池12，从而增加了跨^M片20施加的电势差，进而增加了氧 阴离子穿透膜片20的速率，直到在气体流中检测到氧气。对于气体流中流速相对较高的氢气(几个slm)或碳氢化合物(高于100个slm)而言，可以增加膜片20的数量，以便增加同时暴露在可燃 气体与氧化气体的膜片表面区域。比如，如图4所示， 一列圆柱形膜 片20可以平行地设置，以便接收气体流，每个圓柱形膜片20具有形 成于其相应内表面与外表面上的电极。每个膜片20可以在其一端连 接到入口岐管(图未示)的相应出口 ，该入口岐管具有连接到法兰状入 口 16的入口，并且每个膜片20可以在其另一端连接到出口岐管(图未 示)的相应入口，该出口岐管具有连接到法兰状出口 18的出口，从而 使气体流经由其开孔22而^皮传递。比如，5x5列的膜片20可以提供 大约为1600cn^的表面区域，每个膜片20的直径为lcm,而有效长度 为20cm 。由于100mA/cm2的电流强度跨过每个膜片而建立，可以获 得大约5.6 slm的氧气流入气体流的流量。参考图2，穿过法兰状出口 18的气体流将包含/人电池12内的可 燃气体的氧化而来的水蒸汽。在此例子中，气体流随后由真空泵10 抽吸经过冷凝器14,以便将水蒸汽从气体流中冷凝出来。冷凝器的构 造及运行是众所周知的，因此这里不再对其详述。由冷凝器14从气 体流中冷凝出来的水收集在冷凝器14的集水容器38内，并且借助排 水阀40而周期性地或连续地将其从冷凝器14中排出。通过将水蒸汽 从位于真空泵10上游的气体流中冷凝出来，真空泵的尺寸可以减小 及/或通过系统的气体流抽吸速度可得到增强。图5展示了用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统的笫二个实施 例。该第二个实施例目前不同于第一个实施例，因为第一个实施例的 真空泵10及冷凝器14由真空泵60所替换，该真空泵60具有抽吸机 构，其将气体流暴露在水中，并且水蒸汽从气体流中冷凝出来。适当 真空泵的例子包括水喷射泵及如图6所示的水环泵。参考图6，水环 泵60大体上具有抽吸机构，该抽吸机构包括转动地安装在环形壳体 92内转子90,从而使转子轴线94偏心于壳体92的中心轴线96。转 子90具有叶片98,叶片98>^人转子90径向向外地延伸，并且叶片98 均匀地分布在转子90周围。随着转子90的转动，叶片90与由入口100进入壳体92的水或其它水溶液接合，并且在壳体92内将其形成 环形圈102。水从适当的源泉比如水箱或其它水库而传送到泵60。气体流经由气体入口 104而进入泵60内，并且,皮拖入到相邻叶 片98之间的空间106内。包含于气体流中的水蒸汽在形成于泵60内 的环形圈102内冷凝。泵60上设置有位于其出口侧边的排出口 108， 用于将液体/气体混合物从泵60排出去，液体/气体混合物包括液体溶 液、气体流的任何液体可溶解组分及保留在气体流中的任何气相物 质，液体溶液包含有来自环形圈102的液体。当水从排出口108传送 的时候，通过将新鲜液体经由入口 100供应给壳体92而使环形圈102 得以补充。从泵60排出去的液体/气体混合物流可以随后在位于泵60 的排出口 108下游的排出分离器(图未示)内分离。气体可以排放到大 气中，而液体则^皮收集起来，以便安全地处理。备选地，可以处理液 体，以便返回再用源中。因此，抽吸系统的第二个实施例不要求分离的冷凝器来将水蒸汽 从真空泵上游的气体流中冷凝出来，其能够减d、系统成本。
权利要求
1.一种用于对包含可燃气体的气体流进行抽吸的方法，包括以下步骤在低于大气压的压力下将所述气体流传送到离子传导膜片一侧；将所述膜片的另一侧暴露在氧化气体中；跨越所述膜片施加电势差，使得各种反应性氧化物透过所述膜片而与所述可燃气体反应，从而至少产生水蒸汽；及随后在真空泵处接收所述气体，其中，所述水蒸汽从所述真空泵上游的所述气体流中冷凝，或者在所述真空泵内的所述气体流中冷凝。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述水蒸汽从位于所 述膜片与所述真空泵之间的冷凝器内的所述气体流中冷凝。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述真空泵具有抽吸 机构，其将所述气体流暴露在水中，并且所述水蒸汽从所述气体流中 冷凝。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述真空泵包括液体 环泵与液体喷射泵中的其中之一。
5. 如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，使用位 于所述膜片的所述一侧上的第一电极及位于所述膜片的所述另 一侧 上的第二电极而跨越所述膜片施加电势差。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电极中的至少一 个包括催化材料。
7. 如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述膜 片寻皮加热到至少为30(TC的温度。
8. 如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述膜 片为具有开孔的圓柱形，所述气体流经由所述开孔而一皮所述真空泵抽 吸。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括多个互相平行地 连接的所述圆柱形膜片。
10. 如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，存在 于所述膜片下游的所述气体流内的氧气含量被检测，并且作为对所检 测到的氧气含量的响应，跨越所述膜片施加的电势差得以控制。
11. 如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述气体流在小于50mbar的压力下传送到所述膜片的所述一侧。
12. 如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，所述 气体流在小于10mbar的压力下传送到所述膜片的所述一侧。
13. —种用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统，所述系统包括 离子传导膜片；用于将所述气体流传送到所述膜片一侧的装置，所述 膜片的另 一侧暴露在氧化气体中；用于跨越所述膜片施加电势差的装 置，使得各种反应性氧化物穿过所述膜片，以便与所述可燃气体反应， 进而至少产生水蒸汽；用于接收来自所述膜片的气体流并将所述水蒸 汽从所述气体流中冷凝出来的装置。
14. 如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述冷凝装置包括 冷凝器。
15. 如权利要求14所述的系统，其特征在于，包括位于所述冷凝 器下游的真空泵，用于在低于大气压的压力下将所述气体流抽吸到所 述膜片的一侧并穿过所述冷凝器。
16. 如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述冷凝装置包括 真空泵，用于在低于大气压的压力下将所述气体流抽吸到所述膜片的 一侧，所述真空泵具有抽吸机构，其将所述气体流暴露在水中，并且 其中所述水蒸汽从所述气体流中冷凝。
17. —种用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统，所述系统包括 离子传导膜片；用于在低于大气压的压力下将所述气体流抽吸到所述 膜片一侧的真空泵，所述膜片的另一侧暴露在氧化气体中；用于跨越 所述膜片施加电势差的装置，使得各种反应性氧化物穿过所述膜片， 以便与所述可燃气体反应，进而至少产生水蒸汽，所述真空泵设置成 接收来自所述膜片的气体流，并且所述真空泵具有抽吸机构，其将所述气体流暴露在水中，并且其中所述水蒸汽从所述气体流中冷凝。
18. 如权利要求15-17中任何一项所述的系统，其特征在于，所述泵包括液体环泵与喷射泵中的其中之一。
19. 如权利要求15-18中任何一项所述的系统，其特征在于，所 述泵配置成在小于50mbar的压力下将所述气体流抽吸到所述膜片的 所述一侧。
20. 如权利要求15-19中任何一项所述的系统，其特征在于，所 述泵配置成在小于10mbar的压力下将所述气体流抽吸到所述膜片的 所述一侧。
21. 如权利要求13-20中任何一项所述的系统，其特征在于，所 述跨越所述膜片施加电势差的装置包括位于所述膜片的 一 侧上的第 一电极及位于所述膜片的另一侧上的第二电极。
22. 如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述电极中的至少 一个包括催化材料。
23. 如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述催化材料包括铂。
24. 如权利要求13-23中任何一项所述的系统，其特征在于，包 括用于将所述膜片加热到至少为300°C的温度的装置。
25. 如权利要求13-24中任何一项所述的系统，其特征在于，所 述膜片为具有开孔的圓柱形，所述气体流经由所述开孔而被所述真空 泵抽吸。
26. 如权利要求25所述的系统，其特征在于，包括多个互相平行 地连接的所述圆柱形膜片。
27. 如权利要求13-26中任何一项所述的系统，其特征在于，包 括传感器，用于检测存在于所述膜片下游的所述气体流内的所述氧气 含量；及控制器，用于作为对传感器输出的响应，而控制跨越所述膜 片施加的电势差。
全文摘要
一种用于抽吸包含可燃气体的气体流的系统包括固态氧化物离子传导膜片(20)；及用于在低于大气压的压力下将气体流抽吸到膜片一侧的真空泵(36)。膜片的另一侧暴露在氧化气体中，并且电势差跨越膜片而施加，使得各种反应性氧化物穿过膜片，以便与可燃气体反应，进而至少产生水蒸汽。气体流随后由真空泵(36)所接收。真空泵可以具有抽吸机构，抽吸机构将气体暴露在水中，并且其中水蒸汽从气体流中冷凝。或者，冷凝器(14)提供于泵和膜片之间，用于从气体流中冷凝水蒸汽。
文档编号B01D53/26GK101287535SQ200680037221
公开日2008年10月15日 申请日期2006年8月17日 优先权日2005年10月7日
发明者R·B·格兰特 申请人:爱德华兹有限公司