(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電極を備える電極モジュールを介して、電解チャンバ内で、溶融塩と接触させて行う電解により、固体供給原料を電解で還元する方法であって、
前記電極モジュールを、前記電解チャンバ内に前記電極モジュールを装填するための装填ステーションの、第１の位置に位置決めするステップと、
前記電極モジュールに対して取り外し可能なトレイ上に固体供給原料を装填するステップと、
前記電極モジュール上に前記トレイを設置するステップと、
前記電解チャンバ内に前記溶融塩を供給するステップと、
前記電極モジュールを前記第１の位置から動かし、供給原料が電解チャンバ内で溶融塩と接触するように前記電極モジュールを電解チャンバと係合させるステップと、
前記固体供給原料が還元されるように前記電極モジュールに電圧を印加するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記電極モジュールが移送モジュール内で前記第１の位置から移送される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電極モジュールが前記電解チャンバと係合する前に所定の温度に加熱される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記電極モジュールが前記移送モジュール内の不活性雰囲気の下で加熱される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電極モジュールが、前記移送モジュールから加熱ステーションに移送されて所定の温度に加熱される、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記電極モジュールが前記移送モジュール内で装填ステーションから移送され、前記加熱ステーションの中に下ろされ、所定の温度に加熱され、前記移送モジュールの中に戻るように上昇させられて前記電解チャンバに移送される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電極モジュールが、閉鎖体を閉じることによって前記移送チャンバ内に封止され、前記閉鎖体がゲート弁である、請求項２から請求項６までのいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記電解チャンバの開口部が開放可能な閉鎖体によって閉じられ、前記開放可能な閉鎖体が、前記電極モジュールが前記電解チャンバに送り込まれることを可能にするために開放可能なゲート弁である、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の方法。
【請求項９】
還元された供給原料を回収するために電解後に前記電解チャンバから前記電極モジュールを取り出すステップをさらに含む、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記電極モジュールが前記電解チャンバから前記移送モジュールの中に吊り上げられる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電極モジュールが、前記電解チャンバから除去された後で前記移送モジュール内の不活性雰囲気の下で冷却される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電極モジュールが冷却ステーションに移送されて所定の温度に冷却される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記電極モジュールが、移送モジュール内で前記冷却ステーションに移送され、前記冷却ステーションの中に下ろされ、所定の温度に冷却され、前記移送モジュールの中に戻るように上昇させられて前記冷却ステーションを離れて移送される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記電極モジュールが、前記還元された供給原料から塩を洗浄するための洗浄ステーションにさらに移送される、請求項９から請求項１３までのいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記電極モジュールが、前記還元された供給原料を取り出すための取り出しステーションにさらに移送される、請求項９から請求項１４までのいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記固体供給原料が前記電極モジュールとは別個の取り外し可能なトレイ上に装填され、前記取り外し可能なトレイが、次いで、前記電極モジュール上に前記供給原料を装填するために前記電極モジュールに結合される、請求項１から請求項１５までのいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記供給原料が、前記電極モジュールのカソード構造体と接触するように装填される、請求項１から請求項１６までのいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記電極モジュールが１つ又は複数のバイポーラ電極を備え、前記供給原料が前記各バイポーラ電極のカソード面と接触する状態で装填される、請求項１から請求項１７までのいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記固体供給原料の電解脱酸によって進む、請求項１から請求項１８までのいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物のような１つ又は複数の金属化合物を含む固体供給原料を還元して、還元された生成物を生成するための方法に関係する。従来技術から公知のように、電解プロセスは、例えば、金属化合物又は半金属化合物を金属、半金属、又は部分的に還元された化合物に還元する、又は金属化合物の混合物を還元して合金を生成するのに用いられる場合がある。繰り返しを避けるために、金属という用語は、この文書では金属、半金属、合金、金属間化合物、及び部分的に還元された生成物のようなすべてのこうした生成物を包含するのに用いられることになる。
【０００２】
本発明は、金属酸化物のような１つ又は複数の金属化合物を含む固体供給原料を還元して、還元された生成物を生成するための方法に関係する。従来技術から公知のように、電解プロセスは、例えば、金属化合物又は半金属化合物を金属、半金属、又は部分的に還元された化合物に還元する、又は金属化合物の混合物を還元して合金を生成するのに用いられる場合がある。繰り返しを避けるために、金属という用語は、この文書では金属、半金属、合金、金属間化合物、及び部分的に還元された生成物のようなすべてのこうした生成物を包含するのに用いられることになる。
【０００３】
近年、固体供給原料、例えば、固体金属酸化物供給原料の還元による金属の直接生産に大きな関心が寄せられている。１つのこうした直接還元プロセスは、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  ＦＦＣ電気分解プロセスである（ＷＯ９９／６４６３８で説明される）。ＦＦＣプロセスでは、固体化合物、例えば、固体金属酸化物は、融解塩を含む電解セルにおけるカソードと接触する状態で配置される。化合物が還元されるようにセルのカソードとアノードとの間に電位が印加される。ＦＦＣプロセスでは、固体化合物をもたらす電位は、融解塩からのカチオンに関する析出電位よりも低い。例えば、融解塩が塩化カルシウムである場合、固体化合物が還元されるカソードの電位は、塩からの金属カルシウムの析出に関する析出電位よりも低い。
【０００４】
カソードに接続される固体金属化合物の形態の供給原料を還元するための、ＷＯ０３／０７６６９０で説明された極プロセス（ｐｏｌａｒ  ｐｒｏｃｅｓｓ）及びＷＯ０３／０４８３９９で説明されたプロセスのような他の還元プロセスが提案されている。
【０００５】
ＦＦＣプロセス及び他の電解還元プロセスの従来の実施は、典型的に、還元されるべき固体化合物の粉末から製作されるプリフォーム又は前駆体の形態の供給原料の生産を含む。このプリフォームは、次いで、還元が起こることを可能にするためにカソードに慎重に結合される。多数のプリフォームがカソードに結合されると、カソードを溶融塩の中に下ろすことができ、プリフォームを還元することができる。プリフォームを生産し、それらをカソードに取り付けるのは非常に労働集約的である可能性がある。この方法体系は、実験室規模で良好に働くが、工業規模での金属の大量生産には向いていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第９９／６４６３８号
【特許文献２】国際公開第０３／０７６６９０号
【特許文献３】国際公開第０３／０４８３９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、工業規模での固体供給原料の還元により適した電解方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ここで参照がなされるべき添付の独立請求項において定義される場合の固体供給原料を電解で還元する方法を提供する。本発明の好ましい又は有利な特徴は、種々の従属する従属請求項に記載される。
【０００９】
したがって、固体供給原料を電解で還元する方法は、少なくとも１つの電極を備える電極モジュールを、供給原料を装填するための第１の位置に位置決めするステップと、固体供給原料を電極モジュール上に装填するステップと、電極モジュールを第１の位置から動かし、供給原料が電解チャンバ内の溶融塩と接触するように電極モジュールを電解チャンバと係合させるステップと、固体供給原料が還元されるように電極モジュールに電圧を印加するステップとを含んでもよい。
【００１０】
好ましくは、電極モジュールは、少なくとも、アノードとカソードとの間に電位を発生させることができるように電源に結合可能なカソード及びアノードを備える。電極モジュールは、１つ又は複数のバイポーラ電極を備えてもよい。
【００１１】
好ましくは、固体供給原料は、カソード又はバイポーラ電極のカソード面と接触するように装填される。
【００１２】
電極モジュールが移送モジュール内で第１の位置から移送されることが有利な場合がある。移送モジュールは、その中に電極モジュールが上昇させられてもよいチャンバを画定するハウジングの形態をとってもよい。好ましくは、移送モジュールは、電極モジュールが制御された状態で、例えば不活性雰囲気の下で移送されてもよいようにシール可能である。
【００１３】
電極モジュールは、電解チャンバと係合する前に所定の温度に加熱されることが特に好ましい場合がある。好ましい実施形態では、電解チャンバは、電極モジュールが係合させられるときに溶融塩を収容する。電極モジュールが適切な温度ではない場合、電極モジュールの構成部品の熱的歪み又は熱衝撃が起こる可能性があり、結果的に電極モジュールの構成部品の故障が起こる可能性がある。したがって、電極モジュールは、溶融塩の温度に近い温度に加熱されることが好ましい。所定の温度は、したがって、溶融塩の温度に応じて約５００℃から１２００℃までの範囲内であってもよい。特に好ましくは、温度は７００℃〜１０００℃の範囲内、例えば約８００℃又は８５０℃である。
【００１４】
有利には、電極モジュールは、移送モジュール内の不活性雰囲気の下で加熱されてもよい。移送モジュールは、電極モジュールを加熱するためにモジュール内の温度を所定の温度に上昇させる加熱要素を備えてもよい。代替的に、移送モジュールは、電極モジュールを加熱するために加熱されたガスが移送モジュールの中に導入されることを可能にするための手段を備えてもよい。
【００１５】
電極モジュールは、所定の温度に加熱するために移送モジュールから加熱ステーションに移送されることが好ましい場合がある。例えば、移送モジュールは、電極モジュールが加熱されることを可能にするために、加熱ステーションと係合し、電極モジュールを別個の加熱ステーションの中に移送してもよい。この実施形態では、移送モジュールは、加熱要素を自身で備える必要はない。
【００１６】
したがって、電極モジュールは、移送モジュール内で装填ステーションから移送され、加熱ステーションの中に下ろされ、所定の温度に加熱され、移送モジュールの中に戻るように上昇させられて電解チャンバに移送されることが好ましい場合がある。
【００１７】
電極モジュールは、好ましくは、閉鎖体の閉鎖によって移送モジュールの移送チャンバ内に封止される。好ましくは、閉鎖体はゲート弁であり、ゲートは、移送チャンバを移送モジュール内に封止するためにスライド可能である。
【００１８】
電解チャンバの開口部、すなわち、それを通して電極モジュールが電解チャンバと係合するために送り出されてもよい開口部は、好ましくは、開放可能な閉鎖体によって閉じられる。特に好ましくは、閉鎖体は、電極モジュールが電解チャンバに送り出されることを可能にするために開放可能なゲート弁である。
【００１９】
還元された供給原料を回収するために電解後に電解チャンバから電極モジュールを取り外すことが望ましい場合がある。好ましくは、電極モジュールの取り外しは、電解チャンバの作動温度で又はこの付近で、且つ電解チャンバ内に収容された溶融塩が依然として溶融状態にある条件の下で行われる。
【００２０】
好ましくは、電極モジュールは、電解チャンバから移送モジュールの中に吊り上げられる。
【００２１】
電極モジュールは、電解チャンバから除去された後で移送モジュール内の不活性雰囲気の下で冷却されることが有利な場合がある。電極モジュールが高温である、例えば８００℃である場合、電極モジュールのあらゆる炭素部品の自己発火又は電極モジュール上に位置するあらゆる還元された供給原料の急速な酸化を避けるのに十分なだけ温度が低下するまで、モジュールは酸素又は空気と接触しないことが重要である。
【００２２】
電極モジュールは、電解チャンバから除去された後で移送モジュール内の不活性雰囲気の下で冷却されてもよい。したがって、移送モジュールは、電極モジュールの温度を低下させるために、水冷却管のような冷却手段を備えてもよく、又は移送モジュールを通して冷却ガスを流すための手段を備えてもよい。
【００２３】
代替的に、電極モジュールは、移送モジュール内で別個の冷却ステーションに移送されて不活性雰囲気の下で所定の温度に冷却されてもよい。
【００２４】
冷却ステーションは、冷却をもたらすためにその内部に電極モジュールが係合させられてもよい冷却チャンバを備えることが好ましい。方法は、したがって、電極モジュールを移送モジュール内で冷却ステーションに移送するステップと、電極モジュールを冷却ステーションの中に下ろすステップと、電極モジュールを所定の温度に冷却するステップと、電極モジュールを移送モジュールの中に戻るように上昇させて冷却ステーションを離れて移送するステップとを含んでもよい。
【００２５】
電極モジュール上に残る溶融塩は、電極モジュールが冷却される際に固化することになる。したがって、電極モジュールは、冷却されると、固化した塩のフィルムで被覆されることになる。したがって、電極モジュールは還元された供給原料から塩を洗浄するための洗浄ステーションに移送されることが有利な場合がある。洗浄ステーションは、供給原料から塩を洗浄するために水のジェットを電極モジュールの方に誘導するのに適した洗浄装置を備えてもよい。洗浄ステーションは、洗浄プロセスから使用済みの水を収集するための手段をさらに備えてもよい。
【００２６】
電極モジュールは、還元された供給原料を取り出すための電極モジュールへのアクセスを容易にするために別個の取り出しステーションに移送されることが有利な場合がある。電極モジュールは、電極モジュールから結合解除することができる取り外し可能なトレイを有することが特に好ましい。したがって、固体供給原料が電極モジュールとは別個の取り外し可能なトレイ上に装填され、電極モジュール上に供給原料を装填するために取り外し可能なトレイが電極モジュールに結合されることが好ましい場合がある。還元された供給原料の取り出しを容易にするために、トレイが電極モジュールから取り外されてもよいことも有利である可能性がある。
【００２７】
好ましくは、供給原料は、電極モジュールのカソード構造体、例えば、カソード又はバイポーラ電極のカソード面の表面と接触するように装填される。これは供給原料を還元する反応がＦＦＣプロセスを用いて起こされる場合には必須である。しかしながら他の還元プロセスが用いられてもよい。
【００２８】
この方法における電解反応は、固体供給原料の電解脱酸、例えばＦＦＣプロセスによる電解脱酸によって進むことが特に好ましい。
【００２９】
この方法は、供給原料を装填し、供給原料の電解のために電解チャンバ内に係合させることができるあらゆる電極モジュールと共に用いるために適用可能であってもよい。この方法で用いられることが好ましい場合がある電極モジュールの多数の具体的な実施形態が存在する可能性がある。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態では、電極モジュールが電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールが、第１の電極、第２の電極、及び好ましくはロッドの一方の端で第１の電極に結合される懸垂ロッドを備える懸垂構造体を備え、第２の電極が懸垂構造体によって懸垂され又は支持され、懸垂構造体が第２の電極を第１の電極から空間的に分離した状態で保持するための少なくとも１つの電気絶縁性スペーサ要素を備えることが有利な場合がある。
【００３１】
本発明のさらに好ましい実施形態では、電極モジュールが、電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールが、アノードと、溶融塩電解質における電解による還元のために固体供給原料の一部を支持するためのカソードとを備え、供給原料がカソードと接触する状態で保持されることが有利な場合がある。
【００３２】
本発明のさらに好ましい実施形態では、電極モジュールが電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールが、第１の電極とカバーとを備え、取り外し可能な電極が電解装置と係合するときに、第１の電極は、電解のために用いられてもよいように電解チャンバ内に位置し、カバーは電解チャンバの開口部にわたることが有利な場合がある。
【００３３】
本発明のさらに好ましい実施形態では、電極モジュールが電解チャンバと係合するための取り外し可能な電極モジュールであり、取り外し可能な電極モジュールは、該モジュールが吊り上げられることを可能にするために吊り上げ要素を備え、第１の電極は懸垂ロッドの下端に結合され、吊り上げ要素と懸垂ロッドの上端との間に弾性手段が配置されることが有利な場合がある。
【００３４】
本明細書に記載の本発明の種々の態様及び実施形態は、商業規模での固体供給原料の大きいバッチの還元に特によく向いている可能性がある。特に、バイポーラ電極の垂直配置を含む取り外し可能な電極モジュールの実施形態は、多数のバイポーラ要素を小さいプラント専有面積内に配置できるようにし、加工プラントの単位面積あたりに得ることができる還元された生成物の量を効果的に増加させる可能性がある。
【００３５】
本明細書に記載の本発明の種々の態様及び実施形態は、固体金属酸化物を含む固体供給原料の還元による金属の生産に特に適する。純金属酸化物を還元することによって純金属が生成される可能性があり、混合された金属酸化物又は純金属酸化物の混合物を含む供給原料を還元することによって合金及び金属間化合物が生成される可能性がある。
【００３６】
幾つかの還元プロセスは、プロセスで用いられる溶融塩又は電解質が、還元される金属酸化物又は化合物よりも安定な酸化物を形成する金属種（反応性金属）を含むときにのみ動作する可能性がある。こうした情報は、熱力学データ、特にギブスの自由エネルギーデータの形態で容易に入手可能であり、標準エリンガム図又はプリドミナンス図又はギブスの自由エネルギー図から便利に求められる場合がある。酸化物安定性に対する熱力学データ及びエリンガム図は、電気化学者及び製錬学者によって入手可能であり、及び理解される（この場合の当業者はこうしたデータ及び情報に習熟しているであろう）。
【００３７】
したがって、還元プロセスのための好ましい電解質は、カルシウム塩を含む可能性がある。カルシウムは、ほとんどの他の金属よりも安定な酸化物を形成し、したがって、酸化カルシウムよりも安定ではないあらゆる金属酸化物の還元を容易にするように作用する可能性がある。他の場合、他の反応性金属を含有する塩が用いられてもよい。例えば、本明細書に記載の本発明のあらゆる態様に係る還元プロセスは、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はイットリウムを含む塩を用いて行われてもよい。塩化物又は他の塩の混合物を含む塩化物又は他の塩が用いられてもよい。
【００３８】
適切な電解質を選択することによって、ほとんどあらゆる金属酸化物を、本明細書に記載の方法及び装置を用いて還元することができる可能性がある。特に、ベリリウム、ホウ素、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、並びにランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウムを含むランタニド、並びにアクチニウム、トリウム、プロトアクチニウム、ウラニウム、ネプツニウム、及びプルトニウムを含むアクチニドの酸化物は、好ましくは塩化カルシウムを含む溶融塩を用いて還元される可能性がある。
【００３９】
当業者はその中で特定の金属酸化物を還元するのに適切な電解質を選択することができ、多くの場合、塩化カルシウムを含む電解質が適するであろう。
【００４０】
本発明の具体的な実施形態をここで図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の１つ又は複数の態様を具体化する取り外し可能な電極モジュールの斜視図である。
【図２】図１の取り外し可能な電極モジュールの側面図である。
【図３】図１の取り外し可能な電極モジュールの平面図である。
【図４】取り外し可能な電極モジュールの種々の電極及び支持部品の構造を例証する、図１の取り外し可能な電極モジュールの側面断面図である。
【図５】図１で例証される取り外し可能な電極モジュールの実施形態を受け入れるのに適した電解チャンバを有する電解装置の略断面図である。
【図６】図５で例証される電解装置と係合している図１の取り外し可能な電極モジュールを示す略断面図である。
【図７】電極モジュールを電解装置の電解チャンバと係合させるための準備状態の、図５の電解装置上に設置された移送モジュール内に収納された図１の取り外し可能な電極モジュールを示す略断面図である。
【図８】移送モジュールから送り出され、且つ図５の電解装置と係合した後の、図１の取り外し可能な電極モジュールを示す略断面図である。
【図９】図１の取り外し可能な電極モジュールにおけるカソードトレイとして用いるのに適した取り外し可能なカソードトレイ構造体の斜視図である。
【図１０】図９のカソードトレイ構造体の平面図である。
【図１１】図９のカソードトレイ構造体の側面図である。
【図１２】本発明の１つ又は複数の態様に係る取り外し可能な電極モジュールの第２の実施形態の断面図である。
【図１３】本発明の１つ又は複数の態様に係る取り外し可能な電極モジュールの第３の実施形態の断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールを吊り上げ手段に結合する代替的方法の略断面図である。
【図１５】移送モジュールが電極モジュールの上に位置する状態の、装填ステーションに設置された電極モジュールの略図である。
【図１６】加熱ステーションの上の移送モジュール内に保持された電極モジュールの略図である。
【図１７】加熱ステーションと係合した移送モジュールを示す略図である。
【図１８】冷却ステーションの上の移送モジュール内に保持された電極モジュールの略図である。
【図１９】冷却ステーションと係合した移送モジュールを示す略図である。
【図２０】洗浄ステーションで洗浄を経験する電極モジュールの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の第１の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールを、ここで、図１〜図４を参照しながら説明する。電極モジュール１０は、末端アノード２０と、末端カソード３０と、末端カソード３０よりも上に及び末端アノード２０よりも下に互いから空間的に分離した状態で分布した７つのバイポーラ電極４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６を備える。末端カソード３０、末端アノード２０、及び中間のバイポーラ電極４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６のそれぞれは、実質的に円形の形状であり、約５５０ｍｍの直径を有する。
【００４３】
末端カソード３０は、下側部分と上側部分とからなる複合構造を有する。下側部分は、実質的に、５５０ｍｍの直径及び６０ｍｍの厚さを有するグレード３１０ステンレス鋼のディスクから形成されたカソードベース要素３０ａである。上側部分は、ベース要素３０ａの上面上に設置される取り外し可能なトレイ組立体３０ｂによって提供される。取り外し可能なトレイ組立体３０ｂは、図９、図１０、及び図１１で例証され、以下でより詳細に説明される。組み立てられたトレイ組立体３０ｂの中央部を通して約１３０ｍｍの直径を有する中央穴が画定される。
【００４４】
７つのバイポーラ電極４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６のそれぞれは、下側部分４０ａ、４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４６ａと、上側の、すなわちトレイ組立体の部分４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４６ｂとを含む複合構造を有する。バイポーラ電極のそれぞれの上側の、トレイ組立体の部分は、末端カソード３０の上側の、トレイ組立体の部分３０ｂと同一である。
【００４５】
バイポーラ電極のそれぞれの下側部分４０ａ、４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４６ａは、５５０ｍｍの直径及び６０ｍｍの厚さを有する炭素、例えば黒鉛のディスクから形成される。バイポーラ電極４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６のそれぞれの中央部を通して約１３０ｍｍの直径を有する穴が画定される。
【００４６】
各バイポーラ電極の下面上で発生したガスを各バイポーラ電極の外周部に導くのを助けるために、各バイポーラ電極の下面におよそ１０ｍｍの幅の複数のチャネル５０が画定される。
【００４７】
第１のバイポーラ電極４０は、第１の電気絶縁性スペーサ要素６０によって末端カソード３０の真上に支持される。第１の電気絶縁性スペーサ要素６０はアルミナから形成された管状スペーサである。第１の電気絶縁性スペーサ要素は、代替的にイットリア又は窒化ホウ素のような他の電気絶縁性セラミック材料から形成されてもよい。
【００４８】
幾つかの実施形態では、第１の電気絶縁性スペーサ要素６０はカソードベース要素３０ａの真上に設置される。他の実施形態では、セル作動条件の下で還元しないであろうセラミック材料から形成されたセラミックインサート７０が、末端カソードベース要素３０ａと第１の電気絶縁性スペーサ要素６０との間に配置される。
【００４９】
第１のバイポーラ電極４０の下側部分４０ａの下面は、第１のバイポーラ電極４０が末端カソードベース要素３０ａによって第１の電気絶縁性スペーサ要素６０を通じて支持されるように第１の電気絶縁性スペーサ要素６０上に設置される。
【００５０】
第２のバイポーラ電極４１は、第２の電気絶縁性スペーサ要素６１を介して第１のバイポーラ電極４０の真上に支持される。第２の電気絶縁性スペーサ要素６１は、第１の電気絶縁性スペーサ要素６０と実質的に同一の管状アルミナ要素である。第２の電気絶縁性スペーサ要素は、第１のバイポーラ電極４０の下側部分４０ａの上面上に設置される。第２のバイポーラ電極の下側部分４１ａの下面は、次に、第２のバイポーラ電極４１が第１のバイポーラ電極によって第２の電気絶縁性スペーサ要素６１を介して支持されるように第２の電気絶縁性スペーサ要素上に設置される。
【００５１】
この支持構造はバイポーラ電極のそれぞれに関して繰り返される。したがって、第３のバイポーラ電極４２は、第３の電気絶縁性スペーサ要素６２を介して第２のバイポーラ電極４１によって支持される。第４のバイポーラ電極４３は、第４の電気絶縁性スペーサ要素６３を介して第３のバイポーラ電極４２によって支持される。第５のバイポーラ電極４４は、第５の電気絶縁性スペーサ要素６４を介して第４のバイポーラ電極４３によって支持される。第６のバイポーラ電極４５は、第６の電気絶縁性スペーサ要素６５を介して第５のバイポーラ電極４４によって支持される。第７のバイポーラ電極４６は、第７の電気絶縁性スペーサ要素４６を介して第６のバイポーラ電極４５によって支持される。
【００５２】
末端アノード２０は、５５０ｍｍの直径及び６０ｍｍの厚さを有する黒鉛のディスクから形成される。バイポーラ電極に関連して上記で定義されたのと同じ方法でアノードの下面上にチャネルが画定される。これらのチャネルの１つの目的は、末端アノード２０の下面で発生したガスの除去を支援することである。末端アノード２０の中央部を通して約１３０ｍｍの直径を有する穴が画定される。末端アノードは、第８の電気絶縁性スペーサ要素６７を介して第７のバイポーラ電極４６の真上に支持される。
【００５３】
取り外し可能な電極モジュール１０は、末端アノード２０の真上に配置される断熱性セラミックカバー１００をさらに備える。カバー１００は、アルミナから形成されるが、あらゆる断熱性セラミック材料を用いることができる可能性があり、電解反応中に電解装置の電解チャンバを覆うように設計される。カバー１００は、第９の電気絶縁性支持要素６８を介して末端アノード２０の上面によって支持される。第９の電気絶縁性支持要素６８は、前述の電気絶縁性支持要素と類似しているが、より大きい長さを有する。
【００５４】
カバー１００を通して中央穴が画定される。したがって、カバー１００の上面１０１から、管状電気絶縁性スペーサ６８、アノードの中央、及びバイポーラ電極のそれぞれ並びにそれらの関連するスペーサ要素を通して、取り外し可能な電極モジュールを通して下向きに延びる穴又はキャビティが画定される。懸垂ロッド１１０が、この穴又はキャビティを通して延び、カソードベース要素３０ａに画定されたねじ溝付き穴と係合するねじ山によって末端カソード３０のカソードベース要素３０ａに結合される。懸垂ロッド１１０は如何なる他の電極又はスペーシング要素とも接触しない。懸垂ロッド１１０がカバー１００を通して画定された中央穴を通る地点に、黒鉛グランド・パッキン、例えば、編組黒鉛ロープ又は他の類似のグランド・パッキン材料１２０によってシールが形成される。
【００５５】
その上側部分で、懸垂ロッド１１０は、ｊスロット型コネクタ１３０に結合される。ｊスロットコネクタは、石油産業におけるパイプの切断面の結合に関して周知のバヨネットコネクタである。懸垂ロッドとｊスロットコネクタとの間の結合は、座金及びナット１１１によって達成される。
【００５６】
懸垂ロッド１１０は、例えば電極モジュールを上げる又は下ろすときに、取り外し可能な電極モジュール１０全体を吊り上げるのに用いられてもよい。使用時に、懸垂ロッドは高温で機能する必要がある可能性がある。したがって、ロッド１１０とロッド１１０をｊスロットコネクタ１３０に結合する関連するナット及び座金１１１は、高温での作動に適した高ニッケル合金から形成される。
【００５７】
アノード２０は、電源（図示せず）と末端アノード２０との間に電気接続がなされることを可能にするために２つの黒鉛ライザ２１、２２に結合される。黒鉛ライザ２１、２２は、黒鉛スタッド２３、２４によって末端アノード２０に結合される。黒鉛ライザ２１、２２は、取り外し可能な電極モジュールが電解装置の電解チャンバと係合する状態にあるときにライザの最上部と電気接続をなすことができるように、カバー１００に画定された穴を通して末端アノード２０よりも上に垂直に延びる。ライザ２１、２２とライザを通すためのカバー１００を通して画定された関連する穴との間のギャップが、編組黒鉛ロープ又は他の類似のグランド・パッキン材料２５によってシールされる。
【００５８】
取り外し可能な電極モジュール１０は、３つの装填状態又は支持状態を有するように設計される。
【００５９】
これらの３つの状態のうちの第１の状態では、取り外し可能な電極モジュールは、カソードベース要素３０ａの下面上に設置される。この状態では、バイポーラ要素、アノード、及びカバーのすべての重量がカソードベース要素３０ａを通して伝達され、懸垂ロッド１１０には張力がかかっていない。
【００６０】
第２の装填状態では、ｊスロットコネクタ１３０が吊り上げ機構に結合され、モジュールの全重量が、カソードベース要素３０ａに結合される懸垂ロッド１１０を通じて支持される。
【００６１】
第３の装填状態では、取り外し可能な電極モジュール１０は、カバー１００の下面１０２上の複数の点で支持されてもよい。この状態では、モジュールの重量は、カバー１００によって支持され、カソードベース要素３０ａに結合される懸垂ロッド１１０を通じて伝達される。
【００６２】
したがって、モジュールは、そのカソードベース要素３０ａ上で自立していてもよく、懸垂ロッドの上端１１０でｊスロット連結器１３０によって懸垂されてもよく、又はカバー１００の下側１０２によって懸垂されてもよい。
【００６３】
懸垂ロッド１１０は、カソードベース要素３０ａへの結合点から懸垂ロッド１１０がカバー１００を通る際の編組黒鉛ロープ１２０との封止点までのその長さの全体を通して電気絶縁性材料１１５で被覆され又はクラッディングされる。この電気絶縁性材料は、アルミナコーティング１１５であるが、あらゆる高温電気絶縁性材料であってもよい。例えば、コーティング１１５は窒化ホウ素であってもよい。コーティングは、あらゆる公知の方法、例えば、浸漬コーティング又はスプレーコーティングによって適用されてもよい。
【００６４】
末端カソード３０及び７つのバイポーラ電極４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６のそれぞれの一部を形成する取り外し可能なトレイ組立体が図９、図１０、及び図１１で例証される。トレイ組立体３０ｂ、４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４６ｂは２つの結合可能な部分１５１、１５２で形成される。一緒に結合されたときに、トレイ組立体の全体は実質的に円形であり、室温で約５４２ｍｍの直径を有する。トレイ組立体は金属製であり、そのため直径は、取り外し可能な電極モジュールの作動温度（溶融塩における電解反応で用いられるときに普通は約５００℃から１２００℃までの間）で熱膨張に起因して約５５０ｍｍに増加する可能性がある。
【００６５】
トレイ組立体の部分１５１、１５２のそれぞれのベース１５３、１５６は、固体供給原料を支持するのに適したメッシュから形成される。組み立てられたトレイ組立体の周縁部の周りで、周方向リップが、メッシュ１５３、１５６の高さよりも上に約３０ｍｍ立ち上がって延びる。複数の下向きに延びる脚部１５５が、メッシュ１５３、１５６の高さよりも下に約１０ｍｍの距離だけ周方向リップ１５４から下向きに延びる。
【００６６】
トレイ組立体の全体は、電極モジュールの電極を形成するために関連する電極部分の上面上に設置されてもよい。例えば、トレイ組立体３０ｂは、末端カソード３０を形成するために末端カソードベースプレート３０ａの上面上に設置されてもよく、又はトレイ組立体４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４６ｂは、バイポーラ電極を形成するためにバイポーラ電極４０ａ、４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａ、又は４６ａの下側部分の上面上に設置されてもよい。下向きに延びる脚部１５５を通してトレイ組立体とその関連する電極部分との間で電気接触がなされる。
【００６７】
取り外し可能なトレイ組立体３０ｂ、４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４６ｂを備える取り外し可能な電極モジュールが溶融塩を収容する電解チャンバの中におかれるときに、溶融塩は、その上にトレイ組立体が設置される電極部分の上面とメッシュベース１５３、１５６との間に生じたギャップに流入することができる。溶融塩は、したがって、トレイ組立体のメッシュベース１５３、１５６を通して上向きに、したがってベース１５３、１５６上に支持されるあらゆる固体供給原料にわたって流れることができる。
【００６８】
トレイ組立体は、電気絶縁性スペーサ要素、例えば、第１のバイポーラ電極４０を支持する電気絶縁性スペーサ要素６０を取り囲むための中央穴を有するように形成される。
【００６９】
トレイ組立体は、２つの結合可能な部分、すなわち第１の部分１５１と第２の部分１５２で形成され、各部分は実質的に半円形である。２つの部分１５１、１５２は、スタッド及びスロット構成によって結合可能である。スタッド１６０は、第２の部分の嵌合面又は嵌合縁１６２から延び、第１の部分１５１の対応する嵌合面１６３にスタッド１６０を受け入れるためのスロット１６１が画定される。
【００７０】
使用時に、トレイ組立体の各半分又は各部分１５１、１５２は、供給原料を装填する又は還元された生成物を取り出すために、取り外し可能な電極モジュール１０から別々に取り外されてもよい。
【００７１】
取り外し可能なトレイ組立体は、末端カソード及びバイポーラ電極のそれぞれの最上部を形成する。それぞれの電極のこれらの部分は、取り外し可能な電極モジュールが電解のために用いられるときにカソードとなる。
【００７２】
取り外し可能なトレイ組立体３０ｂ、４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４６ｂは、３１０グレードステンレス鋼から製造される。取り外し可能なトレイ組立体は、多くの他の材料から作製されてもよく、材料の選択は、還元されるべき供給原料の性質に依存する可能性がある。例えば、還元された生成物を汚染しないであろう金属から形成されたトレイ組立体を用いることが望ましい場合がある。例えば、タンタル又はタンタル被覆金属からカソードトレイ組立体を形成することが望ましい場合があり、この場合、取り外し可能な電極モジュールは、酸化タンタルを金属タンタルに還元するのに用いられることになる。
【００７３】
上記で説明された第１の具体的な実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールは、溶融塩電解質における固体供給原料の還元に用いられるときに特に有利となる場合がある。取り外し可能なトレイ組立体は、固体供給原料が各別個の取り外し可能なトレイ組立体の部分１５１、１５２上に便利に装填され、且つ装填されたトレイ組立体の部分を電極モジュールにおける適切な位置に設置することによって取り外し可能な電極モジュールの中に装填されることを可能にする。
【００７４】
室温で、取り外し可能な電極モジュール１０は、カソードベースプレート３０ａの下面からカバー１００の下面までの１６４５ｍｍの全高を有する。カソードベースプレート３０ａの下面からｊスロットコネクタ１３０の頂部までの高さは２０９７ｍｍである。上述のように、電極３０、４０〜４６の直径は５５０ｍｍである。カバー１００の最大直径は８３０ｍｍである。これらの寸法の幾らかは、温度が変化する際に変化することがある。特に、高さの値は、電極モジュールの作動温度で５〜１０ｍｍ増加する場合がある。
【００７５】
上記で説明された本発明の第１の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュール１０は、モジュール１０を係合した状態で受け入れるのに適した電解チャンバを有するあらゆる電解装置と共に有利に用いられる可能性がある。こうした電解装置２００の略図が図５によって提供される。
【００７６】
電解装置２００は、黒鉛るつぼ２３０内に画定された電解チャンバ２２０を収容するハウジング２１０を備え、黒鉛るつぼ２３０の上側リム２３１は電解チャンバ２２０への開口部を画定する。リム２３１の上面は、取り外し可能な電極モジュール１０のカバー１００の下側に対してリム２３１をシールするために、厚さ１５ｍｍの弾性黒鉛材料の区域で被覆される。上側リム２３１上に設置される封止材料は、変形され及びその形状を回復してもよい編組黒鉛グランド・パッキン材料である。
【００７７】
ハウジング２１０はさらに、黒鉛るつぼ２３０の温度を維持するための炉加熱要素２４０、電解チャンバ２２０を通して溶融塩が流れることを可能にするための溶融塩入口２５０及び溶融塩出口２６０を収容する。電解チャンバ内で起こるあらゆる電解反応の間に発生したガスが逃げることを可能にするために、電解チャンバ２２０の上側部分の方にガス通気ライン２７０が提供される。ＤＣ供給カソード・バスバー２８０が、黒鉛るつぼ２３０に結合され、黒鉛るつぼ２３０全体が黒鉛るつぼを電源に直接結合することを可能にする。
【００７８】
黒鉛るつぼ２３０は、アルミナライナ２９０で裏打ちされる。アルミナライナ２９０は、黒鉛るつぼ２３０の側壁と電解チャンバ２２０内に係合されるあらゆる取り外し可能な電極モジュール１０との間に電気絶縁を提供する。ライナは、アルミナから作製されるが、電解チャンバ内２２０の処理条件の下で実質的に不活性なあらゆる適切な電気絶縁性セラミック材料から作製されてもよい。
【００７９】
電解装置の上側部分は、電解チャンバ２２０への外部アクセスが提供されることを可能にするゲート弁型閉鎖体３００を備える。ゲート弁閉鎖体３００は、熱障壁材料、例えば、セラミック材料から形成されたゲート３１０を備える。作動デバイス３２０は、ゲート３１０が前後にスライドしてゲート弁３００を開閉することを可能にし、これにより、電解装置２００内の電解チャンバ２２０へのアクセスを可能にする。
【００８０】
図６は、図５で例証されたタイプの電解装置と係合した、図１〜図４に関連して上記で説明された第１の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールを例証する。
【００８１】
黒鉛るつぼ２３０の下側の内面は、隆起して台座２３２を形成する。電解チャンバ２２０と係合するときに、取り外し可能な電極モジュール１０は、黒鉛るつぼ２３０内のこの隆起した台座２３２上に設置される。したがって、取り外し可能な電極モジュールの末端カソード３０の下面は、黒鉛るつぼ２３０の内面と物理的に及び電気的に接触する。
【００８２】
取り外し可能な電極モジュール１０のバイポーラ電極４０〜４６及びアノード２０は、セラミックライナ２９０によってるつぼ２３０の側壁から電気的に絶縁される電解チャンバの一部の中に位置する。取り外し可能な電極モジュール１０のカバー１００の下面１０２は、黒鉛るつぼ２３０の上側リム２３１との接触をなす。カバーがリム２３１と接触する際に、上側リム上に設置された可撓性黒鉛封止材料が変形してシールがなされることを可能にする。黒鉛封止材料は、代替的に又は付加的にカバー１００の下面１０２上に配置できる可能性があることに注目される。
【００８３】
使用時に、電解チャンバ内の温度はかなり変化する可能性がある。したがって、取り外し可能な電極モジュールの幾つかの構成部品、例えば、懸垂ロッド１１０の寸法は、数ミリメートル変化する可能性がある。黒鉛るつぼ２３０の上側リム上に設置される弾性材料は、好ましくは、あらゆるこうした熱的歪みに適応し且つカバー１００の下側１０２との存続できるシールを維持するのに十分な弾力性及び変形性を有する。
【００８４】
取り外し可能な電極モジュールのアノードライザ２１、２２は、カバー１００を通して上向きに延びる。アノードライザと接触するように作動され、したがってアノードと電源との間に電気接続を提供してもよい作動可能なＤＣアノード・バスバー２５０によって、これらのライザとの電気接触がなされてもよい。
【００８５】
使用時に、電解チャンバ２２０に溶融塩が充填され、還元可能な供給原料が装填された取り外し可能な電極モジュールが電解チャンバと係合する。アノード・バスバーは、アノードライザ２１、２２と接触するように作動され、アノード２０（アノードライザ及び作動可能なアノード・バスバー２５０を介して）と末端カソード３０（黒鉛るつぼ２３０及びカソードＤＣバスバー２８０を介して）との間に電位が印加される。印加される電位は、供給原料を還元するのに十分なものである。必要とされる電位は、供給原料のタイプ及び溶融塩の組成に応じて変化する可能性がある。
【００８６】
多くの状況では、特に、溶融塩電解質における固体供給原料の還元に関して、その作動温度で又は作動温度付近で取り外し可能な電極モジュールが電解装置の電解チャンバと係合できることが有利な場合がある。多くの溶融塩電解質に関して、これは、電解チャンバが５００℃から１２００℃までの間の温度で溶融塩を収容することを意味する。室温の取り外し可能な電極モジュールが、例えば１０００℃の温度で溶融塩を収容する電解チャンバの中に挿入された場合、取り外し可能な電極モジュールの構成部品は、厳しい且つ急速な熱的歪みを経験する可能性がある。特に、取り外し可能な電極モジュールのセラミック部品は、厳しい熱衝撃を経験する可能性があり、したがって故障する可能性がある。厄介な問題として、取り外し可能な電極モジュールの第１の実施形態に関連して上記で説明されたような取り外し可能な電極モジュールが空気中で１０００℃の温度に予熱された場合、取り外し可能な電極モジュールの黒鉛部品は燃える可能性がある。
【００８７】
電解が起こった直後に、及び電解チャンバが冷えるのを待たずに、電解装置の電解チャンバから取り外し可能な電極モジュールを取り外せることが特に望ましい場合がある。空気のような酸素を含有する雰囲気が高温の取り外し可能な電極モジュールと接触しなかったことを保証するために注意を払う必要があるであろう。これに対する安全装置の故障の結果として、電極モジュールの黒鉛部品が燃焼し、取り外し可能な電極モジュール内におかれた還元された金属生成物が燃焼し又は酸化し、モジュールの急速冷却に起因して厳しい熱変形及び故障が起こる可能性がある。
【００８８】
取り外し可能な電極モジュールが作動温度に近い温度で電解装置の電解チャンバと係合することを可能にするために、及び取り外し可能な電極モジュールが作動温度に近い温度で電解チャンバから係合解除されることを可能にするために、取り外し可能な電極モジュールは、電解装置に移送又は輸送される前に移送モジュールの中に引き込むことができることが望ましい。移送モジュールは、加熱要素及び／又は冷却要素を含んでもよい。移送モジュールは、単純に、その内部に不活性雰囲気を維持することができるシュラウドであってもよく、これは、電解チャンバの中に装填する前に予熱された電極モジュールを断熱する、又は制御された冷却のために別個の場所に輸送される前に電解チャンバから今しがた係合解除された電極モジュールを断熱する。
【００８９】
図７は、取り外し可能な移送モジュール４００の実施形態内に配置された、図１〜図４に関連して上記で説明されたような取り外し可能な電極モジュールを例証する。取り外し可能な移送モジュール４００は、３１０グレードステンレス鋼から形成されたハウジング４１０を備え、耐火性ライニングで裏打ちされる。耐火性ライニングは、移送モジュールの内部を断熱するセラミックレンガライニング又はファイバーボードのようなあらゆる他の適切な材料であってもよい。移送モジュールの内部は、その中に取り外し可能な電極モジュール１０が配置されてもよい移送キャビティ４２０を備える。
【００９０】
移送モジュールは、取り外し可能な移送モジュールの頂部でｊスロットコネクタに結合するための手段及び取り外し可能な移送モジュールを移送チャンバ４２０の中に引き込むための手段を備えてもよい。例えば、移送モジュール４００は、取り外し可能な電極モジュールを吊り上げるためのウィンチを備えてもよい。
【００９１】
移送モジュール４００の上側部分は、１つ又は複数のホック４３０のような移送モジュールを吊り上げるための手段を備える。こうした吊り上げ手段は、移送モジュール全体が吊り上げられ、電解装置２００との間で動かされることを可能にする。
【００９２】
移送モジュール４００の下側部分はゲート弁４４０によって閉鎖される。このゲート弁は、移送モジュールチャンバ４２０への開口部を開閉するように作動可能な耐熱性ゲート４５０を備える。ゲート弁を含む移送モジュールは、図５に関連して上記で説明されたように電解装置２００のゲート弁の上に便利に設置される可能性がある。移送モジュールと電解装置２００との両方に関連したゲート弁４４０を開くことによって、電解チャンバの開口部２２０へのアクセスを提供することができる。次いで、電極モジュールを電解チャンバ２２０内に配置することを可能にするために、移送モジュールに関連したゲート弁と電解装置に関連したゲート弁との両方の開放を通じて、取り外し可能な電極モジュール１０を移送チャンバ４２０から下ろすことができる。次いで、それぞれのゲート弁を図８で例証されるように閉じることができ、次いで、移送モジュール４００を取り外してもよい。
【００９３】
上記で説明され図１〜図４で例証される場合の取り外し可能な移送モジュールの第１の実施形態は、その上で固体供給原料を還元できる可能性がある８つの実効作用電極（すなわち、末端カソード３０の上側部分及びバイポーラ電極４０〜４６のそれぞれの上側部分）からなるものであった。幾つかの反応に関して、より低体積の固体供給原料を還元することが望ましい場合がある。こうした目的のために、取り外し可能な電極モジュールはより低いカソード電極表面積を有することが望ましい場合がある。本発明の１つ又は複数の態様に係る取り外し可能な電極モジュールの第２の実施形態が図１２によって例証される。
【００９４】
図１２で例証される場合の取り外し可能な電極モジュールの全寸は、図１〜図４で例証される取り外し可能な電極モジュールと同じであり、したがって、取り外し可能な電極モジュールのこの第２の実施形態は、第１の実施形態と同じ電解装置と併せて用いられてもよい。しかしながら、本発明の第２の実施形態の取り外し可能な電極モジュール１２００は、末端カソード１２３０及び末端アノード１２２０を備え、末端アノード１２２０と末端カソード１２３０との間にただ１つのバイポーラ電極１２４０が配置される。末端アノード、末端カソード、及びバイポーラ電極は、本発明の第１の実施形態に関連して上記で説明された等価な構造と構成が同一である。末端アノード１２２０と末端カソード１２３０との間に配置される、より少ないバイポーラ電極が存在するので、黒鉛電極ライザ１２２１及び１２２２は、本発明の第１の態様に関連して上記で説明されたものよりも実質的に長い。必要であれば、黒鉛ライザの幾つかの断面は、雌ねじ付きスタッド１２２６によって接合されてもよい。カバー１２０１は、複数の電気絶縁性セラミックスペーサ１２６８を介してアノード１２２０の上面の真上に支持される。
【００９５】
この取り外し可能な電極モジュールの外寸が本発明の第１の実施形態のモジュールの寸法と同じであることを保証するのに必要とされるこれらの具体的な適応以外は、本発明の第２の実施形態に係る取り外し可能な電極モジュールのすべての他の要素は、上記で説明された要素と同じである。
【００９６】
本発明の或る態様によれば、取り外し可能な電極モジュールがバイポーラ電極を備えることは必須ではない。図１３は、本発明の１つ又は複数の態様に係る取り外し可能な電極モジュールの第３の具体的な実施形態を例証する。この第３の実施形態は、末端アノード１３２０及び末端カソード１３３０を備えるが、バイポーラ電極を備えない。末端カソード１３３０及び末端アノード１３２０は、本発明の第１の実施形態に関連して上記で説明された末端アノード２０及び末端カソード３０と同じ方法で構築される。第３の実施形態の取り外し可能な電極モジュール１３００の外寸は取り外し可能な電極モジュールの第１及び第２の実施形態の寸法と同じである。図１３で例証される場合の取り外し可能な電極モジュールの第３の実施形態のすべての他の詳細は、取り外し可能な電極モジュールの第１の実施形態又は第２の実施形態に関連して上記で説明されたものと同様である。
【００９７】
上記で説明された実施形態では、懸垂ロッド１１０は、座金及びボルト１１１によりロッド１１０の端をコネクタ１３０に留めることによってｊスロットコネクタ１３０に結合される。カバー１００の下側と電解チャンバ２２０への開口部を形成するるつぼ２３０のリム２３１との間にシールを形成するのに必要なあらゆる公差は、リム上に弾性封止材料を用いることによって達成される。図１４は、取り外し可能な電極モジュールの一実施形態で用いられてもよい代替的な結合器を例証する。参照を容易にするために、上記で説明された第１の実施形態に存在する構成部品と同一の構成部品に同じ参照番号が与えられている。
【００９８】
図１４で例証される代替的な実施形態では、電極モジュールの懸垂ロッド１１０は、一組の皿ばね１４００を通してｊスロットコネクタ上に荷重を伝達するフランジ１４１０によってｊスロットコネクタ１３０に結合される。フランジ１４１０は、ナット１４２０によってばね１４００に対して固定される。
【００９９】
モジュールが吊り上げられるときに、モジュールの重量は、懸垂ロッド１１０を通して伝達され、ばね１４００を圧縮する。ばねは、フランジ１４１０の下面に対して上向きに付勢する。ばね１４００は、あらゆる適切なばね手段であってもよい。例えば、ばねは、つる巻きばねを含んでもよい。
【０１００】
間に弾性ばねが配置された状態で電極モジュールをｊスロットコネクタのような吊り上げ手段に結合することは、使用時に利点を提供する可能性がある。例えば、電極モジュールが上記で説明されたように電解チャンバの中に下ろされる際に、シールを形成するためにチャンバの開口部を取り囲むリムとカバー１００の下面１０２との間で接触がなされる。上記で説明された実施形態では、モジュールのベースプレート３０ａは、カソード接続を提供するためにるつぼの内壁と物理的に接触する状態で設置されなければならない。吊り上げ手段と懸垂ロッドとの間に配置される皿ばね１４００のような弾性手段の使用は、カバー１００によってシールが形成された後で電極モジュールが付加的に移動することを許す可能性がある。さらに、こうした弾性手段は、熱揺らぎによって引き起こされる懸垂ロッドにおける寸法変化に有利に適応する可能性がある。
【０１０１】
電極を支持する１つ又は複数の懸垂ロッドの間に配置される弾性手段と吊り上げ手段とを含む取り外し可能な電極モジュールの一実施形態は、電解チャンバの開口部を取り囲む弾性封止材料を用いることへの代替として又はこれに加えて採用されてもよい。
【０１０２】
本発明の具体的な実施形態に係る固体供給原料を電解で還元するための方法の以下の説明は、上記で説明されたような取り外し可能な電極モジュール１０を用いる。処理方法は、多数のステップに分解することができる。
【０１０３】
ステップ１−取り外し可能な電極モジュール１０は、カソード電極の８つの層（すなわち、１つのカソードと、アノードとカソードとの両方として作用する７つのバイポーラ電極）とアノードを備える。作用電極のそれぞれの上面は、２つの結合可能な部分１５１、１５２で形成された取り外し可能なトレイ組立体自体を備える。プロセスにおける第１のステップとして、複数の固体酸化物プリフォームからなる供給原料が、取り外し可能なトレイ組立体要素１５１、１５２のそれぞれの表面上に装填される。
【０１０４】
ステップ２−装填されたトレイ組立体が、電極モジュール装填ステーションに位置する取り外し可能な電極モジュールに移送される。装填されたトレイ組立体は、取り外し可能な電極モジュール１０上に設置され、トレイ組立体の部分１５１、１５２の各対は、カソード電極（例えば、３０、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６で参照される電極）のカソード部分を形成する。
【０１０５】
ステップ３−装填された取り外し可能な電極モジュール１０が、移送モジュール４００の移送チャンバ４２０の中に上昇させられる。取り外し可能な電極モジュール１０を移送チャンバ４２０の中に上昇させるために、移送モジュール４００は、ワーキングステーションの垂直上方に位置決めされる。移送モジュール４００のゲート弁４４０は、ゲート４５０をスライドさせて開くように作動され、移送チャンバ４２０へのアクセスを可能にする。移送モジュール４００上に位置するウィンチ４６５によってバヨネット連結器（図示せず）が下ろされる。バヨネット取付具は、取り外し可能な電極モジュール１０上のｊスロットコネクタ１３０に結合し、これにより、取り外し可能な電極モジュール１０が移送モジュールチャンバ４２０の中に上昇させられることを可能にする。
【０１０６】
ステップ４−取り外し可能な電極モジュール１０を収容する移送モジュール４００全体が、複数のホック４３０によって吊り上げられ、動かされてもよい。ステップ４で、電極モジュールを収容する移送モジュール全体が加熱ステーションの垂直上方の位置に動かされる。これは図１６で例証される。移送モジュール４００は、加熱チャンバ５１０の真上に位置決めされた取り外し可能な電極モジュール１０と共に加熱ステーション５００に結合される。加熱ステーションは、複数の加熱要素５２０によって取り囲まれる加熱チャンバ５１０を収容するハウジング５０１を備える。
【０１０７】
ステップ６−電極モジュールが、カバー１００の下面１０２が加熱チャンバ５１０のリム５０２上に設置されるまでウィンチ４６５によって下ろされる。ｊスロットコネクタ１３０からバヨネット連結器が除去され、ゲート４５０が閉じられる。取り外し可能な電極モジュール１０は、ここで、加熱ステーションと係合し、カバー１００の下面を通じてモジュールの全重量が支持される。この構成は図１７で例証される。
【０１０８】
ステップ７−電極モジュール１０が、加熱ステーション５００の加熱チャンバ５１０内で所定の温度に加熱される。溶融塩における電解に関して、この所定の温度は、おそらく５００℃から１２００℃までの間のどこかである。例えば、温度は、７００℃又は８００℃に上げられてもよい。モジュールの加熱速度は、電極モジュールのセラミック部品が熱衝撃を経験しないように制御される。したがって、加熱は、１分間につき１℃から１分間につき１０℃又は２０℃までの間の速度で行われてもよい。例えば、加熱は、１分間につき約５℃の速度で行われてもよい。加熱は、不活性雰囲気、例えばアルゴン雰囲気又は窒素雰囲気の下で行われる。
【０１０９】
ステップ８−電極モジュールが所定の温度に加熱されると、電極モジュール１０は、もう一度、移送モジュール４００の移送チャンバ４２０の中に上昇させられる。
【０１１０】
ステップ９−ゲート弁が閉じられ、これにより、移送チャンバ４２０が封止される。不活性雰囲気、例えばアルゴン又は窒素雰囲気が移送モジュール内に維持される。
【０１１１】
移送モジュールの壁が断熱されるので、熱損失速度は低い。したがって、電極モジュール１０が所定の温度に加熱され、移送モジュール４００内に封止されると、モジュール１０の温度はゆっくりと低下する。
【０１１２】
ステップ１０−所定の温度で電極モジュール１０を収容する移送モジュール４００が、電解チャンバの真上の位置に動かされる。電解チャンバの上に設置されるゲート弁３００の存在によって電解チャンバ２２０へのアクセスが制約される。これは図７で例証される。
【０１１３】
ステップ１１−移送モジュール４００が電解チャンバ２２０を収容する電解装置２００に結合される。移送モジュールに関連したゲート弁４４０は、両方のゲート弁が開かれるときに電極モジュール１０が電解チャンバ２２０へのアクセスを達成することができるように、電解装置に関連したゲート弁３００と位置合わせされる。
【０１１４】
ステップ１２−移送モジュール上のゲート弁４４０が開かれる。
【０１１５】
ステップ１３−電解装置２００上のゲート弁が開かれる。
【０１１６】
ステップ１４−電極モジュール１０が、電解チャンバと係合する状態に下ろされる。電解チャンバは、その所望の作動温度又はこれに近い温度の溶融塩を収容する。予熱された電極モジュール１０はまた、作動温度又はこれに近い温度である。この作動温度は、例えば約８００℃であってもよい。電極モジュールは、電解モジュール１０のカソード端３０の下面が電解チャンバ２２０を画定する黒鉛るつぼ２３０と物理的接触をなすように電解チャンバ２２０内に設置される。これは上記で説明されており、図８で例証される。
【０１１７】
ステップ１５−アノード・バスバー２５０が取り外し可能な電極モジュール１０のアノードライザ２１、２２と接触する状態に動かされる。
【０１１８】
電極モジュール１０のアノード２０とカソード３０との間に電位が印加される。この電位は、カソード及びバイポーラ電極のそれぞれのカソード面と接触している供給原料を還元するのに十分なものである。供給原料を還元するのに必要とされる電位はシステムの性質に依存するであろう。したがって、溶融塩ベースの塩化カルシウム中での酸化チタン供給原料の還元に関して、電極モジュール１０の各カソード面での電位電圧は、２から３ボルトまでの間であってもよい。
【０１１９】
固体供給原料を還元するのに十分な時間にわたって電位が印加される。
【０１２０】
供給原料を還元するための電解後に、電極モジュール１０から還元された生成物を回収するために多数のさらなる処理ステップが存在していてもよい。したがって、電解後に還元された供給原料を回収するために、以下のさらなるステップが本発明の具体的な実施形態で用いられる。
【０１２１】
ステップ１７−電解セル電流がオフに切り換えられ、したがって、各電極の表面での電圧が除去される。
【０１２２】
ステップ１８−アノード・バスバーが黒鉛アノードライザ２１、２２との接触から引き離される。
【０１２３】
ステップ１９−電極モジュールが溶融塩の外に及び移送モジュール４００の中に上昇させられる。溶融塩が電極モジュール１０から自由に滴下する時間を許すために、電極モジュールがゆっくりと上昇させられる。
【０１２４】
ステップ２０−電解装置２００上のゲート弁３００が閉じられる。
【０１２５】
ステップ２１−移送モジュール上のゲート弁４４０が閉じられる。
【０１２６】
ステップ２２−電極モジュール１０を収容する移送モジュールが、次いで、電解装置２００から係合解除され、冷却ステーション６００のすぐ上の位置に動かされる。これは図１８で例証される。
【０１２７】
ステップ２３−移送モジュール４００が冷却ステーション６００に結合される。
【０１２８】
ステップ２４−取り外し可能な電極モジュール１０が冷却チャンバ６１０の中にアクセスできるようにするために、ゲート弁４４０が開かれる。
【０１２９】
ステップ２５−カバー１００の下面１０２が冷却チャンバ６１０の上側リムの上に載るまで電極モジュール１０が冷却チャンバの中に下ろされる。カバー１００は、冷却チャンバ６１０へのシールを効果的に形成する。これは図１９で例証される。
【０１３０】
ステップ２６−冷却チャンバは、熱伝導性の高い材料、例えば、ステンレス鋼のような金属材料の壁６２０を備える。壁は、水ジャケット６２５を収容し、それを通して冷水の一定の供給が入口６３０及び出口６３１によって提供される。水ジャケットは、熱モジュール１０から熱が効率よく除去されることを可能にする。冷却速度は、水が冷却ジャケット６２５を通過する速度を変化させることによって制御されてもよい。
【０１３１】
ステップ２７−電極モジュール１０が所定の温度に冷却されると、これは移送モジュール４００の中に上昇させられる。
【０１３２】
ステップ２８−移送モジュール４００内の冷却された電極モジュール１０が洗浄ステーションの真上の位置に動かされる。
【０１３３】
ステップ２９−冷却された電極モジュールが洗浄ステーションの中に下ろされ、そのカソードベースプレート３０ａ上に設置される。
【０１３４】
ステップ３０−配管７１０に接続されたノズル７０５から水のジェット７００が放出される。水のジェット７００は、電極モジュール１０に誘導され、特に、還元された供給原料を収容するトレイ組立体に誘導される。水のジェットは、好ましくは、それらが電極モジュールを覆うあらゆる残留塩及び還元された供給原料を洗浄して除去するように誘導される。
【０１３５】
ステップ３１−洗浄後に、電極モジュール１０が移送モジュール４００の中に上昇させられる。
【０１３６】
ステップ３２−洗浄された電極モジュールと移送モジュールが取り出しステーションの上の位置に動かされる。
【０１３７】
ステップ３３−洗浄された電極モジュールが取り出しステーションの位置に下ろされる。
【０１３８】
ステップ３４−還元された生成物を収容する電極トレイ組立体が電極モジュール１０から除去される。
【０１３９】
ステップ３５−還元された生成物がトレイ組立体から除去され、さらなる処理のためにパッケージされる。
【０１４０】
上記で説明された方法の具体的な実施形態は、すべての場合において用いられなくてもよい。例えば、異なるステップが用いられてもよく、又は幾つかのステップは省略されてもよい。
【０１４１】
固体供給原料の還元は、ＦＦＣプロセスのような電解脱酸反応によって進むことが好ましい。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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