(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解チャンバと係合させるための取り外し可能な電極モジュールであって、
第１の電極と、
第２の電極と、
ロッドの一方の端で前記第１の電極に結合される懸垂ロッドを備える懸垂構造体と、
を備え、
前記第２の電極が、前記懸垂構造体によって懸垂され又は支持され、前記懸垂構造体が、前記第２の電極を前記第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、
取り外し可能な電極モジュール。
【請求項２】
前記第１の電極が末端カソードであり、前記第２の電極が末端アノードであり、前記末端カソードと前記末端アノードとの間に電位が印加されることを可能にするために前記末端カソードと前記末端アノードを電源に結合可能である、請求項１に記載の電極モジュール。
【請求項３】
固体供給原料を還元するための、請求項１又は請求項２に記載の電極モジュール。
【請求項４】
前記固体供給原料は、金属化合物であり、前記固体供給原料を電解によって還元することができるように前記固体供給原料を前記第１の電極の第１の表面と接触する状態で保持可能である、請求項３に記載の電極モジュール。
【請求項５】
前記電気絶縁性スペーサ要素のうちの１つ又は複数によって前記第１の電極と前記第２の電極との間に空間的に分離した状態で支持されるバイポーラ電極を備える、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項６】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位が印加されるときに前記バイポーラ要素の第１の表面がカソードとなり、固体供給原料を電解によって還元することができるように固体供給原料を前記バイポーラ電極の第１の表面と接触する状態で保持可能である、請求項５に記載の電極モジュール。
【請求項７】
前記懸垂ロッドが前記第２の電極を通る、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項８】
前記懸垂構造体が１つよりも多い懸垂ロッドを備え、前記各懸垂ロッドが前記第１の電極に結合される、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項９】
前記モジュールが前記電解チャンバと係合しているときに前記電解チャンバの開口部を閉鎖するためのカバーをさらに備える、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項１０】
前記カバーの第１の表面が、前記電解チャンバの開口部をシールする及び／又は前記電極モジュールの重量の少なくとも一部を支持するために前記電解チャンバの開口部を取り囲む表面と相互作用する、請求項９に記載の電極モジュール。
【請求項１１】
前記モジュールが前記電解チャンバと係合しているときに前記少なくとも１つの懸垂ロッドの一部が前記電解チャンバの外部にあるように、前記少なくとも１つの懸垂ロッドが前記カバーを通して画定された穴を通る、請求項９又は請求項１０に記載の電極モジュール。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの懸垂ロッド及び／又は前記電極モジュールによって前記モジュールを吊り上げることができるように、前記第２の電極のための電気接続部が前記カバーを通して画定された穴を通る、請求項１１に記載の電極モジュール。
【請求項１３】
溶融塩電解質における電解に用いられる、請求項１から請求項１２までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項１４】
前記溶融塩電解質は、ハロゲン化金属を含む、請求項１３に記載の電極モジュール。
【請求項１５】
溶融塩電解質は、塩化カルシウムを含む、請求項１４に記載の電極モジュール。
【請求項１６】
炭素を含むアノードを有する、請求項１から請求項１５までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項１７】
前記アノードは、黒鉛を含む、請求項１６に記載の電極モジュール。
【請求項１８】
前記電極が１つ又は複数のバイポーラ電極、末端カソード、及び末端アノードを含み、前記１つ又は複数のバイポーラ電極が前記末端カソードと前記末端アノードとの間に配置される、請求項１から請求項１７までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項１９】
１から２０までの間のバイポーラ電極を備える、請求項１８に記載の電極モジュール。
【請求項２０】
２から１０までの間のバイポーラ電極を備える、請求項１８に記載の電極モジュール。
【請求項２１】
前記バイポーラ電極が、前記末端カソードよりも上に及び前記末端アノードよりも下に垂直方向に間隔をおいて配置される、請求項１８に記載の電極モジュール。
【請求項２２】
複合構造を有するバイポーラ電極を備え、前記バイポーラ電極が第１の材料から作製された第１の部分又はカソード部分と第２の材料から作製された第２の部分又はアノード部分とを有する、請求項１から請求項２１までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項２３】
前記バイポーラ電極の前記第１の部分が金属であり、前記バイポーラ電極の前記第２の部分が酸素を発生させるための不活性アノード材料、寸法が安定化されたアノード材料、又は炭素材料である、請求項２２に記載の電極モジュール。
【請求項２４】
前記溶融塩が前記バイポーラ電極の前記第１の部分及び／又は前記第２の部分を通して流れることができるように、前記バイポーラ要素の前記第１の部分及び／又は前記第２の部分が、メッシュのような多孔質又は穿孔された又は小孔のある材料から形成される、請求項２２又は請求項２３に記載の電極モジュール。
【請求項２５】
前記モジュールが前記電解チャンバと係合しているときに前記電解チャンバの開口部を閉鎖するためのカバーを備える、請求項１から請求項２４までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項２６】
前記カバーの第１の表面が、前記電解チャンバの開口部をシールするために前記電解チャンバの開口部を取り囲む表面と相互作用する、請求項２５に記載の電極モジュール。
【請求項２７】
前記カバーがセラミック材料を含む、請求項２５又は請求項２６に記載の電極モジュール。
【請求項２８】
前記カバーがアルミナを含む、請求項２７に記載の電極モジュール。
【請求項２９】
前記カバーが断熱性材料又は複数の断熱性材料を含み、及び熱障壁を提供する、請求項２５から請求項２８までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項３０】
溶融塩電解質における固体供給原料の電解脱酸に用いられる、請求項１から請求項２９までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項３１】
前記固体供給原料が、金属酸化物を含む、請求項３０に記載の電極モジュール。
【請求項３２】
前記固体供給原料が、酸化チタン又は酸化タンタルである金属化合物又は金属酸化物、若しくは金属化合物又は金属酸化物の混合物である、請求項３１に記載の電極モジュール。
【請求項３３】
固体供給原料を電極のカソード面と接触する状態で保持可能である、請求項１から請求項３２までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項３４】
固体供給原料は、末端カソードのカソード面又はバイポーラ電極のカソード面と接触する、請求項３３に記載の電極モジュール。
【請求項３５】
前記モジュールが、使用時に水平方向に配向される電極を備える請求項１から請求項３４までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項３６】
前記電極のカソード面が上向きに面し、前記電極のアノード面が下向きに面する、請求項３５に記載の電極モジュール。
【請求項３７】
固体供給原料を前記電極の上向きに面する表面と接触する状態で保持可能である、請求項３３から請求項３６までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項３８】
前記電極がプレート状である、請求項３３から請求項３７までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項３９】
電極を懸垂するための懸垂ロッドを備え、前記懸垂ロッドが、金属合金から形成される、請求項１から請求項３８までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項４０】
前記懸垂ロッドが、高温で強度を保持する金属合金であるニッケル合金から形成される、請求項３９に記載の電極モジュール。
【請求項４１】
前記懸垂ロッドの少なくとも一部が、電気絶縁性材料で覆われる、請求項３９又は請求項４０に記載の電極モジュール。
【請求項４２】
前記電気絶縁性材料は、アルミナ又は窒化ホウ素である高温絶縁性材料を含む、請求項４１に記載の電極モジュール。
【請求項４３】
前記電極を空間的に分離した状態で保持するための電気絶縁性スペーサ要素を備え、前記電気絶縁性スペーサ要素が、セラミック材料から形成される、請求項１から請求項４２までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項４４】
前記電気絶縁性スペーサ要素の材料が、アルミナ、イットリア、及び窒化ホウ素からなる群から選択された材料から形成される、請求項４３に記載の電極モジュール。
【請求項４５】
前記電極がカソードを含み、前記電解チャンバ内の前記カソードと導電体との間の物理的接触によって前記カソードと電源との間に電気接続がなされる、請求項１から請求項４４までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項４６】
前記モジュールの上端で吊り上げ要素から懸垂可能であり、前記電解チャンバ内の隆起した台座に設置することができ、及び／又は前記カバーから懸垂可能である、請求項１から請求項４５までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項４７】
前記電解チャンバの中に下ろされ又は外に吊り上げられるときに前記モジュールの上端で吊り上げ要素から懸垂可能である、請求項４６に記載の電極モジュール。
【請求項４８】
前記電解チャンバと係合しているときに前記モジュールの下端で前記隆起した台座に設置することができる、請求項４６に記載の電極モジュール。
【請求項４９】
前記電解チャンバと係合しているときに前記カバーから懸垂可能である、請求項４６に記載の電極モジュール。
【請求項５０】
前記モジュールを上げる及び下ろすために前記モジュールを吊り上げ機構に結合するための結合手段を備える、請求項１から請求項４９までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項５１】
前記結合手段が、前記モジュールの上端に位置するｊスロットコネクタを備え、前記モジュール全体を前記ｊスロットコネクタから懸垂することができる、請求項５０に記載の電極モジュール。
【請求項５２】
前記電極がアノードを含み、前記アノード上の１つよりも多い点に前記アノードと電源との間の電気接続部を有する、請求項１から請求項５１までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項５３】
前記電極のうちの少なくとも１つの一部が、供給原料を装填するために前記モジュールから取り外し可能である、請求項１から請求項５２までのいずれかに記載の電極モジュール。
【請求項５４】
電解チャンバと、
請求項１から請求項５３までのいずれかで定義されるモジュールである取り外し可能な電極モジュールと、
を備える電解システム。
【請求項５５】
溶融塩電解質における固体供給原料の還元のために前記電解チャンバ内に保持される、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
前記電解チャンバが、前記モジュールが前記チャンバと係合しているときに前記取り外し可能な電極モジュールの電極と接触するための電気接触部を備える、請求項５４又は請求項５５に記載のシステム。
【請求項５７】
前記電解チャンバが、溶融塩を収容するための電気伝導性のるつぼを備える、請求項５４から請求項５６までのいずれかに記載のシステム。
【請求項５８】
前記電気伝導性のるつぼが、前記モジュールが前記チャンバと係合するときに前記取り外し可能な電極モジュールの電極と接触するための電気接触部を備える、請求項５７に記載のシステム。
【請求項５９】
複数の取り外し可能な電極モジュールを備え、前記各モジュールを前記電解チャンバと取り外し可能に係合させることができる、請求項５４から請求項５８までのいずれかに記載のシステム。
【請求項６０】
前記電解チャンバと係合させる前に及び／又は前記電解チャンバから解除係合した後で前記取り外し可能な電極モジュール又は前記取り外し可能な電極モジュールのうちの１つを収容するための移送モジュールをさらに備える、請求項５４から請求項５９までのいずれかに記載のシステム。
【請求項６１】
前記移送モジュールが開放可能な閉鎖体を備え、前記閉鎖体は、前記取り外し可能な電極モジュールが前記移送モジュールの中に送り込まれることを可能にするために開放可能である、請求項６０に記載のシステム。
【請求項６２】
前記移送モジュール内で制御された環境が維持されることが可能となるように、前記移送モジュールをシールすることができる、請求項６０又は請求項６１に記載のシステム。
【請求項６３】
前記電解チャンバの開口部を開放可能な閉鎖体によって閉じることができ、前記閉鎖体が、前記取り外し可能な電極モジュール又は前記取り外し可能な電極モジュールのうちの１つの通過を可能にするために開放可能である、請求項５４から請求項６２までのいずれかに記載のシステム。
【請求項６４】
電解チャンバの開口部が、弾性材料と前記取り外し可能な電極モジュールのカバーとの間にシールを形成することができるように前記弾性材料によって取り囲まれる、請求項５４から請求項６３までのいずれかに記載のシステム。
【請求項６５】
前記弾性材料が弾性黒鉛材料である、請求項６４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解装置、特に、電解反応に用いられる取り外し可能な電極モジュール、及び取り外し可能な電極モジュールを備える電解のためのシステムに関する。
【背景技術】
【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装置に関係する。従来技術から公知のように、こうしたプロセスは、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、工業規模で固体供給原料を還元するのにより適した電解装置、電解装置の構成部品、及び電解装置を用いる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、その種々の態様において、ここで参照がなされる添付の独立請求項において定義される場合の電解装置の電解チャンバと係合させるための取り外し可能な電極モジュール、取り外し可能な電極モジュールを備える電解システム、電解方法、及び電解モジュールのための電極を提供する。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、第１の態様では、本発明は、電解チャンバと係合させるための取り外し可能な電極モジュールを提供する可能性がある。取り外し可能な電極組立体又は取り外し可能な電極装置と代替的に呼ばれる場合がある取り外し可能な電極モジュールは、第１の電極、第２の電極、及び懸垂ロッドを備える懸垂構造体を備える。懸垂ロッドは、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。第２の電極は、懸垂構造体によって懸垂され又は支持され、懸垂構造体は、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さらに備える。
【００１０】
好ましくは、第１の電極は末端カソードであり、第２の電極は末端アノードであり、末端カソードと末端アノードとの間に電位が印加されることを可能にするために、末端カソードと末端アノードは電源に結合可能である。
【００１１】
電極モジュールは、固体供給原料の還元、好ましくは金属酸化物のような金属化合物の還元のために有利に用いられる可能性がある。好ましくは、固体供給原料は、固体供給原料を電解によって還元することができるように第１の電極の第１の表面と接触する状態で保持可能である。
【００１２】
電極モジュールは、モジュールが電解チャンバと係合しているときに電解チャンバを閉鎖する及び開放するためのカバーをさらに備えることが特に有利な場合がある。カバーは、好ましくは、電解チャンバの開口部をシールする及び／又は電極モジュールの重量の少なくとも一部を支持するために電解チャンバの開口部を取り囲む表面又はリムと相互作用する。電解チャンバ内の温度は、溶融塩における電解反応中に１２００℃ほどもの高さに達する可能性がある。さらに、典型的な電解反応中に、種々のガスが発生する。したがって、カバーは、電解反応中にチャンバをシールする又は電解チャンバの開口部へのシールとして作用できるのが有利な場合がある。
【００１３】
第２の態様では、本発明は、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る電解チャンバと係合させるための取り外し可能な電極モジュールを提供する可能性があり、供給原料は、カソードと接触する状態で保持される。
【００１４】
電極モジュールは、本発明の第１の態様に関連して上記で説明されたような電解チャンバを閉鎖する及び開放するためのカバーをさらに備えてもよい。
【００１５】
第３の態様では、本発明は、電解チャンバと係合させるための取り外し可能な電極モジュールを提供する可能性があり、取り外し可能な電極モジュールは、第１の電極及びカバーを備える。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、電解のために用いることができる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。
【００１６】
好ましくは、モジュールが電解チャンバと係合するときに、カバーが電解チャンバの開口部をシールする。上記で説明されたように、電解チャンバ内の温度は高い場合があり、ガスが発生する場合がある。したがって、電極モジュールのカバーが電解チャンバの開口部をシールすることが有利な場合がある。
【００１７】
有利には、電極モジュールの一実施形態は、第２の電極を備えてもよく、好ましくは、第１の電極はカソードであり、第２の電極はアノードである。
【００１８】
有利には、１つ又は複数の電極とカバーは、懸垂ロッドを備える懸垂構造体及び電気絶縁性スペーサ要素によって支持されてもよい。
【００１９】
第４の態様では、本発明は、電解チャンバと係合させるための取り外し可能な電極モジュールを提供する可能性があり、取り外し可能な電極モジュールは、モジュールが吊り上げられることを可能にする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。
【００２０】
モジュールは、１つよりも多い懸垂ロッドを備えてもよく、各懸垂ロッドの上端と吊り上げ要素との間に配置される弾性手段を有してもよい。好ましくは、弾性手段は、ばね、例えば、つる巻きばね又は皿ばねを含む。
【００２１】
以下の随意的な特徴は、上記で説明された４つの態様のうちのいずれかに係る取り外し可能な電極モジュールの一実施形態において提供される可能性がある。
【００２２】
モジュールは、炭素から形成された又は炭素を含むアノード、例えば、黒鉛を含むアノードを含んでもよい。アノードは、不活性アノード材料のような代替的な材料から作製されてもよい。
【００２３】
モジュールは、懸垂ロッドを含んでもよく、ロッドは、高温で強度を保持する金属材料から形成されてもよい。例えば、懸垂ロッドは、ステンレス鋼又は高強度低合金鋼から又はニッケル合金から形成されてもよい。種々の適切な高強度金属が当業者には公知である。
【００２４】
モジュールは、電気絶縁性スペーサ要素を含んでもよい。こうしたスペーサ要素は、セラミックのようなあらゆる適切な材料から形成されてもよい。電気絶縁性スペーサ要素として用いるのに適したセラミックは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、及び窒化ホウ素（ＢＮ）を含む可能性がある。
【００２５】
モジュールは、有利には、電解のために利用可能なカソード表面積を増加させるために１つ又は複数のバイポーラ要素を含んでもよい。バイポーラ電極を含むモジュールは、バイポーラ・スタックを含むものとして説明されてもよい。バイポーラ電極は、末端アノードと末端カソードとの間に電位が印加されるときにアノード面及びカソード面を発現させるように末端アノードと末端カソードとの間に置かれる電極である。バイポーラ・スタックを備えるモジュールは、バイポーラ電極よりも上に末端アノード及びバイポーラ電極よりも下に末端カソードをもつように配置されるのが有利である。この結果として、バイポーラ電極の上面はカソードとなり、これは電極の上面上の固体供給原料の保持を容易にする可能性がある。
【００２６】
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は、電気分解のような電解還元プロセスによって固体供給原料を還元するのに用いられることが有利な場合がある。例えば、還元は、ＷＯ９９／６４６３８で説明される場合のＦＦＣ  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ電気分解プロセス、又はＷＯ０３０７６６９０で説明される極プロセス、若しくはＷＯ０３／０４８３９９で説明される反応性金属変種（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  ｖａｒｉａｎｔ）によって行われてもよい。
【００２７】
固体供給原料は、好ましくは複数の構成単位からなる。供給原料の個々の構成単位は、顆粒又は粒子の形態、若しくは粉体加工方法によって作製されたプリフォームの形態であることが好ましい。こうしたプリフォームを作製するのに適した公知の粉体加工方法は、プレス、スリップキャスティング、及び押し出しを含むがこれらに限定されない。
【００２８】
粉体加工によって作製されたプリフォームは、プリルの形態であってもよい。粉体加工方法は、押し出し、噴霧乾燥、又はピンミキサなどのような公知の従来の製造技術のうちのいずれかを含んでもよい。形成されると、供給原料の幾つかの構成単位は、必要な機械的処理を可能にするのに十分なだけそれらの機械的強度を改善し／増加させるために焼結されてもよい。
【００２９】
供給原料は、モジュールの電極の表面上に疎に注ぐことができることが有利な場合がある。現在のところ、固体供給原料を還元するための多くの電解還元方法は、固体供給原料の個々の単位又は部分をカソードに結合するステップを含む。有利には、本発明は、単純にこれを上に注ぐことによって電極の上面上に大量の供給原料を導入できる又は配置できるようにする可能性がある。
【００３０】
供給原料は、電極モジュール内の個々の電極の上面上に分布されてもよい。好ましい実施形態では、供給原料は、装填するためのアクセスを可能にするために該要素の一部をモジュールから取り外すことによって個々の電極に適用されてもよい。アクセスは、例えば、電極の一部をモジュールの外に吊り上げる又はスライドさせること、供給原料を注ぐこと、又は供給原料をあらゆる他の方法で配置すること、及び電極の一部をモジュールの中に戻るように位置決めすること又はスライドさせることによって容易にされてもよい。
【００３１】
本発明の第５の態様は、固体供給原料を還元する方法であって、取り外し可能な電極モジュールの第１の電極の第１の表面上に固体供給原料を装填するステップであり、電極モジュールが第１の電極と第１の電極から間隔をおいて配置される第２の電極とを備え、電極の第１の表面が使用時にカソードとなることが可能である、ステップと、電極表面及び供給原料が電解チャンバ内に収容された溶融塩と接触するように取り外し可能な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、第１の電極の第１の表面でのカソード電位が供給原料の還元を引き起こすように電極モジュールに電圧を印加するステップと、を含む方法を提供する可能性がある。
【００３２】
電極モジュールは、本明細書に記載のいずれの電極モジュールであってもよい。
【００３３】
溶融塩（代替的に、融解塩、溶融塩電解質、又は電解質と呼ばれる場合がある）という用語は、単一の塩又は塩の混合物を含む系を指す場合がある。本願によって用いられる意味の内にある溶融塩はまた、酸化物のような塩でない成分を含む可能性がある。好ましい溶融塩は、ハロゲン化金属塩又はハロゲン化金属塩の混合物を含む。特に好ましい塩は、塩化カルシウムを含む可能性がある。好ましくは、塩は、溶解した酸化カルシウムを伴う塩化カルシウムのようなハロゲン化金属及び金属酸化物を含む可能性がある。１つよりも多い塩を用いるときに、例えば、用いられる塩の融点を下げるために、当該混合物の共晶又は近共晶組成物を用い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。
【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】
カソード及びアノードの直径は、もちろんこれと異なっていてもよい。例えば、直径は、約１００ｍｍから５０００ｍｍまでの範囲又はこれ以上であってもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、代替的に窒化ケイ素、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。第１のスペーサ要素６０は９０ｍｍの高さである。したがって、カソードベースプレート３０ａの上面と第１のバイポーラ電極４０ａの下側部分の下面との間の分離は９０ｍｍである。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
第１〜第８のスペーサ要素はすべて９０ｍｍの高さを有する。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。下向きに延びる脚部は、その上にトレイ組立体が設置されるカソード又はバイポーラ電極の上面から空間的に分離した状態でメッシュ１５３、１５６を保持する。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【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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