(57)【要約】  本発明は、電気分解セル、特にアルミニウムを生成するための電気分解セルであって、陰極と、上記陰極の上面に配置された液体アルミニウムからなる層と、上記層上に配置された溶解層と、上記溶解層上に配置された陽極とを備え、上記陰極は、当該陰極を通って垂直方向に延在する少なくとも１つの開口部を備え、上記開口部中に、当該開口部を通って垂直方向に延在しており、上記陽極および／または上記陰極に電気的に接続された、少なくとも１つの電流供給路を備え、上記陰極の上記開口部の外部に配置されており、少なくとも一部が垂直方向に延在し、上記陽極および／または上記陰極に電気的に接続された、少なくとも１つの他の電流供給路を備えている電気分解セルに関する。また、本発明は電気分解セルの陰極に関する。
2014517157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気分解セル、特にアルミニウムを生成するための電気分解セルであって、
陰極（１０）と、
前記陰極（１０）上面に配置された液体アルミニウムからなる層（１２）と、
前記層（１２）上に配置された溶解層（１４）と、
上記溶解層（１４）上に配置された陽極（１６）とを備え、
前記陰極（１０）は、当該陰極（１０）を貫通して垂直方向に延在する少なくとも１つの開口部（１８）を有しており、
前記開口部（１８）内には、当該開口部（１８）を貫通して垂直方向に延在しかつ前記陽極（１６）および／または前記陰極（１０）と導電的に接続された少なくとも１つの電流供給路（２０）が設けられており、さらに、
前記電気分解セルには、前記陰極（１０）の前記開口部（１８）外に配置された少なくとも１つのさらなる電流供給路（２２）が含まれており、該さらなる電流供給路（２２）は、少なくとも部分的に垂直方向に延在し、前記陰極（１０）および／または前記陽極（１６）と導電的に接続されていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項２】
請求項１に記載の電気分解セルであって、
上記開口部（１８）は、平面視において実質的に上記陰極（１０）の中心部に配置されており、上記電流供給路（２０）は、上記開口部（１８）を通っており、好ましくは上記陰極（１０）の上記開口部（１８）の中心部を通っていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は、少なくとも平面視した外形形状が概ね円形状であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は、少なくとも平面視した外形形状が概ね多角形の環状形状であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項５】
請求項４に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）における、平面視した形状が多角形の環状である上記外形形状の外周および／または内周がｎ個の角部を有する正多角形であり、
上記ｎは、３〜１００、好ましくは３〜１０、特に好ましくは３，４，５，６，７，あるいは８であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は複数の陰極ブロック（２４）から構成されており、複数の上記陰極ブロック（２４）は、上記開口部（１８）を通って延在する上記電流供給路（２０）の周囲に、周方向に沿って隣りの陰極ブロックと互いに隣接するように配置され、好ましくは環状の陰極を形成していることを特徴とする電気分解セル。
【請求項７】
請求項６に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）の少なくとも１つの陰極ブロック（２４）は、平面視した形状が、六角形、円環を分割した形状、あるいは台形であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）の内径と外径との比が、０.０１〜０.９９、好ましくは０.１〜０.８、特に好ましくは０.２〜０.６、さらに好ましくは０.３〜０.５の範囲内であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）における上記開口部（１８）の外側に配置された電流供給路（２２）を２〜１０本、好ましくは４〜８本、特に好ましくは５〜７本、さらに好ましくは６本備え、上記各電流供給路（２２）は、少なくとも一部が上記垂直方向に延在しており、上記陰極（１０）および／または上記陽極（１６）に電気的に接続されていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項１０】
請求項９に記載の電気分解セルであって、
上記電流供給路（２２）は、上記陰極（１０）の周方向および上記開口部（１８）を通って延在する上記電流供給路（２０）の周囲に沿って概ね等間隔で配置されており、好ましくは同心状に配置されていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は、当該陰極（１０）の下側に少なくとも２つのピン状の接触素子（２８）を備えていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電気分解セルであって、
上記ピン状の接触素子（２８）のうちの少なくとも１つは、上記陰極（１０）内に、上記垂直方向に対して３０°未満の角度で、好ましくは１０°未満の角度で、特に好ましくは垂直に延在していることを特徴とする電気分解セル。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の電気分解セルであって、
上記接触素子（２８）は、上記陰極（１０）から遠い側の端部が共通ベースプレート（３０）に導電接続されていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記陽極（１６）と上記液体アルミニウムからなる層（１２）との間の間隔が、１５〜４５ｍｍ、好ましくは１５〜３５ｍｍ、特に好ましくは１５〜２５ｍｍの範囲内であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項１５】
電気分解セルに用いられる陰極、特にアルミニウムを生成するための電気分解セルに用いられる陰極であって、
当該陰極（１０）を通って垂直に延在する少なくとも１つの開口部（１８）を備えていることを特徴とする陰極。
【請求項１６】
請求項１５に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）は、平面視した形状が環状形状、好ましくは概ね円形または多角形の環状形状であることを特徴とする陰極。
【請求項１７】
請求項１６に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）における、平面視した形状が多角形の環状である上記外形形状の外周および／または内周がｎ個の角部を有する正多角形であり、
上記ｎは、３〜１００、好ましくは３〜１０、特に好ましくは３，４，５，６，７，あるいは８であることを特徴とする陰極。
【請求項１８】
請求項１５から１７のいずれか１項に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）は複数の陰極ブロック（２４）から構成されており、複数の上記陰極ブロック（２４）は、上記陰極（１０）における上記開口部（１８）の周囲に、周方向に沿って隣りの陰極ブロックと互いに隣接するように配置されていることを特徴とする陰極。
【請求項１９】
請求項１８に記載の陰極であって、
少なくとも１つの上記陰極ブロック（２４）は、平面視した形状が、六角形、円環を分割した形状、あるいは台形であることを特徴とする陰極。
【請求項２０】
請求項１５から１９のいずれか１項に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）の内径と外径との比が、０.０１〜０.９９、好ましくは０.１〜０.８、特に好ましくは０.２〜０.６、さらに好ましくは０.３〜０.５の範囲内であることを特徴とする陰極。
【請求項２１】
請求項１５から２０のいずれか１項に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）は、当該陰極（１０）の下側に、１つのピン状の接触素子（２８）に対応する少なくとも２つの凹部を備えていることを特徴とする陰極。
【請求項２２】
請求項２１に記載の陰極であって、
上記凹部のうちの少なくとも１つは、上記垂直方向に対して、３０°未満、好ましくは１０°未満の角度で延在しており、特に好ましくは上記陰極（１０）内へ垂直に延在していることを特徴とする陰極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解セル、特にアルミニウムを生成するための電気分解セル、およびその種の電気分解セルに用いるのに適した陰極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気分解セルは、例えば、アルミニウムの電気分解生成のために用いられる。アルミニウムの電気分解生成は工業的には一般的にホールエルー法を用いて行われる。ホールエルー法では、酸化アルミニウムと氷晶石とからなる溶解液の電気分解が行われる。この方法では、氷晶石Ｎａ３［ＡｌＦ６］を用いることにより、融点が、純粋な酸化アルミニウムの融点２０４５℃から、氷晶石と酸化アルミニウムと弗化アルミニウムや弗化カルシウムなどの添加物との混合物の融点約９５０℃まで下げられる。
【０００３】
この方法において用いられる電気分解セルは、陰極を形成する多数の互いに隣接した陰極ブロックによって構成された陰極ベースを有している。セルの運用中に生じる熱的条件および化学的条件に耐えるために、一般に炭素含有物質からなる陰極が用いられる。一般に、各ケース内の陰極の下側には、各ケース内に配置された少なくとも１つの母線が配置され、それによって陽極を介して供給される電流が導電される。上記陰極の上面に配置された通常１５〜１５０ｃｍの高さである液体アルミニウムからなる層の約３〜５ｃｍ上に陽極が配置される。上記陽極は、複数の単体の陽極ブロックからなり、上記陽極と上記アルミニウムの表面との間に、電解質、すなわち酸化アルミニウムと氷晶石とを含む溶解液が配置される。約１０００℃の温度で電気分解を行っている期間中、アルミニウムは上記電解質よりも密度が大きいので、上記電解質の下層、すなわち上記陰極の上面と上記電解質層との中間層にアルミニウムの沈下物が形成される。上記電気分解の期間中、上記溶解液中に溶解した酸化アルミニウムはアルミニウムと酸素とに分解される。電気化学的に見ると、液体アルミニウムからなる層の表面においてアルミニウムイオンが減少してアルミニウム元素になるので、液体アルミニウムからなる層は実際の陰極である。しかしながら、以下の説明では、陰極という用語は電気化学的な観点からの陰極、すなわち液体アルミニウムからなる層を意味するものではなく、電気分解セルのベースを形成する、１または複数の陰極ブロックから構成される要素を意味するものとする。
【０００４】
ホールエルー法の重大な欠点は、エネルギ消費量が多い点である。１ｋｇのアルミニウムを生成するのに約１２〜１５ｋＷｈの電力エネルギが必要であり、生産コストの４０％を占めている。このため、生産コストを低減するために、この工程におけるエネルギ消費量をできるだけ低減することが求められている。
【０００５】
上記溶解液は特に上記液体アルミニウムからなる層および上記陰極の材料に比べて比較的高い電気抵抗性を有しているので、上記溶解液中でジュール散逸の形態で比較的大きなオーム損失が顕著に生じる。上記溶解液中での特有の比較的高い損失を考慮すると、上記溶解層の厚さ、すなわち上記陽極と上記液体アルミニウムからなる層との間隔をできるだけ低減することが求められる。しかしながら、電気分解中に電磁気の影響が生じること、およびそれによって上記液体アルミニウムからなる層に波が生じることから、上記溶解層の厚さを薄くしすぎると、上記陽極が上記液体アルミニウムからなる層に接触してしまい、電気分解セルの回路が短絡して上記アルミニウムが再酸化されてしまう場合がある。また、上記のような回路の短絡は、上記電気分解セルの摩耗量の増加、およびそれによる上記電気分解セルの寿命の短縮を招いてしまう。これらの理由から、上記陽極と上記液体アルミニウムからなる層との間隔は好き勝手に減少させることはできない。
【０００６】
上記液体アルミニウムからなる層、およびその上に配置された上記溶解層の波形成は、各地点での電流密度と当該各地点での磁束密度とのベクトル積として定められるローレンツ力密度によって生じる。
【０００７】
上記陽極および上記溶解層における電流密度分布は比較的均一であるが、上記アルミニウム層および上記陰極の表面における電流密度分布は、陰極の方向に電流密度の水平方向成分が強く生じるので非常に不均一である。この場合、上記の電流密度の強い水平方向成分は、同様の実質的に水平な方向の磁場とともに、高い垂直ローレンツ力密度を生じさせ、それによって、上述したように、特に上記アルミニウム層において強い波形成が生じる。これらの電流密度の陰極の方向における強い水平方向成分は、上記陰極および上記アルミニウム槽中における電気抵抗値が最も低い経路を通ることに起因する。電流供給素子から上記陰極の表面までの電気抵抗は、上記陰極の中央部を介して流れる場合よりも上記電流供給素子に近接した位置の側端領域を介して流れる場合の方が小さいので、上記陰極を流れる電流は典型的には当該陰極の側端領域に集中する。
【０００８】
上記アルミニウム層における波形成の増加に加えて、不均一な電流密度分布、および上記陰極の側端領域の電流密度が当該陰極の中央部の電流密度に比べて増加することにより、上記側端領域における上記陰極の摩耗量が増加する。これにより、その後の電気分解セルの長期間の動作により、上記陰極ブロックにおける当該陰極ブロックの長手方向の断面形状が典型的には概ねＷ形の摩耗形状になる。
【０００９】
このＷ形の摩耗形状を防止するために、例えば、ＷＯ２００７／１１８５１０Ａ２では、上記液体アルミニウムからなる層の領域における電流密度を均一化するように母線と当該母線を収容する溝とを適合させることが提案されている。しかしながら、この種の電気分解セルの場合でも、顕著な波が生じ（特にアルミニウム層において生じ）、その結果、上記陽極と上記液体アルミニウムからなる層との間の間隔を減少させることの実現性は制限される。
【００１０】
また、これとは別に、上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層における波形成を減少させるために、当該領域における磁束密度の量およびローレンツ力密度をできるだけ小さくするように、電気分解セルの陽極および陰極への電流供給路として、上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層の領域内に生じる磁場が小さくなる複雑な形状の電流供給路を用いることが知られている。しかしながら、この技術では、非常に複雑な形状の電流供給路を用いた場合であっても、少なくとも個々の領域には高い磁場が形成され、そこに波が形成される傾向があるので、上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層における波形成を劇的に減少させることは困難である。その原因を調べれば、電気分解セルおよび陰極は長方形の形状を有しており、個々の電流供給路を通って流れる電流によって円筒状の磁場が生じるという事実に突き当たる。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、動作期間中のエネルギ消費量を減少させて長寿命化することのできる電気分解セルを創作することにある。特に、結果として上記液体アルミニウムからなる層における波形成を増加させるような、短絡や形成されたアルミニウムの再酸化などの不安定状態を生じさせることなく、上記溶解層の厚さを減少させた電気分解セルを提供する。
【００１２】
本発明では、上記の目的を、特許請求項１に従った電気分解セルの準備、特にアルミニウムを生成するための電気分解セルの準備によって達成する。この電気分解セルは、陰極と、上記陰極の上面に配置された液体アルミニウムからなる層と、上記層上に配置された溶解層（例えば氷晶石を含む溶解層）と、上記溶解層上に配置された陽極とを備え、上記陰極は、当該陰極を通って垂直方向に延在する少なくとも１つの開口部を備え、上記開口部中に、当該開口部を通って垂直方向に延在し、上記陽極および／または上記陰極に電気的に接続された、少なくとも１つの電流供給路と、上記陰極の上記開口部の外部に配置されており、少なくとも一部が垂直方向に延在し、上記陽極および／または上記陰極に電気的に接続された、少なくとも１つの他の電流供給路とを備えている。
【００１３】
上記陰極の上記開口部内に当該開口部を通って垂直に延在するように設けられた電流供給路と、上記陰極の外側に配置された従来の電気分解セルと同様の少なくとも１つの外側電流供給路との組み合わせにより、磁場強度の減少、それによるローレンツ力の減少、および上記アルミニウム層における波形成傾向の減少を達成できるだけでなく、特に上記電気分解セルの断面における磁場強度の均一性、それによるローレンツ力密度分布の均一性、および上記アルミニウム層における波形成傾向の均一性を達成することができる。上記陰極の上記開口部内に、少なくとも１つの外側電流供給路に関して整流された方向に電流が流れる電流供給路を設けることにより、上記陰極の開口部の外側に配置された少なくとも１つの電流供給路を通って流れる電流によって生成される磁場とは反対方向の磁場が生成される。このため、上記陰極の上記開口部内に設けられた電源供給路によって生成された磁場は、少なくとも１つの上記外側電源供給路に流れる電流によって生成された磁場を相殺する。それぞれの電流供給路の電流強度を調整することにより、磁場の相殺を最適化することができる。特に、複数の外側電源供給路を上記陰極の上記開口部内に設けられた電流供給路の周囲に均等に並べて配置することにより、特に完全な磁場の相殺、および／または、特に均一な磁場分布を達成することができる。
【００１４】
したがって、本発明の電気分解セルによれば、従来の電気分解セルでは複雑な形状の電流供給路を用いた場合であっても回避できなかった個々の領域における磁束密度の増大を、電流供給路の形状自体の複雑化を必要とすることなく効果的に回避することができる。特に、本発明によれば、製造費用および設置費用が高額になるような少なくとも１つの外側電流路の幾何学的な形状の複雑化を伴うことなく、上記陰極の上記開口部を通って垂直方向に延在する電流供給路の個々の導電部を用いて、磁束密度を格段に低減し、かつ格段に均一化することができる。この方法により、上記電気分解セルにおける上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層での波形成を著しく低減することができるので、上記陽極を、上記液体アルミニウムからなる層からの距離を短縮した位置にリスクを伴わずに配置することができる。その結果、上記電気分解セルの運用期間中における寿命、安定性、およびエネルギ効率を著しく増大させることができる。
【００１５】
本発明における「上記陰極を通って垂直方向に延在する開口部」は、垂直方向に対して４５°未満、好ましくは３０°未満、特に好ましくは１５°未満、さらに好ましくは５°未満、最も好ましくは０°の角度で上記陰極を通って延在することを意味している。上記陰極の断面における上記開口部の端部は、垂直方向に対して傾斜した方向に延在していてもよく、平行な方向に延在していてもよい。したがって、上記開口部は、例えば、特定の多角形のベース面を有する傾斜した柱状あるいは平行な柱状の形状を有していてもよく、傾斜した筒状あるいは平行な筒状の形状を有していてもよい。あるいは、上記開口部は、上記垂直方向について先細りになった形状であってもよく、概ね円錐台である形状であってもよく、先端を切除したピラミッド形状であってもよい。同様に、「上記開口部を通って垂直方向に延在する電流供給路」は、上記開口部を通って、垂直方向に対して４５°未満、好ましくは３０°未満、特に好ましくは１５°未満、さらに好ましくは５°未満、最も好ましくは０°の角度で延在することを意味している。また、「少なくとも一部が垂直方向に延在している他の電流供給路」は、垂直方向に対して、少なくとも一部が４５°未満、好ましくは３０°未満、特に好ましくは１５°未満、さらに好ましくは５°未満、最も好ましくは０°の角度で延在した電流供給路を意味する。
【００１６】
また、上記液体アルミニウムからなる層、上記溶解層、および上記陽極の平面視における形状は、上記陰極の外形に実質的に対応した形状であることが好ましい。また、上記陰極の上記開口部は、上記電気分解セル全体を通って垂直方向に延在していることが好ましい。
【００１７】
上記陰極における上記少なくとも１つの開口部が平面視において実質的に中心部に配置されている場合に、特に良好な結果が得られる。この実施例では、上記開口部を通って延在する上記少なくとも１つの電流供給路は、実質的に上記開口部の中心部、すなわち実質的に上記陰極の中心部を通ることが特に好ましい。上記開口部がこのように配置されている場合、上記陰極における上記開口部の周囲に位置する領域において磁場を特に均一に相殺することができる。
【００１８】
上述したように、上記陰極の上記開口部を通って延在する電流供給路は、上記陰極の上に配置された上記液体アルミニウムからなる層、その上に配置された上記溶解層、およびその上に配置された上記陽極を通って延在していてもよい。この場合、上記液体アルミニウムからなる層、その上に配置された上記溶解層、その上に配置された上記陽極、および１つの開口部が各ケース内に形成されており、上記開口部は、上記液体アルミニウムからなる層、上記溶解層、および上記陽極を通って垂直方向に延在しており、上記電気分解セルを上方から見たときに上記陰極の上記開口部に位置合わせされている。言い換えれば、上記液体アルミニウムからなる層、その上に配置された上記溶解層、およびその上に配置された上記陽極は、上記陰極と同様の法則で形作られている。なお、上記電流供給路が上記液体アルミニウムからなる層、上記溶解層、および上記陽極のうちの１つまたは２つのみの上記開口部を通って延在していてもよく、上記陰極の開口部のみを通って延在していてもよい。したがって、上記電気分解セルは、陰極、液体アルミニウムからなる層、溶解層、および陽極からなるグループの中から選択される上記電気分解セルの構成要素の１または複数、あるいは全てを通って垂直方向に延在する全体として１つの開口部を有し、上記開口部内に、当該開口部を通って垂直方向に延在し、上記陽極および／または上記陰極に電気的に接続された少なくとも１つの電流供給路が設けられていてもよい。なお、「上記陰極の開口部」という表現が上述あるいは後述されている場合、当該表現は、上記陰極だけを通って延在する構成に限られるものではなく、上述したように上記陰極に加えて上記電気分解セルの他の構成要素を通って延在する開口部も含む。
【００１９】
上記内側電流供給路は、少なくとも１つの開口部内における少なくとも長手方向の一部、特に上記開口部内の長手方向の全域において、それぞれの開口部を囲む構成要素（例えば、陰極、液体アルミニウムからなる層、溶解層、および陽極など）に直接電気的に接続されておらず、上記電気分解セルのそれぞれの構成要素から電気的に絶縁されていることが好ましい。この目的のために、上記内側電流供給路は、上記開口部内において、長手方向の全域で上記電気分解セルのそれぞれの構成要素から離間して配置されている構成、および／または、電気絶縁物質あるいは空気などの電気絶縁媒体で囲まれている構成であってもよい。少なくとも１つの開口部が上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層を通って延在している場合、上記内側電流供給路は、少なくとも上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層に形成された開口部を通って延在する部分の長手方向全域において上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層と電気的に絶縁されていることが好ましく、上記陰極および上記陽極に設けられた開口部を通って延在する部分の長手方向全域において上記陰極および上記陽極と電気的に絶縁されていることが特に好ましい。
【００２０】
基本的に、上記陰極は、当業者に公知である任意の方法で形成することができる。例えば、上記陰極は、上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層の収容容器を構成する、上記液体アルミニウムからなる層または上記溶解層を収容する槽の底部を構成するものであってもよい。上記収容容器は、上記液体アルミニウムからなる層または上記溶解層に形成された開口部の周りに環状に伸びていることが好ましい。この実施例では、上記収容容器は上記槽の外壁によって上記開口部方向の境界が規定されており、上記内側電流供給路は上記外壁によって形成されるたて坑を通って延在しており、上記内側電流供給路は上記たて抗を形成している上記外壁から離間していることが好ましい。この場合、上記収容容器の側壁は耐熱性材料で構成されていてもよい。
【００２１】
本発明では、平面視において環状の形状を有する陰極を提案している。これにより、開口部が中央に配置された陰極を特に容易に形成することができる。この場合、上記電気分解セルの上記液体アルミニウムからなる層、上記溶解層、および上記陽極は、平面視において上記陰極に対応する環状形状を有している。本発明において、上記電気分解セルの環状形状の構成要素（すなわち上記陰極、上記液体アルミニウムからなる層、上記溶解層、および上記陽極）とは、それぞれの構成要素が環状形状であることを意味しており、上記環状形状は閉じた環状であってもよく、１または複数箇所が開いた環状であってもよい。特に、上記陰極、上記液体アルミニウムからなる層、および上記溶解層の場合、閉じた環状に形成することが好ましいが、上記陽極は、例えば複数箇所が開いている分割された環状形状などの、開いた環状に形成されることが好ましい。上記の開いた環状形状は、例えば、上記開口部の周りに互いに離間して環状に配置された複数の陽極ブロックからなる形状であってもよい。
【００２２】
本発明において、内側電流供給路および外側電流供給路は同じ電極に接続されていることが好ましく、当該構成は、例えば、内側電流供給路および外側電流供給路を電極に直接接続された共通の電流導電体に直接接続することによって実現できる。
【００２３】
本発明のさらに有利な実施例では、上記陰極は、少なくとも平面視において概ね円環状の形状を有している。これにより、上記陰極の幾何学形状によって電流供給路の磁束密度の回転対称性を再現することができる。この構成では、上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層における磁場の相殺効果を特に効果的に得ることができ、その結果、波形成をより有効に減少させ、上記電気分解セルの安定性およびエネルギ効率をさらに増大させることができる。上記陰極は上記開口部の周りに伸びる閉じた環状に形成されていてもよい。あるいは、上記陰極は、１または複数の部分が開いている部分的に閉じた環状であってもよい。
【００２４】
本発明の他の実施例として、上記陰極は平面視した形状が少なくとも概ね多角形の環状であってもよい。その結果として、特に多数の角部を有する多角形の環状形状の場合、好ましい形状である円環形状と近似した有利な効果を得ることができ、さらに、多角形の環状形状の陰極は円環形状の陰極よりもより単純でよりコスト効果に優れた方法で製造することができる。平面視における外形の外周形状および／または内側形状が多角形の環状形状である陰極が、規則的に配置されたｎ個の角部を有し、上記ｎが３〜１００、好ましくは３〜１０、特に好ましくは３、４、５、６、７、または８である陰極の場合に特に良好な結果が得られる。単純さやコスト効率の高い生産性と良好な環状形状に近づけることとの妥協点として、この実施例では６〜８個の角部を有する正多角形の形状を有する陰極が最も好ましい。
【００２５】
基本的に、上記電気分解セルの上記陰極は、単一部分からなる構成であってもよく、複数部分からなる構成であってもよいが、生産技術の観点からは複数部分からなる構成が好ましい。この場合、複数部分からなる構成における上記陰極を形成する個々の陰極ブロックは、上記開口部を通って延在する上記電流供給路の周りで次の陰極ブロックと隣接して配置され、環状の陰極を形成することが好ましい。この場合、円形あるいは多角形の環状形状であることが好ましい。上記陰極をセグメント毎に分割された構成にすることより、個々の構成要素の準備、および上記電気分解セルの設置時の組立を容易にすることができる。
【００２６】
本発明の発展形として、低い生産経費で磁束密度の相殺に関して好ましい形状である円形形状に十分に近似することのできる多角形の環状形状の陰極を実現するために、複数部分からなる構成において上記陰極における少なくとも１つの陰極ブロック（好ましくは全ての陰極ブロック）を、平面視において、六角形形状、円を分割した形状、あるいは台形形状とすることを提案する。略六角形形状あるいは略台形形状の陰極ブロックを用いる場合、上記陰極は、例えば６個のそれらの陰極ブロックを当該陰極の上記開口部の周りに円周方向に並べて配置した構成であってもよい。実質的に台形の陰極ブロックは、長方形の未完成体を長手方向と交差する角度で、切断部毎に上記角度の傾斜方向を反転させて切断するという、特に単純な方法で生成することができる。
【００２７】
本発明の他の有利な実施例では、上記陰極の内径と外径との比を０.０１〜０.９９、好ましくは０.１〜０.８、特に好ましくは０.２〜０.６、さらに好ましくは０.３〜０.５に設定する。これにより、特に上記電気分解セルの水平方向の設置空間を比較的狭くする必要がある場合に、上記液体アルミニウムからなる層の全域および上記溶解層の全域において磁束密度を非常に高程度に相殺することができる。上記少なくとも１つの開口部が上記液体アルミニウムからなる層、上記溶解層、および上記陽極のうちの１または複数を通って延在する場合、それらの構成要素の内径と外径との比についても上述した数値範囲に設定することが好ましい。この場合、内径とは、水平面内において、上記開口部の内側周囲を切断することなく上記電気分解セルの各要素の上記開口部内に配置することのできる最大の円の直径を意味している。また、外形とは、水平面内において、上記各要素の外側周囲を切断することなく上記電気分解セルの各要素の外側周囲の周りに配置することのできる最小の円の直径を意味している。
【００２８】
本発明の概念の発展形として、上記電気分解セルは、複数の電流供給路、好ましくは２〜１０本、より好ましくは４〜８本、特に好ましくは５〜７本、さらに好ましくは６本の電流供給路が上記陰極の上記開口部の外側に配置されている構成であってもよい。この場合、上記電気分解セルにおける上記陰極の開口部の外側に配置された全ての電流供給路は、少なくとも一部が垂直方向に延在し、上記陰極および／または上記陽極に接続されていることが好ましい。これにより、上記電流供給路を流れる電流によって生じる磁束密度によって互いの磁束密度をより効果的に相殺することができ、上記電気分解セルの動作期間中における安定性およびエネルギ効率をさらに増大させることができる。上記陰極の開口部の外部に配置された電流供給路の数が上記陰極を形成する陰極ブロックの数と同数である場合、対称性の高い配置にすることにより、特に良好な磁束密度の相殺効果が得られる。
【００２９】
他の電流供給路を、少なくともほぼ規則正しく配置すること、すなわち、上記陰極の周方向に沿う方向かつ上記開口部を通って延在する上記電流供給路の周りに沿う方向においてほぼ規則的な角度間隔で配置することにより、磁束密度分布の最適な相殺を実現することができる。この場合、上記他の電流供給路あるいは外側電流供給路は、上記開口部を通って延在する電流供給路の周りに同軸状に配置されることが好ましい。
【００３０】
一般に、電気分解で用いられる電気的なセル全体の電流は、上記陰極の開口部を通って延在する少なくとも１つの電流供給路と、上記陰極の開口部の外側に配置された上記電気分解セルの１または複数の電流供給路とを通って流れることが好ましい。この場合、上記陰極の上記開口部を通って延在する上記電流供給路および上記他の電流供給路には、上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層の領域において最適な磁場の相殺を達成できるようにセル電流が分配される（例えば上記各電流供給路の導電断面に応じて分配される）。
【００３１】
上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層における波形成をさらに低減するために、本発明の発展形として、上記陰極が、電流を伝達可能に当該陰極に接触する少なくとも２つのピン状の接触素子を当該陰極の下側に備えている構成としてもよい。陰極内に横側から延在する従来の母線の場合に比べて、このタイプの接触により、上記陰極、その上に配置された上記液体アルミニウムからなる層、および上記溶解層の表面における電流密度分布を、上記陰極の表面全体にわたって特に均一な電流密度分布を生じさせるように適合させることができる。この方法では、上記液体アルミニウムからなる層における電流密度の水平方向成分の発生ができる限り防止され、それによって上記液体アルミニウムからなる層および上記溶解層における波形成が最小化される。
【００３２】
本発明のさらに有利な実施例では、少なくとも１つの上記ピン状の接触素子、好ましくは全ての接触素子が、上記垂直方向に対して３０°未満の角度で上記陰極内に延在していることが好ましく、上記垂直方向に対して１０°未満の角度で上記陰極内に延在していることがより好ましく、上記陰極内に垂直に延在していることがさらに好ましい。これにより、上記接触素子と上記陰極との特に良好な電気的接触を実現することができる。
【００３３】
上記接触素子は、上記陰極から遠い側の端部が共通のベースプレートに電気的に導通するように接続されている。これにより、良好な機械的固定と全ての接続素子の良好な電気的接続とを実現できる。上記ベースプレートは、例えば、上記陰極の下側の少なくとも一部の領域に直接対向するように配置されており、上記陰極に直接電気的に接触する突起を備えた構成であってもよい。あるいは、上記ベースプレートは、上記陰極の下面から離間して配置されていてもよい。
【００３４】
上記接触素子が上記陰極中に延在している場合、上記接触素子は上記陰極に螺子止めにより接続されており、上記螺子止めのねじ山が当該接触素子の外側にあることが好ましい。原則として、上記接触素子および上記ベースプレートの材質は、適切な電導性を有する材質であればよく、鉄、アルミニウム、銅、および／または炭素含有材料、あるいは黒鉛などを好適に用いることができる。
【００３５】
上記接触素子の長さは１００〜５００ｍｍであることが好ましく、上記接触素子の直径は３０〜２００ｍｍであることが好ましい。上記接触素子を、上記陰極のベース領域における少なくとも一部の領域に、１平方メートルあたり４〜１０００個の密度で配置してもよい。上記接触素子の分布を上記密度にすることにより、上記陰極の表面において特に均一な電流密度分布を得ることができる。
【００３６】
上記陽極と上記液体アルミニウムからなる層との間隔を１５〜４５ｍｍ、より好ましくは１５〜３５ｍｍ、特に好ましくは１５〜２５ｍｍにすることにすれば、上記電気分解セルのエネルギ効率を特に高くすることができる。エネルギ効率の観点からは、原則的に間隔をできるだけ狭くするべきであるが、そこで生成されるジュール熱によって電気分解セルの動作温度を維持するためには、ある最小の間隔にすることが有利である。上記の狭い間隔は、上記陰極の上記開口部を通って延在する上記電流供給路によって磁場を相殺し、その結果として上記液体アルミニウム層での波形成の傾向を低減することにより可能になる。
【００３７】
上記電気分解セルの摩擦抵抗をさらに増大させるために、本発明の発展形として、上記陰極あるいは上記陰極を形成する陰極ブロックのうちの少なくとも１つが、黒鉛および／または無定形炭素に加えて融点が少なくとも１０００℃以上である少なくとも１つの硬質材料を含む黒鉛複合材料あるいは炭素複合材料を含むか、または上記黒鉛複合材料あるいは炭素複合材料そのものからなることが好ましい。上記黒鉛複合材料あるいは炭素複合材料は、特に、１〜５０重量％、特に好ましくは１５〜５０重量％の上記硬質材料を含むことが好ましい。この場合、硬質材料とは、この用語の通常の技術的な定義に従って、特に高い硬度によって特徴づけられる材質を意味しており、特に１０００℃以上の高温でも高い硬度を有している材質を意味している。上記のような硬質材料を加えることにより、上記陰極における上記液体アルミニウムからなる層に面する表面が動作期間中に摩耗することを防止あるいは低減できる。この目的のために、上記陰極が２層構造、すなわち、上記液体アルミニウムからなる層に面する側に形成された上記硬質材料を含む炭素複合材料および／または黒鉛複合材料からなる保護層と、その下に配置された例えば硬質材料なしの黒鉛からなるベース層とを有する構成であってもよい。この場合、上記硬質材料は、例えば、ＤＩＮ  ＥＮ  ８４３−４に従ったヌープ硬度測定値が１０００Ｎ／ｍｍ2以上、好ましくは１５００Ｎ／ｍｍ2以上、特に好ましくは２０００Ｎ／ｍｍ2以上、さらに好ましくは２５００Ｎ／ｍｍ2以上であってもよく、例えば、二ホウ化チタン、二ホウ化ジルコニウム、二ホウ化タンタル炭化チタン、炭化ホウ素、炭窒化チタン、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化バナジウム、窒化チタン、窒化ホウ素、窒化ケイ素、二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、および上述した合成物のうちの２つ以上の化学化合物および／または混合物を含むグループの中から選択されるものであってもよい。
【００３８】
本発明のさらに好ましい実施例では、上記陰極における上記液体アルミニウムからなる層が配置される面の少なくとも一部に例えば上述した硬質材料を含む上記陰極の保護層が形成されている。そのような表面形状により、上記電気分解セルの動作期間中の上記液体アルミニウムからなる層における波形成を特に効果的に防止することができる。この場合、上記陰極の上記面に複数の凸部および／または凹部が設けられていてもよい。上記凹部の深さは、１０〜９０ｍｍであることが好ましく、４０〜９０ｍｍであることが特に好ましく、６０〜８０ｍｍであることがさらに好ましい。
【００３９】
本発明の他の主題は、電気分解セルに用いられる陰極、特にアルミニウムを生成するための電気分解セルに用いられる陰極であって、上記陰極を通って垂直方向に延在する少なくとも１つの開口部を有する陰極である。このタイプの陰極は、上述した本発明の電気分解セルに用いられるのに適している。上述した電気分解セルに関する利点および有利な実施例は、本発明の上記陰極に適用できる限り有効である。
【００４０】
上記陰極は、少なくとも近似的に環状であることが好ましく、平面視において少なくとも近似的に円形または多角形の環状形状であることが好ましい。
【００４１】
本発明のさらに有利な実施例では、平面視で多角形である上記陰極の外周形状および／または内周形状が、少なくとも実質的に規則的に配置されたｎ個の角部を有する多角形であることが好ましく、上記ｎは、好ましくは３〜１００、特に好ましくは３〜１０、さらに好ましくは３、４、５、６、７、または８である。これにより、上記陰極を、特に単純な技術的方法、かつ特に単純な製造方法により、最適であると考えられる円形形状に近づけることができる。
【００４２】
本発明の陰極は、当該陰極における上記開口部の周囲に、周方向に沿って隣りの陰極ブロックと互いに隣接するように配置された複数の陰極ブロックからなる構成であってもよい。
【００４３】
この場合、少なくとも１つの上記陰極ブロック、好ましくは全ての上記陰極ブロックは、平面視した形状が、略六角形、概ね円環を分割した形状、あるいは略台形であることが好ましい。このタイプの基本的な形状は簡単に生成することができ、個々の陰極ブロックを組み立てることによって得られる少なくとも略円環形状の陰極の生成に特に適している。上記陰極ブロックは、押し付け、あるいは別の適切な方法により、互いに接続されていてもよい。
【００４４】
本発明のさらに有利な実施例では、内径と外径との比が、０.０１〜０.９９、好ましくは０.１〜０.８、特に好ましくは０.２〜０.６、さらに好ましくは０.３〜０.５の範囲内である陰極を用いる。これにより、上記陰極の全体において、特に磁束密度を均一かつ小さくすることができるとともに、上記陰極の水平面内の広さに対する空間を有効に利用することができる。
【００４５】
本発明のさらに有利な実施例では、上記陰極は、当該陰極の下側に１つのピン状の接触素子に対応する少なくとも２つの凹部を備えている。その結果、上記陰極の上記凹部内に挿入されたピン状の接触端子を介して上記陰極を接触させることができるので、上記陰極の表面、その上に配置された上記液体アルミニウムからなる層、および上記溶解層における電流密度分布を、上記陰極の表面全体にわたって均一な電流密度分布が得られるように適応させることができる。
【００４６】
ピン状の接触素子に対応する上記凹部のうちの少なくとも１つ、好ましくは全部は、上記垂直方向に対して３０°未満の角度で延在していることが好ましく、１０°未満の角度で延在していることがより好ましく、上記陰極内に垂直に延在していることがさらに好ましい。これにより、上記陰極の上記各凹部に形成されたピン状の接触素子と上記陰極との間で特に良好な電気的接触を提供することができる。
【００４７】
この場合、上記陰極は、当該陰極の凹部内に配置されたピン状の接触素子に螺子接続によって接続されていることが好ましく、上記凹部は当該凹部の内側に螺子接続のための雌ねじ部を有していることが好ましい。
【００４８】
上記ピン状の接触端子に対応する上記凹部の長さは１００〜５００ｍｍであることが好ましく、上記ピン状の接触端子に対応する上記凹部の直径は３０〜２００ｍｍであることが好ましい。上記ピン状の接触素子のための上記凹部を、上記陰極のベース領域に、１平方メートルあたり４〜１０００個の密度で配置してもよい。上記凹部の密度をそのように設定することにより、上記凹部に挿入された上記接触端子の分布を、上記陰極の表面における電流密度の分布が少なくとも均一にまるように適合させることができる。
【００４９】
以下では、本発明について、添付図面を参照しながら有利な実施例に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来技術にかかる電気分解セルの断面図
【図２】本発明の実施例にかかる、垂直方向に接触する陰極を有する電気分解セルの一部を示す平面図
【図３】本発明の実施例にかかる電気分解セルのセグメントを示す透視図
【図４】図３に示した本発明の実施例にかかる電気分解セルのセグメントにおける電流の流れを示す概略図
【図５】ａ〜ｃは、図２、３、および４に示した本発明の実施例にかかる電気分解セルのセグメントの陰極の表面における電流密度分布（図５ａ）と、比較対象としての、従来技術にかかる電気分解セルの陰極の表面における電流密度分布（図５ｂ）とを示した図
【図６】ａ〜ｃは、図２、３、および４に示した本発明の実施例にかかる電気分解セルのセグメントの液体アルミニウムからなる層と溶解層との間の境界表面における磁束密度の分布（図６ａ）と、比較対象としての、従来技術にかかる電気分解セルのセグメントの液体アルミニウムからなる層と溶解層との間の境界表面における磁束密度の分布（図６ｂ）とを示した図
【図７】本発明の実施例にかかる電気分解セルの陰極の平面図、および上記陰極の典型的な製造方法を示す図
【図８】本発明の他の実施例にかかる電気分解セルの陰極の平面図
【図９】本発明のさらに他の実施例にかかる電気分解セルの陰極の平面図
【図１０】本発明のさらに他の実施例にかかる、水平方向に接触する陰極を有する電気分解セルのセグメントの透視図
【図１１】本発明のさらに他の実施例にかかる電気分解セルの透視図
【図１２】本発明のさらに他の実施例にかかる電気分解セルの透視図
【図１３】本発明のさらに他の実施例にかかる電気分解セルを示す図
【図１４】図１３に示した電気分解セルの断面図において電流の流れ方向を示した図
【００５１】
実施例の説明
図１は、従来技術にかかる電気分解セルの断面図である。従来の四角形の陰極１０’によって陰極底部が形成された電気分解セルでは、当該陰極１０’の上に液体アルミニウムからなる層１２が配置される。液体アルミニウムからなる上記層１２は、当該層１２の上に配置された溶解層１４と接している。陽極１６は、溶解層１４の上に配置されており、溶解層１４中に浸された複数の陽極ブロック２７からなる。陽極ブロック２７は、外部電流源２２と導電接続されている。図１に示した電気分解セルの陰極１０’は、陰極１０’内を横方向に延在する母線３４に導電接続されている。
【００５２】
図２は、本発明の実施例にかかる電気分解セルの平面図である。この電気分解セルは、陰極１０、陰極１０の上面側に配置された液体アルミニウムからなる層１２（図示せず）、その上に配置された溶解層１４（図示せず）、および溶解槽１４の上に配置された陽極１６（図示せず）を有している。図２では、電気分解セルの陰極１０上に露出する部分を示しており、最後に言及した要素については図示していない。液体アルミニウムからなる層１２、溶解層１４、および陽極１６は、図２には図示していないが、図２に示した陰極１０の平面形状に対応する形状を有している。
【００５３】
陰極１０は、当該陰極１０を通って垂直方向（すなわち図２の平面に垂直な方向）に延在する開口部１８を有している。開口部１８内には、当該開口部を通って延在し、陽極１６（図示せず）に導電接続される「内側」電流供給路２０が配置されている。
【００５４】
上記電気分解セルは、上記内部電流供給部２０に加えて、上記開口部１８の外側に配置された複数の「外側」電流供給路２２を有している。「外側」電流供給路２２は、上記陰極の中心から横にずれた位置に配置され、垂直方向上方に延在しており、図３に示すような陽極１６に接続されている。上記外側電流供給路２２は、開口部１８の周囲に等角度間隔で実質的に環状に配置されている。
【００５５】
陰極１０は、図示したように、実質的に正六角形の環状の形状を有しており、陰極２０の外周および内周の両方が同軸に配置された正六角形形状になっている。これにより、陰極１０の形状は、同心円に緊密に接近し、同心円と単純に比較して生成することができる。
【００５６】
この実施例では、陰極１０は、複数のセグメントあるいは複数の陰極ブロック２４からなる。各陰極ブロック２４は、平面視において対称な台形の外形を有しており、六角形の環状の陰極１０を形成するように開口部１８の周りに周方向に沿って互いに隣接して配置されている。
【００５７】
陰極１０は、平面図に示したように、図２に示した複数の陰極ブロック２４の中心を通る３つの垂直な対称面２６に対して６重に折り重なる対称構造を有している。また、陰極１０は、互いに隣接する２つの陰極ブロック２４同士の間に位置する、陰極ブロック２４の側面に沿って延在する図２には示していない３つの対称面に対して６重に折り重なる対称構造を有している。
【００５８】
図３は、本発明の実施例にかかる台形の陰極ブロック２４によって形成される電気分解セルのセグメントを示しており、図２に示した平面図の実施例に対応している。この例では、個々の導電部、すなわち陽極１６上に陽極１６と接するように組み合わされる内部電流路２０および外部電流路２２が示されている。また、図３に示したように、陽極１６は複数の陽極ブロック２７からなり、個々の陽極ブロック２７は陰極ブロック２４に対応しており、実質的に対称な台形の外形を有している。各陽極ブロック２７は原則として１または複数の電流供給路２０，２２と接触しており、複数の陽極ブロック２７は、必須ではないが、当該陽極ブロック２７の側面に沿って互いに導電接続されていてもよい。この場合、各陽極ブロック２７が、導電性の懸架部材２５に懸架され、当該懸架部材２５を介して電気的に接続されていてもよい。
【００５９】
陰極１０には、複数のピン状の接触素子２８が下方から電気的に接続されている。上記各接触素子２８は陰極１０の下側から陰極１０内に垂直に延在しており、それら各接触素子２８における陰極１０から遠い側の面は共通ベースプレート３０に電気的に接続されている。共通ベースプレート３０は、電流導線２９を介して電流源に接続されている。
【００６０】
図４は、図３に示した電気分解セルのセグメントにおける電流の流れを矢印３１によって可視的に示したものである。内側電流路２０内を上方に向けて流れる電流と外側電流路２２内を上方に向けて流れる電流により１つの磁場が生成される。内側電流路２０および外側電流路２２によって生成された磁場は、実質的に陰極１０、液体アルミニウムからなる層１２、溶解層１４、および陽極１６の領域において相殺され、非常に小さく、かつ非常に均質な磁束密度分布を特に液体アルミニウムからなる層１２および溶解層１４に与える。図４に示したように、陽極１６、溶解層１４、液体アルミニウムからなる層１２、および陰極１０を流れる全体の電気分解電流は、電流供給路２０，２２によって供給される。電気分解電流の一方の内側電流路２０および他方の外側電流路２２への配分は、環状の陽極１０の領域における磁場を最適に打ち消すように、電流供給路２０，２２の断面積に応じて設定することが好ましい。図２に示されているように、内側電流路２０および外側電流路２２は端部における導体の断面積が互いに異なっている。
【００６１】
図５ａは、図３および図４の平面図に示した電気分解セルのセグメントの陰極表面における電流密度の垂直方向成分の分布を示している。
【００６２】
図５ａに示したように、図２、図３、および図４に示したピン状の接触素子２８によって接触する特定の形態により、陰極ブロックの表面全体にわたって電流密度の垂直方向成分の優れた均一性を達成できる。この方法により、電流密度の水平方向成分はできる限り防止できるので、陰極１０の接触による液体アルミニウムからなる層１２および溶解層１４の波形成および陰極１０の摩耗を減少させることができる。
【００６３】
図５ｂは、従来の電気分解セルにおける従来の四角形の陰極１０’の表面での電流密度の垂直方向成分の分布を図５ａに対応して示したものである。
【００６４】
図５ａと図５ｂとを比較すると、図３および図４に示した電気分解セルにおける陰極表面での電流密度分布の垂直成分の分布は、図５ｂに示した従来の陰極１０’の表面における電流密度の垂直成分の分布よりも極めて平坦であることがわかる。
【００６５】
図５ｃは、図５ａおよび図５ｂに示した陰影に対応する、陰極表面の各地点における電流密度の垂直方向成分の値の凡例である。
【００６６】
図６ａは、図３および図４に示した電気分解セルのセグメントにおける液体アルミニウムからなる層１２と溶解層１４との間の境界面での磁束密度の値の分布を示している。
【００６７】
図６ｂは、従来の四角形の陰極１０’を有する電気分解セルの液体アルミニウムからなる層１２と溶解層１４との間の境界面における磁束密度の値の分布を図６ａに対応して示したものである。
【００６８】
図６ｃは、図６ａおよび図６ｂに示した陰影に対応する、液体アルミニウムからなる層１２と溶解層１４との間の境界面におけるそれぞれの地点での磁束密度分布の値の凡例である。
【００６９】
図６ａと図６ｂとを比較すると、図２、図３および図４に示した電気分解セルにおける磁束密度分布は、図６ｂに示した従来の陰極１０’を有する電気分解セルにおける磁束密度分布よりも、値が小さく、かつ極めて平坦であることがわかる。
【００７０】
その結果、図５ｃに示した電流密度の垂直成分の極めて平坦な分布との組み合わせにより、図２、図３、および図４に示した電気分解セルの極めて高い安定性および極めて高いエネルギ効率を実現できる。
【００７１】
図７は、図２、図３、および図４に示した電気分解セルに実質的に対応する電気分解セルの平面図に、当該電気分解セルの陰極１０の製造方法を付加的に図示したものである。図７に示したように、六角形の環状の陰極１０を形成するための複数の台形の陰極ブロック２４は、実質的に長方形の未完成体３２を、単純に長手方向を横切る方向に複数箇所で切断することによって形成できる。上記の切断は、未完成体３２の長手方向に対して交互に傾斜した方向に沿って行われる。切断具としては、例えば、フライス盤や鋸切りなどを用いることができる。
【００７２】
図８は、図７に示した実施例に実質的に対応する、電気分解セルの他の実施例を示す平面図である。この電気分解セルは、環状形状を分割した形状を有する複数の陰極ブロック２４からなり、外径形状が円形である陰極１０を有している。
【００７３】
図９は、図７および図８に示した実施例に実質的に対応する、電気分解セルのさらに他の実施例を示す平面図である。この電気分解セルは、六角形の外形形状を有する複数の陰極ブロック２４が、全体形状が概ね環状になるように配置された陰極１０を備えている。
【００７４】
図１０は、本発明の他の実施例にかかる電気分解セルのセグメントを示す透視図である。図１０に示す実施例は、図２、図３、図４、および図７に示した実施例と実質的に対応するものであり、陰極１０の接続がピン状の接触素子２８（図３および図４参照）によって行われるのではなく、水平方向の母線３４によって行われている。陰極１０の接続がこのように行われている場合、図３および図４の実施例で達成しているような電流密度の垂直成分の明白な均質化は達成できない場合もあるが、陽極１６への電流供給の改善と磁束密度分布の低減および均質化とにより、液体アルミニウムからなる層１２および溶解層１４の波形成の顕著な減少を達成でき、電気分解セルの安定性およびエネルギ効率を大幅に増大させることができる。
【００７５】
図１１は、電気分解セルのさらに好ましい実施例を示す透視図である。この電気分解セルは、実質的に図３および図４に示したセグメントからなる。この実施例では、開口部１８は陰極１０、液体アルミニウムからなる層１２、溶解層１４、および陽極１６を通って延在しており、これらの要素が上記開口部の周りに閉じられた環状に形成されている。液体アルミニウムからなる層１２および溶解層１４は、底部が陰極１０によって形成され、側壁は図１１には示されていない槽によって境界が規定された収容容器内に配置されている。この場合、図１１からは視認できないが、陽極１６は、陰極１０、液体アルミニウムからなる層１２、および溶解層１４よりも上方から見て少し狭く、かつ溶解層１４中に浸されていることが好ましい。
【００７６】
図１２は、本発明のさらに他の実施例にかかる電気分解セルを示している。この電気分解セルは、実質的に図１１に示した電気分解セルに対応している。ただし、図１２に示した電気分解セルの陽極１６は、平面視における形状が実質的に台形である複数の陽極ブロック２７からなる。上記複数の陽極ブロックは、開口部１８の周りに互いの間に間隔を隔てて環状に並べられており、それぞれのケース内で溶解層１４中にわずかに浸されている。
【００７７】
図１３は、本発明のさらに他の実施例にかかる電気分解セルの断面図である。この電気分解セルは実質的に図１１および図１２に示した電気分解セルに対応している。また、図１３は、上記電気分解セルのフレームを形成し、（陰極１０に応じて）平面形状が環状構造である鉄製槽３６を示している。開口部１８の方向において、鉄製槽３６は上記電気分解セルを通って垂直方向に延在する内側電流路２０のためのたて坑を規定する垂直方向の側壁を規定しており、上記たて坑を通って電流路２０が垂直方向に延在している。
【００７８】
鉄製槽３６は、当該鉄製槽３６の底部に床石３８が配置され、当該鉄製槽３６の垂直方向の側壁に側壁石４０が配置されている。上記の床石３８および側壁石４０は、耐熱材料からなり、電気絶縁性を有していることが好ましい。また、上記の床石３８および側壁石４０は、ホワイトセラミック材料、窒化ケイ素で結合された炭化ケイ素、炭素、黒鉛、およびこれらの材料を適宜混合した材料のグループの中から選択される材料を含み、鉄製槽３６の内張りを形成していることが好ましい。
【００７９】
陰極１０は、床石３８上に配置されており、当該陰極１０と側壁石４０とによって形成される槽の底部を形成している。上記槽は、液体アルミニウムの層１２と溶解層１４とを収容する収容容器を規定している。
【００８０】
また、図１３には、陽極ブロック２７が溶解層１４に浸されているが、液体アルミニウムからなる層１２には達していないことが示されている。そして、この目的のために、陽極ブロック２７は、平面視において、陰極１０、液体アルミニウムからなる層、および溶解層１４よりも少し狭い構成になっている。
【００８１】
また、図１３には、ピン状の接触要素２８が示されている。この接触要素２８は、陰極１０内に垂直方向に延在しており、陰極１０から遠い側の端部は、水平方向に延在する集中バー４２として構成された、陰極に電流を供給するための電流供給部に導電接続されている。上記のピン状の接続素子２８および上記の集中バー４２と鉄製槽３６とは電気的に絶縁されている。
【００８２】
図１４は、図１３に示した電気分解セルにおいて電気分解セルの運用中に流れる技術的な電流の流れ方向を矢印４４で示したものである。
【符号の説明】
【００８３】
１０    陰極
１０’  従来の陰極
１２    液体アルミニウムからなる層
１４    溶解層
１６    陽極
１８    陰極開口部
２０    内側電流供給部
２２    外側電流供給部
２４    陰極ブロック
２５    懸架部材
２６    対称面
２７    陽極ブロック
２８    接触素子
２９    電流導線
３０    ベースプレート
３１    矢印
３２    未完成体
３４    母線
３６    鉄製槽
３８    床石
４０    側壁石
４２    集中バー
４４    技術的な電流方向を示す矢印
【図１】
2014517157.tif 000003
【図２】
2014517157.tif 000004
【図３】
2014517157.tif 000005
【図４】
2014517157.tif 000006
【図５】
2014517157.tif 000007
【図６】
2014517157.tif 000008
【図７】
2014517157.tif 000009
【図８】
2014517157.tif 000010
【図９】
2014517157.tif 000011
【図１０】
2014517157.tif 000012
【図１１】
2014517157.tif 000013
【図１２】
2014517157.tif 000014
【図１３】
2014517157.tif 000015
【図１４】
2014517157.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年1月23日(2014.1.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気分解セル、特にアルミニウムを生成するための電気分解セルであって、
陰極（１０）と、
前記陰極（１０）上面に配置された液体アルミニウムからなる層（１２）と、
前記層（１２）上に配置された溶解層（１４）と、
上記溶解層（１４）上に配置された陽極（１６）とを備え、
前記陰極（１０）は、当該陰極（１０）を貫通して垂直方向に延在する少なくとも１つの開口部（１８）を有しており、
前記開口部（１８）内には、当該開口部（１８）を貫通して垂直方向に延在しかつ前記陽極（１６）および／または前記陰極（１０）と導電的に接続された少なくとも１つの電流供給路（２０）が設けられており、さらに、
前記電気分解セルには、前記陰極（１０）の前記開口部（１８）外に配置された少なくとも１つのさらなる電流供給路（２２）が含まれており、該さらなる電流供給路（２２）は、少なくとも部分的に垂直方向に延在し、前記陰極（１０）および／または前記陽極（１６）と導電的に接続されていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項２】
請求項１に記載の電気分解セルであって、
上記開口部（１８）は、平面視において実質的に上記陰極（１０）の中心部に配置されており、上記電流供給路（２０）は、上記開口部（１８）を通っており、好ましくは上記陰極（１０）の上記開口部（１８）の中心部を通っていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は、少なくとも平面視した外形形状が概ね円形状であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は、少なくとも平面視した外形形状が概ね多角形の環状形状であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項５】
請求項４に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）における、平面視した形状が多角形の環状である上記外形形状の外周および／または内周がｎ個の角部を有する正多角形であり、
上記ｎは、３〜１００、好ましくは３〜１０、特に好ましくは３，４，５，６，７，あるいは８であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は複数の陰極ブロック（２４）から構成されており、複数の上記陰極ブロック（２４）は、上記開口部（１８）を通って延在する上記電流供給路（２０）の周囲に、周方向に沿って隣りの陰極ブロックと互いに隣接するように配置され、好ましくは環状の陰極を形成していることを特徴とする電気分解セル。
【請求項７】
請求項６に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）の少なくとも１つの陰極ブロック（２４）は、平面視した形状が、六角形、円環を分割した形状、あるいは台形であることを特徴とする電気分解セル。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記電流供給路（２２）は、上記陰極（１０）の周方向および上記開口部（１８）を通って延在する上記電流供給路（２０）の周囲に沿って概ね等間隔で配置されており、好ましくは同心状に配置されていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の電気分解セルであって、
上記陰極（１０）は、当該陰極（１０）の下側に少なくとも２つのピン状の接触素子（２８）を備えていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項１０】
電気分解セルに用いられる陰極、特にアルミニウムを生成するための電気分解セルに用いられる陰極であって、
当該陰極（１０）を通って垂直に延在する少なくとも１つの開口部（１８）を備えていることを特徴とする陰極。
【請求項１１】
請求項１０に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）は、平面視した形状が環状形状、好ましくは概ね円形または多角形の環状形状であることを特徴とする陰極。
【請求項１２】
請求項１１に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）における、平面視した形状が多角形の環状である上記外形形状の外周および／または内周がｎ個の角部を有する正多角形であり、
上記ｎは、３〜１００、好ましくは３〜１０、特に好ましくは３，４，５，６，７，あるいは８であることを特徴とする陰極。
【請求項１３】
請求項１０から１２のいずれか１項に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）は複数の陰極ブロック（２４）から構成されており、複数の上記陰極ブロック（２４）は、上記陰極（１０）における上記開口部（１８）の周囲に、周方向に沿って隣りの陰極ブロックと互いに隣接するように配置されていることを特徴とする陰極。
【請求項１４】
請求項１３に記載の陰極であって、
少なくとも１つの上記陰極ブロック（２４）は、平面視した形状が、六角形、円環を分割した形状、あるいは台形であることを特徴とする陰極。
【請求項１５】
請求項１０から１４のいずれか１項に記載の陰極であって、
上記陰極（１０）は、当該陰極（１０）の下側に、１つのピン状の接触素子（２８）に対応する少なくとも２つの凹部を備えていることを特徴とする陰極。
【国際調査報告】
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