JP2014501333A

JP2014501333A - 電解酸化物還元システム

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Publication number: JP2014501333A
Application number: JP2013546133A
Authority: JP
Inventors: バーガー，ジョン・エフ; バーネス，ローレル・エイ; ウィードメイヤー，スタンリー・ジー; ウィリアムソン，マーク・エイ; ウィリット，ジェイムズ・エル
Original assignee: GE Hitachi Nuclear Energy Americas LLC
Current assignee: GE Hitachi Nuclear Energy Americas LLC
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: EP2655697A1; EP2655697B1; KR101765982B1; CN103261490A; CN103261490B; KR20140010004A; JP5889916B2; US20120160666A1; EP3633073A1; US9017527B2; WO2012087401A1

Abstract

酸化物をその金属形態に還元する電解プロセスを行うように構成されたシステムを提供する。本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムは、複数のアノードアセンブリと、複数のカソードアセンブリと、アノードおよびカソードアセンブリを係合するように構成されたリフトシステムとを含んでもよい。カソードアセンブリは、各カソードアセンブリの側面に２つのアノードアセンブリがあるようにして、アノードアセンブリと交互に配列されてもよい。リフトシステムは、アノードおよびカソードアセンブリの任意の組み合わせ（隣接していてもしていなくても）を同時に持ち上げられるように、アノードおよびカソードアセンブリを選択的に係合するように構成されてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物をその金属形態に還元する電解プロセスを行うように構成されたシステムに関する。

電気化学的プロセスは、不純な供給物から金属を回収する、かつ／または金属酸化物から金属を抽出するのに使用されることがある。従来のプロセスは、一般的に、電解質中の金属酸化物を溶解し、続いて電解分解または選択的電気輸送を行って、金属酸化物をそれに対応する金属に還元することを伴う。金属酸化物をそれらに対応する金属状態に還元する従来の電気化学的プロセスは、単一ステップまたは複数ステップの手法を用いることがある。

複数ステップの手法は、一般的に、金属酸化物が電解質に対して比較的低い溶解度を有するときに使用される。複数ステップの手法は、２つの別個の容器を利用する２ステップのプロセスであることがある。例えば、使用済み核燃料の酸化ウランからウランを抽出するには、溶融ＬｉＣｌ電解質中に溶解させたリチウムを用いて酸化ウランを還元して、第１の容器内でウランと溶融ＬｉＣｌ電解質中に溶解したままのＬｉ₂Ｏとを生成する最初のステップを含む。プロセスは、次に、第２の容器内で電解抽出を行って、溶融ＬｉＣｌ中に溶解しているＬｉ₂Ｏを電解分解してリチウムを再生する後続のステップを伴う。したがって、結果として得られるウランを抽出でき、一方で、再生されたリチウムを含む溶融ＬｉＣｌを、別のバッチの還元ステップに使用するために再利用することができる。

しかし、複数ステップの手法は、溶融塩および還元剤を高温で１つの容器から別の容器へと移送することに関する問題など、多数の処理上の複雑性を伴う。さらに、溶融塩中の酸化物の還元は、電解質還元剤システムに応じて熱力学的な制約を受けることがある。特に、この熱力学的な制約は、所与のバッチで還元することができる酸化物の量を制限することになる。その結果、要求生産量を満たすため、溶融電解質および還元剤をより頻繁に移送することが求められることになる。

他方では、単一ステップの手法は、一般に、相溶性の溶融電解質中にカソードおよびアノードとともに金属酸化物を浸漬することを伴う。アノードおよびカソードを荷電することによって、溶融電解質による電解化成およびイオン交換を通じて、金属酸化物をそれに対応する金属に還元することができる。しかし、従来の単一ステップの手法は複数ステップの手法ほど複雑ではないことがあるものの、金属の収率は依然として比較的低い。

本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムは、複数のアノードアセンブリと、複数のカソードアセンブリと、アノードおよび／またはカソードアセンブリを係合するように構成されたリフトシステムとを含んでもよい。各アノードアセンブリは、同じ配向を有し、かつ同じ面内にあるように配列された複数のアノード棒を含んでもよい。複数のカソードアセンブリは、各カソードアセンブリの側面に２つのアノードアセンブリがあるようにして、複数のアノードアセンブリと交互に配列されてもよい。各カソードアセンブリは平面形状であってもよい。リフトシステムは、除去すべき複数のアノードおよび／またはカソードアセンブリの任意の組み合わせを同時に持ち上げるのを容易にする一方で、複数のアノードおよび／またはカソードアセンブリのうち除去すべきでない１つもしくは複数を適所に留めたままにできるように、複数のアノードおよび／またはカソードアセンブリを選択的に係合するように構成されてもよい。

非限定的な実施形態の様々な特徴および利点は、詳細な説明を添付図面と併せ読むことによってより明白になることがある。添付図面は、単に例証目的で提供されるものであり、請求項の範囲を限定するものと解釈すべきでない。添付図面は、明示的に指摘されない限り、縮尺通りに描写されているものと見なすべきでない。明瞭にするため、図面の様々な寸法は誇張されていることがある。

本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムの斜視図である。本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムのアノードアセンブリを示す斜視図である。本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムのアノードアセンブリを示す斜視図である。本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムのカソードアセンブリを示す斜視図である。本発明の非限定的な一実施形態によるリフトシステムが降下位置にある電解酸化物還元システムを示す斜視図である。本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムのリフトシステムを示す部分図である。本発明の非限定的な一実施形態によるリフトシステムが上昇位置にある電解酸化物還元システムを示す斜視図である。

ある要素もしくは層が、別の要素もしくは層に対して「〜の上にある」、「〜に接続されている」、「〜連結されている」、または「〜を覆っている」と言及されているとき、直接その別の要素もしくは層の上にある、それに接続されている、それに連結されている、またはそれを覆っているか、あるいは介在する要素または層が存在することがあることを理解されたい。対照的に、ある要素が別の要素もしくは層に対して「直接〜の上にある」、「〜に直接接続されている」、または「〜に直接連結されている」と言及されているとき、介在する要素または層は存在しない。明細書全体を通して同様の数字は同様の要素を指す。本明細書で使用するとき、「および／または」という用語は、関連する列挙した項目の１つまたは複数のあらゆる組み合わせを含む。

様々な要素、構成要素、領域、層、および／または区画について説明するのに、第１、第２、第３などの用語が本明細書で使用されることがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層、および／または区画はこれらの用語によって限定されるべきでないことを理解されたい。これらの用語は、単に、１つの要素、構成要素、領域、層、または区画を、別の領域、層、または区画と区別するのに使用される。したがって、後述する第１の要素、構成要素、領域、層、または区画は、例示の実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、または区画と呼ぶことが可能である。

空間的に相対的な用語（例えば、「〜の下方」「〜の下」「下側」、「〜の上」、「上側」など）は、本明細書では、説明を簡単にするため、図面に示されるような別の要素（１つもしくは複数）または特徴（１つもしくは複数）に対する１つの要素または特徴の関係性を説明するのに使用されることがある。空間的に相対的な用語は、図面に示される配向に加えて、使用中または動作中のデバイスの異なる配向を包含しようとするものであることを理解されたい。例えば、図中のデバイスを反転させた場合、他の要素または特徴の「下」もしくは「下方」にあると説明されている要素は、それら他の要素または特徴の「上」に向いていることになる。したがって、「〜の下」という用語は上下両方の配向を包含することがある。デバイスは、別の形で向けられる（９０度回転または他の配向）ことがあり、本明細書で使用される空間的に相対的な記述語は適宜解釈される。

本明細書で使用される用語は、単に様々な実施形態について説明するためのものであり、例示の実施形態を限定しようとするものではない。本明細書で使用するとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈において別の明示がない限り、複数形も含むものとする。さらに、「含む」、「含んでいる」、「備える」、および／または「備えている」という用語は、本明細書で使用するとき、記載する特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを指定するが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群が存在すること、あるいは追加されることを除外しないことが理解されるであろう。

例示の実施形態は、本明細書では、例示の実施形態の理想的な実施形態（および中間構造）の概略図である断面図を参照して記載される。そのため、例えば製造技術および／または公差の結果として、図面の形状の変形例が予期される。したがって、例示の実施形態は、本明細書に示される領域の形状に限定されるものと解釈すべきではなく、例えば製造の結果として、形状の偏差を含むものである。例えば、長方形として例証される埋込み領域（implanted region）は、一般的に、丸み付けられた、もしくは湾曲した特徴を有し、かつ／またはその縁部において、埋込み領域から非埋込み領域までの二値の変化ではなく埋込み密度の勾配を有する。同様に、埋込みによって形成される埋設領域は、埋設領域と埋込みがそこを通して行われる表面との間の領域において、ある程度の埋込みをもたらすことがある。したがって、図面に示される領域は本質的に概略であり、それらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を例証しようとするものではなく、かつ例示の実施形態の範囲を限定しようとするものではない。

別段の定義がない限り、本明細書に使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、例示の実施形態が属する技術の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、一般に使用される辞書に定義されているものを含む用語は、関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈すべきであり、本明細書において明示的に定義されない限り、理想的なまたは過度に形式的な意味合いで解釈されるものではない。

本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムは、酸化物をその金属形態へと還元して、それに続く金属の回収を可能にすることを容易にするように構成される。一般に、電解酸化物還元システムは、複数のアノードアセンブリと、複数のアノードアセンブリそれぞれに対するアノードシュラウドと、複数のカソードアセンブリと、複数のアノードおよびカソードアセンブリに対する配電系統とを含む。しかし、電解酸化物還元システムはそれに限定されず、本明細書において具体的に特定されていない場合もある他の構成要素を含んでもよいことを理解されたい。

本明細書の開示に加えて、アノードシュラウドは、関連米国出願第１２／９７７７９１号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２４／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３５、２０１０年１２月２３日出願、名称「電解酸化物還元システムからの排ガス捕捉および除去のためのアノードシュラウド（ANODE SHROUD FOR OFF-GAS CAPTURE AND REMOVAL FROM ELECTROLYTIC OXIDE REDUCTION SYSTEM）」に記載されているようなものであってもよく、配電系統は、関連米国出願第１２／９７７８３９号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２５／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３６、２０１０年１２月２３日出願、名称「アノード‐カソード配電系統およびそれを電気化学的還元に使用する方法（ANODE-CATHODE POWER DISTRIBUTION SYSTEMS AND METHODS OF USING THE SAME FOR ELECTROCHEMICAL REDUCTION）」に記載されているようなものであってもよく、アノードアセンブリは、関連米国出願第１２／９７７９１６号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２６／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３８、２０１０年１２月２３日出願、名称「モジュール式アノードアセンブリおよびそれを電気化学的還元に使用する方法（MODULAR ANODE ASSEMBLIES AND METHODS OF USING THE SAME FOR ELECTROCHEMICAL REDUCTION）」に記載されているようなものであってもよく、カソードアセンブリは、関連米国出願第１２／９７８００５号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２７／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３９、２０１０年１２月２３日出願、名称「モジュール式カソードアセンブリおよびそれを電気化学的還元に使用する方法（MODULAR CATHODE ASSEMBLIES AND METHODS OF USING THE SAME FOR ELECTROCHEMICAL REDUCTION）」に記載されているようなものであってもよく、これらそれぞれの全内容を参照により本明細書に組み込む。組み込んだ出願の表を次に提供する。

電解酸化物還元システムの動作中、複数のアノードおよびカソードアセンブリは溶融塩電解質に浸漬される。溶融塩電解質は、約６５０℃（±５０℃）の温度で維持されてもよいが、例示の実施形態はそれに限定されない。電気化学的プロセスは、酸化物供給材料（例えば、金属酸化物）を含有するカソードアセンブリにおいて還元電位が発生するようにして実施される。還元電位の影響下で、金属酸化物（ＭＯ）供給材料からの酸素（Ｏ）が酸化物イオンとして溶融塩電解質に溶解し、それによって金属（Ｍ）がカソードアセンブリ内に残される。カソード反応は次の通りであってもよい。

ＭＯ＋２ｅ^-→Ｍ＋Ｏ^2-
アノードアセンブリでは、酸化物イオンは酸素ガスに変換される。アノードアセンブリそれぞれのアノードシュラウドは、プロセス中に電解酸化物還元システムからの酸化物ガスを希釈し、冷却し、除去するのに使用されてもよい。アノード反応は次の通りであってもよい。

Ｏ^2-→１／２Ｏ₂＋２ｅ^-
非限定的な一実施形態では、金属酸化物は二酸化ウラン（ＵＯ₂）であってもよく、還元生成物は金属ウランであってもよい。しかし、他のタイプの酸化物も、本発明による電解酸化物還元システムを用いて、それらに対応する金属に還元されてもよいことを理解されたい。同様に、本発明による電解酸化物還元システムに使用される溶融塩電解質は、特にそれに限定されず、還元される酸化物供給材料に応じて変わってもよい。従来技術の装置と比較して、本発明による電解酸化物還元システムは、還元生成物の収率を大幅に高めることを可能にする。

図１は、本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムの斜視図である。図１を参照すると、電解酸化物還元システム１００は、溶融塩電解質を保持するように設計された容器１０２を含む。したがって、容器１０２は、溶解塩電解質を安全に保持することができるように、約７００℃までの温度に耐えることができる材料で形成される。容器１０２は、外部から加熱され、長手方向の支持体を備えてもよい。容器１０２はまた、より効率的な動作およびプロセスアップセット（process upsets）からの回復を可能にするため、区分加熱（zone heating）向けに構成されてもよい。電解酸化物還元システム１００の動作中、複数のアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００（例えば、図４）は、容器１０２内の溶融塩電解質に部分的に浸漬されるように配列される。アノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００については、図２Ａ〜２Ｂおよび図３と関連してさらに詳細に考察する。

電力は、複数のナイフエッジ形接点（knife edge contacts）１０４を通してアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００に分配される。ナイフエッジ形接点１０４は、容器１０２の上に載置されるグローブボックス床（glovebox floor）１０６上に対にして配列される。ナイフエッジ形接点１０４の各対は、容器１０２の対向する側にあるように配列される。図１に示されるように、ナイフエッジ形接点１０４は、一対の列と二対の列とを交互にして配列され、末端の列は一対のナイフエッジ形接点１０４から成る。

ナイフエッジ形接点１０４の一対の列はアノードアセンブリ２００を係合するように構成され、二対の列はカソードアセンブリ３００を係合するように構成される。より明白に言えば、複数のナイフエッジ形接点１０４は、アノードアセンブリ２００が一対のナイフエッジ形接点１０４（２つのナイフエッジ形接点１０４）を介して１つの電源から電力を受け取り、カソードアセンブリ３００が二対のナイフエッジ形接点１０４（４つのナイフエッジ形接点１０４）を介して電源から電力を受け取るように配列される。カソードアセンブリ３００に対する二対のナイフエッジ形接点１０４に関して、内側の対は低電力の貫通接続に接続されてもよく、外側の対は高電力の貫通接続に接続されてもよい（あるいはその逆であってもよい）。

例えば、電解酸化物還元システム１００が、１１個のアノードアセンブリ２００および１０個のカソードアセンブリ３００を保持するように設計されていると仮定すると（ただし、例示の実施形態はそれに限定されない）、２２個のナイフエッジ形接点１０４（１１対）が１１個のアノードアセンブリと関連付けられ、４０個のナイフエッジ形接点１０４（２０対）が１０個のカソードアセンブリ３００と関連付けられることになる。上述したように、本明細書の開示に加えて、配電系統は、関連米国出願第１２／９７７８３９号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２５／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３６、２０１０年１２月２３日出願、名称「アノード‐カソード配電系統およびそれを電気化学的還元に使用する方法（ANODE-CATHODE POWER DISTRIBUTION SYSTEMS AND METHODS OF USING THE SAME FOR ELECTROCHEMICAL REDUCTION）」に記載されるようなものであってもよく、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

それに加えて、電解酸化物還元システム１００は、容器１０２からの熱損失を制限するように設計されたモジュール式熱シールドを含んでもよい。モジュール式熱シールドは、プロセス動作中の電流、電圧、および排ガス組成を監視するように構成された計装ポート（instrumentation ports）を有してもよい。さらに、冷却チャネルおよび伸縮継手がグローブボックス床１０６と容器１０２との間に配設されてもよい。伸縮継手は、Ｃ字形であって、１８ゲージの金属薄板から作られてもよい。冷却チャネルは、グローブボックス床１０６の下方かつ伸縮継手の上で固定されてもよい。その結果、容器１０２が約７００℃の温度に達することがあるという事実にもかかわらず、冷却チャネルが（容器１０２の頂部に固定された）伸縮継手から熱を除去し、それによってグローブボックス床１０６を約８０℃以下の温度に保つことができる。

図２Ａ〜２Ｂは、本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムのアノードアセンブリを示す斜視図である。図２Ａ〜２Ｂを参照すると、アノードアセンブリ２００は、アノード母線２０８に接続された複数のアノード棒２０２を含む。各アノード棒２０２の上側および下側部分は異なる材料で形成されてもよい。例えば、アノード棒２０２の上側部分はニッケル合金で形成されてもよく、アノード棒２０２の下側部分はプラチナで形成されてもよいが、例示の実施形態はそれに限定されない。アノード棒２０２の下側部分は、電解酸化物還元システム１００の動作中は溶融塩電解質の水準よりも下に位置してもよく、下側部分を別の材料と交換または変更できるように取外し可能であってもよい。

アノード母線２０８は、熱膨張を低減するようにセグメント化されてもよく、アノード母線２０８の各セグメントは銅で形成されてもよい。アノード母線２０８のセグメントは、スリップコネクタと接合されてもよい。それに加えて、スリップコネクタは、アノード棒２０２が溶融塩電解質に落ち込まないことを担保するため、アノード棒２０２の頂部に付着してもよい。アノードアセンブリ２００は、上述の例のいずれによっても限定されるものではない。より正確に言えば、他の適切な構成および材料も使用されてもよいことを理解されたい。

アノードアセンブリ２００が電解酸化物還元システム１００内へと降下されると、アノード母線２０８の下端部分がそれに対応するナイフエッジ形接点１０４の対を係合し、アノード棒２０２が容器１０２内の溶融塩電解質内へと延在するようになる。４つのアノード棒２０２が図２Ａ〜２Ｂに示されているが、例示の実施形態はそれに限定されないことを理解されたい。したがって、十分なアノード電流が電解酸化物還元システム１００に供給されるのであれば、アノードアセンブリ２００は、４つ未満のアノード棒２０２あるいは４つ超過のアノード棒２０２を含んでもよい。

電解酸化物還元システム１００の動作中、アノードアセンブリ２００は約１５０℃以下の温度に保つことができる。適切な動作温度を維持するため、アノードアセンブリ２００は、冷却ガスを供給する冷却ライン２０４と、冷却ライン２０４によって供給された冷却ガスおよび還元プロセスによって発生した排ガスを除去する排ガスライン２０６とを含む。冷却ガスは不活性ガス（例えば、アルゴン）であってもよく、排ガスは酸素を含んでもよいが、例示の実施形態はそれに限定されない。その結果、排ガスの濃度および温度を低下させ、それによってその腐食性を低減することができる。

冷却ガスはグローブボックス雰囲気によって供給されてもよい。非限定的な一実施形態では、グローブボックス外部の加圧ガスは使用されない。かかる事例では、ガス供給源はグローブボックス内部のブロワーを使用して加圧することができ、排ガス排気は外部の真空源を有することになる。ガス供給源を操作するためのモータおよび制御部はすべて、アクセスおよび保守管理を簡単にするため、グローブボックスの外に位置してもよい。溶融塩電解質を凝固させずに保つため、供給プロセスは、アノードシュラウド内部の冷却ガスが約６１０℃を下回らないように構成することができる。

アノードアセンブリ２００はさらに、アノードガード２１０と、リフトベイル（lift bail）２１２と、計装ガイドチューブ２１４とを含んでもよい。アノードガード２１０は、アノード母線２０８からの保護を提供し、また、カソードアセンブリ３００を挿入するための誘導を提供してもよい。アノードガード２１０は、金属で形成され、アノードアセンブリ２００の頂部からの熱損失を可能にするように穿孔されてもよい。リフトベイル２１２はアノードアセンブリ２００の除去に役立つ。計装ガイドチューブ２１４は、溶融塩電解質および／またはアノードアセンブリ２００の下方にあるガス空間に計器を挿入するためのポートを提供する。上述したように、本明細書の開示に加えて、アノードアセンブリは、関連米国出願第１２／９７７９１６号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２６／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３８、２０１０年１２月２３日出願、名称「モジュール式アノードアセンブリおよびそれを電気化学的還元に使用する方法（MODULAR ANODE ASSEMBLIES AND METHODS OF USING THE SAME FOR ELECTROCHEMICAL REDUCTION）」に記載されているようなものであってもよく、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

電解酸化物還元システム１００はさらに、アノードアセンブリ２００の冷却、ならびに還元プロセスによって発生した排ガスの除去を容易にする、アノードシュラウドを含んでもよい。上述したように、本明細書の開示に加えて、アノードシュラウドは、関連米国出願第１２／９７７７９１号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２４／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３５、２０１０年１２月２３日出願、名称「電解酸化物還元システムからの排ガス捕捉および除去のためのアノードシュラウド（ANODE SHROUD FOR OFF-GAS CAPTURE AND REMOVAL FROM ELECTROLYTIC OXIDE REDUCTION SYSTEM）」に記載されているようなものであってもよく、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

図３は、本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムのカソードアセンブリを示す斜視図である。図３を参照すると、カソードアセンブリ３００は、還元プロセスのための酸化物供給材料を含有するように設計され、上側バスケット３０２と、下側バスケット３０６と、上側バスケット３０２および下側バスケット３０６内に収容されたカソードプレート３０４とを含む。組み立てられたとき、カソードプレート３０４は、上側バスケット３０２の上端から下側バスケット３０６の下端まで延在するようになる。カソードプレート３０４の側縁部は、剛性を持たせるために縁取りされてもよい。剛性を増すため、カソードプレート３０４の中央を下方に向かって折り返し（reverse bend）も設けられてもよい。下側バスケット３０６は、４つの高強度リベットを用いて上側バスケット３０２に固着されてもよい。下側バスケット３０６または上側バスケット３０２のどちらかが損傷した場合、リベットをドリルで外し、損傷したバスケットを交換し、リベットで留め直して動作を継続させることができる。

カソードバスケット（上側バスケット３０２および下側バスケット３０６を含む）は、カソードプレート３０４から電気的に絶縁される。各カソードアセンブリ３００は、２つの電源から電力を受け取るように、二対のナイフエッジ形接点１０４（４つのナイフエッジ形接点１０４）を係合するように構成される。例えば、カソードプレート３０４は一次還元電流を受け取ってもよく、カソードバスケットは、還元プロセスの様々な副生成物を制御するため、二次電流を受け取ってもよい。カソードバスケットは、還元プロセス中に溶融塩電解質が出入りできるように十分に開いた、かつ酸化物供給材料および結果として生じる金属生成物を保持するのに十分に微細である、多孔質金属プレートで形成されてもよい。

歪みを低減または防止するため、補強用リブがカソードバスケット内部に設けられてもよい。垂直の補強用リブが下側バスケット３０６内に設けられた場合、カソードプレート３０４は、カソードプレート３０４がカソードバスケットに挿入されたときに補強用リブの周りに隙間ができるように、リブに対応するスロットを有することになる。例えば、下側バスケット３０６が２つの垂直の補強用リブを備えている場合、カソードプレート３０４は、その２つの補強用リブの周りに隙間ができるように、２つの対応するスロットを有することになる。それに加えて、酸化物供給材料をロードするときにカソードプレート３０４がカソードバスケットの中央に留まることを担保するため、カソードプレート３０４の両面の中間部付近に位置スペーサが設けられてもよい。位置スペーサは、セラミックであって、垂直に配向されてもよい。さらに、カソードアセンブリ３００の頂部への放射伝熱および伝導伝熱に対する断熱層を提供するため、カソードプレート３０４の両面の上側区画に食い違いスペーサ（staggered spacers）が設けられてもよい。食い違いスペーサは、セラミックであって、水平に配向されてもよい。

カソードアセンブリ３００はまた、リフトタブ３１０が端部に配設されたリフトブラケット３０８を含んでもよい。リフトタブ３１０は、電解酸化物還元システム１００のリフトシステム４００（例えば、図４〜６）と連動するように設計される。上述したように、本明細書の開示に加えて、カソードアセンブリは、関連米国出願第１２／９７８００５号、ＨＤＰ参照番号８５６４−０００２２７／ＵＳ、ＧＥ参照番号２４ＡＲ２４６１３９、２０１０年１２月２３日出願、名称「モジュール式カソードアセンブリおよびそれを電気化学的還元に使用する方法（MODULAR CATHODE ASSEMBLIES AND METHODS OF USING THE SAME FOR ELECTROCHEMICAL REDUCTION）」に記載されているようなものであってもよく、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

図４は、本発明の非限定的な一実施形態によるリフトシステムが降下位置にある電解酸化物還元システムを示す斜視図である。図４を参照すると、リフトシステム４００は、電解酸化物還元システム１００の長さ方向に沿って配列された一対のリフトビーム４０２を含む。リフトビーム４０２は平行に配列されてもよい。軸体４０８および機械的アクチュエータ４１０は、リフトビーム４０２の各末端部分と関連付けられる。リフトシステム４００に加えて、図４は、動作中の電解酸化物還元システム１００内に配列されるような複数のアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００も示している。

上述したように、電解酸化物還元システム１００は、複数のアノードアセンブリ２００と、複数のカソードアセンブリ３００と、リフトシステム４００とを含む。各アノードアセンブリ２００は、同じ配向を有し、かつ同じ面内にあるように配列された複数のアノード棒２０２を含む。複数のカソードアセンブリ３００は、各カソードアセンブリの側面に２つのアノードアセンブリがあるようにして、複数のアノードアセンブリ２００と交互に配列される。各カソードアセンブリ３００はまた、平面形状であってもよい。図４は、１１個のアノードアセンブリ２００および１０個のカソードアセンブリ３００を有するものとして電解酸化物還元システム１００を示しているが、電解酸化物還元システム１００のモジュール設計によって、より多数またはより少数のアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００の使用が可能になるので、例示の実施形態はそれに限定されないことを理解されたい。

リフトシステム４００は、除去すべき複数のアノードアセンブリ２００および／またはカソードアセンブリ３００の任意の組み合わせを同時に持ち上げるのを容易にする一方で、複数のアノードアセンブリ２００および／またはカソードアセンブリ３００のうち除去すべきでない１つもしくは複数を適所に留めたままにできるように、複数のアノードアセンブリ２００および／またはカソードアセンブリ３００を選択的に係合するように構成される。したがって、リフトシステム４００を用いてすべてのカソードアセンブリ３００が同時に除去されてもよく、または１つのカソードアセンブリ３００のみが除去されてもよい。

複数のアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００は垂直に配向される。各アノードアセンブリ２００の複数のアノード棒２０２の配列面は、各カソードアセンブリ３００の平面形状に平行であってもよい。各アノードアセンブリ２００の複数のアノード棒２０２間の間隔は、隣接したアノードアセンブリ２００とカソードアセンブリ３００との間の距離よりも大きくてもよい。各カソードアセンブリ３００の幅は、隣接したアノードアセンブリ２００とカソードアセンブリ３００との間の距離よりも大きくてもよく、この幅とは、一方のリフトビーム４０２から他方のリフトビーム４０２に向かって延在する寸法である。各アノードアセンブリ２００の複数のアノード棒２０２間の間隔は、各カソードアセンブリ３００の幅よりも小さくてもよい。非限定的な一実施形態では、隣接したアノードアセンブリ２００とカソードアセンブリ３００との間の距離は、約０．２５〜２．７５インチ（約０．６４〜６．９９ｃｍ）の範囲であってもよい。例えば、隣接したアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００は約１．５インチ（約３．８１ｃｍ）間隔であってもよい。様々な寸法を上述してきたが、動作中の電解酸化物還元システム１００内における電界力線（electric field lines）を最適化することに関して、他の変形例も適切であることを理解されたい。

リフトシステム４００の２つの平行なリフトビーム４０２は、複数のアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００の交互配列方向に沿って延在する。複数のアノードアセンブリ２００およびカソードアセンブリ３００は、２つの平行なリフトビーム４０２間に配列される。２つの平行なリフトビーム４０２は水平方向で延在してもよい。リフトシステム４００の軸体４０８は、各リフトビーム４０２の両端部分の下方で固定される。例えば、軸体４０８は、各リフトビーム４０２の両端部分に垂直に固定されてもよい。リフトシステム４００の機械的アクチュエータ４１０は、軸体４０８を介して２つの平行なリフトビーム４０２を垂直方向で駆動するように構成される。機械的アクチュエータ４１０は、２つの平行なリフトビーム４０２の各末端部分の下方に設けられる。

軸体４０８は、気密性の滑り軸受を用いてグローブボックス床１０６を貫通して延在してもよい。気密性の滑り軸受は、２つの軸受スリーブと２つのグランドシール（gland seals）とを含んでもよい。軸受スリーブは高分子量ポリエチレンで形成されてもよい。２つのグランドシール間の空間は、ポートを使用して不活性ガス（例えば、アルゴン）によって１．５〜３水柱インチ（３．７〜７．５ｈＰａ）の正圧まで（グローブボックス雰囲気の最大負圧が１．５水柱インチ（３．７ｈＰａ）であると仮定して）加圧されてもよい。グランドシールは、グローブボックス雰囲気を犠牲にすることなく交換されるように設計される。外部の水冷フランジは、気密シールを維持するとともに、グローブボックス床１０６の温度を約８０℃未満に制限するように、容器１０２をグローブボックス床１０６に接続してもよい。

図５は、本発明の非限定的な一実施形態による電解酸化物還元システムのリフトシステムを示す部分図である。図５を参照すると、リフトシステム４００は、リフトビーム４０２それぞれの長手方向に沿って分散させた複数のリフトカップ４０６を含む。電解酸化物還元システム１００が１０個のカソードアセンブリ３００を有すると仮定すると（ただし、例示の実施形態はそれに限定されない）、各カソードアセンブリ３００に対して２つのリフトカップ４０６を提供するように、各リフトビーム４０２に１０個のリフトカップ４０６が配設されてもよい。リフトカップ４０６は、平行なリフトビーム４０２の内側側面に配設される。リフトカップ４０６は、端部が外向きに張り出したＵ字形であってもよい。しかし、リフトカップ４０６は、図５に示される構造に限定されず、その代わりに、カソードアセンブリ３００のリフトピン３１０を係合するのに適した他の形状および形態（例えば、フック）を含むものとすることを理解されたい。

各リフトカップ４０６はソレノイド４０４を備えるが、例示の実施形態はそれに限定されない。各ソレノイド４０４は、リフトビーム４０２の対向する外側側面に取り付けられ、対応するリフトカップ４０６を駆動する（例えば、回転させる）ように構成される。各リフトカップ４０６にソレノイド４０４を設けることによって、各リフトカップ４０６を独立して駆動することができる。しかし、リフトカップ４０６（形状および形態が異なっていてもよい）はまた、カソードアセンブリ３００のリフトピン３１０を係合するのに異なるやり方で操作されてもよいことを理解されたい。例えば、回転させる代わりに、リフトカップ４０６は、伸長／後退してカソードアセンブリ３００のリフトピン３１０を係合／係脱するように構成されてもよい。

リフトカップ４０６は、一対のリフトカップ４０６が複数のカソードアセンブリ３００それぞれと関連付けられるようにして、各リフトビーム４０２に沿って配列される。「対」とは、一方のリフトビーム４０２からのリフトカップ４０６と他方のリフトビーム４０２からの対応するリフトカップ４０６とを指す。リフトカップ４０６は、一対のリフトカップ４０６が、電解酸化物還元システム１００の各カソードアセンブリ３００の側端部から突出するリフトタブ３１０と位置合わせされるように、各リフトビーム４０２に沿って間隔を空けられる。リフトカップ４０６は、それに対応するリフトタブ３１０と垂直に位置合わせされてもよい。リフトカップ４０６の各対は、回転することができ、かつ対応するカソードアセンブリ３００の側端部から突出するリフトタブ３１０の下に位置付けられるように構成される。別の方法では、リフトカップ４０６はリフトタブ３１０の上に位置するように回転されてもよい。

図６は、本発明の非限定的な一実施形態によるリフトシステムが上昇位置にある電解酸化物還元システムを示す斜視図である。図６を参照すると、リフトシステム４００は、電解酸化物還元システム１００の動作または保守管理中に用いられてもよい。例えば、還元プロセス後、金属生成物へのアクセスを可能にするため、カソードアセンブリ３００がリフトシステム４００を用いて電解酸化物還元システム１００から除去されてもよい。上昇位置において、カソードアセンブリ３００の一部分は、除去の準備ができるまで熱ブロックとして作用するように、容器１０２のカバーの下に留まっていてもよい。

還元プロセス中、リフトカップ４０６は、カソードアセンブリ３００のリフトタブ３１０の上で反転されてもよい。１つまたは複数のカソードアセンブリ３００が除去されるとき、リフトビーム４０２は降下され、リフトビーム４０２上のリフトカップ４０６は、除去すべきカソードアセンブリ３００のリフトタブ３１０の下に位置付けられるようにソレノイド４０４によって回転される。次に、機械的アクチュエータ４１０は軸体４０８を垂直方向で上向きに駆動し、それによって平行なリフトビーム４０２が関連するカソードアセンブリ３００とともに持ち上げられる。上昇位置にある間、リフトビーム４０２が完全に降下されるまで、電気的ロックアウトによってリフトカップ４０６が作動しないようにしてもよい。この特徴によって、上昇位置にある間にカソードアセンブリ３００が係脱しないことが担保される。金属生成物を含むカソードアセンブリ３００が回収され、酸化物供給材料を含有するカソードアセンブリ３００と置き換えられれば、酸化物供給材料を含むカソードアセンブリ３００は、リフトシステム４００を介して、電解酸化物還元システム１００の容器１０２内の溶融塩電解質中へと降下されてもよい。

あるいは、カソードアセンブリ３００は、部品の検査、修理、交換を可能にするため、または別の方法で、通常はカソードアセンブリ３００で占められている容器１０２の部分へのアクセスを可能にするため、電解酸化物還元システム１００から除去されてもよい。リフトプロセスは上述したようなものであってもよい。関連する保守管理または他の作業が行われれば、カソードアセンブリ３００は、リフトシステム４００を介して電解酸化物還元システム１００の容器１０２内の溶融塩電解質中へと降下されてもよい。図６は、リフトシステム４００が上昇位置にあるときにすべてのカソードアセンブリ３００が同時に除去されるものとして示しているが、リフトシステム４００は、隣接していてもしていなくてもよいカソードアセンブリ３００のうち１個からすべてまでのいずれかを除去できるように構成されることを理解されたい。

上述の実施例はカソードアセンブリ３００の除去に焦点を当てているが、リフトシステム４００は、同様に、アノードアセンブリ２００の任意の組み合わせを上昇／降下させるように構成され操作されてもよいことを理解されたい。アノードアセンブリ２００および／またはカソードアセンブリ３００が上昇位置にあれば、リフトシステム４００からのそれらの除去は、グローブボックス内の別の機構（例えば、クレーン）を用いて達成されてもよい。

多数の例示の実施形態について本明細書に開示してきたが、他の変形例が可能であってもよいことを理解されたい。かかる変形例は、本開示の趣旨および範囲から逸脱するものと見なされるものではなく、当業者には明白であるような修正はすべて以下の請求項の範囲内に含まれるものとする。

１００電解酸化物還元システム
１０２容器
１０４ナイフエッジ形接点
１０６グローブボックス床
２００アノードアセンブリ
２０２アノード棒
２０４冷却ライン
２０６排ガスライン
２０８アノード母線
２１０アノードガード
２１２リフトベイル
２１４計装ガイドチューブ
３００カソードアセンブリ
３０２上側バスケット
３０４カソードプレート
３０６下側バスケット
３０８リフトブラケット
３１０リフトタブ
４００リフトシステム
４０２リフトビーム
４０４ソレノイド
４０６リフトカップ
４０８軸体
４１０機械的アクチュエータ

Claims

同じ配向を有し、かつ同じ面内にあるように配列された複数のアノード棒をそれぞれ含む複数のアノードアセンブリと、
各カソードアセンブリの側面に２つのアノードアセンブリがあるようにして前記複数のアノードアセンブリと交互に配列された、それぞれ平面形状である複数のカソードアセンブリと、
除去すべき前記複数のアノードおよびカソードアセンブリの任意の組み合わせを同時に持ち上げるのを容易にする一方で、前記複数のアノードおよびカソードアセンブリのうち除去すべきでない１つもしくは複数を適所に留めたままにできるように、前記複数のアノードアセンブリ、前記複数のカソードアセンブリ、またはそれらの組み合わせを選択的に係合するように構成されたリフトシステムとを備える、電解酸化物還元システム。
各アノードアセンブリの前記複数のアノード棒の配列面が、各カソードアセンブリの前記平面形状に平行である、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
前記複数のアノードおよびカソードアセンブリが垂直に配向される、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
各アノードアセンブリの前記複数のアノード棒間の間隔が、隣接したアノードおよびカソードアセンブリの間の距離よりも大きい、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
各カソードアセンブリの幅が、隣接したアノードおよびカソードアセンブリの間の距離よりも大きい、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
各アノードアセンブリの前記複数のアノード棒間の間隔が、各カソードアセンブリの幅よりも小さい、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
隣接したアノードおよびカソードアセンブリの間の距離が０．２５から２．７５インチ（０．６４から６．９９ｃｍ）の範囲である、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
前記リフトシステムが、前記複数のアノードおよびカソードアセンブリの交互配列方向に沿って延在する２つの平行なリフトビームを含む、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
前記複数のアノードおよびカソードアセンブリが前記２つの平行なリフトビーム間に配列される、請求項８記載の電解酸化物還元システム。
前記２つの平行なリフトビームが水平方向で延在する、請求項８記載の電解酸化物還元システム。
前記リフトシステムが、各リフトビームの両端部分の下方で固定された軸体をさらに含む、請求項８記載の電解酸化物還元システム。
前記軸体が各リフトビームの両端部分に垂直に固定される、請求項１１記載の電解酸化物還元システム。
前記２つの平行なリフトビームの下にあり、気密性の滑り軸受を用いて前記軸体が貫通して延在するグローブボックス床をさらに備える、請求項１１記載の電解酸化物還元システム。
前記気密性の滑り軸受が２つの軸受スリーブおよび２つのグランドシールを含む、請求項１３記載の電解酸化物還元システム。
前記２つのグランドシール間の空間が不活性ガスによって加圧される、請求項１４記載の電解酸化物還元システム。
前記リフトシステムが、前記２つの平行なリフトビームを垂直方向で駆動するように構成された機械的アクチュエータを含む、請求項８記載の電解酸化物還元システム。
前記リフトシステムが、前記２つの平行なリフトビームの各末端部分の下方に機械的アクチュエータを含む、請求項８記載の電解酸化物還元システム。
前記リフトシステムが、前記複数のカソードアセンブリそれぞれに対して一対のリフトカップを含む、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
前記リフトカップの各対が、対応するカソードアセンブリの側端部から突出するリフトタブと位置合わせされる、請求項１８記載の電解酸化物還元システム。
前記リフトカップの各対が、対応するカソードアセンブリの側端部から突出するリフトタブの下に位置付けられるように回転するように構成される、請求項１８記載の電解酸化物還元システム。
前記複数のアノードおよびカソードアセンブリを受け入れるように構成され、長手方向の支持体を備え、かつ溶融塩電解質を保持できるように７００℃までの温度に耐えることができる材料で形成される、外部から加熱される容器をさらに備える、請求項１記載の電解酸化物還元システム。
前記外部から加熱される容器が、より効率的な動作およびプロセスアップセットからの回復を可能にするため、区分加熱向けに構成される、請求項２１記載の電解酸化物還元システム。
前記外部から加熱される容器からの熱損失を制限するように設計されたモジュール式熱シールドをさらに備える、請求項２１記載の電解酸化物還元システム。
前記モジュール式熱シールドが、プロセス動作中の電流、電圧、および排ガス組成を監視するように構成された計装ポートを有する、請求項２３記載の電解酸化物還元システム。
気密シールを維持するとともに、前記グローブボックス床の温度を８０℃未満に制限するように、前記外部から加熱される容器を前記グローブボックス床に接続する、外部の水冷フランジをさらに備える、請求項２１記載の電解酸化物還元システム。