JP2019510137A - 鉛直型電解セル用装置及びシステム - Google Patents

鉛直型電解セル用装置及びシステム Download PDF

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Abstract

【解決手段】
ある実施形態では、開示される主題は、電解セルに関しており、当該電解セルは、セルリザーバと、セルリザーバの底部に保持され、セル内で、金属パッド及び溶融電解浴の少なくとも１つと接触するカソード支持体であって、電解セルの底部と繋がるように構成された支持底部を有する本体を備えるカソード支持体と、少なくとも１つのカソードプレートを保持するように構成されたカソード取付部分を有する支持体下部と、を備えている。
【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／３１５，４１４号に対する非仮特許出願であって、その優先権を主張し、当該米国仮特許出願の全体は、参照を以て本明細書の一部となる。
概して、本開示は、アノードとカソードの両方が、鉛直な、交互平行形態で構成されている鉛直型セル電極アセンブリに関する。より具体的には、本開示は、鉛直型セル電極アセンブリに関しており、実質的に鉛直な形態でセル下部にカソードを保持するように構成されたカソード支持アセンブリ／装置を含んでいる。
市販のホールセル（Hall cells）は、セルの下部が炭素ブロック（例えばグラファイト）であって、アノードが上から上げ下げされることで、（例えば、アノード−カソード距離、つまりアノードの最下部とカソードの最上部との間の間隔によって画定される）単一平面に沿ってアルミニウムが生成されるような二次元構成を有している。
概して、本開示は、アノードとカソードの両方が、鉛直な、交互平行形態で構成されている鉛直型セル電極アセンブリに関する。より具体的には、本開示は、実質的に鉛直な形態でセルの下部にカソードを保持するように構成されたカソード支持アセンブリ／装置を含む鉛直型セル電極アセンブリに関する。上述した本発明の態様の様々なものを組み合わせることで、電解セルと、カソード支持体と、鉛直型セル構成を有する電解セル内でアルミニウムを製造する方法とを得ることができる。本発明のこれら及び他の態様、利点、及び新規な特徴は、以下の説明に部分的に記載されており、以下の説明及び図面を検討することにより当業者には明らかになるか、又は、本発明を実施することによって習得できるであろう。
開示されている主題は、電解セルに関しており、当該電解セルは、セルリザーバと、前記セルリザーバの下部に保持されたカソード支持体と、を備える電解セルであって、前記カソード支持体は、前記セルリザーバ内で金属パッドと溶融電解浴のうちの少なくとも１つと接触し、前記カソード支持体は、前記電解セルの下部と繋がるように構成された支持体下部と、前記支持体下部の反対側にあって、少なくとも１つのカソードプレートを保持するように構成されたカソード取付部分を有する支持体上部とを有する本体を含む。
別の実施形態では、前記カソード支持体のカソード取付部分は、前記カソード支持体の上面に設けられた表面溝を含んでおり、前記表面溝は、前記少なくとも１つのカソードプレートの１つを保持するのに十分な深さに構成されている。
別の実施形態では、前記カソード支持体の前記カソード取付部分は、１又は複数の溝を含む複数の第１のビームであって、前記１又は複数の溝は、前記複数の第１のビームの表面に形成されており、前記少なくとも１つのカソードプレートを保持するように構成されている、複数の第１のビームと、前記第１の複数のビームを連結する複数の第２のビームと、を備えている。
別の実施形態では、前記カソード取付部分の前記少なくとも１つのカソードプレートは、第１のカソードプレートの縁部が、両側にて前記第１のカソードプレートと対置されるカソードプレートの縁部に接触するように構成される。
別の実施形態では、前記カソード支持体は複数のピンを含んでおり、各ピンはピン下部及びピン上部を有する。
別の実施形態では、各ピン下部は、前記カソード支持体における対応する開口によって保持される。
別の実施形態では、前記複数のピンは、前記少なくとも１つのカソードプレートを鉛直形態で支持するように離間して配置される。
別の実施形態では、前記複数のピンは、第１の組のピン及び第２の組のピンを含む。
別の実施形態では、前記第１の組のピンのピン下部は、前記カソード支持体に直線形態で配置され、前記第２の組のピンのピン下部は、前記カソード支持体に直線形態で配置される。
別の実施形態では、前記第１の組のピンのピン下部の直線形態は、前記第２の組のピンのピン下部の直線形態と平行である。
別の実施形態では、前記ピン上部は、非平面カソードプレートを鉛直形態で支持するように構成されている。
別の実施形態では、前記第１の組のピン及び前記第２の組のピンの各々は、第１の形状を有するピン上部を有する第１のピンと、第２の形状を有するピン上部を有する第２のピンとを備えている。
別の実施形態では、前記第１の形状は、前記第２の形状とは異なる。
別の実施形態では、前記第１のピンのピン上部は第１の直径を有し、前記第２のピンのピン上部は第２の直径を有する。
別の実施形態では、前記第１の直径が前記第２の直径と異なる。
別の実施形態では、前記第１のピン及び前記第２のピンは、第１の直径のピン下部を有し、前記第１のピン及び前記第２のピンは、第２の直径のピン上部を有する。
別の実施形態では、前記第１の直径は前記第２の直径と異なる。
別の実施形態では、前記ピン上部は、横方向に非対称な形状を有する。
別の実施形態では、前記複数のピンは二ホウ化チタンから構成されている。
別の実施形態では、前記複数のピンのうちの少なくとも１つのピン上部の半径は変化する。
別の実施形態では、半径が変化する前記少なくとも１つのピンが、前記少なくとも１つのピンと前記カソードプレートとの間で所望のクリアランスが達成されるまで回転する。
別の実施形態では、前記ピン下部は前記カソード支持体に嵌め込まれ、前記ピン上部は２つの突起を含み、前記少なくとも１つのカソードプレートの１つは前記２つの突起の間に位置する。
別の実施形態では、カソードプレートが複数のカソードプレートで構成されている。
別の実施形態では、前記複数のカソードプレートの少なくとも２つは、互いに機械的に組み合わされる。
別の実施形態では、各カソードプレートは、隣接するカソードプレートと機械的に組み合わされるように構成された側縁部を含む、請求項２４に記載の装置。
別の実施形態では、前記第１のカソードプレートの側縁部は凹状であり、隣接するカソードプレートの凸状の側縁部と組み合わされるように構成されている。
別の実施形態では、前記複数のカソードプレートの縁部は、前記複数のカソードプレートを機械的に互いに組み合わせるピンを収容する穴を有する。
別の実施形態では、カソードプレートを組み合わせることで両縁部に支持されたカソードプレートは、亀裂を含む。
別の実施形態では、前記カソードプレートは、隣接するカソードプレートによって支持されており、前記カソード支持体には取り付けられていない。
別の実施形態では、前記カソード支持体と前記カソードプレートの間に流路が形成されている。
別の実施形態では、アルミナの電気化学的還元によってアルミニウム金属を製造する方法において、（ａ）電解セルの電解浴を通してアノードとカソードの間に電流を流す工程であって、前記電解セルは、（ｉ）セルリザーバと（ｉｉ）前記セルリザーバの下部に保持されたカソード支持体と、を備える電解セルであって、前記カソード支持体は、前記セルリザーバ内で金属パッドと溶融電解浴のうちの少なくとも１つと接触し、前記カソード支持体は、前記電解セルの下部と繋がるように構成された支持体下部と、前記支持体下部の反対側にあって、少なくとも１つのカソードプレートを保持するように構成されたカソード取付部分を有する支持体上部と、を有する本体を含む、工程と、（ｂ）供給材料を電解セルに供給する工程と、を含んでいる、方法。
別の実施形態では、前記供給材料は、金属生成物に電解還元される。
別の実施形態では、前記金属生成物は、前記カソードから前記セル下部に出されて金属パッドを形成する。
開示されている主題は、セルリザーバと、前記セルリザーバの底部に保持されたカソード支持体と、前記カソード支持体に保持されたカソードプレートと、を備えており、前記カソードプレートは、隣接するカソードプレートと機械的に組み合わされるように構成された縁部を有する、電解セルに関する。
別の実施形態では、前記カソードプレートは、上縁部と、反対側にある下縁部と、第１の側縁部と、第２の側縁部とを有しており、前記第１の側縁部は、第１の隣接するカソードプレートの側縁部と機械的に組み合わされるように構成されており、前記第２の側縁部は、第２の隣接するカソードプレートの側縁部と機械的に組み合わされるように構成されている。
別の実施形態では、前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部は、前記第１の隣接カソードプレートの対応する傾斜した側縁部及び前記第２の隣接カソードプレートの傾斜した側縁部と機械的に組み合わされる傾斜した縁部である。
別の実施形態では、前記カソードプレートは、前記第１の隣接するカソードプレートと前記第２の隣接するカソードプレートとによって前記カソード支持体の上方に支持されている。
別の実施形態では、前記カソードプレートの第１の側縁部及び第２の側縁部が凸状であり、前記第１の隣接するカソードプレートの対応する側縁部と前記第２の隣接するカソードプレートの対応する傾斜した側端部とが凹状である。
別の実施形態では、前記カソードプレートは、カソードタイルのアレイから形成されており、各カソードタイルは、隣接するカソードタイルと組み合わされている。
別の実施形態では、各カソードタイルが六角形である。
図１は、本開示の一実施形態による電解セルの概略を部分的に示す断面図である。
図２は、本開示の一実施形態によるカソード支持体のカソード取付部分の断面図である。
図３は、図２に示された本開示の一実施形態によるカソード支持体の平面図である。
図４は、本開示の一実施形態によるカソードブロックのカソードを支持するピンを示す平面図である。
図５は、図４に示す実施形態の正面図である。
図６は、本開示の一実施形態によるピンの斜視図である。
図７は、本開示の一実施形態によるカソードブロックのカソードを支持するピンを示す平面図である。
図８は、図７に示す実施形態の正面図である。
図９は、図７及び図８に示す実施形態の側面図である。
図１０は、図７、図８及び図９に示す実施形態の斜視図である。
図１１は、本開示の一実施形態によるカソードブロックに嵌め込まれたカソードを支持するピンを示す断面図である。
図１２は、図８に示すカソードブロックの平面図である。
図１３は、本開示の一実施形態によるカソードブロックに嵌め込まれたカソードを支持するピンを示す平面図である。
図１４は、線Ａ−Ａに沿った、図１３に示す実施形態の断面図である。
図１５は、図１３に示す実施形態の正面図である。
図１６は、本開示の一実施形態によるカソードブロックのカソードを支持するピンを示す平面図である。
図１７は、線Ａ−Ａに沿った、図１６に示す実施形態の断面図である。
図１８は、図１６に示す実施形態の正面図である。
図１９は、本開示の一実施形態によるピンの形状の例を示す。 図２０は、本開示の一実施形態によるピンの形状の例を示す。 図２１は、本開示の一実施形態によるピンの形状の例を示す。 図２２は、本開示の一実施形態によるピンの形状の例を示す。 図２３は、本開示の一実施形態によるピンの形状の例を示す。 図２４は、本開示の一実施形態によるピンの形状の例を示す。
図２５は、本開示の一実施形態によるカソードブロックのカソードを支持するピンを示す平面図である。
図２６は、図２５に示すピンの１つの斜視図である。
図２７は、図２５に示す実施形態の正面図である。
図２８は、図２５及び図２７に示す実施形態の側面図である。
図２９は、図２５、図２７及び図２８に示す実施形態の斜視図である。
図３０は、本開示の一実施形態に基づいて使用できるピンを示す正面図である。 図３１は、本開示の一実施形態に基づいて使用できるピンを示す斜視図である。
図３２は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる別のピンを示す図である。 図３３は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる別のピンを示す図である。 図３４は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる別のピンを示す図である。 図３５は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる別のピンを示す図である。
図３６は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる更に別のピンを示す図である。 図３７は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる更に別のピンを示す図である。 図３８は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる更に別のピンを示す図である。 図３９は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる更に別のピンを示す図である。 図４０は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる更に別のピンを示す図である。 図４１は、本開示の一実施形態に基づいて使用できる更に別のピンを示す図である。
図４２は、本開示の一実施形態によるカソード支持体を示す。
図４３は、図４２のカソード支持体に入るカソードの先端の部分的断面図である。
図４４は、図４３に示すカソードの下側を示す斜視図である。
図４５は、本開示の一実施形態による組み合わされた３つのカソードプレートの正面図である。
図４６は、図４５に示す実施形態の斜視図である。
図４７は、図４６の領域Ａの拡大図である。
図４８は、本開示の一実施形態によるカソードタイルのアレイから形成されたカソードを示す。
図４９は、本開示の一実施形態によるカソードタイルのアレイから形成されるカソードの別の実施形態を示す。
図５０は、本開示の一実施形態によるピンで支持されたカソードタイルのアレイから形成されたカソードの別の実施形態を示す。
図５１は、本開示の一実施形態による溝によって支持されたカソードタイルのアレイから形成されたカソードの別の実施形態を示す。
本発明の様々な実施形態が詳細に説明されているが、これらの実施形態の変更及び改変が当業者には思い浮かぶことは明らかである。しかしながら、そのような変更及び改変は本発明の精神及び範囲内であることは明確に理解されるべきである。
本明細書では、「電解」は、材料に電流を通すことによって化学反応を引き起こすプロセスを意味する。幾つかの実施形態では、電解は、金属の種が電解セル内で還元されて金属生成物を生成する場合に起こる。電解の非限定的な例の幾つかには、一次金属生成が含まれる。一次金属の非限定的な例の幾つかには、アルミニウム、ニッケルなどが挙げられる。
本明細書において、「電解セル」とは、電解を生じさせるための装置を意味する。つかの実施形態では、電解セルは、製錬ポット、又は製錬ライン（例えば、複数のポット）を含む。ある非限定的な実施形態では、電解セルには、導体として作用する電極が装着されており、当該電極を通って、電流が非金属媒体（例えば、電解浴）に出入りする。
本明細書では、「電極」は、正に帯電した電極（例えば、アノード）、又は負に帯電した電極（例えばカソード）を意味する。
本明細書では、「アノード」は、正の電極（又は、端子）を意味しており、それを経由して、電流が電解セルに入る。幾つかの実施形態では、アノードは、導電性材料で構成される。幾つかの実施形態では、アノードは、炭素アノードを含む。幾つかの実施形態では、アノードは、不活性アノードを含む。本明細書では、「アノードアセンブリ」は、支持体に接続された１又は複数のアノードを含む。幾つかの実施形態では、アノードアセンブリは、アノード、支持体（例えば、耐火性ブロックやその他の浴抵抗性材料）、及び電気バス機構（electrical bus work）を含む。
本明細書では、「支持体」は、別の物体を所定の位置に維持する部材を意味する。ある実施形態では、支持体は、腐食性の浴からの攻撃に対して耐性のある材料で構成される。
本明細書では、「カソード」は、負極又は端子を意味しており、それを経由して、電流が電解セルを出る。幾つかの実施形態では、カソードは、導電性材料で構成される。カソード材料の非限定的な幾つかの例として、炭素、サーメット、セラミック材料、金属材料、及びそれらの組合せが挙げられる。ある実施形態では、カソードは、遷移金属ホウ化物化合物、例えばＴｉＢ２で構成される。幾つかの実施形態では、カソードは、セルの下部（例えば、集電バー及び電気バス構造）を介して電気的に接続される。幾つかの実施形態では、カソードは、両側にあるほぼ平坦な２つの面と、それら２つの面を取り囲む（例えば、平坦な又は丸みを帯びた）周縁とを有する本体を含んでいる。幾つかの実施形態では、カソードはプレートを含む。
本明細書では、「カソードアセンブリ」は、カソード（例えば、カソードブロック）、集電バー、電気バス構造、及びそれらの組合せを指す。
本明細書では、「集電バー」は、セルから電流を集めるバーを指す。ある非限定的な例では、集電バーは、カソードから電流を集めて、電気バス構造に電流を転送して、システムから電流を移動させる。
本明細書では、「電解浴」は、（例えば、電解プロセスを介して）還元される少なくとも１種の金属を有する液化浴を意味する。電解浴組成物の非限定的な例には、溶解アルミナを伴った−−ＮａＦ、ＡｌＦ３、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＬｉＦ、ＫＦ、及びそれらの組合せが挙げられる。
本明細書では、「溶融した」とは、加熱による流動可能な形態（例えば液体）を意味する。非限定的な例では、電解浴は、溶融状態（例えば、少なくとも約７５０℃）である。別の非限定的な例では、電解浴は、溶融状態（例えば、約１０００℃以下）である。別の例では、セルの下部に形成される金属生成物（例えば、アルミニウム）は、溶融状態にある（例えば、「金属パッド」と呼ばれることもある）。
本明細書において、「金属生成物」は、電気分解によって生成される生成物を意味する。ある実施形態では、金属生成物は、金属パッドとして電解セルの下部に形成される。金属生成物の非限定的な幾つかの例としては、希土類金属や非鉄金属（例えば、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、銅及び亜鉛）が挙げられる。幾つかの実施形態では、金属生成物は、不純物（例えば、Ａｌ金属生成物中のＦｅ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎなど）を含む。
本明細書では、「側壁」は、電解セルの壁を意味する。幾つかの実施形態では、側壁は、セル下部の周りにパラメトリックに延び、セル下部から上方に延出して、電解セルの本体を画定し、電解浴が保持される容積を画定する。幾つかの実施形態では、側壁は、外殻、断熱パッケージ、及び内壁を含む。幾つかの実施形態では、内壁及びセル下部は、溶融電解浴及び金属生成物（例えば、金属パッド）に接触して保持するように構成される。
本明細書では、「外殻」は、側壁の最外保護カバー部分を意味する。ある実施形態では、外殻は、電解セルの内壁の保護カバーである。非限定的な例では、外殻は、セルを囲む硬質材料（例えば、鋼）で構成される。
本明細書では、「アノードアセンブリ」は、少なくとも１つのアノードを保持するためのアセンブリを意味する。幾つかの実施形態では、アノードアセンブリは、アノード支持体と複数のアノードとを含む。
本明細書で使用される「カソードアセンブリ」は、少なくとも１つのカソードを保持するためのアセンブリを意味する。幾つかの実施形態では、カソードアセンブリは、カソード支持体と複数のカソードとを含む。
本明細書では、「電流」は、電気直流を意味する。
幾つかの実施形態では、「セル抵抗」は、電解セルの電気抵抗を意味する。
幾つかの実施形態では、「信号」は、測定値を示す電気インパルスを意味する。
幾つか実施形態では、「セル抵抗信号」は、電解セルの電気抵抗を示す電気インパルスを意味する。
本明細書では、「生成する」（例えば、製造する）とは、幾つかの実施形態では、本開示の１又は複数の方法が、溶融電解浴（例えば、アルミニウム金属）から金属生成物を生成する工程を含むことを意味する。
図１は、アノード及びカソードを用いたアルミナの電気化学的還元によってアルミニウム金属を製造するための電解セル１００の概略的な断面図を示す。幾つかの実施形態では、アノードは、不活性アノードである。不活性アノード組成物の非限定的な幾つかの例には、セラミック、金属、サーメット、及び／又はそれらの組合せが含まれる。不活性アノード組成物の非限定的な幾つかの例には、本願の譲受人に譲渡された米国特許第４，３７４，０５０号、第４，３７４，７６１号、第４，３９９，００８号、第４，４５５，２１１号、第４，５８２，５８５号、第４，５８４，１７２号、第４，６２０，９０５号、第５，２７９，７１５号、第５，７９４，１１２号及び第５，８６５，９８０号がある。幾つかの実施形態では、アノードは、酸素発生電極である。酸素発生電極は、電解中に酸素を生成する電極である。幾つかの実施形態では、カソードは、濡れ性（wettable）カソードである。幾つかの実施形態では、アルミニウム濡れ性材料は、溶融アルミニウムとの接触角が溶融電解質中で９０度以下である材料である。濡れ性材料の非限定的な幾つかの例は、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＳｒＢ２、炭質材料、及びこれらの組合せのうちの１又は複数を含んでよい。
電解セル１００は、少なくとも１つのアノードモジュール１０２を有する。幾つかの実施形態では、アノードモジュール１０２は、少なくとも１つのアノード１０４を有する。電解セル１００は、少なくとも１つのカソードモジュール１０６を更に備える。幾つかの実施形態では、カソードモジュール１０６は、少なくとも１つのカソード１０８を有する。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのアノードモジュール１０２は、少なくとも１つのカソードモジュール１０６の上で吊り下げられる。カソード１０８は、セルリザーバ１１０に配置される。カソード１０８は、アノードモジュール１０２に向かって上方に延びている。本開示の様々な実施形態において、特定の数のアノード１０４及びカソード１０８が示されているが、１以上の任意の数のアノード１０４及びカソード１０８を使用して、アノードモジュール１０２又はカソードモジュール１０６が夫々規定されてよい。セルリザーバ１１０は、通常、鋼製の殻１１８を有しており、絶縁材料１２０、耐火材料１２２及び側壁材料１２４で裏打ちされている。セルリザーバ１１０は、その中に（破線１２６によって概略的に示されている）溶融電解浴と溶融アルミニウム金属パッドとを保持することができる。アノードモジュール１０２に電流を供給するアノードバス１２８の一部は、アノードモジュール１０２のアノードロッド１３０に押し込まれて、電気的に接触するように示されている。アノードロッド１３０は、断熱層１３４が取り付けられたアノード配電プレート１３２に構造的且つ電気的に接続されている。アノード１０４は、断熱層１３４を通って延びて、アノード配電プレート１３２に機械的且つ電気的に接触する。アノードバス１２８は、適切な電源１３６から、アノードロッド１３０、アノード配電プレート１３２、アノード要素、及び電解浴１２６を通ってカソード１０８に直流を流し、そこからカソード支持体１１２、カソードブロック１１４、及びカソード集電バー１１６を通って電源１３６の他方の極に直流を流す。各アノードモジュール１０２のアノード１０４は、導通している。同様に、各カソードモジュール１０６のカソード１０８は、導通している。アノード−カソードオーバーラップ（ＡＣＯ）を調整するために、アノードモジュール１０２が位置決め装置によって昇降することで、カソードモジュール１０６に対するそれらの位置が調整されてよい。
幾つかの実施形態では、カソード１０８は、カソード支持体１１２に支持されている。幾つかの実施形態では、カソード支持体１１２は、セルリザーバ１１０の下部に保持される。幾つかの実施形態では、カソード支持体１１２は、電解セル１００の下部に固定して結合される。幾つかの実施形態では、カソード支持体１１２は、セルリザーバ１１０内の金属パッド又は溶融電解浴１２６の少なくとも１つと接触する。幾つかの実施形態では、カソード支持体１１２は、例えば、炭質材料から作られており、１又は複数のカソード集電バー１１６と電気的に連続するカソードブロック１１４上に載置される。幾つかの実施形態では、カソードブロック１１４は、電解セル１００の下部に固定して結合される。幾つかの実施形態では、カソード支持体１１２は、カソードブロック１１４と一体的に形成され、カソードブロック１１４は、カソード支持体１１２の一部である。幾つかの実施形態では、カソード支持体１１２は、カソードブロック１１４に結合される。
幾つかの実施形態では、カソード支持体１１２は、支持体下部を有する本体を含む。幾つかの実施形態では、支持体下部は、電解セルの下部と繋がるように構成される。カソード支持体１１２の本体は、支持体下部の反対側にある支持体上部を更に含んでおり、当該支持体上部は、複数のカソードプレートをそこに保持するように構成されたカソード取付部分を有している。
図２は、本開示の一実施形態によるカソード支持体のカソード取付部分の断面図である。図３は、本開示の一実施形態による図２に示されるカソード支持体の平面図を示す。幾つかの実施形態では、図２及び図３に示すように、カソードブロック２００は、電解セルの下部と繋がるように構成された支持体下部２０４と、支持体下部２０４の反対側にある支持体上部２０６とを備えている。支持体上部２０６は、カソード取付部分２０８を含む。カソード取付部分２０８は、カソードブロック２００の上面２１２に形成された少なくとも１つの表面溝２１０を含む。各溝２１０は、カソードプレート（図２及び図３には図示せず）を保持するのに十分な深さに構成されている。幾つかの実施形態では、上面２１２から溝２１０の底面２１４まで測定された溝２１０の深さは、約１インチ〜約８インチ、約２インチ〜約８インチ、約３インチ〜約８インチ、約４インチ〜約８インチ、約５インチ〜約８インチ、約６インチ〜約８インチ、約７インチ〜約８インチ、約１インチ〜約７インチ、約１インチ〜約６インチ、約１インチ〜約５インチ、約１インチ〜約４インチ、約１インチ〜約３インチ、又は、約１インチ〜約２インチである。幾つかの実施形態では、溝２１０の長さ及び幅は、溝２１０に保持されるカソードプレートの長さ及び厚さに依存する。幾つかの実施形態では、溝２１０の長さ及び幅は、カソードの対応する寸法に一致する。幾つかの実施形態では、カソードプレートは、約１／８インチ〜約１インチ、約１／４インチ〜約１インチ、約１／２インチ〜約１インチ、約１／８インチ〜約１／２インチ、又は約１／８インチ〜約１／４インチである。
幾つかの実施形態では、カソード支持体は複数のピンを含む。図４は、一実施形態によるカソードブロック４００にてカソードプレート４０４を支持する複数のピン４０２の平面図を示す。幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４は平面状であり、鉛直形態で支持される。幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４は非平面状であり、鉛直形態で支持される。図５は、図４に示す実施形態の正面図である。幾つかの実施形態では、図６に示すように、ピン４０２は、本体６０２、ピン上部６０４、及びピン下部６０６を備える。幾つかの実施形態では、本体６０２は、二ホウ化チタン（ＴｉＢ２）からなる。幾つかの実施形態では、本体６０２は、カソードプレートと同じ材料からなる。
幾つかの実施形態では、図７乃至図１０に示すように、各ピン下部６０６は、電解セルの下部又はカソードブロックの何れかによって保持される。図７は、本開示の一実施形態によるカソードブロック４００にてカソードプレート４０４を支持するピン４０２の平面図である。図８は、図７に示す実施形態の正面図である。図９は、図８に示す実施形態の側面図である。図１０は、図７、図８及び図９に示す実施形態の斜視図である。幾つかの実施形態では、図７乃至図１０に示すように、複数のピン上部６０４は、カソードプレート４０４を支持するように互いに離間した関係に構成されている。幾つかの実施形態では、ピン下部６０６は、カソード支持体の対応する開口に嵌め込まれている。
幾つかの実施形態では、ピン４０２は、カソードブロック４００に直接掘られた穴に配置される。幾つかの実施形態では、穴の直径は、ピン４０２全体又はピン下部６０６の直径に実質的に等しい。幾つかの実施形態では、ピン下部６０６を保持する穴の直径は、ピン下部６０６の直径よりも大きい。幾つかの実施形態では、電解セルの動作中にピン４０２が加熱されると、ピン４０２の膨張は、穴の膨張よりも大きく、それによって、対応する穴でのピン４０２の締まり嵌めがもたらされる。
幾つかの実施形態では、図４乃至図５及び図７乃至図１０に示すように、複数のピン４０２は、第１の組のピン４０６及び第２の組のピン４０８を含む。幾つかの実施形態では、第１の組のピン４０６又は第２の組のピン４０８の一方は、２本以上のピン４０２であり、他方は１又は複数本のピン４０２である。幾つかの実施形態では、第１の組のピン４０６と第２の組のピン４０８との組合せは、３本以上のピン４０６である。図４乃至図５及び図７乃至図１０に示す幾つかの実施形態では、第１の組のピン４０６は２本のピン４０２であり、第２の組のピン４０８は２本のピン４０２である。
幾つかの実施形態では、図４乃至図５及び図７乃至図１０に示すように、第１の組のピン４０６のピン下部は、カソードブロック４００（例えば、カソード支持体）に直線状に配置される。幾つかの実施形態では、図４乃至図５及び図７乃至図１０に示すように、第２の組のピン４０８のピン下部は、カソードブロック４００に直線状に配置される。幾つかの実施形態では、第１の組のピン４０６のピン下部の直線形態は、第２の組のピン４０８のピン下部の直線形態と平行である。幾つかの実施形態では、図４乃至図５に示すように、第１の組のピン４０６及び第２の組のピン４０８は、カソードブロック４００上のほぼ同じ場所にてカソードブロック４００の両側に配置される。幾つかの実施形態では、図７乃至図１０に示すように、第１の組のピン４０６及び第２の組のピン４０８は、互いに対してオフセットされた位置でカソードブロック４００の両側に配置される。
幾つかの実施形態では、カソードプレートは、図４乃至図５及び図７乃至図１０に関して上述したように、複数のピンによって支持されて、図２乃至図３に関して説明したように、カソードブロックに形成された溝に嵌め込まれる。図１１は、カソードブロック４００に嵌め込まれたカソードプレート４０４を支持する複数のピン４０２を示す断面図である。カソードブロック４００は、カソード取付部分２０８を含む。カソード取付部分２０８は、カソードブロック２００の上面２１２に形成された表面溝２１０を含む。カソードプレート４０４の一部は、表面溝２１０に保持される。図１２は、図１１に示すカソードブロックの平面図である。幾つかの実施形態では、図１２に示すように、幾つかのカソードプレート４０４は、カソードブロック４００上のほぼ同じ場所にてカソードプレート４０４の両側に位置する第１の組のピン４０６及び第２の組のピン４０８によって支持され、他のカソードプレート４０４は、互いに対してオフセットされた位置でカソードプレート４０４の両側に配置された第１の組のピン４０６及び第２の組のピン４０８によって支持される。
幾つかの実施形態では、カソードプレートは非平面状である。図１３及び図１６は、本開示の更なる実施形態によるカソードブロック４００の非平面状カソードプレート４０４を支持する複数のピン４０２の平面図を示す。図１３は、カソードプレート４０４を支持するための合計４本のピンを使用する実施形態を示しており、カソードプレート４０４の一方の側に２本のピンがあり、カソードプレート４０４の反対側に２本のピンがある。図１６は、カソードプレートを支持するために合計３本のピンを使用し、カソードプレート４０４の一方の側に２本のピンを、カソードプレート４０４の反対側に１本のピンを使用する実施形態を示す。図１４は、図１３に示す実施形態の線Ａ−Ａに沿った断面図である。図１５は、図１３に示す実施形態の正面図である。図１７は、図１６に示す実施形態の線Ａ−Ａに沿った断面図である。図１８は、図１６に示す実施形態の正面図である。
幾つかの実施形態では、ピンのピン上部は、非平面カソードプレートを鉛直形態で支持するように構成される。幾つかの実施形態では、ピンの第１の組及び第２の組の各々は、第１の形状を有するピン上部を有する第１のピンと、第２の形状を有するピン上部を有する第２のピンとを含んでおり、第１の形状と第２の形状は異なっている。幾つかの実施形態では、第１のピンのピン上部は第１の直径を有し、第２のピンの上部は第２の直径を有する。幾つかの実施形態では、第１の直径と第２の直径は異なっている。幾つかの実施形態では、ピン上部６０４は、横方向について非対称な形状を有する。幾つかの実施形態では、複数のピンの少なくとも１つのピン上部６０４の半径が変化する。
図１９乃至図２４は、特定の実施形態で、例えばカソードプレートが非平面状である実施形態で用いられ得るピンの形状の例を示す。ピンの形状は、ピンが嵌め込まれるカソードブロック上の位置における非平面状カソードプレートの曲率に依存する。例えば、図１９及び図２０は、第１の直径を有するピン下部６０６と、第１の直径よりも小さい第２の直径を有するピン上部６０４とを有する例示的なピン４０２を示す。幾つかの実施形態では、第２の直径は、第１の直径よりも約０．０２インチ小さく、幾つかの実施形態では、第１の直径よりも０．０１インチ小さい。図２１は、第１の直径を有するピン下部６０６と、第１の直径と同じ又は実質的に同じ第２の直径を有するピン上部６０４とを有する例示的なピン４０２を示す。図２２及び図２３は、第１の直径を有するピン下部６０６と、第１の直径よりも大きい第２の直径を有するピン上部６０４とを有する例示的なピン４０２を示す。幾つかの実施形態では、第２の直径は、第１の直径よりも約０．０２インチ大きく、幾つかの実施形態では、第１の直径よりも０．０１インチ大きい。図２４は、ピン下部６０６及びピン上部６０４を有する例示的なピン４０２を示し、ピン下部６０６の中心線２４０２は、ピン上部６０４の中心線２４０４からオフセットされている。幾つかの実施形態では、図２４の例示的なピン４０２の半径は変化する。幾つかの実施形態では、図２４の例示的なピン４０２は、ピンとカソードプレートの間で所望のクリアランスが達成されるまで、カソードブロックに形成された開口内で回転する。幾つかの実施形態では、図１９乃至図２４に示すピン４０２のピン下部６０６及びピン上部６０４は、一体的に形成される。
幾つかの実施形態では、ピン下部６０６は、カソードブロック４００内に嵌め込まれ、ピン上部６０４は２つの突起を含んでおり、カソードプレートは、２つの突起の間に配置される。
図２５は、更なる実施形態によるカソードブロック４００にてカソードプレート４０４を支持する２つの突起を備えるピン４０２を示す平面図である。各ピン４０２は、ピン上部６０４に２つの突起を有しており、カソードプレート４０４は、２つの突起の間に配置される。図２６は、図２５に示すピン４０２のうちの１本を示す斜視図である。図２６のピン４０２は、ピン上部６０４に２つの突起２６０２（即ち、対向する鉛直部分）を含み、それらの間に空間２６０４を画定してカソードプレートを保持する。図２７は、図２５に示す実施形態の正面図である。図２７は、ピン４０２によってカソードプレート４０４上に起立したカソードプレート４０４を示しており、カソードプレート４０４の下側に、また、ピン４０２の間に流通部分２７０２を形成している。流通部分２７０２は、金属生成物及び電解浴の少なくとも１つの流路を提供する。図２８は、図２５及び図２７に示す実施形態の側面図である。図２９は、図２５、図２７及び図２８に示す実施形態の斜視図である。
図３０乃至図３１及び図３２乃至図３５は、幾つかの実施形態で使用することができる２つの突起を有するピンの様々な図である。図３０及び図３１に示すピン４０２は、カソードブロックに形成された開口に嵌合するピン下部６０６と、２つの突起２６０２（即ち、鉛直な対向部分）を有するピン上部６０４とを含んでおり、突起２６０２の間にカソードプレートを保持する空間２６０４を画定する。
図３６乃至図４１は、幾つかの実施形態において使用され得る２つの突起を有するピンの様々な図を示す。図３６乃至図４０は、カソードブロックに形成された開口に嵌合するピン下部６０６とピン上部６０４とを有するピン４０２を示す。図４１は、円形本体を有するピン上部６０４を示しており、当該円形本体は、カソードプレートを保持するための空間２６０４を画定する２つの突起２６０２（即ち、鉛直な対向部分）を第１の端部に有しており、ピン４０２のノッチに結合する空間４１０４を画定する２つの突起４１０２を第２の端部に有している。
幾つかの実施形態では、カソード支持体は、カソードブロックに取り付けられた一連のビームを含む。図４２は、カソードブロック４００を示しており、本開示の一実施形態によるカソードブロック４００に取り付けられた一連のビームを含んでいる。一連のビームは、クロスビーム４２０２及び連結ビーム４２０４を含む。幾つかの実施形態では、クロスビーム４２０２及び連結ビーム４２０４は、二ホウ化チタンで作られている。幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４の一部は、クロスビーム４２０２の溝に嵌合するように楔形状にされている。幾つかの実施形態では、図４２に示すように、カソードプレート４０４は、互いに対して端と端とが離間した関係／構成で構成される。幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４は、一方のカソードプレートの端部／縁部が、何れかの側にあるカソードプレートの端部／縁部に接触するように配置されてよい。図４３は、図４２のクロスビーム４２０２の溝４３０４に入る、カソードプレートの下部に楔４３０２を有するカソードプレート４０４の一部の正面断面図である。楔は、中心線４３０６から約２度乃至約１０度のテーパーを有する。図４４は、図４３に示す楔を備えたカソードプレートの底側斜視図を示す。
図４９は、カソードタイルのアレイから形成されたカソードの別の実施形態を示す。各タイルは、隣接するタイルと組み合わされる。幾つかの実施形態では、２つ以上のタイルがカソードブロックに取り付けられる。マック（muck）の上にあるタイルは、セルが冷えてもマックに固定されないので、再利用できる。
幾つかの実施形態では、カソードプレートは、複数のカソードプレートから構成される。図４５は、組み合わされた３つのカソードプレート４０４の正面図である。幾つかの実施形態では、カソードプレートは、カソードタイルのアレイから構成される。図４８及び図４９は、カソードタイル４８０２のアレイから形成されたカソードを示す。幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２の少なくとも２つは、互いに機械的に連結する。
幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２は、隣接するカソードプレート又はカソードタイルと機械的に組み合わされるように構成された縁部を有する。幾つかの実施形態では、隣接するカソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２の縁部は、組み合わされるように構成された、傾斜した縁部（例えば、直角以外の角度を形成する傾斜の切り口）又は波形の（scalloped）縁部（例えば、湾曲した一連の突起を有する縁部）を有している。カソードプレート又はカソードタイルの端部を機械的に組み合わせることを可能にする任意の縁部形状が使用されてよい。幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２の縁部は、カソードプレートを機械的に相互に組み合わせるピンを収容する穴を有する。
図４６は、図４５に示す実施形態の斜視図である。中間カソードプレート４０４は、カソードブロック４００の溝２１０に設置された、２つの隣接するカソードプレート４０４によってカソードブロック４００の上方に支持、保持される。その結果として、中間カソードプレート４０４とカソードブロック４００の間に流路４５０２が形成される。図４７は、図４６の領域Ａの拡大図である。図４６は、傾斜した縁部４７０２を有する中間カソードプレート４０４を示す。隣接するカソードプレート４０４は、傾斜した縁部４７０２と組み合わされるように構成された、それに対応する嵌合縁部４７０４を有する。幾つかの実施形態では、中間カソードプレート４０４は、隣り合うカソードプレート４０４の凹状縁部と組み合わされる凸面である。
図４８は、カソードタイル４８０２のアレイから形成されたカソードを示す。幾つかの実施形態では、各タイル４８０２は六角形状である。幾つかの実施形態では、各カソードタイル４８０２は、隣接するカソードタイル４８０２と組み合わされる。２つのカソードタイル４８０２は、カソードブロック４００の溝（図示せず）に設置される。カソードタイル４８０２のような、カソードブロック４００２に設置されず、マックの上方にあるカソードタイルは、セルが冷却されてもマックに固定されないので、再利用できる。中間カソードタイル４８０２がマックの上方に設置される結果、中間カソードプレート４０４とカソードブロック４００の間に流路４５０２が形成される。
図４９は、カソードタイル４８０２のアレイから形成されたカソードの別の実施形態を示す。各カソードタイル４８０２は、隣接するカソードタイル４８０２と組み合わされる。幾つかの実施形態では、本開示の様々な実施形態で説明されたような複数のピン（図示せず）がカソードブロック４００に刺し込まれる。マックの上方にあるカソードタイル４８０２は、セルが冷却されてもマックに固定されないので、再利用できる。
図４８は、カソードタイル４８０２のアレイから形成されたカソードを示す。幾つかの実施形態では、各タイル４８０２は六角形状である。幾つかの実施形態では、各カソードタイル４８０２は、隣接するカソードタイル４８０２と組み合わされる。２つのカソードタイル４８０２は、カソードブロック４００の溝（図示せず）に設置される。カソードタイル４８０２のような、カソードブロック４００２に設置されず、マックの上方にあるカソードタイルは、セルが冷却されてもマックに固定されないので、再利用できる。中間カソードタイル４８０２がマックの上方に設置されるので、中間カソードプレート４０４とカソードブロック４００の間に流路４５０２が形成される。
図４９は、カソードタイル４８０２のアレイから形成されたカソードの別の実施形態を示す。各カソードタイル４８０２は、隣接するカソードタイル４８０２と組み合わされる。幾つかの実施形態では、本開示の様々な実施形態で説明されたような複数のピン（図示せず）がカソードブロック４００に刺し込まれる。マックの上方にあるカソードタイル４８０２は、セルが冷却されてもマックに固定されないので、再利用できる。
図５０は、カソードタイル４８０２のアレイから形成されたカソードの別の実施形態を示す。各カソードタイル４８０２は、隣接するカソードタイル４８０２にインターロックされる。幾つかの実施形態では、本開示の様々な実施形態で説明されるように、複数のピン４８０４がカソードブロック４００に刺し込まれて、カソードタイル４８０２を支持する。マックの上方にあるカソードタイル４８０２は、セルが冷却されてもマックに固定されないので、再利用できる。
図５１は、カソードタイル４８０２のアレイから形成されたカソードを示す。幾つかの実施形態では、各タイル４８０２は六角形状である。幾つかの実施形態では、各カソードタイル４８０２は、隣接するカソードタイル４８０２と組み合わされる。２つのカソードタイル４８０２は、カソードブロック４００の溝４８０６に設置される。カソードタイル４８０２のような、カソードブロック４００２に設置されず、マックの上方にあるカソードタイルは、セルが冷却されてもマックに固定されないので、再利用できる。中間カソードタイル４８０２がマックの上方に設置される結果、中間カソードプレート４０４とカソードブロック４００の間に流路４５０２が形成される。
幾つかの実施形態では、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２の縁部の組合せ特徴の抜き勾配は、セルの起動中に、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２を損傷することなく、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２の熱膨張運動を可能にする。幾つかの実施形態では、縁部の特徴は、グリーン加工、即ち、未焼成状態のセラミックの機械加工によって、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２に形成される。幾つかの実施形態では、縁部の特徴は、カソードプレート４０４又はカソードタイル４８０２のグリーン処理（例えば、乾式成形、押出し）中に形成される。
カソードプレート又はカソードタイルの端部が機械的に組み合わされる実施形態では、カソードプレート又はカソードタイルを組み合わせることによって両側で支持されたカソードプレート又はカソードタイルが亀裂を生じる場合、カソードのかけらが浴に落ちることがなく、組み合わされているカソードプレート又はカソードタイルによって支持され続ける。これにより、カソード及びセルの有効寿命が延びる。幾つかの実施形態では、亀裂が発生した後でさえ、破損したカソードプレート又はカソードタイルは、カソードとして機能し続ける。カソードプレート又はカソードタイルの間の電気的接続が、カソードプレート又はカソードタイルの縁部での物理的接触と、表面上のアルミニウム皮膜とによって、電解中に維持されるからである。
幾つかの実施形態では、カソードプレートは、隣接するカソードプレートによって支持されて、カソードブロックには取り付けられない。この実施形態では、カソードブロックとカソードプレートの間に流通経路が形成される。
幾つかの実施形態では、アルミナの電気化学的還元によってアルミニウム金属を製造する方法は、（ａ）電解セルの電解浴を通してアノードとカソードの間に電流を流す工程であって、電解セルは、（ｉ）セルリザーバと、（ｉｉ）セルリザーバの下部に保持されるカソード支持体と、を備えており、カソード支持体は、金属パッドと溶融電解浴の少なくとも１つとセルリザーバ内で接触しており、カソード支持体は、電解セルの下部と繋がるように構成されており、支持体下部を有する本体と、支持体下部の反対側にあって、少なくとも１つのカソードプレートをその内部に保持するように構成されたカソード取付部分を有する支持体上部とを備えている、工程と、（ｂ）供給材料を電解セルに供給する工程と、を含んでいる。上述の方法の幾つかの実施形態では、供給材料は金属生成物に電解還元される。上述の方法の幾つかの実施形態では、金属生成物は、カソードからセル下部に出されて、金属パッドを形成する。上述の方法の幾つかの実施形態では、Ｐ１０２０の純度を有する金属製品が製造される。
幾つかの実施形態では、本開示の方法のカソード支持体は、本開示に記載の実施形態におけるカソード支持体であってよい。幾つかの実施形態では、カソード支持体は、金属流及び／又は浴流の流路を提供するように構成される。幾つかの実施形態では、カソード支持体は、カソード支持体の下部領域に沿った少なくとも１つ（又は複数）の切欠き又は機械加工部分を含む。幾つかの実施形態では、切欠きは、カソード支持体の下部に沿っている（即ち、カソード支持体の底面から支持体の側面に沿った表面まで延びている）。幾つかの実施形態では、切欠きは、例えば、カソード支持体の本体を通って一方の側からカソード支持体の他方の側に延びて、（カソード支持体の底面から取り除かれて）側面に沿って配置される。様々な実施形態では、切欠きは、浴及び／又は金属がカソード支持体を通って流れるように構成されており、この目的のための任意の形状又は寸法を有している。
幾つかの実施形態では、カソード支持体のカソード取付部分は、（例えば、ラックのような）複数の隆起部を含んでいる。複数の隆起部は、離間しており、カソードプレートが隆起部の間を摺動して、隆起部によって保持されるように構成されている。幾つかの実施形態では、カソード支持体は、その上面に沿って複数の隆起部／拡張部（例えば、各々は、上部及び両側面を有する）を有しており、それら隆起部／延長部は、２つの隆起部／延在部の２つの側面（例えば、対向する側面）の間にカソードプレートを支持できるように離間した関係で構成されている。幾つかの実施形態では、カソード支持体のカソード取付部分は、カソードプレートを保持するための隆起表面形状を含む。
幾つかの実施形態において、カソード支持体は、炭質材料（例えば、グラファイト）、 ＴｉＢ２−炭素複合材料、二ホウ化チタン（ＴｉＢ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ２）、 ＨｆＢ２−炭素複合材料、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、ＺｒＢ２−炭素複合材料、金属、合金、及びこれらの組合せを含んでいる。幾つかの実施形態では、カソード支持体は、複合材料（例えば、ＴｉＢ２のようなセラミック材料で被覆されたグラファイト）を含む。幾つかの実施形態では、カソード支持体は、アルミニウム濡れ性材料から作られる。幾つかの実施形態では、カソードプレートは、アルミニウム濡れ性材料から作られる。幾つかの実施形態では、アルミニウム濡れ性材料は、溶融アルミニウムとの接触角が溶融電解質中で９０度以下である材料である。濡れ性材料の非限定的な幾つかの例は、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＳｒＢ２、炭質材料、及びこれらの組合せのうちの１つ以上を含んでよい。
幾つかの実施形態では、カソード支持体は、セルの下部に取り付けられるように構成される。締結具（取付装置）の非限定的な幾つかの例には、機械的ファスナ、ボルト、ねじ、ファスナ、ブラケット、ラムインプレイス（ram-in-place）、及びそれらの組合せが含まれる。
幾つかの実施形態では、カソードプレート支持部がカソードプレートを支持し、カソードプレートを鉛直位置に保持する。幾つかの実施形態では、カソードプレート支持部は、カソードブロック内に切り込まれた溝内に置かれたプレートを含む。幾つかの実施形態では、カソードプレート支持体は、二ホウ化チタンで構成されている。幾つかの実施形態では、カソードプレート支持体は、少なくとも１つのカソードプレートと同じ材料で構成されている。

Claims (40)

  1. セルリザーバと
    前記セルリザーバの下部に保持されたカソード支持体と、
    を備える電解セルであって、
    前記カソード支持体は、前記セルリザーバ内で金属パッドと溶融電解浴のうちの少なくとも１つと接触し、
    前記カソード支持体は、
    前記電解セルの下部と繋がるように構成された支持体下部と、
    前記支持体下部の反対側にあって、少なくとも１つのカソードプレートを保持するように構成されたカソード取付部分を有する支持体上部と、
    を有する本体を含む、電解セル。
  2. 前記カソード支持体のカソード取付部分は、前記カソード支持体の上面に設けられた表面溝を含んでおり、前記表面溝は、前記少なくとも１つのカソードプレートの１つを保持するのに十分な深さに構成されている、請求項１に記載の装置。
  3. 前記カソード支持体の前記カソード取付部分は、
    １又は複数の溝を含む複数の第１のビームであって、前記１又は複数の溝は、前記複数の第１のビームの表面に形成されており、前記少なくとも１つのカソードプレートを保持するように構成されている、複数の第１のビームと、
    前記第１の複数のビームを連結する複数の第２のビームと、
    を備えている、請求項１に記載の装置。
  4. 前記カソード取付部分の前記少なくとも１つのカソードプレートは、第１のカソードプレートの縁部が、両側にて前記第１のカソードプレートと対置されるカソードプレートの縁部に接触するように構成される、請求項１に記載の装置。
  5. 前記カソード支持体は複数のピンを含んでおり、各ピンはピン下部及びピン上部を有する、請求項１に記載の装置。
  6. 各ピン下部は、前記カソード支持体における対応する開口によって保持される、請求項５に記載の装置。
  7. 前記複数のピンは、前記少なくとも１つのカソードプレートを鉛直形態で支持するように離間して配置される、請求項６に記載の装置。
  8. 前記複数のピンは、第１の組のピン及び第２の組のピンを含む、請求項５に記載の装置。
  9. 前記第１の組のピンのピン下部は、前記カソード支持体に直線形態で配置され、前記第２の組のピンのピン下部は、前記カソード支持体に直線形態で配置される、請求項８に記載の装置。
  10. 前記第１の組のピンのピン下部の直線形態は、前記第２の組のピンのピン下部の直線形態と平行である、請求項９に記載の装置。
  11. 前記ピン上部は、非平面カソードプレートを鉛直形態で支持するように構成されている、請求項５に記載の装置。
  12. 前記第１の組のピン及び前記第２の組のピンの各々は、第１の形状を有するピン上部を有する第１のピンと、第２の形状を有するピン上部を有する第２のピンとを備えている、請求項８に記載の装置。
  13. 前記第１の形状は、前記第２の形状とは異なる、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記第１のピンのピン上部は第１の直径を有し、前記第２のピンのピン上部は第２の直径を有する、請求項１２に記載の装置。
  15. 前記第１の直径は前記第２の直径と異なる、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記第１のピン及び前記第２のピンは、第１の直径のピン下部を有し、前記第１のピン及び前記第２のピンは、第２の直径のピン上部を有する、請求項１２に記載の装置。
  17. 前記第１の直径は前記第２の直径と異なる、請求項１６に記載の装置。
  18. 前記ピン上部は、横方向に非対称な形状を有する、請求項１２に記載の装置。
  19. 前記複数のピンは二ホウ化チタンから構成されている、請求項１に記載の装置。
  20. 前記複数のピンのうちの少なくとも１つのピン上部の半径は変化する、請求項５に記載の装置。
  21. 半径が変化する前記少なくとも１つのピンが、前記少なくとも１つのピンと前記カソードプレートとの間で所望のクリアランスが達成されるまで回転する、請求項２０に記載の装置。
  22. 前記ピン下部は前記カソード支持体に嵌め込まれ、前記ピン上部は２つの突起を含み、前記少なくとも１つのカソードプレートの１つは前記２つの突起の間に位置する、請求項５に記載の装置。
  23. カソードプレートが複数のカソードプレートで構成されている、請求項１に記載の装置。
  24. 前記複数のカソードプレートの少なくとも２つは、互いに機械的に組み合わされる、請求項２３に記載の装置。
  25. 各カソードプレートは、隣接するカソードプレートと機械的に組み合わされるように構成された側縁部を含む、請求項２４に記載の装置。
  26. 前記第１のカソードプレートの側縁部は凹状であり、隣接するカソードプレートの凸状の側縁部と組み合わされるように構成されている、請求項２５に記載の装置。
  27. 前記複数のカソードプレートの縁部は、前記複数のカソードプレートを機械的に互いに組み合わせるピンを収容する穴を有する、請求項２６に記載の装置。
  28. カソードプレートを組み合わせることで両縁部にて支持されたカソードプレートは、亀裂を含む、請求項２６に記載の装置。
  29. 前記カソードプレートは、隣接するカソードプレートによって支持されており、前記カソード支持体には取り付けられていない、請求項２４に記載の装置。
  30. 前記カソード支持体と前記カソードプレートの間に流路が形成されている、請求項２９に記載の装置。
  31. アルミナの電気化学的還元によってアルミニウム金属を製造する方法において、
    （ａ）電解セルの電解浴を通してアノードとカソードの間に電流を流す工程であって、前記電解セルは、
    （ｉ）セルリザーバと
    （ｉｉ）前記セルリザーバの下部に保持されたカソード支持体と、
    を備える電解セルであって、
    前記カソード支持体は、前記セルリザーバ内で金属パッドと溶融電解浴のうちの少なくとも１つと接触し、
    前記カソード支持体は、
    前記電解セルの下部と繋がるように構成された支持体下部と、
    前記支持体下部の反対側にあって、少なくとも１つのカソードプレートを保持するように構成されたカソード取付部分を有する支持体上部と、
    を有する本体を含む、工程と、
    （ｂ）供給材料を前記電解セルに供給する工程と、
    を含んでいる、方法。
  32. （ｃ）前記供給材料を金属生成物に電解還元する工程を更に含む、請求項３１に記載の方法。
  33. （ｄ）前記金属生成物を前記カソードから前記セル下部に出して、金属パッドを形成する工程を更に含む、請求項３２に記載の方法。
  34. セルリザーバと、
    前記セルリザーバの底部に保持されたカソード支持体と、
    前記カソード支持体に保持されたカソードプレートと、
    を備えており、
    前記カソードプレートは、隣接するカソードプレートと機械的に組み合わされるように構成された縁部を有する、電解セル。
  35. 前記カソードプレートは、上縁部と、反対側にある下縁部と、第１の側縁部と、第２の側縁部とを有しており、
    前記第１の側縁部は、第１の隣接するカソードプレートの側縁部と機械的に組み合わされるように構成されており、前記第２の側縁部は、第２の隣接するカソードプレートの側縁部と機械的に組み合わされるように構成されている、請求項３４に記載の電解セル。
  36. 前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部は、前記第１の隣接カソードプレートの対応する傾斜した側縁部及び前記第２の隣接カソードプレートの傾斜した側縁部と機械的に組み合わされる傾斜した縁部である、請求項３５に記載の電解セル。
  37. 前記カソードプレートは、前記第１の隣接するカソードプレートと前記第２の隣接するカソードプレートとによって前記カソード支持体の上方に支持されている、請求項３５に記載の電解セル。
  38. 前記カソードプレートの第１の側縁部及び第２の側縁部が凸状であり、前記第１の隣接するカソードプレートの対応する側縁部と前記第２の隣接するカソードプレートの対応する傾斜した側端部とが凹状である、請求項３５に記載の電解セル。
  39. 前記カソードプレートは、カソードタイルのアレイから形成されており、各カソードタイルは、隣接するカソードタイルと組み合わされている、請求項３４に記載の電解セル。
  40. 各カソードタイルが六角形である、請求項３９に記載の電解セル。
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