KR20160122826A

KR20160122826A - 금속 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조

Info

Publication number: KR20160122826A
Application number: KR1020167025500A
Authority: KR
Inventors: 퓨오 펠릭스 프라도
Original assignee: 인두스트리에 데 노라 에스.피.에이.
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-10-24
Also published as: US10309023B2; TW201546332A; EA201691667A1; JP6580057B2; JP2017511428A; EP3108037A2; CN106034404B; PL3108037T3; WO2015079072A2; US20170009359A1; CL2016000367A1; CN106034404A; KR102281669B1; BR112016019065B1; ES2679595T3; WO2015079072A3; AP2016009431A0; PH12016501660B1; PE20161107A1; CA2939337A1

Abstract

본 발명은 애노드 행거 바, 절연 재료의 지지 구조, 촉매 코팅이 제공된 밸브 금속 기판을 갖는 적어도 하나의 애노드 메시를 포함하는 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조에 관한 것이고, 상기 적어도 하나의 애노드는 적어도 두 개의 상호간에 절연된 서브-메시들로 세분되고, 상기 서브-메시들은 상기 애노드 행거 바와 연결된 도전성 수단을 통해 전하가 개별적으로 공급되고, 애노드 구조는 상기 서브-메시들의 각각에 전하 공급을 개별적으로 측정 및 제어하기 위해 적어도 하나의 전하 프로브 및 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 적어도 하나의 전자 시스템이 추가로 제공된다.

Description

금속 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조{ANODE STRUCTURE FOR METAL ELECTROWINNING CELLS}

본 발명은 금속 증착의 균일한 성장을 관리하고, 특히 비철 금속들의 전해 채취 또는 전기 제련의 플랜트들에서 사용된 전해질 셀들에서 단락들을 방지하거나 애노드 전기적 손상을 감소시키기에 적합한 애노드 구조에 관한 것이다.

특히 금속 전해 채취 또는 전기 제련 플랜트들에 관하여, 전기 화학 플랜트들의 셀들에 공급된 전류는 매우 다양하고 불균일한 방식으로 개별적인 셀 전극들에게 분배될 수 있어서, 생산에 부정적으로 영향을 끼친다. 이러한 종류의 현상들은 다수의 상이한 이유들 때문에 발생할 수 있다. 예를 들면, 금속 전해 채취 또는 전기 제련 플랜트들의 특별한 경우에서, 음으로 분극된 전극들(캐소드들)은 그 위에 증착된 결과물의 채취를 허용하고 후속하는 생산 주기 동안 나중에 다시 제 위치에 놓이도록 그들의 시트들(seats)로부터 자주 회수된다. 매우 큰 수의 캐소드들상에 일반적으로 수행되는 이러한 잦은 조작은, 또한 관련 시트들상에 얇은 조각들의 가능한 형성 때문에, 버스-바들 상에 및 완전한 전기 접점들로부터 먼 불완전한 리포지셔닝을 종종 야기한다. 캐소드 표면들의 프로파일을 변경시키는 결과물 질량 변화도들의 형성과 함께 제품 증착이 전극상에 불규칙한 방식으로 발생하는 것이 또한 가능하다. 이것이 발생할 때, 전기 불균형의 상태는 사실상 전체 표면을 따라 더 이상 일정하지 않은 애노드-대-캐소드 갭에 의해 확립된다: 각각의 애노드-캐소드 쌍 사이의 갭의 함수인 전기 저항은 가변적이 되어, 전류 분포에서 불균일의 문제를 악화시킨다. 이러한 현상은 예를 들면, 구리의 경우에서 종종 관찰되고, 더 적은 증착이 더 많은 양의 가스가 존재하는 캐소드들의 상부에서 발생하여, 전기 저항의 증가를 야기한다.

또한 구리의 경우 특히 일반적인, 다른 문제는 단락 상태를 확립할 때까지, 로컬 애노드-대-캐소드 갭이 감소하는 것만큼 빠르게 로컬로 성장하는 나무가지 형상의 침전물들의 부차적인 형성이다. 단락의 경우, 전류는 단락 캐소드상에 집중되는 경향이 있어, 나머지 캐소드들에 대한 전류를 공제하고, 생성을 심하게 방해하고, 이는 단락된 캐소드가 셀로부터 분리되기 전에 복원될 수 없다. 전류의 불균일한 분포는 상기에 언급된 품질 및 산출물 용량의 손실을 또한 생성하여 티타늄 메시들로 제작된 근대 개념의 애노드들의 무결성 및 수명에 문제가 된다.

산업 플랜트들에서, 큰 수의 셀들 및 전극들이 제시되면, 균일한 증착을 유지하는 것, 단락들을 방지하는 것, 또는 단락에 의한 애노드 손상을 감소시키는 것의 태스크들은 매우 복잡하고 실제 실행이 어렵다.

본 발명의 다양한 양태들이 첨부하는 청구항들에서 설명된다.

하나의 양태하에서, 본 발명은 애노드 행거 바, 전기적 절연 재료로 구성된 지지 구조, 및 촉매 코팅이 제공된 밸브 금속 기판을 포함하는 적어도 하나의 애노드 메시를 포함하는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조에 관한 것이고, 상기 적어도 하나의 애노드 메시는 적어도 두 개의 상호적으로 절연된 서브-메시들로 세분되고, 상기 서브-메시들은 상기 애노드 행거 바와 연결된 도전 수단을 통해 전류가 개별적으로 공급되고, 상기 애노드 구조는 각각의 개별적인 서브-메시에 전류 공급을 개별적으로 측정 및 제어하기 위해 적어도 하나의 전류 프로브 및 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 적어도 하나의 전자 시스템이 추가로 제공된다.

용어 "애노드 메시"는 대응하는 캐소드를 마주보는 전극을 규정하도록 의도된다.

용어 "서브-메시들"은 애노드 메시가 세분된 일련의 돌출된 기하학적 표면들을 규정하도록 의도된다.

용어 "메시"는 구멍형 구조를 나타내기 위해 사용된다.

본 발명에 따른 애노드 구조는 하나의 동일한 행거 바에 연결되고 지지 구조의 반대측들에 위치되는 두 개의 애노드 메시들을 포함할 수 있고, 각각의 애노드 메시는 대응하는 캐소드를 마주보고, 각각의 애노드 메시는 적어도 두 개의 서브-메시들로 세분된다. 애노드 구조는 두 개의 애노드 메시들 사이에 개재된 얇은 패널을 추가로 포함할 수 있다. 패널은 복수의 더 작은 서브-패널들로 구성될 수 있다. 패널은 애노드 메시의 돌출된 표면적과 비슷한 전체 면적을 가질 수 있고 수 밀리미터 두께일 수 있다; 이는 산성 전해질에 저항성이 있고 셀의 동작 온도들에서 작동하기 쉬울 수 있는 플라스틱 또는 수지와 같은 재료로 구성될 수 있다.

애노드 메시가 세분되는 서브-메시들은 동일하거나 상이한 면적일 수 있다.

바람직하게는, 애노드 구조의 동작 동안 전해질에 담궈진 요소들뿐만 아니라 절연 재료의 지지 구조는 산성 전해질 환경에 저항성이 있어야 한다.

본 발명에 따른 애노드 구조는, 전류 불규칙성들에 의해 영향을 받는 애노드 메시의 섹션들만을 접속 해제함으로써 캐소드에서 금속의 덴드라이트들 또는 높은 불규칙한 증착의 경우에서조차, 전류 제어 시스템을 통해, 애노드의 연속적인 동작을 허용하는 이점을 가질 수 있다. 전술한 서브-메시들은 플라스틱들 또는 수지들과 같은 재료들과 상호간에 전기적으로 절연될 수 있다. 또한, 또는 대안적으로, 서브-메시들은 그들 사이의 물리적 갭의 존재에 의해 상호간에 절연될 수 있다. 만약 있다면, 물리적 갭은 바람직하게는 3 ㎜보다 크게, 예를 들면, 약 8 ㎜로 선택될 수 있다.

각각의 개별적인 서브-메시에 공급된 전류의 개별적인 측정은 직접 측정 또는, 예를 들면, 로컬 온도 변동들을 평가하는 것 또는 수동 전자 구성 요소들(예를 들면, 서미스터들 또는 재설정가능한 퓨즈들, 각각은 전자 시스템의 전류 프로브 및 액추에이터 모두로서 동작할 수 있다)에서 전류 강도에 특정한 전기 응답을 트리거링하는 것과 같이, 서브-메시로 흐르는 전류의 간접적인 평가에 의해 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 애노드 구조의 일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 애노드 메시는 25 ㎠와 225 ㎠ 사이의 범위에 있는 면적의 서브-메시들로 세분된다.

용어 "면적"은 기하학적 돌출 면적을 규정하도록 의도된다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조의 도전성 수단은 금속 바들, 플레이트들, 또는 케이블들이다. 도전성 수단은 소형화되고 및/또는 하나 이상의 전자 회로들에 조립될 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조의 금속 바들, 플레이트들 또는 케이블들은 구리, 알루미늄, 또는 그의 합금들과 같은 1.5×10^-8 내지 3.0×10^-8 Ω×m의 전기 고유 저항을 갖는 전기 도전성 재료로 구성된다. 도전성 수단의 전기 고유 저항은 네 개의 배선 측정 셋-업을 사용하여 멀티미터에 의해 20 ℃에서 수행된 측정을 말한다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조는 수단을 고정함으로써 절연 재료의 상기 지지 구조에 고정된 상호간의 전기 절연에서 상기 서브-메시들을 갖는다.

다른 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조는 상기 도전성 수단, 및 수지들 또는 플라스틱들과 같은 재료들에 의해 지지 구조 내 임베딩 및 밀봉된 상기 적어도 하나의 전자 시스템을 갖는다.

다른 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조의 각각의 서브-메시는 서브-메시의 전류 피드를 개별적으로 제어하는 적어도 하나의 전자 시스템을 구비한다.

다른 실시예에서, 전자 시스템은 트랜지스터들, MOSFETS, 스위치들, 부하 스위치들, 연산 증폭기들, 마이크로 제어기 장치들(MCUs), 아날로그 디지털 변환기들(ADCs)와 같은 능동 구성 요소들, 및/또는 수동 전자 구성 요소들을 포함한다.

능동 구성 요소들의 사용은 능동 제어를 허용하는 이점을 가질 수 있고, 서브-메시들에 흐르는 전류의 기록 및 관리 능력들을 제공할 수 있다.

이들 능동 구성 요소들에 전력을 공급하기 위해서, 본 발명에 따른 애노드 구조와 전해조의, 만약 있다면, 캐소드 셀간 바 또는 밸런스 바 사이의 전위차를 이용하는 것이 가능하다. 전자 시스템, 또는 그의 구성 요소들 중 하나 이상은 애노드 구조로부터 연장하고 캐소드 셀간 바 또는 밸런스 바와 전기 접촉하는 금속 케이블과 같은 도전성 수단과 전기적으로 연결될 수 있다.

다른 실시예에서, 전자 시스템은 서미스터들 또는 재설정가능한 퓨즈들(예컨대, 중합체의 양의 온도 계수 퓨즈들, 폴리 퓨즈들 또는 폴리스위치들이라고도 알려진, 재설정가능한 PPTC 퓨즈들)과 같은 수동 구성 요소들을 포함한다. 본 발명자는 이들 수동 구성 요소들의 사용이 시스템 셋-업을 간략화할 수 있다는 것을 발견했다. 서미스터들 및 재설정가능한 퓨즈들은 회로를 통해 흐르는 전류의 간접 측정을 제공하고, 과전류들을 제어 및 소거하기 위한 간단한 수단을 제공하여 전자 시스템의 전류 프로브 및 액추에이터 모두의 역할을 하는 자기 구동 수동 디바이스들이다. 그들은 전압과 전류 사이의 큰 비선형 응답 관계를 특징으로 하고, 그들은 외부 전원들 또는 제 3 자의 개재들의 필요 없이 회로에 전류 흐름의 중단/활성화를 자기 트리거링함으로써 과전류 고장들을 방지한다. 전류 제어를 위한 이들 수동 구성 요소들은 기록 및 경보 목적들을 위해 사용될 수 있는 능동 구성 요소들과 함께 수행될 수 있다.

다른 양태 하에서, 본 발명은 상술되는 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는 전기 화학적 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 또한 전기 도금 및 전기 제련 플랜트들에서 채용될 수 있고, 단락 방지, 덴드라이트 접촉에 의한 애노드 손상의 감소를 위해 및/또는 금속의 동질적 증착을 관리하기 위해 사용될 수 있다. 시스템은 또한, 애노드 메시의 적어도 두 개의 서브-메시들로의 분할 때문에, 애노드 구조의 부분들만을 중단시킴으로써, 로컬화된 전류 이상들의 발생시조차도, 애노드를 동작중으로 유지하게 한다.

본 발명자는 전자 시스템을 통해 특정한 서브-메시들에 전력 공급을 선택적으로 중단시킴으로써, 캐소드상의 금속의 균일한 증착을 획득할 뿐만 아니라 애노드의 표면에 수직인 방향으로 캐소드상에 형성된 임의의 덴드라이트들의 성장을 강하게 지연시키는 것이 가능하다는 것을 발견했다.

다른 양태 하에서, 본 발명은 상술된 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는 금속 전해 채취 플랜트에서 금속 증착을 위한 시스템에 관한 것이고, 각각의 서브-메시는 양의 온도 계수 서미스터들 또는 재설정가능한 퓨즈들 중에서 선택된 적어도 하나의 수동 전자 시스템과 직렬로 전기적으로 연결된다. 과전류 고장들을 방지하기 위해, 각각의 수동 전자 시스템은 그의 특징적 전류 파라미터들에 따라 선택된다. 수동 시스템이 양의 온도 계수 재설정가능한 퓨즈일 때, 그의 특징적 전류 파라미터들은 이후 기술되는 것으로 이롭게 선택될 수 있다: 1) 각각의 개별적인 서브-메시에 대해 동작 상태들에서 공급될 수 있는 최대 공칭 전류와 동등한 유지 전류값; 2) 각각의 서브-메시에 대해 최대 안전 전류보다 낮은 트립 전류값. 수동 디바이스가 유지 전류 아래의 전류들에서 동작할 때, 에너지 손실 및 과열을 최소화하기 위해, 공칭 동작 상태들 하에서 전압의 강하가 안정되고 값이 낮은 수동 전자 시스템을 선택하는 것이 바람직하다.

다음의 규정들은 상술되는 애노드 구조의 동작 온도들, 일반적으로 45℃ 내지 55℃에서 측정된 양들을 말한다.

용어 "트립 전류"는 전자 시스템이 전류 흐름을 차단하는 통로에서 수동 전자 시스템의 특징적 전류 임계치를 규정하는 것이 의도된다. 누설 전류들로 알려진 미주 전류들(stray currents)의 단지 작은 값들만이 "트립" 상태에서 수동 구성 요소를 통해 흐를 수 있다.

용어 "유지 전류"는 특징 전류 임계치를 규정하도록 의도되고, 그 값 이하에서는 수동 구성 요소가 디바이스를 트립시키지 않도록 보장된다.

용어 "최대 안전 전류"는 개별적인 서브-메시들 및 회로들의 안전 및 보존을 위태롭게 하지 않는 최대 전류를 규정하도록 의도된다.

용어 "공칭 전류"는 이상적인 동작 상태들 하에서, 즉, 생산 프로세스에서 발생하는 관련된 임계도들의 부재시 서브 메시들에서 흐르는 전류를 규정하도록 의도된다.

전술된 서미스터들 또는 재설정가능한 퓨즈들은 환경으로부터 그들을 단열시키고 동작 동안 그들의 신뢰도를 보장하기 위해 공기 또는 폼 충진 챔버들에 넣어질 수 있다.

본 발명자는 수동 전자 시스템들, 예컨대 서미스터들 또는 재설정가능한 퓨즈들에 의해 특정한 서브-메시들에 공급된 전력의 선택적인 및 적시 차단이, 이들 능동 구성 요소들이 외부 전원들을 요구하지 않고 그들의 동작이 자기 조절되기 때문에, 애노드/캐소드 접촉부들의 덴드라이트 접촉 또는 정렬 불량의 경우조차, 이롭게 간략화된 방식으로 서브-메시에 상당한 단락 손상들을 방지한다는 것을 발견했다.

전술된 시스템들은 경보 및/또는 데이터 기록 시스템과 쌍을 이룰 수 있다. 예를 들면, 애노드 구조는 애노드 구조의 적어도 하나의 서브-메시에서 발생하는 전류 이상의 가시적 경고를 제공하기 위해 사용될 수 있는 발광 다이오드(LED)가 갖춰질 수 있다. 또한, 또는 대안적으로, 본 발명에 따른 애노드 구조는 시스템의 동작에 관련된 데이터를 주요 중앙 컴퓨터에 전송하는 무선 통신 디바이스가 갖춰질 수 있다.

다른 양태 하에서, 본 발명은 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법에 관한 것이고, 각각의 애노드 메시에 대해 전자 시스템은 미리 규정된 시간 간격들에서 각각의 서브-메시 내 전류를 검출한다. 측정을 수행한 후, 전자 시스템은 각각의 애노드 메시에 대하여 그의 서브-메시들에서 순환하는 극대 전류 결정하고, 검출된 극대값에 대응하여 서브-메시 또는 서브-메시들에 전류 공급을 중단한다. 이러한 적어도 하나의 서브-메시에서, 시스템은 후속 측정까지 전류를 중단한다. 이러한 방법은 캐소드 표면상에 증착된 금속의 균일한 성장을 조성한다.

애노드 구조와 불연속 서브-메시 사이의 전위차가 존재하기 때문에, 그의 전위는 전해질의 전위에 대응하고, 당업자는 전자 시스템의 능동 구성 요소들 및/또는 경보 또는 전류 기록 수단에 완전히 또는 부분적으로 전력을 공급하기 위해 이러한 에너지 차를 사용할 수 있다.

다른 양태 하에서, 본 발명은 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법에 관한 것이고, 각각의 애노드 메시에 대하여 전자 시스템은 미리 규정된 시간 간격들에서 각각의 서브-메시 내 전류를 검출한다. 측정을 수행한 후, 전자 시스템은 각각의 애노드 메시에 대하여 그의 서브-메시들에서 순환하는 극대 전류를 결정하고, 극대 전류를 특정한 미리 규정된 값과 비교한다. 극대 전류 값이 상기 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 전자 시스템은 다음 측정까지 검출된 극대값에 대응하는 서브-메시 또는 서브-메시들에 대한 전류 공급을 중단한다. 미리 설정된 전류 임계치는 각각의 측정 후에 다시 규정될 수 있다. 그의 값은, 예를 들면, 서브-메시들의 전류 값들 이력에 기초하여 MCU에 의해 규정될 수 있다.

금속 전기 채취 또는 전기 제련 플랜트에서, 전술된 방법은, 예를 들면, 금속의 동질적 증착, 단락 방지 또는 애노드에 대한 단락 손상의 감소를 위해 이롭게 채용될 수 있다.

다른 양태 하에서, 본 발명은 전기 화학적 금속 증착을 위해 플랜트에서 금속 증착을 위한 방법에 관한 것이고, 각각의 애노드 메시에 대하여, 전자 시스템은 미리 규정된 시간 간격들에서 각각의 서브-메시의 전류를 측정하고, 전류값들이 특정한 미리 설정된 임계치를 초과하는 그들의 서브-메시들에 대한 전류 공급이 존재하는 경우 이를 중단한다. 이러한 서브-메시들에서, 시스템은 후속하는 측정까지 전류를 중단한다. 또한 이러한 경우, 미리 설정된 전류 임계치는 각각의 측정 후 재규정될 수 있고 상이한 서브-메시들에 대해 상이할 수 있다. 각각의 애노드 메시에 대하여, 시스템의 임의의 붕괴 위험을 피하기 위해, 동작 동안 중단될 수 있는 서브-메시들의 최대수를 미리 설정하는 것이 가능하다. 이러한 경우, 중단될 서브-메시들은 그들의 전류값, 상대적인 위치 및 이전 전류 이력에 따라 서브-메시들에 우선 순위를 매김으로써 선택될 수 있다. 전술된 방법은, 예를 들면, 단락 방지를 위해 또는 애노드에 대한 단락 손상의 감소를 위해 이롭게 채용될 수 있다.

다른 양태 하에서, 본 발명은 전술된 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는, 애노드에 대한 단락 손상의 감소 또는 단락 방지에 적절한 금속 전해 채취 플랜트에서 금속 증착을 위한 방법에 관한 것이고, 각각의 애노드 메시에 대해 전자 시스템은 미리 규정된 시간 간격들에서 각각의 서브-메시 내 전류를 검출한다. 각각의 애노드 메시에 대하여, 전자 시스템은 애노드 메시가 세분되는 서브-메시들에 흐르는 평균 전류를 계산하고, 평균으로부터 그들의 상대 편차를 계산한다. 상대 편차에 의해, 이는 서브-메시의 전류값과 평균 사이의 차를 평균 전류값으로 나눈 것을 의미한다. 시스템은 상대 편차가 미리 규정된 값을 초과하는 서브-메시들에 전류 공급을 중단한다. 이러한 서브-메시에서, 시스템은 후속 측정까지 전류를 중단한다. 상기 미리 규정된 값은 서브-메시들 사이에서 및 시간적으로 변할 수 있고, 예를 들면, 각각의 측정 후 MCU에 의해 재규정될 수 있고, 그의 값은 전류 값들 이력 및 서브-메시 위치에 기초할 수 있다.

본 발명을 예시하는 몇몇 구현들은 본 발명의 상기 특별한 구현들에 관하여 상이한 요소들의 상호간 정렬을 예시하는 단순한 목적을 갖는 첨부된 도면들을 참조하여 여기에 기술될 것이다; 특히, 도면들은 반드시 비례적으로 도시되지는 않는다.

본 발명은 전해 채취 셀들의 캐소드 표면상에 증착된 금속의 균일한 성장을 관리하고 및/또는 예를 들면, 덴드라이트들의 현상, 불규칙한 증착 성장 때문에, 또는 애노드들 및 캐소드들을 직접 전기 접촉시킬 수 있는 또는 기계적 고장들에 의해 발생할 수 있는 애노드의 단락 또는 손상을 방지하는 것을 허용한다.

또한, 본 발명은 애노드의 제한된 부분들의 대응부에서만 전류 흐름을 선택적으로 중단하고, 산출물들 손실들을 제한하고, 금속 증착 프로세스를 최적화함으로써, 상기 동시 발생들의 경우에 애노드를 동작중으로 유지하게 한다.

결과로서, 본 발명은 산출물의 용량 및 품질에서 증가를 조성하고 애노드 구조를 보존한다.

도 1은 100 개의 서브-메시들로 세분되는 두 개의 애노드 메시들을 갖는 본 발명에 따른 애노드 구조의 3차원 도면.
도 2는 서브-메시 대 애노드 행거 바 연결의 방식 및 그와 연관된 능동 전류 조정/중단의 가능한 시스템을 도시하는 도면.
도 3은 서브-메시들 대 애노드 행거 바의 연결들의 방식 및 그와 연관된 수동 전류 조정/중단의 가능한 시스템을 도시하는 도면.
도 4는 폴리퓨즈들을 갖는 수동 제어 시스템을 구현하는 본 발명에 따른 애노드 구조의 개략도. 패널들(Ⅰ) 및 (Ⅱ)은 애노드 구조의 정면 및 측면도들을 도시하고; 패널들(Ⅲ) 및 (Ⅳ)은 애노드 구조의 지정된 단면부 및 단면부의 지정된 부분의 확대를 각각 도시한다.
도 5는 MCU 및 전력 트랜지스터들을 포함하는 능동 제어 시스템을 구현하는 본 발명에 따른 애노드 구조의 개략도. 패널들(Ⅰ) 및 (Ⅱ)은 애노드 구조의 정면 및 측면도들을 도시하고; 패널들(Ⅲ) 및 (Ⅳ)은 애노드 구조의 지정된 단면부 및 단면부의 지정된 부분의 확대를 각각 도시한다.

도 1에서, 다섯 개의 수직 바들(110)의 지지 구조에 역학적으로 연결된 두 개의 애노드 메시들을 지지하는 애노드 행거 바(100)가 도시된다. 뒤쪽의 애노드 메시(참조되지 않음)를 부분적으로 숨기는 정면 애노드 메시(101)는 100 개의 서브-메시들, 예컨대 서브-메시(102)로 세분된다. 전기 접속 케이블들(103), 서브-메시들 사이의 절연 갭(104), 및 캐소드(106)가 또한 도시된다. 전류 조정의 전자 시스템은 장소(1051)에 대응하여 배치될 수 있다. 또한, 또는 대안적으로, 전류 조정의 전자 시스템은 제어될 서브-메시, 예컨대 서브-메시(102)에 대한 위치(1052)에 대응하여 직접 배치될 수 있다.

도 2에서, 한 측상의 관련 접속 케이블(103)을 통해 서브-메시(102)에, 및 다른 측상에 애노드 행거 바(100)에 연결된, 전자 시스템 회로(105)에 대응하는 영역을 나타내는 능동 전기 마이크로회로의 개략도가 도시된다. 능동 전자 시스템 회로(105)는 저항기(109) 및 제어(107) 및 능동 구성 요소(108)의 조합을 포함한다. 후자의 구성 요소는, 예를 들면, 트랜지스터, MOSFET, 스위치 트랜지스터 또는 부하 스위치일 수 있다. 요소들(107, 108)은 미리 규정된 기준 전압과 저항기에서 전압 강하를 비교할 수 있다; 저항기 전압 강하가 미리 설정된 시간 기간 동안 전압 기준보다 클 때, 요소(107)는 요소(108)의 게이트 고정을 트리거한다.

도 3에서, 한 측면상에 관련 접속 케이블(103), 및 다른 측면상의 애노드 행거 바(100)를 통해 서브-메시(102)에 연결된 양의 온도 계수 서미스터 또는 재설정가능한 퓨즈일 수 있는 수동 전자 디바이스(101)에 대응하는 영역을 나타내는 수동 전기 시스템의 도면이 도시된다.

도 4에서, 패널들(Ⅰ, Ⅱ)은 단자 접촉부들(101)을 갖는 전기 도전성 행거 바(100)를 포함하는 제어 구성 요소들 및 수동 전류 프로브를 구현하는 애노드 구조의 정면도 및 측면도를 각각 도시하고, 두 개의 애노드 메시들은 각각 서브-메시(102)와 같은 36 개의 서브-메시들로 분할된다. 서브-메시(102)는, 예를 들면, 티타늄 또는 그의 합금으로 만들어질 수 있는 도전성이고 내화학성 리벳들(300)을 통해 지지 수단(110)에 연결된다. 패널(Ⅲ)은 대시 점선을 따라 취해진 패널(Ⅰ)의 애노드 구조의 단면도를 보여준다. 지지 수단(110) 및 서브-메시(102)를 포함하는 빗금친 영역에 둘러싸인 영역은 서브-메시(102)와 지지 수단(110) 사이의 접속의 확대를 보여주는 패널(Ⅳ)에서 확대된다. 애노드 행거 바(도시되지 않음)에 전기적으로 연결되는 지지 수단(110)은 리벳들(350)을 통해 인쇄 회로 기판(450)에 고정되는 도전성 바(500)를 포함한다. 도전성 바(500)는 인쇄 회로 기판 트랙(550)을 통해 폴리퓨즈(410)의 하나의 핀에 연결된다. 폴리퓨즈(410)의 제 2 핀은 리벳(300)을 통해 서브-메시(102)와 전기 접촉된다. 폴리퓨즈(410)는 단열 영역(250)(예를 들면, 단열 발포체 또는 대기로 충진될 수 있는)으로 둘러싸인다. 전기 절연 및 내화학성 재료(200)의 오버레이는 지지 수단으로부터 부분적으로 벗어나고 서브-메시(102)를 구조(110)에 고정하는 리벳(300)을 제외한 상기 언급된 구성 요소들 및 회로들을 전해질로부터 밀봉, 절연 및 보호한다.

도 5에서, 패널들(Ⅰ, Ⅱ)은 단자 접촉부들(101)을 갖는 전기적 도전성 행거 바(100)를 포함하는 능동 전류 제어 구성 요소들을 구현하는 애노드 구조의 정면도 및 측면도를 각각 도시하고, 두 개의 애노드 메시들은 서브-메시(102)와 같은 6x6 서브 메시들로 구성된다. 애노드 구조는 적어도 하나의 MCU(130)를 추가로 포함한다. 케이블 접속부(120)는 하나의 측면상에, MCU를 캐소드 셀간 바에 또는 만약에 존재하면, 캐소드 밸런스 바상에, 및 다른 측상에 행거 바(100)에 연결한다(도시되지 않은 연결들). 서브-메시(102)는, 예를 들면, 티타늄 또는 그의 합금으로 만들어질 수 있는 도전성이고 내화학성 리벳들(300)을 통해 지지 수단(110)에 연결된다. 패널(Ⅲ)은 대시 점선을 따라 취해진 패널(Ⅰ)의 애노드 구조의 단면도를 도시한다. 지지 수단(110) 및 서브-메시(102)를 포함하는 대시 영역에 둘러싸인 영역은 패널(Ⅳ)로 확장된다. 패널(Ⅳ)은 서브-메시(102)와 지지 수단(110) 사이의 연결의 확대를 도시한다. 애노드 행거 바(도시되지 않음)에 전기적으로 연결되는 지지 수단(110)은 리벳들(350)을 통해 인쇄 회로 기판(450)에 고정되는 도전성 바(500)를 포함한다. 도전성 바(500)는 인쇄 회로 기판 트랙(550)을 통해 트랜지스터(420)의 하나의 단자에 연결된다. 트랜지스터(420)는 또한 리벳(300)을 통해 서브-메시(102)와 전기 접촉하는 분로 저항(430)과 연결된다. 분로 저항(430)과 MCU(130) 사이의 연결, 및 후자와 트랜지스터(420)의 게이트 사이의 연결은 도면에 도시되지 않았다. 이들 연결들은 아날로그 디지털 컨버터(도시되지 않음)가 갖춰질 수 있는 MCU로/MCU로부터 입력 및 출력 신호들을 각각 전달한다. 트랜지스터(420) 및 분로 저항(430)은 도 2의 도면에 따라 추가의 제어 트랜지스터(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 전기 절연 및 내화성 재료(200), 예컨대 수지 또는 플라스틱의 오버레이는 지지 수단으로부터 부분적으로 벗어나고 서브-메시(102)를 구조(110)에 고정하는 리벳(300)을 제외하고 상기 언급된 구성 요소들 및 회로들을 전해질로부터 밀봉, 절연, 및 보호한다.

발명자에 의해 획득된 가장 중요한 결과들 중 몇몇은 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는 다음의 예들에 나타내진다.

예 1

실험실 검사 활동이 능동 전류 제어 전자 시스템이 갖춰진 캐소드 및 애노드를 포함하는 전해 채취 셀 내부에서 수행되었다. 3 ㎜ 두께, 50 ㎜ 폭, 및 1000 ㎜ 높이의 AISI 316 스테인리스 강판이 캐소드로서 사용되었다; 애노드는 2 ㎜ 두께, 150 ㎜ 폭, 및 1000 ㎜ 높이 티타늄 확장된 메시로 구성되고, 혼합된 이리듐 및 탄탈의 산화물들의 코팅으로 활성화되고, 1 dm²의 서브-메시들로 각각 세분된다. 캐소드 및 애노드는 외부면들 사이의 40 ㎜의 갭을 갖고 서로 수직으로 마주본다. 덴드라이트는 핵 형성 중심으로서 나사를 애노드에 대해 수직으로 스테인리스 강판으로 삽입함으로써 인공적으로 생성되고, 나사의 끝은 애노드로부터 4 ㎜ 떨어져 이격된다. 각각의 서브-메시는 도 2의 도면에 따라 애노드 행거 바에 및 전자 시스템에 전기적으로 연결된다. 각각의 서브-메시에 대하여, 전자 시스템은 두 개의 상이한 MOSFET 트랜지스터들을 포함하고, 하나는 전력 스위치(108)로서 작동하고, 다른 것은 제어기(107)로서 작동한다. 전력 스위치는 -30V의 드레인-소스 파괴 전압, 및 -10V의 게이트 임계 전압에서 8 mΩ의 온 저항을 특징으로 한다. 제어기 트랜지스터는 -30V의 드레인-소스 파괴 전압, 및 4.5V의 게이트 임계 전압에서 85 mΩ의 온 저항을 특징으로 한다. 도 2의 저항기(109) 대신에, 2 mΩ의 분로 저항이 사용되었다. 32-비트, 67 ㎒ MCU는 1 밀리초의 시간 간격들에서 각각의 서브-메시의 전류값들을 기록하여, 각각의 서브-메시의 평균 전류로부터 상대 편차를 계산한다. MCU는 상대 편차가 5% 초과된 서브-메시들에서 전류를 중단시키도록 프로그래밍되었다. 또한, 무선 ZigBee 무선 통신 시스템은 애노드상에 설치되고, 관리 및 경보 목적들을 위해, MUC에 의해 수집된 정보가 주 제어 컴퓨터로 전송된다. 동작 4일 후, 구리의 측면 성장은 덴드라이트상에 나타나지만, 애노드 표면에 도달하지 않는다. 나머지 서브-메시들에 마주하는 영역들에서 구리의 생성은 불규칙성들을 보이지 않는다.

반례 1

예 1의 애노드 구조는 전자 제어 시스템을 작동시키지 않고 동일한 조건들에서 테스트된다. 덴드라이트는 동작 4시간 후에 애노드 표면에 도달하고, 애노드를 회복될 수 없게 손상시킨다.

예 2

실험실 검사 활동은 수동 전류 제어 전자 시스템이 갖춰진 캐소드 및 애노드 구조를 포함하는 전해 채취 셀을 시뮬레이션하는 실험실 셀에서 수행된다. 3 ㎜ 두께, 150 ㎜ 폭, 및 1000 ㎜ 높이 AISI 316 스테인레스 강판이 캐소드로서 사용되었다; 애노드는 180 ㎜ 길이, 20 ㎜ 폭 및 40 ㎜ 높이 구리 행거 바, 및 서브-메시들의 각각의 결합 사이에 8 ㎜의 갭을 갖고 각각이 75 ㎜ 폭 및 110 ㎜ 높이인 18 개의 서브-메시들로 세분되는 혼합된 이리듐의 산화물들의 코팅으로 활성화되는, 1 ㎜ 두께, 155 ㎜ 폭, 및 1030 ㎜ 높이 티타늄 확장 메시로 구성된다. 애노드 구조는 또한 LED, ZigBee 무선 통신 디바이스 및 3.3 V의 출력 전압을 갖는 부스터가 갖춰진다. 부스터는 경보 및 동작 관리 목적들을 위해 설치되는 LED 및 ZigBee 디바이스에 전력을 공급하기 위해 사용된다. 각각의 서브-메시는 도 3의 도면에 따라 애노드 행거 바 및 전자 시스템에 전기적으로 접속된다. 특히, 전자 시스템은 각각 14.0A 및 23.8A의 23℃에서 유지 및 트립 전류 규격들을 특징으로 하는 양의 온도 계수 폴리퓨즈를 포함한다(이들 파라미터들의 온도 종속 특성은 셀의 동작 온도에서 폴리퓨즈 성능을 평가 및 검증하기 위해 발명자에 의해 수행되었다. 40℃에서 유지 전류는 12.2A이고 트립 전류는 25.4A이다). 각각의 서브-메시는 또한 다이오드에 연결된다. 총 18 개의 다이오드들은 부스터에 전력을 공급한 다이오드-OR 회로를 형성하기 위해 연결되고, 하나 이상의 서브-메시들과 캐소드 사이의 전기 접촉의 경우 LED를 단지 작동시킨다.

캐소드 및 애노드는 외부면들 사이에 35 ㎜의 갭을 갖고 서로 수직으로 마주본다. 덴드라이트는 핵형성 중심으로서 나사를 애노드 메시에 수직인 캐소드 스테인리스 강판으로 삽입합으로써 인위적으로 생성된다; 나사의 끝은 애노드로부터 4 ㎜ 떨어져 이격된다. 1.8V의 셀 전압을 갖고 정전위 상태들에서 동작 1일 후, 나사의 끝에 증착된 구리는 마주보는 애노드 서브메시에 접촉하고, 특정 서브메시상에 구리 증착, LED의 점등, ZigBee 통신 디바이스로부터 주요 중앙 컴퓨터로의 경보 신호를 초래한다. 테스트는 60 시간 동안 계속되고, 이러한 과도 기간 동안 서브메시 패널의 에지들을 따라 구리가 성장한다. 테스트의 종료시, 단락에 의한 기계적 손상이 애노드 메시상에 나타나지 않았다; 전류는 55-65A의 범위에 있다. 결국, 나머지 서브-메시들을 마주보는 영역들에서 구리의 생성은 불규칙성들을 보이지 않는다.

반례 2

예 2의 애노드 구조와 유사한 애노드 구조가 그를 전자 제어 시스템에 제공하지 않고 동일한 조건들에서 검사되었다. 덴드라이트는 동작 하루 후에 애노드 표면에 도달되어, 애노드 메시를 회복될 수 없게 손상시킨다.

이전 기술은 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않아야 하고, 상기 이전 기술은, 그의 범위는 첨부된 청구항들에 의해서 오로지 규정된, 그의 범위들로부터 벗어나지 않고 상이한 실시예들에 따라 사용될 수 있다.

본 출원의 상세한 설명 및 청구항들을 전체에서, 용어 "포함하다" 및 "포함하는"과 같은 그의 변형들은 다른 요소들, 구성 요소들, 또는 추가의 프로세스 단계들의 존재를 배제하는 것으로 의도되지 않는다.

100 : 애노드 행거 바 101 : 정면 애노드 메시
102 : 서브-메시 103 : 전기 접속 케이블들
104 : 절연 갭 105 : 전자 시스템 회로
106 : 캐소드 109 : 저항기

Claims

애노드 행거 바, 절연 재료의 지지 구조, 촉매 코팅이 제공된 밸브 금속 기판을 갖는 적어도 하나의 애노드 메시를 포함하는 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조에 있어서,
상기 적어도 하나의 애노드 메시는 적어도 두 개의 상호간에 절연된 서브-메시들로 세분되고, 상기 서브-메시들은 상기 애노드 행거 바와 연결된 도전성 수단을 통해 전류가 개별적으로 공급되고, 상기 애노드 구조는 상기 서브-메시들의 각각에 대한 전류 공급을 개별적으로 측정 및 제어하기 위한 적어도 하나의 전류 프로브 및 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는 적어도 하나의 전자 시스템이 추가로 제공되는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 애노드 메시는 25 ㎠ 내지 225 ㎠의 범위에 있는 면적의 서브-메시들로 세분되는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 도전성 수단은 금속판들, 바들 또는 케이블들인, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 금속 바들, 판들 또는 케이블들은 20 ℃에서 1.5x10^-8 내지 3.0x10^-8Ω×m의 전기 고유 저항을 갖는 전기 도전성 재료로 구성되는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 4 항에 있어서,
상기 전기 도전성 재료는 구리, 알루미늄, 또는 그의 합금 중에서 선택되는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상호간에 절연된 서브-메시들은 고정 수단에 의해 절연 금속의 상기 지지 구조에 고정되는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전성 수단 및 상기 적어도 하나의 전자 시스템은 수지들 또는 플라스틱들에 의해 상기 절연 지지 구조 내에 임베딩 및 밀봉되는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 서브-메시는 상기 적어도 하나의 전자 시스템이 갖춰지는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 시스템은 능동 또는 수동 전자 구성 요소들을 포함하는, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 9 항에 있어서,
상기 수동 전자 구성 요소들은 서미스터들 또는 재설정가능한 퓨즈들인, 전해 채취 셀들을 위한 애노드 구조.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는, 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 시스템.
제 10 항에 따른 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는 금속 전해 채취 플랜트에서 금속 증착을 위한 시스템에 있어서,
각각의 서브-메시는 적어도 하나의 재설정가능한 퓨즈가 갖춰지고, 각각의 상기 재설정가능한 퓨즈는:
양의 온도 계수;
미리 규정된 전류값과 동등한 유지 전류값으로서, 상기 미리 규정된 전류값은 각각의 개별적인 서브-메시에 공급되는 최대 공칭 전류에 대응하는, 상기 유지 전류값; 및
각각의 서브-메시에 대해 최대 안전 전류보다 낮은 트립 전류값을 특징으로 하는, 금속 전해 채취 플랜트에서 금속 증착을 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법에 있어서,
상기 전자 시스템에 의해 미리 규정된 시간 간격들에서 각각의 애노드 메시의 각각의 서브-메시에서 전류를 검출하는 단계;
극대 전류에 대응하는 각각의 애노드 메시의 서브-메시들을 결정하는 단계; 및
후속하는 검출까지 극대 전류에 대응하는 상기 서브-메시들에 전류 공급을 중단하는 단계를 포함하는, 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법에 있어서,
전자 시스템에 의해 미리 규정된 시간 간격에서 각각의 애노드 메시의 각각의 서브-메시에서 전류를 검출하는 단계;
극대 전류에 대응하는 각각의 애노드 메시의 서브-메시들을 결정하는 단계; 및
후속하는 검출까지 상기 검출된 전류가 미리 규정된 임계치를 초과하는 경우, 극대 전류에 대응하는 상기 서브-메시들에 전류 공급을 중단하는 단계를 포함하는, 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법에 있어서,
전자 시스템에 의해 미리 규정된 시간 간격들에서 각각의 애노드 메시의 각각의 서브-메시에서 전류를 검출하는 단계; 및
후속하는 검출까지 전류가 미리 규정된 임계치를 초과하는 서브-메시들에 전류 공급을 중단하는 단계를 포함하는, 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 애노드 구조를 포함하는 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법에 있어서,
전자 시스템에 의해 미리 규정된 시간 간격들에서 각각의 애노드 메시의 각각의 서브-메시에서 전류를 검출하는 단계;
각각의 애노드 메시에 대해, 상기 서브-메시들에서 평균 전류값을 계산하는 단계; 및
후속하는 검출까지, 각각의 애노드 메시의 평균 전류의 퍼센티지로 표현된 상기 검출된 전류와 평균 전류 사이의 차이가 미리 규정된 임계치를 초과하는 서브 메시들에 대해 전류 공급을 중단하는 단계를 포함하는, 금속 전해 채취 플랜트에서 금속의 증착을 위한 방법.