CN111270271B - 一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板及其使用方法，属于电解铝技术领域。该氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，包括双极性电极板基块和绝缘块，双极性电极板基块分为阴极端和阳极端，在双极性电极板基块中，除了阴极端和阳极端的端面外，其余四周均设置连接绝缘块，并且绝缘块的宽度需要满足以下关系式：(ρ_C·h+2.15/D·S)<<ρ_L·(b+h)。该双极性电极板通过在双极性电极板基块上连接绝缘块，并限定绝缘块的宽度，从而在使用该氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板时，能够有效降低旁路电流，从而提高电流效率，降低电解能耗。

Description

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板及其使用方法

技术领域

本发明涉及电解铝技术领域，具体涉及一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板及其 使用方法。

背景技术

传统铝冶炼是使用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产，电解温度在930～1000℃范围内，原料 为氧化铝。此种方法，单位电能消耗率为13～15kW·h/kgAl，并且工业炭阳极参与阳极反应， 在电解时会不断消耗，因此，该方法不仅电能消耗大，而且每隔一段时间就要更换阳极，这 也增加了工人的劳动强度；此外，正常电解时，阳极产生的CO₂以及发生阳极效应时，阳极 产生CF₄和C₂F₆等碳氟化合物都是温室效应气体，而且，阳极产生的SO₂会污染环境，都不 利于环保。

以氯化铝为原料，采用熔盐电解法制备金属铝也引起了研究者的关注，相对于冰晶石- 氧化铝熔盐电解法，氯化铝熔盐电解法制备金属铝具有如下优点：电解温度更低；电流密度 更大，单位面积的产率更高；电解槽极距较小，电解电能消耗更低；不消耗炭阳极，没有更 换阳极操作，减少了人工劳动强度，降低了生成成本；电解产生的氯气可以用来氯化铝土矿 或氧化铝来生产氯化铝，整个电解过程不会排放温室效应气体和污染环境的气体；可以免除 磁场的影响。

然而，在氯化铝熔盐电解法所采用的多室电解槽中，由于旁路电流的存在，会降低电流 效率，增加能耗。因此，研究能够有效降低旁路电流的方法，将有利于提高氯化铝熔盐电解 的电流效率、进一步降低电解能耗。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提出了一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板及其使用 方法，该氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，通过连接绝缘块，并限定绝缘块的宽度， 从而在使用该氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板时，能够有效降低旁路电流，从而提高 电流效率，降低电解能耗。

本发明的一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，包括双极性电极板基块和绝缘块， 双极性电极板基块分为阴极端和阳极端，在双极性电极板基块中，除了阴极端和阳极端的端 面外，其余四周均设置连接绝缘块，并且绝缘块的宽度需要满足以下关系式：

(ρ_C·h+2.15/D·S)<<ρ_L·(b+h)

上式中，ρ_C为双极性电极板基块的电阻率，单位为Ω·cm；h为双极性电极板基块厚度， 单位为cm；ρ_L为电解质的电阻率，单位为Ω·cm；D为电流密度，单位为A/cm²；S为双极性 电极板基块中阴极端或阳极端的平面面积，单位为cm²；b为绝缘块宽度，单位为cm。

所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板中，双极性电极板基块的材质为炭材料， 绝缘块的材质为耐电解高温和耐电解质腐蚀的绝缘材料，优选为碳化硅。

本发明的一种基于上述氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，为多室槽，电 解槽包括壳体，壳体密闭形成腔体，在壳体上端设置有氯气出口，在壳体腔体的下部为储铝 区域；储铝区域上方的腔体为电解区域，在电解区域内，从上至下，分布设置有电极组，电 极组中的各个电极将电解区域分割形成多个电解室；电极组包括阴极、阳极和上述氯化铝电 解制备金属铝的双极性电极板，在电极组上端为阳极，电极组下端为阴极，在阴极和阳极之 间设置有N个氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，其中，N为大于等于1的正整数；氯 化铝电解制备金属铝的双极性电极板上部为阴极端，下部为阳极端。

电解槽的设置方式，选用以下设置方式中的一种或几种：

a.根据AlCl₃的物态，电解槽的设置方式分为：

(1)当使用固态AlCl₃为原料，则在电解槽上端设置固态氯化铝加料口；

(2)当使用气态AlCl₃为原料，在阴极和双极性电极板的阴极端内部设有气态AlCl₃通气槽， 在每个气态AlCl₃通气槽内，向阴极和双极性电极板的阴极端表面设置有多个分布式给料管 道，用于和电极上方的电解室相通，多个气态AlCl₃通气槽通过总给料管道和气态AlCl₃入口 连通，用于气态AlCl₃的通入；其中，分布式给料管道的通孔总面积占阴极端或阴极的面积 百分比为10-30％；

b.在阳极和双极性电极板的阳极端可设置有多个凹槽，用于避免阳极电解产生的氯气形 成大气泡，通过凹槽的作用，加快气泡的逸出速率；凹槽形状优选为方形或梯形；

c.电极组中的电极和水平方向有倾角，有利于氯气的逸出，倾角的角度优选为1.5°～30°；

d.在阴极和双极性电极板的阴极端可设置一层二硼化钛层，有利于改善阴极电解产生的 铝液与阴极的湿润性，使得生成的铝液更好的平铺在阴极表面。

所述的基于上述氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，电解槽壳体为双层材 质，外层为不锈钢层，内层为保温层，保温层材质为轻质保温砖或耐火砖。

在电解区域内壁设置有非导电性耐火材料层，非导电性耐火材料层为碳化硅层或者塞隆 陶瓷材料。

在储铝区域的内壁设置有炭材质层，也可以在炭材质层表面涂敷金属钨或金属钼防腐蚀 膜。

电解槽还包括加热体，用于对电解质进行加热，作为启动电解的加温设备，所述的加热 体优选为碳硅棒。

基于上述氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽中，电极组的电极通过吊臂和/ 或耐火柱，固定支撑在壳体的腔体内，吊臂设置在电极和壳体内表面，并留设有空隙，耐火 柱设置在相邻两个电极之间或阴极和壳体底部内表面之间。

电解槽可以为方形，电极也为方形；电解槽也可为圆柱形，电极为凹型锥盘结构或凸型 倒锥盘结构。

进一步的，所述的氯气出口连接气体提升泵，气体提升泵用于将电解时产生的氯气抽取 出电解槽。

在电解槽储铝区域的壳体侧壁上设置有出铝口，生成的液态金属铝经由此排出，或在储 铝区域设置有出铝管道，出铝管道延伸至电解槽壳体外部，生成的液态金属铝经由出铝管道 的出铝口，由泵抽出。

本发明的一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，为将氯化铝电解制备 金属铝的双极性电极板设置在电解槽中，加入固态AlCl₃或气态AlCl₃，进行电解制备金属铝。

所述的电解，其过程包括以下步骤：

(1)在电解槽中，加入含氟盐质量百分含量为0-5％的氯化物-氟盐作为电解溶剂，对其进 行加热，达到其熔融温度后，保温，得到电解溶剂；其中，电解溶剂的加入量为充分浸没电 极组，并在其上方留有空间；

(2)在电解过程中，按照需要向熔盐中加入AlCl₃，当使用固态AlCl₃作为原料，则从电解 槽上端加料口加入；当使用气态AlCl₃作为原料，则将气态AlCl₃通过气态AlCl₃入口，经由 气态AlCl₃通气槽进入分布式给料管道，通入到电解槽的多个电解室中；

(3)电解过程中，AlCl₃溶解在电解溶剂中，形成电解质，AlCl₃在电解质中电解，在阴极 表面和双极性电极板的阴极端表面生成液态金属铝，在阳极表面或双极性电极板的阳极端表 面生成氯气，氯气经过氯气出口排出后收集，液态金属铝流入储铝区域汇集，经由出铝口排 出收集。

所述的步骤(1)中，氯化物-氟盐是以碱金属氯化物和/或碱土金属氯化物作为氯化物，加 入含氟添加剂形成的混合物，氯化物具体为NaCl、KCl、LiCl、MgCl₂、CaCl₂中的一种或几 种组分的混合物；含氟添加剂包括：LiF、NaF、KF、AlF₃、Na₃AlF₆、K₃AlF₆、Li₃AlF₆的一种或多种。含氟添加剂促进了铝的聚合、抑制氯化物的水解、降低电解质的初晶温度、可显著提高电解过程的电流效率。

本发明提出的一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板及其使用方法，其特点是：

本发明使用的双极性电极板的材质为炭，除阴极端和阳极端四周均连接绝缘块，ρ_C为双 极性电极板基块的电阻率，单位为Ω·cm；h为双极性电极板基块厚度，单位为cm；ρ_L为电 解质的电阻率，单位为Ω·cm；D为电流密度，单位为A/cm²；S为双极性电极板基块中阴极 端或阳极端的平面面积，单位为cm²；b为绝缘块宽度，单位为cm。则需满足，(ρ_C·h+2.15/D·S) <<ρ_L·(b+h)。该在双极性电极板基块上设置的绝缘块，并通过绝缘块宽度的设计，能够有效地 减小旁路电流，从而提高了电解电流效率，降低电解能耗。电解过程的电流效率可达95％， 电解的单位电能消耗降至8kW·h/kgAl。

附图说明

图1是本发明实施例1中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的方形双极性电极 板的立体结构示意图；

图2是本发明实施例1中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的方形双极性电极 板的左视结构示意图；

图3是本发明实施例1中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的方形双极性电极 板的方形电解槽结构剖面示意图。

图4是本发明实施例2中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的凹型锥盘双极性 电极板的立体结构示意图；

图5是本发明实施例2中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的凹型锥盘双极性 电极板的剖视结构示意图；

图6是本发明实施例2中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的凹型锥盘双极性 电极板的俯视结构示意图；

图7是本发明实施例2中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的凹型锥盘双极性 电极板的圆柱形电解槽结构剖面示意图。

图8是本发明实施例3中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的方形双极性电极 板的方形电解槽结构剖面示意图；

图9是本发明实施例4中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的凹型锥盘双极性 电极板的圆柱形电解槽结构剖面示意图。

图10是本发明实施例5中，采用本发明所述的氯化铝电解制备金属铝的凸型锥盘双极性 电极板的圆柱形电解槽结构剖面示意图。

以上图中：101、不锈钢层，102、保温层，103、非导电性耐火材料层，104、炭材质层，2、阳极，3、双极性电极板基块，301、阳极端，302、凹槽，303、阴极端，4、阴极，5、绝缘块，6、阳极电极导杆，7、阴极电极导杆，801、总给料管道，802、气态AlCl₃通气槽，803、分布式给料管道，9、电解室，10、氯气出口，11、出铝口，12、耐火柱，a、电解质，b、液态铝，c、氯化铝原料，d、氯气。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，其立体结构示意图见图1，其左视图见图2， 具体包括双极性电极板基块3和绝缘块5，双极性电极板基块3分为阴极端303和阳极端301， 在双极性电极板基块3中，除了阴极端303和阳极端301的端面，其余四周均设置连接绝缘 块，并且绝缘块的宽度需要满足以下关系式：

(ρ_C·h+2.15/D·S)<<ρ_L·(b+h)

上式中，ρ_C为双极性电极板基块的电阻率，单位为Ω·cm；h为双极性电极板基块厚度， 单位为cm；ρ_L为电解质的电阻率，单位为Ω·cm；D为电流密度，单位为A/cm²；S为双极性 电极板基块中阴极端或阳极端的平面面积，单位为cm²；b为绝缘块宽度，单位为cm。

本实施例中，采用的双极性电极板基块的电阻率为0.4*10^-2Ω·cm，双极性电极板基块厚 度为3cm，电解质的电阻率为0.4Ω·cm，电流密度为1A/cm²，双极性电极板基块中阴极端或 阳极端的平面面积为90cm²，绝缘块宽度为10cm。

所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板中，双极性电极板基块的材质为炭材料， 绝缘块的材质为为碳化硅。

一种基于本实施例中氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其为方形电解槽， 其结构剖面示意图见图3，包括壳体，壳体为双层材质，外层为不锈钢层101，本实施例不锈 钢层采用的材质为钢，内层为保温层102，本实施例采用的保温层材质为高铝耐火砖。

壳体密闭形成空腔，在壳体上端设置有氯气出口10，在壳体空腔的下部为储铝区域，在 储铝区域的空腔内壁上设置有炭材质层104，设置有在储铝区域的壳体侧壁设置有出铝口11； 储铝区域上方的空腔为电解区域，在电解区域内壁设置有非导电性耐火材料层103，在电解 区域内，从上至下，分布设置有电极组，电极组中的各个电极将电解区域分割形成多个电解 室9，使得电解槽为多室槽；电极组分为阴极4、阳极2和氯化铝电解制备金属铝的双极性电 极板，在电极组上端为阳极2，电极组下端为阴极4，在阴极4和阳极2之间设置有N个氯 化铝电解制备金属铝的双极性电极板，纵向配置，且电极组中的电极均由通入气体一端向另 一端倾斜，其和水平方向均呈10°倾角，其中，本实施例中，N＝2；氯化铝电解制备金属铝 的双极性电极板上部为阴极端303，下部为阳极端301，在阳极2表面和氯化铝电解制备金属 铝的双极性电极板的阳极端301表面均设置有多个凹槽，在阴极4和氯化铝电解制备金属铝 的双极性电极板的阴极端303设置均一层二硼化钛层，改善阴极和阴极端表面与液态铝的润 湿性，该设计可使电解槽的阴极-阳极间距降低到8mm。在阴极4和氯化铝电解制备金属铝的 双极性电极板的阴极端303的侧壁向内部均开设有气态AlCl₃通气槽802，在每个气态AlCl₃通气槽802内，向阴极4和氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的阴极端303表面设置有 多个分布式给料管道803，用于和电极上方的电解室9相通，多个气态AlCl₃通气槽802通过 总给料管道801和气态AlCl₃入口连通。分布式给料管道803的通孔总面积占阴极端或阴极 的面积百分比为10％。

所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，还包括加热体，用于对电解质 进行加热，作为启动电解的加温设备，所述的加热体为碳硅棒。

所述阳极2上设置有阳极电极导杆6，在阴极4上设置有阴极电极导杆7，阳极电极导杆 6和阴极电极导杆7用于通电。

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，为将氯化铝电解制备金属铝的 双极性电极板设置在电解槽中，加入气态AlCl₃，进行电解制备金属铝。

所述的电解，其过程包括以下步骤：

(1)在电解区域中，加入氯化物-氟盐混合熔盐组分，本实施例为含NaCl质量百分含量为 85％，NaF质量百分含量为4％的NaCl-MgCl₂-NaF混合熔盐，对熔盐进行加热，达到其熔融 温度后，保温；其中，熔盐的加入量为充分浸没电极组，并在其上方留有空间；

(2)将气态氯化铝c通过气态AlCl₃入口，经由分布式给料管道803进入气态AlCl₃电解法 生产铝的电解槽的多个电解室9中；其中，气态AlCl₃的温度为650℃，气压为130Pa，通气 速率为5.4cm³/s·cm²；极距为8mm；

(3)将阴极4、阳极2通电，控制电解温度为690-710℃，电解电流密度为1A/cm²，通入 的AlCl₃气体，与电解溶剂混合，并溶解在电解溶剂中，形成多元电解质，AlCl₃在电解质中 电解，在阴极表面和双极性电极板的阴极端表面生成液态金属铝b，在阳极表面或氯化铝电 解制备金属铝的双极性电极板的阳极端表面生成氯气d，氯气d通过氯气出口10排出后收集， 液态金属铝b通过吊臂上设置的通孔，流入储铝区域汇集，经由出铝口11排出收集。

经过180小时的电解，计算得电流效率为94.5％，能耗为8.4kW·h/kgAl。

实施例2

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，其立体结构示意图见图4，具体包括双极 性电极板基块3和绝缘块5，双极性电极板基块3分为阴极端303和阳极端301，在双极性电 极板基块3中，除了阴极端303和阳极端301的端面，在双极性电极板块的外周和中心孔壁 均设置绝缘块，并且绝缘块的宽度需要满足以下关系式：

[ρ_C·h+2.15/D·S]<<ρ_L·(b+h)

上式中，ρ_C为双极性电极板基块的电阻率，单位为Ω·cm；h为双极性电极板基块厚度， 单位为cm；ρ_L为电解质的电阻率，单位为Ω·cm；d为极距，单位为cm；D为电流密度，单 位为A/cm²；S为双极性电极板基块中阴极端或阳极端的平面面积，单位为cm²；b为绝缘块宽度，单位为cm。

采用的双极性电极板基块的电阻率为0.5*10^-2Ω·cm，双极性电极板基块厚度为4cm，电 解质的电阻率为0.35Ω·cm，极距为6mm，电流密度为3A/cm²，双极性电极板基块中阴极端 或阳极端的平面面积为90cm²，绝缘块宽度为8cm。

所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板中，双极性电极板基块的材质为炭材料， 绝缘块的材质为为碳化硅。

一种基于本实施例中氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其为圆柱形电解 槽，其结构剖面示意图见图7，包括壳体，壳体为双层材质，外层为不锈钢层101，本实施例 不锈钢层采用的材质为钢，内层为保温层102，本实施例采用的保温层材质为高铝耐火砖。

所述的壳体密闭形成腔体，在壳体上端设置有氯气出口10，在壳体腔体的下部为储铝区 域，在储铝区域的内壁设置有炭材质层104；储铝区域上方的腔体为电解区域，在电解区域 内壁设置有非导电性耐火材料层103，非导电性耐火材料层为碳化硅层，在电解区域内，从 上至下，分布设置有电极组，电极组中的各个电极将电解区域分割形成多个电解室；电极组 包括阴极4、阳极2和上述氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板3，在电极组上端为阳极2， 电极组下端为阴极4，在阴极和阳极之间设置有氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板3。

氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板上部为阴极端303，下部为阳极端301，在阳极2 表面和氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的阳极端301表面均设置有多个凹槽，用于避 免生成的Cl₂形成大气泡，从而加快气泡的逸出速率。在阴极4和氯化铝电解制备金属铝的 双极性电极板的阴极端303设置均一层二硼化钛层，改善阴极和阴极端表面与液态铝的润湿 性，该设计可使电解槽的阴极-阳极间距降低到6mm。在阴极4和氯化铝电解制备金属铝的双 极性电极板的阴极端303的侧壁向内部均开设有气态AlCl₃通气槽802，在每个气态AlCl₃通 气槽802内，向阴极4和氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的阴极端303表面设置有多 个分布式给料管道803，用于和电极上方的电解室9相通，多个气态AlCl₃通气槽802通过总 给料管道801和气态AlCl₃入口连通。分布式给料管道803的通孔总面积占阴极端或阴极的 面积百分比为30％。

凹型锥盘双极性电极板结构的其剖面图见图5，其俯视图见图6。

所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，还包括加热体，用于对电解质 进行加热，作为启动电解的加温设备，所述的加热体为碳硅棒。

所述阳极2上设置有阳极电极导杆6，在阴极4上设置有阴极电极导杆7，阳极电极导杆 6和阴极电极导杆7用于通电。

所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽中，电极组中相邻两个电极的垂 直距离为6mm，相邻两个电极之间设置的耐火柱12，用于调整电极之间的垂直距离，并起到 支撑电极组的作用。

本实施例中，电极组中的每个电极为凹型锥盘结构，其上下表面均由圆周向中心向下成 锥度，锥角为177°，电极组中的每个凹型锥盘结构的电极固装在壳体内表面，在凹型锥盘 结构的电极和壳体内表面之间留有空间，在凹型锥盘结构的电极中心端面上设置有通孔；

在所述的氯气出口10连接气体提升泵，气体提升泵用于将电解时产生的氯气抽取出电解 槽。

所述的储铝区域设置有倾角，利于液态金属铝通过出铝口11排出。

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，为将氯化铝电解制备金属铝的 双极性电极板设置在电解槽中，加入气态AlCl₃，进行电解制备金属铝。

所述的电解，其过程包括以下步骤：

(1)在电解区域中，加入氯化物-氟盐混合熔盐组分作为电解溶剂，本实施例为含NaCl质 量百分含量为86％，LiF质量百分含量为3％的NaCl-LiCl-LiF混合熔盐，用加热体对混合熔 盐进行加热，达到混合熔盐熔融温度后，保温，得到电解溶剂；其中，电解溶剂的加入量为 充分浸没电极组，并在其上方留有空间；

(2)将气态氯化铝c通过气态AlCl₃入口，经由分布式给料管道803进入气态AlCl₃电解法 生产铝的电解槽的多个电解室9中；其中，气态AlCl₃的温度为750℃，气压为1330Pa，通 气速率为19.8cm³/s·cm²；极距6mm；

(3)将阴极4、阳极2通电，控制电解温度为755-770℃，电解电流密度为3A/cm²，通入 的AlCl₃气体，与电解溶剂混合，并溶解在电解溶剂中，形成多元电解质a，AlCl₃在电解质中电解，在阴极表面和双极性电极板的阴极端表面生成液态金属铝b，在阳极表面或双极性电极板的阳极端表面生成氯气d，氯气d经过氯气通道，通过氯气出口10排出后收集，液态金属铝c通过凹型锥盘结构的中心液态铝通孔，流入储铝区域汇集，经由出铝口11排出收集。

经过200小时的电解，计算得电流效率为94.3％，能耗为8.6kW·h/kgAl。

实施例3

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，同实施例1。

一种基于本实施例中氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其为方形电解槽 结构，如图8所示，电解槽包括壳体，壳体为双层材质，外层为不锈钢钢层101，不锈钢层 101内衬砌有耐火砖，耐火砖是由不导电，保温的材质制成，而且对氯化物体系有一定的耐 腐蚀作用。电解槽的下部是储铝区域，用于储存阴极流下的液态铝液。储铝区域中，其壳体 的底部和侧壁为炭材质层104，炭材质层由石墨制成。

电解槽顶部的壳体上设置用于排除氯气的出口作为氯气出口10。还设置有用于加入固态 AlCl₃的总给料管道801，还设置有通孔，用于设置出铝管道，出铝管道的一端浸入储铝区域， 出铝管道的出铝口11设置在壳体外部。

电解槽内在储铝区域上方是电解区域，在电解区域设置是电极组，电极组包括多个板状 电极，均沿水平方向呈10°倾斜角设置，板状电极通过吊臂吊装在壳体内表面，在吊臂上设 置有多个通孔。

板状电极包括设置在电解区域上端的阳极2，若干个氯化铝电解制备金属铝的双极性电 极板(图中，仅仅示出两个)和下端的阴极4，阴极和阳极都是石墨材质制成。在相邻两个 电极之间的空间为电解室9用于电解，生成的液态铝流入储铝区域经由出铝管道抽出。

在氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板中，下端为阳极端301，在阳极2和氯化铝电 解制备金属铝的双极性电极板的阳极端301设置有多个凹槽302，上端为阴极端303，在阴极 和氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的阴极端表面涂覆TiB₂，改善阴极和阴极端表面与 液态铝的润湿性。该设计可使电解槽的阴极-阳极间距降低到7mm。

在阳极2内插入阳极电极导杆6，而阴极4内也插入阴极电极导杆7，电极导杆用于通电。 阳极电极导杆6和阴极电极导杆7延伸穿过保温层102并与不锈钢层绝缘。

阳极2上产生的氯气可以使用气体提升泵从电解槽内抽出来。

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，采用上述氯化铝电解制备金属 铝的双极性电极板设置在电解槽中，加入固态AlCl₃，进行电解制备金属铝，同实施例1，不 同之处在于：

本实施例采用的电解溶剂为含NaCl质量百分含量为21％，KF质量百分含量为3％的 NaCl-KCl-KF混合熔盐，通入的为固态氯化铝，控制电解温度为700-720℃，电解电流密度为 0.5A/cm²，极距7mm，经过100小时的电解，计算得电流效率为93.8％，能耗为9.0kW·h/kgAl。

实施例4

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，同实施例2。

一种基于本实施例中氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其为圆柱形电解 槽，其结构剖面示意图见图9，其不同之处为：

(1)在壳体内设置有出铝管道，出铝管道的进铝口设置在储铝区域，并浸没在液态金属铝 中，出铝管道通过壳体上方设置的出口穿出，出铝管道的出铝口设置在壳体腔体外部，并且， 出铝管道的出铝口连通有泵，通过泵将生成的液态铝抽出。

(2)多个电极中的气态AlCl₃通气槽802分别和总给料管道801连通，总给料管道801设 置在电极和壳体内表面留设的通道中，总给料管道的气态AlCl₃入口设置在壳体上方。

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，采用上述氯化铝电解制备金属 铝的双极性电极板设置在电解槽中，加入气态AlCl₃，进行电解制备金属铝，同实施例2，不 同之处在于：

本实施例采用含LiCl质量百分含量为10％，AlF₃质量百分含量为3％的LiCl-CaCl₂-AlF₃混合熔盐作为电解溶剂，气态AlCl₃的温度为600℃，气压为1000Pa，通气速率为38.2 cm³/s·cm²；控制电解温度为710-730℃，电解电流密度为2.5A/cm²，极距9mm，经过100小 时的电解，计算得电流效率为93.8％，能耗为9.0kW·h/kgAl。

实施例5

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，同实施例2，不同之处在于，本实施例的 一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，为凸型倒锥盘结构。其上下表面均由中心向四 周向下成锥度，锥角为120°。在阳极和氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的阳极端设 置有多个凹槽。

一种基于本实施例中氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其为圆柱形电解 槽，其结构剖面示意图见图10。同实施例2，不同之处在于：

(1)本实施例中，电极组中的每个电极为凸型倒锥盘结构，其上下表面均由圆周向中心 向上成锥度，锥角为120°，电极组中的相邻两个凸型倒锥盘结构的电极设置有耐火柱12， 耐火柱12直接设置在壳体底部，并起到间隔支撑作用，在凸型倒锥盘结构的电极和壳体内表 面之间留有空间，在凸型倒锥盘结构的电极中心端面上设置有通孔。

(2)壳体上端设置有总给料管道801，用于加入固态氯化铝。

(3)在壳体内设置有出铝管道，出铝管道的进铝口设置在储铝区域，并浸没在液态金属 铝中，出铝管道从壳体穿出，出铝管道的出铝口设置在壳体腔体外部，并且出铝管道的出铝 口连通有泵，通过泵将生成的液态铝抽出。

一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，采用上述氯化铝电解制备金属 铝的双极性电极板设置在电解槽中，加入固态AlCl₃，进行电解制备金属铝，同实施例1，不 同之处在于：

本实施例采用含CaCl₂质量百分含量为18％、LiCl质量百分含量为3％的NaCl-LiCl-CaCl₂混合熔盐作为电解溶剂，通入的为固态氯化铝，控制电解温度为780-800℃，电解电流密度为2A/cm²，极距10mm，经过150小时的电解，计算得电流效率为94.9％，能耗为8.1kW·h/kgAl。

Claims (11)

1.一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，其特征在于，该氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板包括双极性电极板基块和绝缘块，双极性电极板基块分为阴极端和阳极端，在双极性电极板基块中，除了阴极端和阳极端的端面外，其余四周均设置连接绝缘块，并且绝缘块的宽度需要满足以下关系式：

(ρ _C· h+ 2.15/D·S) <<ρ _L·(b+h)

上式中，ρ _C为双极性电极板基块的电阻率，单位为Ω∙cm；h为双极性电极板基块厚度，单位为cm；ρ _L为电解质的电阻率，单位为Ω∙cm；D为电流密度，单位为A/cm²；S为双极性电极板基块中阴极端或阳极端的平面面积，单位为cm²；b为绝缘块宽度，单位为cm。

2.根据权利要求1所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，其特征在于，所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板中，双极性电极板基块的材质为炭材料，绝缘块的材质为耐电解高温和耐电解质腐蚀的绝缘材料。

3.一种基于权利要求1所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，为多室槽，电解槽包括壳体，壳体密闭形成腔体，在壳体上端设置有氯气出口，在壳体腔体的下部为储铝区域；储铝区域上方的腔体为电解区域，在电解区域内，从上至下，分布设置有电极组，电极组中的各个电极将电解区域分割形成多个电解室；

其特征在于，所述的电极组包括阴极、阳极和权利要求1所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，在电极组上端为阳极，电极组下端为阴极，在阴极和阳极之间设置有N个氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板，其中，N为大于等于1的正整数；氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板上部为阴极端，下部为阳极端。

4.根据权利要求3所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其特征在于，电解槽的设置方式，选用以下设置方式中的一种或几种：

a.根据AlCl₃的物态，电解槽的设置方式分为：

(1)当使用固态AlCl₃为原料，则在电解槽上端设置固态氯化铝加料口；

(2)当使用气态AlCl₃为原料，在阴极和双极性电极板的阴极端内部设有气态AlCl₃通气槽，在每个气态AlCl₃通气槽内，向阴极和双极性电极板的阴极端表面设置有多个分布式给料管道，用于和电极上方的电解室相通，多个气态AlCl₃通气槽通过总给料管道和气态AlCl₃入口连通，用于气态AlCl₃的通入；其中，分布式给料管道的通孔总面积占阴极端或阴极的面积百分比为10-30%；

b.在阳极和双极性电极板的阳极端设置有多个凹槽，用于避免阳极电解产生的氯气形成大气泡，通过凹槽的作用，加快气泡的逸出速率；

c.电极组中的电极和水平方向有倾角，有利于氯气的逸出，倾角的角度为1.5°~30°；

d.在阴极和双极性电极板的阴极端设置一层二硼化钛层，有利于改善阴极电解产生的铝液与阴极的湿润性，使得生成的铝液更好的平铺在阴极表面。

5.根据权利要求3所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其特征在于，所述的电解槽，其壳体为双层材质，外层为不锈钢层，内层为保温层，保温层材质为轻质保温砖或耐火砖；

在电解区域内壁设置有非导电性耐火材料层，非导电性耐火材料层为碳化硅层或者塞隆陶瓷材料；

在储铝区域的内壁设置有炭材质层。

6.根据权利要求5所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其特征在于，在炭材质层表面涂敷金属钨或金属钼防腐蚀膜。

7.根据权利要求3所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其特征在于，基于上述氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽中，电极组的电极通过吊臂和/或耐火柱，固定支撑在壳体的腔体内，吊臂设置在电极和壳体内表面，并留设有空隙，耐火柱设置在相邻两个电极之间或阴极和壳体底部内表面之间。

8.根据权利要求3所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其特征在于，所述的电解槽为方形，电极为方形；电解槽为圆柱形，电极为凹型锥盘结构或凸型倒锥盘结构。

9.根据权利要求3所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的电解槽，其特征在于，在电解槽储铝区域的壳体侧壁上设置有出铝口，生成的液态金属铝经由此排出，或在储铝区域设置有出铝管道，出铝管道延伸至电解槽壳体外部，生成的液态金属铝经由出铝管道的出铝口，由泵抽出。

10.一种氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，其特征在于，将权利要求1所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板设置在电解槽中，加入固态AlCl₃或气态AlCl₃，进行电解制备金属铝。

11.根据权利要求10所述的氯化铝电解制备金属铝的双极性电极板的使用方法，其特征在于，所述的电解，其过程包括以下步骤：

(1)在电解槽中，加入含氟盐质量百分含量为0-5%的氯化物-氟盐作为电解溶剂，对其进行加热，达到其熔融温度后，保温，得到电解溶剂；其中，电解溶剂的加入量为充分浸没电极组，并在其上方留有空间；氯化物-氟盐是以碱金属氯化物和/或碱土金属氯化物作为氯化物，加入含氟添加剂形成的混合物，氯化物具体为NaCl、KCl、LiCl、MgCl₂、CaCl₂中的一种或几种组分的混合物；含氟添加剂包括：LiF、NaF、KF、AlF₃、Na₃AlF₆、K₃AlF₆、Li₃AlF₆的一种或多种；

(2)在电解过程中，按照需要向熔盐中加入AlCl₃，当使用固态AlCl₃作为原料，则从电解槽上端加料口加入；当使用气态AlCl₃作为原料，则将气态AlCl₃通过气态AlCl₃入口，经由气态AlCl₃通气槽进入分布式给料管道，通入到电解槽的多个电解室中；

(3)电解过程中，AlCl₃溶解在电解溶剂中，形成电解质，AlCl₃在电解质中电解，在阴极表面和双极性电极板的阴极端表面生成液态金属铝，在阳极表面或双极性电极板的阳极端表面生成氯气，氯气经过氯气出口排出后收集，液态金属铝流入储铝区域汇集，经由出铝口排出收集。

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