DE102011076302A1

DE102011076302A1 - Elektrolysezelle und Kathode mit unregelmäßiger Oberflächenprofilierung

Info

Publication number: DE102011076302A1
Application number: DE102011076302A
Authority: DE
Inventors: Thomas Frommelt; Frank Hiltmann
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2013-01-03
Also published as: AU2012261136A1; CN103635610A; RU2013156866A; WO2012159839A2; EP2714965A2; US20140076723A1; BR112013029998A2; ZA201308689B; CA2836838A1; WO2012159839A3; JP2014517876A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode, wobei die Kathode an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen gebildete Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung der Kathode derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit – anstelle der Kathode mit Oberflächenprofilierung – einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, sowie eine Kathode, welche zur Verwendung in einer solchen Elektrolysezelle geeignet ist.
Elektrolysezellen werden beispielsweise zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Héroult-Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Héroult-Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Nas[AlF₆], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Kathodenboden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt sein kann. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, ist die Kathode üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathode sind üblicherweise jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen, üblicherweise 15 bis 50 cm hohen, Schicht aus flüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1.000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathode und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Schmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus flüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus flüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, beispielsweise aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Héroult-Verfahrens ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40% der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.
Aufgrund des insbesondere im Vergleich zu der Schicht aus flüssigem Aluminium und dem Kathodenmaterial relativ hohen elektrischen Widerstands der Schmelze treten vor allem in der Schmelze relativ hohe ohmsche Verluste in der Form von Joule'scher Dissipation auf. In Anbetracht der vergleichsweise hohen spezifischen Verluste in der Schmelze besteht eine dahingehende Bestrebung, die Dicke der Schmelzeschicht und somit den Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium so weit wie möglich zu reduzieren. Allerdings besteht aufgrund der bei der Elektrolyse vorliegenden elektromagnetischen Wechselwirkungen und der dadurch in der Schicht aus flüssigem Aluminium hervorgerufenen Wellenbildung bei einer zu geringen Dicke der Schmelzeschicht die Gefahr, dass die Schicht aus flüssigem Aluminium mit der Anode in Berührung kommt, was zu Kurzschlüssen der Elektrolysezelle und zu unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums führen kann. Solche Kurzschlüsse führen ferner zu einem erhöhten Verschleiß und somit zu einer verringerten Standzeit der Elektrolysezelle. Aus diesen Gründen kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium nicht beliebig verringert werden.
Um den spezifischen Energieverbrauch weiter zu verringern, werden in jüngster Zeit auch Elektrolysezellen mit Kathoden vorgeschlagen, deren bei dem Betrieb der Elektrolysezelle dem flüssigem Aluminium und der Schmelze zugewandte Oberseite eine Oberflächenprofilierung aufweist. In der US 2011/0056826 A1 wird beispielsweise eine Kathode mit einer regelmäßig ausgestalteten Oberflächenprofilierung offenbart. Durch die regelmäßig ausgestaltete Oberflächenprofilierung sollen die horizontalen und vertikalen Fluktuationen in der Schicht aus flüssigem Aluminium verringert werden, weswegen die Stabilität der Schicht aus flüssigem Aluminium erhöht sein soll. Mit einer solchen regelmäßig ausgestalteten Oberflächenprofilierung wird die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium aber nur in begrenztem Ausmaß und insbesondere nicht gleichmäßig über die gesamte Kathodenfläche reduziert. Ferner führt diese bekannte regelmäßige Oberflächenprofilierung in der Kathodenblockoberfläche durch die reduzierte Bewegung in der Schicht aus flüssigem Aluminium indirekt zu einer erheblichen Behinderung der Durchmischung in der darüber befindlichen Schmelzeschicht, die zur Auflösung des periodische zugeführten Aluminiumoxids notwendig ist, was sich nachteilig auf die erreichbare Energieeffizienz der Elektrolyse auswirkt.
In der EP 0 938 598 131 und in der DE 101 64 008 C1 werden Elektrolysezellen mit Kathoden offenbart, die bezüglich ihrer elektrischen Kontaktierung von außen bzw. bezüglich ihres spezifischen elektrischen Materialwiderstandes so angepasst sind, dass sich an der Oberseite der Kathode eine möglichst homogene Verteilung der elektrischen Stromdichte ergibt. Auch in diesen Elektrolysezellen findet jedoch eine vergleichsweise starke Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium statt, weswegen eine Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs in der Elektrolysezelle und eine Erhöhung von dessen Standzeit nicht möglich sind.
Ausgehend davon liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Elektrolysezelle zu schaffen, die bei ihrem Betrieb einen verringerten spezifischen Energieverbrauch sowie eine erhöhte Standzeit aufweist. Insbesondere soll eine Elektrolysezelle bereit gestellt werden, in der die Dicke der Schmelzeschicht verringert ist, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabilitäten, wie Kurzschlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums, auftreten. Gleichzeitig soll die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bei ihrem Betrieb eine ausreichende Durchmischung in der Schmelzeschicht gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle gemäß Patentanspruch 1 und insbesondere durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium umfassend eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht, welche Aluminiumoxid und Kryolith enthält, und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode, wobei die Kathode an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen gebildete Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung der Kathode derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit – anstelle der Kathode mit Oberflächenprofilierung – einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegt.
Erfindungsgemäß weist die Kathode der Elektrolysezelle eine Oberflächenprofilierung auf, die insbesondere im Hinblick auf die Position, die Abmessung und die Form der einzelnen Bestandteile der Oberflächenprofilierung gezielt so angepasst ist, dass bei dem Betrieb der Elektrolysezelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht die Ausbildung ausgeprägter Spitzen in dem Wellenbildungspotential gezielt vermieden wird und dadurch eine, über diese Grenzfläche gesehen, gleichmäßige und niedrige Wellenbildungspotentialverteilung ergibt als dies bei dem Einsatz einer entsprechenden Kathode ohne Oberflächenprofilierung der Fall wäre.
Unter einer Oberflächenprofilierung wird dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung die Summe aller auf der Grundebene der Kathode vorgesehenen Erhebungen verstanden. Dabei bezeichnet der Begriff Grundebene diejenige am weitesten in Richtung der Anode gelegene horizontale Ebene der Kathode, die durch die gesamte Querschnittsfläche der Kathode verläuft, ohne die oberflächenprofilierte Oberseite der Kathode zu schneiden. Alle auf dieser Grundebene vorgesehenen Erhebungen sind daher in Richtung zu der Anode orientiert und sind von der Schicht aus flüssigem Aluminium umgeben. Die Höhe einer Erhebung der Oberflächenprofilierung ist demnach der Abstand der obersten Stelle der Erhebung von der der lotrecht darunter liegenden Stelle der Grundebene der Kathode.
Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung wird berücksichtigt, dass das wie nachstehend definierte Wellenbildungspotential in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht bei dem Betrieb der Elektrolysezelle die treibende Kraft für die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium ist, und insbesondere auch, dass die Wellenbildungspotentialverteilung bei herkömmlichen Elektrolysezellen über die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht nicht gleichmäßig, sondern vielmehr stark heterogen ist. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verringerung des Wellenbildungspotentials und insbesondere die Vergleichmäßigung der Wellenbildungspotentialverteilung in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze wird bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium zuverlässig verhindert oder zumindest erheblich verringert, weswegen die Dicke der Schmelzeschicht im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolysezellen verringert werden kann und dadurch die Effizienz der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle beträchtlich erhöht ist.
Eine weitere wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist es dabei, dass die bei herkömmlichen Elektrolysezellen in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegende heterogene Wellenbildungspotentialverteilung direkt durch das Vorsehen und die konkrete Ausgestaltung des Oberflächenprofils an der Oberseite der Kathode der Elektrolysezelle beeinflusst werden kann und auf diese Weise ausgeprägte Spitzen des Wellenbildungspotentials an einzelnen Stellen der Grenzfläche gezielt vermieden werden können. Wie nachstehend im Detail erläutert, hängt das Wellenbildungspotential an einer bestimmten Stelle in der vorgenannten Grenzfläche von dem vektoriellen Produkt an dieser Stelle vorliegenden der elektrischen Stromdichte und magnetischen Flussdichte ab. Wenn nun ein bestimmter Strompfad betrachtet wird, der von der Stromzuführung der Kathode bis zu der Anode der Elektrolysezelle führt, hängt der elektrische Gesamtwiderstand entlang dieses Pfades und folglich die Stromdichte an der Stelle, an welcher der Pfad die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht kreuzt, insbesondere davon ab, welche Weglänge des Pfades jeweils in dem Kathodenblock, in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht verläuft. Da diese Materialien jeweils verschiedene spezifische elektrische Widerstandswerte aufweisen, wobei insbesondere die Schmelzeschicht und auch das Kathodenmaterial einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das flüssige Aluminium, und, weil die einzelnen Strompfade unterschiedliche Weglängen in dem Kathodenblock, in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht aufweisen, sind die elektrischen Gesamtwiderstände entlang der einzelnen Pfade und damit auch die einzelnen Stromdichten über die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht in herkömmlichen Elektrolysezellen heterogen, so dass einzelne Stellen der Grenzfläche ausgeprägte Stromdichtespitzen aufweisen. Durch das Vorsehen von und durch die geeignete Anpassung der Position, der Form und der Länge der Erhebungen der Oberflächenprofilierung der Kathode werden nun gemäß der vorliegenden Erfindung die Weglängen der einzelnen Strompfade in den verschiedenen Abschnitten, d. h. Kathodenblock, Schicht aus flüssigem Aluminium und Schmelzeschicht, so eingestellt, dass sich im Bereich der Grenzfläche eine Stromdichteverteilung einstellt, die so angepasst ist, dass bei dem Betrieb der Elektrolysezelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht keine ausgeprägten Spitzen in der in dieser Grenzfläche vorliegenden Wellenbildungspotentialverteilung auftreten, wodurch eine im Wesentlichen gleichmäßige und niedrige Wellenbildungspotentialverteilung gewährleistet wird.
Zur Optimierung der Position, der Form und der Länge der Erhebungen der Oberflächenprofilierung der Kathode geht die vorliegende Erfindung von der Referenz-Wellenbildungspotentialverteilung aus, welche sich bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit einer herkömmlichen, unprofilierten Referenzkathode ergibt, und sieht gezielt an den Stellen der Kathodenoberfläche Erhebungen vor, die vertikal unterhalb der Stellen der Grenzfläche angeordnet sind, an denen in der Referenz-Wellenbildungspotential-Verteilung ausgeprägte Peaks, d. h. Spitzen, vorliegen. Dadurch wird bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit der oberflächenprofilierten Kathode in diesen Bereichen die elektrische Stromdichte reduziert und somit in diesen Bereichen das Wellenbildungspotential verringert.
Wie dargelegt, ist das Referenz-Wellenbildungspotential das Wellenbildungspotential, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit – anstelle der Kathode mit Oberflächenprofilierung – einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, d. h. mit horizontaler Kathodenoberfläche, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofilierung ergibt. Gemäß der in dem Patentanspruch 1 spezifizierten Ausführungsform ist die zur Bestimmung des Referenz-Wellenbildungspotentials eingesetzte Referenzelektrolysezelle mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle identisch, ausgenommen, dass anstelle der oberflächenprofilierten Kathode eine Referenzkathode eingesetzt wird, in welcher diese Oberflächenprofilierung nicht vorgesehen ist, in welcher das durch das Weglassen der Oberflächenprofilierung entstehende zusätzliche Volumen auf der Oberseite der Kathode durch flüssiges Aluminium bzw. Schmelze – je nachdem, in welcher Schicht sich das entsprechende Material bei der oberflächenprofilierten Kathode befindet – ausgefüllt wird.
Insbesondere in den Fällen, wenn auf der Kathodenoberseite viele Erhebungen vorgesehen sind, die ein beträchtliches Volumen einnehmen, wird es in einer alternativen, in dem Patentanspruch 2 spezifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, zur Bestimmung des Referenz-Wellenbildungspotentials eine Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung einzusetzen und diese Referenzkathode in der Elektrolysezelle der Höhe nach so einzusetzen, dass zwischen der Kathodenoberseite und der Anode dasselbe Badvolumen für die Schichten aus flüssigem Aluminium und Schmelze befindet wie bei der Elektrolysezelle mit der oberflächenprofilierten Kathode. Da sich in diesem Fall das Referenz-Wellenbildungspotential auf eine Referenzelektrolysezelle mit gleichem Badvolumen wie dem der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle bezieht, ist das so bestimmte Referenz-Wellenbildungspotential aussagekräftiger als das gemäß dem Patentanspruch 1 bestimmte, falls das Volumen der Erhebungen der Oberflächenprofilierung der Kathode wenigstens 10%, bevorzugt wenigstens 20% und besonders bevorzugt wenigstens 30% des Volumens der Kathode in ausmacht.
Das Wellenbildungspotential und damit die Wellenbildungspotentialverteilung kann durch computergestützte elektrische, magnetische und magneto-hydrodynamische Simulation der Bewegung und Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelze der jeweiligen Elektrolysezelle bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Wellenbildungspotential an einer beliebigen Stelle der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze als der Absolutbetrag derjenigen Komponente der in der Grenzfläche vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit der an dieser Stelle vorliegenden Schmelze definiert, die in normaler Richtung zu der Grenzfläche gerichtet ist, d. h. Wellenbildungspotential = |u →·n →| , wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze als Vektor ist und n → der Normalenvektor ist. Dazu wird die Grenzfläche als durchlässig angenommen, so dass das Wellenbildungspotential ein lokales Maß für die gegen die Grenzfläche gerichtete, wellentreibende Strömung darstellt. Natürlich kann die Strömung der Schmelze in diesem Fall nicht experimentell bestimmt werden, weswegen das Wellenbildungspotential bevorzugt nach der nachfolgend beschriebenen Simulationsmethode bestimmt wird.
Zur Berechnung der Strömungsverhältnisse werden zunächst die elektrischen und magnetischen Felder mittels Simulation nach einer Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet und die sich ergebenden Felder anschließend in die Berechnung der Strömungsverhältnisse eingesetzt, die ebenfalls mittels Simulation nach einer Finite-Elemente-Methode (FEM) erfolgt. Für beide Simulationen wird die Software Comsol Multiphysics in der Version 3.5a verwendet. Die Grenzfläche wird dabei als durchlässig angenommen, wobei das Wellenbildungspotential ein lokales Maß für die gegen die Grenzfläche gerichtete, wellentreibende Strömung darstellt. Die simulierte Elektrolysezelle, welche die Stromschienen, die Stromzuführungen der Elektrolysezelle einschließlich einer ggf. vorhandenen magnetischen Kompensationsgeometrie, die Kathode, die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht, die Anode, ggf. einen die Anoden verbindenden Anodenbaum und Luft als Umgebungsmedium umfasst, wird dabei komponentenweise geometrisch in Finite Volumen-Elemente aufgeteilt.
Sofern die zu simulierende Zelle unter Berücksichtigung der vorstehenden Komponenten eine oder mehrere Symmetrieebenen aufweist, wird jeweils nur der auf einer Seite jeder Symmetrieebene befindliche Teil der Elektrolysezelle simuliert und die Symmetrieverhältnisse werden durch entsprechende Randbedingungen berücksichtigt, wie dies nachfolgend genauer erläutert wird.
Die Simulation geht vereinfachend von stationären Verhältnissen in der Elektrolysezelle aus, so dass der Simulation die jeweiligen stationären physikalischen Gleichungen zugrunde gelegt werden. Ferner wird eine isotherme Elektrolysezelle angenommen, die sich bei Betriebstemperatur (970°C) befindet.
Die Simulation stützt sich auf die folgenden Variablen und Parameter:

V:: elektrische Spannung, Skalar
σ:: elektrische Leitfähigkeit, Skalar
E (Fettdruck):: elektrisches Feld, Vektor
A (Fettdruck):: elektrisches Vektorpotential, Vektor
A_x, A_y, A_z:: Vektorpotential, Komponente
H (Fettdruck):: Magnetfeld, Vektor
J, j (Fettdruck), j →: :elektrische Stromdichte, Vektor
B (Fettdruck), B →:: magnetische Flussdichte, Vektor
I (Fettdruck):: Einheitsmatrix, Tensor
F (Fettdruck):: Kraftdichte (Summe aus Lorentzkraftdichte und Gravitationskraftdichte), Vektor
u (Fettdruck), u →:: Strömungsgeschwindigkeit, Vektor
u (Normaldruck), u_x, u_y, u_z:: Strömungsgeschwindigkeit, Komponente
p:: Druck, Skalar
μ:: Viskosität, Skalar
ρ:: Dichte, Skalar
L_C:: charakteristische Länge, z. B. Tiefe des Aluminiumbads
v_C:: charakteristische Geschwindigkeit

Zusätzliche Variablen bei turbulenten Strömungen:

μ_T:: Turbulente Viskosität, Skalar
k:: turbulente kinetische Energie
ep, ε:: Dissipation von turbulenter kinetischer Energie
lw:: Abstand von den festen Grenzflächen
L_Ref:: Referenz-Längenskala, entspricht der charakteristischen Länge L_C
G:: reziproker Abstand von festen Grenzflächen
P_K:: Quellterm der turbulenten kinetischen Energie
f_u:: Dämpfungsfunktion Viskosität
f_ε:: Dämpfungsfunktion Dissipation
R_t:: Turbulente Reynold's Zahl
l*:: Beschränkte Mischungslänge
u_ε:: Turbulente Dissipationsrate aller Gitterzellen
n (Fettdruck), n →:: Normalvektor zur Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht, Vektor
t (Fettdruck), t →:: Tangentialvektor, Vektor
e →_x,e →_y, e →_z:: Einheitsvektoren, kartesisches Koordinatensystem

Die erstellten Gitter werden ausreichend fein dimensioniert, so dass bei dem Auswerten des Wellenpotentials keine Artefakte des Gitters mehr sichtbar sind. Dazu zählen z. B. ausgeprägte Spitzen oder auffällige Änderungen entlang der Gitterkanten. Darüber hinaus deuten die Abhängigkeit der simulierten Werte von der eingestellten Gitterfeinheit und langsame oder begrenzte Konvergenz der Simulationen auf unzureichende Gitterfeinheit in relevanten Bereichen hin.
Darüber hinaus wird bei der Gittererstellung als Qualitätsfaktor für das gesamte Gitter ein Qualitätsfaktor von mindestens 0,15 gefordert, wobei der Qualitätsfaktor q gemäß dem Handbuch der Comsol Multiphysics Software folgendermaßen definiert ist: Tabelle 1

mit

V: = Volumen der Gitterzelle und
h_i =: Kantenlängen der Gitterzelle.

Im Einzelnen erfolgt die Gittererstellung wie folgt:
Die die Elektrolysezelle umgebende Luft wird mit einer uneingeschränkten Größe der Gitterzellen modelliert, die zwischen feinen Bereichen (z. B. an der Schmelzeschicht) und groben Bereichen (z. B. Umgebungsrändern der Gesamtanordnung) variieren kann. Der Vergrößerungsfaktor zwischen zwei benachbarten Gitterzellen wird auf 1,65 begrenzt, um verzerrte Gitterelemente zu vermeiden.
Die Stromzuführungen und -abführungen werden mit Gitterzellen mit einer Kantenlänge im Bereich von etwa 30 cm nachgebildet.
Die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht werden so modelliert, dass die Gitterzellen, die die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze bilden, jeweils eine Kantenlänge im Bereich von ungefähr 3 cm aufweisen. Die Schmelzeschicht wird so modelliert, dass die mittlere Ausdehnung einer Gitterzelle in vertikaler Richtung maximal der Hälfte der Dicke der Schmelzeschicht entspricht.
Im Rahmen der Simulation wird dabei angenommen, dass die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze nicht gewölbt ist und somit horizontal verläuft. Dementsprechend wird der Normalenvektor n als der senkrechte Einheitsvektor e_z angenommen und das Wellenbildungspotential ist dementsprechend als der Absolutbetrag der vertikale Komponente u_z der Strömungsgeschwindigkeit in der Grenzfläche definiert.
Die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Kathode werden so modelliert, dass die Gitterzellen, die die Grenzfläche zwischen der Kathode und der Schicht aus flüssigem Aluminium bilden, eine Kantenlänge im Bereich von ungefähr 5 cm aufweisen.
Die Anoden und Kathoden werden ansonsten mit uneingeschränkter Größe der Gitterzellen modelliert, wobei die Größe der Gitterzellen zwischen feinen Bereichen (z. B. an der Schmelzeschicht) und groben Bereichen (z. B. an den Zu- und Ableitungen) variieren kann. Der Vergrößerungsfaktor zwischen zwei benachbarten Gitterzellen wird dabei auf maximal 1,65 begrenzt, um verzerrte Gitterelemente zu vermeiden.
Bei wie weiter unten definierten, unter turbulenten Strömungsverhältnissen betriebenen Elektrolysezellen werden die festen Grenzflächen zwischen den einzelnen Komponenten der Elektrolysezelle bei der Gittererstellung durch in Comsol Multiphysics zur Verfügung stehende so genannte Inflation Boundary Lagers modelliert, die aus prismatischen Zellen bestehen (im Gegensatz zu beispielsweise tetraedrischen Elementen).
Die einzelnen Gitterzellen der so erstellten Gitterstruktur werden anschließend mit entsprechenden Materialeigenschaften versehen, d. h. die Gitterzellen werden insbesondere mit Werten für den spezifischen elektrischen Widerstand versehen und zusätzlich werden die Gitterzellen, die die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht darstellen, mit Werten für die Viskosität und Dichte des Aluminium bzw. der Schmelze versehen.

Dabei werden die folgenden Werte für die Materialeigenschaften zugrunde gelegt: Tabelle 2

Spezifischer Widerstand [in Ohm·m]
Kathode	1,2·10^–5
Stromschienen aus Stahl	7,78·10^–7
flüssiges Aluminium	2,8·10^–7
Schmelze	4,84·10^–3
Anode	4,0·10^–5
Anodenbaum (Aluminium)	2,34·10^–7
Viskosität [in Pa·s]
flüssiges Aluminium	9,0·10^–5
Schmelze	2,34·10^–3
Dichte [in kg/m³]
flüssiges Aluminium	2,3·10³
Schmelze	2,08·10

Alle anderen in der Simulation verwendeten Materialeigenschaften werden so gewählt, dass sie den tatsächlichen Eigenschaften des jeweiligen Materials entsprechen.
Zur numerischen Stabilisierung der elektromagnetischen und strömungsmechanischen Berechnungen wird ferner der – in der Realität – abrupte Übergang der Materialeigenschaften an der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht in der simulierten Struktur in einem Bereich von ±3 cm geglättet, d. h. die Zellen der die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht darstellenden Gitterstruktur, die sich innerhalb eines Bereichs von 3 cm unterhalb und oberhalb der Grenzfläche befinden, werden mit Werten für die Materialeigenschaften versehen, die so gewählt sind, dass sich in diesem Bereich ein im Wesentlichen linearer Eigenschaftsübergang von den in der vorstehenden Tabelle 2 gegebenen Eigenschaften der die Aluminiumschicht darstellenden Zellen zu den in Tabelle 2 gegebenen Eigenschaften der die Schmelzeschicht darstellenden Zellen ergibt.
Die die Elektrolysezelle umgebende Luft wird mit einem künstlich hohen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 Ohm·m versehen, so dass sie nicht zum Stromtransport beiträgt.
Fr die auf diese Weise erstellte Gitterstruktur, die die Elektrolysezelle in ihrer Geometrie und mitsamt ihren Materialeigenschaften nachbildet, werden die elektromagnetischen Felder berechnet und die ermittelten Werte anschließend in die Berechnung der strömungsmechanischen Bewegungen der Schmelze der Elektrolysezelle eingesetzt.
Dem erste Schritt der Modellierung der Elektromagnetik werden dabei die bekannten stationären Maxwell-Gleichungen zugrunde gelegt: ∇·J = 0 ∇ × H = J J = σE + J_e E = –∇V B = ∇ × A
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methodenwerden Lagrange-Funktionen (1. Ordnung für V und 2. Ordnung für A) verwendet.
Diese partiellen Differentialgleichungen werden für die gesamte Geometrie durch numerische Berechnung gelöst. Die dabei anzuwendenden Randbedingungen werden nachstehend noch genauer erläutert; insbesondere geht der durch die Kathode und Anode zugeführte Betriebsstrom der Elektrolysezelle als von außen vorgegebener Betriebsparameter in die Berechnung ein.
Die auf diese Weise berechnete Lorentzkraftdichte wird anschließend der Berechnung der Strömungsmechanik in dem Bad der Elektrolysezelle zugrunde gelegt.
Je nach Art der Strömung werden der strömungsmechanischen Berechnung unterschiedliche Gleichungen zugrunde gelegt. Zur Auswahl der zu verwendenden partiellen Differentialgleichungen wird die bekannte Reynold's Zahl
herangezogen und abhängig davon die folgenden Gleichungssysteme verwendet:
Die folgenden Gleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen) werden für laminare und schwach-turbulente Probleme mit Re < 10.000 verwendet: ρ(u·∇)u = ∇·[–ρl + μ(∇u + (∇u)^T) – 2 / 3μ(∇·u)l] + F ∇·(ρu) = 0
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methoden werden Lagrange-Funktionen (1. Ordnung für p und 2. Ordnung für u) verwendet.
Die folgenden Gleichungen (Low Reynold's k-epsilon-Gleichungen) werden für Strömungen im Übergangsbereich mit Re ≥ 10.000 und < 100.000 verwendet:
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methoden werden Lagrange-Funktionen (1. Ordnung für p und 2. Ordnung für u, k und ep) verwendet.
Die folgenden Gleichungen (k-epsilon-Gleichungen) werden für turbulente Strömungen mit Re ≥ 100.000 verwendet:
wobei C_μ = 0,09; C_ε1 = 1,44; C_ε2 = 1,02; σ_k = 1,0 und σ_ε = 1,3.
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methoden werden Lagrange-Funktionen (1. Ordnung für p und 2. Ordnung für u, k und ep) verwendet.
In die obigen Gleichungen fließen die zuvor in der elektromagnetischen Betrachtung berechneten Werte in Form der Lorentzkraftdichte F →_Liz = j → × B → mit ein. Die Lorentzkraftdichte F →_Liz bildet dabei zusammen mit der Gravitationskraftdichte F →_g = –ρge →_z die in den obigen Gleichungen enthaltene, externe Anregung F gemäß F → = F →_Liz + F →g .
Die obigen strömungsmechanischen partiellen Differentialgleichungen werden ebenfalls numerisch gelöst.
Im Rahmen der vorstehenden Berechnungen werden zusätzlich die folgenden Randbedingungen angewendet:
Die folgenden Randbedingungen betreffen die während der elektromagnetischen Berechnung berechneten elektrischen Felder:

• Die Außenflächen des behandelten Volumens werden als elektrischer Isolator betrachtet (^{–n·j = 0}).
• Etwaig vorhandene Symmetrieflächen werden als elektrischer Isolator betrachtet (^{–n·j = 0}).
• An dem Eingang des Anodenbaums liegt eine elektrische Spannung V an, die so angepasst ist, dass der für den Normalbetrieb der Elektrolysezelle vorgesehene Zellenstrom (z. B. 168 kA) fließt.
• An der kathodenseitigen Stromabführung liegt eine elektrische Spannung V von 0 Volt an (Erdung).
• An allen internen Flächen ist das berechnete elektrische Potential V kontinuierlich.

Die folgenden Randbedingungen betreffen die während der elektromagnetischen Berechnung berechneten magnetischen Felder:

• An den Außenflächen des behandelten Volumens ist der magnetische Fluss parallel zu der Außenfläche (
).
• An etwaig vorhandenen Symmetrieflächen liegt eine magnetische Symmetrie vor (
).
• An allen internen Flächen ist das berechnete magnetische Vektorpotential A kontinuierlich.

Die folgenden Randbedingungen betreffen die während der strömungsmechanischen Berechnung berechneten Strömungsfelder:

• An den festen Grenzflächen gilt:
– bei Verwendung der laminaren Gleichungen: Die Flüssigkeit haftet fest an der festen Grenzfläche an, was auch als „No slip” bezeichnet wird, d. h. die Geschwindigkeit u = 0.
– bei Verwendung der turbulenten Gleichungen wird ein Wandmodell verwendet, welches die Reibung zwischen der jeweiligen flüssigen Schicht und der festen Grenzfläche berücksichtigt.
• An etwaig vorhandenen Symmetrieflächen liegt eine offene Grenzfläche vor, wobei der Normalfluss in Bezug auf die Grenzfläche sich nach der Gleichung
mit f₀ = 0 berechnet.
• An allen internen Flächen (z. B. die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht) ist die berechnete Flussgeschwindigkeit u kontinuierlich.

Wie vorstehend beschrieben, werden die elektromagnetischen Größen V, A_x, A_y, A_z, j_x, j_y und j_z zunächst anhand der Maxwell-Gleichungen berechnet und die sich daraus ergebende Lorentzkraftdichte wird dann in die jeweils verwendeten strömungsmechanischen Gleichungen eingesetzt, um daraus die Strömungsfeldgrößen u_x, u_y, u_z und p zu berechnen. Die elektromagnetische Berechnung und die strömungsmechanische Berechnung sind somit in unidirektionaler Weise miteinander gekoppelt.
Zur Lösung der vorstehend angeführten partiellen Differentialgleichungen werden jeweils iterative Löser (GMRES) mit geometrischer Multigrid-Vorkonditionierung verwendet. Dabei linden bei Bedarf gängige Stabilisierungstechniken für Strömungsmechanik wie die in Comsol Multiphysics zur Verfügung stehende Streamline Diffusion (GLS) und die Crosswind Diffusion Einsatz sowie die Eichung des Vektorpotentials bei der elektromagnetischen Berechnung.
Erfindungsgemäß weist die Oberflächenprofilierung der erfindungsgemäßen Kathode zwei oder mehr Erhebungen auf, wobei jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass jeweils eine Erhebung an wenigstens X der Y Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den Y höchsten Maximalwerten vorliegen,
wobei X = 4 und Y = 20, bevorzugt X = 6 und Y = 20, besonders bevorzugt X = 10 und Y = 20 und ganz besonders bevorzugt X = 14 und Y = 20 ist und/oder
wobei X = 2 und Y = 10, bevorzugt X = 3 und Y = 10, besonders bevorzugt X = 5 und Y = 10 und ganz besonders bevorzugt X = 7 und Y = 10 ist und/oder
wobei X = 1 und Y = 5, bevorzugt X = 2 und Y = 5, besonders bevorzugt X = 3 und Y = 5 und ganz besonders bevorzugt X = 4 und Y = 5 ist. Auf diese Weise werden ausgeprägte Peaks in dem Wellenbildungspotential der Elektrolysezelle besonders umfassend vermieden, so dass die Stabilität der Elektrolysezelle im Betrieb noch weiter erhöht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der an den Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ein Peak vorliegt, angeordneten Erhebungen ihre maximale Höhe an der Stelle aufweist, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet ist, an welcher der Peak der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials seinen Maximalwert aufweist, Dadurch wird eine übermäßige Wellenbildung in dem entsprechenden Bereich der Grenzfläche besonders wirksam vermieden.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die vorstehend beschriebene im Wesentlichen deckungsgleiche Anordnung für alle Peak-Erhebungs-Paare gewährleistet ist, d. h. wenn alle an den Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ein Peak vorliegt, angeordneten Erhebungen jeweils ihre maximale Höhe an der Stelle aufweisen, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, an welchen die jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ihren Maximalwert aufweisen.
Eine besonders effektive Kompensation eines Peaks der Referenz-Wellenbildungspotentialverteilung wird erreicht, wenn die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich ist oder dieser im Wesentlichen entspricht.
Unter Ähnlichkeit wird dabei in Übereinstimmung mit dem fachüblichen Sprachgebrauch verstanden, dass die beiden Umrissformen durch eine geometrische Abbildung, die sich aus zentrischen Streckungen und Kongruenzabbildungen, wie insbesondere Verschiebungen, Drehungen oder Spiegelungen, zusammensetzen lässt, ineinander überführt werden können. Zum Beispiel können beide Umrissformen im Wesentlichen einem Kreis entsprechen. Ebenso können die beiden Umrissformen im Wesentlichen zwei Dreiecke bilden, die zwei im Wesentlichen identische Winkel aufweisen, oder im Wesentlichen zwei Rechtecke mit zumindest annähernd gleichen Seitenverhältnissen bilden oder im Wesentlichen zwei Ellipsen mit zumindest annähernd gleichen numerischen Exzentrizitäten bilden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die geometrischen Umrissformen aller Erhebungen in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform der jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich sind oder dieser im Wesentlichen entsprechen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen in Draufsicht zumindest abschnittsweise zumindest annähernd polygonförmig und/oder ellipsenförmig ausgestaltet. Derartige Erhebungen lassen sich besonders einfach realisieren und sind besonders geeignet, um einen Peak des Referenz-Wellenbildungspotentials wirksam zu kompensieren. Eine besonders einfach zu realisierende Erhebung ergibt sich, wenn die als Polygon ausgebildete Erhebung 3, 4, 5 oder 6 Ecken aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die vertikal von oben betrachtete Umrissform einer Erhebung vorteilhaft so gewählt werden, dass sie durch eine Vereinfachung der vertikal von oben betrachteten Umrissform des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials erzeugbar ist. Bevorzugt weist somit wenigstens eine der Erhebungen eine in Draufsicht betrachtete Umrissform auf, die geometrisch einfacher Ist als die in Draufsicht betrachtete Umrissform des vertikal über der Erhebung in der Grenzfläche angeordneten Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Summe der Anzahlen aller Ecken und aller unterschiedlich gekrümmten Bereiche der von oben betrachteten Umrissfläche der Erhebung geringer ist als die Summe aller Ecken und aller unterschiedlich gekrümmten Bereiche der von oben betrachteten Umrissfläche des entsprechenden Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials. Als verschieden gekrümmte Bereiche einer Umrissform werden dabei alle in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Abschnitte der Umrissform gezählt, zwischen denen sich ein Wendepunkt befindet.
Um eine durch einen Peak des Referenz-Wellenbildungspotentials hervorgerufene erhöhte Wellenbildung der Schicht aus flüssigem Aluminium besonders wirksam zu verhindern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die dreidimensionale Form wenigstens einer der Erhebungen zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich ist oder dieser im Wesentlichen entspricht.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die dreidimensionalen Formen aller Erhebungen zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich sind oder dieser im Wesentlichen entsprechen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens eine der Erhebungen eine sich in vertikaler Richtung nach oben hin verjüngende dreidimensionale Form auf. Diese Ausgestaltung führt zu einer besonders wirksamen Vermeidung von Wellenbildung im Bereich eines Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials. Die zumindest eine Erhebung kann dabei zum Beispiel, seitlich betrachtet, eine im Wesentlichen polygonale und bevorzugt im Wesentlichen trapezförmige Umrissform aufweisen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Erhebungen in vertikaler Richtung nach oben gesehen von einer Deckfläche begrenzt wird, die in Draufsicht betrachtet eine geringere Fläche aufweist als die in Draufsicht betrachtete Grundfläche der Erhebung. Die Erhebung kann dabei zum Beispiel zumindest annähernd kegel- oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens eine der Erhebungen eine dreidimensionale Form auf, die ausgehend von der Grundfläche der Erhebung durch Rotation der Grundfläche um eine die Grundfläche begrenzende Rotationsachse erzeugbar ist. Die Rotationsachse verläuft dabei bevorzugt im Wesentlichen horizontal. Derartige Erhebungsgeometrien eignen sich besonders zu einer wirksamen Vergleichmäßigung der Wellenbildungspotentialverteilung und sind außerdem besonders einfach herzustellen. Bevorzugt ist die wenigstens eine Erhebung dabei durch Rotation der Grundfläche um die Rotationsachse um einen Winkel von mindestens 75° und höchstens 180° erzeugbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine der Erhebungen eine dreidimensionale Form aufweist, die ausgehend von der Grundfläche der Erhebung durch geometrische Extrusion der Grundfläche der Erhebung in vertikaler Richtung nach oben erzeugbar ist. Die Extrusionsrichtung ist dabei bevorzugt zumindest annähernd vertikal oder weicht bis zu 45° von der vertikalen Richtung ab. Bevorzugt wird die Erhebung im Zuge der Extrusion in der Extrusionsrichtung durch Skalierung verkleinert. Prinzipiell ist es bei der Extrusion bevorzugt, wenn sich die zumindest eine Erhebung in vertikaler Richtung nach oben hin verjüngt. Die Einbringung von Erhebungen ist auch durch Vakuumrütteln, uniaxiales Pressen oder ein anderes geeignetes Formgebungsverfahren möglich.
Bei der Elektrolysezelle kann die Kathode aus zwei oder mehr Kathodenblöcken zusammengesetzt sein und/oder die Anode aus zwei oder mehr Anodenblöcken zusammengesetzt sein. Dabei können insbesondere mehrere Kathodenblöcke in Querrichtung der Kathodenblöcke betrachtet aufeinander folgend nebeneinander angeordnet sein und dabei entlang ihrer Längsseiten über eine Stampfmasse verbunden sein. Ferner ist es bevorzugt, wenn in Breitenrichtung der Kathodenblöcke betrachtet ein Anodenblock zwei Kathodenblöcke abdeckt und in Längsrichtung der Kathodenblöcke betrachtet zwei Anodenblöcke einen Kathodenblock abdecken.
Eine besonders hohe Energieeffizienz der Elektrolysezelle lässt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt. Dieser geringe Abstand wird durch die Verringerung der Wellenbildungspotentiale und durch die Vergleichmäßigung der Wellenbildungspotentialverteilung erreicht.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Oberflächenprofilierung der Kathode erfindungsgemäß so angepasst, dass ausgeprägte Spitzen des Wellenbildungspotentials an einzelnen Stellen der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vermieden werden. Dabei ergeben sich Oberflächenprofilierungen, die in ihrer Position, Abmessung und Form an die konkreten, das Wellenbildungspotential bestimmenden Eigenschaften der Elektrolysezelle angepasst sind. Die vorliegende Erfindung verlässt dabei bewusst und zielgerichtet den Weg, a-priori eine Oberflächenprofilierung zu definieren, die regelmäßig ausgebildet, dafür aber nicht an das jeweils vorliegende Wellenbildungspotential angepasst ist. Stattdessen wird die Oberflächenprofilierung der Kathode einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle in der Praxis zumindest in einer Richtung unregelmäßig ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Kathode für eine Aluminium-Elektrolysezelle, deren Oberseite eine Oberflächenprofilierung mit zwei oder mehr zumindest im Wesentlichen in einer ersten Richtung der Kathode verlaufenden ersten Stegen und wenigstens einem zumindest im Wesentlichen in der Richtung senkrecht zu der ersten Richtung der Kathode verlaufenden zweiten Steg aufweist.
Unter einem Steg wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine in Längsrichtung zumindest im Wesentlichen gerade verlaufende Erhöhung angesehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass eine Kathode mit einer solchen Oberflächenprofilierung geeignet ist, um in Elektrolysezellen eingesetzt bei dem Betrieb der jeweiligen Elektrolysezelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht eine Wellenbildungspotentialverteilung zu erreichen, bei der ausgeprägte Spitzen des Wellenbildungspotentials an einzelnen Stellen der Grenzfläche wirksam vermieden werden. Die konkret beschriebene Oberflächenprofilierung ist dabei an die Bedingungen angepasst, die in einer Vielzahl von gängigen Elektrolysezellen herrschen, und ist dazu ausgestaltet, in diesen Elektrolysezellen unter Berücksichtigung dieser Bedingungen eine gleichmäßige Wellenbildungspotentialverteilung zu erreichen.
Eine solche Kathode kann insbesondere Bestandteil einer der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Elektrolysezellen sein.
Mithin eignet sich die erfindungsgemäße Kathode hervorragend dazu, in Elektrolysezellen eingesetzt die Vorteile einer verbesserten Energieeffizienz und einer erhöhten Standzeit zu erreichen und gleichzeitig eine ausreichende Durchmischung der Schmelze in der Elektrolysezelle sicherzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verlaufen die wenigstens zwei ersten Stege zumindest annähernd in Querrichtung der Kathode.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Oberseite der Kathode in Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Umrissform aufweist, wobei zumindest in einer der vier Ecken der im Wesentlichen rechteckigen Umrissform eine Erhebung der Kathode vorgesehen ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass an diesen Eckbereichen in der Regel ausgeprägte Peaks der Referenz-Wellenbildungspotentialverteilung vorliegen, so dass durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Stabilität der Elektrolysezelle im Betrieb erheblich erhöht werden kann. Bevorzugt weist die in dem Eckbereich angeordnete Erhebung dabei in Draufsicht eine im Wesentlichen dreieckförmige Umrissform auf.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Oberseite der Kathode eine Vertiefung in der Form einer, im Querschnitt der Kathode gesehen zumindest im Wesentlichen V-förmigen Wanne aufweist. Die in der Form einer V-förmigen Wanne ausgebildete Vertiefung dient dabei dazu, die Stromdichte in den seitlichen Randbereichen der Kathode, die andernfalls aufgrund der dort stattfindenden Kontaktierung der in dem Kathodenboden eingesetzten Stromschienen erhöht ist, zu verringern und dadurch das Wellenbildungspotential in diesen Bereichen zu verringern.
Die wenigstens zwei ersten Stege und der wenigstens eine zweite Steg sind dabei bevorzugt auf der Oberfläche der im Wesentlichen V-förmigen Vertiefung angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verbindungspunkt zwischen den beiden Schenkeln des Querschnitts der im Wesentlichen V-wannenförmig ausgestalteten Vertiefung, im Querschnitt der Kathode gesehen, zumindest annähernd in der Mitte der Kathode angeordnet. Auf diese Weise wir die elektrischen Stromdichte von den seitlichen Randbereichen des Kathodenquerschnitts in die Mitte verlagert, um beim Einsatz der Kathode in einer Elektrolysezelle Spitzen der Stromdichte an diesen Randbereichen zu verringern und ein niedriges Wellenbildungspotential und eine im Wesentlichen gleichmäßige Wellenbildungspotentialverteilung zu erreichen.
In der vorliegenden Erfindung hat es sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, dass sich die Vertiefung über wenigstens 75%, bevorzugt über wenigstens 90%, besonders bevorzugt über wenigstens 95% und ganz besonders bevorzugt über 100% der Oberfläche der Kathode erstreckt. Auf diese Weise wird über die gesamte Kathodenoberfläche hinweg eine Vergleichmäßigung der Wellenbildungspotentialverteilung erreicht, wenn die Kathode in einer Elektrolysezelle eingesetzt wird.
Der wenigstens eine zweite Steg ist, in der zweiten Richtung der Kathode gesehen, bevorzugt zumindest annähernd in der Mitte der Kathode angeordnet ist. Da in diesem Bereich andernfalls ein übermäßig hohes Wellenbildungspotential zu erwarten ist, wird dadurch eine besonders günstige Beeinflussung des Wellenbildungspotentials erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die obere Kante zumindest eines der ersten Stege einen, in der Querrichtung der Kathode gesehen, zu der Mitte der Kathode hin zunehmenden Abstand von dem Boden der V-förmigen Wanne auf. Diese Zunahme des Abstands zur Mitte des Kathodenblocks hin dient dazu, übermäßige Spitzen des Wellenbildungspotentials in der Mitte des Kathodenblocks und somit eine erhöhte Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium in diesem Bereich zu vermeiden, wenn der Kathodenblock in einer Elektrolysezelle eingesetzt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche zumindest eine wie vorstehend beschriebene Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst. Die vorstehend in Bezug auf die Kathode geschilderten Vorteile und Ausführungsformen gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Elektrolysezelle.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Anode wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke, wobei sich zwischen den wenigstens zwei Anodenblöcken eine Fuge erstreckt und wobei zumindest einer der ersten Stege der Kathode vertikal unterhalb und zumindest im Wesentlichen parallel zu der zwischen den zwei Anodenblöcken ausgebildeten Fuge angeordnet ist. Bevorzugt beträgt dabei die Winkelabweichung zwischen der Orientierung des Stegs und der Orientierung der Fuge maximal 20°. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass diese Bereiche zwischen den Anodenblöcken üblicherweise ein deutlich erhöhtes Wellenbildungspotentials aufweisen, so dass die beschriebene Maßnahme dazu beiträgt, die Stabilität der Elektrolysezelle noch weiter zu erhöhen. Der wenigstens eine vertikal unterhalb der Fuge angeordnete erste Steg ist dabei in Bezug auf die Fuge bevorzugt zumindest annähernd zentriert angeordnet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 31.
Das Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle, insbesondere einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst, weist die folgenden Schritte auf:

– Ermitteln der in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht der Elektrolysezelle vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials,
– Herstellen einer mehrere Erhebungen umfassenden Oberflächenprofilierung auf der Oberseite der Kathode, wobei jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen wird, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen,

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Elektrolysezellen herstellen. Die vorstehend in Bezug auf die erfindungsgemäße Elektrolysezelle beschriebenen Vorteile und Ausführungsformen finden entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist gemäß Patentanspruch 32 ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle, insbesondere einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht;
2 die örtliche Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials der Elektrolysezelle von 1 in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht in Draufsicht;
3 die oberflächenprofilierte Kathode der Elektrolysezelle von 1 in Draufsicht;
4 die Kathode von 3 in perspektivischer Ansicht;
5 die örtliche Verteilung des Wellenbildungspotential 1 in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht der Elektrolysezelle von 1 bis 4;
6a–i beispielhafte Erhebungen für eine erfindungsgemäße Oberflächenprofilierung und
7a–i weitere beispielhafte Erhebungen für eine erfindungsgemäße Oberflächenprofilierung.
1 zeigt eine Elektrolysezelle 10 zur Herstellung von Aluminium umfassend eine Kathode 12, auf der Oberseite der Kathode 10 eine Schicht 14 aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht 16 und oberhalb der Schmelzeschicht 16 eine Anode 18. Die Schicht 14 aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 16 gehen dabei an einer Grenzfläche 15 ineinander über.
Die Kathode 12 ist aus einer Mehrzahl von länglichen Kathodenblöcken zusammengesetzt, die sich in Querrichtung y der Elektrolysezelle 10 erstrecken und die in Längsrichtung x der Elektrolysezelle 10 nebeneinander angeordnet und über eine nicht dargestellte Stampfmassenfuge miteinander verbunden sind. An der Unterseite jedes Kathodenblocks ist eine sich in Längsrichtung y des Kathodenblocks durch den Kathodenblock hindurch erstreckende Stromschiene 20 eingesetzt, die den Kathodenblock elektrisch kontaktiert.
Die Stromschienen 20 sind elektrisch über eine Stromabführung 22 zusammengefasst, welche geometrisch so ausgestaltet ist, dass eine Magnetfeldkompensation bewirkt wird, d. h. dass die Verteilung der durch den Stromfluss bewirkte magnetische Flussdichte B zu einem bestimmten Grad vergleichmäßigt wird.
Die Anode 18 besteht aus einer Vielzahl von Anodenblöcken 24, die über eine einen Anodenbaum 26 umfassende Stromzuführung 28 miteinander verbunden sind.
Die Kathode 12 der Elektrolysezelle 10 weist eine mehrere Erhebungen 30 umfassende Oberflächenprofilierung auf, die wie nachfolgend erläutert an die Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials der Elektrolysezelle 10 in der Grenzfläche 15 angepasst ist.
Für die Berechnung des Referenz-Wellenbildungspotentials kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Umstand genutzt werden, dass die in der 1 gezeigte Elektrolysezelle 10 gegenüber der Symmetrieebene 32 spiegelsymmetrisch ist. Bei der Berechnung des Referenz-Wellenbildungspotentials muss daher nur die auf einer Seite der Symmetrieebene 32 gelegene Hälfte der Elektrolysezelle explizit in das simulierte Volumen mit einbezogen werden, wobei die Symmetrie durch entsprechende Randbedingungen an dem der Symmetrieebene 32 entsprechenden Rand des Simulationsvolumens berücksichtigt wird.
2 zeigt die Verteilung des in der Grenzfläche 15 der Elektrolysezelle 10 von 1 vorliegende Referenz-Wellenbildungspotentials von oben betrachtet für eine der zwei symmetrischen Hälften der Elektrolysezelle 10, wobei in der 2 konkret Äquipotentiallinien des Referenz-Wellenbildungspotentials gezeigt sind. Der Umriss der Kathode 12 der Elektrolysezelle 10 ist ebenfalls dargestellt.
Wie in der 2 ersichtlich, weist das Referenz-Wellenbildungspotential der Elektrolysezelle 10 mehrere Peaks 34 auf, deren maximale Höhe in der 2 anhand der Anzahl von ineinander liegenden, geschlossenen Äquipotentiallinien ersichtlich ist.
3 zeigt eine der symmetrischen Hälften der Kathode 12 der Elektrolysezelle 10 von 1 in Draufsicht. Wie der Vergleich von 3 und 2 zeigt, sind vertikal unterhalb der Peaks 34 des Referenz-Wellenbildungspotentials jeweils Erhebungen 30 der Oberflächenprofilierung der Kathode 12 angeordnet, wobei die Peaks 34 und die Erhebungen 30 von oben betrachtet im Wesentlichen deckungsgleich übereinander angeordnet sind. Die Entsprechung zwischen den Peaks 34 in 2 und den Erhebungen 30 in 3 sind dabei durch die entsprechenden Buchstaben-Endungen der Bezugszeichen 30 und 34 gekennzeichnet, d. h. Erhebung 30a entspricht Peak 34a usw.
Die Form der Erhebungen 30 ist an die Form des jeweils zugeordneten Peaks 34 des Referenz-Wellenbildungspotentials angepasst, wobei die Erhebungen 30 die Form des jeweils zugeordneten Peaks 34 jeweils durch geometrisch vereinfachte Formen annähern, wie zum Beispiel durch zwei im Wesentlichen Eiförmige Erhebungen 34g und 34j mit ellipsenförmiger Umrissform, eine pyramidenstumpfförmige Erhebung 30h, mehrere Halb-Pyramidenstumpf-förmige Erhebungen 34b, c, e, l, m, n, o und zwei Viertel-Pyramidenstumpfförmige Erhebungen 34a und 34c in den Eckbereichen der Kathode 12.
4 veranschaulicht die an das Referenz-Wellenbildungspotential angepasste dreidimensionale Form der Erhebungen 30 in perspektivischer Darstellung. Zu sehen sind hierbei ebenso die an der Unterseite der Kathode 12 angeordneten Nuten 37 für die Stromschienen 20 (1).
In der 5 ist die in der Grenzfläche 15 zwischen der Schicht 14 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 16 vorliegende Wellenbildungspotentialverteilung der Elektrolysezelle 10 mit der oberflächenprofilierten Kathode 16 gezeigt. Wie der Vergleich der in 5 gezeigten Wellenbildungspotentialverteilung mit dem in der 2 gezeigten Referenz-Wellenbildungspotentialverteilung zeigt, wird durch die Oberflächenprofilierung eine erhebliche Vergleichmäßigung bzw. Glättung und einer Verringerung der Höhe der Peaks 34 der Wellenbildungspotentialverteilung erreicht. Konkret sind in der 5 nur noch Peaks 34 zu sehen, die maximal zwei ineinander liegende geschlossene Äquipotentiallinien aufweisen. Somit ist das maximale Wellenbildungspotential in den entsprechenden Bereichen der Grenzfläche 15 deutlich geringer als bei der Referenz-Wellenbildungspotentialverteilung. Dadurch wird die Stabilität der Elektrolysezelle 10 im Betrieb erheblich gesteigert und somit eine höhere Standzeit und Energieeffizienz der Elektrolysezelle 10 erreicht.
6 und 7 zeigen beispielhafte Erhebungen 30, die für eine Oberflächenprofilierung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 10 besonders geeignet sind. Die in der 6 gezeigten Erhebungen 30 sind dabei jeweils durch geometrische Extrusion erzeugbar. 6a–c zeigen jeweils polygonale, ellipsenförmige und sonstige Grundflächen 36, ausgehend von denen eine Erhebung 30 extrudiert wird. Wie durch einen Pfeil 39 angedeutet, erfolgt die Extrusion jeweils in vertikaler Richtung z.
6d zeigt eine ausgehend von der Grundfläche von 6a extrudierte, pyramidenstumpfförmige Erhebung 30. Die geometrische Extrusion in vertikaler Richtung z umfasst dabei eine Skalierung der Fläche mit zunehmender vertikaler Höhe, so dass die resultierende Erhebung 30 nach oben hin kontinuierlich verjüngt ist. Bezugsachse der Skalierung ist dabei die von dem Flächenschwerpunkt 38 der Grundfläche 36 ausgehende vertikale Achse. Die in 6d gezeigte Erhebung 30 resultiert dabei aus einer isotropen Skalierung, bei der die Fläche in allen Richtungen senkrecht zu der Extrusionsrichtung gleichermaßen zu der Extrusionsachse hin zusammengeschrumpft wird. 6e zeigt ebenfalls eine ausgehend von der Grundfläche 36 von 6a extrudierte Erhebung 30, bei der allerdings eine anisotrope Skalierung erfolgt, d. h. Fläche wird in verschiedenen Richtungen senkrecht zu der Extrusionsrichtung verschieden stark skaliert. Die Erhebung 30 von 6e entspricht außerdem einer Erhebung, die entlang einer von der Vertikalen um einen geringen Winkelbetrag abweichenden Achse extrudiert wurde. Der Flächenschwerpunkt 38 der Deckfläche 40 der resultierenden Erhebung 30 in 6e ist dementsprechend im Gegensatz zu dem Flächenschwerpunkt 28 der Deckfläche 40 in 6d gegenüber dem Flächenschwerpunkt 38 der Grundfläche 36 horizontal verschoben.
6f und 6g zeigen jeweils eine ausgehend von der in 6b gezeigten ellipsenförmigen Grundfläche 36 extrudierte Erhebung 30, wobei die in 6f gezeigte Erhebung 30 aus einer isotropen und die in 6g gezeigte Erhebung aus einer anisotropen Skalierung der Fläche in Extrusionsrichtung resultiert.
6h und 6i zeigen jeweils eine ausgehend von der in 6c gezeigten Grundfläche 36 extrudierte Erhebung 30, wobei die in 6h gezeigte Erhebung 30 aus einer isotropen und die in 6i gezeigte Erhebung aus einer anisotropen Skalierung der Fläche in Extrusionsrichtung resultiert.
7a–i zeigen weitere beispielhafte Erhebungen 30, die durch geometrische Rotation einer Grundfläche 36 erzeugbar sind. 7a–c zeigen dabei jeweils unterschiedliche Grundflächen 36, nämlich eine polygonförmige Grundfläche 30 in der 7a, eine halb-ellipsenförmige Grundfläche 30 in der 7b und eine frei gewählte Grundfläche 30 in der 7c. Eine Randlinie der Grundflächen 36 bildet dabei jeweils die Rotationsachse 42 für die Rotation.
7d und 7e zeigen jeweils Erhebungen 30, die ausgehend von der polygonförmigen Grundfläche 36 in 7a erzeugt werden, wobei gemäß der 7d der Rotationskörper ausschließlich durch Rotation erzeugt wird und gemäß der 7e der entstandene Rotationskörper nochmals bezüglich der Grundfläche 36 und der darauf senkrecht stehenden Richtung anisotrop skaliert wird.
7f und 7g zeigen jeweils Erhebungen 30, die ausgehend von der halb-ellipsenförmigen Grundfläche 36 in 7b erzeugt werden, wobei in der 7f der Rotationskörper ausschließlich durch Rotation erzeugt wird und in der 7g der entstandene Rotationskörper nochmals bezüglich der Grundfläche 36 und der darauf senkrecht stehenden Richtung anisotrop skaliert wird.
7h und 7i zeigen jeweils Erhebungen 30, die ausgehend von der Grundfläche 36 in 7c erzeugt werden, wobei in der 7h der Rotationskörper ausschließlich durch Rotation erzeugt wird und in der 7i der entstandene Rotationskörper nochmals bezüglich der Grundfläche 36 und der darauf senkrecht stehenden Richtung anisotrop skaliert wird
Bezugszeichenliste

10: Elektrolysezelle
12: Kathode
14: Schicht aus flüssigem Aluminium
15: Grenzfläche
16: Schmelzeschicht
18: Anode
20: Stromschiene
22: Stromabführung
24: Anodenblock
26: Anodenbaum
28: Stromzuführung
30: Erhebung
32: Symmetrieebene
34: Peak
36: Grundfläche
37: Nut
38: Flächenschwerpunkt
39: Pfeil
40: Deckfläche
42: Rotationsachse
x: Längsrichtung der Elektrolysezelle
y: Querrichtung der Elektrolysezelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0056826 A1 [0006]
EP 0938598131 [0007]
DE 10164008 C1 [0007]

Claims

Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18), wobei die Kathode (12) an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen (30) gebildete Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung der Kathode (12) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit – anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung – einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) vorliegt.
Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18), wobei die Kathode (12) an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen (30) gebildete Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung der Kathode (12) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit – anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung – einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, wobei die Referenzkathode bezüglich deren Höhe in der Elektrolysezelle (10) so angeordnet ist, dass zwischen der Referenzkathode und der Anode (18) dasselbe Volumen für die Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht (16) vorgesehen ist wie bei der Elektrolysezelle (10) mit der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) vorliegt.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens X der Y Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den Y höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei X = 4 und Y = 20, bevorzugt X = 6 und Y = 20, besonders bevorzugt X = 10 und Y = 20 und ganz besonders bevorzugt X = 14 und Y = 20 ist und/oder wobei X = 2 und Y = 10, bevorzugt X = 3 und Y = 10, besonders bevorzugt X = 5 und Y = 10 und ganz besonders bevorzugt X = 7 und Y = 10 ist und/oder wobei X = 1 und Y = 5, bevorzugt X = 2 und Y = 5, besonders bevorzugt X = 3 und Y = 5 und ganz besonders bevorzugt X = 4 und Y = 5 ist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der an den Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12), welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ein Peak (34) vorliegt, angeordneten Erhebungen (30) ihre maximale Höhe an der Stelle aufweist, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet ist, an welcher der Peak (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials seinen Maximalwert aufweist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle an den Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12), welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ein Peak (34) vorliegt, angeordneten Erhebungen (30) jeweils ihre maximale Höhe an der Stelle aufweisen, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, an welchen die jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ihren Maximalwert aufweisen.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen (30) in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform des jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Umrissformen aller Erhebungen (30) in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform der jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich sind.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen (30) in Draufsicht zumindest abschnittsweise zumindest annähernd polygonförmig und/oder ellipsenförmig ausgestaltet ist, wobei das Polygon insbesondere 3, 4, 5 oder 6 Ecken aufweist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Erhebungen (30) eine in Draufsicht betrachtete Umrissform aufweist, die geometrisch einfacher ist als die in Draufsicht betrachtete Umrissform des vertikal über der Erhebung (30) in der Grenzfläche (15) angeordneten Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials, wobei die in Draufsicht betrachtete Umrissform der Erhebung (30) bevorzugt eine geringere Anzahl von Ecken und/oder eine geringere Anzahl von Wendepunkten aufweist als die in Draufsicht betrachtete Umrissform des Peaks (34).
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Form wenigstens einer der Erhebungen (30) zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich ist oder dieser entspricht.
Elektrolysezelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Formen aller Erhebungen (30) zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich sind oder dieser entsprechen.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Erhebungen (30) eine sich in vertikaler Richtung (z) nach oben hin verjüngende dreidimensionale Form aufweist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Erhebungen (30) in vertikaler Richtung (z) nach oben gesehen von einer Deckfläche (40) begrenzt wird, die in Draufsicht betrachtet eine geringere Fläche aufweist als die in Draufsicht betrachtete Grundfläche (36) der Erhebung (30).
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Erhebungen (30) eine dreidimensionale Form aufweist, die ausgehend von der Grundfläche (36) der Erhebung (30) durch Rotation der Grundfläche (36) um eine die Grundfläche (36) begrenzende Rotationsachse (42) erzeugbar ist, wobei die Rotationsachse (42) bevorzugt horizontal verläuft.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Erhebungen (30) eine dreidimensionale Form aufweist, die ausgehend von der Grundfläche (36) der Erhebung (30) durch geometrische Extrusion der Grundfläche (36) der Erhebung (30) in vertikaler Richtung (z) nach oben erzeugbar ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zumindest eine Erhebung (30) in vertikaler Richtung (z) nach oben hin verjüngt.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (12) aus zwei oder mehr Kathodenblöcken zusammengesetzt ist und/oder dass die Anode (18) aus zwei oder mehr Anodenblöcken (24) zusammengesetzt ist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Anode (18) und der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung der Kathode (12) zumindest in einer Richtung unregelmäßig ausgebildet ist.
Kathode für eine Aluminium-Elektrolysezelle, deren Oberseite eine Oberflächenprofilierung mit zwei oder mehr zumindest im Wesentlichen in einer ersten Richtung (y) der Kathode (12) verlaufenden ersten Stegen (30) und wenigstens einem zumindest im Wesentlichen in der Richtung (x) senkrecht zu der ersten Richtung (y) der Kathode (12) verlaufenden zweiten Steg (30) aufweist.
Kathode nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei ersten Stege (30) zumindest annähernd in Querrichtung (y) der Kathode verlaufen.
Kathode nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Kathode (12) in Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Umrissform aufweist, wobei zumindest in einer der vier Ecken der im Wesentlichen rechteckigen Umrissform eine Erhebung (30) der Kathode (12) vorgesehen ist, wobei die Erhebung (30) bevorzugt in Draufsicht eine im Wesentlichen dreieckförmige Umrissform aufweist.
Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Kathode (12) eine Vertiefung in der Form einer, im Querschnitt der Kathode (12) gesehen zumindest im Wesentlichen V-förmigen Wanne aufweist, wobei die wenigstens zwei ersten Stege (30) und der wenigstens eine zweite Steg (30) bevorzugt auf der Oberfläche der im Wesentlichen V-förmigen Vertiefung angeordnet sind.
Kathode nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt zwischen den beiden Schenkeln des Querschnitts der im Wesentlichen V-wannenförmig ausgestalteten Vertiefung, im Querschnitt der Kathode (12) gesehen, zumindest annähernd in der Mitte der Kathode (12) angeordnet ist.
Kathode nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefung über wenigstens 75%, bevorzugt über wenigstens 90%, besonders bevorzugt über wenigstens 95% und ganz besonders bevorzugt über 100% der Oberfläche der Kathode (12) erstreckt,
Kathode nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Steg (30), in der zweiten Richtung (x) der Kathode (12) gesehen, zumindest annähernd in der Mitte der Kathode (12) angeordnet ist.
Kathode nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Kante zumindest eines der ersten Stege (30) einen, in der Querrichtung (y) der Kathode (12) gesehen, zu der Mitte der Kathode (12) hin zunehmenden Abstand von dem Boden der V-förmigen Wanne aufweist.
Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode (12) nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 27, auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18).
Elektrolysezelle nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (18) wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke (24) umfasst und sich zwischen den wenigstens zwei Anodenblöcken (24) eine Fuge erstreckt, wobei zumindest einer der ersten Stege (30) der Kathode (12) vertikal unterhalb und zumindest im Wesentlichen parallel zu der zwischen den zwei Anodenblöcken (24) ausgebildeten Fuge angeordnet ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine vertikal unterhalb der Fuge angeordnete erste Steg (30) in Bezug auf die Fuge zumindest annähernd zentriert angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle (10), insbesondere einer Elektrolysezelle (10) zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst – Ermitteln der in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) der Elektrolysezelle vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials, – Herstellen einer mehrere Erhebungen (30) umfassenden Oberflächenprofilierung auf der Oberseite der Kathode (12), wobei jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen wird, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit – anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung – einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) vorliegt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle (10), insbesondere einer Elektrolysezelle (10) zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Ermitteln der in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) der Elektrolysezelle (10) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials, – Herstellen einer mehrere Erhebungen (30) umfassenden Oberflächenprofilierung auf der Oberseite der Kathode (12), wobei jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen wird, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit – anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung – einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, wobei die Referenzkathode bezüglich deren Höhe in der Elektrolysezelle (10) so angeordnet ist, dass zwischen der Referenzkathode und der Anode (18) dasselbe Volumen für die Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht (16) vorgesehen ist wie bei der Elektrolysezelle (10) mit der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) vorliegt.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 31 oder 32 zur Herstellung einer Elektrolysezelle (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 19.