DE102012218960B4

DE102012218960B4 - Kathode umfassend Kathodenblöcke mit teilweise trapezförmigem Querschnitt

Info

Publication number: DE102012218960B4
Application number: DE102012218960.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Hiltmann; Janusz Tomala; Ghazanfar Abbas
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: DE102012218960A1

Abstract

Kathode (22'), welche wenigstens zwei Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34iv, 34v) umfasst, wobei entweder der obere oder untere Teil des Querschnitts von wenigstens zwei der wenigstens zwei Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''') rechteckig ausgestaltet ist und der andere Teil des Querschnitts dieser Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''') jeweils trapezförmig ausgestaltet ist, wobei bei wenigstens einem dieser Kathodenblöcke (34, 34'') der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, wohingegen bei wenigstens einem anderen, benachbarten Kathodenblock (34', 34''') der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, wobei diese Kathodenblöcke aufweisend eine teilweise trapezförmige Querschnittsform alternierend benachbart zueinander angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium umfassend Kathodenblöcke mit teilweise trapezförmigem Querschnitt sowie eine Elektrolysezelle umfassend eine solche Kathode.
Derartige Elektrolysezellen werden 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, und zwar vorzugsweise aus etwa 15 bis 20% Aluminiumoxid und etwa 85 bis 80% Kryolith, zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na₃[AlF₆], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf etwa 960°C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken, so dass die Schmelzelektrolyse bei einer verringerten Temperatur von etwa 960°C durchgeführt werden kann.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Boden auf, der aus einer Vielzahl von, beispielsweise 24, aneinander angrenzenden, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt ist. Zwischen den benachbarten Kathodenblöcken ist jeweils eine Fuge ausgebildet. Die Anordnung von Kathodenblock und gegebenenfalls gefüllter Fuge wird im Allgemeinen als Kathodenboden bezeichnet. Die Fugen zwischen den Kathodenblöcken sind üblicherweise mit Stampfmasse aus Kohlenstoff und/oder Kohlenstoff enthaltendem Material, wie Anthrazit oder Graphit, und einem Binder, wie Steinkohlenteer, gefüllt. Dies dient zur Abdichtung gegen schmelzflüssige Bestandteile und zur Kompensation mechanischer Spannungen, welche beispielsweise aufgrund der Ausdehnung der Kathodenblöcke bei dem Aufheizen bei der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle auftreten. Um den bei dem Betrieb der Elektrolysezelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, sind die Kathodenblöcke üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathodenblöcke sind jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom aus der Elektrolysezelle abgeführt wird. Dabei sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen die Nuten begrenzenden Wänden der Kathodenblöcke und den Stromschienen häufig mit Gusseisen ausgegossen, um durch die dadurch hergestellte Umhüllung der Stromschienen mit Gusseisen die Stromschienen elektrisch und mechanisch mit den Kathodenblöcken zu verbinden.
Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen Schicht aus schmelzflüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete Anode angeordnet, wobei sich zwischen der Anode und der Oberfläche des Aluminiums der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 960°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 Kathodenblöcke und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Kryolithschmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss in Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus schmelzflüssigem 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 schmelzflüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein bedeutender Nachteil der bekannten, vorstehend beschriebenen Elektrolysezellen ist die zwischen den einzelnen benachbarten Kathodenblöcken vorgesehene Stampfmasse.
Zum einen müssen die bekannten Stampfmassen zwischen den benachbarten Kathodenblöcken in einer vergleichsweise großen Schichtdicke vorgesehen werden, und zwar zum einen, weil die bekannten Stampfmassen vergleichsweise grobkörnig sind, und zum anderen, um eine ausreichend hohe mechanische Stabilität der durch die Stampfmasse hervorgerufenen Verbindung der Kathodenblöcke zu erreichen. Die Grobkörnigkeit der Stampfmasse ist notwendig, um zum einen eine gute Verdichtung durch Verstampfen durch entsprechende Werkzeuge zu gewährleisten, und zum anderen, gute mechanische Eigenschaften sowie einen möglichst geringen Schrumpf bei der Carbonisierung zu erzielen. Aufgrund dessen resultieren zwischen den einzelnen Kathodenblöcken vergleichsweise dicke mit der Stampfmasse gefüllte Fugen, welche die effektive Kathodenoberfläche verringern. Abgesehen davon können in diese Fugen Aluminium und Schmelze eindringen, die den Verschleiß des Kathodenbodens erhöhen.
Außerdem sind die mit Stampfmasse gefüllten Fugen zwischen den Kathodenblöcken eine Schwachstelle im Elektrolysezellenbau. Bei nicht sorgfältig ausgeführtem Stampfen können nämlich in der mit Stampfmasse gefüllten Fuge Defekte auftreten, die bei dem Betrieb zu einer Schwächung oder sogar zu einem Versagen der Fuge führen können. In schlimmsten Fall führt dies zu einem vorzeitigen Ausfall der gesamten Elektrolysezelle. Da die Masse während der Inbetriebnahme der Zelle pyrolysiert, kann auch ein unsachgemäßes Aufheizen zu einer derartigen Schwächung führen. Abgesehen davon erfordern das Stampfen und das sorgfältige Vorheizen, insbesondere aufgrund der Pyrolyse der Stampfmasse, einen erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand, der die Effizienz und Produktivität des Aluminium-Herstellungsprozesses verringert.
Zudem sind die häufig verwendeten Anthrazit-Stampfmassen elektrisch und thermisch weniger leitfähig als insbesondere graphitierte Kathodenblöcke. Aufgrund dessen geht wiederum effektive Kathodenfläche verloren. Ferner resultiert aus dem größeren Gesamtwiderstand ein höherer Energieverbrauch für die Elektrolyse, was die Wirtschaftlichkeit des Elektrolyseprozesses erniedrigt. Zudem erhöht sich der Kathodenbodenverschleiß durch die höhere spezifische Belastung.
Ein weiterer beträchtlicher Nachteil der Stampfmassen ist, dass diese meist gesundheitsschädliche oder giftige Substanzen enthalten. Üblicherweise eingesetzte Stampfmassen enthalten meist Bindemittel auf Basis von Steinkohlenteer, welche polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten, welche giftig und/oder krebserregend und daher nach der Europäischen Chemikalienverordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) relevant sind, da diese bzw. deren Pyrolyseprodukte bei deren Anwendung teilweise in die Atmosphäre gelangen. Da das Verstampfen manuell oder halbautomatisch durchgeführt wird, kann bei diesen Arbeiten zudem das Personal diesen Stoffen ausgesetzt werden, was erhebliche zusätzliche persönliche Schutzmaßnahmen erfordert.
Eine Alternative zu dem Vorsehen von Stampfmasse zwischen den Kathodenblöcken ist das Verkleben der Blöcke zu einem monolithischen Kathodenboden. Dies ist jedoch aufgrund der bei dem Betrieb von Elektrolysezellen auftretenden thermisch-mechanischen Beanspruchungen problematisch, weswegen diese Alternative als unbefriedigend befunden wird und kaum Anwendung findet.
Eine andere Alternative zu dem Vorsehen von Stampfmasse zwischen den Kathodenblöcken wird in der WO 2010/142580 offenbart. Hierin wird zum Füllen der Fugen zwischen den Kathodenblöcken an Stelle von Stampfmasse eine vorverdichtete Platte aus expandiertem Graphit, vorzugsweise in der Form einer Folie aus expandiertem Graphit, verwendet. Zwar wird durch die Verwendung einer vorverdichteten Graphitplatte im Vergleich zu der Verwendung von Stampfmasse die Breite der Fuge zwischen den Kathodenblöcken verringert und so die wirksame Kathodenfläche erhöht, allerdings ist es noch erforderlich, dass eine Fuge vorhanden ist, wobei diese Fuge zu einer Verringerung der wirksamen Kathodenfläche führt.
Üblicherweise werden in der Industrie Kathodenblöcke mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt. CN 201195756 und CN 201442982 beschreiben hingegen Kathodenblöcke, deren oberer Teil trapezförmig und deren unterer Teil rechteckig ist, wobei die verwendeten Kathodenblöcke den gleichen Querschnitt aufweisen. Der trapezförmige Teil des Kathodenblocks stellt immer den oberen Teil des Kathodenblocks dar. Diese Kathodenblöcke werden mittels Stampfmasse, wie beispielsweise einer Stampfmasse basierend auf Kohlenstoff, miteinander verbunden. Eine Kathode umfassend solche Kathodenblöcke soll unter anderem zu einer Verringerung des Energieverbrauches beitragen, indem die Bewegung des flüssigen Aluminiums gehemmt wird.
DE 10 2010 041 081 A1 beschreibt Kathodenblöcke bestehend aus zwei Teilen, wobei der obere Teil rechteckig und der untere Teil trapezförmig ausgestaltet ist. Diese oberen und unteren Teile sind zumindest abschnittsweise über eine Zwischenschicht lösbar miteinander verbunden. Bedingt durch die zweigeteilte Ausgestaltung der Kathode ist möglich, die unterschiedlichen Funktionsbereiche bei der Herstellung zu optimieren und Materialkosten einzusparen.
Die Aufgabe, welcher der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt, ist es, eine alternative Kathode bereitzustellen, welche ohne dass Vorsehen von Stampfmasse zwischen benachbarten Kathodenblöcken zu einer Kathode verarbeitet werden kann, in der dennoch mechanische Spannungen zwischen den einzelnen Kathodenblöcken, welche beispielsweise bei der Inbetriebnahme einer die Kathode umfassenden Elektrolysezelle auftreten, zuverlässig kompensiert werden und welche zudem zuverlässig gegen schmelzflüssige Bestandteile abgedichtet ist, um so die vorstehend beschriebenen, durch die herkömmlichen Stampfmassen verursachten Nachteile zu vermeiden, wie insbesondere eine Verringerung der effektiven Kathodenoberfläche, die Arbeitssicherheits- und Umweltschutzrelevanten Probleme bei dem Verarbeiten und Carbonisieren von Stampfmasse und eine Erhöhung des Kathodenverschleißes.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kathode, welche wenigstens zwei Kathodenblöcke umfasst, wobei entweder der obere oder untere Teil, vorzugsweise der untere Teil, des Querschnitts von wenigstens zwei der wenigstens zwei Kathodenblöcke rechteckig ausgestaltet ist, und der andere Teil des Querschnitts dieser Kathodenblöcke jeweils trapezförmig ausgestaltet ist, wobei bei wenigstens einem dieser Kathodenblöcke der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, wohingegen bei wenigstens einem anderen, benachbarten Kathodenblock der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, wobei diese Kathodenblöcke aufweisend eine teilweise trapezförmige Querschnittsform alternierend benachbart zueinander angeordnet sind.
Unter Querschnitt des Kathodenblocks wird in diesem Zusammenhang ein Schnitt senkrecht zu der Längsachse des Kathodenblocks verstanden.
Erfindungsgemäß wurde es erkannt, dass mehrere Kathodenblöcke mit jeweils teilweiser trapezförmiger Querschnittsform, wenn diese alternierend benachbart zueinander angeordnet werden, zu einer stampfmassenfreien Kathode zusammengesetzt werden können; hierbei erfolgt eine zuverlässige Abdichtung durch überstehendes Aluminium und überstehende Schmelze und durch die eigene Masse erzeugte, vertikal wirkende Kraft von entweder des trapezförmig ausgestalteten Teils der Kathodenblöcke, dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten, unteren Teil der Kathodenblöcke angrenzt oder durch den rechteckig ausgestalteten, oberen Teil der Kathodenblöcke, der an die Basis des trapezförmig ausgestalteten unteren Teils der Kathodenblöcke angrenzt. Ein zusätzlicher Abdichtungseffekt kann aus der Ausdehnung der einzelnen Kathodenblöcke resultieren, die zu einer zusätzlichen mechanischen Spannung zwischen den einzelnen Blöcken führt. Auf diese Weise können die vorstehend in Bezug auf die herkömmlichen Stampfmassen beschriebenen Nachteile, wie insbesondere eine Verringerung der effektiven Kathodenoberfläche, die Arbeitssicherheits- und Umweltschutz-relevanten Probleme beim Verarbeiten und Carbonisieren von Stampfmasse und eine Erhöhung des Kathodenverschleißes, zuverlässig vermieden werden. Insbesondere können die Kathodenblöcke zu erfindungsgemäßen fugenfreien Kathoden zusammengesetzt werden, weil eine Stampfmasse zwischen den Kathodenblöcke nicht notwendig ist, wobei allein durch die Eliminierung der Stampfmassefugen bei dem Einsatz von Kathodenblöcken mit einer Breite von 650 mm, welche üblicherweise über Fugen mit einer Breite von 40 mm von benachbarten Kathodenblöcken beabstandet sind, eine Vergrößerung der wirksamen Kathodenfläche von etwa 6% erreicht wird.
Wenn bei dem Betrieb einer eine aus den Kathodenblöcken zusammengesetzte erfindungsgemäße Kathode umfassenden Elektrolysezelle höhere mechanische Spannungen zwischen den die Kathode zusammensetzenden Kathodenblöcken senkrecht zu der Längsachse der Kathodenblöcke auftreten, wird durch den Aufbau der Kathode aus den alternierend benachbart zueinander angeordneten Kathodenblöcken mit einem teilweise trapezförmigen Querschnitt ein mehr oder weniger starkes Verschieben bzw. Verrutschen der Kathodenblöcke, deren trapezförmig ausgestalteter Teil mit der Deckseite an den rechteckig ausgestalteten, unteren Teil der Kathodenblöcke oder deren trapezförmig ausgestalteter Teil mit der Basisseite an den rechteckig ausgestalteten, oberen Teil der Kathodenblöcke angrenzt, relativ zu den anderen Kathodenblöcken vertikal nach oben ermöglicht. Dieses Verschieben bzw. Verrutschen der Kathodenblöcke erfolgt unabhängig davon, ob die jeweiligen Spannungen thermisch, wie beispielsweise infolge einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturverringerung, oder chemisch, wie beispielsweise infolge der Einlagerung von Natrium zwischen die Längsseitenflächen der Kathodenblöcke, verursacht sind. Aus der Oberflächenbeschaffenheit, d. h. dem Haftreibungskoeffizienten, und dem Winkel der aneinanderliegenden Flächen ergibt sich die Kraft, die zur Verschiebung der Flächen gegeneinander notwendig ist. Durch entsprechende Auslegung des Winkels und der Oberflächenbeschaffenheit, d. h. des Haftreibungskoeffizienten, kann diese in der Ebene der in Kontakt befindlichen Flächen wirkende Kraft definiert werden, wobei die Ausweichbewegung dann soweit erfolgt, bis diese Kraft nicht mehr ausreicht, um die Gleitreibung zu überwinden, und so eine Selbsthemmung vorliegt. Auch im Falle der Selbsthemmung findet aus den oben genannten Gründen eine zuverlässige Abdichtung statt. Ein temporäres oder permanentes Herausragen einzelner Kathodenblöcke aus der ursprünglich ebenen Kathodenoberfläche mit keinem prozesstechnischen Nachteil verbunden.
Dabei kann der Kohlenstoff, auf dessen Basis die Kathodenblöcke der erfindungsgemäßen Kathode aufgebaut sind, aus der Gruppe bestehend aus amorphen Kohlenstoffen, graphitischen Kohlenstoffen, graphitierten Kohlenstoffen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Kohlenstoffen ausgewählt sein.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem Kathodenblock mit einem Querschnitt, der teilweise in der Form eines Trapezes vorliegt, ein Kathodenblock verstanden, welcher zumindest abschnittsweise über dessen Länge einen teilweise trapezförmigen Querschnitt aufweist. Vorzugsweise weist der Kathodenblock über wenigstens 50% seiner Länge, besonders bevorzugt über wenigstens 80% seiner Länge, weiter bevorzugt über wenigstens 90% seiner Länge, noch weiter bevorzugt über wenigstens 95% seiner Länge, ganz besonders bevorzugt über wenigstens 99% seiner Länge und höchst bevorzugt über seine gesamte Länge einen Querschnitt, teilweise in der Form eines Trapezes, auf.
Bei einem Trapez handelt es sich definitionsgemäß um ein ebenes Viereck mit mindestens zwei parallel zueinander liegenden Grundseiten, von denen eine Grundseite, nämlich die Basis, länger ist als die andere Grundseite, nämlich die Deckseite. Die die beiden Grundseiten verbindenden Seiten des Trapezes werden als Schenkel bezeichnet. Der Kathodenblock, welcher für die erfindungsgemäße Kathode für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium auf Basis von Kohlenstoff verwendet wird, weist teilweise einen Querschnitt in der Form eines Trapezes auf, d. h. der obere oder der untere Teil des Kathodenblocks ist trapezförmig ausgestaltet. Der jeweils andere Teil des Kathodenblocks ist rechteckig ausgestaltet. Wenn der untere Teil des Kathodenblocks rechteckig ausgebildet ist, so kann dieses rechteckige Teil an seiner unteren Seite, auch wenigstens eine Aussparung in der Form einer Nut, wie diese herkömmlicherweise in Kathodenblöcken zur Aufnahme einer Stromschiene angeordnet sind, aufweisen. Ist hingegen der untere Teil des Kathodenblocks trapezförmig ausgebildet, so kann dieses trapezförmige Teil entweder an dessen Deck- oder Basisseite auch wenigstens eine Aussparung in der Form einer Nut, wie diese herkömmlicherweise in Kathodenblöcken zur Aufnahme einer Stromschiene angeordnet sind, aufweisen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist daher der Begriff ”Trapez” definiert als ein wie vorstehend spezifiziertes vollständiges Trapez oder als ein solches Trapez, welches auf einer seiner beiden Grundseiten eine oder mehrere Aussparungen in der Form einer Nut aufweist. Als Basis wird in dem letztgenannten Fall, bei dem ein oder mehrere Aussparungen in der Form einer Nut vorgesehen sind, diejenige der beiden Grundseiten bezeichnet, welche ohne Beachtung der Aussparung(en) länger ist, d. h. die Aussparung(en) werden bei der Bestimmung, welche der beiden Grundseiten die Basis ist, nicht berücksichtigt.
Um die vorstehend aufgeführten Effekte in einem besonders hohen Ausmaß zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die Kathode wenigstens zwei Kathodenblöcke einer ersten Art und wenigstens zwei Kathodenblöcke einer zweiten Art umfasst, wobei

– die Kathodenblöcke der ersten Art jeweils den gleichen Querschnitt aufweisen und die Kathodenblöcke der zweiten Art jeweils den gleichen Querschnitt aufweisen,
– wobei entweder der obere oder untere Teil, vorzugsweise der untere Teil, des Querschnitts der Kathodenblöcke der ersten Art rechteckig ausgestaltet ist und der andere Teil des Querschnitts dieser Kathodenblöcke jeweils trapezförmig ausgestaltet ist, wobei der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt,
– entweder der obere oder untere Teil, vorzugsweise der untere Teil, des Querschnitts der Kathodenblöcke der zweiten Art rechteckig ausgestaltet ist und der andere Teil des Querschnitts dieser Kathodenblöcke jeweils trapezförmig ausgestaltet ist, wobei der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, und
– wobei jeweils die Kathodenblöcke der ersten Art und die Kathodenblöcke der zweiten Art alternierend benachbart so zueinander angeordnet sind, dass deren trapezförmigen Teile aneinander angrenzen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass:

– die trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke jeweils gleichschenklig, bevorzugt symmetrisch, sind,
– die Höhen (H) der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke jeweils gleich lang sind,
– die zwischen der Basis und den beiden Schenkeln der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke, deren trapezförmige Teile jeweils mit deren Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzen, gebildeten Innenwinkel (α) jeweils gleich groß sind und
– die zwischen der Basis und den beiden Schenkeln der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke, deren trapezförmige Teile jeweils mit deren Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzen, gebildeten Innenwinkel (α') jeweils gleich groß sind,
– wobei die Summe der Innenwinkel (α) und der Innenwinkel (α) 180° beträgt.

Dabei betragen entweder die Innenwinkel (α) oder die Innenwinkel (α') vorzugsweise 45° bis 80°, besonders bevorzugt 50° bis 70°, ganz besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°.
Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass entweder die Innenwinkel (α) oder die Innenwinkel (α') mehr als 80° bis weniger als 90°, bevorzugt 82° bis weniger als 88° und besonders bevorzugt 84° bis 86°, insbesondere 85°, betragen. Bei dieser Ausführungsform kommt vor allem der oben genannte Effekt der Abdichtung zum Tragen. Desweiteren ist es bevorzugt, dass die randseitigen Kathodenblöcke einen halbtrapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die zu einem benachbarten Kathodenblock orientierte Seite des Halbtrapezes schräg ist und die dieser gegenüberliegende Seite des Halbtrapezes senkrecht ist.
Wie vorstehend dargelegt, ist es bevorzugt, dass zwischen den benachbarten Kathodenblöcken keine Stampfmasse vorgesehen ist.
Bezüglich der Anzahl der Kathodenblöcke, aus welcher die Kathode zusammengesetzt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht limitiert. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere erhalten, wenn die Kathode 8 bis 36, besonders bevorzugt 10 bis 28 und ganz besonders bevorzugt 10 bis 24 Kathodenblöcke umfasst.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass beide der zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes gebildeten Innenwinkel 45° bis 80° betragen. Besonders gute Ergebnisse werden diesbezüglich erhalten, wenn beide der zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des Trapezes gebildeten Innenwinkel 50° bis 70° und besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°, betragen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der trapezförmige Querschnitt des Kathodenblocks die Form eines gleichschenkligen Trapezes auf. Bei einem gleichschenkligen Trapez sind die beiden Schenkel gleich lang. Auch hier beträgt einer der beiden zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes gebildeten Innenwinkel 45° bis 80, bevorzugt 50° bis 70° und besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°. Gemäß einer weiteren höchst bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der trapezförmige Querschnitt des Kathodenblocks die Form eines symmetrischen Trapezes auf. Bei einem symmetrischen Trapez sind die beiden Schenkel ebenfalls gleich lang und die beiden zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des Trapezes gebildeten Innenwinkel sind jeweils gleich groß. Auch bei dieser Ausführungsform betragen beide der zwischen der Basis und den beiden Schenkeln des Trapezes gebildeten Innenwinkel zwischen 45° und 80°, bevorzugt 50° bis 70° und besonders bevorzugt 55° bis 65°, insbesondere 60°.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass das Verhältnis zwischen der Höhe des Trapezes und der Länge der Basis des Trapezes 0,2:1,0 bis 1,0:1,0, bevorzugt 0,2:1,0 bis 0,8:1,0 und besonders bevorzugt 0,3:1,0 bis 0,5:1,0, wie insbesondere 0,4:1,0, beträgt. Kathodenblöcke mit derart ausgestaltetem Querschnitt eignen sich insbesondere dazu, zu Kathoden mit einer für das Hall-Héroult-Verfahren geeigneten Höhe zusammengesetzt zu werden, und Verrutschen zudem bei der vorstehend beschriebenen alternierenden Zusammensetzung hinreichend leicht, um für den Kathodenboden kritische mechanische Spannungen, welche bei dem Betrieb einer eine solchen Kathode umfassenden Elektrolysezelle auftreten, besonders zuverlässig und schnell abzubauen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen der Länge der Basis des Trapezes und der Länge der Deckseite des Trapezes 1,1:1,0 bis 3,0:1,0, bevorzugt 1,5:1,0 bis 2,5:1,0 und besonders bevorzugt 2,0:1,0 bis 2,2:1,0, wie insbesondere 2,05:1,0, beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Höhe des Trapezes und der Länge der Basis des Trapezes 0,2:1,0 bis 1,0:1,0, bevorzugt 0,2:1,0 bis 0,8:1,0 und besonders bevorzugt 0,3:1,0 bis 0,5:1,0, wie insbesondere 0,4:1,0 und das Verhältnis zwischen der Länge der Basis des Trapezes und der Länge der Deckseite des Trapezes 1,1:1,0 bis 3,0:1,0, bevorzugt 1,5:1,0 bis 2,5:1,0 und besonders bevorzugt 2,0:1,0 bis 2,2:1,0, wie insbesondere 2,05:1,0.
Als vorteilhaft erweist sich auch, wenn das Verhältnis zwischen der Höhe H des Trapezes und der Höhe H' des Rechtecks 2,0:1,0 bis 1,0:4,0, bevorzugt 1,0:1,0 bis 1,0:2,0, besonders bevorzugt 1,0:1,2 ist; dies gilt insbesondere, wenn der untere Teil des Kathodenblocks rechteckig ausgestaltet ist.
Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Kathodenblock bezüglich seiner Maße nicht besonders beschränkt. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Basis des Trapezes eine Länge von 300 bis 900 mm aufweist, die Deckseite des Trapezes eine Länge von 100 bis 500 mm aufweist und die Höhe des Trapezes 100 bis 500 mm beträgt. Besonders bevorzugt weist die Basis des Trapezes eine Länge von 500 bis 700 mm auf, weist die Deckseite des Trapezes eine Länge von 200 bis 400 mm auf und beträgt die Höhe des Trapezes 150 bis 400 mm. Ganz besonders bevorzugt weist die Basis des Trapezes eine Länge von 550 bis 650 mm auf, weist die Deckseite des Trapezes eine Länge von 250 bis 350 mm auf und beträgt die Höhe des Trapezes 200 bis 300 mm. Beispielsweise haben sich in der Praxis Kathodenblöcke als ganz besonders geeignet erwiesen, bei denen die Basis des den Querschnitt des Kathodenblocks ausbildenden Trapezes eine Länge von etwa 620 mm aufweist, die Deckseite eine Länge von etwa 300 mm aufweist und die Höhe etwa 250 mm beträgt.
Die Länge des Kathodenblocks beträgt vorzugsweise 2.500 bis 3.500 mm.
Erfindungsgemäß ist der Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff zusammengesetzt und mithin aus einem Material, welcher Kohlenstoff enthält. Sowohl im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften, wie insbesondere spezifische elektrische Leitfähigkeit, als auch im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere Verschleißbeständigkeit, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kathodenblock aus einem Material zusammengesetzt ist, welches mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% und höchst bevorzugt mindestens 99 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Dabei kann der Kohlenstoff, auf dessen Basis die Kathodenblöcke für die erfindungsgemäße Kathode aufgebaut ist, aus der Gruppe bestehend aus amorphen Kohlenstoffen, graphitischen Kohlenstoffen, graphitierten Kohlenstoffen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Kohlenstoffen ausgewählt sein.
Im Hinblick sowohl auf die elektrischen Eigenschaften als auch auf die mechanischen Eigenschaften wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der erfindungsgemäße Kathodenblock aus graphitischem Kohlenstoff und/oder graphitiertem Kohlenstoff zusammengesetzt ist oder besonders bevorzugt daraus besteht.
Um den Effekt der Haft- und Gleitreibung zwischen den Längsseitenflächen aneinandergrenzender Kathodenblöcke zu modifizieren, um so das erfindungsgemäße Verschieben eines zwischen mehreren alternierend benachbart zueinander angeordneten Kathodenblöcken angeordneten Kathodenblocks infolge von Spannungen vertikal nach oben zu erleichtern, wodurch diese Spannungen teilweise oder vollständig abgebaut werden, wird es gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den Kathodenblock mit einer Beschichtung bzw. Deckschicht aus einem gleitfähigen Material zu versehen, wodurch der Haftreibungskoeffizient und Gleitreibungskoeffizient zwischen den entsprechenden Flächen reduziert wird. Vorzugsweise ist das gleitfähige Material Graphitschlichte, welche Graphitstaub in wässriger Suspension enthält, d. h. ist der Kathodenblock auf Basis von Kohlenstoff mit Graphitschlichte beschichtet.
Dabei beträgt die Dicke der Beschichtung vorzugsweise 0,2 bis 3 mm und besonders bevorzugt 0,5 bis 1 mm.
Um eine Stromzufuhr zu dem Kathodenblock bei dessen Verwendung in einer Elektrolysezelle zu ermöglichen, weist dieser bevorzugt wenigstens eine sich in der Längsrichtung des Kathodenblocks Nut und bevorzugt genau eine Nut oder zwei Nuten zur Aufnahme einer Stromschiene auf, welche an der unteren Seite entweder des rechteckigen Teils angeordnet ist/sind, wenn der untere Teil des Kathodenblocks rechteckig ausgestaltet ist oder des trapezförmigen Teils angeordnet ist/sind, wenn der untere Teil des Kathodenblocks trapezförmig ausgebildet ist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, die wenigstens eine Nut vergleichsweise hoch und schmal auszubilden, und zwar um, wenn die Nut an der schmaleren Deckseite des trapezförmigen Querschnitts des Kathodenblocks angeordnet ist, die Nut mit möglichst viel Kathodenblockmaterial umgeben zu können, um diesem Bereich des Kathodenblocks eine ausreichend hohe mechanische Stabilität zu verleihen. Gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erhalten, wenn das Verhältnis zwischen der Höhe der Nut zu der Breite der Nut 5:1 bis 1:1, bevorzugt 4:1 bis 2:1 und besonders bevorzugt 3:1 bis 2:1 beträgt.
Dabei wird die Kathode vorzugsweise aus Kathodenblöcken einer ersten Art und Kathodenblöcken einer zweiten Art gebildet, wobei die Kathodenblöcke einer ersten Art mit ihren Längsseiten benachbart zu Kathodenblöcken einer zweiten Art angeordnet sind, wobei die Kathodenblöcke der ersten und zweiten Art – ausgenommen der randseitigen Kathodenblöcke – einen wie zuvor spezifizierten Querschnitt aufweisen. Bezogen auf den trapezförmigen Teil sind die Deckseite und die Basis der benachbarten Kathodenblöcke alternierend angeordnet. Die Kathodenblöcke können direkt angrenzend benachbart oder über einen schmalen Spalt bzw. eine schmale Fuge beabstandet benachbart sein. Dabei können die einzelnen benachbarten Kathodenblöcke bündig zueinander angeordnet sein, d. h. deren Unter- und Oberseite jeweils in einer Ebene liegen, oder, in vertikaler Richtung, geringfügig zueinander versetzt angeordnet sein, d. h. einzelne Kathodenblöcke können aus der Oberfläche der Kathode nach oben herausragen und eine an ihrer Oberseite profilierte Kathode ausbilden.
Vorzugsweise weisen alle Kathodenblöcke der ersten Art den gleichen Querschnitt auf und auch die Kathodenblöcke der zweiten Art weisen den gleichen Querschnitt auf. Hiervon ausgenommen sind die randseitigen Kathodenblöcke Auf diese Weise wird eine besonders gute Passgenauigkeit der Kathodenblöcke erhalten.
Um einen guten Anschluss an die die Kathode begrenzende Wand einer Elektrolysezelle zu gewährleisten, weisen die randseitigen Kathodenblöcke der Kathode vorzugsweise teilweise einen halbtrapezförmigen Querschnitt auf, wobei die zu einem benachbarten Kathodenblock orientierte Seite des Halbtrapezes schräg ist und die dieser gegenüberliegende Seite des Halbtrapezes senkrecht ist. Dabei liegt selbstverständlich die senkrecht Seite des Halbtrapezes an der Wand an, wohingegen die schräge Seite des Halbtrapezes an dem benachbarten Kathodenblock anliegt, und zwar entweder direkt oder über einen kleinen Spalt beabstandet. Die halbtrapezförmigen Querschnitte der beiden randseitigen Kathodenblöcke weisen vorzugsweise eine Basis mit einer Länge von 300 bis 700 mm, besonders bevorzugt von 400 bis 500 mm und höchst bevorzugt von 450 bis 550 mm, wie beispielsweise 520 mm, und eine Deckseite mit einer Länge von 250 bis 450 mm, besonders bevorzugt von 300 bis 400 mm und höchst bevorzugt von 340 bis 380 mm, wie beispielsweise 360 mm, auf.
Wie dargelegt sind zwischen den benachbarten Kathodenblöcken der erfindungsgemäßen Kathode keine Stampfmasse und insbesondere auch kein Klebstoff vorgesehen. Vorzugsweise ist zwischen den benachbarten Kathodenblöcken der erfindungsgemäßen Kathode überhaupt kein Medium angeordnet, ausgenommen etwaiger Atmosphäre bzw. Luft und/oder ausgenommen gegebenenfalls der nachfolgend beschriebenen flexiblen Graphitfolie.
Wie vorstehend dargelegt, können die benachbarten Kathodenblöcke der erfindungsgemäßen Kathode mit ihren Längsseiten direkt aneinander angrenzen, ohne dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke eine Fuge bzw. ein Spalt ausgebildet ist.
Alternativ dazu kann zwischen den benachbarten Kathodenblöcken der erfindungsgemäßen Kathode jeweils eine kleine Fuge ausgebildet sein, die sich bei dem Aufheizen der Elektrolysezelle, in welcher die Kathode angeordnet ist, infolge beispielsweise der thermischen Ausdehnung der Kathodenblöcke schließt.
Bei der letztgenannten Ausführungsform, bei der wenigstens zwei benachbarte Kathodenblöcke mit ihren Längsseiten beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Längsseiten dieser benachbarten Kathodenblöcke jeweils eine Fuge ausgebildet ist, können die Fugen entweder ungefüllt sein oder in den Fugen kann jeweils eine flexible Graphitfolie vorgesehen sein. Unter einer flexiblen Graphitfolie wird in diesem Zusammenhang eine Folie aus komprimierten Partikeln aus expandiertem Graphit verstanden, d. h. eine Folie, welche aus Graphit gebildet worden ist, indem zunächst der Graphit beispielsweise durch eine Säure- und Temperaturbehandlung auf ein Vielfaches, wie 200- bis 400-faches, expandiert worden ist, bevor der so expandierte Graphit wieder komprimiert wird. Aus diesem Grund sind flexible Graphitfolien flexibel und leicht komprimierbar. Das Vorsehen einer flexiblen Graphitfolie zwischen den Längsseiten zweier benachbarter Kathodenblöcke ist gleich mit mehreren Vorteilen verbunden. Zum einen verbessern diese die Abdichtung zwischen den Kathodenblöcken. Zweitens verbessern diese die Gleiteigenschaften zwischen den Kathodenblöcken und schließlich wirken diese als mechanische Puffer, welche Spannungen zwischen den Kathodenblöcken zumindest teilweise bzw. zu einem gewissen Ausmaß aufnehmen, so dass bei der vorstehend beschriebenen alternierenden Kathodenblockanordnung ein Verschieben der jeweils auf der kürzeren der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes angeordneten Kathodenblöcke relativ zu den anderen Kathodenblöcken vertikal nach oben erst bei dem Vorliegen größerer Spannungen auftritt.
Besonders gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erhalten, wenn alle benachbarten Kathodenblöcke mit ihren Längsseiten beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den Längsseiten der benachbarten Kathodenblöcke jeweils eine Fuge ausgebildet ist, wobei in den Fugen jeweils eine flexible Graphitfolie vorgesehen ist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die flexible Graphitfolie die Fuge, in welcher diese angeordnet ist, ausfüllt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die flexible Graphitfolie eine Dicke von 0,1 bis 3 mm, bevorzugt von 0,2 bis 1 mm und besonders bevorzugt von 0,2 bis 0,5 mm auf. Auf diese Weise werden die vorstehend beschriebenen Effekte, wie Verbesserung der Abdichtung zwischen den Kathodenblöcken, eine Verbesserung der Gleiteigenschaften zwischen den Kathodenblöcken und die Pufferwirkung, in besonders hohem Ausmaß erreicht. Aus den gleichen Gründen ist es bevorzugt, dass die flexible Graphitfolie eine Rohdichte von 0,5 bis 1,8 g/cm³, bevorzugt von 0,7 bis 1,5 g/cm³ und besonders bevorzugt von 1,0 bis 1,2 g/cm³ aufweist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kathode in einer Elektrolysezelle zur Durchführung einer Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Metall, wie insbesondere von Aluminium. Besonders bevorzugt wird hierbei das Hall-Héroult-Verfahren eingesetzt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche eine erfindungsgemäße Kathode umfasst. Dabei ist die Kathode wie zuvor beschrieben ausgebildet. Vorteilhafterweise, kann auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium angeordnet sein, darauf eine Schmelzschicht und in diese Schmelzschicht eintauchend eine Anode.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von diese erläuternden, diese aber nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Kathode gemäß Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der 1 ist eine Kathode 22' gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels dargestellt, welche aus sechs Kathodenblöcken 34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v, welche jeweils benachbart und bündig zueinander angeordnet sind, zusammengesetzt ist. Zwei dieser Kathodenblöcke 34, 34'' bzw. die Kathodenblöcke 34, 34'' erster Art weisen einen jeweils gleichen Querschnitt auf, dessen jeweils unterer Teil rechteckig ausgestaltet ist und dessen jeweils oberer Teil trapezförmig ausgestaltet ist, wobei jeweils der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt. Zwei andere dieser Kathodenblöcke 34', 34''' bzw. die Kathodenblöcke 34', 34''' zweiter Art weisen wiederum den gleichen Querschnitt auf, wobei dessen jeweils unterer Teil rechteckig ausgestaltet ist und dessen jeweils oberer Teil trapezförmig ausgestaltet ist, und, wobei jeweils der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt. Hingegen sind die beiden randseitigen Kathodenblöcke 34 ^iv, 34 ^v im Querschnitt jeweils halbtrapezförmig ausgebildet. Alle Kathodenblöcke 34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v sind direkt aneinander angrenzend zueinander angeordnet, wobei die Kathodenblöcke 34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v jeweils mit ihren trapezförmigen Teilen aneinander angrenzen, so dass sich zwischen diesen außer etwaiger Luft kein Medium und insbesondere keine Stampfmasse oder Klebmasse befindet. Alle der Kathodenblöcke 34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v weisen an der Unterseite ihrer rechteckigen Teile jeweils wenigstens eine Nut 20 zur Aufnahme einer Stromschiene auf. Für alle Kathodenblöcke 34, 34'' erster Art und für alle Kathodenblöcke 34', 34''' zweiter Art gilt, dass die trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke 34, 34', 34'', 34''' jeweils gleichschenklig und symmetrisch sind, die Höhen H der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke 34, 34', 34'', 34''' jeweils gleich lang sind, die zwischen der Basis und den beiden Schenkeln der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke 34, 34'', deren trapezförmige Teile jeweils mit deren Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzen, gebildeten Innenwinkel (α) jeweils gleich groß sind und die zwischen der Basis und den beiden Schenkeln der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke 34', 34''', deren trapezförmige Teile jeweils mit deren Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzen, gebildeten Innenwinkel α' jeweils gleich groß sind, wobei die Summe der Innenwinkel α und der Innenwinkel α' 180° beträgt.
Wenn bei dem Betrieb einer diese Kathode 22' umfassenden Elektrolysezelle, wie beispielsweise bei dem Aufheizen der Elektrolysezelle auf Betriebstemperatur, d. h. etwa 960°C, Spannungen zwischen den Kathodenblöcken 34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v auftreten, wie beispielsweise Spannungen infolge der Wärmeausdehnung der Kathodenblöcke 34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v, verschieben sich die Kathodenblöcke 34', 34''', deren trapezförmig ausgestaltetet Teil des Querschnitts mit dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, durch gleitende Bewegung entlang der Längsseiten der benachbarten Kathodenblöcke 34, 34'', deren trapezförmig ausgestalteter Teil des Querschnitts mit dessen Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, vertikal nach oben und rutschen somit aus der Kathodenoberfläche nach oben heraus. Dadurch werden die Spannungen vollständig kompensiert bzw. abgebaut, und zwar unter Vermeidung der mit der Verwendung von Stampfmassen einhergehenden Nachteile, wie insbesondere eine Verringerung der effektiven Kathodenoberfläche, die sicherheitstechnischen Probleme bei dem Anbringen und Warten von Stampfmasse und eine Erhöhung des Kathodenverschleißes.
Bezugszeichenliste

20: Nut
22,: Kathode
34, 34', 34'', 34''', 34^iv, 34^v: Kathodenblock mit teilweise trapezförmigen Querschnitt
α, α': Innenwinkel
H: Höhe des Trapezes
H': Höhe des Rechtecks

Claims

Kathode (22'), welche wenigstens zwei Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) umfasst, wobei entweder der obere oder untere Teil des Querschnitts von wenigstens zwei der wenigstens zwei Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''') rechteckig ausgestaltet ist und der andere Teil des Querschnitts dieser Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''') jeweils trapezförmig ausgestaltet ist, wobei bei wenigstens einem dieser Kathodenblöcke (34, 34'') der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, wohingegen bei wenigstens einem anderen, benachbarten Kathodenblock (34', 34''') der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, wobei diese Kathodenblöcke aufweisend eine teilweise trapezförmige Querschnittsform alternierend benachbart zueinander angeordnet sind.
Kathode (22') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens zwei Kathodenblöcke (34, 34'') einer ersten Art und wenigstens zwei Kathodenblöcke (34', 34''') einer zweiten Art umfasst, wobei – die Kathodenblöcke (34, 34'') der ersten Art jeweils den gleichen Querschnitt aufweisen und die Kathodenblöcke (34', 34''') der zweiten Art jeweils den gleichen Querschnitt aufweisen, – wobei entweder der obere oder untere Teil des Querschnitts der Kathodenblöcke (34, 34'') der ersten Art rechteckig ausgestaltet ist und der andere Teil des Querschnitts dieser Kathodenblöcke (34, 34'') jeweils trapezförmig ausgestaltet ist, wobei der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, – entweder der obere oder untere Teil des Querschnitts der Kathodenblöcke (34', 34''') der zweiten Art rechteckig ausgestaltet ist und der andere Teil des Querschnitts dieser Kathodenblöcke (34', 34''') jeweils trapezförmig ausgestaltet ist, wobei der trapezförmig ausgestaltete Teil des Querschnitts mit dessen Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzt, und – wobei jeweils die Kathodenblöcke (34, 34'') der ersten Art und die Kathodenblöcke (34', 34''') der zweiten Art alternierend benachbart so zueinander angeordnet sind, dass deren trapezförmigen Teile aneinander angrenzen.
Kathode (22') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''') jeweils gleichschenklig sind, – die Höhen (H) der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''') jeweils gleich lang sind, – die zwischen der Basis und den beiden Schenkeln der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke (34, 34''), deren trapezförmige Teile jeweils mit deren Basis an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzen, gebildeten Innenwinkel (α) jeweils gleich groß sind und – die zwischen der Basis und den beiden Schenkeln der trapezförmigen Teile der Querschnitte der Kathodenblöcke (34', 34'''), deren trapezförmige Teile jeweils mit deren Deckseite an den rechteckig ausgestalteten Teil des Querschnitts angrenzen, gebildeten Innenwinkel (α') jeweils gleich groß sind, – wobei die Summe der Innenwinkel (α) und der Innenwinkel (α) 180° beträgt.
Kathode (22') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Innenwinkel (α) oder die Innenwinkel (α') 45° bis 80° betragen.
Kathode (22') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Innenwinkel (α) oder die Innenwinkel (α') mehr als 80° bis weniger als 90° betragen.
Kathode (22') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigsten zwei Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) aus einem Material zusammengesetzt sind, welches mindestens 50 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
Kathode (22') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff aus der Gruppe bestehend aus amorphen Kohlenstoffen, graphitischen Kohlenstoffen, graphitierten Kohlenstoffen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Kohlenstoffen ausgewählt ist.
Kathode (22') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten zwei Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) mit einer Beschichtung aus einem gleitfähigen Material und bevorzugt aus Graphitschlichte, welche Graphitstaub in wässriger Suspension enthält, versehen ist.
Kathode (22') nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese 8 bis 36 Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) umfasst.
Kathode (22') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) mit ihren Längsseiten direkt aneinander angrenzen, ohne dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) eine Fuge ausgebildet ist oder dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) jeweils eine Fuge ausgebildet ist.
Kathode (22) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Längsseiten benachbarter Kathodenblöcke (34, 34', 34'', 34''', 34 ^iv, 34 ^v) jeweils eine Fuge ausgebildet ist, wobei in den Fugen jeweils eine flexible Graphitfolie vorgesehen ist.
Elektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kathode (22') nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.