DE102022129667A1

DE102022129667A1 - Kathodenstromkollektoranordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE102022129667A1
Application number: DE102022129667.9A
Authority: DE
Inventors: Seweryn MIELNIK; Markus Pfeffer; Oscar Vera Garcia
Original assignee: Novalum SA; Tokai Cobex GmbH
Current assignee: Novalum SA; Tokai Cobex GmbH
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024100103A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstromkollektoranordnung für eine Aluminiumelektrolysezelle, einen Satz von Teilen zur Herstellung einer Kathodenstromkollektoranordnung und eine Aluminiumelektrolysezelle mit einer Kathodenstromkollektoranordnung.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft eine Kathodenstromkollektoranordnung für eine Aluminiumelektrolysezelle, einen Satz von Teilen zur Herstellung einer Kathodenstromkollektoranordnung und eine Aluminiumelektrolysezelle mit einer Kathodenstromkollektoranordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aluminium wird nach dem Hall-Heroult-Verfahren durch Elektrolyse von in Kryolith-Elektrolyten gelöstem Aluminiumoxid bei Temperaturen von bis zu 1000 °C hergestellt. Eine typische Hall-Heroult-Zelle besteht aus einem Stahlmantel, einer isolierenden Auskleidung aus feuerfesten Materialien und einer Kohlenstoffkathode, die das flüssige Metall enthält. Die Kathode besteht aus einer Reihe von Kathodenblöcken, in deren Boden Kollektorbarren eingelassen sind, um den durch die Zelle fließenden Strom abzuleiten.
In einer Reihe von Patentveröffentlichungen wurden verschiedene Ansätze zur Minimierung des Spannungsabfalls zwischen dem flüssigen Metall und den Enden der Kollektorbarren vorgeschlagen. WO 2008/062318 offenbart die Verwendung eines hochleitfähigen Materials als Ergänzung zu den bestehenden Kollektorbarren aus Stahl und verweist auf WO 02/42525 , WO 01/63014 , WO 01/27353 , WO 2004/031452 und WO 2005/098093 , die Lösungen mit Kupfereinsätzen in Kollektorstäben aus Stahl offenbaren. Im US-Patent 4,795,540 werden die Kathode und die Kollektorbarren in Abschnitte unterteilt. WO 2001/27353 und WO 2001/063014 verwenden hochleitfähige Materialien im Inneren der Kollektorbarren. US 2006/0151333 behandelt die Verwendung unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten in den Kollektorbarren. WO 2007/118510 schlägt vor, den Querschnitt des Kollektorbarrens zu vergrößern, wenn man sich zur Mitte der Zelle bewegt, um die Stromverteilung an der Kathodenoberfläche zu verändern. US 5,976,333 und US 6,231,745 beschreiben die Verwendung eines Kupfereinsatzes im Inneren des Kollektorbarrens aus Stahl. EP 2 133 446 A1 beschreibt Kathodenblockanordnungen zur Veränderung der Oberflächengeometrie der Kathode, um die Wellen an der Oberfläche des Metallpads zu stabilisieren und damit den ACD (Anoden-Kathoden-Abstand) zu minimieren. WO 2011/148347 beschreibt eine Kohlenstoffkathode einer Aluminiumproduktionszelle, die hoch elektrisch leitende Einsätze umfasst, die in Umhüllungen innerhalb der Kohlenstoffkathode eingeschlossen sind. Diese Einsätze verändern die Leitfähigkeit des Kathodenkörpers, sind aber nicht an der Stromsammlung und -abnahme durch die Kollektorbarren beteiligt. Die elektrische Leitfähigkeit von geschmolzenem Kryolith ist relativ gering, und der ACD kann wegen der Bildung magnetohydrodynamischer Instabilitäten, die zu Wellen an der Metall-Bad-Grenzfläche (Metall - Kryolith-Elektrolyt) führen, nicht wesentlich verringert werden. Das Vorhandensein von Wellen führt zu einem Verlust der Stromeffizienz des Prozesses und verhindert eine Senkung des Energieverbrauchs unter einen kritischen Wert. In der Aluminiumindustrie ist die Stromdichte im Durchschnitt so, dass der Spannungsabfall im ACD minimal bei 0,3 V/cm ist. Bei einem ACD von 3 bis 5 cm beträgt der Spannungsabfall im ACD typischerweise 1,0 V bis 1,5 V. Das Magnetfeld im Inneren des Flüssigmetalls ist das Ergebnis der Ströme, die in den externen Sammelschienen fließen, und der internen Ströme. Die interne lokale Stromdichte im Flüssigmetall wird hauptsächlich durch die Geometrie der Kathode und ihre lokale elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Das Magnetfeld und die Stromdichte erzeugen das Lorentz-Kraftfeld, das seinerseits die Kontur der Metalloberfläche und das Geschwindigkeitsfeld des Metalls erzeugt und die grundlegende Umgebung für die magnetisch-hydrodynamische Zellstabilität definiert. Die Stabilität der Zelle kann als die Fähigkeit ausgedrückt werden, den ACD zu senken, ohne instabile Wellen an der Oberfläche des Metallpolsters zu erzeugen. Das Stabilitätsniveau hängt von der Stromdichte und der Induktion von Magnetfeldern, aber auch von der Form des Flüssigmetallbeckens ab. Die Form des Beckens hängt von der Oberfläche der Kathode und der Form der Kanten ab. Die Lösungen nach dem Stand der Technik entsprechen bis zu einem gewissen Grad dem erforderlichen magneto-hydrodynamischen Zustand, um eine gute Zellstabilität (niedrige ACD) zu erreichen, aber die Lösungen, die Kupfereinsätze verwenden, erfordern oft anspruchsvolle Bearbeitungsprozesse.
Daher ist in den letzten Jahren der Trend zu beobachten, Kollektorbarren aus Stahl, die mit Kupfereinsätzen versehen sind, durch reine Kupferkollektorbarren zu ersetzen. Die Kupferkollektorbarren bestehen in der Regel aus einem zentralen Teil, der unter einem zentralen Teil der Kohlenstoffkathode angeordnet ist, in der Regel direkt in einer Kathodennut oder einem Durchgangsloch, wobei dieser zentrale Teil des Kupferkollektorbarrens zumindest mit seiner oberen Außenfläche in direktem elektrischem Kontakt mit der Kohlenstoffkathode oder in Kontakt mit der Kohlenstoffkathode über eine elektrisch leitende Zwischenschicht steht, die durch einen elektrisch leitenden Klebstoff und/oder eine elektrisch leitende flexible Folie oder Platte gebildet wird, die auf der Oberfläche des Kupferkollektorbarrens angebracht ist. Der Kollektorbarren aus Kupfer besteht aus einem oder zwei äußeren Teilen, die sich neben und auf einer Seite oder auf beiden Seiten des mittleren Teils befinden, und einem oder mehreren Endteilen, die sich von dem/den äußeren Teil(en) nach außen erstrecken. Diese Endteile des Kupferkollektorbarrens sind jeweils mit einem Stahlkonduktorbarren mit größerem Querschnitt als der Kupferkollektorbarren elektrisch in Reihe geschaltet, wobei sich der Stahlkonduktorbarren zur Verbindung mit einer externen Stromversorgungssammelschiene nach außen erstreckt.
In der Regel werden die kohlenstoffhaltigen Blöcke mit dem Kollektorbarren auf einer festen Unterlage aus feuerfestem Material platziert. Da es bei der Auskleidung einer Kathode in der Kürze der Zeit sehr schwierig ist, diese so zu nivellieren, dass sie die Blöcke gleichmäßig tragen kann, wird häufig eine Pulverbettschicht auf dem festen Träger vorgesehen. Beide Komponenten der Auskleidung, die feste Unterlage und das Pulverbett, bestehen regelmäßig aus feuerfesten Materialien ähnlicher Beschaffenheit und verhindern Legierungen und Kontamination des (reinen) Barrenmaterials mit Aluminium und Verunreinigungen, die durch Hohlräume der Zellkomponenten eindringen und von unten in das Barrenmaterial gelangen.
Dennoch sind insbesondere bei einem Kollektorbarren aus Kupfer schädliche Auswirkungen durch die Diffusion von Aluminium und anderen Produkten, die während des Betriebs der Zelle entstehen, zu beobachten. Dies wirkt sich auf die Leistung und die langfristige Stabilität der Elektrolysezelle aus. Das Eindiffundieren von Aluminium und anderen Metallen, wie z. B. Na, in den Kupferbarren führt nicht nur zu einem Legierungsprozess, der die Leistung der Zelle verschlechtert, sondern behindert auch die Rekuperation nach dem Ende des Lebenszyklus der Zelle.
Zum zusätzlichen Schutz des kupfernen Kollektorbarrens ist es bekannt, die Nuthöhe zu vergrößern, den Kollektorbarren in der Nut anzuordnen und den verbleibenden Hohlraum mit kohlenstoffhaltiger Stampfmasse oder einem Stahlbalken zu füllen, so dass die Nut mit der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Kathode bündig abschließt. Die Einführung dieser zusätzlichen Schutzschicht verringert jedoch die effektive Höhe der Kohlenstoffkathode und führt folglich zu einer geringeren Lebensdauer der Zelle sowie zu höheren Betriebsspannungen. Im Falle von Stampfmasse ist eine Schicht von mindestens 35 mm Höhe erforderlich, um einen ausreichenden Schutz zu erreichen. Die Verwendung eines Stahlträgers hingegen kann aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Rissen führen, wenn die Zelle erhitzt wird.
ERFINDUNGSGEGENSTAND
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kathoden-Stromkollektoranordnung für eine Aluminium-Elektrolysezelle bereitzustellen, die eine höhere und stabilere Leistung, insbesondere über den gesamten Lebenszyklus der Zelle, einen verringerten Energieverbrauch sowie eine maximierte Stromausbeute aufweist und die es ermöglicht, die Elektrolysezelle bei niedrigeren Spannungen und über einen längeren Zeitraum zu betreiben. Ein weiteres Ziel ist die Erleichterung des Recyclings von Stromkollektorsystemen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die oben genannten Probleme werden durch eine Kathodenstromkollektoranordnung gelöst, die auf der Auskleidung einer Aluminiumelektrolysezelle angeordnet wird und Folgendes umfasst

a) ein Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung,
b) eine kohlenstoffhaltige Kathode mit einer Nut zur Aufnahme eines ersten Teils des Stromkollektorsystems,

c) ein Abdeckelement, das die Nut mit dem darin angeordneten ersten Teil des Stromkollektorsystems zumindest teilweise abdeckt, und
d) ein Füllmaterial, ausgewählt aus kohlenstoffhaltigen und/oder karbidbasierten Materialien, das zwischen dem Abdeckelement und dem ersten Teil des Stromkollektorsystems aus Kupfer oder einer Kupferlegierung angeordnet ist.

Eine Stromkollektoranordnung besteht aus einer kohlenstoffhaltigen Kathode mit einer in einer ihrer Oberflächen eingelassenen Nut, in der ein Stromkollektorsystem zumindest teilweise angeordnet ist. Der elektrische Kontakt zwischen der Kohlenstoffkathode und dem Stromkollektorsystem kann über die gesamte eingebettete Fläche hergestellt werden. Der elektrische Strom fließt von der Kohlenstoffkathode in das Stromkollektorsystem aus Kupfer, das seinerseits - beispielsweise über zusätzliche Übergangselemente wie ein Konduktorelement (z.B. Stahlkonduktorbarren) - mit einer externen Versorgungssammelschiene verbunden werden muss, um den Strom zur nächsten Zelle zu führen.
Sowohl die Nut als auch das zugehörige („negative“) Stromkollektorsystem können unterschiedliche Formen haben. Regelmäßig ist das Stromkollektorsystem barrenförmig, insbesondere rechteckig barrenförmig, es sind aber auch elliptische oder abgerundete Formen möglich. Vorzugsweise hat die Kohlenstoffkathode eine rechteckige Form und das Stromkollektorsystem (vorzugsweise ebenfalls in Form eines rechteckigen Balkens) ist in einer Nut angeordnet, die sich in einer länglichen Fläche der Kohlenstoffkathode erstreckt.
Das Stromkollektorsystem kann aus einem oder mehreren Elementen bestehen, insbesondere aus barrenförmigen Elementen. Vorzugsweise besteht das Stromkollektorsystem aus mindestens zwei länglichen, rechteckigen Barren-Elementen.
Erfindungsgemäß bezeichnet der Begriff „kohlenstoffhaltig“ alle Arten von Materialien auf der Basis von Anthrazit und/oder Graphit und/oder Koks, unabhängig davon, ob diese Kathoden gebacken oder graphitiert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung ein Konduktorelement, das vorzugsweise an den terminalen Endteilen des Stromkollektorsystems angeordnet ist, d.h. zwischen Stromkollektorsystem und einem Anschlusspunkt an die externe Versorgungssammelschiene geschaltet ist. Das optionale Konduktorelement weist vorzugsweise eine Ausnehmung auf, in der ein zweiter Teil des Stromkollektorsystems angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist ein „Karbidmaterial“ eine harte chemische Verbindung keramischer oder feuerfester Natur, die aus einem Metall oder Halbmetall und Kohlenstoff besteht.
Erfindungsgemäß umfasst der Begriff „Werkstoffe auf Karbidbasis“ jede Art von Werkstoff oder Werkstoffkombination, die mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 80 %, Karbidwerkstoffe enthält. Besonders bevorzugt ist, dass die Materialien auf Karbidbasis aus Karbidmaterial(en) bestehen.
Erfindungsgemäß ist der Begriff „Füllmaterial“ jedes Material, das geeignet ist, den Spalt zwischen Stromkollektorsystem und Abdeckelement zu füllen.
Die Kombination aus einem separaten Abdeckelement und einem kohlenstoffhaltigen und/oder karbidbasierten Füllmaterial ermöglicht einen verbesserten Schutz vor Aluminium- und/oder Fremdstoffdiffusion bei gleichzeitiger Vermeidung von Rissbildung an der kohlenstoffhaltigen Kathode während des Aufheizens der Zelle. Durch die wirksame Verhinderung der Diffusion und Legierung des Kupferkollektorsystems mit Metallen wie Aluminium können die mit der Verwendung von Kupfer als Kollektorsystemmaterial verbundenen positiven Effekte - u.a. eine optimierte Stromverteilung im Flüssigmetall und/oder innerhalb der Kohlenstoffkathode, die den Betrieb der Zelle bei niedrigeren Spannungen ermöglicht - maximiert und über die gesamte Lebensdauer der Zelle erreicht werden.
Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Abdeckelement und kohlenstoff- oder karbidbasiertem Füllmaterial kann bei Kathodenstromkollektoranordnungen mit einer das Stromkollektorsystem abdeckenden Stampfmassenschicht die Höhe der schützenden Stampfmassenschicht von mindestens 45 mm auf Werte von ~ 10 mm reduziert werden, wobei gleichzeitig der gleiche oder sogar ein besserer Schutz erreicht wird. Infolgedessen kann die Position des Kathodenkollektorbarrens abgesenkt werden (Referenz: Querschnitt in Betriebsposition), was zu mehr verschleißbarem Material zwischen flüssigem Al und Kollektorbarren führt, d.h. zu einer größeren effektiven Höhe der kohlenstoffhaltigen Kathode. Dadurch kann eine längere Lebensdauer der Stromkollektoranordnung erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Abdeckelement durch mindestens eine, d.h. eine oder mehrere Platten gebildet, die zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig innerhalb der Nut angeordnet sind, so dass das Stromkollektorsystem und das Füllmaterial zwischen Kathode und der mindestens einen Platte angeordnet sind.
Vorzugsweise ist das Abdeckelement, z.B. in Form einer Platte, so in der Nut angeordnet, dass es mit der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Kathode, in die die Nut eingelassen ist, bündig abschließt. Falls das Abdeckelement durch Befestigungsmittel mit der Kathode verbunden ist, schließen auch diese Befestigungsmittel vorzugsweise bündig mit der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Kathode ab, in der die Nut eingelassen ist. Dies vereinfacht die Anordnung der Kathodenstromkollektoranordnung auf der Auskleidung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Abdeckelement durch mindestens eine Platte gebildet, die zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, auf der Oberfläche der Kathode angeordnet ist, in der die Nut mit dem darin befindlichen Stromkollektorsystem eingelassen ist, d.h. die mindestens eine Platte steht in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Kathode.
Handelt es sich bei dem Abdeckelement um mindestens eine Platte, so liegt die Dicke der Platte(n) vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 mm, noch bevorzugter im Bereich von 1 bis 8 mm und am meisten bevorzugt im Bereich von 2 bis 6 mm.
Vorzugsweise hat die kohlenstoffhaltige Kathode die Form eines Blocks, und das Abdeckelement ist parallel zu den horizontalen Flächen des Blocks angeordnet und deckt so die in einer horizontalen Fläche eingelassene Nut ab.
Vorzugsweise deckt das Abdeckelement mindestens 50 % der Nut ab, weiter bevorzugt mindestens 70 %, noch weiter bevorzugt mindestens 80 % und am meisten bevorzugt mindestens 90 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform deckt das Abdeckelement die Nut vollständig ab.
Vorzugsweise deckt das Abdeckelement mindestens 50 % des Abschnitts der Nut ab, in dem das Stromkollektorsystem angeordnet ist, weiter bevorzugt mindestens 70 %, noch weiter bevorzugt mindestens 80 % und am meisten bevorzugt mindestens 90 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform deckt das Abdeckelement den Abschnitt der Nut, in dem das Stromkollektorsystem angeordnet ist, vollständig ab.
Vorzugsweise sind mindestens 50 % des Raums zwischen Abdeckelement und Stromkollektorsystem mit einer Schicht aus kohlenstoffhaltigem oder karbidhaltigem Material gefüllt, vorzugsweise mindestens 70 %, noch bevorzugter mindestens 80 % und ganz besonders bevorzugt mindestens 90 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform füllt das kohlenstoffhaltige und/oder karbidbasierte Material den Raum zwischen Abdeckelement und Stromkollektorsystem vollständig aus. Besonders bevorzugt beträgt die Schichthöhe der den Raum zwischen Abdeckelement und Stromkollektorsystem ausfüllenden kohlenstoffhaltigen oder karbidbasierten Materialschicht über die gesamte Schicht mindestens 8 mm, weiter bevorzugt mindestens 10 mm oder sogar mindestens 15 mm, um eine Stampfung zu gewährleisten, wobei die Höhe dieser Schicht vorzugsweise auch weniger als 35 mm, weiter bevorzugt weniger als 25 mm beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 8-35 mm, noch bevorzugter 10-30 mm und am meisten bevorzugt 15-25 mm. In diesem Zusammenhang bezieht sich die „Höhe“ auf die vertikale Ausdehnung der Schutzschicht aus kohlenstoffhaltigem und/oder karbidhaltigem Füllmaterial in der Betriebsposition der Kathodenstromkollektoranordnung.
Durch die oben beschriebenen bevorzugten Merkmale kann die erfindungsgemäße Schutzwirkung weiter erhöht werden.
Vorzugsweise umfasst oder besteht das Abdeckelement aus einem Material, das aus der Gruppe der Metalle oder Legierungen wie Stahl, kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff, Graphit, Beton, Keramik oder Mischungen der vorgenannten Materialien ausgewählt wird.
Besonders bevorzugt wird ein Stahl, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kohlenstoffstahl, kohlenstoffarmem Stahl, Stahl auf Chrombasis, Stahl auf Nickelbasis oder Stahl auf Chrom-Nickel-Basis oder legiertem Stahl besteht.
Ohne an diese Theorie gebunden zu sein, gehen die Erfinder davon aus, dass die Schutzwirkung bei einem metallischen Abdeckelement besonders ausgeprägt ist, da die Kombination aus Metall (Abdeckelement) und kohlenstoffbasiertem Füllmaterial die Diffusion einer Vielzahl von unterschiedlichen Metallen und Verunreinigungen, die während des Elektrolyseprozesses vorhanden sein und sich anreichern können, erschwert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Nut einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt auf, wodurch die erfindungsgemäßen vorteilhaften Wirkungen noch verstärkt werden können.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Materials als Füllmaterial zwischen dem Abdeckelement und dem Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Besonders bevorzugt sind Stampfmasse und/oder ein elektrisch leitfähiger Klebstoff, welcher ein kohlenstoffhaltiges Material und/oder ein Karbidmaterial als Füllstoff enthält. Die Stampfmasse und/oder der elektrisch leitfähige Kleber enthalten außerdem ein Bindemittel, wie z. B. einen unmodifizierten oder modifizierten Teer oder ein PAK-freies (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) Bindemittel für Stampfmasse.
Füllstoffe sind feste Partikel, die mit einer Flüssigkeit (Bindemittel) vermischt werden, um eine Paste, einen Kleber oder Zement zu bilden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Füllmaterial ein Karbidmaterial. Ein Karbidmaterial ist eine harte chemische Verbindung keramischer oder feuerfester Natur, die aus einem Metall oder einem Halbmetall und Kohlenstoff besteht. Besonders bevorzugt ist SiC aufgrund seiner hohen Härte und Oxidationsbeständigkeit.
Selbstverständlich ist auch die Verwendung einer Kombination von kohlenstoffhaltigen und karbidbasierten Materialien von der Erfindung umfasst.
Die Form des Füllmaterials wird vorzugsweise aus Stoff, Netz, Schaum, Paste, Folie, Gewebe, Klebeschicht oder einer Kombination der vorgenannten Materialien gewählt. Am bevorzugtesten sind Klebstoffschichten oder Pasten, da sie eine thermische Ausdehnung während des Aufheizprozesses der Zelle ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kathode ein rechteckiger Kathodenblock mit einer vorzugsweise rechteckig geformten Nut, die sich entlang einer Längsfläche des Kathodenblocks erstreckt.
Vorzugsweise besteht das Stromkollektorsystem aus einem Kollektorbarren, der vorzugsweise eine rechteckige Form aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einer Stahlschutzschicht ummantelt.
Vorzugsweise sind mindestens 50 % der Oberfläche des Stromkollektorsystems mit einer Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, weiter bevorzugt mindestens 60 %, noch weiter bevorzugt mindestens 70 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des Stromkollektorsystems vollständig mit einer Stahlschutzschichtverkleidung ausgekleidet. Für den Fall, dass das Kathoden-Stromkollektorsystem ein Konduktorelement umfasst, beziehen sich die obigen Werte auf die Oberfläche ohne Berücksichtigung des in der Ausnehmung des Konduktorelements angeordneten zweiten Teils.
Vorzugsweise sind mindestens 50 % der Oberfläche des ersten Teils des Stromkollektorsystems mit einer Stahlschutzschichtverkleidung verkleidet, weiter bevorzugt mindestens 60 %, noch weiter bevorzugt mindestens 70 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des ersten Abschnitts des Stromkollektorsystems vollständig verkleidet. Dadurch können schädliche Auswirkungen der Diffusion von Aluminium oder anderen Produkten, die beim Betrieb der Elektrolysezelle entstehen, reduziert werden.
Vorzugsweise beträgt das Volumenverhältnis des Kupfers oder der Kupferlegierung des Stromkollektorsystems zur schützenden Stahlschicht mindestens 200 %, vorzugsweise mindestens 300 % oder noch besser mindestens 400 %.
Vorzugsweise hat die schützende Stahlschicht eine Dicke von 0,05 mm bis 6 mm, noch bevorzugter von 0,15 mm bis 4 mm, noch bevorzugter von 1,5 mm bis 3 mm.
Die dünne schützende Stahlschicht besteht vorzugsweise aus einem Stahl, der ausgewählt ist aus Kohlenstoffstahl, kohlenstoffarmem Stahl, Stahl auf Chrombasis, Stahl auf Nickelbasis oder Stahl auf Chrom-Nickel-Basis oder legierter Stahl.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Kupfer oder die Kupferlegierung in Form eines Barrens mit rechteckigem Querschnitt vor, der mindestens auf einer der Kathode zugewandten Seite mit der schützenden Stahlschicht geschützt ist, vorzugsweise auf allen der Kathode zugewandten Seiten, und am meisten bevorzugt auf allen Seiten.
Umfasst das Stromkollektorsystem eine Stahlschutzschicht, d. h. ist es zumindest teilweise mit einer Stahlschutzschicht verkleidet, so steht die Stahlschutzschicht in direktem Kontakt mit den Wänden der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode.
Vorzugsweise ist die schützende Stahlschicht mit einer zusätzlichen Deckschicht und/oder Unterschicht aus Kupfer, Nickel und/oder Chrom und/oder einer Graphitlack- oder Folienschicht überzogen, wobei die zusätzliche Deckschicht und/oder Unterschicht vorzugsweise eine Dicke von 1 µm bis 1 mm aufweist.
Die Oberfläche des Stromkollektorsystems kann aufgeraut oder mit Vertiefungen wie Rillen oder Vorsprüngen wie Finnen oder Rippen versehen werden, um die Oberfläche zwischen der Kathode und dem Stromkollektorsystem zu vergrößern und dadurch den Kontakt zwischen den Elementen zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einem Isolator verkleidet, insbesondere mit Schichten aus Isoliermaterial wie Aluminiumoxid, Isolierkleber oder Zement oder einem beliebigen Isoliermaterial, das einer Temperatur von bis zu 1.200 °C standhält.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stehen das Stromkollektorsystem und/oder die Stahlschutzschicht, falls das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einer solchen verkleidet ist, in direktem Kontakt mit der kohlenstoffhaltigen Kathode.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Abdeckelement, das die Nut mit dem darin angeordneten Stromkollektorsystem zumindest teilweise abdeckt, über Befestigungsmittel an der Kathode befestigt.
Befestigungsmittel sind zum Beispiel Schrauben, Bolzen, Keile, Stifte, Nieten, Dübel, Nägel, Stifte oder Einsätze. Am meisten bevorzugt werden Schrauben, insbesondere mit einer Bohnenform, um eine thermische Ausdehnung zu verhindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kathodenstromkollektoranordnung so ausgestaltet, dass die Nut an der Unterseite der Kathodenstromkollektoranordnung in der Betriebsposition der Kathodenstromkollektoranordnung in der Elektrolysezelle angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft auch einen Satz von Teilen, d.h. ein System von separaten Elementen, zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kathoden-Stromkollektoranordnung. Der Satz von Teilen umfasst:

a) ein Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung,
b) eine kohlenstoffhaltige Kathode mit einer Nut zur Aufnahme eines ersten Teils des Stromkollektorsystems und
c) ein Abdeckelement, und
d) ein Füllmaterial, ausgewählt aus kohlenstoffhaltigen und/oder karbidbasierten Materialien.

Die Erfindung betrifft auch eine Kathodenstromkollektor- und -verbinderanordnung für eine Aluminiumelektrolysezelle, die die erfindungsgemäße Kathodenstromkollektoranordnung und ein zusätzliches, vorzugsweise Stahl umfassendes oder oder daraus bestehendes (z.B. barrenförmiges) Kondutkorelement umfasst, mit dem vorzugsweise das oder die terminalen Endteile des Kollektorbarrens verbunden ist/sind. Der/die Stahlkonduktorbarren kann/können an einem Anschlusspunkt mit einer externen Versorgungssammelschiene verbunden werden, um den Strom außerhalb der Zelle zu entnehmen. Vorzugsweise hat der Konduktorbarren einen größeren Querschnitt als der Kollektorbarren, wodurch der Wärmestrom aus der Zelle begrenzt und ein Einfrieren des Kryoliths vermieden wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Aluminium-Elektrolysezelle mit der erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektoranordnung.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektoranordnung bei der elektrolytischen Herstellung von Aluminium, wobei das Abdeckelement das Kathodenstromkollektorsystem in der Nut vor dem Eindringen von im Elektrolyseprozess erzeugtem Aluminium schützt.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Abdeckelementes, das die Nut einer kohlenstoffhaltigen Kathode einer Aluminium-Elektrolysezelle mit einem darin angeordneten Stromkollektorsystem zumindest teilweise abdeckt, zum Schutz des Kathodenstromkollektorsystems vor Aluminiuminfiltration im Elektrolyseprozess.
BEISPIELE
Die Erfindung wird nun anhand konkreter erfindungsgemäßer Ausführungsformen sowie anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Erfindungsgemäßes Beispiel
Ein Kathodenblock mit Stromkollektorsystem aus Kupfer mit den Außenabmessungen 550 x 450 x 3200 mm (Breite x Höhe x Länge) ist mit einer rechteckigen Nut mit den Abmessungen 40 x 95 mm (Breite x Tiefe) versehen. In die Nut wird ein rechteckiges Stromabnehmersystem aus Kupfer mit einem Querschnitt von 40 x 80 mm eingesetzt, wobei über dem Kollektorbarren-System ein Hohlraum von 15 mm Höhe verbleibt. Dieser Hohlraum wird mit kohlenstoffhaltiger Stampfmasse gefüllt, die mit einem herkömmlichen pneumatischen Stampfwerkzeug verdichtet wird. Nach dem Füllen des Hohlraums wird eine 2 mm dicke, 80 mm breite und 3200 mm lange Edelstahlplatte über die gefüllte Nut gelegt, die den Kathodenblock auf jeder Seite um 20 mm überragt und die gesamte Länge des Kathodenblocks abdeckt. Die Stahlplatte wird mit Stahlschrauben alle 500 mm am Kathodenblock befestigt, beginnend 100 mm von jedem Ende entfernt.
Vergleichsbeispiel
Ein Kathodenblock mit Stromkollektorsystem aus Kupfer mit den Außenabmessungen 550 x 450 x 3200 mm (Breite x Höhe x Länge) ist mit einer rechteckigen Nut mit den Abmessungen 40 x 125 mm (Breite x Tiefe) versehen. Ein rechteckiges Stromkollektorsystem aus Kupfer mit einem Querschnitt von 40 x 80 mm wird in die Nut eingesetzt, wobei über dem Stromkollektorsystem ein Hohlraum von 45 mm Höhe verbleibt. Dieser Hohlraum wird mit kohlenstoffhaltiger Stampfmasse gefüllt, die mit einem herkömmlichen pneumatischen Stampfwerkzeug verdichtet wird.
Das erfindungsgemäße Beispiel ergibt eine prognostizierte Verlängerung der Zelllebensdauer von 9 % gegenüber dem Vergleichsbeispiel.
Figuren
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den zugehörigen Figuren. Die Figuren zeigen:

1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Kathodenstromkollektoranordnung nach dem Stand der Technik.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Stromkollektoranordnung im Querschnitt mit einem Abdeckelement, das mit der Kathodenoberfläche bündig abschließt.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Stromkollektoranordnung mit einem Abdeckelement, das auf der Kathodenoberfläche angeordnet ist.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Stromkollektoranordnung mit zwei Abdeckelementen, die bündig mit der Kathodenoberfläche abschließen.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Stromkollektoranordnung mit einer schwalbenschwanzförmigen Nut und einem Abdeckelement, das bündig mit der Kathodenoberfläche abschließt, im Querschnitt.

Ausführliche Beschreibung
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Kathodenstromkollektoranordnung nach dem Stand der Technik. Dargestellt ist die Herstellungsposition der Anordnung, die im Vergleich zur endgültigen Betriebsposition innerhalb der Elektrolysezelle um 180° gedreht ist. In dieser Anordnung weist ein rechteckiger Kathodenblock 1 eine in eine horizontale Fläche eingelassene Nut auf, in der eine Stromkollektorbarren 2 angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitfähige Kohlenstoffschicht, z.B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet sein. Die Nut wird mit Hilfe von Stampfmasse 3 als Füllmaterial aufgefüllt, die bündig mit der oberen Kathodenoberfläche abschließt.
2 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektoranordnung mit einem Abdeckelement 7. In dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 eine in eine horizontale Fläche eingelassene Nut auf, in der ein Kollektorbarren 2 angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen, oder es kann eine leitende kohlenstoffhaltige Schicht, z.B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet sein. Die Nut wird mit Hilfe von Stampfmasse 3 als Füllmaterial aufgefüllt, wobei die Schicht die Nut nicht vollständig ausfüllt. Stattdessen verschließt ein Abdeckelement 7 in Form einer Platte die Nut, so dass sie bündig mit der Kathodenoberfläche abschließt. ₁Im Vergleich zum Stand der Technik, der in 1 dargestellt ist, ist die Höhe der Stampfmassenschicht h₁ 4 deutlich verringert. Infolgedessen wird die Höhe der Nut h₂ 5 sowie die Höhe des abnutzbaren Kathodenmaterials h₃ 6 deutlich vergrößert.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektoranordnung mit einem Abdeckelement 7. In dieser Anordnung weist ein Kathodenblock 1 eine in eine horizontale Fläche eingelassene Nut auf, in der ein Kollektorbarren 2 angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen, oder es kann eine leitende kohlenstoffhaltige Schicht, z.B. aus Stampfpaste, zwischen den Oberflächen angeordnet sein. Die Nut wird mit Hilfe von Stampfmasse 3 als Füllmaterial aufgefüllt, und die Schicht füllt die Nut vollständig aus. Über der Schicht und der Oberfläche des Kathodenblocks ist ein Abdeckelement 7 angeordnet und durch Befestigungsmittel (nicht dargestellt) fixiert, ₁Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Stand der Technik ist die Höhe der Stampfmassenschicht h₁ 4 deutlich verringert. Folglich ist die Höhe der Nut h₂ 5 sowie die Höhe des verschleißbaren Kathodenmaterials h₃ 6 deutlich erhöht.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektoranordnung mit zwei Abdeckelementen 7, die bündig mit der Kathodenoberfläche abschließen. In dieser Anordnung umfasst ein Kathodenblock 1 vier parallele, in eine horizontale Fläche eingelassene Nuten, in denen jeweils ein Kollektorbarren 2 angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende kohlenstoffhaltige Schicht, z.B. aus Stampfmasse, zwischen den Oberflächen angeordnet sein. Die Rille wird mit Hilfe von Stampfmasse 3 als Füllmaterial (nicht dargestellt) aufgefüllt, und die Schicht füllt die Nut vollständig aus. Über der Schicht und der Oberfläche des Kathodenblocks sind zwei Abdeckelemente 7 angeordnet, die jeweils zwei komplette Nuten abdecken und durch Befestigungsmittel 8 fixiert sind. Die Kollektorbarren können an den terminalen Endteilen (in und außerhalb der Projektionsebene) mit einer externen Versorgungssammelschiene verbunden werden, vorzugsweise über ein optional zwischengeschaltetes Konduktorelement (z.B. eine Konduktorbarren aus Stahl).
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Kathodenstromkollektoranordnung mit einer schwalbenschwanzförmigen Nut und einem Abdeckelement 7, das mit der Kathodenoberfläche bündig abschließt. In dieser Anordnung umfasst ein Kathodenblock 1 eine Nut, in der ein Kollektorbarren 2 angeordnet ist. Im Allgemeinen kann der Kollektorbarren in direktem Kontakt mit dem Kathodenblock stehen oder es kann eine leitende kohlenstoffhaltige Schicht, z.B. aus Stampfpaste, zwischen den Oberflächen angeordnet werden. Die Nut wird mit Hilfe von Stampfmasse 3 als Füllmaterial aufgefüllt, wobei die Schicht die Nut nicht vollständig ausfüllt. Stattdessen verschließt ein Abdeckelement 7 die Nut, so dass sie bündig mit der Kathodenoberfläche abschließt.
BEZUGSZEICHEN

1: Kathodenblock
2: Stromkollektorbarren
3: Stampfpastenschicht
4: Höhe der Stampfmassenschicht h₁
5: Höhe der Nut h₂
6: Höhe des tragbaren Kathodenmaterials h₃
7: Abdeckelement
8: Mittel zum Befestigen

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

WO 2008062318 [0003]
WO 0242525 [0003]
WO 0163014 [0003]
WO 0127353 [0003]
WO 2004/031452 [0003]
WO 2005098093 [0003]
US 4795540 [0003]
WO 2001/27353 [0003]
WO 2001063014 [0003]
US 20060151333 [0003]
WO 2007118510 [0003]
US 5976333 [0003]
US 6231745 [0003]
EP 2133446 A1 [0003]
WO 2011148347 [0003]

Claims

Kathodenstromkollektoranordnung für eine Aluminiumelektrolysezelle mit a) einem Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, b) einer kohlenstoffhaltigen Kathode mit einer Nut zur Aufnahme mindestens eines ersten Teils des Stromkollektorsystems, wobei zumindest der erste Teil des Stromkollektorsystems in der Nut der kohlenstoffhaltigen Kathode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenstromkollektoranordnung ferner umfasst c) ein Abdeckelement, das die Nut mit dem darin angeordneten ersten Teil des Stromkollektorsystems zumindest teilweise abdeckt, und d) ein Füllmaterial, ausgewählt aus kohlenstoffhaltigen und/oder karbidbasierten Materialien, das zwischen dem Abdeckelement und dem ersten Teil des Stromkollektorsystems aus Kupfer oder einer Kupferlegierung angeordnet ist.
Stromkollektoranordnung nach Anspruch 1, wobei das Abdeckelement eine Platte ist, die zumindest teilweise innerhalb der Nut angeordnet ist, so dass das Stromkollektorsystem und das Füllmaterial zwischen kohlenstoffhaltiger Kathode und Platte angeordnet sind.
Stromkollektoranordnung nach Anspruch 1, wobei das Abdeckelement eine zumindest teilweise auf der Oberfläche der Kathode angeordnete Platte ist, so dass das Stromkollektorsystem und das Füllmaterial zwischen kohlenstoffhaltiger Kathode und Platte angeordnet sind.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Abdeckelement eines der Materialien umfasst oder aus einem der Materialien besteht, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Metallen, wie z. B. Stahl, kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff, Graphit, Keramiken oder Mischungen davon besteht.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nut einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt aufweist.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kohlenstoffhaltigen und/oder karbidbasierten Materialien aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Stampfmasse und leitfähigem Klebstoff besteht.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathode ein rechteckiger Kathodenblock ist und/oder das Stromkollektorsystem ein Stromkollektorbarren ist, der vorzugsweise rechteckig ist.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einer Stahlschutzschicht verkleidet ist.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stromkollektorsystem und/oder die Stahlschutzschicht, falls das Stromkollektorsystem zumindest teilweise mit einer solchen verkleidet ist, in direktem Kontakt mit der Kathode stehen.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abdeckelement, das die Nut mit dem darin angeordneten Stromkollektorsystem zumindest teilweise abdeckt, über Befestigungsmittel an der Kathode befestigt ist.
Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathodenstromkollektoranordnung so ausgebildet ist, dass die Nut in der Betriebsposition der Kathodenstromkollektoranordnung an der Unterseite der Kathodenstromkollektoranordnung angeordnet ist.
Satz von Teilen zur Herstellung einer Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend a) ein Stromkollektorsystem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, b) eine kohlenstoffhaltige Kathode mit einer Nut zur Aufnahme mindestens eines ersten Teils des Stromabnehmersystems, und c) ein Abdeckelement, das die Nut mit dem darin angeordneten Stromkollektorsystem zumindest teilweise abdeckt, und d) ein Füllmaterial, ausgewählt aus kohlenstoffhaltigen und/oder karbidbasierten Materialien.
Aluminiumelektrolysezelle mit einer Kathodenstromkollektoranordnung nach einem der Ansprüche 1-11.
Verwendung eines die Nut einer kohlenstoffhaltigen Kathode einer Aluminium-Elektrolysezelle mit einem darin angeordneten Stromkollektorsystem zumindest teilweise abdeckenden Abdeckelementes zum Schutz des Kathodenstromkollektorsystems gegen Aluminiuminfiltration im Elektrolyseprozess.