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Gebiet der
Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Zelle
für die
elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in
einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist,
mit Sauerstoff entwickelnden Metallanoden, die einem Zellenboden mit
einer Aluminium-benetzbaren, drainierten Kathodenfläche sowie
einem Aluminiumreservoir zugewandt sind, sowie ein Verfahren zum
Erzeugen von Aluminium in einer solchen Zelle für die elektrolytische Gewinnung
von Aluminium.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die Technologie für das Erzeugen von Aluminium
durch die Elektrolyse von Aluminiumoxid, das in geschmolzenem, Salze
enthaltenden Kryolith gelöst ist,
bei Temperaturen von etwa 950°C,
ist seit mehr als hundert Jahren bekannt.
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Dieser Prozess, der fast gleichzeitig
von Hall und Héroult
erdacht wurde, hat sich trotz des gewaltigen Wachstums der Gesamtproduktion
von Aluminium, die in fünfzig
Jahren fast um das Hundertfache angestiegen ist, nicht wie viele
andere elektrochemische Prozesse weiterentwickelt. Der Prozess und
die Zellenkonstruktion haben keine großen Veränderungen oder Verbesserungen
erfahren, und für
Elektroden und Zellenauskleidungen werden immer noch kohlenstoffhaltige
Materialien verwendet.
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Die Anoden werden immer noch aus
kohlenstoffhaltigem Material hergestellt und müssen alle paar Wochen ersetzt
werden. Die Betriebstemperatur beträgt noch immer etwa 950°C, um eine
ausreichend hohe Auflösungsrate
des Aluminiumoxids und eine höhere
Leitfähigkeit
des Elektrolyten zu erreichen.
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Die Anoden haben eine sehr kurze
Lebensdauer, weil sich der Sauerstoff, der sich während der Elektrolyse
an der Anodenfläche
entwickelt, mit dem Kohlenstoff verbindet, um CO2 und
kleine Mengen an CO zu bilden. Der tatsächliche Verbrauch der Anode beträgt etwa
450 kg pro Tonne an produziertem Aluminium, was mehr als 1/3 höher als
die theoretische Menge ist.
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Ein anderer wesentlicher Nachteil
liegt in der Tatsache begründet,
dass unregelmäßige elektromagnetische
Kräfte
in dem geschmolzenen Aluminiumbad Wellen erzeugen und dass der Anoden-Kathoden-Abstand
(ACD), auch als Spalt zwischen den Elektroden (IEG) bezeichnet,
auf einem sicheren Minimalwert von etwa 50 mm gehalten werden muss, um
zwischen der Aluminiumkathode und der Anode einen Kurzschluss zu
verhindern oder um eine Reoxydation des Metalls durch Kontakt mit
dem CO2-Gas zu vermeiden, das sich an der
Anodenfläche
bildet, was zu einem geringeren Wirkungsgrad des Stroms führt.
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Der hohe spezifische elektrische
Widerstand des Elektrolyten, der etwa 0,4 Ohm·cm beträgt, verursacht einen Spannungsabfall,
der allein mehr als 40% des gesamten Spannungsabfalls darstellt,
woraus sich ein hoher Energieverbrauch ergibt, der in den meisten
modernen Zellen nahe bei 13 kWh/kgAl liegt. Die Kosten für den Energieverbrauch
sind seit der Ölkrise
zu einem noch größeren Posten
bei den Gesamtherstellungskosten von Aluminium geworden und haben
die Geschwindigkeit des Produktionswachstums für dieses wichtige Metall verringert.
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Obwohl von Fortschritt bei der Verwendung von
Kohlenstoffkathoden berichtet wurde, auf die Beschichtungen oder
Schichten aus Aluminium-benetzbaren Materialien aufgebracht wurden,
die auch eine Barriere gegen das Eindringen von Natrium während der
Elektrolyse darstellen, wurde nur ein geringer Fortschritt bei der
Konstruktion von Kathoden erreicht, und zwar hinsichtlich der Verbesserung
des Gesamtwirkungsgrades der Zellen sowie hinsichtlich der Beschränkung der
Bewegung des geschmolzenen Alumi niums, um den Spalt zwischen den
Elektroden und die Verschleißrate
von deren Oberfläche
zu verringern.
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Das US-Patent
3,202,600 (Ransley) hat die Verwendung
von hitzebeständigen
Boriden und Karbiden als Kathodenmaterialien vorgeschlagen, einschließlich der
Konstruktion einer drainierten Kathodenzelle, in der eine keilförmige, sich
selbst verzehrende Kohlenstoffanode einer Kathode zugewandt aufgehängt war,
die aus Platten aus hitzebeständigem
Borid oder Karbid in V-Gestalt hergestellt war.
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Die US-Patente
3,400,061 (Lewis/Altos/Hildebrandt)
und
4,602,990 (Boxal/Gamson/Green/Stephen)
offenbaren Zellen für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium mit geneigten, drainierten Kathoden,
die quer zur Zelle angeordnet sind. In diesen Zellen fließt das geschmolzene
Aluminium an den geneigten Kathoden nach unten in eine mittlere Längsnut entlang
der Mitte der Zelle oder in seitlich angeordnete Längsnuten
entlang den Seiten der Zelle, um das geschmolzene Aluminium zu sammeln und
es in einen Sammelbehälter
zu leiten, der sich an einem Ende der Zelle befindet.
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Durch die Neigung der aktiven Fläche der Kathode
und der Anode wird das Entweichen der Blasen des sich entwickelnden
Gases erleichtert. Es ist außerdem
nur dann möglich,
eine Kathode mit einer Abschrägung
vorzusehen und einen effizienten Betrieb der Zelle zu erreichen,
wenn die Kathode mit Aluminium benetzbar ist, so dass die Erzeugung
von Aluminium auf einer Schicht aus Aluminium stattfindet.
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Es ist erst seit kurzem möglich, Kohlenstoffkathoden
mit einem Schlamm zu beschichten, der auf dem Kohlenstoff anhaftet,
mit Aluminium benetzbar ist und sehr hart wird, wenn die Temperatur 700–800°C oder besser
950–1000°C erreicht,
wie in dem US-Patent
5,316,718 (Sekhar/de
Nora) und im US-Patent
5,651,874 (de
Nora/Sekhar) offenbart ist. Diese Patente schlagen vor, die Zellenkathoden
mit einem durch Schlamm aufgebrachten, hitzebeständigen Borid zu beschichten,
das für
Anwendungen bei Kathoden sehr gut funktioniert. Diese Veröffentlichungen
offenbaren eine Anzahl von neuen Konfigurationen von drainierten
Kathoden, beispielsweise Konstruktionen, bei denen der Kathodenkörper mit einer
geneigten oberen drainierten Kathodenfläche an dem Zellenboden angeordnet
oder daran befestigt ist. Weitere konstruktive Abwandlungen bezüglich der
Zellenkonstruktion können
dazu führen,
dass noch mehr mögliche
Vorteile dieser Beschichtungen erreicht werden.
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Die Europäische Patentanmeldung Nr.
0 393 816 (Stedman) zeigt
eine andere Konstruktion für eine
drainierte Kathodenzelle, die dazu gedacht ist, das Ableiten von
Blasen zu verbessern. Die Herstellung der Elektroden mit Abschrägungen,
wie vorgeschlagen, ist aber schwierig. Außerdem kann eine solche drainierte
Kathodenkonfiguration eine optimale Verteilung des gelösten Aluminiumoxids
nicht gewährleisten.
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Die WO 98/53120 (Berclaz/de Nora)
offenbart eine Zelle, die mit einer Kathodenmasse versehen ist,
die an einer Kathodenschale oder -platte abstützend gehalten ist, wobei die
Kathodenmasse V-förmig
ist und entlang des Bodens der V-Form einen mittleren Kanal aufweist,
der sich entlang der Zelle erstreckt, um geschmolzenes Aluminium
abzuleiten.
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Das US-Patent
5,683,559 (de Nora) offenbart eine
neuartige Kathodenkonstruktion für
eine drainierte Kathode, bei der Nuten oder Aussparungen in die
Fläche
von Blöcken
eingearbeitet sind, die die Kathodenfläche bilden, um das ablaufende
Aluminiumprodukt abzuleiten. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel
werden eine verbesserte Anode und eine drainierte Kathodengeometrie
zur Verfügung
gestellt, wobei das Aluminium zwischen V-förmigen Anoden und Kathoden
erzeugt und in ausgesparten Nuten gesammelt wird. Die V-förmige Geometrie
der Anoden ermöglicht
einerseits ein gutes Ableiten der Blasen von der Unterseite der Anoden und
andererseits das Abfließen
von erzeugtem Aluminium von den Kathodenflächen in ausgesparte Nuten,
die an dem Boden der V-Formen angeordnet sind.
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Aufgaben der
Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu
stellen, die Sauerstoff entwickelnden Anoden hat und einen Aluminium-benetzbaren, drainierten
Kathodenboden sowie ein Aluminiumsammelreservoir aufweist, aus dem
geschmolzenes Aluminium abgelassen wird.
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Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin,
eine Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu
stellen, die eine Aluminium-benetzbare, drainierte Kathode hat,
die aus herkömmlichen
Zellenblöcken
hergestellt ist, die auf einfache Weise nachträglich in vorhandenen Zellen eingesetzt
werden können.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu
stellen, die ein Aluminiumsammelreservoir aufweist, aus dem geschmolzenes
Aluminium abgeleitet werden kann, und zwar ohne die Gefahr des Erstarrens,
und zwar an einer Stelle, an der das Reservoir auf einfache Weise
nachträglich
in vorhandene Zellen eingesetzt werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, einen Aluminium-benetzbaren Zellenboden für eine solche
Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu
stellen.
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Noch eine Aufgabe der Erfindung besteht
darin, ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, um Aluminium in einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von
Aluminium zu erzeugen, die mit einem solchen Zellenboden ausgestattet
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Zelle für die elektrolytische
Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid zur Verfügung, das
in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist.
Die Zelle weist eine Vielzahl von auf Metall basierenden Anoden
auf, die mit einer Sauerstoff entwickelnden, elektrochemisch aktiven
Struktur versehen sind, die eine Reihe von im wesentlichen vertikalen
Durchgangsöffnungen
für das
Entweichen von anodisch erzeugtem, gasförmigem Sauerstoff hat. Die
elektrochemisch aktiven Anodenstrukturen sind einer Aluminium-benetzbaren,
drainierten Kathodenfläche,
an der Aluminium erzeugt wird, zugewandt und von dieser beabstandet.
Die drainierte Kathodenfläche
ist entlang der Zelle durch die oberen Flächen von einer Reihe von angrenzenden
Kohlenstoffkathodenblöcken
gebildet, wobei die Kathodenblöcke
quer zur Zelle verlaufen, beispielsweise einzelne Blöcke oder
Paare von Blöcken,
die sich Ende-an-Ende über
die gesamte Breite der drainierten Kathodenfläche erstrecken. Die Kathodenblöcke weisen
Einrichtungen auf, um mit einer externen elektrischen Stromversorgung
verbunden zu werden.
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Gemäß der Erfindung ist die drainierte
Kathodenfläche
in Quadranten unterteilt, normalerweise vier Quadranten, und zwar
durch einen in Längsrichtung
verlaufenden Aluminiumsammelkanal entlang der Zelle und durch ein
mittleres Aluminiumsammelreservoir quer zu der Zelle. Paare von
Quadranten quer zu der Zelle sind in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt, wobei
der Sammelkanal entlang des Bodens der V-Form angeordnet und dazu
ausgestaltet ist, um während
des Zellenbetriebs geschmolzenes Aluminium, das von der drainierten
Kathodenfläche
abläuft,
zu sammeln und in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e) abzuleiten.
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Da sich das Sammelreservoir mittig
in der Zelle befindet, ist das Reservoir gegen thermische Verluste
geschützt.
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Die Zelle kann zumindest einen auf
Kohlenstoff basierenden Abstandsblock aufweisen, der sich quer zur
Zelle erstreckt und der zwischen den Kathodenblöcken angrenzend angeordnet
ist, die sich quer zur Zelle erstrecken. Eine obere Fläche des
Abstandsblocks weist eine mittlere Aussparung auf, die tiefer liegt
als der Aluminiumsammelkanal/Aluminiumableitkanal und sich im wesentlichen
quer zur Zelle erstreckt, um das obige Aluminiumsammelreservoir
zu bilden.
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Die mittlere Aussparung kann zwischen
den angrenzenden Kathodenblöcken
verlaufen, um mit nicht-ausgesparten Endbereichen des Abstandsblocks
und mit angrenzenden Seitenwänden
der angrenzenden Kathodenblöcke
das Aluminiumsammelreservoir zu bilden. Jedoch kann das Reservoir
auch durch die Aussparung und ausschließlich durch nicht-ausgesparte
Seitenbereiche und Endbereiche des Abstandsblocks gebildet sein.
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Als Alternative zu einem einzelnen
Abstandsblock kann ein Paar von Abstandsblöcken, die Ende-an-Ende angeordnet
sind, quer zu der Zelle verlaufen, um die obengenannten angrenzenden
Kathodenblöcke
zu beabstanden. Auf ähnliche
Weise kann die drainierte Kathodenfläche auch entlang der Zelle
durch obere Flächen
von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken gebildet sein,
die in Paaren verlaufen, die quer zu der Zelle Ende-an-Ende angeordnet
sind.
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Der Aluminiumsammelkanal, der die
drainierte Kathodenfläche
in Längsrichtung
unterteilt, kann unter dem Boden der abgeschrägten Quadranten angeordnet
sein.
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Die elektrochemisch aktive Struktur
der auf Metall basierenden Anoden kann eine Reihe von horizontalen
Anodenbauteilen beinhalten, die jeweils eine elektrochemisch aktive
Fläche haben,
an der während
der Elektrolyse Sauerstoff anodisch erzeugt wird. Die Anodenbauteile
können
sich in einer parallelen Anordnung, verbunden durch zumindest ein quer
verlaufendes Verbindungsbauteil, oder in einer konzentrischen Anordnung
befinden, verbunden durch zumindest ein allgemein radial verlaufendes Verbindungsbauteil.
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Beispielsweise können sich die Anodenbauteile
von jeder Anode in einer allgemein coplanaren Anordnung befinden
und seitlich beabstandet sein, um in Längsrichtung verlaufende Durchflussöffnungen
für die
Aufwärtsströmung von
mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt, das durch das nach
oben gerichtete, schnelle Entweichen von anodisch erzeugtem Sauerstoff
angetrieben wird, und für
die Abwärtsströmung von
mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt zu bilden. Die Anodenbauteile
können Platten,
Stäbe,
Stangen oder Drähte
sein, wie in den anhängigen
Anmeldungen PCT/IB00/00029 und PCT/IB00/00027 beschrieben (beide
auf den Namen von de Nora angemeldet).
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Geeignete Materialien für Sauerstoff
entwickelnde Anoden umfassen auf Eisen und Nickel basierende Legierungen,
die in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt werden können, wie
in der WO 00/06802, WO 00/06803 (beide im Namen von Duruz/de Nora/Crottaz),
WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), PCT/IB99/01976 (Duruz/de Nora) und PCT/IB99/01977
(de Nora/Duruz) offenbart. Weitere Sauerstoff entwickelnde Anodenmaterialien
sind in der WO 99/36593, WO 99/36594, WO 00/06801, WO 00/06805,
PCT/IB00/00028 (alle im Namen von de Nora/Duruz), WO 00/06800 (Duruz/de
Nora), WO 99/36591 und WO 99/36592 (beide im Namen von de Nora)
offenbart.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen
Zellenboden von einer Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das
in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist.
Der Zellenboden hat eine mit Aluminium benetzbare, drainierte Kathodenfläche, an
der Aluminium erzeugt wird. Die drainierte Kathodenfläche ist
entlang des Zellenbodens durch obere Flächen von einer Reihe von angrenzenden
Kohlenstoffkathodenblöcken
gebildet, wobei die Kathodenblöcke
quer zu dem Zellenboden verlaufen und Einrichtungen aufweisen, um
mit einer externen elektrischen Stromquelle verbunden zu werden.
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Die drainierte Kathodenfläche ist
durch einen in Längsrichtung
verlaufenden Aluminiumsammelkanal entlang des Zellenbodens und durch
ein mittleres Aluminiumsammelreservoir quer zu dem Zellenboden in
Quadranten unterteilt. Paare von Quadranten quer zum Zellenboden
sind in einer V-förmigen
Beziehung abgeschrägt,
der Sammelkanal ist entlang des Bodens der V-Form angeordnet und
dazu ausgestaltet, um während
des Zellenbetriebs geschmolzenes Aluminium, das von der drainierten
Kathodenfläche
abläuft,
zu sammeln und in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e) abzuleiten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist ein Verfahren zum Erzeugen von Aluminium in einer Zelle zur
elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, mit Anoden, die in einen
geschmolzenen Elektrolyten eingetaucht sind, der gelöstes Aluminiumoxid
enthält,
und die einem Zellenboden zugewandt sind, wie er vorstehend definiert
ist. Das Verfahren umfasst: Bewirken einer Elektrolyse des Elektrolyten,
der gelöstes
Aluminiumoxid enthält,
zwischen den Anoden und der drainierten Kathodenfläche, um
an den Anoden Gas und an der drainierten Kathodenfläche geschmolzenes
Aluminium zu erzeugen; Ableiten des kathodisch erzeugten, geschmolzenen
Aluminiums von der drainierten Kathodenfläche in den Sammel-/Ableitkanal;
und Ableiten des geschmolzenen Aluminiums in das (die) Aluminiumsammelreservoir(e).
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Das Verfahren kann das Erzeugen von
Sauerstoff an einer auf Metall basierenden, elektrochemisch aktiven
Anodenstruktur und das Entweichen des erzeugten Sauerstoffs durch
im wesentlichen vertikal verlaufende Durchgangsöffnungen beinhalten, die sich
in der Anodenstruktur befinden.
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Das erzeugte Aluminium kann absatzweise aus
dem Aluminiumsammelreservoir abgelassen werden.
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Die Zelle kann mit einem geschmolzenen Elektrolyten
bei einer Temperatur von 700°C
bis 900°C
oder 910°C,
insbesondere zwischen 730°C und
870°C oder
750°C und
850°C betrieben
werden. Die Zelle kann jedoch auch bei herkömmlichen Temperaturen betrieben
werden, d.h. etwa 950°C.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch einen Längsschnitt von
einer Zelle gemäß der Erfindung;
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2 zeigt
schematisch einen Querschnitt von der in 1 gezeigten Zelle, wobei die linke Seite
einen Querschnitt entlang der gestrichelten Linie X1-X1 und die rechte Seite einen Querschnitt
entlang der gestrichelten Linie X2-X2 zeigt; und
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3 ist
eine schematisch Draufsicht von dem Boden der in 1 gezeigten Zelle, wobei die linke Seite
des Zellenbodens mit zugewandten Anoden gezeigt ist.
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Detaillierte
Beschreibung
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Wie vorstehend erläutert, zeigen 1, 2 und 3 verschiedene
Ansichten von einer Zelle gemäß der Erfindung.
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Die Zelle enthält eine Reihe von Anoden 10 mit
Sauerstoff entwickelnden, aktiven Strukturen 11, die mit
einer Reihe von vertikalen Durchgangsöffnungen 13 für das Entweichen
anodisch erzeugtem Sauerstoff versehen sind. Solche Anoden 10 können so konstruiert
sein, wie dies in den anhängigen
Anmeldungen PCT/IB00/00029 und PCT/IB00/00027 offenbart ist (beide
im Namen von de Nora). Wie in 1 und 3 gezeigt, enthält jede
elektrochemisch aktive Struktur 11 eine Reihe von parallelen
Anodenstangen 12 in allgemein coplanarer und seitlich voneinander
beabstandeten Anordnung, um die Durchflussöffnungen 13 für den nach
oben gerichteten Strom von mit Aluminiumoxid abgereichertem Elektrolyten,
der durch das schnelle nach oben gerichtete Entweichen von anodisch
entwickeltem Sauerstoff angetrieben wird, und für die nach unten gerichtete
Strömung
von mit Aluminium angereichertem Elektrolyten zu bilden.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, sind die Anodenstrukturen 11 von
einer Aluminium-benetzbaren, drainierten Kathodenfläche 21 beabstandet
und dieser zugewandt.
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Die drainierte Kathodenfläche 21 ist
durch obere Flächen
von einer Reihe von angrenzenden Kohlenstoffkathodenblöcken 20 gebildet,
die paarweise Ende-an-Ende quer zur Zelle angeordnet sind. Alternativ
kann die drainierte Kathodenfläche
auch aus oberen Flächen
von einer Reihe von angrenzenden Kathodenblöcken gebildet sein, die sich
einzeln quer zur Zelle erstrecken. Die Kathodenblöcke 20 beinhalten,
eingebettet in Aussparungen, die sich in ihren unteren Flächen befinden,
Stromversorgungsstangen 22 aus Stahl oder aus einem anderen
leitfähigen
Material, um mit einer externen elektrischen Stromversorgung verbunden
zu werden.
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Die Kathodenblöcke 20 sind vorzugsweise mit
einer Aluminium-benetzbaren
Beschichtung beschichtet, durch die die drainierte Kathodenfläche 21 gebildet
wird, wie zum Beispiel eine Beschichtung aus einem Aluminium-benetzbaren,
hitzebeständigen
Hartmetall (RHM) mit einer geringen oder keinen Lösbarkeit
in Aluminium und mit einer guten Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe durch
geschmolzenes Kryolith. Praktisch anwendbares RHM umfasst Boride
aus Titan, Zirkon, Tantal, Chrom, Nickel, Kobalt, Eisen, Niob und/oder
Vanadium. Praktisch anwendbare Kathodenmaterialien sind kohlenstoffhaltige Materialien,
wie zum Beispiel Anthrazit oder Graphit.
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Bevorzugte Beschichtungen für die drainierte
Kathode sind durch Schlamm aufgebrachte Beschichtungen, wie sie
im US-Patent
5,651,874 (de Nora/Sekhar)
und PCT/IB99/01982 (de Nora/Duruz) beschrieben sind. Zum Beispiel
offenbart das US-Patent
5,651,874 eine
Beschichtung, die partikelförmiges
hitzebeständiges
Hartmetallborid in einem Kolloid enthält, das durch einen Schlamm
aus dem partikelförmigen
hitzebeständigen
Hartmetallborid in einem kolloidalen Träger aufgebracht wird, wobei
das Kolloid zumindest eines von kolloidalem Aluminiumoxid, Siliciumoxid,
Yttriumoxid, Ceroxid, Thoroxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid, Lithiumoxid,
Monoaluminiumphosphat oder Ceriumacetat ist. Es wurde herausgefunden,
dass der kolloidale Träger
die Eigenschaften der Beschichtung deutlich verbessert, die durch
nichtreaktives Sintern hergestellt werden.
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Vor oder nach der Aufbringung der
Beschichtung und vor der Benutzung können die oberen Flächen der
Komponenten angestrichen, angesprüht, getaucht oder getränkt werden,
und zwar mit Reagenzien und Vorläufern,
Gelen und/oder Kolloiden. Beispielsweise können die Komponenten vor der Aufbringung
des Schlamms zum Beispiel mit einer Verbindung aus Lithium imprägniert werden,
um die Widerstandsfähigkeit
gegen das Eindringen von Natrium zu verbessern, wie in dem US-Patent
5,378,327 (Sekhar/Zheng/Duruz)
offenbart ist.
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Um ein schnelles Benetzen der drainierten Kathodenfläche 21 durch
geschmolzenes Aluminium zu unterstützen, kann die hitzebeständige Beschichtung
geschmolzenem Aluminium ausgesetzt werden, und zwar bei Vorhandensein
von einem Flussmittel, das das Eindringen von Aluminium in das hitzebeständige Material
unterstützt,
wobei das Flussmittel beispielsweise ein Fluorid, ein Chlorid oder
ein Borat enthalten kann, und zwar von zumindest einem von Lithium
und Natrium oder Mischungen daraus. Durch eine solche Behandlung
wird das Aluminisieren der hitzebeständigen Beschichtung durch das
Eindringen von Aluminium darin unterstützt.
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Wie in 3 gezeigt
und gemäß der Erfindung
ist die drainierte Kathodenfläche 21 in
vier separate Quadranten 25 durch einen Aluminiumsammelkanal 26 entlang
der Zelle und durch ein mittleres Aluminiumsammelreservoir 32 quer
zu der Zelle unterteilt.
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Das Aluminiumsammelreservoir 32 ist
durch eine mittlere Aussparung 31 in den oberen Fläche von
einem Paar von Abstandsblöcken 30 gebildet, die
Ende-an-Ende quer zur Zelle angeordnet sind, wobei die Aussparung 31 tiefer
ist als die Aluminiumableitkanäle 26.
Alternativ kann die mittlere Aussparung 31 auch in einer
oberen Fläche
von einem einzelnen Abstandsblock 30 ausgebildet sein,
der sich quer zur Zelle erstreckt.
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Die Abstandsblöcke 30 sind voneinander
beabstandet und zwischen zwei Paaren von Kathodenblöcken 20 angrenzend
angeordnet, wobei jedes Paar Ende-an-Ende quer zur Zelle angeordnet
ist, wie vorstehend beschrieben.
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Die mittlere Aussparung 31 der
Abstandsblöcke 30 erstreckt
sich zwischen den angrenzenden Kathodenblöcken 20, um mit nichtausgesparten
Enden 33 der Abstandsblöcke 30,
wie in der rechten Seite von 2 gezeigt,
und mit angrenzenden Seitenwänden 23 der
angrenzenden Kathodenblöcke 20,
wie in 1 gezeigt, das
Aluminiumsammelreservoir 32 zu bilden.
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Wie in 2 gezeigt,
sind Paare von Kathoden 25 quer zur Zelle in einer V-förmigen Beziehung abgeschrägt. Daher
kann die obere Fläche
von jedem Kathodenblock 20 zu einer einzelnen Rampe entlang
des Blocks 20 bearbeitet werden, um eine V-Konfiguration
zu erzielen, indem ein entsprechender Kathodenblock 20 quer
zur Zelle Ende-an-Ende angeordnet wird, wie in 2 gezeigt.
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Die drainierten Kathodenfläche 21 enthält entlang
des Bodens der V-Form den Sammelkanal 26. Dieser Kanal 26 kann
horizontal sein, wie in 1 gezeigt,
oder alternativ leicht in Richtung auf den Aluminiumsammelkanal 32 nach
unten geneigt sein, um das Ableiten von geschmolzenem Aluminium
zu erleichtern.
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Ähnlich
wie die Kathodenblöcke 20 können auch
die Abstandsblöcke 30 durch
Bearbeiten der Oberfläche
der Kohlenstoffblöcke
hergestellt werden. Im Gegensatz zu den Kathodenblöcken 20 ist
es jedoch nicht erforderlich, die Abstandsblöcke 30 mit einer negativen
Stromversorgung zu verbinden.
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Bei Betrieb der in 1 und 2 gezeigten
Zelle wird eine Elektrolyse des Aluminiumoxids, das in einem geschmolzenen
Elektrolyten 40 bei einer Temperatur von 730°C bis 960°C gelöst ist,
der in der Zelle enthalten ist, zwischen den Anoden 10 und
den Kathodenblöcken 20 durchgeführt, um
an der aktiven Struktur 11 der Anoden 10 Sauerstoff
und an der Aluminium-benetzbaren drainierten Kathodenfläche 21 geschmolzenes
Aluminium zu erzeugen.
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Wie in 3 gezeigt,
strömt
das kathodisch erzeugte geschmolzene Aluminium nach unten entlang
der geneigten, drainierten Kathodenfläche 21 der Quadranten 25 in
die Aluminiumsammelkanäle 26,
wie durch Pfeile 45 angegeben ist. Von den Sammelkanälen 26 fließt das erzeugte
geschmolzenen Aluminium in das mittlere Aluminiumsammelreservoir 32,
wie durch Pfeile 46 angegeben, wo es gesammelt und für absatzweises
Ablassen gespeichert wird.
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Obwohl die Erfindung in Verbindung
mit ihren speziellen Ausführungsbeispielen
davon beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass viele Alternativen,
Modifikationen und Abwandlungen für den Fachmann im Lichte der
vorigen Beschreibung offensichtlich sind. Es ist folglich beabsichtigt,
alle Alternativen, Modifikationen und Variationen einzuschließen, die
in den Schutzbereich der beigefügten
Patentansprüche
fallen.
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Beispielsweise kann die Zelle mehr
als ein Aluminiumsammelreservoir quer zur Zelle aufweisen, von denen
jedes den Aluminiumsammelkanal schneidet, um die drainierte Kathodenfläche in vier Quadranten
zu unterteilen. Beispielsweise kann eine drainierte Kathodenfläche in drei
Paare von Quadranten quer zur Zelle durch zwei voneinander beabstandete
Aluminiumsammelreservoire quer zur Zelle unterteilt sein, die sich
mit dem Aluminiumsammelkanal entlang der Zelle schneiden. Jedes
Aluminiumsammelreservoir wirkt mit zwei Paaren von Quadranten quer
zur Zelle (ein Paar an jeder Seite) zusammen, wobei ein zentrales
Paar von Quadranten zwischen den Aluminiumsammelreservoiren für zwei Reservoire
gemeinsam ist.