DE60009455T2

DE60009455T2 - Aluminium-elektrogewinnungszelle mit sauerstoffentwickelnden anoden

Info

Publication number: DE60009455T2
Application number: DE60009455T
Authority: DE
Inventors: Vittorio De Nora
Original assignee: Moltech Invent SA
Current assignee: Moltech Invent SA
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 2000-01-10
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: CA2357717A1; AU1793100A; SK286563B6; WO2000040782A1; EP1149187B1; US6540887B2; NO20013378L; RU2242539C2; ATE263259T1; CA2357717C; EP1416067A3; ES2215603T3; NO20013378D0; US20020027069A1; NO332628B1; EP1416067A2; DE60009455D1; SK9582001A3; AU767865B2; EP1149187A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist, wie zum Beispiel Kryolith, die mit auf Metall basierenden Nicht-Kohlenstoff-Anoden ausgestattet ist, die für solche Zellen für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium ausgestaltet sind.
Hintergrund der Erfindung
Die Technologie für die Herstellung von Aluminium durch die Elektrolyse von in geschmolzenem Kryolith gelöstem Aluminiumoxid bei Temperaturen von etwa 950°C ist seit mehr als hundert Jahren bekannt.
Dieser Prozess, der fast gleichzeitig von Hall und Hércult erdacht wurde, hat sich nicht wie viele andere elektrochemische Prozesse weiterentwickelt.
Die Anoden werden immer noch aus einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt und müssen alle paar Wochen ausgetauscht werden. Während der Elektrolyse verbindet sich der Sauerstoff, der sich an der Anoden-Fläche entwickelt, mit dem Kohlenstoff, um verunreinigendes CO₂ sowie geringe Mengen an CO und Fluor-haltigen gefährlichen Gasen zu bilden. Der tatsächliche Verbrauch der Anode beträgt so viel wie 450 kg/t hergestelltes Aluminium, was mehr als 1/3 höher als die theoretische Menge von 333 kg/t ist.
Die Verwendung von Metall-Anoden in Zellen für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium würde das Aluminiumverfahren drastisch verbessern, indem Verunreinigungen und die Kosten der Aluminiumherstellung verringert würden.
Das US-Patent 4,999,097 (Sadoway) beschreibt Anoden für konventionelle Zellen zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, die mit einer Oxid-Beschichtung versehen sind, die mindestens ein Oxid von Zirkon, Hafnium, Thor und Uran enthält. Um den Verbrauch der Anode zu verhindern, ist das Bad mit den Materialien gesättigt, die die Beschichtung bilden. Diese Beschichtungen sind jedoch schlecht leitend und sind nicht verwendet worden.
Das US-Patent 4,504,369 (Keller) offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium in einer konventionellen Zelle unter Verwendung von massiven Metalloxid-Anoden mit einer zentralen vertikalen Durchgangsöffnung zum Zuführen von Anoden-Konstituenten und Aluminiumoxid in den Elektrolyten, um die Auflösung der Anoden zu verlangsamen.
Das US-Patent 4,614,569 (Duruz/Derivaz/Debely/Adorian) beschreibt Metall-Anoden für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium, die mit einer Schutzbeschichtung aus Ceriumoxyfluorid beschichtet sind, die in-situ in der Zelle gebildet oder vorher aufgebracht wird, wobei diese Beschichtung während der Elektrolyse durch die Zugabe von geringen Mengen einer Cer-Verbindung zu dem geschmolzenen Kryolith-Elektrolyten aufrechterhalten wird. Dies macht einen Schutz der Oberfläche gegen Angriffe durch den Elektrolyten und in einem gewissen Ausmaß gegen gasförmigen Sauerstoff möglich, jedoch nicht gegen naszierenden, einatomigen Sauerstoff.
Einige Ausgestaltungen für Sauerstoff entwickelnde Anoden für Zellen für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium wurden in den folgenden Dokumenten vorgeschlagen. Das US-Patent 4,681,671 (Duruz) offenbart vertikale Anoden-Platten oder vertikale Schaufeln, die in Niedrigtemperatur-Zellen zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium verwendet werden. US-Patent 5,310,476 (Sekhar/de Nora) beschreibt Sauerstoff entwickelnden Anoden, die aus Paaren von Anoden-Platten hergestellt sind, die wie ein Dach zusammengesetzt sind. Das US-Patent 5,362,366 (de Nora/Sekhar) beschreibt Ausgestaltungen von sich nicht selbst verbrauchenden Anoden, wie zum Beispiel Dach-ähnlich zusammengesetzte Paare von Anoden-Platten sowie nach unten gekrümmte, biegsame Platten oder Drähte oder Bündel aus Drähten. Das US-Patent 5,368,702 (de Nora) offenbart vertikale rohrförmige oder konisch verlaufende, Sauerstoff erzeugende Anoden für multimonopolare Aluminium-Zellen. Das US-Patent 5,683,559 (de Nora) beschreibt eine Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium mit gebogenen, Sauerstoff entwickelnden Anoden-Platten, die in einer Dach-ähnlichen Konfiguration ausgerichtet und entsprechend geformten Kathoden zugewandt sind. US-Patent 5,725,744 (de Nora/Duruz) beschreibt vertikale, Sauerstoff entwickelnde Anoden-Platten, vorzugsweise porös oder gitterförmig, in einer multimonopolaren Zellen-Anordnung für Zellen zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, die mit verminderter Temperatur betrieben werden.
Die EP-A-0 135 687 (Roos/Boehn/Bittler/Kilthau) und die EP-A-0 685 575 (Busse/Scannel) offenbaren Anoden für die Alkali-Chlor-Elektrolyse. Die Anoden haben horizontal angeordnete, parallel verlaufende Anoden-Bauteile.
Die WO 89/06289 (LaCamera/Van Linden/Pierce) offenbart eine Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium mit sich nicht selbst verzehrenden, Block-förmigen Anoden, die eine aktive Bodenfläche und Kanäle haben, die von der aktiven Fläche in vertikaler Richtung durch den Anoden-Block verlaufen, um anodisch erzeugten Sauerstoff freizugeben.
Obwohl die vorstehenden Dokumente dauerhafte Anstrengungen verdeutlichen, um die Funktion von Zellen zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium dadurch zu verbessern, dass Sauerstoff entwickelnde Anoden verwendet werden, hat keines von diesen Dokumenten bisher irgendeine wirtschaftliche Akzeptanz gefunden.
Aufgaben der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die eine oder mehrere auf Metall basierende Nicht-Kohlenstoff-Anoden aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die eine oder mehrere Anoden aufweist, die ein großes Oberflächengebiet und eine hohe elektrochemische Aktivität für die Erzeugung von Sauerstoff haben und die eine schnelle Freigabe von Sauerstoff-Gas und die Zirkulation von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyten zwischen den Anoden und den zugewandten Kathoden ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die eine oder mehrere auf Metall basierende Nicht-Kohlenstoff-Anoden aufweist, deren Konstruktion eine verbesserte Elektrolyt-Zirkulation ermöglicht und die einfach und wirtschaftlich herzustellen sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die eine oder mehrere auf Metall basierende Nicht-Kohlenstoff-Anoden aufweist, deren Konstruktion eine verbesserte Elektrolyt-Zirkulation ermöglicht und die aus einem langlebigen Anoden-Material hergestellt sind, was zu einem wirtschaftlich akzeptierbar hergestellten Aluminium führt, und die nach Wunsch geformt werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die eine oder mehrere auf Metall basierende Nicht-Kohlenstoff-Anoden aufweist, deren Konstruktion eine verbesserte Elektrolyt-Zirkulation ermöglicht und die aus einem Anoden-Material hergestellt sind, das eine geringe Lösbarkeit in dem Elektrolyten hat.
Eine wichtige Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu stellen, die eine oder mehrere auf Metall basierende Nicht-Kohlenstoff-Anoden aufweist, deren Konstruktion eine verbesserte Elektrolyt-Zirkulation ermöglicht und die dimensionsstabil gehalten werden können und das hergestellte Aluminium nicht wesentlich verunreinigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid zur Verfügung, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyt gelöst ist. Die Zelle enthält zumindest eine auf Metall basierende Nicht-Kohlenstoff-Anode, die eine elektrisch leitfähige Metall-Struktur mit einer elektrochemisch aktiven Anoden-Fläche hat, an der während der Elektrolyse anodisch Sauerstoff erzeugt wird. Die Metall-Struktur hängt in den Elektrolyten, wobei deren aktive Anoden-Fläche im wesentlichen parallel zu einer gegenüberliegenden planaren Kathoden-Fläche verläuft. Eine solche Metall-Struktur weist eine Reihe von in horizontaler Richtung länglichen Anoden-Bauteilen auf, wobei jedes Anoden-Bauteil eine Länge hat, die sehr viel größer ist als dessen Dicke. Die Anoden-Bauteile sind parallel zueinander angeordnet und in Querrichtung in einer im wesentlichen koplanaren Anordnung voneinander beabstandet. Jedes Anoden-Bauteil hat eine elektrochemisch aktive Fläche, wobei die elektrochemisch aktiven Flächen der Anoden-Bauteile die aktive Anoden-Fläche bilden, die über eine Weite verläuft, deren Abmessungen sehr viel größer sind als die Dicke der länglichen Anoden-Bauteile. Die voneinander beabstandeten Anoden-Bauteile bilden in horizontaler Richtung längliche Durchflussöffnungen für die Zirkulation von Elek trolyt, der durch das schnelle Entweichen von anodisch erzeugtem Sauerstoff angetrieben wird.
Abhängig von der Zellen-Konfiguration können einige oder alle der Durchflussöffnungen für die Strömung von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyten zu einer Elektrolysezone zwischen der (den) Anode(n) und der Kathode und/oder für die Strömung von mit Aluminiumoxid abgereichertem Elektrolyten weg von der Elektrolysezone dienen. Wenn die Anoden-Fläche horizontal oder geneigt ist, sind diese Strömungen aufsteigend und absteigend. Ein Teil der Elektrolyt-Zirkulation kann auch um die Metall-Anoden-Struktur herum stattfinden.
Eine im wesentlichen gleichmäßige Stromverteilung kann durch eine Stromzuführung über leitfähige, quer verlaufende, metallische Verbindungseinrichtungen zu den Anoden-Bauteilen und deren aktiven Flächen erreicht werden.
Im Gegensatz zu den bekannten Sauerstoff entwickelnden Anoden-Konstruktionen für Zellen zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium wird bei einer Anode gemäß dieser Erfindung durch die koplanare Anordnung der Anoden-Bauteile eine elektrochemisch aktive Oberfläche erreicht, die über eine Weite verläuft, die sehr viel größer ist als die Dicke der Anoden-Bauteile, wodurch die Materialkosten der Anode begrenzt werden.
Die elektrochemisch aktive Anoden-Fläche ist üblicherweise im wesentlichen horizontal oder bezüglich der Horizontalen geneigt.
In speziellen Fällen kann die elektrochemisch aktive Anoden-Fläche vertikal oder im wesentlichen vertikal sein, wobei die horizontalen Anoden-Bauteile eines über dem anderen beabstandet und so angeordnet sind, dass die Zirkulation von Elektrolyt durch die Durchflussöffnungen hindurch stattfindet. Zum Beispiel können die Anoden-Bauteile wie Lamellen einer Jaloussie neben einer vertikalen oder im wesentlichen vertikalen Kathode angeordnet sein.
In einem Ausführungsbeispiel sind zwei im wesentlichen vertikale (oder mit einem kleinen Winkel bezüglich der Vertikalen nach unten gerichtet konvergierende) beabstandete, benachbarte Anoden zwischen einem Paar von im wesentlichen vertikalen Kathoden angeordnet, wobei jede Anode und gegenüberliegende parallele Kathode durch einen Zwischen-Elektrodenspalt voneinander beabstandet sind. Die benachbarten Anoden sind durch einen Elektrolyt-Abwärtsströmungsspalt beabstandet, in welchem mit Aluminiumoxid angereicherter Elektrolyt nach unten gerichtet strömt, bis er über die benachbarten Durchflussöffnungen der Anoden in die Zwischen-Elektrodenspalte zirkuliert. Der mit Aluminiumoxid angereicherte Elektrolyt erfährt in den Zwischen-Elektrodenspalten eine Elektrolyse, wodurch anodisch entwickelter Sauerstoff erzeugt wird, der mit Aluminiumoxid abgereicherten Elektrolyten nach oben in Richtung auf die Oberfläche des Elektrolyten antreibt, wo der Elektrolyt mit Aluminiumoxid angereichert wird, und die nach unten gerichtete Strömung des mit Aluminiumoxid angereicherten Elektrolyten induziert.
Die Anoden-Bauteile können beabstandete Platten, Stangen, Stäbe oder Drähte sein. Die Stangen, Stäbe oder Drähte können einen allgemein rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt haben, oder sie können einen Querschnitt haben, der einen oberen, im wesentlichen halbkreisförmigen Abschnitt und einen flachen Boden hat. Alternativ können die Stangen, Stäbe oder Drähte einen glockenförmigen oder tropfenförmigen Querschnitt haben.
Jede Platte, Stange, Stab oder Draht kann im wesentlichen geradlinig sein oder alternativ eine im wesentlichen konzentrische Anordnung haben, wobei jede Platte, Stange, Stab oder Draht eine Schlaufe bildet, um während des Betriebs die Kanteneffekte von dem Strom zu minimieren. Beispielsweise kann jede Platte, Stange, Stab oder Draht im wesentlichen kreisförmig, oval oder polygonal sein, speziell rechteckig oder quadratisch, vorzugsweise mit abgerundeten Ecken.
Jedes Anoden-Bauteil kann eine Baugruppe sein, die ein elektrisch leitfähiges erstes Bauteil bzw. ein Stützbauteil aufweist, das zumindest ein elektrochemisch aktives zweites Bauteil abstützt oder hält, wobei die Oberfläche des zweiten Bauteils die elektrochemisch aktive Fläche bildet. Um unnötige mechanische Belastungen in der Baugruppe infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil zu vermeiden, kann das erste Bauteil eine Vielzahl von beabstandeten "kurzen" zweiten Bauteilen abstützend halten.
Das elektrochemisch aktive zweite Bauteil kann elektrisch und mechanisch mit dem ersten Stützbauteil durch ein Zwischenverbindungsbauteil verbunden sein, wie zum Beispiel ein Flansch. Üblicherweise hat das erste Bauteil direkt oder indirekt Kontakt mit dem elektrochemisch aktiven zweiten Bauteil, und zwar entlang seiner gesamten Länge, wodurch während des Zellen-Betriebs der Strom-Pfad durch das elektrochemisch aktive Bauteil minimiert wird. Eine solche Konstruktion ist insbesondere für ein zweites Bauteil gut geeignet, das aus einem elektrochemisch aktiven Material hergestellt ist, das keine hohe elektrische Leitfähigkeit hat.
Eine solche Konstruktion des Anoden-Bauteils ist auch dann gut geeignet, wenn das Bauteil ein gesamter Körper aus elektrochemisch aktivem Material ist, das oxidationsbeständig und porös (wie zum Beispiel massives Oxid) ist, und das eine ionische Leitfähigkeit hat, das die Oxidation von Sauerstoffionen in dem aktiven Material ermöglicht. Wenn solch ein aktives Material das oxidierbare Substrat überdeckt, wird das Substrat möglicherweise oxidiert, wodurch es unter dem elektrochemisch aktiven Material expandiert, wodurch es zum Gegenstand von einer mechanischen Beschädigungsbelastung wird. Durch Bereitstellen eines Stützbauteils, das eine Sperre gegen Sauerstoff auf seiner Oberfläche hat, wie zum Beispiel Chromoxid, und das elektrisch leitfähig aber nicht notwendigerweise elektrochemisch aktiv ist, wird das Stützbauteil nicht durch möglichen ionischen Sauerstoff oxidiert, der es erreichen kann. Der ionische Sauerstoff verbleibt in dem elektrochemisch aktiven Material und wird darin möglicherweise in monoatomischen oder biatomischen Sauerstoff umgewandelt.
Die parallelen Anoden-Bauteile können miteinander verbunden sein, beispielsweise in einer Gitter-ähnlichen, Netz-ähnlichen oder Maschen-ähnlichen Konfiguration der Anoden-Bauteile. Um Kanten-Effekte von dem Strom zu vermeiden, können die äußeren Enden der Anoden-Bauteile miteinander verbunden sein, beispielsweise können sie so angeordnet sein, dass sie sich über einen allgemein rechteckigen Anoden-Umfangsrahmen von einer Seite zu einer gegenüberliegenden Seite des Rahmens erstrecken.
Alternativ kann die Verbindung durch zumindest ein Verbindungsbauteil erreicht werden. Möglicherweise sind die Anoden-Bauteile durch eine Vielzahl von Querverbindungsbauteilen verbunden, die wiederum durch ein oder mehrere Querbauteile miteinander verbunden sind. Für konzentrische Schlaufen-Konfigurationen können die Querverbindungsbauteile radial verlaufen. In diesem Fall verlaufen die radialen Verbindungsbauteile in radialer Richtung von der Mitte der parallelen Anoden-Bauteilanordnung, und wahlweise sind sie mit einem äußeren Ring am Umfang dieser Anordnung befestigt oder mit diesem integriert gebildet.
Vorteilhafterweise haben die Querverbindungsbauteile einen variablen Querschnitt, um eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte in den Verbindungsbauteilen vor und hinter jeder Verbindung mit einem Anoden-Bauteil zu gewährleisten. Dies betrifft auch das Querbauteil, falls vorhanden.
Üblicherweise hat jede Metall-Anode zumindest eine vertikale Stromzuführung, die ausgestaltet ist, um mit einer positiven Sammelschiene verbunden zu werden. Eine solche Strom zuführung ist mechanisch und elektrisch mit einem oder mehreren Querverbindungsbauteilen oder mit einem oder mehreren Querbauteilen verbunden, die durch eine Vielzahl von Querverbindungsbauteilen verbunden ist, so dass die Stromzuführung elektrischen Strom zu den Anoden-Bauteilen über das (die) Querverbindungsbauteil(e) leitet, und, falls vorhanden, durch das (die) Querbauteil(e). Wenn kein Querverbindungsbauteil vorhanden ist, dann ist die vertikale Stromzuführung direkt mit den Anoden-Bauteilen verbunden, die in einer Gitter-ähnlichen, Netz-ähnlichen oder Maschen-ähnlichen Konfiguration vorliegen.
Die vertikale Stromzuführung, die Anoden-Bauteile, die Querverbindungsbauteile und, falls vorhanden, die Querbauteile, können aneinander befestigt sein, wie zum Beispiel durch Gießen als eine Einheit. Außerdem ist eine Befestigung durch Schweißen oder durch andere mechanische Verbindungsmittel möglich.
Normalerweise, wenn die Anode nicht aus einem massiven elektrochemisch aktiven Material hergestellt ist, kann die Anode eine Sauerstoff entwickelnde Beschichtung aufweisen, die eine aufgebrachte Beschichtung oder eine Beschichtung sein kann, die durch Oberflächenoxidation von einem metallischen Anoden-Substrat erhalten wird. Üblicherweise ist die Beschichtung aus Metalloxid hergestellt, wie zum Beispiel Eisenoxid.
Die Anode(n) kann (können) sich langsam in dem Elektrolyten auflösen. Alternativ können die Betriebszustände der Zelle so sein, dass die oder jede Anode dimensionsstabil bleibt. Zum Beispiel kann eine ausreichende Menge von Anoden-Konstituenten in dem Elektrolyten aufrechterhalten werden, um die Anode(n) im wesentlichen dimensionsstabil zu halten, indem deren Auslösung in den Elektrolyten reduziert oder verhindert wird.
Die Zelle kann zumindest eine mit Aluminium benetzbare Kathode aufweisen. Die mit Aluminium benetzbare Kathode kann in einer drainierten Konfiguration vorliegen. Beispiele von drainierten Kathodenzellen sind in dem US-Patent 5,683,130 (de Nora), der WO 99/02764 und der WO 99/41429 (beide im Namen von de Nora/Duruz) beschrieben.
Die Zelle kann außerdem Einrichtungen aufweisen, um das Auflösen von Aluminiumoxid zu erleichtern, das dem Elektrolyten zugeführt wird, beispielsweise durch Verwendung von Elektrolyt-Leitbauteilen über den Anoden-Bauteilen, wie in der WO 00/40781 (de Nora) beschrieben, wodurch eine Aufwärtsströmung und/oder eine Abwärtsströmung des Elektrolyten durch und möglicherweise um die Anoden-Struktur herum induziert wird.
Die Elektrolyt-Leitbauteile können durch Gießen als eine Einheit, durch Schweißen oder durch Verwendung anderer mechanischer Verbindungseinrichtungen aneinander befestigt werden, um eine Baugruppe zu bilden. Diese Baugruppe kann mit der vertikalen Stromzuführung verbunden oder an der gelochten Anoden-Struktur befestigt oder darauf angeordnet sein.
Die Zelle kann außerdem Einrichtungen aufweisen, um die Oberfläche des Elektrolyten thermisch zu isolieren, um so die Bildung einer Elektrolyt-Kruste auf der Elektrolyt-Oberfläche zu verhindern, wie zum Beispiel eine isolierende Abdeckung über dem Elektrolyten, wie in der anhängigen Anmeldung WO 99/02763 (de Nora/Sekhar) beschrieben ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von Aluminium in einer Zelle, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Das Verfahren beinhaltet das Leiten von einem elektrischen Strom durch die Anoden-Bauteile von der oder jeder Anode als elektrischen Strom und von dort durch den Elektrolyten zu der Kathode als ein ionischer Strom, wodurch an der Kathode Aluminium und an den elektrochemisch aktiven Anoden-Flächen Sauerstoff hergestellt wird, dessen Entweichen eine Elektrolyt-Zirkulation durch die Durchflussöffnungen der Anode induziert.
Die Erfindung betrifft außerdem eine auf Metall-basierende Nicht-Kohlenstoff-Anode von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium, wie oben beschrieben. Die Anode hat eine elektrisch leitfähige Metall-Struktur mit einer elektrochemisch aktiven Anoden-Fläche, die gegen Oxidation und Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten beständig ist, an der während der Elektrolyse anodisch Sauerstoff entwickelt wird. Die Metall-Struktur hängt in den Elektrolyten, wobei deren aktive Anoden-Fläche im wesentlichen parallel zu der gegenüberliegenden planaren Kathoden-Fläche verläuft. Eine solche Metall-Struktur weist eine Reihe von in horizontaler Richtung länglichen Anoden-Bauteilen auf, wobei jedes Anoden-Bauteil eine Länge hat, die größer ist als deren Dicke. Die Anoden-Bauteile sind parallel zueinander angeordnet und in Querrichtung in einer allgemeinen koplanaren Anordnung voneinander beabstandet. Jedes Anoden-Bauteil hat eine elektrochemisch aktive Fläche. Die elektrochemisch aktiven Flächen der Anoden-Bauteile bilden die aktive Anoden-Fläche, die über eine Weite verläuft, deren Abmessungen sehr viel größer als die Dicke der länglichen Anoden-Bauteile ist. Die voneinander beabstandeten Anoden-Bauteile bilden in horizontaler Richtung längliche Durchflussöffnungen für die Zirkulation von Elektrolyt, die das schnelle Entweichen von anodisch erzeugtem Sauerstoff angetrieben wird.
Anoden-Materialien und Betrieb
Die Anoden der vorliegenden Erfindung können aus einem auf Eisenoxid basierenden Material bestehen oder vorzugsweise damit beschichtet sein, das durch Oxidieren der Oberfläche von dem Anoden-Substrat erhalten wird, das Eisen enthält. Beispiele von geeigneten Anoden-Materialien sind in größerem Detail in der WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/40783 (de Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) und WO 01/42535 (Duruz/de Nora) beschrieben.
Bei bekannten Verfahren gibt auch das am schlechtesten lösbare Anoden-Material wesentliche Mengen an Konstituenten in das Bad ab, was zu einer starken Kontaminierung des Aluminiumprodukts führt. Zum Beispiel liegt die Konzentration von Nickel (einer häufig vorkommende Komponente bei vorgeschlagenen, auf Metall basierenden Anoden), die in dem erzeugten Aluminium in kleinen Krustentests bei herkömmlichen Zellen-Betriebstemperaturen gefunden wurde, normalerweise zwischen 800 und 2.000 ppm, d.h. 4 bis 10 mal über dem maximal akzeptierbaren Wert, der 200 ppm beträgt.
Eisenoxide und speziell Hämatit (Fe₂O₃) haben eine höhere Lösbarkeit als Nickel in dem geschmolzenen Elektrolyt. Bei der industriellen Herstellung ist aber die Kontaminierungstoleranz des Aluminiumprodukts durch Eisenoxide ebenfalls sehr viel höher (bis zu 2.000 ppm) als für andere Metall-Verunreinigungen.
Die Lösbarkeit ist eine spezifische Eigenschaft von Anoden-Materialien und kann nicht auf andere Weise verändert werden als durch Modifikation der Elektrolyt-Zusammensetzung und/oder der Betriebstemperatur einer Zelle.
Kleine Krustentests, bei denen eine NiFe₂O₄/Cu Cermet-Anode verwendet wird, die unter stabilen Bedingungen betrieben wird, wurden durchgeführt, um die Konzentration von Eisen in geschmolzenem Elektrolyt und in dem Aluminiumprodukt unter verschiedenen Betriebsbedingungen nachzuweisen.
In dem Fall von Eisenoxid wurde herausgefunden, dass das Absenken der Temperatur des Elektrolyten die Lösbarkeit von Eisen-Spezies wesentlich vermindert. Dieser Effekt kann überraschend dazu genutzt werden, eine wesentliche Verbesserung des Zellenbetriebs zu erreichen, indem die Kontaminierung des Aluminiumprodukts durch Eisen begrenzt wird.
Es ist daher herausgefunden worden, dass dann, wenn die Betriebstemperatur der Zelle unter die Temperatur von herkömmlichen Zellen (950–970°C) vermindert wird, eine Anode, die mit einer äußeren Schicht aus Eisenoxid bedeckt ist, dimensions stabil gemacht werden kann, indem eine Konzentration von Eisen-Spezies und Aluminiumoxid in dem geschmolzenen Elektrolyt beibehalten wird, die ausreichend ist, um das Auflösen der Eisenoxid-Schicht zu vermindern oder zu unterdrücken, wobei die Konzentration von Eisen-Spezies niedrig genug ist, um den wirtschaftlich akzeptierbaren Wert von Eisen in dem Aluminiumprodukt nicht zu überschreiten.
Das Vorhandensein von gelöstem Aluminiumoxid in dem Elektrolyten an der Anoden-Fläche hat einen begrenzenden Effekt auf das Auflösen des Eisens von der Anode in den Elektrolyten, wodurch die Konzentration von Eisen-Spezies vermindert wird, was notwendig ist, um das Auflösen von Eisen von der Anode im wesentlichen zu unterbinden.
Wenn die elektrochemisch aktive Fläche der Anode(n) auf Eisenoxid basiert, dann kann der Elektrolyt eine Menge an Eisen-Spezies und gelöstetes Aluminiumoxid enthalten, wodurch eine Auflösung der elektrochemisch aktiven, auf Eisenoxid basierenden Fläche verhindert wird. Die Menge an Eisen-Spezies und an Aluminiumoxid, die in dem Elektrolyten gelöst ist und das Auflösen der auf Eisenoxid basierenden, elektrochemisch aktiven Fläche von der oder jeder Anode verhindert, muss so sein, dass das erzeugte Aluminium mit nicht mehr als 2.000 ppm Eisen kontaminiert ist, vorzugsweise nicht mehr als 1.000 ppm Eisen, und noch bevorzugter mit nicht mehr als 500 ppm Eisen.
Um in dem Elektrolyten die Menge an Anoden-Konstituenten, insbesondere Eisen-Spezies, aufrechtzuerhalten, wodurch bei der Betriebstemperatur das Auflösen von der oder jeder Anode vermieden wird, wenn die Aluminiumoxid-Zufuhr selbst nicht genug Eisen enthält, können die Konstituenten stoßweise in den Elektrolyten geleitet werden, beispielsweise periodisch zusammen mit Aluminiumoxid, oder kontinuierlich, zum Beispiel mit Hilfe einer Opfer-Elektrode. Wenn die elektrochemisch aktive Fläche der Anode auf Eisenoxid basiert, dann können Eisen-Spezies in den Elektrolyten in der Form von Eisenmetall und/oder einer Eisen zusammensetzung zugeführt werden, wie zum Beispiel Eisenoxid, Eisenfluorid, Eisenoxyfluorid und/oder eine Eisen-Aluminium-Legierung.
Um die Kontaminierung des Aluminiumprodukts durch kathodisch reduzierte Anoden-Konstituenten auf einen wirtschaftlich akzeptierbaren Wert zu begrenzen, muss die Zelle mit einer ausreichend geringen Temperatur betrieben werden, so dass die erforderliche Konzentration von gelöstem Aluniniumoxid und von Anoden-Konstituenten, insbesondere Eisen-Spezies, in dem Elektrolyten durch die verminderte Lösbarkeit von Eisen-Spezies in dem Elektrolyten bei der Betriebstemperatur begrenzt wird.
Die Zelle kann mit einer Betriebstemperatur des Elektrolyten von unter 910°C, üblicherweise 730 bis 870°C, betrieben werden. Der Elektrolyt kann NaF und AlF₃ in einem Molverhältnis NaF/AlF₃ enthalten, das für die Betriebstemperatur der Zelle erforderlich ist, und zwar zwischen 1,2 und 2,4. Die Menge des gelösten Aluminiumoxids, das in dem Elektrolyt enthalten ist, beträgt üblicherweise unter 8 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 2 Gew.-% und 6 Gew.-%.
Die inaktiven Teile der Anoden, die während des Zellenbetriebs dem geschmolzenen Elektrolyten ausgesetzt sind, insbesondere jene Teile in der Nähe der Oberfläche des Elektrolyten, können mit einer auf Zink basierenden Beschichtung geschützt sein, die insbesondere Zinkoxid mit oder ohne Aluminiumoxid oder Zinkaluminat enthält. Während des Zellenbetriebs muss Konzentration von gelöstem Aluminiumoxid in dem Elektrolyten bei oder über 3 bis 4 Gew.-% gehalten werden, um das Auflösen von einer solchen Fläche wesentlich zu verhindern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1a und 1b eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht von einer Anode gemäß der Erfindung zeigen;
2a und 2b eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht von einer anderen Anode gemäß der Erfindung zeigen;
3, 4, 5 und 6 Seitenansichten von Abwandlungen der in 1a und 1b gezeigten Anode zeigen;
7 und 8 Querschnittsansichten von mehrteiligen Anoden-Bauteilen gemäß der Erfindung zeigen;
9 eine Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium zeigt, die mit Anoden gemäß der Erfindung betrieben wird, die mit Elektrolyt-Leitbauteilen versehen sind;
10, 11 und 12 vergrößerte Ansichten von Teilen von Abwandlungen der in 9 gezeigten Elektrolyt-Leitbauteile sind, wobei 10 den Zellenbetrieb zeigt;
13 eine Querschnittsansicht von einer weiteren Anode gemäß der Erfindung mit Elektrolyt-Leitbauteilen ist, von denen nur eines gezeigt ist;
14 eine Ansicht von einer Hälfte von einer Baugruppe von mehreren Elektrolyt-Leitbauteilen ist, wie das eine, das in 13 gezeigt ist;
15 eine Ansicht von der in 13 gezeigten Anode ist, mit der Hälfte von einer Baugruppe von Elektrolyt-Leitbauteilen, wie in 14 gezeigt ist; und
16 eine Ansicht von einer Abwandlung der in 15 gezeigten Anode ist.
Detaillierte Beschreibung
1a und 1b zeigen schematisch eine Anode 10 von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium gemäß der Erfindung.
Die Anode 10 enthält eine vertikale Stromzuführung 11, um die Anode mit einer positiven Sammelschiene zu verbinden, ein Querbauteil 12 und ein Paar Querverbindungsbauteile 13, die mit einer Reihe von Anoden-Bauteilen 15 verbunden sind.
Die Anoden-Bauteile 15 haben eine elektrochemisch aktive untere Fläche 16, an der während des Zellenbetriebs anodisch Sauerstoff erzeugt wird. Die Anoden-Bauteile 15 haben die Form von parallelen Stangen in einer koplanaren Anordnung, die durch Zwischen-Bauteil-Spalte 17 seitlich voneinander beabstandet sind. Die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 bilden Durchflussöffnungen für die Zirkulation von Elektrolyt und das Entweichen von anodisch erzeugtem Gas, das an den elektrochemisch aktiven Flächen 16 freigesetzt wird.
Die Anoden-Bauteile 15 sind durch ein Paar Querverbindungsbauteile 13 in Querrichtung verbunden, die wiederum durch das Querbauteil 12 miteinander verbunden sind, an dem die vertikale Stromzuführung 11 montiert ist. Die Stromzuführung 11, das Querbauteil 12, die Querverbindungsbauteile 13 und die Anoden-Bauteile 15 sind durch Schweißen, Nieten oder andere Maßnahmen mechanisch miteinander verbunden.
Wie vorstehend beschrieben, kann die elektrochemisch aktive Fläche 16 der Anoden-Bauteile 15 auf Eisenoxid basieren, wie in der WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/40783 (de Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) und WO 01/42535 (Duruz/de Nora) beschrieben.
Das Querbauteil 12 und die Querverbindungsbauteile 13 sind über den Anoden-Bauteilen 15 so konstruiert und angeordnet, um eine im wesentlichen gleichmäßige Stromverteilung durch die Anoden-Bauteile 15 zu ihren elektrochemisch aktiven Flächen 16 zu bewirken. Die Stromzuführung 11, das Querbauteil 12 und die Querverbindungsbauteile 13 müssen nicht elektrochemisch aktiv sein, und deren Oberflächen können passiv sein, wenn sie dem Elektrolyten ausgesetzt sind. Sie sollten jedoch elektrisch gut leiten, um unnötige Spannungsabfälle zu vermeiden, und sie sollten sich im wesentlichen nicht in dem Elektrolyten auflösen.
Wenn die Anoden-Bauteile 15 und die Querbauteile 12 eine unterschiedliche thermische Expansion erfahren, kann jedes Anoden-Bauteil 15, wie in 1 gezeigt, als zwei (oder mehr, falls erforderlich) separate "kurze" Anoden-Bauteile hergestellt sein. Die "kurzen" Anoden-Bauteile müssen in Längsrichtung voneinander beabstandet sein, wenn die thermische Expansion der Anoden-Bauteile 15 größer ist als die thermische Expansion der Querbauteile 12.
Alternativ kann es in einigen Fällen vorteilhaft sein, um speziell die Gleichförmigkeit der Stromverteilung zu verbessern, mehr als zwei Querverbindungsbauteile 13 und/oder eine Vielzahl von Querbauteilen 12 zu haben.
Es ist außerdem nicht erforderlich, dass die beiden Querverbindungsbauteile 13 senkrecht zu den Anoden-Bauteilen 15 in einer parallelen Konfiguration angeordnet sind, wie in 1 gezeigt. Die Querverbindungsbauteile 13 können auch in einer X-Konfiguration vorliegen, in der sich jedes Verbindungsbauteil 13 beispielsweise von einer Ecke zu der gegenüberliegenden Ecke von einer rechteckigen oder quadratischen Anoden-Struktur erstreckt, wobei eine vertikale Stromzuführung 11 mit dem Schnittpunkt der Verbindungsbauteile 13 verbunden ist.
2a und 2b zeigen schematisch eine Abwandlung der in 1a und 1b gezeigten Anode. Statt des Vorsehens von Quer verbindungsbauteilen 13, eines Querbauteils 12 und einer Stromzuführung 11 für die mechanische und elektrische Verbindung der Anoden-Bauteile 15 mit einer positiven Sammelschiene, wie in 1a und 1b dargestellt, enthält die Anode 10, wie in 2a und 2b gezeigt, ein Paar von gegossenen oder profilierten Stützbauteilen 14, die die gleiche Funktion erfüllen. Jedes gegossene Stützbauteil 14 weist einen unteren horizontal verlaufenden Fuß 14a, um elektrisch und mechanisch mit den Anoden-Bauteilen 15 verbunden zu werden, einen Schaft 14b, um die Anode 10 mit einer positiven Sammelschiene zu verbinden, und ein Paar seitlichen Verstärkungsflanschen 14c zwischen dem sich horizontal erstreckenden Fuß 14a und dem Schaft 14b auf.
Die Anoden-Bauteile 15 können durch einen Festsitz oder durch Schweißen an dem horizontalen Fuß 14a befestigt werden. Als eine Alternative kann die Form der Anoden-Bauteile 15 und der entsprechenden Aufnahmeschlitze in dem Fuß 14a so sein, um lediglich längsgerichtete Bewegungen der Anoden-Bauteile zu ermöglichen. Beispielsweise können die Anoden-Bauteile 15 und der Fuß 14a durch Schwalbenschwanz-Verbindungen verbunden werden.
3 bis 6 zeigen eine Reihe von Anoden 10 gemäß der Erfindung, die ähnlich zu der Anode 10 sind, die in 1a und 1b gezeigt ist. Jedoch sind die Querschnitte der Anoden-Bauteile 15 der Anoden 10, die in 3 bis 6 gezeigt sind, verschieden von dem kreisförmigen Querschnitt der Anoden-Bauteile 10, die in 1a und 1b gezeigt sind.
Die Anoden-Bauteile 15 der in 3 gezeigten Anode haben einen Querschnitt mit einem im wesentlichen halbkreisförmigen oberen Abschnitt und einem flachen Boden, der die chemisch aktive Fläche 16 von jedem Anoden-Bauteil 15 bildet.
4 zeigt Anoden-Bauteile 15 in der Form von Stangen, die einen allgemein glockenförmigen oder tropfenförmigen Quer schnitt haben. Die elektrochemisch aktive Fläche 16 der Anoden-Bauteile 10 befindet sich entlang des Bodens der Glocken- oder Tropfenform.
Die in 5 gezeigten Anoden-Bauteile 15 sind Stangen mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Die elektrochemisch aktive Fläche 16 verläuft entlang der unteren schmalen Seite der Stange.
6 und 7 zeigen eine Anode 10 mit zusammengebauten mehrteiligen Anoden-Bauteilen 15 mit einem ersten Bauteil 15b, durch das ein elektrochemisch aktives zweites Bauteil 15a abstützend gehalten wird. Das elektrochemisch aktive Bauteil 15a hat eine elektrochemisch aktive Fläche 16 und ist entlang seiner gesamten Länge mit dem elektrisch gut leitenden Stützbauteil 15b durch ein Zwischenverbindungsbauteil 15c verbunden, wie zum Beispiel ein Flansch. Diese Anoden-Bauteil-Konstruktion ist insbesondere für elektrochemisch aktives Material ausgestaltet, das eine geringe elektrische Leitfähigkeit hat und/oder ionisch konduktiv ist, wie vorstehend erläutert.
7 zeigt eine vergrößerte Ansicht von dem zusammengebauten Anoden-Bauteil 15 aus 6, mit einem im wesentlichen zylindrischen elektrochemisch aktiven Bauteil 15a, das eine elektrochemisch aktive Fläche 16 hat, einem im wesentlichen zylindrischen elektrisch leitfähigen Stützbauteil 15b und einem Zwischenverbindungsbauteil bzw. einem Flansch 15c, durch den das Stützbauteil 15b elektrisch und mechanisch mit dem elektrochemisch aktiven Bauteil 15a verbunden ist. Alternativ kann das Verbindungsbauteil 15c eine weite von entweder dem elektrochemisch aktiven Bauteil 15a oder dem Stützbauteil 15b haben, wie in 8 gezeigt.
Das Zwischenverbindungsbauteil 15c, das in 7 gezeigt ist, kann mit dem elektrochemisch aktiven Bauteil 15a und mit dem Stützbauteil 15b durch einen Festsitz oder durch Schweißen verbunden sein. Jedoch können diese Teile mechanisch verbunden sein, indem eine geeignete Geometrie der Verbindungsbauteile 15c und der entsprechenden Aufnahmeschlitze des elektrochemisch aktiven Bauteils 15a und des Stützbauteils 15b vorgesehen ist, beispielweise durch Schwalbenschwanz-Verbindungen.
Das elektrochemisch aktive Bauteil 15a, das in 7 und 8 gezeigt ist, kann auf Eisenoxid basieren, und zwar mit oder ohne Additive, wie zum Beispiel eine oxidierte Eisen-Nickel-Legierung, wie in den vorstehend genannten PCT-Veröffentlichungen offenbart. Alternativ kann das aktive Bauteil 15a aus einem Ferrit hergestellt sein, wie zum Beispiel Nickel-Ferrit, oder einer oxidierten Legierung, wie beispielsweise eine Gußlegierung aus zumindest zwei Metallen, die aus Nickel, Eisen, Kupfer und Aluminium ausgewählt sind.
Das in 7 und 8 gezeigte Stützbauteil 15b und das Verbindungsbauteil 15c, das in 7 gezeigt ist, sind vorzugsweise sehr leitfähig und können einen metallischen Kern aufweisen, beispielsweise aus Kupfer, der mit einem Elektrolyt-beständigen Material beschichtet ist, wie beispielsweise die Materialien, die vorstehend erläutert wurden, die für das elektrochemisch aktive Bauteil 15a geeignet sind.
Wie oben erläutert, kann jedes Stützbauteil 15b eine Vielzahl von in Längsrichtung voneinander beabstandeten "kurzen" elektrochemisch aktiven Bauteilen 15a abstützend halten, um unnötige mechanische Belastungen in der Baugruppe in Folge von unterschiedlicher thermischer Expansion zwischen den elektrochemisch aktiven Bauteilen 15a und den Stützbauteilen 15b zu vermeiden.
Bei einer Abwandlung können die elektrochemisch aktiven Bauteile 15a und/oder das Stützbauteil 15b auch horizontal verlaufende Prismen sein, beispielsweise mit einer rechteckigen Basis.
9 zeigt eine Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium gemäß der Erfindung mit einer Reihe von im wesentlichen horizontal verlaufenden Anoden 10, die ähnlich denen sind, die in 1a und 1b gezeigt sind und die in den Elektrolyten 30 eingetaucht sind. Die Anoden 10 sind einem horizontalen Kathoden-Zellenboden 20 zugewandt, der durch Stromleiterstangen 21 mit einer negativen Sammelschiende verbunden ist. Der Kathoden-Zellenboden 20 ist aus einem leitfähigen Material hergestellt, wie zum Beispiel Graphit oder andere Kohlenstoffhaltige Materialien, die mit einer mit Aluminium benetzbaren, hitzebeständigen kathodischen Beschichtung 22 beschichtet sind, auf der Aluminium 35 erzeugt wird und von der es abläuft oder auf der es ein flaches Bad oder ein tiefes Bad oder ein stabilisiertes Bad bildet. Das geschmolzene erzeugte Aluminium 35 ist von den zugewandten Anoden 10 durch einen Zwischen-Elektrodenspalt beabstandet.
Paare von Anoden 10 sind mit einer positiven Sammelschiene über eine erste vertikale Stromzuführung 11' und einen horizontalen Stromverteiler 11'' verbunden, der an seinen beiden Enden über einen zweiten vertikalen Stromverteiler 11''' mit einer gelochten Anode 10 verbunden ist.
Der zweite vertikale Stromverteiler 11''' ist an der Anoden-Struktur 12, 13, 15 an einem Querbauteil 12 montiert, das wiederum mit einem Paar Querverbindungsbauteile 13 verbunden ist, um eine Reihe von Anoden-Bauteilen 15 zu befestigen. Die Stromzuführungen 11', 11'', 11''', das Querbauteil 12, die Querverbindungsbauteile 13 und die Anoden-Bauteile 15 sind durch Verschweißungen, durch Nieten oder durch andere Einrichtungen mechanisch verbunden.
Die Anoden-Bauteile 15 haben eine elektrochemisch aktive untere Fläche 16, an denen während des Zellenbetriebs anodisch Sauerstoff erzeugt wird. Die Anoden-Bauteile 15 haben die Form von parallelen Stangen in einer gelochten, koplanaren Anordnung, die durch Zwischen-Bauteil-Spalte 17 seitlich voneinander beab standet sind. Die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 bilden Durchflussöffnungen für die Zirkulation von Elektrolyt und das Entweichen von anodisch erzeugtem Gas von den elektrochemisch aktiven Flächen 16.
Das Querbauteil 12 und die Querverbindungsbauteile 13 bewirken eine im wesentlichen gleichmäßige Stromverteilung durch die Anoden-Bauteile 15 zu deren elektrochemisch aktiven Flächen 16. Die Stromzuführung 11, das Querbauteil 12 und die Querverbindungsbauteile 13 müssen nicht elektrochemisch aktiv sein, und deren Oberflächen können passiv sein, wenn sie dem Elektrolyten ausgesetzt sind. Sie sollten jedoch elektrisch gut leiten, um unnötige Spannungsabfälle zu vermeiden, und sie sollten sich im wesentlichen nicht in dem Elektrolyten auflösen.
Die aktive Fläche 16 der Anoden-Bauteile 15 kann auf Eisenoxid basieren. Geeignete Anoden-Materialien sind in den obigen PCT-Veröffentlichungen offenbart.
Die Eisenoxid-Oberfläche kann sich über alle eingetauchten Teile 11''', 12, 13, 15 der Anode 10 erstrecken, insbesondere über den eingetauchten Teil von dem zweiten vertikalen Stromverteiler 11''', der vorzugsweise mit Eisenoxid bedeckt ist, und zwar bis zumindest 10 cm über der Fläche des Elektrolyten 30.
Die eingetauchten, aber inaktiven Teile der Anode 10 können außerdem mit Zinkoxid beschichtet sein. Außerdem, wenn Teile der Anode 10 mit Zinkoxid beschichtet sind, muss die Konzentration des gelösten Aluminiumoxids in dem Elektrolyten 30 bei über 4 Gew.-% gehalten werden, um eine übermäßige Auflösung von Zinkoxid in den Elektrolyten 30 zu verhindern.
Der Kern von allen Anoden-Komponenten 11', 11'', 11''', 12, 13, 15 ist vorzugsweise sehr leitfähig und kann aus Kupfer hergestellt sein, geschützt durch aufeinanderfolgende Schichten aus Nickel, Chrom, Nickel, Kupfer und wahlweise einer weiteren Schicht aus Nickel.
Die Anoden 10 sind außerdem mit einer Reihe von Einrichtungen versehen, um das Auflösen von zugeführtem Aluminiumoxid zu unterstützen, und zwar in der Form von Elektrolyt-Leitbauteilen 5, die aus parallelen, beabstandeten, geneigten Ablenkplatten 5 gebildet sind, die oberhalb und benachbart zu der gelochten Anoden-Struktur 12, 13, 15 angeordnet sind. Die Ablenkplatten 5 haben obere, nach unten gerichtet konvergierende Flächen 6 und untere, nach oben gerichtet konvergierende Flächen 7, die gasförmigen Sauerstoff ablenken, der anodisch unter der elektrochemisch aktiven Fläche 16 der Anoden-Bauteile 15 erzeugt wird und der zwischen den Zwischen-Bauteil-Spalten 17 durch die gelochte Anoden-Struktur 12, 13, 15 entweicht. Der Sauerstoff, der über den Ablenkplatten 5 freigesetzt wird, unterstützt das Auflösen von Aluminiumoxid, das dem Elektrolyten 30 oberhalb der nach unten gerichtet konvergierenden Flächen 6 zugeführt wird.
Eine ähnliche Anoden-Konstruktion wurde in dem US-Patent 4,263,107 (Pellegri) vorgeschlagen, um die Elektrolyt-Zirkulation bei einer wässrigen Salzlaugen-Elektrolyse zu verbessern. Die Anode war aus herkömmlichen Anoden-Materialien für die Salzlaugen-Elektrolyse hergestellt, zum Beispiel Titan beschichtet mit einem Metalloxid aus der Platin-Gruppe, mit einer aktiven gelochten Anoden-Struktur. Obwohl diese Anoden-Konstruktion für die Elektrolyt-Zirkulation und Gas-Freigabe bei der Salzlaugen-Elektrolyse gut angepasst war, wurde nie vorgeschlagen oder angeregt, sie für Zellen für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zu verwenden, die sich wesentlich von Chlor-Alkali-Zellen unterscheiden, und um insbesondere das Auflösen von zugeführtem Aluminiumoxid zu verbessern.
Die Aluminium-benetzbare kathodische Beschichtung 22 der Zelle, wie in 9 gezeigt, kann vorteilhafterweise eine durch Schlamm aufgebrachte, hitzebeständige Hartmetall-Beschichtung sein, wie in dem US-Patent 5,651,874 (de Nora/Sekhar) vorgeschlagen. Vorzugsweise beinhaltet die Aluminium-benetzbare kathodische Beschichtung 22 eine dicke Beschichtung aus hitzebeständigem Hartmetall-Borid, wie zum Beispiel TiB₂, wie in der WO 98/17842 (Sekhar/Duruz/Liu) offenbart, die besonders gut geeignet ist, um den Kathodenboden einer drainierten Zelle zu schützen, wie in 9 gezeigt.
Die Zelle hat außerdem Seitenwände 25 aus kohlenstoffhaltigem Material oder aus einem anderen Material. Die Seitenwände 25 sind über der Oberfläche des Elektrolyten 30 mit einer Bor- oder einer schützenden Phosphat-Beschichtung/Imprägnierung 26 beschichtet/inprägniert, wie in dem US-Patent 5,486,278 (Manganiello/Duruz/Bellò) und in dem US-Patent 5,534,130 (Sekhar) beschrieben.
Unter der Oberfläche des Elektrolyten 30 sind die Seitenwände 25 mit einer Aluminium-benetzbaren Beschichtung 23 beschichtet, so dass geschmolzenes Aluminium 35, das durch Kapillar- und magnetohydrodynamische Kräfte getrieben wird, die Seitenwände 25 überdeckt und vor dem Elektrolyt 35 schützt. Die Aluminium-benetzbare Beschichtung 23 erstreckt sich von der Aluminium-benetzbaren kathodischen Beschichtung 22 über die Fläche der verbindenden Eckprismen 28 an den Seitenwänden 25 hoch bis zumindest zur Oberfläche des Elektrolyten 30. Die Aluminium-benetzbare Seiten-Beschichtung 23 kann vorteilhafterweise aus einem aufgebrachten und getrockneten und/oder hitzebehandelten Schlamm aus partikelförmigem TiB₂ in kolloidalem Silika hergestellt sein, die in einem hohen Maße mit Aluminium benetzbar ist.
Alternativ können die Seitenwände 25 oberhalb und unterhalb der Oberfläche des Elektrolyten 30 mit einer auf Zink-basierenden Beschichtung beschichtet sein, wie zum Beispiel eine Zinkoxid-Beschichtung, wahlweise mit Aluminiumoxid oder eine Zinkaluminat-Beschichtung. Wenn eine auf Zink-basierende Beschichtung verwendet wird, um die Seitenwände 25 oder die Anoden 10 zu beschichten, wie vorstehend beschrieben, muss die Konzentration von gelöstem Aluminiumoxid in dem geschmolzenen Elektrolyt 30 oberhalb von 4 Gew.-% gehalten werden, um eine Auflösung einer solchen Beschichtung im wesentlichen zu verhindern.
Während des Zellenbetriebs wird dem Elektrolyten 30 über den Ablenkplatten 5 und der Metall-Anoden-Struktur 12, 13, 15 Aluminiumoxid zugeführt. Das zugeführte Aluminiumoxid wird aufgelöst und von dem unteren Ende der konvergierenden Flächen 6 in dem Zwischen-Elektroden-Spalt durch die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 und um die Kanten der Metall-Anoden-Struktur 12, 13, 15 herum verteilt, d.h. zwischen benachbarten Paaren von Anoden 10 oder zwischen Umfangs-Anoden 10 und Seitenwänden 25. Durch das Leiten von elektrischem Strom zwischen den Anoden 10 und dem zugewandten Kathoden-Zellenboden 20 wird an den elektrochemisch aktiven Anoden-Flächen 16 Sauerstoff erzeugt, und es wird Aluminium erzeugt, das in das kathodische geschmolzene Aluminium übergeht. Der an den aktiven Flächen 16 erzeugte Sauerstoff entweicht durch die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 und wird von den nach oben gerichtet konvergierenden Flächen 7 der Ablenkplatten 5 abgefangen. Der Sauerstoff entweicht von den obersten Enden der nach oben gerichtet konvergierenden Flächen 7, wodurch das Auflösen von Aluminiumoxid verbessert wird, das über den nach unten konvergierenden Flächen 6 zugeführt wird.
Die Zellen für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium, die teilweise in 10, 11 und 12 gezeigt sind, sind ähnlich der Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium, die in 9 gezeigt ist.
In 10 sind die Leitbauteile geneigte Ablenkplatten 5, wie in 9 gezeigt. In diesem Beispiel befindet sich das oberste Ende von jeder Ablenkplatte 5 knapp über der mittleren Höhe zwischen der Oberfläche des Elektrolyten 30 und den Querverbindungsbauteilen 13.
Wie in 10 ebenfalls gezeigt, wird eine Elektrolyt-Zirkulation 31 durch das Entweichen von Gas erzeugt, das an den aktiven Flächen 16 der Anoden-Bauteile 15 zwischen den Zwischen-Bauteil-Spalten 17 freigesetzt wird, das durch die nach oben gerichtet konvergierenden Flächen 7 der Ablenkplatten 5 abgelenkt wird, die das Gas und die Elektrolyt-Strömung zwischen ihren obersten Kanten einengen. Von den obersten Kanten der Ablenkplatten 5 entweicht das anodisch erzeugte Gas in Richtung auf die Oberfläche des Elektrolyten 30, wohingegen die Elektrolyt-Zirkulation 31 nach unten durch die nach unten gerichtet konvergierenden Flächen 6, durch die Zwischen-Bauteil-Spalte und um die Kanten der Metall-Anoden-Struktur 12, 13, 15 strömt, um den Druck zu kompensieren, der durch das anodisch erzeugte Gas unter den aktiven Flächen 17 der Anoden-Bauteile 15 erzeugt wird. Die Elektrolyt-Zirkulation 31 strömt nach unten in den Zwischen-Elektroden-Spalt, wodurch Aluminiumoxidpulver 32 aufgelöst wird, das oberhalb der nach unten gerichtet konvergierenden Flächen 6 zugeführt wird.
11 zeigt einen Teil von einer Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, wobei die Ablenkplatten 5 als Elektrolyt-Leitbauteile dienen, wie jene, die in der Zelle aus 9 gezeigt sind, aber deren Flächen lediglich teilweise konvergieren. Die unteren Abschnitte 4 der Ablenkplatten 5 verlaufen vertikal und parallel zueinander, wohingegen ihre oberen Abschnitte nach oben gerichtet und nach unten gerichtet konvergierende Flächen 6, 7 haben. Das oberste Ende von den Ablenkplatten 5 befindet sich unterhalb aber nahe der Oberfläche des Elektrolyten 30, um die Turbulenz an der Elektrolyt-Oberfläche zu verstärken, die durch die Freigabe von anodisch erzeugtem Gas bewirkt wird.
12 zeigt eine Abwandlung der in 11 gezeigten Ablenkplatten, bei denen parallele vertikale Abschnitte 4 über den konvergierenden Flächen 6, 7 angeordnet sind.
Durch das Leiten und Einengen von anodisch erzeugtem Sauerstoff in Richtung auf die Oberfläche des Elektrolyten 30 mit Ablenkplatten oder anderen Einengungsmitteln, insbesondere wie in 11 und 12 gezeigt und außerdem in der WO 00/40781 (de Nora) beschrieben, wird Sauerstoff so nahe zur Oberfläche freigegeben, um oberhalb der nach unten gerichtet konvergieren den Flächen 6 Turbulenzen zu erzeugen, wodurch das Auflösen von Aluminiumoxid verbessert wird, das darüber zugeführt wird.
Es soll verstanden werden, dass die Elektrolyt-Einengungsbauteile 5, die in 9, 10, 11 und 12 gezeigt sind, entweder längliche Ablenkplatten sein können oder stattdessen eine Reihe von vertikalen Trichterkanälen mit einem runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen, wie zum Beispiel nachstehend beschrieben wird.
13 und 15 zeigen eine Anode 10' mit einem runden Boden, wobei die Anode 10' in 5 im Querschnitt und in 15 von oben gezeigt ist. An der rechten Seite von 13 und 15 ist die Anode 10' mit Elektrolyt-Leitbauteilen 5' gemäß der Erfindung gezeigt. Die Elektrolyt-Leitbauteile 5', die in 15 dargestellt sind, sind in 14 separat gezeigt.
Die in 13 und 15 gezeigte Anode 10' hat mehrere konzentrische runde Anoden-Bauteile 15. Die Anoden-Bauteile 15 sind durch Zwischen-Bauteil-Spalte 17 seitlich voneinander beabstandet und durch radiale Verbindungsbauteile in der Form von Flanschen 13 miteinander verbunden, die mit einem äußeren Ring 13' verbunden sind. Der äußere Ring 13' verläuft vertikal von den äußersten Anoden-Bauteilen 15, wie in 13 gezeigt, um mit den radial verlaufenden Flanschen 13 eine Rad-ähnliche Struktur 13, 13' zu bilden, wie in 15 gezeigt, durch die die Anoden-Bauteile 15 an einer zentralen Anoden-Stromzuführung 11 befestigt sind.
Wie in 13 gezeigt, geht das innerste runde Anoden-Bauteil 15 teilweise in die Stromzuführung 11 über, deren Kanäle 18 zwischen dem innersten runden Anoden-Bauteil 15 und der Stromzuführung 11 verlaufen, um das Entweichen von Sauerstoff zu ermöglichen, das unter der zentralen Stromzuführung 11 erzeugt wird.
Jedes Elektrolyt-Leitbauteil 5' hat im wesentlichen die Form von einem Trichter mit einer breiten unteren Öffnung 9 zur Aufnahme von anodisch erzeugtem Sauerstoff und einer engen oberen Öffnung 8, aus der der Sauerstoff freigegeben wird, um das Auflösen von Aluminiumoxid zu unterstützen, das oberhalb der Elektrolyt-Leitbauteile 5' zugeführt wird. Die innere Fläche 7 des Elektrolyt-Leitbauteils 5' ist dazu ausgestaltet, um eine nach oben gerichtete Elektrolyt-Strömung zu kanalisieren und zu unterstützen, die durch anodisch erzeugten Sauerstoff getrieben wird. Die äußere Oberfläche 6 des Elektrolyt-Leitbauteils 5' ist dazu ausgestaltet, um das Auflösen von Aluminiumoxid zu unterstützen, das von oben zugeführt wird, und um mit Aluminiumoxid angereicherten Elektrolyt nach unten zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt zu führen, wobei der Elektrolyt hauptsächlich um die gelochte Struktur herumströmt.
Wie in 14 und 15 gezeigt, sind die Elektrolyt-Leitbauteile 5' in einer runden Anordnung angeordnet, wobei lediglich eine Hälfte der Anordnung gezeigt ist. Die Elektrolyt-Leitbauteile 5' sind durch Befestigungen 3 seitlich miteinander befestigt und so angeordnet, um über den Anoden-Bauteilen 15 gehalten zu werden, wobei die Befestigungen 3 beispielsweise an den Flanschen 13 angeordnet oder befestigt sind, wie in 15 gezeigt, falls erforderlich. Jedes Elektrolyt-Leitbauteil 5' ist in einem runden Sektor angeordnet, der durch zwei benachbarte radiale Flansche 13 und durch einen Bogen von dem äußeren Ring 13' gebildet ist, wie in 15 gezeigt.
Die Anordnung der Elektrolyt-Leitbauteile 5' und der Anode 10' kann als Einheiten geformt sein. Das hat den Vorteil, dass mechanischen Verbindungen und die Gefahr der Veränderung der Eigenschaften der Materialien der Elektrolyt-Leitbauteile 5' oder der Anode 10' durch das Schweißen vermieden werden.
Die Anoden 10' und die Elektrolyt-Leitbauteile 5' können aus irgendeinem geeigneten Material, das einer Oxidation und dem Fluorid enthaltenden geschmolzenen Elektrolyt widersteht, herge stellt sein, wie beispielsweise in den obigen PCT-Veröffentlichungen offenbart ist.
16 zeigt eine quadratische Anode 10' als eine Abwandlung der runden Anode 10' aus 13 und 15. Die Anode 10' aus 16 hat allgemein rechteckige, konzentrische, parallele Anoden-Bauteile 15 mit abgerundeten Kanten. Die die Anode 10', wie in 16 gezeigt, kann mit Elektrolyt-Leitbauteilen versehen sein, ähnlich denen aus 13 bis 15, jedoch in einer entsprechend rechteckigen Anordnung.

Claims

Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist, mit zumindest einer auf Metall basierenden Nicht-Kohlenstoff-Anode, die eine elektrisch leitfähige Metall-Struktur mit einer elektrochemisch aktiven Anoden-Fläche aufweist, an der während der Elektrolyse anodisch Sauerstoff erzeugt wird, wobei die Metall-Struktur in den Elektrolyten hängt, deren aktive Anoden-Fläche im wesentlichen parallel zu einer zugewandten, planaren Kathoden-Fläche verläuft, die Metall-Struktur eine Reihe von in horizontaler Richtung länglichen Anoden-Bauteilen aufweist, jedes Anoden-Bauteil eine Länge hat, die sehr viel größer ist als dessen Dicke, die Anoden-Bauteile parallel zueinander angeordnet und in Querrichtung in einer im wesentlichen koplanaren Anordnung voneinander beabstandet sind, jedes Anoden-Bauteil eine elektrochemisch aktive Fläche hat, die elektrochemisch aktiven Flächen der Anoden-Bauteile die aktive Anoden-Fläche bilden, die über eine Weite verläuft, deren Abmessungen sehr viel größer sind als die Dicke der länglichen Anoden-Bauteile, und die voneinander beabstandeten Anoden-Bauteile in horizontaler Richtung längliche Durchflussöffnungen für die Zirkulation von Elektrolyt bilden, der durch das schnelle Entweichen von anodisch erzeugtem Sauerstoff angetrieben wird.
Zelle nach Anspruch 1, bei der eine oder mehrere Durchflussöffnungen von der oder von jeder Anoden-Struktur für das Strömen von mit Aluminiumoxid abgereichertem Elektrolyten weg von einer Elektrolysezone zwischen der (den) Anode(n) und der Kathode ausgestaltet ist.
Zelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine oder mehrere Durchflussöffnungen von der oder von jeder Anoden-Struktur für die Strömung von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyten zu einer Elektrolysezone zwischen der (den) Anode(n) und der Kathode ausgestaltet sind.
Zelle nach Anspruch 2 oder 3, bei der ein Teil des Elektrolyten um die oder um jede Metall-Anoden-Struktur zirkuliert.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die aktive Anoden-Fläche im wesentlichen horizontal verläuft.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die aktive Anoden-Fläche im wesentlichen vertikal verläuft.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die aktive Anoden-Fläche bezüglich der Horizontalen geneigt ist.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anoden-Bauteile voneinander beabstandete Platten sind.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Anoden-Bauteile voneinander beabstandete Stäbe, Stangen oder Drähte sind.
Zelle nach Anspruch 9, bei der die Stangen, Stäbe oder Drähte einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben.
Zelle nach Anspruch 9, bei der die Stangen, Stäbe oder Drähte einen Querschnitt mit einem oberen, im wesentlichen halbkreisförmigen Abschnitt und einem flachen Boden haben.
Zelle nach Anspruch 9, bei der die Stangen, Stäbe oder Drähte einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben.
Zelle nach Anspruch 9, bei der die Stangen, Stäbe oder Drähte einen im wesentlichen glockenförmigen oder tropfenförmigen Querschnitt haben.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Anoden-Bauteile voneinander beabstandete Platten, Stangen, Stäbe oder Drähte sind, die im wesentlichen geradlinig sind.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Anoden-Bauteile voneinander beabstandete Platten, Stangen, Stäbe oder Drähte sind, die eine im wesentlichen konzentrische Anordnung haben, wobei jede Platte, Stange, Stab oder Draht eine Schlaufe bildet.
Zelle nach Anspruch 15, bei der jede Platte, Stange, Stab oder Draht im wesentlichen kreisförmig, oval oder polygonal ist.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes Anoden-Bauteil ein elektrisch leitfähiges erstes Stützbauteil aufweist, durch das zumindest ein elektrochemisch aktives zweites Bauteil abstützend gehalten ist, wobei die Oberfläche von dem zweiten Bauteil die elektrochemisch aktive Fläche bildet.
Zelle nach Anspruch 17, bei der das erste Bauteil eine Vielzahl von zweiten Bauteilen abstützend hält, die voneinander beabstandet sind, um eine unterschiedliche thermische Expansion zu ermöglichen.
Zelle nach Anspruch 17, bei der das zweite Bauteil durch ein Zwischenverbindungsbauteil elektrisch und mechanisch mit dem ersten Bauteil verbunden ist.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anoden-Bauteile durch ein oder mehrere Querverbindungsbauteile miteinander verbunden sind.
Zelle nach Anspruch 20, bei der die Anoden-Bauteile in Querrichtung durch eine Vielzahl von Querverbindungsbauteilen verbunden sind, die wiederum durch ein oder mehrere Querbauteile miteinander verbunden sind.
Zelle nach Anspruch 20, bei der die oder jede Anode eine vertikale Stromzuführung aufweist, die dazu ausgestaltet ist, um mit einer positiven Sammelschiene verbunden zu werden, die mechanisch und elektrisch mit einem oder mehreren Querverbindungsbauteilen oder mit zumindest einem Querbauteil verbunden ist, durch das eine Vielzahl von Querverbindungsbauteilen verbunden sind, um elektrischen Strom durch das (die) Querverbindungsbauteil(e) und, sofern vorhanden, durch das (die) Querbauteil(e) zu den Anoden-Bauteilen zu leiten.
Anode nach Anspruch 22, bei der die vertikale Stromzuführung, die Anoden-Bauteile, das (die) Querverbindungsbauteil(e) und, sofern vorhanden, das (die) Querbauteil(e) als eine Einheit miteinander verbunden sind.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest die aktive Anoden-Fläche von der oder jeder Anode mit einer Sauerstoff entwickelnden Beschichtung beschichtet ist.
Zelle nach Anspruch 24, bei der die elektrochemische aktive Anoden-Fläche aus einem Metalloxid hergestellt ist, vorzugsweise Eisenoxid.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die unter solchen Bedingungen arbeitet, um die oder jede Anode dimensionsstabil zu halten.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kathode mit Aluminium benetzbar ist.
Zelle nach Anspruch 27, bei der die Kathode in einer drainierten Konfiguration ausgestaltet ist.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit Einrichtungen versehen ist, um das Auflösen von Aluminiumoxid zu unterstützen, das dem Elektrolyten zugegeben wird.
Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit Einrichtungen versehen ist, um die Oberfläche des Elektrolyten thermisch zu isolieren, um die Ausbildung einer Elektrolytkruste auf der Oberfläche des Elektrolyten zu verhindern.
Verfahren zum Herstellen von Aluminium in einer Zelle nach Anspruch 1, mit dem Leiten eines elektrischen Stroms durch die Anoden-Bauteile von der oder von jeder Anode als ein elektrischen Strom und dort aus durch den Elektrolyten zu der Kathode als ein ionischer Strom, wodurch Aluminium an der Kathode und Sauerstoff an der elektrochemisch aktiven Anoden-Fläche erzeugt wird, durch dessen Entweichen eine Elektrolyt-Zirkulation durch die Durchflussöffnungen induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 31, mit dem Aufrechterhalten einer ausreichenden Menge an gelöstem Aluminiumoxid und von einem oder mehreren Anoden-Konstituenten in dem Elektrolyten, um die Anode(n) dimensionsstabil zu halten, indem deren Auflösen in den Elektrolyten verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die Zelle bei einer ausreichend geringen Temperatur betrieben wird, um die Löslichkeit der Anoden-Konstituenten in den Elektrolyten zu begrenzen, wodurch die Kontaminierung des erzeugten Aluminiums durch kathodisch reduzierte Anoden-Konstituenten auf einen akzeptierbaren Wert begrenzt wird.
Auf Metall basierende Nicht-Kohlenstoff-Anode von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium nach Anspruch 1, die eine elektrisch leitfähige Metall-Struktur mit einer elektrochemisch aktiven Anoden-Fläche aufweist, die gegen Oxidation und Fluorid enthaltenden geschmolzenen Elektrolyten beständig ist, an der während der Elektrolyse anodisch Sauerstoff erzeugt wird, wobei die Metall-Struktur in den Elektrolyten hängt, wobei deren aktive Anoden-Fläche im wesentlichen parallel zu einer zugewandten, planaren Kathoden-Fläche verläuft, die Metall-Struktur eine Reihe von in horizontaler Richtung länglichen Anoden-Bauteile aufweist, jedes Anoden-Bauteil eine Länge hat, die sehr viel größer ist als dessen Dicke, die Anoden-Bauteile parallel zueinander angeordnet und in Querrichtung in einer im wesentlichen koplanaren Anordnung voneinander beabstandet sind, jedes Anoden-Bauteil eine elektrochemisch aktive Fläche hat, die elektrochemisch aktiven Flächen der Anoden-Bauteile die aktive Anoden-Fläche bilden, die über eine Weite verläuft, deren Abmessungen sehr viel größer sind als die Dicke der länglichen Anoden-Bauteile, und die voneinander beabstandeten Anoden-Bauteile in horizontaler Richtung längliche Durchflussöffnungen für die Zirkulation von Elektrolyt bilden, der durch das schnelle Entweichen von anodisch erzeugtem Sauerstoff angetrieben wird.
Anode nach Anspruch 34, bei der die Anoden-Bauteile voneinander beabstandete Platten, Stangen, Stäbe oder Drähte sind.
Anode nach Anspruch 35, bei der die Anoden-Bauteile im wesentlichen geradlinig sind.
Anode nach Anspruch 35, bei der die Anoden-Bauteile im wesentlichen eine konzentrische Anordnung haben, wobei jedes Anoden-Bauteil eine Schlaufe bildet.
Anode nach Anspruch 37, bei der jedes Anoden-Bauteil im wesentlichen kreisförmig, oval oder polygonal ist.