EP2619352A1

EP2619352A1 - Kathode für elektrolysezellen

Info

Publication number: EP2619352A1
Application number: EP11760760.6A
Authority: EP
Inventors: Christian Bruch; Frank Hiltmann; Johann Daimer; Manfred Banek
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-07-31
Also published as: DE102010041081A1; UA104827C2; CN103140610A; RU2529432C1; DE102010041081B4; JP2013537940A; WO2012038427A1; CA2811361A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathode (1) für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid in einem Elektrolysebad, aufweisend einen dem Elektrolysebad zugewandten oberen Teil (1a) und einen unteren Teil (1b), welcher mit Anschlüssen (1b1) für die Stromzuleitung versehen ist. Erfindungsgemäß sind der obere Teil (1a) und der untere Teil (1b) zumindest abschnittsweise über eine Zwischenschicht (1c) lösbar miteinander verbunden.

Description

Kathode für Elektrolysezellen

Die Erfindung betrifft eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse.

Für die industrielle Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid wird gegenwärtig das so genannte "Hall-Heroult-Verfahren" eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein Elektrolyseverfahren, bei dem Aluminiumoxid (AI2O3) in geschmolzenem Kryolith (Na₃ [AIF₆]) gelöst wird und das so erzeugte Gemisch als Flüssigelektrolyt in einer Elektrolysezelle dient. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Elektrolysezelle zur Durchführung des Hall-Heroult-Verfahrens ist schematisch in den Figuren 1 a bis 1 c dargestellt, wobei Figur 1 a einen Querschnitt durch eine herkömmliche Zelle zeigt, während Figur 1 b eine Seitenansicht der Zelle von außen ist. Fig. 1 c zeigt eine perspektivische Ansicht einer Elektrolysezelle.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Kathode bezeichnet, welche beispielsweise aus Graphit, Anthrazit oder einer Mischung daraus aufgebaut sein kann. Alternativ dazu können auch graphitierte Kathoden auf Koksbasis eingesetzt werden. Die Kathode 1 ist im Allgemeinen in eine Einfassung 2 aus Stahl und/oder Feuerfestmaterial oder dergleichen eingebettet. Die Kathode 1 kann sowohl einstückig als auch aus einzelnen Kathodenblöcken aufgebaut sein.

Über die Länge der Zelle hinweg ist in die Kathode 1 eine Anzahl an Stromzuführungsbarren 3 eingeführt, wobei in der Querschnittansicht der Figur 1 a nur ein einziger Stromzuführungsbarren 3 zu erkennen ist. In Fig. 1 c ist zu sehen, dass je Kathodenblock beispielsweise zwei Stromzuführungsbarren vorgesehen sein können. Die Stromzuführungsbarren dienen dazu, der Zelle den für den Elektrolyseprozess benötigten Strom zuzuführen. Der Kathode 1 gegenüber befinden sich mehrere typischerweise quaderförmige Anoden 4, wobei in Figur 1 a zwei Anoden 4 schematisch dargestellt sind. Fig. 1 c zeigt eine detail- liertere Anordnung der Anoden in einer Elektrolysezelle. Bei der Durchführung des Verfahrens wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Kathode 1 und den Anoden 4 das in Kryolith gelöste Aluminiumoxid in Aluminium- und Sauerstoffionen aufgespalten, wobei sich die Aluminiumionen zum geschmolzenen Aluminium - elektrochemisch gesehen der eigentlichen Kathode - bewegen, um dort Elektronen aufzunehmen. Wegen der höheren Dichte sammelt sich Aluminium 5 in flüssiger Phase unterhalb des geschmolzenen Gemisches 6 aus Aluminiumoxid und Kryolith an. Die Sauerstoffionen werden an der Anode zu Sauerstoff reduziert, der mit dem Kohlenstoff der Anoden reagiert.

Mit den Bezugszeichen 7 und 8 sind schematisch die negativen bzw. positiven Pole einer Spannungsquelle für die Zufuhr der bei dem Elektrolysepro- zess benötigten Spannung, deren Wert zwischen beispielsweise etwa 3,5 und 5 V liegt, gekennzeichnet.

Wie in der Seitenansicht der Figur 1 b zu erkennen ist, weist die Einfassung 2 und somit die gesamte Elektrolysezelle eine längliche Form auf, wobei zahlreiche Stromzuführungsbarren 3 senkrecht durch die Seitenwände der Einfassung 2 geführt sind. Typischerweise liegt die Längsausdehnung gegenwärtig im Einsatz befindlicher Zellen zwischen etwa 8 und 15 m, während die Breitenausdehnung etwa 3 bis 4 m beträgt. Eine Kathode, wie sie hier in Figur 1 a gezeigt ist, ist beispielsweise in der EP 1845174 offenbart.

Bei herkömmlichen Kathodenblöcken sind im Wesentlichen alle Bestandteile aus nur einem Material hergestellt. Dieses wird jedoch nicht der Tatsache gerecht, dass an die verschiedenen Teile einer Kathode für ein Schmelzflusselektrolyseverfahren verschiedene Anforderungen gestellt werden. So findet im Bereich des Elektrolysebads oder in demjenigen Teil der Kathode, welche in dem beschriebenen Verfahren mit dem geschmolzenen Aluminium in Berührung gelangt, ein Materialverlust durch Verschleiß des Kathodenmaterials statt, insbesondere durch chemische und mechanische Vorgänge bei dem Elektrolysevorgang, wie etwa durch Strömungsbewegungen. Es ist aus die- sem Grund notwendig, die Kathode von Zeit zu Zeit zu erneuern, d.h. in diesem Fall die gesamte Auskleidung der Elektrolysezelle auszutauschen. Im Allgemeinen findet ein solcher Wechsel etwa alle 1500 bis 3000 Tage statt. Darüber hinaus müssen bezüglich der einzelnen Bestandteile Kompromisse in Bezug auf ihre optimale Auslegung gemacht werden, da die Anforderungen an die einzelnen Bestandteile teilweise miteinander unvereinbar sind. Außerdem ist es notwendig, aufgrund des häufigen Austauschens des gesamten Materials, wie z. B. Kathodenblöcke, Stampfmasse, Seiteneinfassung und Isolationsmaterial, auf hochwertige Materialien zu verzichten, um die Aluminiumherstellungskosten nicht übermäßig ansteigen zu lassen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium anzugeben, mit der sich die genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden lassen, mit der insbesondere eine Materialkostenersparnis erzielen lässt und gleichzeitig die Kathode bezüglich ihrer Funktion optimiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kathode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid in einem Elektrolysebad gemäß den Ausführungsformen der Erfindung weist folgendes auf: a) einen dem Elektrolysebad zugewandten oberen Teil und b) einen unteren Teil, welcher mit Anschlüssen für die

Stromzuleitung versehen ist. Erfindungsgemäß sind der obere Teil und der untere Teil zumindest abschnittsweise über eine Zwischenschicht lösbar miteinander verbunden. Der obere Teil stellt dabei eine Bodenwanne dar, die im Einsatz in direktem Kontakt mit dem Elektrolysebad ist.

Unter dem Begriff„Kathode" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der obere Teil in Verbindung mit dem unteren Teil bezeichnet.

Im Sinne der Erfindung wird der Begriff Kathode ganz allgemein aufgefasst. Es kann sich dabei z.B. - aber nicht ausschließlich - um einen so genannten Kathodenboden handeln, der aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken aufgebaut ist, so dass die erfindungsgemäßen Kernaspekte - nämlich der oben beschriebene Aufbau aus einem oberen Teil in Verbindung mit einem unteren Teil - von diesem Kathodenboden als Ganzes realisiert werden.

Mit dem Begriff Kathode sollen aber auch die einen solchen Kathodenboden bildenden Teilstrukturen im Sinne von Kathodenblöcken angesprochen sein, Alle Merkmale, die in Verbindung mit einer„Kathode" zur Erfindung beitragen können, tun dieses in derselben Weise in Verbindung mit einem„Kathodenblock", ohne dass dies im Folgenden jeweils ausdrücklich erläutert werden müsste.

Aufgrund der zweigeteilten Ausgestaltung der Kathode ist es möglich, die unterschiedlichen Funktionsbereiche bei der Herstellung zu optimieren. So dient der obere Teil dazu, bei dem Verfahren den flüssigen Elektrolyten sowie das Endprodukt, nämlich das geschmolzene Aluminium aufzunehmen.

Der obere Bereich, der auch als "Verbrauchsanteil" der Kathode bezeichnet werden kann, soll bezüglich seiner Konstruktion möglichst widerstandsfähig gegen Verschleiß, wie etwa infolge mechanischer, thermischer und/oder chemischer Belastung, sein. Aufgrund der Tatsache , dass der obere Bereich auf jeden Fall aufgrund des Verbrauchs von Kathodenmaterial bei der Elektrolysereaktion gelegentlich ausgewechselt werden muss, sollten die Kosten für das Material des oberen Bereichs niedrig gehalten werden. Der untere Teil der Kathode ist demgegenüber auf eine optimale Stromzuführung und Stromverteilung auszulegen. Aufgrund dieser Zweiteilung, wie sie Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, können nunmehr die beiden Teile (oberer Teil und unterer Teil) getrennt voneinander gefertigt und anschließend über die Zwischenschicht zusammengefügt werden. So kann jeder Teil bezüglich seiner Funktion optimiert werden, ohne dass dieses die Funktion des jeweils anderen Teils negativ beeinflusst. So kann beispielsweise der untere Teil aus qualitativ hochwertigerem, teurem, jedoch auch wenig verschleißfestem Material ausgebildet werden, da er von dem Verschleiß bzw. verschleißbedingten Austausch des oberen Teils nicht betroffen wird. Insgesamt wird hierdurch eine beträchtliche Materialkostenersparnis erzielt, da nicht in jedem Fall eine ganze Kathode von dem Austausch betroffen ist, bzw. alle Kathodenblöcke ausgetauscht werden müssen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der untere Teil durch die Zwischenschicht vor chemischen Einflüssen aus dem Elektrolysebad geschützt werden kann. Die Zwischenschicht ermöglicht also nicht nur erst einen in einen oberen Teil und einen unteren Teil getrennten Aufbau, sondern hilft auch, dass der Vorteil, dass der untere Teil aus hochwertigem Material herstellbar ist, nicht durch bis zum unteren Teil vordringende korrosive Flüssigkeiten oder Gase, wie z. B flüssiges Aluminium oder Elektrolytbestandteile, wieder zunichte gemacht wird.

Die Zwischenschicht, welche den oberen Teil mit dem unteren Teil verbindet, kann beispielsweise aus Graphitfolie hergestellt sein, insbesondere eine Graphitfolie sein. Eine Graphitfolie ist besonders gut geeignet, ein Durchdringen flüssiger und/oder gasförmiger Badbestandteile, wie etwa flüssigen Aluminiums oder Elektrolytbestandteile, bis in den unteren Teil zu vermeiden oder zumindest weitgehend zu verhindern, wobei die eigentliche Funktion der gesamten Kathode nicht wesentlich verändert wird. Die Graphitfolie als

Zwischenschicht besitzt ähnliche elektrische Eigenschaften wie die Bestandteile der Kathode, insbesondere wie der untere Teil. Graphitfolie, die durch zumindest teilweises Verdichten von expandiertem Graphit hergestellt ist, ist aufgrund ihrer Anisotropie in der Folienfläche und damit sehr niedrigen Permeabilität senkrecht zur Folie besonders gut geeignet, als Trennschicht gegenüber chemischen Einflüssen aus dem Elektrolysebad zu wirken. Graphitfolie wirkt des Weiteren dahingehend, dass sie Unterschiede der Oberflächenstruktur zwischen oberem Teil und unterem Teil, sowie thermische Ex- pansions- und Kontraktionsbewegungen insbesondere des oberen Teils ausgleicht. Graphitfolie besitzt einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand zu anderen Kohlenstoffmateriallien und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Obwohl der spezifische elektrische Widerstand senkrecht zur Graphitfolie hö- her ist als in Folienfläche, lässt sich aufgrund der sehr geringen Dicke von Graphitfolie ein sehr geringer absoluter elektrischer Widerstand erzielen.

Im Falle des Aufbaus der Kathode aus einzelnen Kathodenblöcken ist die Zwischenschicht vorzugsweise nicht entsprechend der Größe der Kathodenblöcke vorgesehen, sondern bedeckt vorteilhafterweise eine größere Fläche als der jeweilige untere Teil der Kathodenblöcke. Die Zwischenschicht kann vorteilhaft eine Fläche aufweisen, die der Größe der Gesamtkathode entspricht.

Die Zwischenschicht kann mit sehr geringer Dicke ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei der Schicht lediglich um eine einzige Graphitfolie handeln. Als geeignete Folienstärke hat sich beispielsweise der Bereich zwischen 1 mm und 5 mm erwiesen. Diese Dicke ist ausreichend, um die geschilderten Funktionen zu erfüllen und andererseits dünn genug, dass die Eigenschaften der Folie nicht wesentlich die Funktionalität der gesamten Kathode beeinträchtigen.

Es kann auch vorteilhaft sein, eine Mehrzahl von übereinander geschichteten Graphitfolien einzusetzen oder Graphitfolien mit größeren Dicken einzusetzen. Die Zwischenschicht kann hinsichtlich ihrer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit und/oder ihres elektrischen Kontaktwiderstands wie gewünscht oder notwendig eingestellt sein. Dazu kann auch eine Beschichtung der Zwischenschicht vorgesehen sein, die einen Kontaktwiderstand verringert. Es kann auch gezielt die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Graphitfolie in Dickenrichtung durch bekannte Maßnahmen erhöht sein.

Eine geeignete Stromführung innerhalb der Kathode wird nach dem Stand der Technik dazu eingesetzt, den Materialverlust an der Kathodenoberfläche im Inneren des Kathodenbeckens möglichst gleichmäßig zu halten. Da eine Optimierung der Stromführung bei Ausführungsformen der Erfindung gezielt am unteren Teil vorgenommen werden kann, ist es möglich, den oberen Teil bezüglich seiner Gestaltung und somit seiner Herstellung entsprechend ein- fach zu gestalten.

Bei einer erfindungsgemäßen Kathode kann der obere Teil einstückig mit einer Seitenwand der Elektrolysezelle ausgeformt sein. Dies bedeutet, dass die Bodenwand und die Seitenwände aus einem einzigen Stück geformt sind. Hierdurch werden Probleme der Abdichtung und Verfugung zwischen Bodenwand und Seitenwänden vermieden.

Da der untere Teil der Kathode beim Einsatz in einem Schmelzelektrolyseverfahren nicht mit dem flüssigen Elektrolyten bzw. der Aluminiumschmelze in Berührung gelangt, ist die Beständigkeit gegen mechanischen oder chemischen Verschleiß in diesem Teil kein Kriterium. Somit unterliegt dieser Teil einer nur geringen oder sogar gar keiner Wartungsanfälligkeit und muss nicht in regelmäßigen Abständen ersetzt werden, wie es bei dem oberen Teil der Fall ist. Aus diesem Grund können für den unteren Teil höherwertige Materialien eingesetzt werden. Ein solches Material ist beispielsweise hochleitfähiger Graphit, da ein wesentlicher Nachteil des Graphits, nämlich seine geringe mechanische Verschleißbeständigkeit, für diese Anwendung nicht zum Tragen kommt.

Der untere Teil kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise unter Einsatz von Nadelkoks als Ausgangsmaterial hergestellt sein. Wie bekannt ist, handelt es sich bei Nadelkoks um den hochwertigsten Petroleumbzw Pechkoks, wobei sich der Name von seiner nadelartigen Struktur ableitet. Nadelkoks zeichnet sich unter anderem durch seinen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie seinen geringen spezifischen elektrischen Widerstand nach Graphitierung, in Längsrichtung der nadeiförmigen Struktur, aus. Dies ist insbesondere in dem unteren Teil der Kathode, wo die Ströme mit hoher Dichte fließen, von Vorteil. Durch geeignete Auslegung kann die Ausrichtung der nadeiförmigen Kokspartikel in senkrechter Position erreicht werden. Die Reduktion des spezifischen elektrischen Widerstandes bedingt einen geringeren Spannungsabfall an der Kathode und hilft, so eine bessere Energieeffizienz bei der Schmelzflusselektrolyse zu erzielen. Da die Energie- kosten einen Großteil der Gesamtkosten des Prozesses ausmachen, lassen sich hierdurch beträchtliche Einsparungen erzielen.

Der obere Teil der Kathode kann aus allen bekannten, für den Einsatz als Kathode geeigneten Materialien hergestellt werden. Insbesondere sind in diesem Rahmen kalzinierter Anthrazit, Koks oder Graphit als Ausgangsmaterialien zu nennen. Das Ausgangsmaterial wird vermählen und nach Teilchengröße sortiert. Eine definierte Mischung der Fraktionen der Körnung wird mit Pech vermischt und anschließend daraus der obere Teil ausgeformt. Im An- schluss daran finden ein oder mehrere Produktionsschritte bei erhöhter Temperatur statt, wobei anhand der Wärmebehandlungstemperatur und

Ausgangsmaterialien zwischen einem graphitierten, einem graphitischen und einem amorphen Kathodenmaterial unterschieden wird.

Vorteilhaft kann die Kathode eine senkrechte Stromzuführung besitzen. Darunter ist ein senkrechtes Einleiten von Strom in den unteren Teil der Kathode von unten zu verstehen. Dadurch lässt sich vorteilhaft eine ungleiche Stromverteilung in der Kathode wie bei einer herkömmlichen horizontalen Stromzuführung vermeiden.

Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kathode kann der untere Teil mit senkrechten Stiften als Stromzuführungen versehen sein. Diese Stifte können als Gewindestifte ausgebildet sein, wobei der untere Teil Gewindebohrungen als Anschlüsse für die Aufnahme der Gewindestifte aufweist. In die Gewindebohrungen lassen sich mit einem Außengewinde versehene Stifte senkrecht oder näherungsweise senkrecht in den unteren Teil der Kathode einschrauben. Auf diese Weise kann im Rahmen der Schmelzflusselektrolyse der Strom in etwa senkrecht in die Kathode eingeleitet werden. Die Stromzufuhr kann dabei stark homogen gehalten werden, indem die Anzahl und der Durchmesser der Stifte der Geometrie der Kathode angepasst wird.

Die Geometrie der Stifte kann vorteilhaft der Geometrie von Gewindenippeln für Graphitelektroden zur Elektrostahlherstellung entsprechen. Bezüglich Stromverteilung, mechanischer Festigkeit und Schraubbarkeit hat diese Geometrie sich als besonders gut erwiesen. Der relativ große Querschnitt der Stifte bewirkt einen hohen elektrischen Stromfluss, die Länge einen genügend großen Abstand der Kathode und somit der Elektrolysezelle von den Stromzuführungsbarren, so dass eine starke Kühlung ermöglicht ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stifte aus Graphit hergestellt. Hierdurch lässt sich eine hohe thermische Stabilität der Stifte sowie ein geringer elektrischer Widerstand erzielen, was zu einer Senkung der spezifischen Energiekosten bei der Durchführung der Schmelzflusselektrolyse führt.

Im Sinne einer homogenen Stromzufuhr hat es sich zudem als günstig herausgestellt, wenn der untere Teil der Kathode in Form eines sich nach unten hin verjüngenden trapezförmigen Körpers ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der senkrecht oder näherungsweise senkrecht eingeleitete Strom homogen und gleichmäßig in den oberen Teil der Kathode verteilt. Vorzugsweise besitzen im Falle des Aufbaus der Kathode aus einzelnen Kathodenblöcken zumindest einige der Kathodenblöcke der Kathode einen solchen sich nach unten hin verjüngenden trapezförmigen Körper, wobei sich diese vorteilhaft parallel zueinander erstrecken. Die trapezförmigen Körper können beispielsweise in Längsrichtung der Kathode verlaufen oder senkrecht dazu.

Es ist anzumerken, dass im Rahmen der Erfindung der Ausdruck "näherungsweise senkrecht" so verwendet werden soll, dass er alle Richtungen umfasst, die einen Winkel von weniger als etwa 20° zur Senkrechten einschließen. Es sollen von„senkrecht" aber im weitesten Sinne alle vertikalen Zuführungen umfasst werden, die nicht auf herkömmliche Weise horizontal

Die Erfindung wird nunmehr detaillierter mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung anhand eines nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 a schematisch eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Alu- minium aus Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik im Querschnitt;

Fig. 1 b die Elektrolysezelle von Fig. 1 a in einer Längsansicht von

außen;

Fig. 1 c eine Elektrolysezelle für die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht, teilgeschnitten;

Fig. 2a eine perspektivische Ansicht einer Kathodeneinheit gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2b eine Darstellung der Kathodeneinheit von Fig. 2a aus einer um

90° gedrehten Perspektive.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen dazu eingesetzt, gleiche oder entsprechende Elemente in den verschiedenen Darstellungen zu kennzeichnen.

Mit Bezug auf die Figuren 2a und 2b ist eine Elektrolysezelle mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathode 1 aus jeweils verschiedenen Perspektiven gezeigt. Die gezeigte Kathode 1 ist für den Einsatz bei der Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid nach dem Hall-Heroult-Verfahren geeignet. Die Elektrolysezelle ist hier mit zwei Seitenwänden 1 a1 versehen, welche zusammen mit einer Bodenwand 1 a2 das Elektrolysebad aufnehmen. Im gezeigten Fall erstrecken sich die Seitenwände 1 a1 entlang der Längsseite der Kathode 1 . Die Seitenwand 1 a1 ist aus einzelnen Seitenwandblöcken 1 a3 aufgebaut. Die Bodenwand 1 a2 stellt einen oberen oder ersten Teil 1 a der Kathode 1 dar. Die Kathode 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einzelnen Kathodenblöcken 1 1 aufgebaut.

Ein unterer Teil 1 b der Kathode 1 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbei- spiel eine Anzahl an Anschlüssen 1 b1 , welche in einem unteren Bereich von trapezförmigen Körpern 1 b2 ausgeformt sind, die sich nach unten hin V-förmig verjüngen. Die Anschlüsse 1 b1 können beispielsweise in Form von Innengewinden (in den Figuren nicht zu erkennen) ausgebildet sein, um jeweils einen Stift 9 mit entsprechendem Außengewinde für die Stromzufuhr zur Kathode 1 aufzunehmen. Mehrere der Stifte 9 sind an ihren den Anschlüssen 1 b1 gegenüberliegenden Seiten mit Stromzuführungsbarren 3 verbunden, welche zu Sammelstromschienen 10 führen, um die Kathode 1 mit dem entsprechenden Pol einer Spannungsquelle zu verbinden.

Der obere Teil 1 a und der untere Teil 1 b stehen über eine Zwischenschicht 1 c miteinander in Verbindung, bei der es sich beispielsweise um eine Graphitfolie handeln kann. Diese ermöglicht, dass der obere Teil der Kathode entfernt werden kann, ohne den unteren Teil zu beschädigen. Gleichzeitig gewährleistet die Graphitfolie, dass kein flüssiges Aluminium oder Elektrolyt bis zum unteren Teil vordringt und wirkt in diesem Sinne als Trennschicht. Dabei besitzt die Graphitfolie trotz schlechterer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit senkrecht zur Folienebene im Vergleich zur Leitfähigkeit innerhalb der Folienebene wegen seiner geringen Dicke von beispielsweise wenigen Millimetern einen sehr geringen absoluten elektrischen Widerstand und bewirkt einen sehr guten elektrischen Kontakt zwischen oberem Teil und unterem Teil, so dass die Funktionalität der Kathode nicht gestört ist. Außerdem gleicht die Zwischenschicht eine Ausdehnung der beiden Teile 1 a, 1 b beispielsweise aufgrund thermischer Schwankungen aus.

Da der obere Teil 1 a und der untere Teil 1 b getrennt voneinander ausgebildet sind, können die beiden Teile aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein und verschiedene Eigenschaften bezüglich thermischer Ausdehnung und elektrischen Widerstands aufweisen. So kann jeder Teil speziell im Hinblick auf seine Funktion hin optimiert werden. Insbesondere ist der obere Teil 1 a so auszubilden, dass er Verschleiß beispielsweise aufgrund mechanischer Abrasion sowie ungleichmäßiger elektrochemischer Zersetzung möglichst gut standhalten kann. Demgegenüber sollte der untere Teil 1 b im Hinblick auf eine möglichst homogene Stromführung und möglichst hohe Energieeffizienz ausgebildet sein. Hierfür kann er im Hinblick auf die eingesetzten Materialien optimiert werden, da das relativ rasch verschleißende obere Teil 1 a, welches häufiger ausgetauscht werden muss, getrennt vom unteren Teil 1 b hergestellt wird. Es können also auch teure Materialien wie beispielsweise Nadelkoks gewählt werden, um den langlebigen unteren Teil 1 b hinsichtlich der gewünschten homogenen Stromverteilung zu optimieren.

Als geeignete Materialien für die Stromzuführungsbarren 3 haben sich insbesondere Kupfer und Aluminium im Hinblick auf ihre niedrigen spezifischen elektrischen Widerstände erwiesen. Da die Stromzuführungsbarren durch die Stifte 9 von der Kathode 1 beabstandet sind, werden sie stark gekühlt und es ist daher nicht nötig, sie aus hochtemperaturbeständigem Stahl auszubilden. Aufgrund des geringeren spezifischen elektrischen Widerstands der genannten Metalle für die Stromzuführungsbarren 3 wird weniger Energie in Abwärme umgesetzt und die Energieeffizienz bei der Schmelzflusselektrolyse lässt sich spürbar erhöhen. Auch die gezeigten Verjüngungen 1 d der trapezförmigen Körper wirken als eine Abstandsvergrößerung zwischen dem oberen Teil 1 a der Kathode 1 und den Strom führenden Stromzuführungsbarren 3 und somit eine Kühlung der Stromzuführungsbarren 3 unterstützend.

Was die Materialien für Kathode betrifft, so können alle dem Fachmann bekannten und geeigneten Materialien für die Elektrolyse von Aluminium aus seinem Oxid eingesetzt werden. Geeignete Materialien sind beispielsweise in der DE 10261745 angegeben, deren diesbezüglicher Inhalt hier durch Bezugnahme integriert sein soll. Die Stifte 9 können insbesondere aus den gleichen Materialien wie die Kathode 1 hergestellt sein. Als besonders günstig hat sich in diesem Zusammenhang Graphit aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit sowie aufgrund seines geringen spezifischen elektrischen Widerstandes erwiesen. Bezugszeichenliste

1 Kathode

1a oberer Teil

1a1 Seitenwand

1a2 Bodenwand

1a3 Seitenwandblock

1b unterer Teil

1b1 Anschluss

1b2 trapezförmiger Körper

1c Zwischenschicht

2 Einfassung

3 Stromzuführungsbarren, Stromschiene

4 Anode

5 Aluminium

6 Elektrolysebadgemisch (Aluminiumoxid, Kryolith)

7 negativer Pol Spannungsquelle

8 positiver Pol Spannungsquelle

9 Stift

10 Sammelstromschiene

11 Kathodenblock

Claims

Patentansprüche

1. Kathode (1 ) für eine Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid in einem Elektrolysebad, aufweisend einen dem Elektrolysebad zugewandten oberen Teil (1 a) und einen unteren Teil (1 b), welcher mit Anschlüssen (1 b1 ) für die Stromzuleitung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil (1 a) und der untere Teil (1 b) zumindest abschnittsweise über eine Zwischenschicht (1 c) lösbar miteinander verbunden sind.

2. Kathode (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Zwischenschicht (1 c) aus Graphit hergestellt ist.

3. Kathode (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1 c) eine Graphitfolie ist.

4. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil (1 b) unter Einsatz von Nadelkoks als Ausgangsmaterial hergestellt ist.

5. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil (1 b) eine vertikale Stromzuführung aufweist.

6. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil (1 b) mit Gewindebohrungen als Anschlüsse (1 b1 ) für die Aufnahme von Gewindestiften versehen ist.

7. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil (1 a) mit Anthrazit, Koks oder Graphit hergestellt ist.

8. Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der untere Teil (1 b) in Form eines sich nach unten hin verjüngenden trapezförmigen Körpers (1 b2) ausgebildet ist.

9. Kathode (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1 ) eine Mehrzahl von Kathodenblöcken (1 1 ) umfasst, insbesondere aus einer Mehrzahl von Kathodenblöcken (1 1 ) aufgebaut ist, wobei die Kathodenblöcke (1 1 ) insbesondere geometrisch und/oder strukturell gleich oder gleich wirkend aufgebaut sind und/oder insbesondere lateral zueinander benachbart angeordnet sind.

10. Elektrolysezelle zur Gewinnung von Aluminium aus seinem Oxid, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kathode (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 enthält.