Ringförmige Elektrolysezelle und ringförmige Kathode mit Magnetfeldkompensation
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, sowie eine Kathode, welche zur Verwendung in einer solchen Elektrolysezelle geeignet ist. Elektrolysezellen werden beispielsweise zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Heroult- Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Heroult- Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na3[AlF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith,
Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Katho- denboden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die
Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt sein kann. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, ist die Kathode üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathode sind üblicherweise jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen, üblicherweise 15 bis 50 cm ho-
hen, Schicht aus flüssigem Aluminium ist eine, insbesondere aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete, Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1.000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathode und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Schmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus flüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus flüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, beispielsweise aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Heroult- Verfahrens ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40 % der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.
Aufgrund des insbesondere im Vergleich zu der Schicht aus flüssigem Aluminium und dem Kathodenmaterial relativ hohen elektrischen Widerstands der Schmelze treten vor allem in der Schmelze relativ hohe ohm- sche Verluste in der Form von Joule'scher Dissipation auf. In Anbetracht der vergleichsweise hohen spezifischen Verluste in der Schmelze besteht
eine dahingehende Bestrebung, die Dicke der Schmelzeschicht und somit den Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium so weit wie möglich zu reduzieren. Allerdings besteht aufgrund der bei der Elektrolyse vorliegenden elektromagnetischen Wechselwirkungen und der dadurch in der Schicht aus flüssigem Aluminium hervorgerufenen Wellenbildung bei einer zu geringen Dicke der Schmelzeschicht die Gefahr, dass die Schicht aus flüssigem Aluminium mit der Anode in Berührung kommt, was zu Kurzschlüssen der Elektrolysezelle und zu unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums führen kann. Solche Kurzschlüsse führen ferner zu einem erhöhten Verschleiß und somit zu einer verringerten Standzeit der Elektrolysezelle. Aus diesen Gründen kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium nicht beliebig verringert werden. Treibende Kraft für die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der darüber angeordneten Schmelzeschicht ist die dort generierte Lorentzkraftdichte, die als das Vektorprodukt der an der jeweiligen Stelle vorliegenden elektrischen Stromdichte und der an dieser Stelle vorliegenden magnetischen Flussdichte definiert ist.
Während die Stromdichteverteilung in der Anode und in der Schmelzeschicht vergleichsweise homogen ist, ist die Stromdichteverteilung in der Aluminiumschicht und auf der Oberfläche der Kathode infolge von stark ausgeprägten horizontalen Stromdichtekomponenten in Richtung der Kathode sehr inhomogen. Dabei führen die starken horizontalen Komponenten der elektrischen Stromdichte mit dem üblicherweise ebenfalls im Wesentlichen horizontal gerichteten magnetischen Feld zu einer hohen vertikalen Lorentzkraftdichte, welche wiederum, wie dargelegt, zu einer stark ausgeprägten Wellenbildung insbesondere in der Aluminiumschicht führt. Diese stark ausgeprägten horizontalen Stromdichtekomponenten in
Richtung der Kathode resultieren aus dem Effekt, dass der Strom in der Kathode und in dem Aluminiumbad vorzugsweise den Pfad des geringsten elektrischen Widerstandes nimmt. Aus diesem Grund konzentriert sich der durch die Kathode fließende elektrische Strom typischerweise auf die seitlichen Randbereiche der Kathode, wo die Verbindung der die Kathode kontaktierenden Stromschienen mit den Stromzuführungselementen erfolgt, da der resultierende elektrische Widerstand von den Stromzuführungselementen bis zu der Oberfläche der Kathode bei Fluss über die nahe den Stromzuführungselementen gelegenen seitlichen Randbereiche geringer ist als bei Fluss über die Mitte der Kathode.
Neben einer verstärkten Wellenbildung in der Aluminiumschicht führen die inhomogene Stromdichteverteilung und die erhöhte Stromdichte an den seitlichen Randbereichen der Kathode im Vergleich zu der in der Mitte der Kathode auch zu einem verstärkten Verschleiß der Kathode in diesen seitlichen Randbereichen, was nach längerem Betrieb der Elektrolysezelle typischerweise zu einem charakteristischen im Querschnitt etwa W- förmigen Verschleißprofil der Kathodenblöcke in deren Längsachse führt. Um diesem W-förmigen Verschleißprofil entgegen zu treten, ist es beispielsweise in der WO 2007/ 1 18510 A2 vorgeschlagen worden, die Ausgestaltung der Stromschiene und der die Stromschiene aufnehmenden Nut so anzupassen, dass die Stromdichte im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium möglichst vergleichmäßigt wird. Auch bei einer derarti- gen Elektrolysezelle tritt aber eine erhebliche Wellenbildung insbesondere in der Aluminiumschicht auf, infolge dessen die Möglichkeit einer Verringerung des Abstände zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium beschränkt ist.
Abgesehen davon ist es bekannt, zur Verringerung von Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht die
Stromzuführung zu der Anode und zu der Kathode der Elektrolysezelle unter Verwendung komplexer Stromzuführungsgeometrien so auszuges- talten, dass sich im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht nur geringe magnetische Felder ergeben, so dass der Betrag der magnetischen Flussdichte und somit auch der Betrag der Lo- rentzkraftdichte in diesem Bereich möglichst gering ist. Allerdings erweist es sich als äußerst schwierig, auf diese Weise die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht signifikant zu reduzieren, da dort selbst beim Einsatz sehr komplexer Geometrien der Stromzuführungen stets zumindest einzelne Bereiche hohen Magnetfelds und somit hoher Wellenbildungstendenz vorhanden sind. Dies ist unter anderem auch darauf zurückzuführen, dass die Elektrolysezelle und da- her auch die Kathode rechteckig ausgestaltet sind, wohingegen die durch den durch die einzelnen Stromzuführungen laufenden Strom generierten Magnetfelder zylindrisch verlaufen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektrolysezelle zu schaffen, die bei ihrem Betrieb einen verringerten spezifischen Energieverbrauch sowie eine erhöhte Standzeit aufweist. Insbesondere soll eine Elektrolysezelle bereit gestellt werden, in der die Dicke der Schmelzeschicht verringert ist, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabilitäten, wie Kurz- Schlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums, auftreten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle gemäß dem Patentanspruch 1 und insbesondere durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüs-
sigem Aluminium, darauf eine z.B. Kryolith enthaltende Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst, wobei die Kathode wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist, in der wenigstens eine sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode und/ oder mit der Kathode elektrisch verbundene Stromzuführung vorgesehen ist, und wobei die Elektrolysezelle wenigstens eine außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete weitere Stromzuführung umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckt und die mit der Kathode und / oder mit der Anode elektrisch verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäß in der Öffnung der Kathode vorgesehene und durch die Kathodenöffnung vertikal hindurch verlaufende Stromzuführung wird im Zusammenspiel mit der wenigstens einen wie in herkömmli- chen Elektrolysezellen außerhalb der Kathode angeordneten äußeren Stromzuführung nicht nur eine Verringerung der Magnetfeldstärke und damit der Lorentzkraftdichte sowie der Wellenbildungstendenz in der Aluminiumschicht erreicht, sondern insbesondere auch eine Vergleichmäßigung der Magnetfeldstärke und damit der Lorentzkraftdichtevertei- lung und der Wellenbildungstendenz in der Aluminiumschicht, und zwar insbesondere über den Querschnitt der Elektrolysezelle gesehen. Durch den durch die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung in - bezogen auf die wenigstens eine äußere Stromzuführung - gleichgerichteter Richtung fließenden Strom wird ein Magnetfeld erzeugt, welches zu dem durch den durch die wenigstens eine außerhalb der Kathodenöffnung angeordnete äußere Stromzuführung fließenden Strom erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Aus diesem Grund kompensiert das durch die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung erzeugte Magnetfeld das durch den Stromfluss in der wenigstens einen äußeren Stromzu- führung erzeugte Magnetfeld. Durch die Einstellung der Stromstärke in
den einzelnen Stromzuführungen lässt sich die Kompensation der Magnetfelder optimieren. Insbesondere, wenn mehrere äußere Stromzuführungen gleichmäßig um die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung herum angeordnet werden, lässt sich eine besonders vollständige Kompensation der Magnetfelder und/ oder eine besonders homogene Magnetfeldverteilung erreichen.
Mithin lassen sich mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle einzelne Bereiche mit erhöhter magnetischer Flussdichte, wie sie bei herkömmli- chen Elektrolysezellen auch bei Verwendung komplexer Stromzuführungsgeometrien unvermeidlich sind, ebenso wirksam vermeiden wie die Notwendigkeit komplexer Stromzuführungsgeometrien selbst. Insbesondere kann erfindungsgemäß eine hervorragende Verringerung und Vergleichmäßigung der magnetischen Flussdichte schon bereits durch Ver- wendung eines einzelnen, sich in vertikaler Richtung durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckenden Leiterabschnitts der Stromzuführung erreicht werden, ohne dass geometrisch komplexe und in der Herstellung sowie der Installation aufwendige Geometrien der wenigstens einen äußeren Stromzuführung eingesetzt werden müssen. Auf diese Wei- se wird in der Elektrolysezelle eine deutlich verringerte Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreicht, so dass die Anode auch gefahrlos in einem verringerten Abstand zu der Schicht aus flüssigem Aluminium angeordnet werden kann, wodurch die Standzeit, die Stabilität und die Energieeffizienz im Betrieb der Elektroly- sezelle erheblich gesteigert werden.
Unter einer sich vertikal durch die Kathode erstreckenden Öffnung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Öffnung verstanden, welche sich, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, be- vorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°,
ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° durch die Kathode hindurch erstreckt. Die Umrandung der Öffnung kann sich, im Kathodenquerschnitt gesehen, bezogen auf die vertikale Richtung schief oder gerade durch die Kathode hindurch erstrecken, so dass die Öffnung zum Beispiel die Form eines geraden oder schiefen Prismas mit insbesondere polygonförmiger Grundfläche oder die Form eines geraden oder schiefen Zylinders aufweisen kann. Alternativ dazu kann die Öffnung auch eine sich in vertikaler Richtung verjüngende Form aufweisen und insbesondere in etwa kegelstumpfförmig oder pyra- midenstumpfförmig ausgebildet sein. Gleichermaßen wird unter einer sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckenden Stromzuführung eine Stromzuführung verstanden, welche sich, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° durch die Kathode hindurch erstreckt. Analog dazu wird unter einer sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckenden weiteren Stromzuführung eine Stromzuführung verstanden, welche sich zumindest abschnittsweise, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° erstreckt.
Bevorzugt haben die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelze- schicht und die Anode in Draufsicht betrachtet eine der Kathode im Wesentlichen entsprechende Umrissform. Die Öffnung der Kathode erstreckt sich dementsprechend vertikal durch vorzugsweise die gesamte Elektrolysezelle hindurch.
Gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erzielt, wenn die wenigstens eine Öffnung in der Kathode, in Draufsicht betrachtet, im Wesentlichen mittig angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist es zudem bevorzugt, dass die wenigstens eine sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung zumindest im Wesentlichen mittig in der Öffnung und somit zumindest im Wesentlichen mittig in der Kathode angeordnet ist. Bei dieser Anordnung der Öffnung wird eine besonders gleichmäßige Kompensation der Magnetfelder in den um die Öffnung herum gelegenen Bereichen der Kathode erreicht.
Wie vorstehend dargelegt, kann sich die durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung auch durch die oberhalb der Kathode angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, durch die darauf angeordnete Schmelzeschicht und die oberhalb dieser angeordnete Anode hindurch erstrecken. In diesem Fall ist auch in der Schicht aus flüssigem Aluminium, in der darauf angeordneten Schmelzeschicht und der oberhalb dieser angeordneten Anode jeweils eine Öffnung vorgesehen, welche sich vertikal durch die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht bzw. die Anode hindurch erstreckt, und, welche mit der Öffnung der Kathode in der Draufsicht der Elektrolysezelle betrachtet fluchtet; mit anderen Worten sind die Schicht aus flüssigem Aluminium, die darauf angeordnete Schmelzeschicht und die oberhalb dieser angeordnete Anode gleichermaßen ausgestaltet wie die Kathode. Allerdings ist es auch möglich, dass sich die durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung nur durch zwei oder eine der Schicht aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht und der Anode hindurch erstreckt oder sich nur durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckt. Mithin kann die Elektrolysezelle insgesamt eine Öffnung aufweisen, die sich vertikal durch ein oder mehrere und insbesondere durch alle aus der aus Kathode, Schicht aus flüssigem Aluminium, Schmelzeschicht und Anode bestehen-
den Gruppe ausgewählte Bauteile der Elektrolysezelle hindurch erstreckt, wobei in der Öffnung wenigstens eine sich vertikal durch diese Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode und/ oder mit der Kathode elektrisch verbundene Stromzuführung vorgesehen ist. Wenn vorstehend oder nachfolgend die Formulierung "Öffnung der Kathode" verwendet wird, umfasst diese Formulierung nicht nur eine sich ausschließlich durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung, sondern insbesondere auch eine vorstehend beschriebene Öffnung, welche sich durch die Kathode und zusätzlich durch weiteren Bauteile der Elektrolysezelle hindurch erstreckt.
Vorzugsweise ist die innere Stromzuführung zumindest über einen Teil ihrer innerhalb der wenigstens einen Öffnung angeordneten Länge und insbesondere über ihre gesamte innerhalb der Öffnung angeordneten Länge nicht direkt elektrisch mit dem die jeweilige Öffnung umgebenden Bau- teil, wie Kathode, Schicht aus flüssigem Aluminium, Schmelzeschicht und Anode, verbunden, sondern von dem jeweiligen Bauteil der Elektrolysezelle elektrisch isoliert. Die innere Stromzuführung kann dazu in der Öffnung über ihre jeweilige Länge von dem jeweiligen Bauteil der Elektrolysezelle beabstandet angeordnet sein und/ oder von einem elektrisch isolie- renden Stoff oder Medium, wie beispielsweise von Luft, umgeben sein.
Sofern sich die wenigstens eine Öffnung auch durch die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht erstreckt, ist es bevorzugt, dass die innere Stromzuführung zumindest über ihre gesamte sich durch die in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht vorgesehene Öffnung erstreckende Länge von der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht elektrisch isoliert ist und besonders bevorzugt auch über ihre gesamte sich durch die in der Kathode und in der Anode vorgesehene Öffnung erstreckende Länge Kathode und Anode elektrisch isoliert ist.
Grundsätzlich kann die Kathode auf eine beliebige, dem Fachmann bekannte Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Kathode den Boden einer die Schicht aus flüssigem Aluminium bzw. die Schmelzeschicht tragenden Wanne bilden, die ein Becken für die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht ausbildet, wobei das Becken bevorzugt ringförmig um die in der Schicht aus flüssigem Aluminium bzw. in der Schmelzeschicht ausgebildete Öffnung herum verläuft. Bei dieser Aus- führungsform wird das Becken in der Richtung zu der Öffnung hin bevorzugt durch in der Wanne vorgesehene Außenwände begrenzt, die einen Schacht bilden, durch den sich die innere Stromzuführung hindurch erstreckt, wobei die innere Stromzuführung bevorzugt von den den Schacht ausbildenden Außenwänden beabstandet ist. Dabei können die Seitenwände des Beckens durch ein feuerfestes Material ausgebildet sein. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Kathode, in Draufsicht betrachtet, ringförmig ausgestaltet ist. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine Kathode bereitstellen, welche eine mittig in der Kathode angeordnete Öffnung aufweist. Dabei sind bevorzugt auch die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelze- schicht und die Anode der Elektrolysezelle entsprechend der Kathode in
Draufsicht betrachtet ringförmig ausgestaltet. Dabei wird unter einer ringförmigen Ausgestaltung eines Bestandteils der Elektrolysezelle, d.h. insbesondere der Kathode, der Schicht aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht und der Anode, im Sinne der vorliegenden Erfindung verstan- den, dass der jeweilige Bestandteil die Form eines Rings bildet, welcher entweder geschlossen sein kann oder an einer oder mehreren Stellen offen ausgestaltet sein kann. Insbesondere in dem Fall der Kathode, der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ist eine Ausgestaltung in Form eines geschlossenen Rings bevorzugt, wohingegen die Anode ins- besondere auch in der Form eines offenen Rings, beispielsweise in der
Form eines segmentierten Rings, der an mehreren Stellen offen ausgestaltet ist, ausgebildet sein kann, wobei ein solcher offenen Ring beispielsweise durch mehrere, um die Öffnung ringförmig herum angeordnete und voneinander beabstandete Anodenblöcke ausgebildet werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die innere(n) und die äußerein) Stromzuführung(en) bevorzugt mit derselben aus Elektrode elektrisch verbunden, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass die innere und äußere Stromzuführung direkt mit demselben Stromleiter verbunden werden, der mit der Elektrode direkt verbunden ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode, in Draufsicht betrachtet, eine zumindest annähernd kreisringförmige Umrissform auf. Auf diese Weise wird die Rotationssymmetrie der magnetischen Flussdichte der Stromzuführungen durch die Geometrie der Kathode nachempfunden. Mit dieser Geometrie lässt sich eine besonders wirksame Magnetfeldkompensation innerhalb der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreichen, wodurch eine Wellenbildung noch wirksamer reduziert und die Stabilität und Energieeffizienz der Elektrolysezelle noch weiter erhöht werden kann. Die Kathode kann dabei prinzipiell als ein um die Öffnung herum verlaufender, geschlossener Ring ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Kathode auch als nur teilweise geschlossener Ring ausgebildet sein, der an einer oder mehreren Stellen offen ausgestaltet ist.
Alternativ zu der vorstehenden Ausführungsform kann die Kathode, in Draufsicht betrachtet, eine zumindest annähernd polygonringförmige Umrissform aufweisen. Dadurch wird insbesondere bei einer polygonringförmigen Ausgestaltung mit einer hohen Anzahl an Ecken eine Annähe- rung an die bevorzugte Form eines Kreisrings und die damit verbundenen
vorteilhaften Effekte erreicht, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass eine polygonringförmige Kathode einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als eine kreisringförmige Kathode. Gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erzielt, wenn der Außenumfang und/ oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonringförmigen Umrissform der Kathode die Form eines bevorzugt regelmäßigen Polygons mit n Ecken aufweist, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist. Als Kompromiss zwischen einer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit und einer guten Annähe- rung an die bevorzugte Kreisringform ist die Kathode bei dieser Ausführungsform höchst bevorzugt als regelmäßiger Polygonring mit 6 oder 8 Ecken ausgestaltet.
Grundsätzlich kann die Kathode der Elektrolysezelle einstückig oder mehrstückig ausgestaltet sein, wobei aus fertigungstechnischer Sicht eine mehrstückige Ausgestaltung bevorzugt ist. Dabei sind bei der mehrstückigen Ausgestaltung die einzelnen, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcke bevorzugt in Umfangsrichtung um die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung herum unter Ausbildung einer ring- förmigen Kathode nebeneinander und bevorzugt aneinander angrenzend angeordnet. Dabei ist eine kreisringförmige oder polygonringförmige Ausgestaltung bevorzugt. Ein solcher segmentweiser Aufbau der Kathode erleichtert die Bereitstellung der einzelnen Komponenten und die Zusammensetzung der Elektrolysezelle während der Installation.
Um eine an die im Hinblick auf die Kompensation der magnetischen Flussdichte bevorzugte Kreisringform ausreichend angenäherte polygonringförmige Ausgestaltung der Kathode mit geringem Herstellungsaufwand zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorge- schlagen, dass bei mehrstückiger Ausgestaltung zumindest ein Kathoden-
block und bevorzugt alle Kathodenblöcke der Kathode, in Draufsicht betrachtet, zumindest annähernd hexagonal, zumindest annähernd kreis- ringsegmentförmig oder zumindest annähernd trapezförmig ausgestaltet ist/sind. Im Falle von zumindest annähernd hexagonalen oder zumindest annähernd trapezförmigen Kathodenblöcken kann die Kathode zum Beispiel aus 6 solchen Kathodenblöcken, die in Umfangsrichtung um die Öffnung der Kathode herum nebeneinander angeordnet sind, zusammengesetzt sein. Ein im Wesentlichen trapezförmiger Kathodenblock lässt sich in besonders einfacher Weise dadurch herstellen, dass ein langgestreckter Ausgangskörper in quer zu seiner Längsrichtung gerichteten Winkeln auseinander geschnitten wird, wobei die Orientierung der Winkel von Schnitt zu Schnitt abwechselt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0, 1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5. Auf diese Weise wird im Bereich der gesamten Schicht aus flüssigem Aluminium und der gesam- ten Schmelzeschicht ein ausgesprochen hoher Kompensationsgrad der magnetischen Flussdichte erreicht, und zwar bei gleichzeitig relativ geringem Raumbedarf der Elektrolysezelle in horizontaler Richtung. Sofern sich die wenigstens eine Öffnung auch durch ein oder mehrere der Schicht aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht und der Anode hindurch er- streckt, gelten die vorstehenden Zahlenbereiche vorzugsweise auch für das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser dieser Bauteile. Unter Innendurchmesser wird dabei der Durchmesser des größten in der horizontalen Ebene verlaufenden Kreises verstanden, der sich in der Öffnung des jeweiligen Bestandteils der Elektroly- sezelle anordnen lässt, ohne den Innenumfang der Öffnung zu schneiden.
Unter Außendurchmesser wird analog dazu der Durchmesser des kleinsten in der horizontalen Ebene verlaufenden Kreises verstanden, der sich um den Außenumfang des jeweiligen Bestandteils herum anordnen lässt, ohne den Außenumfang des Bestandteils zu schneiden.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Elektrolysezelle mehrere, insbesondere zwischen 2 und 10, bevorzugt zwischen 4 und 8, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 und ganz besonders bevorzugt 6 außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete Stromzuführungen umfasst. Dabei ist es bevorzugt, dass sich alle außerhalb der Kathodenöffnung vorgesehenen Stromzuführungen der Elektrolysezelle zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstrecken und jeweils mit der Kathode und/ oder mit der Anode elektrisch verbunden ist. Dadurch können sich die durch den elektrischen Strom in den Stromzu- Führungen erzeugten magnetischen Flussdichten gegenseitig noch wirksamer kompensieren, so dass eine noch weitere Steigerung der Stabilität und Energieeffizienz im Betrieb der Elektrolysezelle erreicht wird. Eine hohe Symmetrie der Anordnung und dadurch eine besonders gute Magnetfeldkompensation wird erreicht, wenn die Anzahl der außerhalb der Kathodenöffnung angeordneten Stromzuführungen mit der Anzahl von die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken identisch ist.
Eine optimale Kompensation der magnetischen Flussdichte wird dabei erreicht, wenn die weiteren Stromzuführungen in Umfangsrichtung der Kathode betrachtet und um die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung herum betrachtet zumindest annähernd regelmäßig, d.h. insbesondere in annähernd regelmäßigen Winkelabständen, voneinander angeordnet sind. Dabei umgeben die weiteren bzw. äußeren Stromzuführungen die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung bevorzugt konzentrisch.
Generell fließt der gesamte für die Elektrolyse verwendete elektrische Zellenstrom bevorzugt durch die wenigstens eine sich durch die Kathoden- Öffnung erstreckende Stromzuführung sowie durch die ein oder mehreren außerhalb der Kathodenöffnung angeordneten Stromzuführungen der Elektrolysezelle. Dabei sind die sich durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung und die weiteren Stromzuführungen bevorzugt - beispielsweise durch geeignete Wahl der Leiterquerschnitte der Stromzuführungen - so aufeinander abgestimmt, dass sich der Zellen- ström so auf die Stromzuführungen aufteilt, dass eine optimale Magnetfeldkompensation im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreicht wird.
Um die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht noch weiter zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die Kathode an ihrer Unterseite wenigstens zwei stiftartige Kontaktierungselemente aufweist, welche die Kathode stromzuführend kontaktieren. Im Unterschied zu einer herkömmlichen, sich von der Seite in die Kathode hinein erstreckenden Stromschiene wird es durch diese Art der Kontaktierung ermöglicht, die Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode und in der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht gezielt so anzupassen, dass sich über die gesamte Kathodenoberfläche eine besonders homogene Stromdichteverteilung ergibt. Auf diese Weise werden horizontale Stromdichtekomponenten in der Schicht aus flüssigem Aluminium besonders weitestgehend vermieden, weswegen die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der darüber angeordneten Schmelzeschicht auf ein Minimum reduziert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich zumindest eines der stiftartigen Kontaktierungselemente und erstrecken sich bevorzugt alle Kontaktierungselemente mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° be- zogen auf die Senkrechte und besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode hinein. Dadurch wird ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktierungselementen und der Kathode hergestellt.
Die Kontaktierungselemente sind an ihrer von der Kathode abgewandten Seite bevorzugt mit einer gemeinsamen Grundplatte elektrisch leitend verbunden. Auf diese Weise werden zum einen eine gute mechanische Fixierung und zum anderen eine gute elektrische Verbindung aller Kontaktierungselemente erreicht. Die Grundplatte kann beispielsweise zumindest bereichsweise direkt an der Unterseite der Kathode anliegen und dabei selbst einen direkten elektrischen Kontakt zu der Kathode herstellen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Grundplatte in einem Abstand zu der Kathodenunterseite angeordnet ist.
Wenn sich die Kontaktierungselemente in die Kathode hinein erstrecken, sind sie vorzugsweise über eine Schraub Verbindung mit der Kathode verbunden, wobei bevorzugt die Kontaktierungselemente an ihrer Außenseite ein Außengewinde der Schraubverbindung aufweisen. Als Material für die Kontaktierungselemente und die Grundplatte, sofern vorhanden, kommt prinzipiell jedes geeignete elektrisch leitfähige Material in Frage, wobei für diesen Zweck bevorzugt ein Stahl, Aluminium, Kupfer und/ oder Kohlenstoff enthaltendes Material oder auch Graphit eingesetzt wird.
Die Länge der Kontaktierungselemente beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 500 mm und der Durchmesser der Kontaktierungselemente beträgt bevorzugt zwischen 30 und 200 mm. Die Kontaktierungselemente können
zumindest bereichsweise in einer Dichte von 4 bis 1000 Kontaktierungs- elementen pro Quadratmeter Grundfläche der Kathode angeordnet sein. Bei einer solchen Dichte kann die Verteilung der Kontaktierungselemente gezielt so angepasst werden, dass sich an der Kathodenoberfläche eine zumindest besonders gleichmäßige Stromdichteverteilung ergibt.
Eine besonders hohe Energieeffizienz der Elektrolysezelle lässt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt. Obwohl unter Energieeffizienzaspekten prinzipiell ein möglichst geringer Abstand anzustreben ist, so ist doch ein gewisser Mindestabstand vorteilhaft, um die Betriebstemperatur der Elektrolysezelle über die dort entstehende Joule- sche Wärme aufrechtzuerhalten. Der geringe Abstand wird durch die Ver- ringerung der Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium infolge der Magnetfeldkompensation durch die sich durch die Öffnung der Kathode erstreckende Stromzuführung ermöglicht.
Um die Verschleißbeständigkeit der Elektrolysezelle noch weiter zu erhö- hen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die Kathode oder zumindest ein die Kathode ausbildender Kathodenblock einen Graphitverbundwerkstoff oder einen Kohlenstoffverbundwerkstoff enthält oder bevorzugt daraus besteht, wobei der Graphitverbundwerkstoff neben Graphit und/ oder amorphen Kohlenstoff wenigstens ei- nen Hartstoff mit einem Schmelzpunkt von wenigstens 1.000°C enthält. Der Graphitverbundwerkstoff oder Kohlenstoffverbundwerkstoff kann insbesondere zwischen 1 und 50 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 15 und 50 Gew.-% des Hartstoffes enthalten. Unter Hartstoff wird dabei im Einklang mit der fachüblichen Definition dieses Begriffs ein Ma- terial verstanden, welches sich insbesondere auch bei hohen Temperatu-
ren von 1.000°C und höher durch eine besonders hohe Härte auszeichnet. Durch den Zusatz eines solchen Hartstoffes kann ein abrasiver Verschleiß der Kathode bei deren Betrieb an ihrer der Schicht aus flüssigem Aluminium zugewandten Oberfläche verhindert oder zumindest beträchtlich verringert werden. Für diesen Zweck kann die Kathode insbesondere auch zweischichtig aufgebaut sein, nämlich aus einer auf ihrer der Schicht aus flüssigem Aluminium zugewandten Seite vorgesehenen Deckschicht und einer darunter liegenden Grundschicht zusammengesetzt sein, wobei die Deckschicht aus dem den Hartstoff enthaltenden Kohlenstoffverbund- Werkstoff und/ oder Graphitverbundwerkstoff aufgebaut ist und die
Grundschicht beispielsweise aus hartstofffreiem Graphit zusammengesetzt ist. Dabei kann der Hartstoff beispielsweise eine gemäß der DIN EN 843-4 gemessene Knoop Härte von wenigstens 1.000 N/mm2, bevorzugt von wenigstens 1.500 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 2.000 N/mm2 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 2.500 N/mm2 aufweisen und kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, welche aus Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Tantaldiborid, Titancarbid, Borcarbid, Titancarbonitrid, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und beliebigen chemischen Kombinationen und/ oder Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode eine zumindest bereichsweise profilierte Oberfläche auf, auf der die Schicht aus flüssigem Aluminium angeordnet ist und die beispielsweise durch eine wie vorstehend beschriebene, einen Hartstoff enthaltende Deckschicht der Kathode gebildet sein kann. Durch eine solche Oberflächenprofilierung kann bei dem Betrieb der Elektrolysezelle eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium beson- ders wirksam verhindert werden. Dabei kann die Oberfläche der Kathode
beispielsweise mehrere Erhebungen und/ oder Vertiefungen aufweisen, wobei die Tiefe einer Vertiefung vorzugsweise 10 bis 90 mm, besonders bevorzugt 40 bis 90 mm und ganz besonders bevorzugt 60 bis 80 mm beträgt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode für eine Elektrolysezelle und insbesondere eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist. Eine solche Kathode eignet sich zum Einsatz in einer wie vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Die vorstehend in Bezug auf die Elektrolysezelle beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen gelten dabei soweit anwendbar entsprechend auch für die erfindungsgemäße Kathode.
Bevorzugt ist die Kathode in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd ringförmig und bevorzugt zumindest annähernd kreisringförmig oder polygonringförmig ausgestaltet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Außenumfang und / oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonförmigen Umrissform der Kathode zumindest im Wesentlichen die Form eines bevorzugt regelmäßigen Polygons mit n Ecken auf, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist. Auf diese Weise kann die Kathode mit besonders einfachen technischen Mitteln und bei besonders einfacher Herstellung an die als optimal betrachtete Kreisringform angenähert werden.
Die erfindungsgemäße Kathode kann aus mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzt sein, welche bevorzugt in Umfangsrichtung gesehen um die Öffnung der Kathode herum nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.
Dabei ist es bevorzugt, wenn zumindest ein Kathodenblock und bevorzugt alle Kathodenblöcke in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd hexagonale, zumindest annähernd kreisringsegmentförmige oder zumindest annähernd trapezförmige Umrissform aufweisen. Eine solche Grund- form lässt sich einfach herstellen und eignet sich besonders zur Herstellung einer zumindest annähernd kreisringförmigen Kathode durch entsprechendes Zusammensetzen der einzelnen Kathodenblöcke. Die Kathodenblöcke können dabei jeweils über eine Stampfmassenfuge oder in anderer geeigneter Weise miteinander verbunden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0, 1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 beträgt. Auf diese Weise lässt sich in der gesamten Kathode eine besonders gleichmäßige und geringe magnetische Flussdichte bei gleichzeitig guter Raumausnutzung bezogen auf die Erstreckung der Kathode in der horizontalen Ebene erzielen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode an ihrer Unterseite wenigstens zwei Aussparungen für jeweils ein stiftartiges Kontaktierungselement auf. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Kathode über in die Aussparungen der Kathode eingesetzte stiftartige Kontaktierungselemente zu kontaktie-
ren, wodurch die Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode und in der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht gezielt so angepasst werden kann, dass sich über die gesamte Kathodenoberfläche eine besonders homogene Stromdichtevertei- lung ergibt.
Bevorzugt erstreckt sich zumindest eine der Aussparungen für ein stiftartiges Kontaktierungselement und besonders bevorzugt erstrecken sich alle Aussparungen für ein stiftartiges Kontaktierungselement mit einem Win- kel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und ganz besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode hinein. Dadurch lässt sich ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen einem in der jeweiligen Aussparung der Kathode vorgesehenen stiftartigen Kontaktierungselement und der Kathode herstellen.
Dabei ist die Kathode bevorzugt über eine Schraubverbindung mit einem in einer Aussparung der Kathode angeordneten stiftartigen Kontaktierungselement verbunden, wobei die Aussparung bevorzugt an ihrer Innenseite ein Innengewinde für eine solche Schraubverbindung aufweist.
Die Länge der Aussparungen für die stiftartigen Kontaktierungselemente beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 500 mm und der Durchmesser der Aussparungen für stiftartige Kontaktierungselemente beträgt bevorzugt zwischen 30 und 200 mm. Die Aussparungen für stiftartige Kontak- tierungselemente können zumindest bereichsweise in einer Dichte von 4 bis 1000 Aussparungen pro Quadratmeter Grundfläche der Kathode angeordnet sein. Bei einer solchen Dichte kann die Verteilung der in die Aussparungen eingesetzten Kontaktierungselemente gezielt so angepasst werden, dass sich an der Kathodenoberfläche eine zumindest besonders gleichmäßige Stromdichteverteilung ergibt.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt,
Fig. 2 eine geschnittene Ansicht einer Elektrolysezelle gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung mit vertikaler Kontaktierung der Kathode in Draufsicht,
Fig. 3 ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des elektrischen Stromflusses in dem in der Fig. 3 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5a-c eine graphische Darstellung der elektrischen Stromdichteverteilung an der Kathodenoberfläche eines wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 5a) und - zum Vergleich - die elektrische Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode einer herkömmlichen Elektrolysezelle (Fig. 5b),
Fig. 6a-c eine graphische Darstellung der Verteilung der magnetischen
Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht des in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung (Fig. 6a) und - zum Vergleich - die Verteilung der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher Kathode (Fig. 6b),
Fig. 7 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung und eine anschauliche Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zu deren Herstellung,
Fig. 8 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10 ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit horizontaler Kontaktierung der Kathode in perspektivischer Ansicht,
Fig. 1 1 eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 12 eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 13 eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung im Querschnitt und
Fig. 14 eine weitere Querschnittsdarstellung der in der Fig. 13 gezeigten Elektrolysezelle mit Vermerk der technischen Stromflussrich- tung. Fig. 1 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt. Die Elektrolysezelle umfasst eine herkömmliche quaderförmige Kathode 10', die einen Kathodenboden ausbildet, oberhalb dessen sich eine Schicht 12 aus flüssigem Aluminium befindet. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium grenzt an eine oberhalb der Schicht 12 aus flüssi- gern Aluminium angeordnete Schmelzeschicht 14 an. In die Schmelzeschicht 14 taucht eine oberhalb der Schmelzeschicht 14 angeordnete sowie aus mehreren Anodenblöcken 27 gebildete Anode 16 ein, wobei die Anodenblöcke 27 mit einer äußeren Stromzuführung 22 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kathode 10' der in Fig. 1 gezeigten Elektrolysezelle ist mit einer sich seitlich in die Kathode 10' hinein erstreckenden Stromschiene 34 elektrisch leitend verbunden.
Fig. 2 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Die Elektrolysezelle umfasst eine Katho- de 10, auf der Oberseite der Kathode 10 eine Schicht 12 (nicht dargestellt) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht 14 (nicht dargestellt) und oberhalb der Schmelzeschicht 14 eine Anode 16 (nicht dargestellt). Die letztgenannten Komponenten sind in der Fig. 2 nicht dargestellt, um so den Blick auf die Kathode 10 der Elektrolysezelle freizugeben. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht 14 und die Anode 16, die in Fig. 2 nicht dargestellt sind, haben in Draufsicht betrachtet eine der Kathode 10 entsprechende Form.
Die Kathode 10 umfasst eine sich vertikal, d.h. in der Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene, durch die Kathode 10 hindurch erstreckende Öffnung 18,
in der eine sich durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode 16 (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbundene, "innere" Stromzuführung 20 vorgesehen ist. Neben der inneren Stromzuführung 20 weist die Elektrolysezelle mehrere außerhalb der Öffnung 18 angeordnete "äußere" Stromzuführungen 22 auf, die seitlich versetzt zu der Kathode angeordnet sind, vertikal nach oben verlaufen und wie in der Fig. 3 gezeigt ebenfalls mit der Anode 16 verbunden sind. Die äußeren Stromzuführungen 22 sind im Wesentlichen ringförmig und in regelmäßigen Winkelabständen um die Öffnung 18 herum angeordnet.
Die Kathode 10 weist in Draufsicht betrachtet im Wesentlichen die Form eines regelmäßigen Hexagonalrings auf, wobei sowohl der Außenumfang als auch der Innenumfang der Kathode 10 ein regelmäßiges Sechseck bilden und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch ist die Form der Kathode 10 nahe an die eines konzentrischen Kreisrings angenähert und kann im Vergleich zu einem konzentrischen Kreisring einfach hergestellt werden.
Die Kathode 10 ist dabei aus mehreren Segmenten bzw. Kathodenblöcken 24 zusammengesetzt, die jeweils in Draufsicht betrachtet die Umrissform eines symmetrischen Trapezes aufweisen und in Umfangsrichtung um die Öffnung 18 herum nebeneinander angeordnet sind, um die hexagonalring- förmige Kathode 10 zu bilden.
Die Kathode 10 weist dabei in Draufsicht betrachtet eine sechszählige Symmetrie auf, wobei drei vertikale Symmetrieebenen 26 wie in der Fig. 2 gezeigt, mitten durch die Kathodenblöcke 24 hindurch verlaufen und zu- sätzlich drei in der Fig. 2 nicht eigens gekennzeichnete Symmetrieebenen
jeweils entlang der zwischen zwei nebeneinander liegenden Kathodenblöcken 24 angeordneten Seitenflächen der Kathodenblöcke 24 verlaufen.
Fig. 3 zeigt ein durch einen trapezförmigen Kathodenblock 24 gebildetes Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die im Wesentlichen der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform entspricht, in perspektivischer Ansicht. Dabei sind auch die einzelnen Leiterabschnitte, nämlich eine innere und eine äußere Stromzuführung 20, 22, gut sichtbar, die oberhalb der Anode 16 zusammengeführt sind und die Anode 16 kontaktieren. Ferner ist in der Fig. 3 ersichtlich, dass auch die Anode 16 aus mehreren Anodenblöcken 27 besteht, wobei die einzelnen Anodenblöcke 27 entsprechend den Kathodenblöcken 24 im Wesentlichen die Umrissform eines symmetrischen Trapezes aufweisen. Jeder Anodenblock 27 kann dabei prinzipiell von einer oder mehreren Stromzuführungen 20, 22 kontaktiert sein und mehrere Anodenblöcke 27 können entlang ihrer Seitenflächen elektrisch leitend miteinander verbunden sein, was aber nicht unbedingt erforderlich ist. Dabei sind die Anodenblöcke 27 an elektrisch leitenden Aufhängungselementen 25 aufgehängt und werden über diese elektrisch kontaktiert.
Die Kathode 10 wird von unten her durch mehrere stiftartige Kontaktie- rungselemente 28 elektrisch kontaktiert, die sich jeweils senkrecht zur Unterseite der Kathode 10 in die Kathode 10 hinein erstrecken und die an ihrer der Kathode 10 abgewandten Seite mit einer gemeinsamen über einen Stromleiter 29 mit einer elektrischen Stromquelle verbundenen Grundplatte 30 elektrisch verbunden sind.
In der Fig. 4 ist durch Pfeile 31 der elektrische Stromfluss in dem in der Fig. 3 gezeigten Segment der Elektrolysezelle veranschaulicht. Der nach oben gerichtete elektrische Strom in der inneren Stromzuführung 20 und
der ebenfalls nach oben gerichtete elektrische Strom in den äußeren Stromzuführungen 22 erzeugen dabei jeweils ein magnetisches Feld, wobei sich die von der inneren und den äußeren Stromzuführungen 20, 22 erzeugten Magnetfelder im Bereich der Kathode 10, der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht 14 und der Anode 16 im Wesentlichen aufheben, so dass insbesondere in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 nur eine sehr geringe und sehr homogen verteilte magnetische Flussdichte vorliegt. Wie in der Fig. 4 gezeigt, wird dabei der gesamte durch die Anode 16, die Schmelzeschicht 14, die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und die Kathode 10 fließende Elektrolysestrom durch die Stromzuführungen 20, 22 zugeführt. Die Aufteilung des Elektrolysestroms auf die innere Stromzuführung 20 einerseits und die äußere Stromzuführungen 22 andererseits ist dabei durch entsprechende Wahl der Querschnitte der Stromzuführungen 20, 22 bevor- zugt so angepasst, dass sich eine optimale Auslöschung der Magnetfelder im Bereich der ringförmigen Kathode 10 ergibt. Wie insbesondere in der Fig. 2 ersichtlich, können die innere Stromzuführung 20 und die äußeren Stromzuführungen 22 dazu unterschiedliche große Leiterquerschnitte aufweisen.
Fig. 5a zeigt eine graphische Darstellung der elektrischen Verteilung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberfläche eines wie in den Fig. 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle in Draufsicht betrachtet.
Aus der Fig. 5a ist ersichtlich, dass durch die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigte besondere Art der Kontaktierung mittels stiftförmigen Kontaktie- rungselementen 28 eine hervorragende Gleichmäßigkeit der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte über die gesamte Kathoden- blockoberfläche hinweg erreicht wird. Auf diese Weise werden horizontale
Stromdichtekomponenten weitestgehend vermieden, so dass die Wellenbildung in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 und ein Verschleiß der Kathode 10 allein schon durch die Art der Kontaktierung der Kathode 10 verringert werden.
Fig. 5b ist eine der Darstellung von Fig. 5a entsprechende Darstellung der Verteilung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte an der Oberfläche einer herkömmlichen quaderförmigen Kathode 10' einer herkömmlichen Elektrolysezelle.
Wie ein Vergleich der Fig. 5a und Fig. 5b zeigt, weist die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Elektrolysezelle eine Verteilung der vertikalen elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberfläche auf, die deutlich gleichmäßiger ist als die in der Fig. 5b gezeigte Verteilung der vertikalen Stromdichte an der Oberfläche der herkömmlichen Kathode 10'.
Fig. 5c ist eine Legende, welche die den in den Fig. 5a und Fig. 5b gezeigten Schraffuren entsprechenden Werte des Betrags der vertikalen elektrischen Stromdichte an der jeweiligen Stelle der Kathodenoberfläche angibt.
Fig. 6a zeigt eine graphische Darstellung der Verteilung des Betrags der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 eines wie in den Fig. 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle in Draufsicht betrachtet.
Fig. 6b ist eine der Darstellung von Fig. 6a entsprechende Verteilung des Betrags der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher quaderförmiger Kathode 10'.
Fig. 6c ist eine Legende, die die den in den Fig. 6a und Fig. 6b gezeigten Schraffuren entsprechende Werte des Betrags der magnetischen Flussdichte an der jeweiligen Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 angibt.
Wie ein Vergleich der Fig. 6a und Fig. 6b zeigt, weist die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigte Elektrolysezelle eine Verteilung der magnetischen Flussdichte auf, die sowohl dem Betrage nach deutlich geringer als auch deutlich gleichmäßiger verteilt ist als die in der Fig. 6b gezeigte Verteilung in einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher Kathode 10'.
Dadurch wird in Kombination mit der in der Fig. 5c gezeigten deutlich gleichmäßigeren Verteilung der vertikalen Stromdichtekomponenten eine deutlich höhere Stabilität und deutlich höhere Energieeffizienz der in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Elektrolysezelle ermöglicht.
Fig. 7 zeigt eine Elektrolysezelle in Draufsicht, die im Wesentlichen der in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Elektrolysezelle entspricht, wobei zusätzlich ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der Kathode 10 der Elektroly- sezelle veranschaulicht ist. Wie in der Fig. 7 gezeigt können mehrere trapezförmige Kathodenblöcke 24 für die hexagonalringförmigen Kathode 10 einfach dadurch hergestellt werden, dass ein im Wesentlichen quaderförmiger Rohkörper 32 quer zu seiner Längsrichtung in Stücke geschnitten wird, wobei die Schnitte in Längsrichtung des Rohkörpers 32 betrachtet in einer wechselnden Orientierung geführt sind. Als Schneidwerkzeug kann beispielsweise ein Fräs- oder Sägewerkzeug verwendet werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysezelle in Draufsicht, die im Wesentlichen der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ent- spricht und bei der die Kathode 10 eine kreisringförmige Umrissform auf-
weist und aus kreisringsegmentförmigen Kathodenblöcken 24 zusammengesetzt ist.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysezelle in Drauf- sieht, die im Wesentlichen den in den Fig. 7 und Fig. 8 gezeigten Ausführungsformen entspricht und bei der die Kathode 10 aus Kathodenblöcken 24 mit hexagonaler Umrissform derart zusammengesetzt ist, dass sich eine annähernd kreisförmige Umrissform der gesamten Kathode 10 ergibt. Fig. 10 zeigt ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Aus- führungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht. Die in der Fig. 10 gezeigte Ausführungsform entspricht dabei im Wesentlichen den in den Fig. 2, 3, 4 und 7 gezeigten Ausführungsformen, wobei allerdings die Kon- taktierung der Kathode 10 nicht durch stiftartige Kontaktierungselemente 28 (siehe Fig. 3 und 4), sondern durch horizontale Stromschienen 34 erfolgt. Obwohl bei dieser Kontaktierung der Kathode 10 unter Umständen keine derart ausgeprägte Vergleichmäßigung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte erreicht wird, wie diese für die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform erreicht wird, wird aufgrund der verbes- serten Stromzuführung zu der Anode 16 und der damit einhergehenden Verringerung und Vergleichmäßigung der Verteilung der magnetischen Flussdichte dennoch eine erhebliche Verringerung der Wellenbildung in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 erreicht, so dass auch hier die Stabilität und Energieeffizienz der Elektro- lysezelle erheblich gesteigert sind.
Fig. 1 1 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren bevorzugten Aus- führungsform in perspektivischer Ansicht, wobei die Elektrolysezelle im Wesentlichen aus wie in den Figuren 3 und 4 gezeigten Segmenten zu- sammengesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Öffnung
18 vertikal durch die Kathode 10 hindurch und erstreckt sich außerdem durch die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht 14 und die Anode 16 vertikal hindurch, wobei diese Bestandteile jeweils um diese Öffnung herum einen geschlossenen Ring ausbilden. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 14 befinden sich in einem durch eine Wanne begrenzten Becken, wobei der Boden der Wanne durch die Kathode 10 gebildet ist, wobei die Seitenwände der Wanne in der Fig. 1 1 nicht dargestellt sind. Dabei ist die Anode 16 vorzugsweise, was aus der schematischen Fig. 1 1 nicht hervorgeht, in Draufsicht be- trachtet etwas schmaler ausgebildet als die Kathode 10, die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 14 und taucht in die Schmelzeschicht 14 ein.
Fig. 12 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen der in der Fig. 1 1 gezeigten Elektrolysezelle entspricht. Allerdings besteht die Anode 16 der in der Fig. 12 gezeigten Elektrolysezelle aus mehreren Anodenblöcken 27 mit jeweils in Draufsicht betrachtet im Wesentlichen trapezförmiger Umrissform, die um die Öffnung 18 herum ringförmig angeordnet und voneinander beabstandet sind, und, die jeweils geringfügig in die Schmelzeschicht 14 eintauchen.
Fig. 13 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen der in den Figuren 1 1 und 12 gezeigten Elektrolysezellen entspricht. Gezeigt ist auch eine Stahlwanne 36, die eine Einfassung für die Elektrolysezelle bildet und - entsprechend der Kathode 10 - in Draufsicht betrachtet ringförmig ausgebildet ist. In Richtung zu der Öffnung 18 hin wird die Stahlwanne 36 durch senkrechte Seitenwände begrenzt, die einen sich vertikal durch die Elektrolysezelle hindurch er-
streckenden Schacht für die innere Stromzuführung 20 definieren, durch den die Stromzuführung 20 vertikal hindurch verläuft. Die Stahlwanne 36 ist an ihrem Boden mit Bodensteinen 38 ausgekleidet und an ihren senkrechten Seitenwänden mit Seitensteinen 40 ausgekleidet, wobei die Bo- den- und Seitensteine 38, 40 jeweils aus einem feuerfesten Material bestehen, welches vorzugsweise elektrisch isolierend ist. Vorzugsweise enthalten die die Auskleidung der Stahlwanne 36 ausbildenden Boden- und Seitensteine 38, 40 ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem weißkeramischen Material, einem siliciumnitridgebundenen Siliciumcarbid, Kohlenstoff und Graphit und beliebigen Kombinationen dieser Materialien besteht. Auf den Bodensteinen 38 ist die Kathode 10 angeordnet, die den Boden einer durch die Kathode 10 und die Seitensteine 40 gebildeten Wanne ausbildet, die wiederum ein Becken zur Aufnahme der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 definiert.
Aus der Fig. 13 ist auch ersichtlich, dass die Anodenblöcke 27 in die Schmelzeschicht 14, nicht aber in die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium eintauchen und zu diesem Zweck - in Draufsicht betrachtet - etwas schmaler ausgebildet sind als die Kathode 10, die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 14. In der Fig. 13 ist auch ein sich vertikal in die Kathode 10 hinein erstreckendes stiftförmiges Kontaktie- rungselement 28 gezeigt, welches an seinem von der Kathode 10 abgewandten Ende mit einer als horizontal verlaufende Sammelschiene 42 ausgebildeten Stromzuführung zur Stromversorgung der Kathode elektrisch verbunden ist. Das stiftförmige Kontaktierungselement 28 und die Sammelschiene 42 sind von der Stahlwanne 36 elektrisch isoliert.
In der Fig. 14 ist die in der Fig. 13 gezeigte Elektrolysezelle gezeigt, wobei in dieser Fig. durch die Pfeile 44 zusätzlich die technische Stromflussrich-
tung des bei dem Betrieb der Elektrolysezelle fließenden Stroms darg
Bezugszeichenliste
10 Kathode
10' herkömmliche Kathode
12 Schicht aus flüssigem Aluminium
14 Schmelzeschicht
16 Anode
18 Kathodenöffnung
20 innere Stromzuführung
22 äußere Stromzuführung
24 Kathodenblock
25 Aufhängungselement
26 Symmetrieebene
27 Anodenblock
28 Kontaktierungselement
29 Stromleiter
30 Grundplatte
31 Pfeil
32 Rohkörper
34 Stromschiene
36 Stahlwanne
38 Bodenstein
40 Seitenstein
42 Sammelschiene
44 Pfeil, welcher die technische Stromrichtung zeigt