JP2014517876A - 電解セルおよび不規則な表面プロファイリングを有するカソード - Google Patents

Abstract

本発明は、アルミニウムの製造のための電解セルであって、カソードと、カソードの上側の液体アルミニウム層と、その上の融解層と、融解層の上のアノードと、を備え、カソードは、その上側に、２つまたはそれ以上の凸部によって形成された表面プロファイリングを備える。カソードの表面プロファイリングは、凸部がそれぞれ、最大の参照波形成ポテンシャルを有する個所に配置されるように構成および配置され、ただしこの参照波形成ポテンシャルは、電解セルにおける液体アルミニウム層の運動および波形成のシミレーションによって求められる。本発明はまた、表面プロファイリングが、第１方向に通る２つまたはそれより多い第１ウェブと、これに対して垂直に通る第２ウェブとを有するカソードにも関する。

Description

本発明は電解セルに関し、特にはアルミニウムの製造に関し、かつそのような電解セルに用いるカソードに関する。

電解セルは、たとえば、工業的には通常はホール・エルー法に基づき行われるアルミニウムの電気的製造に用いられる。ホール・エルー法では、酸化アルミニウムおよび氷晶石の融解物が電気分解される。氷晶石（Ｎａ₃［ＡｌＦ₆］）は、純粋な酸化アルミニウムの２０４５℃の融点を、氷晶石、酸化アルミニウム、および、フッ化アルミニウムならびにフッ化カルシウムなどの添加物の混合物の約９５０℃に低下させるために用いられる。

この方法に用いられる電解セルは、カソードを形成しかつ互いに隣り合う多数のカソードブロックを備えうるカソード基部を備える。電解セルの動作中に強まる熱的および化学的条件に耐えるために、カソードは通常、炭素含有金属によって構成される。各例において、通常、カソードの下面には溝が設けられる。各例において、溝には、通常、少なくとも一つの母線が設けられる。アノードを介して与えられた電流は、この母線を通じて取り除かれる。カソードの上側に存在する通常は約１５〜５０ｃｍの高さの液体アルミニウム層の約３〜５ｃｍ上に個々のアノードブロックによって構成されるアノードが配置され、電解液、すなわち酸化アルミニウムおよび氷晶石を含む融解物が、アノードブロックとアルミニウム表面との間に位置している。約１０００℃で行われる電気分解の間、形成されたアルミニウムは、その密度が電解液に比べて顕著に大きいことから、電解液の下部に、すなわちカソードの上部と電解液層との間に中間層として堆積する。電気分解中に、融解物に溶け込んでいる酸化アルミニウムは電流によって分解され、アルミニウムおよび酸素を形成する。電気化学的観点からは、アルミニウムイオンがその表面において元素アルミニウムに還元されるので、液体アルミニウム層は実際のカソードである。それにもかかわらず、用語「カソード」は、以下では、電気化学的観点でのカソードすなわち液体アルミニウム層を意味するのでは無く、むしろ、電解セル基部を形成し、たとえば一つまたはそれ以上のカソードブロックを備えている構成要素を意味する。

ホール・エルー法の顕著な欠点は、非常にエネルギーを消費することである。１ｋｇのアルミニウムを製造するために、約１２〜１５ｋＷｈの電気エネルギーが必要になり、これは製造費用の約４０％に相当する。したがって、製造費用を低減できるようにするために、この反応における特定のエネルギー消費をできるだけ低減することが望ましい。

特に、融解物の電気抵抗が液体アルミニウム層およびカソード材料に比べて比較的高いことから、特に融解物において、ジュール散逸の形での比較的高い抵抗損が生じる。融解物における比較的高い損失の観点からは、融解物の厚さをできるだけ減らし、それによってアノードおよび液体アルミニウム層の間の距離をできるだけ減らすことが試みられる。しかしながら、過剰に小さい厚さの融解層が存在する場合に、電気分解の最中に存在する電磁的相互作用およびその結果液体アルミニウム層に生じる波形成が原因で、液体アルミニウム層がアノードに接触する恐れがあり、これは電解セルの短絡、および、形成されたアルミニウムの望ましくない再酸化に繋がる。そのような短絡は、また、損耗の増加に繋がり、それゆえ、電解セルの使用可能寿命の低下に繋がる。これらの理由のため、アノードおよび液体アルミニウム層の距離を自由に低減することはできない。

特定のエネルギー消費をさらに減らすために、表面プロファイリングを有する電解セルの動作中に上部が液体アルミニウムおよび融解物に面するカソードを有する電解セルもまた、最近、提案されている。ＵＳ２０１１／００５６８２６Ａ１には、たとえば、規則的に構築された表面プロファイリングを有するカソードが開示されている。規則的に構築された表面プロファイリングによって、液体アルミニウム層における水平方向および垂直方向の変動を低減することを意図し、その結果、液体アルミニウム層の安定性を向上させることを意図している。しかしながら、そのような規則的に構築された表面プロファイリングを有することによって、液体アルミニウム層における波形成は、限定的な程度にのみ低減され、特に、カソード表面全体を覆うように均一には低減されない。さらには、カソードブロック表面におけるこの既知の規則的表面プロファイリングは、液体アルミニウム層における動きの低減のため、定期的に供給される酸化アルミニウムの融解に必要な、液体アルミニウム層の上部に位置する融解物における混合をひどく妨害することに間接的に繋がり、これによって、達成可能な電気分解のエネルギー効率に対する不利な効果があることがわかっている。

ＥＰ ０ ９３８ ５９８Ｂ１およびＤＥ１０１ ６４ ００８Ｃ１には、カソードの上部においてできるだけ均等な電流密度の分布が生ずるように、外部からの電気的接触および特定の電気材料抵抗に関して適合したカソードを有する電解セルが開示されている。しかしながら、これらの電解セルの場合、比較的大きな波形成が同様に液体アルミニウム層において起こってしまい、したがって電解セルにおける特定のエネルギー消費の低減およびその使用可能寿命の向上は不可能になる。

これから進展し、本発明の課題は、動作中に特定のエネルギー消費が低減されかつ使用可能寿命が増加した電解セルを創造することにある。特に、増加した波形成傾向の結果として液体アルミニウム層において起こる、形成されたアルミニウムの短絡または再酸化などの不安定を有さずに融解層の厚さが低減する電解セルが利用可能になるべきである。同時に、本発明に係る電解セルは、その動作中に融解物における混合が十分に保証されるべきである。

本発明によれば、この問題は、請求項１に係る電解セルを利用可能にすることによって、特に、アルミニウム製造のための電解セルを利用可能にすることによって、解決される。すなわち、電解セル、特に、アルミニウムの製造のための電解セルであって、カソードと、カソードの上側の液体アルミニウム層と、その上の融解層と、融解層の上のアノードと、を備え、カソードは、その上側に、２つまたはそれ以上の凸部によって形成された表面プロファイリングを備え、カソードの表面プロファイリングは、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソードの上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に、凸部が各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピークが、境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在するように構成および配置され、ここで、参照波形成ポテンシャルは、表面プロファイリングを有するカソードの代わりに、表面プロファイリングは有さないがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソードと同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面の点に存在する波形成ポテンシャルとして定義される、電解セルである。

本発明によれば、電解セルのカソードは、特に表面プロファイリングの個々の要素の位置、大きさおよび形状に関して、電解セルの動作中に、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面にて波形成ポテンシャルの際立ったピークの形成が狙い通りに回避され、その結果、この境界表面から見て、表面プロファイリングを有しない対応するカソードを用いた場合よりも波形成ポテンシャルの分布が均一で低くなるような狙い通りに適合した表面プロファイリングを備えている。

本発明の意味では、表面プロファイリングは、カソードの基部平面に配された全ての凸部の合計を意味するように理解される。用語「基部平面」は、アノードの方向において最も遠くに位置し、かつ、カソードの表面プロファイリング化された上部に交差することなく、カソードの全体の交差断面領域を通過するカソードの水平面を指す。したがって、この基部平面に配されたすべての凸部は、アノードに向かう方向に配向され、かつ、液体アルミニウム層によって取り囲まれる。したがって、表面プロファイリングの凸部の高さは、その垂直方向下側に位置するカソードの基部表面の点からの、凸部の最も高い点の距離である。

本発明に係るこの解決法では、電解セルの動作中の、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面における、上述のように定義された波形成ポテンシャル、および、融解層は、液体アルミニウム層における波形成の駆動力であり、かつ、特に、従来の電解セルの場合の波形成ポテンシャルの分布は、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面に渡って均一ではなく、その逆に不均一であるという事実が考慮される。本発明によって提供される波形成ポテンシャルの低減によって、そして、特に、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面における波形成ポテンシャルの分布が均一になることの結果として、本発明に係る電解セルの動作中に、液体アルミニウム層における波形成が確実に防がれるか、または、少なくとも、相当低減する。その結果、融解層の厚さを従来の電解セルに比べて低減でき、それゆえ、本発明に係る電解セルの効率が顕著に向上する。

本発明のさらなる重要な発見は、従来の電解セルの場合における液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面に存在する波形成ポテンシャルの非均一な分布が、電解セルのカソードの上部における表面プロファイリングの配置および特定の状態によって直接的に影響を受けうることと、境界表面の各点における波形成ポテンシャルの際立ったピークが、このようにして狙い通りに回避されうることである。後に詳細に説明されるように、上述した境界表面の特定の点における波形成ポテンシャルは、この点に存在する電流密度と磁束密度とのベクトル積に依存する。カソードの電流供給部から電解セルのアノードに流れる特定の電流経路について検討すると、この経路に沿った全電気抵抗、および、その結果としての、上記経路が液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面を横切る点における電流密度は、特に、どんな経路長の経路がカソードブロック、液体アルミニウム層、および融解層を通るかに依存する。これらの材料は、それぞれ、異なる比抵抗を持ち、特に、融解層とさらにカソード材料は液体アルミニウムよりも高い比抵抗を有するので、また、個々の電流経路は、カソードブロック、液体アルミニウム層、および融解層で異なる経路長を有するので、個々の経路に沿った全電気抵抗およびそれゆえ液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面に渡る個々の電流密度は、従来の電解セルでは非均一であり、それゆえ、境界表面における個々の点は際立った電流密度ピークを示す。カソードの表面プロファイリングの凸部の位置、形状および長さの配置および適切な適合を通じて、様々な部分すなわちカソードブロック、液体アルミニウム層および融解層における個々の電流経路の経路長は、本発明に従い、以下のように調整される：すなわち、電解セルの動作中の液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面において、この境界表面に存在する波形成ポテンシャルの分布に際立ったピークが発生せず、その結果、波形成ポテンシャルの本質的に均一で低い分布を保証するよう適合した電流密度分布が、境界表面の領域に確立されるように、経路長が調整される。

カソードの表面プロファイリングの凸部の位置、形状、および長さを最適化するために、本発明は、従来の、表面プロファイル化されていない基準カソードを有する電解セルの動作中に結果として生ずる参照波形成ポテンシャルの分布から進み、かつ、参照波形成ポテンシャルの分布における際立ったピークが存在する境界表面の点の垂直方向下側におけるカソード表面の点において狙い通りに凸部を提供する。表面プロファイル化されたカソードを有する電解セルの動作中に、これらの領域において電流密度が低減され、それゆえ、これらの領域において波形成ポテンシャルが低減される。

説明したように、参照波形成ポテンシャルは、表面プロファイリングを有するカソードの代わりに、表面プロファイリングを有さないすなわち水平なカソード表面を有するがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソードと同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に生じる波形成ポテンシャルである。請求項１に記載の実施形態によれば、参照波形成ポテンシャルを決定するために用いられる基準電解セルは、以下の事実：すなわち、表面プロファイリング化されたカソードの代わりに、表面プロファイリングが配されていない基準カソードを用い、ここで、表面プロファイリングが無いことによって生じたカソードの上側における追加の体積が、表面プロファイリング化されたカソードと共に対応する材料が存在する層に応じて、液体アルミニウムまたは融解物によって満たされるという事実を除き、本発明に係る電解セルに一致する。

特に、大きい体積を占める多くの凸部がカソードの上部に配される場合、請求項２に記載の本発明の代替の実施形態において、参照波形成ポテンシャルを決めるために、表面プロファイリングの無い基準カソードを用い、液体アルミニウムおよび融解物の、カソードの上側とアノードとの間での槽体積が、表面プロファイリングされたカソードを有する電解セルの場合と比べて同じだけ存在するように、電解セルのこの基準カソードの高さを調整することが提案される。この場合、参照波形成ポテンシャルは、本発明に係る電解セルの槽体積と同一の槽体積を有する基準電解セルに関するので、このように決定される参照波形成ポテンシャルは、カソードの表面プロファイリングの凸部の体積が、カソードの体積の少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、および特に好ましくは少なくとも３０％である場合、請求項１に基づき決定されるものよりも有意義である。

波形成ポテンシャル、およびそれゆえ波形成ポテンシャルの分布は、コンピュータ補助された、各電解セルの液体アルミニウム層および融解物における運動および波形成の電気的、磁気的、および磁気流体力学的シミュレーションによって決定される。

本発明によれば、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面の任意の点における波形成ポテンシャルは、融解物の境界表面に存在する流量の成分の絶対値として定義される。この点に存在する上記成分は、境界表面に対する法線方向に向いており、すなわち、波形成ポテンシャル＝

である。ここで、

は、ベクトルとしての、融解物の流量であり、

は、法線ベクトルである。境界表面もまた透過性であると推定され、そのため波形成ポテンシャルは、境界表面に向かう波駆動流れの局所量を表す。この場合、融解物の流れは、当然ながら、実験的に決定することはできない。したがって、波形成ポテンシャルは、好ましくは、後述するシミュレーション方法によって決定される。

流れ条件を計算するために、まず、有限要素法（ＦＥＭ）に基づくシミュレーション方法によって、電場および磁場が計算され、かつ、その結果として生ずる場は、それから流れ条件の計算に用いられる。これもまた、有限要素法（ＦＥＭ）に基づくシミュレーション方法によって行われる。Ｃｏｓｍｏｌ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓバージョン３．５ａソフトウェアを、双方のシミュレーションに用いる。境界表面は透過性であると推定され、波形成ポテンシャルは、境界表面に向かう波駆動流れの局所量を表す。シミュレートされた電解セルは、母線、適用可能ならば磁気補償形状を含む電解セルの電流供給部、カソード、液体アルミニウム層、融解層、アノード、および、適用可能ならばアノードと周辺媒体としての空気とを接続するアノードツリーを備え、幾何学的に、部位ごとに有限要素体積に分割されている。セルがシミュレートされる限り、上述した部位を考慮すると、対称の一つまたはそれ以上の平面が生成され、対称の各平面の一つの側に位置する電解セルの部分のみが、それぞれの場合にシミュレートされ、かつ、対称条件は、後により詳しく説明されるように、対応する境界表面によって考慮される。

シミュレーション方法は、電解セルにおける静的な条件から単純に進むので、シミュレーション方法は各静的物理方程式に基づく。さらに、動作温度（９７０℃）における等温電解セルが推定される。

シミュレーション方法は、以下の変数およびパラメータに基づく。

構築されたグリッドの寸法は十分に細分化されるので、グリッドの加工は、波ポテンシャルが評価されるときにはもはや視認できない。これらは、たとえば、際立ったピークまたはグリッドの端に沿った目立った変化を含む。調整されたグリッド細かさに対するシミュレートされた値の依存および、かつ、シミュレーション方法の遅くて限定された収斂は、関連する領域における不十分なグリッド細かさを示す。

さらには、グリッドが構築されるとき、少なくとも０．１５のＱ値が、グリッドの全体のためのＱ値として必要とされる。ここでＱ値ｑは、Ｃｏｓｍｏｌ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓソフトウェアのマニュアルに基づき、次のように定義される。

V＝グリッドセルの体積、および、
h_i＝グリッドセルの端部長さ

詳細には、グリッドの構築は、次のように行われる：
電解セルを取り囲む空気は、グリッドセルの非限定的大きさでモデル化され、これは、細かい領域（たとえば、融解層における）および荒い領域（たとえば、全体構成の端部を取り囲んでいる）間において変動する。二つの隣接するグリッドセル間の拡大係数は、ゆがんだグリッド成分を回避するために、１．６５に制限される。

約３０ｃｍの領域における端部長さを有するグリッドセルで、電流供給部および電流排出部が再現される。

液体アルミニウム層および融解層は、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面からのグリッドセルが、約３ｃｍの領域における端部長さを有するように、モデル化される。融解層は、垂直方向におけるグリッドセルの平均拡張が、融解層の厚さを半分にすることに最も対応するように、モデル化される。

シミュレーション状況では、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面は曲がっておらず、したがって平行に伸びることが推定される。それゆえ、法線ベクトル

は、垂直単位ベクトルｅ_zとして採用され、それゆえ、波形成ポテンシャルは、境界表面における流量の垂直成分ｕ_zの絶対値として定義される。

液体アルミニウム層とカソードは、カソードと液体アルミニウム層との間の境界面を形成するグリッドセルが、約５ｃｍの領域に端長さを有するように作られる。

カソードおよびアノードは、他の方法で、グリッドセルのサイズを制限せずにモデル化される。グリッドセルのサイズは、細かい領域（たとえば融解層）から荒い領域（たとえば供給部および排出部）との間で変動しうる。二つの隣接するグリッドセル間の拡大係数は、ゆがんだグリッド成分を回避するために、最大でも１．６５に制限される。

以下に定義されかつ乱流条件下で動作する電解セルの場合、電解セルの個々の要素間の固い境界表面は、Ｃｏｓｍｏｌ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓにおいて利用可能な、プリズム状セル（たとえば四面体要素に対して）を備えているいわゆる膨張境界層によって構築されるセルにおいてモデル化される。

このように構築されたグリッド構造の個々のグリッドセルには、次に、対応する材料特性が与えられる。すなわち、グリッドセルは、特に、特定電気抵抗の値が与えられ、かつ、液体アルミニウム層および融解層を表すグリッドセルには、追加で、アルミニウムおよび融解物の粘度および密度の値が与えられる。次の値が、材料特性のための基準として用いられる。

シミュレーション方法において用いられる他のすべての材料特性は、それらがそれぞれの材料の実際の特性に対応するように選択される。

電磁気的および流体力学的計算の数量的な安定化のために、液体アルミニウム層と融解層との間の境界表面における、材料特性の―実際に―突然の遷移もまた、±３ｃｍの範囲のシミュレートされた構造において除去される。すなわち、境界表面の３ｃｍ下および上の範囲内に位置する液体アルミニウム層および融解層を表すグリッド構造のセルには、この範囲において、上記表２のアルミニウム層を表すセルの特性から上記表２の融解層を表すセルの特性まで本質的に線形の特性遷移が生じるように選択された材料特性のための値が与えられる。

電解セルの周囲の空気には、１Ω・ｍという人工的に高い比抵抗があるので、電流移送には貢献しない。

このようにして構築された、その材料特性を有する電解セルをその形状に再現するグリッド構造のために、電磁場が計算され、したがって、確かめられた値が、電解セルの融解物の流れ機械的運動の計算に挿入される。

電磁気学のモデル化の最初の工程は、既知の静止マクスウェル方程式に基づく：

有限要素法では、ラグランジュ関数（Ｖについて１次、

について２次）が、初期関数として用いられる。

これらの部分微分方程式は、全体の外形において、数値解析によって解かれる。以下で、使用される境界条件をより詳細に説明する。特に、カソードおよびアノードにフィードスルーした電解セルの動作電流は、外部から予め設定された動作パラメータとして、計算に導入される。

こうして計算されたローレンツ力密度は、その後、電解セルの電解槽内での流体力学の計算の基礎として用いられる。

流れの性質により、流体力学的計算は、微分方程式を基礎としている。使用する部分微分方程式を選択するために、周知のレイノルド数

が使用される。また、その結果、下記の方程式体系が使用される：
下記の方程式（ナヴィエ−ストークス方程式）は、層流、および、Ｒｅ＜１００００である弱い乱流の問題に使用される。

有限要素法における初期関数として、ラグランジュ関数（ｐについて１次、

について２次）が使用される。

Ｒｅ≧１００００である遷移域およびＲｅ＜１０００００である遷移域では、下記の方程式（低レイノルドのｋ−イプシロン方程式）が使用される：

有限要素法における初期関数として、ラグランジュ関数（ｐについて１次、

ｋ、およびｅｐについて２次）が使用される。

Ｒｅ≧１０００００である乱流では、下記の方程式（ｋ−イプシロン方程式）が使用される：

ここで、Ｃ_μ＝０．０９；Ｃ_ε1＝１．４４；Ｃ_ε2＝１．０２；σ_ｋ＝１．０およびσ_ε＝１．３である。

有限要素法における初期関数として、ラグランジュ関数（ｐについて１次、

、ｋ、およびｅｐについて２次）が使用される。

電磁気学的な考察の中でローレンツ力密度

の形式で先に計算された値も、上記の方程式に導入される。ローレンツ力密度

は、上記の方程式に含まれる

に従って、重力密度

とともに外部励起

を形成する。

上述した流体力学の部分微分方程式も数値的に解かれる。

上述した計算の状況において、下記の境界条件も用いられる。

下記の境界条件は、電磁気的計算中に計算される電場と関連している：
・処理を受ける体積の外面は、電気的な絶縁体

であるとみなされる。
・全ての対称面は、電気的な絶縁体

であるとみなされる。
・電解セルの通常の動作のためのセル電流（例えば、１６８ｋＡ）が流れるように適合された電圧Ｖが、アノードツリーの入力に印加される。
・カソード側の電流を排出（接地）させるため、カソードに０Ｖの電圧Ｖが印加される。
・計算された電圧Ｖは、全ての内面において連続している。

下記の境界条件は、電磁気計算の間に計算される磁場と関連している：
・磁束は、処理を受ける体積の外面

に平行である。
・対称面が存在する場合、全ての対称面に、磁気対称性

が現れる。
・計算された磁気ベクトルポテンシャル

は、全ての内面において連続している。

下記の境界条件は、流体力学計算の間に計算される流れの場と関連している。
・以下は、固体境界面において成り立つ。

○ 層流の方程式を用いる場合、液体は、固体境界面にしっかりと付着する。このことは、「滑りなし」すなわち速度

と表現することもできる。

○ 乱流の方程式を用いる場合、各液体の層と固体境界面との間での摩擦を考慮に入れる壁モデルが用いられる。
・対称面が存在する場合、全ての対称面に開境界面が現れる。ここで、境界面と関連する通常の流れは、以下の方程式においてｆ₀＝０とすることによって計算される。

・計算された流量

は、全ての内面（例えば、液体アルミニウムと融解層との間の境界面）において連続している。

上述の通り、電磁気的な量Ｖ、Ａ_x、Ａ_y、Ａ_z、ｊ_x、ｊ_ya、およびｊ_zは、まず、マクスウェル方程式を用いて計算される。その後、それから得られるローレンツ力密度が、流体力学の方程式に導入される。この流体力学の方程式は、全ての場合に、流れ場の量ｕ_x、ｕ_y、ｕ_za、およびｐを計算するために使用される。これにより、電磁気計算および流体力学計算が一つの方向に結合される。

全ての場合において、上述した部分微分方程式を解くために、幾何学的に網状に調整された反復ソルバー（Iterative solver）（ＧＭＲＥＳ）が使用される。必要に応じて、電磁気計算におけるベクトルポテンシャルの較正とともに、コンソルマルチフィジックス（Comsol Multiphysics）で利用可能なストリームラインディフュージョン（Streamline Diffusion）（ＧＬＳ）およびクロスウィンドディフュージョン（Crosswind Diffusion）のような流体力学のための標準的な安定化技術が用いられる。

本発明によれば、本発明に係るカソードの表面プロファイリングは、２つまたはそれ以上の凸部を備え、凸部は、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソードの上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピークが、境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在する進歩的なアイディアの発展形として、凸部は、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソードの上側の表面のＹ個の点のうち少なくともＸ個に各場合において設けられ、Ｙ個の最も高い最大値を持つピークが、境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在することが提案され、
ここで、Ｘ＝４かつＹ＝２０、好ましくは、Ｘ＝６かつＹ＝２０、特に好ましくは、Ｘ＝１０かつＹ＝２０、そして、さらに好ましくは、Ｘ＝１４かつＹ＝２０、および／または、
Ｘ＝２かつＹ＝１０、好ましくは、Ｘ＝３かつＹ＝１０、特に好ましくは、Ｘ＝５かつＹ＝１０、そして、さらに好ましくは、Ｘ＝７かつＹ＝１０、および／または、
Ｘ＝１かつＹ＝５、好ましくは、Ｘ＝２かつＹ＝５、特に好ましくは、Ｘ＝３かつＹ＝５、そして、さらに好ましくは、Ｘ＝４かつＹ＝５である。このようにして、電解セルの波形形成ポテンシャル中の標識を付けられたピークが、著しく包括的に回避される。これにより、動作の間、電解セルがさらに安定する。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソードの上側の表面の点に配置される凸部であって、境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に各場合においてピークが存在するような、少なくとも１つの凸部が、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面の点の垂直方向下側に配置される点であって、参照波形成ポテンシャルの分布のピークが最大値を有するような点において、最大の高さを有するこれにより、境界面の対応する領域における過度の波形成が、特に効果的に回避される。

上記のものと本質的に一致する構成を、全てのピーク凸部ペアに保証することが特に好ましい。すなわち、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソードの上側の表面の点にある凸部であって、境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に各場合においてピークが存在するような、全ての凸部が、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面の点の垂直方向下側に配置される点であって、参照波形成ポテンシャルの分布の各ピークが最大値を有するような点において、各場合において最大の高さを有する。

少なくとも１つの凸部の、幾何的な外形が、平面図において、少なくとも本質的に、平面図における参照波形成ポテンシャルの分布の各ピークの幾何的な外形と類似または本質的にそれと対応している場合、参照波形成ポテンシャルの分布のピークを特に効果的に補正することが達成される。

専門家の間での常識的な用語の使用法に従えば、２つの外形は、幾何学的な写像によって、互いに他方に変形することができるという類似性が理解される。ここで、幾何学的な写像は、同心延長や、特に、変位、回転、または鏡映（ミラーリング）などの合同写像を含んでいてもよい。例えば、２つの外形は、本質的に円に対応してもよい。２つの外形は、本質的に同一な２つの角度を有する本質的に２つの三角形を形成することができる。または、少なくともほぼ等しい辺の比を少なくとも有する本質的に２つの長方形を形成することもできる。あるいは、少なくともほぼ等しい数値の離心率を有する２つの楕円を形成することもできる。

全ての凸部の、幾何的な外形が、平面図において、少なくとも本質的に、平面図における参照波形成ポテンシャルの分布の各ピークの幾何的な外形と類似または本質的にそれと対応していることが、特に好ましい。

本発明のさらに好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの凸部（３０）の、平面図における幾何的な外形が、少なくとも部分的に、少なくともほぼ多角形および／または楕円形に構成される。このような凸部は、特に簡単に製造することができ、また、参照波形成ポテンシャルのピークを効果的に補正するのに特に適切である。製造が特に容易な凸部は、多角形として構成される凸部が３，４，５または６個の角を有するときに現れる。

本発明の範囲内で、上から垂直方向に見た凸部の外形は、有利には、上から垂直方向に見た参照波形成ポテンシャルの分布の各ピークの外形の簡素化によって生成することができるように選択される。それゆえ、好ましくは、少なくとも１つの凸部は、境界面で凸部の垂直方向上側に配置される参照波形成ポテンシャルの分布のピークの、平面図における外形よりも幾何的に簡素な、平面図における外形を有する。好ましくは、上から見た凸部の外形区域の、全ての角と、曲がり方が異なる全ての領域との、個数の合計が、参照波形成ポテンシャルの分布の対応するピークの、上から見た外形区域の、全ての角と、曲がり方が異なる全ての領域との、個数の合計よりも、小さい。周囲方向に互いに後に続く外形の部位であって、その間に変曲点が位置するような全ての部位が、外形の、曲がり方が異なる領域としてカウントされる。

参照波形成ポテンシャルのピークによって起こる液体アルミニウム層の波形成の増加を特に効果的に防ぐためには、少なくとも１つの凸部の三次元形状が、参照波形成ポテンシャルの分布の各ピークの三次元形状と少なくとも本質的に同様であるまたは本質的にそれに対応するようにすることが有利であるとわかった。

好ましくは、全ての凸部の三次元形状が、少なくとも本質的に、参照波形成ポテンシャルの分布の各ピークの三次元形状と同様であるまたは本質的にそれに対応する。

本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの凸部が、垂直方向上向きにテーパ状の三次元形状を有する。このように形成することにより、参照波形成ポテンシャルの分布のピーク領域の波形成を特に効果的に避けることができる。少なくとも１つの凸部は、側面から見たとき、例えば、本質的に多角形で、好ましくは本質的に台形の外形を有することができる。

発明のアイディアを発展させて、少なくとも１つの凸部は、垂直方向上向きにみて、平面図における底面よりも小さい面積を有する、平面図における上面によって結合されることが提案される。凸部は、例えば、少なくともほぼ円錐状、または角錐台の形状に構成することができる。

本発明のさらなる実施形態によれば、少なくとも１つの凸部は、凸部の底面から進んで、底面に隣接する回転軸の周りに底面を回転させることによって生成することができる、三次元形状を有する。回転軸は、好ましくは水平に通っている。このような凸部の幾何は、波形成ポテンシャルの分布を効果的に均一にするのに特によく適し、また、生成も特に容易である。好ましくは、少なくとも１つの凸部は、少なくとも７５°で多くとも１８０°の角度を介する回転軸の周りに底面を回転させることによって生成することができる。

本発明のさらに有利な実施形態は、少なくとも１つの凸部は、凸部の底面から進んで、垂直方向上向きに凸部の底面の幾何的な押し出しによって生成することができる、三次元形状を有することを特徴としている。押し出し方向は、好ましくは、少なくともほぼ垂直で、垂直方向から４５°にまでそれる。好ましくは、凸部は、押し出しの進路でのスケーリングによって、押し出し方向でのサイズが減少する。原則として、押し出し中に、少なくとも１つの凸部が、垂直方向上向きにテーパ状であることが好ましい。凸部の導入は、真空振動、一軸加圧または他の適切な形成処理によっても可能である。

電解セルの場合、カソードは、２つまたはそれより多いカソードブロックを有する、および／または、アノードは、２つまたはそれより多いアノードブロックを有することができる。特に、複数のカソードブロックを、カソードブロックの横方向に見て互いのそばに連続して配置することができ、また、充填化合物を用いて、カソードブロックの縦の側に沿って接続することができる。さらに、カソードブロックの幅方向に見て、アノードブロックが２つのカソードブロックを覆い、カソードブロックの縦方向に見て、２つのアノードブロックがカソードブロックを覆うことが好ましい。

アノードと液体アルミニウム層との間の距離が、１５ｍｍと４５ｍｍとの間、好ましくは１５ｍｍと３５ｍｍとの間、特に好ましくは１５ｍｍと２５ｍｍとの間であれば、電解セルの特に高いエネルギー効率を達成することができる。この小さな距離は、波形成ポテンシャルの減少によって、また、波形成ポテンシャルの分布を均一にすることによって、達成することができる。

上述のように、カソードの表面プロファイリングは、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面の個々の点での波形成ポテンシャルの際立ったピークを避けるようなやり方で本発明に従って適合している。その結果、表面プロファイリングは、波形成ポテンシャルを決定する電解セルの特定に性質に対し、表面プロファイリングの位置、サイズ、形において適合した表面プロファイリングとなる。本発明は、規則的に構成された波形成ポテンシャルを先験的に定義するルートであるが、同じ印では各場合において存在する波形成ポテンシャルに適合されないようなルートは、意図的に、狙い通りに、放棄する。代わりに、本発明に係る電解セルのカソードの表面プロファイリングは、少なくとも１方向に、実際に不規則に構成される。

本発明は、さらに、アルミニウム電解セル用のカソードであって、その上側が、本質的に、カソードの第１方向に通る２つまたはそれより多い第１ウェブと、少なくとも本質的に、カソードの第１方向に垂直なカソードの方向に通る少なくとも１つの第２ウェブとを有する、表面プロファイリングを備えている、カソードに関する。

本発明の意味の範囲内で、ウェブは、縦方向に少なくとも本質的にまっすぐ通る凸部とみなされる。

本発明の範囲内で、このような表面プロファイリングを有するカソードが、電解セルに用いられるときに、所定の電解セルの動作時に液体アルミニウム層と融解層との間の境界面で波形成ポテンシャルの分布を達成するのに適切であることが示され、ここで、境界面の個々の点での波形成ポテンシャルの際立ったピークが効果的に回避される。特に記載された表面プロファイリングは、一般に利用可能な多くの電解セルにて主流の条件に適合し、このような条件を考慮した電解セルでの波形成ポテンシャルの均一な分布を達成するように構成されている。

このようなカソードは、特に、本発明に係る前述の電解セルの一つの、構成部分とすることができる。

さらに、本発明に係るカソードは、改良されたエネルギー効率、増大した寿命、および、同時に、電解セル中の融解生成物の十分な混合を確実にする、という利点を達成するのに非常に適切である。

本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも２つの第１ウェブが、少なくともほぼ、カソードの横方向に通る。

発明のアイディアを発展させて、カソードの上側が、平面図において、本質的に長方形の外形を有し、カソードの凸部が、本質的に長方形の外形の４つの角のうちの少なくとも１つに設けられることが提案される。本発明の範囲内で、参照波形成ポテンシャルの分布における際立ったピークが、これらの角領域に通常存在し、その結果、動作中の電解セルの安定性を本発明に係る方法によって著しく増加させることができることが示される。角領域に配置される凸部は、好ましくは、平面図において本質的に三角形の外形を有する。

本発明のさらに有利な実施形態では、カソードの上側に、カソードの断面でみたときに少なくとも本質的にＶ字型の谷の形の凹部を有する。Ｖ字型の谷の形に構成された凹部は、カソードの横の端における、このような構成でなければカソード底に挿入された母線とのそこでの接触が原因で増加する電流密度を、減少させ、それゆえ、このような領域での波形成ポテンシャルを減少させる役割を果たす。

少なくとも２つ第１ウェブと少なくとも１つの第２ウェブとが、好ましくは、本質的にＶ字型の凹部の表面に配置される。

本発明のさらに有利な実施形態によれば、本質的にＶ字型の谷の形に構成された凹部の断面の２つの脚の間の接続点が、カソードの断面にて見て、カソードの少なくともほぼ中央に配置されている。このようにして、カソードが電解セルで用いられるときにこの端領域の電流密度のピークを減少させるために、また、低い波形成ポテンシャルおよび波形成ポテンシャルの本質的な均一な分布を達成するために、電流密度がカソード断面の横端領域から中央へとずれる。

本発明では、カソードの表面の、少なくとも７５％以上、好ましくは少なくとも９０％以上、特に好ましくは少なくとも９５％以上、非常に特に好ましくは１００％以上、延びている凹部に対して有利であることがわかった。このようにして、カソードが電解セルで用いられるときに全てのカソード表面にて波形成ポテンシャルの分布が均一になる。

好ましくは、カソードの第２方向からみて、少なくとも１つの第２ウェブが、カソードの少なくともほぼ中央に配置される。このような構成でなければこの領域では過剰に高い波形成ポテンシャルが予測されるので、それゆえ、波形成ポテンシャルに対し、特に有利な効果が得られる。

さらに有利な実施形態によれば、カソードの横方向からみて、少なくとも１つの第１ウェブの上端の、Ｖ字型の谷の底からの距離が、カソードの中央へ向かって増加する。カソードブロックの中央へ向かっての距離のこの増加が、カソードブロックが電解セルで用いられるときに、カソードブロックの中央の波形成ポテンシャルの過剰なピークおよびそれによるこの領域での液体アルミニウム層で波形成が増加するのを回避する役割を果たす。

本発明のさらなる主題は、電解セル、特に、アルミニウムの製造のための電解セルであって、上述の少なくとも１つに記載のカソードと、カソードの上側表面の液体アルミニウム層と、その上の融解層と、融解層の上のアノードと、を備えている。カソードに関する上記の利点および実施形態は、本発明に係る電解セルにも適用される。

本発明の有利な実施形態によれば、アノードが、互いのそばに配置された少なくとも２つのアノードブロックを有し、ジョイントが、少なくとも２つのアノードブロックの間に延び、カソードの少なくとも１つの第１ウェブが、少なくとも２つのアノードブロックの間に構成されたジョイントの垂直方向下側に、かつそれと少なくとも本質的に平行に、配置されている。ウェブの方向とジョイントの方向との角度のずれは、好ましくは、最大２０°になる。本発明によれば、アノードブロック間のこれらの領域では、通常、波形成ポテンシャルが際立って増加し、その結果、上述の方法が、電解セルの安定性をさらに増加させるのに貢献することが認められる。ジョイントの垂直方向下側に配置された少なくとも１つの第１ウェブは、好ましくは、ジョイントの少なくともほぼ中央に配置される。

本発明のさらなる主題は、請求項３１の特徴を有する電解セルの製造方法である。

電解セル、特に、アルミニウムの製造のための電解セルの製造方法であって、電解セルは、カソードと、カソードの上側の液体アルミニウム層と、その上の融解層と、融解層の上のアノードと、を備え、製造方法は、
電解セルの液体アルミニウム層と融解層との間の境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布の確認のステップと、カソードの上側の複数の凸部を有する表面プロファイリングの生成のステップであって、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソードの上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に、凸部が各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピークが、境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在する、ステップとを有し、
ここで、参照波形成ポテンシャルは、表面プロファイリングを有するカソードの代わりに、表面プロファイリングは有さないがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソードと同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面の点に存在する波形成ポテンシャルとして定義される。

本発明の方法によれば、上述の本発明に係る電解セルを製造することができる。したがって、本発明に係る電解セルに関する上述の利点および実施形態は、本発明に係る方法にも適用できる。

請求項３２によれば、本発明のさらなる主題は、電解セル、特に、アルミニウムの製造のための電解セルの製造方法であって、電解セルは、カソードと、カソードの上側の液体アルミニウム層と、その上の融解層と、融解層の上のアノードと、を備え、製造方法は、
電解セルの液体アルミニウム層と融解層との間の境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布の確認のステップと、
カソードの上側の複数の凸部を有する表面プロファイリングの生成のステップであって、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソードの上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に、凸部が各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピークが、境界面に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在する、ステップとを有し、ここで、参照波形成ポテンシャルは、表面プロファイリングを有するカソードの代わりに、表面プロファイリングは有さないがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソードと同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に、液体アルミニウム層と融解層との間の境界面の点に存在する波形成ポテンシャルとして定義され、ここで、電解セル内での基準カソードの高さについては、基準カソードとアノードとの間の液体アルミニウム層と融解層との体積が、表面プロファイリングを有するカソードを有する電解セルの場合と同じになるように、基準カソードが配置されている、電解セルの製造方法である。

単に例示の目的で、添付の図面を参照する有利な実施形態の支援を用いて、本発明を以下に記載する。

本発明の実施形態に係る電解セルを示す斜視図である。 液体アルミニウム層と融解層との間の境界面における図１の電解セルの参照波形成ポテンシャルの局所的分布を示す平面図である。 図１の電解セルの表面プロファイリングされたカソードを示す平面図である。 図３のカソードを示す斜視図である。 図１ないし図４の電解セルの液体アルミニウム層と融解層との間の境界面における参照波形成ポテンシャルの局所的分布を示す図である。 本発明に係る表面プロファイリングのための凸部の例を示す図である。 本発明に係る表面プロファイリングのための凸部のさらなる例を示す図である。

図１は、アルミニウムの製造のための電解セル１０を示し、電解セルは、カソード１２と、カソード１２の上側の液体アルミニウム層１４と、その上の融解層１６と、融解層１６の上のアノード１８と、を備えている。液体アルミニウム層１４と融解層１６とは、境界面１５にて互いに融合している。

カソード１２は、電解セル１０の横方向ｙに延びて、電解セル１０の縦方向ｘに互いのそばに配置され、示されない充填化合物のジョイントを介して互いに接続された、伸長された複数のカソードブロックを有する。カソードブロックを通ってカソードブロックの縦方向ｙに延び、カソードブロックを電気的に接触させる母線２０が、各カソードブロックの下側に挿入されている。

母線２０は、磁場補償が起こるように、すなわち、電流によって発生する磁束密度Ｂの分布がある程度まで均一になるように、幾何的に構成された、電流排出部２０を介して共に電気的にグループ分けされている。

アノード１８は、アノードツリー２６を有する電流供給部２８を介して互いに接続された複数のアノードブロック２４を有する。

電解セル１０のカソード１２は、複数の凸部３０を有する表面プロファイリングを有し、該表面プロファイリングは、以下に述べるように、境界面１５における電解セル１０の参照波形成ポテンシャルの分布に適合している。

本実施形態では、図１に示すように電解セル１０が対称面３２に関して鏡対称である事実を、参照波形成ポテンシャルの計算に用いることができる。それゆえ、参照波形成ポテンシャルの計算において、電解セルの対称面３２の片側に位置する電解セルの半分のみを、シミュレートされた体積に明示的に含めなければならず、ここで、対称面３２に対応するシミュレートされた体積の端において対応する境界条件によって対称を考慮する。

図２は、電解セル１０の２つの対称な半分体のうちの１つについて、上から見て、図１から電解セル１０の境界面１５に存在する参照波形成ポテンシャルの分布を示し、ここで、参照波形成ポテンシャルの等ポテンシャル線を図２に特に示す。電解セル１０のカソード１２の外形も示す。

図２からわかるように、電解セル１０の参照波形成ポテンシャルは、複数のピーク３４を有し、その最大の高さは、互いの内部に位置する、閉じた等ポテンシャル線の個数に基づいて図２に示すことができる。

図３は、平面図において図１から電解セル１０のカソード１２の対称な半分体のうちの１つを示す。図３と図２との比較から示されるように、カソード１２の表面プロファイリングの凸部３０は、各場合において、参照波形成ポテンシャルのピーク３４の垂直方向下側に配置され、上から見たとき、ピーク３４と凸部３０とは、本質的に互いの上に一致である。図２のピーク３４と図３の凸部３０との対応を、参照番号３０と３４の対応する文字の最後によって記す、すなわち、凸部３０ａはピーク３４ａと対応する、などである。

凸部３０の形状は、それぞれ割り当てられた参照波形成ポテンシャルのピーク３４の形状に適合しており、凸部３０は、各場合において、幾何的に簡素化された形状によって、それぞれ割り当てられた参照波形成ポテンシャルのピーク３４の形状に近く、例えば、楕円形の外形を持った２つの本質的に長円形の凸部３４ｇおよび３４ｊ、角錐台形状の凸部３０ｈ、角錐台の半分の形状の複数の凸部３４ｂ、ｃ、ｅ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、および、カソード１２の角領域の角錐台の４分の１の形状の２つの凸部３４ａおよび３４ｃである。

図４は、参照波形成ポテンシャルに適合した凸部３０の三次元形状の斜視図である。カソード１２の下側に配置された、母線２０のための溝３７をここにも見ることができる（図１）。

図５に、液体アルミニウム層１４と融解層１６との間の境界面１５に存在する表面プロファイリングされたカソード１６を有する電解セル１０の波形成ポテンシャルの分布を示す。図５に示す波形成ポテンシャルの分布と、図２に示す参照波形成ポテンシャルの分布との比較により、表面プロファイリングによって、波形成ポテンシャルの分布において、著しい均一性またはなめらかさおよびピーク３４の高さの減少が示される。特に、図５は、互いの内部に位置する２つの、閉じた等ポテンシャル線の最大値を示すピーク３４のみを示している。したがって、境界面１５の対応する領域の最大の波形成ポテンシャルは、参照波形成ポテンシャルの分布の場合よりもはるかに小さい。それゆえ、動作時の電解セル１０の安定性が著しく増加し、電解セル１０の、より長い寿命とより高いエネルギー効率とが達成される。

図６および図７は、本発明に係る電解セル１０の表面プロファイリングに特に適した凸部３０の例を示す。図６に示す凸部３０は、各場合において、幾何的な押し出しによって生成できる。図６ａ−ｃは、それぞれ、多角形、楕円形およびその他の底面３６を示す。矢印３９に示すように、押し出しは、各場合において、垂直方向ｚの方向に起こる。

図６ｄは、図６ａの底面から押し出しによって進む角錐台の形状の凸部３０を示す。垂直方向ｚの方向の幾何的な押し出しは、増大する垂直高さを有する面積のスケーリングを有し、それゆえ、得られる凸部３０は、上向きに連続的にテーパ状である。スケーリングの基準軸は、底面３６の重心位置３８から進む垂直軸であり、ここで、この軸は、あたかも押し出し軸に対してであるかのように、押し出し方向に垂直な全ての方向に縮小されている。図６ｅは、図６ａの底面３６から押し出しされる凸部３０をも示すが、異方性のスケーリングが起こる、すなわち、押し出し方向に垂直な様々な方向において、面積は非常に異なってスケーリングされる。さらに、図６ｅの凸部３０は、小さい角度量だけ垂直から逸れた軸に沿って押し出しされる凸部に対応している。したがって、得られる図６ｅの凸部３０の上面４０の重心位置３８は、図６ｄの上面４０の重心位置２８と比べて、底面３６の重心位置３８に関して水平にずれている。

図６ｆと図６ｇは、各場合において、図６ｂに示す楕円形の底面３６から進んで押し出しされた凸部３０を示し、図６ｆに示す凸部３０は、押し出し方向における面積の等方性のスケーリングから得られ、図６ｇに示す凸部３０は、押し出し方向における面積の異方性のスケーリングから得られる。

図６ｈと図６ｉは、各場合において、図６ｃに示す底面３６から進んで押し出しされた凸部３０を示し、図６ｈに示す凸部３０は、押し出し方向における面積の等方性のスケーリングから得られ、図６ｉに示す凸部３０は、押し出し方向における面積の異方性のスケーリングから得られる。

図７ａ−ｉは、凸部３０のさらなる例を示し、底面３６の幾何的な回転によって生成される。図７ａ−ｃは、各場合において、異なる底面３６を示す、すなわち、図７ａの多角形の底面３６、図７ｂの半楕円形の底面３６、および、図７ｃの自由に選択された底面３６である。各場合において、底面３６の端の線は、回転に対する回転軸４２を形成する。

図７ｄと図７ｅは、各場合において、図７ａの多角形の底面３６から進んで生成された凸部３０を示し、図７ｄによれば、回転によって押し出しされて回転体が生成し、図７ｅによれば、得られた回転体が、底面３６とそれに垂直な方向とに関して、再び異方的にスケーリングされている。

図７ｆと図７ｇは、各場合において、図７ｂの半楕円形の底面３６から進んで生成された凸部３０を示し、図７ｆによれば、回転によって押し出しされて回転体が生成し、図７ｇによれば、得られた回転体が、底面３６とそれに垂直な方向とに関して、再び異方的にスケーリングされている。

図７ｈと図７ｉは、各場合において、図７ｃの底面３６から進んで生成された凸部３０を示し、図７ｈによれば、回転によって押し出しされて回転体が生成し、図７ｉによれば、得られた回転体が、底面３６とそれに垂直な方向とに関して、再び異方的にスケーリングされている。

１０ 電解セル、 １２ カソード、 １４ 液体アルミニウム層、 １５ 境界面、 １６ 融解層、 １８ アノード、 ２０ 母線、 ２２ 電流排出部、 ２４ アノードブロック、 ２６ アノードツリー、 ２８ 電流供給部、 ３０ 凸部、 ３２ 対称面、 ３４ ピーク、 ３６ 底面、 ３７ 溝、 ３８ 重心位置、 ３９ 矢印、 ４０ 上面、 ４２ 回転軸、 ｘ 電解セルの縦方向、 ｙ 電解セルの横方向

Claims (33)

1. 電解セル、特に、アルミニウムの製造のための電解セルであって、カソード（１２）と、カソード（１２）の上側の液体アルミニウム層（１４）と、その上の融解層（１６）と、融解層（１６）の上のアノード（１８）と、を備え、カソード（１２）は、その上側に、２つまたはそれ以上の凸部（３０）によって形成された表面プロファイリングを備え、カソードの表面プロファイリングは、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソード（１２）の上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に、凸部（３０）が各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピーク（３４）が、境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在する、ように構成および配置され、ここで、参照波形成ポテンシャルは、表面プロファイリングを有するカソード（１２）の代わりに、表面プロファイリングは有さないがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソード（１２）と同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）の点に存在する波形成ポテンシャルとして定義される、電解セル。
2. 電解セル、特に、アルミニウムの製造のための電解セルであって、カソード（１２）と、カソード（１２）の上側の液体アルミニウム層（１４）と、その上の融解層（１６）と、融解層（１６）の上のアノード（１８）と、を備え、カソード（１２）は、その上側に、２つまたはそれ以上の凸部（３０）によって形成された表面プロファイリングを備え、カソードの表面プロファイリングは、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソード（１２）の上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に、凸部（３０）が各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピーク（３４）が、境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在する、ように構成および配置され、ここで、参照波形成ポテンシャルは、表面プロファイリングを有するカソード（１２）の代わりに、表面プロファイリングは有さないがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソード（１２）と同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）の点に存在する波形成ポテンシャルとして定義され、ここで、電解セル（１０）内での基準カソードの高さについては、基準カソードとアノード（１８）との間の液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との体積が、表面プロファイリングを有するカソード（１２）を有する電解セル（１０）の場合と同じになるように、基準カソードが配置されている、電解セル。
3. 凸部（３０）は、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソード（１２）の上側の表面のＹ個の点のうち少なくともＸ個に各場合において設けられ、Ｙ個の最も高い最大値を持つピーク（３４）が、境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在し、
   Ｘ＝４、Ｙ＝２０であり、好ましくはＸ＝６、Ｙ＝２０であり、特に好ましくはＸ＝１０、Ｙ＝２０であり、非常に特に好ましくはＸ＝１４、Ｙ＝２０であり、および／または、
   Ｘ＝２、Ｙ＝１０であり、好ましくはＸ＝３、Ｙ＝１０であり、特に好ましくはＸ＝５、Ｙ＝１０であり、非常に特に好ましくはＸ＝７、Ｙ＝１０であり、および／または、
   Ｘ＝１、Ｙ＝５であり、好ましくはＸ＝２、Ｙ＝５であり、特に好ましくはＸ＝３、Ｙ＝５であり、非常に特に好ましくはＸ＝４、Ｙ＝５であることを特徴とする、請求項１または２に記載の電解セル。
4. 液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソード（１２）の上側の表面の点に配置される凸部（３０）であって、境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に各場合においてピーク（３４）が存在するような、少なくとも１つの凸部（３０）が、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）の点の垂直方向下側に配置される点であって、参照波形成ポテンシャルの分布のピーク（３４）が最大値を有するような点において、最大の高さを有することを特徴とする、請求項１から３までの少なくとも１項に記載の電解セル。
5. 液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）のその領域の垂直方向下側に各場合においてある、カソード（１２）の上側の表面の点にある凸部（３０）であって、境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に各場合においてピーク（３４）が存在するような、全ての凸部（３０）が、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）の点の垂直方向下側に配置される点であって、参照波形成ポテンシャルの分布の各ピーク（３４）が最大値を有するような点において、各場合において最大の高さを有することを特徴とする、請求項４に記載の電解セル。
6. 少なくとも１つの凸部（３０）の、幾何的な外形が、平面図において、少なくとも本質的に、平面図における参照波形成ポテンシャルの分布の各ピーク（３４）の幾何的な外形と同様であることを特徴とする、請求項１から５までの少なくとも１項に記載の電解セル。
7. 全ての凸部（３０）の、幾何的な外形が、平面図において、少なくとも本質的に、平面図における参照波形成ポテンシャルの分布の各ピーク（３４）の幾何的な外形と同様であることを特徴とする、請求項６に記載の電解セル。
8. 少なくとも１つの凸部（３０）の、平面図における幾何的な外形が、少なくとも部分的に、少なくともほぼ多角形および／または楕円形に構成され、該多角形は、特に、３，４，５または６個の角を有することを特徴とする、請求項１から７までの少なくとも１項に記載の電解セル。
9. 少なくとも１つの凸部（３０）は、境界面（１５）で凸部（３０）の垂直方向上側に配置される参照波形成ポテンシャルの分布のピーク（３４）の、平面図における外形よりも幾何的に簡素な、平面図における外形を有し、平面図における凸部（３０）の外形は、好ましくは、平面図におけるピーク（３４）の外形よりも、少ない個数の角を有する、および／または、少ない個数の変曲点を有することを特徴とする、請求項１から８までの少なくとも１項に記載の電解セル。
10. 少なくとも１つの凸部（３０）の三次元形状は、少なくとも本質的に、参照波形成ポテンシャルの分布の各ピーク（３４）の三次元形状と同様であるまたはそれに対応することを特徴とする、請求項１から９までの少なくとも１項に記載の電解セル。
11. 全ての凸部（３０）の三次元形状は、少なくとも本質的に、参照波形成ポテンシャルの分布の各ピーク（３４）の三次元形状と同様であるまたはそれに対応することを特徴とする、請求項１０に記載の電解セル。
12. 少なくとも１つの凸部（３０）が、垂直方向（ｚ）上向きにテーパ状の三次元形状を有することを特徴とする、請求項１から１１までの少なくとも１項に記載の電解セル。
13. 少なくとも１つの凸部（３０）は、垂直方向（ｚ）上向きにみて、平面図における底面（３６）よりも小さい面積を有する、平面図における上面（４０）によって結合されていることを特徴とする、請求項１から１２までの少なくとも１項に記載の電解セル。
14. 少なくとも１つの凸部（３０）は、凸部（３０）の底面（３６）から進んで、底面（３６）に隣接する回転軸（４２）の周りに底面（３６）を回転させることによって生成することができる、三次元形状を有し、回転軸（４２）は、好ましくは水平に通っていることを特徴とする、請求項１から１３までの少なくとも１項に記載の電解セル。
15. 少なくとも１つの凸部（３０）は、凸部（３０）の底面（３６）から進んで、垂直方向（ｚ）上向きに凸部（３０）の底面（３６）の幾何的な押し出しによって生成することができる、三次元形状を有することを特徴とする、請求項１から１４までの少なくとも１項に記載の電解セル。
16. 少なくとも１つの凸部（３０）は、垂直方向（ｚ）上向きにテーパ状であることを特徴とする、請求項１５に記載の電解セル。
17. カソード（１２）は、２つまたはそれより多いカソードブロックを有する、および／または、アノード（１８）は、２つまたはそれより多いアノードブロック（２４）を有することを特徴とする、請求項１から１６までの少なくとも１項に記載の電解セル。
18. アノード（１８）と液体アルミニウム層（１４）との間の距離は、１５ｍｍと４５ｍｍとの間であり、好ましくは１５ｍｍと３５ｍｍとの間であり、特に好ましくは１５ｍｍと２５ｍｍとの間であることを特徴とする、請求項１から１７までの少なくとも１項に記載の電解セル。
19. カソード（１２）の表面プロファイリングが、少なくとも１つの方向で、不規則であることを特徴とする、請求項１から１８までの少なくとも１項に記載の電解セル。
20. アルミニウム電解セル用のカソードであって、その上側が、本質的に、カソード（１２）の第１方向（ｙ）に通る２つまたはそれより多い第１ウェブ（３０）と、少なくとも本質的に、カソード（１２）の第１方向（ｙ）に垂直なカソード（１２）の方向（ｘ）に通る少なくとも１つの第２ウェブ（３０）とを有する、表面プロファイリングを備えている、カソード。
21. 少なくとも２つの第１ウェブ（３０）が、少なくともほぼ、カソードの横方向（ｙ）に通ることを特徴とする、請求項２０に記載のカソード。
22. カソード（１２）の上側が、平面図において、本質的に長方形の外形を有し、カソード（１２）の凸部（３０）が、本質的に長方形の外形の４つの角のうちの少なくとも１つに設けられ、凸部（３０）が、好ましくは、平面図において本質的に三角形の外形を有することを特徴とする、請求項２０または２１に記載のカソード。
23. カソード（１２）の上側に、カソード（１２）の断面でみたときに少なくとも本質的にＶ字型の谷の形の凹部を有し、少なくとも２つ第１ウェブ（３０）と少なくとも１つの第２ウェブ（３０）とが、好ましくは、本質的にＶ字型の凹部の表面に配置されていることを特徴とする、請求項２０から２２までの少なくとも１項に記載のカソード。
24. 本質的にＶ字型の谷の形に構成された凹部の断面の２つの脚の間の接続点が、カソード（１２）の断面にて見て、カソード（１２）の少なくともほぼ中央に配置されていることを特徴とする、請求項２３に記載のカソード。
25. 凹部が、カソード（１２）の表面の、少なくとも７５％以上、好ましくは少なくとも９０％以上、特に好ましくは少なくとも９５％以上、非常に特に好ましくは１００％以上、延びていることを特徴とする、請求項２３または２４に記載のカソード。
26. カソード（１２）の第２方向（ｘ）からみて、少なくとも１つの第２ウェブ（３０）が、カソード（１２）の少なくともほぼ中央に配置されていることを特徴とする、請求項２０から２５までの少なくとも１項に記載のカソード。
27. カソード（１２）の横方向（ｙ）からみて、少なくとも１つの第１ウェブ（３０）の上端の、Ｖ字型の谷の底からの距離が、カソード（１２）の中央へ向かって増加することを特徴とする、請求項２０から２６までの少なくとも１項に記載のカソード。
28. 電解セル、特に、アルミニウムの製造のための電解セルであって、請求項２０ないし２７の少なくとも１つに記載のカソード（１２）と、カソード（１２）の上側表面の液体アルミニウム層（１４）と、その上の融解層（１６）と、融解層（１６）の上のアノード（１８）と、を備えている、電解セル。
29. アノード（１８）が、互いのそばに配置された少なくとも２つのアノードブロック（２４）を有し、ジョイントが、少なくとも２つのアノードブロック（２４）の間に延び、カソード（１２）の少なくとも１つの第１ウェブ（３０）が、少なくとも２つのアノードブロック（２４）の間に構成されたジョイントの垂直方向下側に、かつそれと少なくとも本質的に平行に、配置されていることを特徴とする、請求項２８に記載の電解セル。
30. ジョイントの垂直方向下側に配置された少なくとも１つの第１ウェブ（３０）が、好ましくは、ジョイントの少なくともほぼ中央に配置されていることを特徴とする、請求項２９に記載の電解セル。
31. 電解セル（１０）、特に、アルミニウムの製造のための電解セル（１０）の製造方法であって、電解セルは、カソード（１２）と、カソード（１２）の上側の液体アルミニウム層（１４）と、その上の融解層（１６）と、融解層（１６）の上のアノード（１８）と、を備え、製造方法は、
    電解セルの液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布の確認のステップと、
    カソード（１２）の上側の複数の凸部（３０）を有する表面プロファイリングの生成のステップであって、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソード（１２）の上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に、凸部（３０）が各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピーク（３４）が、境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在する、ステップとを有し、
    ここで、参照波形成ポテンシャルは、
    表面プロファイリングを有するカソード（１２）の代わりに、表面プロファイリングは有さないがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソード（１２）と同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）の点に存在する波形成ポテンシャルとして定義される、電解セルの製造方法。
32. 電解セル（１０）、特に、アルミニウムの製造のための電解セル（１０）の製造方法であって、電解セルは、カソード（１２）と、カソード（１２）の上側の液体アルミニウム層（１４）と、その上の融解層（１６）と、融解層（１６）の上のアノード（１８）と、を備え、製造方法は、
    電解セルの液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布の確認のステップと、
    カソード（１２）の上側の複数の凸部（３０）を有する表面プロファイリングの生成のステップであって、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）のその領域の垂直方向下側に各場合において配置される、カソード（１２）の上側の表面の２０個の点のうち少なくとも２個に、凸部（３０）が各場合において設けられ、２０個の最も高い最大値を持つピーク（３４）が、境界面（１５）に存在する参照波形成ポテンシャルの分布に存在する、ステップとを有し、
    ここで、参照波形成ポテンシャルは、
    表面プロファイリングを有するカソード（１２）の代わりに、表面プロファイリングは有さないがそれ以外は表面プロファイリングを有するカソード（１２）と同一の構成を持つ基準カソードを備えた電解セルの動作時に、液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との間の境界面（１５）の点に存在する波形成ポテンシャルとして定義され、ここで、電解セル（１０）内での基準カソードの高さについては、基準カソードとアノード（１８）との間の液体アルミニウム層（１４）と融解層（１６）との体積が、表面プロファイリングを有するカソード（１２）を有する電解セル（１０）の場合と同じになるように、基準カソードが配置されている、電解セルの製造方法。
33. 請求項１から１９までの少なくとも１項に記載の電解セルの製造のための、請求項３１または３２に記載の方法の使用。

Images