NO841630L

NO841630L - Fremgangsmaate og celle for elektrolyse.

Info

Publication number: NO841630L
Application number: NO841630A
Authority: NO
Inventors: Noel Jarrett; Robert Leonard Kozarek; Thomas Richard Hornack; Melvin Henry Brown; William Carl Patterson
Original assignee: Aluminum Co Of America
Priority date: 1983-04-26
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1984-10-29
Also published as: AU2713684A; BR8401937A; EP0126555A1

Description

Denne oppfinnelse angår celle og fremgangsmåte for elektrolyse av en forbindelse og fremstilling av et metall såsom aluminium ved elektrolyse av en forbindelse av metallet såsom aluminiumoksyd i en smeltet elektrolytt såsom kryolitt.

Elektrolyse innebærer en elektrokjemisk oksydasjon-reduksjon forbundet med spaltning av en forbindelse. Det går en elektrisk strøm mellom to elektroder og gjennom en elektrolytt, som kan være forbindelsen alene, for eksempel natriumklorid, eller forbindelsen oppløst i et flytende løsningsmiddel, for eksempel aluminiumoksyd oppløst i kryolitt, slik at en metallisk bestanddel av forbindelsen reduseres sammen med en tilsvarende oksydasjonsreaksjon. Strømmen går mellom elektrodene fra en anode til en katode under tilveiebringelse av elektroner ved en nødvendig elektro-motorisk kraft til reduksjon av den metalliske bestanddel som vanligvis er det ønskede elektrolyse-produkt, såsom ved elektrolyttisk smelting av metaller. Den elektriske energi som brukes for frembringelse av den ønskede reaksjon, avhenger av forbindelsens beskaffenhet og sammensetningen av elektrolytten. Ved praktisk anvendelse kan imidlertid celle-energi-utbyttet for en bestemt elektrolyse-celle-utformning resultere i bortkastet energi avhengig av faktorer såsom blant annet celle-spenning og strømeffektivitet.

Mye av spenningsfallet gjennom en elektrolyse-celle oppstår i elektrolytten og kan tilskrives elektrisk motstand hos elektrolytten eller elektrolyse-badet over anode-katode-avstanden. Den elektriske motstand eller spenningsfall i badet i konvensjonelle Hall-Heroult-celler for elektrolyttisk reduksjon av aluminium fra aluminiumoksyd oppløst i et smeltet kryolitt-bad innbefatter et spaltningspotensial, dvs. energi i aluminiumprodukt, og en ytterligere spenning som kan tilskrives varme-energi dannet i elektrode-mellomrommet ved motstanden i badet, hvilken varme-energi i alminnelighet ikke nyttiggjøres. Denne ikke-nyttiggjorte varme-energi ut-gjør typisk 35-45 % av det totale spenningstap over cellen,

og til sammenligning så mye som opp til to ganger spenningsfallet som kan tilskrives spaltningspotensial. Reduksjon av den avstanden som skiller anoden og katoden er en måte til minskning av dette energi-tap.

Hver gang anode-katode-avstanden reduseres må imidletid kortslutning av anoden og katoden forhindres. I en konvensjonell Hall-Heroult-celle hvor det anvendes karbonanoder som holdes nær opp til, men adskilt fra, et metall-lag, forår-sakes denne kortslutning av en bevirket fortrengning av metallet i laget. En slik fortrengning kan for en stor del være forårsaket av de betraktelige magnetiske krefter som er forbundet med de elektriske strømstyrker som anvendes ved elektrolysen. For eksempel kan det være til stede magnetiske feltstyrker på 150 gauss i moderne Ha.ll-Heroult-celler. Denne metall-fortrengning kan ha form av (1) en vertikal, statisk fortrengning i laget, som resulterer i en ujevn lag-overflate slik at laget får større dybde i sentrum av cellen med så mye som 5 cm; (2) en bølgelignende forandring i metall-dybden, som vandrer rundt cellen med en frekvens i størrelses-ordenen 1 cyklus pr. 3 0 sekunder; og (3) en metallstrømning med strømningshastigheter :på 10-20 cm pr. sekund er vanlig. For forhindring av kortslutning må således anode-katode-adskillelsen alltid være litt større enn høyden av topp-punktet på det fortrengte smeltede produkt i cellen. Når det gjelder aluminium-fremstilling ut fra aluminiumoksyd oppløst i kryolitt i en konvensjonell Hall-Heroult-celle, holdes en slik anode-katode-adskillelse på en minimal avstand, for eksempel 4,0-4,5 cm.

Et annet ugunstig resultat ved reduksjon av anode-katode-avstanden er en bestydelig reduksjon i strøm-effektiviteten i cellen når det metall som er fremstilt ved elektrolysen ved katoden oksyderes ved kontakt med anode-produktet. Ved for eksempel elektrolyse av aluminium fra aluminiumoksyd oppløst i kryolitt kan aluminium-metall fremstilt ved katoden lett oksyderes tilbake til aluminiumoksyd eller aluminiumsalt ved at det kommer i umiddelbar nærheit av det anodisk fremstilte karbonoksyd. En reduksjon i avstanden som adskiller anoden og katoden tilveiebringer mer kontakt mellom anode-produktet og katode-produktet og fremskynder i betydelig grad gjen-oksydasjonen av redusert metall, hvorved strøm-effektiviteten minskes.

En anode som forbrukes, såsom den karbonanode som konvensjonelt anvendes ved fremstilling av aluminium i en konvensjonell Hall-Heroult-celle, representerer en vesentlig hindring for oppnåelse av en presis regulering av elektrode-mellomrommet. I den konvensjonelle Hall-Heroult-celle bindes oksygen-gass fremstilt ved anoden med karbonet i selve anoden under dannelse av karbonoksyd, såsom karbon-monoksyd- og karbondioksyd-gass. Oksydasjon av anodene ifølge den totale reaksjon

sammen med luftforbrenning av anodene forbruker ca. 0,45 gram karbon for hvert gram aluminium som fremstilles. Dette karbon-tap i vel-utformede celler oppveies i stor grad ved metall-opphopning i metall-lag-katoden i Hall-Heroult-cellen, som teoretisk opprettholder elektrode-mellomrommet. I en celle med multipler karbon-anoder har imidlertid hver av dem ene-stående elektriske egenskaper og vil ha forskjellig forbruks-stadium. Av flere slike praktiske hensyn må anode-høyden styres og justeres ofte i konvensjonell Hall-Heroult-celle-praksis. En måte som anvendes for å overvinne problemet med anode-forbruk er beskrevet i Haupins, US-patent 3 755 099 og be-slektede patenter såsom US-patenter 3 822 195, 4 110 178, 4 140 594, 4 179 345 og 4 308 113, som innebærer fremstilling av et metall såsom aluminium eller magnesium elektrolyttisk ut fra metall-kloridet oppløst i et smeltet halogenid med høyere spaltningspotensial. Siden det ikke er til stede noe oksygen unngåes problemet med at oksygengass forbindes med karbon-anoder. I fravær av oksygen kan karbon-elektroder stables oppover hverandre med mellomrom som er dannet ved varmefaste pilarer som er anbrakt mellom dem, som vist på figur 1 i US-patent 3 755 099. Pilarene har en slik størrelse at elektrodene anbringes med liten avstand mellom hverandre som for eksempel med mindre enn 1,91 cm. De elektroder som er avbildet på figurene i de ovenfor omtalte patenter, er vist å være stivt understøttet horisontalt av celleveggen.

En annen måte er angitt i DeVardas, US-patent 3 554 8 93, som viser en elektrolyseovn med karbonelektroder som ikke er i kontakt med gulvet eller veggen i ovnen. Mellomstykker for eksempel av elektrisk isolerende varmefast materiale adskiller elektrodene overfor et oppover-virkende trykk som utøves på dem av badet (idet bad-densiteten er høyere enn karbonet). Mellomstykkene er ikke festet til noen elektrode men er snarere holdt på plass av det oppover-virkende trykk av badet som virker på grafitten, som har bedre oppdrift.

I DeVarda anvendes karbonelektrodene ved elektrolyttisk spaltning av aluminiumoksyd oppløst i et bad av kryolitt og forbrukes derved ved de anodiske deler.

DeVarda anvender en elektrode-mellomromssone i likhet med en konvensjonell Hall-Heroult-celle, dvs. en stor anode-katode-adskillelse mellom metall-laget på bunnen av cellen og den siste eller nedre karbonelektrode. DeVarda anvender katoder som består av et metall-lag, som representerer en ytterligere likhet med Hall-Heroult-fremgangsmåten. Ved et annet aspekt vil det vise seg at de elektroder som er vist i DeVarda, vil synke på ett eller annet punkt når det er forbrukt nok karbon og tilstrekkelig metall opphopes i det konkave katode-reservoar til at det overstiger en redusert oppdrift hos den forbrukte elektrode.

Jacobs, US-patent 3 78 5 941 angår, likesom Haupin og andre som er omtalt ovenfor, klorid-elektrolyse. Dette patent an-gir at den aluminiumklorid-holdige elektrolytt har tendens til å reagere med konvensjonelle varmefaste materialer. Det anvendes nitrid-basert varmefast materiale, for eksempel som materiale får et mellomstykke mellom anoden og katoden, for å overvinne dette problem. Jacobs viser katoden understøttet av celle-gulvet.

Alders, US-patent 3 930 967, viser fremstilling av aluminium ut fra aluminiumoksyd hvor elektrisk kraft ledes gjennom en multi-celleovn med minst en bipolar elektrode som ikke forbrukes, innbefattende en anode av et keramisk oksyd. Avstanden mellom polene holdes konstant ved hjelp av elektroder som er stivt festet til cellens gulv eller vegg.

Fosters, US-patent 4 297 180, viser anvendelse av et katode-gitter eller et hult legeme for at katode-overflaten skal rage fram mot anoden og over det flytende lag som er dannet på cellebunnen. Det vil kunne sees at katode-elementene er understøttet av cellens gulv.

Cowens, US-patent 4 288 309, beskriver anvendelse av elektroder som forbrukes og mellomrom mellom to på hverandre følgende elektroder, hvilket mellomrom ikke desto mindre for-blir konstant uten hensyn til graden av borttæring av de elektroder som forbrukes. Mellomstykke-elementer med den samme tykkelse og formet som baller er tredd på vertikale metalltråder festet til horisontale staver forbundet med toppdelen av tanken. Cowens patent nevner elektrolyse av væskeformige oppløsninger såsom sjøvann. Det ser ikke ut til at Cowen anvender et flytende lag av elektrolyttisk produkt adskilt fra elektrolytten.

Vertikale elektroder er velkjent ved elektrolyse-prosesser og ble vist så tidlig som i Halls US-patent 400 664. Den Hall-prosess som er beskrevet i dette, inngikk kontakt mellom elektrodene og det flytende aluminiumprodukt når elektroden ikke gikk i ett med den indre celle-overflate. Alders US-patent 3 93 0 967 viser et eksempel på vertikale bipolare elektroder, som som omtalt i det foregående er stivt festet til cellens gulv eller vegg.

Ransleys, US-patent 3 215 615, viser et eksempel på skrånende monopolare elektroder for fremstilling av aluminium ved skrånende katoder som er stivt festet i cellens indre gulvoverflate. Den skrånende anode er en anode som forbrukes og er vist å ha en konisk profil.

DeVardas, US-patent 3 730 859, illustrerer en bipolar elektrode-montasje med skrånende overflater. DeVardas US-patent 3 730 859 beskriver ikke den måte elektrodene under-støttes på i cellen. Videre beskriver DeVardas US-patent 3 730 859 elektrisk forbindelse av katoden med en kraft-forsyning ikke gjennom det flytende metall-lag men snarere gjennom strømtilførsel-forbindelses-staver utenfor cellen.

Et betydelig problem oppstår og er eksemplifisert i fluorid-elektrolyse, når elektroden er understøttet av gulvet eller veggen i elektrolyse-cellen, idet problemet stammer fra en ... vridning av indre overflater i cellen, for eksempel gulvet eller veggen, som oppstår i løpet av driften av cellen under normalt strenge driftsbetingelser. En slik vridning vil ødelegge en spesifisert eller bestemt elektrode-plassering eller -montering når elektrodene er festet til eller under-støttet av gulvet eller veggen i cellen.

Den foreliggende oppfinnelse som patentsøkt har det for mål å tilveiebringe et botemiddel for de problemer og ulemper som er forbundet med konvensjonelle elektrolyse-celler og -prosesser, såsom problemer omtalt i det foregående avsnitt og innbefatter videre blant annet problemer i forbindelse med fluorid-elektrolyse, innbefåttene problemer forbundet med drift med en katode av et flytende metall-lag eller problemer forbundet med elektrodens stive forbindelse med gulvet eller veggen i elektrolyse-cellen. Denne sistnevnte bestemte ulempe blir et avgjørende problem ved ethvert forsøk på å inkorporere en spesifisert og idet vesentlige permanent anode-katode-avstand. Problemet kommer som et resultat av vridning eller bølgebevegelse i løpet av et tidsrom av overflaten på det indre gulv eller vegg i cellen, hvilken vridning eller bølgebevegelse i cellens indre overflater ødelegger enhver permanent anode-katode-avstand i konvensjonelle celler som svar på de høye temperaturer og korrosive stoffer som finnes i cellen.

Den foreliggende oppfinnelse har det formål å løse problemet i forbindelse med hvordan man oppnår og driver en elektrolyse-celle med en spesifisert anode-katode-avstand som kan opprettholdes meget liten i løpet av et lengre tidsrom enn tidligere mulig. Dessuten har den foreliggende oppfinnelse ved et aspekt det formål å oppnå og drive en slik elektrolyse-celle idet den tilpasses elektrolyse av aluminiumoksyd i kryolitt under dannelse av aluminium, som tidligere var begrenset av problemer såsom blant annet de aspekter som er forbundet med driften av en elektrolyse-celle ved tilpasning av forbindelsen mellom oksygen og karbonet i anoden.

Et hovedformål ved den foreliggende oppfinnelse innbefatter en evne til å etablere en elektrode-mellomromssone med en spesifisert dimensjon som er idet vesentlige permanent i en elektrolyse-celle og som kan opprettholdes under tilveiebringelse av en liten og ensartet anode-katode-avstand på en slik måte at spenningsfallet over elektrolyse-badet reduseres og cellens krafteffektivitet økes.

Enda et ytterligere formål er evnen til å drive ved

en slik redusert og idet vesentlige permanent anode-katode-avstand i løpet av et tidsrom som er lengre enn tidligere mulig.

Et annet formål ved den foreliggende oppfinnelse inn befatter ved et aspekt en evne til å etablere en annen katode-overflate enn det flytende lag av elektrolyse-produkt og å drive en elektrolyse-celle og prosess med en slik katode-overflate uten skadelig virkning ved bevegelse fra cellens indre gulv eller vegg, for eksempel slik som det vil oppstå ved fluorid-elektrolyse, idet man opprettholder kontakt mellom en elektrode og et adskilt flytende lag med høyere ledningsevne enn elektrolytten.

Et ytterligere formål ved den foreliggende oppfinnelse innbefatter ved et aspekt en evne til å fremstille aluminium ut fra aluminiumoksyd oppløst i et kryolitt-holdig bad i en elektrolyse-celle og en prosess hvor det anvendes en redusert og idet vesentlige permanent anode-katode-avstand som kan opprettholdes i et lengre tidsrom enn det som tidligere var mulig.

Ifølge denne oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for elektrolyse som omfatter følgende:

en første elektrode og en andre elektrode anbringes i

en elektrolytt i en celle med et adskilt flytende lag med høyere ledningsevne enn nevnte elektrolytt, idet cellen har en indre overflate for å inneholde nevnte elektrolytt og nevnte lag,karakterisert vedat den første elektrode holdes i det vesentlige fri for understøttelse av nevnte indre overflate i cellen,

mellom den nevnte første og andre elektrode etableres og opprettholdes en elektrode mellomromssone med i det vesentlige ordnet, spesifisert dimensjon, idet nevnte dimensjon fortrinnsvis opprettholdes på under 2,4 cm eller under 1,7 cm eller fra 0,3 til 1,0 cm,

én elektrode forbindes elektrisk med nevnte lag,

og fortrinnsvis holdes også nevnte andre elektrode i det vésentlige fri for understøttelse av den indre overflate i cellen.

Ifølge denne oppfinnelse er det også tilveiebrakt en elektrolyse-celle (1) som omfatter

innretning (4,6,7) med en indre overflate (8,12) som inneholder en elektrolytt (9) og et adskilt flytende lag (11) med høyere ledningsevne enn nevnte elektrolytt (9) og

første (21,24) og andre (18,19) elektroder inne i nevnte

beholder-innretning (4,6,7),karakterisert ved

innretning til å holde nevnte første elektrode (21,24) på plass i forhold til nevnte andre elektrode (18,19) under dannelse av en elektrode-mellomromssone (109) med spesifisert dimensjon, fortrinnsvis på under 2,4 cm eller under 1,7 cm eller fra 0,3 til 1,0 cm, for å inneholde nevnte elektrolytt (9), hvor den første elektrode (21,24) holdes i det vesentlige fri for understøttelse av nevnte indre overflate (8,12) av beholder-innretningen (4,6,7) og

ledende innretninger (28) for elektrisk forbindelse av en elektrode, fortrinnsvis den første elektrode (21,24) med nevnte lag (11) og fortrinnsvis hvor den andre elektrode (18, 19) også holdes idet vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate (8,12) i beholder-innretningen (4,6,7).

På de medfølgende tegninger er figur 1 et vertikalsnitt av en elektrolyse-celle ifølge den foreliggende oppfinnelse med multiple elektrode-montasjer. Figur 2 er en vertikal projeksjon, delvis i snitt, av en elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse, som inkorporerer et skulderbolt-støtteelement. Figur 3 er en vertikal-projeksjon, delvis i snitt, av en elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse, som inkorporerer et U-formet støtteknekt-element. Figur 4 er en vertikal-projeksjon, delvis i snitt, av en elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse, som inkorporerer et støtte-element omfattende en opphenger med to armer. Figur 5 illustrerer et sideriss og en vertikal-projeksjon av det støtteelement som er vist på figur 4. Figur 6, figur 7, figur 8 og figur 9 er vertikal-projeks joner , delvis i snitt, hver av en elektrolyse-celle og elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse, som inkorporerer flytelegeme-understøttelsesinnretning. Figur 10 er en vertikal-projeksjon av en elektrolyse-celle ifølge den foreliggende oppfinnelse, som inkorporerer skrånende eller ikke-horisontale monopolare elektrode-overflater. Figur 11 er en vertikal-projeksjon av en skrånende elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 12 illustrerer en profil-projeksjon av elektrode-montas jen vist på figur 11. Figur 13 er en vertikal-projeksjon av en skrånende elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 14 illustrerer et enderiss av anode-katode-strukturen i elektrode-montasjen vist på figur 13, etter snitt-linjene

XIII.

Figur 15 er en vertikal-projeksjon av en elektrolyse-celle ifølge den foreliggende oppfinnelse og inkorporerer en fleksibel elektrisk forbindelse til en anode holdt i det vesentlige fri for understøttelse av en indre vegg- eller gulv-overflate i cellen.

Det refereres til figur 1, hvor det er illustrert en elektrolyse-celle ifølge den foreliggende oppfinnelse i en Hall-Heroult-celle-sammenheng. Elektrolyse-celle 1 har en ytre side 2 og en bunn 3 som danner et ytre stålskall 4. Stålskallet 4 er foret med et isolerende materiale 6, og innenfor dette et elektrisk ledende materiale 7, for eksempel av karbon, innbefattende det indre celle-gulv 8. Gulvet 8 danner en del av en indre overflate i en beholder-innretning i cellen som kan inneholde smeltet elektrolytt 9 og et adskilt flytende metall-lag 11 hvor metallproduktet fra elektrolysen oppsamles. Metall-laget 11 har en elektrisk ledningsevne som er høyere enn elektrolytten. Ved denne utførelses-form dannes en annen del av den indre beholder-overflate av en sidevegg 12 av frosset elektrolytt. I motsetning til sidevegg 12 kan gulvet 8 lede strøm til elektrolysen. Kollektor-staver 13 for elektrisk strøm av et materiale såsom stål er tilpasset for å få god elektrisk kontakt med karbonholdig celleforing 7.

Multiple elektrode-montasjer er illustrert på figur 1 innbefattende en gruppe 14 av monopolare anode-katode-montasjer og en gruppe 16 av bipolare anode-katode-montasjer. Anode-staver 17 av et høyst ledende materiale såsom kobber eller aluminium er elektrisk forbundet med monopolar anode 18 eller ende-anode 19. Anodene er fortrinnsvis sammensatt av et materiale som er inert overfor det korrosive miljø i cellen og er, når det gjelder aluminiumfremstilling ut fra aluminiumoksyd oppløst i et smeltet saltbad av for eksempel kryolitt, spesielt inert overfor anode-produkter såsom oksygen-gass. Likevel er den foreliggende oppfinnelse ikke begrenset til anvendelse av inerte anode-materialer. Anode-stavene 17 er understøttet fra en posisjon (ikke vist) som er utenfor de indre celle-overflater, for eksempel den indre overflate dannet av celle-gulv 8.

Monopolar katode 21 holdes i stilling i forhold til monopolar anode 18 ved holdeinnretning som omfatter støtte-innretning 22 og innstillingsinnretning såsom mellomstykke 2 3 slik at det dannes en elektrode-mellomromssone (mer spesielt identifisert på etterfølgende figurer) for å inneholde elektrolytt og slik at katoden er i det vesentlige fri for understøttelse av gulvoverflate 8 eller vegg 12. Holdeinnretningen, som ved en utførelsesform omfatter nevnte støtteinnretning 22 og nevnte mellomstykke 23, er illustrert mer fullstendig på etterfølgende figurer for denne og andre utførelsesformer.

Endekatode 24 og bipolar elektrode 2 6 er på lignende måte tilpasset slik at de er anbrakt i forhold til hverandre og til endeanode 19 i den bipolare elektrode-montasje ved hjelp av holdeinnretning som omfatter støtteinnretning 27 og mellomstykke 23. Holdeinnretning for bipolare elektrode-montasjer er beskrevet mer fullstendig i det følgende og illustrert på etterfølgende figurer.

Mellomstykker 23, av et ikke-ledende materiale, er istand til å motstå det korrosive miljø som er forbundet med kontakt med elektrolytten og det katodiske produkt. Slike mellomstykker er anbrakt mellom nabo-anoder og -katoder for etablering av en elektrode-mellomromssone med spesifisert dimensjon. Uttrykket "spesifisert" dimensjon er ment å angi en for-bestemt eller foretrukket avstand eller område av avstander som kommer når den er etablert, fungerer virknings-fullt under fremstilling av elektrolyttisk produkt effektivt i elektrode-mellomromssonen. Når det for eksempel gjelder aluminiumfremstilling i en elektrolyse-celle og fremgangsmåte ifølge den foreliggende oppfinnelse, vil en slik spesifisert dimensjon være under ca. 4,0 cm og fortrinnsvis under ca. 1,7 cm og vil bli beregnet og for-bestemt for å oppnå en effektiv fremstilling av metall med minimal anode-katode-avstand.

Material-masse 29 av en forbindelse påtenkt for elektrolyse, innføres i toppen av cellen 1 og kommer inn i elektrolytten 9. Elektrolytt finnes i elektrode-mellomromssonen dannet mellom en hvilken som helst anode og katode, for eksempel mellom monopolar anode 18 og monopolar katode 21, mellom endeanode 19 og den katodiske toppoverflate på bipolar elektrode 26 og mellom den anodiske bunnoverflate på bipolar elektrode 26 og endekatode 24. Flytende elektrolyttisk produkt dannet i en hvilken som helst elektrode-mellomromssone oppsamles i et adskilt og diskret væske-lag 11 på gulvet 8. Når det gjelder elektrolyse av en metallforbindelse under dannelse av et metall ved katoden, har det metall som er dannet på denne måte som væskeformig elektrolyttisk produkt, typisk en høyere elektrisk ledningsevne enn elektrolyse-badet, som ved aluminium-fremstilling ut fra aluminiumoksyd oppløst i et elektrolyse-bad av kryolitt. Når dette metall oppsamles i det adskilte og diskrete væske-lag 11, kan det resulterende flytende metall-lag beholde en elektrisk ledningsevne som er høyere enn elektrolyttens.

Katodene 21 og 2 4 er elektrisk forbundet med væske-laget 11, idet forbindelsesinnretningen er vist på figur 1 i form av en forlengelse 28 av selve katodene. Ved den utførelses-form som er illustrert, har forlengelsen form av en haledel på katoden.

Det ledes strøm fra monopolar anode 18 til monopolar katode 21, eller i parallell retning i forhold til dette, fra endeanode 19 til toppen av bipolar elektrode 26 og fra bipolar elektrode 26 til endekatode 24. Den likestrøm som går fra anoden til katoden gjennom elektrode-mellomromssonen med spesifisert dimensjon, danner en elektrokjemisk reaksjon i den elektrolytt som finnes i elektrode-mellomromssonen under reduksjon av en metallisk bestanddel ved katoden og dannelse av en oksydasjonsreaksjon ved anoden. Den metalliske bestanddel som er dannet ved katode-overflåtene i celle 1, oppsamles i væske-lag 11, som under regulering kan tømmes fra cellen 1 gjennom en tømmeåpning (ikke vist).

Forhøyningene over metall-lag 11 i elektrodegruppene 14 eller 16 og dybden av metall-laget reguleres ved at gruppene heves og senkes og ved at metall uttappes fra laget. På denne

måte er katode-overflate 21 i en monopolar elektrode-

montasje og endekatode 24 i en bipolar elektrode-montasje begge forsynt med en primær katodisk overflate som opprettholdes over overflaten av væske-laget 11. Betegnelsen "primær" som anvendt i det foreliggende når det gjelder en primær elektrode-overflate, for eksempel en primær katode-overflate, er ment å angi elektrode-overflater som er nærmest tilstøtende motsatt ladede elektrode-overflater, idet slike primære elektrode-overflater finnes der hvor elektrolyttisk aktivitet hovedsakelig finner sted.

Under referanse til figur 2 er en bipolar elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse illustrert generelt som 16a. Anode-stav 17a er elektrisk forbundet med et strømoverføringsmateriale 101 såsom nikkel. Strøm-overføringsmateriale 101 er festet eller sveiset til ende-anode 19 for å lette overføringen av likestrøm ved høy strøm-styrke og lav spenning fra stav 17a til endeanode 19. Hylsen 103 beskytter dette overgangsområde mot avdekking, for eksempel mot oksygenangrep eller korrosiv påvirkning på grenseflaten mellom elektrolytt og luft.

Bipolar elektrode 2 6 har en sammensatt, laminert opp-bygning slik at katode-delen, for eksempel topp-delen som illustrert her når det gjelder en i det vesentlige horisontal bipolar elektrode-montasje, er oppbygget av et materiale som er spesielt tilpasset til å fungere som en primær katode-overf late 104, for eksempel et borid. Anode-delen, for eksempel bunn-delen av den i det vesentlige horisontale bipolare elektrode, er oppbygget av et materiale som er spesielt egnet som materiale for primær anode-overflate, for eksempel et keramisk metalloksyd som omtalt nedenfor.

Enhver elektrode som tjener som anode i elektrolyse-cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse, kan ansees å ha en "primær" elektrode-overflate såsom primær anodisk overflate 102 eller 106, siden størstedelen av anoden vil tjene til å lede strøm, men en primær anode-overflate nærmest den tilstøtende katode vil tilveiebringe strøm til en vei som består av den minste avstand mellom elektroder og vil tjene til å tilveiebringe strøm til den vei som har minst motstand gjennom elektrolytten. Likeledes kan den bipolare elektrode 26 som tjener som katode, betraktes for å ha en primær katode-overflate 104 som rager frem mot anoden.

Anode 19 er i en utførelsesform fortrinnsvis sammensatt av et materiale som er inert overfor elektrolytten og det korrosive miljø i en elektrolyse-celle, innbefattende ved de forhøyede driftstemperaturer som fordres når det gjelder fremstilling av et metall, for eksempel metaller såsom aluminium eller magnesium. Når det gjelder elektrolyttisk fremstilling av aluminium ut fra aluminiumoksyd oppløst i kryolitt, kan materialet for anode 19 være et inert anode-materiale såsom et keramisk metalloksyd. Se i denne forbindelse artiklene av Billehaug og Oye, "Inert Anodes for Aluminum Electrolysis in Hall-Heroult Cells", Aluminum 57

(1981) 2, sider 146-150, 228-231.

Bipolar elektrode 26, med primær katode-overflate 104

og primær anode-overflate 106, og endekatode 24 er anbrakt i forhold til hverandre og til endeanode 19 ved holdeinnretning innbefattende støtteinnretning som illustrert i en utførelses-form her i form av skulderbolt 107. Skulderbolt 107 omfatter et støtteelement tilpasset slik at elektrode 26 og katode 24 henger ned fra anode 19. Skulderbolt-støtteinnretningen tilveiebringer en understøttelse for elektrode-montasjen slik at elektrodene ved denne utførelsesform holdes i det vesentlige fri for understøttelse av indre overflater (ikke vist) i elektrolyse-cellen.

Skulderbolt 107 er festet til endeanode 19 ved hjelp av festeinnretning 108. Festeinnretning 108 tilveiebringer også en innretning for justering av tilstøtende elektroders stilling. En slik justeringsinnretning kan ha form av en mekanisk festeinnretning såsom en mutter som ved hjelp av gjenger er tilpasset til å justere skulderbolt 107 mot endekatoden 24 og den bipolare elektrode 26. På denne måte kan elektrodenes stilling justeres slik at de er tilpasset en relativ stilling mot mellomstykkene 23 og danner elektrode-mellomromssone 109 med en spesifisert og i det vesentlige permanent dimensjon. I noen tilfeller vil feste-mutter 108 være skrudd tilbake fra en tett tilstand slik at det tillates et tilfredsstillende elektrode-bevegelsesområde som svar på potensielt ødeleggende krefter, for eksempel termiske og kjemiske krefter inne i cellen, hvorved slike krefter tilpasses uten at elektrodens helhet ødelegges.

Innstillingsinnretninger som illustrert her i form av mellomstykker 23 av elektrisk isolerende materiale som kan motstå det korrosive miljø i elektrolyse-cellen, er som eksempel ordnet mellom anode 19 og bipolar elektrode 26

under dannelse av en elektrode-mellomromssone 10 9 med spesifisert dimensjon. Mellomstykker 23 kan også være anbrakt mellom bipolar elektrode 26 og endekatode 24. Alternativt kan skulderbolt 107, som inkorporert i en utførelsesform vist her for innstilling av katode 24 i forhold til anode-overf late 106, tilpasses slik at den har en skulder 114 som fungerer slik at endekatode 24 og bipolar elektrode 26 er innstilt slik at de danner en elektrode-mellomromssone 109

med spesifisert dimensjon.

Anode-overflate 102 på anode 19 og anode-overflate 106

på bipolar elektrode 26 har skrånende kanaler 111 for uttak av gass dannet ved elektrolysen. Gass uttas og ledes i kanaler i en retning vekk fra elektrode-mellomromssonen 109. Gass-bevegelsen i kanalene 111 tilveiebringer en drivkraft for sirkulering av elektrolytt gjennom elektrode-mellomromssone 109.

Endekatode 24 har spalter eller perforeringer 112 for å lette utstrømning av elektrolyse-produkt dannet på sin primære katode-overflate 113. Spalter 112 i endekatode 24 tilveiebringer også adkomst for frisk elektrolytt inn i elektrode-mellomromssonen 109. Det kan anvendes furer i toppdelen av bipolar elektrode 26, for eksempel i katodedelen 104 (skjønt ikke vist) for å lette utstrømningen av elektrolyse-produkt dannet på primær katode-overflate 104. Slike katode-furer er fortrinnsvis justert slik at metallutstrømningen for en retning som er hovedsakelig parallell med sirkulerende elektrolytt gjennom elektrode-mellomromssonen 109. Furer i bipolar elektrode 26 har fortrinnsvis ikke en slik utstrekning at det blir huller helt gjennom elektroden, dvs. de går ikke vertikalt fullstendig gjennom en horisontal bipolar elektrode, av den grunn at slike huller ville tilveiebringe en side-passasje for strømmen, som ville forhindre metallfremstilling ved den primære katode-overflate på den bipolare elektrode.

Figur 3 illustrerer en monopolar anode-katode-montasje innbefattende anode 18 med en innskjæring 2 01 hvor det kan innsettes et støtteelement innbefattende som eksempel en opphenger-støtteknekt 22, som her har en øvre arm 2 02 som danner en ende av en hovedsakelig U-formet knekt med en nedre arm 203. Støtteknekter 22 omfatter støtteinnretning for understøttelse av en elektrode i det vesentlige fri for understøttelse av det indre celle-gulv (ikke vist). Støtte-knekt 2 2 er tilpasset slik at katode 21 henger ned fra anode 18. Støtteknekter 22 og mellomstykker 23 omfatter holdeinnretning for understøttelse av katode 21, for å holde katode 21 i stilling i forhold til anode 18 og for å opprettholde en elektrode-mellomromssone 109 med spesifisert dimensjon. Ende-hjørne 204 på anode 18 kan forstørres (ikke vist), og støtteknekt 2 2 kan være laget med en form som er egnet til at den hviler på et slikt forstørret hjørne, hvorved behovet for maskin-operasjon for å danne innskjæring 201 oppheves.

Ved en annen utførelsesform kan øvre arm 2 02 på støtte-knekt 22 hvile på det øvre hjørne 205 av anode 18. På denne måte kan innskjæring 2 01 unngåes mens man opprettholder egnet støtteinnretning. Støtteknekt 2 2 bør ha en smal utformning med minimal dimensjon for minimalisering av enhver begrensning av elektrolytt-strømning til elektrode-mellomromssone 109. Figur 4 illustrerer en annen form for støtteinnretning, dvs. opphenger 301, for understøttelse av katode 21 fra anode 18. Opphenger 301 har to armer, idet en arm 302 er en forlengelse av et hovedlegeme 3 03 og arm 3 02 er anbrakt i en hovedsakelig vinkel i forhold til den annen arm 304 på legemet, for eksempel i en vinkel som er hovedsakelig ca. 90° som illustrert i en utførelsesform på figur 4, for det formål å etablere opphenger 301 i anode-innskjæring 306. Mekaniske festeinnretninger eller lignende innretninger for festning (ikke vist) kan anvendes for å knytte støtteknekten eller opphengeren til anoden eller katoden. Som omtalt i det foregående anvendes mellomstykke 23 for opprettholdelse av en spesifisert dimensjon av elektrode-mellomromssonen.

Figur 5 tilveiebringer vertikal-projeksjon og sideriss

av opphenger 3 01 for en mer fullstendig illustrasjon av opphenger 3 01.

Under referanse til figur 6 er det illustrert en bipolar elektrode-montasje hvori det er inkorporert en støtteinnretning innbefattende et understøttende flytelegeme. Anode 19 er anbrakt over bipolar elektrode 2 6 og endekatode 24 med tilheng 401 for kontakt med flytelegeme ("float") 402. Til-

heng 401 er nedsenket i flytelegeme 402, som vist. Et alterna-tiv er å ha tilheng som overlapper flytelegeme 402, som illustrert på figur 7.

Når det gjelder aluminiumfremstilling ut fra aluminiumoksyd oppløst i en elektrolytt av kryolitt, kan flytelegeme 402 bestå av grafitt, som er en god elektrisk leder slik at strøm kan ledes gjennom det understøttende flytelegeme til væske-laget, for eksempel gjennom flytelegeme 4 02 til væske-metall-lag 11 som ved den utførelsesform som er illustrert på figur 6. Flytelegeme 402 ved en slik utførelsesform omfatter ledende innretninger for sammenknytning av katode 24 og lag 11. Grafitten i flytelegeme 402 er videre et materiale med en densitet som er mindre enn for elektrolyse-bad 9 av kryolitt, slik at flytelegeme 402 holder endekatode 24 og bipolar elektrode 26 flytende opp mot skulderbolt-mellomstykker 403. Katode 24 og bipolar elektrode 2 6 er derved fri for under-støttelse av énhver indre overflate, for eksempel gulv 8 i elektrolyse-cellen.

Skulderbolt-mellomstykker 403 med skuldere 404 opprettholder innstillingen av en elektrode-mellomromssone 109 med spesifisert dimensjon mellom endeanode 19, bipolar elektrode 26 og endekatode 24. Skulderbolt-mellomstykke 403 har en del 405 som går gjennom anode 19 og som er festet ved hjelp av festeinnretning 406 ved enden av anode 19 like overfor elektrode-mellomromssonen. Skulderbolt-mellomstykker 4 03 tilveiebringer innstillingsinnretninger i en anode-katode-montasje med elektroder som er anbrakt i en for-bestemt stilling under dannelse av elektrode-mellomromssonen med spesifisert dimensjon. Mellomstykker 23 kan anvendes i stedet for en del av skulder-mellomstykker 403, for eksempel bunn-delen som er illustrert her mellom katode 24 og bipolar elektrode 26. Elektrodene er fortrinnsvis utstyrt med furer eller holdere 505 etablert med riktig innstilling i til-støtende elektroder for tvingning av bevegelsen hos mellom-stykket og tilstøtende elektroder. Føreinnretninger 4 07 kan anbringes i cellegulv 8 slik at flytelegemet og katoden ikke vil bevege seg fra en stilling som er hovedsakelig under endeanode 19. Føreinnretninger 407 kan alternativt ha form av forlengelser (ikke vist) av en elektrode, for eksempel hovedsakelig vertikale forlengelser av en horisontal anode for opprettholdelse av en tilstøtende horisontal katode-overflate hovedsakelig under den horisontale anode. Slike forlengelser bør bestå av et elektrisk isolerende materiale.

Endekatode 24 har forsterkende ribber 408 for å styrke katodeplaten. Spalter eller perforeringer 112 er anbrakt i katode 24 under dannelse av et katode-gitter for å lette utstrømningen av elektrolyse-produkt dannet ved katode-overflaten. Oppslemning 402 kan være i kontakt med og understøtte katode 24 umiddelbart under katode 24, for eksempel slik at den støter opp til (ikke vist) forsterknings-ribber 4 08.

Bipolar elektrode 2 6 har en sammensatt, laminert konstruksjon slik at katode-del 411 er konstruert av et materiale som er spesielt tilpasset for å fungere som katode, for eksempel et borid, og anode-delen 412, for eksempel som illustrert her ved en utførelsesform som under siden av en hovedsakelig horisontal bipolar elektrode 26, er konstruert av et materiale som er spesielt egnet som anode-materiale, som omtalt i det foregående.

Under referanse til figur 7, består flytelegeme 501 av et elektrisk isolerende materiale, såsom porøs keramikk.

Ved en slik utførelsesform kan flytelegeme 501 ha en del 502 som går gjennom katode 24 for etablering av katode 24 og den tilstøtende bipolare elektrode i en stilling i forhold til hverandre slik at det dannes en elektrode mellomromssone med spesifisert dimensjon. I det tilfelle hvor katode 24 har en densitet som er lavere enn elektrolyttens, kan ring-mellomstykke 503 være tilpasset konsentrisk med forlengelse 502 slik at katodens 24 stilling på forlengelse 502 opprettholdes. Flytelegeme 501 består av et materiale med rotasjons-og lednings-egenskaper som er hovedsakelig upåvirket ved kontakt med elektrolytten eller ved nedsenkning i det smeltede elektrolyse-produkt. Ved en slik utførelsesform hvor flyte-legeme 5 01 består av et elektrisk isolerende materiale, kan katode 24 ha tilheng 504 som går inn i metall-lag 11 og som tilveiebringer ledningsinnretning for elektrisk forbindelse mellom katode 24 og lag 11.

Når det gjelder fremstilling av aluminium ut fra aluminiumoksyd oppløst i kryolitt består flytelegemet fortrinnsvis av et elektrisk ledende materiale, som illustrert ved flytelegeme 402 på figur 6 og består fortrinnsvis av et materiale omfattende karbon, for eksempel grafitt. Når elektrolyse-bad 9 omfatter kryolitt, er flytelegeme 402, som består av grafitt, fortrinnsvis i kontakt med metall-lag 11 i cellen og blir derved katodisk. På denne måte unngåes forbruk av grafitten ved at den forbindes med oksygen-gass dannet ved anoden. Grafitt-flytelegemet bør imidlertid beskyttes mot direkte kontakt med kryolitt-badet, for eksempel ved et be-skyttende belegningslag.

Under referanse til figur 8 er det illustrert en elektrode-montasje som inkorporerer et understøttende flytelegeme omfattende et underlag 511 av et materiale med god oppdrift,

med et belegg 512 av et elektrisk ledende materiale. Underlag 511 kan være enten elektrisk isolerende eller ledende.

Når det gjelder et underlag 511 av elektrisk isolerende materiale må belegg 512 av elektrisk ledende materiale ha en slik utstrekning at det kommer i kontakt med metall-lag 11 og danner en elektrisk kobling. Når det gjelder et elektrisk isolerende underlag bør videre belegg 512 være av tilstrekkelig tykkelse til at det leder den elektrolyttiske strøm uten stort spenningsfall. Beleggtykkelsen vil variere avhengig av det materiale som anvendes til belegget. Belegg 512 omfatter et materiale valgt på grunn av egenskaper som tilveiebringer for-bedrede katode-egenskaper. Når det for eksempel gjelder aluminium-fremstilling ut fra aluminiumoksyd oppløst i et kryolitt-elektrolysebad, er et foretrukket beleggmateriale et varmefast hardt metall som fortrinnsvis omfatter et borid såsom titan-diborid. Når det gjelder dette vil et belegg av titan-diborid over et elektrisk isolerende materiale valgt som underlag 511, for eksempel et porøst keramisk materiale, måtte ha en tykkelse i området fra ca. 0,25 til ca. 2,5 mm.

Likevel innbefatter en foretrukket utførelsesform av

en understøttende flytelegeme-innretning med belegg 512 anvendelse av et elektrisk ledende materiale som underlag 511.

Ved for eksempel fremstilling av aluminium ved elektrolyse

av aluminiumoksyd oppløst i et kryolitt-bad, kan underlag 511 være grafitt. Ved en slik utførelsesform kan belegg 512 ha en betydelig redusert tykkelse, for eksempel i området fra ca. 0,13 til ca. 0,25 mm, siden grafitten vil lede den elektriske strøm som trenges ved elektrolysen over et større tverrsnittsområde med et lavere spenningsfall. Videre må belegg 512 påføres bare på den primære katode-overflate og behøver ikke gå inn i metall-lag 11 når det anvendes et elektrisk isolerende underlag som underlag 511 i kontakt med laget. Imidlertid belegges et understøttende flytelegeme omfattende grafitt med en belegg såsom av et borid, fortrinnsvis over hele den del av grafitten som kommer i kontakt med et fluorid-elektrolyse-bad, for eksempel kryolitt, for forhindring av nedbrytning av grafitten.

Belegg 512 er valgt på grunn av egenskaper som tilveiebringer høy elektrisk ledningsevne, høy fuktbarhet overfor det smeltede metallprodukt dannet ved elektrolysen og høy motstandsdyktighet overfor det smeltede metallprodukt såvel som høy motstandsdyktighet overfor korrosivt angrep av elektrolyse-badet, ikke bare slik at dets egen fullstendighet bevares men også slik at det underliggende underlag beskyttes. Når det gjelder aluminium-fremstilling ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i et elektrolyse-bad av kryolitt, kan belegget være et varmefast, hardt metall såsom et borid, for eksempel titan-diborid, for å oppfylle disse kriterier og også av praktiske hensyn når det gjelder forholdet mellom lave omkostninger og utbytte.

Belegg 512 kan avsettes på underlag 511 ved hjelp av kjente belegnings-fremgangsmåter såsom kjemisk dampavsetning, reaktiv fysisk dampavsetning eller ved plasma-sprøyting.

I den videre betydning av den foreliggende oppfinnelse kan anoden, eller ikke, bestå av et materiale som er inert overfor det påtenkte elektrolyttiske miljø. I det tilfelle hvor anoden ikke er inert, for eksempel i en anode som forbrukes såsom en karbonanode i kryolitt, er det understøttende flyte-legeme den foretrukkede utførelsesform av innretningen for understøttelse av en elektrode såsom for eksempel ehkatode, i det vesentlige fri for understøttelse av en indre overflate av beholder-innretningen, for eksempel det indre gulv, i cellen. Ved en slik foretrukket utførelsesform vil flytelegemet holde katoden flytende mot et mellomstykke som er anbrakt slik at det danner elektrode-mellomromssonen med en spesifisert dimensjon til tross for at anoden forbrukes i løpet av driften av cellen.

Figur 9 illustrerer en utførelsesform av cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse med en første og annen elektrode og en flytelegeme-innretning for understøttelse av den første elektrode i det vesentlige fri for understøttelse av en indre celle-overflate, for eksempel gulvet eller veggen, hvori den annen elektrode er forbundet med et adskilt væskelag med høyere ledningsevne enn elektrolytten. Anode 18a er under-støttet fri fra gulv 8 eller sidevegger 12 ved flytelegeme 6 01. Ved den utførelsesform som er illustrert her, består flytelegeme 601 av et elektrisk isolerende materiale, såsom et porøst keramisk materiale. Det trenges et elektrisk isolerende materiale siden flytelegeme 601 kommer i kontakt med anode 18a og ytterligere kommer i kontakt med metall (ikke vist) som flyter over og kommer i kontakt med katode 21a. Mellomstykke-innretninger 602 anvendes for innstilling av anode 18a i forhold til katode 21a. Mellomstykke-innretning 602 omfatter et bolt-hovedlegeme 602 som går gjennom katode 21a og ender ved kant-skulder 603. Den andre ende av mellomstykke-innretning 602 går gjennom anode 18a og ender med en gjenget forbindelse til en festeinnretning såsom en mutter 604. Men når det gjelder flytelegeme 601 er anode 18a fri til å

gå opp eller ned på mellomstykke-innretning 602. Katode 21a er understøttet av gulv 8, som i løpet av et tidsrom vil bli vridd og beveges i elektrolyse-celler med kraftige driftsbetingelser, såsom ved elektrolyse av aluminiumoksyd for fremstilling av aluminium under anvendelse av en fluorid-elektrolytt. Ikke desto mindre vil flytelegeme-innretning 601 som drives i forbindelse med mellomstykke-innretning 602, opprettholde en i det vesentlige permanent anode-katode-avstand i elektrode-mellomromssone 109 til tross for bevegelse i gulv 8.

Føreinnretninger 4 07 er anbrakt i gulv 8 for opprettholdelse av flytelegeme 601 innstilt under anode 18a. Fleksibel forbindelse 606 tilveiebringer elektrisk kontakt mellom anode 18a og elektrisk kabel 607 som står i forbindelse med

en elektrisk kraft-forsyning.

Justéringsinnretninger, vist her ved en utførelsesform

i form av en mutter 604 som ved hjelp av gjenger er tilpasset til mellomstykke 602, kan variere anode-katode-avstanden som er etablert ved hjelp av mellomstykke 602, hvorved det tilveiebringes en justerbar eller variabel mellomstykke-innretning. Alternativt kan det inkorporeres et festet mellomstykke i form av et mellomstykke 23 (som vist på tidligere figurer) eller en konsentrisk hylse for mellomstykke 602

(som vist på etterfølgende figurer), for eksempel innstillingsinnretninger 704 som vist på figur 9). For etablering av en permanent anode-katode-avstand, for eksempel ved en minimal anode-katode-avstand etablert mellom anode 18a og katode 21a ved at anode 18a trekkes ned til et slikt festet mellomstykke eller hylse (ikke vist).

Under referanse til figur 10 er det illustrert en elektrolyse-celle ifølge den foreliggende oppfinnelse med elektrode-mellomromssone 10 9 dannet ved en gjensidig anode-katode-innstilling av skrånende eller ikke-horisontale monopolare anoder 701 og på lignende måte ordnede monopolare katoder 702. Anodene 701 er elektrisk forbundet med nikkel-samleskinner 101, og katodene 702 er hver i elektrisk kontakt med væskelag 11, hvori det oppsamles væskeformig produkt fra elektrolysen i elektrode-mellomromssoner 109. En hellende, for eksempel skrånende eller tilspisset elektrode-overflate med i det vesentlige parallelle anode-katode-forhold er foretrukket i forhold til vertikal innbyrdes innstilling på grunn av reduksjon av potensialet for re-oksydering av nedover-strømmende metall. De tilspissede elektroder har den funksjon å lede utviklet gass i kanaler langs anoden og bortfra katoden. Et hellende eller skrånende forhold letter også justering av anode-katode-avstanden ved at anoden eller katoden beveges opp eller ned.

Innretninger for understøttelse og for innstilling av elektrodene under dannelse av elektrode-mellomromssone 109 med spesifisert dimensjon er illustrert her hver ved en ut-førelsesform som henholdsvis bolt-understøttelsesinnretriing 703 og hylse-innstillingsinnretning 704, hver med material-egenskaper som er lik egenskapene hos mellomstykke 23, som illustrert på tidligere figurer og som beskrevet i det foregående. Bolter 703 går gjennom anodene og katodene og enda i festeinnretninger 706 såsom muttere som ved hjelp av gjenger er tilpasset bolter 703 slik at anoder 701 og katoder 7 02 kan bli tettet mot mellomstykke-hylser 7 04

under dannelse av elektrode-mellomromssone 109 med spesifisert dimensjon.

I montasjen av skrånende monopolare elektroder vist på figur 10, med unntak av endeelektrodene, opererer hver anode og hver katode i forbindelse med to tilstøtende, motsatt ladede monopolare elektrodeoverflater. Skrånende elektrode-overf later kan også anvendes i et bipolart arrangement, for eksempel to endeanoder anbrakt ved hver ende av en montasje av skrånende, bipolare elektroder, sammen med en endekatode i midten med elektrisk forbindelse med væske-laget. I en slik bipolar celle (ikke vist) strømmer strømmen fra en ytre anode innover gjennom en eller flere bipolare elektroder og endelig til den midtre endekatode. Alternativt kan de ytre elektroder være i kontakt med metall-laget, og det kan be-virkes at strømmen strømmer fra en midtre endeanode gjennom en eller flere bipolare elektroder til de ytre elektroder, som hver tjener som endekatode.

Figur 11 illustrerer en utførelsesform av elektrolyse-cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse med skrånende elektrode-montasje 801. Katode 802 er tilpasset slik at den henger på bolt 803 med en spesifisert dimensjon under anode 804. Mellomstykke 23 er anbrakt mellom katode 802 og anode 804 slik at når bolt 803 og justeringsinnretninger 805,

for eksempel som vist her i form av en mutter som ved hjelp av gjenger er tilpasset til bolt 803, justerer elektrodene opp til mellomstykke 23, inntar elektrode-mellomromssone 109 en i det vesentlige permanent anode-katode-avstand. Samleskinner 806, forbundet med en elektrisk kraftforsyning, leder strøm til strømoverføringsmateriale 101 såsom nikkel. Spalter eller perforeringer er tilveiebrakt i katode 8 02, som mer fullstendig illustrert på figur 12.

Figur 12 viser et sideriss av elektrode-montasje 801. Spalter eller perforeringer 811 i katode 802 er illustrert. Den nedre forlengelse av katode 8 02 viser seg som en halé-del, med utskjæring 812, til å dyppes ned i det adskilte væskelag (ikke vist) med høyere ledningsevne enn nevnte elektrolytt, for eksempel laget av metallprodukt. Spalter eller perforeringer 811 og utskjæring 812 er tilveiebrakt

for å lette avløpet for elektrolyse-produkt-væske fra katode 802 og videre for å lette tilførselen av frisk elektrolytt til elektrode-mellomromssonen, dvs. til det elektrolyse-område som befinner seg mellom elektrodene.

Under referanse til figur 13 er det vist en elektrode-montasje 901 med skrånende anode 902, som omslutter delvis blottlagt skrånende katode 903 anbrakt innenfor, og omgitt på tre sider av, anode 902 som illustrert mer fullstendig på figur 14. Bolt 904, av elektrisk isolerende materiale inert overfor det elektrokjemiske miljø, går gjennom hele dybden av elektrode-montasjen slik at den understøtter katode-staver 903 fra anode 902, som mer fullstendig avbildet på figur 14.

Figur 14 illustrerer et enderiss av anode-katode-strukturen av den skrånende elektrode-montasje vist på figur 13, langs enderiss XIII. Elektrisk isolerende mellomstykke-innretninger 906, for eksempel som illustrert her ved en ut-førelsesform i form av en hylse konsentrisk overfor bolt

904, fungerer slik at katode 903 innstilles i forhold til anode 902. Justeringsinnretning 907 i form av en mutter som ved hjelp av gjenger er tilpasset bolt 904, anvendes for å lette montasjen av anode-katode-strukturen.

Den der referanse til _figur 15 er det illustrert en elektrolyse-celle, hvori det er inkorporert en første elektrode holdt i det vesentlige fri for understøttelse av en indre celle-overflate og en andre elektrode elektrisk forbundet med et væskelag med høyere ledningsevne enn elektrolytten. Fleksibel innretning 606 utgjør en elektrisk forbindelse mellom anode 18b og en elektrisk kraft-kilde (ikke vist) gjennom kabel 607. Anode 18b holdes i det vesentlige fri

for understøttelse av en indre celle-overflate såsom gulv 8. Ved den utførelsesform som er vist har katode 21b et hale-stykke 28b som er understøttet av gulv 8, og anode 18b er understøttet av katode 21b. Mellomstykker 23 og justeringsinnretning 108 samarbeider for innstilling av anode 18b og katode 21b og dannelse av elektrode-mellomromssone 109 med

spesifisert dimensjon. Elektrode-mellomromssone 109 vil ikke variere i noen vesentlig grad til tross for bevegelse av gulv 8 og derav følgende bevegelse av katode 21b.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer ved et

aspekt innretninger til å holde katoden i stilling i forhold til anoden mens én elektrode understøttes slik at den er i det vesentlige fri for understøttelse av de indre overflater i cellen og videre mens det på samme tid er inkorporert innretninger for elektrisk kontakt mellom katoden og væske-

laget av elektrolyttisk produkt. Selv når katoden omfatter elektroden holdt i det vesentlige fri for understøttelse av indre celle-overflater, kan ikke desto mindre katoden være i kontakt med den indre overflate i cellen så lenge en slik kontakt ikke er nødvendig for en stiv understøttelse av katoden eller så lenge en slik kontakt ikke vil forringe elektrode-innstillingen og forandre det spesifiserte elektrode-mellomrom som i det tilfelle hvor anoden består av den ene elektrode holdt i det vesentlige fri for understøttelse av en indre celle-overflate. Fortrinnsvis kommer imidlertid ikke katoden i kontakt med de indre overflater i cellen. I hvert tilfelle er det vesentlige punkt at én elektrode tvinges i tredimensjonalt rom bare med hensyn til den annen elektrode og ikke med hensyn til en indre celle-overflate for å begrense elektrolytt eller elektrolyse-produkt.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer ledende innretninger for elektrisk forbindelse mellom en første elektrode og væske-laget med høyere ledningsevne enn elektrolytten. Elektroden som har en slik forbindelse, kan være en elektrode som tvinges i tredimensjonalt rom bare i forbindelse med en annen elektrode, for eksempel, med andre ord, som holdes i det vesentlige fri for understøttelse av en indre celle-overflate, eller den elektrode som har en slik forbindelse, kan være den annen elektrode. I sistnevnte tilfelle, dvs. der hvor den elektrode som er forbundet med væske-laget, ikke nødvendigvis holdes i det vesentlige fri for understøttelse av en indre cellevegg, kan den elektrode som holdes fri,,værefleksibelt elektrisk forbundet med en kilde for elektrisk kraft. På denne måte vil en slik kilde for elektrisk kraft ikke være slik at den i tredimensjonalt rom tvinger den elektrode som holdes i det vesentlige fri for understøttelse

av den indre celle-overflate.

I noen elektrolyse-celler kan en elektrode være under-støttet ved den indre sidevegg i cellen, for eksempel såsom den som er vist i Jacobs US-patent 3 745 107. En slik strukturell begrensning kan tilpasses ved cellen og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse. Når denne type av elektrode-understøttelse ved den indre sidevegg er tilpasset ifølge den foreliggende oppfinnelse, vil den annen elektrode typisk være den elektrode som holdes i det vesentlige fri for understøttelse av en indre celle-overflate og vil videre være den elektrode som er elektrisk forbundet med væske-laget med ledningsevne som er høyere enn elektrolytten.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter innretning til

å holde en av elektrodene i stilling i forhold til den annen under dannelse av en elektrode-mellomromssone til å inneholde elektrolytt. En slik holdeinnretning kan omfatte innretning til å understøtte en elektrode fra en annen og kan videre omfatte innretning av elektrisk isolerende materiale for innstilling av elektrodene.

En spesiell fordel ved elektrolyse-cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse er evnen til å etablere og opprettholde en elektrode-mellomromssone med spesifisert dimensjon. Når i det vesentlige inerte elektroder er inkorporert i en slik celle kan elektrode-mellomromssonen med spesifisert dimensjon videre være fremstilt slik at man får et i det vesentlige permanent forhold med mellomrom mellom elektrodene under oppnåelse av en elektrode-mellomromssone med i det vesentlige permanent anode-katode-avstand. En slik permanent anode-katode-avstand var tidligere uoppnåelig med konvensjonelle elektrode-montasjer, ikke bare på grunn av problemer som kunne tilskrives elektroder som ble forbrukt, men også fordi konvensjonelle elektroder ble understøttet av celle-gulvet eller -veggene. En permanent anode-katode-avstand i en slik elektrode-montasje understøttes av det indre celle-gulv eller -vegger ville ha blitt ødelagt av problemer i forbindelse med celleforings-forringelser som skyldes inntreng.ri.iing av elektrolytt og flytende elektrolyse-produkt såvel som inn-skytning av andre metall-typer som er til stede i elektrolytten, såsom natrium i kryolitt, som forårsaker hevelse, vridning og deformasjon av de indre celle-overflater, for eksempel det indre karbon-gulv og -vegger i den aluminium-produserende elektrolyse-celle.

Innstillingsinnretningene, for eksempel som illustrert ved en utførelsesform med betegnelsen mellomstykke 23 på

noen av figurene, må være av et materiale som er elektrisk isolerende; må være hovedsakelig inert overfor badet ved driftstemperaturer, hvilke temperaturer, når det gjelder kommersiell elektrolyttisk aluminium-fremstilling ut fra aluminiumoksyd oppløst i kryolitt, er typisk i området fra ca. 920 til ca. 1000°C; må være stabile i nærvær av oppløst metall eller suspendert eller agglomerert, smeltet metall fremstilt ved elektrolysen; og må ikke reagere hovedsakelig med anode-produkter fra elektrolysen, for eksempel, ved fremstilling av aluminium ut fra aluminiumoksyd oppløst i kryolitt, oksygen-gass ved anvendelse av inerte anoder, eller CO- og C02~gass ved anvendelse av karbonanoder. Materialer såsom nitrider og oksynitrider, innbefattende bor-nitrid, silisium-nitrid, silisium-oksynitrid, aluminium-oksynitrid eller et oksyd/blandet oksyd såsom et keramisk oksyd eller et karbid eller nitrid/karbid-kompositt med lav elektrisk ledningsevne er egnede materialer for innstillingsinnretningene ifølge den foreliggende oppfinnelse. Egnede keramiske oksyder som er motstandsdyktige overfor oksygen-angrep innbefatter, men er ikke begrenset til, materialer såsom tinn(IV)-oksyd, koboltoksyd, jernoksyd eller en blanding av nikkeloksyd og jernoksyd.

En mellomstykke-opphenger i ett stykke, dvs. et element

1 et stykke, for eksempel en støtteknekt som tjener som holdeinnretning innbefattende at den fungerer som en innretning til understøtting av elektrodene i det vesentlige fri for under-støttelse av en indre overflate i cellen og dessuten fungerer som innretning til å anbringe elektrodene i stilling under dannelse av en elektrode-mellomromssone med spesifisert dimensjon, kan gi den fordel at den ikke skader eller redu-serer overflatearealet av anode-katode-mellomromssonen, siden det ikke behøves noe mellomstykke, som vist ved mellomstykke 2 3 på figurene. Imidlertid gir et mellomstykke, som påtenkt ved én utførelsesform av innstillingsinnretningen ifølge den foreliggende oppfinnelse, for eksempel et element som skal innsettes mellom elektrodene for å holde elektrodene i stilling i forhold til hverandre, omfattende et element adskilt fra understøttelsesinnretningen, den fordel at det er lettere å konstruere og produsere i form av egnede formstykker og gir videre den fordel at det fordrer bare tilstrekkelig trykkfasthet snarere enn strekkfasthet, hvilken trykkfasthet kan tilveiebringes lettere ved ellers egnede materialer. Når det gjelder dette trenges det ingen understøttelsesknekt eller -opphenger når det anvendes et flytelegeme som innretning for understøttelse av en katode i det vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate i cellen, og enhver fordring om tilstrekkelig virkelig strekkfast unngåes derved.

Den flytelegeme-understøttelsesinnretning som det tas sikte på, kan være elektrisk ledende i det tilfelle når den er anbrakt under begge elektrodene, såsom når den under-støtter bunnelektroden i en horisontal stabel i det vesentlige fri for understøttelse av en indre celleoverflate og det ikke i alminnelighet finnes noe spenningsfall som gjør at den tar del i elektrolysen. Når flytelegemet har god elektrisk ledningsevne kan det videre også tilpasses slik at det omfatter innretningen til å bringe den tilstøtende elektrode i elektrisk kontakt med væske-laget som har en ledningsevne som er høyere enn elektrolyttens, såsom når det gjelder å bringe katoden i kontakt med det smeltede metall-lag av elektrolyse-produkt .

Cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter etablering av en katode som består av en annen katode-overflate enn overflaten på væskelaget av elektrolyse-produkt og også innbefatter innretning for å lette avløp for elektrolyse-produkt, såsom smeltet metall, dannet på en slik katode-overf late. Cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse innbefatter videre innretning til å lede gass i kanal fra anode-overflaten, såsom å lede i kanal oksygen-gass som produkt fra elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i kryolitt fra den inert anode-overflate.

Innretning til å lede gass i kanal bortfra den primære anode-overflate vil redusere problemer med dårlig strømut-bytte og vil følgelig forbedre energi-utbyttet. En slik kanaliseringsinnretning kan ha form av skrånende, dvs. ikke-horisontale kanaler som løper gjennom anoden i en retning slik at gass ledes bort fra den primære anode-overflate.

Videre tilveiebringer en slik skrånende innretning til å

lede gass i kanal også innretning til sirkulering av elektrolyse-saltbad gjennom elektrode-mellomromssonen, idet gassen tilveiebringer drivkraften til etablering av "frisk" elektrolytt med tilfredsstillende sammensetning innenfor elektrode-mellomromssonen. Strømmen av elektrolyse-bad gjennom elektrode-mellomromssonen soper metall fra katoden hvorved dannelse av store metalldråper forhindres, hvilke kunne kortslutte elektrode-mellomromssonen. Skrånende eller hellende kanaler fungerer slik at hastighetenøkes og dybden av gassen reduseres ettersom den beveges gjennom kanalene. Hovedsakelig horisontale kanaler kan anvendes hvis kanalene er laget store nok til at de er tilpasset en ellers dypere gass-strøm som følger med lavere hastighet.

Innretning til å lette avløp av smeltet metall dannet på katoden, vil redusere problemer som kan tilskrives en opp-hopning eller agglomerering av metall på katoden ved den primære katode-overflate og kan tilveiebringes ved at man anvender forsiden av et katode-gitter eller perforert plate som endekatode og ved at det anvendes furer i den primære katode-overf late som danner topp-delen av en bipolar elektrode. En slik katode består, når det gjelder aluminium-fremstilling, fortrinnsvis av et materiale som omfatter et varmefast, hardt metall såsom et borid, og fortrinnsvis diboridet av titan på grunn av omkostningshensyn i forhold til utbytte. Titan-diborid tilveiebringer en katode-overflate som fuktes med en tynn film av aluminium-elektrolyse-produkt. Aluminium-produktet som dannes ved den fuktede katode, hopes ikke opp ved agglomerering av ikke-fuktende dråper på katoden, men strømmer snarere over den bipolare elektrode eller drypper gjennom gitteret eller den perforerte plate på endekatoden til et væske-lag av smeltet metall som begrenses under av de indre overflater i cellen. TiB2-overflaten kan være tilveiebrakt som et belegg over et mindre kostbart metallunderlag, for eksempel som et TiB2-belegg påført ved plasmasprøyting på et nikkelunderlag.

Ledende innretninger for elektrisk tilkobling av én elektrode til laget er tilveiebrakt ved en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse for en slik primær katode-overflate som holdes over væske-laget ved hjelp av ledende inn retninger som kan ha form av en haledel på katoden. De ledende innretninger for elektrisk kobling mellom en elektrode og laget kan tilveiebringes ved hjelp av andre innretninger enn en haledel som er dyppet ned i væske-laget, for eksempel en blokk-formet forlengelse av katoden som er dyppet ned i laget. En haledel på en elektrode er den foretrukkede ut-førelsesform av de ledende elementer siden en slik utformning fordrer mindre materiale og forøker utstrømningen av elektrolyse-produkt såsom redusert metall fra en primær katodeoverflate ved at det tilveiebringes mer volum for utstrømning, hvilken forøket utstrømning kan være viktig ved opprettholdelse av en spesifisert og i betydelig grad redusert anode-katode-avstand.

Kombinasjonen av den foretrukkede gitter-utformning

for den primære katode-overflate og de ledende innretninger for elektrisk kobling mellom en slik overflate og væske-laget gav elektrolyse-produkt sammen med de passende materialer for katode-overflaten, danner en viktig kombinasjon med de andre elementer i elektrolyse-cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse ved dette ene aspekt slik at man overvinner problemer og hindringer som har vært lenge, som forhindrer en redusert anode-katode-avstand, innbefattende den bevirkede fortrengning av smeltet produkt som forårsaker kortslutning ved konvensjonelle elektrolyse-smeltningsprosesser for fremstilling av metall og spesielt ved Hall-Heroult-celle-smelting for fremstilling av aluminium. Enhver slik bevirket fortrengning av metall blir kraftigere ettersom strømstyrken økes, og cellen og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse gir,

ved at problemer som kan tilskrives slik fortrengning, over-vinnes, følgelig anledning til elektrolyttisk smelting av et metall såsom aluminium ved høyere strømstyrker.

En foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse innbefatter regulerbar tømning av materiale fra væske-laget i cellen for opprettholdelse av en primær katode-overflate over laget. En slik tømning blir viktig ved passende tidspunkter for forhindring av over-svømming av katode-gitteret eller den perforerte plate, hvorved produkt-utstrømning fra katode-overflaten forhindres.

Cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse er spesielt egnet ved fremstilling av et metall såsom aluminium, ut fra en elektrolytt av smeltet saltbad som inneholder en forbindelse som er påtenkt til elektrolyse, såsom aluminat eller aluminiumoksyd oppløst i kryolitt. Cellen kan tilveiebringe en spesifisert anode-katode-avstand ved elektrolyttisk fremstilling av aluminium, på under ca. 2,4 cm, fortrinnsvis under ca.

1,7 cm og mer foretrukket i området fra ca. 0,3 til ca. 1,0 cm, og kan videre opprettholde en slik liten anode-katode-avstand i lange tidsrom. En liten anode-katode-avstand er foretrukket for oppnåelse av redusert spenningsfall gjennom elektrolytten som finnes deri. Selv med cellen og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse må det imidlertid holdes en nedre grense for forhindring av elektrisk kortslutning og for at det skal dannes tilstrekkelig motstandsvarme til at cellen kan drives kontinuerlig.

Den spesifiserte anode-katode-avstand som cellen ifølge

den foreliggende oppfinnelse er istand til å tilveiebringe, innbefattende de foretrukkede områder for slike spesifiserte anode-katode-avstander, og andre driftsparametere for cellen og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse er sammenlignet med konvensjonell Hall-Heroult-prosess med data gitt i tabell I. Illustrative monopolar- og bipolar-ut-formninger for cellen og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, utstyrt-på nytt ("retrofitted") i .en Hall-Heroult-celle er sammenlignet med den konvensjonelle Hall-Heroult-prosess i en slik celle.

Som illustrert i tabell I, drives en konvensjonell Hall-Heroult-prosess-celle vanligvis ved en celle-strømmengde på

ca. 172 000 ampere med et varmetap på ca. 380 000 W. Cellespenningen er ca. 4,4 9 volt tilsvarende ca. 2,9 6 kWh/kg. Strøm-utbyttet i en slik Hall-Heroult-prosess er ca. 93 % med et energi-utbytte på ca. 4 7 %.

På den annen side kan cellen og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse fungere ved 172 000 ampere med et varmetap på ca. 165 000 W eller mindre med en anode-katode (A-K)-avstand på mindre enn ca. 2,4 cm med betydelig forbedret energi-utbytte .

Ved en monopolar utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse kan cellespenningen reduseres fra spenningen i Hall-Heroult-prosessen på 4,4 9 til ca. 4,12 for den foreliggende opp finnelse likeledes forbedres kraftmengden pr. kg i kWh/kg fra ca. 2,9 6 til ca. 2,72. Ved økning av strømmengden til 200 og til 240 kA ved anode-katode-avstander på henholdsvis ca. 1,7 cm og ca. 0,6 cm, økes kg/elektrolyse-celle pr. dag med 16 % og 40 % med minskninger i kWh/kg.

Overraskende økninger i effektivitet og fremstilling skjer ved drift med en bipolar elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse. For eksempel vil det med den samme celle, utstyrt på nytt med bipolare elektroder under dannelse av tre elektrode-mellomromssoner, bli en økning i produksjonen på fra mindre enn 1360 kg til over 4 400 kg aluminium pr. elektrolyse-celle pr. dag ved redusert kWh/kg. Fremstillingen økes videre dramatisk ved at antallet bipolare kamre økes under dannelse av flere elektrode-mellomromssoner.

I betraktning av det foregående innbefatter en foretrukket utførelsesform av elektrolyse-cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse inkorporering av minst én bipolar elektrode som er anbrakt i et stablet forhold mellom en ende-anode og en ende-katode.

I en slik bipolar celle er et skulderbolt-støtteelement foretrukket som den understøttende innretning eller innretning til å henge én elektrode med avstand fra den annen. Skulder-bolten kan tjene som mellomstykke i form av en mellomstykke-opphenger i ett stykke og er videre spesielt lett å tilpasse til understøttelse av elektrode-montasjene i celler hvor det anvendes én eller flere bipolare elektroder.

Den foreliggende oppfinnelse er spesielt egnet som nytt utstyr i nåværende Hall-Heroult-celler for fremstilling av aluminium, men den foreliggende oppfinnelse vil gi hovedsakelig mindre varme enn drift av en konvensjonell celle.

Av denne grunn omfatter en utførelsesform for å utstyre på

nytt en eksisterende Hall-Heroult-celle inkorporering av ekstra isolasjon i en konvensjonell Hall-Heroult-celle utstyrt på nytt med en elektrode-montasje ifølge den foreliggende oppfinnelse, idet isolasjonen begrenses og reguleres slik at det opprettholdes en frosset elektrolytt-sidevegg for beskyttelse av celle-sidevegg-foringen.

Ikke desto mindre, dvs. bortsett fra at Hall-Heroult-celler for fremstilling av aluminium kan utstyres på nytt, kan cellen og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse tilpasses en hvilken som helst elektrolyse av forbindelser for reduksjon av en metallisk bestanddel av forbindelsen hvori et lag med høyere ledningsevne grenser opp til elektrolytten. Metalloksyder oppløst i en smeltet saltbad-elektrolytt med høyere spaltningspotensial kan underkastes elektrolyse ifølge den foreliggende oppfinnelse, og væskelaget med høyere ledningsevne enn elektrolytten vil omfatte et lag av elektrolyttisk redusert metallprodukt. Ikke alle metalloksyder som anvendes i et elektrolyse-system ifølge den foreliggende oppfinnelse vil danne det flytende metall-lag på celle-gulvet som når det gjelder aluminium-metall-laget dannet ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i et kryolitt-elektrolysebad eller når det gjelder elektrolyse av et elektrolyse-bad av sinkklorid eller blyklorid. For eksempel vil en elektrolysecelle og fremgangsmåte ifølge den foreliggende oppfinnelse hvori det er inkorporert magnesiumoksyd oppløst i et elektrolysebad omfattende et smeltet salt med høyere spaltningspotensial,

for eksempel et alkalimetall-fluorid, fremskaffe et flytende metall-lag av magnesium dannet ved toppen av cellen, siden det dannede magnesium vil ha lavere densitet enn elektrolyse-badet. I et slikt system hvor det dannes magnesium ved celletoppen, må det anvendes barriere-innretninger såsom adskilte kanaler og barrierer for å holde magnesium-metallet adskilt fra anode-produktet, for eksempel oksygen- eller klor-gass, for eksempel når det gjelder elektrolyse av henholdsvis magnesiumoksyd eller magnesiumklorid. Ikke desto mindre kan den foreliggende oppfinnelse anvendes for fremstilling av magnesium i et metall-lag ved cellens gulv eller bunn ved at det inkorporeres et elektrolyse-bad med densitet lavere enn for magnesium. For eksempel vil det ved elektrolyse av magnesiumklorid i et bad omfattende tilstrekkelige mengder litiumklorid dannes et slikt flytende metall-lag på celle-gulvet.

Den foreliggende oppfinnelse kan også tilpasses andre systemer med væske-lag med de nødvendige ledningsegenskaper hvori væske-laget er tilveiebrakt ved et annet flytende materiale enn metall-produktet fra elektrolysen, for eksempel et vandig elektrolyse-system med kvikksølv-katode. Et slikt elektrolyse-system finnes i celler for fremstilling av klor og natriumhydroksyd ut fra natriumklorid, idet natriumet dannes elektrolyttisk som redusert metall og oppløses i kvikksølv-katoden som deretter behandles, for eksempel vaskes, under dannelse av natriumhydroksydet.

En starting av cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse vil i de fleste tilfeller innbefatte etablering av et start-væske-lag av materiale som representerer laget med høyere ledningsevne enn elektrolyttens, såsom for eksempel, som representerer det påtenkte elektrolyseprodukt-metall, for etablering av elektrisk kontakt for eksempel mellom katoden og de strømførende samleskinner eller foringene i cellen. Elektrisk start-kontakt skjer gjennom elementet av ledende innretninger for elektrisk kontakt mellom katoden og start-væskelaget, hvilket lag er i elektrisk kontakt med ledninger for elektrisk strøm til cellen eller med for eksempel en karbonholdig foring som dekker celle-kollektor-stavene.

Elektrolyse-celler som er utformet for at elektrolyse-bad skal sirkulere gjennom cellen, er spesielt egnet for anvendelse i cellen ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Claims

1. Fremgangsmåte til elektrolyse omfattende: i|n første og en andre elektrode anbringes i en elektrolytt i en celle med et adskilt væskelag med- høyere ledningsevne enn elektrolyttens, idet cellen har en indre overflate som begrenser elektrolytten og væskelaget, karakterisert ved at den første elektrode holdes i det vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate i cellen, mellom den første og andre elektrode etableres og opprettholdes det en elektrode-mellomromssone med i det vesentlige ordnet, spesifisert dimensjon, idet nevnte dimensjon fortrinnsvis opprettholdes på mindre enn 2,4 cm eller mindre enn 1,7 cm eller fra 0,3 til 1,0 cm, én elektrode forbindes elektrisk med væskelaget, og den andre elektrode holdes også fortrinnsvis i det vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate i cellen.

2. Elektrolysecelle (1) omfattende innretning (4,6,7) med en indre overflate (8,12) for å begrense en elektrolytt (9) og et adskilt væskelag (11) med høyere ledningsevne enn elektrolyttens (9), og første (21,24) og andre (18,19) elektroder inne i beholder-innretningen (4,6,7), karakterisert ved innretninger til å holde nevnte første elektrode (21,24) i stilling i. forhold til nevnte andre elektrode (18,19) under dannelse av en elektrode-mellomromssone (109) med spesifisert dimensjon, fortrinnsvis mindre enn 2,4 cm eller mindre enn 1,7 cm eller fra 0,3 til 1,0 cm, for å begrense nevnte elektrolytt (9), hvori den første elektrode (21,24) holdes i det vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate (8,12) i beholderinnretningen (4,6,7), og ledende innretning (28) for elektrisk forbindelse mellom en elektrode, fortrinnsvis den første elektrode (21,24) og væskelaget (11), og hvor den andre elektrode (18,19) fortrinnsvis også holdes i det vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate (8,12) i beholderinnretningen (4,6,7).

3. Elektrolysecelle ifølge krav 2, karakterisert ved nevnte holdeinnretning omfattende innretning (22) for understøttelse av elektroden (21) og ytterligere omfattende innretning (23) for innstilling av nevnte elektroder (18,21) under dannelse av nevnte elektrode-mellomromssone (109) med spesifisert dimensjon.

4. Elektrolysecelle ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte holdeinnretning omfatter innretning til under-støttelse av den første elektrode (21,24) fra den andre elektrode (18,19), idet innretningen til understøttelse av den første elektrode fortrinnsvis omfatter et inert støtte-element av elektrisk isolerende materiale som er en skulderbolt (107), en støtteknekt (22) eller en to-armet opphenger (301), idet nevnte støtteelement, hvor nødvendig, innbefatter innretning til å feste støtteelementet til en elektrode.

5. Elektrolysecelle ifølge krav 4, karakterisert ved at holdeinnretningen videre omfatter inert mellomstykke-innretning (23) av elektrisk isolerende materiale for innstilling av den første elektrode (21,24) i forhold til den andre elektrode (18,19) under dannelse av nevnte elektrode-mellomromssone (109) med spesifisert dimensjon.

6. Elektrolysecelle ifølge krav 4, karakterisert ved at nevnte festeinnretning omfatter innretning, såsom en mutter (108), for justering av stillingen for den første elektrode (21,24) og den andre elektrode (18,19) under dannelse av en elektrode-mellomromssone (109) med en i det vesentlige permanent, spesifisert dimensjon.

7. Elektrolysecelle ifølge krav 3 eller 5, karakterisert ved at nevnte innstillingsinnretning omfatter et mellomstykke som består av et materiale omfattende en nitrid-eller oksynitrid-forbindelse, fortrinnsvis bornitrid, silisium-nitrid eller silisiumoksynitrid.

8. Elektrolysecelle ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at nevnte holdeinnretning omfatter flytelegeme-innretning (402,501,601) tilpasset for å understøtte den første elektrode (24) i det vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate (8,12) i beholderinnretningen (4,6,7), og hvori den første elektrode (24) fortrinnsvis har tilheng som strekker seg nedover (4 01,504) for kontakt med nevnte flytelegeme-innretning og/eller hvori den indre overflate i beholder-innretningen (4,6,7) fortrinnsvis omfatter et indre celle-gulv (8) og nevnte celle videre omfatter vertikale føre-innretninger (407) anbrakt i gulvet (8) for å holde den første elektrode (24) hovedsakelig under den andre elektrode.

9. Elektrolysecelle ifølge krav 8, karakterisert ved at flytelegeme-innretningen (501) omfatter et element i ett stykke av elektrisk isolerende materiale (502) som går gjennom en elektrode (24) og nevnte elektrode (24) har tilheng (504) som er i kontat med metall-laget (11), eller flytelegeme-innretningen (402) omfatter et elektrisk ledende materiale og flytelegeme-innretningen (402) er i kontakt med væskelaget (11).

10. Elektrolysecelle ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at elektrodene er første (702,802,903) og andre (7 01,804,902) skrånende elektroder, og hvori elektrodene fortrinnsvis omfatter hovedsakelig vertikale plater med side-profiler med form som en avkortet kjegle.

11. Elektrolysecelle ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte elektroder omfatter: en andre endeelektrode (19) med en anodeoverflate (102); en første endeelektrode (24) med en katodeoverflate (113); minst én bipolar elektrode (26) anbrakt mellom den første (24) og andre (19) endeelektrode og med en anodeoverflate (106) og en katodeoverflate (104); innretning (23) av elektrisk isolerende materiale for innstilling av en anodeoverflate med en spesifisert anode-katode-avstand fra en katodeoverflate; og innretning (107) for understøttelse av nevnte elektroder i det vesentlige fri for understøttelse av den indre overflate (8,12) i beholderinnretningen (4,6,7).

12. Elektrolysecelle ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den første elektrode (21,24) er en katode, den andre elektrode (18,19) er en anode og cellen om fatter det ene eller begge av følgende: (a) katoden (24) omfatter et i det vesentlige inert, ikke-karbonholdig materiale omfattende et varmefast, hardt metall såsom en borid-forbindelse og omfatter fortrinnsvis innretning (112) for å lette utstrømning av elektrolyse-produkt-væske fra katoden, såsom spalter eller perforeringer (112); (b) anoden (18,19) har en i det vesentlige inert, ikke-karbonholdig primær anodeoverflate (102) såsom et keramisk oksyd, og omfatter fortrinnsvis innretning (111) til å lede gass i kanaler fra anoden, såsom skrånende kanaler (111) •