WO2012159839A2 - Elektrolysezelle und kathode mit unregelmässiger oberflächenprofilierung - Google Patents

Elektrolysezelle und kathode mit unregelmässiger oberflächenprofilierung Download PDF

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WO2012159839A2
WO2012159839A2 PCT/EP2012/057524 EP2012057524W WO2012159839A2 WO 2012159839 A2 WO2012159839 A2 WO 2012159839A2 EP 2012057524 W EP2012057524 W EP 2012057524W WO 2012159839 A2 WO2012159839 A2 WO 2012159839A2
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cathode
layer
electrolytic cell
interface
liquid aluminum
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Thomas Frommelt
Frank Hiltmann
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Sgl Carbon Se
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

Definitions

  • the present invention relates to an electrolytic cell, in particular for the production of aluminum, as well as a cathode, which is suitable for use in such an electrolytic cell.
  • Electrolysis cells are used, for example, for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out industrially by the Hall-Heroult process.
  • a melt composed of alumina and cryolite is electrolyzed.
  • the cryolite, Na3 [AlF6] serves to reduce the melting point from 2,045 ° C for pure alumina to approximately 950 ° C for a cryolite,
  • Lower alumina and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride containing mixture.
  • the electrolysis cell used in this process has a cathode bottom, which consists of a plurality of adjacent, the
  • Cathode forming cathode blocks may be composed.
  • the cathode In order to withstand the thermal and chemical conditions prevailing in the operation of the cell, the cathode is usually composed of a carbonaceous material.
  • grooves are usually provided, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is removed.
  • an anode formed of individual anode blocks is arranged between the surface and the surface the aluminum is the electrolyte, ie the melt containing aluminum oxide and cryolite.
  • the aluminum formed is deposited below the electrolyte layer due to its greater density compared to that of the electrolyte, ie as an intermediate layer between the upper side of the cathode and the electrolyte layer.
  • the dissolved in the melt aluminum oxide is split by electric current flow to aluminum and oxygen. From an electrochemical point of view, the layer of liquid aluminum is the actual cathode, since aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface.
  • cathode will not be understood below to mean the cathode from an electrochemical point of view, ie the layer of liquid aluminum, but rather the component forming the base of the electrolytic cell, for example composed of one or more cathode blocks.
  • a major disadvantage of the Hall-Heroult method is that it is very energy intensive.
  • the production of 1 kg of aluminum requires about 12 to 15 kWh of electrical energy, which accounts for up to 40% of the production costs.
  • electrolysis cells with cathodes have also recently been proposed whose surface facing the liquid aluminum and the melt facing the molten aluminum during operation of the electrolytic cell has a surface profiling.
  • a cathode is disclosed with a regularly configured surface profiling. Due to the regularly designed surface profiling, the horizontal and vertical fluctuations in the layer of liquid aluminum are to be reduced, which is why the stability of the layer of liquid aluminum should be increased.
  • the wave formation in the layer of liquid aluminum is reduced only to a limited extent and in particular not uniformly over the entire cathode surface.
  • EP 0 938 598 B1 and DE 101 64 008 C1 disclose electrolysis cells with cathodes which, with regard to their electrical contacting from outside or with respect to their specific electrical material resistance, are adapted such that they are located at the top side of the cathode gives a very homogeneous distribution of the electric current density.
  • a comparatively strong wave formation takes place in the layer of liquid aluminum, which is why a reduction of the specific energy consumption in the electrolysis cell and an increase in its service life are not possible.
  • the object of the present invention is to provide an electrolysis cell which has a reduced specific energy consumption and an increased service life during its operation.
  • an electrolysis cell is to be provided, in which the thickness of the melt layer is reduced, without instabilities, such as short circuits or reoxidations of the aluminum formed, that occur as a result of increased wave formation tendency in the layer of liquid aluminum.
  • the electrolysis cell according to the invention should ensure sufficient mixing in the melt layer during its operation.
  • an electrolytic cell for the production of aluminum comprising a cathode, on top of the cathode, a layer of liquid aluminum, thereon a melt layer containing aluminum oxide and cryolite , and above the melt layer an anode, wherein the cathode has on its upper side a surface profiling formed from two or more elevations, wherein the surface profiling of the cathode is designed and arranged such that an elevation is provided on at least two of the twenty locations of the surface of the upper side of the cathode, which are each disposed vertically below those areas of the interface between the liquid aluminum layer and the melt layer in which the peaks having the twenty highest maximum values are present in the interface of the reference waveguiding potential, wherein a reference waving potential is the Wellen Strukturspotential is defined, which in the operation of the electrolytic cell with - instead of the cathode with surface profiling - a reference cathode without surface profiling, but
  • the cathode of the electrolysis cell has a surface profiling, which is specifically adapted in particular with regard to the position, the dimension and the shape of the individual components of the surface profiling, such that during operation of the electrolysis cell in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer, the formation of pronounced peaks in the wave formation potential is specifically avoided and thereby, seen over this interface, uniform and low wave formation potential distribution results than would be the case with the use of a corresponding cathode without surface profiling.
  • a surface profiling is the sum of all that is provided on the ground plane of the cathode Surveys understood.
  • the term "ground plane” designates the horizontal plane of the cathode that is furthest in the direction of the anode and runs through the entire cross-sectional area of the cathode without cutting the surface-profiled top side of the cathode. All elevations provided on this ground plane are therefore oriented towards the anode and are surrounded by the layer of liquid aluminum. The height of an elevation of the surface profiling is therefore the distance of the uppermost point of the elevation from that of the vertically underlying point of the ground plane of the cathode.
  • the undulation potential as defined below in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer in the operation of the electrolytic cell is the driving force for the wave formation in the layer of liquid aluminum, and in particular that the Wave formation potential distribution in conventional electrolysis cells across the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer is not uniform, but rather strongly heterogeneous.
  • the thickness of the melt layer can be reduced as compared with conventional electrolytic cells and thereby the efficiency of the electrolytic cell of the invention is considerably increased.
  • Another essential finding of the present invention is that in conventional electrolysis cells in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer present heterogeneous wave potential distribution can be directly influenced by the provision and the specific design of the surface profile at the top of the cathode of the electrolysis cell and thus pronounced peaks of the wave formation potential can be selectively avoided at individual points of the interface.
  • the wave-forming potential at a particular location in the aforesaid interface depends on the vectorial product at that location, electrical current density, and magnetic flux density.
  • melt layer and also the cathode material have a higher electrical resistivity than the liquid aluminum, and, because the individual current paths have different path lengths in the cathode block, in the layer of liquid aluminum and have in the melt layer, the total electrical resistances along the individual paths and thus also the individual current densities across the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer in conventional electrolysis cells are heterogeneous, so that individual points of the interface have pronounced current density peaks.
  • the path lengths of the individual current paths in the various sections ie cathode block, layer of liquid aluminum and melt layer, adjusted so that adjusts a current density distribution in the region of the interface, which is adjusted so that in the operation of the electrolytic cell in the interface between of the
  • the present invention proceeds from the reference wave generation potential distribution which results from the operation of the electrolytic cell with a conventional unprofiled reference cathode, and looks specifically at the locations of the cathode surface Bumps, which are arranged vertically below the points of the interface, at which in the reference wave formation potential distribution pronounced peaks, ie Tips, present.
  • the electrical current density is reduced and thus reduces the wave formation potential in these areas.
  • the reference wave formation potential is the wave formation potential which, in the operation of the electrolytic cell with - instead of the cathode with surface profiling - a reference cathode without surface profiling, ie with a horizontal cathode surface, but otherwise the same configuration as the cathode with surface profiling results.
  • the reference electrolysis cell used to determine the reference wave formation potential is connected to the electrolytic cell according to the invention.
  • a reference cathode is used in which this surface profiling is not provided, in which the resulting by omitting the surface profiling additional volume on top of the cathode by liquid aluminum or melt - depending in which layer the corresponding material is located at the surface profiled cathode - is filled.
  • the reference wave formation potential relates to a reference electrolysis cell having the same bath volume as the electrolysis cell according to the invention
  • the thus determined reference wave formation potential is more meaningful than that determined according to claim 1, if the volume of the elevations of the surface profiling of the cathode is at least 10 %, preferably at least 20%, and more preferably at least 30% of the volume of the cathode makes up.
  • the wave formation potential and thus the wave formation potential distribution can be simulated by computer-assisted electrical, magnetic and magne- to-hydrodynamic simulation of the motion and wave formation in the Layer of liquid aluminum and in the melt of the respective E- lektrolysezelle be determined.
  • the interface is assumed to be permeable, so that the wave formation potential represents a local measure of the wave-driving flow directed against the interface.
  • the flow of the melt in this case can not be determined experimentally, which is why the wave formation potential is preferably determined according to the simulation method described below.
  • the electric and magnetic fields are first calculated by simulation using a finite element method (FEM), and the resulting fields are then used in the calculation of the flow conditions, which are also simulated using a finite element method (FEM ) he follows.
  • FEM finite element method
  • the simulated electrolytic cell containing the busbars, the power supply of the electrolytic cell including any magnetic compensation geometry, the cathode, the layer of liquid Aluminum, the melt layer, the anode, possibly including an anode tree connecting the anodes and air as the surrounding medium, is component-wise geometrically divided into finite volume elements. If the cell to be simulated, taking into account the above components, has one or more planes of symmetry, only the part of the electrolytic cell located on one side of each plane of symmetry is simulated and the symmetry relationships are taken into account by appropriate boundary conditions, as will be explained in more detail below.
  • the simulation assumes a simplification of stationary conditions in the electrolysis cell, so that the simulation is based on the respective stationary physical equations. Furthermore, an isothermal electrolysis cell is assumed, which is at operating temperature (970 ° C).
  • the simulation relies on the following variables and parameters:
  • V electrical voltage
  • n normal vector to the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer
  • the created grids are dimensioned sufficiently fine, so that when evaluating the wave potential no artifacts of the grating are more visible. These include e.g. pronounced peaks or noticeable changes along the lattice edges.
  • the dependence of the simulated values on the set grating fineness and slow or limited convergence of the simulations point to insufficient grating fineness in relevant areas.
  • grid quality creation requires a quality factor of at least 0.15 for the entire grid, with the quality factor q defined as follows in the Comsol Multiphysics software manual:
  • the grid creation is as follows:
  • the air surrounding the electrolytic cell is modeled with an unrestricted size of grid cells that can vary between fine areas (e.g., at the melt layer) and coarse areas (e.g., surrounding edges of the overall array).
  • the magnification factor between two adjacent grid cells is limited to 1.65 to avoid distorted grid elements.
  • the power supplies and discharges are replicated with grid cells having an edge length in the range of about 30 cm.
  • the layer of liquid aluminum and the melt layer are modeled so that the grid cells forming the interface between the layer of liquid aluminum and the melt each have an edge length in the range of about 3 cm.
  • the melt layer is modeled so that the average extent of a grid cell in the vertical direction corresponds to a maximum of half the thickness of the melt layer.
  • Normal vector n is assumed as the vertical unit vector e z and The wave formation potential is accordingly defined as the absolute value of the vertical component u z of the flow velocity in the interface.
  • the layer of liquid aluminum and the cathode are modeled so that the grid cells forming the interface between the cathode and the layer of liquid aluminum have an edge length in the range of about 5 cm.
  • the anodes and cathodes are otherwise modeled with unrestricted size grid cells, with the size of the grid cells being able to vary between fine areas (eg at the melt layer) and coarse areas (eg at the inlets and outlets).
  • the magnification factor between two adjacent grid cells is limited to a maximum of 1.65 in order to avoid distorted grid elements.
  • the solid interfaces between the individual components of the electrolytic cell are modeled at lattice position by so-called inflation boundary layers available in Comsol Multiphysics, which consist of prismatic cells (in contrast to, for example tetrahedral elements).
  • the individual lattice cells of the lattice structure produced in this way are then provided with corresponding material properties, ie the lattice cells are provided in particular with values for the specific electrical resistance and, in addition, the lattice cells, which represent the layer of liquid aluminum and the melt layer, have values for the lattice layer Viscosity and density of the aluminum or the melt provided.
  • Table 2 The following values are used for the material properties: Table 2
  • the - in reality - abrupt transition of the material properties at the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer in the simulated structure in a range of + 3 cm is smoothed, ie the cells of the Layer of liquid aluminum and the melt layer
  • the lattice structure which is within a range of 3 cm below and above the interface, are provided with values for the material properties which are selected such that a substantially linear property transition in this range is obtained from the properties given in Table 2 above the cells representing the aluminum layer give the properties given in Table 2 of the cells representing the melt layer.
  • the air surrounding the electrolysis cell is provided with an artificially high specific electrical resistance of 1 ohm-m, so that it does not contribute to the transport of electricity.
  • Lagrangian functions (1st order for V and 2nd order for A) are used as starting functions for the finite element methods. These partial differential equations are solved for the entire geometry by numerical computation.
  • the boundary conditions to be used will be explained in more detail below; In particular, the operating current supplied by the cathode and anode of the electrolysis cell is included in the calculation as operating parameters specified from the outside.
  • the Lorentz force density calculated in this way is then used to calculate the fluid mechanics in the bath of the electrolysis cell.
  • the flow-mechanical calculation is based on different equations.
  • the known Reynold's number is used and, depending on this, the following
  • Lagrangian functions (1st order for p and 2nd order for u) are used as starting functions for the finite element methods.
  • Lagrangian functions (1st order for p and 2nd order for u, k and ep) are used as starting functions for the finite element methods.
  • Lagrangian functions (1st order for p and 2nd order for u, k and ep) are used as starting functions for the finite element methods.
  • Used wall model which takes into account the friction between the respective liquid layer and the solid interface.
  • the calculated flow velocity u is continuous.
  • the electromagnetic quantities V, ⁇ , A y , A z , j x, j y and j z are first calculated from the Maxwell equations, and the resulting Lorentz force density is then used in the respective fluid-mechanical equations used to derive the flow field quantities u x , u y , u z and p to calculate.
  • the electromagnetic calculation and the fluid mechanical calculation are thus coupled together in a unidirectional manner.
  • GMRES iterative solvers
  • GLS ComSol Multiphysics available Streamline Diffusion
  • Crosswind diffusion use and the calibration of the vector potential in the electromagnetic calculation.
  • the surface profiling of the cathode according to the invention has two or more elevations, one elevation being provided on at least two of the twenty locations of the surface of the top of the cathode, each vertically below those areas of the interface between the liquid aluminum layer and the melt layer are those in which the distribution of the reference wave formation potential present in the interface has the peaks with the twenty highest maximum values.
  • a survey of at least X of the Y locations of the surface of the top of the Cathode is provided, which are each arranged vertically below those areas of the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer in which present in the present in the interface distribution of the reference wave formation potential, the peaks with the Y highest maximum values
  • Wave formation potential distribution is achieved if the geometric outline shape of at least one of the elevations in plan view is at least substantially similar to or essentially corresponds to the geometric outline shape of the respective peak of the distribution of the reference wave formation potential in plan view.
  • the two outline shapes can be converted into one another by a geometric image which can be composed of centric elongations and congruence images, in particular displacements, rotations or reflections.
  • both outlines may substantially correspond to a circle.
  • the two outline shapes may essentially form two triangles which have two substantially identical angles, or substantially two rectangles with at least approx. form substantially equal side ratios or form substantially two ellipses with at least approximately equal numerical eccentricities. It is particularly preferred if the geometric outline shapes of all elevations in plan view are at least essentially similar to the geometric outline shape of the respective peaks of the distribution of the reference wave formation potential in plan view or essentially correspond to it.
  • Such elevations are particularly easy to implement and are particularly suitable for effectively compensating for a peak of the reference wave formation potential.
  • a survey that is particularly easy to implement results when the elevation 3, 4, 5 or 6 formed as a polygon has corners.
  • the outline shape of a survey viewed vertically from above can advantageously be selected such that it can be generated by simplifying the outline shape of the respective peak of the distribution of the reference wave formation potential viewed vertically from above.
  • At least one of the elevations preferably has an outline shape viewed in plan view, which is geometrically simpler than the outline shape of the distribution of the reference wave formation potential arranged vertically above the elevation in the boundary surface. It is preferred if the sum of the numbers of all corners and of all differently curved regions of the outline area of the elevation considered from above is less than the sum of all corners and of all differently curved regions of the above-considered outline area of the corresponding peak of the distribution of the reference wave formation potential. In this case, all sections of the outline shape that follow one another in the circumferential direction are counted as differently curved regions of an outline shape, between which there is a point of inflection.
  • the three-dimensional shape of at least one of the elevations at least substantially the three-dimensional shape of the respective peak of the distribution of the reference Wave potential or is substantially equivalent.
  • the three-dimensional shapes of all elevations are at least substantially similar to or essentially correspond to the three-dimensional shape of the respective peak of the distribution of the reference wave formation potential.
  • At least one of the elevations has a three-dimensional shape tapering upwards in the vertical direction.
  • This embodiment leads to a particularly effective prevention of wave formation in the region of a peak of the distribution of the reference wave formation potential.
  • the at least one elevation may, for example, when viewed laterally, have a substantially polygonal and preferably substantially trapezoidal outline shape.
  • it is proposed that at least one of the elevations in the vertical direction is bounded above by a top surface, which viewed in plan view has a smaller area than the considered in plan view base of the survey.
  • the survey may be formed, for example, at least approximately conical or truncated pyramidal.
  • At least one of the elevations has a three-dimensional shape, which can be generated starting from the base area of the elevation by rotation of the base area about an axis of rotation bounding the base area.
  • the rotation axis preferably runs essentially horizontally.
  • Such survey geometries are particularly suitable for an effective equalization of the wave formation potential distribution and, moreover, are particularly easy to produce.
  • the at least one elevation can be generated by rotation of the base around the axis of rotation by an angle of at least 75 ° and at most 180 °.
  • a further advantageous embodiment of the present invention is characterized in that at least one of the elevations has a three-dimensional shape which can be generated starting from the base of the elevation by geometric extrusion of the base of the elevation in the vertical direction upwards.
  • the extrusion direction is preferably at least approximately vertical or deviates up to 45 ° from the vertical direction.
  • the survey is preferred in the course of
  • the cathode may be composed of two or more cathode blocks and / or the anode may be composed of two or more anode blocks.
  • the cathode blocks in the transverse direction of the cathode blocks can be arranged next to one another consecutively and connected along their longitudinal sides via a ramming mass.
  • an anode block covers two cathode blocks and viewed in the longitudinal direction of the cathode block two anode blocks cover a cathode block.
  • a particularly high energy efficiency of the electrolytic cell can be achieved if the distance between the anode and the layer of liquid aluminum between 15 and 45 mm, preferably between 15 and 35 mm and particularly preferably between 15 and 25 mm. This small distance is achieved by the reduction of the wave formation potentials and by the equalization of the wave formation potential distribution.
  • the surface profiling of the cathode is adapted in such a way that pronounced peaks of the wave formation potential at individual points of the interface between the
  • the present invention furthermore relates to a cathode for an aluminum electrolysis cell, the upper side of which has a surface profiling with two or more first webs extending at least substantially in a first direction of the cathode and at least one at least substantially in the direction perpendicular to the first direction Cathode extending second web has.
  • a web is considered to be an at least substantially straight extension in the longitudinal direction.
  • a cathode with such a surface profiling is suitable for achieving a wave formation potential distribution in electrolysis cells when operating the respective electrolysis cell in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer Tips of the wave formation potential at individual points of the interface can be effectively avoided.
  • the surface profiling described concretely is adapted to the conditions which prevail in a large number of conventional electrolysis cells and is designed to achieve a uniform wave formation potential distribution in these electrolysis cells taking into account these conditions.
  • Such a cathode may in particular be part of one of the above-described electrolysis cells according to the invention.
  • the cathode according to the invention is outstandingly suitable for achieving the advantages of improved energy efficiency and increased service life in electrolysis cells and at the same time ensuring adequate mixing of the melt in the electrolysis cell.
  • the at least two first webs extend at least approximately in the transverse direction of the cathode.
  • the top side of the cathode has a substantially rectangular outline in plan view, wherein at least in one of the four corners of the substantially rectangular outline shape an elevation of the cathode is provided.
  • the elevation arranged in the corner region preferably has a substantially triangular outline in plan view.
  • the recess formed in the form of a V-shaped trough serves to increase the current density in the lateral edge regions of the cathode, which otherwise increases due to the contacting of the conductor rails used in the cathode bottom is to decrease and thereby reduce the wave formation potential in these areas.
  • the at least two first webs and the at least one second web are preferably arranged on the surface of the substantially V-shaped depression.
  • connection point between the two legs of the cross section of the substantially V-trough-shaped recess, seen in cross section of the cathode, at least approximately in the center of the cathode is arranged. That way we get the electrical
  • the depression extends over at least 75%, preferably over at least 90%, more preferably over at least 95% and most preferably over 100% of the surface of the cathode. In this way, an equalization of the wave formation potential distribution is achieved over the entire cathode surface, when the cathode is used in an electrolysis cell.
  • the at least one second web viewed in the second direction of the cathode, is preferably arranged at least approximately in the middle of the cathode. Otherwise, an excessively high wave formation potential is expected, thereby a particularly favorable influence on the wave formation potential is achieved.
  • the upper edge of at least one of the first webs has a spacing, seen in the transverse direction of the cathode, towards the center of the cathode from the bottom of the V-shaped trough.
  • This increase in the distance toward the center of the cathode block serves to avoid excessive peaks of the wave formation potential in the center of the cathode block and thus increased waviness in the layer of liquid aluminum in this area when the cathode block is used in an electrolytic cell.
  • a further subject matter of the present invention is an electrolysis cell, in particular for the production of aluminum, which comprises at least one cathode as described above, a layer of liquid aluminum on top of the cathode, a melt layer on top and an anode above the melt layer.
  • the anode comprises at least two adjacent anode blocks, wherein a gap extends between the at least two anode blocks and wherein at least one of the first lands of the cathode is vertically below and at least substantially parallel to the gap formed between the two anode blocks is arranged.
  • the angular deviation between the orientation of the web and the orientation of the joint is at most 20 °.
  • a further subject of the present invention is a method for producing an electrolysis cell having the features of patent claim 31.
  • the process for producing an electrolysis cell in particular an electrolysis cell for producing aluminum, which comprises a cathode, a layer of liquid aluminum on top of the cathode, a melt layer on top and an anode above the melt layer, comprises the following steps:
  • a reference wave formation potential is defined as the wave formation potential, which in the operation of the electrolytic cell with - instead of the cathode with surface profiling - a reference cathode without Surface profiling, but otherwise the same configuration as the cathode with surface profiling, is present at a point in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer.
  • Another object of the present invention is according to claim 32, a method for producing an electrolytic cell, in particular an electrolytic cell for the production of aluminum, which comprises a cathode, on the top of the cathode, a layer of liquid aluminum, thereon a melt layer and above the melt layer an anode the method comprising the steps of:
  • a multi-ply surface profiling on the top of the cathode each providing an elevation at at least two of the twenty locations of the surface of the top of the cathode, each vertically below those portions of the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer in which the peaks with the twenty highest maximum values are present in the distribution of the reference wave formation potential present in the interface, wherein a reference wave formation potential is defined as the wave formation potential, which in the operation of the electrolysis cell with - instead of the cathode with surface profiling - a reference cathode without surface profiling, but otherwise the same configuration as the cathode with surface profiling, the reference cathode with respect to their height in the electrolysis cell so is arranged between the reference cathode and the anode, the same volume for the layer of liquid aluminum and the melt layer is provided as in the electrolysis cell with the surface profiling cathode, at a location in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer.
  • FIG. 1 shows an electrolytic cell according to an embodiment of the invention in a perspective view.
  • FIG. 2 shows the topographical distribution of the reference wave formation potential of the electrolytic cell of FIG. 1 in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer in plan view;
  • FIG. 3 shows the surface-profiled cathode of the electrolysis cell of FIG. 1 in plan view
  • FIG. 4 shows the cathode of FIG. 3 in a perspective view
  • FIG. FIG. 5 shows the local distribution of the wave formation potential 1 in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer of the electrolysis cell of FIGS. 1 to 4
  • FIG. 6a-i exemplary elevations for a surface profiling according to the invention
  • Fig. 7a-i further exemplary surveys for an inventive
  • FIG. 1 shows an electrolytic cell 10 for the production of aluminum comprising a cathode 12, on the upper side of the cathode 10 a layer
  • the cathode 12 is composed of a plurality of elongate cathode blocks, which extend in the transverse direction y of the electrolytic cell 10 and which are arranged side by side in the longitudinal direction x of the electrolytic cell 10 and connected to each other via a ramming mass joint, not shown.
  • a bus bar 20 extending in the longitudinal direction y of the cathode block through the cathode block is used, which electrically contacts the cathode block.
  • the busbars 20 are combined electrically via a current discharge 22, which is geometrically designed such that a magnetic field compensation is effected, ie that the distribution of the through the Current flow caused magnetic flux density B is equalized to a certain degree.
  • the anode 18 consists of a plurality of anode blocks 24 which are connected to each other via a power supply 28 comprising an anode tree 26.
  • the cathode 12 of the electrolytic cell 10 has a plurality of elevations 30 comprehensive surface profiling, which, as explained below, is adapted to the distribution of the reference wave formation potential of the electrolytic cell 10 in the interface 15.
  • the circumstance that the electrolysis cell 10 shown in FIG. 1 is mirror-symmetrical with respect to the plane of symmetry 32 can be used for the calculation of the reference wave formation potential.
  • the reference wave formation potential therefore, only the half of the electrolysis cell located on one side of the plane of symmetry 32 must be explicitly included in the simulated volume, the symmetry being taken into account by appropriate boundary conditions at the edge of the simulation volume corresponding to the plane of symmetry 32.
  • FIG. 2 shows the distribution of the reference wave formation potential present in the interface 15 of the electrolytic cell 10 of FIG. 1 from above for one of the two symmetrical halves of the electrolytic cell 10, with FIG. 2 specifically showing equipotential lines of the reference wave formation potential are.
  • the outline of the cathode 12 of the electrolytic cell 10 is also shown.
  • the reference wave formation potential of the electrolysis cell 10 has a plurality of peaks 34, the maximum height of which can be seen in FIG. 2 from the number of closed, closed equipotential lines.
  • FIG. 3 shows one of the symmetrical halves of the cathode 12 of the electrolytic cell 10 of FIG. 1 in plan view.
  • elevations 30 of the surface profiling of the cathode 12 are arranged vertically below the peaks 34 of the reference wave formation potential, the peaks 34 and the elevations 30 being substantially congruent one above the other when viewed from above are arranged.
  • the correspondence between the peaks 34 in Fig. 2 and the protrusions 30 in Fig. 3 are indicated by the corresponding letter endings of reference numerals 30 and 34, i. Survey 30a corresponds to peak 34a etc.
  • the shape of the bumps 30 conforms to the shape of the respective associated peak 34 of the reference wave forming potential, the bumps 30 approximating the shape of the respective associated peak 34 by geometrically simplified shapes, such as two substantially ovate bumps 34g and 34j with an elliptical outline, a truncated pyramidal elevation 30h, a plurality of truncated pyramid-shaped elevations 34b, c, e, 1, m, n, o and two quarter-pyramidal stump-like elevations 34a and 34c in the corner regions of the cathode 12 ,
  • geometrically simplified shapes such as two substantially ovate bumps 34g and 34j with an elliptical outline, a truncated pyramidal elevation 30h, a plurality of truncated pyramid-shaped elevations 34b, c, e, 1, m, n, o and two quarter-pyramidal stump-like elevations 34a and 34c in the corner regions of the cathode 12
  • FIG. 4 illustrates the three-dimensional shape of the elevations 30, which is adapted to the reference wave formation potential, in a perspective view.
  • the grooves 37 for the busbars 20 (FIG. 1) arranged on the underside of the cathode 12 can also be seen here.
  • FIG. 5 shows the wave formation potential distribution of the electrolytic cell 10 with the surface-profiled cathode 16 present in the interface 15 between the layer 14 of liquid aluminum and the melt layer 16.
  • the surface profiling achieves a significant equalization or smoothing and a reduction in the height of the peaks 34 of the wave formation potential distribution. Concretely, in FIG.
  • FIGS. 6 and 7 show exemplary elevations 30 which are particularly suitable for surface profiling of an electrolysis cell 10 according to the invention.
  • the elevations 30 shown in FIG. 6 can each be produced by geometric extrusion.
  • Fig. 6a-c show each polygonal, elliptical and other base surfaces 36, starting from which a survey 30 is extruded. As indicated by an arrow 39, the extrusion takes place in each case in the vertical direction z.
  • FIG. 6 d shows a truncated pyramidal projection 30 extruded from the base of FIG. 6 a.
  • the geometric extrusion in the vertical direction z comprises a scaling of the surface with increasing vertical height, so that the resulting elevation 30 is continuously tapered upwards.
  • Reference axis of scaling is included the outgoing from the centroid 38 of the base 36 vertical axis.
  • the elevation 30 shown in FIG. 6d results from an isotropic scaling in which the surface is shrunk in all directions perpendicular to the extrusion direction equally towards the extrusion axis.
  • Fig. 6e also shows an elevation 30 extruded from the base 36 of Fig.
  • the elevation 30 of Fig. 6e also corresponds to a survey which was extruded along an axis deviating from the vertical by a small angular amount.
  • the area centroid 38 of the top surface 40 of the resulting elevation 30 in FIG. 6e is accordingly displaced horizontally relative to the centroid 38 of the base surface 36 in contrast to the centroid 28 of the top surface 40 in FIG. 6d.
  • FIGS. 6f and 6g each show an elevation 30 extruded starting from the ellipsoidal base surface 36 shown in FIG. 6b, the elevation 30 shown in FIG. 6f consisting of an isotropic elevation and the elevation shown in FIG. 6g being anisotropic Scaling of the surface in the extrusion direction results.
  • FIG. 6h and FIG. 6i respectively show an elevation 30 extruded starting from the base surface 36 shown in FIG. 6c, the elevation 30 shown in FIG. 6h consisting of an isotropic elevation and the elevation shown in FIG. 6i being anisotropic scaling of the surface results in the extrusion direction.
  • FIGS. 7 a - i show further exemplary elevations 30 that can be generated by geometrical rotation of a base surface 36.
  • 7a-c show different base areas 36, namely a polygonal one Base surface 30 in FIG. 7a, a semi-elliptical base 30 in FIG. 7b and a freely selected base 30 in FIG. 7c.
  • An edge line of the base surfaces 36 in each case forms the rotation axis 42 for the rotation.
  • FIG. 7d and FIG. 7e each show elevations 30, which are generated starting from the polygonal base 36 in FIG. 7a, where according to FIG. 7d the rotation body is generated exclusively by rotation and according to FIG. 7e the rotation body formed again with respect to FIG the base 36 and the perpendicular direction is scaled anisotropically.
  • FIGS. 7f and 7g each show elevations 30, which are generated starting from the semi-elliptical base surface 36 in FIG. 7b, wherein in FIG. 7f the rotation body is produced exclusively by rotation and in FIG. 7g the resulting rotation body is again anisotropically scaled with respect to the base 36 and the direction perpendicular thereto.
  • FIG. 7h and FIG. 7i respectively show elevations 30, which are generated starting from the base surface 36 in FIG. 7c, wherein in FIG. 7h the rotation body is produced exclusively by rotation and in FIG. 7i the resulting rotation body again with respect to FIG Base 36 and the perpendicular direction is scaled anisotropically LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode, wobei die Kathode an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen gebildete Oberflächenprofllierung aufweist, wobei die Oberflächenprofllierung der Kathode derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz- Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit - anstelle der Kathode mit Oberflächenprofllierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofllierung, an einer Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegt.

Description

Elektrolysezelle und Kathode mit unregelmäßiger Oberflächenprofi- lierung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, sowie eine Kathode, welche zur Verwendung in einer solchen Elektrolysezelle geeignet ist. Elektrolysezellen werden beispielsweise zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Heroult- Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Heroult- Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na3[AlF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith,
Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Katho- denboden auf, der aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden, die
Kathode ausbildenden Kathodenblöcken zusammengesetzt sein kann. Um den bei dem Betrieb der Zelle herrschenden thermischen und chemischen Bedingungen standzuhalten, ist die Kathode üblicherweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzt. An den Unterseiten der Kathode sind üblicherweise jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen, üblicherweise 15 bis 50 cm hohen, Schicht aus flüssigem Aluminium ist eine aus einzelnen Anodenblö- cken ausgebildete Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1.000°C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektro- lytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathode und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Schmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus flüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an des- sen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus flüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, beispielsweise aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Heroult- Verfahrens ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40 % der Herstel- lungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern.
Aufgrund des insbesondere im Vergleich zu der Schicht aus flüssigem Aluminium und dem Kathodenmaterial relativ hohen elektrischen Widerstands der Schmelze treten vor allem in der Schmelze relativ hohe ohm- sche Verluste in der Form von Joule'scher Dissipation auf. In Anbetracht der vergleichsweise hohen spezifischen Verluste in der Schmelze besteht eine dahingehende Bestrebung, die Dicke der Schmelzeschicht und somit den Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Alumini- um so weit wie möglich zu reduzieren. Allerdings besteht aufgrund der bei der Elektrolyse vorliegenden elektromagnetischen Wechselwirkungen und der dadurch in der Schicht aus flüssigem Aluminium hervorgerufenen Wellenbildung bei einer zu geringen Dicke der Schmelzeschicht die Ge- fahr, dass die Schicht aus flüssigem Aluminium mit der Anode in Berührung kommt, was zu Kurzschlüssen der Elektrolysezelle und zu unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums führen kann. Solche Kurzschlüsse führen ferner zu einem erhöhten Verschleiß und somit zu einer verringerten Standzeit der Elektrolysezelle. Aus diesen Gründen kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium nicht beliebig verringert werden.
Um den spezifischen Energieverbrauch weiter zu verringern, werden in jüngster Zeit auch Elektrolysezellen mit Kathoden vorgeschlagen, deren bei dem Betrieb der Elektrolysezelle dem flüssigem Aluminium und der Schmelze zugewandte Oberseite eine Oberflächenprofilierung aufweist. In der US 201 1 /0056826 AI wird beispielsweise eine Kathode mit einer regelmäßig ausgestalteten Oberflächenprofilierung offenbart. Durch die regelmäßig ausgestaltete Oberflächenprofilierung sollen die horizontalen und vertikalen Fluktuationen in der Schicht aus flüssigem Aluminium verringert werden, weswegen die Stabilität der Schicht aus flüssigem Aluminium erhöht sein soll. Mit einer solchen regelmäßig ausgestalteten O- berflächenprofilierung wird die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium aber nur in begrenztem Ausmaß und insbesondere nicht gleichmäßig über die gesamte Kathodenfläche reduziert. Ferner führt diese bekannte regelmäßige Oberflächenprofilierung in der Kathodenblockober- fläche durch die reduzierte Bewegung in der Schicht aus flüssigem Aluminium indirekt zu einer erheblichen Behinderung der Durchmischung in der darüber befindlichen Schmelzeschicht, die zur Auflösung des periodi- sehe zugeführten Aluminiumoxids notwendig ist, was sich nachteilig auf die erreichbare Energieeffizienz der Elektrolyse auswirkt.
In der EP 0 938 598 Bl und in der DE 101 64 008 Cl werden Elektrolyse- zellen mit Kathoden offenbart, die bezüglich ihrer elektrischen Kontaktie- rung von außen bzw. bezüglich ihres spezifischen elektrischen Materialwiderstandes so angepasst sind, dass sich an der Oberseite der Kathode eine möglichst homogene Verteilung der elektrischen Stromdichte ergibt. Auch in diesen Elektrolysezellen findet jedoch eine vergleichsweise starke Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium statt, weswegen eine Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs in der Elektrolysezelle und eine Erhöhung von dessen Standzeit nicht möglich sind.
Ausgehend davon liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Elektrolysezelle zu schaffen, die bei ihrem Betrieb einen verringerten spezifischen Energieverbrauch sowie eine erhöhte Standzeit aufweist. Insbesondere soll eine Elektrolysezelle bereit gestellt werden, in der die Dicke der Schmelzeschicht verringert ist, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabili- täten, wie Kurzschlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums, auftreten. Gleichzeitig soll die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bei ihrem Betrieb eine ausreichende Durchmischung in der Schmelzeschicht gewährleisten. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle gemäß Patentanspruch 1 und insbesondere durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium umfassend eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht, welche Aluminium- oxid und Kryolith enthält, und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode, wobei die Kathode an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen gebildete Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilie- rung der Kathode derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der O- berseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximal- werten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit - anstelle der Kathode mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegt.
Erfindungsgemäß weist die Kathode der Elektrolysezelle eine Oberflächenprofilierung auf, die insbesondere im Hinblick auf die Position, die Abmes- sung und die Form der einzelnen Bestandteile der Oberflächenprofilierung gezielt so angepasst ist, dass bei dem Betrieb der Elektrolysezelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht die Ausbildung ausgeprägter Spitzen in dem Wellenbildungspotential gezielt vermieden wird und dadurch eine, über diese Grenzfläche gesehen, gleichmäßige und niedrige Wellenbildungspotential - verteilung ergibt als dies bei dem Einsatz einer entsprechenden Kathode ohne Oberflächenprofilierung der Fall wäre.
Unter einer Oberflächenprofilierung wird dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung die Summe aller auf der Grundebene der Kathode vorgesehenen Erhebungen verstanden. Dabei bezeichnet der Begriff Grundebene diejenige am weitesten in Richtung der Anode gelegene horizontale Ebene der Kathode, die durch die gesamte Querschnittsfläche der Kathode verläuft, ohne die oberflächenprofilierte Oberseite der Kathode zu schneiden. Alle auf dieser Grundebene vorgesehenen Erhebungen sind daher in Richtung zu der Anode orientiert und sind von der Schicht aus flüssigem Aluminium umgeben. Die Höhe einer Erhebung der Oberflächenprofilierung ist demnach der Abstand der obersten Stelle der Erhebung von der der lotrecht darunter liegenden Stelle der Grundebene der Kathode.
Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung wird berücksichtigt, dass das wie nachstehend definierte Wellenbildungspotential in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht bei dem Betrieb der Elektrolysezelle die treibende Kraft für die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium ist, und insbesondere auch, dass die Wellenbildungspotentialverteilung bei herkömmlichen Elektrolysezellen über die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht nicht gleichmäßig, sondern vielmehr stark heterogen ist. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verringerung des Wel- lenbildungspotentials und insbesondere die Vergleichmäßigung der Wel- lenbildungspotentialverteilung in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze wird bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium zuverlässig verhindert oder zumindest erheblich verringert, weswegen die Dicke der Schmelzeschicht im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolysezellen verringert werden kann und dadurch die Effizienz der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle beträchtlich erhöht ist.
Eine weitere wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist es dabei, dass die bei herkömmlichen Elektrolysezellen in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegende heterogene Wellenbildungspotentialverteilung direkt durch das Vorsehen und die konkrete Ausgestaltung des Oberflächenprofils an der Oberseite der Kathode der Elektrolysezelle beeinflusst werden kann und auf diese Weise ausgeprägte Spitzen des Wellenbildungspotentials an einzelnen Stellen der Grenzfläche gezielt vermieden werden können. Wie nachstehend im Detail erläutert, hängt das Wellenbildungspotential an einer bestimmten Stelle in der vorgenannten Grenzfläche von dem vekto- riellen Produkt an dieser Stelle vorliegenden der elektrischen Stromdichte und magnetischen Flussdichte ab. Wenn nun ein bestimmter Strompfad betrachtet wird, der von der Stromzuführung der Kathode bis zu der Anode der Elektrolysezelle führt, hängt der elektrische Gesamtwiderstand entlang dieses Pfades und folglich die Stromdichte an der Stelle, an welcher der Pfad die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Alumi- nium und der Schmelzeschicht kreuzt, insbesondere davon ab, welche Weglänge des Pfades jeweils in dem Kathodenblock, in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht verläuft. Da diese Materialien jeweils verschiedene spezifische elektrische Widerstandswerte aufweisen, wobei insbesondere die Schmelzeschicht und auch das Katho- denmaterial einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das flüssige Aluminium, und, weil die einzelnen Strompfade unterschiedliche Weglängen in dem Kathodenblock, in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht aufweisen, sind die elektrischen Gesamtwiderstände entlang der einzelnen Pfade und damit auch die einzelnen Stromdichten über die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht in herkömmlichen Elektrolysezellen heterogen, so dass einzelne Stellen der Grenzfläche ausgeprägte Stromdichtespitzen aufweisen. Durch das Vorsehen von und durch die geeignete Anpassung der Position, der Form und der Länge der Erhebun- gen der Oberflächenprofilierung der Kathode werden nun gemäß der vor- liegenden Erfindung die Weglängen der einzelnen Strompfade in den verschiedenen Abschnitten, d.h. Kathodenblock, Schicht aus flüssigem Aluminium und Schmelzeschicht, so eingestellt, dass sich im Bereich der Grenzfläche eine Stromdichteverteilung einstellt, die so angepasst ist, dass bei dem Betrieb der Elektrolysezelle in der Grenzfläche zwischen der
Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht keine ausgeprägten Spitzen in der in dieser Grenzfläche vorliegenden Wellenbildungs- potentialverteilung auftreten, wodurch eine im Wesentlichen gleichmäßige und niedrige Wellenbildungspotentialverteilung gewährleistet wird.
Zur Optimierung der Position, der Form und der Länge der Erhebungen der Oberflächenprofilierung der Kathode geht die vorliegende Erfindung von der Referenz- Wellenbildungspotentialverteilung aus, welche sich bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit einer herkömmlichen, unprofilierten Referenzkathode ergibt, und sieht gezielt an den Stellen der Kathodenoberfläche Erhebungen vor, die vertikal unterhalb der Stellen der Grenzfläche angeordnet sind, an denen in der Referenz-Wellenbildungspotential- Verteilung ausgeprägte Peaks, d.h. Spitzen, vorliegen. Dadurch wird bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit der oberflächenprofilierten Kathode in diesen Bereichen die elektrische Stromdichte reduziert und somit in diesen Bereichen das Wellenbildungspotential verringert.
Wie dargelegt, ist das Referenz-Wellenbildungspotential das Wellenbildungspotential, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit - anstelle der Kathode mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, d.h. mit horizontaler Kathodenoberfläche, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofilierung ergibt. Gemäß der in dem Patentanspruch 1 spezifizierten Ausführungsform ist die zur Bestimmung des Referenz-Wellenbildungspotentials eingesetzte Referenzelektrolysezelle mit der erfindungsgemäßen Elektroly- sezelle identisch, ausgenommen, dass anstelle der oberflächenprofilierten Kathode eine Referenzkathode eingesetzt wird, in welcher diese Oberflä- chenprofilierung nicht vorgesehen ist, in welcher das durch das Weglassen der Oberflächenprofilierung entstehende zusätzliche Volumen auf der Oberseite der Kathode durch flüssiges Aluminium bzw. Schmelze - je nachdem, in welcher Schicht sich das entsprechende Material bei der oberflächenprofilierten Kathode befindet - ausgefüllt wird.
Insbesondere in den Fällen, wenn auf der Kathodenoberseite viele Erhe- bungen vorgesehen sind, die ein beträchtliches Volumen einnehmen, wird es in einer alternativen, in dem Patentanspruch 2 spezifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, zur Bestimmung des Referenz-Wellenbildungspotentials eine Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung einzusetzen und diese Referenzkathode in der Elektro- lysezelle der Höhe nach so einzusetzen, dass zwischen der Kathodenoberseite und der Anode dasselbe Badvolumen für die Schichten aus flüssigem Aluminium und Schmelze befindet wie bei der Elektrolysezelle mit der oberflächenprofilierten Kathode. Da sich in diesem Fall das Referenz- Wellenbildungspotential auf eine Referenzelektrolysezelle mit gleichem Bad volumen wie dem der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle bezieht, ist das so bestimmte Referenz-Wellenbildungspotential aussagekräftiger als das gemäß dem Patentanspruch 1 bestimmte, falls das Volumen der Erhebungen der Oberflächenprofilierung der Kathode wenigstens 10 %, bevorzugt wenigstens 20 % und besonders bevorzugt wenigstens 30 % des Volumens der Kathode in ausmacht.
Das Wellenbildungspotential und damit die Wellenbildungspotentialvertei- lung kann durch computergestützte elektrische, magnetische und magne- to-hydrodynamische Simulation der Bewegung und Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelze der jeweiligen E- lektrolysezelle bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Wellenbildungspotential an einer beliebigen Stelle der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze als der Absolutbetrag derjenigen Komponente der in der Grenzfläche vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit der an dieser Stelle vorliegenden Schmelze definiert, die in normaler Richtung zu der Grenzfläche gerichtet ist, d.h. Wellenbildungspotential =
Figure imgf000011_0001
, wo- bei ü die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze als Vektor ist und n der Normalenvektor ist. Dazu wird die Grenzfläche als durchlässig angenommen, so dass das Wellenbildungspotential ein lokales Maß für die gegen die Grenzfläche gerichtete, wellentreibende Strömung darstellt. Natürlich kann die Strömung der Schmelze in diesem Fall nicht experimen- teil bestimmt werden, weswegen das Wellenbildungspotential bevorzugt nach der nachfolgend beschriebenen Simulationsmethode bestimmt wird.
Zur Berechnung der Strömungsverhältnisse werden zunächst die elektrischen und magnetischen Felder mittels Simulation nach einer Finite- Elemente-Methode (FEM) berechnet und die sich ergebenden Felder anschließend in die Berechnung der Strömungsverhältnisse eingesetzt, die ebenfalls mittels Simulation nach einer Finite-Elemente-Methode (FEM) erfolgt. Für beide Simulationen wird die Software Comsol Multiphysics in der Version 3.5a verwendet. Die Grenzfläche wird dabei als durchlässig angenommen, wobei das Wellenbildungspotential ein lokales Maß für die gegen die Grenzfläche gerichtete, wellentreibende Strömung darstellt. Die simulierte Elektrolysezelle, welche die Stromschienen, die Stromzuführungen der Elektrolysezelle einschließlich einer ggf. vorhandenen magnetischen Kompensationsgeometrie, die Kathode, die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht, die Anode, ggf. einen die Anoden verbindenden Anodenbaum und Luft als Umgebungsmedium umfasst, wird dabei komponentenweise geometrisch in Finite Volumen-Elemente aufgeteilt. Sofern die zu simulierende Zelle unter Berücksichtigung der vorstehenden Komponenten eine oder mehrere Symmetrieebenen aufweist, wird jeweils nur der auf einer Seite jeder Symmetrieebene befindliche Teil der Elektrolysezelle simuliert und die Symmetrieverhältnisse werden durch entsprechende Randbedingungen berücksichtigt, wie dies nachfolgend genauer erläutert wird.
Die Simulation geht vereinfachend von stationären Verhältnissen in der Elektrolysezelle aus, so dass der Simulation die jeweiligen stationären physikalischen Gleichungen zugrunde gelegt werden. Ferner wird eine isotherme Elektrolysezelle angenommen, die sich bei Betriebstemperatur (970°C) befindet.
Die Simulation stützt sich auf die folgenden Variablen und Parameter:
V: elektrische Spannung, Skalar
σ: elektrische Leitfähigkeit, Skalar
E (Fettdruck): elektrisches Feld, Vektor
A (Fettdruck): elektrisches Vektorpotential, Vektor
Αχ, Ay, Az: Vektorpotential, Komponente
H (Fettdruck): Magnetfeld, Vektor
J, j (Fettdruck), j : elektrische Stromdichte, Vektor
B (Fettdruck), B : magnetische Flussdichte, Vektor
I (Fettdruck): Einheitsmatrix, Tensor
F (Fettdruck): Kraftdichte (Summe aus Lorentzkraftdichte und Gravitationskraftdichte), Vektor
u (Fettdruck), ü : Strömungsgeschwindigkeit, Vektor
u (Normaldruck), Ux, Uy, Uz : Strömungsgeschwindigkeit, Komponente p: Druck, Skalar
μ: Viskosität, Skalar
p: Dichte, Skalar
Lc: charakteristische Länge, z.B. Tiefe des Aluminiumbads vc: charakteristische Geschwindigkeit
Zusätzliche Variablen bei turbulenten Strömungen:
μτ: Turbulente Viskosität, Skalar
k: turbulente kinetische Energie
ep, ε: Dissipation von turbulenter kinetischer Energie
lw: Abstand von den festen Grenzflächen
LRef: Referenz-Längenskala, entspricht der charakteristischen Länge Lc
G: reziproker Abstand von festen Grenzflächen
P : Quellterm der turbulenten kinetischen Energie
fu: Dämpfungsfunktion Viskosität
fE: Dämpfungsfunktion Dissipation
Rt: Turbulente Reynold's Zahl
Γ: Beschränkte Mischungslänge
uE: Turbulente Dissipationsrate aller Gitterzellen
n (Fettdruck), n : Normalvektor zur Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht, Vektor
t (Fettdruck), t : Tangentialvektor, Vektor
ex,ey,ez : Einheitsvektoren, kartesisches Koordinatensystem
Die erstellten Gitter werden ausreichend fein dimensioniert, so dass bei dem Auswerten des Wellenpotentials keine Artefakte des Gitters mehr sichtbar sind. Dazu zählen z.B. ausgeprägte Spitzen oder auffällige Änderungen entlang der Gitterkanten. Darüber hinaus deuten die Abhängigkeit der simulierten Werte von der eingestellten Gitterfeinheit und langsame oder begrenzte Konvergenz der Simulationen auf unzureichende Gitterfeinheit in relevanten Bereichen hin.
Darüber hinaus wird bei der Gittererstellung als Qualitätsfaktor für das gesamte Gitter ein Qualitätsfaktor von mindestens 0, 15 gefordert, wobei der Qualitätsfaktor q gemäß dem Handbuch der Comsol Multiphysics Software folgendermaßen definiert ist:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000014_0001
Im Einzelnen erfolgt die Gittererstellung wie folgt:
Die die Elektrolysezelle umgebende Luft wird mit einer uneingeschränkten Größe der Gitterzellen modelliert, die zwischen feinen Bereichen (z.B. an der Schmelzeschicht) und groben Bereichen (z.B. Umgebungsrändern der Gesamtanordnung) variieren kann. Der Vergrößerungsfaktor zwischen zwei benachbarten Gitterzellen wird auf 1 ,65 begrenzt, um verzerrte Gitterelemente zu vermeiden.
Die Stromzuführungen und -abführungen werden mit Gitterzellen mit einer Kantenlänge im Bereich von etwa 30 cm nachgebildet.
Die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht werden so modelliert, dass die Gitterzellen, die die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze bilden, jeweils eine Kantenlänge im Bereich von ungefähr 3 cm aufweisen. Die Schmelzeschicht wird so modelliert, dass die mittlere Ausdehnung einer Gitterzelle in vertikaler Richtung maximal der Hälfte der Dicke der Schmelzeschicht entspricht.
Im Rahmen der Simulation wird dabei angenommen, dass die Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelze nicht gewölbt ist und somit horizontal verläuft. Dementsprechend wird der
Normalenvektor n als der senkrechte Einheitsvektor ez angenommen und das Wellenbildungspotential ist dementsprechend als der Absolutbetrag der vertikale Komponente uz der Strömungsgeschwindigkeit in der Grenzfläche definiert. Die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Kathode werden so modelliert, dass die Gitterzellen, die die Grenzfläche zwischen der Kathode und der Schicht aus flüssigem Aluminium bilden, eine Kantenlänge im Bereich von ungefähr 5 cm aufweisen. Die Anoden und Kathoden werden ansonsten mit uneingeschränkter Größe der Gitterzellen modelliert, wobei die Größe der Gitterzellen zwischen feinen Bereichen (z.B. an der Schmelzeschicht) und groben Bereichen (z.B. an den Zu- und Ableitungen) variieren kann. Der Vergrößerungsfaktor zwischen zwei benachbarten Gitterzellen wird dabei auf maximal 1 ,65 begrenzt, um verzerrte Gitterelemente zu vermeiden.
Bei wie weiter unten definierten, unter turbulenten Strömungsverhältnissen betriebenen Elektrolysezellen werden die festen Grenzflächen zwischen den einzelnen Komponenten der Elektrolysezelle bei der Gitterer- Stellung durch in Comsol Multiphysics zur Verfügung stehende so genannte Inflation Boundary Layers modelliert, die aus prismatischen Zellen bestehen (im Gegensatz zu beispielsweise tetraedrischen Elementen).
Die einzelnen Gitterzellen der so erstellten Gitterstruktur werden an- schließend mit entsprechenden Materialeigenschaften versehen, d.h. die Gitterzellen werden insbesondere mit Werten für den spezifischen elektrischen Widerstand versehen und zusätzlich werden die Gitterzellen, die die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht darstellen, mit Werten für die Viskosität und Dichte des Aluminium bzw. der Schmelze versehen. Dabei werden die folgenden Werte für die Materialeigenschaften zugrunde gelegt: Tabelle 2
Figure imgf000016_0001
Alle anderen in der Simulation verwendeten Materialeigenschaften werden so gewählt, dass sie den tatsächlichen Eigenschaften des jeweiligen Materials entsprechen.
Zur numerischen Stabilisierung der elektromagnetischen und strömungsmechanischen Berechnungen wird ferner der - in der Realität - abrupte Übergang der Materialeigenschaften an der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht in der simulierten Struktur in einem Bereich von + 3 cm geglättet, d.h. die Zellen der die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht dar- stellenden Gitterstruktur, die sich innerhalb eines Bereichs von 3 cm unterhalb und oberhalb der Grenzfläche befinden, werden mit Werten für die Materialeigenschaften versehen, die so gewählt sind, dass sich in diesem Bereich ein im Wesentlichen linearer Eigenschaftsübergang von den in der vorstehenden Tabelle 2 gegebenen Eigenschaften der die Aluminiumschicht darstellenden Zellen zu den in Tabelle 2 gegebenen Eigenschaften der die Schmelzeschicht darstellenden Zellen ergibt.
Die die Elektrolysezelle umgebende Luft wird mit einem künstlich hohen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 Ohm-m versehen, so dass sie nicht zum Stromtransport beiträgt.
Für die auf diese Weise erstellte Gitterstruktur, die die Elektrolysezelle in ihrer Geometrie und mitsamt ihren Materialeigenschaften nachbildet, werden die elektromagnetischen Felder berechnet und die ermittelten
Werte anschließend in die Berechnung der strömungsmechanischen Bewegungen der Schmelze der Elektrolysezelle eingesetzt.
Dem erste Schritt der Modellierung der Elektromagnetik werden dabei die bekannten stationären Maxwell-Gleichungen zugrunde gelegt:
Figure imgf000017_0001
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methodenwerden Lagrange- Funktionen (1. Ordnung für V und 2. Ordnung für A) verwendet. Diese partiellen Differentialgleichungen werden für die gesamte Geometrie durch numerische Berechnung gelöst. Die dabei anzuwendenden Randbedingungen werden nachstehend noch genauer erläutert; insbesondere geht der durch die Kathode und Anode zugeführte Betriebsstrom der E- lektrolysezelle als von außen vorgegebener Betriebsparameter in die Berechnung ein.
Die auf diese Weise berechnete Lorentzkraftdichte wird anschließend der Berechnung der Strömungsmechanik in dem Bad der Elektrolysezelle zugrunde gelegt.
Je nach Art der Strömung werden der strömungsmechanischen Berechnung unterschiedliche Gleichungen zugrunde gelegt. Zur Auswahl der zu verwendenden partiellen Differentialgleichungen wird die bekannte Reynold's Zahl herangezogen und abhängig davon die folgenden
Figure imgf000018_0002
Gleichungssysteme verwendet:
Die folgenden Gleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen) werden für laminare und schwach-turbulente Probleme mit Re < 10.000 verwendet:
Figure imgf000018_0001
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methoden werden Lagrange- Funktionen (1. Ordnung für p und 2. Ordnung für u) verwendet.
Die folgenden Gleichungen (Low Reynold's k-epsilon-Gleichungen) werden für Strömungen im Übergangsbereich mit Re > 10.000 und < 100.000 verwendet:
Figure imgf000019_0001
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methoden werden Lagrange- Funktionen (1. Ordnung für p und 2. Ordnung für u, k und ep) verwendet.
Die folgenden Gleichungen (k-epsilon-Gleichungen) werden für turbulente Strömungen mit Re > 100.000 verwendet:
Figure imgf000019_0002
, wobei
Figure imgf000020_0002
Als Ansatzfunktionen für die Finite Elemente Methoden werden Lagrange- Funktionen (1. Ordnung für p und 2. Ordnung für u, k und ep) verwendet.
In die obigen Gleichungen fließen die zuvor in der elektromagnetischen Betrachtung berechneten Werte in Form der Lorentzkraftdichte
Figure imgf000020_0003
mit ein. Die Lorentzkraftdichte bildet dabei zusammen mit der Gravi
Figure imgf000020_0001
tationskraftdichte die in den obigen Gleichungen enthaltene,
Figure imgf000020_0004
externe Anregung F gemäß
Figure imgf000020_0005
Die obigen strömungsmechanischen partiellen Differentialgleichungen werden ebenfalls numerisch gelöst. Im Rahmen der vorstehenden Berechnungen werden zusätzlich die folgenden Randbedingungen angewendet:
Die folgenden Randbedingungen betreffen die während der elektromagnetischen Berechnung berechneten elektrischen Felder:
· Die Außenflächen des behandelten Volumens werden als elektrischer Isolator betrachtet
Figure imgf000020_0006
• Etwaig vorhandene Symmetrieflächen werden als elektrischer Isolator betrachtet
Figure imgf000020_0007
• An dem Eingang des Anodenbaums liegt eine elektrische Spannung V an, die so angepasst ist, dass der für den Normalbetrieb der E- lektrolysezelle vorgesehene Zellenstrom (z.B. 168 kA) fließt.
• An der kathodenseitigen Stromabführung liegt eine elektrische
Spannung V von 0 Volt an (Erdung) . • An allen internen Flächen ist das berechnete elektrische Potential V kontinuierlich .
Die folgenden Randbedingungen betreffen die während der elektromagnetischen Berechnung berechneten magnetischen Felder:
• An den Außenflächen des behandelten Volumens ist der magnetische Fluss parallel zu der Außenfläche
Figure imgf000021_0002
• An etwaig vorhandenen Symmetrieflächen liegt eine magnetische
Symmetrie vor
Figure imgf000021_0003
• An allen internen Flächen ist das berechnete magnetische Vektorpotential A kontinuierlich.
Die folgenden Randbedingungen betreffen die während der strömungsmechanischen Berechnung berechneten Strömungsfelder:
• An den festen Grenzflächen gilt:
o bei Verwendung der laminaren Gleichungen: Die Flüssigkeit haftet fest an der festen Grenzfläche an, was auch als„No slip" bezeichnet wird, d.h. die Geschwindigkeit u=0. o bei Verwendung der turbulenten Gleichungen wird ein
Wandmodell verwendet, welches die Reibung zwischen der jeweiligen flüssigen Schicht und der festen Grenzfläche berücksichtigt.
• An etwaig vorhandenen Symmetrieflächen liegt eine offene Grenzfläche vor, wobei der Normalfluss in Bezug auf die Grenzfläche sich nach der Gleichun
Figure imgf000021_0001
mit fo= 0 berechnet. • An allen internen Flächen (z.B. die Grenzfläche zwischen der
Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht) ist die berechnete Flussgeschwindigkeit u kontinuierlich. Wie vorstehend beschrieben, werden die elektromagnetischen Größen V, Αχ, Ay, Az, jx, jy und jz zunächst anhand der Maxwell-Gleichungen berechnet und die sich daraus ergebende Lorentzkraftdichte wird dann in die jeweils verwendeten strömungsmechanischen Gleichungen eingesetzt, um daraus die Strömungsfeldgrößen ux, uy, uz und p zu berechnen. Die elekt- romagnetische Berechnung und die strömungsmechanische Berechnung sind somit in unidirektionaler Weise miteinander gekoppelt.
Zur Lösung der vorstehend angeführten partiellen Differentialgleichungen werden jeweils iterative Löser (GMRES) mit geometrischer Multigrid- Vorkonditionierung verwendet. Dabei finden bei Bedarf gängige Stabilisierungstechniken für Strömungsmechanik wie die in Comsol Multiphysics zur Verfügung stehende Streamline Diffusion (GLS) und die Crosswind Diffusion Einsatz sowie die Eichung des Vektorpotentials bei der elektromagnetischen Berechnung.
Erfindungsgemäß weist die Oberflächenprofilierung der erfindungsgemäßen Kathode zwei oder mehr Erhebungen auf, wobei jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass jeweils eine Erhebung an wenigstens X der Y Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks mit den Y höchsten Maximalwerten vorliegen,
wobei X = 4 und Y = 20, bevorzugt X = 6 und Y = 20, besonders bevorzugt X = 10 und Y = 20 und ganz besonders bevorzugt X = 14 und Y = 20 ist und/ oder
wobei X = 2 und Y = 10, bevorzugt X = 3 und Y = 10, besonders bevorzugt X = 5 und Y = 10 und ganz besonders bevorzugt X = 7 und Y = 10 ist und/ oder
wobei X = 1 und Y = 5, bevorzugt X = 2 und Y = 5, besonders bevorzugt X = 3 und Y = 5 und ganz besonders bevorzugt X = 4 und Y = 5 ist. Auf diese Weise werden ausgeprägte Peaks in dem Wellenbildungspotential der E- lektrolysezelle besonders umfassend vermieden, so dass die Stabilität der Elektrolysezelle im Betrieb noch weiter erhöht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der an den Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ein Peak vorliegt, angeordneten Erhebungen ihre maximale Höhe an der Stelle aufweist, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet ist, an welcher der Peak der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials seinen Maximalwert aufweist. Dadurch wird eine übermäßige Wellenbildung in dem entsprechenden Bereich der Grenzflä- che besonders wirksam vermieden. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die vorstehend beschriebene im Wesentlichen deckungsgleiche Anordnung für alle Peak-Erhebungs-Paare gewährleistet ist, d.h. wenn alle an den Stellen der Oberfläche der Ober- seite der Kathode, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ein Peak vorliegt, angeordneten Erhebungen jeweils ihre maximale Höhe an der Stelle aufweisen, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, an welchen die jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ihren Maximalwert aufweisen. Eine besonders effektive Kompensation eines Peaks der Referenz -
Wellenbildungspotentialverteilung wird erreicht, wenn die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich ist oder dieser im Wesentlichen entspricht.
Unter Ähnlichkeit wird dabei in Übereinstimmung mit dem fachüblichen Sprachgebrauch verstanden, dass die beiden Umrissformen durch eine geometrische Abbildung, die sich aus zentrischen Streckungen und Kon- gruenzabbildungen, wie insbesondere Verschiebungen, Drehungen oder Spiegelungen, zusammensetzen lässt, ineinander überführt werden können. Zum Beispiel können beide Umrissformen im Wesentlichen einem Kreis entsprechen. Ebenso können die beiden Umrissformen im Wesentlichen zwei Dreiecke bilden, die zwei im Wesentlichen identische Winkel aufweisen, oder im Wesentlichen zwei Rechtecke mit zumindest annä- hernd gleichen Seitenverhältnissen bilden oder im Wesentlichen zwei Ellipsen mit zumindest annähernd gleichen numerischen Exzentrizitäten bilden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die geometrischen Umrissformen aller Erhebungen in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform der jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich sind oder dieser im Wesentlichen entsprechen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen in Draufsicht zumindest abschnittsweise zumindest annähernd poly- gonförmig und/ oder ellipsenförmig ausgestaltet. Derartige Erhebungen lassen sich besonders einfach realisieren und sind besonders geeignet, um einen Peak des Referenz-Wellenbildungspotentials wirksam zu kompensieren. Eine besonders einfach zu realisierende Erhebung ergibt sich, wenn die als Polygon ausgebildete Erhebung 3, 4, 5 oder 6 Ecken aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die vertikal von oben betrachtete Umrissform einer Erhebung vorteilhaft so gewählt werden, dass sie durch eine Vereinfachung der vertikal von oben betrachteten Umrissform des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials erzeugbar ist. Bevorzugt weist somit wenigstens eine der Erhebungen eine in Draufsicht betrachtete Umrissform auf, die geometrisch einfacher ist als die in Draufsicht betrachtete Umrissform des vertikal über der Erhebung in der Grenzfläche angeordneten Peaks der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Summe der Anzahlen aller Ecken und aller unterschiedlich ge- krümmten Bereiche der von oben betrachteten Umrissfläche der Erhe- bung geringer ist als die Summe aller Ecken und aller unterschiedlich gekrümmten Bereiche der von oben betrachteten Umrissfläche des entsprechenden Peaks der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials. Als verschieden gekrümmte Bereiche einer Umrissform werden dabei alle in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Abschnitte der Umrissform gezählt, zwischen denen sich ein Wendepunkt befindet.
Um eine durch einen Peak des Referenz-Wellenbildungspotentials hervorgerufene erhöhte Wellenbildung der Schicht aus flüssigem Aluminium besonders wirksam zu verhindern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die dreidimensionale Form wenigstens einer der Erhebungen zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich ist oder dieser im Wesentlichen entspricht.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die dreidimensionalen Formen aller Erhebungen zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich sind oder dieser im Wesentlichen entsprechen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens eine der Erhebungen eine sich in vertikaler Richtung nach oben hin verjüngende dreidimensionale Form auf. Diese Ausgestaltung führt zu einer besonders wirksamen Vermeidung von Wellenbildung im Bereich eines Peaks der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials. Die zumindest eine Erhebung kann dabei zum Beispiel, seitlich betrachtet, eine im Wesentlichen polygonale und bevorzugt im Wesentlichen trapezförmige Umrissform aufweisen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Erhebungen in vertikaler Richtung nach oben gesehen von einer Deckfläche begrenzt wird, die in Draufsicht betrachtet eine geringere Fläche aufweist als die in Draufsicht betrachtete Grundfläche der Erhebung. Die Erhebung kann dabei zum Beispiel zumindest annähernd kegel- oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens eine der Erhebungen eine dreidimensionale Form auf, die ausgehend von der Grundfläche der Erhebung durch Rotation der Grundfläche um eine die Grundfläche begrenzende Rotationsachse erzeugbar ist. Die Rotationsachse verläuft dabei bevorzugt im Wesentlichen horizontal. Derartige Erhebungsgeometrien eignen sich besonders zu einer wirksamen Vergleichmäßigung der Wellenbildungspotentialverteilung und sind außerdem be- sonders einfach herzustellen. Bevorzugt ist die wenigstens eine Erhebung dabei durch Rotation der Grundfläche um die Rotationsachse um einen Winkel von mindestens 75 ° und höchstens 180 °erzeugbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine der Erhebungen eine dreidimensionale Form aufweist, die ausgehend von der Grundfläche der Erhebung durch geometrische Extrusion der Grundfläche der Erhebung in vertikaler Richtung nach oben erzeugbar ist. Die Extrusionsrichtung ist dabei bevorzugt zumindest annähernd vertikal oder weicht bis zu 45° von der vertikalen Richtung ab. Bevorzugt wird die Erhebung im Zuge der
Extrusion in der Extrusionsrichtung durch Skalierung verkleinert. Prinzipiell ist es bei der Extrusion bevorzugt, wenn sich die zumindest eine Erhebung in vertikaler Richtung nach oben hin verjüngt. Die Einbringung von Erhebungen ist auch durch Vakuumrütteln, uniaxiales Pressen oder ein anderes geeignetes Formgebungsverfahren möglich. Bei der Elektrolysezelle kann die Kathode aus zwei oder mehr Kathodenblöcken zusammengesetzt sein und/ oder die Anode aus zwei oder mehr Anodenblöcken zusammengesetzt sein. Dabei können insbesondere meh- rere Kathodenblöcke in Querrichtung der Kathodenblöcke betrachtet aufeinander folgend nebeneinander angeordnet sein und dabei entlang ihrer Längsseiten über eine Stampfmasse verbunden sein. Ferner ist es bevorzugt, wenn in Breitenrichtung der Kathodenblöcke betrachtet ein Anodenblock zwei Kathodenblöcke abdeckt und in Längsrichtung der Kathoden- blocke betrachtet zwei Anodenblöcke einen Kathodenblock abdecken.
Eine besonders hohe Energieeffizienz der Elektrolysezelle lässt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt. Dieser geringe Abstand wird durch die Verringerung der Wellenbildungspotentiale und durch die Vergleichmäßigung der Wellenbildungspotentialverteilung erreicht. Wie vorstehend beschrieben, ist die Oberflächenprofilierung der Kathode erfindungsgemäß so angepasst, dass ausgeprägte Spitzen des Wellenbildungspotentials an einzelnen Stellen der Grenzfläche zwischen der
Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vermieden werden. Dabei ergeben sich Oberflächenprofilierungen, die in ihrer Positi- on, Abmessung und Form an die konkreten, das Wellenbildungspotential bestimmenden Eigenschaften der Elektrolysezelle angepasst sind. Die vorliegende Erfindung verläset dabei bewusst und zielgerichtet den Weg, a-priori eine Oberflächenprofilierung zu definieren, die regelmäßig ausgebildet, dafür aber nicht an das jeweils vorliegende Wellenbildungspotential angepasst ist. Stattdessen wird die Oberflächenprofilierung der Kathode einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle in der Praxis zumindest in einer Richtung unregelmäßig ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Kathode für eine Alumi- nium-Elektrolysezelle, deren Oberseite eine Oberflächenprofilierung mit zwei oder mehr zumindest im Wesentlichen in einer ersten Richtung der Kathode verlaufenden ersten Stegen und wenigstens einem zumindest im Wesentlichen in der Richtung senkrecht zu der ersten Richtung der Kathode verlaufenden zweiten Steg aufweist.
Unter einem Steg wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine in Längsrichtung zumindest im Wesentlichen gerade verlaufende Erhöhung angesehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass eine Kathode mit einer solchen Oberflächenprofilierung geeignet ist, um in Elektrolysezellen eingesetzt bei dem Betrieb der jeweiligen Elektrolysezelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht eine Wellenbildungspotentialverteilung zu erreichen, bei der ausgeprägte Spitzen des Wellenbildungspotentials an einzelnen Stellen der Grenzfläche wirksam vermieden werden. Die konkret beschriebene Oberflächenprofilierung ist dabei an die Bedingungen angepasst, die in einer Vielzahl von gängigen Elektrolysezellen herrschen, und ist dazu ausgestaltet, in diesen Elektrolysezellen unter Berücksichtigung dieser Bedin- gungen eine gleichmäßige Wellenbildungspotentialverteilung zu erreichen.
Eine solche Kathode kann insbesondere Bestandteil einer der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Elektrolysezellen sein. Mithin eignet sich die erfindungsgemäße Kathode hervorragend dazu, in Elektrolysezellen eingesetzt die Vorteile einer verbesserten Energieeffizienz und einer erhöhten Standzeit zu erreichen und gleichzeitig eine ausreichende Durchmischung der Schmelze in der Elektrolysezelle sicherzustel- len.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verlaufen die wenigstens zwei ersten Stege zumindest annähernd in Querrichtung der Kathode.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Oberseite der Kathode in Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Umrissform aufweist, wobei zumindest in einer der vier Ecken der im Wesentlichen rechteckigen Umrissform eine Erhebung der Kathode vorgesehen ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass an diesen Eckbereichen in der Regel ausgeprägte Peaks der Referenz- Wellenbildungspotentialverteilung vorliegen, so dass durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Stabilität der Elektrolysezelle im Betrieb erheblich erhöht werden kann. Bevorzugt weist die in dem Eckbereich angeordnete Erhebung dabei in Draufsicht eine im Wesentlichen dreieck- förmige Umrissform auf.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Oberseite der Kathode eine Vertiefung in der Form einer, im Quer- schnitt der Kathode gesehen zumindest im Wesentlichen V-förmigen
Wanne aufweist. Die in der Form einer V-förmigen Wanne ausgebildete Vertiefung dient dabei dazu, die Stromdichte in den seitlichen Randbereichen der Kathode, die andernfalls aufgrund der dort stattfindenden Kon- taktierung der in dem Kathodenboden eingesetzten Stromschienen erhöht ist, zu verringern und dadurch das Wellenbildungspotential in diesen Bereichen zu verringern.
Die wenigstens zwei ersten Stege und der wenigstens eine zweite Steg sind dabei bevorzugt auf der Oberfläche der im Wesentlichen V-förmigen Vertiefung angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verbindungspunkt zwischen den beiden Schenkeln des Querschnitts der im Wesentlichen V-wannenförmig ausgestalteten Vertiefung, im Querschnitt der Kathode gesehen, zumindest annähernd in der Mitte der Kathode angeordnet. Auf diese Weise wir die elektrischen
Stromdichte von den seitlichen Randbereichen des Kathodenquerschnitts in die Mitte verlagert, um beim Einsatz der Kathode in einer Elektrolyse- zelle Spitzen der Stromdichte an diesen Randbereichen zu verringern und ein niedriges Wellenbildungspotential und eine im Wesentlichen gleichmäßige Wellenbildungspotentialverteilung zu erreichen.
In der vorliegenden Erfindung hat es sich dabei als vorteilhaft herausge- stellt, dass sich die Vertiefung über wenigstens 75 %, bevorzugt über wenigstens 90 %, besonders bevorzugt über wenigstens 95 % und ganz besonders bevorzugt über 100 % der Oberfläche der Kathode erstreckt. Auf diese Weise wird über die gesamte Kathodenoberfläche hinweg eine Vergleichmäßigung der Wellenbildungspotentialverteilung erreicht, wenn die Kathode in einer Elektrolysezelle eingesetzt wird.
Der wenigstens eine zweite Steg ist, in der zweiten Richtung der Kathode gesehen, bevorzugt zumindest annähernd in der Mitte der Kathode angeordnet ist. Da in diesem Bereich andernfalls ein übermäßig hohes Wellen- bildungspotential zu erwarten ist, wird dadurch eine besonders günstige Beeinflussung des Wellenbildungspotentials erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die obere Kan- te zumindest eines der ersten Stege einen, in der Querrichtung der Kathode gesehen, zu der Mitte der Kathode hin zunehmenden Abstand von dem Boden der V-förmigen Wanne auf. Diese Zunahme des Abstands zur Mitte des Kathodenblocks hin dient dazu, übermäßige Spitzen des Wellenbildungspotentials in der Mitte des Kathodenblocks und somit eine erhöhte Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium in diesem Bereich zu vermeiden, wenn der Kathodenblock in einer Elektrolysezelle eingesetzt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrolyse- zelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche zumindest eine wie vorstehend beschriebene Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst. Die vorstehend in Bezug auf die Kathode geschilderten Vorteile und Ausführungsformen gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Elektrolysezelle.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Anode wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke, wobei sich zwischen den wenigstens zwei Anodenblöcken eine Fuge erstreckt und wobei zumindest einer der ersten Stege der Kathode vertikal unterhalb und zumindest im Wesentlichen parallel zu der zwischen den zwei Anodenblöcken ausgebildeten Fuge angeordnet ist. Bevorzugt beträgt dabei die Winkelabweichung zwischen der Orientierung des Stegs und der Orientierung der Fuge maximal 20°. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass diese Bereiche zwischen den Anodenblöcken übli- cherweise ein deutlich erhöhtes Wellenbildungspotentials aufweisen, so dass die beschriebene Maßnahme dazu beiträgt, die Stabilität der Elektrolysezelle noch weiter zu erhöhen. Der wenigstens eine vertikal unterhalb der Fuge angeordnete erste Steg ist dabei in Bezug auf die Fuge bevorzugt zumindest annähernd zentriert angeordnet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 31.
Das Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle, insbesondere einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode um- fasst, weist die folgenden Schritte auf:
Ermitteln der in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht der Elektrolysezelle vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials,
Herstellen einer mehrere Erhebungen umfassenden Oberflächenpro- filierung auf der Oberseite der Kathode, wobei jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen wird, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz-
Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen,
wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit - anstelle der Kathode mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Elektrolysezellen herstellen. Die vorstehend in Bezug auf die erfindungsgemäße Elektrolysezelle beschriebenen Vorteile und Ausführungsformen finden entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist gemäß Patentanspruch 32 ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle, insbesondere einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Ermitteln der in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht der Elektrolysezelle vorliegen- den Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials,
Herstellen einer mehrere Erhebungen umfassenden Oberflächenprofilierung auf der Oberseite der Kathode, wobei jeweils eine Erhebung an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode vorgesehen wird, welche jeweils vertikal unterhalb der- jenigen Bereiche der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche vorliegenden Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials die Peaks mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle mit - anstelle der Kathode mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode mit Oberflächenprofilierung, wobei die Referenzkathode bezüglich deren Höhe in der Elektrolysezelle so angeordnet ist, dass zwischen der Referenzkathode und der Anode dasselbe Volumen für die Schicht aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht vorgesehen ist wie bei der Elektrolysezelle mit der Kathode mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht vorliegt.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht; Fig. 2 die örtliche Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials der Elektrolysezelle von Fig. 1 in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht in Draufsicht;
Fig. 3 die oberflächenprofilierte Kathode der Elektrolysezelle von Fig. 1 in Draufsicht;
Fig. 4 die Kathode von Fig. 3 in perspektivischer Ansicht; Fig. 5 die örtliche Verteilung des Wellenbildungspotential 1 in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht der Elektrolysezelle von Fig. 1 bis 4; Fig. 6a-i beispielhafte Erhebungen für eine erfindungsgemäße Oberflä- chenprofilierung und
Fig. 7a-i weitere beispielhafte Erhebungen für eine erfindungsgemäße
Oberflächenprofilierung.
Fig. 1 zeigt eine Elektrolysezelle 10 zur Herstellung von Aluminium umfassend eine Kathode 12, auf der Oberseite der Kathode 10 eine Schicht
14 aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht 16 und oberhalb der Schmelzeschicht 16 eine Anode 18. Die Schicht 14 aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht 16 gehen dabei an einer Grenzfläche
15 ineinander über.
Die Kathode 12 ist aus einer Mehrzahl von länglichen Kathodenblöcken zusammengesetzt, die sich in Querrichtung y der Elektrolysezelle 10 er- strecken und die in Längsrichtung x der Elektrolysezelle 10 nebeneinander angeordnet und über eine nicht dargestellte Stampfmassenfuge miteinander verbunden sind. An der Unterseite jedes Kathodenblocks ist eine sich in Längsrichtung y des Kathodenblocks durch den Kathodenblock hindurch erstreckende Stromschiene 20 eingesetzt, die den Kathoden- block elektrisch kontaktiert.
Die Stromschienen 20 sind elektrisch über eine Stromabführung 22 zu- sammengefasst, welche geometrisch so ausgestaltet ist, dass eine Magnetfeldkompensation bewirkt wird, d.h. dass die Verteilung der durch den Stromfluss bewirkte magnetische Flussdichte B zu einem bestimmten Grad vergleichmäßigt wird.
Die Anode 18 besteht aus einer Vielzahl von Anodenblöcken 24, die über eine einen Anodenbaum 26 umfassende Stromzuführung 28 miteinander verbunden sind.
Die Kathode 12 der Elektrolysezelle 10 weist eine mehrere Erhebungen 30 umfassende Oberflächenprofilierung auf, die wie nachfolgend erläutert an die Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials der Elektrolysezelle 10 in der Grenzfläche 15 angepasst ist.
Für die Berechnung des Referenz-Wellenbildungspotentials kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Umstand genutzt werden, dass die in der Fig. 1 gezeigte Elektrolysezelle 10 gegenüber der Symmetrieebene 32 spiegelsymmetrisch ist. Bei der Berechnung des Referenz-Wellenbildungspotentials muss daher nur die auf einer Seite der Symmetrieebene 32 gelegene Hälfte der Elektrolysezelle explizit in das simulierte Volumen mit einbezogen werden, wobei die Symmetrie durch entsprechende Randbe- dingungen an dem der Symmetrieebene 32 entsprechenden Rand des Simulationsvolumens berücksichtigt wird.
Fig. 2 zeigt die Verteilung des in der Grenzfläche 15 der Elektrolysezelle 10 von Fig. 1 vorliegende Referenz-Wellenbildungspotentials von oben be- trachtet für eine der zwei symmetrischen Hälften der Elektrolysezelle 10, wobei in der Fig. 2 konkret Äquipotentiallinien des Referenz- Wellenbildungspotentials gezeigt sind. Der Umriss der Kathode 12 der Elektrolysezelle 10 ist ebenfalls dargestellt. Wie in der Fig. 2 ersichtlich, weist das Referenz-Wellenbildungspotential der Elektrolysezelle 10 mehrere Peaks 34 auf, deren maximale Höhe in der Fig. 2 anhand der Anzahl von ineinander liegenden, geschlossenen Äquipotentiallinien ersichtlich ist.
Fig. 3 zeigt eine der symmetrischen Hälften der Kathode 12 der Elektrolysezelle 10 von Fig. 1 in Draufsicht. Wie der Vergleich von Fig. 3 und Fig. 2 zeigt, sind vertikal unterhalb der Peaks 34 des Referenz- Wellenbildungspotentials jeweils Erhebungen 30 der Oberflächenprofilie- rung der Kathode 12 angeordnet, wobei die Peaks 34 und die Erhebungen 30 von oben betrachtet im Wesentlichen deckungsgleich übereinander angeordnet sind. Die Entsprechung zwischen den Peaks 34 in Fig. 2 und den Erhebungen 30 in Fig. 3 sind dabei durch die entsprechenden Buchstaben-Endungen der Bezugszeichen 30 und 34 gekennzeichnet, d.h. Erhebung 30a entspricht Peak 34a usw.
Die Form der Erhebungen 30 ist an die Form des jeweils zugeordneten Peaks 34 des Referenz-Wellenbildungspotentials angepasst, wobei die Erhebungen 30 die Form des jeweils zugeordneten Peaks 34 jeweils durch geometrisch vereinfachte Formen annähern, wie zum Beispiel durch zwei im Wesentlichen Eiförmige Erhebungen 34g und 34j mit ellipsenförmiger Umrissform, eine pyramidenstumpfförmige Erhebung 30h, mehrere Halb- Pyramidenstumpf-förmige Erhebungen 34b, c, e, 1, m, n, o und zwei Vier- tel-Pyramidenstumpf-förmige Erhebungen 34a und 34c in den Eckberei- chen der Kathode 12.
Fig. 4 veranschaulicht die an das Referenz-Wellenbildungspotential ange- passte dreidimensionale Form der Erhebungen 30 in perspektivischer Darstellung. Zu sehen sind hierbei ebenso die an der Unterseite der Ka- thode 12 angeordneten Nuten 37 für die Stromschienen 20 (Fig. 1). In der Fig. 5 ist die in der Grenzfläche 15 zwischen der Schicht 14 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 16 vorliegende Wellenbil- dungspotentialverteilung der Elektrolysezelle 10 mit der oberflächenprofi- Herten Kathode 16 gezeigt. Wie der Vergleich der in Fig. 5 gezeigten Wel- lenbildungspotentialverteilung mit dem in der Fig. 2 gezeigten Referenz- Wellenbildungspotentialverteilung zeigt, wird durch die Oberflächenprofi- lierung eine erhebliche Vergleichmäßigung bzw. Glättung und einer Verringerung der Höhe der Peaks 34 der Wellenbildungspotentialverteilung erreicht. Konkret sind in der Fig. 5 nur noch Peaks 34 zu sehen, die maximal zwei ineinander liegende geschlossene Äquipotentiallinien aufweisen. Somit ist das maximale Wellenbildungspotential in den entsprechenden Bereichen der Grenzfläche 15 deutlich geringer als bei der Referenz - Wellenbildungspotentialverteilung. Dadurch wird die Stabilität der Elekt- rolysezelle 10 im Betrieb erheblich gesteigert und somit eine höhere Standzeit und Energieeffizienz der Elektrolysezelle 10 erreicht.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen beispielhafte Erhebungen 30, die für eine Oberflä- chenprofilierung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 10 besonders geeignet sind. Die in der Fig. 6 gezeigten Erhebungen 30 sind dabei jeweils durch geometrische Extrusion erzeugbar. Fig. 6a-c zeigen jeweils polygonale, ellipsenförmige und sonstige Grundflächen 36, ausgehend von denen eine Erhebung 30 extrudiert wird. Wie durch einen Pfeil 39 angedeutet, erfolgt die Extrusion jeweils in vertikaler Richtung z.
Fig. 6d zeigt eine ausgehend von der Grundfläche von Fig. 6a extrudierte, pyramidenstumpfförmige Erhebung 30. Die geometrische Extrusion in vertikaler Richtung z umfasst dabei eine Skalierung der Fläche mit zunehmender vertikaler Höhe, so dass die resultierende Erhebung 30 nach oben hin kontinuierlich verjüngt ist. Bezugsachse der Skalierung ist dabei die von dem Flächenschwerpunkt 38 der Grundfläche 36 ausgehende vertikale Achse. Die in Fig. 6d gezeigte Erhebung 30 resultiert dabei aus einer isotropen Skalierung, bei der die Fläche in allen Richtungen senkrecht zu der Extrusionsrichtung gleichermaßen zu der Extrusionsachse hin zusammengeschrumpft wird. Fig. 6e zeigt ebenfalls eine ausgehend von der Grundfläche 36 von Fig. 6a extrudierte Erhebung 30, bei der allerdings eine anisotrope Skalierung erfolgt, d.h. Fläche wird in verschiedenen Richtungen senkrecht zu der Extrusionsrichtung verschieden stark skaliert. Die Erhebung 30 von Fig. 6e entspricht außerdem einer Erhe- bung, die entlang einer von der Vertikalen um einen geringen Winkelbetrag abweichenden Achse extrudiert wurde. Der Flächenschwerpunkt 38 der Deckfläche 40 der resultierenden Erhebung 30 in Fig. 6e ist dementsprechend im Gegensatz zu dem Flächenschwerpunkt 28 der Deckfläche 40 in Fig. 6d gegenüber dem Flächenschwerpunkt 38 der Grundfläche 36 horizontal verschoben.
Fig. 6f und Fig. 6g zeigen jeweils eine ausgehend von der in Fig. 6b gezeigten ellipsenförmigen Grundfläche 36 extrudierte Erhebung 30, wobei die in Fig. 6f gezeigte Erhebung 30 aus einer isotropen und die in Fig. 6g ge- zeigte Erhebung aus einer anisotropen Skalierung der Fläche in Extrusionsrichtung resultiert.
Fig. 6h und Fig. 6i zeigen jeweils eine ausgehend von der in Fig. 6c gezeigten Grundfläche 36 extrudierte Erhebung 30, wobei die in Fig. 6h gezeigte Erhebung 30 aus einer isotropen und die in Fig. 6i gezeigte Erhebung aus einer anisotropen Skalierung der Fläche in Extrusionsrichtung resultiert.
Fig. 7a-i zeigen weitere beispielhafte Erhebungen 30, die durch geometrische Rotation einer Grundfläche 36 erzeugbar sind. Fig. 7a-c zeigen dabei jeweils unterschiedliche Grundflächen 36, nämlich eine polygonförmige Grundfläche 30 in der Fig. 7a, eine halb-ellipsenförmige Grundfläche 30 in der Fig. 7b und eine frei gewählte Grundfläche 30 in der Fig. 7c. Eine Randlinie der Grundflächen 36 bildet dabei jeweils die Rotationsachse 42 für die Rotation.
Fig. 7d und Fig. 7e zeigen jeweils Erhebungen 30, die ausgehend von der polygonförmigen Grundfläche 36 in Fig. 7a erzeugt werden, wobei gemäß der Fig. 7d der Rotationskörper ausschließlich durch Rotation erzeugt wird und gemäß der Fig. 7e der entstandene Rotationskörper nochmals bezüglich der Grundfläche 36 und der darauf senkrecht stehenden Richtung anisotrop skaliert wird.
Fig. 7f und Fig. 7g zeigen jeweils Erhebungen 30, die ausgehend von der halb-ellipsenförmigen Grundfläche 36 in Fig. 7b erzeugt werden, wobei in der Fig. 7f der Rotationskörper ausschließlich durch Rotation erzeugt wird und in der Fig. 7g der entstandene Rotationskörper nochmals bezüglich der Grundfläche 36 und der darauf senkrecht stehenden Richtung anisotrop skaliert wird. Fig. 7h und Fig. 7i zeigen jeweils Erhebungen 30, die ausgehend von der Grundfläche 36 in Fig. 7c erzeugt werden, wobei in der Fig. 7h der Rotationskörper ausschließlich durch Rotation erzeugt wird und in der Fig. 7i der entstandene Rotationskörper nochmals bezüglich der Grundfläche 36 und der darauf senkrecht stehenden Richtung anisotrop skaliert wird Bezugszeichenliste
10 Elektrolysezelle
12 Kathode
14 Schicht aus flüssigem Aluminium
15 Grenzfläche
16 Schmelzeschicht
18 Anode
20 Stromschiene
22 Stromabführung
24 Anodenblock
26 Anodenbaum
28 Stromzuführung
30 Erhebung
32 Symmetrieebene
34 Peak
36 Grundfläche
37 Nut
38 Flächenschwerpunkt
39 Pfeil
40 Deckfläche
42 Rotationsachse
X Längsrichtung der Elektrolysezelle y Querrichtung der Elektrolysezelle

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18), wobei die Kathode (12) an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen (30) gebildete Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung der Kathode (12) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ( 16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche ( 15) vorliegenden Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz- Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit - anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ( 16) vorliegt.
2. Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18), wobei die Kathode (12) an ihrer Oberseite eine aus zwei oder mehr Erhebungen (30) gebildete Oberflächenprofilierung aufweist, wobei die Oberflächenprofilierung der Kathode (12) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ( 16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche ( 15) vorliegenden Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz- Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit - anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, wobei die Referenzkathode bezüglich deren Höhe in der Elektrolysezelle (10) so angeordnet ist, dass zwischen der Referenzkathode und der Anode (18) dasselbe Volumen für die Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht ( 16) vorgesehen ist wie bei der Elektrolysezelle (10) mit der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ( 16) vorliegt.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens X der Y Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen ist, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwi- sehen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ( 16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche ( 15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den Y höchsten Maximalwerten vorliegen,
wobei X = 4 und Y = 20, bevorzugt X = 6 und Y = 20, besonders bevorzugt X = 10 und Y = 20 und ganz besonders bevorzugt X = 14 und Y = 20 ist und/ oder
wobei X = 2 und Y = 10, bevorzugt X = 3 und Y = 10, besonders bevorzugt X = 5 und Y = 10 und ganz besonders bevorzugt X = 7 und Y = 10 ist und/ oder
wobei X = 1 und Y = 5, bevorzugt X = 2 und Y = 5, besonders bevorzugt X = 3 und Y = 5 und ganz besonders bevorzugt X = 4 und Y = 5 ist.
4. Elektrolysezelle nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
wenigstens eine der an den Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12), welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche ( 15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ein Peak (34) vorliegt, angeordneten Erhebungen (30) ihre maximale Höhe an der Stelle aufweist, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche ( 15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet ist, an welcher der Peak (34) der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials seinen Maximalwert aufweist.
5. Elektrolysezelle nach Anspruch 4,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass alle an den Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12), welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, in denen jeweils in der in der Grenzfläche ( 15) vorliegenden Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials ein Peak (34) vorliegt, angeordneten Erhebungen (30) jeweils ihre maximale Höhe an der Stelle aufweisen, die vertikal unterhalb der Stelle der Grenzfläche ( 15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) angeordnet sind, an welchen die jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ihren Maximalwert aufweisen.
6. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen (30) in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform des jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich ist.
7. Elektrolysezelle nach Anspruch 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die geometrischen Umrissformen aller Erhebungen (30) in Draufsicht zumindest im Wesentlichen der geometrischen Umrissform der jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials in Draufsicht ähnlich sind.
8. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die geometrische Umrissform wenigstens einer der Erhebungen (30) in Draufsicht zumindest abschnittsweise zumindest annähernd po- lygonförmig und/ oder ellipsenförmig ausgestaltet ist, wobei das Polygon insbesondere 3, 4, 5 oder 6 Ecken aufweist.
9. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der Erhebungen (30) eine in Draufsicht betrachtete Umrissform aufweist, die geometrisch einfacher ist als die in Draufsicht betrachtete Umrissform des vertikal über der Erhebung (30) in der Grenzfläche ( 15) angeordneten Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials, wobei die in Draufsicht betrachtete Umrissform der Erhebung (30) bevorzugt eine geringere Anzahl von Ecken und / oder eine geringere Anzahl von Wendepunkten aufweist als die in Draufsicht betrachtete Umrissform des Peaks (34).
10. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dreidimensionale Form wenigstens einer der Erhebungen (30) zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich ist oder dieser entspricht.
11. Elektrolysezelle nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dreidimensionalen Formen aller Erhebungen (30) zumindest im Wesentlichen der dreidimensionalen Form des jeweiligen Peaks (34) der Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials ähnlich sind oder dieser entsprechen.
12. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der Erhebungen (30) eine sich in vertikaler Richtung (z) nach oben hin verjüngende dreidimensionale Form aufweist.
13. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der Erhebungen (30) in vertikaler Richtung (z) nach oben gesehen von einer Deckfläche (40) begrenzt wird, die in Draufsicht betrachtet eine geringere Fläche aufweist als die in Draufsicht betrachtete Grundfläche (36) der Erhebung (30).
14. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der Erhebungen (30) eine dreidimensionale Form aufweist, die ausgehend von der Grundfläche (36) der Erhebung (30) durch Rotation der Grundfläche (36) um eine die Grundfläche (36) begrenzende Rotationsachse (42) erzeugbar ist, wobei die Rotationsachse (42) bevorzugt horizontal verläuft.
15. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Erhebungen (30) eine dreidimensionale Form aufweist, die ausgehend von der Grundfläche (36) der Erhebung (30) durch geometrische Extrusion der Grundfläche (36) der Erhebung (30) in vertikaler Richtung (z) nach oben erzeugbar ist.
16. Elektrolysezelle nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die sich zumindest eine Erhebung (30) in vertikaler Richtung (z) nach oben hin verjüngt.
17. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kathode (12) aus zwei oder mehr Kathodenblöcken zusammen- gesetzt ist und/ oder dass die Anode (18) aus zwei oder mehr Anodenblöcken (24) zusammengesetzt ist.
18. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand zwischen der Anode (18) und der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt.
19. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenprofilierung der Kathode (12) zumindest in einer Richtung unregelmäßig ausgebildet ist.
20. Kathode für eine Aluminium-Elektrolysezelle, deren Oberseite eine Oberflächenprofilierung mit zwei oder mehr zumindest im Wesentlichen in einer ersten Richtung (y) der Kathode (12) verlaufenden ersten Stegen (30) und wenigstens einem zumindest im Wesentlichen in der Richtung (x) senkrecht zu der ersten Richtung (y) der Kathode (12) verlaufenden zweiten Steg (30) aufweist.
21. Kathode nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens zwei ersten Stege (30) zumindest annähernd in Querrichtung (y) der Kathode verlaufen.
22. Kathode nach Anspruch 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberseite der Kathode (12) in Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige Umrissform aufweist, wobei zumindest in einer der vier Ecken der im Wesentlichen rechteckigen Umrissform eine Erhebung (30) der Kathode (12) vorgesehen ist, wobei die Erhebung (30) bevorzugt in Draufsicht eine im Wesentlichen dreieckförmige Umrissform aufweist.
23. Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberseite der Kathode (12) eine Vertiefung in der Form einer, im Querschnitt der Kathode (12) gesehen zumindest im Wesentlichen V-förmigen Wanne aufweist, wobei die wenigstens zwei ersten Stege (30) und der wenigstens eine zweite Steg (30) bevorzugt auf der O- berfläche der im Wesentlichen V-förmigen Vertiefung angeordnet sind.
24. Kathode nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verbindungspunkt zwischen den beiden Schenkeln des Querschnitts der im Wesentlichen V-wannenförmig ausgestalteten Vertiefung, im Querschnitt der Kathode (12) gesehen, zumindest annähernd in der Mitte der Kathode (12) angeordnet ist.
25. Kathode nach Anspruch 23 oder 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Vertiefung über wenigstens 75 %, bevorzugt über wenigstens 90 %, besonders bevorzugt über wenigstens 95 % und ganz besonders bevorzugt über 100 % der Oberfläche der Kathode (12) erstreckt.
26. Kathode nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine zweite Steg (30), in der zweiten Richtung (x) der Kathode (12) gesehen, zumindest annähernd in der Mitte der Kathode (12) angeordnet ist.
27. Kathode nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
die obere Kante zumindest eines der ersten Stege (30) einen, in der Querrichtung (y) der Kathode (12) gesehen, zu der Mitte der Kathode (12) hin zunehmenden Abstand von dem Boden der V-förmigen Wanne aufweist.
28. Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode (12) nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 27, auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht ( 16) und oberhalb der Schmelzeschicht (16) eine Anode (18).
29. Elektrolysezelle nach Anspruch 28,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Anode ( 18) wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Anodenblöcke (24) umfasst und sich zwischen den wenigstens zwei Anodenblöcken (24) eine Fuge erstreckt, wobei zumindest einer der ersten Stege (30) der Kathode (12) vertikal unterhalb und zumindest im Wesentlichen parallel zu der zwischen den zwei Anodenblöcken (24) ausgebildeten Fuge angeordnet ist.
30. Elektrolysezelle nach Anspruch 29,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
der wenigstens eine vertikal unterhalb der Fuge angeordnete erste Steg (30) in Bezug auf die Fuge zumindest annähernd zentriert angeordnet ist.
31. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle (10), insbesondere einer Elektrolysezelle (10) zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht ( 16) eine Anode ( 18) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Ermitteln der in der Grenzfläche ( 15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) der Elektrolysezelle vorliegenden Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials,
Herstellen einer mehrere Erhebungen (30) umfassenden Oberflächenprofilierung auf der Oberseite der Kathode (12), wobei jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig
Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen wird, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ( 16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche (15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit - anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche ( 15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) vor- liegt.
32. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle (10), insbesondere einer Elektrolysezelle (10) zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode (12), auf der Oberseite der Kathode (12) eine Schicht (14) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (16) und oberhalb der Schmelzeschicht ( 16) eine Anode ( 18) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Ermitteln der in der Grenzfläche ( 15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) der Elektrolysezelle (10) vorliegenden Verteilung des Referenz- Wellenbildungspotentials,
Herstellen einer mehrere Erhebungen (30) umfassenden Ober- flächenprofilierung auf der Oberseite der Kathode (12), wobei jeweils eine Erhebung (30) an wenigstens zwei der zwanzig Stellen der Oberfläche der Oberseite der Kathode (12) vorgesehen wird, welche jeweils vertikal unterhalb derjenigen Bereiche der Grenzfläche (15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht ( 16) angeordnet sind, in denen in der in der Grenzfläche ( 15) vorliegenden Verteilung des Referenz-Wellenbildungspotentials die Peaks (34) mit den zwanzig höchsten Maximalwerten vorliegen, wobei ein Referenz-Wellenbildungspotential als das Wellenbildungspotential definiert ist, welches bei dem Betrieb der Elektrolysezelle (10) mit - anstelle der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung - einer Referenzkathode ohne Oberflächenprofilierung, aber ansonsten gleicher Ausgestaltung wie der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, wobei die Referenzkathode bezüglich deren Höhe in der Elektrolysezelle (10) so angeordnet ist, dass zwischen der Referenzkathode und der Anode (18) dasselbe Volumen für die Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und die Schmelzeschicht ( 16) vorgesehen ist wie bei der Elektrolysezelle (10) mit der Kathode (12) mit Oberflächenprofilierung, an einer Stelle in der Grenzfläche ( 15) zwischen der Schicht (14) aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht (16) vorliegt.
33. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 31 oder 32 zur Herstellung einer Elektrolysezelle (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 19.
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