WO2013068485A1 - Elektrolysezelle, insbesondere zur herstellung von aluminium, mit einer wannenförmigen kathode - Google Patents

Elektrolysezelle, insbesondere zur herstellung von aluminium, mit einer wannenförmigen kathode Download PDF

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WO2013068485A1
WO2013068485A1 PCT/EP2012/072170 EP2012072170W WO2013068485A1 WO 2013068485 A1 WO2013068485 A1 WO 2013068485A1 EP 2012072170 W EP2012072170 W EP 2012072170W WO 2013068485 A1 WO2013068485 A1 WO 2013068485A1
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edge regions
region
width
longitudinal
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PCT/EP2012/072170
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Thomas Frommelt
Arash RASHIDI
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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

  • Electrolysis cell in particular for the production of aluminum
  • 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, Na 3 [AIF 6 ] serves to lower the melting point from 2045 ° C. for pure aluminum oxide to approximately 950 ° C. for a mixture containing cryolite, aluminum oxide and additives such as aluminum fluoride and calcium fluoride.
  • the electrolytic cell used in this method has a cathode bottom, which may be composed of a plurality of adjacent, forming the cathode cathode blocks.
  • the cathode is usually composed of a carbonaceous material.
  • On the undersides of the cathode blocks are usually provided in each case grooves, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is dissipated.
  • layer of liquid aluminum is formed, in particular of individual anode blocks, anode, between the and the surface of the aluminum, the electrolyte, ie the alumina and Cryolite-containing melt is located.
  • the aluminum formed is due to its compared to the of the electrolyte of greater density below the electrolyte layer, ie as an intermediate layer between the top of the cathode and the electrolyte layer.
  • the dissolved in the melt aluminum oxide is split by electric current flow to aluminum and oxygen.
  • the layer of liquid aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface.
  • the term 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 process is that it is very energy intensive. To produce 1 kg of aluminum about 12 to 15 kWh of electrical energy is needed, which accounts for up to 40% of the manufacturing cost. In order to reduce the manufacturing costs, it is therefore desirable to reduce the specific energy consumption in this process as much as possible. Due to the relatively high electrical resistance of the melt, in particular in comparison with the layer of liquid aluminum and the cathode material, relatively high ohmic losses in the form of Joule dissipation occur, especially in the melt. In view of the relatively high melt specific losses, there is a desire to reduce as much as possible the thickness of the melt layer and thus the distance between the anode and the layer of liquid aluminum.
  • the driving force for the wave formation in the layer of liquid aluminum is the inhomogeneous distribution of the electric current density and the magnetic flux density over the surface of the cathode, which leads to a wave formation favorable distribution of the Lorentz force density in the layer of liquid aluminum.
  • the Lorentz force density is defined as the vector product of the electrical current density present at a specific location and the magnetic flux density present at this location.
  • One of the reasons for the inhomogeneous distribution of the electric current density and the magnetic flux density at the top of the cathode is that the current in the cathode and in the aluminum bath preferably takes the path of the lowest electrical resistance.
  • the electric current flowing through the cathode typically concentrates primarily on the lateral edge regions of the cathode, where the connection of the cathode with the contact rails contacting them, since the resulting electrical resistance in the flow of current across the edge regions to the surface of the cathode is less than the flow of current across the center of the cathode to the surface of the cathode, in which a longer path or electrical path must be covered than in the flow of current over the edge regions to the surface of the cathode.
  • the inhomogeneous current density distribution and in particular the increased current Dense at the lateral edge areas of the cathode viewed in the transverse direction of the cathode compared to the current density in the middle of the cathode also to increased wear of the cathode in the lateral edge regions, which typically after a long operation of the electrolytic cell to a characteristic see in cross section of the cathode about W-shaped wear profile of the cathode leads.
  • V-shaped tub are configured.
  • the depression formed in the form of a V-shaped well in the cathode surface causes the current density in the lateral edge regions of the cathode to be reduced, thereby reducing the wave formation potential and also the wear in these regions.
  • busbars contacting the cathode usually have busbars with one or more busbars external power supply lines are connected, wherein the distance between the end of the outer power supply and the ends facing the individual busbars differs, so that the electrical path from the external power supply to the point at which a single busbar contacts the bottom of the cathode for different busbars is different lengths. Longer electrical paths, however, have a higher electrical resistance than shorter electrical paths for a given material.
  • the electric current flow is favored by those busbars, the bottom of the cathode contacting point is closer to the outer power supply, which is why in the arranged over these busbar edge regions or longitudinal sections of the cathode, a larger current flow than in the edge regions or longitudinal sections of the cathode lying over a busbar, the bottom of the cathode contacting point is further away from the external power supply.
  • the object of the present invention is therefore to provide an electrolytic cell which has a reduced specific energy consumption and an increased service life during its operation.
  • an electrolytic cell is to be provided, in which the thickness of the melt layer is reduced, without as a result of increased wave formation tendency in the layer of liquid aluminum instabilities, such as short circuits or reoxidations of aluminum formed or fluctuations of the electrolysis cell voltage occur.
  • an electrolysis cell which comprises a cathode, a layer of liquid aluminum arranged on top of the cathode, a melt layer above it Melting layer, an anode, at least one and preferably at least two of the cathode of the underside supplying current contacting busbar (s) and at least one outer Power supply comprises, wherein each of the at least one outer Stromzuture- tion at each connection point with at least one and preferably at least two of the busbar (s) is electrically connected, wherein the top of the cathode in cross-section of the cathode is designed trough-shaped, said Sump has two edge regions and one seen in the width direction of the cathode, arranged between the edge regions and lowered relative to the edge regions bottom region, wherein between the two edge regions and the bottom region each one the corresponding edge region and the bottom region connecting side wall region is provided, wherein i )
  • the width of the bottom region or of an edge region of the top side of the cathode is understood to mean the extent of the bottom region or edge region measured in the width direction of the cathode, that is to say the distance from the-viewed in the cross-section of the cathode or in FIG the widthwise direction of the cathode - one end of the bottom area or edge area to the other end of the floor area or edge area.
  • the phrase "the height of the top of the cathode from the bottom of the cathode” refers to the distance of any point on the top of the cathode from the point vertically below that point on the bottom of the cathode.
  • external power supply is understood to mean any electrical conductor which is arranged outside the cathode is and leads to the power rail (s) or leads away from them.
  • the external power supply to the busbar (s) (s) can be connected directly via a respective connection point or be connected to the or the busbar (s) indirectly via an arranged between the outer power supply and the busbars busbar.
  • connection point is understood to be the point at which the external power supply is connected to the busbar connected to the busbars.
  • connection point between the at least one and preferably at least two busbars and the external power supply denotes the point at which the busbar (s) electrically or conductively connected to the external power supply line (directly or indirectly) ( n) outgoing electrical paths converge and pass into the external power supply.
  • electrical path denotes the current path of the lowest electrical resistance between two points.
  • a cathode having the cross-sectional shape of a trough with a varying width and / or height of the bottom region and / or the edge regions of the trough over the length of the cathode, a comparison of the electric current density and the magnetic flux density at the top side of the trough Cathode is reached, not only viewed over the cross section of an insulated longitudinal section of the cathode, but in particular also over the entire surface of the cathode, ie both in the longitudinal direction and in the width direction of the cathode.
  • the cathode material has a low conductivity compared with the layer of liquid aluminum disposed thereabove, and therefore, the current flow in the bottom portion of the trough-shaped cross section is favored as compared with the edge portions of the cathode opposite the bottom portion.
  • the flow of current in this longitudinal section as a whole is favored, whereas the current flow in one longitudinal section
  • the bottom of the cathode contacting point is closer to the outer power supply, by broadening the edge regions and / or increase the Edge regions and / or bottom regions are reduced and the flow of current through those longitudinal sections of the cathode, which are arranged above busbars, the bottom of the cathode contacting point is further away from the external power supply, by reducing the width of the edge regions and / or reducing the height the edge areas and / or floor areas are increased, so that the current flow and the magnetic flux through the individual longitudinal sections of the cathode, regardless of their distance from the external power supply, can be made uniform.
  • the electrolysis cell according to the invention has a reduced specific energy consumption and an increased service life during its operation.
  • the thickness of the melt layer can be reduced without instabilities, such as short circuits or reoxidations of the aluminum formed or fluctuations in the electrolysis cell voltage, occurring as a result of increased wave formation tendency in the layer of liquid aluminum.
  • At least one edge region of the cathode comprises at least two longitudinal sections each having a different width, wherein the longitudinal section of the edge region, which is connected via the shortest electrical path to the connection point closest to it, has the largest width of all longitudinal sections of the edge region.
  • the connection point closest to a longitudinal section of an edge region is that connection point between at least one and preferably at least two bus bars and the external power supply, which is connected via the shortest electrical path with the longitudinal portion of the cathode.
  • the edge region is formed widened in that longitudinal portion having the shortest electrical path to the nearest connection point, the electrical resistance of this longitudinal section of the cathode is increased compared to the electrical resistances of the other longitudinal sections, so that the current flow through reduces this longitudinal portion of the cathode and is increased by the other longitudinal sections of the cathode, so that - seen over the individual longitudinal sections of the cathode - a uniform current density distribution is achieved.
  • At least one of a plurality of longitudinal sections of the edge region or edge regions having mutually different widths can have a uniform width over the respective longitudinal section and / or the width of at least one longitudinal section can be from its longitudinal end closer to the nearest connection point to the farther edge Gradually remove longitudinal end.
  • the widths of all longitudinal sections of the edge region or of the edge regions with mutually different widths are constant, so that one of the edge regions or both edge regions of the cathode are stepped or staircase-shaped relative to their width, or take the widths of all longitudinal sections of the Edge region or the edge regions with mutually different width of their closer to the nearest connection point longitudinal side end to the farther side longitudinal end gradually.
  • a particularly uniform distribution of the electric current density across the surface of the cathode is achieved if at least one edge region of the cathode comprises at least three longitudinal sections, each having a different width, each of the longitudinal sections, which over a longer electrical path is connected to the nearest connection point as another longitudinal portion, has a smaller width than the other longitudinal portion.
  • the bottom area of the cathode comprises at least two longitudinal sections each having a different width, the longitudinal section of the floor area being connected via the shortest electrical path to its closest connection point, has the smallest width of all longitudinal sections of the bottom portion.
  • one or more longitudinal sections of the floor area with mutually different widths may have a uniform width across the respective longitudinal section and / or the width of at least one or more longitudinal sections may be from its longitudinal side closer to the nearest connection point Gradually remove the end to the more distant longitudinal end.
  • the widths of all longitudinal portions of the bottom portion are different from each other in width, so that the bottom portion of the cathode is stepped or staircase-shaped relative to the width thereof, or that the widths all longitudinal sections of the floor area with each other different width gradually decrease from its closer to the nearest connection point longitudinal side end to the farther side lying far end.
  • the bottom region of the cathode comprises at least three longitudinal sections, each having a different width, wherein each of the longitudinal sections, which is connected via a longer electrical path with its closest connection point than another longitudinal section, a greater width than the other longitudinal section.
  • each of the longitudinal sections which is connected via a longer electrical path with its closest connection point than another longitudinal section, a greater width than the other longitudinal section.
  • At least one edge region of the cathode comprises at least two longitudinal sections, each having a different height, wherein the longitudinal portion of the edge region of the cathode, which is connected via the shortest electrical path to the nearest connection point, the largest from the bottom the cathode has a certain height of all longitudinal sections of the edge region.
  • the abovementioned embodiments can also be combined with one another, for example in such a way that the edge region of the cathode in the longitudinal section, which is connected via the shortest electrical path to the nearest connecting point is connected, has a greater width and a greater height than those longitudinal sections which are connected via a longer electrical path to the nearest connection point.
  • the bottom portion of the cathode comprises at least two longitudinal sections each having different height, wherein the longitudinal portion of the bottom portion of the cathode, which is connected via the shortest electrical path to the nearest connection point, the largest of the Bottom of the cathode has a certain height of all longitudinal sections of the bottom portion.
  • At least one of a plurality of longitudinal sections of one of the edge regions, the two edge regions and / or the bottom region having mutually different heights may have a height which is uniform over the respective longitudinal section and / or the height of at least one longitudinal section may be from its longitudinal side closer to the closest connection point Gradually remove the end to the more distant longitudinal end.
  • the heights of all longitudinal sections of one of the edge regions, the two edge regions or the bottom region are constant with mutually different height, so that one of the edge regions, both edge regions or the bottom region of the cathode - based on its / their height - step or trep - Are designed pen-shaped, or take the heights of all longitudinal sections of one of the edge regions, the edge regions or the bottom region with different height from their closer to the nearest connection point longitudinal side end to the farther away longitudinal end gradually.
  • the height of the cathode top side - seen in the longitudinal direction of the cathode - varies for the edge region and the bottom region of one or more longitudinal sections in the opposite direction, that is, for example, the height of both edge regions of a L Lucassab- section is greater than however, the height of the bottom region of this longitudinal section is smaller than that of the bottom regions of the adjacent longitudinal sections.
  • the height of the edge portions and the height of the bottom portion of each longitudinal portion of the cathode vary in the same direction, that is, the height of both the edge portions and the bottom portion of each longitudinal portion of the cathode are larger or smaller than those of the edge portions and the bottom portion of the adjacent longitudinal portions ,
  • a particularly high uniformity of the distribution of the electric current density at the cathode top is achieved if the edge region of the cathode comprises at least three longitudinal sections, each of different height, each of the longitudinal sections, which connected via a longer electrical path with the nearest connection point for him is as a different longitudinal section, a lower height than the other longitudinal section has up.
  • the bottom region of the cathode may comprise at least three longitudinal sections, each of different height, each of the longitudinal sections being connected to the nearest connection point via a longer electrical path than another longitudinal section has lower height than the other longitudinal section.
  • a particularly favorable distribution of the electric current density can be achieved if the ratio of the maximum to the minimum width of at least one of the edge regions of the cathode is between 2: 1 and 1:05: 1, preferably between 1.5: 1 and 1.05: 1 and particularly preferably between 1.3: 1 and 1.05: 1 and / or the ratio of the maximum to the minimum height of at least one of the edge regions of the cathode between 2: 1 and 1.05: 1, preferably between 1, 5: 1 and 1, 05: 1 and more preferably between 1, 3: 1 and 1, 05: 1 and / or the ratio of the maximum to the minimum width of the bottom portion of the cathode between 2: 1 and 1, 05: 1 , preferably between 1.5: 1 and 1.05: 1 and more preferably between 1.3: 1 and 1.05: 1 and / or the ratio of the maximum to the minimum height of the bottom region of the cathode is between 2: 1 and 1, 05: 1, preferably between 1: 5 and 1, 05: 1 and more preferably between 1, 3: 1 and 1,
  • the difference between the maximum height in the edge regions of the cathode and the minimum height in the edge regions of the cathode and / or the difference between the maximum height in the bottom region of the cathode and the minimum height in the bottom region of the cathode preferably less than 30 cm, more preferably less than 20 cm and most preferably not more than 10 cm.
  • the difference between the maximum height in the edge portions of the cathode and the minimum height in the bottom portion of the cathode is at most 50% of the distance between the highest positions on the cathode top and the cathode bottom.
  • the difference between the maximum width of the bottom region and the minimum width of the bottom Preferably, less than 30 cm, more preferably less than 20 cm and most preferably less than 10 cm, is considered over the entire longitudinal extent of the cathode.
  • the difference between the maximum width of the bottom portion and the minimum width of the bottom portion - as viewed over the entire length of the cathode - is at most 20% and more preferably at most 10% of the cathode length.
  • the electrolytic cell comprises at least two power rails contacting the cathode from their underside, each of the at least one external power supply being electrically conductively connected to at least two of the busbars at each connection point, and the at least two of the cathode of the underside of the current supplying contacting busbars are arranged parallel and at a fixed distance from each other, extend over the entire width of the cathode and the cathode of the underside contact strom foid, the individual busbars with one or both of their ends each with a busbar electrically are conductively connected and the busbar (s) is electrically connected to one or more external power supply lines / are.
  • the individual bus bars can be arranged parallel and at a fixed distance from each other, but do not extend over the entire width of the cathode.
  • the individual busbars can extend over only about half the width of the cathode.
  • the busbars are quasi multi-piece, each of these two successively arranged busbars with their cathode edge facing end possibly via a busbar with an external power supply are connected.
  • the electrolytic cell comprises 2 to 60, preferably 10 to 48, more preferably 16 to 40, most preferably 20 to 40 and most preferably 36 in parallel and at a fixed distance from each other across the entire width of Cathode extending and the cathode of the underside current supplying contacting busbars and 2 to 6 external power supply lines.
  • the cathode of the electrolysis cell can be composed, for example, of 2 to 60, preferably 10 to 48, particularly preferably 16 to 40, very particularly preferably 20 to 40 and most preferably 36 cathode blocks arranged next to one another, wherein each of the cathode blocks has at least one on its underside has in the longitudinal direction of the cathode block or in the width direction of the cathode extending groove in which at least one bus bar is arranged.
  • each of the grooves has a rectangular cross-section and having a varying depth over its length, each of the grooves having a smaller depth at its longitudinal end than at its center.
  • a groove - viewed in cross-section of the cathode - for example, have a substantially triangular shape.
  • At least one of the two edge regions and preferably both edge regions of the cathode - viewed in cross-section of the cathode and in the width direction of the cathode - sloping towards the center of the cathode extends / run, wherein the inclination angle of the edge region or the edge regions relative to the horizontal plane preferably between 2 ° and 45 °, more preferably between 3 ° and 20 ° and most preferably between 10 ° and 15 ° is.
  • At least one of the two edge regions and preferably both of the edge regions over at least 30%, preferably over at least 50%, more preferably over at least 75% and most preferably over 100% whose / their width - in the cross section of the cathode and viewed in the width direction of the cathode - towards the center of the cathode down sloping runs / run.
  • at least one of the edge regions can also run substantially horizontally.
  • the bottom region of the cathode extends at least partially flat, wherein the surface of the bottom region relative to the plane extending in the vertical direction at an angle between -20 ° and 20 °, preferably between -10 ° and 10 ° and particularly preferred of 0 °.
  • the width of at least one of the bottom region and the edge regions varies over at least 25%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 75%, particularly preferably at least 90% and most preferably approximately 100% of the length of the cathode, and / or ii) the height of the upper side of the cathode determined from the lower side of the cathode over at least 25%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 75%, particularly preferably at least 90% and most preferably approximately 100% of the length of the Cathode varies.
  • a further subject of the present invention is a cathode for an electrolytic cell, in particular for an electrolytic cell for the production of aluminum, wherein the top side of the cathode is designed trough-shaped in the cross-section of the cathode, wherein the trough has two edge regions and, viewed in the width direction of the cathode, between the two edge regions and the bottom region each has a side wall region connecting the corresponding edge region and the bottom region, where i) the width of at least one of the bottom region and the edge regions over the Length of the cathode varies, and / or ii) varies from the bottom of the cathode certain height of the top of the cathode over the length of the cathode.
  • FIG. 1 is a perspective view of a portion of a cathode of FIG.
  • Electrolytic cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a cathode of an electrolytic cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a cathode of an electrolytic cell according to another embodiment of the present invention.
  • 3a is a partially cutaway perspective view of a cathode of an electrolytic cell according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 3b is a front view of the cathode of Fig. 3a and
  • FIG. 4 is a plan view of an electrolytic cell according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a cathode 10 of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention.
  • the composite of a carbonaceous material cathode 10 has an upper surface 12, on which in the operation of the electrolytic cell, for example, according to the Hall-Heroult process, the layer of liquid aluminum of the electrolytic cell is arranged.
  • the cathode 10 is composed of a plurality of cathode blocks arranged side by side, viewed in the longitudinal direction y of the cathode, the longitudinal directions of the individual cathode layers being arranged one behind the other. Blocke each extend in the width direction x of the cathode 10.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a cathode 10 of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention.
  • the composite of a carbonaceous material cathode 10 has an upper surface 12, on which in the operation of the electrolytic cell, for example, according to the Hall-Heroult process, the layer of liquid aluminum of the electrolytic cell is
  • the bus bars which contact the cathode 10 from its underside 14 in a current-supplying manner and are electrically conductively connected to at least one external power supply, are not shown in FIG.
  • the busbars are preferably each inserted in a groove which is provided in each cathode block and runs in the width direction x of the cathode 10, ie in the longitudinal direction of the respective cathode block.
  • the top 12 of the cathode 10 - viewed in cross-section of the cathode 10 - trough-shaped, wherein the trough two edge regions 16, 16 'and, seen in the width direction x of the cathode 10, between the edge regions 16, 16 'arranged and relative to the edge regions 16, 16' lowered bottom portion 18, wherein between the edge regions 16, 16 'and the bottom portion 18 each have a corresponding edge region 16, 16' and the bottom portion 18 connecting side wall portion 20, 20 ' is provided.
  • both the edge regions 16, 16 'and the bottom portion 18 and the side wall portions 20, 20' of the top 12 are covered by the layer of liquid aluminum.
  • the edge regions 16, 16 ', the bottom region 18 and the side wall regions 20, 20' of the cathode 10 are preferably dimensioned so that the bath volume, ie the volume between the top of the cathode 10 and the bottom of the anode, at least approximately the bath volume of a a conventional cathode having electrolytic cell corresponds.
  • the edge regions 16, 16 'of the cathode 10 shown in FIG. 1 have a width b measured in the width direction x of the cathode 10, which-as can be seen from FIG. 1-varies over the length measured in the longitudinal direction y of the cathode 10. More precisely, the sections of the edge regions 16, 16 'shown in FIG. 1 have five longitudinal sections L1-L5, wherein the width b of the edge regions 16, 16' half of each longitudinal section L1-L5 is the same in each case and varies from longitudinal section L1-L5 to longitudinal section L1-L5, in such a way that, viewed in the longitudinal direction y of the cathode 10, stepped variation of the widths b of the edge areas 16, 16 'results.
  • the cathode 10 shown in FIG. 1 is symmetrical to its parallel to the longitudinal direction y extending central longitudinal plane configured and the width b of the bottom portion 18 thus also varies in the longitudinal direction y of the cathode 10 as the edge portions 16, 16 '.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a cathode 10 for an electrolysis cell in a partially sectioned perspective view.
  • This embodiment is similar to the embodiment shown in FIG. 1, in that the cathode 10, viewed in cross-section with the cathode 10, is in the shape of a trough, the trough having two edge regions 16, of which in the sectional illustration of FIG only the left one is shown, and one seen in the width direction x of the cathode 10, disposed between the edge regions 16 and lowered relative to the edge regions 16 Bodenbe- rich 18, wherein between the edge regions 16 and the bottom portion 18 each have a corresponding edge region 16 and the bottom portion 18 connecting side wall portion 20 is provided.
  • the cathode 10 viewed in cross-section with the cathode 10 is in the shape of a trough, the trough having two edge regions 16, of which in the sectional illustration of FIG only the left one is shown, and one seen in the width direction x of the cathode 10, disposed between the edge regions 16 and lowered relative to the edge regions 16 Bodenbe- rich 18, wherein between the edge regions 16 and the bottom portion 18 each have a corresponding edge region
  • the width of the edge and bottom regions 16, 18 in the longitudinal direction y of the cathode 10 does not vary, but that of the underside 14 of the cathode 10 from in the vertical direction z measured height h of the top 12 of the cathode 10 in the longitudinal direction y of the cathode 10. More specifically, the section shown in Fig.
  • the top 12 of the cathode 10 has three longitudinal sections L1-L3, wherein the height h of Top 12 of the cathode 10 within each of the longitudinal section L1-L3 - in the longitudinal direction y of the cathode 10 - is the same, but from longitudinal section L1-L3 to Longitudinal section L1 -L3 varies, in such a way that, viewed in the longitudinal direction y of the cathode 10, a stepped variation in the height h of the upper side 12 of the cathode 10 both in the edge regions 16 and in the bottom region 18 and in the side wall regions 20 results.
  • Fig. 3a is a perspective, partially sectioned view of a portion of a cathode 10 according to another embodiment of the present invention is shown, which corresponds substantially to the embodiment shown in FIG. 2, namely in that the height h of the top 12 of the cathode 10 - seen in the longitudinal direction y of the cathode 10 - varies;
  • the cathode shown in Fig. 3a differs from that shown in FIG.
  • the height h of the edge portion 16 on the one hand and the height h of the bottom portion 18 on the other hand vary in the opposite direction, namely the height h of the edge portion 16 in the longitudinal direction y extending from the longitudinal section Li to the longitudinal section L 2 increases, whereas the height h of the bottom section 18 decreases in this direction.
  • FIG. 3b shows the cathode section of FIG. 3b in the longitudinal direction y viewed from the front of the cathode 10 and illustrates the oppositely directed change in the height h of the edge region 16 and the bottom region 18.
  • the dashed line shows that of FIG Longitudinal section Li of the cathode 10 hidden course of the longitudinal section L 2 .
  • an electrolytic cell according to an embodiment of the present invention is shown in plan view.
  • the anode structure and the part of the power supply connected to the anode structure are not shown to the view on the cathode 10 and the underlying or adjacent components release.
  • the cathode 10 has in cross-section the shape of a trough with two edge areas 16, 16 ', with a floor area 18 and with side wall areas 20, 20' arranged between the floor area 18 and the edge areas 16, 16 '.
  • the cathode 10 itself corresponds to the embodiment shown in FIG. 1, in particular insofar as the cathode 10 shown in FIG. 4 has a plurality of longitudinal sections Li to L 9 , wherein the width b of the individual edge regions 16, 16 'and of the bottom region 18 in the longitudinal direction y, the cathode 10 vary.
  • the electrolysis cell comprises nine busbars 22, 22 'designed in the form of a bar, which in each case contact the cathode 10 in a current-supplying manner from its underside and extend with their longitudinal direction in each case in the width direction x of the electrolysis cell.
  • the electrolysis cell comprises two bus bars 24, 24 ', which are arranged so that each of these bus bars 24, 24' is connected to one end of each busbar 22, 22 '. Accordingly, the bus bars 24, 24 'in the longitudinal direction y are laterally offset from the cathode 10.
  • Each busbar 24, 24 ' are each associated with two external power supply lines 26, 26' and 26 “, 26"', through which the power rails 22, 22' arranged on the underside 14 of the cathode 10 are supplied from outside.
  • the outer power supply lines 26, 26 ', 26 ", 26”' each at a connection point 28, 28 ', 28 ", 28”' with one of the bus bars 24, 24 'and thereby at this point indirectly with the with this Busbar 24, 24 'connected busbars 22, 22' connected.
  • a longitudinal section L1-L9 of the cathode 10 having a shorter electrical path P1-P3 to this longitudinal section Li to L 9 nearest connection point 28, 28 ', 28 ", 28"' has, in its edge regions 16, 16 'a greater width b than a longitudinal section L1-L9 of the cathode 10 having a longer electrical path to the longitudinal section nearest this connection point 28, 28 ', 28 ", 28"'.
  • a longitudinal section L1-L9 of the cathode 10 having a shorter electrical path P1-P3 to this longitudinal section Li to L 9 nearest connection point 28, 28 ', 28 ", 28"' has, in its bottom portion 18 a smaller width b as a longitudinal section L1-L9 of the cathode 10 having a longer electrical path to the connection point 28, 28 ', 28 ", 28"' nearest this longitudinal section.

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Abstract

Eine Elektrolysezelle, welche insbesondere zur Herstellung von Aluminium geeignet ist, umfasst eine Kathode, eine auf der Oberseite der Kathode angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht, oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode, wenigstenseine und bevorzugt wenigstens zwei die Kathode von deren Unterseite stromzuführend kontaktierende Stromschiene(n) und wenigstens eine äußere Stromzuführung, wobei jede der wenigstens einen äußeren Stromzuführung an jeweils einem Verbindungspunkt mit jeweils wenigstens einer und bevorzugt wenigstens zwei der Stromschiene(n) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Oberseite der Kathode im Querschnitt der Kathode betrachtet wannenförmig ausgestaltet ist, wobei die Wanne zwei Randbereiche und einen,in Breitenrichtung der Kathode gesehen, zwischen den Randbereichen angeordneten und bezogen auf die Randbereiche abgesenkten Bodenbereich aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen und dem Bodenbereich jeweils ein den entsprechenden Randbereich und den Bodenbereich verbindender Seitenwandbereich vorgesehen ist, wobei i) die Breite wenigstens eines des Bodenbereichs und der Randbereiche über die Länge der Kathode variiert, und/oder ii) die von der Unterseite der Kathode aus bestimmte Höhe der Oberseite der Kathode über die Länge der Kathode variiert.

Description

Elektrolvsezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium,
mit einer wannenförmigen Kathode
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 Alu- minium, 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[AIF6], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045 °C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950 °C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Alumini- umfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.
Die bei diesem Verfahren eingesetzte Elektrolysezelle weist einen Kathodenboden 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 Kathodenblöcke 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, insbesondere aus einzelnen Anodenblöcken ausgebildete, Anode angeordnet, zwischen der und der Oberfläche des Aluminiums sich der Elektrolyt, also die Aluminiumoxid und Kryolith enthaltende Schmelze, befindet. Während der bei etwa 1 .000 °C durchgeführten Elektrolyse setzt sich das gebildete Aluminium aufgrund seiner im Vergleich zu der des Elektrolyten größeren Dichte unterhalb der Elektrolytschicht ab, also als Zwischenschicht zwischen der Oberseite der Kathode und der Elektrolytschicht. Bei der Elektrolyse wird das in der Schmelze gelöste Aluminiumoxid durch elektrischen Stromfluss zu Aluminium und Sauerstoff aufgespalten. Elektrochemisch gesehen handelt es sich bei der Schicht aus flüssigem Aluminium um die eigentliche Kathode, da an dessen Oberfläche Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert werden. Nichtsdestotrotz wird nachfolgend unter dem Begriff Kathode nicht die Kathode aus elektrochemischer Sicht, also die Schicht aus flüssigem Aluminium verstanden, sondern das den Elektrolysezellenboden ausbildende, beispielsweise aus einem oder mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzte Bauteil.
Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Heroult-Verfahrens ist es, dass dieses sehr energieintensiv ist. Zur Erzeugung von 1 kg Aluminium werden etwa 12 bis 15 kWh elektrische Energie benötigt, was bis zu 40 % der Herstellungskosten ausmacht. Um die Herstellungskosten senken zu können, ist es daher wünschenswert, den spezifischen Energieverbrauch bei diesem Verfahren so weit wie möglich zu verringern. Aufgrund des insbesondere im Vergleich zu der Schicht aus flüssigem Aluminium und dem Kathodenmaterial relativ hohen elektrischen Widerstands der Schmelze treten vor allem in der Schmelze relativ hohe ohmsche Verluste in der Form von Joule'scher Dissipation auf. In Anbetracht der vergleichsweise hohen spezifischen Verluste in der Schmelze besteht eine dahingehende Bestrebung, die Dicke der Schmelzeschicht und somit den Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium so weit wie möglich zu reduzieren. Allerdings besteht aufgrund der bei der Elektrolyse vorliegenden elektromagnetischen Wechselwirkungen und der dadurch in der Schicht aus flüssigem Aluminium hervorgerufenen Wellenbildung bei einer zu geringen Dicke der Schmelzeschicht die Gefahr, dass die Schicht aus flüssigem Aluminium mit der Anode in Berührung kommt, was zu Kurzschlüssen der Elektrolysezelle und zu unerwünschter Rückoxidation des gebildeten Aluminiums sowie zur elektrischen Instabilität des Elektrolysebetriebs und insbesondere einer Fluktuation der Zellenspannung führen kann. Auftretende Kurzschlüsse führen ferner zu einem erhöhten Verschleiß und somit zu einer ver- ringerten Standzeit der Elektrolysezelle. Aus diesen Gründen kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium nicht beliebig verringert werden.
Treibende Kraft für die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium ist die inhomogene Verteilung der elektrischen Stromdichte und der magnetischen Flussdichte über die Oberfläche der Kathode, die zu einer die Wellenbildung begünstigenden Verteilung der Lorentzkraftdichte in der Schicht aus flüssigem Aluminium führt. Dabei ist die Lorentzkraftdichte als das Vektorprodukt der an einer bestimmten Stelle vorliegenden elektrischen Stromdichte und der an dieser Stelle vorliegenden magnetischen Flussdichte definiert. Ursache für die inhomogene Verteilung der elektrischen Stromdichte und der magnetischen Flussdichte an der Oberseite der Kathode wiederum ist es unter anderem, dass der Strom in der Kathode und in dem Aluminiumbad vorzugsweise den Pfad des geringsten elektrischen Widerstandes nimmt. Aus diesem Grund konzentriert sich der durch die Kathode fließende elektrische Strom typischerweise vornehmlich auf die seitlichen Randbereiche der Kathode, wo die Verbindung der Kathode mit den diese kontaktierenden Stromschienen erfolgt, da der resultierende elektrische Widerstand bei dem Stromfluss über die Randbereiche bis zu der Oberfläche der Kathode geringer ist als bei dem Stromfluss über die Mitte der Kathode bis zu der Oberfläche der Kathode, bei dem ein längerer Weg bzw. elektrischer Pfad zurückgelegt werden muss als bei dem Stromfluss über die Randbereiche bis zu der Oberfläche der Kathode.
Neben einer verstärkten Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium führt die inhomogene Stromdichteverteilung und insbesondere die erhöhte Strom- dichte an den in Querrichtung der Kathode betrachtet seitlichen Randbereichen der Kathode im Vergleich zu der Stromdichte in der Mitte der Kathode auch zu einem verstärkten Verschleiß der Kathode in den seitlichen Randbereichen, was nach längerem Betrieb der Elektrolysezelle typischerweise zu einem charakteristi- sehen im Querschnitt der Kathode etwa W-förmigen Verschleißprofil der Kathode führt.
Um den spezifischen Energieverbrauch einer Elektrolysezelle zu verringern, ist es in jüngster Zeit vorgeschlagen worden, in Elektrolysezellen Kathoden einzusetzen, deren Oberseite - im Querschnitt der Kathode betrachtet - in der Form einer
V-förmigen Wanne ausgestaltet sind. Dabei führt die in der Form einer V-förmigen Wanne ausgebildete Vertiefung in der Kathodenoberfläche dazu, dass die Stromdichte in den seitlichen Randbereichen der Kathode verringert wird, wodurch in diesen Bereichen das Wellenbildungspotential und auch der Verschleiß verringert werden.
Auch bei Einsatz einer solchen wannenförmigen Kathode tritt aber in der Schicht aus flüssigem Aluminium eine unerwünscht hohe Wellenbildung auf, die bei einer geringen Dicke der Kryolithschicht zwischen dem Aluminium und der Anode zu Instabilitäten führt und die die erreichbare Energieeffizienz bei der Elektrolyse beschränkt. Zudem findet auch bei der Verwendung einer solchen Kathode während der Elektrolyse an der Oberseite der Kathode ein unerwünscht hoher ungleichmäßiger Verschleiß statt. Diese beiden Faktoren setzen die Standzeit der Elektrolysezelle und somit deren Wirtschaftlichkeit herab. Dies liegt darin begrün- det, dass auch bei der Verwendung einer solchen Kathode - über die Oberfläche der Kathode gesehen - immer noch - auch wenn diese geringer ist als bei einer nicht wannenförmig ausgestalteten Kathode - eine vergleichsweise inhomogene Stromdichteverteilung sowie inhomogene Verteilung der magnetischen Flussdichte vorliegt. Dies liegt unter anderem daran, dass die die Kathode kontaktierenden Stromschienen üblicherweise über Sammelschienen mit einer oder mehreren äußeren Stromzuführungen verbunden sind, wobei sich der Abstand zwischen dem Ende der äußeren Stromzuführung und den diesem zugewandten Enden der einzelnen Stromschienen unterscheidet, so dass der elektrische Pfad von der äußeren Stromzuführung zu dem Punkt, an dem eine einzelne Stromschiene die Unterseite der Kathode kontaktiert, für verschiedene Stromschienen unterschiedlich lang ist. Längere elektrische Pfade weisen jedoch für ein vorgegebenes Material einen höheren elektrischen Widerstand als kürzere elektrische Pfade auf.
Dadurch wird der elektrische Stromfluss durch diejenigen Stromschienen begünstigt, deren die Unterseite der Kathode kontaktierender Punkt näher an der äußeren Stromzuführung liegt, weswegen in den über diesen Stromschienen angeordneten Randbereichen bzw. Längsabschnitten der Kathode ein größerer Stromfluss stattfindet als in den Randbereichen bzw. Längsabschnitten der Kathode, die über einer Stromschiene liegen, deren die Unterseite der Kathode kontaktierender Punkt weiter von der äußeren Stromzuführung entfernt liegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektrolysezelle bereitzustellen, die bei ihrem Betrieb einen verringerten spezifischen Energieverbrauch sowie eine erhöhte Standzeit aufweist. Insbesondere soll eine Elektrolysezelle bereit gestellt werden, in der die Dicke der Schmelzeschicht verringert ist, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabilitäten, wie Kurzschlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums oder Fluktuationen der Elektrolysezellenspannung, auftreten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Elektro- lysezelle gemäß dem Patentanspruch 1 und insbesondere durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, eine auf der Oberseite der Kathode angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht, oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode, wenigstens eine und bevorzugt wenigstens zwei die Kathode von deren Unterseite stromzuführend kontaktierende Stromschiene(n) und wenigstens eine äußere Stromzuführung umfasst, wobei jede der wenigstens einen äußeren Stromzufüh- rung an jeweils einem Verbindungspunkt mit jeweils wenigstens einer und bevorzugt wenigstens zwei der Stromschiene(n) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Oberseite der Kathode im Querschnitt der Kathode betrachtet wannenförmig ausgestaltet ist, wobei die Wanne zwei Randbereiche und einen, in Breitenrichtung der Kathode gesehen, zwischen den Randbereichen angeordneten und bezogen auf die Randbereiche abgesenkten Bodenbereich aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen und dem Bodenbereich jeweils ein den entsprechenden Randbereich und den Bodenbereich verbindender Seitenwandbereich vorge- sehen ist, wobei i) die Breite wenigstens eines des Bodenbereichs und der Randbereiche über die Länge der Kathode variiert, und/oder ii) die von der Unterseite der Kathode aus bestimmte Höhe der Oberseite der Kathode über die Länge der Kathode variiert. Unter der Breite des Bodenbereichs bzw. eines Randbereichs der Oberseite der Kathode ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die in der Breitenrichtung der Kathode gemessene Erstreckung des Bodenbereichs bzw. des Randbereichs zu verstehen, also der Abstand von dem - im Querschnitt der Kathode betrachtet bzw. in der Breitenrichtung der Kathode betrachtet - einen Ende des Bodenbe- reichs bzw. Randbereichs zu dem anderen Ende des Bodenbereichs bzw. Randbereichs.
Ferner bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung die Formulierung "die von der Unterseite der Kathode aus bestimmte Höhe der Oberseite der Kathode" den Abstand eines beliebigen auf der Oberseite der Kathode liegenden Punktes von dem vertikal unterhalb dieses Punktes auf der Unterseite der Kathode liegenden Punkt.
Unter äußerer Stromzuführung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein be- liebiger elektrischer Leiter verstanden, welcher außerhalb der Kathode angeordnet ist und Strom zu der bzw. den Stromschiene(n) führt bzw. von diesen wegführt. Dabei kann die äußere Stromzuführung mit der bzw. den Stromschiene(n) direkt über jeweils einen Verbindungspunkt verbunden sein oder mit der bzw. den Stromschiene(n) indirekt über eine zwischen der äußeren Stromzuführung und den Stromschienen angeordneten Sammelschiene verbunden sein. In dem letztgenannten Fall wird unter Verbindungspunkt der Punkt verstanden, an dem die äußere Stromzuführung mit der mit den Stromschienen verbundenen Sammelschiene verbunden ist. Mit anderen Worten bezeichnet die Formulierung "Verbindungspunkt zwischen der wenigstens einen und bevorzugt wenigstens zwei Stromschienen und der äußeren Stromzuführung" den Punkt, an dem die von der bzw. den mit der äußeren Stromzuführung - direkt oder indirekt - elektrisch leitend verbundene(n) Stromschiene(n) ausgehenden elektrischen Pfade zusammenlaufen und in die äußere Stromzuführung übergehen. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff "elektrischer Pfad" den Strompfad des geringsten elektri- sehen Widerstands zwischen zwei Punkten.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch eine Kathode mit der Querschnittsform einer Wanne mit einer variierenden Breite und/oder Höhe des Bodenbereichs und/oder der Randbereiche der Wanne über die Länge der Kathode eine Ver- gleichmäßigung der elektrischen Stromdichte und der magnetischen Flussdichte an der Oberseite der Kathode erreicht wird, und zwar nicht nur über den Querschnitt eines isolierten Längsabschnitts der Kathode betrachtet, sondern insbesondere auch über die gesamte Oberfläche der Kathode, also sowohl in der Längsrichtung als auch in der Breitenrichtung der Kathode. Dies deshalb, weil das Kathodenmaterial eine im Vergleich zu der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium geringe Leitfähigkeit besitzt, weswegen der Stromfluss in dem Bodenbereich des wannenförmigen Querschnitts im Vergleich zu den gegenüber dem Bodenbereich erhöhten Randbereichen der Kathode begünstigt ist. Dementsprechend führt eine Verbreiterung des Bodenbereichs bzw. eine Verrin- gerung der Breite eines Randbereichs der Kathode in einem Längsabschnitt der Kathode zu einer Begünstigung des Stromflusses in diesem Längsabschnitt insgesamt (also im Vergleich zu einem anderen Längsabschnitt) und zu einer Begünstigung des Stromflusses in dem Bodenbereich in Bezug auf den Stromfluss in den Randbereichen dieses Längsabschnitts der Kathode, wohingegen der Strom- fluss in einem Längsabschnitt der Kathode, in dem der Bodenbereich weniger breit und die Randbereiche der Kathode breiter ausgestaltet sind, insgesamt verringert wird und der Stromflusses in dem Bodenbereich in Bezug auf den Stromfluss in den Randbereichen dieses Längsabschnitts der Kathode verringert wird. Gleichermaßen wird aus diesem Grund durch eine Verringerung der Höhe der Katho- denoberseite in einem Längsabschnitt der Kathode der Stromfluss in diesem Längsabschnitt insgesamt begünstigt, wohingegen der Stromfluss in einem
Längsabschnitt der Kathode, in dem die Oberseite der Kathode eine größere Höhe aufweist, insgesamt verringert wird. So kann durch die - in Bezug auf die Breite und/oder Höhe - gestufte Ausgestaltung der Randbereiche und Bodenbereiche der Kathode der Stromfluss zwischen den einzelnen Längsabschnitten der Kathode und über die Breite jedes Längsabschnitts hinweg so eingestellt werden, dass sich eine über die Oberfläche der Kathode gesehen gleichmäßigere Stromdichte ergibt. Insbesondere kann durch die gestufte Ausgestaltung der Randbereiche und Bodenbereiche der Kathode der Stromfluss durch diejenigen Längsabschnitte der Kathode, welche oberhalb von Stromschienen angeordnet sind, deren die Unterseite der Kathode kontaktierender Punkt näher an der äußeren Stromzuführung liegt, durch Verbreiterung der Randbereiche und/oder Erhöhung der Randbereiche und/oder Bodenbereiche verringert werden und der Stromfluss durch diejenigen Längsabschnitte der Kathode, welche oberhalb von Stromschienen angeordnet sind, deren die Unterseite der Kathode kontaktierender Punkt weiter von der äußeren Stromzuführung entfernt liegt, durch Verringerung der Breite der Randbereiche und/oder Verringerung der Höhe der Randbereiche und/oder Bodenbereiche vergrößert werden, so dass der Stromfluss und der magnetische Fluss durch die einzelnen Längsabschnitte der Kathode, unabhängig von deren Entfernung zu der äußeren Stromzuführung, vergleichmäßigt werden können. Aufgrund der über die Oberfläche der Kathode gesehen gleichmäßigen Stromdichte und magnetischen Flussdichte ist die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium drastisch verringert sowie der Verschleiß der Kathode über deren Oberfläche betrachtet vergleichmäßigt. Aufgrund dessen weist die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bei ihrem Betrieb einen verringerten spezifischen Energieverbrauch sowie eine erhöhte Standzeit auf. Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die Dicke der Schmelzeschicht verringert werden, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabilitäten, wie Kurzschlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums oder Fluktuationen der Elektrolysezellenspannung, auftreten. Insgesamt wird so bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle eine Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium wirksam vermieden und eine hohe Energieeffizienz bei gleichzeitiger hoher Stabilität und Zuverlässigkeit des Elektrolysebetriebs erzielt. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass die vorstehend beschrie- benen, zur Vergleichmäßigung der elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberseite eingesetzten Maßnahmen, nämlich die Einstellung der Breite und/oder Höhe einzelner Längsabschnitte der wannenförmigen Kathode, einfach so aufeinander abgestimmt werden können, dass sich zwischen der in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle eingesetzten Kathode und der Anode - auch bei verringer- tem Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium - dasselbe Badvolumen ergibt, wie bei dem Einsatz einer herkömmlichen Kathode.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Randbereich der Kathode wenigstens zwei Längsab- schnitte mit jeweils voneinander verschiedener Breite umfasst, wobei der Längsabschnitt des Randbereichs, welcher über den kürzesten elektrischen Pfad mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist, die größte Breite von allen Längsabschnitten des Randbereichs aufweist. In diesem Zusammenhang ist der für einen Längsabschnitt eines Randbereichs nächstliegende Verbin- dungspunkt derjenige Verbindungspunkt zwischen wenigstens einer und bevor- zugt wenigstens zwei Stromschienen und der äußeren Stromzuführung, der über den kürzesten elektrischen Pfad mit dem Längsabschnitt der Kathode verbunden ist. Dadurch, dass bei dieser Ausführungsform der Randbereich in demjenigen Längsabschnitt verbreitert ausgebildet ist, der den kürzesten elektrischen Pfad zu dem nächstgelegenen Verbindungspunkt aufweist, wird der elektrische Widerstand dieses Längsabschnitts der Kathode im Vergleich zu den elektrischen Widerständen der anderen Längsabschnitte vergrößert, so dass der Stromfluss durch diesen Längsabschnitt der Kathode verringert und der durch die anderen Längsabschnitte der Kathode vergrößert wird, so dass - über die einzelnen Längsabschnitte der Kathode gesehen - eine gleichmäßige Stromdichteverteilung erreicht wird.
Prinzipiell kann von mehreren Längsabschnitten des Randbereichs bzw. der Randbereiche mit voneinander verschiedener Breite zumindest einer eine über den jeweiligen Längsabschnitt hinweg einheitliche Breite aufweisen und/oder kann die Breite zumindest eines Längsabschnitts von seinem näher zu dem nächstgelegenen Verbindungspunkt liegenden längsseitigen Ende zu dem weiter entfernt liegenden längsseitigen Ende graduell abnehmen. Vorzugsweise sind die Breiten aller Längsabschnitte des Randbereichs bzw. der Randbereiche mit voneinander verschiedener Breite konstant, so dass einer der Randbereiche bzw. beide Randbereiche der Kathode - bezogen auf deren Breite - stufen- bzw. treppenförmig ausgestaltet sind, oder nehmen die Breiten aller Längsabschnitte des Randbereichs bzw. der Randbereiche mit voneinander verschiedener Breite von ihrem näher zu dem nächstgelegenen Verbindungspunkt liegenden längsseitigen Ende zu dem weiter entfernt liegenden längsseitigen Ende graduell ab.
Eine besonders gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte über die Oberfläche der Kathode wird erreicht, wenn wenigstens ein Randbereich der Kathode wenigstens drei Längsabschnitte mit jeweils voneinander verschiedener Breite umfasst, wobei jeder der Längsabschnitte, welcher über einen längeren elektrischen Pfad mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt, eine geringere Breite als der andere Längsabschnitt aufweist. Dadurch wird der Einfluss der Länge des elektrischen Pfades von dem jeweils nächstgelegenen Verbindungspunkt zu dem jeweiligen Längsabschnitt des Randbereichs der Kathode auf den elektrischen Stromfluss besonders wirksam ausgeglichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bodenbereich der Kathode wenigstens zwei Längsab- schnitte mit jeweils voneinander verschiedener Breite umfasst, wobei der Längsabschnitt des Bodenbereichs, welcher über den kürzesten elektrischen Pfad mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist, die geringste Breite von allen Längsabschnitten des Bodenbereichs aufweist. Durch die Verringerung der Breite des Bodenbereichs wird der elektrische Widerstand dieses Längsab- Schnitts der Kathode erhöht und so der Stromfluss teilweise von diesem Längsabschnitt - in dem ansonsten der höchste Stromfluss stattfinden würde - in benachbarte Längsabschnitte der Kathode umgeleitet, so dass insgesamt eine Vergleichmäßigung der Stromdichte über die Oberfläche der Kathode erreicht wird. Grundsätzlich können auch bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Längsabschnitten des Bodenbereichs mit voneinander verschiedener Breite eine über den jeweiligen Längsabschnitt hinweg einheitliche Breite aufweisen und/oder kann die Breite zumindest eines oder mehrerer Längsabschnitte von seinem näher zu dem nächstgelegenen Verbindungspunkt liegen- den längsseitigen Ende zu dem weiter entfernt liegenden längsseitigen Ende graduell abnehmen. Auch bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Breiten aller Längsabschnitte des Bodenbereichs mit voneinander verschiedener Breite konstant sind, so dass der Bodenbereich der Kathode - bezogen auf deren Breite - stufen- bzw. treppenförmig ausgestaltet ist, oder, dass die Breiten aller Längsabschnitte des Bodenbereichs mit voneinander verschiedener Breite von ihrem näher zu dem nächstgelegenen Verbindungspunkt liegenden längsseitigen Ende zu dem weiter entfernt liegenden längsseitigen Ende graduell abnehmen. Bevorzugt umfasst der Bodenbereich der Kathode wenigstens drei Längsabschnitte mit jeweils voneinander verschiedener Breite, wobei jeder der Längsabschnitte, welcher über einen längeren elektrischen Pfad mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt, eine größere Breite als der andere Längsabschnitt aufweist. Dadurch wird eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der elektrischen Stromdichte über die Oberfläche der Kathode hinweg erreicht.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass wenigstens ein Randbereich der Kathode wenigstens zwei Längsabschnitte mit jeweils voneinander verschiedener Höhe umfasst, wobei der Längsabschnitt des Randbereichs der Kathode, welcher über den kürzesten elektrischen Pfad mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist, die größte von der Unterseite der Kathode aus bestimmte Höhe von allen Längsabschnitten des Randbereichs aufweist. Dadurch wird der elektrische Widerstand des Längsabschnitts des Randbe- reichs der Kathode, welcher über den kürzesten elektrischen Pfad mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist, im Vergleich zu den elektrischen Widerständen der anderen Längsabschnitte vergrößert, so dass der Stromfluss durch diesen Längsabschnitt der Kathode verringert und der durch die anderen Längsabschnitte der Kathode vergrößert wird, so dass - über die einzelnen
Längsabschnitte der Kathode gesehen - eine gleichmäßige Stromdichteverteilung erreicht wird.
Dabei können die vorgenannten Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden, und zwar beispielsweise so, dass der Randbereich der Kathode in dem Längsabschnitt, welcher über den kürzesten elektrischen Pfad mit dem nächstlie- genden Verbindungspunkt verbunden ist, eine größere Breite und eine größere Höhe aufweist als diejenigen Längsabschnitte, welche über einen längeren elektrischen Pfad mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden sind. In weiterer Fortbildung des Erfindungsgedankens kann es vorgesehen sein, dass der Bodenbereich der Kathode wenigstens zwei Längsabschnitte mit jeweils voneinander verschiedener Höhe umfasst, wobei der Längsabschnitt des Bodenbereichs der Kathode, welcher über den kürzesten elektrischen Pfad mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist, die größte von der Unterseite der Kathode aus bestimmte Höhe von allen Längsabschnitten des Bodenbereichs aufweist. Auch bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine besonders gute Vergleichmäßigung der Verteilung der elektrischen Stromdichte über die Kathodenoberfläche erreicht. Prinzipiell kann von mehreren Längsabschnitten eines der Randbereiche, der beiden Randbereiche und/oder des Bodenbereichs mit voneinander verschiedener Höhe zumindest einer eine über den jeweiligen Längsabschnitt hinweg einheitliche Höhe aufweisen und/oder kann die Höhe zumindest eines Längsabschnitts von seinem näher zu dem nächstgelegenen Verbindungspunkt liegenden längsseitigen Ende zu dem weiter entfernt liegenden längsseitigen Ende graduell abnehmen. Vorzugsweise sind die Höhen aller Längsabschnitte eines der Randbereiche, der beiden Randbereiche bzw. des Bodenbereichs mit voneinander verschiedener Höhe konstant, so dass einer der Randbereiche, beide Randbereiche bzw. der Bodenbereich der Kathode - bezogen auf dessen/deren Höhe - stufen- bzw. trep- penförmig ausgestaltet sind, oder nehmen die Höhen aller Längsabschnitte eines der Randbereiche, der Randbereiche bzw. des Bodenbereichs mit voneinander verschiedener Höhe von ihrem näher zu dem nächstgelegenen Verbindungspunkt liegenden längsseitigen Ende zu dem weiter entfernt liegenden längsseitigen Ende graduell ab. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die Höhe der Kathodenoberseite - in Längsrichtung der Kathode gesehen - für den Randbereich und den Bodenbereich eines oder mehrere Längsabschnitte in entgegengesetzter Richtung variiert, d.h. dass beispielsweise die Höhe beider Randbereiche eines Längsab- Schnitts größer ist als die der Randbereiche der benachbarten Längsabschnitte, wobei jedoch die Höhe des Bodenbereichs dieses Längsabschnitts kleiner ist als die der Bodenbereiche der benachbarten Längsabschnitte. Allerdings ist es bevorzugt, dass die Höhe der Randbereiche und die Höhe des Bodenbereichs jedes Längsabschnitts der Kathode gleichgerichtet variieren, d.h. die Höhe sowohl der Randbereiche als auch des Bodenbereichs jedes Längsabschnitts der Kathode größer oder kleiner sind als die der Randbereiche und des Bodenbereichs der benachbarten Längsabschnitte.
Eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der Verteilung der elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberseite wird erreicht, wenn der Randbereich der Kathode wenigstens drei Längsabschnitte mit jeweils voneinander verschiedener Höhe um- fasst, wobei jeder der Längsabschnitte, welcher über einen längeren elektrischen Pfad mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt, eine geringere Höhe als der andere Längsabschnitt auf- weist.
Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform oder bevorzugt zusätzlich zu der vorgenannten Ausführungsform kann der Bodenbereich der Kathode wenigstens drei Längsabschnitte mit jeweils voneinander verschiedener Höhe umfassen, wobei jeder der Längsabschnitte, welcher über einen längeren elektrischen Pfad mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt, eine geringere Höhe als der andere Längsabschnitt aufweist. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung der Stromdichte im Bodenbereich der durch die Kathodenoberseite gebildeten Wanne erreicht. Eine besonders günstige Verteilung der elektrischen Stromdichte lässt sich erreichen, wenn das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Breite wenigstens eines der Randbereiche der Kathode zwischen 2:1 und 1 ,05:1 , bevorzugt zwischen 1 ,5:1 und 1 ,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1 ,3:1 und 1 ,05:1 be- trägt und/oder das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Höhe wenigstens eines der Randbereiche der Kathode zwischen 2:1 und 1 ,05:1 , bevorzugt zwischen 1 ,5:1 und 1 ,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1 ,3:1 und 1 ,05:1 beträgt und/oder das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Breite des Bodenbereichs der Kathode zwischen 2:1 und 1 ,05:1 , bevorzugt zwischen 1 ,5:1 und 1 ,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1 ,3:1 und 1 ,05:1 beträgt und/oder das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Höhe des Bodenbereichs der Kathode zwischen 2:1 und 1 ,05:1 , bevorzugt zwischen 1 :5 und 1 ,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1 ,3:1 und 1 ,05:1 beträgt. Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die Höhe der Kathodenoberseite über die Länge der Kathode variiert, beträgt der Unterschied zwischen der maximalen Höhe in den Randbereichen der Kathode und der minimalen Höhe in den Randbereichen der Kathode und/oder der Unterschied zwischen der maximalen Höhe in dem Bodenbereich der Kathode und der minimalen Höhe in dem Bodenbereich der Kathode bevorzugt weniger als 30 cm, besonders bevorzugt weniger als 20 cm und ganz besonders bevorzugt maximal 10 cm. Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass der Unterschied zwischen der maximalen Höhe in den Randbereichen der Kathode und der minimalen Höhe in dem Bodenbereich der Kathode höchstens 50 % des Abstandes zwischen der höchsten Stel- len auf der Kathodenoberseite und der Kathodenunterseite beträgt.
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die Breite eines der Randbereiche, der beiden Randbereiche oder des Bodenbereichs über die Länge der Kathode variiert/variieren, beträgt der Unterschied zwischen der maximalen Breite des Bodenbereichs und der minimalen Breite des Bodenbe- reichs - über die gesamte Längserstreckung der Kathode hinweg betrachtet - bevorzugt weniger als 30 cm, besonders bevorzugt weniger als 20 cm und ganz besonders bevorzugt weniger als 10 cm. Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass der Unterschied zwischen der maximalen Breite des Bodenbereichs und der mi- nimalen Breite des Bodenbereichs - über die gesamte Längserstreckung der Kathode hinweg betrachtet - höchstens 20 % und besonders bevorzugt höchstens 10 % der Kathodenlänge beträgt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Elektroly- sezelle wenigstens zwei die Kathode von deren Unterseite stromzuführend kontaktierende Stromschienen umfasst, wobei jede der wenigstens einen äußeren Stromzuführung an jeweils einem Verbindungspunkt mit jeweils wenigstens zwei der Stromschienen elektrisch leitend verbunden ist, und die wenigstens zwei die Kathode von deren Unterseite stromzuführend kontaktierenden Stromschienen parallel und in festem Abstand zueinander angeordnet sind, sich über die gesamte Breite der Kathode erstrecken und die Kathode von deren Unterseite stromzuführend kontaktieren, wobei die einzelnen Stromschienen mit einem oder beiden ihrer Enden jeweils mit einer Sammelschiene elektrisch leitend verbunden sind und die Sammelschiene(n) mit einer oder mehreren äußeren Stromzuführungen elektrisch leitend verbunden ist/sind.
Alternativ dazu können die einzelnen Stromschienen parallel und in festem Abstand zueinander angeordnet sind, sich aber nicht über die gesamte Breite der Kathode erstrecken. Beispielsweise können sich die einzelnen Stromschienen nur über etwa die Hälfte der Breite der Kathode erstrecken. Bei dieser Ausführungsform sind - in der Breitenrichtung der Kathode gesehen - beispielsweise 2 Stromschienen hintereinander angeordnet, d.h. die Stromschienen sind quasi mehrstückig ausgebildet, wobei jede dieser beiden hintereinander angeordneten Stromschienen mit ihrem dem Kathodenrand zugewandten Ende ggf. über eine Sam- melschiene mit einer äußeren Stromzuführung verbunden sind. Bei dieser Ausfüh- rungsform sind selbstverständlich nur die - in der Längsrichtung der Kathode gesehen - benachbarten Stromschienen an jeweils einem Verbindungspunkt mit einer äußeren Stromzuführung verbunden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Elektrolysezelle 2 bis 60, bevorzugt 10 bis 48, besonders bevorzugt 16 bis 40, ganz besonders bevorzugt 20 bis 40 und höchst bevorzugt 36 parallel und in festem Abstand zueinander angeordnete, sich über die gesamte Breite der Kathode erstreckende und die Kathode von deren Unterseite stromzuführend kontaktierende Stromschienen und 2 bis 6 äußere Stromzuführungen.
Dabei kann die Kathode der Elektrolysezelle beispielsweise aus 2 bis 60, bevorzugt 10 bis 48, besonders bevorzugt 16 bis 40, ganz besonders bevorzugt 20 bis 40 und höchst bevorzugt 36 nebeneinander angeordneten Kathodenblöcken zu- sammengesetzt sein, wobei jeder der Kathodenblöcke an seiner Unterseite mindestens eine sich in Längsrichtung des Kathodenblocks bzw. in der Breitenrichtung der Kathode erstreckende Nut aufweist, in der mindestens eine Stromschiene angeordnet ist. Um die Gleichmäßigkeit der Verteilung der elektrischen Stromdichte über die Kathodenoberfläche noch weiter zu steigern, und insbesondere, um eine Überhöhung der elektrischen Stromdichte in den Randbereichen der Kathodenoberseite zu verhindern, wird es in weiterer Fortbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass jede der Nuten einen rechteckigen Querschnitt und eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist, wobei jede der Nuten an ihrem längsseitigen Ende eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte. Dabei kann eine Nut - im Querschnitt der Kathode betrachtet - zum Beispiel eine im Wesentlichen dreieck- förmige Gestalt aufweisen. Um insbesondere auch innerhalb der Randbereiche der Kathode eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass wenigstens einer der beiden Randbereiche und bevorzugt beide Randbereiche der Kathode - im Querschnitt der Kathode und in der Breitenrichtung der Kathode betrachtet - zur Mitte der Kathode hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen, wobei der Neigungswinkel des Randbereichs bzw. der Randbereiche bezogen auf die Horizontalebene bevorzugt zwischen 2° und 45°, besonders bevorzugt zwischen 3° und 20° und ganz besonders bevorzugt zwischen 10° und 15° beträgt.
Dabei ist es bevorzugt, wenn wenigstens einer der beiden Randbereiche und bevorzugt beide der Randbereiche über wenigstens 30 %, bevorzugt über wenigstens 50 %, besonders bevorzugt über wenigstens 75 % und ganz besonders bevorzugt über 100 % dessen/deren Breite - im Querschnitt der Kathode und in der Breitenrichtung der Kathode betrachtet - zur Mitte der Kathode hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen. Wenigstens einer der Randbereiche kann aber auch im Wesentlichen horizontal verlaufen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft der Bodenbereich der Kathode zumindest bereichsweise eben, wobei die Oberfläche des Bodenbereichs gegenüber der in der Vertikalrichtung verlaufenden Ebene einen Winkel zwischen -20° und 20°, bevorzugt zwischen -10° und 10° und besonders bevorzugt von 0° aufweist. Bevorzugt ist die Oberseite der Kathode über zumindest 25 %, bevorzugt zumindest 50 %, insbesondere bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 90 % und höchst bevorzugt annähernd 100 % der Länge der Kathode - im Querschnitt der Kathode betrachtet - wannenförmig ausgestaltet, wobei die Wanne zwei Randbereiche und einen, in Breitenrichtung der Kathode gesehen, zwi- sehen den Randbereichen angeordneten und bezogen auf die Randbereiche ab- gesenkten Bodenbereich aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen und dem Bodenbereich jeweils ein den entsprechenden Randbereich und den Bodenbereich verbindender Seitenwandbereich vorgesehen ist. Dabei ist es bevorzugt, wenn i) die Breite wenigstens eines des Bodenbereichs und der Randbereiche über zumindest 25 %, bevorzugt zumindest 50 %, insbesondere bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 90 % und höchst bevorzugt annähernd 100 % der Länge der Kathode variiert, und/oder ii) die von der Unterseite der Kathode aus bestimmte Höhe der Oberseite der Katho- de über zumindest 25 %, bevorzugt zumindest 50 %, insbesondere bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 90 % und höchst bevorzugt annähernd 100 % der Länge der Kathode variiert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode für eine Elektrolysezelle, insbesondere für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, wobei die Oberseite der Kathode im Querschnitt der Kathode betrachtet wannenförmig ausgestaltet ist, wobei die Wanne zwei Randbereiche und einen, in Breitenrichtung der Kathode gesehen, zwischen den Randbereichen angeordneten und bezogen auf die Randbereiche abgesenkten Bodenbereich aufweist, wo- bei zwischen den beiden Randbereichen und dem Bodenbereich jeweils ein den entsprechenden Randbereich und den Bodenbereich verbindender Seitenwandbereich vorgesehen ist, wobei i) die Breite wenigstens eines des Bodenbereichs und der Randbereiche über die Länge der Kathode variiert, und/oder ii) die von der Unterseite der Kathode aus bestimmte Höhe der Oberseite der Kathode über die Länge der Kathode variiert. Die vorstehend in Bezug auf die in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle enthaltene Kathode beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Kathode. Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungs- formen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Kathode einer
Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3a eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3b eine Vorderansicht der Kathode von Fig. 3a und
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungs- form der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kathode 10 einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die aus einem kohlenstoffhaltigen Material zusammengesetzte Kathode 10 weist eine Oberseite 12 auf, auf der bei dem Betrieb der Elektrolysezelle beispielsweise nach dem Hall-Heroult-Verfahren die Schicht aus flüssigem Aluminium der Elektrolysezelle angeordnet ist. In der Praxis ist die Kathode 10 aus mehreren, in Längsrichtung y der Kathode gesehen, nebeneinander angeordneten Kathoden- blocken zusammengesetzt, wobei die Längsrichtungen der einzelnen Kathoden- blocke jeweils in der Breitenrichtung x der Kathode 10 verlaufen. In der Fig. 1 nicht gezeigt sind die Stromschienen, die die Kathode 10 von deren Unterseite 14 her stromzuführend kontaktieren und mit wenigstens einer äußeren Stromzuführung elektrisch leitend verbunden sind. Dabei sind die Stromschienen bevorzugt jeweils in einer Nut eingesetzt, welche in jedem Kathodenblock vorgesehen ist und in der Breitenrichtung x der Kathode 10, d.h. in Längsrichtung des jeweiligen Kathodenblocks, verläuft.
Wie in der Fig. 1 dargestellt, ist die Oberseite 12 der Kathode 10 - im Querschnitt der Kathode 10 betrachtet - wannenförmig ausgestaltet, wobei die Wanne zwei Randbereiche 16, 16' und einen, in der Breitenrichtung x der Kathode 10 gesehen, zwischen den Randbereichen 16, 16' angeordneten und bezogen auf die Randbereiche 16, 16' abgesenkten Bodenbereich 18 aufweist, wobei zwischen den Randbereichen 16, 16' und dem Bodenbereich 18 jeweils ein den entsprechenden Randbereich 16, 16' und den Bodenbereich 18 verbindender Seitenwandbereich 20, 20' vorgesehen ist. Bei dem Betrieb der Elektrolysezelle beispielsweise nach dem Hall-Heroult-Verfahren sind sowohl die Randbereiche 16, 16' als auch der Bodenbereich 18 und die Seitenwandbereiche 20, 20' der Oberseite 12 von der Schicht aus flüssigem Aluminium bedeckt. Dabei sind die Randbereiche 16, 16', der Bodenbereich 18 und die Seitenwandbereiche 20, 20' der Kathode 10 bevorzugt so dimensioniert, dass das Badvolumen, also das Volumen zwischen der Oberseite der Kathode 10 und der Unterseite der Anode, zumindest annähernd dem Badvolumen einer eine herkömmliche Kathode aufweisenden Elektrolysezelle entspricht.
Die in der Fig. 1 gezeigten Randbereiche 16, 16' der Kathode 10 weisen eine in Breitenrichtung x der Kathode 10 gemessene Breite b auf, die - wie aus der Fig.1 ersichtlich - über die in Längsrichtung y der Kathode 10 gemessene Länge variiert. Genauer weisen die in der Fig. 1 gezeigten Ausschnitte der Randbereiche 16, 16' fünf Längsabschnitte L1 -L5 auf, wobei die Breite b der Randbereiche 16, 16' inner- halb jedes Längsabschnitts L1-L5 jeweils gleich ist und von Längsabschnitt L1-L5 zu Längsabschnitt L1-L5 variiert, und zwar so, dass sich dabei eine, in der Längsrichtung y der Kathode 10 betrachtet, stufenförmige Variation der Breiten b der Randbereiche 16, 16' ergibt.
Dabei ist die in der Fig. 1 gezeigte Kathode 10 symmetrisch zu ihrer parallel zu der Längsrichtung y verlaufenden Mittellängsebene ausgestaltet und die Breite b des Bodenbereichs 18 variiert somit ebenso in der Längsrichtung y der Kathode 10 wie die der Randbereiche 16, 16'.
In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Kathode 10 für eine Elektrolysezelle in teilweise geschnittener perspektivischer Ansicht dargestellt.
Diese Ausführungsform ähnelt der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dahin- gehend, dass die Kathode 10 - im Querschnitt der Kathode 10 betrachtet - wan- nenförmig ausgestaltet, wobei die Wanne zwei Randbereiche 16 aufweist, von denen in der geschnittenen Darstellung von Fig. 2 nur der linke gezeigt ist, und einen, in Breitenrichtung x der Kathode 10 gesehen, zwischen den Randbereichen 16 angeordneten und bezogen auf die Randbereiche 16 abgesenkten Bodenbe- reich 18, wobei zwischen den Randbereichen 16 und dem Bodenbereich 18 jeweils ein den entsprechenden Randbereich 16 und den Bodenbereich 18 verbindender Seitenwandbereich 20 vorgesehen ist. Im Unterschied zu der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform variiert bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform nicht die Breite der Rand- und Bodenbereiche 16, 18 in der Längsrich- tung y der Kathode 10, sondern die von der Unterseite 14 der Kathode 10 aus in der Vertikalrichtung z gemessene Höhe h der Oberseite 12 der Kathode 10 in der Längsrichtung y der Kathode 10. Genauer weist der in Fig. 2 gezeigte Ausschnitt der Oberseite 12 der Kathode 10 drei Längsabschnitte L1-L3 auf, wobei die Höhe h der Oberseite 12 der Kathode 10 innerhalb jedes der Längsabschnitts L1-L3 - in der Längsrichtung y der Kathode 10 - gleich ist, aber von Längsabschnitt L1-L3 zu Längsabschnitt L1 -L3 variiert, und zwar so, dass sich dabei eine, in der Längsrichtung y der Kathode 10 betrachtet, stufenförmige Variation der Höhe h der Oberseite 12 der Kathode 10 sowohl in den Randbereichen 16 als auch in dem Bodenbereich 18 und in den Seitenwandbereichen 20 ergibt.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, ist der Randbereich 16, in der Breitenrichtung x der Kathode 10 betrachtet, gegenüber der Horizontalen um einen Winkel α geneigt, der vorliegend etwas weniger als 10° beträgt. In der Fig. 3a ist in perspektivischer, teilweise geschnittener Darstellung ein Abschnitt einer Kathode 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die weitgehend der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform entspricht, nämlich darin, dass die Höhe h der Oberseite 12 der Kathode 10 - in der Längsrichtung y der Kathode 10 gesehen - variiert; allerdings unterscheidet sich die in der Fig. 3a gezeigte Kathode von der in der Fig. 2 dargestellten dahingehend, dass die Höhe h des Randbereichs 16 einerseits und die Höhe h des Bodenbereichs 18 andererseits in entgegengesetzter Richtung variieren, nämlich die Höhe h des Randbereichs 16 in der vom Längsabschnitt Li zu dem Längsabschnitt L2 verlaufenden Längsrichtung y zunimmt, wohingegen die Höhe h des Bodenbereichs 18 in dieser Richtung abnimmt.
Die Fig. 3b zeigt den Kathodenausschnitt der Fig. 3b in der Längsrichtung y von der Vorderseite der Kathode 10 her betrachtet und veranschaulicht die entgegengesetzt gerichtete Änderung der Höhe h des Randbereichs 16 und des Bodenbe- reichs 18. Dabei zeigt die gestrichelte Linie den von dem Längsabschnitt Li der Kathode 10 verdeckten Verlauf des Längsabschnitts L2.
In der Fig. 4 ist eine Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht gezeigt. Dabei sind die Anodenstruktur und der mit der Anodenstruktur verbundene Teil der Stromversorgung nicht gezeigt, um den Blick auf die Kathode 10 und die darunter bzw. daneben angeordneten Komponenten freizugeben.
Die Kathode 10 weist im Querschnitt die Form einer Wanne mit zwei Randberei- chen 16, 16', mit einem Bodenbereich 18 und mit zwischen dem Bodenbereich 18 und den Randbereichen 16, 16' angeordneten Seitenwandbereichen 20, 20' auf. Die Kathode 10 an sich entspricht dabei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, und zwar insbesondere insoweit als die in der Fig. 4 gezeigte Kathode 10 mehrere Längsabschnitte Li bis L9 aufweist, wobei die Breite b der einzelnen Randbereiche 16, 16' und des Bodenbereichs 18 in der Längsrichtung y, der Kathode 10 variieren.
Die Elektrolysezelle umfasst neun barrenformig ausgestaltete Stromschienen 22, 22', welche jeweils die Kathode 10 von deren Unterseite her stromzuführend kon- taktieren und sich mit ihrer Längsrichtung jeweils in der Breitenrichtung x der Elektrolysezelle erstrecken. Zudem umfasst die Elektrolysezelle zwei Sammelschienen 24, 24', welche so angeordnet sind, dass jede dieser Sammelschienen 24, 24' jeweils mit einem Ende aller Stromschienen 22, 22' verbunden ist. Dementsprechend verlaufen die Sammelschienen 24, 24' in der Längsrichtung y seit- lieh versetzt zu der Kathode 10.
Jeder Sammelschiene 24, 24' sind jeweils zwei äußere Stromzuführungen 26, 26' bzw. 26", 26"' zugeordnet, durch welche den an der Unterseite 14 der Kathode 10 angeordneten Stromschienen 22, 22' von außen Strom zugeführt wird. Dabei sind die äußeren Stromzuführungen 26, 26', 26", 26"' jeweils an einem Verbindungspunkt 28, 28', 28", 28"' mit einer der Sammelschienen 24, 24' und dadurch an diesem Punkt indirekt auch mit den mit dieser Sammelschiene 24, 24' verbundenen Stromschienen 22, 22' verbunden. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, sind die Abstände zwischen den einzelnen Verbindungspunkten 28, 28', 28", 28"' und den Eintrittspunkten der einzelnen Stromschienen 22, 22' in die Kathode 10, also die elektrischen Pfade P1-P3, über welche der elektrische Strom von den einzelnen Verbindungspunkten 28, 28', 28", 28"' zu den Eintrittspunkten der einzelnen Stromschienen 22, 22' in die Randbereiche 16, 16' der Kathode 10 fließen muss, unterschiedlich lang. Dabei weist ein Längsabschnitt L1-L9 der Kathode 10, der einen kürzeren elektrischen Pfad P1-P3 zu dem diesem Längsabschnitt Li bis L9 nächstgelegenen Verbindungspunkt 28, 28', 28", 28"' aufweist, in seinen Randbereichen 16, 16' eine größere Breite b auf als ein Längsabschnitt L1-L9 der Kathode 10 mit einem längeren elektrischen Pfad zu dem diesem Längsabschnitt nächstgelegenen Verbindungspunkt 28, 28', 28", 28"'. Gleichermaßen weist ein Längsabschnitt L1-L9 der Kathode 10, der einen kürzeren elektrischen Pfad P1-P3 zu dem diesem Längsabschnitt Li bis L9 nächstgelegenen Verbindungspunkt 28, 28', 28", 28"' aufweist, in seinem Bodenbereich 18 eine geringere Breite b auf als ein Längsabschnitt L1-L9 der Kathode 10 mit einem längeren elektrischen Pfad zu dem diesem Längsabschnitt nächstgelegenen Verbindungspunkt 28, 28', 28", 28"'.
Bezugszeichenliste
10 Kathode
12 Oberseite
14 Unterseite
16, 16' Randbereich
18 Bodenbereich
20, 20' Seitenwandbereich
22, 22' Stromschiene
24, 24' Sammelschiene
26, 26', 26", 26"' äußere Stromzuführung
28, 28', 28", 28"' Verbindungspunkt
x, y, z Breiten-, Längs- und Vertikalrichtung b Breite
I Länge
h Höhe
L1-L9 Längsabschnitt
P1-P3 elektrischer Pfad
α Neigungswinkel

Claims

Patentansprüche
Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, umfassend eine Kathode (10), eine auf der Oberseite (12) der Kathode (10) angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht, oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode, wenigstens eine und bevorzugt wenigstens zwei die Kathode (10) von deren Unterseite (14) stromzuführend kontaktierende Stromschiene(n) (22, 22') und wenigstens eine äußere Stromzuführung (26, 26', 26", 26"'), wobei jede der wenigstens einen äußeren Stromzuführung (26, 26', 26", 26"') an jeweils einem Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') mit jeweils wenigstens einer und bevorzugt wenigstens zwei der Stromschiene(n) (22, 22') elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Oberseite (12) der Kathode (10) im Querschnitt der Kathode (10) betrachtet wannenförmig ausgestaltet ist, wobei die Wanne zwei Randbereiche (16, 16') und einen, in Breitenrichtung (x) der Kathode (10) gesehen, zwischen den Randbereichen (16, 16') angeordneten und bezogen auf die Randbereiche (16, 16') abgesenkten Bodenbereich (18) aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen (16, 16') und dem Bodenbereich (18) jeweils ein den entsprechenden Randbereich (16, 16') und den Bodenbereich (18) verbindender Seitenwandbereich (20, 20') vorgesehen ist, wobei i) die Breite (b) wenigstens eines des Bodenbereichs (18) und der Randbereiche (16, 16') über die Länge der Kathode (10) variiert, und/oder ii) die von der Unterseite (14) der Kathode (10) aus bestimmte Höhe (h) der Oberseite (12) der Kathode (10) über die Länge der Kathode (10) variiert.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens ein Randbereich (16, 16') der Kathode (10) wenigstens zwei Längsabschnitte (L1-L9) mit jeweils voneinander verschiedener Breite (b) umfasst, wobei der Längsabschnitt (L1-L9) des Randbereichs (16, 16'), welcher über den kürzesten elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist, die größte Breite (b) von allen Längsabschnitten (L1-L9) des Randbereichs (16, 16') aufweist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens ein Randbereich (16, 16') der Kathode (10) wenigstens drei Längsabschnitte (L1-L9) mit jeweils voneinander verschiedener Breite (b) umfasst, wobei jeder der Längsabschnitte (L1-L9), welcher über einen längeren elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt (L L9), eine geringere Breite (b) als der andere Längsabschnitt (L1-L9) aufweist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Bodenbereich (18) der Kathode (10) wenigstens zwei Längsabschnitte (L1-L9) mit jeweils voneinander verschiedener Breite (b) umfasst, wobei der Längsabschnitt (L1-L9) des Bodenbereichs (18), welcher über den kürzesten elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist, die geringste Breite (b) von allen Längsabschnitten (L1-L9) des Bodenbereichs (18) aufweist.
Elektrolysezelle zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Bodenbereich (18) der Kathode (10) wenigstens drei Längsabschnitte (L1-L9) mit jeweils voneinander verschiedener Breite (b) umfasst, wobei je- der der Längsabschnitte (L1-L9), welcher über einen längeren elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt (L1-L9), eine größere Breite (b) als der andere Längsabschnitt (L1-L9) aufweist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens ein Randbereich (16, 16') der Kathode (10) wenigstens zwei Längsabschnitte (L1-L9) mit jeweils voneinander verschiedener Höhe (h) umfasst, wobei der Längsabschnitt (L1-L9) des Randbereichs (16, 16') der Kathode (10), welcher über den kürzesten elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist, die größte von der Unterseite (14) der Kathode (10) aus bestimmte Höhe (h) von allen Längsabschnitten (L1-L9) des Randbereichs (16, 16') aufweist und/oder der Bodenbereich (18) der Kathode (10) wenigstens zwei Längsabschnitte (L1-L9) mit jeweils voneinander verschiedener Höhe (h) umfasst, wobei der Längsabschnitt (L1-L9) des Bodenbereichs (18) der Kathode (10), welcher über den kürzesten elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist, die größte von der Unterseite (14) der Kathode (10) aus bestimmte Höhe (h) von allen Längsabschnitten (L1-L9) des Bodenbereichs (18) aufweist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Randbereich (16, 16') der Kathode (10) wenigstens drei Längsabschnitte (L1-L9) mit jeweils voneinander verschiedener Höhe (h) umfasst, wobei jeder der Längsabschnitte (L1-L9), welcher über einen längeren elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem für ihn nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt (L1-L9), eine geringere Höhe (h) als der andere Längsabschnitt (L1-L9) aufweist und/oder der Bodenbereich (18) der Kathode (10) wenigstens drei Längsabschnitte (l_i- L9) mit jeweils voneinander verschiedener Höhe (h) umfasst, wobei jeder der Längsabschnitte (L1-L9), welcher über einen längeren elektrischen Pfad (P1-P3) mit dem nächstliegenden Verbindungspunkt (28, 28', 28", 28"') verbunden ist als ein anderer Längsabschnitt (L1-L9), eine geringere Höhe (h) als der andere Längsabschnitt (L1-L9) aufweist.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Breite (b) wenigstens eines der Randbereiche (16, 16') der Kathode (10) zwischen 2:1 und 1,05:1, bevorzugt zwischen 1,5:1 und 1,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1,3:1 und 1,05:1 beträgt und/oder
das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Höhe (h) wenigstens eines der Randbereiche (16, 16') der Kathode (10) zwischen 2:1 und 1,05:1, bevorzugt zwischen 1,5:1 und 1,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1,3:1 und 1,05:1 beträgt und/oder
das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Breite (b) des Bodenbereichs (18) der Kathode (10) zwischen 2:1 und 1,05:1, bevorzugt zwischen 1,5:1 und 1,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1,3:1 und 1,05:1 beträgt und/oder
das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Höhe (h) des Bodenbereichs (18) der Kathode (10) zwischen 2:1 und 1,05:1, bevorzugt zwischen 1,5:1 und 1,05:1 und besonders bevorzugt zwischen 1,3:1 und 1,05:1 beträgt.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die wenigstens eine und bevorzugt wenigstens zwei die Kathode (10) von deren Unterseite (14) stromzuführend kontaktierenden Stromschiene(n) (22, 22') parallel und in festem Abstand zueinander angeordnet sind, sich über die gesamte Breite (b) der Kathode (10) erstrecken und die Kathode (10) von deren Unterseite (14) stromzuführend kontaktieren, wobei die einzelnen Stromschienen (22, 22') mit einem oder beiden ihrer Enden mit je- weils einer Sammelschiene (24, 24') elektrisch leitend verbunden sind und die Sammelschiene(n) (24, 24') mit einer oder mehreren äußeren Stromzuführungen (26, 26', 26", 26"') elektrisch leitend verbunden ist/sind.
10. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
diese 2 bis 60, bevorzugt 10 bis 48, besonders bevorzugt 16 bis 40, ganz besonders bevorzugt 20 bis 40 und höchst bevorzugt 36 parallel und in festem Abstand zueinander angeordnete, sich über die gesamte Breite (b) der Kathode (10) erstreckende und die Kathode (10) von deren Unterseite (14) stromzuführend kontaktierende Stromschienen (22, 22') und 2 bis 6 äußere
Stromzuführungen (26, 26', 26", 26"') umfasst.
11. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Kathode (10) aus 2 bis 60, bevorzugt 10 bis 48, besonders bevorzugt 16 bis 40, ganz besonders bevorzugt 20 bis 40 und höchst bevorzugt 36 nebeneinander angeordneten Kathodenblöcken zusammengesetzt ist, wobei jeder der Kathodenblöcke an seiner Unterseite mindestens eine sich in Längsrichtung des Kathodenblocks bzw. in der Breitenrichtung (x) der Ka- thode (10) erstreckende Nut aufweist, in der mindestens eine Stromschiene
(22, 22') angeordnet ist.
12. Elektrolysezelle nach Anspruch 11 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass jede der Nuten einen rechteckigen Querschnitt und eine über ihre Länge variierende Tiefe aufweist, wobei jede der Nuten an ihrem längsseitigen Ende eine geringere Tiefe aufweist als in ihrer Mitte.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens einer der beiden Randbereiche (16, 16') und bevorzugt beide Randbereiche (16, 16'), im Querschnitt der Kathode (10) und in der Breitenrichtung (x) der Kathode (10) betrachtet, zur Mitte der Kathode (10) hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen, wobei der Neigungswinkel (a) des Randbereichs (16, 16') bzw. der Randbereiche (16, 16') bezogen auf die Horizontalebene bevorzugt zwischen 2° und 45°, besonders bevorzugt zwischen 3° und 20° und ganz besonders bevorzugt zwischen 10° und 15° beträgt.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
wenigstens einer der beiden Randbereiche (16, 16') und bevorzugt beide der Randbereiche (16, 16') über wenigstens 30 %, bevorzugt über wenigstens 50 %, besonders bevorzugt über wenigstens 75 % und ganz besonders bevorzugt über 100 % dessen/deren Breite (b), im Querschnitt der Kathode (10) und in der Breitenrichtung (x) der Kathode (10) betrachtet, zur Mitte der Kathode (10) hin abfallend geneigt verläuft/verlaufen.
Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Bodenbereich (18) zumindest bereichsweise eben verläuft, wobei die Oberfläche des Bodenbereichs (18) gegenüber der in der Vertikalrichtung (z) verlaufenden Ebene einen Winkel zwischen -20° und 20°, bevorzugt zwischen -10° und 10° und besonders bevorzugt von 0° aufweist. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Oberseite (12) der Kathode (10) über zumindest 25 %, bevorzugt zumindest 50 %, insbesondere bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 90 % und höchst bevorzugt annähernd 100 % der Länge der Kathode (10), im Querschnitt der Kathode (10) betrachtet, wannenför- mig ausgestaltet ist, wobei die Wanne zwei Randbereiche (16, 16') und einen, in Breitenrichtung (x) der Kathode (10) gesehen, zwischen den Randbereichen (16, 16') angeordneten und bezogen auf die Randbereiche (16, 16') abgesenkten Bodenbereich (18) aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen (16, 16') und dem Bodenbereich (18) jeweils ein den entsprechenden Randbereich (16, 16') und den Bodenbereich (18) verbindender Seitenwandbereich (20, 20') vorgesehen ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 16,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
i) die Breite (b) wenigstens eines des Bodenbereichs (18) und der Randbereiche (16, 16') über zumindest 25 %, bevorzugt zumindest 50 %, insbesondere bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 90 % und höchst bevorzugt annähernd 100 % der Länge der Kathode (10) variiert, und/oder ii) die von der Unterseite (14) der Kathode (10) aus bestimmte Höhe (h) der Oberseite (12) der Kathode (10) über zumindest 25 %, bevorzugt zumindest 50 %, insbesondere bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 90 % und höchst bevorzugt annähernd 100 % der Länge der Kathode (10) variiert.
Kathode für eine Elektrolysezelle, insbesondere für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, wobei die Oberseite (12) der Kathode (10) im Querschnitt der Kathode (10) betrachtet wannenförmig ausgestaltet ist, wobei die Wanne zwei Randbereiche (16, 16') und einen, in Breitenrichtung (x) der Kathode (10) gesehen, zwischen den Randbereichen (16, 16') angeordneten und bezogen auf die Randbereiche (16, 16') abgesenkten Bodenbereich (18) aufweist, wobei zwischen den beiden Randbereichen (16, 16') und dem Bodenbereich (18) jeweils ein den entsprechenden Randbereich (16, 16') und den Bodenbereich (18) verbindender Seitenwandbereich (20,
20') vorgesehen ist, wobei i) die Breite (b) wenigstens eines des Bodenbereichs (18) und der Randbereiche (16, 16') über die Länge der Kathode (10) variiert, und/oder ii) die von der Unterseite (14) der Kathode (10) aus bestimmte Höhe (h) der Oberseite (12) der Kathode (10) über die Länge der Kathode (10) variiert.
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