Inerte Verbundelektrode, insbesondere Anode für die Schmelzflusselektrolyse

Abstract

 Es handelt sich um eine inerte Verbundelektrode, insbesondere Anode für die Schmelzflußelektrolyse, bestehend aus einem Aktivteil in Form einer Mehrzahl von stabförmigen Aktivelementen, insbesondere aus Oxidkeramik, die mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander fluchtenden Gruppen angeordnet sind, einem Elektrodenhalter, der eine stromleitende Platte umfaßt, mit deren einen Haupt­fläche die Aktivelemente mit ihren Stirnflächen kraftschlüssig in Kontakt stehen, und einer Verbin­dungsanordnung, die die Aktivelemente gruppenweise untereinander verbindet und mit der Platte in Kontakt hält.
Diese Verbundelektrode ist dadurch charakterisiert, daß die Aktivelemente (20) jeweils plattenseitig einen Kopfabschnitt (20) aufweisen, der in seinem senkrecht zur Fluchtlinie (25) einer Gruppe (z.B. 11, 12 usw.) liegenden Querschnitt und in Richtung der plattenseitigen Stirnfläche (22) im wesentlichen keilförmig (23) verbreitert ist, und mit jeder der zwei gegenüberliegenden Keilflächen (23) des Kopfab­schnitts (21) des jeweiligen Aktivelements (20) ein Spannelement (41) mit einer Keilfläche (42) in Anlage gebracht ist, deren Keilwinkel dem der jeweiligen Keilfäche des Kopfabschnittes im wesentlichen ent­spricht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine inerte Verbundelektrode, insbesondere Anode für die Schmelzflußelektrolyse, z.B. für die Gewinnung von Aluminium, Magnesium, Natrium, Lithium, u.a. bestehend aus einem Aktivteil in Form einer Mehrzahl von stabförmigen Aktivelemen­ten, insbesondere aus Oxidkeramik, die mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander fluchtenden Gruppen angeordnet sind, einem Elektro­denhalter, der eine stromleitende Platte umfaßt, mit deren einen Hauptfläche die Elektrodenelemente mit ihren Stirnflächen kraftschlüssig in Kontakt stehen, und einer Verbindungsanordnung, die die Aktivelemente gruppenweise untereinander verbindet und mit der Platte in Kontakt hält.

[0002] In der Schmelzflußelektrolyse, z.B. bei der Alumi­niumerzeugung, ist eine intensive Entwicklung im Gange, für die Elektrolyse anstelle der sich verzeh­renden Anoden aus Kohlenstoff sogenannte inerte Ano­den, die insbesondere aus Oxidkeramik bestehen, ein­zusetzen.

[0003] Für diese Entwicklung bilden eine Reihe von Vorteilen den Anreiz:
- Bei Herstellung und bei Betrieb der inerten Ano­den ergibt sich eine erhebliche Energieeinspa­rung.
- Zugleich wird Rohstoff eingespart. Bei der Her­stellung muß nicht auf fossilen Rohstoff Erdöl, aus dem dann Petrol, Koks und Pech gewonnen wird, zurückgegriffen werden. Beim Betrieb der inerten Anoden ergibt sich kein oder nur ein sehr gerin­ger Verbrauch an Anodenmaterial. Damit fallen des weiteren Investitionen und Betriebskosten für die Anodenfabrikation weg.
- Da der sich bei verzehrenden Anoden turnusgemäß notwendige Anodenwechsel entbehrlich wird, können die Zellen geschlossener gefahren werden. Dadurch verbessern sich die Arbeitsbedingungen.
- Die Abluft aus den Zellen enthält weder Schwefel­dioxid noch polyaromatische Kohlenwasserstoffe. Aus dem geschlossenen Abluftsystem können die Fluoride leichter zurückgewonnen werden.
- Schließlich können inerte Anoden mit höheren Stromdichten als Kohlenstoffanoden gefahren werden. Dadurch erhöht sich die Produktionskapa­zität auf weniger Fläche und/oder in weniger Zeit.

[0004] Konstruktiv müssen die inerten Elektroden einerseits den Vorgaben der bereits vorhandenen, noch mit Koh­lenstoffanoden ausgerüsteten Zellen Rechnung tragen. Dies gilt insbesondere in bezug auf die Stromzulei­tung und die Anordnung und/oder die Dimensionierung der Aktivteile der Anoden. Andererseits müssen aber natürlich auch die Erfordernisse, die aus dem Werk­stoff, aus dem die Aktivteile der inerten Anoden bestehen, Berücksichtigung finden. Dies gilt insbe­sondere in bezug auf die physikalischen Parameter und die Herstellungstechnologie.

[0005] Eine inerte Verbundelektrode der eingangs definierten Art ist aus der DE-PS 30 03 922 bekannt. Diese be­steht im wesentlichen aus einem Aktivteil, einem Elektrodenhalter und einer Anordnung zum Verbinden der zwei erstgenannten Baugruppen.

[0006] Der Aktivteil ist durch eine Mehrzahl von stabförmi­gen Aktivelementen gebildet. Diese sind mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander und in zueinander fluchtenden Gruppen angeordnet. Der zu den Längsach­sen der Aktivelemente senkrechte Gesamtquerschnitt entspricht in etwa dem entsprechenden Querschnitt einer herkömmlichen Kohlenstoffanode für eine Schmelzflußelektrolysezelle. Die einzelnen Aktivele­mente bestehen aus einem oxidkeramischen Werkstoff.

[0007] Zur Halterung der Aktivelemente und zur Stromzufüh­rung zu diesen ist ein rohrförmiger Träger vorgese­hen. In diesen ist konzentrisch ein weiteres Rohr angeordnet, dessen unteres Ende mit einer Bodenplatte versehen ist. Diese Bodenplatte weist eine zentrische Bohrung auf, durch die ein stabförmiger Stromzuleiter hindurchgeführt ist, dessen unteres, unterhalb der Bodenplatte endendes Ende mit einer stromleitenden Anpreßplatte versehen ist. Mit dieser Anpreßplatte werden die oberen Stirnflächen der Aktivelemente auf kraftschlüssige Weise in mechanischen und elektri­schen Kontakt gebracht. Hierzu weisen die gruppenwei­se untereinander fluchtenden Aktivelemente in ihrem oberen Abschnitt je eine Bohrung auf, die in bezug auf eine Gruppen ebenfalls zueinander fluchten. Durch die zueinander fluchtenden Bohrungen einer Gruppe ist jeweils ein Aufhängestab hindurchgeführt, dessen Enden auf einer Auflageplatte aufliegen. Diese Aufla­geplatte und die genannte Bodenplatte sind über Schraubbolzen zu verspannen, wodurch die oberen Stirnflächen der Aktivelemente in Kontakt mit der stromführenden Anpreßplatte gebracht werden. Gegebe­nenfalls kann zwischen den Stirnflächen der Aktivele­mente und der Anpreßplatte eine elektrisch gut lei­tende Zwischenschicht eingebracht sein.

[0008] Diese bekannte Elektrodenkonstruktion weist mehrere gravierende Nachteile auf.

[0009] Zum einen ist ihr Aufbau insgesamt relativ kompli­ziert, insbesondere in bezug auf die Aufhängestäbe, die durch die Bohrungen im Kopfabschnitt der Aktiv­elemente hindurchgeführt sind und entsprechend gela­gert und gespannt werden müssen.

[0010] Des weiteren erfordert die Herstellung der Bohrungen in den Kopfabschnitten der Aktivelemente einen größe­ren Herstellungsaufwand. Sie sind nur im Grünzustand der oxidkeramischen Aktivelemente zu erzeugen. Des weiteren sind Bohrungen, insbesondere in bezug auf die Fluchtung der in Gruppen angeordneten Aktivele­mente, mit größeren Toleranzen behaftet, da derartige Toleranzen schon bei der Herstellung der Aktivelemen­te im Grünzustand eingehen und des weiteren beim Sintern der Aktivelemente weitere Maßabweichungen unvermeidlich sind. Dies hat zur Folge, daß die Boh­rungen einer Gruppe von Aktivelementen nicht genau fluchten, so daß einige der Aktivelemente, die an einem Aufhängestab untereinander gereiht sind, nicht oder nicht genügend mit ihren Stirnflächen in Kontakt mit der stromführenden Platte des Elektrodenhalters gelangen. Dies gilt dann umso mehr im Betrieb, wo sich die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoff der Aktivelemente einerseits und der stromzuführenden Platte andererseits verstärkt nega­tiv in bezug auf die Kontaktierung zwischen den Stirnflächen der Aktivelemente und der Platte auswir­ken. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Spannungsabfall mit der Folge, daß der elektrische Wirkungsgrad sinkt.

[0011] Dieser Nachteil wird noch dadurch verschärft, daß die Bohrungen die Querschnittsfläche parallel zur Längs­achse der Aktivelemente verkleinern, und zwar gerade im kalten Bereich der Aktivelemente. Dadurch werden gerade dort die Strombahnen eingeschnürt.

[0012] Die genannte Schwächung des Querschnittes der Aktiv­elemente der bekannten Anode vermindert auch die mechanische Festigkeit der Aktivelemente, und zwar in einem Bereich, in dem einerseits der jeweilige Auf­hängestab aufgrund dessen Vorspannung einer erhöhte Druckspannung auf den Werkstoff der Aktivelemente ausübt und andererseits auch die höchsten Zugspannun­gen aufgrund des Gewichtes der Aktivelemente auftre­ten. Aufgrund dessen wirken die größten mechanischen Spannungen gerade im Bereich des geschwächten Quer­schnitts der Aktivelemente, so daß eine erhöhte Ge­fahr des Bruches der Elektrodenelemente an der ge­nannten Stelle gegeben ist.

[0013] Schließlich ist bei der bekannten Anodenkonstruktion kein bzw. wenig Augenmerk gerichtet auf die notwendi­ge Elektrolytbewegung im Bereich der in die Schmelze eintauchenden unteren Abschnitte der Elektrodenele­mente sowie auf die Gasabfuhr im Bereich der Elektro­denelemente.

[0014] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine inerte Verbund­elektrode der vorausgesetzten Art zu schaffen, bei der die oxidkeramischen Aktivelemente unter Berück­sichtigung der Werkstoff- und Herstellungstechnologie für Oxidkeramik gestaltet sind, die einen einfachen Aufbau besitzt und leicht montierbar ist sowie einen guten elektrochemischen Wirkungsgrad aufweist.

[0015] Diese Aufgabe wird bei einer inerten Verbundelektrode mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß die Aktivelemente jeweils plattenseitig einen Kopfabschnitt aufweisen, der in seinem senkrecht zur Fluchtlinie einer Gruppe liegenden Querschnitt und in Richtung der plattenseitigen Stirnfläche im wesentli­chen keilförmig verbreitert ist, und mit jeder der zwei gegenüberliegenden Keilflächen des Kopfab­schnitts des jeweiligen Aktivelements ein Spannele­ment mit einer Keilfläche in Anlage gebracht ist, deren Keilwinkel dem der jeweiligen Keilfäche des Kopfabschnittes im wesentlichen entspricht, so daß sich eine Schwalbenschwanz-Verbindung ergibt.

[0016] Der Aktivteil der erfindungsgemäßen Anode ist also aufgelöst in eine Mehrzahl von stabförmigen Aktivele­menten, wie dies an sich bekannt ist. Die Aktivele­mente sind herstellungstechnologisch günstig gestal­tet, weil der keilförmige Kopfabschnitt der Gestal­tung in der Keramik-Technologie entgegenkommt, wo­hingegen die im Kopfabschnitt der Aktivelemente der bekannten Anode vorgesehenen Bohrungen schon her­stellungstechnisch eine Reihe von Problemen verursa­chen, wie oben dargelegt wurde.

[0017] Im montierten Zustand sind die Aktivelemente im Be­reich der Keilverspannung ausschließlich auf Druck beansprucht, was durch den oxidkeramischen Werkstoff aufgrund dessen hoher Druckfestigkeit ohne weiteres aufgenommen werden kann, zumal der Querschnitt im druckbeaufschlagten Bereich der Aktivelemente auf­grund der Keilform der Kopfabschnitte vergrößert ist. Als Folge der Querschnittsvergrößerung im Einspannbe­reich der Aktivelemente können auch die Zugspannungen aufgrund des Gewichtes der Aktivelemente gut aufge­nommen werden. Insgesamt ergibt sich also eine mecha­nisch sehr stabile Anodenkonstruktion.

[0018] Die Keil- bzw. Schwalbenschwanzverspannung der Aktiv­elemente mittels der beschriebenen Spannelemente ergibt zugleich einen selbstjustierenden Effekt mit der Folge, daß sämtliche der Aktivelemente mit ihren Stirnflächen in innigen Kontakt mit der stromführen­den Platte gelangen, und zwar unter Überbrückung bzw. aufgrund Ausgleichs eventuell bestehender Fertigungs­toleranzen. Aufgrund der selbstjustierenden Keilver­spannung zwischen den Aktivelementen einerseits und den Spannelementen bzw. der Platte andererseits werden des weiteren eventuelle Bewegungen der Bau­gruppen zueinander aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe ausgeglichen, so daß auch im Betrieb der Anode ein inniger Kontakt der Stirnflächen der Aktivelemente mit den Spannelementen und der stromzuführenden Plat­te erhalten bleibt. Auf diese Weise ist eine dauer­hafte und sowohl elektrisch als auch mechanisch opti­male Verbindung zwischen der metallischen Stromzufüh­rung und den keramischen Aktivelementen gewährlei­stet.

[0019] Dadurch wird der Spannungsabfall zwischen der strom­zuleitenden Platte und den Stirnflächen der Aktivele­mente minimiert.

[0020] Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Anode die Stromübertragungsfläche zwischen der stromführen­den Platte und den Aktivelementen dadurch vergrößert, daß die Spannelemente ebenfalls in elektrischer Ver­bindung sowohl zur Platte als auch zu den Keilflächen der Elektrodenelemente stehen, so daß letztere die Gesamt-Kontaktfläche der Aktivelemente in bezug auf das stromzuführende Bauteil entsprechend vergrößern. Aufgrund der vergrößerten Gesamt-Kontaktfläche wird auch dementsprechend der Spannungsabfall verkleinert.

[0021] Aufgrund der schon angesprochenen Querschnittsvergrö­ßerung im Kopfabschnitt der Aktivelemente, d.h. gera­de im kalten Bereich derselben, ist die Stromführung an dieser kritischen Stelle entscheidend verbessert. Die Flächennutzung der erfindungsgemäßen Anode ist also sehr gut, da die Stromlinien einen gewissen seitlichen Umgriff haben und die wirksame Anodenflä­che in etwa gleich der projizierten Anodenfläche ist.

[0022] Nachdem die Anodenelemente aus einem Werkstoff mit Heißleiter-Eigenschaften bestehen, sind die im kal­ten, d.h. nicht gutleitenden Bereich der Anodenele­mente getroffenen Maßnahmen zur Erhöhung der Leitfä­higkeit, nämlich die Querschnittsvergrößerung im Kopfabschnitt der Anodenelemente, die spezielle Aus­bildung des Werkstoffes der Anodenelemente zur Erhö­hung der Leitfähigkeit und die vergrößerte Stromüber­tragungsfläche entscheidend zur Erhöhung des elektri­schen Wirkungsgrads. Insgesamt weist also die erfin­dungsgemäße Anodenanordnung einen sehr guten elek­tro-chemischen Wirkungsgrad auf.

[0023] Zwischen den gruppenweise angeordneten Aktivelementen sind mindestens dort, wo die Spannelemente vorgesehen sind, Kanäle zwischen den Aktivelementen ausgebildet. Einerseits kann im Bereich der in die Schmelze bzw. in den Elektrolyt eintauchenden unteren Abschnitt der Aktivelemente in diesen Kanälen die Schmelze und der Elektrolyt zirkulieren, wodurch einer sonst möglichen Verarmung des Elektrolyts effektiv entgegengewirkt wird. Andererseits stellen diese Kanäle für die Gas­abfuhr genug Raum zur Verfügung, so daß das ent­wickelte Gas schnell abgeführt wird. Beides trägt zu einer Erhöhung des elektrochemischen Wirkungsgrads des mit den erfindungsgemäßen Elektroden durchgeführ­ten Prozesses bei.

[0024] Zweckmäßige Ausbildungen der erfindungsgemäßen Ver­bundelektrode ergeben sich aus den übrigen Ansprü­chen.

[0025] So können beispielsweise die Aktivelemente einer Gruppe in deren Fluchtlinie untereinander in Anlage stehen. Es sind also nur Kanäle zwischen den Aktiv­elementen dort gebildet, wo Spannelemente zwischen den Aktivelementen liegen. Dadurch ergibt sich einer­seits ein sehr kompakter Aufbau des Aktivteils der erfindungsgemäßen Anode, andererseits ist aber auch ausreichend einer entsprechenden Bewegung der Schmel­ze und des Elektrolyts sowie der Gasabfuhr Rechnung getragen.

[0026] Zwar ist durch die keilförmige Verbreiterung der Kopfabschnitte der Aktivelemente bereits der Span­nungsabfall im kalten Bereich weitgehend reduziert. Trotzdem kann es sich noch empfehlen, die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes der Aktivelemente im Bereich des Kopfabschnittes höher auszulegen als im übrigen Bereich, nachdem diese Werkstoffe Heißleiter­ eigenschaften besitzen. Dies ist z.B. dadurch mög­lich, daß der Werkstoff der Aktivelemente im Bereich des Kopfabschnittes ein Cermet ist, das vorzugsweise Silber enthaltendes Zinnoxid ist. Damit ist die Stromleitfähigkeit im kritischen Kopfabschnitt der Aktivelemente bei der erfindungsgemäßen Elektrode noch weiter verbessert.

[0027] Um den Übergangswiderstand zwischen der stromzulei­tenden Platte und den Aktivelementen noch weiter zu verkleinern, kann es von Vorteil sein, daß zwischen der betreffenden Hauptfläche der Platte und den ent­sprechenden Stirnflächen der Aktivelemente eine Kon­taktschicht eingebracht ist. Diese kann durch ein Netz aus gut leitendem Metal, insbesondere Kupfer, gebildet sein.

[0028] Es kann für jede fluchtende Gruppe von Aktivelementen beidseitig je ein durchgehendes Spannelement oder aber separate Spannelemente vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, daß das Spannelement zur Befesti­gung von zwei gegenüberliegenden Aktivelementen zweier benachbarter Gruppen ausgebildet ist und hier­zu zwei gegenüberliegende Keilflächen mit im wesent­lichen spiegelbildlicher Anordnung aufweist. Dadurch erniedrigt sich der Aufwand in der Fertigung und in der Montage weiter

[0029] Das angesprochene Spannelement kann zweckmäßigerweise im Querschnitt senkrecht zur Fluchtlinie der Gruppen der Aktivelemente trapezförmig ausgebildet sein.

[0030] Des weiteren sind jedem Aktivelement je zwei separate Spannelemente zugeordnet und die Länge eines Spann­elements entspricht im wesentlichen der Länge eines Aktivelements.

[0031] Es ist aber auch möglich, daß für jeweils eine Gruppe von Aktivelementen je zwei durchgehende Spannelemente vorgesehen sind und die Länge eines Spannelementes der Länge einer Gruppe von Aktivelementen im wesent­lichen entspricht.

[0032] Für eine schnelle Montage und Demontage empfiehlt es sich, daß die Spannelemente mittels Schrauben an der Platte befestigt sind.

[0033] Zur Vermeidung von Korrosion aufgrung der in der Zelle vorhandenen aggressiven Gase und der hohen Temperaturen ist es natürlich zweckmäßig, nicht nur die dem Zelleninneren zugekehrten Bereiche der strom­führenden Platte, sondern auch die Spannelemente einschließlich ihrer Befestigungselemente durch Ab­deckelemente aus korrosionsbeständigem Werkstoff zu schützen. Es bieten sich Keramik-Grafit-Verbundmate­rialien an, z.B. Tongrafit.

[0034] Schließlich ist es von erheblichem Vorteil, die stromzuführende Platte zu kühlen. Dadurch ist es möglich, den Elektrodenhalter so dicht wie möglich an die Schmelze heranzuführen und trotzdem die Kontakt­temperatur zwischen Platte und Aktivelemente unter 250°C zu halten. Dies ist insbesondere dann erforder­lich, wenn die Anode mit höherer Strombelastung ge­ fahren wird, da bekanntlich die Temperatur der Elek­troden quadratisch mit der Strombelastung steigt. Bevorzugt sollte die Kühlung so ausgelegt sein, daß ca. 30 bis 35 % der Gesamtwärme über die Anodenoberfläche abgeführt werden. Der Vorteil des möglichst nahen Heranführens des Elektrodenhalters ist natürlich darin zu sehen, daß die Aktivelemente dadurch kurz ausgebildet werden können, wodurch einerseits teurer Werkstoff einge­spart werden kann und andererseits der Spannungsab­fall in den Aktivelementen weiter erniedrigt wird.

[0035] Zweckmäßigerweise wird die Kühlung der Platte durch eine Wasserkühlung verwirklicht, wofür die Platte als Hohlkörper ausgebildet ist, innerhalb dem Kanäle für das Kühlwasser angeordnet sind. In diesem Fall ist es schließlich zweckmäßig, daß der jeweilige Stromzulei­ter zur Platte durch das Innere des Hohlkörpers hin­durchgeführt und mit der Innenseite der Hauptfläche, mit der die Aktivelemente in Kontakt stehen, elek­trisch verbunden ist.

[0036] Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemä­ßen Verbundelektrode ergeben sich anhand der Be­schreibung der Zeichnung und der Erläuterung eines speziellen Ausführungsbeispiels.

[0037] In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Aus­führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbundelek­trode,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Verbundelektrode, und

Fig. 3 die Ansicht A und den Schnitt B-B entsprechend der Fig. 2.

[0038] Die erfindungsgemäße inerte Elektrode, insbesondere Anode für die Schmelzflußelektrolyse, besteht im wesentlichen aus drei Baugruppen, nämlich einem ins­gesamt mit 10 bezeichneten Aktivteil, einem insgesamt mit 30 bezeichneten Elektrodenhalter und einer insge­samt mit 40 bezeichneten Anordnung zum Verbinden der zwei erstgenannten Baugruppen.

[0039] Der Aktivteil besteht aus einer Mehrzahl von stabför­migen Aktivelementen, die allgemein mit 20 bezeichnet sind. Diese sind mit ihren in der Montagestellung in der Zelle vertikal ausgerichteten Längsachsen pa­rallel nebeneinander und in zueinander längs der Fluchtlinie 25 (Fig. 3) fluchtenden Gruppen 11, 12, 13 usw. angeordnet. Sie sind in ihrem zu ihrer Längs­achse senkrechten Querschnitt im wesentlichen quadra­tisch bzw. rechteckförmig. Sie bestehen aus einem noch näher zu bezeichnenden, elektrisch leitenden und elektrochemisch aktiven oxidkeramischen Werkstoff. Die Aktivelemente 20 weisen jeweils einen Kopfab­schnitt 21 auf, der in seinem senkrecht zur Fluchtli­nie einer Gruppe liegenden Querschnitt und in Rich­tung der entsprechenden Stirnfläche 22 durch Keilflä­chen 23 verbreitert ist.

[0040] Der im wesentlichen plattenförmig ausgebildete Elek­trodenhalter 30 besitzt eine - in der Montagestellung in der Elektrolysezelle gesehen - nach unten gerich­tete Hauptfläche 31, an der die Aktivelemente 20 mit ihren Stirnflächen 22 mechanisch und elektrisch in Kontakt gehalten sind. Dies erfolgt mit Hilfe von die Verbindungsanordnung 40 darstellenden Spannelementen 41. Diese Spannele­mente sind in ihrem parallel zur Längsachse der Aktivelemente 20 und senkrecht zur Fluchtlinie einer Gruppe verlaufenden Querschnitt so trapezförmig aus­gebildet, daß die zwei gegenüberliegenden Keilflächen 42 mit den gleichwinklig liegenden Keilflächen 23 zweier in zwei benachbarten Gruppen, z.B. 12, 13, gegenüberliegenden Aktivelementen 20 mit entsprechen­der Vorspannung in Anlage stehen. Hierzu sind die Spannelemente 41 mittels Schrauben mit dem platten­förmigen Elektrodenhalter 30 verschraubt.

[0041] Durch die Spannelemente 41 sind zwei benachbarte Gruppen 11, 12, 13 usw. von Aktivelementen so beab­standet, daß Kanäle 50 ausgebildet sind, die in be­schriebener Weise eine Zirkulation des Elektrolyts bzw. der Schmelze zwischen den unteren, in die Schmelze bzw. in den Elektrolyt eintauchenden Ab­schnitten 26 der Aktivelemente 20 ermöglicht wird und die andererseits eine rasche Abfuhr des bei dem Elek­trolyseprozeß entwickelten Gases zwischen den Gruppen angeordenten Aktivelementen 20 nach oben hin gewähr­leisten.

[0042] Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 ist als Hohl­körper ausgebildet, bestehend aus einer unteren hori­zontalen Platte 32, einer oberen, zur ersten parallel angeordneten Platte 33 und dazu senkrechten Seiten­wänden 34. Der Hohlraum dient zur Zirkulation von Kühlwasser im Innenraum 35 des Elektrodenhalters 30. Hierzu ist ein Kühlwasser-Zulaufrohr 36 vorgesehen, das randseitig in den Innenraum 35 mündet. Entlang spiralförmig verlaufenden Leitwänden 37 zirkuliert das Kühlwasser durch den Innenraum 35 des plattenförmigen Elektro­denhalters 30 bis zu dessen Zentrumsbereich und von dort wieder in den peripheren Bereich, von wo das entsprechend erwärmte Kühlwasser durch ein Kühlwas­serableitrohr 38 abgezogen wird.

[0043] Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 ist des weite­ren mit mehreren Stromzuführungs-Bolzen 60 ausge­rüstet, über die der elektrische Strom dem platten­förmigen Elektrodenhalter 30 zugeleitet und von dort auf die Elektrodenelemente 20 übertragen wird. Zur Verbindung der Stromzuführungsbolzen 60 mit der unte­ren Platte 33 des Elektrodenhalters 30 sind an der Innenfläche der unteren Platte 33 jeweils Muffen 61 verschweißt, die ein Innengewinde besitzen, mit dem der untere und mit einem Außengewinde versehene Ab­schnitt des entsprechenden Stromzuführungsbolzens 60 verschraubt ist. Um den Stromzuführungsbolzen 60 im Bereich des Innenraums der Zelle vor Korrosion zu schützen, ist dieser mit Schutzhülsen 62 aus korro­sionsbeständigem Material umgeben.

[0044] Um den elektrischen Kontakt zwischen den Stirnflächen 22 der Aktivelemente 20 und der Fläche 31 des plat­tenförmigen Elektrodenhalters noch weiter zu verbes­sern, ist zwischen diesen Flächen ein Netz 39, z.B. aus Kupfer, eingebracht.

[0045] Der plattenförmige Elektrodenhalter 30 und die Spann­elemente 41 sowie deren Spannschrauben 43 bestehen zweckmäßigerweise aus Stahl. Sie können auch aus Nickel oder aus Stahl- bzw. Nickellegierungen beste­hen.
Zum Schutz dieser Bauteile gegen Korrosion sind Ab­deckelemente vorgesehen. Die an der Unterseite der Spannelemente angeordneten Abdeckelemente 44 sind z.B. mittels einer Schwalbenschwanzführung an den Spannelementen 41 gesichert. Die seitlichen Abdeck­elemente 45 können mit den stirnseitigen Enden der Spannelemente 41 durch Schrauben 46 verschraubt sein.

[0046] Die Aktivelemente 20 bestehen zweckmäßigerweise aus dotierter Oxid-Keramik, z.B. Zinnoxid, Nickelferrit oder Yttriumoxid.

[0047] Beispielsweise kann die Zusammensetzung wie folgt sein:
94,1 Atom-% Zinnoxid
3,8 Atom-% Kupfer
2,1 Atom-% Antimon

[0048] Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der erfin­dungsgemäßen Anode hat sich folgende Dimensionierung der stabförmigen Aktivelemente als zweckentsprechend erwiesen:
Querschnitt der oberen Stirnfläche: 3 x 3 cm
Querschnitt der unteren Stirnfläche: 2 x 2 cm
Länge: 25 cm
Keilwinkel: 20°
Abstand zwischen zwei benachbarten Gruppen von Elektrodenelementen: 1,5 cm

[0049] Die Seitenlänge des oberen Querschnitts kann zweckmä ßigerweise zwischen ca. 2 und 6 cm liegen. Die Länge der Aktivelemente kann zwischen ca. 15 cm und ca. 40 cm liegen. Der erwähnte Abstand zwischen zwei Gruppen von Aktivelementen kann zwischen ca. 1 cm und ca. 2 cm liegen. Der Keilwinkel des Kopfabschnittes der jeweiligen Aktivelemente kann zwischen ca. 5° und ca. 25° betragen.

[0050] Das beschriebene Ausfühungsbeispiel der erfindungs­gemäßen Anode wurde in einer Elektrolysetestzelle mit folgenden Betriebsdaten betrieben:
Badzusammensetzung: Kryolith 84 Gew.-%
A1F3 5 Gew.-%
A1203 10 Gew.-%
CaF2 1 Gew.-%
Temperatur: 980-1000 C
Klemmspannung: 4-5 Volt
Stromstärke: 30 A
Stromdichte an der Anode: 2 A/cm2
Stromdichte an der Kathode:0,14 A/cm2
Elektrodenabstand: 3 cm
Tauchtiefe der Anoden: 2cm

Ansprüche

1. Inerte Verbundelektrode, insbesondere Anode für die Schmelzflußelektrolyse, bestehend aus­- einem Aktivteil in Form einer Mehrzahl von stabförmigen Aktivelementen, insbesondere aus Oxidkeramik, die mit ihren Längsachsen pa­rallel nebeneinander und in zueinander fluchtenden Gruppen angeordnet sind,
- einem Elektrodenhalter, der eine stromleiten­de Platte umfaßt, mit deren einen Hauptfläche die Aktivelemente mit ihren Stirnflächen kraftschlüssig in Kontakt stehen, und
- einer Verbindungsanordnung, die die Aktivele­mente gruppenweise untereinander verbindet und mit der Platte in Kontakt hält,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Aktivelemente (20) jeweils plattenseitig einen Kopfabschnitt (21) aufweisen, der in seinem senkrecht zur Fluchtlinie (25) einer Gruppe (z.B. 11, 12 usw. ) liegenden Quer- schnitt und in Richtung der plattenseitigen Stirnfläche (22) im wesentlichen keilförmig (23) verbreitert ist, und
- mit jeder der zwei gegenüberliegenden Keil­flächen (23) des Kopfabschnitts (21) des jeweiligen Aktivelements (20) ein Spannele­ment (41) mit einer Keilfläche (42) in Anlage gebracht ist, deren Keilwinkel dem der jewei­ligen Keilfäche des Kopfabschnittes im we­sentlichen entspricht.

2. Verbundelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Aktivelemente (20) einer Gruppe (z.B. 11) in deren Fluchtlinie (25) untereinander in Anlage stehen.

3. Verbundelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs der Aktivelemente (20) im Bereich des Kopfabschnitts (21) höher ist als im übrigen Bereich.

4. Verbundelektrode nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Werkstoff der Aktivelemente (20) im Bereich des Kopfabschnitts (21) ein Cermet ist, das vorzugsweise Silber enthält.

5. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der betreffenden Hauptfläche (31) der Platte (30) und den entsprechenden Stirnflächen (22) der Aktivelemente (20) eine Kontaktschicht (39) ein­gebracht ist.

6. Verbundelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Kontaktschicht durch ein Netz (39) aus gut leitendem Metall, insbesondere Kupfer, gebildet ist.

7. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spann­element (41) zur Befestigung von zwei gegenüber­liegenden Aktivelementen (20) zweier benachbarter Gruppen (z.B. 11, 12) ausgebildet ist und hierzu zwei gegenüberliegende Keilflächen (42) mit im wesentlichen spiegelbildlicher Anordnung auf­weist.

8. Verbundelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Spannelement (41) im Quer­schnitt senkrecht zur Fluchtlinie der Gruppen der Aktivelemente trapezförmig ist.

9. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Aktivelement (20) je zwei separate Spannelemente (41) zugeordnet sind und die Länge eines Spann­elements (41) der Länge eines Aktivelements (20) im wesentlichen entspricht.

10. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils eine Gruppe (z.B. 11) von Aktivele­menten (20) je zwei durchgehende Spannelemente (41) vorgesehen sind und die Länge eines Spann­elementes (41) der Länge einer Gruppe (z.B. 11) von Aktivelementen (20) im wesentlichen ent­spricht.

11. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann­elemente (41) mittels Schrauben (43) an der Platte (30) befestigt sind.

12. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann­elemente (41), bevorzugt einschließlich ihrer Befestigungsmittel (43), gegen das Innere der Zelle durch Abdeckelemente (44, 45) aus kor­rosionsbeständigem Werkstoff geschützt sind.

13. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (30) gekühlt ist.

14. Verbundelektrode nach Anspruch 13, dadurch ge­kennzeichnet, daß eine Wasserkühlung vorgesehen ist.

15. Verbundelektrode nach Anspruch 14, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Platte (30) als Hohlkörper ausgebildet ist, innerhalb dem Kanäle für das Kühlwasser angeordnet sind.

16. Verbundelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Stromzuleiter (60) zur Platte vorgesehen ist, der durch das Innere des Hohlkör­pers hindurchgeführt und mit der Innenseite der Hauptfläche (31), mit der die Elektrodenelemente (20) in Kontakt stehen, elektrisch verbunden ist.

Zeichnung