TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle für eine Schmelzflusselektrolyseanlage,
insbesondere zur Herstellung von Aluminium, die eine Elektrolytwanne zur Aufnahme
eines geschmolzenen Elektrolyten und zumindest zwei Elektroden aufweist, wobei die
Elektroden jeweils Oberflächen aufweisen, wobei die Oberflächen einander zugewandt
sind, um zwischen sich einen Stromfluss durch den Elektrolyten zu ermöglichen.
HINTERGRUND
[0002] Elektrolysezellen wie im obigen technischen Gebiet skizziert sind grundsätzlich beispielsweise
aus der Grundstoffindustrie bekannt. Dort werden in diesen Zellen mithilfe der Schmelzflusselektrolyse
Aluminium oder Magnesium hergestellt oder bestimmte Alkalimetalle gewonnen. Eine klassische
Elektrolysezelle umfasst ein kastenförmiges Gehäuse mit einem Boden und Seitenwänden.
Vor dem Hintergrund der allgemeinen Anstrengungen der Industrie, weniger klimaschädliche
Prozesse zu erreichen, wurden Elektrolysezellen entwickelt, die von klassischen Hall-Heroult
Elektrolysezellen abweichen und deren Anoden nicht aus Graphit bestehen. Solche Anoden
werden auch als "inerte Anoden" bezeichnet.
[0003] Aus
WO 2017/165838 A1 ist in diesem Zusammenhang eine Elektrodenkonfiguration für eine Elektrolysezelle
bekannt, die auf vertikal ausgerichteten plattenförmigen Elektroden beruht. Die vertikale
Ausrichtung der Elektroden dient dazu, eine verbesserte elektrische Effizienz bei
der elektrolytischen Metallherstellung zu erreichen, da mehr Elektroden pro Volumen
im Elektrolytbad angeordnet werden können als bei klassischen Hall-Heroult Zellen.
Da diese Elektroden sich im Gegensatz zu Graphit-Anoden durch die Elektrolyse nicht
nennenswert verbrauchen, besteht die Möglichkeit die jeweiligen Abstände zwischen
den Oberflächen der Elektroden ohne großen Aufwand beizubehalten.
[0004] Die für die Aufrechterhaltung des flüssigen Aggregatzustands des geschmolzenen Elektrolyten
erforderliche Wärme wird grundsätzlich aufgrund des elektrischen Widerstands des Elektrolyten,
also durch Strom, in den Elektrolyten eingebracht. Im Fall der Konfiguration aus
WO 2017/165838 A1 wird zur Sicherstellung des Wärmehaushalts im Elektrolyten eine Eintauchtiefe der
Anode in das Elektrolytbad variiert, um dadurch den elektrischen Widerstand der Elektrolysezelle
zu variieren und die in das Elektrolytbad eingebrachte Wärme einzustellen.
[0005] Während der Wärmehaushalt beim klassischen Hall-Heroult Verfahren durch eine Regelung
der Spannung eingestellt werden kann, ist dies bei gefächerten vertikal ausgerichteten
Elektroden grundsätzlich problematisch, weil die Spannung hier nur durch einen erheblichen
konstruktiven Aufwand variiert werden kann, um die relativen Abstände zwischen den
Elektroden zu variieren. Deshalb wird im Stand der Technik bei solchen Elektrodenanordnungen
der Wärmeeintrag durch eine Steuerung der Stromstärke realisiert, wodurch sich aber
unter Umständen eine zu hohe Stromdichte im Elektrolyten ergibt, die zu einer lokal
zu hohen Temperatur des Elektrolyten im Bereich der Elektroden führt und dadurch die
Elektroden beschädigt. Denn je höher die Temperatur des Elektrolyten im Bereich der
Elektroden, vor allem der Anode, ist, desto kürzer ist die Haltbarkeit dieser Elektroden.
[0006] Eine Erhöhung der Stromdichte im Elektrolyten führt im beispielhaften Fall einer
Aluminiumelektrolysezelle außerdem dazu, dass die Produktionsrate von Aluminium ebenfalls
steigt, was wiederum zu einer Erhöhung der Menge von an der Elektrode anhaftendem
gasförmigem Sauerstoff führt. Dies erhöht den elektrischen Widerstand im Elektrolytbad
und führt zu Turbulenzen im Bad, welche schädlich für die Elektroden sind.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0007] Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine
Elektrolysezelle des obigen technischen Gebiets bereitzustellen, die eine nachhaltige,
zuverlässige und effiziente Einstellbarkeit des Wärmehaushalts im Elektrolytbad ermöglicht.
[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolysezelle nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0009] Danach ist eine Elektrolysezelle für eine Schmelzflusselektrolyseanlage, die eine
Elektrolytwanne zur Aufnahme eines geschmolzenen Elektrolyten und zumindest zwei Elektroden
aufweist, wobei die Elektroden jeweils Oberflächen aufweisen, wobei die Oberflächen
einander zugewandt sind, um zwischen sich einen Stromfluss durch den Elektrolyten
zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Oberflächen schräg
zu einer vertikalen Richtung ausgerichtet ist und die zumindest zwei Elektroden (16,
18) beide von oben elektrisch angeschlossen sind.
[0010] Im vorliegenden Zusammenhang ist mit dem Begriff der Elektrode eine Elektrode positiver
Polarität, d.h. eine Anode, oder eine Elektrode negativer Polarität, d.h. eine Kathode,
gemeint. Bei der Elektrode handelt es sich um mindestens ein Element, beispielsweise
eine Platte, einer Polarität, d.h. beispielsweise eine Platte, die in Bezug auf den
Elektrolyten als Anode bzw. Kathode wirkt, d.h. durch die der Stromfluss durch den
Elektrolyten bewirkt wird. Es können und werden bevorzugt auch mehrere Anoden und
mehrere Kathoden ähnlich wie im Stand der Technik gemäß
WO 2017/165838 A1 in ein Elektrolytbad eingebracht werden.
[0011] Die Elektrolysezelle ist bevorzugt zur Herstellung von Aluminium geeignet und bevorzugt
auch ausgestaltet und konfiguriert oder vorbereitet.
[0012] Durch diese Ausgestaltung der Elektrolysezelle ist es möglich, den Abstand zwischen
den einander zugewandten Oberflächen der Elektroden effizient zu variieren, beispielsweise
durch vertikales Verfahren einer der beiden Elektroden relativ zu der anderen der
Elektroden. Dadurch ändert sich der Spannungsabfall im Elektrolyten zwischen den Oberflächen,
so dass der Wärmehaushalt des Elektrolytbades über den Spannungsabfall im Elektrolyten,
statt über die Stromstärke im Elektrolyten, regelbar ist. Durch das elektrische Anschließen
der zumindest zwei Elektroden von oben ist eine vertikale Verfahrbarkeit der Elektroden
leichter möglich als bei einem elektrischen Anschließen von unten, da die Zuleitung
der jeweiligen Elektrode nicht durch den Elektrolyten führen muss und somit selbst
vor Verschleiß geschützt ist und keine Dichtigkeitsprobleme bei der Elektrolytwanne
hervorruft.
[0013] Durch die Nutzung des Spannungsabfalls kann die Temperatur des Elektrolyten auf einem
optimalen Wert gehalten werden. Die Temperatur ist so niedrig, dass die Elektroden,
insbesondere die Anode, eine möglichst lange Haltbarkeit aufweisen, wobei sie gleichzeitig
hoch genug ist, dass der Elektrolyt stabil im flüssigen Zustand gehalten werden kann
und beispielsweise im Fall einer Aluminiumelektrolyse das Aluminiumoxid im Elektrolyten
gelöst werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Temperatur des Elektrolyten sehr
genau einzustellen und größere Sicherheitstoleranzen sind unnötig. So kann die Temperatur
des Elektrolyten relativ knapp, knapper als im Stand der Technik, über seinem Erstarrungspunkt
gehalten werden. Dies spart gegenüber Lösungen, die aus Sicherheitsgründen weiter
oberhalb des Erstarrungspunkts betrieben werden, Energie, schont die Umwelt und ist
wirtschaftlicher. Gleichzeitig kann auf diese Weise eine zu hohe Stromdichte vermieden
werden. Die Stromdichte kann bei geeigneter Konfiguration der Ausrichtungen und Anordnungen
der Elektroden während der Regelung des Wärmeeintrags durch variierenden Spannungsabfall
konstant gehalten werden.
[0014] Gerade bei inerten Elektroden ist es von besonders großem Vorteil, dass es durch
die vorliegende Erfindung möglich ist, den Wärmehaushalt in der Elektrolytwanne über
den Spannungsabfall im Elektrolyten, anstatt wie herkömmlich über die Stromstärke
zu steuern oder zu regeln.
[0015] Ferner lässt sich durch die vorliegende Erfindung mittels Anodenstrommessung die
Stromverteilung in der Elektrolysezelle sehr genau einstellen, so dass bestenfalls
eine gleichmäßige Verteilung des Stroms im Elektrolytbad erreicht wird. Wenn beispielsweise
über eine erste Anode ein größerer Strom in das Elektrolytbad fließt als durch eine
andere, zweite Anode, so führt dies zu einer lokal höheren Temperatur im Bereich der
ersten Anode, was die oben geschilderte Folge einer erhöhten Abnutzung der ersten
Anode mit sich bringt. Wenn beispielsweise andererseits über die erste Anode ein kleinerer
Strom in das Elektrolytbad fließt als durch die zweite Anode, so führt dies unter
Umständen zu einem Einfrieren des Elektrolyten im Bereich der zweiten Anode. Dies
würde zu noch weniger Stromfluss durch die erste Anode führen und den Effekt somit
verstärken.
[0016] Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt
darin, dass eine flexiblere Reaktion auf zunehmende Anforderungen des Stromnetzes
möglich ist. Da eine zunehmend geringere Zuverlässigkeit der Verfügbarkeit von elektrischer
Energie aus dem Stromnetz zu beobachten ist, die sich beispielsweise in Anforderungen
der Netzbetreiber zeigt, bei Bedarf die Stromentnahme aus dem Netz zu drosseln oder
vollständig einzustellen, stellt es einen Vorteil dar, zumindest auch den Spannungsabfall
innerhalb der Elektrolysezelle variieren zu können.
[0017] Bevorzugt ist die Position zumindest einer der Elektroden, insbesondere einer Anode,
entlang der vertikalen Richtung relativ zu der anderen der Elektroden verstellbar.
Alternativ ist auch oder nur die Kathode in vertikaler Richtung verstellbar, um den
Abstand zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Elektroden zu variieren.
Weiter alternativ kann auch eine andere Verstellbarkeit der Position, z.B. eine horizontale
oder schräge Verstellbarkeit der Position zumindest einer der Elektroden, für eine
Variierung des Abstands zwischen den Elektroden genutzt werden. Schließlich muss der
Abstand zwischen den Elektroden auch nicht variierbar sein, damit die Elektrolysezelle
arbeiten kann.
[0018] Mit Vorteil sind die Oberflächen schräg zueinander ausgerichtet. Durch ein schräges
Ausrichten der Oberflächen zueinander ist es besonders gut möglich, dass die Oberflächen
an unterschiedlichen vertikalen Positionen unterschiedlich weit voneinander beabstandet
sind. Dies kann alternativ und zusätzlich durch eine stufige Gestaltung der Elektrode
oder Elektroden erzielt werden. Hierbei können also vertikal verlaufende Oberflächen
in vertikaler Richtung stufenförmig zueinander versetzt sein. Es können auch schräg
zur vertikalen Richtung ausgerichtete Oberflächen stufenförmig zueinander versetzt
sein. Besonders bevorzugt weisen die Oberflächen der Elektroden schräg nach oben.
An den Anoden gebildeter Sauerstoff kann somit leichter nach oben entweichen und sich
von der Anodenoberfläche lösen, was eine Herabsetzung der Wirksamkeit der Anode verhindert
oder zumindest abschwächt. Insbesondere falls die Anodenoberflächen schräg nach unten
weisen, wird bevorzugt, dass die Oberflächen der Anoden vertikal verlaufende Nuten
oder Schlitze aufweisen. Dadurch können Sauerstoffbläschen, die sich an der Oberfläche
der Anode sammeln leicht nach oben entweichen und führen nicht zu einer Erhöhung des
elektrischen Widerstands an der Oberfläche der Anode. Somit kann sichergestellt werden,
dass sich der Sauerstoff von der Anode entfernt und diese somit ihre inerte Eigenschaft
sicher behalten kann.
[0019] Im Fall der Kathoden haben schräg nach oben weisende Oberflächen den Vorteil, dass
sich hierauf Aluminium oder anderes durch die Elektrolyse hergestelltes Material leichter
ablegen kann. Somit kann ein Benetzen der Kathode z.B. mit Aluminium oder einem anderen
durch die Elektrolyse herzustellenden Metall eine inerte Eigenschaft der Kathode sicher
aufrechterhalten.
[0020] In einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine der Elektroden plattenförmig
mit zwei Haupterstreckungsrichtungen und einer sich senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen
erstreckenden Dicke ausgestaltet, wobei sich die Dicke entlang der vertikalen Richtung
verändert. Mit anderen Worten ist die zumindest eine der Elektroden keilförmig ausgestaltet.
Dieser Form können die vorstehend genannten Nuten oder Schlitze überlagert sein.
[0021] Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht es einerseits, dass die einander zugewandten
Oberflächen an unterschiedlichen vertikalen Positionen unterschiedlich weit voneinander
beabstandet sind, ohne die Elektroden schräg anzuordnen oder mit Stufen zu versehen.
Andererseits ist es auf diese Weise auch möglich, den ohm'schen Widerstand der keilförmigen
Elektrode oder Elektroden entlang der vertikalen Richtung unterschiedlich einzustellen.
Dies kann zu einer weiteren Vergleichmäßigung der Stromdichte und damit einer Reduzierung
von lokalen Stromspitzen im Elektrolyt beitragen.
[0022] Alternativ können die Elektroden auch anders geformt sein und beispielsweise kreisförmige,
ovale oder rennbahnförmige Grundrisse aufweisen.
[0023] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Oberflächen zumindest teilweise innerhalb
der Elektrolytwanne angeordnet, um vom Elektrolyt umgeben zu sein. Die Elektrolysezelle
ist also bevorzugt so ausgestaltet, dass ein innerhalb der Elektrolytwanne befindlicher
Elektrolyt als Bad fungieren kann, in den die Oberflächen der Elektroden eingetaucht
sind.
[0024] Bevorzugt umfassen die Elektroden eine Anode und eine Kathode, wobei die Anode und/oder
die Kathode inert ist. Eine inerte Anode bzw. eine inerte Kathode zeichnet sich dadurch
aus, dass sie im Gegensatz zu klassischen Elektroden auf Kohlenstoffbasis während
des Elektrolyseverfahrens nahezu nicht verbraucht wird. In Fachkreisen hat sich für
diese Art von Elektroden der Begriff der "inerten Elektrode" etabliert, auch wenn
diese streng genommen nicht völlig inert ist, da ein wenig des Materials beim Betrieb
verbraucht wird. Das Maß dieses Verbrauchs ist aber so deutlich unter dem einer herkömmlichen
Elektrode, dass dem Fachmann klar ist, ob eine Elektrode inert ist oder konventionell.
[0025] In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anode CuNiFe auf. Dieses Material
hat sich für eine inerte Anode als besonders geeignet herausgestellt. Bevorzugt ist
die Kathode benetzbar. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kathode TiB
2 auf. Dieses Material hat sich für eine inerte Kathode als besonders geeignet herausgestellt.
[0026] Bei einer inerten Elektrode ist die Vermeidung von zu hohen Temperaturen im Bad des
Elektrolyten besonders vorteilhaft, weil gerade die inerten Eigenschaften der Elektroden,
vor allem der Anode, bei zu hohen Temperaturen verloren gehen und die Elektrode somit
verbraucht wird.
[0027] Bevorzugt sind die Oberflächen an unterschiedlichen vertikalen Positionen unterschiedlich
weit voneinander beabstandet. Die Oberflächen können aber auch parallel zueinander
verlaufen.
[0028] Weiter bevorzugt sind die Oberflächen an einer oberen Position weiter voneinander
beabstandet als an einer darunter liegenden unteren Position. Weiter bevorzugt ist
in diesem Zusammenhang, wenn die Oberflächen an einer oberen Position weiter voneinander
beabstandet sind als an jeder darunter liegenden unteren Position.
[0029] Durch diese Ausgestaltungen der Elektroden in Kombination mit den Positionen der
Elektroden, an denen diese elektrisch angeschlossen sind, d.h. an denen der Anschluss
der Elektroden an ihre Energiequelle stattfindet, kann eine weitere Vergleichmäßigung
der Stromdichte im Elektrolyt erreicht und eine mögliche Ungleichheit der Abnutzung
der Elektroden verringert werden. Dies hängt auch mit dem elektrischen Potentialverlauf
innerhalb der Elektroden auf Grund ihres jeweiligen ohm'schen Widerstands zusammen,
jedoch auch mit dem jeweiligen ohm'schen Widerstand durch den Elektrolyten. Diesbezüglich
ist davon auszugehen, dass ein größerer Abstand zwischen den benachbarten Oberflächen
einen größeren Widerstand für den Stromfluss durch den Elektrolyten bedeutet. Daher
wird sich ein relativ kleinerer Stromfluss in der Nähe des Anschlusses der Elektroden
durch den Elektrolyten einstellen als im Fall von gleich beabstandeten Oberflächen.
Durch diese Maßnahme kann also verhindert oder wenigstens vermindert werden, dass
die Stromdichte durch den Elektrolyten in der Nähe der benachbarten elektrischen Anschlüsse
der Elektroden, d.h. bei einer besonders großen Potentialdifferenz, besonders groß
ist.
[0030] Mit Vorteil weist die Elektrolysezelle mehr als zwei Elektroden auf, so dass Anoden
und Kathoden abwechselnd kämmend nebeneinander angeordnet sind.
[0031] Somit kann eine sehr effiziente Nutzung der Elektroden im Elektrolyten mit höherer
Stromstärke bei gleichbleibender Stromdichte und damit verbunden ein geringerer Energiebedarf
beispielsweise bei der Herstellung von Aluminium sichergestellt werden.
[0032] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrolytwanne und die Elektroden
so bemessen, dass durch ein Verändern einer vertikalen Position zumindest einer der
Elektroden, vorzugsweise mehrere oder alle Elektroden einer ersten Polarität, gegenüber
zumindest einer anderen der Elektroden, vorzugsweise mehrerer oder aller Elektroden
einer anderen zweiten Polarität, in der Elektrolytwanne nach unten ein Abstand zwischen
den Oberflächen der Elektroden vergrößert wird.
[0033] Mit anderen Worten befindet sich unterhalb der zumindest einen der Elektroden noch
ein Freiraum in der Elektrolytwanne, in den die zumindest eine der Elektroden durch
vertikales Verschieben nach unten vordringen kann. Dadurch, dass die zumindest eine
der Elektroden nach unten verstellt wird, vergrößert sich der Abstand zwischen den
Oberflächen der Elektroden, die Stromdichte im Elektrolyten wird geringer und es wird
weniger Wärme in das Elektrolytbad eingebracht. Dies kann in dieser bevorzugten Ausführungsform
nicht nur dadurch geschehen, dass eine Elektrode teilweise aus dem Elektrolytbad herausgezogen
wird, sondern auch durch tieferes Hineinschieben. Dadurch kann eine Konzentration
des Stroms auf den im Elektrolyten verbleibenden Teil der Elektrode und damit ein
Erhöhen der Stromdichte über einen kritischen Wert vermieden werden.
[0034] Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche.
KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
[0035]
- Fig. 1
- zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle für eine Schmelzflusselektrolyseanlage
in einer seitlichen Schnittansicht.
- Fig. 2
- zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle für eine Schmelzflusselektrolyseanlage
in einer seitlichen Schnittansicht.
- Fig. 3
- zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle für eine Schmelzflusselektrolyseanlage
in einer seitlichen Schnittansicht.
- Fig. 4
- zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle für eine Schmelzflusselektrolyseanlage
in einer seitlichen Schnittansicht.
- Fig. 5
- zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle für eine Schmelzflusselektrolyseanlage
in einer seitlichen Schnittansicht.
- Fig. 6
- zeigt eine Draufsicht der fünften bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 5.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0036] Die nachfolgende Figurenbeschreibung beschreibt Figuren, die zum Verständnis der
Erfindung hilfreich sind. Die Figuren sind schematische Darstellungen, die qualitativ
Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen illustrieren. Gleiche Elemente und Merkmale
werden dabei durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet und eine wiederholende Beschreibung
wird weitgehend vermieden.
[0037] Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle 10 für
eine Schmelzflusselektrolyseanlage. Die Elektrolysezelle 10 weist eine Elektrolytwanne
12 zur Aufnahme eines geschmolzenen Elektrolyten 14 auf. Ferner weist die Elektrolysezelle
10 in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform vier Elektroden 16, 18, nämlich zwei
Kathoden 16 und zwei Anoden 18, auf, die von oben in das Innere der Elektrolytwanne
12 hineinragen und in der hier dargestellten Ausführungsform von oben elektrisch angeschlossen
sind. Grundsätzlich können einzelne oder alle der Elektroden 16, 18 von oben oder
von unten angeschlossen sein. Grundsätzlich kann auch von der Seite angeschlossen
werden, was aber konstruktiv und funktional weniger vorteilhaft als ein elektrisches
Anschließen von oben oder unten ist.
[0038] Jede der Elektroden 16, 18 weist Oberflächen 16.1...16.4, 18.1...18.4 auf, die in
der seitlichen Schnittansicht der Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Die
Oberflächen 16.1...16.3, 18.2...18.4 sind in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform
einander zugewandt, so dass zwischen diesen Oberflächen der gegenpoligen Elektroden
16, 18 jeweils ein Stromfluss durch den Elektrolyten 14 bewirkt wird. Die Oberflächen
16,4 und 18.1 weisen in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform zu den jeweiligen
Rändern der Elektrolytwanne 12 und bewirken daher keinen direkten Stromfluss durch
den Elektrolyten 14.
[0039] In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verlaufen die Oberflächen 18.1...18.4
der Anoden parallel zu einer vertikalen Richtung V, aber haben die Kathoden 16 entlang
der vertikalen Richtung V unterschiedliche Dicken 22.3, 22.4, 22.7, 22.8, so dass
die die Oberflächen 16.1...16.4 der Kathoden 16 schräg zu der vertikalen Richtung
V ausgerichtet sind und die Oberflächen 16.1...16.3, 18.2...18.4 an unterschiedlichen
vertikalen Positionen unterschiedlich weit voneinander beabstandet sind. Die Kathoden
16 sind also keilförmig ausgebildet, während die Anoden 18 eine Quaderform haben.
In Fig. 1 ist zu erkennen, dass ein erster Anoden-Kathoden-Abstand 20.1, 20.3, 20.5
zwischen den Elektroden 16, 18 an einer oberen Stelle näher an der Stelle der jeweiligen
Elektroden 16, 18, an der diese elektrisch angeschlossen sind, größer ist als ein
zweiter Anoden-Kathoden-Abstand 20.2, 20.4, 20.6 an einer unteren Stelle der jeweiligen
Elektroden 16, 18. Dadurch liegt zunächst ein größerer elektrischer Widerstand durch
den Elektrolyten 14 im oberen Bereich der Elektrolytwanne 12 zwischen den beteiligten
Elektroden 16, 18 als im unteren Bereich der Elektrolytwanne 12 zwischen den beteiligten
Elektroden 16, 18 vor, weil ein größerer Abstand einen insgesamt größeren Widerstand
bedeutet und bei annähernd gleicher Potentialdifferenz zwischen den Elektroden zu
einer gegenüber dem unteren Bereich der Elektrolytwanne niedrigeren Stromdichte im
Elektrolyten 14 führt. Hieraus resultiert eine gleichmäßigere Abnutzung der Elektroden.
[0040] Übergänge zwischen Oberflächen sind in Fig. 1 als gerade und scharfe Kanten dargestellt.
Ecken und Kanten der Elektroden, allgemeiner kleine Krümmungsradien der Elektroden,
führen zu einer intensiven Verstärkung des elektrischen Felds und einer Verdichtung
des Stroms an diesen Stellen, was zu einer lokalen Überhitzung und Zerstörung der
Ecken bzw. Kanten an diesen Stellen führen kann. Dieser Effekt ist auch als "fanning
effect" bekannt. Deshalb ist es in der Praxis fachüblich und natürlich auch vorliegend
vorgesehen, Ecken und Kanten der Elektroden abzurunden.
[0041] Unterhalb der Elektroden 16, 18 in ihrer in Fig. 1 gezeigten Stellung befindet sich
ein Freiraum 24, in den die Elektroden 16, 18 wahlweise nach unten entlang der vertikalen
Richtung V verschoben werden können, um den Abstand 20.1...20.6 zwischen den einander
zugewandten Oberflächen 16.1...16.3, 18.2...18.4 effektiv zu vergrößern und damit
den Spannungsabfall pro Strecke im Elektrolyten 14 zu reduzieren, was wiederum zu
einer Reduzierung des Wärmeeintrags in den Elektrolyten 14 führt.
[0042] Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle 10 für
eine Schmelzflusselektrolyseanlage. Gegenüber der ersten Ausführungsform sind die
Anoden 18 und Kathoden 16 hinsichtlich ihrer Form vertauscht, so dass die Oberflächen
16.1...16.4 der Kathoden 16 parallel zu der vertikalen Richtung V verlaufen, aber
die Anoden 18 entlang der vertikalen Richtung V unterschiedliche Dicken 22.1, 22.2,
22.5, 22.6 haben, so dass die Oberflächen 18.1...18.4 der Anoden 18 schräg zu der
vertikalen Richtung V ausgerichtet sind und die Oberflächen 16.1...16.3, 18.2...18.4
an unterschiedlichen vertikalen Positionen unterschiedlich weit voneinander beabstandet
sind. Hier sind also die Anoden 18 keilförmig ausgebildet, während die Kathoden 16
eine Quaderform haben.
[0043] Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle 10 für
eine Schmelzflusselektrolyseanlage. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform
verlaufen die in der ersten Ausführungsform noch parallel zur vertikalen Richtung
V verlaufenden Oberflächen 18.1...18.4 der Anoden 18 in der zweiten Ausführungsform
schräg zur vertikalen Richtung V. In dieser dritten Ausführungsform sind also auch
die Anoden 18 keilförmig ausgebildet, wobei aber die Oberflächen 18.1, 18.2 und 18.3,
18.4 der Anoden 18 jeweils nach unten aufeinander zulaufen, so dass die Anoden 18
in ihrem oberen Bereich eine größere Dicke 22.1, 22.5 haben als eine Dicke 22.2, 22.6
in einem unteren Bereich der Anoden 18. Die Anoden 18 verjüngen sich also nach unten
hin, während die Kathoden 16 sich nach oben hin verjüngen. Die Oberflächen 16.1...16.4
der Kathoden 16 schließen dabei einen größeren Winkel mit der vertikalen Richtung
V ein als die Oberflächen 18.1...18.4 der Anoden 18, d.h. die Anoden 18 sind spitzer
ausgestaltet, die Oberflächen 18.1, 18.2 und 18.3, 18.4 laufen langsamer aufeinander
zu als die Oberflächen 16.1, 16.2 und 16.3, 16.4. Die Oberflächen 18.1...18.4 sind
nicht-parallel zu den Oberflächen 16.1...16.4 ausgerichtet. Ein erster Anoden-Kathoden-Abstand
20.1, 20.3, 20.5 zwischen den Elektroden 16, 18 an einer oberen Stelle ist größer
als ein zweiter Anoden-Kathoden-Abstand 20.2, 20.4, 20.6 an einer unteren Stelle der
jeweiligen Elektroden 16, 18.
[0044] Um den Abstand 20.1...20.6 zwischen benachbarten Elektroden effektiv zu vergrößern,
können die Kathoden 16 nach unten oder die Anoden 18 nach oben verstellt werden.
[0045] Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle 10 für
eine Schmelzflusselektrolyseanlage. Gegenüber der dritten Ausführungsform sind die
Anoden 18 und Kathoden 16 hinsichtlich ihrer Form vertauscht, so dass die Oberflächen
16.1...16.4 der Kathoden 16 schräg zu der vertikalen Richtung V verlaufen, so dass
sich die Kathoden 16 nach unten hin verjüngen, während sich die Anoden 18 nach oben
hin verjüngen. Die Oberflächen 16.1...16.3, 18.2...18.4 sind wiederum an unterschiedlichen
vertikalen Positionen unterschiedlich weit voneinander beabstandet.
[0046] Fig. 5 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer Elektrolysezelle für eine
Schmelzflusselektrolyseanlage in einer seitlichen Schnittansicht. Im Unterschied zur
dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 weisen die Anoden 18 vertikal verlaufende Schlitze
26 oder Nuten auf, die insbesondere in der Draufsicht gemäß Fig. 6 zu erkennen sind.
Diese Schlitze 26 oder Nuten verlaufen vertikal und sind in die jeweiligen Oberflächen
18.1...18.4 der Anoden 18 eingebracht, so dass sich an den Oberflächen 18.1...18.4
sammelnder Sauerstoff durch die Schlitze 26 oder Nuten besser nach oben entweichen
kann als ansonsten durch die schräg nach unten weisenden Oberflächen 18.1...18.4 ermöglicht
wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0047]
- 10
- Elektrolysezelle
- 12
- Elektrolytwanne
- 14
- Elektrolyt
- 16
- Kathode (Elektrode)
- 16.1...16.4
- Oberfläche (der Kathode)
- 18
- Anode (Elektrode)
- 18.1...18.4
- Oberfläche (der Anode)
- 20.1...20.6
- Anoden-Kathoden-Abstand
- 22.1...22.8
- Dicke
- 24
- Freiraum
- 26
- Schlitz
- V
- vertikale Richtung
1. Elektrolysezelle (10) für eine Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere zur Herstellung
von Aluminium,
die eine Elektrolytwanne (12) zur Aufnahme eines geschmolzenen Elektrolyten (14) und
zumindest zwei Elektroden (16, 18) aufweist,
wobei die Elektroden (16, 18) jeweils Oberflächen (16.1...16.4, 18.1...18.4) aufweisen,
wobei die Oberflächen (16.1...16.4, 18.1...18.4) einander zugewandt sind, um zwischen
sich einen Stromfluss durch den Elektrolyten (14) zu ermöglichen,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine der Oberflächen (16.1...16.4, 18.1...18.4) schräg zu einer vertikalen
Richtung (V) ausgerichtet ist und
wobei die zumindest zwei Elektroden (16, 18) beide von oben elektrisch angeschlossen
sind.
2. Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der Elektroden (16, 18),
insbesondere eine Anode (18), entlang der vertikalen Richtung (V) verstellbar ist.
3. Elektrolysezelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächen (16.1...16.4,
18.1...18.4) schräg zueinander ausgerichtet sind.
4. Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine
der Elektroden (16, 18) plattenförmig mit zwei Haupterstreckungsrichtungen und einer
sich senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen erstreckenden Dicke (22.1...22.8)
ausgestaltet ist,
wobei sich die Dicke (22.1...22.8) entlang der vertikalen Richtung (V) verändert.
5. Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen
(16.1...16.4, 18.1...18.4) zumindest teilweise innerhalb der Elektrolytwanne (12)
angeordnet sind, um vom Elektrolyt (14) umgeben zu sein.
6. Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden
(16, 18) eine Anode (18) und eine Kathode (16) umfassen, wobei die Anode (18) und/oder
die Kathode (16) inert ist,
insbesondere wobei die Anode (18) CuNiFe aufweist,
insbesondere wobei die Kathode (16) TiB2 aufweist.
7. Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen
(16.1...16.4, 18.1...18.4) an unterschiedlichen vertikalen Positionen unterschiedlich
weit voneinander beabstandet sind.
8. Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen
(16.1...16.4, 18.1...18.4) an einer oberen Position weiter voneinander beabstandet
sind als an einer, bevorzugt jeder, darunter liegenden unteren Position.
9. Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mehr als zwei Elektroden
(16, 18) aufweist, so dass Anoden (18) und Kathoden (16) abwechselnd kämmend nebeneinander
angeordnet sind.
10. Elektrolysezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrolytwanne
(12) und die Elektroden (16, 18) so bemessen sind, dass durch ein Verändern einer
vertikalen Position zumindest einer der Elektroden (16, 18) gegenüber zumindest einer
anderen der Elektroden (16, 18) in der Elektrolytwanne (12) nach unten ein Abstand
zwischen den Oberflächen (16.1...16.4, 18.1...18.4) der Elektroden (16, 18) vergrößert
wird.