DE102011078002A1

DE102011078002A1 - Annular electrolytic cell and annular cathode with magnetic field compensation

Info

Publication number: DE102011078002A1
Application number: DE102011078002A
Authority: DE
Inventors: Thomas Frommelt; Christian Bruch
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27
Also published as: AU2012271993A1; WO2012175419A2; US20140110251A1; AR086974A1; ZA201309289B; EP2723919A2; JP2014517157A; WO2012175419A3; RU2014101691A; CN103764877A; CA2838940A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, eine auf der Oberseite der Kathode angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eit eine Anode umfasst, wobei die Kathode wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist, in der wenigstens eine sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode und/oder mit der Kathode elektrisch verbundene Stromzuführung vorgesehen ist, und wobei die Elektrolysezelle wenigstens eine außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete weitere Stromzuführung umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckt und die mit der Kathode und/oder mit der Anode elektrisch verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Kathode für eine Elektrolysezelle.The invention relates to an electrolytic cell, in particular for the production of aluminum, which comprises a cathode, a layer of liquid aluminum arranged on the top of the cathode, thereon an anode, the cathode having at least one opening extending vertically through the cathode, in the at least one power supply is provided extending vertically through the opening and electrically connected to the anode and / or to the cathode, and wherein the electrolytic cell comprises at least one further power supply arranged outside the opening of the cathode, which extends at least in sections in the vertical direction and which is electrically connected to the cathode and / or to the anode. The invention also relates to a cathode for an electrolytic cell.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, sowie eine Kathode, welche zur Verwendung in einer solchen Elektrolysezelle geeignet ist.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.

Elektrolysezellen werden beispielsweise zur elektrolytischen Herstellung von Aluminium, welche industriell üblicherweise nach dem Hall-Héroult-Verfahren durchgeführt wird, eingesetzt. Bei dem Hall-Héroult-Verfahren wird eine aus Aluminiumoxid und Kryolith zusammengesetzte Schmelze elektrolysiert. Dabei dient der Kryolith, Na₃[AlF₆], dazu, den Schmelzpunkt von 2.045°C für reines Aluminiumoxid auf ca. 950°C für eine Kryolith, Aluminiumoxid und Zusatzstoffe, wie Aluminiumfluorid und Calciumfluorid, enthaltende Mischung zu senken.Electrolysis cells are used, for example, for the electrolytic production of aluminum, which is usually carried out industrially by the Hall-Héroult process. In the Hall-Héroult process, a melt composed of alumina and cryolite is electrolyzed. The cryolite, Na ₃ [AlF 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.

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 Kathode sind üblicherweise jeweils Nuten vorgesehen, in denen jeweils wenigstens eine Stromschiene angeordnet ist, durch welche der über die Anoden zugeführte Strom abgeführt wird. Etwa 3 bis 5 cm oberhalb der auf der Kathodenoberseite befindlichen, üblicherweise 15 bis 50 cm hohen, Schicht aus flüssigem Aluminium ist eine, 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.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. In order to withstand the thermal and chemical conditions prevailing in the operation of the cell, the cathode is usually composed of a carbonaceous material. On the lower sides of the cathode, grooves are usually provided, in each of which at least one bus bar is arranged, through which the current supplied via the anodes is removed. About 3 to 5 cm above the located on the cathode top, usually 15 to 50 cm high, 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. During the electrolysis carried out at about 1000 ° C., the aluminum formed is deposited below the electrolyte layer due to its greater density compared to that of the electrolyte, ie as an intermediate layer between the upper side of the cathode and the electrolyte layer. In the electrolysis, the dissolved in the melt aluminum oxide is split by electric current flow to aluminum and oxygen. From an electrochemical point of view, the layer of liquid aluminum is the actual cathode because aluminum ions are reduced to elemental aluminum on its surface. Nevertheless, 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.

Ein wesentlicher Nachteil des Hall-Héroult-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.A major disadvantage of the Hall-Héroult 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.

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 führen kann. Solche Kurzschlüsse führen ferner zu einem erhöhten Verschleiß und somit zu einer verringerten Standzeit der Elektrolysezelle. Aus diesen Gründen kann der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium nicht beliebig verringert werden.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. However, due to the present in the electrolysis electromagnetic interactions and thereby caused in the layer of liquid aluminum wave formation at too low a thickness of the melt layer the risk that the layer of liquid aluminum comes into contact with the anode, causing short circuits of the electrolytic cell and can lead to undesired reoxidation of the aluminum formed. Such short circuits also lead to increased wear and thus to a reduced service life of the electrolysis cell. For these reasons, the distance between the anode and the liquid aluminum layer can not be arbitrarily reduced.

Treibende Kraft für die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der darüber angeordneten Schmelzeschicht ist die dort generierte Lorentzkraftdichte, die als das Vektorprodukt der an der jeweiligen Stelle vorliegenden elektrischen Stromdichte und der an dieser Stelle vorliegenden magnetischen Flussdichte definiert ist.The driving force for the wave formation in the layer of liquid aluminum and the melt layer arranged above it is the Lorentz force density generated there, which is defined as the vector product of the electrical current density present at the respective location and the magnetic flux density present at this location.

Während die Stromdichteverteilung in der Anode und in der Schmelzeschicht vergleichsweise homogen ist, ist die Stromdichteverteilung in der Aluminiumschicht und auf der Oberfläche der Kathode infolge von stark ausgeprägten horizontalen Stromdichtekomponenten in Richtung der Kathode sehr inhomogen. Dabei führen die starken horizontalen Komponenten der elektrischen Stromdichte mit dem üblicherweise ebenfalls im Wesentlichen horizontal gerichteten magnetischen Feld zu einer hohen vertikalen Lorentzkraftdichte, welche wiederum, wie dargelegt, zu einer stark ausgeprägten Wellenbildung insbesondere in der Aluminiumschicht führt. Diese stark ausgeprägten horizontalen Stromdichtekomponenten in Richtung der Kathode resultieren aus dem Effekt, 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 auf die seitlichen Randbereiche der Kathode, wo die Verbindung der die Kathode kontaktierenden Stromschienen mit den Stromzuführungselementen erfolgt, da der resultierende elektrische Widerstand von den Stromzuführungselementen bis zu der Oberfläche der Kathode bei Fluss über die nahe den Stromzuführungselementen gelegenen seitlichen Randbereiche geringer ist als bei Fluss über die Mitte der Kathode.While the current density distribution in the anode and in the melt layer is comparatively homogeneous, the current density distribution in the aluminum layer and on the surface of the cathode is very inhomogeneous due to large horizontal current density components in the direction of the cathode. In this case, the strong horizontal components of the electric current density with the magnetic field, which is likewise usually oriented essentially horizontally, lead to a high vertical Lorentz force density, which in turn, as explained, leads to a pronounced wave formation, in particular in the aluminum layer. These strong horizontal current density components towards the cathode result from the effect that the current in the cathode and in the aluminum bath preferably takes the path of least electrical resistance. For this Reason, the electrical current flowing through the cathode typically concentrates on the lateral edge regions of the cathode where the connection of the cathode contacting busbars to the current supply elements occurs because the resulting electrical resistance from the current delivery elements to the surface of the cathode when flowing over the near the side edges of the power supply elements are lower than the flow across the center of the cathode.

Neben einer verstärkten Wellenbildung in der Aluminiumschicht führen die inhomogene Stromdichteverteilung und die erhöhte Stromdichte an den seitlichen Randbereichen der Kathode im Vergleich zu der in der Mitte der Kathode auch zu einem verstärkten Verschleiß der Kathode in diesen seitlichen Randbereichen, was nach längerem Betrieb der Elektrolysezelle typischerweise zu einem charakteristischen im Querschnitt etwa W-förmigen Verschleißprofil der Kathodenblöcke in deren Längsachse führt.In addition to increased wave formation in the aluminum layer, the inhomogeneous current density distribution and the increased current density at the lateral edge regions of the cathode also lead to increased wear of the cathode in these lateral edge regions compared to that in the center of the cathode, which typically increases after prolonged operation of the electrolysis cell a characteristic in cross-section approximately W-shaped wear profile of the cathode blocks in the longitudinal axis leads.

Um diesem W-förmigen Verschleißprofil entgegen zu treten, ist es beispielsweise in der WO 2007/118510 A2 vorgeschlagen worden, die Ausgestaltung der Stromschiene und der die Stromschiene aufnehmenden Nut so anzupassen, dass die Stromdichte im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium möglichst vergleichmäßigt wird. Auch bei einer derartigen Elektrolysezelle tritt aber eine erhebliche Wellenbildung insbesondere in der Aluminiumschicht auf, infolge dessen die Möglichkeit einer Verringerung des Abstands zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium beschränkt ist.To counter this W-shaped wear profile, it is for example in the WO 2007/118510 A2 has been proposed to adapt the design of the busbar and the busbar receiving groove so that the current density in the region of the layer of liquid aluminum is as uniform as possible. Even with such an electrolytic cell, however, considerable wave formation occurs, in particular in the aluminum layer, as a result of which the possibility of reducing the distance between the anode and the layer of liquid aluminum is limited.

Abgesehen davon ist es bekannt, zur Verringerung von Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht die Stromzuführung zu der Anode und zu der Kathode der Elektrolysezelle unter Verwendung komplexer Stromzuführungsgeometrien so auszugestalten, dass sich im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht nur geringe magnetische Felder ergeben, so dass der Betrag der magnetischen Flussdichte und somit auch der Betrag der Lorentzkraftdichte in diesem Bereich möglichst gering ist. Allerdings erweist es sich als äußerst schwierig, auf diese Weise die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und in der Schmelzeschicht signifikant zu reduzieren, da dort selbst beim Einsatz sehr komplexer Geometrien der Stromzuführungen stets zumindest einzelne Bereiche hohen Magnetfelds und somit hoher Wellenbildungstendenz vorhanden sind. Dies ist unter anderem auch darauf zurückzuführen, dass die Elektrolysezelle und daher auch die Kathode rechteckig ausgestaltet sind, wohingegen die durch den durch die einzelnen Stromzuführungen laufenden Strom generierten Magnetfelder zylindrisch verlaufen.Apart from this, it is known to reduce the formation of waves in the layer of liquid aluminum and the melt layer, the power supply to the anode and to the cathode of the electrolytic cell using complex Stromzuführungsgeometrien in such a way that in the region of the layer of liquid aluminum and the melt layer only result in small magnetic fields, so that the amount of the magnetic flux density and thus also the amount of Lorentz force density in this area is minimized. However, it proves to be extremely difficult to significantly reduce the wave formation in the layer of liquid aluminum and in the melt layer in this way, since there are always at least individual areas of high magnetic field and thus high wave formation tendency even when using very complex geometries of the power supply. This is due, among other things, to the fact that the electrolysis cell and therefore also the cathode are of rectangular design, whereas the magnetic fields generated by the current flowing through the individual current supply leads are cylindrical.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektrolysezelle zu schaffen, die bei ihrem Betrieb einen verringerten spezifischen Energieverbrauch sowie eine erhöhte Standzeit aufweist. Insbesondere soll eine Elektrolysezelle bereit gestellt werden, in der die Dicke der Schmelzeschicht verringert ist, ohne dass infolge dadurch erhöhter Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium Instabilitäten, wie Kurzschlüsse oder Rückoxidationen des gebildeten Aluminiums, auftreten.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. In particular, 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 the aluminum formed occur.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle gemäß dem Patentanspruch 1 und insbesondere durch die Bereitstellung einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode, auf der Oberseite der Kathode eine Schicht aus flüssigem Aluminium, darauf eine z. B. Kryolith enthaltende Schmelzeschicht und oberhalb der Schmelzeschicht eine Anode umfasst, wobei die Kathode wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist, in der wenigstens eine sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode und/oder mit der Kathode elektrisch verbundene Stromzuführung vorgesehen ist, und wobei die Elektrolysezelle wenigstens eine außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete weitere Stromzuführung umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckt und die mit der Kathode und/oder mit der Anode elektrisch verbunden ist.According to the invention this object is achieved by providing an electrolytic cell according to claim 1 and in particular by providing an electrolytic cell for producing aluminum, which comprises a cathode, on the top of the cathode, a layer of liquid aluminum, a z. B. cryolite-containing melt layer and above the melt layer comprises an anode, wherein the cathode has at least one vertically extending through the cathode opening in which at least one extending vertically through the opening and with the anode and / or with the cathode electrically connected power supply is provided, and wherein the electrolytic cell comprises at least one arranged outside the opening of the cathode further power supply, which extends at least partially in the vertical direction and which is electrically connected to the cathode and / or to the anode.

Durch die erfindungsgemäß in der Öffnung der Kathode vorgesehene und durch die Kathodenöffnung vertikal hindurch verlaufende Stromzuführung wird im Zusammenspiel mit der wenigstens einen wie in herkömmlichen Elektrolysezellen außerhalb der Kathode angeordneten äußeren Stromzuführung nicht nur eine Verringerung der Magnetfeldstärke und damit der Lorentzkraftdichte sowie der Wellenbildungstendenz in der Aluminiumschicht erreicht, sondern insbesondere auch eine Vergleichmäßigung der Magnetfeldstärke und damit der Lorentzkraftdichteverteilung und der Wellenbildungstendenz in der Aluminiumschicht, und zwar insbesondere über den Querschnitt der Elektrolysezelle gesehen. Durch den durch die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung in – bezogen auf die wenigstens eine äußere Stromzuführung – gleichgerichteter Richtung fließenden Strom wird ein Magnetfeld erzeugt, welches zu dem durch den durch die wenigstens eine außerhalb der Kathodenöffnung angeordnete äußere Stromzuführung fließenden Strom erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Aus diesem Grund kompensiert das durch die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung erzeugte Magnetfeld das durch den Stromfluss in der wenigstens einen äußeren Stromzuführung erzeugte Magnetfeld. Durch die Einstellung der Stromstärke in den einzelnen Stromzuführungen lässt sich die Kompensation der Magnetfelder optimieren. Insbesondere, wenn mehrere äußere Stromzuführungen gleichmäßig um die in der Öffnung der Kathode vorgesehene Stromzuführung herum angeordnet werden, lässt sich eine besonders vollständige Kompensation der Magnetfelder und/oder eine besonders homogene Magnetfeldverteilung erreichen.By virtue of the current supply provided according to the invention in the opening of the cathode and extending vertically through the cathode opening, interaction with the at least one external power supply arranged outside the cathode, as in conventional electrolysis cells, not only reduces the magnetic field strength and thus the Lorentz force density and the wave formation tendency in the aluminum layer achieved, but in particular also a homogenization of the magnetic field strength and thus the Lorentz force density distribution and the wave formation tendency in the aluminum layer, in particular as seen over the cross section of the electrolysis cell. By means of the current supply provided in the opening of the cathode in relation to the current flowing in the rectified direction at least one external power supply, a magnetic field is generated which opposes the magnetic field generated by the current flowing through the at least one external power supply arranged outside the cathode opening is. For this reason, the magnetic field generated by the power supply provided in the opening of the cathode compensates for the magnetic field generated by the current flow in the at least one external power supply. By adjusting the current in each power supply, the compensation of the magnetic fields can be optimized. In particular, if a plurality of external power supply evenly around the provided in the opening of the cathode power supply are arranged around, a particularly complete compensation of the magnetic fields and / or a particularly homogeneous magnetic field distribution can be achieved.

Mithin lassen sich mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle einzelne Bereiche mit erhöhter magnetischer Flussdichte, wie sie bei herkömmlichen Elektrolysezellen auch bei Verwendung komplexer Stromzuführungsgeometrien unvermeidlich sind, ebenso wirksam vermeiden wie die Notwendigkeit komplexer Stromzuführungsgeometrien selbst. Insbesondere kann erfindungsgemäß eine hervorragende Verringerung und Vergleichmäßigung der magnetischen Flussdichte schon bereits durch Verwendung eines einzelnen, sich in vertikaler Richtung durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckenden Leiterabschnitts der Stromzuführung erreicht werden, ohne dass geometrisch komplexe und in der Herstellung sowie der Installation aufwendige Geometrien der wenigstens einen äußeren Stromzuführung eingesetzt werden müssen. Auf diese Weise wird in der Elektrolysezelle eine deutlich verringerte Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreicht, so dass die Anode auch gefahrlos in einem verringerten Abstand zu der Schicht aus flüssigem Aluminium angeordnet werden kann, wodurch die Standzeit, die Stabilität und die Energieeffizienz im Betrieb der Elektrolysezelle erheblich gesteigert werden.Thus, with the electrolysis cell according to the invention, individual regions with increased magnetic flux density, which are unavoidable in conventional electrolysis cells even when using complex Stromzuführungsgeometrien as effectively avoid as the need for complex Stromzuführungsgeometrien itself. In particular, according to the invention an excellent reduction and equalization of the magnetic flux density already be achieved by using a single, extending in the vertical direction through the opening of the cathode conductor portion of the power supply, without geometrically complex and expensive to manufacture and installation geometries of at least one external power supply must be used. In this way, a significantly reduced wave formation in the layer of liquid aluminum and the melt layer is achieved in the electrolytic cell, so that the anode can also be safely arranged at a reduced distance to the layer of liquid aluminum, whereby the life, the stability and the Energy efficiency in the operation of the electrolysis cell can be significantly increased.

Unter einer sich vertikal durch die Kathode erstreckenden Öffnung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Öffnung verstanden, welche sich, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° durch die Kathode hindurch erstreckt. Die Umrandung der Öffnung kann sich, im Kathodenquerschnitt gesehen, bezogen auf die vertikale Richtung schief oder gerade durch die Kathode hindurch erstrecken, so dass die Öffnung zum Beispiel die Form eines geraden oder schiefen Prismas mit insbesondere polygonförmiger Grundfläche oder die Form eines geraden oder schiefen Zylinders aufweisen kann. Alternativ dazu kann die Öffnung auch eine sich in vertikaler Richtung verjüngende Form aufweisen und insbesondere in etwa kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein. Gleichermaßen wird unter einer sich vertikal durch die Öffnung hindurch erstreckenden Stromzuführung eine Stromzuführung verstanden, welche sich, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° durch die Kathode hindurch erstreckt. Analog dazu wird unter einer sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckenden weiteren Stromzuführung eine Stromzuführung verstanden, welche sich zumindest abschnittsweise, bezogen auf die Vertikale, in einem Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, besonders bevorzugt von weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 5° und höchst bevorzugt in einem Winkel von 0° erstreckt.Under an opening extending vertically through the cathode is understood in the context of the present invention, an opening which, based on the vertical, at an angle of less than 45 °, preferably less than 30 °, more preferably of less than 15 ° , most preferably of less than 5 °, and most preferably extends through the cathode at an angle of 0 °. The border of the opening may, as seen in the cathode cross-section, extend obliquely or straight through the cathode with respect to the vertical direction, such that the opening may, for example, be in the form of a straight or oblique prism with a particular polygonal base or the shape of a straight or oblique cylinder can have. Alternatively, the opening may also have a shape that tapers in the vertical direction and, in particular, may have an approximately frustoconical or truncated pyramidal shape. Similarly, a current supply extending vertically through the opening is understood to mean a current supply which, with respect to the vertical, is at an angle of less than 45 °, preferably less than 30 °, particularly preferably less than 15 °, very particularly preferably of less than 5 ° and most preferably extends through the cathode at an angle of 0 °. Analogously thereto, a further current supply extending at least in sections in the vertical direction is understood to be a current supply which is at least sectionally, with respect to the vertical, at an angle of less than 45 °, preferably less than 30 °, particularly preferably less than 15 °, most preferably less than 5 ° and most preferably at an angle of 0 °.

Bevorzugt haben die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht und die Anode in Draufsicht betrachtet eine der Kathode im Wesentlichen entsprechende Umrissform. Die Öffnung der Kathode erstreckt sich dementsprechend vertikal durch vorzugsweise die gesamte Elektrolysezelle hindurch.Preferably, the layer of liquid aluminum, the melt layer and the anode seen in plan view, one of the cathode substantially corresponding outline shape. The opening of the cathode accordingly extends vertically through preferably the entire electrolysis cell.

Gute Ergebnisse werden dabei insbesondere erzielt, wenn die wenigstens eine Öffnung in der Kathode, in Draufsicht betrachtet, im Wesentlichen mittig angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist es zudem bevorzugt, dass die wenigstens eine sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung zumindest im Wesentlichen mittig in der Öffnung und somit zumindest im Wesentlichen mittig in der Kathode angeordnet ist. Bei dieser Anordnung der Öffnung wird eine besonders gleichmäßige Kompensation der Magnetfelder in den um die Öffnung herum gelegenen Bereichen der Kathode erreicht.Good results are achieved in particular when the at least one opening in the cathode, viewed in plan view, is arranged substantially centrally. In this embodiment, it is also preferred that the at least one power supply extending through the opening is arranged at least substantially in the center of the opening and thus at least substantially in the center of the cathode. In this arrangement of the opening, a particularly uniform compensation of the magnetic fields is achieved in the regions of the cathode located around the opening.

Wie vorstehend dargelegt, kann sich die durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung auch durch die oberhalb der Kathode angeordnete Schicht aus flüssigem Aluminium, durch die darauf angeordnete Schmelzeschicht und die oberhalb dieser angeordnete Anode hindurch erstrecken. In diesem Fall weist auch die Schicht aus flüssigem Aluminium, die darauf angeordnete Schmelzeschicht und die oberhalb dieser angeordnete Anode eine Öffnung auf bzw. sind die Schicht aus flüssigem Aluminium, die darauf angeordnete Schmelzeschicht und die oberhalb dieser angeordnete Anode gleichermaßen ausgestaltet wie die Kathode. Allerdings ist es auch möglich, dass sich die durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung nur durch zwei oder eine der Schicht aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht und der Anode hindurch erstreckt oder sich nur durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckt.As noted above, the power supply extending through the opening of the cathode may also extend through the layer of liquid aluminum disposed above the cathode, through the melt layer disposed thereon, and the anode disposed above it. In this case, the layer of liquid aluminum, the melt layer arranged thereon and the anode arranged above it also have an opening or the layer of liquid aluminum, the melt layer arranged thereon and the anode arranged above it are designed in the same way as the cathode. However, it is also possible for the current lead extending through the opening of the cathode to extend through only two or one of the layers of liquid aluminum, the melt layer and the anode or to extend only through the opening of the cathode.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Kathode, in Draufsicht betrachtet, ringförmig ausgestaltet ist. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine Kathode bereitstellen, welche eine mittig in der Kathode angeordnete Öffnung aufweist. Dabei sind bevorzugt auch die Schicht aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht und die Anode der Elektrolysezelle entsprechend der Kathode in Draufsicht betrachtet ringförmig ausgestaltet.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the cathode, viewed in plan view, is designed annular. In this way, it is particularly easy to provide a cathode which has an opening arranged centrally in the cathode. In this case, the layer of liquid aluminum, the melt layer and the anode of the electrolytic cell are also preferred considered annular in accordance with the cathode in plan view.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode, in Draufsicht betrachtet, eine zumindest annähernd kreisringförmige Umrissform auf. Auf diese Weise wird die Rotationssymmetrie der magnetischen Flussdichte der Stromzuführungen durch die Geometrie der Kathode nachempfunden. Mit dieser Geometrie lässt sich eine besonders wirksame Magnetfeldkompensation innerhalb der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreichen, wodurch eine Wellenbildung noch wirksamer reduziert und die Stabilität und Energieeffizienz der Elektrolysezelle noch weiter erhöht werden kann. Die Kathode kann dabei prinzipiell als ein um die Öffnung herum verlaufender, geschlossener Ring ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Kathode auch als nur teilweise geschlossener Ring ausgebildet sein, der an einer oder mehreren Stellen offen ausgestaltet ist.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the cathode, viewed in plan view, an at least approximately circular outline shape. In this way, the rotational symmetry of the magnetic flux density of the power supply lines is modeled by the geometry of the cathode. With this geometry, a particularly effective magnetic field compensation within the layer of liquid aluminum and the melt layer can be achieved, whereby wave formation can be reduced even more effectively and the stability and energy efficiency of the electrolysis cell can be further increased. The cathode can in principle be designed as a closed ring running around the opening. Alternatively, the cathode may be formed as a partially closed ring which is open at one or more locations.

Alternativ zu der vorstehenden Ausführungsform kann die Kathode, in Draufsicht betrachtet, eine zumindest annähernd polygonringförmige Umrissform aufweisen. Dadurch wird insbesondere bei einer polygonringförmigen Ausgestaltung mit einer hohen Anzahl an Ecken eine Annäherung an die bevorzugte Form eines Kreisrings und die damit verbundenen vorteilhaften Effekte erreicht, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass eine polygonringförmige Kathode einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als eine kreisringförmige Kathode. Gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erzielt, wenn der Außenumfang und/oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonringförmigen Umrissform der Kathode die Form eines bevorzugt regelmäßigen Polygons mit n Ecken aufweist, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist. Als Kompromiss zwischen einer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit und einer guten Annäherung an die bevorzugte Kreisringform ist die Kathode bei dieser Ausführungsform höchst bevorzugt als regelmäßiger Polygonring mit 6 oder 8 Ecken ausgestaltet.As an alternative to the above embodiment, the cathode, viewed in plan view, have an at least approximately polygonal annular outline shape. As a result, an approach to the preferred shape of a circular ring and the associated advantageous effects is achieved in particular in a polygonal ring-shaped configuration with a high number of corners, with the additional advantage that a polygonal annular cathode is easier and less expensive to produce than a circular cathode. Good results are achieved in this regard in particular if the outer circumference and / or the inner circumference of the polygon-shaped outline shape of the cathode considered in plan view has the shape of a preferably regular polygon with n corners, where n is preferably 3 to 100, more preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8. As a compromise between a simple and cost-effective manufacturability and a good approximation to the preferred circular ring shape, the cathode in this embodiment is most preferably designed as a regular polygon ring with 6 or 8 corners.

Grundsätzlich kann die Kathode der Elektrolysezelle einstückig oder mehrstückig ausgestaltet sein, wobei aus fertigungstechnischer Sicht eine mehrstückige Ausgestaltung bevorzugt ist. Dabei sind bei der mehrstückigen Ausgestaltung die einzelnen, die Kathode ausbildenden Kathodenblöcke bevorzugt in Umfangsrichtung um die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung herum unter Ausbildung einer ringförmigen Kathode nebeneinander und bevorzugt aneinander angrenzend angeordnet. Dabei ist eine kreisringförmige oder polygonringförmige Ausgestaltung bevorzugt. Ein solcher segmentweiser Aufbau der Kathode erleichtert die Bereitstellung der einzelnen Komponenten und die Zusammensetzung der Elektrolysezelle während der Installation.In principle, the cathode of the electrolysis cell can be configured in one piece or in several pieces, with a multi-part embodiment being preferred from a manufacturing point of view. In the case of the multi-part design, the individual cathode blocks forming the cathode are preferably arranged in the circumferential direction around the current supply extending through the opening, forming an annular cathode next to one another and preferably adjacent to one another. In this case, an annular or polygonal ring-shaped configuration is preferred. Such a segmented construction of the cathode facilitates the provision of the individual components and the composition of the electrolysis cell during installation.

Um eine an die im Hinblick auf die Kompensation der magnetischen Flussdichte bevorzugte Kreisringform ausreichend angenäherte polygonringförmige Ausgestaltung der Kathode mit geringem Herstellungsaufwand zu erreichen, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass bei mehrstückiger Ausgestaltung zumindest ein Kathodenblock und bevorzugt alle Kathodenblöcke der Kathode, in Draufsicht betrachtet, zumindest annähernd hexagonal, zumindest annähernd kreisringsegmentförmig oder zumindest annähernd trapezförmig ausgestaltet ist/sind. Im Falle von zumindest annähernd hexagonalen oder zumindest annähernd trapezförmigen Kathodenblöcken kann die Kathode zum Beispiel aus 6 solchen Kathodenblöcken, die in Umfangsrichtung um die Öffnung der Kathode herum nebeneinander angeordnet sind, zusammengesetzt sein. Ein im Wesentlichen trapezförmiger Kathodenblock lässt sich in besonders einfacher Weise dadurch herstellen, dass ein langgestreckter Ausgangskörper in quer zu seiner Längsrichtung gerichteten Winkeln auseinander geschnitten wird, wobei die Orientierung der Winkel von Schnitt zu Schnitt abwechselt.In order to achieve a polygonal annular configuration of the cathode which is sufficiently approximate to the circular flux shape preferred with regard to the compensation of the magnetic flux density, it is proposed in a further development of the inventive concept that, in the case of a multi-part design, at least one cathode block and preferably all cathode blocks of the cathode, in plan view considered, at least approximately hexagonal, at least approximately circular ring segment-shaped or at least approximately trapezoidal configured is / are. For example, in the case of at least approximately hexagonal or at least approximately trapezoidal cathode blocks, the cathode may be composed of 6 such cathode blocks juxtaposed circumferentially around the opening of the cathode. A substantially trapezoidal cathode block can be produced in a particularly simple manner by cutting apart an elongated starting body in angles directed transversely to its longitudinal direction, the orientation of the angles alternating from cut to cut.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5, Auf diese Weise wird im Bereich der gesamten Schicht aus flüssigem Aluminium und der gesamten Schmelzeschicht ein ausgesprochen hoher Kompensationsgrad der magnetischen Flussdichte erreicht, und zwar bei gleichzeitig relativ geringem Raumbedarf der Elektrolysezelle in horizontaler Richtung.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the ratio between the inner diameter and the outer diameter of the cathode is between 0.01 and 0.99, preferably between 0.1 and 0.8, particularly preferably between 0.2 and 0.6 and completely more preferably between 0.3 and 0.5, in this way, a very high degree of compensation of the magnetic flux density is achieved in the region of the entire layer of liquid aluminum and the entire melt layer, namely at the same time relatively small space requirement of the electrolysis cell in the horizontal direction.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Elektrolysezelle mehrere, insbesondere zwischen 2 und 10, bevorzugt zwischen 4 und 8, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 und ganz besonders bevorzugt 6 außerhalb der Öffnung der Kathode angeordnete Stromzuführungen umfasst. Dabei ist es bevorzugt, dass sich alle außerhalb der Kathodenöffnung vorgesehenen Stromzuführungen der Elektrolysezelle zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstrecken und jeweils mit der Kathode und/oder mit der Anode elektrisch verbunden ist. Dadurch können sich die durch den elektrischen Strom in den Stromzuführungen erzeugten magnetischen Flussdichten gegenseitig noch wirksamer kompensieren, so dass eine noch weitere Steigerung der Stabilität und Energieeffizienz im Betrieb der Elektrolysezelle erreicht wird. Eine hohe Symmetrie der Anordnung und dadurch eine besonders gute Magnetfeldkompensation wird erreicht, wenn die Anzahl der außerhalb der Kathodenöffnung angeordneten Stromzuführungen mit der Anzahl von die Kathode ausbildenden Kathodenblöcken identisch ist.In a further development of the concept of the invention, it is proposed that the electrolysis cell comprise a plurality of power supply lines, in particular between 2 and 10, preferably between 4 and 8, more preferably between 5 and 7 and very particularly preferably 6 outside the opening of the cathode. It is preferred that all power supply lines of the electrolysis cell provided outside the cathode opening extend at least in sections in the vertical direction and are in each case electrically connected to the cathode and / or to the anode. As a result, the magnetic flux densities generated by the electric current in the power supply lines can compensate each other even more effectively, so that a further increase in stability and energy efficiency is achieved during operation of the electrolysis cell. A high symmetry of the arrangement and thus a particularly good magnetic field compensation is achieved when the number of arranged outside the cathode opening power supply lines with the number of cathode-forming cathode blocks is identical.

Eine optimale Kompensation der magnetischen Flussdichte wird dabei erreicht, wenn die weiteren Stromzuführungen in Umfangsrichtung der Kathode betrachtet und um die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung herum betrachtet zumindest annähernd regelmäßig, d. h. insbesondere in annähernd regelmäßigen Winkelabständen, voneinander angeordnet sind. Dabei umgeben die weiteren bzw. äußeren Stromzuführungen die sich durch die Öffnung hindurch erstreckende Stromzuführung bevorzugt konzentrisch.An optimal compensation of the magnetic flux density is achieved when the further power supply lines viewed in the circumferential direction of the cathode and at least approximately regularly viewed around the current supply extending through the opening around, d. H. in particular at approximately regular angular intervals, are arranged from each other. In this case, the additional or external power supply lines preferably surround the current supply extending through the opening concentrically.

Generell fließt der gesamte für die Elektrolyse verwendete elektrische Zellenstrom bevorzugt durch die wenigstens eine sich durch die Kathodenöffnung erstreckende Stromzuführung sowie durch die ein oder mehreren außerhalb der Kathodenöffnung angeordneten Stromzuführungen der Elektrolysezelle. Dabei sind die sich durch die Öffnung der Kathode hindurch erstreckende Stromzuführung und die weiteren Stromzuführungen bevorzugt – beispielsweise durch geeignete Wahl der Leiterquerschnitte der Stromzuführungen – so aufeinander abgestimmt, dass sich der Zellenstrom so auf die Stromzuführungen aufteilt, dass eine optimale Magnetfeldkompensation im Bereich der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht erreicht wird.In general, the entire electric cell current used for the electrolysis preferably flows through the at least one current supply extending through the cathode opening and through the one or more power supply lines of the electrolysis cell arranged outside the cathode opening. In this case, the power supply extending through the opening of the cathode and the further power supply lines are preferably matched to one another, for example by suitable selection of the conductor cross sections of the power supply lines, such that the cell current is divided between the power supply lines such that optimum magnetic field compensation takes place in the region of the layer liquid aluminum and the melt layer is reached.

Um die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht noch weiter zu verringern, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass die Kathode an ihrer Unterseite wenigstens zwei stiftartige Kontaktierungselemente aufweist, welche die Kathode stromzuführend kontaktieren. Im Unterschied zu einer herkömmlichen, sich von der Seite in die Kathode hinein erstreckenden Stromschiene wird es durch diese Art der Kontaktierung ermöglicht, die Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode und in der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht gezielt so anzupassen, dass sich über die gesamte Kathodenoberfläche eine besonders homogene Stromdichteverteilung ergibt. Auf diese Weise werden horizontale Stromdichtekomponenten in der Schicht aus flüssigem Aluminium besonders weitestgehend vermieden, weswegen die Wellenbildung in der Schicht aus flüssigem Aluminium und der darüber angeordneten Schmelzeschicht auf ein Minimum reduziert werden.In order to reduce the wave formation in the layer of liquid aluminum and the melt layer even further, it is proposed in development of the invention that the cathode has at least two pin-like contacting elements on its underside, which contact the cathode stromzuführend. In contrast to a conventional bus bar extending from the side into the cathode, this type of contacting makes it possible to adapt the current density distribution at the surface of the cathode and in the layer of liquid aluminum arranged above it to the melt layer in such a way that over the entire cathode surface results in a particularly homogeneous current density distribution. In this way, horizontal current density components in the layer of liquid aluminum are particularly largely avoided, which is why the wave formation in the layer of liquid aluminum and the melt layer arranged above are minimized.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich zumindest eines der stiftartigen Kontaktierungselemente und erstrecken sich bevorzugt alle Kontaktierungselemente mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode hinein. Dadurch wird ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktierungselementen und der Kathode hergestellt.According to a further advantageous embodiment of the present invention extends at least one of the pin-like contacting elements and preferably extend all contacting with an angle of less than 30 ° and preferably less than 10 ° with respect to the vertical and more preferably perpendicular to the cathode inside. This produces a particularly good electrical contact between the contacting elements and the cathode.

Die Kontaktierungselemente sind an ihrer von der Kathode abgewandten Seite bevorzugt mit einer gemeinsamen Grundplatte elektrisch leitend verbunden. Auf diese Weise werden zum einen eine gute mechanische Fixierung und zum anderen eine gute elektrische Verbindung aller Kontaktierungselemente erreicht. Die Grundplatte kann beispielsweise zumindest bereichsweise direkt an der Unterseite der Kathode anliegen und dabei selbst einen direkten elektrischen Kontakt zu der Kathode herstellen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Grundplatte in einem Abstand zu der Kathodenunterseite angeordnet ist.The contacting elements are preferably electrically conductively connected at their side facing away from the cathode side with a common base plate. In this way, on the one hand a good mechanical fixation and on the other hand a good electrical connection of all contacting elements are achieved. The base plate, for example, at least partially abut directly on the underside of the cathode and thereby even make a direct electrical contact with the cathode. Alternatively, it is also possible that the base plate is arranged at a distance to the cathode lower side.

Wenn sich die Kontaktierungselemente in die Kathode hinein erstrecken, sind sie vorzugsweise über eine Schraubverbindung mit der Kathode verbunden, wobei bevorzugt die Kontaktierungselemente an ihrer Außenseite ein Außengewinde der Schraubverbindung aufweisen. Als Material für die Kontaktierungselemente und die Grundplatte, sofern vorhanden, kommt prinzipiell jedes geeignete elektrisch leitfähige Material in Frage, wobei für diesen Zweck bevorzugt ein Stahl, Aluminium, Kupfer und/oder Kohlenstoff enthaltendes Material oder auch Graphit eingesetzt wird.When the contacting elements extend into the cathode, they are preferably connected to the cathode via a screw connection, wherein preferably the contacting elements have on their outside an external thread of the screw connection. As material for the contacting elements and the base plate, if present, is in principle any suitable electrically conductive material in question, for which purpose preferably a steel, aluminum, copper and / or carbon-containing material or graphite is used.

Die Länge der Kontaktierungselemente beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 500 mm und der Durchmesser der Kontaktierungselemente beträgt bevorzugt zwischen 30 und 200 mm. Die Kontaktierungselemente können zumindest bereichsweise in einer Dichte von 4 bis 1000 Kontaktierungselementen pro Quadratmeter Grundfläche der Kathode angeordnet sein. Bei einer solchen Dichte kann die Verteilung der Kontaktierungselemente gezielt so angepasst werden, dass sich an der Kathodenoberfläche eine zumindest besonders gleichmäßige Stromdichteverteilung ergibt.The length of the contacting elements is preferably between 100 and 500 mm and the diameter of the contacting elements is preferably between 30 and 200 mm. The contacting elements can be arranged at least in regions in a density of 4 to 1000 contacting elements per square meter base area of the cathode. With such a density, the distribution of the contacting elements can be specifically adjusted so that an at least particularly uniform current density distribution results at the cathode surface.

Eine besonders hohe Energieeffizienz der Elektrolysezelle lässt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen der Anode und der Schicht aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt. Obwohl unter Energieeffizienzaspekten prinzipiell ein möglichst geringer Abstand anzustreben ist, so ist doch ein gewisser Mindestabstand vorteilhaft, um die Betriebstemperatur der Elektrolysezelle über die dort entstehende Joulesche Wärme aufrechtzuerhalten. Der geringe Abstand wird durch die Verringerung der Wellenbildungstendenz in der Schicht aus flüssigem Aluminium infolge der Magnetfeldkompensation durch die sich durch die Öffnung der Kathode erstreckende Stromzuführung ermöglicht.A particularly high energy efficiency of the electrolysis cell can be achieved if the distance between the anode and the layer of liquid aluminum is between 15 and 45 mm, preferably between 15 and 35 mm and particularly preferably between 15 and 25 mm. Although, in principle, the smallest possible distance is to be striven for under energy efficiency aspects, a certain minimum distance is nevertheless advantageous in order to maintain the operating temperature of the electrolysis cell via the Joule heat arising there. The small clearance is achieved by the reduction of the wave formation tendency in the liquid aluminum layer due to the magnetic field compensation which allows through the opening of the cathode extending power supply.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode für eine Elektrolysezelle und insbesondere eine Kathode für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode hindurch erstreckende Öffnung aufweist. Eine solche Kathode eignet sich zum Einsatz in einer wie vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Die vorstehend in Bezug auf die Elektrolysezelle beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen gelten dabei soweit anwendbar entsprechend auch für die erfindungsgemäße Kathode.Another object of the present invention is a cathode for an electrolytic cell and in particular a cathode for an electrolytic cell for the production of aluminum, which has at least one vertically extending through the cathode opening. Such a cathode is suitable for use in an electrolysis cell according to the invention as described above. The advantages and advantageous embodiments described above in relation to the electrolysis cell apply correspondingly, as far as applicable, also for the cathode according to the invention.

Bevorzugt ist die Kathode in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd ringförmig und bevorzugt zumindest annähernd kreisringförmig oder polygonringförmig ausgestaltet.When viewed in plan view, the cathode is preferably designed to be at least approximately annular and preferably at least approximately annular or polygonal ring-shaped.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Außenumfang und/oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonförmigen Umrissform der Kathode zumindest im Wesentlichen die Form eines bevorzugt regelmäßigen Polygons mit n Ecken auf, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist. Auf diese Weise kann die Kathode mit besonders einfachen technischen Mitteln und bei besonders einfacher Herstellung an die als optimal betrachtete Kreisringform angenähert werden.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the outer circumference and / or the inner circumference of the polygonal outline shape of the cathode viewed in plan view is at least substantially in the form of a preferably regular polygon with n corners, where n is preferably 3 to 100, particularly preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8. In this way, the cathode can be approximated with particularly simple technical means and with a particularly simple production of the considered optimal circular shape.

Die erfindungsgemäße Kathode kann aus mehreren Kathodenblöcken zusammengesetzt sein, welche bevorzugt in Umfangsrichtung gesehen um die Öffnung der Kathode herum nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.The cathode according to the invention may be composed of a plurality of cathode blocks, which are preferably arranged in the circumferential direction around the opening of the cathode adjacent to each other and adjacent to each other.

Dabei ist es bevorzugt, wenn zumindest ein Kathodenblock und bevorzugt alle Kathodenblöcke in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd hexagonale, zumindest annähernd kreisringsegmentförmige oder zumindest annähernd trapezförmige Umrissform aufweisen. Eine solche Grundform lässt sich einfach herstellen und eignet sich besonders zur Herstellung einer zumindest annähernd kreisringförmigen Kathode durch entsprechendes Zusammensetzen der einzelnen Kathodenblöcke. Die Kathodenblöcke können dabei jeweils über eine Stampfmassenfuge oder in anderer geeigneter Weise miteinander verbunden sein.In this case, it is preferred if at least one cathode block and preferably all the cathode blocks in plan view have an at least approximately hexagonal, at least approximately circular-ring-shaped or at least approximately trapezoidal outline shape. Such a basic shape can be produced easily and is particularly suitable for producing an at least approximately annular cathode by appropriate assembly of the individual cathode blocks. The cathode blocks can each be connected to one another via a ramming compound or in another suitable manner.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 beträgt. Auf diese Weise lässt sich in der gesamten Kathode eine besonders gleichmäßige und geringe magnetische Flussdichte bei gleichzeitig guter Raumausnutzung bezogen auf die Erstreckung der Kathode in der horizontalen Ebene erzielen.According to a further advantageous embodiment of the present invention, it is provided that the ratio between the inner diameter and the outer diameter of the cathode is between 0.01 and 0.99, preferably between 0.1 and 0.8, particularly preferably between 0.2 and 0 , 6 and most preferably between 0.3 and 0.5. In this way, a particularly uniform and low magnetic flux density can be achieved in the entire cathode with good space utilization based on the extent of the cathode in the horizontal plane.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kathode an ihrer Unterseite wenigstens zwei Aussparungen für jeweils ein stiftartiges Kontaktierungselement auf. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Kathode über in die Aussparungen der Kathode eingesetzte stiftartige Kontaktierungselemente zu kontaktieren, wodurch die Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode und in der darüber angeordneten Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht gezielt so angepasst werden kann, dass sich über die gesamte Kathodenoberfläche eine besonders homogene Stromdichteverteilung ergibt.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the cathode has on its underside at least two recesses for each of a pin-like contacting element. This creates the possibility to contact the cathode via pin-like contacting elements inserted into the recesses of the cathode, whereby the current density distribution on the surface of the cathode and in the layer of liquid aluminum arranged above it and the melt layer can be adapted in a targeted manner over the entire cathode surface results in a particularly homogeneous current density distribution.

Bevorzugt erstreckt sich zumindest eine der Aussparungen für ein stiftartiges Kontaktierungselement und besonders bevorzugt erstrecken sich alle Aussparungen für ein stiftartiges Kontaktierungselement mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und ganz besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode hinein. Dadurch lässt sich ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen einem in der jeweiligen Aussparung der Kathode vorgesehenen stiftartigen Kontaktierungselement und der Kathode herstellen.Preferably, at least one of the recesses extends for a pin-like contacting element and particularly preferably all recesses extend for a pin-like contacting element with an angle of less than 30 ° and preferably less than 10 ° with respect to the vertical and very particularly preferably perpendicular to the cathode , This makes it possible to produce a particularly good electrical contact between a pin-like contacting element provided in the respective recess of the cathode and the cathode.

Dabei ist die Kathode bevorzugt über eine Schraubverbindung mit einem in einer Aussparung der Kathode angeordneten stiftartigen Kontaktierungselement verbunden, wobei die Aussparung bevorzugt an ihrer Innenseite ein Innengewinde für eine solche Schraubverbindung aufweist.In this case, the cathode is preferably connected via a screw connection with a pin-like contacting element arranged in a recess of the cathode, wherein the recess preferably has on its inside an internal thread for such a screw connection.

Die Länge der Aussparungen für die stiftartigen Kontaktierungselemente beträgt vorzugsweise zwischen 100 und 500 mm und der Durchmesser der Aussparungen für stiftartige Kontaktierungselemente beträgt bevorzugt zwischen 30 und 200 mm. Die Aussparungen für stiftartige Kontaktierungselemente können zumindest bereichsweise in einer Dichte von 4 bis 1000 Aussparungen pro Quadratmeter Grundfläche der Kathode angeordnet sein. Bei einer solchen Dichte kann die Verteilung der in die Aussparungen eingesetzten Kontaktierungselemente gezielt so angepasst werden, dass sich an der Kathodenoberfläche eine zumindest besonders gleichmäßige Stromdichteverteilung ergibt.The length of the recesses for the pin-like contacting elements is preferably between 100 and 500 mm and the diameter of the recesses for pin-like contacting elements is preferably between 30 and 200 mm. The recesses for pin-like contacting elements can be arranged at least in regions in a density of 4 to 1000 recesses per square meter base area of the cathode. With such a density, the distribution of the contacting elements used in the recesses can be specifically adjusted so that an at least particularly uniform current density distribution results at the cathode surface.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Hereinafter, the present invention will be described by way of example with reference to an advantageous embodiment with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt, 1 an electrolytic cell according to the prior art in cross-section,

2 eine geschnittene Ansicht einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit vertikaler Kontaktierung der Kathode in Draufsicht, 2 a sectional view of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention with vertical contacting of the cathode in plan view,

3 ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht, 3 a segment of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention in perspective view,

4 eine schematische Darstellung des elektrischen Stromflusses in dem in der 3 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 4 a schematic representation of the electrical current flow in the in the 3 shown segments of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention,

5a–c eine graphische Darstellung der elektrischen Stromdichteverteilung an der Kathodenoberfläche eines wie in den 2, 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (5a) und – zum Vergleich – die elektrische Stromdichteverteilung an der Oberfläche der Kathode einer herkömmlichen Elektrolysezelle (5b), 5a -C is a graph of the electric current density distribution at the cathode surface of one as in Figs 2 . 3 and 4 shown segments of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention ( 5a ) and - for comparison - the electric current density distribution at the surface of the cathode of a conventional electrolytic cell ( 5b )

6a–c eine graphische Darstellung der Verteilung der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht des in den 2, 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (6a) und – zum Vergleich – die Verteilung der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher Kathode (6b), 6a -C is a graph showing the distribution of the magnetic flux density in the interface between the liquid aluminum layer and the melt layer of FIG 2 . 3 and 4 shown segments of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention ( 6a ) and - for comparison - the distribution of the magnetic flux density in the interface between the layer of liquid aluminum and the melt layer of an electrolytic cell with conventional cathode ( 6b )

7 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und eine anschauliche Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zu deren Herstellung, 7 1 is a top view of a cathode of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention and an illustrative representation of an exemplary method for the production thereof;

8 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, 8th a top view of a cathode of an electrolytic cell according to another embodiment of the invention,

9 eine Draufsicht einer Kathode einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und 9 a plan view of a cathode of an electrolytic cell according to another embodiment of the invention and

10 ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit horizontaler Kontaktierung der Kathode in perspektivischer Ansicht. 10 a segment of an electrolytic cell according to another embodiment of the invention with horizontal contacting of the cathode in a perspective view.

1 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt. Die Elektrolysezelle umfasst eine herkömmliche quaderförmige Kathode 10', die einen Kathodenboden ausbildet, oberhalb dessen sich eine Schicht 12 aus flüssigem Aluminium befindet. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium grenzt an eine oberhalb der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium angeordnete Schmelzeschicht 14 an. In die Schmelzeschicht 14 taucht eine oberhalb der Schmelzeschicht 14 angeordnete sowie aus mehreren Anodenblöcken 27 gebildete Anode 16 ein, wobei die Anodenblöcke 27 mit einer äußeren Stromzuführung 22 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kathode 10' der in 1 gezeigten Elektrolysezelle ist mit einer sich seitlich in die Kathode 10' hinein erstreckenden Stromschiene 34 elektrisch leitend verbunden. 1 shows an electrolytic cell according to the prior art in cross section. The electrolysis cell comprises a conventional cuboid cathode 10 ' which forms a cathode bottom, above which a layer 12 made of liquid aluminum. The layer 12 made of liquid aluminum adjacent to one above the layer 12 made of liquid aluminum arranged melt layer 14 at. Into the melt layer 14 one dives above the melt layer 14 arranged as well as from several anode blocks 27 formed anode 16 a, wherein the anode blocks 27 with an external power supply 22 are electrically connected. The cathode 10 ' the in 1 shown electrolytic cell is with a laterally into the cathode 10 ' in extending busbar 34 electrically connected.

2 zeigt eine Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Die Elektrolysezelle umfasst eine Kathode 10, auf der Oberseite der Kathode 10 eine Schicht 12 (nicht dargestellt) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht 14 (nicht dargestellt) und oberhalb der Schmelzeschicht 14 eine Anode 16 (nicht dargestellt). Die letztgenannten Komponenten sind in der 2 nicht dargestellt, um so den Blick auf die Kathode 10 der Elektrolysezelle freizugeben. Die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, die Schmelzeschicht 14 und die Anode 16, die in 2 nicht dargestellt sind, haben in Draufsicht betrachtet eine der Kathode 10 entsprechende Form. 2 shows an electrolytic cell according to an embodiment of the present invention in plan view. The electrolysis cell comprises a cathode 10 , on the top of the cathode 10 a layer 12 (not shown) made of liquid aluminum, on a melt layer 14 (not shown) and above the melt layer 14 an anode 16 (not shown). The latter components are in the 2 not shown, so as to look at the cathode 10 the electrolysis cell release. The layer 12 made of liquid aluminum, the melt layer 14 and the anode 16 , in the 2 not shown, viewed in plan view, one of the cathode 10 appropriate form.

Die Kathode 10 umfasst eine sich vertikal, d. h. in der 2 senkrecht zur Zeichenebene, durch die Kathode 10 hindurch erstreckende Öffnung 18, in der eine sich durch die Öffnung hindurch erstreckende und mit der Anode 16 (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbundene, ”innere” Stromzuführung 20 vorgesehen ist.The cathode 10 includes a vertical, ie in the 2 perpendicular to the plane of the drawing, through the cathode 10 through opening 18 in which one extends through the opening and with the anode 16 (not shown) electrically connected, "internal" power supply 20 is provided.

Neben der inneren Stromzuführung 20 weist die Elektrolysezelle mehrere außerhalb der Öffnung 18 angeordnete ”äußere” Stromzuführungen 22 auf, die seitlich versetzt zu der Kathode angeordnet sind, vertikal nach oben verlaufen und wie in der 3 gezeigt ebenfalls mit der Anode 16 verbunden sind. Die äußeren Stromzuführungen 22 sind im Wesentlichen ringförmig und in regelmäßigen Winkelabständen um die Öffnung 18 herum angeordnet.In addition to the internal power supply 20 has the electrolysis cell more outside the opening 18 arranged "external" power supplies 22 on, which are arranged laterally offset to the cathode, vertically upwards and as in the 3 also shown with the anode 16 are connected. The external power supply lines 22 are substantially annular and at regular angular intervals around the opening 18 arranged around.

Die Kathode 10 weist in Draufsicht betrachtet im Wesentlichen die Form eines regelmäßigen Hexagonalrings auf, wobei sowohl der Außenumfang als auch der Innenumfang der Kathode 10 ein regelmäßiges Sechseck bilden und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch ist die Form der Kathode 10 nahe an die eines konzentrischen Kreisrings angenähert und kann im Vergleich zu einem konzentrischen Kreisring einfach hergestellt werden.The cathode 10 has in plan view substantially the shape of a regular hexagonal ring, wherein both the outer circumference and the inner circumference of the cathode 10 form a regular hexagon and are concentric with each other. This is the shape of the cathode 10 close to that of a concentric annulus and can be easily made compared to a concentric annulus.

Die Kathode 10 ist dabei aus mehreren Segmenten bzw. Kathodenblöcken 24 zusammengesetzt, die jeweils in Draufsicht betrachtet die Umrissform eines symmetrischen Trapezes aufweisen und in Umfangsrichtung um die Öffnung 18 herum nebeneinander angeordnet sind, um die hexagonalringförmige Kathode 10 zu bilden.The cathode 10 is made up of several segments or cathode blocks 24 assembled, each viewed in plan view the Contour outline of a symmetrical trapezoid and in the circumferential direction around the opening 18 are arranged side by side around the hexagonal annular cathode 10 to build.

Die Kathode 10 weist dabei in Draufsicht betrachtet eine sechszählige Symmetrie auf, wobei drei vertikale Symmetrieebenen 26 wie in der 2 gezeigt, mitten durch die Kathodenblöcke 24 hindurch verlaufen und zusätzlich drei in der 2 nicht eigens gekennzeichnete Symmetrieebenen jeweils entlang der zwischen zwei nebeneinander liegenden Kathodenblöcken 24 angeordneten Seitenflächen der Kathodenblöcke 24 verlaufen.The cathode 10 has a sechzählige symmetry in plan view, with three vertical planes of symmetry 26 like in the 2 shown right through the cathode blocks 24 run through and in addition three in the 2 not specifically marked symmetry planes each along the between two adjacent cathode blocks 24 arranged side surfaces of the cathode blocks 24 run.

3 zeigt ein durch einen trapezförmigen Kathodenblock 24 gebildetes Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die im Wesentlichen der in der 2 gezeigten Ausführungsform entspricht, in perspektivischer Ansicht. Dabei sind auch die einzelnen Leiterabschnitte, nämlich eine innere und eine äußere Stromzuführung 20, 22, gut sichtbar, die oberhalb der Anode 16 zusammengeführt sind und die Anode 16 kontaktieren. Ferner ist in der 3 ersichtlich, dass auch die Anode 16 aus mehreren Anodenblöcken 27 besteht, wobei die einzelnen Anodenblöcke 27 entsprechend den Kathodenblöcken 24 im Wesentlichen die Umrissform eines symmetrischen Trapezes aufweisen. Jeder Anodenblock 27 kann dabei prinzipiell von einer oder mehreren Stromzuführungen 20, 22 kontaktiert sein und mehrere Anodenblöcke 27 können entlang ihrer Seitenflächen elektrisch leitend miteinander verbunden sein, was aber nicht unbedingt erforderlich ist. 3 shows a through a trapezoidal cathode block 24 formed segment of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention, which substantially in the 2 shown embodiment, in perspective view. In this case, the individual conductor sections, namely an inner and an outer power supply 20 . 22 , well visible, the above the anode 16 are merged and the anode 16 to contact. Furthermore, in the 3 seen that also the anode 16 from several anode blocks 27 exists, with the individual anode blocks 27 according to the cathode blocks 24 have substantially the outline of a symmetrical trapezoid. Each anode block 27 can in principle of one or more power supplies 20 . 22 be contacted and multiple anode blocks 27 can be electrically conductively connected together along their side surfaces, but this is not absolutely necessary.

Die Kathode 10 wird von unten her durch mehrere stiftartige Kontaktierungselemente 28 elektrisch kontaktiert, die sich jeweils senkrecht zur Unterseite der Kathode 10 in die Kathode 10 hinein erstrecken und die an ihrer der Kathode 10 abgewandten Seite mit einer gemeinsamen Grundplatte 30 elektrisch verbunden sind.The cathode 10 is from below by several pin-like contacting elements 28 electrically contacted, each perpendicular to the bottom of the cathode 10 into the cathode 10 extend into it and at its the cathode 10 opposite side with a common base plate 30 are electrically connected.

In der 4 ist durch Pfeile 31 der elektrische Stromfluss in dem in der 3 gezeigten Segment der Elektrolysezelle veranschaulicht. Der nach oben gerichtete elektrische Strom in der inneren Stromzuführung 20 und der ebenfalls nach oben gerichtete elektrische Strom in den äußeren Stromzuführungen 22 erzeugen dabei jeweils ein magnetisches Feld, wobei sich die von der inneren und den äußeren Stromzuführungen 20, 22 erzeugten Magnetfelder im Bereich der Kathode 10, der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium, der Schmelzeschicht 14 und der Anode 16 im Wesentlichen aufheben, so dass insbesondere in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 nur eine sehr geringe und sehr homogen verteilte magnetische Flussdichte vorliegt. Wie in der 4 gezeigt, wird dabei der gesamte durch die Anode 16, die Schmelzeschicht 14, die Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und die Kathode 10 fließende Elektrolysestrom durch die Stromzuführungen 20, 22 zugeführt. Die Aufteilung des Elektrolysestroms auf die innere Stromzuführung 20 einerseits und die äußere Stromzuführungen 22 andererseits ist dabei durch entsprechende Wahl der Querschnitte der Stromzuführungen 20, 22 bevorzugt so angepasst, dass sich eine optimale Auslöschung der Magnetfelder im Bereich der ringförmigen Kathode 10 ergibt. Wie insbesondere in der 2 ersichtlich, können die innere Stromzuführung 20 und die äußeren Stromzuführungen 22 dazu unterschiedliche große Leiterquerschnitte aufweisen.In the 4 is by arrows 31 the electric current flow in the in the 3 illustrated segment of the electrolytic cell illustrated. The upward electric current in the inner power supply 20 and also upward electric current in the external power supply lines 22 in each case generate a magnetic field, whereby the of the inner and the outer power supply 20 . 22 generated magnetic fields in the region of the cathode 10 , the layer 12 made of liquid aluminum, the melt layer 14 and the anode 16 essentially cancel, so especially in the layer 12 made of liquid aluminum and the melt layer 14 there is only a very small and very homogeneously distributed magnetic flux density. Like in the 4 The whole is shown through the anode 16 , the melt layer 14 , the layer 12 made of liquid aluminum and the cathode 10 flowing electrolysis current through the power supply lines 20 . 22 fed. The division of the electrolysis current to the internal power supply 20 on the one hand and the external power supply lines 22 On the other hand, it is by appropriate choice of cross sections of the power supply 20 . 22 preferably adapted so that an optimal extinction of the magnetic fields in the region of the annular cathode 10 results. As in particular in the 2 can be seen, the internal power supply 20 and the external power supplies 22 to have different large conductor cross-sections.

5a zeigt eine graphische Darstellung der elektrischen Verteilung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberfläche eines wie in den 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle in Draufsicht betrachtet. 5a FIG. 12 is a graph showing the electric distribution of the vertical component of the electric current density at the cathode surface of FIG 3 and 4 considered segments of an electrolytic cell in plan view.

Aus der 5a ist ersichtlich, dass durch die in den 2, 3 und 4 gezeigte besondere Art der Kontaktierung mittels stiftförmigen Kontaktierungselementen 28 eine hervorragende Gleichmäßigkeit der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte über die gesamte Kathodenblockoberfläche hinweg erreicht wird. Auf diese Weise werden horizontale Stromdichtekomponenten weitestgehend vermieden, so dass die Wellenbildung in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 und ein Verschleiß der Kathode 10 allein schon durch die Art der Kontaktierung der Kathode 10 verringert werden.From the 5a It can be seen that by the in the 2 . 3 and 4 shown special type of contacting by means of pin-shaped contacting elements 28 excellent uniformity of the vertical component of the electric current density over the entire cathode block surface is achieved. In this way, horizontal current density components are largely avoided, so that the formation of waves in the layer 12 made of liquid aluminum and the melt layer 14 and a wear of the cathode 10 Alone by the way the contacting of the cathode 10 be reduced.

5b ist eine der Darstellung von 5a entsprechende Darstellung der Verteilung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte an der Oberfläche einer herkömmlichen quaderförmigen Kathode 10' einer herkömmlichen Elektrolysezelle. 5b is one of the representation of 5a corresponding representation of the distribution of the vertical component of the electric current density at the surface of a conventional cuboid cathode 10 ' a conventional electrolysis cell.

Wie ein Vergleich der 5a und 5b zeigt, weist die in den 3 und 4 gezeigte Elektrolysezelle eine Verteilung der vertikalen elektrischen Stromdichte an der Kathodenoberfläche auf, die deutlich gleichmäßiger ist als die in der 5b gezeigte Verteilung der vertikalen Stromdichte an der Oberfläche der herkömmlichen Kathode 10'.Like a comparison of 5a and 5b shows, points in the 3 and 4 The electrolytic cell shown has a distribution of the vertical electric current density at the cathode surface, which is much more uniform than that in the 5b shown distribution of vertical current density at the surface of the conventional cathode 10 ' ,

5c ist eine Legende, welche die den in den 5a und 5b gezeigten Schraffuren entsprechenden Werte des Betrags der vertikalen elektrischen Stromdichte an der jeweiligen Stelle der Kathodenoberfläche angibt. 5c is a legend, which the in the 5a and 5b shown hatches corresponding values of the amount of vertical electric current density at the respective location of the cathode surface indicates.

6a zeigt eine graphische Darstellung der Verteilung des Betrags der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 eines wie in den 3 und 4 gezeigten Segments einer Elektrolysezelle in Draufsicht betrachtet. 6a Fig. 10 is a graph showing the distribution of the amount of magnetic flux density in the interface between the layer 12 made of liquid aluminum and the melt layer 14 one like in the 3 and 4 considered segments of an electrolytic cell in plan view.

6b ist eine der Darstellung von 6a entsprechende Verteilung des Betrags der magnetischen Flussdichte in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher quaderförmiger Kathode 10'. 6b is one of the representation of 6a corresponding distribution of the amount of magnetic flux density in the interface between the layer 12 made of liquid aluminum and the melt layer 14 an electrolytic cell with conventional cuboid cathode 10 ' ,

6c ist eine Legende, die die den in den 6a und 6b gezeigten Schraffuren entsprechende Werte des Betrags der magnetischen Flussdichte an der jeweiligen Stelle in der Grenzfläche zwischen der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 angibt. 6c is a legend that is the one in the 6a and 6b Hatches shown corresponding values of the amount of magnetic flux density at the respective location in the interface between the layer 12 made of liquid aluminum and the melt layer 14 indicates.

Wie ein Vergleich der 6a und 6b zeigt, weist die in den 2, 3 und 4 gezeigte Elektrolysezelle eine Verteilung der magnetischen Flussdichte auf, die sowohl dem Betrage nach deutlich geringer als auch deutlich gleichmäßiger verteilt ist als die in der 6b gezeigte Verteilung in einer Elektrolysezelle mit herkömmlicher Kathode 10'.Like a comparison of 6a and 6b shows, points in the 2 . 3 and 4 shown electrolysis cell to a distribution of the magnetic flux density, which is distributed both in terms of amount significantly lower and much more uniform than that in the 6b shown distribution in an electrolytic cell with conventional cathode 10 ' ,

Dadurch wird in Kombination mit der in der 5c gezeigten deutlich gleichmäßigeren Verteilung der vertikalen Stromdichtekomponenten eine deutlich höhere Stabilität und deutlich höhere Energieeffizienz der in den 2, 3 und 4 gezeigten Elektrolysezelle ermöglicht.This will be combined with in the 5c shown significantly more uniform distribution of vertical current density components a significantly higher stability and significantly higher energy efficiency in the 2 . 3 and 4 shown electrolysis cell allows.

7 zeigt eine Elektrolysezelle in Draufsicht, die im Wesentlichen der in den 2, 3 und 4 gezeigten Elektrolysezelle entspricht, wobei zusätzlich ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der Kathode 10 der Elektrolysezelle veranschaulicht ist. Wie in der 7 gezeigt können mehrere trapezförmige Kathodenblöcke 24 für die hexagonalringförmigen Kathode 10 einfach dadurch hergestellt werden, dass ein im Wesentlichen quaderförmiger Rohkörper 32 quer zu seiner Längsrichtung in Stücke geschnitten wird, wobei die Schnitte in Längsrichtung des Rohkörpers 32 betrachtet in einer wechselnden Orientierung geführt sind. Als Schneidwerkzeug kann beispielsweise ein Fräs- oder Sägewerkzeug verwendet werden. 7 shows an electrolytic cell in plan view, which is substantially in the 2 . 3 and 4 In addition, an exemplary method for producing the cathode 10 the electrolysis cell is illustrated. Like in the 7 can show several trapezoidal cathode blocks 24 for the hexagonal ring-shaped cathode 10 be prepared simply by a substantially rectangular raw body 32 is cut into pieces transversely to its longitudinal direction, wherein the cuts in the longitudinal direction of the green body 32 considered guided in a changing orientation. As a cutting tool, for example, a milling or sawing tool can be used.

8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysezelle in Draufsicht, die im Wesentlichen der in 7 gezeigten Ausführungsform entspricht und bei der die Kathode 10 eine kreisringförmige Umrissform aufweist und aus kreisringsegmentförmigen Kathodenblöcken 24 zusammengesetzt ist. 8th shows a further embodiment of an electrolytic cell in plan view, which substantially the in 7 corresponds to the embodiment shown and in which the cathode 10 has an annular outline shape and annular segment-shaped cathode blocks 24 is composed.

9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektrolysezelle in Draufsicht, die im Wesentlichen den in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen entspricht und bei der die Kathode 10 aus Kathodenblöcken 24 mit hexagonaler Umrissform derart zusammengesetzt ist, dass sich eine annähernd kreisförmige Umrissform der gesamten Kathode 10 ergibt. 9 shows a further embodiment of an electrolytic cell in plan view, which substantially in the 7 and 8th shown embodiments and wherein the cathode 10 from cathode blocks 24 is formed with a hexagonal outline shape such that an approximately circular outline of the entire cathode 10 results.

10 zeigt ein Segment einer Elektrolysezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht. Die in der 10 gezeigte Ausführungsform entspricht dabei im Wesentlichen den in den 2, 3, 4 und 7 gezeigten Ausführungsformen, wobei allerdings die Kontaktierung der Kathode 10 nicht durch stiftartige Kontaktierungselemente 28 (siehe 3 und 4), sondern durch horizontale Stromschienen 34 erfolgt. Obwohl bei dieser Kontaktierung der Kathode 10 unter Umständen keine derart ausgeprägte Vergleichmäßigung der vertikalen Komponente der elektrischen Stromdichte erreicht wird, wie diese für die in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsform erreicht wird, wird aufgrund der verbesserten Stromzuführung zu der Anode 16 und der damit einhergehenden Verringerung und Vergleichmäßigung der Verteilung der magnetischen Flussdichte dennoch eine erhebliche Verringerung der Wellenbildung in der Schicht 12 aus flüssigem Aluminium und der Schmelzeschicht 14 erreicht, so dass auch hier die Stabilität und Energieeffizienz der Elektrolysezelle erheblich gesteigert sind. 10 shows a segment of an electrolytic cell according to another embodiment of the invention in a perspective view. The in the 10 The embodiment shown corresponds essentially to the in the 2 . 3 . 4 and 7 embodiments shown, however, wherein the contacting of the cathode 10 not by pin-like contacting elements 28 (please refer 3 and 4 ), but by horizontal busbars 34 he follows. Although in this contacting the cathode 10 Under certain circumstances, no such pronounced equalization of the vertical component of the electric current density is achieved, as this for in the 3 and 4 achieved embodiment is due to the improved power supply to the anode 16 and the concomitant reduction and equalization of the distribution of the magnetic flux density nevertheless a significant reduction in the formation of waves in the layer 12 made of liquid aluminum and the melt layer 14 achieved, so that here too the stability and energy efficiency of the electrolysis cell are significantly increased.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Kathodecathode
10'10 ': herkömmliche Kathodeconventional cathode
1212: Schicht aus flüssigem AluminiumLayer of liquid aluminum
1414: Schmelzeschichtmelt layer
1616: Anodeanode
1818: Kathodenöffnungcathode opening
2020: innere Stromzuführunginternal power supply
2222: äußere Stromzuführungexternal power supply
2424: Kathodenblockcathode block
2626: Symmetrieebeneplane of symmetry
2727: Anodenblockanode block
2828: Kontaktierungselementcontacting
3030: Grundplattebaseplate
3131: Pfeilarrow
3232: Rohkörpergreen body
3434: Stromschieneconductor rail

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2007/118510 A2 [0009] WO 2007/118510 A2 [0009]

Claims

Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, welche eine Kathode (10), eine auf der Oberseite der Kathode (10) angeordnete Schicht (12) aus flüssigem Aluminium, darauf eine Schmelzeschicht (14) und oberhalb der Schmelzeschicht (14) eine Anode (16) umfasst, wobei die Kathode (10) wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode (10) hindurch erstreckende Öffnung (18) aufweist, in der wenigstens eine sich vertikal durch die Öffnung (18) hindurch erstreckende und mit der Anode (16) und/oder mit der Kathode (10) elektrisch verbundene Stromzuführung (20) vorgesehen ist, und wobei die Elektrolysezelle wenigstens eine außerhalb der Öffnung (18) der Kathode (10) angeordnete weitere Stromzuführung (22) umfasst, die sich zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstreckt und die mit der Kathode (10) und/oder mit der Anode (16) elektrisch verbunden ist.Electrolysis cell, in particular for the production of aluminum, which has a cathode ( 10 ), one on top of the cathode ( 10 ) layer ( 12 ) made of liquid aluminum, thereupon a melt layer ( 14 ) and above the melt layer ( 14 ) an anode ( 16 ), wherein the cathode ( 10 ) at least one vertically through the cathode ( 10 ) opening (FIG. 18 ) in which at least one vertically through the opening ( 18 ) extending therethrough and with the anode ( 16 ) and / or with the cathode ( 10 ) electrically connected power supply ( 20 ), and wherein the electrolysis cell at least one outside the opening ( 18 ) the cathode ( 10 ) arranged further power supply ( 22 ), which extends at least in sections in the vertical direction and with the cathode ( 10 ) and / or with the anode ( 16 ) is electrically connected.

Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (18) in der Kathode (10) in Draufsicht betrachtet im Wesentlichen mittig angeordnet ist und sich die sich durch die Öffnung (18) hindurch erstreckende Stromzuführung (20) bevorzugt mittig durch die Öffnung (18) der Kathode (10) hindurch erstreckt.Electrolysis cell according to claim 1, characterized in that the opening ( 18 ) in the cathode ( 10 ) seen in plan view is arranged substantially centrally and extending through the opening ( 18 ) extending therethrough power supply ( 20 ) preferably centrally through the opening ( 18 ) the cathode ( 10 ) extends therethrough.

Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (10) in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd kreisringförmige Umrissform aufweist.Electrolysis cell according to claim 1 or 2, characterized in that the cathode ( 10 ) viewed in plan view has an at least approximately circular outline shape.

Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (10) in Draufsicht betrachtet eine zumindest annähernd polygonringförmige Umrissform aufweist.Electrolysis cell according to claim 1 or 2, characterized in that the cathode ( 10 ) viewed in plan view has an at least approximately polygonal annular outline shape.

Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang und/oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonringförmigen Umrissform der Kathode (10) die Form eines regelmäßigen Polygons mit n Ecken aufweist, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist.Electrolysis cell according to claim 4, characterized in that the outer circumference and / or the inner periphery of the viewed in plan view polygonal outline shape of the cathode ( 10 ) has the shape of a regular polygon with n vertices, where n is preferably 3 to 100, more preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8.

Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (10) aus mehreren Kathodenblöcken (24) zusammengesetzt ist, die in Umfangsrichtung gesehen um die sich durch die Öffnung (18) hindurch erstreckende Stromzuführung (20) herum bevorzugt unter Ausbildung einer ringförmigen Kathode nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.Electrolysis cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cathode ( 10 ) from several cathode blocks ( 24 ), which, viewed in the circumferential direction, extends around the opening ( 18 ) extending therethrough power supply ( 20 ) are preferably arranged side by side and adjacent to each other to form an annular cathode.

Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kathodenblock (24) der Kathode (10) in Draufsicht betrachtet hexagonal, kreisringsegmentförmig oder trapezförmig ausgestaltet ist. 8, Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode (10) zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 beträgt.Electrolysis cell according to claim 6, characterized in that at least one cathode block ( 24 ) the cathode ( 10 ) viewed in plan view is configured hexagonal, circular segment-shaped or trapezoidal. 8, electrolytic cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ratio between the inner diameter and the outer diameter of the cathode ( 10 ) between 0.01 and 0.99, preferably between 0.1 and 0.8, particularly preferably between 0.2 and 0.6 and very particularly preferably between 0.3 and 0.5.

Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle zwischen 2 und 10, bevorzugt zwischen 4 und 8, besonders bevorzugt zwischen 5 und 7 und ganz besonders bevorzugt 6 außerhalb der Öffnung (18) der Kathode (10) angeordnete Stromzuführungen (22) umfasst, die sich jeweils zumindest abschnittsweise in vertikaler Richtung erstrecken und die jeweils mit der Kathode (10) und/oder mit der Anode (16) elektrisch verbunden sind.Electrolysis cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electrolysis cell is between 2 and 10, preferably between 4 and 8, more preferably between 5 and 7 and most preferably 6 outside the opening ( 18 ) the cathode ( 10 ) arranged power supply lines ( 22 ), each extending at least in sections in the vertical direction and each with the cathode ( 10 ) and / or with the anode ( 16 ) are electrically connected.

Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Stromzuführungen (22) in Umfangsrichtung der Kathode (10) betrachtet und um die sich durch die Öffnung (18) hindurch erstreckende Stromzuführung (20) herum betrachtet zumindest annähernd regelmäßig und bevorzugt konzentrisch angeordnet sind.Electrolysis cell according to claim 9, characterized in that the further power supply lines ( 22 ) in the circumferential direction of the cathode ( 10 ) and around the opening ( 18 ) extending therethrough power supply ( 20 ) seen around at least approximately regularly and are preferably arranged concentrically.

Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (10) an ihrer Unterseite wenigstens zwei stiftartige Kontaktierungselemente (28) aufweist.Electrolysis cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cathode ( 10 ) on its underside at least two pin-like contacting elements ( 28 ) having.

Elektrolysezelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eines der stiftartigen Kontaktierungselemente (28) mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode (10) hinein erstreckt.Electrolysis cell according to claim 11, characterized in that at least one of the pin-like contacting elements ( 28 ) with an angle of less than 30 ° and preferably of less than 10 ° with respect to the vertical and particularly preferably perpendicular to the cathode ( 10 ) extends into it.

Elektrolysezelle nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselemente (28) an ihrer von der Kathode (10) abgewandten Seite mit einer gemeinsamen Grundplatte (30) elektrisch leitend verbunden sind.Electrolysis cell according to claim 11 or 12, characterized in that the contacting elements ( 28 ) at its from the cathode ( 10 ) facing away with a common base plate ( 30 ) are electrically connected.

Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Anode (16) und der Schicht (12) aus flüssigem Aluminium zwischen 15 und 45 mm, bevorzugt zwischen 15 und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 mm beträgt.Electrolysis cell according to at least one of the preceding claims, characterized in that the distance between the anode ( 16 ) and the layer ( 12 ) of liquid aluminum between 15 and 45 mm, preferably between 15 and 35 mm and particularly preferably between 15 and 25 mm.

Kathode für eine Elektrolysezelle, insbesondere für eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium, die wenigstens eine sich vertikal durch die Kathode (10) hindurch erstreckende Öffnung (18) aufweist.Cathode for an electrolytic cell, in particular for an electrolytic cell for the production of Aluminum, which at least one vertically through the cathode ( 10 ) opening (FIG. 18 ) having.

Kathode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (10) in Draufsicht betrachtet ringförmig und bevorzugt zumindest annähernd kreisringförmig oder polygonringförmig ausgestaltet ist.Cathode according to Claim 15, characterized in that the cathode ( 10 ) Seen in plan view annular and preferably at least approximately circular or polygonal ring-shaped.

Kathode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang und/oder der Innenumfang der in Draufsicht betrachtet polygonringförmigen Umrissform der Kathode (10) die Form eines regelmäßigen Polygons mit n Ecken aufweist, wobei n bevorzugt 3 bis 100, besonders bevorzugt 3 bis 10 und ganz besonders bevorzugt 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 ist.Cathode according to Claim 16, characterized in that the outer circumference and / or the inner circumference of the polygon-shaped outline shape of the cathode viewed in plan view ( 10 ) has the shape of a regular polygon with n vertices, where n is preferably 3 to 100, more preferably 3 to 10 and most preferably 3, 4, 5, 6, 7 or 8.

Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (10) aus mehreren Kathodenblöcken (24) zusammengesetzt ist, die in Umfangsrichtung gesehen um die Öffnung (18) der Kathode (10) herum nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.Cathode according to at least one of Claims 15 to 17, characterized in that the cathode ( 10 ) from several cathode blocks ( 24 ), which, viewed in the circumferential direction around the opening ( 18 ) the cathode ( 10 ) are arranged around each other and adjacent to each other.

Kathode nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kathodenblock (24) in Draufsicht betrachtet eine hexagonale, kreisringsegmentförmige oder trapezförmige Umrissform aufweist.Cathode according to claim 18, characterized in that at least one cathode block ( 24 ) viewed in plan view has a hexagonal, circular segment-shaped or trapezoidal outline shape.

Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Kathode (10) zwischen 0,01 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 beträgt.Cathode according to at least one of claims 15 to 19, characterized in that the ratio between the inner diameter and the outer diameter of the cathode ( 10 ) between 0.01 and 0.99, preferably between 0.1 and 0.8, particularly preferably between 0.2 and 0.6 and very particularly preferably between 0.3 and 0.5.

Kathode nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (10) an ihrer Unterseite wenigstens zwei Aussparungen für jeweils ein stiftartiges Kontaktierungselement (28) aufweist.Cathode according to at least one of Claims 15 to 20, characterized in that the cathode ( 10 ) on its underside at least two recesses for each of a pin-like contacting element ( 28 ) having.

Kathode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eine der Aussparungen mit einem Winkel von weniger als 30° und bevorzugt von weniger als 10° bezogen auf die Senkrechte und besonders bevorzugt senkrecht in die Kathode (10) hinein erstreckt.Cathode according to claim 21, characterized in that at least one of the recesses with an angle of less than 30 ° and preferably of less than 10 ° with respect to the vertical and particularly preferably perpendicular to the cathode ( 10 ) extends into it.