NO332628B1 - Aluminiumelektroutvinningsceller med oksygenutviklende anoder - Google Patents

Abstract

Celle for elektroutvinning av aluminium omfattende minst en ikke-karbon, metallbasert anode (10) med en elektrisk ledende metallisk struktur (12, 13, 15) som er opphengt i hovedsak parallelt mot en tilstøtende katode (20, 21, 22). Slik metallstruktur (12, 13, 15) omfatter en rekke parallelle horisontale anodeelementer (15), hvert med en elektrokjemisk aktiv overflate (16) hvorpå under elektrolyse oksygen utvikles anodisk. De elektrokjemisk aktive overflater (16) er i et generelt koplanart arrangement til dannelse av den aktive anodeoverflate. Anodeelementene er plassert fra hverandre ved interelektrodegap som danner gjennomstrømningsåpninger (17) for sirkulasjon av elektrolytt (30) drevet av unnslippende anodisk utviklet oksygen. Elektrolytten (30) kan sirkulere oppad og/eller nedad i gjennomstrømningsåpningene (17) og også rundt anodestrukturen (12,13,15).

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en celle for elektroutvinning av aluminium fra alumina oppløst i en fluoridholdig smeltet elektrolytt slik som kryolitt, utrustet med ikke-karbon, metallbaserte anoder utformet for slike aluminiumelektroutvinningsceller.

Kjent teknikk

Teknologien for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminium ved elektrolyse av alumina oppløst i smeltet kryolitt ved temperaturer rundt 950 °C er mer enn hundre år gammel.

Den aktuelle prosess ble funnet nærmest samtidig av Hall og Héroult, og har ikke blitt utviklet like mye som andre elektrokjemiske prosesser.

Anodene blir ennå fremstilt av karbonholdig materiale og må erstattes etter få uker. Under elektrolyse blir oksygenet som utvikles på anodeoverflaten kombinert med karbon til dannelse av forurensende C02 og små mengder CO og fluorholdige farlige gasser. Det faktiske forbruk av anoden er så høyt som 450 kg/tonn aluminium produsert, hvilket er mer enn 1/3 høyere enn den teoretiske mengde på 333 kg/tonn.

Anvendelse av metallanoder i aluminiumelektroutvinningsceller vil gi en dramatisk forbedring av aluminiumprosessen ved å redusere forurensningen og kostnaden for aluminiumproduksjon.

I patentpublikasjon US 4999097 (Sadoway) beskrives anoder for konvensjonelle aluminiumelektroutvinningsceller utrustet med et oksidbelegg inneholdende minst ett oksid av zirkonium, hafnium, thorium og uran. For å hindre konsumpsjon av anoden er badet mettet med materialene som danner belegget. Imidlertid har disse belegg dårlig ledningsevne og er ikke blitt tatt i bruk.

I patentpublikasjon US 4504369 (Keller) beskrives en fremgangsmåte for produksjon av aluminium i en konvensjonell celle ved bruk av massive metalloksid-anoder med en sentral vertikal gjennomgående åpning for tilførsel av anodebestanddeler og alumina til elektrolytten, for å forsinke oppløsningen av anoden.

I patentpublikasjon US 4614569 (Duruz/Derivaz/Debely/Adorian) beskrives metallanoder for aluminiumelektroutvinning belagt med et beskyttende belegg av ceriumoksyfluorid, dannet in situ i cellen eller forhåndspåført, idet belegget opprettholdes under elektrolyse ved tilsats av små mengder av en ceriumforbindelse til den smeltede kryolittelektrolytt. Dette gjør det mulig å ha en beskyttelse av overflaten mot elektrolyttangrep og til en viss grad fra oksygengass, men ikke fra tilstedeværende monoatomært oksygen.

Flere utforminger for oksygenutviklede anoder for aluminiumelektroutvinningsceller er blitt foreslått i de følgende dokumenter. I patentpublikasjon US 4681671 (Duruz) beskrives vertikale anodeplater eller vertikale blader operert i lavtemperatur- aluminiumelektroutvinningsceller. I patentpublikasjon US 5310476 (Sekhar/de Nora) beskrives oksygenutviklende anoder bestående av taklignende sammenstilte par av anodeplater. I patentpublikasjon US 5362366 beskrives ikke-konsumerbare anodeformer, slik som taklignende sammenstilte par av anodeplater, så vel som nedadkurvede fleksible tynnplater eller tråder eller trådbunter. I patentpublikasjon US 5368702 (de Nora) beskrives vertikale tubulære eller koniske oksygenutviklende anoder for multimonopolare aluminiumceller. I patentpublikasjon US 5683559 (de Nora) beskrives en aluminiumelektroutvinningscelle med oksygenutviklende bøyde anodeplater som er opplinjen i en taklignende konfigurasjon tilstøtende korresponderende utformede katoder. I patentpublikasjon US 5725744 (de Nora/Duruz) beskrives vertikale oksygenutviklende anodeplater, fortrinnsvis porøse eller retikulære, i en multimonopolar celleanordning for aluminiumelektroutvinningsceller operert ved redusert temperatur. I publikasjonen WO 89/06289 beskrives en elektrolysecelle for smelteelektrolyse, for produksjon av aluminium. Anodene kan være fremstilt av oksygenutviklende, ikke-konsumerbar, nikkelbasert kermet.

Mens de ovennevnte referanser indikerer vedvarende bestrebelser for å bedre driften av aluminiumelektroutvinningsceller ved bruk av oksygenutviklende anoder, er det ingen av de foreslåtte løsninger som ennå har funnet kommersiell anvendelse.

Mål med oppfinnelsen

Det er et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en

aluminiumelektroutvinningscelle med én eller flere metallbaserte ikke-karbonanoder.

Det er også et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en aluminiumelektroutvinningscelle med én eller flere anoder som har et stort overflateareal og en høy elektrokjemisk aktivitet for utvikling av oksygen og som tillater hurtig oksygengass-frigivelse og sirkulasjon av aluminarik elektrolytt mellom anodene og en tilstøtende katode.

Et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en

aluminiumelektroutvinningscelle med én eller flere metallbaserte ikke-karbonanoder med utforming som tillater en forhøyet elektrolyttsirkulasjon og som er enkel og økonomisk å fremstille.

Ytterligere et mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en aluminiumelektroutvinningscelle med én eller flere metallbaserte ikke-karbonanoder med utforming som tillater en økt elektrolyttsirkulasjon og som er fremstilt av et anodemateriale med lang levetid, og som medfører kommersielt akseptabelt produsert aluminium og som kan utformes etter intensjonen.

Et ytterligere mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en aluminiumelektroutvinningscelle med én eller flere metallbaserte ikke-karbonanoder med utforming som tillater en økt elektrolyttsirkulasjon og som er fremstilt med et anodemateriale med lav løselighet i elektrolytten.

Et viktig mål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en aluminiumelektroutvinningscelle med én eller flere metallbaserte ikke-karbonanoder med utforming som tillater en økt elektrolyttsirkulasjon og hvilke kan holdes dimensjonsstabile og ikke gir for høy forurensning til aluminiumproduktet.

Oppsummering av oppfinnelsen

Med oppfinnelsen tilveiebringes en celle for elektroutvinning av aluminium fra alumina oppløst i en fluoridholdig smeltet elektrolytt. Cellen omfatter minst én ikke-karbonbasert anode med en elektrisk konduktiv metallstruktur med en elektrokjemisk aktiv anodeoverflate hvorpå under elektrolyse oksygen utvikles anodisk, og hvilken er opphengt i elektrolytten i hovedsak parallelt med en tilstøtende katode. En slik metallstruktur omfatter en rekke parallelle horisontale anodeelementer, hvert med en elektrokjemisk aktiv overflate hvorpå under elektrolyse oksygen utvikles anodisk, hvor de elektrokjemisk aktive overflater foreligger i et generelt koplanart arrangement til å utforme nevnte aktive anodeoverflate. Anodeelementene er avstandsfraplasserte til å danne langsgående gjennomstrømningsåpninger for sirkulasjon av elektrolytt drevet av det hurtig unnslippende anodisk utviklede oksygen.

Avhengig av cellekonfigurasjonen kan noen eller alle av gjennomstrømnings-åpningene tjene til strømning av aluminarik elektrolytt til en elektrolysesone mellom anodene og katoden og/eller for strømning av aluminautarmet elektrolytt bort fra elektrolysesonen. Når anodeoverflaten er horisontal eller hellende kan disse strømmer gå i retning oppad eller nedad. En del av elektrolyttsirkulasjonen kan også finne sted rundt den metalliske anodestruktur.

En i hovedsak jevn strømfordeling kan tilveiebringes med en strømforsyner gjennom konduktive transvers metallkonnektorer til anodeelementene og deres aktive overflater.

I motsetning til kjente oksygenutviklende anodeutforminger for aluminiumelektroutvinningsceller, vil det med en anode ifølge den foreliggende oppfinnelse været et koplanart arrangement av anodeelementer som gir en elektrokjemisk aktiv overflate som strekker seg langt ut over tykkelsen av anodeelementene, hvorved materialkostnadene for anoden holdes nede.

Den elektrokjemisk aktive anodeoverflate er vanligvis i hovedsak horisontal eller hellende mot horisontalen.

I spesielle tilfeller kan den elektrokjemisk aktive anodeoverflate være vertikal eller i hovedsak vertikal, idet horisontale anodeelementer er plassert fra hverandre, over hverandre, og anordnet slik at sirkulasjonen av elektrolytt finner sted gjennom gjennomstrømningsåpningene. For eksempel kan anodeelementene anordnes som persienner ved en vertikal eller i hovedsak vertikal katode.

I én utførelsesform blir to i hovedsak vertikale (eller nedad konvergerende med en liten vinkel mot vertikalen) avstandsfraplasserte tilliggende anoder anordnet mellom et par i hovedsak vertikale katoder, hvor hver anode og tilstøtende parallelle katode er avstandsfraplassert med et interelektrodegap. De tilliggende anoder er avstandsfraplassert med et elektrolyttnedstrømningsgap gjennom hvilket aluminarik elektrolytt strømmer nedad inntil den sirkuleres via den tilliggende anodes gjennomstrømningsåpninger til interelektrodegapene. Den aluminarike elektrolytt elektrolyseres i interelektrodegapene for derved å produsere anodisk utviklet oksygen som driver den aluminiumutarmede elektrolytt opp mot overflaten på elektrolytten hvor elektrolytten anrikes med alumina, og induseres til nedadstrømmen av aluminarik elektrolytt.

Anodeelementene kan være avstandsfraplasserte blader, stenger, staver eller tråder. Stengene, stavene eller trådene kan ha et generelt rektangulært eller sirkulært tverrsnitt, eller ha et tverrsnitt øverst med en generelt halvsirkulær del og en flat bunn. Alternativt kan stengene, stavene, boltene eller trådene ha et generelt klokkeformet eller pæreformet tverrsnitt.

Hvert blad, stang, stav, bolt eller tråd kan være generelt rettlinjet eller alternativt i en generelt konsentrisk anordning, hvor hvert blad, stav, stang eller tråd danner en løkke til minimalisering av kanteffektene av strømmen under bruk. For eksempel kan hvert blad, stang, bolt eller tråd være generelt sirkulær, oval eller polygonal, især rektangulær eller kvadratisk, fortrinnsvis med avrundede hjørner.

Hvert anodeelement kan være en sammenstilling omfattende et elektrisk ledende første- eller støttende element som støtter eller bærer minst ett elektrokjemisk aktivt andre element, hvor overflaten på det andre element danner den elektrokjemisk aktive overflate. For å unngå unødige mekaniske spenninger i sammenstillingen på grunn av ulik termisk ekspansjon mellom de første og andre elementer, kan de første elementer støtte et antall avstandsfraplasserte "korte" andre elementer.

Det elektrokjemisk aktive andre element kan være elektrisk og mekanisk koblet til det første støttende element med et mellomliggende tilkoblingselement slik som en flens. Vanligvis er det første element direkte eller indirekte i kontakt med det elektrokjemisk aktive andre element langs hele sin lengde, hvilket under celleoperasjonen minimerer strømveien gjennom det elektrokjemisk aktive element. En slik utforming er særlig velegnet for et andre element fremstilt av et elektrokjemisk aktivt materiale som ikke har høy elektrisk konduktivitet.

En slik utforming av et anodeelement er også egnet når elementet er et helt legeme av elektrokjemisk aktivt materiale som er oksidasjonsbestandig og porøst (slik som bulkoksid) og som har en ionisk konduktivitet som tillater oksidasjon av oksygen- ionene innenfor det aktive materiale. Når et slikt aktivt materiale dekker et oksiderbart substrat, kan substratet derved oksideres og ekspanderes under det elektrokjemisk aktive materiale som derved settes under skadende mekanisk spenning. Ved å tilveiebringe et støtteelement som har en barriere mot oksygen på sin overflate, slik som kromoksid, og som er elektrisk konduktivt, men ikke nødvendigvis elektrokjemisk aktivt, blir støtteelementet ikke oksidert ved mulig inntrengning av oksygenioner. Ionisk oksygen forblir i det elektrokjemisk aktive materiale og blir der eventuelt omdannet til monoatomært og biatomært oksygen.

De parallelle anodeelementer bør kobles til hverandre for eksempel i en nettverkslignende, nettlignende eller duklignende konfigurasjon av anodeelementene. For å unngå kanteffekter på grunn av strømmen bør utstikkende deler av anodeelementene kobles sammen, for eksempel kan de anordnes slik at de strekker seg over en generelt rektangulær perifer anoderamme fra én side til en motsatt side av rammen.

Alternativt kan tilkoblingen oppnås med minst ett tilkoblingselement. Det er også mulig å koble anodeelementene med mange transverse tilkbolingselementer som igjen er koblet sammen med ett eller flere tverrelementer. For konsentriske løkkeformede konfigurasjoner kan de transverse tilkoblingselementer være radielle. I dette tilfelle strekker de radielle tilkoblingselementer seg radielt fra midten av det parallelle anodeelementarrangement og er eventuelt festet til eller integrert med en ytre ring ved omkretsen av arrangementet.

Fordelaktig er de transverse tilkoblingselementer av variabel type for å sikre en i hovedsak jevn strømtetthet i tilkoblingselementene før og etter hver tilkobling til et anodeelement. Dette gjelder også tverrelementene når disse er til stede.

Vanligvis omfatter hver metallanode minst én vertikal strømforsyner anordnet for tilkobling til en positiv strømskinne. En slik strømforsyner er mekanisk og elektrisk koblet til ett eller flere transverse tilkoblingselementer eller ett eller flere tverrelementer koblet til mange transverse tilkoblingselementer, slik at strømforsynerne leverer elektrisk strøm til anodeelementene gjennom de transverse tilkoblingselementer og når de er til stede gjennom tverrelementene. Der ingen transverse tilkoblingselementer er til stede er den vertikale strømforsyner direkte koblet til anodeelementene som foreligger i en nettverkslignende, nettlignende eller duklignende konfigurasjon.

Den vertikale strømforsyner, anodeelementene, transverse tilkoblingselementer og tverrelementene når de foreligger, kan festes sammen for eksempel ved støping til en enhet. Sammenstilling ved sveising eller annen mekanisk sammenføyning er også mulig.

Når anoden ikke fremstilles av et bulk elektrokjemisk aktivt materiale, kan anoden vanligvis ha et oksygenutviklende belegg som kan være et påført belegg eller et belegg oppnådd ved overflateoksidasjon av et metallisk anodesubstrat. Vanligvis er belegget fremstilt av metalloksid slik som jernoksid.

Anodene kan oppløses langsomt i elektrolytten. Alternativt kan driftsbetingelsene for cellen være slik at de opprettholder den ene eller hver anode dimensjonsstabil. For eksempel kan en tilstrekkelig mengde av anodebestanddelene opprettholdes i elektrolytten for å holde anodene i hovedsak dimensjonsstabile ved å redusere eller forhindre oppløsning derav i elektrolytten.

Cellen kan omfatte minst én aluminiumfuktbar katode. Den aluminiumfuktbare katode kan være en drenert konfigurasjon. Eksempler på drenerte katodeceller er beskrevet i patentpublikasjonene US 5683130 (de Nora), WO99/02764 og W099/41429 (begge ved de Nora/Duruz).

Cellen kan også omfatte anordninger for å lette oppløsning av alumina ført inn i elektrolytten, for eksempel ved bruk av elektrolyttledeelementer over anodeelementene som beskrevet i patentpublikasjon WO 00/40781 (de Nora), med induksjon av en oppadgående og/eller en nedadgående strøm av elektrolytt gjennom og eventuelt rundt anodestrukturen.

Elektrolyttledeelementene kan være festet sammen ved støping til en enhet, sveising eller ved annen mekanisk sammenføyning for dannelse av en enhet. Denne sammenstilling kan kobles til den vertikale strømforsyner eller sikres til eller plasseres på den foraminøse anodestruktur.

Cellen kan også omfatte anordninger til termisk isolasjon av overflaten på elektrolytten til å forhindre dannelsen av en elektrolyttskorpe på elektrolyttoverflaten, slik som et isolerende dekke over elektrolytten, som beskrevet i patentpublikasjon WO99/02763 (de Nora/Sekhar).

En ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen er en fremgangsmåte for fremstilling av aluminium i en celle som beskrevet ovenfor. Fremgangsmåten omfatter å føre en elektrisk strøm gjennom anodeelementene i den ene eller hver anode som elektrisk strøm og derfra gjennom elektrolytten til katoden som ionisk strøm, for derved å fremstille aluminium på katoden og oksygen på de elektrokjemisk aktive anodeoverflater, hvorved gassunnslippelsen induserer en elektrolyttsirkulasjon gjennom anodens gjennomstrømningsåpninger.

Med oppfinnelsen tilveiebringes også en ikke-karbon metallbasert anode i en celle for elektroutvinning av aluminium som beskrevet ovenfor. Anoden har en elektrisk konduktiv metallstruktur med en elektrokjemisk aktiv anodeoverflate bestandig for oksidasjon og fluoridholdig smeltet elektrolytt, hvorpå under elektrolyse oksygen utvikles anodisk, og hvilken er opphengt i elektrolytten i hovedsak parallelt mot en tilstøtende katode. En slik metallstruktur omfatter en rekke parallelle horisontale anodeelementer, hvert med en elektrokjemisk aktiv overflate hvorpå under elektrolyse oksygen utvikles anodisk. De elektrokjemisk aktive overflater er i en generell koplanar anordning til dannelse av den aktive anodeoverflate. Anodeelementene er avstandsfraplassert til dannelse av langsgående gjennomstrømningsåpninger for sirkulasjon av elektrolytt drevet av det hurtig unnslippende anodisk utviklede oksygen.

Anodematerialer og operasjon

Anodene ifølge den foreliggende oppfinnelse kan bestå eller kan fortrinnsvis belegges med et jernoksidbasert materiale som kan oppnås ved oksidasjon av overflaten på et anodesubstrat inneholdende jern. Egnede anodematerialer er beskrevet nærmere i patentpublikasj onene WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06800 (de Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) og WO 01/43208 (Duruz/de Nora).

Ved de kjente prosesser vil selv det minst løselige anodemateriale frigi betydelige mengder bestanddeler til elektrolysebadet, hvilket leder til en betydelig forurensning av aluminiumproduktet. For eksempel er det funnet at konsentrasjonen av nikkel (en hyppig komponent i foreslåtte metallbaserte anoder) i aluminium produsert i småskalatester ved konvensjonelle driftstemperaturer vanligvis omfatter mellom 800 og 2000 ppm, dvs. 4 til 10 ganger det maksimalt akseptable nivå som er 200 ppm.

Jernoksider og særlig hematitt (Fe203) har en høyere løselighet enn nikkel i smeltet elektrolytt. Ved industriell produksjon er imidlertid forurensningstoleransen i aluminiumproduktet av jernoksider også betydelig høyere (opp til 2000 ppm) enn for andre metallurenheter.

Løseligheten er en iboende egenskap i anodematerialene og kan ikke endres annet enn ved å modifisere elektrolyttsammensetningen og/eller driftstemperaturen i en celle.

Småskalatester ved bruk av en NiFe204/Cu-cermetanode og drift under stabile betingelser ble utført for å etablere konsentrasjonen av jern i smeltet elektrolytt og i aluminiumproduktet under ulike driftsbetingelser.

I tilfellet jernoksid er det funnet at senkning av temperaturen i elektrolytten senker løseligheten av jernelementene betydelig. Denne effekt kan overraskende utnyttes til å gi en betydelig virkning på celleoperasjonen ved å begrense forurensningen av jern i aluminiumproduktet.

Det er følgelig blitt funnet at når driftstemperaturen i cellen reduseres til under temperaturen for konvensjonelle celler (950-970 °C) kan en anode dekket med et ytre lag av jernoksid holdes dimensjonsstabil ved å opprettholde en konsentrasjon av jernelementer og alumina i den smeltede elektrolytt tilstrekkelig til å redusere eller under-trykke oppløsningen av jernoksidlaget, idet konsentrasjonen av jernelementer er lav nok til ikke å overskride det kommersielt akseptable nivå av jern i aluminiumproduktet.

Nærværet av oppløst alumina i elektrolytten ved anodeoverflaten har en begrensende effekt på oppløsningen av jern fra anoden inn i elektrolytten, hvilket reduserer konsentrasjonen av jernelementene som er nødvendig til i hovedsak å stoppe oppløsningen av jern fra anoden.

Når den elektrokjemisk aktive overflate på anodene er jernoksidbasert, kan elektrolytten omfatte en mengde jernelementer og oppløst alumina som hindrer oppløsning av den jernoksidbaserte elektrokjemisk aktive overflate. Mengden jernelementer og alumina oppløst i elektrolytten og forhindring av oppløsningen av den jernoksidbaserte elektrokjemisk aktive overflate på den ene eller hver anode bør være slik at aluminiumproduktet forurenses med ikke mer enn 2000 ppm jern, fortrinnsvis ikke mer enn 1000 ppm jern, og enda mer foretrukket ikke mer enn 500 ppm jern.

For å opprettholde mengden anodebestanddeler, især jernelementene, i elektrolytten, hvilke forhindrer oppløsningen ved driftstemperaturen av den ene eller hver anode dersom aluminaføden i seg selv ikke inneholder tilstrekkelig jern, kan anodebestanddeler tilføres i elektrolytten periodisk, for eksempel periodisk sammen med alumina, eller kontinuerlig, for eksempel ved hjelp av en offerelektrode. Når den elektrokjemisk aktive overflate på anoden er jernoksidbasert, kan jernelementene tilføres i elektrolytten i form av jernmetall og/eller en jernforbindelse slik som jernoksid, jernfluorid, jernoksyfluorid og/eller en jern-aluminiumlegering.

For å begrense forurensningen i aluminiumproduktet av de katodisk reduserte anodebestanddeler til et kommersielt akseptabelt nivå, bør cellen opereres ved en tilstrekkelig lav temperatur slik at den nødvendige konsentrasjon av oppløst alumina og

anodebestanddelene, især jernelementene, i elektrolytten begrenses av den reduserte løselighet av jernelementene i elektrolytten ved driftstemperaturen.

Cellen kan opereres ved en driftstemperatur i elektrolytten under 910 °C, vanligvis fra 730 til 870 °C. Elektrolytten kan inneholde NaF og A1F3i et molforhold NaF/AlF3 nødvendig for driftstemperaturen i cellen omfattende mellom 1,2 og 2,4. Mengden oppløst alumina inneholdt i elektrolytten er vanligvis under 8 vekt %, fortrinnsvis mellom 2 vekt % og 6 vekt %.

De inaktive deler av anodene som under celleoperasjonen eksponeres for smeltet elektrolytt, især delene nær overflaten på elektrolytten, kan beskyttes med et sinkbasert belegg, især inneholdende sinkoksid med eller uten alumina, eller sinkaluminat. For i betydelig grad å hemme oppløsningen av en slik overflate under celleoperasjonen, bør konsentrasjonen i elektrolytten av oppløst alumina holdes ved eller over 3 til 4 vekt %.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nå beskrives med henvisning til de skjematiske tegninger, hvor: - Figurene la og lb viser henholdsvis et sideriss og et planriss av en anode ifølge oppfinnelsen; - Figurene 2a og 2b viser henholdsvis et sideriss og et planriss av en annen

anode

ifølge oppfinnelsen;

- Figurene 3,4, 5 og 6 viser sideriss av varianter av anoden vist på Figurene la og lb; - Figurene 7 og 8 viser tverrsnitt av flerdelte anodeelementer ifølge oppfinnelsen; - Figur 9 viser en anluminiumelektroutvinningscelle operert med anoder ifølge oppfinnelsen utstyrt med elektrolyttledeelementer; - Figurene 10, 11 og 12 er forstørrede utsnitt av deler av varianter av elektrolyttledeelementer vist på Figur 9, Figur 10 illustrerer celleoperasjon; - Figur 13 er et tverrsnitt av en annen anode ifølge oppfinnelsen med elektrolyttledeelementer hvorav kun én er vist; - Figur 14 viser et planriss av halve sammenstillingen av flere elektrolyttledeelementer lik det vist på Figur 13; - Figur 15 er et planriss av anoden vist på Figur 13 med halve sammenstillingen av elektrolyttledeelementene som vist på Figur 14;

- Figur 16 er et planriss av en variant av anoden på Figur 15.

Detaljert beskrivelse

Figurene la og lb viser skjematisk en anode 10 i en celle for elektroutvinning av aluminium ifølge oppfinnelsen.

Anoden 10 omfatter en vertikal strømforsyner 11 for tilkobling av anoden til en positiv strømskinne, et tverrelement 12 og et par transverse tilkoblingselementer 13 for tilkobling av en rekke anodeelementer 15.

Anodeelementene 15 har en elektrokjemisk aktiv nedre overflate 16 hvor oksygen utvikles anodisk under celleoperasjonen. Anodeelementene 15 er i form av parallelle staver i et koplanart arrangement, lateralt avstandsfraplassert med interelektrodegapene 17. Interelektrodegapene 17 gir gjennomstrømningsåpninger for sirkulasjon av elektrolytt og unnslippelse av anodisk utviklet gass frigitt ved de elektrokjemisk aktive overflater 16.

Anodeelementene 15 er transverst koblet med paret av transverse tilkoblingselementer 13 hvilke igjen er koblet sammen med tverrelementet 12 hvorpå den vertikale strømforsyner 11 er montert. Strømforsyneren 11, tverrelementet 12, de transverse tilkoblingselementer 13 og anodeelementene 15 er mekanisk sikret sammen ved sveising, nagling eller på annet vis.

Som beskrevet ovenfor kan den elektrokjemisk aktive overflate 16 på anodeelementene 15 være jernoksidbaserte, især som beskrevet i patentpublikasjonene WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06800 (de Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) og WO 01/43208 (Duruz/de Nora).

Tverrelementet 12 og de transverse tilkoblingselementer 13 er også slik utformet og posisjonert over anodeelementene 15 at det tilveiebringes en i hovedsak jevn strømfordeling gjennom anodeelementene 15 til deres elektrokjemisk aktive overflater 16. Strømforsyneren 11, tverrelementet 12 og de transverse tilkoblingselementer 13 behøver ikke å være elektrokjemisk aktive og deres overflate kan passiveres ved eksponering for elektrolytten. Imidlertid bør det være gode elektriske ledere for å unngå unødige spenningstap og de bør i hovedsak ikke oppløses i elektrolytten.

Når anodeelementene 15 og tverrelementene 12 eksponeres for ulik termisk ekspansjon, kan hvert anodeelement 15 som vist på Figur 1 fremstilles i to (eller flere ettersom det er hensiktsmessig) separate "korte" anodeelementer. De "korte" anodeelementer bør være langsgående avstandsfraplassert når den termiske ekspansjon i anodeelementene 15 er større enn den termiske ekspansjon i tverrelementene 12.

Alternativt kan det være fordelaktig i noen tilfeller å øke jevnheten av strømfordelingen, ved å ha flere enn to transverse tilkoblingselementer 13 og/eller mange tverrelementer 12.

Videre er det heller ikke nødvendig at de transverse tilkoblingselementer 13 er vinkelrett på anodeelementene 15 i en parallell konfigurasjon som vist på Figur 1. De transverse tilkoblingselementer 13 kan være i en stor X-konfigurasjon hvor hvert tilkoblingselement 13 strekker seg fra et hjørne til det motsatte hjørne i en rektangulær eller kvadratisk anodestruktur, med en vertikal strømforsyner 11 koblet til krysningen av tilkoblingselementene 13.

Figurene 2a og 2b viser skjematisk en variasjon av anoden 10 vist på Figurene la og lb.

Istedenfor å ha transverse tilkoblingselementer 13, et tverrelement 12 og en strømforsyner 11 for mekanisk og elektrisk tilkobling av anodeelementene 15 til en positiv strømskinne, som illustrert på Figurene la og lb, omfatter anoden 10 vist på Figurene 2a og 2b et par støpte eller profilerte støtteelementer 14 som oppfyller samme funksjon. Hvert støpte støtteelement 14 omfatter en nedre horisontalt utstikkende fot 14a for elektrisk og mekanisk tilkobling av anodeelementene 15, et tskaft 14b for tilkobling av anoden 10 til en positiv strømskinne og et par laterale forsterkningsflenser 14c mellom den horisontalt utstikkende fot 14a og skaftet 14b.

Anodeelementene 15 kan sikres ved mekanisk sammenstilling eller sveising i den horisontale fot 14a. Som et alternativ kan formen av anodeelementene 15 og korresponderende mottaksslisser i foten 14a være slik at de tillater kun langsgående bevegelser av anodeelementene. For eksempel kan anodeelementene 15 og foten 14a være sammenkoblet med svalehaleforbindelser.

Figurene 3 til 6 viser en rekke anoder 10 ifølge oppfinnelsen, hvilke er tilsvarende anoden 10 vist på Figurene la og lb. Imidlertid er tverrseksjonene av anodeelementene 15 på anodene 10 vist på Figurene 3 til 6 forskjellige fra det sirkulære tverrsnitt for anodeelementene 10 vist på Figurene la og lb.

Anodeelementene 15 på anoden vist på Figur 3 har tverrsnitt med en generelt semisirkulær del og en flat bunn som utgjør den elektrokjemisk aktive overflate 16 på hvert anodeelement 15.

Figur 4 illustrerer anodeelementer 15 i form av staver som har et generelt klokkeformet eller pæreformet tverrsnitt. Den elektrokjemisk aktive overflate 16 på anodeelementene 10 er plassert langs bunnen av klokkeformen eller pæreformen.

Anodeelementene 15 vist på Figur 5 er staver med et generelt rektangulært tverrsnitt. Den elektrokjemisk aktive overflate 16 er plassert langs den nedre smale side på staven. Figurene 6 og 7 viser en anode 10 med sammenstilte flere anodeelementer 15 omfattende et første element 15b støttende et elektrokjemisk aktivt andre element 15a. Det elektrokjemisk aktive element 15a har en elektrokjemisk aktiv overflate 16 og er koblet langs hele sin lengde til det elektrisk godt ledende støttelement 15b med et mellomliggende tilkoblingselement 15c slik som en flens. Denne anodeelement-utforming er særlig godt tilpasset for elektrokjemisk aktivt materiale som har en lav elektrisk konduktivitet og/eller som er ionisk konduktiv som forklart ovenfor. Figur 7 viser et forstørret snitt av sammenstilt anodeelement 15 på Figur 6, omfattende et generelt sylindrisk elektrokjemisk aktivt element 15 med en elektrokjemisk aktiv overflate 16, et generelt sylindrisk elektrisk ledende støtteelement 15b og et mellomliggende tilkoblingselement eller flens 15c elektrisk og mekanisk sammenkoblende støtteelementet 15b til det elektrokjemisk aktiv element 15a. Alternativt kan tilkoblingselementet 15c være en forlengelse av enten det elektrokjemisk aktive element 15a eller støtteelementet 15b, som vist på Figur 8.

Det mellomliggende tilkoblingselement 15c vist på Figur 7 kan være koblet til det elektrokjemisk aktive element 15a og til støtteelementet 15b ved mekanisk tilkobling eller sveising. Imidlertid kan disse deler være mekanisk koblet for å tilveiebringe en hensiktsmessig geometri for tilkoblingselementene 15c og de korresponderende mottaksslisser i det elektrokjemisk aktive element 15a og støtteelement 15b, for eksempel med svalehalesammenføyninger.

Det elektrokjemisk aktive element 15a vist på Figurene 7 og 8 kan være jernoksidbasert med eller uten tilsatser, for eksempel en oksidert jern-nikkellegering, som beskrevet i patentpublikasj onene WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06800 (de Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) og WO 01/43208 (Duruz/de Nora). Alternativt kan det aktive element 15a være fremstilt av ferritt, slik som nikkelferritt, eller en oksidert legering, især en støpelegering, av minst to metaller valgt blant nikkel, jern, kobber og aluminium.

Støtteelementet 15b vist på Figurene 7 og 8 og tilkoblingselementet 15c vist på Figur 7 er fortrinnsvis meget ledende og kan omfatte en metallkjerne, for eksempel av kobber, dekket med et elektrolyttbestandig materiale, for eksempel materialene nevnt ovenfor som er egnede for det elektrokjemisk aktive element 15a.

Som fremholdt ovenfor, for å unngå unødige mekaniske spenninger i sammenstillingen på grunn av ulik termisk ekspansjon mellom de elektrokjemisk aktive elementer 15a og støtteelementene 15b, kan hvert støtteelement 15b støtte mange langsgående avstandsfraplasserte "korte" elektrokjemisk aktive elementer 15a. De elektrokjemisk aktive elementer 15a kan være korte sylindre eller skiver.

Som en variant kan de elektrokjemisk aktive elementer 15a og/eller støtte-elementene 15b være horisontalt utstikkende prismer, for eksempel med en rektangulær base.

Figur 9 viser en aluminiumelektroutvinningscelle ifølge oppfinnelsen med en rekke generelt horisontale anoder 10 hvilke er tilsvarende dem vist på Figurene la og lb, nedsenket i en elektrolytt 30. Anodene 10 vender mot en horisontal katodecellebunn 20 koblet til en negativ strømskinne med strømledestavene 21. Katodecellebunnen 20 er fremstilt av konduktivt materiale slik som grafitt eller annet karbonholdig materiale dekket med et aluminiumfuktbart ildfast katodisk belegg 22 hvorpå aluminium 35 produseres og hvorfra det dreneres eller hvorpå det danner en grunn dam, en dyp dam eller en stabilisert dam. Det smeltede aluminium 35 produsert er avstandsfraplassert de tilstøtende anoder 10 med et interelektrodegap.

Parene av anoder 10 er koblet til en positiv strømskinne gjennom en primært vertikal strømforsyner 11' og en horisontal strømfordeler 11" koblet til begge sine ender til en foraminøs anode 10 gjennom en sekundær vertikal strømfordeler 11"'.

Den sekundære vertikale strømfordeler 11'" er montert på anodestrukturen 12,13,15, på et tverrelement 12 som igjen er koblet til et par transverse tilkoblingselementer 13 for kobling til en rekke anodeelementer 15. Strømforsynerne 11', 11", 11"', tverrelementet 12, de transverse tilkoblingselementer 13 og anodeelementene 15 er mekanisk sammenfestet ved sveising, nagling eller på annet vis.

Anodeelementene 15 har en elektrokjemisk aktiv nedre overflate 16 hvorpå under selve operasjonen oksygen utvikles anodisk. Anodeelementene 15 er i form av parallelle staver i et foraminøst koplanart arrangement, lateralt avstandsfraplassert med interelektrodegap 17. Interelementgapene 17 gir gjennomstrømningsåpninger for sirkulasjonen av elektrolytt og unnslippelse av anodisk utviklet gass fra de elektrokjemisk aktive overflater 16.

Tverrelementet 12 og transverse tilkoblingselementer 13 tilveiebringer en i hovedsak jevn strømfordeling gjennom anodeelementene 15 til deres elektrokjemisk aktive overflater 16. Strømforsyneren 11, tverrelementet 12 og de transverse tilkoblingselementer 13 behøver ikke å være elektrokjemisk aktive og deres overflater kan passiveres ved eksponering for elektrolytten. Imidlertid bør de være gode elektriske ledere for å unngå unødige spenningsfall og de bør i hovedsak ikke oppløses i den smeltede elektrolytt.

Den aktive overflate 16 på anodeelementene 15 kan være jernoksidbasert. Egnede anodematerialer er beskrevet i patentpublikasj onene WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06800 (de Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) og WO 01/43208 (Duruz/de Nora).

Jernoksidoverflaten kan strekke seg over alle nedsenkede deler 11"', 12,13, 15 på anoden 10, især over de nedsenkede deler på den sekundære vertikale strømfordeler 11"' som fortrinnsvis er dekket med jernoksid minst opp til 10 cm over overflaten på elektrolytten 30.

De nedsenkede men inaktive deler på anoden 10 kan videre være dekket med sinkoksid. Når delene på anoden 10 er dekket med sinkoksid, bør imidlertid konsentrasjonen av oppløst alumina i elektrolytten 30 holdes over 4 vekt% for å hindre unødig oppløsning av sinkoksid i elektrolytten 30.

Kjernen på alle anodekomponentene 11', 11", 11"', 12, 13, 15 er fortrinnsvis meget ledende og kan fremstilles av kobber beskyttet med suksessive lag av nikkel, krom, nikkel, kobber og eventuelt et ytterligere lag av nikkel.

Anodene 10 er videre utrustet med anordninger for å øke oppløsningen av tilført aluminium i form av elektrolyttledeelementer 5 formet av parallelle avstandsfraplasserte hellende ledeplater 5 plassert over og ved den foraminøse anodestruktur 12, 13,15. Ledeplatene 5 tilveiebringer øvre nedad konvergerende overflater 6 og nedre oppad konvergerende overflater 7 som leder gassformig oksygen som produseres anodisk under den elektrokjemisk aktive overflate 16 på anodeelementene 15 og som unnslipper mellom interelementgapene 17 gjennom den foraminøse anodestruktur 12,13,15. Oksygenet frigitt over ledeplatene 5 fremmer oppløsningen av alumina tilført i elektrolytten 30 over de nedad konvergerende overflater 6.

En tilsvarende anodeutforming ble foreslått i patentpublikasjon US 4263107 (Pellegri) for å forbedre elektrolyttsirkulasjon i vandig saltløsningselektrolyse. Anoden ble fremstilt av konvensjonelle anodematerialer for saltløsningselektrolyse, slik som titan dekket med et platinagruppemetalloksid, med en foraminøs aktiv anodestruktur. Selv om denne anodeutforming er vel tilpasset for elektrolyttsirkulasjon og gassfrigivelse ved saltløsningselektrolyse, er det aldri blitt foreslått eller antydet anvendelse i aluminiumelektroutvinningsceller, hvilke avviker betydelig fra klor-alkaliceller, og spesielt ikke for å bedre oppløsningen av tilført alumina.

Det aluminiumfuktbare katodiske belegg 22 på cellen vist på Figur 9 kan fordelaktig være et slurrypåført ildfast hardmetallbelegg som beskrevet i patentpublikasjon US 5651874 (de Nora/Sekhar). Fortrinnsvis består det aluminiumfuktbare katodiske belegg 22 av et tykt belegg av ildfast hardmetallborid slik som TiB2som beskrevet i patentpublikasjon W098/17842 (Sekhar/Duruz/Liu), hvilket belegg er særlig egnet til å beskytte katodebunnen på en drenert celle som vist på Figur 9.

Cellen omfatter også sidevegger 25 av karbonholdig materiale eller annet materiale. Sideveggene 25 er belagt/impregnert over overflaten av elektrolytten 30 med et bor- eller fosfatbeskyttende belegg/impregnering 26 som beskrevet i patentpublikasjonene US 5486278 (Manganiello/Duruz/Bello og US 5534130 (Sekhar).

Under overflaten på elektrolytten 30 er sideveggene 25 belagt med et aluminiumfuktbart belegg 23, slik at smeltet aluminium 35 drevet av kapillarkrefter og magneto-hydrodynamiske krefter dekker og beskytter sideveggene 25 fra elektrolytten 35. Det aluminiumfuktbare belegg 23 strekker seg fra det aluminiumfuktbare katodiske belegg 22 over overflaten på tilkoblingshjørneprismene 28 opp sideveggene 25 minst til overflaten på elektrolytten 30. Det aluminiumfuktbare sidebelegg 23 kan fordelaktig fremstilles av en påført og tørket og/eller varmebehandlet slurry av partikulær TiB2i kolloidal silika, hvilket er sterkt aluminiumfuktbart.

Over og under overflaten på elektrolytten 30 kan alternativt sideveggene 25 dekkes med et sinkbasert belegg, slik som et sinkoksidbelegg eventuelt med alumina

eller et sinkaluminabelegg. Når et sinkbasert belegg benyttes for å dekke sideveggene 25 eller anodene 10 som beskrevet ovenfor, bør konsentrasjonen av oppløst alumina i elektrolyttsmelten 30 holdes over 4 vekt% for i hovedsak å forhindre oppløsning av et slikt belegg.

Under celleoperasjonen tilføres alumina til elektrolytten 30 over hele ledeplatene 5 og den metalliske anodestruktur 12, 13,15.

Aluminaføden oppløses og distribueres fra den nedre ende av de konvergerende overflater 6 til interelektrodegapet gjennom interelementgapene 17 og rundt kantene på metallanodestrukturen 12, 13, 15, dvs. mellom naboliggende par av anoder 10 eller mellom perifere anoder 10 og sideveggene 25. Ved å føre en elektrisk strøm mellom anoder 10 og tilstøtende katodecellebunn 20 utvikles oksygen på den elektrokjemisk aktive anodeoverflate 16 og aluminium produseres, hvilket innbefattes i det katodisk smeltede aluminium 35. Oksygenet utviklet fra de aktive overflater 16 unnslipper gjennom interelementgapene 17 og avbøyes av de oppad konvergerende overflater 7 på ledeplatene 5. Oksygenet unnslipper fra de øvre ender på de oppad konvergerende overflater 7, hvilket øker oppløsningen av aluminaføden over de nedad konvergerende overflater 6.

Aluminiumelektroutvinningscellene som delvis er vist på Figurene 10, 11 og 12 er tilsvarende aluminiumelektroutvinningscellen vist på Figur 9. På Figur 10 er ledeelementene hellende ledeplater 5 som vist på Figur 9.1 dette eksempel er øverste ende på hver ledeplate 5 plassert like over midthøyden mellom overflaten på elektrolytten 30 og de transverse tilkoblingselementer 13.

Det er også på Figur 10 vist en elektrolyttsirkulasjon 31 generert av unn-slippelsen av gass frigitt fra de aktive overflater 16 på anodeelementene 15 mellom interelementgapene 17 og som avbøyes av de oppad konvergerende overflater 7 på ledeplatene hvilke innfanger gassen og elektrolyttstrømmen mellom deres øverste ender. Fra de øverste ender på ledeplatene 5 unnslipper den anodisk utviklede gass mot overflaten på elektrolytten 30, mens elektrolyttsirkulasjonen 31 strømmer ned gjennom og mot de konvergerende overflater 6, gjennom interelementgapene og rundt kantene på den metalliske anodestruktur 12,13,15 for å kompensere depresjonen dannet av den anodisk frigitte gass under de aktive overflater 17 på anodeelementene 15. Elektrolyttsirkulasjonen 31 drar ned i interelektrodegapet de oppløsende aluminapartikler 32 som tilføres ovenfor de nedad konvergerende overflater 6. Figur 11 viser en del av en aluminiumelektroutvinningscelle med ledeplater 5 operert som elektrolyttledeelementer som dem vist i cellen på Figur 9, men med overflater som kun delvis er konvergerende. De nedre seksjoner 4 på ledeplatene 5 er vertikale og parallelle med hverandre, mens de øvre seksjoner har oppad og nedad konvergerende overflater 6, 7. Den øvre ende på ledeplaten 5 er plassert over, men nær overflaten på elektrolytten 30 for å øke turbulensen ved elektrolyttoverflaten bevirket av frigivelsen av anodisk utviklet gass. Figur 12 viser en variant av ledeplaten vist på Figur 11, hvor de parallelle vertikale seksjoner 4 er plassert over de konvergerende overflater 6,7.

Ved å lede og å innsamle anodisk utviklet oksygen mot overflaten på elektrolytten 30 med ledeplater eller andre innsamlingsinnretninger som vist på Figurene 11 og 12 og som er ytterligere beskrevet i den samtidig innleverte patentsøknad WO 00/40781 (de Nora), frigis oksygen så nær overflaten at det dannes turbulens over de nedad konvergerende overflater 6, hvilket fremmer oppløsning av alumina tilført ovenfra.

Det innses at elektrolyttinnsamlingselementene 5 vist på Figurene 9,10, 11 og 12 enten kan være avlange ledeplater eller istedenfor kan bestå av en rekke vertikale kanaler eller trakter av sirkulært eller polygonalt tverrsnitt, for eksempel som beskrevet nedenfor.

Figurene 13 og 15 illustrerer en anode 10' med en sirkulær bunn, hvor anoden 10' er vist i tverrsnitt på Figur 5 og ovenfra på Figur 15. På høyre side av Figurene 13 og 15 er anoden 10' vist med elektrolyttledeelementer 5' ifølge oppfinnelsen. Elektrolyttledeelementene 5' representert på Figur 15 er vist separat på Figur 14.

Anoden 10' vist på Figurene 13 og 15 har flere konsentriske sirkulære anodeelementer 15. Anodeelementene 15 er lateralt avstandsfraplassert med interelementgapene 17 og sammenkoblet med radielle tilkoblingselementer i form av flenser 13 som sammenføyes med den ytre ring 13'. Den ytre ring 13' strekker seg vertikalt fra de ytterste anodeelementer 15, som vist på Figur 13, til å danne med de radielle flenser 13 en hjullignende struktur 13,13', vist på Figur 15, hvilket sikrer anodeelementene 15 til en sentral anodestrømforsyner 11.

Som vist på Figur 13 går det innerste sirkulære anodeelement 15 delvis sammen med strømforsyneren 11, med kanaler 18 som strekker seg mellom det innerste sirkulære anodeelement 15 og strømforsyneren 11 til å tillate unnslippelse av oksygen produsert under den sentrale strømforsyner 11.

Hvert elektrolyttledeelement 5' er med generell form av en trakt med bred nedre åpning 9 for å motta anodisk produsert oksygen og en smal øvre åpning 8 hvorfra oksygenet frigis til å fremme oppløsning av aluminaføden over elektrolyttledeelementene 5'. Den indre overflate 7 på elektrolyttledeelementet 7' er anordnet til å kanalisere og å fremme en oppad elektrolyttstrøm drevet av anodisk produsert oksygen. Den ytre overflate 6 på elektrolyttledeelementet 5' er anordnet til å fremme oppløsning av aluminaføden derover og å lede aluminarik elektrolytt ned til interelektrodegapet, idet elektrolytten strømmer i hovedsak rundt den foraminøse struktur.

Som vist på Figurene 14 og 15 er elektrolyttledeelementene 15' i et sirkulært arrangement, hvorav kun halve arrangementet er vist. Elektrolyttledeelementene 5' er lateralt festet til hverandre med fester 3 og anordnet slik at de holdes over anodeelementene 15, hvor festene for eksempel er plassert på flensene 13 som vist på Figur 15, eller festet etter behov. Hvert elektrolyttledeelement 5' er posisjonert i en sirkulær sektor definert av to naboliggende radielle flenser 13 og en bue på den ytre ring 13', som vist på Figur 15.

Anordningen av elektrolyttledeelementer 5' og anoden 10' kan støpes sammen som enheter. Dette tilbyr fordel ved at det unngås mekaniske sammenføyninger og risikoen for å endre egenskaper i materialene i elektrolyttledeelementene 5' eller anoden 10' ved sveising unngås.

Anodene 10 og elektrolyttledeelementene 5' kan fremstilles av ethvert egnet materiale bestandig mot oksidasjon og den fluorholdige smeltede elektrolytt, for eksempel som beskrevet i patentpublikasjonene WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06800 (de Nora/Duruz), WO 00/06803

(Duruz/deNora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) og WO 01/43208 (Duruz/de Nora). Figur 16 illustrerer en firkantet anode 10' som en variant av den runde anode 10' på Figurene 13 og 15. Anoden 10' på Figur 16 har generelt rektangulære konsentriske parallelle anodeelementer 15 med avrundede hjørner. Anoden 10' vist på Figur 16 kan utstyres med elektrolyttledeelementer tilsvarende dem på Figurene 13 til 15, men i et korresponderende rektangulært arrangement.

Claims (23)

1. Celle for elektroutvinning av aluminium fra alumina oppløst i en fluoridholdig smeltet elektrolytt, karakterisert vedat cellen omfatter minst én ikke-karbon metallbasert anode med en elektrisk ledende metallstruktur med en elektrokjemisk aktiv anodeoverflate hvorpå under elektrolyse oksygen utvikles anodisk, idet metallstrukturen er opphengt i elektrolytten med sin aktive anodeoverflate i hovedsak parallell med en tilstøtende plan katodeoverflate, idet metallstrukturen omfatter en rekke horisontale avlange anodeelementer, hvor hvert anodeelement har en lengde som er mye større enn tykkelsen, idet anodeelementene er anordnet parallelt med hverandre, avstands fraplassert transvers i et generelt koplanart arrangement, hvor hvert anodeelement har en elektrokjemisk aktiv overflate, hvor den elektrokjemisk aktive overflate på anodeelementene danner den aktive anodeoverflate som strekker seg over store dimensjoner betydelig større enn tykkelsen av de avlange anodeelementer, idet de avstandsfraplasserte anodeelementer danner horisontale avlange gjennomstrømningsåpninger for sirkulasjon av elektrolytt drevet av hurtig unnslippende anodisk utviklet oksygen.

2. Celle ifølge krav 1, karakterisert vedén eller flere gjennomstrømningsåpninger i den ene eller hver anodestruktur anordnet for strømning av aluminarik elektrolytt til en elektrolysesone mellom anodene og katoden og/eller for strømning av aluminautarmet elektrolytt bort fra elektrolysesonen.

3. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat den aktive anodeoverflate i hovedsak er horisontal eller vertikal.

4. Celle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat den aktive anodeoverflate er hellende mot horisontalen.

5. Celle ifølge hvilket som helst foregående krav, karakterisert vedat anodeelementene er avstandsfraplasserte blader.

6. Celle ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert vedat anodeelementene er avstandsfraplasserte stenger, bolter eller tråder.

7. Celle ifølge krav 6, karakterisert vedat stengene, boltene eller trådene har et generelt sirkulært eller rektangulært tverrsnitt eller har et tverrsnitt med en øvre generelt halvsirkulær del og en flat bunn.

8. Celle ifølge krav 6, karakterisert vedat stengene, boltene eller trådene har et generelt klokkeformet eller pæreformet tverrsnitt.

9. Celle ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert vedat anodeelementene er avstandsfraplasserte blader, stenger, bolter eller tråder som generelt er rettlinjede.

10. Celle ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert vedat anodeelementene er avstandsfraplasserte blader, stenger, bolter eller tråder som foreligger i et generelt konsentrisk arrangement, hvor hvert blad, stang, bolt eller tråd danner en løkke, slik som en generelt sirkulær, oval eller polygonal løkke.

11. Celle ifølge hvilket som helst foregående krav, karakterisert vedat hvert anodeelement omfatter et elektrisk ledende første støtteelement som støtter minst ett elektrokjemisk aktivt andre element, især mange andre elementer avstandsfraplassert for å tillate ulik termisk ekspansjon, hvor overflaten på de andre elementer danner den elektrokjemisk aktive overflate.

12. Celle ifølge krav 11, karakterisert vedat de andre elementer er elektrisk og mekanisk sammenkoblet til de første elementer med et mellomliggende tilkoblingselement.

13. Celle ifølge hvilket som helst foregående krav, karakterisert vedat anodeelementene er sammenkoblet med hverandre med ett eller flere transverse tilkoblingselementer, især mange transverse tilkoblingselementer som igjen er koblet sammen med ett eller flere tverrelementer, hvor den ene eller hver anode eventuelt omfatter en vertikal strømforsyner anordnet til å kobles til en positiv strømskinne som er mekanisk og elektrisk koblet til én eller flere transverse tilkoblingselementer eller til minst ett tverrelement som kobler til mange transverse tilkoblingselementer, for å føre elektrisk strøm til anodeelementene gjennom de transverse tilkoblingselementer og når de er til stede gjennom tverrelementene.

14. Celle ifølge hvilket som helst foregående krav, karakterisert vedat minst den aktive anodeoverflate på hver anode er belagt med et oksygenutviklende belegg, især fremstilt av metalloksid, fortrinnsvis jernoksid.

15. Celle ifølge hvilket som helst foregående krav, karakterisert vedat katoden er aluminiumfuktbar og er fortrinnsvis i en drenert konfigurasjon.

16. Celle ifølge hvilket som helst foregående krav, karakterisert vedat den omfatter innretninger til å lette oppløsning av aluminaføden i elektrolytten.

17. Celle ifølge hvilket som helst foregående krav, karakterisert vedat den har innretninger til termisk å isolere overflaten av elektrolytten for å hindre dannelsen av en elektrolyttsaltskorpe på elektrolyttoverflaten.

18. Anvendelse av cellen ifølge krav 1 for fremstilling av aluminium,karakterisert vedat det føres en elektrisk strøm gjennom anodeelementene på den ene eller hver anode som elektrisk strøm og derfra gjennom elektrolytten til katoden som ionisk strøm, hvorved aluminium produseres på katoden og oksygen på den elektrokjemisk aktive anodeoverflate, idet oksygenet unnslipper gjennom gjennomstrømningsåpningene og derved induserer en elektrolyttsirkulasjon.

19. Anvendelse ifølge krav 18, karakterisert vedå opprettholde en tilstrekkelig mengde oppløst alumina og én eller flere anodebestanddeler i elektrolytten for å holde anodene dimensjonsstabile eller å hindre oppløsning derav i elektrolytten, idet cellen fortrinnsvis opereres ved en tilstrekkelig lav temperatur til å begrense løseligheten av anodebestanddelene i elektrolytten for derved å begrense forurensningen av aluminiumproduktet med katodisk reduserte anodebestanddeler innenfor et akseptabelt nivå.

20. Ikke-karbon metallbasert anode i en celle for elektroutvinning av aluminium, idet cellen er definert som i krav 1, karakterisert vedat anoden omfatter en elektrisk ledende metallisk struktur med en elektrokjemisk aktiv anodeoverflate bestandig mot oksidasjon og fluorholdig smeltet elektrolytt, hvorpå under elektrolyse oksygen utvikles anodisk, idet metall strukturen er opphengt i elektrolytten med sin aktive anodeoverflate i hovedsak parallell med en tilstøtende plan katodeoverflate, idet metallstrukturen omfatter en rekke horisontale avlange anodeelementer, hvor hvert anodeelement har en lengde som er mye større enn tykkelsen, idet anodeelementene er anordnet parallelt med hverandre, avstandsfraplassert transverst i et generelt koplanart arrangement, hvor hvert anodeelement har en elektrokjemisk aktiv overflate, idet de elektrokjemisk aktive overflater på anodeelementene danner nevnte aktive anodeoverflate som strekker seg ut over et omfang med dimensjoner som er mye større enn tykkelsen av de avlange anodeelementer, idet de avstandsfraplasserte anodeelementer danner horisontale avlange gjennomstrømningsåpninger for sirkulasjonen av elektrolytt drevet av hurtig unnslippende anodisk utviklet oksygen.

21. Anode ifølge krav 20, karakterisert vedat anodeelementene er avstandsfraplasserte blader, stenger, bolter eller tråder.

22. Anode ifølge krav 21, karakterisert vedat anodeelementene er generelt rettlinjede.

23. Anode ifølge krav 21, karakterisert vedat anodeelementene foreligger i et generelt konsentrisk arrangement, hvor hvert anodeelement danner en løkke, især en generelt sirkulær, oval eller polygonal løkke.