(57)【要約】  本発明は、特にアルミニウム製造に適した電解セルに関し、特にアルミニウム製造のための電解セルであって、カソードと、カソードの上面に配置された液体アルミニウム層と、その上の溶融層と、溶融層の上のアノードと、カソードの下面から電流を供給するようにカソードに接触する、少なくとも１つのまた好ましくは少なくとも２つのバスバーと、少なくとも１つの外部電流供給部とを有し、少なくとも１つの上記各外部電流供給部が、それぞれ接続点で、少なくとも１つまた好ましくは少なくとも２つの上記バスバーにそれぞれ電気的に導通するように接続され、カソードの横断面で見て、カソードの上面が槽形状であり、上記槽が、２つの端領域と、カソードの幅方向で見て端領域間に配置されて端領域より相対的に低い底部領域とを有し、上記両方の端領域と底部領域との間に、対応する端領域と底部領域とを接続する側壁領域がそれぞれ設けられ、（ｉ）底部領域および端領域のうちの少なくとも１つの幅が、カソードの長さにわたって変化し、および／または、（ｉｉ）カソードの下面から決定されるソードの上面の高さが、カソードの長さにわたって変化する。
2014532817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にアルミニウム製造のための電解セルであって、カソード（１０）と、カソード（１０）の上面（１２）に配置された液体アルミニウム層と、その上の溶融層と、溶融層の上のアノードと、カソード（１０）の下面（１４）から電流を供給するようにカソード（１０）に接触する、少なくとも１つのまた好ましくは少なくとも２つのバスバー（２２，２２’）と、少なくとも１つの外部電流供給部（２６，２６’，２６''，２６'''）とを有し、上記少なくとも１つの各外部電流供給部（２６，２６’，２６''，２６'''）が、それぞれ接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）で、少なくとも１つまた好ましくは少なくとも２つの上記バスバー（２２，２２’）にそれぞれ電気的に導通するように接続され、カソード（１０）の横断面で見て、カソード（１０）の上面（１２）が槽形状であり、上記槽が、２つの端領域（１６，１６’）と、カソード（１０）の幅方向（ｘ）で見て端領域（１６，１６’）間に配置されて端領域（１６，１６’）より相対的に低い底部領域（１８）とを有し、上記両方の端領域（１６，１６’）と底部領域（１８）との間に、対応する端領域（１６，１６’）と底部領域（１８）とを接続する側壁領域（２０，２０’）がそれぞれ設けられ、（ｉ）底部領域（１８）および端領域（１６，１６’）のうちの少なくとも１つの幅（ｂ）が、カソード（１０）の長さにわたって変化し、および／または、（ｉｉ）カソード（１０）の下面（１４）から決定されるカソード（１０）の上面（１０）の高さ（ｈ）が、カソード（１０）の長さにわたって変化することを特徴とする電解セル。
【請求項２】
カソード（１０）の端領域（１６，１６’）のうちの少なくとも１つが、それぞれ互いに異なる幅（ｂ）を有する少なくとも２つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、前記長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）に最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）に結合されるまでの電気経路（Ｐ１−Ｐ３）が最も短い端領域（１６，１６’）の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、当該端領域（１６，１６’）の全ての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）のうちで最も大きい幅（ｂ）を有することを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項３】
カソード（１０）の端領域（１６，１６’）のうちの少なくとも１つが、それぞれ互いに異なる幅（ｂ）を有する少なくとも３つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より長い電気経路（Ｐ１−Ｐ３）を通って最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）と結合されたすべての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、前記１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より小さい幅（ｂ）を有することを特徴とする請求項１または２の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項４】
カソード（１０）の底部領域（１８）が、それぞれ互いに異なる幅（ｂ）を有する少なくとも２つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、前記長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）に最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）と結合されるまでの電気経路（Ｐ１−Ｐ３）が最も短い底部領域（１８）の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、当該底部領域（１８）の全ての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）のうちで最も小さい幅（ｂ）を有することを特徴とする請求項１ないし３の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項５】
カソード（１０）の底部領域（１８）が、それぞれ互いに異なる幅（ｂ）を有する少なくとも３つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より長い電気経路（Ｐ１−Ｐ３）を通って最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）に結合されたすべての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、前記１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より大きい幅（ｂ）を有することを特徴とする請求項１ないし４の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項６】
カソード（１０）の端領域（１６，１６’）のうちの少なくとも１つが、それぞれ互いに異なる高さ（ｈ）を有する少なくとも２つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）と結合されるまでの電気経路（Ｐ１−Ｐ３）が最も短いカソード（１０）の端領域（１６，１６’）の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、端領域（１６，１６’）の全ての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）のうちで最も大きい、カソード（１０）の下面（１４）から決定される高さ（ｈ）を有する、および／または、カソード（１０）の底部領域（１８）が、それぞれ互いに異なる高さ（ｈ）を有する少なくとも２つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）と結合されるまでの電気経路（Ｐ１−Ｐ３）が最も短いカソード（１０）の底部領域（１８）の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、底部領域（１８）の全ての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）のうちで最も大きい、カソード（１０）の下面（１４）から決定される高さ（ｈ）を有することを特徴とする請求項１ないし５の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項７】
カソード（１０）の端領域（１６，１６’）が、それぞれ互いに異なる高さ（ｈ）を有する少なくとも３つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より長い電気経路（Ｐ１−Ｐ３）を通って、前記長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）に最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）に結合されたすべての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、前記１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より小さい高さ（ｈ）を有する、および／または、カソード（１０）の底部領域（１８）が、それぞれ互いに異なる高さ（ｈ）を有する少なくとも３つの長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）を有し、１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より長い電気経路（Ｐ１−Ｐ３）を通って、最も近くにある接続点（２８，２８’，２８''，２８'''）と結合されたすべての長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）が、前記１つの他の長手方向部分（Ｌ１−Ｌ９）より小さい高さ（ｈ）を有することを特徴とする請求項６に記載の電解セル。
【請求項８】
カソード（１０）の少なくとも１つの端領域（１６，１６’）の最大と最小の幅（ｂ）の比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間であり、および／または、
カソード（１０）の少なくとも１つの端領域（１６，１６’）の最大と最小の高さ（ｈ）の比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間であり、および／または、
カソード（１０）の底部領域（１８）の最大と最小の幅（ｂ）の比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間であり、および／または、
カソード（１０）の底部領域（１８）の最大と最小の高さ（ｈ）の比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間であることを特徴とする請求項１ないし７の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項９】
カソード（１０）の下面（１４）から電流を供給するようにカソード（１０）に接触する、少なくとも１つのまた好ましくは少なくとも２つのバスバー（２２，２２’）が、互いに平行に固定間隔で配置され、カソード（１０）の全幅（ｂ）にわたって延び、カソード（１０）の下面（１４）から電流を供給するように当該カソード（１０）に接触し、個々のバスバー（２２，２２’）が、その１つまたは両方の端で、各母線（２４，２４’）に、電気的に導通するように接続され、上記母線（２４，２４’）が、１つまたは複数の外部電流供給部（２６，２６’，２６''，２６'''）に、電気的に導通するように接続されていることを特徴とする請求項１ないし８の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項１０】
２ないし６０、好ましくは１０ないし４８、特に好ましくは１６ないし４０、全く特に好ましくは２０ないし４０、最も好ましくは３６個の互いに平行に固定間隔で配置され、カソード（１０）の全幅（ｂ）にわたって延び、下面（１４）から電流を供給するようにカソード（１０）に接触するバスバー（２２，２２’）と、２ないし６個の外部電流供給部（２６，２６’，２６''，２６'''）とを有することを特徴とする請求項１ないし９の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項１１】
カソード（１０）が、２ないし６０、好ましくは１０ないし４８、特に好ましくは１６ないし４０、全く特に好ましくは２０ないし４０、最も好ましくは３６個の互いに隣接するように配置されたカソードブロックから構成されており、前記各カソードブロックが、その下面に、少なくとも１つの、カソードブロックの長さ方向またはカソード（１０）の幅方向（ｘ）に延びた溝を有し、前記溝に少なくとも１つの前記バスバー（２２，２２’）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項１２】
前記各溝が、長方形の横断面と、当該溝の長さにわたって変化する深さとを有し、前記各溝が、その長辺方向の端で、当該溝の中間よりも小さい深さを有することを特徴とする請求項１１に記載の電解セル。
【請求項１３】
前記両方の端領域（１６，１６’）の少なくとも１つ、好ましくは両方の端領域（１６，１６’）が、カソード（１０）の横断面で見て、また、カソード（１０）の幅方向（ｘ）で見て、カソード（１０）の中間に向かって、下向きに傾斜して延び、水平面に対する端領域（１６，１６’）の傾斜角（α）が、好ましくは２°ないし４５°、特に好ましくは３°ないし２０°、全く特に好ましくは１０°ないし１５°であることを特徴とする請求項１ないし１２の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項１４】
カソード（１０）の横断面で見て、また、カソード（１０）の幅方向（ｘ）で見て、前記両方の端領域（１６，１６’）の少なくとも１つ、好ましくは両方の端領域（１６，１６’）は、その幅（ｂ）の少なくとも３０％にわたって、好ましくは少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは少なくとも７５％にわたって、全く特に好ましくは１００％にわたって、カソード（１０）の中間に向かって、下向きに傾斜していることを特徴とする請求項１ないし１３の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項１５】
底部領域（１８）が、少なくとも局所的に平坦に延び、底部領域（１８）の上面が、垂直方向（ｚ）に延びる平面に対して、−２０°ないし２０°の間、好ましくは−１０°ないし１０°の間、特に好ましくは０°の角度を成すことを特徴とする請求項１ないし１４の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項１６】
カソード（１０）の上面（１２）は、カソード（１０）の横断面で見て、カソード（１０）の長さの少なくとも２５％にわたって、好ましくは少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは少なくとも７５％にわたって、なかでも特に好ましくは９０％にわたって、最も好ましくはほぼ１００％にわたって、槽形状であり、前記槽が、２つの端領域（１６，１６’）と、１つの、カソード（１０）の幅方向（ｘ）で見て端領域（１６，１６’）間に配置されて端領域（１６，１６’）より相対的に低い底部領域（１８）とを有し、前記両方の各端領域（１６，１６’）と底部領域（１８）との間に、それぞれ対応する端領域（１６，１６’）と底部領域（１８）とを接続する側壁領域（２０，２０’）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１５の少なくとも１つに記載の電解セル。
【請求項１７】
（ｉ）底部領域（１８）および端領域（１６，１６’）のうちの少なくとも１つの幅（ｂ）が、カソード（１０）の長さの少なくとも２５％にわたって、好ましくは少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは少なくとも７５％にわたって、なかでも特に好ましくは少なくとも９０％にわたって、最も好ましくはほぼ１００％にわたって、変化し、および／または、（ｉｉ）カソード（１０）の下面（１４）から決定されるカソード（１０）の上面（１２）の高さ（ｈ）は、カソード（１０）の長さの少なくとも２５％超え、好ましくは少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも７５％、なかでも特に好ましくは少なくとも９０％、最も好ましくはほぼ１００％が、変化することを特徴とする請求項１６に記載の電解セル。
【請求項１８】
電解セルのための、特にアルミニウム製造のための電解セルのためのカソードであって、カソード（１０）の上面（１２）が、カソード（１０）の横断面で見て槽形状であり、前記槽が、２つの端領域（１６，１６’）と、１つの、カソード（１０）の幅方向（ｘ）で見て端領域（１６，１６’）間に配置されて端領域（１６，１６’）より相対的に低い底部領域（１８）とを有し、前記両方の各端領域（１６，１６’）と底部領域（１８）との間に、それぞれ対応する端領域（１６，１６’）と底部領域（１８）とを接続する側壁領域（２０，２０’）が設けられ、（ｉ）底部領域（１８）および端領域（１６，１６’）のうちの少なくとも１つの幅（ｂ）が、カソード（１０）の長さにわたって変化し、および／または、（ｉｉ）カソード（１０）の下面（１４）から決定されるカソード（１０）の上面（１０）の高さ（ｈ）が、カソード（１０）の長さにわたって変化することを特徴とする電解セルのためのカソード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にアルミニウム製造のための電解セルおよびこのような電解セルでの使用に適したカソードに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解セルは、例えば、電解によるアルミニウム製造に用いられ、当該電解によるアルミニウム製造は、通常、工業的にはホール・エルー法により実施される。ホール・エルー法では、酸化アルミニウムと氷晶石とからなる溶融物が電解される。ここで、上記氷晶石Ｎａ３［ＡｌＦ６］は、融点を、純粋な酸化アルミニウムの融点である２０４５℃から、氷晶石、酸化アルミニウム、および添加物、例えば、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウム、を含む混合物の融点である約９５０℃まで下げることに用いられる。
【０００３】
当該方法に用いられる電解セルはカソード底部を有し、当該底部は、カソードを形成する、多くの互いに接するカソードブロックから構成されうる。セルの稼働時に支配的な熱的および化学的条件に耐えるために、カソードは、通常、炭素含有材料から構成されている。カソードブロックの下面には、通常、それぞれ溝が設けられ、その溝の内部にそれぞれ少なくとも１つのバスバーが配置され、そのバスバーを経由して、アノードを通って供給された電流が取り出される。上記カソードの上面にある、高さが通常１５ｃｍ以上３０ｃｍ以下である液体アルミニウム層から約３ｃｍから５ｃｍ上方に、特に個々のアノードブロックから構成されているアノードが配置され、当該アノードとアルミニウムの表面との間に電解質、すなわち、酸化アルミニウムおよび氷晶石を含む溶融物がある。約１０００℃で実施される電解中に生成したアルミニウムは、電解質に比べてより大きい密度を有するため、電解質の層の下に、すなわち、上記カソードの上面と電解質の層との間の中間層として沈殿する。電解では、溶融物に溶解している酸化アルミニウムが電流によりアルミニウムと酸素とに分解される。電気化学的には、液体アルミニウムの層の表面においてアルミニウムイオンが元素アルミニウムに還元されるので、液体アルミニウムの層が本当のカソードになる。それにもかかわらず、以下においては、カソードとの用語は、電気化学的観点でのカソード、すなわち液体アルミニウムの層ではなく、電解セル底部を形成する、例えば、１つまたは複数のカソードブロックから構成されている部材と解釈される。
【０００４】
ホール・エルー法の主な欠点は、この方法が非常に多くのエネルギーを消費することである。１ｋｇのアルミニウムを製造するために、約１２ｋＷｈから１５ｋＷｈまでの電気エネルギーが必要であり、その電気エネルギーは製造費の約４０％までを占める。その製造費を下げることを可能にするために、この方法の固有のエネルギー消費をできるだけ減少させることが望まれる。
【０００５】
特に液体アルミニウム層およびカソード材料に比べて比較的高い、溶融物の電気抵抗のため、特に溶融物には、比較的高い抵抗損失がジュール散逸として発生する。溶融物における比較的高い固有の損失に鑑みて、溶融物層の厚み、従って、アノードと液体アルミニウム層との間隔をできるだけ小さくするように努力される。しかし、溶融物層の厚みが小さすぎる場合、電解における電磁相互作用とその電磁相互作用により液体アルミニウム層に生じる波形成とが生じるので、液体アルミニウム層がアノードに接触する危険があり、この接触は、電解セルの短絡、生成したアルミニウムの望ましくない再酸化、および電解稼働の電気的不安定、さらに特にセル電圧の変動を結果としてもたらし得る。発生する短絡は、さらに、高度の摩耗、従って、電解セルの耐久期間の短縮を結果としてもたらす。それゆえ、アノードと液体アルミニウム層との間隔を随意に小さくすることができない。
【０００６】
液体アルミニウム層における波形成の原動力は、カソードの表面全体における電流密度および磁束密度の不均一な分布であり、この不均一な分布は、液体アルミニウム層において波形成を促進するローレンツ力密度分布を結果としてもたらす。これに関して、ローレンツ力密度は、所定の箇所における電流密度とその箇所における磁束密度とのベクトル積として定義されている。一方、カソード上面における電流密度および磁束密度の不均一な分布の原因は、とりわけ、カソードおよびアルミニウム浴において電流が電気抵抗の最も小さい経路を優先的にたどることである。それゆえ、カソードを通る電流は、典型的には、特に、カソードとそのカソードに接触するバスバーとの接続が行われる、カソードの横にある端領域に集中するが、これは、結果として生じる電気抵抗が、端領域を経由してカソード表面まで流れる電流の場合には、カソードの中央部を経由してカソード表面まで流れる電流に比べて小さく、後者の電流では、端領域を経由してカソード表面まで流れる電流に比べて長い経路すなわち電流経路を進まなければならないからである。
【０００７】
上記不均一な電流密度分布と、特に、カソードの横断方向で見てカソードの横にある端領域における電流密度がカソード中央部における電流密度に比べて上昇することとは、液体アルミニウム層における増強された波形成の他に、横にある端領域においてカソードの摩耗の増大をももたらし、これは、電解セルの長い稼働後、典型的には、カソードの横断面において、特徴的な、ほぼＷ形のカソード摩耗プロファイルをもたらす。
【０００８】
電解セルの固有のエネルギー消費を減らすために、最近、電解セルにおいて、カソードの横断面で見て、カソードの上面がＶ形の槽形状に形成されているようなカソードを用いることが提案されている。ここで、カソード表面においてＶ形の槽の形状に形成されている凹みによって、カソードの横にある端領域において電流密度が小さくなり、これにより、その領域において波形成の可能性および摩耗が小さくなる。
【０００９】
しかし、このような槽形状のカソードを使用する時にも、液体アルミニウム層内に望まれていない高い波が形成され、該波の発生は、アルミニウムとアノードとの間の氷晶石層の厚みが小さい場合、不安定性の原因となり、電解時に達成可能なエネルギー効率を制限してしまう。そのうえ、このようなカソードを使用する場合には、電解時にカソードの上面において、望まれていない高い不均一な摩耗が発生する。上記２つの要因は、電解セルの耐久期間を短縮し、従ってその経済性を低下させる。その原因は、このようなカソードを使用する場合は、カソードの表面にわたって見て、槽形状に形成されていないカソードを使用する場合に比べてより小さくても、依然として、比較的不均一な電流密度分布および磁束密度の不均一な分布があることである。これは、とりわけ、カソードに接触するバスバーが、通常、母線を介して１つまたは複数の外部電流供給部に接続され、ここで、外部電流供給部の末端とその末端に面する個々のバスバーの末端との距離が異なっているために、バスバーが異なるごとに、外部電流供給部から、個々のバスバーがカソードの下面に接触する点までの電気経路の長さが異なることによる。しかし、予め決められた材料について、より長い電気経路は、より短い電気経路より高い電気抵抗を有する。これにより、電流は、カソードの下面に接触するバスバーの箇所が外部電流供給部により近いバスバーを通る場合に有利となり、このため、このバスバーの上方に配置されているカソードの縁領域または長手方向部分においてカソードの下面に接触する点が外部電流供給部からより離れているバスバーの上方にあるカソードの縁領域または長手方向部分より大きい電流が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
それゆえ、本発明の課題は、稼働時に固有のエネルギー消費を減らし、耐久時間を高めた電解セルを提供することにある。特に、それによって液体アルミニウム層において高まる波形成傾向の結果、形成されたアルミニウムの短絡や再酸化または電解セル電圧の変動のような不安定化を起こさずに、溶融層の厚みが減少した電解セルを提供すべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、この課題は、請求項１に係る電解セルを提供することによって、特に、アルミニウムの製造のための電解セルを提供することによって、解決され、該電解セルは、カソードと、カソードの上面に配置された液体アルミニウム層と、その上の溶融層と、溶融層の上のアノードと、カソードの下面から電流を供給するようにカソードに接触する、少なくとも１つのまた好ましくは少なくとも２つのバスバーと、少なくとも１つの外部電流供給部とを有し、少なくとも１つの上記各外部電流供給部が、それぞれ接続点で、少なくとも１つまた好ましくは少なくとも２つの上記バスバーにそれぞれ電気的に導通するように接続され、カソードの横断面で見て、カソードの上面が槽形状であり、上記槽が、２つの各端領域と、カソードの幅方向で見て端領域間に配置されて端領域より相対的に低い底部領域とを有し、上記両方の端領域と底部領域との間に、対応する端領域と底部領域とを接続する側壁領域がそれぞれ設けられ、（ｉ）底部領域および端領域のうちの少なくとも１つの幅が、カソードの長さにわたって変化し、および／または、（ｉｉ）カソードの下面から決定されるソードの上面の高さが、カソードの長さにわたって変化する。
【００１２】
カソードの底部領域の幅またはカソードの上面の端領域の幅とは、本発明の意味においては、カソードの幅方向に測った底部領域または端領域の長さと解釈され、したがって、カソードの横断面で見てまたはカソードの幅方向で見て、底部領域または端領域の一方の端から底部領域または端領域の他方の端までの距離と解釈される。
【００１３】
さらに、本発明の意味においては、「カソードの下面から決定される、カソードの上面の高さ」は、カソードの上面にある任意の点から、この点の真下でカソードの下面にある点までの距離を表す。
【００１４】
外部電流供給部は、本発明の意味においては、カソードの外部に配置され、バスバーに電流を流すまたはバスバーから電流を取り出す任意の電気的導体と解釈される。ここで、外部電流供給部は、バスバーに、それぞれ接続点を介して直接的に接続されてもよいし、または、外部電流供給部とバスバーとの間に配置された母線を介して間接的に接続されてもよい。後者の場合、接続点は、外部電流供給部が、バスバーと接続された母線に接続される点と解釈される。言い換えれば、「少なくとも１つのまた好ましくは少なくとも２つのバスバーと外部電流供給部との間の接続点」との表現は、外部電流供給部と直接的または間接的に電気的に導通するように接続されたバスバーから出発した電気経路が合流して外部電流供給部へ移る点を表す。この関係において、「電気経路」との用語は、２点間での最小の電気抵抗の電流経路を表す。
【００１５】
本発明によれば、カソードの長さにわたって槽の底部領域および／または端領域の変化する幅および／または高さを有する槽の横断面形状を有するカソードによって、カソードの上面にて、詳しく言うと、カソードの、個々の長手方向部分で見てだけではなく、特に、カソードの表面全体にわたっても、すなわちカソードの長さ方向にも幅方向にも、電流密度と磁束密度との均一化が達成されるとの認識が得られた。これは、カソード材料が、その上の液体アルミニウム層と比較して小さい導電性を有しているので、カソードの底部領域より高い端領域と比較して、槽形状横断面の底部領域での電流が増加するからである。それに対応して、カソードの長手方向部分における底部領域の幅の拡張またはカソードの端領域の幅の減少によって、全体として（すなわち他の長手方向部分と比較して）、この長手方向部分における電流が増加し、および、カソードの長手方向部分の端領域における電流と比べて、底部領域における電流が増加し、これは反対に、底部領域がより狭く、カソードの端領域がより広く形成されているカソードの長手方向部分の電流は、全体として減少し、カソードの長手方向部分の端領域における電流と比べて、底部領域の電流が減少する。同様に、この理由から、カソードの長手方向部分におけるカソードの上面の高さの減少によって、カソードの長手方向部分における電流が全体として増加し、これは反対に、カソードの上面がより大きな高さを有するようなカソードのこの長手方向部分における電流は、全体として減少する。このように、幅および／または高さに関し、段階に分けられたカソードの端領域および底部領域の構成によって、カソードの個々の長手方向部分間およびそれぞれの長手方向部分の幅にわたっての電流が、カソードの表面にわたって見て均一な電流密度であるように設定されることができる。特に、段階に分けられたカソードの端領域および底部領域の構成によって、そのバスバーの、カソードの下面に接触する点が、外部電流供給部により近くにあるようなバスバーの上方に配置されているカソードの長手方向部分を通る電流が、端領域の幅の拡張および／または端領域および／または底部領域の上昇によって減少し、そのバスバーの、カソードの下面に接触する点が、外部電流供給部からより遠く離れているようなバスバーの上方に配置されているカソードの長手方向部分を通る電流が、端領域の幅の減少および／または端領域および／または底部領域の高さの減少によって増加するようにすることができ、それによって、カソードの個々の長手方向部分を通る電流と磁束を、外部電流供給部までの距離とは無関係に、均一化することができる。カソードの表面にわたって見て均一な電流密度および磁束密度に基づいて、液体アルミニウム層における波形成が著しく減少し、その表面にわたって見てカソードの摩耗が均一化される。それに基づいて、本発明の電解セルは、その稼働時に、減少した固有のエネルギー消費ならびに高められた耐久期間を有する。特に、本発明の電解セルによって、液体アルミニウム層において高まる波形成傾向の結果、形成されたアルミニウムの短絡や再酸化または電解セル電圧の変動のような不安定化を起こさずに、溶融層の厚みを減らすことができる。全体として、このように、本発明の電解セルの稼働時に、液体アルミニウム層における波形成が効果的に回避され、高い安定性と電解稼働の信頼性と高いエネルギー効率とが同時に達成される。ここで、上述の、電流密度の均一化のための、カソード上面になされた処置が、すなわち、たとえアノードと液体アルミニウム層との間の距離が減少した場合でも、本発明の電解セルに組み入れられたカソードと、アノードとの間で、従来のカソードの使用時と同じ槽体積を実現できるように、槽形状のカソードの個々の長手方向部分の幅および／または高さの調整が、簡単に互いに調和することができることは、特に利点である。
【００１６】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、カソードの端領域のうちの少なくとも１つが、それぞれ互いに異なる幅を有する少なくとも２つの長手方向部分を有し、最も短い電気経路を通ってその最も近くにある接続点に結合された端領域の長手方向部分が、端領域の全ての長手方向部分のうちで最も大きい幅を有する。この関係において、端領域の長手方向部分に最も近くにある接続点とは、少なくとも１つまた好ましくは少なくとも２つのバスバーと、最も短い電気経路を通ってカソードの長手方向部分と結合された外部電流供給部との間の接続点である。この実施形態において、最も近くにある接続点までの電気経路が最短である長手方向部分における端領域の幅が拡張されることによって、カソードのこの長手方向部分の電気抵抗が、他の長手方向部分の電気抵抗と比べて増加し、それによって、カソードのこの長手方向部分を通る電流が減少し、カソードの他の長手方向部分を通る電流が増加し、それによって、カソードの個々の長手方向部分にわたって見て、均一な電流密度分布が達成される。
【００１７】
原則として、互いに異なる幅を有する１つまたは複数の端領域の複数の長手方向部分のなかで、少なくとも１つが、それぞれの長手方向部分にわたって均一な幅を有し、および／または、少なくとも１つの長手方向部分の幅が、その長手方向部分の、最も近くにある接続点に対しより近くにある長手方向の端から、より遠く離れた長手方向の端まで、段階的に減少することができる。好適には、互いに異なる幅を有する１つまたは複数の端領域の全ての長手方向部分の幅が一定であり、それによって、カソードの端領域のうちの１つまたは両方の端領域が、その幅に関連して、段階状すなわち階段状に形成され、または、互いに異なる幅を有する１つまたは複数の端領域の全ての長手方向部分の幅が、その長手方向部分から、最も近くにある接続点に対しより近くにある長辺方向の端から、より遠く離れた長辺方向の端まで、段階的に減少する。
【００１８】
カソードの表面にわたる電流密度の特に均一な分布は、カソードの端領域のうちの少なくとも１つが、それぞれ互いに異なる幅を有する少なくとも３つの長手方向部分を有し、他の１つの長手方向部分より長い電気経路を通って最も近くにある接続点と結合された各長手方向部分が、当該他の長手方向部分より小さい幅を有するときに達成される。それによって、それぞれ最も１つの近くにある接続点から、カソードの端領域のそれぞれの長手方向部分までの、電気経路の長さの、電流密度への影響が、特に効果的に補償される。
【００１９】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、カソードの底部領域が、それぞれ互いに異なる幅を有する少なくとも２つの長手方向部分を有し、当該長手方向部分に最も近くにある接続点に結合されるまでの電気経路が最も短い底部領域の長手方向部分が、底部領域の全ての長手方向部分のうちで最も小さい幅を有する。底部領域の幅の減少によって、カソードのこの長手方向部分の電気抵抗が増加し、このように、‐そうしないと最も高い電流が発生する‐この長手方向部分から、電流が部分的に、カソードの隣接の長手方向部分に迂回し、それによって、全体として、カソードの表面にわたって、電流密度の均一化が達成される。
【００２０】
原則的に、本発明のこの実施形態においては、さらに、互いに異なる幅を有する底部領域の１つまたは複数の長手方向部分が、それぞれの長手方向部分にわたって均一な幅を有することができ、および／または、少なくとも１つまたは複数の長手方向部分の幅が、その長手方向部分の、最も近くにある接続点に対しより近くにある長辺方向の端から、より遠く離れた長辺方向の端まで、段階的に減少することができる。さらに、本発明のこの実施形態においては、好ましくは、互いに異なる幅を有する底部領域の全ての長手方向部分の幅が一定であり、それによって、カソードの底部領域が、その幅に関して、段階状すなわち階段状に形成され、または、互いに異なる幅を有する底部領域の全ての長手方向部分の幅が、その長手方向部分の、最も近くにある接続点により近くにある長辺方向の端から、より遠く離れた長辺方向の端まで、段階的に減少する。
【００２１】
好ましくは、カソードの底部領域が、それぞれ互いに異なる幅を有する少なくとも３つの長手方向部分を有し、前記長手方向部分に最も近い接続点に接続されるまでの電気経路が、１つの他の長手方向部分より長いすべての長手方向部分が、前記１つの他の長手方向部分より大きい幅を有する。それによって、カソードの表面にわたって、電流密度の高い均一性が達成される。
【００２２】
本発明の概念をさらに進めると、カソードの端領域のうちの少なくとも１つが、それぞれ互いに異なる高さを有する少なくとも２つの長手方向部分を有し、最も短い電気経路を通って最も近くにある接続点と結合されたカソードの端領域の長手方向部分が、端領域の全ての長手方向部分のうちで最も大きい、カソードの下面から決定される高さを有することが提案される。それによって、最も短い電気経路を通って最も近くにある接続点と結合されたカソードの端領域の長手方向部分の電気抵抗が、他の長手方向部分の電気抵抗と比べて増加し、それによって、カソードのこの長手方向部分を通る電流が減少し、カソードの他の長手方向部分を通る電流が増加し、それによって、カソードの個々の長手方向部分にわたって見て、均一な電流密度分布が達成される。
【００２３】
ここで、上述の実施形態は、互いに結合することもでき、詳しく言うと、例えば、最も短い電気経路を通って最も近くにある接続点と結合された長手方向部分におけるカソードの端領域が、より長い電気経路を通って最も近くにある接続点と結合した長手方向部分よりも大きな幅と大きな高さとを有するように結合することもできる。
【００２４】
本発明の概念をさらに進めると、カソードの底部領域が、それぞれ互いに異なる高さを有する少なくとも２つの長手方向部分を有し、最も短い電気経路を通って最も近くにある接続点と結合されたカソードの底部領域の長手方向部分が、底部領域の全ての長手方向部分のうちで最も大きい、カソードの下面から決定される高さを有することが提案される。本発明のこの実施形態においても、カソードの表面にわたって電流密度の分布の特に良好な均一化が達成される。
【００２５】
原則として、互いに異なる高さを有する端領域のうちの１つの、両方の端領域の、および／または底部領域の、複数の長手方向部分のなかで、少なくとも１つが、それぞれの長手方向部分にわたって均一な高さを有し、および／または、少なくとも１つの長手方向部分の高さが、その長辺方向部分の、最も近くにある接続点に対しより近くにある長手方向の端から、より遠く離れた長辺方向の端まで、段階的に減少することができる。
【００２６】
有利には、互いに異なる高さを有する端領域のうちの１つの、両方の端領域の、または底部領域の、全ての長手方向部分の高さが一定であり、それによって、カソードの端領域のうちの１つ、両方の端領域、または底部領域が、その高さに関して、段階状すなわち階段状に形成され、または、互いに異なる高さを有する端領域のうちの１つの、両端領域の、または底部領域の全ての長手方向部分の高さが、その長手方向部分の、最も近くにある接続点に対しより近くにある長辺方向の端から、より遠く離れた長辺方向の端まで、段階的に減少する。
【００２７】
本発明の範囲においては、カソードの上面の１つまたは複数の長手方向部分の端領域の高さと底部領域の高さとが、カソードの長さ方向に見て、逆の方向に変動する、すなわち、例えば、長手方向部分の両方の端領域の高さが、隣接の長手方向部分の端領域の高さよりも大きく、それに対し、この長手方向部分の底部領域の高さが、隣接の長手方向部分の底部領域の高さよりも小さいことも可能である。ただし、カソードのそれぞれの長手方向部分の端領域の高さと底部領域の高さとが同じ方向に変動すること、すなわち、カソードのそれぞれの長手方向部分の端領域ならびに底部領域の高さが、隣接の長手方向部分の端領域のおよび底部領域の高さよりも大きいまたは小さいことが好ましい。
【００２８】
カソードの端領域が、それぞれ互いに異なる高さを有する少なくとも３つの長手方向部分を有し、前記長手方向部分に最も近くにある接続点に接続されるまでの電気経路が１つの他の長手方向部分より長いすべての長手方向部分が、前記１つの他の長手方向部分より小さい高さを有する場合、カソード上面での電流密度の分布の特に高い均一性が達成される。
【００２９】
上述の実施形態に対する代替として、または、特に、上述の実施形態への追加として、カソードの底部領域が、それぞれ互いに異なる高さを有する少なくとも３つの長手方向部分を有し、１つの他の長手方向部分より長い電気経路を通って最も近くにある接続点と結合されたすべての長手方向部分が、前記１つの他の長手方向部分より小さい高さを有する。それによって、カソードの上面によって形成された槽の、底部領域における電流密度の特に均一な分布が達成される。
【００３０】
カソードの端領域の最大と最小の幅の比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間であり、および／または、カソードの少なくとも１つの端領域の最大と最小の高さの比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間であり、および／または、カソードの底部領域の最大と最小の幅の比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間であり、および／または、カソードの底部領域の最大と最小の高さの比が、２：１ないし１．０５：１の間、好ましくは１．５：１ないし１．０５：１の間、特に好ましくは１．３：１ないし１．０５：１の間である場合、電流密度の特に有利な分布が達成できる。
【００３１】
カソードの長さにわたってカソードの上面の高さが変動する本発明の実施形態では、カソードの端領域における最大高さとカソードの端領域における最小高さとの間の差異、および／または、カソードの底部領域における最大高さとカソードの底部領域における最小高さとの間の差異が、好ましくは３０ｃｍより小さく、特に好ましくは２０ｃｍより小さく、全く特に好ましくは最大１０ｃｍである。同様に、カソードの端領域における最大高さとカソードの底部領域における最小高さとの間の差異が、カソードの上面の最も高い位置とカソードの下面との間の距離の最大５０％であることが好ましい。
【００３２】
カソードの長さにわたって端領域のうちの１つの、両方の端領域の、または底部領域の幅が変動する本発明の実施形態では、カソードの全体の長さにわたって見て、底部領域の最大幅と底部領域の最小幅との間の差異が、好ましくは３０ｃｍより小さく、特に好ましくは２０ｃｍより小さく、全く特に好ましくは１０ｃｍより小さい。同様に、カソードの全体の長さにわたって見て、底部領域の最大幅と底部領域の最小幅との間の差異が、有利には、カソードの長さの最大５０％、特に好ましくは最大１０％である。
【００３３】
本発明の概念をさらに進めると、電解セルは、カソードの下面から電流を供給するようにカソードに接触する少なくとも２つのバスバーを有し、少なくとも１つの上記各外部電流供給部が、それぞれ接続点で、少なくとも２つの上記バスバーにそれぞれ電気的に導通するように接続され、そして、カソードの下面から電流を供給するようにカソードに接触する、少なくとも２つのバスバーが、互いに平行に固定間隔で配置され、カソードの全幅にわたって延び、カソードの下面から電流を供給するようにカソードに接触し、個々のバスバーが、その１つまたは両方の端で、各母線に、電気的に導通するように接続され、上記母線が、１つまたは複数の外部電流供給部に、電気的に導通するように接続されていることが提案される。
【００３４】
これへの代替として、個々のバスバーが、互いに平行に固定間隔で配置されるが、カソードの全幅にわたっては延びないようにすることができる。例えば、個々のバスバーは、カソードの幅のおよそ半分にわたってのみ延びるようにすることができる。この実施形態によれば、カソードの幅方向で見て、例えば２個のバスバーが順番に配置され、すなわち、バスバーが、いわば多層状に形成され、ここで、この順番に配置された両方のバスバーがそれぞれ、カソードの端の方を向いたバスバーの端で、場合によっては母線を介して、外部電流供給部と接続される。この実施形態によれば、当然ながら、カソードの長さ方向で見て隣接のバスバーだけが、それぞれ１つの接続点で外部電流供給部と接続される。
【００３５】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、電解セルは、２ないし６０、好ましくは１０ないし４８、特に好ましくは１６ないし４０、全く特に好ましくは２０ないし４０、最も好ましくは３６個の互いに平行に固定間隔で配置され、カソードの全幅にわたって延び、カソードの下面から電流を供給するようにカソードに接触するバスバーと、２ないし６個の外部電流供給部とを有する。
【００３６】
ここで、電解セルのカソードは、例えば、２ないし６０、好ましくは１０ないし４８、特に好ましくは１６ないし４０、全く特に好ましくは２０ないし４０、最も好ましくは３６個の互いに隣接するように配置されたカソードブロックから構成することができ、その際には、上記各カソードブロックが、その下面に、少なくとも１つの、カソードブロックの長さ方向またはカソードの幅方向に延びた溝を有し、当該溝には、少なくとも１つの上記バスバーが配置されている。
【００３７】
カソードの表面にわたって電流密度の分布の均一性をさらに増加させるために、また特に、カソードの上面の端領域における電流密度の過度な増加を阻止するために、本発明の概念をさらに進めると、上記各溝が、長方形の横断面と、当該溝の長さにわたって変化する深さとを有し、上記各溝が、その長辺方向の端で、その中間よりも小さい深さを有することが提案される。その際には、溝の横断面をたとえば実質的に３角形の形状とすることができる。
【００３８】
特に、カソードの端領域の内側でも電流密度の均一な分布を達成するために、本発明の概念をさらに進めると、上記両方の端領域の少なくとも１つ、好ましくは両方の端領域が、カソードの横断面で見て、また、カソードの幅方向で見て、カソードの中間に向かって、下向きに傾斜して延び、水平面に対する端領域の傾斜角が、好ましくは２°ないし４５°、特に好ましくは３°ないし２０°、全く特に好ましくは１０°ないし１５°であることが提案される。
【００３９】
ここで、上記両方の端領域の少なくとも１つ、好ましくは両方の端領域は、当該端領域の幅の少なくとも３０％にわたって、好ましくは少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは少なくとも７５％にわたって、全く特に好ましくは１００％にわたって、カソードの横断面で見て、また、カソードの幅方向で見て、カソードの中間に向かって、下向きに傾斜して延びる場合、好ましい。しかしそれでも、端領域のうちの少なくとも１つは、基本的に水平に延びることができる。
【００４０】
本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、カソードの底部領域が、少なくとも局所的に平坦に延び、底部領域の上面が、垂直方向に延びる平面に対して、−２０°ないし２０°の間、好ましくは−１０°ないし１０°の間、特に好ましくは０°の角度を成す。
【００４１】
好ましくは、カソードの上面は、カソードの横断面で見て、カソードの長さの少なくとも２５％にわたって、好ましくは少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは少なくとも７５％にわたって、なかでも特に好ましくは少なくとも９０％にわたって、最も好ましくはほぼ１００％にわたって、槽形状であり、上記槽が、２つの端領域と、１つの、カソードの幅方向で見て端領域間に配置されて端領域より相対的に低い底部領域とを有し、上記両方の各端領域と底部領域との間に、それぞれ対応する端領域と底部領域とを接続する側壁領域が設けられている。
【００４２】
ここで、（ｉ）底部領域および端領域のうちの少なくとも１つの幅が、カソードの長さの少なくとも２５％にわたって、好ましくは少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは少なくとも７５％にわたって、なかでも特に好ましくは９０％にわたって、最も好ましくはほぼ１００％にわたって、変化し、および／または、（ｉｉ）カソードの下面から決定されるカソードの上面の高さは、カソードの長さの少なくとも２５％にわたって、好ましくは少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは少なくとも７５％にわたって、なかでも特に好ましくは９０％にわたって、最も好ましくはほぼ１００％にわたって、変化する場合、好ましい。
【００４３】
本発明のさらなる対象物は、電解セルのための、特にアルミニウム製造のための電解セルのためのカソードであって、カソードの上面が、カソードの横断面で見て槽形状であり、上記槽が、２つの端領域と、１つの、カソードの幅方向で見て端領域間に配置されて端領域より相対的に低い底部領域とを有し、上記両方の各端領域と底部領域との間に、それぞれ対応する端領域と底部領域とを接続する側壁領域が設けられ、（ｉ）領域および端領域のうちの少なくとも１つの幅が、カソードの長さにわたって変化し、および／または、（ｉｉ）カソードの下面から決定されるカソードの上面の高さが、カソードの長さにわたって変化する。本発明の電解セルに含まれるカソードに関して述べられた上述の好ましい実施形態は、本発明のカソードに対しても有効である。
【００４４】
以下に、本発明を、純粋に例として、有利な実施形態に基づいて、添付図面と関連させて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る電解セルのカソードの部分の斜視図である。
【図２】本発明のさらなる実施形態に係る電解セルのカソードの部分切断斜視図である。
【図３ａ】本発明のさらなる実施形態に係る電解セルのカソードの部分切断斜視図である。
【図３ｂ】図３ａのカソードの部分の正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電解セルの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１は、本発明の実施形態に係る電解セルのカソード１０の部分の斜視図である。
【００４７】
炭素含有材料から構成されるカソード１０は、上面１２を有し、該上面１２に、例えばホール・エルー法による電解セルの稼働時に、電解セルの液体アルミニウム層が配置されている。実際には、カソード１０は、カソードの長さ方向ｙで見て隣接して配置された複数のカソードブロックから構成され、個々のカソードブロックの長さ方向は、カソード１０の幅方向ｘにそれぞれ延びている。図１には示さないが、バスバーは、カソード１０の下面１４から電流を供給するようにカソード１０に接触しており、また、少なくとも１つの外部電流供給部と電気的に導通するように接続されている。ここで、各バスバーは、好ましくは、各カソードブロックに設けられてカソード１０の幅方向ｘすなわち各カソードブロックの長さ方向に延びる溝にそれぞれ設けられている。
【００４８】
図１に示すように、カソード１０の上面１２は、カソード１０の横断面で見て、槽形状であり、上記槽は、２つの端領域１６，１６’と、カソード１０の幅方向ｘで見て端領域１６，１６’同士の間に配置されて端領域１６，１６’より相対的に低い底部領域１８とを有し、各端領域１６，１６’と底部領域１８との間に、対応する端領域１６，１６’と底部領域１８とを接続する各側壁領域２０，２０’が設けられている。例えばホール・エルー法による電解セルの稼働時に、端領域１６，１６’と、底部領域１８と、上面１２の側壁領域２０，２０’とが、液体アルミニウム層によって覆われている。ここで、カソード１０の端領域１６，１６’と、底部領域１８と、側壁領域２０，２０’との寸法は、槽体積すなわちカソード１０の上面とアノードの下面との間の体積が、少なくとも、従来のカソードを有する電解セルの槽体積にほぼ匹敵するようなものになっている。
【００４９】
図１に示すカソード１０の端領域１６，１６’は、カソード１０の幅方向ｘに測った幅ｂを有し、図１から明らかなように、カソード１０の長さ方向ｙに測った長さにわたって変化する。より詳細には、図１に示す端領域１６，１６’は５つの長手方向部分Ｌ１−Ｌ５を有し、端領域１６，１６’の幅ｂは、各１つの長手方向部分Ｌ１−Ｌ５の中では一定であり、各長手方向部分Ｌ１−Ｌ５ごとに幅ｂは変化する、つまり、ここで、カソード１０の長さ方向ｙで見て端領域１６，１６’の幅ｂの階段形状の変化を形成するように、変化する。
【００５０】
ここで、図１に示すカソード１０は、長さ方向ｙに対して平行に延在する、当該カソード１０の平面について対称的であり、端領域１６，１６’と同様に、カソード１０の長さ方向ｙに底部領域１８の幅ｂが変化する。
【００５１】
図２に、電解セルのためのカソード１０のさらなる実施形態を、部分切断斜視図にて示す。
【００５２】
この実施形態と、ここまでに図１に示した実施形態との類似点は、カソード１０が当該カソード１０の横断面で見て槽形状であり、槽は、図２の切断した表示ではその左側のみを示す２つの端領域１６と、カソード１０の幅方向ｘで見て端領域１６間に配置されて端領域１６より相対的に低い底部領域１８とを有し、各端領域１６と底部領域１８との間に、対応する端領域１６と底部領域１８とを接続する側壁領域２０が設けられていることである。図１の実施形態と異なり、図２に示す実施形態では、カソード１０の長さ方向ｙにおいて端領域１６と底部領域１８の幅は変化せず、カソード１０の下面１４から垂直方向ｚに測った、カソード１０の上面１２の高さｈが、カソード１０の長さ方向ｙにおいて変化する。より詳細には、カソード１０の上面１２の図２に示す部分は３つの長手方向部分Ｌ１−Ｌ３を有し、カソード１０の長手方向ｙでは、カソード１０の上面１２の高さｈは、各１つの長手方向部分Ｌ１−Ｌ３の中では一定であり、各長手方向部分Ｌ１−Ｌ３ごとに前記高さｈは変化する、つまり、ここで、端領域１６と底部領域１８および側壁領域２０において、カソード１０の長さ方向ｙで見てカソード１０の上面１２の高さｈの階段形状の変化を形成するように、変化する。
【００５３】
図２から明らかなように、端領域１６は、カソード１０の幅方向ｘで見て、水平面に対して、ある角度αだけ傾斜している。ここでは角度αは、１０°を幾らか下回る。
【００５４】
図３ａに、本発明のさらなる実施形態に係るカソード１０の一部の俯瞰的な部分切断表示を示し、この大部分は、図２に示した実施形態に相当し、すなわち、カソード１０の上面１２の高さｈが、カソード１０の長さ方向ｙで見て、変化し、ただし、図３ａに示すカソードが、図２のカソードとは相違する点は、端領域１６の高さｈと底部領域１８の高さｈとが、逆の方向に変化し、すなわち、端領域１６の高さｈは、長手方向部分Ｌ１から長手方向部分Ｌ２に向かう長さ方向ｙにおいて増加していくのに対し、底部領域１８の高さｈは、この方向において減少することである。
【００５５】
図３ｂは、長さ方向ｙにカソード１０の正面から見て図３ｂのカソードの一部を示し、また、端領域１６と底部領域１８の高さｈの逆の方向への変化を示している。ここで、破線が、カソード１０の長手方向部分Ｌ１によって隠れた長手方向部分Ｌ２の推移を示している。
【００５６】
図４に、本発明の実施形態に係る電解セルの上面図を示す。ここで、カソード１０およびその下またはその隣に配置された構成成分を見えるようにするために、アノード構造と、該アノード構造と接続された電流供給部は示していない。
【００５７】
カソード１０の横断面は、２つの端領域１６，１６’と、１つの底部領域１８と、底部領域１８と端領域１６，１６’との間に配置された側壁領域２０，２０’とを有する、槽の形状を有する。ここで、カソード１０自体は、特に、図４に示すカソード１０が複数の長手方向部分Ｌ１ないしＬ９を有し、カソード１０の長さ方向ｙにおいて、個々の端領域１６、１６と底部領域１８の幅ｂが変化している限りにおいて、図１に示す実施形態と一致する。
【００５８】
電解セルは、さらに、９つの棒形状のバスバー２２，２２’を有し、該バスバー２２，２２’は、カソード１０の下面から電流を供給するようにカソード１０に接触し、また、バスバー２２，２２’の各長手方向は、電解セルの幅方向ｘに延びている。さらに、電解セルは、２つの母線２４，２４’を有し、該母線２４，２４’は、この各母線２４，２４’がそれぞれ全てのバスバー２２，２２’の端と接続されるように配置されている。それに対応して、母線２４，２４’は、長さ方向ｙに、カソード１０から横にずれて延びている。
【００５９】
各母線２４，２４’には、それぞれ２つの外部電流供給部２６，２６’または２６''，２６'''が配置され、該外部電流供給部２６，２６’または２６''，２６'''を通じて、カソード１０の下面１４に配置されたバスバー２２，２２’に、外部電流が供給される。ここで、外部電流供給部２６，２６’，２６''，２６'''は、それぞれ接続点２８，２８’，２８''，２８'''で一つの母線２４，２４’に接続され、それによって、この接続点で間接的に、この母線２４，２４’と接続されたバスバー２２，２２’にも接続されている。
【００６０】
図４から明らかなように、個々の接続点２８，２８’，２８''，２８'''とカソード１０への個々のバスバー２２，２２’の入力点との間の距離すなわち、個々の接続点２８，２８’，２８''，２８'''から、カソード１０の端領域１６，１６’への個々のバスバー２２，２２’の入力点まで電流が流れなければならないときに経由する電気経路Ｐ１−Ｐ３は、異なった長さとなっている。ここで、この長手方向部分Ｌ１ないしＬ９の最も近くにある接続点２８，２８’，２８''，２８'''への電気経路Ｐ１−Ｐ３がより短いカソード１０の長手方向部分Ｌ１−Ｌ９は、この長手方向部分の最も近くにある接続点２８，２８’，２８''，２８'''までの電気経路がより長いカソード１０の長手方向部分Ｌ１−Ｌ９と比べて、その端領域１６，１６’において、より大きい幅ｂを有する。同様に、この長手方向部分Ｌ１ないしＬ９の最も近くにある接続点２８，２８’，２８''，２８'''への電気経路Ｐ１−Ｐ３がより短いカソード１０の長手方向部分Ｌ１−Ｌ９は、この長手方向部分の最も近くにある接続点２８，２８’，２８''，２８'''への電気経路がより長いカソード１０の長手方向部分Ｌ１−Ｌ９と比べて、その底部領域１８において、より小さい幅ｂを有する。
【符号の説明】
【００６１】
１０  カソード
１２  上面
１４  下面
１６，１６’  端領域
１８  底部領域
２０，２０’  側壁領域
２２，２２’  バスバー
２４，２４’  母線
２６，２６’，２６''，２６'''  外部電流供給部
２８，２８’，２８''，２８'''  接続点
ｘ、ｙ、ｚ  幅方向、長さ方向および垂直方向
ｂ  幅
ｌ  長さ
ｈ  高さ
Ｌ１−Ｌ９  長手方向部分
Ｐ１−Ｐ３  電気経路
α  傾斜角
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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