DE69203267T2 - Elektrischer Leiter, Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters und Elektrode für Elektrolysezelle. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter, umfassend einen Metallstab, der mit einer Hülle aus einem anderen Metall als demjenigen des Stabs ummantelt ist.
• Elektrische Leiter dieser Art werden gewöhnlich beim Bau von Elektroden verwendet, die für die Elektrolysezellen für eine Elektrolyse von wäßrigen Lösungen, insbesondere der Natriumchloridlösungen bestimmt sind. In diesem Anwendungsfall umfassen sie gewöhnlich einen Kupferstab, der mit einer Hülle aus einem Metall ummantelt ist, welches gegenüber der chemischen Umgebung in der Elektrolysezelle inert ist, und sie sind horizontal oder vertikal zwischen einem Paar von vertikalen Metallplatten eingebunden, welche die eigentliche Elektrode bilden. Zum Beispiel wird im Fall von Kathoden, die für die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff und wäßrigen Natriumhydroxidlösungen bestimmt sind, das Metall der Hülle allgemein unter Eisen, Nickel und ihren Legierungen ausgewählt. Der Kupferstab wird wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet, und hat infolgedessen als hauptsächliche Funktion, hohe Stromdichten zu übertragen, während die Hülle dazu dient, den Kupferstab vor der korrosiven Einwirkung der in der Elektrolysezelle zirkulierenden Elektrolyten zu isolieren. Die Hülle übt außerdem die zusätzliche Funktion aus, einen Durchfluß des elektrischen Stroms zwischen dem Stab und den Platten der Elektrode sicherzustellen. Es ist daher wünschenswert, den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen dem Stab und der Hülle auf ein Minimum zu verringern. Um dieses Ziel zu erreichen, hat man darüber nachgedacht, durch ein metallurgisches Verfahren eines gemeinsamen Strangpressens des Stabs und der Hülle hergestellte elektrische Leiter zu verwenden. Die durch diese Technik hergestellten elektrischen Leiter sind jedoch teuer.
• Im Patent US-A-4,647,358 schlägt man ein preiswerteres Verfahren zur Herstellung eines für die elektrolytische Kupferraffination bestimmten elektrischen Leiters vor. Gemäß diesem Verfahren fertigt man den Kupferstab und die Hülle getrennt, wobei diese letztere auf ihrer gesamten Länge geschlitzt ist, man steckt den Stab in die Hülle, und man verschweißt die Ränder des Schlitzes der Hülle miteinander. Die bekannten, durch dieses Verfahren hergestellten elektrischen Leiter weisen jedoch eine geringe elektrische Leitfähigkeit an der Berührungsoberfläche zwischen dem Stab und der Hülle auf.
• Die Erfindung zielt darauf ab, die vorgenannten Nachteile zu beheben, indem sie einen elektrischen Leiter bereitstellt, der von einem mit einer Hülle ummantelten Stab gebildet wird, der in der Berührungszone zwischen dem Stab und der Hülle eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist und dessen Fertigung leicht und preiswert ist.
• Folglich betrifft die Erfindung einen elektrischen Leiter, umfassend einen Metallstab, der mit einer Hülle aus einem anderen Metall als demjenigen des Stabs ummantelt ist; erfindungsgemäß weist der Stab mindestens eine Längsnut auf, die einen mit dem Stab verschweißten Strang aus demselben Metall wie die Hülle enthält, und die Hülle weist gegenüber dem Strang eine Öffnung auf, wobei die besagte Öffnung eine mit dem Strang und der Hülle verschweißte Metallmasse enthält.
• Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter besitzt der Metallstab die hauptsächliche Funktion, den elektrischen Strom zu leiten. Die Hülle erfüllt zwei Funktionen: einerseits dient sie dazu, den Stab von der chemischen Umgebung zu trennen, in welcher der elektrische Leiter verwendet wird; andererseits dient sie dazu, den elektrischen Strom in der Richtung quer zum Stab zwischen diesem und einem mit der Hülle verbundenen Metallelement (zum Beispiel einer Elektrode) zu transportieren.
• Das Profil des Stabs ist nicht entscheidend. Er kann zum Beispiel aus einem Zylinder mit rundem oder ovalem Querschnitt oder aus einem langgestreckten Parallelepiped bestehen, dessen Querschnitt ein Quadrat, ein Rechteck, ein Trapez oder ein anderes regelmäßiges oder unregelmäßiges Polygon ist. Aus Gründen der Bauerleichterung verwendet man vorzugsweise einen geradlinigen Stab mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt. Erfindungsgemäß weist der Stab eine Längsnut auf. Diese kann sich über die gesamte Länge des Stabs oder nur über einen Bruchteil derselben erstrecken. Die Nut dient als Aufnahme für einen aus demselben Metall oder derselben Legierung wie die Hülle ausgebildeten Metallstrang, wobei dieser Metallstrang mit der Hülle verschweißt ist.
• Die Hülle muß ein Profil besitzten, welches zum Profil des Stabs paßt, derart, daß sie ihn annähernd über seine gesamte Länge einhüllen kann. Das Profil der Hülle und ihre Anordnung um den Stab herum müssen außerdem derart sein, daß die Hülle eine Öffnung gegenüber von dem in der Nut des Stabs befindlichen Metallstrang aufweist. Die Öffnung der Hülle kann ein Schlitz sein, der sich über ihre gesamte Länge oder nur über einen Teil derselben erstreckt. Sie dient als Aufnahme für eine aus demselben Metall oder derselben Legierung wie die Hülle ausgebildete Metallmasse, wobei diese Metallmasse mit dem Strang und mit der Hülle verschweißt ist.
• Das Metall der Hülle ist vom Bestimmungsort des elektrischen Leiters abhängig. Es muß unter demjenigen ausgewählt werden, die sich mit dem Metall des Stabs verschweißen lassen.
• Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters ist der Metallstab aus Kupfer, und die Hülle ist aus einem unter Eisen, Nickel, Eisenlegierungen und Nickellegierungen ausgewählten Metall. Die Eisenlegierungen umfassen die gewöhnlichen Kohlenstoffstähle und die legierten Stähle, wie zum Beispiel die mit Chrom, Nickel und Moybdän legierten nichtrostenden Stähle und die Siliziumstähle, welche besondere elektrische Eigenschaften aufweisen. Beispiele für Nickellegierungen sind Monelmetall (Legierung aus Nickel, Kupfer, Eisen, Mangan, Silizium) und Inconel (Legierung aus Nickel, Mangan, Eisen, Silizium, Chrom, Aluminium und Titan). Die elektrischen Leiter gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung finden eine besondere Verwendung beim Bau von Kathoden, die für Elektrolysezellen für die Elektrolyse von wäßrigen Alkalimetallchloridlösungen bestimmt sind.
• Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters ist die Hülle ein Metallblech, das derart um den Stab herumgebogen ist, daß es diesen einhüllt, und die vorgenannte Öffnung ist ein begrenzter Spalt zwischen den beiden nebeneinander angeordneten Rändern des Blechs.
• Bei einer zusätzlichen Ausführungform des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters weist der Stab zwei Längsnuten auf, von denen jede einen Strang aus demselben Metall wie die Hülle enthält, und die Hülle wird von zwei getrennten rinnenförmigen Längsschalen gebildet, welche den Stab in Längsrichtung überdecken, wobei sie zwischen ihren gegenüberliegenden Längsrändern einen Abstand aussparen, welcher die vorgenannte Öffnung gegenüber von jedem Strang bildet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist die Hülle infolgedessen zwei Längsöffnungen in Form von Schlitzen auf, die den Strängen gegenüberliegen und die zwei Metallmassen enthalten, wie weiter oben beschrieben, welche entsprechend mit den beiden Strängen und mit den beiden Schalen verschweißt sind.
• Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter ist der Stab durch eine Schweißverbindung mit der Hülle verbunden, welche von dem oder jedem vorgenannten Strang und von der oder jeder vorgenannten Metallmasse gebildet wird. Diese Schweißverbindung stellt eine optimale elektrische Verbindung zwischen dem Stab und der Hülle sicher und verringert folglich den Widerstand gegen den Durchtritt von elektrischem Strom zwischen dem Stab und der Hülle.
• Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für einen elektrischen Leiter durch Zusammenfügen eines Metallstabs und einer Hülle aus einem anderen Metall als demjenigen des Stabs; erfindungsgemäß spart man mindestens eine Längsnut im Stab aus, man schweißt einen Strang aus demselben Metall wie die Hülle in die Nut des Stabs ein, man steckt den Stab in die Hülle, wobei man in dieser eine Öffnung gegenüber dem Strang ausspart, und man verschweißt in der genannten Öffnung die Hülle mit dem Strang.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich der Stab zum Beispiel durch ein Walzmetallverarbeitungsverfahren herstellen. Die Nut kann während des Walzens im Stab gebildet werden, oder sie kann später durch eine maschinelle Bearbeitung gebildet werden.
• Die Hülle läßt sich durch ein Walzverfahren herstellen, von der Art derjenigen, die man für die Fertigung von Metallrohren verwendet, wobei man die vorgenannte Öffnung in der Hülle dann durch maschinelle Bearbeitung herstellt. Erfindungsgemäß bevorzugt man jedoch die Verwendung einer durch Falten oder Biegen eines Metallblechs hergestellten Hülle. Zu diesem Zweck verwendet man bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine durch Biegen oder Falten eines Metallblechs hergestellte Hülle, und man bewahrt zwischen den Längsrändern des gebogenen Blechs einen Abstand, welcher die vorgenannte, zur Aufnahme der Metallmasse bestimmte Öffnung bildet.
• Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens spart man im Stab zwei Längsnuten aus, und man verwendet eine Hülle, die man hergestellt hat, indem man zwei metallische Längsschalen derart zusammenfügt, daß zwischen ihren gegenüberliegenden Rändern ein Zwischenraum bewahrt wird, wobei der besagte Zwischenraum die vorgenannte Öffnung bildet. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die beiden Schalen die Form einer Rinne auf, und werden zum Beispiel durch Tiefziehen eines Metallblechs hergestellt.
• Der erfindungsgemäße elektrische Leiter ist speziell für den Transport von elektrischem Strom in Längsrichtung im Stab und quer dazu durch die Hülle entworfen. Er eignet sich ebenso für Gleichstrom wie für Wechselstrom. Er findet eine interessante Verwendung beim Bau von Elektroden, die für Elektrolyseverfahren bestimmt sind, wie zum Beispiel Kathoden aus Eisen, aus Stahl oder aus Nickel, die gewöhnlich bei den Elektrolyseverfahren für die Elektrolyse von Wasser oder wäßrigen Alkalimetallchloridlösungen verwendet werden.
• Die Erfindung betrifft infolgedessen auch eine Elektrode für eine Elektrolysezelle, umfassend mindestens eine Platte aus einem unter Eisen, Nickel, Eisenlegierungen und Nickellegierungen ausgewählten Metall, wobei die besagte Platte an einem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter befestigt ist, bei dem der Stab aus Kupfer und die Hülle aus demselben Metall wie die Platte ist. Diese Elektrode findet als Kathode für die Erzeugung von Wasserstoff und wäßrigen Natriumhydroxidlösungen in einer Elektrolysezelle für die Elektrolyse von wäßrigen Natriumchloridlösungen Verwendung.
• Bei der erfindungsgemäßen Elektrode kann die Platte massiv oder durchbrochen sein. Sie kann zum Beispiel ein Blech aus Streckmetall sein.
• Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen hervor, welche einige Ausführungsformen des elektrischen Leiters und der Elektrode gemäß der Erfindung darstellen.
• Figur 1 zeigt im Querschnitt eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters.
• Figur 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der erfinungsgemäßen Elektrode in einem Schnitt entlang der Horizontalebene II-II der Figur 3.
• Figur 3 ist ein vertikaler Querschnitt entlang der Ebene III- III der Figur 2.
• In diesen Figuren bezeichnen jeweils dieselben Bezugszeichen gleiche Elemente.
• Der in Figur 1 dargestellte elektrische Leiter umfaßt einen Kupferstab 1 in einer Nickelhülle 2. Der Kupferstab ist ein geradliniger Stab mit rechteckigem Querschnitt, der durch Walzen hergestellt worden ist. Er weist auf zwei entgegengesetzten Seiten zwei Nuten 3, 3' auf. Die Nuten 3 und 3' sind mit Nickelsträngen 4 und 4' gefüllt. Die Nickelstränge sind mit Hilfe einer herkömmlichen Lichtbogenschweißtechnik unter Verwendung eines Schweißstabs aus Nickel oder aus einer Nickellegierung derart durch Abscheidung im geschmolzenen Zustand in den Nuten gebildet worden, daß sie mit dem Stab 1 verschweißt sind.
• Die Hülle 2 wird von zwei Schalen 5 und 6 gebildet, welche die Form von Rinnen besitzen, welche sich genau an dem Umriß des Stabs 1 anschmiegen. Die Schalen 5 und 6 sind durch Tiefziehen von zwei Nickelblechen hergestellt worden. Ihre Abmessungen sind derart gewählt, daß zwischen ihren Längsrändern 7 und 8 gegenüber dem Strang 4 ein Schlitz begrenzt wird, und daß ein zweiter Schlitz zwischen ihren anderen Längsrändern 7' und 8' gegenüber dem Strang 4' begrenzt wird. Diese beiden Schlitze sind mit zwei Nickelmassen 9 bzw. 9' gefüllt. Diese werden durch Abscheidung im geschmolzenen Zustand mit Hilfe einer herkömmlichen Lichtbogenschweißtechnik unter Verwendung eines Schweißstabs aus Nickel oder aus einer Nickellegierung derart hergestellt, daß sie mit den Strängen 4, 4' und den Schalen 5 und 6 verschweißt sind.
• Bei dem in Figur 1 dargestellten Leiter bewirken die Stränge 4 und 4' und die Metallmassen 9 und 9' gleichzeitig eine mechanische Befestigung der Hülle 2 am Stab 1 und eine elektrische Verbindung mit geringem Widerstand zwischen dem Stab 1 und der Hülle 2.
• Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Elektrode umfaßt ein durchbrochenes Paar von vertikalen Platten 10, 10' aus Nickel, die parallel und einander gegenüber auf beiden Seiten eines horizontalen metallischen Leiters angeordnet sind, welcher in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist. Zwei gewellte Bleche 12, 12' aus Nickel dienen dazu, die Platten 10 und 10' mit dem Leiter 11 zu verbinden.
• Der Leiter 11 entspricht demjenigen, der in Figur 1 dargestellt und weiter oben beschrieben ist.
• Die Befestigung der Platten 10 und 10' an den Blechen 12 und 12' wird durch Schweißpunkte sichergestellt.
• Die Befestigung der Bleche 12 und 12' am Leiter 11 erreicht man gleichfalls durch ein Schweißverfahren. Dieses wird entlang der Metallmassen 9 und 9' des elektrischen Leiters ausgeführt, um den elektrischen Widerstand der Verbindungsstelle zwischen den Platten 10, 10' und dem Stab 1 des elektrischen Leiters 11 zu minimieren.

Claims (10)

1. Elektrischer Leiter, umfassend einen Metallstab (1), der mit einer Hülle (2) aus einem anderen Metall als demjenigen des Stabs ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (1) mindestens eine Längsnut (3, 3') aufweist, die einen mit dem Stab verschweißten Strang (4, 4') aus demselben Metall wie die Hülle enthält, und daß die Hülle (2) gegenüber dem Strang (4, 4') eine Öffnung aufweist, wobei die besagte Öffnung eine mit dem Strang (4, 4') und der Hülle (2) verschweißte Metallmasse (9, 9') enthält

2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (1) zwei Längsnuten (3, 3') aufweist, von denen jede einen Strang (4, 4') aus demselben Metall wie die Hülle enthält, und daß die Hülle (2) aus zwei getrennten Längsschalen (5, 6) gebildet ist, welche den Stab in Längsrichtung überdecken, wobei sie zwischen ihren einander gegenüberliegenden Längsrändern (7 und 8; 7' und 8') einen Abstand aussparen, welcher die vorgenannte Öffnung gegenüber jedem Strang (4, 4') bildet.

3. Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die oder jede Längsnut (3, 3') über die gesamte Länge des Stabs (1) erstreckt.

4. Leiter nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (1) aus Kupfer ist, und die Hülle (2) aus einem unter Eisen, Nickel, Eisenlegierungen und Nickellegierungen ausgewählten Metall ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters durch Zusammenfügen eines Metallstabs (1) und einer Hülle (2) aus einem anderen Metall als demjenigen des Stabs, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens eine Längsnut (3, 3') im Stab (1) ausspart, daß man einen Strang (4, 4') aus demselben Metall wie die Hülle in die Nut des Stabs einschweißt, daß man den Stab (1) in die Hülle (2) steckt, wobei man in derselben eine Öffnung gegenüber dem Strang (4, 4') ausspart, und daß man die Hülle (2) in der vorgenannten Öffnung mit dem Strang (4, 4') verschweißt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei Längsnuten (3, 3') im Stab (1) ausspart, und daß man eine Hülle (2) verwendet, die man erhalten hat, indem man zwei in Langsrichtung verlaufende Metallschalen (5, 6) derart zusammenfügt, daß zwischen ihren gegenüberliegenden Rändern (7 und 8; 7' und 8') ein Zwischenraum bewahrt wird, wobei der besagte Zwischenraum die vorgenannte Öffnung bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen der Hülle (2) mit dem Strang (4, 4') durch Einbringen von Metall (9, 9') in die vorgenannte Öffnung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Stab (1) aus Kupfer und eine Hülle (2) aus einem unter Eisen, Nickel, Eisenlegierungen und Nickellegierungen ausgewählten Metall verwendet, und daß das Verschweißen der Hülle mit dem Strang mit Einbringen (9, 9') von Metall erfolgt, welches mit dem Metall der Hülle übereinstimmt.

9. Elektrode für Elektrolysezelle, umfassend mindestens eine an einem elektrischen Leiter (11) angebrachte Platte (10, 10') aus einem unter Eisen, Nickel oder Legierungen dieser Metalle ausgewählten Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (11) gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist.

10. Elektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kathode für die Elektrolyse von wäßrigen Alkalimetallchloridlösungen ist.