CH683104A5

CH683104A5 - Elemento formatore di celle elettrolitiche per la produzione di gas ad alte pressioni e procedimento per la sua fabbricazione.

Info

Publication number: CH683104A5
Application number: CH3566/89A
Authority: CH
Inventors: Giancarlo Sioli
Original assignee: Alyzer S A
Priority date: 1989-10-02
Filing date: 1989-10-02
Publication date: 1994-01-14

Description

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Descrizione

La presente invenzione concerne un elemento formatore di celle elettrolitiche con cornice rinforzata, in particolare elemento bipolare o elemento separatore comprendente una cornice o telaio nel quale è inserito un piatto elettricamente conduttore o rispettivamente un diaframma elettricamente isolante, nella quale cornice sono ricavati fori di alimentazione dell'elettrolita e di scarico del prodotto ottenuto per elettrolisi, canali afferente e deferente oltre a fori isolati con guarnizione, la stessa cornice essendo un materiale polimerico termoplastico e cariche rinforzanti ed additivi.

Il trovato comprende anche il processo di fabbricazione di tali elementi. Nel brevetto statunitense n° 4 758 322 la Richiedente ha descritto e rivendicato celle elettrolitiche particolarmente utili nella realizzazione di molti processi elettrolitici industriali, in specie nell'elettrolisi ad es. dell'acqua per la produzione di gas, ad es. di idrogeno e ossigeno dette celle essendo formate da elementi bipolari preferibilmente alternati ad elementi separatori.

Tanto per fissare subito e meglio le idee, nelle fig. 2 e 3 si sono riportate le viste schematiche e parziali di un elemento bipolare (fig. 2) e di un elemento separatore (fig. 3), le fig. 2A, 2B e 2C essendo sezioni trasversali schematiche prese lungo le linee A-A, B-B rispett. C-C della fig. 2. Queste figure sono quelle di alcuni elementi formatori di celle elettrolitiche, più emblematici del brevetto US 4 758 322, il cui contenuto può ritenersi come facente parte integrante di questa desrizione.

L'elemento bipolare delle fig. 2, 2A, 2B e 2C consiste in una piastra o membrana impervia a gas e liquidi, in materiale elettricamente conduttore, circondata da una comité o telaio 202 in materiale elettricamente isolante.

Il foro 203 (attraversante tutto lo spessore della cornice 202) fa parte del collettore di elettrolita che poi fluisce nel canale afferente 204 che è ricavato internamente a 202; l'elettrolita entra poi tramite lo sbocco 205 nella cavità CA avente come fondo 201 e come altezza lo spessore della cornice 202.

La miscela di gas e/o liquidi risultante dalle reazioni in CA imbocca in 206 il canale deferente 207 e sfocia nel foro passante 208 del collettore di uscita. I fori 209 e 210 sono elementi del collettore di distribuzione di fluidi non interessanti CA e sono muniti di guarnizione di tenuta 211 e 212.

In fig. 3 è rappresentato un elemento separatore, costituito da un diaframma poroso 301 incorporato in una cornice 302, foro e canale di alimentazione 309, risp. 304, e canale e fori di scarico 307 e 310, oltre ai fori 303 e 308 con guarnizioni 311 e 312.

Nelle fig. 4, 5 e 6 del detto brevetto US sono rappresentate celle formate dai suddetti elementi bipolari e separatori. Tali celle hanno rivelato caratteristiche essenziali di semplicità, efficienza, minima perdita di corrente, capacità di operare ad alta densità di corrente continua, compattezza, componibilj-tà in varie configurazioni.

Esse offrono anche la possibilità di operare a pressioni superiori a quella atmosferica, senza però superare valori limiti di 20-30 bar. Eppure operando sotto pressione si rende possibile l'effettuazione di processi elettrochimici a temperatura relativamente elevata, prevenendo l'ebollizione dell'elettrolita; si ha poi la possibilità di rendere disponibili sotto pressione i prodotti gassosi di elettrolisi, evitandone la compressione con mezzi maccanici.

La construzione in materiali polimerici permette poi di utilizzare una ampia serie di elettroliti alcalini o acidi riducendo enormemente, rispetto all'uso di strutture metalliche, le possibilità di attacco chimico corrosivo. La costruzione in tali materiali, comunque, non ne limita la capacità di resistenza meccanica: nel già citato brevetto sono indicate le possibilità di impiego di materiali polimerici aventi caratteristiche meccaniche elevate, perché prodotti in miscele con materiali rinforzanti quali fibre di vetro, fibre di amianto, fibre chimiche, polveri inorganiche o consimili. Tali miscele forniscono masse da stampaggio composite particolarmente adatte alla preparazione delle celle in questione, con particolari caratteristiche di restistanza meccanica.

Sono state costruite e sperimentate con successo celle di elettrolisi con superfici eiettrodiche da 0,01 a 0,50 m2, opreanti anche sotto pressione. Tali celle, raggruppate a formare moduli di numerose celle bipolari in serie, sono state impiegate per realizzare impianti di elettrolisi industriali capaci di generare gas pressurizzati anche fino a 10-20 bar, max 30 bar.

L'avanzare dei procedimenti tecnologici, tuttavia, pone la desiderabilità di condurre certi processi elettrochimici sotto pressione relativamente elevata, con lo scopo di ottenerne prodotti gassosi a tale livello di pressione, senza dover ricorrere a procedimenti di compressione costosi sia come investimento che come operatività. Un esempio di questo tipo è costituito dalla opportunità di produrre idrogeno da elettrolisi dell'acqua mediante sfruttamento dell'energia solare. In tal caso, come in generale nello sfruttamento delle risorse energetiche naturali rinnovabili, l'efficienza globale del sistema assume grande importanza, a causa dei costi realtivamente elevati dei mezzi di captazione dell'energia.

D'altra parte, la necessità di accumulare idrogeno in uno spazio limitato richiede che il gas stesso sia stoccato in serbatoi operanti a pressione elevata. Ora, come è noto, qualsiasi impianto industriale di compressione meccanica del gas richiede un dispendio di energia molto superiore a quanto termi-namicamente prevedibile, ponendo limiti economici non trascurabili alla realizzazione di impianti basati su unità di elettrolisi tradizionali, che generino idrogeno da elettrolisi dell'acqua a pressione prossima a quella atmosferica, sottoponendo poi il gas a compressione meccanica con lo scopo di accumularlo in serbatoi pressurizzati.

Le celle secondo il citato brevetto, potendo operare in un campo di medie pressioni, hanno già permesso la realizzazione di unità di elettrolisi dell'acqua sfruttanti l'energi a solare, per produrre direttamente idrogeno a pressioni fino a 10-20, massimo 30 bar.

Scopo della presente invenzione sono ora perfezionati elementi formatori di celle grazie ai quali è possibile superare tali livelli di pressione senza pre-

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dere gli innumerevoli vantaggi offerti in partenza da tali celle. Altro scopo del trovato è quello di provvedere a un procedimento estremamente semplice e vantaggioso per la fabbricazione di detti elementi formatori di celle elettrolitiche.

Questi ed altri scopi sono ottenuti con un elemento formatore di celle, elemento bipolare o separatore, del tipo descritto nell'introduzione di questa descrizione ed in testa alla rivendicazione 1, caratterizzato ora dal fatto di presentare almeno una zona rinforzata con estensione minoritaria avente almeno un gradiente o variazione spaziale di composizione e di resistenza alla pressione dei gas interna alla cornice, rispetto alla porzione maggioritaria.

Secondo una forma d'esecuzione del trovato lale porzione/i minoritaria/e Z Min. con gradiente di composizione ed incremento di resistenza alla pressione interna sono ripartite sulla lunghezza della cornice, preferibilmente sono concentrate verso o lungo la periferia esterna. In una forma di realizzazione, la porzione minoritaria a gradiente o variazione spaziale di composizione ed incremento della resistenza a pressione è disposta perifericamente; in particolare allorché il corpo ad estensione maggioritaria è formato da miscele a base di polimero termoplastico con cariche rinforzanti, il corpo ad estensione minoritaria è formato da materiale (co)-polimerico termoindurente rinforzato da fibre. Di preferenza la zona minoritaria è a forma di fascia esterna estesa solo trasversalmente, senza cioè coprire porzioni frontali della cornice.

Essa può contenere o essere di metallo.

Il procedimento secondo il trovato consiste nello stampare a caldo una miscela a base di resina termoplastica per creare la zona maggioritaria e nel formare, contemporaneamente o successivamente, almeno uno strato di zona minoritaria a gradliente o variazione di resistenza alla pressione con resina termoindurente e fibra.

Il trovato sarà illustrato con riferimento ai disegni allegati nei quali:

- la fig. 1 è la sezione trasversale su scala ingrandita di un elemento secondo l'invenzione;

- le fig. 2 e 3 sono viste frontali schematiche e parziali di un elemento bipolare rispettivamente separatore, e

- le fig. 2A, 2B e 2C sono viste schematiche e parziali in sezione trasversale ricavate con piani aventi per traccia le linee A-A, B-B, rispettivamente C-C in fig. 2.

Una forma di realizzazione dell'invenzione è schematicamente rappresentata in sezione (su scala ingrandita) in fig. 1 dove la zona maggioritaria Z Mag. delle cornici (esemplificativamente) circolari 202 risp. 302 delle fig. 2 e 3 è ottenuta con le miscele di resina termoplastica e di cariche rinforzanti quali quelle elencate ed esemplificate nel detto brevetto US n° 4 758 322 mentre la zona minoritaria con gradiente Z Min (A) è applicata sul solo perimetro periferico della cornice 202 (302), senza interessarne le facce anteriore e posteriore. LGR indica l'interfaccia o linea di gradiente tra Z Mag. e Z

Min.; quest'ultima è ad esempio ottenuta con fibre (ad es. minerali) Fi e resina termoindurente poliestere RP. Il corpo compatto di fig. 1 può essere preparato in una o più fasi.

Nel caso più semplice rappresentato (formazione in due fasi successive), Z Min. può assumere i caratteri di una fascia di rinforzo periferico ottenuta mediante avvolgimento di fibre (minerali e/o organiche) impregnate con resina che viene portata ad indurimento preferibilmente a caldo ed in presenza di un catalizzatore. Z Min. è ricavata su una cornice 202 (302) precedentemente formata.

Tuttavia è possibile ottenere il corpo composto in una sola fase scegliendo adeguatamente stampi e materiali. Analogamente la zona di rinforzo Z Min. può essere distribuita sulla periferia e/o sull'interno della cornice creando cosi settori a più gradienti.

Nel caso più semplice gli elementi secondo il trovato, costituiti da una matrice centrale ottenuta per stampaggio ad iniezione di polimeri termoplastici e da una periferia rinforzata per avvolgimento di fibre continue impregnate di resina termoindurente, hanno una struttra globale che presenta sorprendenti caratteristiche meccaniche di resistenza meccanica alla pressione interna, peralto senza rinunciare ad alcuna delle importanti prerogative delle celle di elettrolisi rivendicate dal brevetto fondamentale già citato.

Le fibre impiegabili per la realizzazione del rinforzo periferico o circonferenziale sono ad esempio fibre di vetro, di carbonio o di natura chimica quali poliammidi o poliesteri. Resine impiegabili vantaggiosamente per la loro impregnazione sono ad esempio di tipo epossidico o poliesteri insaturi.

Si consideri il caso di una cella di elettrolisi, concepita secondo il brevetto fondamentale già ricordato, ottenuta assiemando in serie elementi separatori ed elementi bipolari a sezione circolare. Ognuno di tali elementi venga avvolto perifericamente con un filo continuo impregnato con una resina più tardi sottoposta ad indurimento. Ogni elemento si presenterà quindi come una struttura composita, costituita da un nucleo centrale avente caratteristiche costruttive identiche a quelle rivendicate nel brevetto di cui sopra e da una corteccia periferica costituita dall'avvolgimento in fibra continua incorporato in una matrice polimerica.

L'insieme degli elementi verrà a costituire un modulo di celle di elettrolisi capace di resistere a pressione interna ben più elevata che se fosse semplicemente costituito da elementi privi di avvolgimento impregnato periferico, ovvero corrispondenti a quanto in passato rivendicato.

Come l'esempio particolarmente semplice viene riferito quello di una cella avente una superficie elettrodica di 1 dm2, la quale era costituita da un nucleo centrale, Z Mag. creatrice della struttura di contenimento delle parti svolgenti il processo elettrochimico vero e proprio e conteneva la canalizzazioni (ad. es. 204, 207 ecc, rispettivamente 304, 307 ecc.) per la distribuzione e la raccolta dei fluidi di processo. Tale nucleo, che era stato ottenuto mediante stampaggio ad iniezione in polifenilenossi-do rinforzato con fibrille di vetro, secondo l'esempio 2 del brevetto US 4 758 322, aveva un diametro di

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180 mm ed una pressione di rottura a prova idraulica di 30 bar. Sulla sua superficie esterna veniva avvolto, per lo spessore di 3 mm, un filamento continuo di fibra di vetro impregnato in resina epossidica, mescolata con un usuale catalizzatore di indurimento. Dopo indurimento della fascia esterna si effettuava una prova di rottura della cella a pressione idraulica interna: la rottura si verificava a 170 bar.

Con più zone Z Min. di composizioni diverse fra loro, anche se sempre a base di fibre minerale e resina termoindurente, si riusciva ad arrivare a pressioni anche di 200 bar.

Claims

Rivendicazioni

1. Elemento formatore di celle elettrolitiche, con cornice rinforzata, in particolare elemento bipolare od elemento separatore, comprendente una cornice o telaio (202, 302) nel quale è inserito un piatto elettricamente conduttore (201) o rispettivamente un diaframma (301) elettricamente isolante, nella quale cornice sono) ricavati fori (203, 303) di alimentazione dell'elettrolita, e di scarico dei prodotti ottenuti per elettrolisi; canali afferente (204) e deferente (207), oltre a fori isolati (209, 309) con guarnizione (211, 311), la stessa cornice essendo formata da miscele comprendenti almeno un materiale polimerico termoplastico e cariche rinforzanti ed additivi; caratterizzato dal fatto di presentare almeno una porzione (Z Min.) rinforzata con estensione minoritaria avente almeno un gradiente (A) o variazione spaziale di composizione e di resistenza alla pressione dei gas interna alla cornice, rispetto alla porzione ad estensione inaggioritaria (Z Mag.).

2. Elemento secondo la rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto che la/e porzione/i minoritaria/e (Z Min.) con gradienti di composizione e incremento di resistenza alla pressione interna sono ripartite sulla lunghezza della cornice, preferibilmente sono concentrate verso o lungo la periferia esterna.

3. Elemento secondo la rivendicazione 2), caratterizzato dal fatto che il corpo a estensione maggioritaria (Z Mag.) è formato da miscele a base di polimero termoplastico con carica rinforzante e additivi, ed il corpo ad estensione minoritaria (Z Min.) è formato da materiale polimerico oppure co-polimerico termoindurente rinforzato con fibre.

4. Elemento secondo le rivendicazioni 1) e 2), in cui la porzione minoritaria contiene o è in metallo.

5. Elemento secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato da un nucleo a base di polimeri o copolimeri di propilene, acrilonitrile, stirene, dieni, feni-lossidi, ed almeno una fascia a base di fibre minerali o organiche avvolte su detto nucleo e annegate in uno strato di resina poliestere o epossidica.

6. Procedimento per la preparazione degli elementi secondo la rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto che si stampa a caldo una miscela a base di resina termoplastica per formare la zona maggioritaria, e, contemporaneamente o successivamente si forma, rispettivalmente si applica almeno uno strato di zona minoritaria a gradiente (A) o variazione spaziale di coinposizione e di resistenza alla pressione con fibre e resine termoindurenti.

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