Guarnizioni di tenuta, materiali chiave per la produzione di idrogeno alcalino

La guarnizione di tenuta è uno dei materiali chiave di elettrolizzatore alcalino. Essendo il componente principale della sigillatura dell'elettrolizzatore, la qualità della sua sigillatura determina in gran parte la qualità delle prestazioni di tenuta e isolamento della camera dell'elettrolizzatore e influisce direttamente sulla sicurezza e l'affidabilità dell'intero sistema di produzione dell'idrogeno per elettrolisi dell'acqua alcalina.

1. Funzione della guarnizione di tenuta

(1) Funzione di tenuta

La pressione operativa degli elettrolizzatori alcalini convenzionali del tipo a pressione non è generalmente superiore a 1,6 MPa. L'elettrolizzatore adotta generalmente una struttura di filtropressa. Il sistema di tenuta è una guarnizione piana. La linea dell'acqua di tenuta viene aperta sul bordo del telaio della piastra e le prestazioni del materiale della guarnizione di tenuta modificato vengono utilizzate per garantire la tenuta dell'intero elettrolizzatore. Il mezzo che scorre all'interno dell'elettrolizzatore comprende l'elettrolita circolante e l'idrogeno e l'ossigeno generati. La funzione della guarnizione di tenuta è quella di impedire la fuoriuscita di soluzione elettrolitica, idrogeno e ossigeno dall'elettrolizzatore nelle condizioni operative di soluzione KOH al 30%, 90°C e 1,6 MPa.

(2) Funzione di isolamento

Oltre alle prestazioni di tenuta, la guarnizione di tenuta deve avere anche prestazioni di isolamento per garantire l'isolamento tra i due telai polari della camera di elettrolisi ed evitare cortocircuiti all'interno della camera.

2. La struttura della guarnizione di tenuta e la sua posizione nella cella elettrolitica

La guarnizione di tenuta ha la forma di un anello. È necessario praticare dei fori sulla guarnizione per fornire spazio per il flusso dell'elettrolita all'interno della cella elettrolitica. Allo stesso tempo, è necessario elaborare i fori di posizionamento della guarnizione di tenuta per facilitare l'installazione della guarnizione di tenuta.

Nella camera della cella elettrolitica è presente una sola guarnizione di tenuta, che è posizionata tra la piastra e il diaframma nella zona dell'anodo. Il bordo esterno della guarnizione di tenuta coincide con il bordo esterno del telaio del palo e la posizione dell'anello interno e del bordo generalmente supera il bordo del diaframma di circa 10 mm. Pertanto, la larghezza della guarnizione di tenuta comprende la larghezza della guarnizione che si sovrappone alla linea di galleggiamento di tenuta, la larghezza del foro del canale di flusso sulla guarnizione e la larghezza della sovrapposizione tra la guarnizione e il diaframma.

3. Il materiale della guarnizione di tenuta

Poiché la guarnizione di tenuta deve svolgere un ruolo isolante, le prestazioni vengono migliorate principalmente modificando il materiale di tenuta isolante. I fluoroplastici modificati sono un tipo di materiale sigillante che è stato studiato in modo più intenso e approfondito nell'elettrolisi dell'acqua alcalina. Allo stato attuale, la maggior parte dei materiali sigillanti per elettrolisi dell'acqua alcalina domestica sono fibra di carbonio, bisolfuro di molibdeno, ecc. Come riempitivi rinforzanti riempiti con politetrafluoroetilene, ottenuti mediante stampaggio e sinterizzazione. I materiali di tenuta attualmente utilizzati sono ancora soggetti a flusso freddo e scorrimento ad alta temperatura e alta pressione e allo spegnimento intermittente delle celle elettrolitiche alcaline, con conseguenti perdite di cella, che incidono sulla durata di servizio della cella elettrolitica.

Quando si esaminano le prestazioni dei materiali delle guarnizioni di tenuta, generalmente esaminiamo tre parametri principali: durezza Vickers, prestazioni di rimbalzo della compressione e prestazioni di rilassamento del creep.

Durezza Vickers: la durezza è uno degli indicatori di prestazione completi composti da una serie di proprietà meccaniche come elasticità, plasticità e tenacità dei materiali di tenuta. Può misurare la capacità della superficie del materiale sigillante di resistere alla pressione meccanica e può anche caratterizzare in una certa misura il grado di legame tra il riempitivo rinforzante e il corpo in politetrafluoroetilene. La durezza del materiale sigillante può aumentare la capacità della superficie del materiale di resistere in una certa misura alla pressione meccanica ed è un mezzo efficace per migliorare la resistenza alla compressione del materiale.

Resilienza alla compressione: la resilienza alla compressione riflette la deformazione elastica o plastica del materiale sigillante, riempie i difetti sulla superficie di tenuta ed esegue una compensazione elastica per mantenere la capacità di tenuta. È un indicatore importante per misurare le prestazioni del materiale di tenuta.

Prestazioni di rilassamento al creep: le prestazioni di rilassamento al creep sono una delle proprietà più importanti per caratterizzare il materiale di tenuta, riflettendo la capacità del materiale della guarnizione di resistere al rilassamento da stress e alla deformazione. Per le guarnizioni di tenuta in PTFE modificato, il rilassamento da scorrimento è il motivo principale delle perdite nel sistema a flangia bullonata durante la vita utile e svolge un ruolo decisivo nella capacità di tenuta della superficie del giunto e nella durata della guarnizione. In generale, minore è il tasso di rilassamento del creep, maggiore è il carico di compressione residuo e migliori sono le prestazioni di tenuta a lungo termine.

4. Processo di produzione delle guarnizioni di tenuta

Allo stato attuale, il processo di produzione delle guarnizioni di tenuta si basa generalmente su fibra di carbonio, polifenilene solfuro (PPS) e bisolfuro di molibdeno (MoS2) come riempitivi rinforzanti ed è prodotto mediante un processo di sinterizzazione per compressione dello stampo.

Il politetrafluoroetilene (PTFE) pretrattato e il riempitivo misto vengono pesati in base al rapporto, versati in un miscelatore ad alta velocità con acqua di raffreddamento per la miscelazione, quindi la miscela viene posta in uno stampo e modellata mediante una comprimitrice. Dopo la sformatura si ottiene un campione preformato di 3 mm di spessore. Il campione preformato viene sinterizzato e raffreddato in un forno a resistenza di tipo scatolato secondo una determinata procedura per ottenere una guarnizione di tenuta finita.