Jordán Guillén, Jaime Omar

Vásquez Freire, Fernando

Zhigüi Loja, Carlos Alfredo

Repositorio Digital Universidad Politécnica Salesiana

1. IntroducciónEn la actualidad existe un enorme interés en la búsqueda de nuevasfuentes de energía. En este contexto la generación de hidrógeno a partir deelectrólisis del agua, constituye una importante alternativa. Entre las ven-tajas del uso del hidrógeno como fuente de energía podemos señalar queen la combustión del hidrógeno genera como resultado agua, trabajando,de esta manera, en un ciclo ecológico cerrado; es decir, utilizando agua enla producción de hidrógeno y despidiendo agua en el ambiente. Por otraparte, el hidrógeno puede reemplazar a los combustibles fósiles adecuan-do la tecnología existente sin afectar a los componentes principales,pudiendo esto estar al alcance de todos.Como parte del proyecto se ha diseñado y construido un prototipode electrolizador, el cual consta de medidores de presión, medidores de8Optimización de un prototipo para la pro-ducción de hidrógeno a partir de la electró-lisis del agua utilizando materiales existentesen el mercado nacional, aplicando normasinternacionalesFernando Vásquez Freire1, Jaime Omar Jordán Guillén2y Carlos Alfredo Zhigüi Loja31 Director del Proyecto de investigación, Docente de la Carrera de Ingeniería Automotríz dela Universidad Politécnica Salesiana.2 Estudiante de la Carrera de Ingeniería Mecánica Automotriz de la Universidad PolitécnicaSalesiana.3 Egresado de la Carrera de Ingeniería Mecánica Automotriz de la Universidad PolitécnicaSalesiana.nivel de agua, medidor de temperatura, dosificador automático de agua,paro automático y manual, y un ciclo automático de control. Los elemen-tos de medición y control garantizan la seguridad requerida al manejarhidrógeno a altas presiones.A lo largo de la investigación fue observada una fuerte influencia dela corriente eléctrica en la cantidad de hidrógeno producido. Fue determi-nado además que el material de las placas y las características constructi-vas de las mimas provocan pérdidas de energía en el sistema por genera-ción de calor. Los experimentos de electrólisis realizados fueron efectuadossobre el principio de obtener reproducibilidad en cualquier ambiente.2. Materiales y métodosMaterialesLos materiales utilizados se presentan a continuación:Materiales usados en la construcción del prototipo• 1 tubo de acero inoxidable • 4 tapas de acero inoxidable • 4 tubos de acero inoxidable • 4 pernos de acero inoxidable • 1 recipiente de acero inoxidable • 30 acoples de acero inoxidable • 2 tubos de vidrio • 2 manómetros en baño de glicerina • 1 bomba de agua • 1 presostato.• 2 llaves de paso de acero inoxidable.• 2 bornes de níquel con una pureza.• 40 placas de níquel.• 2 aislantes de teflón de 10mm.• 2 aislantes de teflón.Investigación, ciencia y tecnología110• 1 lámina de polisulfona.• 4 orines.• 1 voltímetro de corriente continua.• 1 amperímetro de corriente continua.• 1 circuito eléctrico y electrónico de medición y control.Materiales usados en los experimentos preliminares de electrólisis: • 1 bandeja plástica de 1,5 litros.• 11 litros de agua destilada.• 5 kg de hidróxido de potasio (KOH).• 2 electrodos de acero inoxidable AISI 316.• 2 electrodos de níquel.• 2 electrodos de platino.• 2 cables de cobre # 16.• 1 fuente de voltaje de corriente continua.• 1 voltímetro.• 1 amperímetro.• 1 termómetro.MétodosEl proyecto de investigación consta de dos fases: la experimentaciónen el laboratorio para la determinación de la separación, el tamaño y laelección del material que cumplan con las especificaciones técnicas para laconstrucción de las placas, así mismo se procede a elegir el material ade-cuado para construcción de la cuba electrolítica y la concentración óptimadel KOH en el agua; para lograr la mayor producción de hidrógeno.Para las pruebas de laboratorio, fueron laminadas placas de aceroinoxidable AISI 316, níquel y platino, las cuales fueron sometidas al proce-so de electrólisis con diferentes concentraciones de hidróxido de potasio(KOH) al 5, 10, 15, 20, 25 y 30% en peso y agua como disolvente. Se traba-jó además con voltajes entre 5-15 V y una separación entre placas entre de1 y 10 mm, con el objetivo de determinar la influencia de estas variables enInvestigación, ciencia y tecnología111la cantidad de hidrógeno producido. La sujeción de las placas fue llevada acabo con pinzas de cobre con un baño de níquel y se las conectó en el cen-tro del extremo superior de las mismas.Sobre la base de los datos obtenidos en la experimentación de labo-ratorio fue llevada la segunda etapa de la investigación que consiste en laconstrucción del prototipo final para la producción de Hidrógeno, sobre elcual se realizaron pruebas para determinar la influencia de la presión ytemperatura sobre el caudal producido.3. ResultadosResultados de las pruebas de referenciaLas pruebas se realizaron considerando las separaciones entre loselectrodos, y la cantidad de KOH en agua destilada. Las curvas presenta-das, muestran la mejor relación entre temperatura y amperaje, lo cual vaen una estrecha relación con la producción de hidrógeno.Investigación, ciencia y tecnología112Fig. 1. Relación de tiempo vs temperatura y amperaje en el proceso de electrolisis en laspruebas de referencia en condiciones estandar de presión y temperatura correpondiente alelectro de acero inoxidable.Figura 1. Relación de tiempo vs. temperatura y amperaje en el proceso de electrolisis en las pruebas de referencia en condiciones estandar de presión y temperatura correspondiente al electro de acero inoxidableInvestigación, ciencia y tecnología113Fig. 2. Relación de tiempo vs temperatura y amperaje en el proceso de electrolisis en laspruebas de referencia en condiciones estandar de presión y temperatura correpondiente alelectro de niquel.Figura 2. Relación de tiempo vs. temperatura y amperaje en el proceso de electrolisis en las pruebas de referencia en condiciones estandar de presión y temperatura correspondiente al electro de niquelFig. 3. Relación de tiempo vs temperatura y amperaje en el proceso de electrolisis en laspruebas de referencia en condiciones estandar de presión y temperatura correpondiente alelectro de platino.Figura 3. Relación de tiempo vs. temperatura y amperaje n el proceso de electrolisis en las pruebas de referencia en condiciones estandar de presión y temperatura correspondiente al electro de platinoComo se puede observar en las Figuras 1, 2 y 3, el mejor resultado seobtuvo con la lámina de níquel, ya que produce mayor cantidad de hidró-geno manteniendo un consumo de energía menor que las otras dos lámi-nas ensayadas en la práctica de laboratorio.La concentración adecuada de KOH fue del 30% en peso diluido enagua desmineralizada.Resultados del Prototipo FinalEl prototipo construido es capaz de producir 4,32 l/s de hidrógenoalmacenándolo a una presión de 80 PSI en la cuba electrolítica y una tem-peratura de funcionamiento máxima de 60°C, sin riesgos de fugas de gas.Las placas para los electrodos del prototipo fueron construidas deníquel, sumergidas en agua desmineralizada con un pH de 6,5 y con unaconcentración del 30 % en peso de KOH.La cuba electrolítica y las cañerías fueron construidas en acero inoxi-dable.Además, el prototipo cuenta con los siguientes dispositivos de segu-ridad: medidores de presión, medidores de nivel de agua, medidor de tem-peratura, dosificador de agua, paro de emergencia. Todos estos con sus res-pectivas etapas de control automáticas.Discusión de resultados• Debido a que el electrolizador consume agua para generar hidróge-no, se debe tomar en cuenta una bomba para dosificar constante-mente agua en el interior del electrolizador.• La generación de calor es inevitable en la producción de hidrógeno,por tal motivo se debe implementar un sistema de enfriamiento.• Si se desea tener Hidrógeno con una pureza elevada, de tal forma queno se tenga que entrar en una etapa de purificación previa al emba-samiento en algún recipiente, se debe utilizar un sistema de lavadode KOH.Investigación, ciencia y tecnología114• Para asegurar una larga vida de las placas se deberá utilizar aguatotalmente desmineralizada.• Para evitar peligros de incendios o explosiones por acumulación degas hidrógeno debido a fugas del mismo, se debe trabajar en unambiente que asegure una buena circulación de aire.• En caso de contacto de la solución electrolítica con alguna parte delcuerpo, se debe neutralizar la misma con aplicación de vinagre.4. Conclusiones• Se puede concluir que al finalizar la investigación, se cuenta con unprototipo elemental para generar hidrógeno optimizado, ademásconstruido con materiales y elementos existentes en nuestro medio.• Se concluye que esta investigación abre un camino a una nuevaforma de energía en el Ecuador desarrollada y mantenida con manode obra de ecuatorianas/os y, además la investigación respeta losobjetivos de nuestros ancestros que siempre fue la conservación yrespeto de la naturaleza.BibliografíaVarios Autores, editado por Nicolas Alonso-Vante2003 Electroquímica y Electrocatálisis,Volumen 1b, Primera Edición Virtual e-libro.net,Buenos Aires, Mayo.Varios Autores, editado por Nicolas Alonso-Vante2003 Electroquímica y Electrocatálisis, Volumen 1a, Primera Edición Virtual e-libro.net,Buenos Aires, Mayo.Investigación, ciencia y tecnología115

Optimización de un prototipo para la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua utilizando materiales existentes en el mercado nacional, aplicando normas internacionales

Optimización de un prototipo para la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua utilizando materiales existentes en el mercado nacional, aplicando normas internacionales

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