Análisis del desempeño de un electrolizador alcalino y la influencia del diseño del separador de fases

Abstract

RESUMEN: El hidrógeno puede contribuir a sustituir parcialmente a los combustibles fósiles para la generación de energía, considerando “verde” cuando se produce por electrólisis del agua integrada a energía renovables, donde al final del proceso no se generan gases de efecto invernadero. Para esto, la electrólisis alcalina del agua es una tecnología madura, pero aún se debe mejorar su costo y eficiencia. El electrolizador contiene un electrolito alcalino y dos electrodos, un cátodo y un ánodo, donde se genera hidrógeno y oxígeno gaseosos respectivamente; cuando no hay una membrana entre los electrodos se genera la mezcla de ambos gases, que se denomina en este trabajo gas oxihidrógeno, lo anterior de simplicidad al diseño y bajo costo del electrolizador, pero tiene limitaciones en su uso en sitio del gas generado. El electrolizador se integra a un depósito recirculador de electrolito, donde se lleva a cabo la separación del electrolito y los gases producidos, este dispositivo regula la temperatura y la pureza de los gases generados, así mismo aumenta la eficiencia del sistema. Si el hidrógeno con trazas de electrolito es alimentado a los sistemas de combustión dual, genera procesos de corrosión y baja eficiencia térmica en los motores de combustión interna y en quemadores atmosféricos. Por otro lado, no se tienen antecedentes para determinar el arrastre de electrolito, por lo que en este trabajo se propuso una forma indirecta midiendo la conductancia del agua del burbujeador ubicado a la salida del separador de fases. En este proyecto se estableció un protocolo para analizar dos depósitos separadores de fases (SF) con diferentes sistemas de refrigeración, uno con enchaquetado y quita niebla; y otro con serpentín interno y así determinar con cual se obtiene un flujo de gas con menor arrastre de electrolito. Se realizaron experimentos utilizando un electrolizador de prueba de baja potencia, con un electrolito NaOH al 5% peso, a temperaturas de 30 y 40 ºC. El electrolizador se operó 59 h a 16 A. La curva de desempeño (corriente aplicada vs voltaje demandado) se obtuvo cada 5 h antes y después de la operación continua, aplicando pulsos de corriente entre 4 y 20 A. Para determinar el arrastre de electrolito se generó una gráfica normalizada de concentración contra conductividad de una solución de NaOH (del 0.00001 N a 0.1 N) y se midió la conductividad del agua de burbujeo de gases a la salida del separador de fases. Con ambos separadores se obtuvieron eficiencias de voltaje entre el 20 y 55% y valores de concentración de electrolito en el agua de burbujeo de los gases menores a 0.1N (2070 µS). El separador con echaquetado disminuye el arrastre de electrolito en los gases, debido al quita niebla que tiene. Por otro lado, el separador con serpentín no requiere temperaturas mayores a 28ºC en el agua de enfriamiento y favorece la eficiencia global. Se incrementó un 4% la eficiencia del electrolizador respecto a la obtenida con el separador cilíndrico que se tenía como referencia. Este trabajo sirve de base para integrar un sistema de electrólisis que se está desarrollando en colaboración con la empresa EUROWELDING, lo cual ayudará al desarrollo de una industria nacional para comercializar electrolizadores.