INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

MANUFACTURA Y VALIDACIÓN DE SISTEMAS AUXILIARES DE UN REACTOR OXIHIDRÓGENO PARA

REDUCIR EL ARRASTRE DE ELECTROLITO

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN INGENIERÍA DE MANUFACTURA

PRESENTA:

ING. ALEJANDRO WINTERGERST FELIPE

DIRECTORES:DR. JUAN MANUEL SANDOVAL PINEDA DRA. ROSA DE GUADALUPE GONZÁLEZ HUERTA

CIUDAD DE MÉXICO FEBRERO 2021

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Tesis Wintergerst 04_02_21.pdf Feb 4, 2021 31750 palabras/177856 caracteres

Alejandro Wintergerst

Tesis Wintergerst 04_02_21.pdf

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1 Cristina González Buch. "Desarrollo y caracterización de nuevos materiales de cátodo basados en aleaciones de níquel para la reacción de evolución de hidró…

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2 Pascual Cortés Pellicer. "Marco de Referencia para el Desarrollo Integrado de Modelos de Procesos y Matemáticos de Ayuda a la Toma de Decisiones en un …

3 Juan Manuel Carricondo Antón. "Utilización de residuos vegetales para la eliminación de fósforo en aguas residuales mediante procesos de adsorción", Univ…

4 Francisco Javier Gómez González. "Diseño y optimización de un sistema híbrido renovable con gestión de la demanda y aplicaciones en península y modo isl…

5 Salvador Sayas Valero. "Desarrollo de catalizadores heterogéneos para la producción sostenible de hidrógeno a partir del reformado de subproductos y resid…

6 Nuria Bausá Martínez. "Electrolizadores de alta temperatura basados en cerámicas protónicas.", Universitat Politecnica de Valencia, 2020

7 Bianca Lucas Granados. "Nuevos fotocatalizadores basados en nanoestructuras de óxido de hierro para su aplicación en el campo energético.", Universitat P…

8 Francesco Bizzotto, Jonathan Quinson, Johanna Schröder, Alessandro Zana, Matthias Arenz. "Surfactant-Free Colloidal Strategies for Highly Dispersed and A…

9 Rodrigo Fernando Herrera Valencia. "Impact of BIM/LEAN on the interaction of construction project design teams", Universitat Politecnica de Valencia, 2020

10 Lara Sobrino Gregorio. "Avances en el esclarecimiento de la autenticidad de la miel", Universitat Politecnica de Valencia, 2020

11 Diego Blanco Cavero. "Assessment and optimization of the indicated cycle with a 0D thermodynamic model", Universitat Politecnica de Valencia, 2018

12 Frank Florez Montes. "Análisis dinámico del confort en edi cios con estrategias de control adaptativo en modos deslizantes", Universitat Politecnica de Vale…

13 Moritz Liesegang, Tilmann Beck. "Ultrasonic welding of magnetic hybrid material systems –316L stainless steel to Ni/Cu/Ni-coated Nd2Fe14B magnets", Res…

14 David Catalán Martínez. "Development of electrocatalytic layers and thermo- uid dynamic evaluation for high temperature membrane reactors", Universitat P…

15 JADER RODRIGUEZ CORTINA. "CONTRIBUCION AL ESTUDIO DE LA INTENSIFICACION DEL PROCESO DE SECADO DE TOMILLO (Thymus Vulgaris L.): APLICA…

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ACTA

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DEDICATORIAS

La presente Tesis se la dedico a mi madre Tomasa Felipe González y mi padre Alejandro Wintergerst Toledo (Q.E.P.D.), por siempre darme su apoyo incondicional a lo largo de mi vida, por sus consejos y palabras de aliento que me han ayudado en momentos cruciales, los quiero tanto que no me alcanzaría la vida para agradecerles lo suficiente, pero lo intentaré cada día durante toda mi vida. A mi hermana Johanna Wintergerst Felipe la cual es mi ángel y por ti siempre saldré adelante.

A mis viejos amigos que han estado conmigo a pesar de los años y a los nuevos amigos que he conocido a lo largo de este proyecto y que sin duda nos apoyamos para que nadie se quedara atrás.

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AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer al Instituto Politécnico Nacional (IPN), por permitirme realizar mis estudios en las instalaciones de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) - Unidad Azcapotzalco y la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE).

También agradezco por el apoyo financiero otorgado al proyecto multidisciplinario SIP20200530

“Integración y balance de planta del sistema generador de hidrógeno-sistema de combustión interna y combustión abierta, para escalar y validar el proceso de combustión dual”, sin el cual este proyecto no se hubiera podido realizarse. Se agradece al Instituto Politécnico Nacional por el apoyo recibido a los siguientes proyectos: Multired 2024 (2019-2021) denominado “Escalamiento y validación técnico-comercial del desarrollo tecnológico de generadores de hidrógeno utilizados para la combustión dual hidrógeno-hidrocarburos”, módulos: 20195399, 20200531-20210090

“Diseño y balance de planta de generadores de hidrógeno para validar el proceso de manufactura y operación” ESIQIE. 20195416-20200530-20210089 “Integración y balance de planta del sistema generador de hidrógeno-sistema de combustión interna y combustión abierta, para escalar y validar el proceso de combustión dual” ESIME Azcapotzalco

Proyectos de innovación: 20196841, 20200935 denominado: "Manufactura de un separador de fases vertical para aumentar la pureza del gas Oxihidrógeno producido en un EA para aplicaciones en combustión dual" ESIQIE; y 20195800, 20200927 “Validación de quemadores atmosféricos en una cámara para combustión dual, hidrógeno-hidrocarburos” ESIME Azcapotzalco.

Agradezco de manera especial y sincera al Dr. Juan Manuel Sandoval Pineda y la Dra. Rosa de Guadalupe González Huerta, por apoyarme al realizar la tesis de maestría bajo su dirección. Su apoyo, tiempo, confianza en mi trabajo, su capacidad para guiar mis ideas y por despertar en mí el interés en la investigación, así mismo su amistad y en especial por los conocimientos que me han brindado.

Agradezco al Concejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca de maestría nacional otorgada para el desarrollo de este trabajo.

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RESUMEN

Este trabajo de investigación implementa la metodología APQP (Planificación Avanzada de la Calidad del Producto), para el desarrollo de los sistemas auxiliares de un electrolizador alcalino.

Debido a que una de las metas a futuro, es poder generar el gas oxihidrógeno (mezcla de hidrógeno y oxígeno, 2:1 en volumen) y utilizarlo como complemento en una combustión dual con combustibles fósiles, se tiene que asegurar que esta mezcla no dañe la estructura física interna en las cámaras de combustión dentro de los motores, ahora bien, el proceso que actualmente se realiza tiene algunas complicaciones como temperaturas elevadas y arrastre de electrolito debido en gran medida a las altas temperaturas que se generan por el proceso de electrólisis, pero también por la falta de un complemento que ayude a atajar cualquier tipo de medio alcalino, y solo permita el paso del gas oxihidrógeno generado.

Se realizaron diferentes adaptaciones y se obtuvieron las curvas de desempeño corriente vs voltaje, con las modificaciones realizadas para poder determinar la mejor opción. Se realizaron modificaciones físicas al sistema, como son la unión de diferentes recipientes y trampas de vapor para asegurar la reducción del arrastre de electrolito.

En general se hicieron tres modelos de experimentación, las cuales al final se compararon para ver la disminución que se tuvo en el arrastre de electrolito y la reducción de temperatura. El primer modelo es la experimentación en sus parámetros normales, es decir, solo con las modificaciones en el reactor y corriéndolo como regularmente se hacía, con la finalidad de obtener los parámetros iniciales. El segundo modelo se modificó el separador de fases para asegurar el flujo correcto del electrolito, dando como resultado una reducción de arrastre de electrolito del 42.26%, pero sin reducción en la temperatura. En el tercer modelo se continuó con la modificación del separador de fases, además, se añadió un sistema de refrigeración que redujo la temperatura del electrolito en el separador de fases, en consecuente bajo la temperatura del electrolito que llega al reactor. También se agregó una trampa de vapor la cual tiene una malla que puede atrapar medios alcalinos, funcionando todo como un sistema de purificación, dando excelentes resultados como es una reducción en el arrastre de electrolito del 82.54%, y una reducción de la temperatura del electrolito del 37.75%. Con todo lo anteriormente mencionado se alcanzó un sistema auxiliar funcional que ayudará al electrolizador alcalino a producir gas oxihidrógeno más puro y de manera eficiente.

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ABSTRACT

This research work implements the APQP (Advanced Product Quality Planning) methodology for the development of auxiliary systems of an alkaline electrolyzer. Because one of the future goals is to be able to generate oxyhydrogen gas (a mixture of hydrogen and oxygen, 2: 1 by volume) and use it as a complement in a dual combustion with fossil fuels, it must be ensured that this mixture does not harm the internal physical structure in the combustion chambers inside the engines, however, the process that is currently carried out has some complications such as high temperatures and electrolyte carry-over due largely to the high temperatures that are generated by the electrolysis process, but also due to the lack of a complement that helps to tackle any type of alkaline medium, and only allows the oxyhydrogen gas generated to pass through.

Different adaptations were made and the current vs voltage performance curves were obtained, with the modifications made to determine the best option. Physical modifications were made to the system, such as the union of different filters and steam traps to ensure the reduction of electrolyte carry-over.

In general, three experimental models were made, which in the end were compared to see the decrease in electrolyte carry-over and the reduction in temperature. The first model is the experimentation in its normal parameters, that is, only with the modifications in the reactor and running it as normally was done, in order to obtain the initial parameters. The second model modified the phase separator to ensure correct electrolyte flow, resulting in a 42.26% reduction in electrolyte carryover, but no reduction in temperature. In the third model, the modification of the phase separator was continued, in addition, a cooling system was added that reduced the temperature of the electrolyte in the phase separator, consequently lowering the temperature of the electrolyte that reaches the reactor. A steam trap was also added which has a mesh that can trap alkaline media, working all as a purification system, giving excellent results such as a reduction in electrolyte carryover of 82.54%, and a reduction in electrolyte temperature. 37.75%. With all the aforementioned, a functional auxiliary system was achieved that helped the alkaline electrolyzer to produce oxyhydrogen gas more purely and efficiently.

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OBJETIVOS

Objetivo general

Diseño y manufactura del sistema auxiliar para reducir el arrastre de electrolito de un reactor de gas oxihidrógeno, por medio de sistemas de refrigeración y purificación.

Para alcanzar el objetivo general se plantean los siguientes objetivos específicos.

Objetivos específicos

1. Desarrollo de la metodología APQP para llevar a cabo el diseño de todo el sistema.

2. Diseño y manufactura del sistema purificación y refrigeración para un reactor Oxihidrógeno.

3. Diseño y manufactura del banco de pruebas para el sistema de purificación.

4. Comparación, análisis y evaluación de resultados de pruebas del sistema anteriormente utilizado y el diseñado en este trabajo.

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JUSTIFICACION

Actualmente la generación de energía, a partir de métodos convencionales como los hidrocarburos o nucleares, se ha vuelto contraproducente debido a las grandes cantidades de contaminantes que estos generan. Los residuos de los combustibles fósiles han sido uno de los mayores contaminantes del aire en las grandes ciudades a nivel mundial a los residuos de estos. Continuamente se han declarado varias contingencias ambientales atmosféricas en la CDMX, estas se dan cuando se presenta una severa contaminación por Ozono (O3) con partículas menores a 10 y 2.5 micrómetros (PM10, PM2.5), que pone en riesgo la salud de la población. Otros gases como el CO2 y NOX son residuos expulsados de motores de combustión interna, además de que también son altamente dañinos para la salud, y se incrementan en motores diésel estos gases contaminantes.

Por todo lo anterior mencionado, es necesario implementar nuevas alternativas de energía como lo son las renovables, ya que estas están en el ambiente y son prácticamente ilimitadas, es por eso que varios países de primer mundo ya tienen políticas a favor de las energías renovables, y otros países en vías de desarrollo también están en proceso de adoptar esas políticas. Estas demandan básicamente transportes de mayor calidad con un índice de mínimas emisiones contaminantes, siendo amigables con el medio ambiente.

Algunas empresas fabricantes de camiones, han optado por el uso de combustibles menos dañino al ambiente, como gas natural, biocombustibles y a últimas fechas el uso del hidrógeno. En una primera etapa este hidrógeno se está implementando en combustión dual para motores de combustión interna de gasolina o diésel, se hace un enriquecimiento de un 5% a un 20% de los combustibles con modificaciones mínimas al sistema. Los motores no pueden trabajar directamente con hidrógeno dado que no fueron diseñados para manejar el poder calorífico de este combustible, ni el área de expansión del gas dentro de las cámaras de combustión se llevaría adecuadamente.

Otra ventaja del enriquecimiento parcial con la producción-consumo en-sitio del hidrógeno es que se evita su almacenamiento, ya que debido a la baja densidad del gas se requieren sistemas pesados y complejos de compresión y en su forma líquida se tendría que criogenizar (-250°C), ambos procesos requieren una gran cantidad de energía.

Actualmente, varios grupos de desarrollo tecnológico están realizando experimentos para reducir y enriquecer el consumo de hidrocarburos en un motor de combustión interna, agregando gas oxihidrógeno (mezcla estequiométrica de hidrógeno y oxígeno producida por electrolisis alcalina

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del agua), este gas tiene una producción-consumo en -sitio, por lo que no es necesario su almacenamiento, esta combinación de combustibles (diésel – gas oxihidrógeno) ha resultado muy eficiente en el ahorro de combustible, pero en los últimos resultados se observa que existe un arrastre de electrolito (solución alcalina) junto con el gas oxihidrógeno generado en el electrolizador alcalino, ya que no existe un control de temperatura en el separador de fases que forma parte integral del sistema de electrólisis y aunque se tiene un sistema base de purificación de gases no es eficiente, ya que permite que exista un arrastre de vapor de agua con sosa en el gas que se alimentará al motor. Por estas condiciones de operación, con tiempos largos de funcionamiento del sistema electrolizador-motor (> 400 h) se puede generar procesos corrosivos e incrustaciones en la cámara de combustión, incrementando los periodos de mantenimiento del motor y en un momento dado disminuir su tiempo de vida útil.

Para disminuir estos procesos corrosivos se desarrolló un sistema de refrigeración para mejorar la eficiencia del electrolizador alcalino, reduciendo la temperatura del electrolito, evitando una evaporación excesiva de solución alcalina que se arrastra junto al gas oxihidrógeno generado, además también se diseñó un sistema de purificación a la salida del separador de fases que elimina gran parte del arrastre del electrolito. El desarrollo de este trabajo está respaldado bajo la metodología APQP, la cual define y establece todos los pasos requeridos para asegurar que el sistema de gestión de energía eléctrica cumpla con requerimientos de calidad, además se garantiza que el sistema sea manufacturable, asegurando la satisfacción del cliente final.

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ÍNDICE GENERAL

Resumen ... i

Abstract ... ii

Objetivos ... iii

Justificacion ... iv

Introducción ... xiii

Capítulo I. Estado Del Arte 1.1 Generalidades ... 1

1.2 Estado de la ciencia ... 1

1.3 Estado de la técnica ... 11

1.4 Planteamiento del problema ... 16

1.5 Sumario ... 16

Capítulo II. Marco Teórico Sobre Electrólisis Alcanina Y Su Efecto En Motores A Diésel 2.1 Generalidades ... 18

2.2 Propiedades del hidrógeno ... 18

2.3 Características del hidrógeno como combustible ... 21

2.4 Electrólisis alcalina ... 22

2.5 Configuración de las celdas electrolíticas ... 26

2.6 Metodología de planificación avanzada de la calidad del producto (APQP - Advanced Product Quality Planing) ... 28

2.7 Sistemas de refrigeración de un Automóvil ... 33

2.8 Conductividad electrolítica ... 36

2.8.1 Influencia de la temperatura en la conductividad ... 37

2 .9 Sumario ... 38

Capítulo III. Diseño Y Manufactura De Un Sistema Purificación Y Refrigeración Para Un Reactor Oxihidrógeno 3.1 Generalidades ... 40

3.2 Diseño de un equipo de producción de oxihidrógeno con sistemas de auxiliares, utilizando la metodología APQP ... 40

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3.2.1 Planeación y definición del programa ... 40

3.2.1.1 Descripción del sistema ... 41

3.2.1.2 Aclaración de la necesidad ... 42

3.2.1.3 Requisitos y restricciones ... 42

3.2.1.4 Metas de diseño ... 43

3.2.1.5. Metas de confiabilidad y calidad ... 44

3.2.1.6 Lista de materiales ... 44

3.2.1.7 Diagrama de flujo preliminar del proceso ... 47

3.2.1.8 Plan de aseguramiento ... 48

3.2.2 Diseño y desarrollo del producto ... 49

3.2.2.1 Análisis foda del producto ... 49

3.2.2.2 Diseño para la manufactura y el ensamble ... 50

3.2.2.3 Verificación y revisión del diseño ... 52

3.2.2.4 Plan de control - ensamble del prototipo ... 53

3.2.2.5 Mejoras del despeño y especificaciones ... 53

3.2.2.6 Especificaciones de ingeniería y materiales ... 54

3.2.3 Diseño y desarrollo del proceso ... 58

3.2.3.1 Flujograma del proceso ... 58

3.2.3.2 Análisis foda del proceso ... 59

3.4 Sumario ... 60

Capítulo IV. Análisis, Evaluación Y Validación De Resultados 4.1 Generalidades ... 62

4.2 Validación del producto y del proceso ... 62

4.2.1 Descripción del sistema mejorado ... 63

4.2.2 Primera etapa de experimentación ... 65

4.2.2.1 Montaje del equipo y sus componentes ... 65

4.2.2.2 Resultados obtenidos ... 65

4.2.3 Segunda etapa de experimentación ... 67

4.2.4 Tercera etapa de experimentación ... 69

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4.2.5 Interpolación de datos... 73

4.2.5.1 Interpolación de datos – primera prueba ... 73

4.2.5.2 Interpolación de datos – segunda prueba ... 75

4.2.5.3 Interpolación de datos – tercera prueba ... 77

4.2.6 Comparación de resultados... 81

4.2.6.1 Conductancia del burbujeador ... 81

4.2.6.2 Temperatura del burbujeador ... 82

4.2.6.3 Temperatura del electrolito ... 83

4.2.6.4 Temperatura del anticongelante ... 84

4.3 Retroalimentación, evaluación y acción correctiva ... 85

Conclusiones ... 88

Referencias ... 90

Apéndices ... 96

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ÍNDICE FIGURAS

Figura 1. No. WO2008156995 ... 11

Figura 2. No. US20020083829 ... 12

Figura 3. No. US6329091 ... 12

Figura 4. No. US20200017982 ... 13

Figura 5. No. US20120055778 ... 13

Figura 6. No. CN103436907 ... 14

Figura 7. No. JP2018062688 ... 14

Figura 8. No. JP2018115354 ... 15

Figura 9. No. CN205590289 ... 15

Figura 10. Esquema celda electrólisis alcalina ... 23

Figura 11. Resistencias en proceso de electrólisis ... 24

Figura 12. Curva de desempeño de un electrolizador alcalino densidad de corriente vs potencial ... 25

Figura 13. Configuración de una celda monopolar ... 27

Figura 14. Configuración de una celda bipolar ... 28

Figura 15. Esquema de la metodología APQP ... 29

Figura 16. Planificación de la Calidad del Producto ... 30

Figura 17. Refrigeración por agua en un motor de combustión interna ... 34

Figura 18. Esquema de un Radiador ... 35

Figura 19. Flujo del agua y aire en los canales del radiador ... 35

Figura 20. Esquema de la primera etapa - Planeación y definición del programa ... 40

Figura 21. Esquema del proceso de electrolisis alcalina ... 41

Figura 22. Aclaración de la necesidad ... 42

Figura 23. Flujo del proceso de electrólisis alcalina ... 42

Figura 24. Muestra del área no utilizada en el electrodo ... 43

Figura 25. Calidad y confiabilidad ... 44

Figura 26. Esquema de la segunda etapa - Diseño y desarrollo del producto ... 49

Figura 27. Esquema del análisis FODA ... 50

Figura 28. Análisis de flujo de manufactura de los sistemas auxiliares ... 51

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Figura 29. Esquema de las pruebas realizadas ... 54

Figura 30. Esquema de la tercera etapa - Diseño y desarrollo del proceso ... 58

Figura 31. Esquema de la cuarta etapa - Validación del producto y del proceso ... 62

Figura 32. Esquema del flujo del sistema final del proceso de electrólisis. ... 63

Figura 33. Descripción del sistema final ... 64

Figura 34. Grafica de la temperatura del electrolito ... 66

Figura 35. Grafica de la conductancia en el burbujeador ... 66

Figura 36. Grafica de la temperatura del burbujeador ... 67

Figura 37. Grafica de la temperatura del burbujeador ... 69

Figura 39. Grafica de la temperatura del electrolito ... 71

Figura 40. Grafica de la temperatura del anticongelante ... 72

Figura 41.Grafica de la temperatura del burbujeador ... 72

Figura 43. Grafica de la ecuación logarítmica del comportamiento de la temperatura del electrolito – Primera parte ... 73

Figura 44. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la temperatura en el burbujeador – Primera parte ... 74

Figura 45. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la temperatura en el burbujeador – Segunda parte ... 74

Figura 46. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la conductancia en el burbujeador – Primera parte ... 75

Figura 47. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la conductancia en el burbujeador – Segunda parte ... 75

Figura 49. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la conductancia en el burbujeador – Segunda parte ... 76

(18)

Figura 51. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la temperatura en el

burbujeador – Segunda parte ... 77

Figura 52. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la temperatura del electrolito – Primera parte ... 78

Figura 54. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la temperatura en el burbujeador – Segunda parte ... 79

Figura 56. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la conductancia en el burbujeador –Segunda parte ... 80

Figura 57. Grafica de la ecuación lineal del comportamiento de la temperatura del anticongelante – Primera parte ... 80

Figura 58. Grafica de la ecuación cuadrática del comportamiento de la temperatura del anticongelante – Segunda parte ... 81

Figura 59. Grafica de la comparación de resultados de la conductancia en el burbujeador ... 82

Figura 60. Grafica de la comparación de resultados de la temperatura en el burbujeador ... 83

Figura 61. Grafica de la comparación de resultados de la temperatura del electrolito ... 84

Figura 62. Grafica de la comparación de resultados de la temperatura del anticongelante. ... 85

Figura 63. Propuesta de diseño de un nuevo electrolizador alcalino completo ... 86

Figura 64. Propuesta de diseño de un nuevo rack para los electrodos en un electrolizador alcalino ... 86

Figura 65. Propuesta de diseño de un separador de fases para un electrolizador alcalino ... 87

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ÍNDICE TABLAS

Tabla 1. Propiedades básicas del Hidrógeno ... 19

Tabla 2. Propiedades de los combustibles ... 20

Tabla 3. Densidades de los combustibles ... 20

Tabla 4. Coeficientes de temperatura entre 25 y 50°C (% de cambio de conductividad por °C) .. 37

Tabla 5. Primer listado de materiales ... 45

Tabla 6. Simbología del código ASME ... 47

Tabla 7. Diagrama de Flujo preliminar ... 47

Tabla 8. Plan de aseguramiento ... 48

Tabla 9. Análisis FODA del producto ... 50

Tabla 10. Verificación y revisión del diseño ... 52

Tabla 11. Especificaciones de los materiales finales ... 55

Tabla 12. Diagrama final del proceso de manufactura ... 59

Tabla 13. Análisis FODA del proceso de ensamble ... 60

Tabla 14. Datos recabados de la primera prueba ... 66

Tabla 15. Datos recabados de la segunda prueba ... 68

Tabla 16. Datos recabados de la tercera prueba ... 71

Tabla 17. Comparación de resultados de la conductancia en el burbujeador ... 81

Tabla 18. Comparación de resultados de la temperatura en el burbujeador ... 82

Tabla 19. Comparación de resultados de la temperatura del electrolito ... 83

Tabla 20. Comparación de resultados de la temperatura del anticongelante ... 84

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad la humanidad está empezando a utilizar otros tipos de combustible que no sean hidrocarburos, esto debido a que cada vez son más las tecnologías que se desarrollan en el mundo para el aprovechamiento de los recursos naturales sin hacer un daño considerable al medio ambiente. Este cambio de conciencia se generó a partir de que el uso desmedido de combustibles contaminantes durante las décadas anteriores dañó o extinguió lagos, bosques, flora y fauna de diversos ecosistemas, debido a estos cambios y la explotación de esos hábitats, el ser humano se ha visto obligado a aprovechar energías limpias en diferentes áreas como lo es la solar, eólica, hidráulica, biomasa, mareomotriz, geotermia, etc., y utilizar combustibles alternos como los biocombustibles y el hidrógeno.

Los hidrocarburos representan más del 91.5% de la oferta energética en México, aunque también cuenta con vastos recursos naturales, los cuales se pueden aprovechar para generar energías limpias o renovables, a partir del 2008 México asumió el objetivo de promover el uso de las energías renovables y reducir la dependencia a los combustibles fósiles con la aprobación de la Ley sobre el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética, así como de la Ley para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía [1]. Finalmente, en el 2015, La Ley de Transición Energética (LTE) (publicada en el Diario Oficial de la Federación el 24 de diciembre de 2015), tiene por objeto regular el aprovechamiento sustentable de la energía, así como las obligaciones en materia de energías limpias y de reducción de emisiones contaminantes de la industria eléctrica, manteniendo la competitividad de los sectores productivos. La LTE ordena que, en los proyectos de generación de energía eléctrica limpia, se lleve a cabo la Evaluación Ambiental Estratégica [2].

Por lo anteriormente mencionado, el desarrollo de este trabajo está basado en la obtención de hidrógeno verde, el cual se obtiene de energía renovable, la cual se utiliza en el proceso de electrólisis que es la descomposición del agua por la acción de una corriente eléctrica. El hidrógeno ha sido ampliamente aceptado como un elemento portador de energía limpia, segura y sostenible.

El hidrógeno tiene el potencial de proporcionar energía descentralizada a los sectores de transportación, industria, construcción y puede complementar la red de distribución eléctrica actual. El hidrógeno es el elemento más abundante, ligero y simple del universo, constituye el 90%

de toda la materia. El hidrógeno no existe de forma libre como gas en el planeta, éste debe ser

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obtenido a partir de un compuesto rico en hidrógeno, actualmente la mayor generación de hidrógeno se realiza a través del reformado del gas natural, aunque puede ser obtenido de otros hidrocarburos a partir de procesos de oxidación parcial. Otros métodos de producción de hidrógeno cada vez más común contempla la electrólisis del agua utilizando electrolizadores alcalinos o de membrana de intercambio protónico, donde se lleva a cabo el rompimiento molecular del agua con energía eléctrica. Los electrolizadores alcalinos son los más utilizados, estos trabajan con una solución alcalina de KOH y NaOH, denominada electrolito líquido. Este método no produce emisiones, sin embargo, actualmente el costo de producción aún es mayor que el reformado de hidrocarburos, debido a que requiere energía eléctrica que en muchos casos es más costosa que los combustibles fósiles y lo peor es que se produce en termoeléctricas que consumen carbón y gas natural. Pero como toda tecnología en un comienzo es costoso, hasta que su producción es a gran escala llega a ser accesibles para la sociedad [3].

Este trabajo de tesis tiene como objetivo, realizar mejoras en el sistema de electrólisis alcalina, al optimizar el proceso de purificación del gas generado en el electrolizador, debido a que, en experimentaciones recientes, se han encontrado residuos de electrolito, que es una sustancia corrosiva, en las cámaras de combustión de motores de prueba. Se implementó un proceso de control de temperatura para reducir la evaporación y reducir el arrastre del electrolito. Para lograr este objetivo la tesis cuenta con los siguientes capítulos.

En el capítulo 1 se realiza una revisión del estado de la ciencia sobre electrólisis alcalina, purificación de gases, sistemas de refrigeración, así como sistemas autónomos para gestión de energía. En la revisión del estado de la técnica se revisaron patentes de electrolizadores alcalinos, algunos con sistemas de purificación no viables desde el punto de vista comercial. Se plantea la problemática a resolver con la realización de este trabajo de investigación.

En el capítulo 2 se describen las ecuaciones que rigen el comportamiento de los electrolizadores alcalinos, de igual forma los modelos más importantes encontrados en la literatura, además, la literatura de la metodología APQP (Planificación Avanzada de la Calidad del Producto) con la explicación de sus etapas, el funcionamiento de los sistemas de refrigeración, así como la conductividad iónica del electrolito.

En el capítulo 3 se muestra el desarrollo de las primeras tres etapas de la metodología APQP para el diseño y manufactura de los sistemas auxiliares para el electrolizador alcalino.

(22)

Finalmente, en el capítulo 4 se desarrollan las últimas dos etapas de la metodología APQP, basándose en los resultados obtenidos mediante la experimentación en diferentes escenarios posibles, para posteriormente realizar una comparación de resultados y evaluar cuales fueron las ventajas que se alcanzaron y cuales podrían ser las posibles mejoras a futuro. Se finaliza el trabajo con las conclusiones, referencias y apéndices.

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CAPÍTULO I

ESTADO DEL ARTE

“Si no lo puedes explicar de forma simple, no lo entiendes suficientemente bien”

Albert Einstein

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1.1 GENERALIDADES

El uso de las energías renovables para la disminución del consumo de combustibles fósiles, siguen siendo un desafío, ya que los hidrocarburos siguen siendo parte del día a día de la sociedad actual, y no se podrán prescindir de ellos en un futuro cercano. El hidrógeno es una de las grandes apuestas en conjunto con las energías renovables, desde su aplicación en celdas de combustible para motores eléctricos o complemento en la mezcla del combustible de los motores de combustión interna. El hidrógeno se puede obtener por varias formas, una de ellas es por electrólisis utilizando un electrolizador alcalino, en el cual se descompone la molécula del agua (H2O) por medio de corriente continua aplicada directamente a dos electrodos, (+) ánodo (se genera el oxígeno) y (-) cátodo, (se genera el hidrógeno) sumergidos en una disolución de KOH o NaOH. Si el electrolizador alcalino no tiene membrana separadora entre los electrodos, ambos gases, el hidrógeno y el oxígeno salen como una mezcla, denominado gas oxihidrógeno (con una relación volumétrica de 2:1 respectivamente). En la presente investigación se realiza un estudio de mejora al sistema de producción de gas oxihidrógeno, evaluando las distintas temperaturas del equipo y los niveles de conductividad en los sistemas de purificación, con la finalidad de evitar el arrastre de electrolito.

Para el control de temperatura se integró un sistema de refrigeración en el recirculador, donde existe la separación de fases del electrolito líquido y el gas oxihidrógeno, con un sistema innovador que entrega una alta pureza en este gas. Además, se hace un análisis de los artículos y patentes existentes del tema para adquirir un entendimiento más profundo sobre estudios ya realizados, de esta manera aprovechar varias áreas de oportunidad.

1.2 ESTADO DE LA CIENCIA

Este apartado contiene una compilación de resultados de diferentes autores, obtenidos de sus investigaciones sobre sistemas de electrólisis alcalina, para establecer que es lo que se ha hecho sobre el tema y tener referencias sobre el desarrollo que ya existe y lo que falta según la problemática establecida en el grupo de trabajo del IPN. El estado del arte presenta las investigaciones que se han realizado y cuáles han sido sus resultados, datos faltantes, preguntas que no se han resuelto aún, etc. Además, se analizarán las metodologías de trabajado más utilizadas y se determinarán cuáles han sido las más efectivas. Permitiendo así proponer los alcances y las limitaciones de esta investigación. A continuación, se muestra la exploración del estado del arte

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con las investigaciones más distintivas respecto a la electrólisis alcalina, óxidos sólidos y de membrana de intercambio protónico (PEM).

Kreutert W., et al., (1998). Este trabajo muestra todos los elementos necesarios para poder llevar a cabo un proceso de electrólisis cumpliendo con los parámetros mínimos para su funcionamiento, menciona que la electrólisis no es un proceso novedoso, su principio se descubrió en el siglo XIX, pero las primeras plantas funcionales con electrolizadores fueron hasta el siglo XX. De lo más notable, es que los electrolizadores alcalinos utilizan sistemas de refrigeración de agua para mantener una temperatura de operación estable [4].

Youngjoon S., et al., (2007). Este trabajo muestra la mejora de eficiencia que se puede tener en los electrolizadores de óxido sólido debido a sus altas temperaturas. En estos equipos el proceso de electrólisis se lleva a cabo por encima de los 700 °C, se decide aprovechar ese calor recirculándolo por turbinas de helio, obteniendo así un rendimiento mayor ya que se suma la energía que proporciona el electrolizador, obteniendo así hidrógeno y energía eléctrica limpia [5].

Yu B., et al., (2010). Este trabajo investigó la electrólisis desde el punto de vista de vapor a altas temperaturas, es decir elevar la temperatura del electrolito hasta que llegue a un punto de vapor, el cual pasa por todo un sistema controlando la recirculación, el calor también es aprovechado en turbinas de vapor. Se encontraba en etapa de experimentación, pero su finalidad es producir hidrógeno en grandes cantidades [6].

Zeng K., et al., (2010). Este trabajo menciona las restricciones físicas que se tienen que compensar para poder realizar un proceso de electrólisis más eficiente, las resistencias de reacción, de transporte y eléctricas son los principales objetivos a minimizar para mejorar el sistema global. La resistencia de transporte iónico es la más factible de minimizar, ya que en general se debe a que la producción de gas OH2G genera burbujas, las cuales van incrementando una pérdida de flujo iónico entre los electrodos, lo que representa mayor resistencia, elevando la temperatura. Se realizan diferentes experimentos con KOH y NaOH variando su porcentaje por volumen, al igual que varían los metales en los electrodos [7].

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Mazloomi S.K., et al., (2012). Este trabajo investigó los factores más significativos en el proceso de electrólisis, como lo es el electrolito y como circula y se distribuye por el electrolizador, así como la presión y la temperatura que se genera dentro del proceso de electrólisis, la resistividad de los electrodos, además de los materiales. En cuestión del electrolito se menciona el uso de 25-30%

de Hidróxido de Potasio (KOH); de los materiales para los electrodos se recomienda níquel (Ni), molibdeno (Mo) o aleación de ambos, además, menciona temperaturas de 200 °C con una densidad de corriente de 200 mA cm^-2, respecto al acomodo y resistencia de los electrodos señala que deben ser acorde al tipo de electrolizador que se esté implementando [8].

Manabe A., et al., (2013). Este trabajo muestra varios de los problemas técnicos que se presentan en la electrólisis del agua para obtener hidrógeno. Se evaluaron electrodos, los cuales son mallas de Níquel (Ni) y con revestimiento de Ni, y como solución acuosa se puede utilizar NaOH, pero se menciona que este electrolito es más compatible con Titanio (Ti), por lo que se opta por KOH.

Dentro de la experimentación, agregan una membrana como separador, la cual afecta la producción de HHO dependiendo de la porosidad, también utilizaron una membrana hidrofóbica [9].

Buttlera A., et al., (2017). Este trabajo se centró en la electrólisis del agua como fuente de hidrógeno y su acoplamiento con energías limpias para suministrarle al electrolizador la potencia necesaria. Las principales tecnologías de la electrólisis son la electrólisis alcalina (proceso más conocido, obtiene O2 y H2 con 99% de pureza con KOH como solución acuosa), electrólisis por membrana de intercambio de protones (PEM, la cual mediante la membrana produce hidrógeno y oxígeno de manera separada) y electrólisis de óxidos sólidos (temperaturas mayores a 700°C, electrolito sólido). Depende del uso que se requiera es que se puede determinar qué tipo de tecnología es la seria más eficiente, no existe una óptima, depende de las condiciones [10].

Feynerol V., et al., (2017). Este trabajo estudió la reactividad de partículas de óxido de hierro en suspensión en el electrolito dentro de un proceso de electrólisis. Una de las muestras del electrolito fue realizado con 50 % w de NaOH, en las demás se agregaron partículas de hierro de tres tipos, hematita, magnetita y geotita. Todas las pruebas fueron realizadas con la misma intensidad de corriente [11].

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Existen pocos sistemas del proceso de purificación de hidrógeno publicado en artículos, se describe el más representativo.

Schorer L., et al., (2019). Este trabajo se realizó en la purificación electroquímica del hidrógeno basado en una membrana de intercambio protónico (PEM-EHP), el proceso de purificación se divide en tres pasos, el primero es la oxidación anódica selectiva electro-catalizada de moléculas de hidrógeno a protones, la segunda es la migración de esos protones a través de un electrolito (PEM) y la tercera etapa seria la reducción catódica electro-catalizada de los protones al hidrógeno molecular del otro lado de la membrana con una elevada presión de hasta 50 bar, en la experimentación la restricción fue la temperatura, se detuvo cuando se aplicaron 45 A, las mezclas de gas fue de hidrógeno puro e hidrógeno con nitrógeno con diferentes porcentajes, logrando la purificación del hidrógeno casi en su totalidad [12].

A continuación, se muestra la exploración del estado del arte con las investigaciones más distintivas respecto a la combustión dual en motores a diésel y gasolina con hidrógeno.

MacCarley C. A., et al., (1980). Este trabajo, a pesar de los 40 años de su publicación, se ensayó la combustión dual de diésel-hidrógeno. Se quería lo que a lo largo de estos años se ha requerido, bajar los niveles de los contaminantes en estas máquinas, por lo que el experimento se realizó en dos etapas, la primera se inyecto hidrógeno de forma directa en la cámara y la segunda mediante un inyector con un control electrónico. El último fue factible, pero se requiere más control sobre el sistema electrónico, además de una carga constante al motor para que se pudieran observar bien los niveles de los NOx [13].

Verhelst S., et al., (2001). En este trabajo se realizó en la Universidad de Ghent, transformaron a un motor Crusader V8 para que trabaje con hidrógeno con un sistema secuencial de inyección multipunto cronometrado. Debido a que el hidrógeno tiene diferentes propiedades explosivas, se adecuaron los parámetros de tiempo de encendido como el tiempo de inyección, y como resultado, obtuvieron una mayor potencia del motor sin peligro de contra producción, con una reducción bastante considerable de gases contaminantes, pero con inconvenientes para considerarlo como un experimento exitoso, ya que debido a la alta inflamabilidad del hidrógeno, la corrección de la

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inyección en las cámaras se tiene que estar corrigiendo al momento de estar variando la velocidad [14].

Khas H., (2002). Este trabajo se centró en la implementación de hidrógeno en motores a gasolina y diésel, sin hacerles alguna modificación importante a los motores. Se realizo para poder demostrar la reducción de contaminantes tales como los NOx, estos fueron debido a la recirculación de gases de escape, pero al bajar los NOx, se reduce el rendimiento del motor, por lo que no se puede hablar de una buena eficiencia del motor manteniendo los niveles de NOx bajos, al menos no con las configuraciones actuales de los motores. Dentro de la configuración implementada, utilizó tanques de hidrógeno, no realizo ningún tipo de electrólisis. Se encontró un mejor rendimiento dentro de los motores a gasolina que a diésel [15].

N. Saravanan, et al., (2007). Este trabajo se realizó en un motor diésel de pruebas, en el cual se le agrega hidrógeno comprimido de un tanque. El motor es de un solo cilindro de cuatro tiempos, enfriado por agua, con aspirado de aire normal y puede alcanzar las 1500 rpm. Se le hicieron unas ligeras modificaciones en la sección de la succión del aire del motor para la entrada del inyector de hidrógeno colocándolo encima de la válvula de admisión a una distancia de 13 mm. Las pruebas fueron en diferentes tiempos la inyección del hidrógeno y posteriormente se fue incrementando la cantidad del mismo. Como resultado se logra reducir las emisiones de CO y CO2, menciona que se puede mejorar aún más si se tiene una inyección adecuada en el tiempo [16].

N. Saravanan, et al., (2008). En este trabajo se realizó un análisis de un motor diésel, pero comparando dos escenarios posibles (hidrógeno - diésel e hidrógeno - éter dietílico) con el uso regular del diésel. En ambos escenarios se redujo la generación de gases contaminantes, pero con una ligera ventaja con el hidrógeno - diésel. Se observa que con la mezcla de hidrógeno - éter dietílico, existe un golpeteo en el motor, debido a la alta inflamabilidad de ambas sustancias. La combinación de hidrógeno - diésel, fue la que presenta mejores resultados en eficiencia contra emisiones de gases [17].

Shirk M., et al., (2008). Este trabajo se desarrolló en diferentes motores, tanto a gasolina como a diésel, el motor de cuatro cilindros Chevrolet Equinox es a gasolina, mientras que aparte se utilizó

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un pequeño a diésel, en los cuales se hicieron modificaciones para que pueda llevar una combustión dual con hidrógeno. En las pruebas con el motor estacionario a diésel, no se vio afectado en la cuestión de la estabilidad con la adicción de hidrógeno, obteniendo un ahorro del 10% del combustible. En las pruebas con el motor de gasolina, no se afectó la estabilidad del motor, ni se atentó contra la seguridad del vehículo al aportar hidrógeno a la mezcla delcombustible, en cuestión de los gases contaminantes se tuvo una reducción significativa, pero los NOx no se ven mermados con o sin aporte de hidrógeno [18].

Gomes J., et al., (2009). En este trabajo se estudió el funcionamiento de un motor diésel de un cilindro, se configuró para que pudiera ser alimentado por inyección de hidrógeno, pero para que la combustión fuera satisfactoria, se requirió el uso de calefacción en la entrada del aire para motor, con esta modificación, se tuvo un incremento en la potencia del 14% aproximadamente respecto al uso exclusivo del diésel, además, un aumento en la eficiencia del motor en casi 43%, y una alta reducción de gases contaminantes. Pero se observa que, con la mezcla de aire caliente e hidrógeno, existe un incremento de presión en el cilindro en combustión máxima, ya que no se utiliza ningún tipo de inyector y al mejorar estos puntos, beneficiaria la eficiencia del motor [19].

N. Saravanan, et al., (2009). Este trabajo desarrolló la combustión dual de gas de hidrógeno y diésel, pero sin realizar alguna modificación al motor de un cilindro, el gas de hidrógeno se inyectó en el colector de admisión y el diésel se introdujo de forma convencional. De lo más sobresaliente es la reducción considerable de los gases contaminantes en comparación del uso regular del diésel.

Pero debido a la velocidad e inflamabilidad del hidrógeno, se presenta un ligero incremento en la presión del cilindro al momento de la explosión, pero no afecta la estructura general del motor, siendo la mezcla de hidrógeno - diésel una buena opción para reducir los contaminantes [20].

Escalante M.A., et al., (2010). Este artículo presentó una reseña de varios trabajos similares de combinación de combustible diésel con hidrógeno (líquido y sólido). Hidrógeno & Aire: con una pequeña cantidad de hidrógeno se puede realizar la combustión, pero existe un valor límite que puede afectar la reducción de potencia de salida y la capacidad calorífica de la mezcla. Hidrógeno líquido: se mantiene en este estado, para su almacenamiento y transporte, pero al momento de pasar a la cámara de combustión, se inyecta en estado gaseoso, debido a la temperatura a la que se encuentra, además, enfría el motor ya que baja la temperatura de inyección y algunas regiones de

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la cámara de combustión. Hidrógeno & diésel: el diésel funciona como fuente de ignición, pero menciona que el hidrógeno se suministra hasta llegar a las 1500 rpm, en esta mezcla se observa una mejor eficiencia del motor y rediciendo las emisiones de monóxido de carbono [21].

Sopena C., et al., (2010). Este trabajo se centró en la modificación del motor de un vehículo Volkswagen-Polo a gasolina, para poder agregar a la mezcla hidrógeno en lugar de gasolina. El motor es de cuatro cilindros, en la entrada de cada una de la admisión de aire fue adaptado un sistema de inyección de hidrógeno (tanque comprimido), el cual es ayudado a mantener una estabilidad de temperatura con Nitrógeno, dado la volatilidad y volumen del hidrógeno solo fue viable por encima de 4000 rpm. Todo el experimento fue en un ambiente controlado, en el cual el vehículo es montado sobre un dinamómetro. Con los datos obtenidos se concluye que, para ser una adaptación, el rendimiento del vehículo puede superar el 50% que podría esperarse con gasolina [22].

Tien H., et al., (2011). En este trabajo, se modificó un vehículo Toyota Corolla de 4 Cil., la modificación se efectuó en su modalidad de trabajar mediante gasolina o hidrógeno, pero no ambas, la parte medular del trabajo, es la red neuronal creada para el análisis de datos y con esto la predicción con precisión de los efectos diferentes en las diferentes condiciones al momento que el vehículo era usado con hidrógeno. El efecto del estudio fue monitorear el comportamiento del hidrógeno en el motor de gasolina, y poder controlar los parámetros que difieren respecto al uso regular del combustible, dentro de los que afecta es la inyección de hidrógeno, tiempos de encendido de la chispa y sincronización entre ellas, además de la presión de combustible en función de carga y velocidad [23].

Musmar S., et al., (2011). Este trabajo se estudió la mezcla de gas HHO (hidrógeno, hidrógeno y oxígeno, a.k.a. Oxihidrógeno) en un motor de un solo cilindro Honda G200 de prueba, del cual se medirán los gases NOx, CO, CO2, y O2 de salida para ver la reducción de los contaminantes. El gas oxihidrógeno es producido de un electrolizador de celda húmeda, el cual una vez obtenido se inyecta posterior al filtro de aire, pero antes de la inyección del carburador, subsiguientemente ambas mezclas van directo a la cámara de combustión. Obteniendo un ligero incremento en la

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eficiencia del motor con una reducción de combustible, pero bajando los niveles de los gases contaminantes y de igual forma un decremento en la temperatura [24].

Sáinz D., et al., (2011). Este trabajo realizó una modificación dentro del motor de un generador para que pudiera trabajar en una combustión dual hidrógeno-gasolina. El motor (MOSA GE 10000 BES/GS) es de un cilindro, de cuatro tiempos, la entrada de la gasolina es mediante carburador (modificado para inyección doble) y se realizó una modificación para el encendido electrónico por chispa, además se colocaron sensores para monitorear el funcionamiento. Debido a que el generador no tiene un catalizador, la reducción en los gases contaminantes puede variar respecto a uno que, si tenga, pero en general la reducción de estos en especial de los NOx fueron muy por debajo que cuando se ocupó gasolina como único combustible [25].

Xuesong W., et al., (2011). Este trabajo se enfocó en la variación de mezclas para inyección de combustible en un motor de un cilindro, encendido por chispa. Se realizaron pruebas con tres diferentes combustibles: DMF (dimetilfurano C6H8O), Etanol (C2H6O) y Gasolina (C2-C14), las dos primeras siendo mezcla con la gasolina. A pesar de que en este artículo no se hace una mezcla con el hidrógeno, da la pauta para identificar otros combustibles están siendo objeto de estudio para poder reducir en gran medida los gases contaminantes como lo concluye este trabajo en la reducción de NOx, HC y CO [26].

Boretti A., et al., (2013). En este trabajo se presentó el desarrollo de la simulación de un motor de dos tiempos con hidrógeno, con la capacidad de un litro, con la finalidad de reducir las emisiones contaminantes y haciéndolo muy económico en la parte de consumo de combustible. En la simulación (software WAVE) compara dos tipos de motores, el motor convencional de dos tiempos (dos cilindros) y el motor diseñado por ellos (Scalzo), en la cual, el motor Scalzo llega a tener un 30% de eficiencia más que el motor convencional, debido a que la inyección del hidrógeno es directa en la cámara de combustión sin una válvula de admisión, después de cerrar el puerto de escape. Esta propuesta es factible en motores pequeños y dentro de un entorno controlado, pero un factor importante es el almacenamiento del hidrógeno en un ambiente de trabajo pesado [27].

Oliveira A., et al., (2013). Este trabajo se enfocó en el desarrollo de un sistema de inyección electrónica de hidrógeno en un motor de cuatro cilindros comercial a diésel. La modificación en

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este trabajo fue que el hidrógeno y el diésel, fueron inyectados directamente antes de la cámara de combustión en la entrada de cada uno de los cilindros, teniendo en cuenta la variación de 0 al 20%

de diferencia entre las mezclas. El valor agregado en el trabajo fue el sistema de inyección de hidrógeno ya que, mediante los sensores de velocidad, se agregaba las cantidades correctas de hidrógeno, lo que haia que las concentraciones de hidrógeno fueran constantes, no obstante, no se midieron los gases contaminantes [28].

Midhat T., et al., (2014). Este trabajo presentó el estudio de combustión con hidrógeno, en un motor diésel realizando lecturas de gas en uno de los cilindros. Se realizaron diferentes tipos de mezclas, respetando los mismos parámetros de inyección de diésel, con esto se obtuvo una disminución en la salida de monóxido de carbono, y una ligera disminución en los NOx. Cabe mencionar que el experimento fue en un motor Ford Duratorq de 4 cilindros, pero los datos solo se tomaron desde uno de los cilindros, además, el hidrógeno alimentado fue de un cilindro a presión.

Dentro de todos los parámetros que se formularon, a baja carga del motor con la aplicación de hidrógeno, los gases contaminantes no diferenciaban mucho de los que normalmente expide un motor diésel, pero aumentaban cuando las temperaturas internas de la maquina excedían la temperatura de la formación de los NOx [29].

Hardman S., et al., (2015). Este trabajo realizó un estudio de los nuevos vehículos con pilas de combustible que están desarrollando grandes compañías como Tesla, Nissan, Volkswagen entre otras. Es decir, automóviles que son eléctricos, pero se siguen alimentando de la red eléctrica, los cuales no generan ningún contaminante directo, pero todavía no tienen un gran auge porla disminución de contaminantes, además de que sus precios son elevados. Es por eso que se compara con vehículos con adición de hidrógeno, pero estos todavía no tienen una buena infraestructura, como son las estaciones de recarga de combustible, por lo cual no son todavía competidores de los vehículos eléctricos con baterias. Por lo que se debe de invertir en la mejora de vehículos eléctricos alimentados con hidrógeno y su infraestructura [30].

Karagöz Y., et al., (2015). En este trabajo se implementó un sistema de enriquecimiento de hidrógeno en un motor de gasolina con encendido con chispa. Las pruebas fueron en un motor Peugeot de 1.1 L de cuatro cilindros sin hacerle ninguna modificación significativa, solo para la

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inyección del gas oxihidrógeno en el colector de admisión. Se realizaron diferentes experimentaciones alternando los parámetros de incremento de hidrógeno en la alimentación, desde cero hasta un 15%. El gas oxihidrógeno (HHO) se obtiene mediante electrólisis del agua, al sistema le agregaron un burbujeador y válvulas de seguridad, además de algunos medidores de hidrógeno. Como resultado de la mezcla agregada, mejoró el rendimiento del motor, así como disminución en los CO, pero aumentan los niveles de NOx, se espera que mediante un mayor control sobre el control de la chispa se podría ir mejorando estos niveles de contaminantes [31].

Mohamed M., et al., (2016). Este trabajo realizó un sistema de adicción de gas HHO en un motor Skoda Felicia de cuatro cilindros para ver los efectos en el rendimiento y emisiones. La producción de HHO fue mediante un electrolizador de celda seca (serie-paralelo), y la electricidad suministrada para el proceso de electrólisis fue por medio de una batería convencional. El suministro de HHO fue en el colector de admisión antes de los inyectores de combustible, y la mezcla va directo a la cámara de combustión. Para la generación de HHO, se hicieron dos vertientes, una con KOH y NaOH a diferentes concentraciones, de las cuales la mejor fue 6% de KOH. La reducción de los gases contaminantes fue sustancial en un promedio del 15% menor [32].

Kaan M., et al., (2016). En este trabajo se experimentó con un motor Mitsubishi Canter 4D34 a diésel de cuatro cilindros, el cual fue modificado para comparar el rendimiento de diferentes mezclas de combustible, como lo es biodiesel (girasol) con oxihidrógeno e hidrógeno puro. El hidrógeno es agregado de un cilindro comprimido, y la prueba es en un ambiente controlado con un dinamómetro, las mezclas de combustible llegan posterior a la entrada de aire en la cámara de mezclado directo al motor. La producción de oxihidrógeno la obtienen de electrólisis en un electrolizador de celda seca con KOH como electrolito, como medio de alimentación eléctrica utiliza una batería de 24V, utiliza 30A para poder producir 10 Lmin^-1. Se concluye que la mejor vertiente del experimento es la mezcla con oxihidrógeno, ya que al tener una parte de oxígeno enriquece a la mezcla, cabe destacar que los contaminantes son reducidos en gran medida, excepto por los NOx [33].

Yasin K., et al., (2016). En este trabajo se estudió el efecto del enriquecimiento de hidrógeno mediante inyección controlada en un motor diésel CFR de pruebas de un cilindro. El hidrógeno

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proviene de un tanque con toda una línea de válvulas de seguridad y arrestador de llama, y se inyecta junto con el diésel antes del punto muerto superior en la cámara de combustión. El hidrógeno se inyectó en tres fracciones 0, 22 % y 53%, con estas mezclas se obtuvo una temperatura de 1360 °C, 1355 °C y 1453 °C respectivamente. Como resultado se determinó que con el 22% de hidrógeno se redujo la temperatura del cilindro en 22 % al contrario de 53% que se incrementó en un 6.85 %. Además de estos datos se concluye que hubo una mayor reducción de gases contaminantes con el 22 % de hidrógeno en la mezcla [34].

Ardo S., et al., (2018). Este trabajo describe las tecnologías que actualmente existen en relación a la producción electroquímica de hidrógeno utilizando energía solar. Básicamente con la energía que generan los paneles solares, se realiza la electrólisis del agua para obtener hidrógeno y este se almacena o se utiliza para generar energía eléctrica. Se detallan varios enfoques como los impactos económicos, políticos, sociales entre otros y se evalúa a corto y largo plazo estos mismos y como se proyecta en esos tiempos. Actualmente estos sistemas de solar-hidrógeno, son muy costosos y se encuentran en la industria espacial, militar y en la parte académica todavía en etapa de desarrollo, pero se desea su uso en las industrias, transportes, viviendas y lugares remotos [35].

1.3 ESTADO DE LA TÉCNICA

Schwartz, J., et al., 2007 (WO2008156995). La patente describe un sistema de purificación de hidrógeno para un vehículo con celdas de combustible, el cual está montado dentro del automóvil, el hidrógeno es producido por electrólisis PEM. El hidrógeno se purifica con una membrana, la cual tiene una capa de paladio que ayuda a separar las impurezas del hidrógeno, que es el monóxido de carbono. Además, el sistema aprovecha el calor generado por la electrólisis para calentar el sistema a la temperatura operativa, Figura 1.

Figura 1. No. WO2008156995

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Edlund, D., et al., 2003 (US20020083829). La patente describe la purificación de hidrógeno

mediante una membrana, la cual está constituida por paladio, carbono y silicio, esta purifica al hidrógeno posterior a la electrólisis el cual genera un gas mixto con oxígeno. El dispositivo tiene elevadas temperaturas de operación que van hasta los 700°C y puede soportar hasta 1000 psi.

Figura 2.

Figura 2. No. US20020083829

James, B., 2001 (US6329091). Esta patente describe un sistema compacto para purificar el

hidrógeno dentro de una celda de combustible, la cual consta de dos etapas, la primera etapa recibe suministro de hidrógeno a alta presión y una salida para expulsar el hidrógeno permeado, de la cual puede salir hidrógeno no permeado, y este se pasa a la segunda etapa el cual de igual forma a alta presión expulsa el hidrógeno permeado. La primera etapa contiene un hidruro metálico el cual es el que recibe el hidrógeno permeado y transfiere el hidrógeno a la celda de combustible, Figura 3.

Figura 3. No. US6329091

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Wen-Chang L. 2020 (US20200017982). Esta patente describe un equipo de suministro de gas oxihidrógeno, el cual se genera mediante el proceso de electrólisis. El sistema separa el gas hidrógeno del gas oxígeno y nos manda por diferentes ductos, los cuales se regula mediante válvulas y realiza una mezcla que al final está completamente regulada más allá de la relación dos a uno del gas oxihidrógeno convencional, Figura 4.

Figura 4. No. US20200017982

Schehr K. 2012 (US20120055778). Esta patente describe un sistema para purificación de agua, el cual mediante una celda de electrólisis genera gas oxihidrógeno, el cual se utiliza como combustible para quemar y elevar la temperatura de un depósito con agua contaminada, se lleva a cabo una evaporación y posteriormente la condensación del vapor de agua, la cual ya estará libre de impurezas, esta agua se recircula hacia el depósito de agua limpia para el proceso de electrólisis, Figura 5.

Figura 5. No. US20120055778

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He S. 2013 (CN103436907). Esta patente describe un dispositivo de electrólisis colocado en un vehículo, el cual utiliza hidróxido de sodio (NaOH) como solución acuosa y generar el oxihidrógeno, la celda de electrólisis tiene un marco metálico que ayuda a disipar electivamente el calor manteniendo la eficiencia de la electrólisis, Figura 6.

Figura 6. No. CN103436907

Ijiri M. 2017 (JP2018062688). Esta patente describe la aplicación de un sistema de vibración ultrasónico para celdas de combustible que puede instalarse en un vehículo. La parte de generación de gas oxihidrógeno mediante el proceso de electrólisis no presenta ningún cambio, la integración del sistema de vibraciones ultrasónicas es para evitar que las burbujas queden atrapadas entre los electrodos y eleve la eficiencia de la celda de electrólisis, Figura 7.

Figura 7. No. JP2018062688

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Asai H. 2018 (JP2018115354). Esta patente describe un sistema de suministro de gas oxihidrógeno que alimenta a un motor para limpieza, este sistema mediante el proceso de electrólisis genera gas una parte de oxígeno y dos partes de hidrógeno. Debido al uso de los combustibles habituales, las cámaras de combustión tienden a acumular contaminantes en las válvulas de admisión y causa deterioro, con el abastecimiento del gas oxihidrógeno se eliminan esas suciedades y mejorar el rendimiento del motor. Los electrodos del electrolizador son de Titanio (Ti) con un recubrimiento de Iridio (Ir), y la celda electrolítica está hecha de un vidrio transparente resistente al calor con propiedades de aislamiento, Figura 8.

Figura 8. No. JP2018115354

Hu Z. 2016 (CN205590289). Esta patente describe un dispositivo de limpieza de gas oxihidrógeno que evita el arrastre de líquido alcalino, este consiste en tres contenedores posteriores al proceso de electrólisis, el primero es un recirculador del gas, el segundo tiene una solución de agua neutra que funciona como burbujeador, y el tercero tiene un filtro de aire con un sensor de PH, posterior a esto una salida a la maquina donde se desee implementar el gas oxihidrógeno, Figura 9.

Figura 9. No. CN205590289

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1.4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el proceso de obtención de oxihidrógeno mediante la electrólisis alcalina, genera temperaturas cercanas a los 90 °C cerca del punto de ebullición del agua, por lo que facilita la evaporación del electrolito, y este se alimenta junto con el gas oxihidrógeno hacia la cámara de combustión o donde se requiera, por lo que se necesita que un reactor de electrólisis tenga sistemas auxiliares de control de temperatura y purificación de los gases generados.

Una de las razones de la baja eficiencia de un reactor que genera gas oxihidrógeno, son las altas temperaturas que alcanza el sistema después de algunas horas de trabajo continuo (> 5 h), ya que junto con el amperaje utilizado se sobrecalienta el reactor, dándose así la generación de vapor de agua con electrolito (disolución alcalina), dando como resultado procesos de corrosión en diferentes componentes del motor.

Por lo tanto, es indispensable optimizar los sistemas auxiliares, desarrollando un sistema de purificación de gas oxihidrógeno y un sistema autónomo de control de temperatura, para que el enriquecimiento de los hidrocarburos con oxihidrógeno disminuya el consumo de combustible diésel y una reducción de los gases contaminantes sin generar daños o procesos de corrosión en el motor.

1.5 SUMARIO

En este capítulo se presentó un análisis del estado de la ciencia y de la técnica relacionado con sistemas de combustión dual (diésel, gasolina, gas natural, gas LP, etc. - hidrógeno), sistemas de purificación de gases, así como purificación de hidrógeno, y sistemas de gestión de energía dentro de los vehículos, todo esto para tener una mayor perspectiva de todo lo que actualmente se está trabajando y aprovechar al máximo las áreas de oportunidad. En el siguiente capítulo se muestra los conceptos teóricos de la combustión dual, electrólisis alcalina, así como de los sistemas de purificación y sistemas de gestión de energía, y en función de esto, establecer el diseño de los sistemas auxiliares necesarios de un reactor que genere gas oxihidrógeno.

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