UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
OPTIMIZACIÓN DEL USO Y TIPO DE CATALIZADOR, PARA SU
EMPLEO EN UN
ELECTROLIZADOR TIPO PEM
TRABAJO FIN DE MÁSTER
MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLES
Autor: Daniela Lorena Canelas Montaño Director: José Javier López Cascales
Codirector: Paula López Marchante
Cartagena, 15 de julio de 2022
2 DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mis seres queridos que han estado siempre apoyando mis sueños e inculcándome que nada es imposible.
A mi abuelito Nicolás Quiroga, que allá donde te encuentres espero te sientas orgulloso.
3 AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer primeramente a Dios, por permitirme vivir esta experiencia y haber puesto en mi camino a personas increíbles.
Valoro inmensamente el apoyo del Dr. José Javier López en la realización del presente trabajo, un especial agradecimiento por su disponibilidad, paciencia y por darme la oportunidad de trabajar con él y aprender un poco acerca del mundo de la investigación.
Agradezco a todos los integrantes del laboratorio de electroquímica, a Andrés y Modesto por el apoyo a mi persona mientras realizaba las prácticas en laboratorio, y un especial agradecimiento a Paula, por su paciencia, su ánimo y por estar conmigo en cada paso para la realización de este proyecto.
A mis seres queridos, mi padre Víctor, mi madre María Antonieta, mi hermana Faviola y mi amado Dennis por su apoyo incondicional y estímulo para poder cumplir esta meta.
A la Fundación Carolina, por haberme concedido la beca de estudios, que ha sido el inicio de este trayecto.
4 INDICE
1. CAPITULO I: RESUMEN Y ABSTRACT ... 9
1.1. RESUMEN ... 9
1.2. ABSTRACT ... 10
2. CAPITULO II: INTRODUCCIÓN ... 11
2.1. Introducción ... 11
2.2. Objetivo del presente trabajo ... 12
3. CAPITULO III: FUNDAMENTOS TEORICOS ... 13
3.1. Aspectos generales ... 13
3.2. Características técnicas del hidrógeno con relación a las del gas natural. .... 14
3.3. Métodos de producción de hidrógeno. ... 14
3.4. ELECTRÓLISIS DEL AGUA ... 16
3.4.1. Introducción ... 16
3.4.2. Requerimientos energéticos ... 19
3.4.3. Aspectos termodinámicos ... 21
3.4.4. Eficiencia farádica ... 23
3.5. TIPO DE ELECTROLIZADORES ... 24
3.6. ELECTROLIZADORES DE MEMBRANA POLIMÉRICA (PEM) ... 26
3.6.1. Principio de la electrólisis en un electrolizador PEM ... 28
3.7. PARTES DE UN ELECTROLIZADOR TIPO PEM ... 28
3.7.1. Conjuntos de electrodos de membrana (MEA) ... 29
3.7.2. Platos colectores ... 30
3.7.3. Juntas de silicona ... 30
3.7.4. Malla distribuidora de corriente ... 31
4. CAPITULO IV: MATERIALES Y METODOS ... 32
4.1. Configuración elemental ... 32
4.2. Equipos e instrumentación ... 32
4.3. Catalizadores a utilizar ... 36
5 5. CAPITULO V: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL DE PREPARACION DE LA
MEA ... 37
5.1. Preparación de electrodos / preparación tintas catalíticas. ... 37
5.2. Transferencia del electrodo a la membrana polimérica (decalaje) ... 39
5.3. Generación de la MEA mediante hot press ... 40
5.4. Montaje electrolizador ... 42
6. CAPITULO VI: RESULTADOS ... 44
6.1. Estudio comportamiento catalizador IrO2,marca “AlfaAesar” ... 44
6.1.1. Empleo GDL Titanio para ambos electrodos ... 44
6.1.2. Empleo de diferentes GDLs eCoCell. ... 46
6.2. Estudio comportamiento catalizador IrO2, marca “American elements” ... 51
6.3. Estudio comportamiento catalizador IrO2/Ir ... 53
6.4. Estudio comportamiento catalizador Iridio Negro (Black Iridium) ... 55
6.5. Empleo de GDL eCoCell-NW-40-e en ambos electrodos ( experimento 13, Tabla 5) ... 56
6.6. Estudio comportamiento catalizador Pt/NiO2 ... 58
6.6.1. Estudio comportamiento catalizador Pt/nano-NiO2 ... 58
6.6.2. Efecto concentración catalizador Pt/nano-NiO2 ... 59
6.6.3. Estudio comportamiento catalizador Pt / micro- NiO2 ... 61
7. CAPITULO VII: RESUMEN DE RESULTADOS ... 64
7.1. Resumen comportamiento diferentes catalizadores ... 64
7.2. Resumen económico de los diferentes catalizadores empleados ... 66
8. CAPITULO VIII: CONCLUSIONES ... 68
BIBLIOGRAFIA ... 69
6 INDICE FIGURAS
Figura 1-- Demanda global de hidrógeno y sus diferentes aplicaciones [Kannah: 2021]
... 11
Figura 2-Símbolo del elemento químico hidrógeno [Morante: 2020] ... 13
Figura 3- Origen del hidrógeno producido actualmente [Linares: 2007] ... 15
Figura 4 -Métodos de obtención de hidrógeno [Rand: 2009] ... 16
Figura 5-Principio funcionamiento electrólisis [Estévez: 2021] ... 17
Figura 6-Circuito equivalente a las resistencias de una celda electrolítica [Cardona: 2012] ... 20
Figura 7-Diagrama esquemático de un agua típica. Sistema de electrólisis para la producción de hidrógeno [Zhang: 2010] ... 25
Figura 8- Elaboración de proyectos pilotos y demostrativos a magnitudes comerciales, 1990-2019[Morante: 2020] ... 27
Figura 9-Ilustración esquemática de la electrólisis del agua PEM [Kumar: 2019] ... 28
Figura 10-Vista esquemática de los componentes, principio de funcionamiento del electrolizador PEM [López: 2014] ... 28
Figura 11 - Fabricación de MEA [Fırtına: 2011] ... 30
Figura 12- Sello de silicona ... 31
Figura 13 - Malla distribuidora de corriente ... 31
Figura 14- Configuración elemental circuito electrolizador ... 32
Figura 15 -Balanza de precisión ... 33
Figura 16-Prensa manual ... 33
Figura 17-Campana extractora ... 33
Figura 18 - plancha caliente ... 34
Figura 19 - Fuente de alimentación ... 34
Figura 20 - Tanque almacenamiento agua ... 34
Figura 21-Bureta ... 34
Figura 22 - Maquina ultrasonido ... 35
Figura 23-Agitador Magnético ... 35
Figura 24-Pasos a seguir para la preparación de los electrodos ... 39
Figura 25 - Pasos a seguir para transferencia de tinta catalítica ... 40
Figura 26-Resultado final de membrana con la deposición de ambos electrodos a cada lado ... 40
Figura 27 - GDL's previo empleo prensa caliente... 41
Figura 28-Resultado final MEA ... 41
Figura 29- Pasos a seguir para el montaje de electrolizador ... 42
7
Figura 30- Montaje sistema electrolizador ... 43
Figura 31-Curvas de polarización experimento con Hot-press ... 45
Figura 32-Curva polarización experimento efecto sin hot press ... 46
Figura 33 - Curva polarización experimento 3 ... 47
Figura 34-Curva polarización experimento 4 ... 48
Figura 35 - curva polarización experimento 5 ... 49
Figura 36- Resumen curvas polarización catalizador IrO2, marca “AlfaAesar” ... 50
Figura 37 - Curva polarización IrO2 (American) ... 52
Figura 38 - Curva polarización IrO2/Ir ... 54
Figura 39- Curva polarización experimento Iridio Negro ... 55
Figura 40 - Curva polarización Iridio Negro (Black Iridium) - ecoGDL's en para ambos electrodos. ... 56
Figura 41-Contaminacion de los conductos debido a reacciones de oxidación en el lado del ánodo ... 57
Figura 42 - Curva polarización Pt/NiO2 (nano partículas) ... 58
Figura 43 - Curva polarización experimento PT/NiO2 (nano) mayor concentración .... 60
Figura 44- Curva polarización catalizador Pt/NiO2 (micro) ... 62
Figura 45-Resumen curvas ... 64
Figura 46-Densidad de corriente para 1.63V de los distintos ensayos ... 65
Figura 47- Rendimiento producción de hidrógeno para distintos catalizadores ... 66
Figura 48- Resumen precio de USD/cm2 de los catalizadores estudiados. ... 67
8
INDICE TABLAS
Tabla 1- Propiedades físicas (hidrógeno respecto del gas natural) [Morante: 2020] ... 14
Tabla 2 - Características de las tecnologías de electrólisis del agua [Sapountzi: 2017] ... 25
Tabla 3- Tinta catalizador catódico ... 37
Tabla 4 - Tinta catalizador anódico ... 37
Tabla 5 - Resumen condiciones operación de electrodos para los distintos experimentos (Elaboración propia) ... 38
Tabla 6 - Condiciones óptimas electrolizador ... 50
Tabla 7 - Análisis económico experimento para el estudio del IrO2, marca “AlfaAesar” ... 51
Tabla 8 - Análisis económico catalizador IrO2 (American) ... 53
Tabla 9 - Análisis económico (USD/cm2) - catalizador IrO2/Ir ... 54
Tabla 10- Análisis económico catalizador Iridio Negro ... 57
Tabla 11 - Análisis económico catalizador Pt/NiO2 (Nano partículas) ... 61
Tabla 12- Análisis económico catalizador Pt/micro-NiO2... 62
Tabla 13- Costo de catalizadores para la obtención de hidrógeno ... 66
CAPITULO I
RESUMEN Y ABSTRACT
9 1.
CAPITULO I: RESUMEN Y ABSTRACT
1.1. RESUMEN
La provisión de una fuente de energía renovable abundante, limpia y segura es uno de los desafíos tecnológicos clave que enfrenta actualmente la humanidad, al ser el hidrógeno verde un vector energético, llega a ser éste un punto clave para alcanzar la descarbonización del planeta y cumplir con los compromisos marcados para 2050 en la lucha contra el cambio climático.
El hidrógeno puede ser obtenido por electrólisis del agua por medio de energía convencional o mediante el uso de energías renovables. Ahora bien, refiriéndonos al desarrollo sostenible e impacto ambiental, la electrólisis del agua a partir de un electrolizador tipo membrana polimérica (PEM) se considera como una de las técnicas más prometedoras por su alta eficiencia de producción de hidrógeno puro. Su obtención a partir de fuentes de energía renovables, emite únicamente oxígeno como subproducto sin ninguna emisión de carbón, lo que la convierte en una tecnología atractiva a largo plazo. Sin embargo, el desarrollo de estos electrolizadores queda limitado por el elevado precio y la escasez de los compuestos que son empleados, tal como los catalizadores.
El objetivo del presente trabajo es encontrar el catalizador óptimo (tanto por su rendimiento como de coste) para ser utilizado en un electrolizador tipo PEM, con el fin de tenerlo presente en futuros trabajos en nuestro grupo de investigación. Para ello, emplearemos distintos catalizadores anódicos como el óxido de iridio, el Iridio Negro (Black Iridium) y una mezcla de platino/óxido de níquel, con el fin de realizar un análisis técnico económico de todos ellos y obtener el catalizador ideal para la producción de hidrógeno mediante el electrolizador tipo PEM y de esta manera dar paso a la disminución de inversión en la producción de hidrógeno a nivel comercial e industrial.
Primeramente se compararán el comportamiento en el electrolizador de los distintos catalizadores, y se obtendrán las condiciones de operaciones ideales, posteriormente se estimarán los rendimientos farádicos de cada catalizador y por último se realizará un análisis económico para conocer cuál de los catalizadores presenta mayores beneficios técnico-económicos. De igual manera se estudiará y se evaluarán distintas capas de difusión ( GDL por sus siglas en inglés), tales como la convencional de titanio, junto con las eCoCell diseñadas y fabricadas por la Universidad Politécnica de Cartagena para acreditar que es posible obtener resultados óptimos a menor costo.
Por lo tanto, en este trabajo nos centraremos en el estudio de distintos catalizadores anódicos para identificar la mejor configuración a emplear en el electrolizador tipo PEM.
10 1.2. ABSTRACT
A clean, abundant, and safe source of renewable energy is one of humanity's biggest technological challenges. Green hydrogen, as a power vector, becomes a key component of achieving the decarbonization of the planet and meeting environmental commitments by 2050.
Electrolysis of water can produce hydrogen through conventional energy or through the use of renewable energies. As a result of its high efficiency in producing pure hydrogen, electrolysis of water with a polymeric membrane electrolyzer (PEM) is considered one of the most promising techniques in terms of environmentally friendly techniques. It emits only oxygen as a byproduct when it is produced from renewable energy sources, therefore emitting no carbon dioxide, which makes it an attractive technology in the long term. Nevertheless, these electrolyzers are limited in their development by their high cost and component’s scarcity such as catalysts.
This study is focused on finding the optimal catalyst (both for performance and cost) to be used in a PEM type electrolyzer in order to keep it for future work in our research group. For this purpose, we will evaluate different anodic catalysts, including iridium oxide, black iridium, and platinum/nickel oxide mixtures, in order to determine the best catalyst for the type electrolyzer used to produce hydrogen. The result will be a reduction in commercial and industrial investments in hydrogen production.
To determine which catalyst has the greatest benefits, we will first compare the properties of the different catalysts, then calculate their faradic yields, and then perform an economic analysis. Additionally, the conventional titanium diffusion layers (GDL) are also studied and compared with the eCoCell, which is designed and manufactured by the Polytechnic University of Cartagena in order to demonstrate its effectiveness at a reduced cost.
Therefore, this research will focus on analyzing the properties of different anodic catalysts in order to determine which catalyst generates the best performance.
CAPITULO II
INTRODUCCIÓN
11 2.
CAPITULO II: INTRODUCCIÓN
2.1. Introducción
Las crecientes preocupaciones sobre el cambio climático, el agotamiento gradual de las reservas de petróleo y la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles, están llevando a la humanidad a cambiar hacia un comportamiento más responsable con el medio ambiente destinado a descarbonizar las economías y transformar rápidamente a los combustibles fósiles para las fuentes de energía renovables.
Con la creciente voluntad política de adoptar y expandir las políticas tecnológicas en energías limpias (TEC) en todo el mundo, existe una necesidad urgente de facilitar la transformación tecnológica mediante el desarrollo de nuevas TEC y la mejora de las TEC existentes.
La producción de hidrógeno a gran escala sin consumir combustibles fósiles y sin emitir varios gases como COx, SOx y NOx, es la clave para lograr una “economía del hidrógeno”. La electrólisis del agua, el ciclo termoquímico y la fotocatálisis se encuentran entre los procesos más importantes de producción de hidrógeno libre de combustibles fósiles. Actualmente, la eficiencia de los métodos termoquímicos y foto catalíticos de producción de hidrógeno es demasiado baja para ser económicamente competitiva [Zhang: 2010]
Muchos países se dieron cuenta que la “economía H2” será la mejor solución para cumplir con la demanda global de energía (GED) y reducir la dependencia del suministro de energía fósil.
Como se muestra en la Figura 1, la demanda de H2 aumenta cada año y se usa ampliamente para la producción de amoníaco (51%), refino de petróleo (31%), producción de metanol (10%) y 8% restante para otros usos [Kannah: 2021]
Figura 1-- Demanda global de hidrógeno y sus diferentes aplicaciones [Kannah: 2021]
12 2.2. Objetivo del presente trabajo
El principal objetivo este proyecto es el estudio técnico- económico de los distintos tipos de catalizadores anódicos y su optimización, para su empleo en un electrolizador tipo PEM.
Para alcanzar el objetivo principal se deben cumplir los siguientes objetivos adicionales:
Optimizar el método de generación de las MEAs empleadas en el electrolizador.
Determinar las cantidades y tipo de catalizador empleado en la generación de los electrodos.
Determinar el rendimiento del electrolizador, para los diferentes tipos de catalizadores empleados.
CAPITULO III
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
13 3.
CAPITULO III: FUNDAMENTOS TEORICOS
3.1. Aspectos generales
Tal como se observa en la Figura 2, el hidrógeno (con símbolo químico H) es el elemento químico más simple y pequeño, siendo éste el primer elemento químico de la tabla periódica, está constituido por un solo protón y un solo electrón, siendo el único elemento que no presenta neutrón. Por su simpleza estructural, es el elemento más común y abundante del universo, encontrándose masivamente en las estrellas y los planetas gaseosos.
Figura 2-Símbolo del elemento químico hidrógeno [Morante: 2020]
Aunque idealmente el hidrógeno no tenga las mejores propiedades fisicoquímicas para su integración simple, directa y a gran escala en la economía mundial, las innumerables ventajas que puede brindar son lo bastante significativas para considerar su destacable rol en la cadena de valor. [Morante: 2020]
A continuación mencionaremos algunas de las ventajas del hidrógeno (siempre y cuando este sea producido mediante energías renovables):
Único combustible que no emite gases de efecto invernadero, siendo éste una fuente de energía limpia que solo llega a producir vapor de agua.
Al ser el hidrógeno un combustible renovable, las reservas del mismo son inagotables.
Es posible utilizarlo como combustible de manera directa, así como vector energético para el almacenamiento de energía.
Todas estas propiedades mencionadas, son propiedades particulares del hidrógeno, lo que hacen que sea considerado como el combustible del futuro y sea primordial superar la problemática ambiental que existe, con el fin de construir una economía fundamentada en hidrógeno verde.
14 3.2. Características técnicas del hidrógeno con relación a las del gas natural.
El hidrógeno es un combustible menos denso que el gas natural (aproximadamente entre 6 y 10 veces menor), se requerirá más volumen de almacenamiento. Sin embargo, el hidrógeno, con una misma cantidad másica suministra el doble de energía. Como resultado de la comparación de ambas propiedades, el hidrógeno demanda tres veces más volumen respecto al gas natural para producir una cantidad de calor análoga.
[Morante: 2020].
Al ser el hidrógeno una fuente de energía con un punto de ebullición muy bajo (-253°C), enfrenta mayores desafíos energéticos y tecnológicos para su almacenamiento y transporte, lo que significa una desventaja al momento de optar por este combustible.
Por ello, es necesario seguir trabajando en el desarrollo de las técnicas de almacenamiento. A continuación, la Tabla 1 muestra las propiedades más relevantes del hidrógeno frente al gas natural. [Morante: 2020]
Tabla 1- Propiedades físicas (hidrógeno respecto del gas natural) [Morante: 2020]
PROPIEDADADES FISICAS
HIDRÓGENO GAS NATURAL
Densidad (estado gaseoso )
0.089 kg/m3 (0°C, 1 bar) 1/10 Densidad (estado
liquido)
70.79 kg/m3 (-253°C, 1 bar)
1/6 Punto de ebullición -253 °C (1 bar ) -90 °C Densidad energética
másica
120 MJ/kg X2
Densidad energética volumétrica
10,8 MJ/Nm3 1/3
3.3. Métodos de producción de hidrógeno.
Al ser el hidrógeno un “vector energético”, no puede ser identificado y clasificado de igual manera como las energíass renovables o los combustibles fósiles, pues, éstos son fuentes de energía primaria.
La obtencion comercial del hidrógeno puede ser posible por distintas técnicas , gran parte de ellas suponen la remoción de la parte “hidro” de los hidrocarburos. El procedimiento mas frecuente es el reformado con vapor ( asi como el mas económico), por el cual el gas natural (metano CH4 ), reacciona con vapor de agua y libera hidrógeno.
Debido a que la materia prima presenta carbono, se llega a producir de manera
15 inevitable la emisión de CO2. En este sentido, casi el 96 % de la producción de H2
proviene de fuentes no renovables (por ejemplo, carbón, gas, etc.) y el 4% restante por electrólisis de agua [Kannah: 2021].
En la Figura 3 se representan los principales compuestos a partir de los cuales se obtiene el hidrógeno molecular hoy en día, tal como se observa en el gráfico el 96%
producido a partir de combustibles fósiles (48% a partir de gas natural, 30% a partir de petróleo y 18% a partir del carbón), produciéndose únicamente el 4% por medio de electrólisis.
Figura 3- Origen del hidrógeno producido actualmente [Linares: 2007]
El procedimiento para producir hidrógeno mediante carbón, es el llamado método de gasificación, donde en una primera etapa se genera gas de síntesis (syngas), y posteriormente se procede a la separación del hidrógeno de los compuestos del carbono. Por otro lado, cuando la materia prima es el petróleo y gas natural se obtiene hidrógeno por el método llamado reformado de vapor, el cual es una conversión endotérmica de metano y vapor de agua en hidrógeno y óxidos de carbono (monóxido y dióxido de carbono). Así mismo, es posible obtener hidrógeno a través de otras energías, tal como la energía nuclear, utilizando ciclos termoquímicos al agua o también por electrólisis de agua utilizando la electricidad que forma la central. No obstante, estos métodos al tener como materia prima energías no renovables son procesos de producción que no son sostenibles y amigables con el medio ambiente. [Morante: 2020]
Por lo expuesto en el párrafo anterior, una de las alternativas más importantes para generar hidrógeno gaseoso y que sea sostenible con el medio ambiente, es mediante electrólisis a partir de agua y con electricidad generada por energíass renovables, pues, este proceso esta libre de emanaciones de gases de efecto invernadero. En la Figura 4 se exponen los métodos principales de generación de hidrógeno.
16
Figura 4 -Métodos de obtención de hidrógeno [Rand: 2009]
3.4. ELECTRÓLISIS DEL AGUA 3.4.1. Introducción
La electrólisis es el proceso por el cual se realiza una descomposición o rotura de la molécula de agua, a partir de la aplicación de una corriente eléctrica. En el proceso de la electrólisis de agua, se origina la ruptura o separación de las moléculas del agua líquida (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en su estado gaseoso cuando aplicamos un determinado voltaje, generando una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos y una corriente continua, tal como se muestra en la Figura 5. Por ende, un electrolizador no es nada más que un dispositivo electroquímico que transforma la energía eléctrica en energía química. En situaciones de producción excesiva de energía eléctrica renovable, es posible almacenar parte de dicha energía renovable en forma de hidrógeno dada su naturaleza de vector energético. Si la energía empleada en el proceso de electrólisis es producida por fuentes de energía renovables (eólica, solar, hidráulica, etc.,), el hidrógeno producido se le denomina como “hidrógeno verde”, debido a que en toda la cadena de producción no se genera ninguna emisión de CO2. [Morante:
2020]
17
Figura 5-Principio funcionamiento electrólisis [Estévez: 2021]
La primera electrólisis del agua fue llevada a cabo en 1800 por los químicos británicos William Nicholson (1753-1815) y Sir Anthony Carlisle (1768-1840).
Su experimento consistía en sumergir dos varillas de metal conductoras en agua, cuando aplicaron una corriente eléctrica en el agua, notaron que empezaron a brotar burbujas de gas en las varillas, siendo oxígeno en una varilla y gas hidrógeno en la otra.
Inicialmente, estos ensayos fueron realizados en medios ácidos, seguidamente, cuando empezaron a llevar estos ensayos a escala industrial, se optó por disoluciones alcalinas, ya que existía una dificultad en la estabilidad y el costo de los materiales empleados.
Para 1902 ya se habían fabricado más de 400 electrolizadores a nivel industrial y los mismos se encontraban ya en operación. Para 1932 la primera planta capaz de producir 10000 Nm3 H2/h fue instalada y poco tiempo después el científico ZdanskyLonza elaboro el primer electrolizador a escala industrial que podía trabajar a altas presiones. [Zeng:
2010]
En 1820, Michael Faraday (1791-1867) formuló dos leyes para explicar el principio de la electrólisis. En la ecuación siguiente (ecuación 3.1) se expone la primera ley de electrólisis de Faraday [Millet: 2015], por mediante la cual la masa de una carga eléctrica (electrón) producida en el electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo.
𝑚 = 𝑞 ⋅ 𝑘𝑒 = 𝐼 ⋅ 𝑡 ⋅ 𝑘𝑒 (3.1)
18 Donde:
m - masa de sustancia producida en el electrodo [kg]
q - carga eléctrica que atraviesa la solución [C]
ke - equivalente electroquímico [kg/C]
I – Intensidad de corriente [A]
t – tiempo transcurrido [s]
Posteriormente, en la ecuación 3.2 se expone la segunda ley de Faraday de la, la cual determina la cantidad de carga eléctrica q necesaria para separar la masa de una determinada sustancia m.
𝑞 = 𝐹 ⋅ 𝑚 ⋅ 𝑛𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑀 (3.2)
Donde:
F - constante de Faraday (F = 96.485,3365 C/mol) niones - numero electrones que intervienen en la reacción M - masa molar de la sustancia [kg/mol]
Reemplazando la ecuación 3.2 en la ecuación 3.1 obtenemos la ecuación 3.3 que representa la relación con el equivalente electroquímico:
𝑘𝑒 = 𝑀 niones ⋅ 𝐹 (3.3)
Las ecuaciones anteriormente mencionadas nos demuestran que la masa de hidrógeno producida mediante electrólisis del agua es proporcional a la corriente aplicada en el electrolito y el tiempo que se genera la reacción electroquímica. Así mismo, en dicha reacción el número de electrones participantes es de 2.
Por ende, el proceso de electrólisis conlleva en hacer pasar una corriente continua entre dos electrodos, generalmente fabricados de algún metal, normalmente platino o el acero inoxidable, sumergidos previamente en agua en presencia de un electrolito y separados ambos electrodos mediante un separador o diafragma, generando así el rompimiento de la molécula del agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) [Godula-Jopek: 2015].
19 Por consiguiente, las semirreacciones producidas en este proceso son aquellas mostradas en las ecuaciones 3.4 al 3.7. Para un medio ácido, el hidrógeno se presenta en el cátodo o electrodo negativamente cargado, donde los electrones son bombeados al agua, y el oxígeno se manifestará en el ánodo o electrodo cargado positivamente (ecuaciones 3.4 y 3.5). En caso de medio alcalino o básico, se tiene lugar las semirreacciones que se evidencian en las ecuaciones 3.6 y 3.7.
Siendo la ecuación 3.8 la reacción química global representativa para la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua.
Medio ácido:
Reducción en el cátodo: 2H+ (aq) + 2e- H2 (3.4) Oxidación en el ánodo: 2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- (3.5) Medio básico:
Cátodo: 2H2O (l) + 2 e- H2 (g) + 2OH- (aq) (3.6) Ánodo: 4OH- (aq) O2 (g) + 2H2O (l) + 4 e- (3.7)
Reacción global: 2H2O (l) 2H2 (g) + O2 (g) (3.8)
3.4.2. Requerimientos energéticos
Los requerimientos energéticos para que tenga lugar la electrólisis del agua, son barreras energéticas que pueden producirse por distintos motivos, tales como las resistencias eléctricas del mismo circuito, la energía de activación, la resistencia asociada a las burbujas de gas que brotan en la superficie de los electrodos tan pronto como se producen las semirreacciones, también debemos mencionar a la resistencia a la transferencia iónica en el medio electrolítico. Por todo lo expuesto, es necesario el análisis de todas estas barreras para obtener el potencial de la celda de electrólisis.
La Figura 6 nos muestra el circuito equivalente a todas las resistencias que se encuentran en una celda electrolítica , donde las resistencia R1 y R’1 son las resistencias del circuito eléctrico externo, como por ejemplo el cableado , conexionado del ánodo y cátodo respectivamente a cada lado; Ránodo y Rcátodo son resistencias generadas tan pronto como se producen las semirreacciones de oxidación del agua en el lado del ánodo y la obtención de hidrógeno en el lado del cátodo. Rburbujas,O2 y Rburbujas,H2
representan la resistencia generada por el brote de burbujas de gas en la superficie tanto del ánodo como del cátodo, las cuales evitan el contacto entre el electrolito y el
20 electrodo; Rmembrana y Riones , son resistencias generadas en la membrana y en el electrolito respectivamente. Por esa razón, para poder identificar la resistencia total producida, es necesario aplicar la siguiente ecuación (3.9)
𝑹𝒕𝒐𝒕= 𝑹𝟏+ 𝑹á𝒏𝒐𝒅𝒐+ 𝑹𝒃𝒖𝒓𝒃𝒖𝒋𝒂𝒔,𝑶𝟐+ 𝑹𝒎𝒆𝒎𝒃𝒓𝒂𝒏𝒂+ 𝑹𝒊𝒐𝒏𝒆𝒔+ 𝑹𝒃𝒖𝒓𝒃𝒖𝒋𝒂𝒔,𝑯𝟐+ 𝑹𝒄á𝒕𝒐𝒅𝒐+ 𝑹′𝟏 (𝟑. 𝟗)
Figura 6-Circuito equivalente a las resistencias de una celda electrolítica [Cardona: 2012]
Asimismo, es posible clasificar estas resistencias equivalentes en tres niveles:
Resistencias eléctricas
Resistencias de transporte
Resistencias de reacción.
Resistencias eléctricas: R1 y R’1
Dichas resistencia se calculan mediante la siguiente ecuación física [Oldham: 1993]:
Rcirc = 𝐿/ (𝑘 ⋅ 𝐴) (3.10) Siendo
Rcirc= resistencia global del circuito externo A= área de la sección transversal (m2).
L= longitud conductor (m)
K=conductividad específica (Ω/m)
Resistencias de transporte: Rburbujas,O2, Rburbujas,H2, Rmembrana y Riones
De acuerdo a las leyes de Joule y de fenómenos de transporte, estas resistencias entorpecen la eficiencia del sistema de electrólisis, pues el conjunto de estas resistencias eléctricas producen calor. [Oldham: 1993]
21 La disminución de energía en consecuencia a la producción de estas energías se conoce como caída óhmica, y puede ser determinado como una resistencia global de la celda, Rcelda. Estas resistencias son importantes, pues es necesario tomarlas en cuenta al momento de diseñar el electrolizador.
Resistencias de reacción: Ránodo y Rcátodo
La cinética de las reacciones electroquímicas producida en la electrólisis del agua es delimitada por las resistencias producidas en el ánodo y cátodo respectivamente. Por ello, para el incremento de la eficiencia energética es necesario tener en cuenta este tipo de resistencias.
3.4.3. Aspectos termodinámicos
Dentro los requerimientos energéticos necesarios para producir electrólisis del agua, es imprescindible la aportación de energía térmica para la producción de hidrógeno, siendo así la reacción neta de electrólisis la que se muestra en la ecuación 3.11.
𝐻2𝑂 (𝑙) + 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐻2 (𝑔) + 1 /2 O2 (𝑔) (3.11)
En la ecuacion 3.12. Se muestra la energía teórica para producir hidrógeno:
∆𝐻 (𝑇) = ∆𝐺 (𝑇) + 𝑄𝑒 (𝑇) (3.12)
Dónde:
∆G (T)= Variación de la energía libre de Gibbs de la reacción Qe (T)=T·∆S (T), siendo S la entropía.
El agua durante el proceso de electrólisis se divide en hidrógeno y oxígeno. Para esta división del agua, se necesita una energía superior a la energía liberada durante la formación de la molécula de agua. Por lo tanto, la mínima energía requerida para la división del agua se puede calcular a partir de la energía libre de Gibbs (
∆
G) deformación del agua en condiciones estándar. La energía libre de Gibbs para la ruptura de la molécula de agua en hidrógeno (H) y oxígeno(O2) se puede calcular según la termodinámica clásica expresada en la siguiente ecuación: [Kumar: 2019].
∆𝐺 = 𝑛𝐹𝐸
𝑟𝑒𝑣 (3.13)22 Donde:
Erev= voltaje reversible n = número de electrones
F= 96500 (constante de Faraday)
Así mismo, Erev. puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
𝐸
𝑟𝑒𝑣=
∆𝐺𝑛𝐹
= 1.23𝑉
(3.14)No obstante, en el momento de la división del agua se generó cierta entropía. Por lo tanto, es más correcto emplear entalpía (H) en lugar de G para calcular el potencial.
Por consiguiente, en las condiciones estándar, el cambio de entalpía corresponde a
H= 285.84 kJ/ mol y el cambio de entalpía libre de Gibbs es G = 237,22 kJ/mol. Por lo tanto, el voltaje mínimo requerido (VTN) para la electrólisis del agua se puede calcular siguiendo la ecuación 3.15
𝑉
𝑇𝑁=
∆𝐻𝑛𝐹
+
∆𝐺𝑛𝐹
+
𝑇∆𝑆𝑛𝐹
= 1.48𝑉
(3.15)Donde:
VTN= voltaje termo neutral
H= Cambio en entalpía
S= Cambio en entropía T= temperatura en K
Para poder obtener la eficacia de conversion de energías electria a energías quimica, nos basamos en la primera ley de la termodinamica que nos indica que la energías se conserva.Por ello, la eficiencia de la electrólisis del agua es calculada mediante el poder calorífico superior (HHV) del hidrógeno. Debido a que en la celda electrolítica el agua se encuentra en fase liquida, la eficiencia es posible calcularla mediante la siguiente ecuación 3.16:
𝜂 =
𝑉𝑇𝑁𝑉𝐶𝑒𝑙𝑙 (3.16)
23 Donde:
VTN = Voltaje termo neutral Vcell= voltaje de celda
3.4.4. Eficiencia farádica
La eficiencia es un parámetro de rendimiento relevante en los procesos reales de generación de hidrógeno por electrólisis del agua. Gran número de investigadores lo han utilizado para evaluar el rendimiento de los sistemas de generación de hidrógeno y las repercusiones que han obtenidos han sido notoriamente significativos.
Eficiencia de Faraday
La Eficiencia de Faraday puede determinar la eficiencia de los electrolizadores, dicha eficiencia se determina de acuerdo a la ecuación 3.17, donde la relación que existe entre caudal de hidrógeno producido en el electrolizador y el caudal de hidrógeno teórico máximo calculado es la eficiencia farádica [Kumar: 2019]
𝜂 =
𝑉𝐻2(𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜)𝑉𝐻2(𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜) (3.17)
El volumen teórico de gas se puede calcular la segunda ley de Faraday, basada en la densidad de corriente, el tiempo de electrólisis y área del electrodo asumiendo una eficiencia Farádica del 100%, como se muestra en la ecuación (3.18). Cuando la cantidad práctica producida en el experimento, en nuestro caso será medida por desplazamiento de agua-gas, con la ayuda de una bureta para identificar la cantidad de volumen de hidrógeno desplazado
𝑉
𝐻2= 𝑉
𝑀(𝑙)
103𝑚𝑙𝑙
𝑡(60𝑠) 𝑚𝑖𝑛
1(𝑐
𝑠)
2𝐹 (𝐶) (3.18)
Donde VH2 indica el campo del hidrógeno teórico, VM es la expresión del gas ideal
𝑉
𝑀=
𝑅 (273+𝑇)𝑃 , R indica la constante de gas ideal (0.082 atm K-1 mol-1), T denota la temperatura, P se refiere a la presión (atm), t es tiempo (s), I es la corriente aplicada (A) y F la constante de Faraday 96.485 Cmol-1
24 Resumiendo la expresion a :
=
𝐸𝐻𝐼𝐷𝑅𝑂𝐺𝐸𝑁𝑂𝐸𝐸𝐿𝐸𝐶𝑇𝑅𝐼𝐶𝐴
=
𝑉𝐻2 𝐻ℎ𝑉𝐼𝑡 (3.19) Donde:
𝑉𝐻2 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝐻2 𝑒𝑛 𝑚3
𝐻ℎ = 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 12.745 𝑥106 𝐽 𝑚3 𝑉 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠
𝐼 = 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑠 𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
3.5. TIPO DE ELECTROLIZADORES
Tras profundizar en que consiste la electrólisis de agua en el apartado 3.4 ELECTRÓLISIS DEL AGUA y conocer las ventajas y requerimientos energéticos, en este apartado mencionaremos los diferentes tipos de electrolizadores. Los electrolizadores de agua se pueden dividir en tres categorías técnicas:
Electrólisis alcalina (AEL)
Electrólisis de membrana electrolítica de polímero (PEM)
Electrólisis óxido sólido (SOE)
El diagrama esquemático de un mecanismo tradicional de electrólisis de agua para la obtención de hidrógeno se muestra en la Figura 7. El sistema principalmente consta de una celda electrolítica, un separador y dos calentadores intercambiadores, el modelo aquí desarrollado es más general y razonable ya que se puede conectar a cualquier generador de energía y el calor residual contenido en los productos, puede ser utilizado de manera eficaz, agua, luz y calor, si es necesario, se proveen a la celda electrolítica, para impulsar la división de la molécula de agua, el H2 generado y el H2O residual fluyen hacia el cátodo de la celda de electrólisis, el O2 generado sale en el ánodo de la celda de electrólisis. Debido a que una gran proporción del calor agregado al agua de alimentación se mantiene en los productos a la salida, es deseable recuperar el calor residual de los productos a través del intercambiador de calor, el O2 se enfría hasta la condición de referencia (298,15 K y 101,325 kPa) y puede utilizarse como subproducto.
25 H2 y H2O fluyen hacia el separador, el H2 se enfría y se almacena como combustible, el H2O caliente circula en la corriente de suministro de H2O en condiciones de referencia para el siguiente ciclo de producción de H2.
Figura 7-Diagrama esquemático de un agua típica. Sistema de electrólisis para la producción de hidrógeno [Zhang:
2010]
Se consideran diferentes parametros de operación y materiales para mejorar la eficacia del sistema. Sin embargo, las características de las tecnologías ampliamente utilizadas en electrólisis se reflejan en la siguiente tabla:
Tabla 2 - Características de las tecnologías de electrólisis del agua [Sapountzi: 2017]
ELECTRÓLISIS A BAJA TEMPERATURA ELECTRÓLISIS A TEMPERATURAS ALTAS
Electrólisis Alcalina (OH-) Electrólisis de intercambio de protones (H+)
Electrólisis de iones de oxígeno (O2-)
Liquido Membrana electrolítica de polímero
Electrólisis de óxido solido
Convencional Alcalino solido H+ - PEM H+- SOE O2-- SOE Co- electrólisis Principios
de
funcionamie nto
Portador de carga
OH- OH- H+ H+ O2- O2-
Temperatura 20-80°C 20-200°C 20-200°C 500- 1000°C
500-1000°C 750-900°C
Electrolito Liquido Solido (polimérico)
Solido (polimérico)
Solido (cerámico)
Solido (cerámico)
Solido (cerámico) Reacción
anódica
4OH- 2H2O +O2 + 4e-
4OH- 2H2O +O2 + 4e-
2H2O 4H+ + O2 + 4e-
2H2O
4H+ + O2 + 4e-
O2
1/2O2+2e-
O2
1/2O2+2e
Ánodos Ni>Co>Fe (óxidos) Perovskites:
Ni-base IrO2, RuO2,IrxRuxO 2
Perovskite con conductivid
LaxSrxMnO 2 + Y- estabilizado ZrO2
LaxSrxMnO 2 + Y- estabilizado ZrO2
26
Suportado:TiO 2, TiC
ad eléctrica protónica Reacción
catódica
2H2O+4e- 4OH- + 2H2
2H2O+4e- 4OH- + 2H2
4H+ + 4e- 2H2 4H+ + 4e- 2H2
H2O+2e- H2 + O2-
H2O+2e- H2 + O2- CO2 + 2e- CO + O2-
Cátodos Aleaciones de Ni
Ni, Ni-Fe, NiFe2O4
Pt/C MoS
Ni-cermets Ni-YSZ Subst.
LaCrO3
Ni-YSZ Perovskites
Eficiencia 59-70% 65-82% Hasta
100%
Hasta 100% -
Aplicabilida d
Comercial Escala experimental
Termino cercano a la comercializació n
Escala experiment al
Demostraci ón
Escala experiment al
Ventajas Bajo costo capital, relativamente estable, tecnología madura
Combinación de electrólisis alcalina y H+- PEM
Diseño compacto, respuesta rápida / start-up Alta pureza de H2
Cinética mejorada, termodinámico, demanda de energía baja, bajo coste de capital
+
producción directa de syngas
Desventajas Electrolito corrosivo, permeación de gases, dinámica lenta
Baja conductividad
OH- en
membranas poliméricas
Membranas poliméricas de alto costo, metales nobles
Electrodos mecánicamente inestables, problemas de seguridad, sellado inadecuado
Retos Mejorar la durabilidad y fiabilidad
Mejorar el electrolito
Reducir el uso de metales nombres
Cambios micro
estructurales en los electrodos
De laminación, bloqueo de TPBs, pasivación
Deposición de C micro estructural cambiando electrodos.
3.6. ELECTROLIZADORES DE MEMBRANA POLIMÉRICA (PEM)
A principio de los años cincuenta la primera electrólisis empleando un electrolizador PEM fue llevada a cabo por Grubb y General Electric Co. para superar los inconvenientes de la electrólisis alcalina, donde utilizaron membranas polisulfonadas sólidas (Nafión) como conductor de protónico. Las membranas de intercambio protónico presentan muchas puntos fuertes, tales como una reducida permeabilidad a los gases, bajo espesor (20–300 micras), alta conductividad de protones (0,1 ± 0,02 S cm-1), y altas presiones de operación. Ambientalmente hablando, la electrólisis del agua PEM es uno de los métodos más esperanzadores para la producción de hidrógeno de elevada pureza a partir de energías renovables [Kumar: 2019].
En particular, los electrolizadores PEM presentan las siguientes ventajas cuando son comparados con los dispositivos alcalinos: son menos cáusticos y pueden funcionar a voltajes inferiores, es decir, que pueden soportar mayores temperaturas, elevadas densidades de corriente y presiones, pudiendo alcanzar eficiencias superiores al 80%
[Falcão: 2020]
27 Existen distintos catalizadores para la producción de hidrógeno por medio de electrolizadores, Sin embargo, los catalizadores de última generación para la electrólisis PEM son metales nobles y raros como Platino/ Paladio (Pt/Pd) para la reacción de evolución de hidrógeno (REH) en el cátodo, representando el mejor método de obtención de hidrógeno de alta pureza libre de emisiones de CO2, y los catalizadores de Iridio/dióxido de iridio y dióxido de rutenio ( Ir/IrO2/RuO2 ) para la reacción de evolución de oxígeno (REO) en el ánodo lo que hace que la electrólisis PEM sea más costosa que la alcalina. Por lo tanto, uno de los principales desafíos en la electrólisis del agua tipo PEM es disminuir el costo de fabricación y conservar su elevada eficiencia. En este sentido, comentar que se ha invertido una gran cantidad de dinero en investigación para mejorar los componentes para realizar la electrólisis del agua PEM, y, como resultado, esta tecnología se está aproximando a unos costes de producción que está haciendo al hidrógeno generado mediante esta tecnología ser competitivo frente al hidrógeno gris [Kumar: 2019].
Así, el aumento en el número de proyectos dirigido a nuevos catalizadores anódicos y diseño de electrolizadores PEM ha crecido exponencialmente durante los últimos años.
El tamaño promedio de dichos proyectos, tal como se muestra en la Figura 8, ha aumentado de 0,1 MWe a 1,0 MWe entre 2015-2019, lo cual significa que existe una expansión de proyectos piloto y demostrativos a escala comercial. Esta evolución, asociado a una economía de escala, se espera que permita reducir costes de producción del hidrógeno verde en los próximos años [Morante: 2020]
Figura 8- Elaboración de proyectos pilotos y demostrativos a magnitudes comerciales, 1990-2019[Morante: 2020]
28 3.6.1. Principio de la electrólisis en un electrolizador PEM
La electrólisis en un electrolizador PEM, el agua se disocia electroquímicamente en oxígeno e hidrógeno en el ánodo y cátodo, respectivamente. El agua se bombea en el lado anódico, donde desemboca oxigeno (O2) y los respectivos protones (H+). Estos protones viajan mediante la membrana protónica hacia el lado catódico donde se reducen a H2. La Figura 9 muestra el mecanismo de electrólisis descrito.
Figura 9-Ilustración esquemática de la electrólisis del agua PEM [Kumar: 2019]
3.7. PARTES DE UN ELECTROLIZADOR TIPO PEM
Los principales componentes de un electrolizador PEM son: conjunto de electrodos, membrana protónica (MEA), GDL’s (capas de difusión de gas), mallas distribuidoras de corriente, sellos de teflón o silicona y las placas colectoras o carcasas de entrada y salida de agua, tal como se muestra en la Figura 10. Sin embargo, el corazón de la celda de electrólisis es la MEA, que está separada de la celda en dos semiceldas (ánodo y cátodo). [Kumar: 2019].
Figura 10-Vista esquemática de los componentes, principio de funcionamiento del electrolizador PEM [López: 2014]
29 3.7.1. Conjuntos de electrodos de membrana (MEA)
Los conjuntos de electrodos de membrana consisten en membrana, electro catalizadores de ánodo y cátodo. La membrana es la columna vertebral, las membranas más utilizadas son las membranas de polímero de ácido perfluorosulfónico como Nafión, Fumapem, Flemion y Aciplex. En nuestro caso se utilizará membrana de Nafión (Nafión 115, 117 y 212) la cual es comúnmente utilizada principalmente en electrolizadores de agua PEM, porque las membranas de Nafión tienen grandes beneficios, como alta durabilidad, operan a densidades de corriente elevadas, presentan una alta conductividad de protones y excelente estabilidad mecánica. [Kumar: 2019].
Por lo general, estas MEAs se fabrican mediante diferentes métodos, pero la mayoría de los investigadores siguen el método de recubrimiento de catalizador en la membrana (CCM), en este método, la suspensión del electro catalizador se deposita directamente en la superficie de la membrana y luego se prensa en caliente a una temperatura de 120
°C con Presión de 75 kg/ cm 2 [Fırtına: 2011]. Los electrocatalizadores se emplean para promover la cinética de transferencia de carga con el fin de disminuir la energía de activación del método de electrólisis del agua. La suspensión homogénea de electro catalizador se prepara utilizando cantidades apropiadas de electro catalizador, isopropanol y agua, seguido de sonicación durante aproximadamente 30 min. La adición de solución de ionómero con propiedades de transporte iónico en las capas catalíticas tiene dos diferencias en los electrodos en la electrólisis del agua PEM. El ionómero promueve el transporte de protones desde las capas de electrodos hasta la membrana, lo que aumenta la eficiencia de la celda al disminuir la pérdida óhmica de la misma.
Además, la solución de ionómero actúa como un aglutinante, lo que proporciona la estructura dimensionalmente estable del catalizador y proporciona la estabilidad mecánica y, posteriormente, la durabilidad de los electrodos. Por otro lado, al aumentar el contenido de ionómero, se reduce la conductividad eléctrica debido a que el ionómero es resistente a los electrones. Por lo tanto, es necesaria la optimización del contenido de ionómero. [Kumar: 2019]. En la Figura 11 se muestra los pasos a seguir para la fabricación de la MEA.
30
Figura 11 - Fabricación de MEA [Fırtına: 2011]
3.7.2. Platos colectores
En la actualidad, los platos colectoras de electrólisis de agua tipo PEM son hechos de material de titanio y acero inoxidable. Sin embargo, estos materiales son de alto costo y tienen diferentes inconvenientes operativos, tales como la reducción esencial de costos a la investigación y el desarrollo de las placas colectoras.
La estructura de la superficie de los platos colectores debe proporcionar una ruta de conducción para bombear agua y conducir los gases generados fuera de la celda de electrólisis. Muchos electrolizadores utilizan diferentes diseños de placas colectoras para un mejor rendimiento. Sin embargo el diseño de campo de flujo paralelo recto mostró una actividad electroquímica prometedora, especialmente en los electrolizadores PEM [Majasan: 2018]. Usualmente, los materiales de titanio brindan una excelente resistencia excepcional debido a su elevada conductividad térmica y eléctrica, poca permeabilidad y una resistividad baja. Sin embargo, este elemento presenta un elevado costo, en especial para el lado del ánodo, donde se presentan reacciones corrosivas, por lo que es necesario recubrir el titanio con metales preciosos lo que encarece el precio. Por consecuente, las placas colectoras siguen siendo un aspecto importante a estudiar y mejorar.
3.7.3. Juntas de silicona
Las juntas de silicona sirven como aislante dentro del electrolizador PEM, evitando que la placa colectoras en el ánodo y el cátodo entren en contacto eléctrico. De no utilizarlas, la transferencia electrónica por el conductor externo no se llevaría a cabo teniendo un nulo beneficio del electrolizador.
31 Estas juntas, impiden distintas clases de fugas, tales como fugas de gas y agua. En la Figura 12 se puede verificar que la forma del sello cabe perfectamente en las placas colectoras para que se ajuste adecudamente y cumpla su funcion principal.
Figura 12- Sello de silicona
3.7.4. Malla distribuidora de corriente
Estas mallas distribuidoras de corriente, son imprescindibles, pues tienen la funcionalidad de distribuir los electrones de la corriente directa por toda la superficie del catalizador, su morfología (perforaciones) son utilizadas para que los gases recién formados puedan ser liberados de manera más fácil hacia los tanques de almacenamiento. Dichas mallas son de material titanio con un espesor aproximado de 1 mm y perforaciones rómbicas de 0.5 mm
Para que existe un mejor rendimiento, es necesario el uso de dos mallas distribuidoras de corriente en el electrolizador, montando una malla para cada electrodo.
Figura 13 - Malla distribuidora de corriente
CAPITULO IV
MATERIALES Y MÉTODOS
32 4.
CAPITULO IV: MATERIALES Y METODOS
4.1. Configuración elemental
En la Figura 14 se muestra un esquema montaje del electrolizador PEM. Antes de ingresar al electrolizador, el agua se calienta a la temperatura requerida en el tanque de almacenamiento con la ayuda de 2 resistencias eléctricas conectadas a un sensor de temperatura que mantienen el agua a 80°C.
Figura 14- Configuración elemental circuito electrolizador
Los elementos que componen la estación de trabajo, son los siguientes:
1 Fuente de alimentación 2 Tanque de agua termostatado 3 Fuente de alimentación de corriente 4 Electrolizador
5 Borboteador de Hidrógeno 6 Bureta
4.2. Equipos e instrumentación
A continuación se detalla cada uno de los componentes del sistema que se utilizaron para llevar a cabo el presente proyecto:
1
2
3
4 5
6
33
Balanza OHAUS PIONEERTM PA-114C: Balanza de 110g de capacidad, y sensibilidad 0,0001g
Instrumento de pesaje para determinar la masa requerida para la obtención de las concentraciones de los distintos catalizadores a ser utilizados
Prensa Manual
Utilizada para aplicar la presión cuando se realiza la transferencia de los electrodos a la membrana polimérica, dispone de resistencias y un relé para controlar la temperatura y presión de la medición.
Campana extracción
Utilizada para proporcionar protección personal contra gases tóxicos, vapores y polvos que se puedan desprender al momento de manipular los catalizadores.
.
Figura 15 -Balanza de precisión
Figura 16-Prensa manual
Figura 17-Campana extractora
34
Plancha caliente
La plancha metálica caliente para la deposición del catalizador.
Fuente de alimentación
Equipo para controlar la intensidad de corriente y voltaje aplicado al electrolizador.
Tanque termostatado de agua
Para que el sistema pueda funcionar de manera óptima es necesario suministrar agua al sistema de manera constante.
Para ello, se ha considerado un tanque termostatado de acero inoxidable con una capacidad de 4L.
Bureta
Para poder medir la cantidad de volumen de H2 producido, se ha utilizado una bureta que es un recipiente tubular graduado que nos permite realizar la medición de la cantidad de volumen de H2 obtenido, con dicho instrumento se logra medir el tiempo que tarda en desplazarse un mililitro de hidrógeno.
Figura 18 - plancha caliente
Figura 19 - Fuente de alimentación
Figura 20 - Tanque almacenamiento agua
Figura 21-Bureta
35
Maquina ultrasonido
El equipo de ultrasonidos trabaja por medio de ondas longitudinales generadas en el líquido en el que se encuentran inmersas las piezas o los elementos a limpiar o en nuestro caso a agitar.
El proceso supone en dividir por agitación de ultrasonidos las partículas agrupadas y optimizar así la superficie de éstas. Un equipo ultrasónico comprende de una cuba en la que se sumergen las piezas a limpiar, un generador y emisor de ultrasonidos y agua, donde se introducen los matraces que contienen las suspensiones de catalizador y carbón a fin de separar las partículas y generar una suspensión homogénea de partículas de menor tamaño.
Agitador magnético
Es un equipo que comprende de un imán y un motor eléctrico, que cuando el motor gira, hace girar al imán que por medio de atracción magnética hace rotar una varilla magnética que se encuentra en el interior del vaso o matraz con la muestra a agitar.
Este agitador magnético elimina la utilización manual para mezclar los distintos componentes, reduciendo así la contaminación que pudiese existir al manipularlo de manera manual.
Se debe posicionar el recipiente con las respectivas muestras en el centro del equipo, introducir un imán dentro el recipiente y encender el equipo ajustando gradualmente a la velocidad requerida
Figura 22 - Maquina ultrasonido
Figura 23-Agitador Magnético
36 4.3. Catalizadores a utilizar
A continuación haremos una pequeña descripción de los catalizadores que usaremos para nuestro estudio:
Para el catalizador catódico se utilizará Platino/Carbón al 20% de la marca “Sigma- Aldrich”, permaneciendo constante en todos los ensayos realizados.
Para los catalizadores anódicos se han seleccionado los siguientes catalizadores:
IrO2 Oxido de Iridio , marca “AlfaAesar”
IrO2/Ir Oxido de Iridio soportado en Iridio, marca “FuelCell store”
IrO2Oxido de iridio, marca “American”
Ir Iridio Negro (Black Iridium), marca “Glentham Life Sciences”
Pt/NiO2 Platino/Nano-NiO2, marca “Glentham Life Sciences”
Pt/NiO2 Platino/Micro-NiO2,marca “Glentham Life Sciences”
CAPITULO V PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL
37 5.
CAPITULO V: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL DE
PREPARACION DE LA MEA
A Continuación se irá describiendo el procedimiento experimental de los electrodos y la preparación de la MEA que ha sido llevado a cabo para poder cumplir con los objetivos del presente trabajo.
5.1. Preparación de electrodos / preparación tintas catalíticas.
La preparación de la tinta para realizar la transferencia de la misma a la membrana consiste en la elaboración de los electrodos mediante la deposición de tinta catalítica elaborada con platino al 20 % soportado sobre carbono para el lado del cátodo.
Para el lado del ánodo, se realizará la deposición de los distintos catalizadores mencionados en el apartado 4.3 Catalizadores a utilizar del presente trabajo.
En este sentido, se prepararon distintas tintas con los distintos catalizadores mencionados, con el fin de establecer cuál de ellas proporciona el rendimiento más óptimo en el electrolizador.
Sobre esta base, la composición de cada una de las tintas preparadas fue la siguiente:
Preparación tinta catalizador catódico
Tabla 3- Tinta catalizador catódico
CATODO
0.32 g de Pt/C al 20%
1 mL agua destilada
13.4 mL de IPA (alcohol isopropílico) Llevar al ultrasonido por 40’
0.75 mL Nafión al 10%
Llevar a ultrasonido por 1 hora aproximadamente
Preparación de tintas anódicas
Tabla 4 - Tinta catalizador anódico
ANODO
0.32 g de catalizador anódico 1 mL agua destilada
5 mL de IPA (alcohol isopropílico) Llevar al ultrasonido por 1 hora 0.75 mL Nafión al 10%
Llevar a ultrasonido por 1 hora aproximadamente