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Hidrógeno - combustible al alcance de todos

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Academic year: 2020

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(1)HIDRÓGENO: COMBUSTIBLE AL ALCANCE DE TODOS PROYECTO DE GRADO. David Leonardo Díaz Lotero Asesor: PhD. Ing. Jaime Loboguerrero U.. BOGOTÁ JUNIO DE 2009 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES , DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MEC ÁNICA.

(2) Tabla de Figuras Figura 1. Miembros del International Partnership on Hydrogen Economy [2] ................................ 5 Figura 2. Hidrógeno a partir de la energía solar [5] ...................................................................... 8 Figura 4. Esquema montaje planta electrólisis a alta temperatura con central termoeléctrica [5] ...... 9 Figura 3. Demanda de energía para la electrólisis del agua y del vapor [6]..................................... 9 Figura 5. Funcionamiento del FCX Clarity de Honda [9]............................................................ 12 Figura 6. Motor Hydrogen 7..................................................................................................... 13 Figura 7. Montaje Experimental ............................................................................................... 16 Figura 8. Sellador anaeróbico ................................................................................................... 17 Figura 9. Manguito macho- hembra.......................................................................................... 17 Figura 10. Racor hembra con anillo .......................................................................................... 17 Figura 11. Válvula de bola....................................................................................................... 17 Figura 12. Abrazadera T itán..................................................................................................... 17 Figura 13. Sistema de Racores- Manguera................................................................................. 19 Figura 14. Soporte ranurado ..................................................................................................... 20 Figura 15. Electrodo Modificado sin Soporte ranurado y con 6 placas......................................... 20 Figura 16. Botella calibrada ...................................................................................................... 22 Figura 17. Distancia entre electrodos........................................................................................ 23 Figura 18. Configuración Electrodos para prueba de distancia .................................................... 24 Figura 19. Relación Voltaje‐Corriente para diferente número de placas en los electrodos ............ 27 Figura 20. Relación Distancia entre electrodos y Corriente......................................................... 28 Figura 21. Producción de Hidrógeno debido a la Corriente......................................................... 29 Figura 22. Aumento de la Corriente durante la producción de Hidrógeno ................................... 30 Figura 23. Cambio de densidad del Electrolito........................................................................... 31 Figura 24. Aumento de corriente debido a Nivel del electrolito para cambio constante ............... 32 Figura 25. Cambio Aumento de corriente debido a Nivel del electrolito para cambio escalonado 32 Figura 26. Eficiencias Obtenidas para las Pruebas Realizadas..................................................... 42 Figura 27. Flujos dentro de la botella de almacenamiento.......................................................... 44. Tabla de Tablas Tabla 1. Instrumentos Utilizados .............................................................................................. 17 Tabla 2. Cantidades Constantes para prueba número de placas ................................................... 22 Tabla 3. Número de placas para las tres pruebas ........................................................................ 23 Tabla 4. Cantidades Constantes para prueba de distancia de electrodos ....................................... 23 Tabla 5. Parámetros para establecer corriente deseada................................................................ 24 Tabla 6. Energía equivalente en 1Kg de H2............................................................................... 25 Tabla 7. Parámetros Prueba 1 de Eficiencia............................................................................... 33 Tabla 8. Resultados Prueba 1 de Eficiencia................................................................................ 33 Tabla 9. Parámetros Prueba 2 de Eficiencia............................................................................... 34 Tabla 10. Resultados Prueba 2 de Eficiencia ............................................................................. 35 2.

(3) Tabla 11. Parámetros Prueba 3 de Eficiencia............................................................................. 36 Tabla 12. Resultados Prueba 3 de Eficiencia ............................................................................. 36 Tabla 13. Parámetros Prueba 4 de Eficiencia............................................................................. 37 Tabla 14. Resultados Prueba 4 de Eficiencia ............................................................................. 37 Tabla 15. Parámetros Prueba 5 de Eficiencia............................................................................. 38 Tabla 16. Resultados Prueba 5 de Eficiencia ............................................................................. 38 Tabla 17. Parámetros Prueba 6 de Eficiencia............................................................................. 39 Tabla 18. Resultados Prueba 6 de Eficiencia ............................................................................. 39 Tabla 19. Parámetros Prueba 7 de Eficiencia............................................................................. 40 Tabla 20. Resultados Prueba 7 de Eficiencia ............................................................................. 41 Tabla 21. Resumen de Parámetros Recomendados para el Diseño de celda Electrolítica............... 46. Tabla de Ecu acion es Ecuación 1. Ecuación 2. Ecuación 3. Ecuación 4. Ecuación 5. Ecuación 6.. Reacción Química en la electrólisis de Agua [5]........................................................ 7 Reacción Química reducción de hidrógeno a partir de Metano ................................. 10 Hidrógeno a partir de metano con catalizador de óxido de hierro III ......................... 10 Densidad del H2 en Bogotá.................................................................................... 26 Cálculo de la masa del H2...................................................................................... 26 Cálculo de la Eficiencia......................................................................................... 26. 3.

(4) Introducción El mundo se está enfrentando a un p roblema energético que cada día au menta a medida que el p etróleo se acaba. Este p roblema no solo se ve reflejado en el incremento del precio de los hidrocarburos, sino en el afán y constante búsqueda e imp lementación d e nuevos combustibles y nuevas tecnologías que p roporcionen energía eficientemente p ara p oder mover la industria y las sociedad es consumistas. Por otro lado el interés por p reservar el medio ambiente en los últimos años se ha convertido en una p rioridad, y a que el calentamiento global y los desastres naturales están cada vez más p resentes causando muertes y p érdidas económicas indescrip tibles. Como solución a estos dos grandes p roblemas que el mundo enfrenta actualmente se prop one la utilización de hidrógeno como co mbustible automotriz. Actualmente y a se está usando el hidrógeno en d iversos vehículos, y se h a llegado a mejorar la p roducción y utilización de éste en gran medida. La información acerca de la p roducción de hidrógeno es muy limitada y confidencial, y a que p roducir un combustible a p artir de la descomposición de la molécula de agua p uede significar la indep endencia de la industria del p etróleo y los hidrocarburos. Este p roy ecto pretende p resentar y dar a conocer la imp ortancia de p ensar en nuevas alternativas p ara p roducir co mbustibles limp ios y p or medio de la exp erimentación llegar a establecer p arámetros clav es para desarrollar un generador de hidró geno p or electrólisis eficiente. Se desea también entender a fondo el p roceso de la electrólisis del agua, hallando la may oría de factores que directamente afectan este proceso de producción de hidrógeno.. 4.

(5) Capítulo 1. Estado del Arte. Sección 1.1. Un poco de historia Antes de estudiar los procesos y usos de la producción de hidró geno, es imp ortante saber cuáles y cuándo fueron los p asos p rincip ales para llegar a la imp lementación d el h idró geno como combustible p ara veh ículos. En 1766 el físico- qu ímico británico Henry Cavendish descubre el hidró geno en uno d e sus exp erimentos. A este lo llama aire inflamable. Casi veinte años después en 1781 descubre que este aire inflamable al unirse con el o xígeno y arder formab a agu a. Por esta p rop iedad lo bautiza, hidrógeno. Luego en 1839 Grove descubre la reacción electroquímica que se p roduce al unir hidró geno y oxígeno que es el princip io básico de las p ilas de co mbustible que hoy se están desarrollando. Solo hasta el año 1920 se comienza la p roducción industrial d el hidró geno, y quince años más tarde el ingeniero británico Francis Thomas Bacon construy e el p rimer modelo de p ila de combustible. (En la sección 1.4 se exp licará el funcionamiento de una p ila de combustible). Otras fechas importantes del desarrollo e imp lementación d el hidró geno son a mediados d el siglo veinte cuando en 1962 la NASA introduce las p ilas de combustible en misiones esp aciales y luego en 1970 Kordesh construye le p rimer vehículo qu e utiliza esta p ila de combustible abastecida con hidró geno. Con los nuevos avances y la idea de utilizar hidrógeno como combustible limp io en 1977 se inicia el Pro grama de Hidró geno de la Agencia Internacional de la Energía, la cual trabaja en el d esarrollo e implementación de biocombustibles. Otro grup o que surge encamin ado al d esarrollo d e nuevas tecnolo gías a favor del med io ambiente y de conseguir un mundo más seguro p ara todos fue el Grup o de Alto Nivel en Europ a creado en el año 2002. Finalmente en 2003 se firma el International Partnership on Hydrogen Economy. En la tabla 1 se muestran los países que firmaron este tratado y con el cual se comp rometieron a acelerar el desarrollo de p ilas de combustible y nuevas tecnolo gías p ara el uso del h idró geno y así garantizar la seguridad de la energía, d el medio ambiente y de la economía. [1] Australia Brasil Canadá China Unión Europ ea Francia. Alemania Irlanda India Italia Jap ón República de Corea. Nueva Zelandia Noruega Rusia Reino Unido Estados Unidos. Figura 1. Miembros del International Partnership on Hy drogen Economy [2]. Actualmente el desarrollo d e las tecnolo gías p ara la imp lementación del hidró geno en celdas d e co mbustible está au mentando consid erablemente y alrededor d el mundo se han creado asociaciones muy fuertes como p or ejemp lo la European Hydrogen Association que están avanzando mucho en el tema. Ya teniendo un p anorama histórico del desarrollo e imp lementación del hidró geno como combustible p ara vehículos se p uede comenzar a ver lo que está sucediendo actualmente y cuáles han sido los últimos p rogresos en este intento de imp lementar un combustible limp io 5.

(6) cap az de sustituir a los hidrocarburos que son los que actualmente están moviendo al mundo. Sección 1.2. Propiedades del Hidrógeno Para entender el p orqué no se ha llegado a un total uso del hidrógeno como fuente de energía para los vehículos y a la vez ver el p orqué el afán de desarrollar nuevas tecno lo gías es necesario ver cuáles son sus p rincipales características y prop iedades que h acen que este elemento sea una p otencial solución a los p roblemas energéticos que se ven v enir con la escases y altos precios del p etróleo. “El hidrógeno es el gas menos denso conocido, con una densid ad de 0,08376 k g/m3 a 20º C y 1 bar. Su poder calorífico inferior es muy elevado p or unidad d e masa (119,83 kJ/g frente a 55,53 kJ/g d el metano) p ero, debido a su baja d ensidad, su poder calorífico inferior por unidad de volumen es muy bajo (10.050 kJ/m3 frente a, por ejemp lo, los 32.560 kJ/m3 del metano a 15º C y 1 bar). Tiene una muy baja energía de activación y muy amp lios rangos de inflamabilidad y explotabilidad, p or lo que cu alquier mezcla con aire prende o exp lota fácilmente: la electricidad estática, el contacto con una sup erficie caliente o incluso el choque de dos metales en sus cercanías son p osibles fuentes de ignición (p or ello no se encuentra libre en la naturaleza). Es inco loro, inodoro y su llama es invisible. Existen materiales, en esp ecial algunos aceros, que se vuelven frágiles en contacto p rolongado con el hidró geno, p udiendo fallar mecán icamente si este efecto no se tiene en cu enta. Dado el pequeño tamaño de la mo lécula, el hidró geno gaseoso tiene mayor tendencia que otras sustancias a p enetrar a través de p equeñas fisuras, juntas o incluso materiales p oliméricos.” [3]. Estas p rop iedades muestran la comp lejidad d e imp lementar el hidró geno como combustible en los motores de combustión interna. Para esto es necesario camb iar los materiales comúnmente utilizado en los motores p ara evitar que estos fallen y también surge un problema de almacenamiento del hidrógeno debido a la b aja densidad que este gas presenta, ya que requeriría ser almacen ado a elevad as presiones o en forma líqu ida, lo cual es muy costoso. Por otro lado existen algunas p rop iedades favorables del hidró geno que lo vu elven una potencial solución a los p roblemas energéticos y del medio ambiente. Primero que todo se puede llegar a tener reservas ilimitadas p or su alta comp resibilidad. Su facilidad de combustión comp leta es una ventaja a la hora de utilizarlo como combustible en motores de combustión interna. Una de las p rincip ales características favorables es el bajo nivel de contaminación atmosférico causado durante la combustión del hidró geno con niv eles adecuados d e o xígeno. Los p roductos de la combustión estarían libres de CO2 el cual es la princip al p reocup ación a niv el de contamin ación y deterioro del medio ambiente. En vez de 6.

(7) tener gases contaminantes y nocivos para el medio ambiente la combustión del h idró geno gen eraría vap or de agua co mo producto de la combustión. [4] Actualmente las Asociaciones a favor de la imp lementación del hidró geno están activamente desarro llando nu evas tecnolo gías p ara contrarrestar las dificultades que la manip ulación y uso del h idrógeno conllevan y así p oder imp lementarlo comp letamente como combustible p ara veh ículos en un futuro cercano. Sección 1.3. Producción del Hidrógeno Como una de las desventajas del hidrógeno es que no se encu entra libre en la naturaleza, debido a las p rop iedades antes mencionadas, es necesario p roducir hidró geno. Existen varios métodos para esto: descomp osición electrolítica d el agua, gasificación de la bio masa, producción biológica, ciclos termoquímicos, extracción del metano, entre otros. 1.3.1. Descomp osición electrolítica del agua La electrólisis del agua es un p roceso y a muy utilizado en la industria p ara descomp oner el agua en sus resp ectivas moléculas al p asar un a corriente eléctrica entre dos electrodos (p ositivo y negativo) que se sumergen en un electrolito (agu a con algún tip o de sal). La reacción química es la siguiente: Ecuación 1. Reacción Q uímica en la electrólisis de Agua [5]. Para hacer la desco mp osición de agua se p uede utilizar bicarbonato de sodio p ara formar el co mpuesto ionizable requerido. A este se le ap lica una corriente gen erando una diferencia de potencial entre los electrodos lo cual causa que los iones p ositivos de oxígeno se muev an hacia el electrodo negativo y los iones negativos de hidró geno se mu evan hacia el electrodo positivo simultáneamente. Allí tanto el oxígeno co mo el hidró geno se descargan y se depositan con átomos de oxígeno y de hidró geno resp ectivamente. La cantidad d e material qu e se deposita en cada electrodo en este proceso cump le la ley de Faraday , la cual afirma que esta cantidad de material es p rop orcional a la intensidad de la corriente que p asa p or el electrodo, y que las masas de los distintos elementos que surgen de la reacción son directamente p rop orcionales a sus masas equ ivalentes, lo que significa qu e equivalen a sus masas atómicas divididas p or sus valencias.. 7.

(8) El hidró geno obtenido con la electrólisis del agua es de alta pureza. Presenta ciertas dificultades tales co mo su almacen amiento, debido a su baja densid ad, y su alto costo de producción. Por otro lado es necesario tomar altas med idas de seguridad y a que en la p roducción y almacenamiento del hidró geno se manejan altas p resiones, electricidad, y el gas que se manip ula es inflamab le. 1.3.2. A partir de energía solar Debido a la gran necesidad de p roducir energía a p artir de energías renovables se está avanzando en el desarrollo tecnoló gico de nu evas soluciones tales como el almacenaje d e energía solar en forma de energía qu ímica. Claro está que hasta el momento no se ha logrado alcanzar eficiencias razonables p ara solucionar el p roblema energético que está continuamente aumentando. La p roducción d e hidrógeno a p artir de energía solar se div ide en tres con juntos que son básicamente: los p rocesos fotoquímicos, electroquímicos y termoquímicos. Estos conjuntos se p ueden mezclar entre sí p ara otros conjuntos más esp ecíficos, (ejemp lo: fotoelectrólisis). En la figura 2 se muestran los diferentes conjuntos que se p ueden utilizar para p roducir hidrógeno a p artir de la energía solar. [5]. Figura 2. Hidrógeno a partir de la energía solar [5]. Al almacen ar la en ergía solar como energía química se p uede utilizar en v arios p rocesos, en este caso en la p roducción de hidró geno, con may or eficien cia. En este documento se presenta uno de los p rocesos p lanteados p ara comp lementar el p roceso de la electrólisis del agua, que es el p roceso que se d esarrollará más adelante en el p roy ecto. Este p roceso puede ocurrir tanta a temp eratura ambiente, el cual se exp licó anteriormente, como a temp eraturas elevadas. Este segundo caso es el que se p rop one con la utilización de energía solar. Al tener temp eraturas elev adas y a no se tendría agua en forma líqu ida sino vap or. Esto implicaría utilizar menos energía eléctrica p ara llev ar el proceso de la electrólisis. Esto imp lica qu e existe una dep endencia del p roceso de electrólisis con la temp eratura. En la figura 3 se p resenta una gráfica donde mu estra la relación existente. 8.

(9) Figura 3. Demanda de energía para la electrólisis del agua y del vapor [6]. Se p uede ver en la gráfica que a medid a que au menta la temp eratura disminuy e la demanda d e energía eléctrica, ∆G. Esto demuestra que se debe utilizar menos energía p ara llevar a cabo el proceso de electrólisis cuando el agua está en forma d e vap or que cuando está en forma líquida. Con esta relación entre la energía eléctrica requerida y la temp eratura es donde surge el p lanteamiento de p roducir hidró geno utilizando energía solar. En la figura 4 se p resenta un esquema donde se muestra el acop lamiento entre una central termo solar y una p lanta de electrólisis a alta temp eratura, p rop uesta p or el Grup o de Termotecnia, ETSII-UPM.. Figura 4. Esque ma mo ntaje planta electrólisis a alta temperatura con central termoeléctrica [5]. 9.

(10) 1.3.3. A partir de metano En este documento también se exp lica la producción de hidró geno a partir de metano o gas natural ya que la reconocid a marca de automotores Honda, está desarrollando un generador de hidrógeno doméstico que funciona con este proceso. El p roceso de obtener h idró geno d el metano (CH4), constata básicamente de la oxid ación del metano p roduciendo dió xido de carbono e hidró geno. En la ecuación 2 se p resenta la relación qu ímica de este p roceso. Ecuación 2. Reacción Q uímica reducción de hidrógeno a partir de Metano. Este p roceso de p roducción de hidrógeno tiene una eficien cia d e aproximadamente el 80%, lo cual es sin duda una de las ventajas de más p eso. El proceso cump le varias etap as las cuales co mienzan con una reacción endotérmica catalizada qu e surge entre el metano y vap or de agua a alta temp eratura que se introduce. Esta reacción gen era un a mezcla de h idrógeno y monóxido cono cida como gas d e síntesis. Esta mezcla es difícil d e separar a temp eraturas tan altas p or lo que es necesario b ajar la temp eratura hasta -205°C. Como medid a siguiente el monóxido se oxid a a dió xido. Esto facilita la sep aración p osterior de la mezcla. Para lo grar esta oxid ación se enfría la mezcla y se iny ecta vap or de agu a nuevamente, claro qu e esta vez sobre un catalizador de o xido de h ierro III (Fe2O 3). Hasta este p unto la reacción del p roceso es la siguiente: Ecuación 3. Hidrógeno a partir de metano con catalizador de óxi do de hierro III. Llegado este p unto el problema de la sep aración del dió xido y del hidrógeno se vuelva más sencillo ; existen varias formas de lo grarlo. Una de ellas es enfriar la mezcla p or debajo de los -78 °C que es la temperatura de condensación del CO2. Es muy adecuado hacer este p roceso ya que la temperatura de condensación del hidrógeno es de -253°C y además es económicamente viab le. Por otra lado se p uede optar p or utilizar una salida química, ya que el al usar una disolución d e carbonato p otásico el CO2 reacciona generando carbonato ácido de p otasio que al calentarse se p uede regen erar el carbon ato y así se lograr separar del h idró geno. [7] Utilizando o hidrocarburos también se p uede extraer h idrógeno y existen varios métodos a nivel industrial p ara p roducirlo. Pueden llegar a ser más eficientes y p or ende económicos, p ero al utilizar h idrocarburos o inclusive gas n atural no se está evitando uno de las p rincip ales p roblemas que la p roducción de CO2 y p roductos contaminantes además de seguir utilizando en ergía no renovable. [7]. 10.

(11) Sección 1.4. Utilización del hidrógeno en vehículos El hidrógeno es comúnmente utilizado en varias ap licaciones tales como la exp erimentación en laboratorios, en p rocesos de soldadura, para llegar a atmósferas in ertes, y en los últimos años ha cogido mucha fu erza el desarro llo de nuevas tecnolo gías p ara utilizar hidró geno co mo co mbustible p ara vehículos. En varias partes del mundo han surgido nuevas p rop uestas p ara solucionar los p roblemas energéticos al que el mundo se está enfrentando. En el tema especifico de la utilización de h idró geno en vehículos, la celda de combustible es la tecnolo gía que está co giendo más fuerza. Una celda de co mbustible es básicamente un dispositivo electroquímico que sigue los mismos p rincipios que las baterías. Este disp ositivo p roduce electricidad utilizando hidrógeno y oxígeno co mo fuentes p rimarias. El hidró geno es p roducido p or varios métodos, como los exp licados anteriormente y luego almacenado p ara hacer la función de combustible. Por otro lado el o xígeno, que se en cuentra libre en el aire, se utiliza p ara llevar a cabo la reacción qu ímica deseada. La p roducción de electricidad en este mecan ismo es directa, lo que imp lica qu e la eficiencia del mismo sea muy elevada. Por otro lado el gen erador no tiene p artes móviles, lo que significa qu e la electricid ad no se p roduce con trabajo mecánica sino con una reacción química, haciendo que el disp ositivo sea muy silencioso. También surge como ventaja que la generación de electricidad en este p roceso no genera contamin ación, la cual es una de las may ores p reocup aciones de los in genieros actuales. Estas celd as de combustible p ueden tener diversos tamaños y p or ende diferentes usos. Se p ueden utilizar para generar la suficiente energía eléctica p ara recargar el teléfono celular, h asta utilizar unas de may or tamaño para mover el motor eléctrico de un vehículo. Para tener una idea más clara del fun cionamiento de las celd as de combustible qu e se están fabricando actualmente es necesario entender la reacción química a la que el hidrógeno se somete. Al unirse con el o xígeno, el hidró geno se o xida en agua gen erando en ergía eléctrica y calor exclusivamente. El diseño de la celda es fundamental p ara que la reacción suceda, ya que el hidrógeno alimenta a la celda p or el ánodo, y el oxígeno por el cátodo que están sep arados p or una membrana electrolítica. Esta membran a electrolítica p ermite solo el p aso de los p rotones del hidró geno ion izado, los cuales llegan al cátodo. Los electrones como están imp edidos a seguir son forzados a salir del ánodo p or un circuito volviéndose entonces una corriente eléctrica. Este p roceso utilizado es básicamente la electrólisis del agu a revertida. [8]. 11.

(12) Sección 1.5. Últimas innovaciones En los últimos diez años varias marcas automotoras han desarrollado innovaciones y presentado p rototip os donde se p resenta la utilización del hidrógeno como combustible limp io y eficiente. En esta investigación se p resentarán tres de las innov acion es más relevantes en cuando al tema. La p rimera es el d esarrollo que ha conseguido Honda frente a esta nueva alternativa de combustible. Con su último lanzamiento del FCX Clarity , un sedan de última generación, Honda demuestra la posibilidad de utilizar hidró geno como combustible. Este vehículo cuenta con una innovadora celda de combustible, como las que se exp licaron anteriormente, que funciona a base de h idró geno. También es un vehículo fu ll equip o, con todas las co modidad es y accesorios d e segurid ad co mo airbags comunes en los automóviles de la alta gama. En la figura 5 se p resenta un esquema obtenido en la p ágina web de Honda dond e se exp lican los d iferentes p asos y comp onentes que hacen que este vehículo sea fun cional e innovador. Además el slo gan que acomp aña a esta nueva máquina se refiere al vehículo como “El sedán emisión cero del futuro. Una realid ad hoy ” [9]. Figura 5. Funciona miento del FCX Clarity de Honda [9]. A p arte de p resentar este innovador vehículo, Honda también está haciendo grandes avances en el desarro llo de una estación de abastecimiento de hidró geno casera; “Home Energy Sta tion”. Desde el año 2003 existe una d e estas estaciones do mésticas en Torrance, California. Está op erando exp erimentalmente p ara estudiar y avanzar en los desarrollos tecnológicos p rop uestos p or Honda. Esta estación genera hidró geno a p artir del gas natural, como se exp licó al comienzo. Cuando se comp leta la cantidad d e hidró geno que se p uede almacenar, el gen erador no se d etiene sino que continúa con la p roducción de hidró geno, y 12.

(13) éste se utiliza p ara generar electricid ad para el ho gar, y así brindar la calefacción e ilumin ación necesaria. La gen eración de electricidad dentro del hogar funciona con la misma idea de células d e combustible qu e se utilizan en los automóviles. La recarga de los vehículos p ropulsados p or hidrógeno es sencilla y segura. En este p royecto Honda está trabajando junto con Plu g Power, Inc. p ara avanzar en el desarrollo d e esta tecnolo gía. El año p asado en 2007, Honda desarro lló un a nu eva v ersión de estación do méstica más eficaz y mejor adap tada p ara el uso doméstico (Home Energy Station IV). Según los estudios desarrollados por Honda “Las emisiones de CO 2 p ara un ho gar qu e emp lea una Home Energy Station son un 30% inferiores qu e las de un ho gar que usa un automóvil a gasolina y suministro de electricid ad y calefacción brind ado p or emp resas comerciales.” [10] El desarrollo sigue avanzando y se esp era que p ara el año 2050 todos los automóviles estén prop ulsados p or hidrógeno. Por otro lado BM W también ha tenido numerosos av ances frente al desarrollo de nuevas tecnologías que imp lican al hidró geno como combustible del futuro. El BM W Hy drogen 7 es el automóvil de hidró geno más avanzado, y a que está listo para entrar en producción masiva. Este a diferencia de los otros motores funciona con un motor de combustión interna o p rop ulsor p olivalente. Polivalente sign ifica que el motor p ude funcionar con hidrógeno o con gasolina. Cu anta con el mismo s istema de p istones y bujías tales como las conocid as en los motores actuales. El Hydrogen 7 tiene un disp ositivo electrónico que p ermite al conductor elegir qué combustible utilizar. A diferencia de las celd as de combustible el hidrógeno utilizado en este innovador veh ículo está en forma líquida y no gaseosa. BMW ha tenido en cuenta todos los p arámetros de seguridad necesarios para el almacenamiento y utilización segura del hidró geno en estos motores. [11]. M otor doce cilindros de 260 HP, cap az de acelerar d e 0 a 100 km/h en 9,5 segundos y alcanzar una velocid ad máxima de 230 km/h con corte electrónico. [11]. Figura 6. Motor Hydrogen 7. Otra comp añía que está ded icad a a implementar la producción de h idró geno como combustible es la ITM Power. Esta emp resa está desarrollando un generador de hidró geno doméstico p ara abastecer el Ford Focus bi-fuel, automóvil híbrido también d esarrollado por la emp resa. El generador p retende usar electrólisis del agua p ara p roducir hidrógeno. ITM Power, p lantea que la p roducción puede hacerse durante la noch e, cuando la energía 13.

(14) eléctrica suministrada al ho gar es menos costosa y almacenar el h idrógeno p ara satisfacer las necesid ades del automóvil híbrido y también p ara p roducir electricid ad durante en d ía consumo de electrodomésticos en el ho gar p or medio de un generador de co mbustión interna. Existe ya un ap artamento modelo funcionando con esta tecnología, ubicado en Sheffield. El desarrollo de esta tecnología se en camina a buscar la mejor solución p ara hacer generadores eficientes de bajos costos. [12] Sección 1.6 Reglamentación y seguridad para el uso o producción Para esta sección se acudió a un do cumento p resentado p or Universal Industrial Gases, Inc. donde ofrecen la información necesaria p ara manip ular adecuadamente el hidró geno. Este documento p romueve el uso seguro y advierte a los d iferentes usuarios resp ecto a varios parámetros que se deben tener en cuenta cuando se está cerca o se utiliza el hidrógeno en forma gaseosa. Debido a la importancia de este documento y a la utilidad que se le p uede dar p ara el desarro llo del p royecto a seguir el documento se encuentra en el anexo. El documento cubre en gran extensión la reglamentación y seguridad que debe existir en esp acios donde se utilice hidró geno. [14] Por otro lado es imp ortante nombrar a la International Conference of Hy drogen Safety , la cual lleva a cabo cada dos años en diferentes p aíses, y donde se p resentan las nuevas innovacion es, desarrollos y reglamentación resp ecto al uso del hidró geno. La ú ltima conferencia fue del 11-13 de sep tiembre de 2007 en San Sebastián, Esp aña. A estas conferencias se presentan cientos de investigadores e in gen ieros que p resentan sus pap ers y exp onen los ú ltimos desarrollos obtenidos alrededor d el mundo. El lema de esta conferencia es el sigu iente: “Since th is event will focus on safety issues and trust building measures its scope will be different from other "Hydrogen Conferences". A key criterion for accepting papers for presentation will b e the quality and relevance on their safety content.” [13]. 14.

(15) Capítulo 2: Experimentación. Sección 2.1 Objetivos Desp ués de tener una noción clara acerca de la imp ortancia de p roducir hidró geno eficientemente, de la imp ortancia que es llegar a una solu ción eficiente de p roducción de combustibles limp ios para p roteger el medio ambiente, surge el cuestionamiento acerca de la viab ilid ad de p roducir h idrógeno por medio d e la electrólisis del agua. Es entonces cuando surge la idea d e utilizar un montaje experimental de bajo costo y de fácil manip ulación que p ermita hallar los parámetros más relevantes que afectan la eficien cia de la p roducción de hidró geno p or medio de electrólisis. Los objetivos p rincip ales de la exp erimentación realizada se resumen en: • • • • •. Entender los flujos del h idró geno y electrólito. Hallar el voltaje y corriente ideal p ara la p roducción eficiente. Entender el comp ortamiento de las burbujas p roducidas. Hallar la mejor distribución y configuración de los electrodos. Hallar la mejor concentración d el electrolito p ara una p roducción eficiente. • Llegara a p arámetros ideales p ara p rop oner un diseño de celda electrolítica.. Se p rop uso cump lir estos objetivos exp erimentalmente debido a que, como se men cionó anteriormente, hay escases de información d isp onible sobre la construcción adecu ada d e un gen erador d e h idró geno p or electrólisis. Se conoce qu e existen generadores hasta con un 60% de eficiencia, p ero no se sabe cómo están construidos ni bajo qué condiciones energéticas trabajan.. 15.

(16) Sección 2.2 Montaje Experimental. Figura 7. Montaje Experimental. 2.2.1 Materiales e Instrumentos Se utilizaron materiales económicos p ara el desarro llo del montaje exp erimental p ara así poder entender el p roceso de la electrólisis desde un punto de vista económico que no requ iera inversiones grand es y así poder desarrollar un generador que esté al alcance de todos. Los materiales que se utilizaron para la construcción de la celda electrolítica experimental fu eron los siguientes: • • • • • • • •. 1 Recip iente p lástico de 5L 12 p lacas de 60x130 mm (área disp onible 380 por p laca) de acero Inoxid able austenítico 2 tubos de 2” y 60 mm de longitud (sop orte de p lacas) 2 botellas 1.5 L p lásticas comerciales de bebidas gaseosas. 2 racores hembra con anillo p ara man guera NPT ¼” 2 válvulas NPT ½” 2 metros de manguera de ¼” 2 abrazaderas Titán 1 ½” 16.

(17) • 2 manguitos doble reducido ½” M acho a ¼” Hembra • 1 Sellador an aeróbico p ara tubería • Regleta alu minio. Figura 9. Manguito macho- hembra. Figura 10. Racor hembra con anillo. Figura 8. Sellador anaeróbico. Figura 12. Abrazadera Titán Figura 11. Válvula de bola. Para la recolección d e datos se utilizaron los siguientes instrumentos de medición:. Tabla 1. I nstrumentos Utiliza dos. Instrumento FLUKE. Pinza de corriente. Picnómetro. Descripción M ultímetro, Scop e M eter. Función Se utilizó p ara adquirir la señal de voltaje y corriente.. Pinza que utiliza campo magnético p ara transmitir un voltaje resultante de la corriente que p asa entre el campo. El voltaje es luego convertido a valores de corriente utilizando el FLUKE Instrumento para medir densidad a p artir de un volumen establecido y la masa de la muestra.. Se utilizó p ara adquirir los datos relacionados con la corriente que consume el generador durante el p roceso de p roducción y carga de hidrógeno.. 17. Rangos / Factores La escala de medición es ajustable. Se manejó una escala de 100mV. 100 mV. Se utilizó este Volumen: 10 ml instrumento p ara medir el cambio de d ensidad M asa: 48,6026 durante el transcurso gramos de la p roducción de hidrógeno. Este.

(18) Fuente de Poder. Fuente DC. Balanza. Balanza electrónica d el laboratorio de p olímeros. Bureta. Recip iente de med ición de vidrio calibrado p ara volúmenes entre 0 y 1000 ml a cada 250 ml Tarjeta de adquisición de datos en la cual cuenta con un software esp ecializado en recibir señales de voltaje y convertirlas en valores reales utilizando factores de conversión. Los datos son fácilmente almacenados como un arreglo numérico d e datos. Circuito amp lificado que p ermite conectar 5 termop ares y conectar a la vez el sistema a un a tarjeta de adquisición de datos. La bjack. Amplificador de Termo par. instrumento p ermite observar camb ios muy pequeños en la densidad Se utilizó como fu ente de energía para realizar la electrólisis. Los electrodos se conectaron a la fuente con alambre calibre 14 p ara evitar calentamiento. Se utilizó la b alanza p ara p esar las diferentes cantidades de bicarbon ato de sodio necesario p ara hacer el electrolito. Se utilizó p ara medir la cantidad de agu a destilada utilizada en cada p rueba realizada. Se utilizó p ara adquirir datos de la temp eratura del sistema.. Voltaje: 0-50 V Corriente 0-10 A. 1000 ml. Factores de conversión: Temp eratura= 100. Se utilizó para tomar datos con la Labjack p ara ver el cambio de temperatura durante el llenado d el cilindro.. Se p uede calibrar para tener una lectura en °C. 2.2.2 Proceso de Construcción Lo p rimero que se hizo fue implementar el sistema d e racores, válvu las y mangu eras en unas tap as convencionales de gaseosa. Se abrió un hueco con mucho cuidado en la p arte sup erior de la tap a utilizando una bro ca d el tamaño exacto del racor macho. 18.

(19) Este se roscó en la tap a y utilizando el sellador anaerób ico se aseguró con una rosca en la p arte interior de la tap a. No se removió en o-rin g original de la tap a, y a que éste evita p osibles fugas entre la botella y la tap a. Una vez la unión tap a-racor estaba seca se acop ló la válvula y el racor hembra con anillo qu e a su vez sostiene la man guera p lástica.. Figura 13. Sistema de Racores- Manguera. Con el sistema de acople de la man guera y la válvula a la tap a de la botella d e gaseosa se p robó que no existieran fugas llen ando la botella con aire comp rimido y cerrando la válvula. La botella se sumergió en agu a para garantizar que no existiera la mín ima fu ga de aire. Esta p rueba era muy imp ortante y a que al ser el hidrógeno el elemento con la mo lécula más p equeña tener cualquier fu ga, p or p equeña que sea, resulta en un camino libre p ara que este salga. Tener una fu ga d e hidró geno no so lo imp lica riesgo sino un error significativo en las medid as que se p retendían hacer. Luego se cortó la p arte inferior de las botellas, las cu ales van sumergid as en el electrolito y se acop laron utilizando una regleta de alumin io doblad a en los extremos qu e es ap risionada contra cada tap a de las botellas por las abrazaderas. Se utilizaron dos botellas para almacen ar en un a el hidró geno y en otra el oxígeno p roducidos. Luego se fabricó un sop orte también en alumin io que va atornillado al recip iente p lástico y a la regleta que une las botellas. Ya con los recipientes de almacenaje de gases (botellas) y de electrolito (recip iente p lástico) se fabricaron los soportes ranurados (figura 14) p ara las p lacas que conforman los electrodos. Se fabricaron los dos sop ortes cortando un tubo de 2” de acero inoxid able. A estos se les hicieron ranuras con la segueta del tamaño justo p ara que las p lacas encajaran. Cad a sop orte rasurado tenía la op ción de sostener cinco p lacas. El sop orte llevaba la conexión eléctrica con cable de estéreo directo a. 19.

(20) la fuente. En las p rimeras p ruebas este cable se calentó al aumentar la corriente y fue necesario remp lazarlo p or alambre calibre 14.. Figura 14. Soporte ranurado. Los electrodos con el sop orte presentaban cierto error y a que no se p odía tener una distancia única entre las p lacas sino que en el sop orte se generab an burbujas grandes que ap ortaban a la p roducción. Se decidió entonces elimin ar el sop orte ranurado y utilizar un tornillo que permitiera establecer la distancia desead a entre las placas de cada electrodo usando diferente número de tuercas entre p laca y p laca.. Figura 15. Electrodo Modificado sin Soporte ranurado y con 6 placas. 20.

(21) 2.2.3 Libertad de modificaciones El montaje exp erimental se diseñó con el fin de p oder hacer p ruebas d iferentes utilizando los mismos materiales. Es p or esto que el montaje p ermitió mod ificar varios p arámetros de experimentación tales como d istancia entre electrodos, número de p lacas p or electrodo, cantidad de electrolito utilizado, concentración del electrolito, voltaje ap licado, entre otras. Esta lib ertad de modificaciones del montaje exp erimental p ermitió observar y hallar comp ortamientos muy interesantes de la p roducción de hidró geno p or medio d e electrólisis. Más adelante en este documento se hablará d e lo observado a diferentes configuraciones del montaje. 2.2.4 Limitaciones Una de las limitaciones más imp ortante fue la imp osibilid ad de co mprimir el hidrógeno almacenado. Como el sistema de almacenamiento consistía en una botella que a mediad que se llena baja el niv el de electrolito, subiendo a la vez el nivel del recip iente p rincipal, solo se lo gró almacenar 1000 ml de hidrógeno por p rueba. Esto es una limitante y a que no se logró ver el comp ortamiento de la electrólisis p ara p eriodos más p rolongados, sup eriores a dos horas. Al p rincip io de la exp erimentación se llegó a una limitación de voltaje utilizado debido a los cables que se estaban utilizando. A superar los 8 Amperios, estos se calentaban de manera significativa. El p roblema se solu cionó ráp idamente cambiando los cables p or alambre calibre 14 que es el qu e se utiliza co múnmente en las redes eléctricas domésticas. 2.2.5 Calibración El p roceso de calibración consistió básicamente en marcar diferentes niveles d e volúmenes en la botella p ara tener un control ad ecuado de cuanto hidrógeno se estaba produciendo. Para esta calibración se utilizó una jerin ga de 50 ml y a calibrada, con la cu al se fue v ariando el volu men interno de la botella llen a, iny ectando 50 ml de aire. El n ivel de agua dentro de la botella bajaba acorde con la cantidad de aire iny ectado. De esta manera se marco una escala de volumen de 0 a 1000 ml en la botella transp arente.. 21.

(22) Figura 16. Botella calibrada. Sección 2.3 Diseño de Experimentos Los p rimeros exp erimentos que se diseñaron tenían co mo objetivo p robar el correcto funcionamiento del montaje experimental y ver cómo era el co mp ortamiento de la corriente y p roducción de hidrógeno al variar ciertos p arámetros p ermitidos por el montaje exp erimental. 2.3.1 Prueba Número de Placas El objetivo de esta p rueba era ver cómo se afecta la corriente al camb iar el número de p lacas p or electrodo. También ver la p rop orción voltaje-corriente, sin mod ificar distancia entre las p lacas ni la con centración d el electrolito. Los p arámetros de exp erimentación utilizados en esta p rueba fueron los sigu ientes: Tabla 2. Canti dades Constantes para prueba número de placas. Parámetro Constante Cantidad de Agua Distancia entre Electrodos Cantidad de. Cantidad 6000 ml 6 cm 6 gr. Se establecieron tres configuraciones distintas resp ecto al número d e p lacas p or electrodo. En la siguiente tabla se v en las configuraciones utilizadas.. 22.

(23) Figura 17. Distancia entre electrodos Tabla 3. Número de placas para las tres pruebas. Electrodo. Cátodo 1 2 3. Número de Placas. Ánodo 1 2 3. El p rocedimiento de recolección d e d atos p ara este p rimer exp erimento consistió en tomar la corriente marcada p ara diferentes voltajes imp lementados a los electrodos. Se co menzó con un 10 voltios y este se aumentó de a 2 voltios hasta llegar a 1 amp erio. El mismo p rocedimiento se llevó a cabo en las tres pruebas realizadas. 2.3.2 Prueba Distancia de Electrodos El objetivo de esta p rueba era hallar la relación qu e existe entre la distancia d e los electrodos y la corriente. Una vez más se establecieron ciertos p arámetros constantes p ara así p oder relacionar solo el camb io en la corriente con el acercamiento o alejamiento de los electrodos. Tabla 4. Canti dades Constantes para prueba de distancia de electrodos. Parámetro Constante Cantidad de Agua Voltaje Cantidad de Placas por electrodo. 23. Cantidad 6000 ml 30 V 6 gr 5.

(24) Figura 18. Configuración Electrodos para prueba de distancia. El p rocedimiento de esta p rueba consistió en encontrar el valor de la corriente manteniendo los p arámetros de la tabla anterior constantes y variando únicamente la distancia de los electrodos.. 2.3.3 Prueba Producción de Hidrógeno debido a la Corriente El objetivo de esta p rueba era v er cu ál es la relación entre la p roducción d e hidrógeno y la corriente. Para esto se utilizó el conocimiento adquirido en las p revias pruebas p ara llegar establecer diferentes corrientes. Jugando con la configuración del montaje (distancia entre electrodos y concentración d e electrolito) se logró establecer una corriente deseada p ara cada prueba. En la siguiente tabla se muestran la configuración del montaje realizada p ara obtener las diferentes corrientes utilizadas en la p rueba.. Tabla 5. Parámetros para establecer corriente deseada. Distancia entre electrodos [cm] 6 3 5 3. Cantidad Agua [ml] 6000 4500 4500 4500. Cantidad de [gr] 12 9,5 22,5 22,5. Voltaje [V] 30 30 30 30. Corriente deseada [A] 1 1,5 2,5 3,1. El p rocedimiento de esta p rueba consistió en contabilizar el tiemp o requerido p ara p roducir 206 ml de hidró geno a d iferentes corrientes. La p rueba estuvo limitada a 24.

(25) 3,1 amp erios p orque en ese momento no se contaba con el alambra calibre 14 y al subir más la corriente se calentaban significativamente los cables. 2.3.4 Prueba Aumento en la Corriente A medida que se co menzó a producir h idró geno y al almacenarlo en la botella se observaba que con el p asar del tiemp o la corriente aumentaba de forma lineal. Se intuy ó que el cambio en la corriente p odría estar relacionado con un sup uesto cambio en la con centración del electrolito debido a la reacción química del bicarbonato de sodio. Fue p or esta razón que se diseñó esta prueba para determinar el camb io en la densidad (concentración) del electrolito durante el tiemp o de p roducción del hidró geno. El p rocedimiento consistió en tomar muestras del electrolito cada cinco minutos p or un tiempo de 45 minutos, y con la ay uda de un p icnómetro, establecer la densid ad de este. También se tomó el valor de la corriente p resente al tomar cada mu estra. 2.3.5 Prueba Cálculo de Eficiencia El objetivo de esta p rueba era básicamente establecer la co mbinación más adecuad a de los parámetros antes estudiados para obtener las mayores eficiencias d e la p roducción de hidrógeno p or medio de electrólisis del agua. Para calcular la eficiencia se utilizó la siguiente tabla para hallar el p oder calorífico disp onible en el hidrógeno p roducido. Tabla 6. E nergía equivalente en 1Kg de H2. Como el montaje estaba calibrado p ara med ir volú menes de hidró geno p roducidos fue necesario convertir estas cantidades a masa de hidrógeno utilizando la densidad del hidró geno en Bo gotá. Ya con la masa hallada p ara cada prueba se p udo hallar la energía mu ltip licándola p or 134200 BTU/kg que es equivalente a 141697754 J/Kg. A continuación se p resentan los cálculos realizados para hallar la energía equivalente del hidró geno p roducido.. 25.

(26) Ecuación 4. Densidad del H2 en B ogotá. Ecuación 5. Cálculo de la masa del H2. El Volumen M edido se da en [ml] y va variando a medida que transcurre la p roducción de hidró geno. Una vez hallada la energía total del h idró geno, se halló también la energía eléctrica utilizada en la p roducción con las sigu ientes ecuaciones: Ecuación 0. Cálculo E nergía Eléctrica Consumida. Donde V: voltaje utilizado [V] I: corriente consumida [A] t: tiemp o [hrs] o [seg.] resp ectivamente. Una vez hallada la en ergía consumida por el sistema y la disponible en el hidró geno p roducido se calculó la eficiencia de la siguiente forma: Ecuación 6. Cálculo de la Eficiencia. Esta serie de p ruebas se diseñó con el fin de ir modificando los p arámetros que se crey eran que p odría mejor la eficiencia. La idea no era solo hallar eficiencia sino ir mejorándo las hasta llegar a un punto satisfactorio de producción.. Sección 2.4 Resultados Obtenidos En esta sección se p resentan los resultados obtenidos en todas las p ruebas realizadas. Se discuten los resultados teniendo en cuanta los hallazgos viv idos durante la exp erimentación y los resultados numéricos calculados. 26.

(27) 2.4.1 Resulta dos P rueba Número de Placas. Se esp eraba encontrar que el número de placas en cada electrodo afectara la p rop orción de la corriente y el voltaje, a medida qu e el número de p lacas aumentara, la corriente también lo h iciera p ara un mismo vo ltaje. Desp ués de ap licar los mismos voltajes p ara tres combinaciones diferentes de número d e p lacas p or electrodo se obtuvieron los siguientes resultados mostrados en la figura 19. Figura 19. Relación Volt aje‐Corriente para diferente número de placas en los electrodos. Relación Voltaje Corriente Voltaje [Voltios]. 50 40 1 placa por electrodo. 30 20. dos placas por electrodo. 10 0 0. 0,5. 1. 1,5. 3 placas por electrodo. Corriente [A]. Como se p uede observar no existe una diferencia clara entre las tres p ruebas. Los valores de la corriente encontrados p ara un cierto voltaje no varían en gran medid a asi se tenga una sola placa p or electrodo o 3 p lacas. Con esta prueba se logró descartar la p osibilidad de au mentar el nú mero d e p lacas como p arámetro de d iseño y también se vio la relación lin eal que existe entre el vo ltaje y la corriente (a may or voltaje may or corriente). Los parámetros constantes descritos en la definición del exp erimento en la sección 2.3.1 se respetaron al máximo p ara ev itar que la corriente fuera a variar por otras razones como p or ejemp lo cambio en la densidad del electrolito o la d istancia entre los electrodos. La imp ortancia de tener clara la relación que existe entre estas dos variab les, voltaje y corriente, se enfoca en entender la p otencia eléctrica y p or ende la energía consumida p or el sistema. Al tener voltajes más altos se esp eraría corrientes altas y dado que la Potencia es equ ivalente al p roducto de estos dos p arámetros cada vez que aumente alguno de los dos también aumentaría la p otencia y p or ende el consumo.. 27.

(28) 2.4.2 Resultados Prueba Distancia de Electrodos En esta prueba se esp era ver que a medida que se alejan los electrodos la corriente disminuiría. Este comp ortamiento es exactamente lo que se obtuvo en la exp erimentación. En la sigu iente figura 20 se p uede observar cómo es la relación entre la distancia d e los electrodos y la corriente.. Figura 20. Relación Distancia entre electrodos y Corriente. Corriente [A]. 4 3,5 3 para 30 voltios. 2,5 2 0. 5. 10. 15. Distancia entre electrodos [cm]. A medida que los electrodos se alejaron se notó una caída clara de la corriente. Esto se p uede interp retar p ensando en el camino que tienen que tomar los electrones p ara llegar de la p laca p ositiva a la negativa (de cátodo a ánodo). Entre más cerca estén las p lacas o electrodos hay un may or p aso de electrones de manera más ráp ida haciendo qu e la corriente claramente sea may or.. Existen dos factores que afectan la distancia de los electrodos. La p rimera es claramente que si los electrodos se llegarán a tocar se causaría un corto circu ito el cual p uede llegar a ser muy p eligroso debido a la p roducción de hidrógeno el cual es altamente exp losivo. Es p or esta razón que se deb e mantener una distancia prudente y los electrodos bien asegurados. Por otro lado el almacenamiento del hidrógeno es otra limitante de la cercanía de las placas. Al tener los electrodos muy cerca la ráp ida p roducción de burbujas tanto de hidrógeno como de oxígeno p ueden llegar a mezclarse fácilmente haciendo muy difícil la sep aración de ambos elementos. También p or esta razón se debe mantener una d istancia razonable para facilitar el almacenamiento del hidró geno. En algun as p ruebas más adelante se utilizó malla d e nylon p ara limitar el p aso de las burbujas de h idró geno fuera del camino deseado. 28.

(29) Esta p odría ser una solución para solventar las dificultades de almacenamiento y sep aración de hidró geno y oxígeno.. 2.4.3 Resultados Prueba Producción de Hidrógeno debido a la Corriente En esta prueba se p retendía v er có mo era la producción d e h idró geno d ebido a la corriente. Hasta este momento no se había almacenado hidrógeno sino que se había entendido los p rincipales parámetros del montaje para poder manejar adecuad amente los cambios d e corriente variando la d istancia de los electrodos, el voltaje imp lementado y la concentración del electrolito. Con el conocimiento adquirido en las p ruebas p asadas se lo gró obtener corriente deseadas p ara p oder ver la rap idez de producción del hidró geno. En figura 21 se mu estra diferentes velocid ades de producción deb ido al camb io de la corriente. Figura 21. Producción de Hidrógeno debi do a la Corriente. Hidrógeno Producido [ml]. 250. 200 3.1 A 2.5 A. 150. 1.5 A 100. 1.0 A. 50. 0 0. 5. 10 15 Tiempo [min]. 20. 25. En estas curvas presentadas se ve claramente como a may or corriente may or rap idez de p roducción. Para un mismo volu men d e hidró geno p roducido el tiemp o que se gasta en conseguirlo cambia de casi v einte minutos a un p oco más de cin co minutos con solo variar la corriente de 1 a 3 amp erios. Al ver este comp ortamiento la 29.

(30) p rimera idea que surgió fue diseñ ar un gen erador que utilice altísima corriente la cual es fácil d e conseguir ap licando un vo ltaje alto, usando una concentración elevad a del electrolito y p osicionando los electrodos a una distancia muy cercan a. Fue entonces cuando surgió el cu estionamiento de hasta qué p unto será bueno imp lementar corrientes elevad as p ara generar hidró geno. ¿Cuál será la eficiencia de p roducir hidrógeno a altas velo cidad es? Para solucionar estas p reguntas se diseñaron las p ruebas explicad as en la sección 2.3.5 cuy os resultados se mostraran más adelante. 2.4.4 Resultados Prueba Aumento en la Corriente Luego de hacer varias p ruebas de p roducción de hidrógeno se observó un comp ortamiento muy interesante de p resente en la corriente. Esta con el pasar del tiemp o de p roducción aumentaba linealmente hasta el p unto de llagar a cambiar dos amp erios lo cual no es despreciab le. Se p ensó que se debía a cambió d e concentración del electrolito p or lo cual se diseño la prueba exp licada en la sección 2.3.4. En la figura 22 se ve el cambio p resente en casi una hora de p roducción d e hidrógeno.. Figura 22. Aumento de la Corriente durante la producción de Hidrógeno. 12. Corriente [A]. 10 8 6 4 2 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. Tiempo [min]. Como se mencionó anteriormente el cambio visto durante un p eriodo de casi una hora está cercano a los dos amperios. Lo grar un cambio d e dos amperios para un mismo vo ltaje aplicado, imp lica v ariar p arámetros tales como la densidad del electrolito y la distancia de los electrodos en gran med ida. Usando el picnómetro se llegó a obtener los siguientes 30.

(31) resultados mostrados en la figura 23 en donde se ap recia el camb io de la densidad durante el mismo p eriodo de tiemp o en que se tomaron los datos del camb io de la corriente.. densidad [g/ml]. Figura 23. Cambio de densida d del E lectrolito. 1,012 1,011 1,01 1,009 1,008 1,007 1,006 1,005 1,004 1,003 1,002 0. 10. 20. 30. 40. 50. tiempo [min]. Aunque existe una disminución en la densidad del electrolito, la cual se p uede justificar con la cantidad de bicarbonato de sodio que reaccion a en el p roceso de electrolisis, el cambio no concuerd a con lo visto anteriormente. Se decía que a may or concentración may or corriente. Tiene sentido esta afirmación p orque al tener una solución con mayor concentración electrolítica, el paso de electrones se facilitaría p roduciendo may ores corrientes. Lo que se observa en los resultados obtenidos resulta ser contrario a este p rincip io. A medida que la densid ad disminuy e la corriente aumenta. Estos contradecían los resultados p reviamente encontrados lo cual dejaba la gran incó gn ita acerca de que fenó meno en el montaje estaba causando el incremento lineal d e la corriente.. En una prueba diferente a esta fue necesario extraer hidró geno de la botella p orque se llegó al límite de los 1000 ml y se quería seguir p roduciendo hidró geno por más tiemp o. A medida que se iba extray endo con la jeringa el hidró geno, el nivel del electrolito comenzó a variar de manera op uesta y como el generador seguía en marcha se vio cómo la corriente comenzó a disminuir. Esto condujo a p robar como el niv el del electrolito afecta el cambio d e la corriente. En la figura 24 se p resenta a mano izquierda el cambio en la corriente observada y a mano derecha el camb io de cantidad de electrolito sobre los electrodos inducido con el fin de ver la relación entre ambos p arámetros.. 31.

(32) 1,12 1,1 1,08. 1,12 1,1 1,08 1,06 1,04 1,02 1 0,98 0,96 0,94. Corriente [A]. Corrietne [A]. Figura 24. Aumento de corriente debido a Nivel del electrolito para cambio constante. 0. 2000. 4000. 1,06 1,04 1,02 1 0,98 0,96 0,94. 6000. 0. Tiempo [sec]. 500. 1000. Cantidad Electrolito sobre electrodos [ml]. 6. 6. 5. 5 Corriente [A]. Corriente [A]. Figura 25. Cambio Aumento de corriente debido a Nivel del electrolito para cambio escalonado. 4 3 2. 4 3 2 1. 1. 0. 0 0. 1000. 2000. 0. 3000. 500. 1000. Cantidad de Electrolito sobre electrodos [ml]. Tiempo [sec]. Es interesante ver co mo las curvas p ara el aumento de la corriente durante el tiemp o de p roducción son casi exactas con aquellas que d ep enden del n ivel d el electrolito sobre los electrodos. De hecho el nivel del electrolito y el tiemp o están directamente relacionados p orque a may or tiemp o, más hidró geno p roducido lo que significa qu e más volumen de electrolito desp lazado causando un aumento en el nivel de este sobre los electrodos. Es interesante ver el cambio en las p endientes en la prueba qu e se usó una corriente escalonada. A medid a que se tiene más corriente, como y a se 32.

(33) había visto anteriormente, existe una velocidad de p roducción may or p or lo que el nivel d el electrolito cambia también a may or escala. Es p or esto que tiene sentido encontrar p endientes más p ronunciadas al tener may ores corrientes. Esto lo que p ermite concluir es que si se manejan corrientes grand es se esp eraría tener camb io de corrientes sup eriores a los dos amp erios lo cual haría que es sistema fuera inestable.. 2.4.5 Resultados Prueba Cálculo de Eficiencia Las p ruebas más imp ortantes realizadas en este p roy ecto resultaron ser las del cálcu lo de la eficiencia del sistema. Se esp eraba obtener eficien cias sup eriores al 25% que corresponden a eficiencia cono cidas de la p roducción de h idró geno p or medio de electrolisis. Al p rincipio se pensaba que si se producía hidrógeno de manera ráp ida utilizando vo ltajes y corrientes elevados se tendría un a eficiencia acep table. Los resultados obtenidos mostraron todo lo contrario. En esta sección se p resentaran los datos y resultados obtenidos p ara las p ruebas más relevantes realizadas. La id ea princip al era ajustar p arámetros usando la experiencia exp erimental adquirida para mejorar la eficien cia d e la p roducción de h idró geno.. Tabla 7. Parámetros Prueba 1 de Eficiencia. Voltaj e [V] Agua [ml] Cantidad NaHCO3 (gr). variable 3750 10. placas perpendiculares. Tabla 8. Resultados Prueba 1 de Eficiencia. cantidad H2 [ml] 0 50 100 150 200 250 250 300 350 400 450 500 500 550. Tiempo [seg] 0 309 500 710 890 1060 1060 1175 1310 1420 1535 1655 1655 1745. Corriente [A] 1,294 1,337 1,364 1,39 1,413 1,429 2,29 2,331 2,368 2,399 2,436 2,474 3,438 3,499. Voltaj e [V]. 20. 30. 33. Eficiencia [%] 5,4 6,6 6,9 7,2 7,5 4,6 4,6 4,6 4,7 4,7 4,7 3,3 3,3. Energía Consumida [J] 0 8262,66 13640 19738 25151,4 30294,8 0 8041,95 9590,4 7916,7 8404,2 8906,4 0 12596,4.

(34) 600 650 700 750 750 800 850 900 950 1000. 1822 1920 1990 2070 2070 2125 2185 2240 2298 2355. 3,623 3,689 3,746 3,819 4,87 4,957 5,068 5,17 5,28 5,37. 40. 3,3 3,2 3,2 3,2 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4. 50. Energía Total Consumida [J]. 274541,98. Eficiencia total [%]. 3,19. 11158,84 14460,88 10488,8 12220,8 0 13631,75 15204 14217,5 15312 15304,5. En las p rimeras pruebas similares a ésta se obtuvieron eficiencias menores al 5% lo cual fue todo un desconcierto p orque se p ensaba que si se p roducía ráp ido el hidrógeno se iba a consumir menos energía eléctrica. Los resultados mostraron todo lo contrario. Cuando se usa voltajes muy altos se sube mucho la corriente y el consumo energético aumenta de manera cuantiosa. En esta p rueba se calculó una eficiencia total para p roducir 1000 ml de h idró geno de tan solo 3,19 %. Se p uede ver en la tabla que hubo momentos que la eficiencia alcanzó el 7,5%, p ero a medid a que se aumento el vo ltaje la eficien cia fu e cay endo hasta llegar a un 2,4%. Junto a estos resultados se observó que a medida qu e la corriente au menta la temp eratura del electrolito y electrodos también aumenta generando una p érdida de energía por calor. En una o casión se alcanzó a medir una temp eratura del electrolito de 55°C la corresp onde a un d elta de temp eratura significativo a tener un a temp eratura ambiental como temp eratura inicial. Los flujos de burbujas también se observaron y al montar los electros p aralelos entre sí se vio que solo en las primeras p lacas de cad a electrodo se formaban las burbujas de hidrógeno y o xígeno. Los resultados de la p rueba mostrados anteriormente son p ara un montaje de los electrodos ubicados p erpendicularmente entre sí aunque se vio que todas las p lacas p articip an en la producción de hidró geno solo se llevaba a cabo en el extremo más cercano al ánodo. Fue p or esta razón que se llevaron a cabo pruebas donde el cátodo se ubicó entre dos ánodos. Los sigu ientes resultados muestran como la p roducción de hidró geno varió de cierta med ida al hacer este cambio en el montaje inicial. Tabla 9. Parámetros Prueba 2 de Eficiencia. Voltaj e [V] Agua [ml] Cantidad NaHCO3 (gr). variable 3750 15. 34. placa (+) en sándw ich.

(35) Tabla 10. Resultados Prueba 2 de Eficiencia. Cantidad H2 [ml] 0 50 100 150 200 250 250 300 350 400 450 500 500 550 600 650 700 750 800 850 850 900 950 1000. Tiempo [seg] 0 178 277 400 512 607 607 679 744 816 865 930 930 989 1012 1054 1095 1130 1165 1205 1205 1285 1402 1510. Corriente [A] 2,852 2,696 2,709 2,731 2,754 2,771 4,79 4,89 4,94 4,99 5,04 5,11 8,16 8,29 8,4 8,55 8,65 8,76 8,85 8,94 2,52 2,51 2,52 2,53. Voltaj e [V]. 12. 20. 30. 10. Energía Total Consumida [J] Eficiencia total [%]. Eficiencia [%] 7,4 9,6 10,0 10,4 10,9 5,9 5,9 5,9 5,9 6,1 6,1 3,7 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 11,0 11,2 11,1 11,1. Energía Consumida [J] 0 5758,656 3218,292 4030,956 3701,376 3158,94 0 7041,6 6422 7185,6 4939,2 6643 0 14673,3 5796 10773 10639,5 9198 9292,5 10728 0 2008 2948,4 2732,4. 130888,72 6,68. Aunque la eficiencia total au mento casi al doble con resp ecto a las pruebas pasadas, aun era notorio que utilizar voltajes y corrientes altas p rovocaba un caída muy significativa en la eficiencia. Lo imp ortante de estos resultados fue que gracias a este el man ejo d el voltaje se p laneó h acer una precarga del sistema para ver co mo la eficiencia mejorab a. En este caso se hizo un cambio brusco de 30 V a 10 V y se observó un aumento significativo en la eficiencia, de 3,6% a 11%. Esto llevó a p ensar que si se hacía una p recarga del sistema p or unos minutos y luego se bajab a la p otencia la eficiencia iba a mejor bastante. Antes de realizar la p rueba de la p recarga del sistema se llevó a cabo un a p rueba utilizando una malla de ny lon para sep arar el cátodo y evitar que existieran pérdidas de burbujas. Esto se realizó p orque al utilizar corrientes muy elev adas se comenzaba 35.

(36) a p resentar un flujo revertido de las burbujas. Era tan ráp ido el cambio d e nivel d e electrolito dentro de la botella que se gen eraba un flujo negativo hacia el fondo del recip iente. M uchas burbujas por su reducido tamaño comenzaban a descend er saliendo de la botella de almacen aje. Se p retendía evitar dichas p érdidas utilizando la malla de ny lon. Los resultados de esta p rueba fueron los siguientes:. Tabla 11. Parámetros Prueba 3 de Eficiencia. Voltaj e [V] Agua [ml] Cantidad NaHCO3 (gr). variable 3750 15. placa (+) en sándw ich con malla nylon. Tabla 12. Resultados Prueba 3 de Eficiencia. cantidad H2 [ml] 0 50 100 150 200 250 250 300 350 400 450 500 500 550 600 650 700 750 750 800 850 900 950 1000. Tiempo [seg] 0 245 366 541 670 744 744 857 945 1048 1144 1243 1243 1305 1390 1455 1514 1572 1572 1615 1650 1690 1722 1741. Corriente [A] 2,06 1,952 1,959 1,973 1,997 2,003 2,897 2,915 2,928 2,945 2,961 2,968 4,64 4,66 4,71 4,76 4,79 4,83 7,85 7,9 7,99 8,06 8,12 8,23. Voltaj e [V]. 10. 14. 20. 30. Energía Total Consumida [J] Eficiencia total [%]. 36. Eficiencia [%] 8,9 12,0 12,2 13,1 14,8 9,9 9,9 10,1 10,1 10,2 10,2 6,7 6,6 6,5 6,5 6,5 6,5 4,0 3,9 3,9 3,8 3,8 3,8. 107189,838 8,16. Energía Consumida [J] 0 4782,4 2370,39 3452,75 2576,13 1482,22 0 4611,53 3607,296 4246,69 3979,584 4113,648 0 5778,4 8007 6188 5652,2 5602,8 0 10191 8389,5 9672 7795,2 4691,1.

(37) Al comparar estos resultados con aquellos obtenidos p ara el mismo montaje y p arámetros utilizados con la diferencia del uso de la malla de ny lon se notó que la eficiencia aunqu e p or p oco aumenta. Se p asó de tener una eficiencia total del 5% al 8,16%. Esto lo que demuestra es que las p érdidas ocasionadas p or los flujos del electrolito y la pérdida de burbujas, afectan en cierta mediad la eficiencia total del sistema. En p ruebas en las que se utilizaron corrientes más bajas la malla de ny lon deja de tener efecto y a que solo las pérdidas de burbujas suceden al imp lementar corrientes muy altas. Luego de entender la necesidad de uso de la malla de ny lon se llevaron a cabo las p ruebas utilizando p recarga que se mencionaron anteriormente. Los resultados se p resentan a continuación: Tabla 13. Parámetros Prueba 4 de Eficiencia. Voltaj e [V] Agua [ml] Cantidad NaHCO3 (gr). variable 3750 10. placa (+) en sándw ich paralela. Tabla 14. Resultados Prueba 4 de Eficiencia. Cantidad H2 [ml] 0 50 100 150 200 250 250 300 350 400 450 500 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000. Tiempo [seg] 0 88 139 197 253 299 299 442 638 844 1016 1195 1195 1634 2140 2673 3070 3560 4120 4600 5020 5480 5955. Corriente [A] 5,14 5,08 5,150 5,23 5,32 5,38 1,387 1,4 1,408 1,415 1,421 1,427 0,499 0,491 0,491 0,488 0,491 0,491 0,491 0,492 0,492 0,492 0,491. Voltaj e [V]. 30 precarga. 10. 5. 37. Eficiencia [%] 3,2 4,1 4,3 4,4 4,7 15,7 13,9 12,2 11,2 11,1 11,0 23,6 20,2 17,8 16,3 16,1 15,5 14,9 14,8 14,9 14,9 15,0. Energía Consumida [J] 0 13411,2 7879,5 9100,2 8937,6 7424,4 0 2002 2759,68 2914,9 2444,12 2554,33 0 1077,745 1242,23 1300,52 974,635 1202,95 1374,8 1180,8 1033,2 1131,6 1166,125.

(38) Energía Total Consumida [J] Eficiencia total [%]. 71112,535 12,30. Al p rincip io se obtiene una eficien cia muy baja debido al alto consumo de energía eléctrica p or tener un voltaje de 30 V. Cuando este se baja a 10 V la eficiencia aumenta hasta una 15% y cuando se baja a 5 V la eficiencia au menta hasta un 23,6%. Lo curioso es que en vez de aumentar la eficiencia como se veía anteriormente, esta cuando se usa la precarga co mienza a d isminuir con el tiemp o. Si se lo gró subir mucho la eficiencia, y a que al calcular la eficiencia total p ara p roducir los mismos 1000 ml se llegó hasta un 12,3% lo cual aun es bajo, p ero aumentó sign ificativamente. Surge entonces la idea d e utilizar un vo ltaje constante y bajo durante toda la p roducción de los 1000 ml de hidrógeno p ara ver si la eficien cia mejora. Esta p rueba no se había contemp lado antes por la el tiemp o requerido p ara cad a prueba y además por sé antes se pensaba que entre más ráp ido se p rodujera el hidrógeno era más eficiente. La p rimera p rueba que se realizó con voltaje constante se p resenta a continuación:. Tabla 15. Parámetros Prueba 5 de Eficiencia. Voltaj e [V] Agua [ml] Cantidad NaHCO3 (gr). 12 3660 20. Tabla 16. Resultados Prueba 5 de Eficiencia. cantidad H2 [ml] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550. Tiempo [seg] 0 405 680 955 1230 1450 1695 1965 2243 2465 2745 2990. Corriente [A] 0,955 0,962 0,971 0,984 0,994 1,001 1,009 1,015 1,022 1,026 1,033 1,039. 38. Eficiencia [%] 9,4 11,1 11,8 12,2 12,9 13,1 13,2 13,1 13,4 13,3 13,4. Energía Consumida [J] 0 4675,32 3204,3 3247,2 3280,2 2642,64 2966,46 3288,6 3409,392 2733,264 3470,88 3054,66.

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