tfm-zapero pilar-producción de h2 por compuestos orgánicos

TRABAJO FIN DE MSTER Energas renovables, pilas de combustible e hidrgeno. UIMP - CSIC

PRODUCCIN DE HIDRGENO

POR ELECTRLISIS DE

COMPUESTOS ORGNICOS.

Pilar Zapero Moreta

Tutores: Fernando Gutirrez Martn, Esther Martn de los Santos.

Madrid, septiembre de 2014.

PRODUCCIN DE HIDRGENO A PARTIR DE ELECTRLISIS DE COMPUESTOS ORGNICOS.

1

Agradecimientos:

Quisiera agradecer la ayudada prestada al profesor Fernando Gutirrez Martn. Quien

adems de ser un gran profesor, dirigi mi proyecto fin de carrera y ahora este trabajo

fin de mster.

Gracias por dedicar tanto tiempo a la direccin de los proyectos, por toda la

informacin, explicaciones y correcciones realizadas y por toda su disponibilidad,

ajustando horarios complicados y sin parar en sus vacaciones de verano. Y

especialmente gracias por ensearme una pequea parte de todo su conocimiento

sobre el hidrgeno.

Del mismo modo, agradecer a Esther Martn de los Santos que ha permitido la

realizacin de los clculos y la experimentacin en el Laboratorio de Energas

Renovables, Pilas de Combustible e Hidrgeno (LERH) del Centro de Automtica y

Robtica (CAR), del CSIC-UPM. Sin su ayuda no hubiera sido posible realizar la

experimentacin de electrlisis asistida con residuo orgnico en tan poco tiempo.

Toda la experimentacin de electrlisis de disoluciones acuosas de residuo orgnico se

ha realizado en el LERH, que dirige desde ms de una dcada el Dr. Domingo Guinea.

Por ltimo gracias a todos los que han hecho posible la realizacin de este trabajo fin

de mster.


2

NDICE

1. PROPUESTA DE PROYECTO.3

2. FUNDAMENTO TERICO..4

2.1. SISTEMA ENERGTICO MUNDIAL

2.2. SECTOR ELECTRICO ESPAOL

2.3. EL HIDRGENO COMO VECTOR ENERGTICO

2.4. PRODUCCIN DE HIDRGENO

2.5. ELECTRLISIS DEL AGUA

2.6. ELECTRLISIS ORGNICA

3. METODOLOGA EXPERIMENTAL..................................................................................................24

4. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL Y DESCRIPCIN DEL FUNCIONAMIENTO.25

5. DESARROLLO EXPERIMENTAL...27

5.1. PRIMERA PARTE EXPERIMENTAL

5.1.1. DESCRIPCIN

5.1.2. CLCULOS

PREPARACIN DE LA DISOLUCIN DE ENSAYO

REGISTRO DE ALTURAS E INTENSIDADES

INTENSIDAD MEDIA Y DENSIDAD DE CORRIENTE MEDIA

FLUJO DE GAS DEL ELECTROLIZADOR

PRODUCCIN TERICA DE HIDRGENO

RENDIMIENTO DE FARADAY

CONSUMO ENERGTICO

5.1.3. RESULTADOS

5.1.4. CONCLUSIONES

5.2. SEGUNDA PARTE EXPERIMENTAL

5.2.1. DESCRIPCIN DE LA PARTE EXPERIMENTAL

5.2.2. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

5.3. TERCERA PARTE EXPERIMENTAL

5.3.1. DESCRIPCIN DE LA PARTE EXPERIMENTAL

5.3.2. RESULTADOS

5.3.3. CONCLUSIONES

5.3.4. ESTUDIO DEL OXGENO DE LA CORRIENTE DE SALIDA

6. CONCLUSIONES FINALES DEL PROYECTO..60

7. BIBLIOGRAFIA.62


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1. PROPUESTA DE PROYECTO

El Mster en Energas Renovables, Pilas de Combustible e Hidrgeno UIMP-CSIC, que he

cursado este ao, trataba tres ncleos: energas renovables, pilas de combustible y el

hidrgeno como vector energtico.

Sobre las energas renovables he podido conocer el estado actual de desarrollo, ventajas y

problemtica y su previsin de desarrollo futura.

Del mismo modo se ha estudiado en profundidad el funcionamiento, tipos, caractersticas y

diversos usos de las pilas de combustible, que actualmente continan su desarrollo y se prev

que en el futuro tengan una gran utilidad.

En la ltima parte, se ha estudiado el hidrgeno como vector energtico, su produccin,

almacenamiento y su integracin con las energas renovables, aprovechando los recursos

locales y mejorando la produccin actual, que basada en fuentes fsiles no logra la unin entre

eficiencia, economa, y medio ambiente.

El hidrgeno, un elemento conocido desde la antigedad, aparece en muchos planteamientos

de produccin de energa limpia del futuro.

La unin de energas renovables, pilas de combustible e hidrgeno proporcionara una

continuidad en la produccin de electricidad en condiciones meteorolgicas adversas; que es

el mayor problema de las renovables, en estas circunstancias, se puede suplir la produccin a

partir de fuentes renovables por la produccin de electricidad a partir de hidrgeno

previamente obtenido con la energa excedente tras cubrir la demanda.

Existen diferentes tecnologas para la produccin de hidrgeno, que se prev que se irn

desarrollando conjuntamente con el avance de la economa del hidrgeno. Pero para producir

hidrgeno a gran escala, la tecnologa ms madura actualmente es la electrlisis. Adems

este es el modo de produccin de hidrgeno que mejor congenia con las energas renovables,

aportndolas el equilibrio que necesitan para ser generadores elctricos de base.

La produccin de hidrgeno a partir de agua en un electrolizador, es bien conocida, los

diversos tipos de electrolizadores continan desarrollndose, pero el problema de la

necesidad energtica para producir la disociacin del agua es un aspecto que

termoqumicamente no se puede mejorar. Frente a esta situacin aparece la alternativa de

los compuestos orgnicos que necesitan menos energa para la produccin de hidrgeno.

Este proyecto, trata de estudiar experimentalmente, el proceso de la electrlisis en

disoluciones orgnicas. El objetivo es conocer el estado del arte y obtener conclusiones de

este proceso que adems de obtener hidrgeno a potenciales ms bajos que el agua, podra

usar diversos tipos de residuos orgnicos, aadiendo una ventaja competitiva al proceso.


4

2. FUNDAMENTO TERICO

2.1. SISTEMA ENERGTICO MUNDIAL

Desde que se tiene conocimiento de la especie humana, el desarrollo, caractersticas y

condiciones de vida en el planeta se ha regido, en gran modo por las caractersticas

energticas de la poblacin en cada momento.

La primera revolucin energtica la origin el control del fuego, un gran paso que permiti

conocer el calor, la cocina y un instrumento de lucha contra otros poblados.

Sin embargo ms adelante, la revolucin industrial, permiti el uso del carbn que aument la

densidad energtica frente al fuego y por otro lado aument la capacidad mecnica

permitiendo prescindir del esfuerzo de animales y personas en diversos trabajos. El segundo

hito, fue cuando se comenz a usar el petrleo, que mejoraba las caractersticas de su

percusor el carbn.

Sin embargo la primera revolucin, la del fuego, trajo la primera crisis energtica que fue

debida a la abstinencia de madera en Europa, por ello se dio la segunda revolucin con el

carbn y petrleo.

En la actualidad nos encontramos segn diversas opiniones ante la segunda crisis energtica, y

es que los combustibles carbn y petrleo, adems de causar problemas en el medio ambiente

evidentes, son fsiles; con el consiguiente problema de durabilidad del recurso que presentan.

Desde un punto de vista optimista, podramos pensar que los combustibles fsiles pueden

abastecer las necesidades energticas an durante un tiempo suficiente para no

preocuparnos, pero los mtodos de extraccin y tratamiento cada vez son ms costosos,

ingenierilmente ms complicados y dainos para el medio. Si adems, tenemos en cuenta que

los recursos fsiles no se encuentran de manera homogneamente repartidos y los numerosos

problemas poltico-econmicos a los que siempre se asocian es evidente que nos encontramos

ante una situacin energtica que difcilmente se pueda sostener ilimitadamente.

Se necesita evolucionar hacia una produccin energtica moderna tcnicamente, que

aproveche los recursos locales; siendo ms ventajosa por lo tanto desde el punto de vista

econmico y que sea ms respetuosa con el medioambiente. Conseguiramos, una

independencia energtica y una produccin fiable, frente a la situacin actual, en la que

dependemos de la importacin a nuestro pas de petrleo desde determinados

emplazamientos geogrficos puntuales que sufren fuertes y duraderos conflictos socio-

polticos y ocasionalmente puede ocasionar problemas de suministro.

Las perspectivas energticas que buscan el desarrollo hacia una produccin sostenible,

moderna y ms eficiente se centran en 3 rangos, que se detallan a continuacin:


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A corto plazo, hasta el 2030, se busca disminuir las emisiones contaminantes, aumentar el

rendimiento de los sistemas de produccin energtica y aumentar la implantacin y

rendimiento de las renovables.

A medio plazo, hasta el 2050, la poltica energtica debe dirigirse a eliminar la produccin de

CO2 de la cadena de produccin energtica, utilizando fuentes libres de CO2. Esta ventaja la

presentan las energas renovables, en otras tecnologas se debe desarrollar la captura de CO2 y

almacenarlo en la bsqueda de soluciones eliminarlo.

A largo plazo, en un horizonte a partir del 2050, se defiende que la produccin energtica

estar basada en recursos fuera del carbono, las energas renovables dominarn la generacin

y la cobertura de la demanda en todo momento se garantizar por el apoyo del hidrgeno

como vector energtico, que en el horizonte previsto, se piensa que contar con un desarrollo

e instalacin suficiente para que este escenario se suceda.

Estas perspectivas, han sido frenadas por el estancamiento econmico de la mayora de los

pases de Europa. Y se ve reflejado en que tanto las polticas energticas como el desarrollo del

hidrgeno actualmente no evolucionan en el grado deseado.

2.2. SECTOR ELCTRICO ESPAOL

El sistema actual de gestin elctrica en Espaa no es un sistema eficiente elctricamente, la

potencia instalada supera ampliamente a la necesaria para cubrir la demanda y cada ao se

instala ms potencia aumentando la ineficacia del sistema elctrico.

En el siguiente grfico se muestra la evolucin anual de la potencia instalada desde 2009 hasta

finales del 2013, observndose que cada ao aumenta. Sin embargo la demanda en 2013 ha

decrecido por tercer ao consecutivo.


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Desgranando las tecnologas que componen la potencia de nuestro pas, nos encontramos con

que en el 2013, casi la mitad de la potencia instalada son tecnologas que no dependen de

recursos fsiles, como muestra el siguiente grfico. De la mitad de potencia instalada limpia el

42% es la suma de las tecnologas hidrulica y elica.

El 42% de la demanda en el 2013 fue cubierta con fuentes renovables, como muestra el

grfico, y el resto fue cubierta con la generacin nuclear y de fuentes fsiles.

Espaa tiene el potencial por su geografa y condiciones meteorolgicas de convertirse en un

pas donde la generacin elctrica puede cubrirse por fuentes renovables. Si bien, el sistema


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elctrico debe garantizar la demanda en todo momento, sean cuales sean las condiciones

meteorolgicas: si no se registran lluvias, no hay viento o sol; estas son situaciones en las que

el sistema elctrico tambin debe cubrir la demanda aunque la produccin renovable vaya a

descender. Este enfoque es el que determina que se necesita una fuente apoyo, que podra ser

una produccin fsil, pero una idea ms innovadora y que evitara el lastre de la dependencia

de estas fuentes es el vector hidrgeno.

2.3. EL HIDRGENO COMO VECTOR ENERGTICO

El inters en el hidrgeno surge despus de la Primera Guerra Mundial. Pero el trmino

economa de hidrgeno no comienza a usarse hasta 1970 en el entorno de la empresa

General Motors.

La economa del hidrgeno es un modelo energtico alternativo al uso de combustibles

fsiles, en el cual el hidrgeno es fuente energtica utilizada en varios sectores, producindose

sinergias entre los mismos.

Segn la Agencia Internacional de la Energa la produccin de hidrgeno anual se sita en

450.000 Nm3 (aproximadamente 40 millones de toneladas), demasiado baja para que un

sistema energtico pueda depender de este vector energtico. Por lo que queda un largo

camino de investigacin y desarrollo tecnolgico para que conseguir el escenario de la

economa del hidrgeno.

El hidrgeno no es un recurso natural ni una fuente de energa primaria, sino un portador de

energa.

Presenta tres ventajas, que son la causa por la que interesa avanzar en la investigacin para

conseguir la implantacin del hidrgeno como apoyo en la produccin elctrica.

En primer lugar, su combustin, aunque de bajo rendimiento como todos los procesos que

estn asociados al ciclo de Carnot, solo produce agua. No se produce CO2 que es uno de los

subproductos que est en el punto de mira de las polticas energticas mundiales. Y una de las

ventajas del hidrgeno, cuya combustin es limpia.

H2 +

O2 H2O (H=283,72

)

En segundo lugar, el hidrgeno es un vector energtico ideal, pues cualquier tipo de energa

tanto fsil como renovable se puede transformar a hidrgeno. Dada esta caracterstica, el

comienzo del desarrollo del hidrgeno puede arrancar actualmente en el que el sistema

energtico es predominantemente fsil y continuar avanzando hacia el futuro de las energas

renovables.

En tercer lugar, ligado al escenario que se prev para el horizonte lejano, es el vector

energtico que mejor puede adaptarse a la produccin renovable, dotando de continuidad a

la generacin. Pudiendo convertir a las energas renovables en fuente de generacin base, con


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una produccin constante y que puede ser un valor fijado e independiente de diversas

variables (sobretodo meteorolgicas)

En un escenario donde la produccin base es cubierta por fuentes renovables, se seguira el

siguiente esquema:

En primer lugar la produccin energtica en cada momento se destinara a cubrir la demanda

energtica, y en cada momento se pueden dar dos situaciones. La primera situacin sera en la

que la produccin elctrica sea mayor que la demanda energtica; en este caso la electricidad

sobrante se utilizara en un electrolizador para obtener hidrgeno. El hidrgeno producido

puede destinarse a vehculos, demanda qumica de este componente, etc. Y tambin puede

acumularse para los momentos en los que la produccin no alcance a cubrir la demanda

energtica, utilizando una pila de combustible se obtendra la energa que se necesita para

cubrir la demanda del hidrgeno previamente producido.

Este sistema presenta una configuracin energtica lgica que conseguira fiabilidad en el

suministro y un rendimiento de generacin con menos potencia instalada de la de la actual.

De un modo esquemtico el proceso es el siguiente:

2.4. PRODUCCIN DE HIDRGENO

Ya que el hidrgeno no se puede obtener directamente de la naturaleza, e al igual que la

electricidad, es necesario producirlo.

Para ello, hay que separarlo de los compuestos de los que forma parte, aportando energa,

fundamentalmente en forma de electricidad y calor.

El hidrgeno se puede obtener a partir de mltiples materias primas, utilizando una gran

variedad de tecnologas (qumica, electroltica, biolgica, fotoltica, termoqumica). Cada una

se encuentra en un grado diferente de desarrollo, con sus ventajas y desafos para alcanzar

Produccin de

electricidad a

partir de fuentes

renovables.

Demandad energtica

Demandad energtica

Electrolizador

Pila de combustible

H2 O2

>

<

Coches de

hidrgeno,

industria

qumica.


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una produccin en la que el coste de la materia prima, el rendimiento de la operacin, y las

condiciones de hidrgeno finales resulten econmicamente rentables.

Actualmente el 96% del hidrgeno mundial se produce a partir de combustibles fsiles,

principalmente por reformado de gas natural con vapor de agua. El otro 4% es por

electrlisis del agua, sobretodo en aplicaciones que necesitan gran pureza del gas.

La electrlisis se presenta como una tecnologa que frente a la produccin a partir de materia

fsil no depende de estos combustibles, y adems no produce CO2 si la electrolisis es del agua,

mientras que el balance sera nulo si la electrlisis es con residuos orgnicos.

2.5. ELECTRLISIS DEL AGUA.

La produccin de hidrgeno a partir de agua con electrolizadores no es una novedad, se

remonta hasta la revolucin industrial, alrededor de 1789, cuando los investigadores William

Nicholson y Anthony Carlisle descubrieron que se puede romper electroqumicamente la

molcula de agua. En 1902 ya existan ms de 400 electrolizadores industriales en operacin.

En 1948 se construye el primer electrolizador que operaba a altas presiones.

En 1960 se arranca la produccin de electrolizadores con membrana de intercambio protnico

por DuPont entre otras compaas. Y comienzan a desarrollarse los xidos cermicos

conductores de O2- para la electrlisis a altas temperaturas ms orientada a la produccin

estacionaria.

La crisis del petrleo de 1973 motiv el estudio de esta tecnologa, pero cuando se reactiv el

suministro de petrleo se fren el desarrollo. Las energas alternativas al petrleo encuentran

picos de desarrollo cuando se destinan recursos a su investigacin en momentos en que el

suministro de fuentes fsiles escasea. Actualmente hay una concienciacin hacia el cambio

energtico y en la bsqueda de procesos eficientes econmicos y de baja contaminacin, y es

cuando el estudio del hidrgeno y otras tecnologas limpias adquieren particular inters.

El proceso de obtencin de hidrgeno a partir de agua que se lleva a cabo en la electrlisis es

muy sencillo, se necesita energa para romper la molcula de agua y obtener el hidrgeno y el

oxgeno.

H2O H2 +

O2

A continuacin se muestra el funcionamiento de un electrolizador, en el que mediante un

aporte elctrico se consigue separar la molcula de agua en sus componentes, obteniendo en

el ctodo el hidrgeno y en el nodo el oxgeno.


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Imagen: Proceso de electrlisis del agua

Las ventajas del proceso son la obtencin de hidrgeno de alta pureza y la posibilidad de

produccin in situ a partir de agua almacenada. La produccin puede funcionar en rgimen

variable, aunque los electrolizadores funcionan de manera ptima cuando trabajan en

continuo.

Las desventajas ms notables son en primer lugar que el precio del hidrgeno producido no

depende no tanto de la materia prima pero si del precio de la electricidad y el equipamiento

es caro y difcilmente rentable para producciones bajas. Adems actualmente, por desarrollo y

nivel de implantacin, la electrolisis no podra cubrir de modo destacable la produccin en una

economa del hidrgeno ampliamente instaurada.

Termoqumica de la electrlisis.

En el estudio termoqumico se parte de la ecuacin: G=H-TS

Donde AH est relacionada con la parte trmica del proceso, y AS con el desorden qumico.

AG=-We; siendo We el trabajo elctrico; We=-nFE; por lo que despejando E se obtiene la

expresin: E=

.

Donde AG=237 KJ/mol, n es el nmero de moles intercambiados en el proceso que son 2 y F la

constante de Fadaray (F=NAe).

Por lo tanto podemos determinar E que es el voltaje mnimo que vamos a necesitar para que

funcione la electrlisis.

Para el agua E=1,23V (en las disoluciones orgnicas como se detalla ms adelante, E es un

valor mucho menor).

En la prctica, E para la electrlisis de agua estara en un rango [1,8-2,2] por las prdidas de

rendimiento en diversos puntos de la electrlisis.


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Coste de los electrolizadores

En la siguiente imagen se muestra el coste de inversin de un electrolizador y como este

disminuye cuando se aumenta su tamao.

Grfico: tamao del electrolizador frente a la inversin

Para grandes producciones de hidrgeno el coste de los electrolizadores de gran tamao ser

ms fcilmente recuperable. Ventaja que se espera aplicar cuando se demanden grandes

producciones.

Tipos de electrolizadores.

A continuacin se detallan los tres tipos de electrolizadores ms importantes en la actualidad:

electrolizadores alcalinos, PEM y de xido slido.

ELECTROLIZADORES ALCALINOS.

Imagen: esquema de funcionamiento de un electrolizador alcalino


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Parmetros de operacin ms usuales

- Temperatura de operacin: alrededor de los 80C.

- Pueden trabajar a presin atmosfrica (hasta 500

), o los presurizados con una

presin de hasta 20 bar (hasta 60

).

- La eficiencia de los electrolizadores es de 4,2-4.9

(65% de rendimiento, el 100%

es 3.25

.

- La densidad de corriente esta entre 1.500 y 2.000

.

- El voltaje de trabajo por celda est entre 1,75-1,85 V.

- Se usa como electrolito KOH en concentracin 25-35% que es el que ms

conductividad presenta. Hay otras opciones como el NaOH, pero es ms corrosivo y

trabaja peor a altas temperaturas.

- Los sobrevoltajes aparecen por el aumento de la densidad de corriente (produccin

de hidrgeno) y disminuyen al aumentar la temperatura. Aumentando la temperatura

se consigue aumentar la cintica y conductividad del electrodo aunque los materiales

se degradan ms fcilmente y para aguantar estas condiciones deben utilizarse

materiales ms caros. Es una situacin de compromiso.

- El catalizador ms utilizado es el Nquel que es estable en presencia del electrolito

hasta 200C. Otros metales nobles presentan menos sobrepotencial pero un alto coste

como Pt, Ir, Rh y Pd. Otras alternativas en desarrollo actualmente son los catalizadores

nanoestructurados donde se puede distribuir el catalizador ptimamente y aleaciones

de Ni con otros compuestos que mejoren sus propiedades como Ni-Ir, Ni-Ru, Ni-Mo

llevan menos cantidad de los compuestos caros y las propiedades que ofrecen estas

mezclas son mucho mejores que usando solo Nquel.

Electrodos

Para mejorar la electrlisis, los electrodos deben presentar la mejor conductividad electrnica

posible, alta actividad cataltica (para ello se usan catalizadores) y una alta superficie especfica

para que existan lugares para la nucleacin y desprendimiento de los gases formados en cada

electrodo.

Una problemtica comn de los electrodos es que se les desprenda el electrocatalizador en

las operaciones de trabajo a alta intensidad, para ello se trabaja con tcnicas de

recubrimiento de plasma o electrolticos.

En la actualidad se busca el diseo zero-gap que se trata de minimizar la resistencia del

electrolito. El objetivo es evitar la cada hmica acercando lo mximo posible los electrodos.

El segundo problema que atae a los electrodos es la importancia de en su diseo incorporar

una evacuacin de burbujas, ya que la formacin de estas en el proceso de electrolisis

disminuye la superficie activa y aumenta la resistencia. Se han diseado recirculaciones,

electrodos con morfologas que permitan el fcil desprendimiento de las burbujas, y

condiciones de trabajo a altas presiones que consiguen que se formen burbujas ms pequeas.


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Separadores

El objetivo es obtener por separado el oxgeno y el hidrogeno formados. Tienen que presentar

alta conductividad que facilite el movimiento de iones, buen aislamiento electrnico, soportar

las condiciones de operacin qumicas y mecnicas, ser inerte a el proceso y lo ms uniforme

posible.

Los separadores pueden ser permeables o semipermeables (membranas). Las membranas

separan mejor pero presentan ms resistencia a la conduccin inica, por eso se busca reducir

su grosor lo mximo posible.

En cuando a los materiales, se pueden destacar tres grupos. Los plsticos porosos como PVC,

PTFE, polipropileno, estireno, polisulfonas, sulfuro de polifenileno, etc. El segundo grupo son

las membranas de intercambio de protones de nafion y polibencimidazoles (PBI). Y en tercer

lugar las inorgnicas de amianto, fibra de vidrio, cermicas porosas (Al2O3, SiO2, ZrO2)

Ventajas de los electrolizadores alcalinos

Actualmente es la tecnologa ms desarrollada y por ello ofrece las mejores condiciones de

durabilidad con ms de 90.000 horas de funcionamiento.

Presentan una baja degradacin en su funcionamiento, menos de 3

. La produccin de

hidrgeno es alta, en el rango de los MW, 760

. La celda tiene un rea elevada, hasta 4m2.

El coste del dispositivo es relativamente bajo frente al resto de alternativas.

Desventajas de los electrolizadores alcalinos

El rango de produccin es reducido, sobretodo porque el hidrgeno que sale del electrolizador

no presenta elevada pureza, los separadores no evitan en su totalidad la mezcla hidrgeno-

oxgeno ni siquiera trabajando en los rangos bajos.

La presin de trabajo es baja debida al electrolito, con la consecuente problemtica de

evacuacin de las burbujas de gas formado.

La densidad de corriente es baja (0,2

) y tambin la de potencia (1

. Debida

fundamentalmente a las perdidas hmicas en el electrolito como detalladas en la siguiente

imagen:

Imagen: perdidas hmicas en el electrolizador


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ELECTROLIZADORES PEM

Imagen: esquema de funcionamiento de un electrolizador PEM

Los electrolizadores PEM suponen una evolucin en la electrlisis de los electrolizadores

alcalinos, su mayor ventaja es la obtencin del hidrgeno puro, que es el mayor problema de

los electrolizadores alcalinos. Su mayor desventaja es el elevado coste que supone.

A continuacin se detallan en profundidad las ventajas y desventajas de estos electrolizadores.

Ventajas de los electrolizadores PEM

Tienen una alta conductividad protnica 0,1

, y las membranas son de grosores en el rango

20-300m.

Pueden trabajar a altas presiones (hasta 300 bares), con las ventajas que ello conlleva. En

primer lugar la produccin de hidrgeno a alta presin que favorece el posterior

almacenamiento. Es ms fcil evacuar las burbujas formadas. Se minimizan los problemas de la

membrana como expansin o hidratacin que sufre trabajando a bajas presiones. Y los

sobrepotenciales que se dan en la celda son menores. El nico problema de trabajar a altas

presiones es que aumenta el crossover, para ello se disean membranas con mejores

propiedades, entre ellas que son muy selectivas a los protones, y esto por otro lado mejora el

rango de operacin.

El stack es ms compacto que en los electrolizadores alcalinos y se genera ms densidad de

corriente, 2

debida a la mejor conduccin de la membrana.

Desventajas de los electrolizadores PEM

Los costes de los componentes son ms elevados que en electrolizador alcalino, por la

membrana, los voltajes de trabajo altos, el trabajo en medio cido que exige metales nobles

En durabilidad no se ha alcanzado a los electrolizadores alcalinos. Los electrolizadores PEM

pueden trabajar durante menos de un cuarto de tiempo que los alcalinos, no superan las

20.000 horas de trabajo.


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El trabajo a alta presin como se ha referido anteriormente hace que aumente el crossover y

que las membranas deban ser ms gruesas.

Por todo ello la comercializacin es limitada, y los equipos suelen ser pequeos (en el rango

de los kW)

Catalizadores

Uno de los problemas de los electrolizadores PEM es su elevado coste, y para lograr

competitividad hay que reducir lo mximo posible los gastos ms representativos. Uno de ellos

son los catalizadores, tanto por coste como por la carga que se necesita de los mismos para un

funcionamiento correcto.

En el ctodo se usan catalizadores estndar como Pt. Se busca mejorar el uso del catalizador y

reducir el platino o sustituirlo por un metal no noble que soporte las condiciones de trabajo,

como MoS2, MoO3, etc.

En el nodo los catalizadores que dan mejor resultados son Ru e Ir. Se utilizan en forma de

xidos: IrO2 y RuO2 por estar precisamente en el nodo donde se forma oxgeno. El RuO2 se

corroe especialmente a altas producciones, formndose RuO4 que se desprende dejando el

nodo sin catalizador. Por ello el objetivo actual est en intentar conseguir mezclas que

funcionen correctamente de Ru que es ms barato con IrO2 por ejemplo al 20% mediante la

cual se aumenta la durabilidad. Otras alternativas que estn siendo investigadas son mezclas

de IrO2 con SnO2, Ta2O3, etc; tambin utilizar recubrimientos de Ti-IrO2

Placas bipolares

Son el 50% del coste del stack, por ello unos de los principales objetivos es reducir este coste.

Los dos materiales con los que ms se trabajan son el titanio y el grafito. El titanio presenta

alta resistencia mecnica, alta conductividad electrnica y trmica pero puede sufrir

corrosiones por lo que se debe recubrir. El grafito presenta menos resistencia mecnica y

menos corrosin. Actualmente se continan estudiando otros materiales que presenten

buenas propiedades y permitan reducir los costes.

ELECTROLIZADORES SOEC

Imagen: esquema de funcionamiento de un electrolizador SOEC.


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Permiten una operacin a alta temperatura, de 800 a 1.000 C, el vapor de agua se introduce

en el ctodo. La problemtica est en los materiales que deben presentar resistencia en

condiciones severas sobretodo de temperatura. Por estas caractersticas el coste y procesado

de los materiales se eleva con respecto al que presentan el resto de tecnologas.

Por otro lado presentan una eficiencia alta, a 1,7 V se consigue lograr la densidad de corriente

mxima que marca la electroqumica. No se usan metales nobles, permite el funcionamiento

a alta presin y se puede trabajar utilizando una co-electrolisis; con corriente elctrica

puedes activar agua y dixido de carbono para dar hidrgeno: H2O + CO2 CO + H2 + O2 ,

implicando una ventaja competitiva y es que puede utilizar como materia prima adems del

agua, una corriente de CO2 residual de cualquier fuente que sea necesario eliminar.

Electrolitos

Los ms usados y que mejor propiedades presentan hasta el momento, son los que se

comentan a continuacin:

Y-ZrO2 (YSZ) Dopado ptimo 8%, Si se realiza un co-dopado de Al y Ti, aumenta la

resistencia mecnica.

LaGaO3 dopado de La con Sr: La0.9Sr0.1GaO3 (LSG).

CeO2 dopado con Gd o Sm (GDC, SDC), 15-25%. En atmosfera reductora Ce4+ se reduce

a Ce3+esto aumenta la conduccin de electrones y hace que se expanda la red.

Bi2O3 solo o en combinacin con los anteriores. En bajas presiones parciales de

oxigeno se descompone.

Electrolitos protnicos como: BaCeO3 o SrCeO3

Ctodo

An no se conoce si trabaja en las mismas eficacias que las pilas de xido slido. El ctodo

estndar es de cermet Ni-YSZ

nodo

Se usan metales nobles u xidos tipo perovskitas. El estndar es La0.8Sr0.2MnO3 (LSM). Y

presenta dos principales inconvenientes que son conductividad inica baja y que La y Sr

presentan tendencia de difundir hacia electrolito

2.6 ELECTRLISIS ORGNICA

El mayor problema de la electrlisis es la energa que se necesita para romper la molcula de

agua. La energa en el escenario ms optimista se puede destinar de excedentes de produccin

energtica tras cubrir la demanda, por lo que tendra un coste prcticamente nulo, pero

indiferentemente de donde provenga la electricidad, la electrlisis necesita una aportacin

energtica alta.

La ventaja de los compuestos orgnicos es que necesitan menos energa para realizar la

electrolisis, por lo que es una ventaja competitiva y de mercado.


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Las dos principales ventajas de la electrolisis de la materia orgnica se detallan a

continuacin:

- Necesita menos aporte energtico. La electrlisis del agua necesita un voltaje de 1,2V;

aqu reside el mayor inters de la electrlisis orgnica ya que por ejemplo la

produccin de hidrgeno a partir de una disolucin de etanol comienza a 0,4 V, un

voltaje muy inferior al de la electrlisis acuosa clsica.

- Se puede usar en el proceso residuos orgnicos. Presentan coste nulo y adems se

estara gestionando la eliminacin de residuos obteniendo un producto de valor.

En la siguiente grfica se muestra la principal ventaja de la electrlisis orgnica. Se ha tomado

de un estudio realizado con etanol en un electrolizador trabajando a 80C. Se puede observar

como a partir de 0,4V arranca la electrlisis orgnica y en el rango del grfico que llega hasta

1,2 V no ha comenzado la electrlisis del agua.

A 1,1 V, cerca del valor en el que comienza la electrlisis acuosa, la electrlisis orgnica

produce una intensidad de 1,5 A. Tomando como dato del estudio que la superficie del

electrodo utilizado es de 6 cm2, antes de que empiece la electrlisis del agua, el electrolizador

que trabaja con la disolucin orgnica ya est trabajando con una densidad de corriente de

0,25 A/cm2.

Grfico: resultados V-I en electrlisis orgnica y acuosa

En el segundo grfico mostrado a continuacin del mismo estudio, se detalla como trabajando

a un voltaje dado la intensidad producida aumenta al aumentar la temperatura de trabajo.


18

Grfico: estudios V-I a diferentes temperaturas. Electrlisis orgnica de metanol 6M

La parte que diferencia a los dos tipos de electrlisis y que permite que sea ms ventajosa

elctricamente la orgnica reside en las reacciones que se llevan a cabo y que consiguen

obtener hidrgeno a un potencial ms bajo.

Imagen: proceso de electrlisis acuosa y orgnica


19

Diseo de los electrolizadores para disoluciones orgnicas

Para conseguir que la electrolisis orgnica sea competitiva, se deben utilizar materiales y

diseos que beneficien las particularidades de este proceso, partiendo del conocimiento que

se tiene en la electrlisis del agua debido a su desarrollo previo.

Existen diferentes investigaciones que han estudiado alternativas en diferentes puntos del

proceso electroltico, a continuacin se presenta un estudio que busca los electrodos ms

competitivos para llevar a cabo la electrlisis orgnica.

Dadas las ventajas que presentan sobre los alcalinos, esta investigacin utiliza un

electrolizador PEM y trabaja con una disolucin orgnica de metanol.

En la siguiente imagen se muestra el proceso que se lleva a cabo en el electrolizador para la

obtencin de hidrgeno.

Imagen: funcionamiento de un electrolizador PEM

Las semireacciones que ocurren son las siguientes:

nodo: CH3OH + H2O CO2 +6H++6e-

Ctodo: 6H+ + 6e 3H2

CH3OH + H2O 3H2 +CO2

La reaccin que se lleva a cabo en el nodo, es la misma reaccin que ocurre en una pila de

combustible de metanol directo (DMFC). Pero en el ctodo ambos procesos difieren, en la

DMFC se produce la combinacin del oxgeno entrante con los protones que vienen del nodo

y los electrones para dar agua (

O2 + 6 H

+ + 6 e- 3 H2O).


20

En el electrolizador PEM con metanol no se forma agua como en la pila, sino hidrgeno y

frente a uno de los objetivos de las pilas de combustibles en diseo que es evacuar el agua que

se forma en el electrolizador, frente al nodo que tenamos similitudes entre las dos tcnicas

en el ctodo los objetivos del diseo van a diferir en los dos sistemas.

Este es un ejemplo de que dadas las particularidades del proceso aunque pueda guardar

relacin con otras tcnicas desarrolladas anteriormente, se debe particularizar en las

propiedades de la electrolisis orgnica para obtener los mejores resultados posibles. En la

electrlisis orgnica son tres los puntos a optimizar:

1. Optimizar el suministro del reactivo metanol.

2. Evacuacin del CO2 formado.

3. Mejorar el contacto entre la capa de difusin y el electrodo.

El estudio que se resume a continuacin tiene dos partes. La primera parte estudia el tamao

de los poros del electrodo y la segunda el material de la estructura del electrodo.

A continuacin se exponen las caractersticas de la MEA que se utiliz en el estudio.

Imagen: caractersticas de la MEA utilizada para el estudio

ESTUDIO 1: PRUEBAS CON ELECTRODOS DE DIAMETRO DE PORO 350-550 m Y 500-1000 m.

Con las dos configuraciones de los electrodos propuestas, se midieron densidad de corriente,

consumo elctrico, eficiencia de Faraday, se realiz el estudio de impedancia compleja y se

compar el flujo de gases. A continuacin se exponen los resultados.

1. En el electrolizador con electrodos de menor tamao de poro se produjo una

densidad de corriente mayor.

Grfico: densidad de corriente a diferentes voltajes en los dos casos de estudio


21

2. En el electrolizador con electrodos de menor tamao de poro disminuye el consumo

elctrico. Adems como se produce ms hidrgeno y presenta un consumo menor;

aumenta la eficiencia de Faraday.

Grfico 1: consumo elctrico a diferentes densidades de corriente en los dos casos de estudio

Grfico 2: rendimiento de Faraday a diferentes densidades de corriente en los dos casos de estudio

3. En el electrolizador con electrodos de menor tamao de poro disminuye la

resistencia total del sistema.

La resistencia del sistema es el sumatorio de las resistencias de la membrana, electrodos,

capas de difusin, separadores y conectores.

Grfico: estudio de impedancia compleja en los dos casos de estudio


22

La explicacin que justifica que con menor tamao de poro la resistencia disminuye, es

que al ser el tamao de poro menor, existen ms puntos de contacto por rea de

electrodo, lo que beneficia la operacin del sistema, y se ofrece menos resistencia entre la

capa difusora de gases y el electrodo.

4. En el electrolizador con electrodos de menor tamao de poro disminuye el flujo de

gases.

Esta es la consecuencia negativa que se obtiene de disminuir el tamao de poro del

electrodo. Aunque mejoren las propiedades anteriores, el electrodo que tiene menor

tamao de poro presenta ms dificultades en el flujo de gases tanto de entrada como

de salida porque se ven obligados a pasar por orificios ms pequeos.

Grfico: estudio del flujo de gases en los dos casos de estudio

ESTUDIO 2: ESTUDIO CON ELECTRODOS DE DIFERENTES MATERIALES

En este estudio, solo se vara el material de fabricacin de los electrodos, como se detalla a

continuacin:

Material 1: Aleacin de nquel resistente a la corrosin (C276)

Material 2: Aleacin de hierro, cromo, nquel y molibdeno (JIS SUS316L; Fe-19Cr-12Ni-2Mo)

En esta ocasin, al variar el material de los electrodos no se produjeron cambios en el

funcionamiento del electrolizador. Ambos electrodos producen similares rendimientos de

produccin, por lo que en principio a la escala de trabajo el material 1, como es altamente

resistente a la corrosin sera el elegido cuando se trabaje en medios que presenten este

riesgo para el sistema.


23

CONCLUSIONES GENERALES

Los resultados de la investigacin resumidos anteriormente, muestran la necesidad de

realizar diferentes estudios para optimizar el diseo de esta tecnologa.

Por ejemplo se ha comprobado que solo variando el tamao de poro de los electrodos, que es

una parte del sistema, ya se debe consensuar entre las propiedades que se benefician al

disminuir el tamao de poro (aumenta la densidad de corriente, disminuye el consumo,

mejora el rendimiento de corriente y disminuye la resistencia) con la reduccin del flujo de

gases que se produce. Y por otro lado la modificacin de los materiales del electrodo no ha

producido cambios en el funcionamiento del sistema, por lo que se podran probar con otros

materiales buscando la reduccin de costes, aumentar el rendimiento

Como punto de partida, muchos de los desafos generales en el diseo han sido superados en

la electrlisis del agua y pilas de combustible. Pero con las nuevas caractersticas del proceso

se debe adaptar el diseo del electrolizador para conseguir la mxima competitividad de la

tecnologa.


24

3. METODOLOGA EXPERIMENTAL

El proyecto se ha realizado en el electrolizador del Laboratorio de Energas Renovables, Pilas

de Combustible e Hidrgeno (LEHR) del CAR-CSIC-UPM.

El estudio se realiza en un electrolizador alcalino, formado por tres celdas y en el que la nica

salida gaseosa es de hidrgeno, ya que el oxgeno se combina con el carbono de la materia

orgnica obtenindose carbonatos. Este electrolizador es un diseo propio del LERH, sin

membrana de separacin entre electrodos. Esto simplifica y abarata el diseo, y no permite

que se pueda generar mezclas explosivas.

En el presente estudio se trabaja con residuo orgnico como reactivo para realizar la

electrlisis y como electrolito se utiliza una disolucin de hidrxido potsico.

Las semireacciones que se producen se detallan a continuacin:

nodo: 14 H2O + 14e- 7 H2 + 14 OH

-

Ctodo: Residuo orgnico + 14 OH- 3 CO2 + 11 H2O + 14e-

Residuo orgnico + 3 H2O 3 CO2 + 7 H2

El objetivo es estudiar el comportamiento de la electrlisis orgnica. Anteriormente, se han

detallado las ventajas que tericamente presenta frente al agua. En primer lugar necesita

menos potencial terico; frente al 1,23V de la electrlisis ordinaria, por ejemplo, una

disolucin orgnica de etanol necesita un potencial de 0,4V para arrancar la electrlisis. Y la

segunda ventaja potencial de esta tcnica es la obtencin de hidrgeno a partir de residuos

orgnicos, la materia de partida puede ser de muy bajo coste, y se rentabilizara an ms este

proceso.

En el proyecto se llevan a cabo tres partes experimentales distintas.

Primera parte. Se estudian cuatro disoluciones de concentraciones diferentes en residuo

orgnico e hidrxido potsico. En cada ensayo se vara la tensin suministrada y se calculan

parmetros que permiten conocer detalles de cmo se desarrolla la electrlisis y entender el

proceso.

Segunda parte. En esta parte, se miden mediante sensores el pH, oxgeno disuelto y potencial

de xido de reduccin (relacionado con la materia orgnica que hay disuelta) en dos muestras

por cada ensayo de la primera parte experimental, una de la disolucin que se introduce en el

electrolizador y la segunda de la disolucin final tras el proceso de electrlisis.

Tercera parte. Para finalizar, se estudia la composicin del gas de salida del electrolizador. El

objetivo es conocer su composicin y comprobar si se ajusta a la teora a los resultados que

muestra el cromatgrafo que analiza la corriente de salida del electrolizador.


25

4. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL Y DESCRIPCIN DEL

FUNCIONAMIENTO.

Descripcin del dispositivo utilizado para los estudios experimentales.

Imagen: Dispositivo utilizado para la electrlisis

El desarrollo de la parte experimental de este proyecto fin de mster es realizado con el

dispositivo anteriormente indicado, con el que se lleva trabajando e investigando durante 6

aos en el LERH del CAR-CSIC-UPM.

Funcionamiento del electrolizador.

LLENADO DEL ELECTROLIZADOR.

La entrada de la disolucin al electrolizador se realiza desde el recipiente que contiene la

disolucin, utilizando agitacin suave para lograr la mxima homogeneidad en la disolucin.

Cromatgrafo Pantalla donde se

visualizan los datos

del cromatgrafo

Electrolizador

Medidor de

volumen gases de

salida

Fuente de

alimentacin

Bomba de llenado

y recirculacin

Agitador

Recipiente de entrada de la

disolucin al electrolizador


26

Con la bomba se succiona la disolucin del recipiente y se lleva al electrolizador. La velocidad

de llenado y recirculacin de la bomba se puede regular. La recirculacin se utiliza durante el

proceso de electrlisis para mantener la disolucin en movimiento y conseguir la mxima

homogeneidad de esta as como impedir la creacin de lugares donde no exista el movimiento

de solucin; evitando retenciones de disolucin que no va a intervenir en la electrlisis.

Imagen: Detalle del llenado del electrolizador

TRABAJO DEL ELECTROLIZADOR.

Una vez se fija la primera tensin de trabajo con la fuente, el electrolizador comienza a

trabajar produciendo hidrgeno a partir de la disolucin de trabajo.

A lo largo de la electrlisis, la disolucin cambia de color. La disolucin inicial de residuo

orgnico y KOH es de color transparente, cuando comienza la electrlisis con las primeras

formaciones de gas adquiere un color blanquecino, y a lo largo de la operacin torna a un color

amarillento oscuro.

Imagen: variacin del aspecto de la disolucin en la operacin

Bomba de llenado y

de recirculacin

Conducto de succin de

la disolucin

Conducto de transporte

de la disolucin al

electrolizador Recipiente de entrada de la

disolucin al electrolizador

Agitador

Electrolizador al inicio de la electrlisis Electrolizador con el proceso de electrlisis avanzado


27

5. DESARROLLO EXPERIMENTAL.

5.1. PRIMERA PARTE EXPERIMENTAL

El objetivo es conocer cmo se desarrolla la electrlisis conocer el rendimiento de la misma y

detectar puntos donde se pueda mejorar el desarrollo de la operacin.

5.1.1. Descripcin

Se realizaron cuatro ensayos por duplicado en el electrolizador. Usando una disolucin de agua

con KOH y residuo orgnico (densidad 1,261

), variando en cada ensayo la concentracin

de estos dos componentes.

La concentracin de KOH y residuo orgnico establecida para cada ensayo se muestra a

continuacin:

Ensayos 1 2 3 4

Residuo orgnico (%) 20 20 30 30

KOH (%) 20 30 20 30

Para cada uno de los cuatro ensayos se variaba la tensin entre 0,7 V y 1,6 V, y para cada valor

de tensin se registr la intensidad y la altura de gas (recogido en un recipiente), al menos 4

tomas para cada tensin estudiada y con un tiempo de 3 minutos entre toma de datos.

5.1.2. Clculos

EJEMPLO DE CLCULO: disolucin 20% residuo orgnico - 20% KOH.

A continuacin se detallan los clculos para el ensayo 1 (20% residuo orgnico - 20% KOH). En

el resto de ensayos se sigui el mismo procedimiento.

Preparacin de la disolucin ensayo

En 800 mL de agua se aade en cada ensayo el residuo orgnico y el KOH que se ha fijado, en

el ejemplo de clculo necesitamos una concentracin de un 20% de cada uno.


28

- 20% KOH. Masa de KOH a aadir:

= 20. La masa de agua, simplificando la

densidad del agua a 1

; =800 g. Luego despejando de la ecuacin:

= 200 g.

- 20% residuo orgnico: Como la concentracin es tambin del 20%, se debe aadir la

misma masa; Como la densidad del residuo orgnico utilizado es

1,261

; el volumen a aadir es v =

=

= 158,6 mL de residuo orgnico.

Una vez que hemos aadido la cantidad correspondiente de cada componente de la

disolucin, se agita para conseguir una disolucin homognea. La temperatura de la mezcla

por el KOH aumenta hasta una temperatura de ms de 60C. Por lo que se deja enfriar hasta

temperatura ambiente en un bao de agua fra.

Cuando la disolucin est a temperatura ambiente se llena el electrolizador para comenzar la

electrlisis. Se agita para tener una disolucin lo ms homognea posible y conectando la

bomba se hace llegar al electrolizador.

Nota: se toma una muestra de la disolucin inicial y de la final tras el ensayo de electrlisis

para analizarlos en la segunda parte experimental.

Registro de alturas e intensidades.

Una vez que toda la disolucin se encuentra en el electrolizador se activa la recirculacin para

conseguir una mezcla homognea y evitar acumulaciones de disolucin que no participen en el

proceso.

Se comienza a fijar las tensiones establecidas entre 0,7 V y 1,6 V, registrando la altura de gas

recogido y la intensidad cada 3 minutos (al menos cuatro tomas de datos para cada tensin).

Cuando se fija cada nuevo voltaje se debe esperar unos minutos para que el sistema se

estabilice en las nuevas condiciones de trabajo y tras este tiempo se comienza a contabilizar

los 3 minutos para el registro de datos.

Las tensiones para las que registramos intensidad y altura (para luego pasarlo a volumen de

gas que sale del electrolizador) se muestran en la siguiente tabla:

0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,6 V

Teniendo en cuenta que el electrolizador est compuesto por 3 celdas en serie, la tensin que

se necesita fijar en la fuente para que cada celda trabaje en la tensin fijada anteriormente es

el triple:

2.1 V 2,4 V 2,7 V 3 V 3,4 V 4,8 V


29

Para el ensayo ejemplo de clculo se registraron 10 tomas de datos para la tensin de 0,7 V, y

5 tomas para el resto.

La altura se registra con una botella conectada a la parte superior del electrolizador, por ella

sale el gas y desplaza al lquido que inicialmente llena la botella. De este modo, segn vaya

saliendo gas del electrolizador el volumen de lquido va disminuyendo en la botella y se anota

cada tres minutos la altura de la botella en la que hay gas para cada ensayo. El volumen de gas

se calcular ms adelante a partir de la altura medida en cada ensayo.

Para cada voltaje del intervalo se vuelve a llenar la botella de agua (aprovechando el tiempo

que necesita el electrolizador para estabilizarse en la nueva tensin) y de nuevo se registra la

altura de gas en su interior. Estableciendo as para cada tensin de trabajo la altura de gas

saliente del electrolizador en la botella.

Imagen: medida de gas salida a partir de la altura en una botella

Botella donde se mide

la altura

Conducto de salida de

gas de electrolizador


30

La intensidad de cada ensayo se lee directamente en la fuente de alimentacin desde la que se

fija la tensin.

Imagen: medicin de la intensidad del electrolizador

En las siguientes tablas se muestran los datos de altura e intensidad en cada toma de medidas

en el ensayo ejemplo de clculo.

ALTURA (cm)

Ensayo Tiempo 0.7 V 0.8V 0.9 V 1.0 V 1.2 V 1.4 V 1.6 V

1 3 min 1,1 1,4 1,3 1,8 3,4 3,7 4,6

2 6 min 1,5 2,1 2,7 3,4 5,7 6,4 8,1

3 9 min 2 3,1 4 5,1 8,6 9,9 12,7

4 12 min 2,5 4 5,2 6,7 10,5 12,7 17,1

5 15 min 3,3 4,9 6,6 8,6 13,2 16,4 21,5

6 18 min 3,7

7 21 min 4,1

8 24 min 4,6

9 27 min 5,1

10 30 min 5,5

Tensin que suministra la

fuente (fijada en los ensayos)

Intensidad registrada Rueda de regulacin

de la tensin


31

Intensidad media y densidad de corriente media

En primer lugar se calcula la intensidad media que se ha dado para cada voltaje. Se suma cada

valor registrado y se divide por el nmero de medidas realizadas.

Para la corriente de 0,7 V:

Imedia =

;

= 1,06 A

La densidad de corriente es el cociente de la intensidad y la superficie y se calcula como

J (

) =

Dato: el rea del electrodo es de 98,5 cm2.

Para la tensin de 0,7 V:

= 10,8

.

La siguiente tabla muestra los resultados para todos los voltajes estudiados.

Tensin (V) 0.7 V 0.8V 0.9 V 1.0 V 1.2 V 1.4 V 1.6 V

I media (A) 1,06 1,86 2,74 3,65 5,47 7,11 9,28

J (

) 10,77 18,92 27,82 37,08 55,51 72,21 94,19

INTENSIDAD (A)


1 3 min 1,00 1,87 2,74 3,66 5,53 7,15 9,19

2 6 min 1,09 1,87 2,74 3,66 5,50 7,13 9,26

3 9 min 1,09 1,87 2,76 3,66 5,45 7,12 9,31

4 12 min 1,08 1,85 2,73 3,66 5,45 7,10 9,35

5 15 min 1,07 1,86 2,73 3,62 5,41 7,08 9,29

6 18 min 1,07

7 21 min 1,06

8 24 min 1,06

9 27 min 1,05

10 30 min 1,05


32

Podemos representar en un grfico la densidad de corriente obtenida en el electrolizador para

cada voltaje fijado:

El grfico muestra que al aumentar la tensin que se proporciona al electrolizador, aumenta

de manera lineal la densidad de corriente que proporciona el mismo.

Flujo de gas del electrolizador

El volumen de gas que sale del electrolizador se calcula a partir de cada altura registrada.

Como la botella es un cilindro; el volumen de gas se calcula con:

volumen =

Siendo: h la altura registrada y r el radio de la botella (r= 3,75 cm).

Para el voltaje de 0,7 V, la primera altura registrada es de 1,1 cm. El volumen obtenido es de

volumen= ( )= 48,6

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0 20 40 60 80 100

Ten

si

n d

e la

ce

lda

(V)

Densidad de corriente (mA/cm2)


33

El resultado obtenido en cada ensayo se muestra en la siguiente tabla:

VOLUMENES (cm3)


1 3 min 48,6 61,8 57,4 79,5 150,1 163,4 203,1

2 6 min 66,2 92,7 119,2 150,1 251,7 282,6 357,7

3 9 min 88,3 136,9 176,6 225,2 379,7 437,1 560,8

4 12 min 110,4 176,6 229,6 295,8 463,6 560,8 755,1

5 15 min 145,7 216,4 291,4 379,7 582,9 724,2 949,4

6 18 min 163,4

7 21 min 181,0

8 24 min 203,1

9 27 min 225,2

10 30 min 242,9

Representando el volumen de gas calculado frente al tiempo, podemos linealizar los resultados

para cada voltaje de estudio, obteniendo la pendiente de la recta que es el flujo de gas (

)

Tensin 0.7 V 0.8 V 0.9 V 1.0 V 1.2 V 1.4 V 1.6 V

Flujo de gas producido (

) 8,61 14,83 19,40 25,08 39,77 47,90 62,84

y = 8,61x

y = 14,83x

y = 19,40x

y = 25,08x

y = 39,77x

y = 47,90x

y = 62,84x

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

Volumen (cm3)

Tiempo (min)

0.7 V

0.8V

0.9 V

1.0 V

1.2 V

1.4 V

1.6 V


34

Produccin terica de hidrgeno

La produccin terica de hidrgeno para cada ensayo en las condiciones del laboratorio de

20C y a 1 atm se obtiene de la ley de Faraday y depende de la intensidad registrada.

La ley de Faraday permite conocer la masa de sustancia que se produce mediante la ecuacin:

m =

(1)

Siendo:

Q la carga total que pasa por el electrolizador Q (C ) = It (I=intensidad, t=tiempo)

PM el peso molecular.

n es el nmero de moles que se obtienen en el proceso (2 moles para la electrlisis)

q la carga elctrica del e- : 1,602 10-9

y NA = 6,02 10

23. El producto qNA= F= cte de Faraday;

F= 96.485

.

Para obtener de la masa de gas producido el volumen; usamos la ecuacin de los gases:

PV=

RT

Despejando el volumen; V =

sustituyendo la masa por la de la expresin (1) y teniendo

en cuenta que para la saber la produccin de hidrgeno total tenemos que multiplicar por el

nmero de celdas del electrolizador, calculamos el volumen de produccin terica de

hidrgeno (

a partir de la intensidad registrada.

Produccin de hidrgeno terica (

) =

Para el primer ensayo de intensidad registrada en la tensin de 0,7 V la produccin de

hidrgeno se calcula a continuacin:

Produccin de hidrgeno terica (

=

= 1,34


35

La produccin de hidrgeno terica de todos los ensayos se muestran en la siguiente tabla:

Produccin terica de hidrgeno (

(1atm, 20C)


1 3 min 1,34 2,51 3,68 4,92 7,44 9,61 12,35

2 6 min 1,47 2,51 3,68 4,92 7,40 9,59 12,45

3 9 min 1,46 2,51 3,71 4,92 7,33 9,57 12,51

4 12 min 1,45 2,49 3,67 4,92 7,33 9,54 12,57

5 15 min 1,44 2,50 3,67 4,87 7,27 9,52 12,49

6 18 min 1,44

7 21 min 1,42

8 24 min 1,43

9 27 min 1,41

10 30 min 1,41

Rendimiento Faraday

El rendimiento de Faraday se calcula con la expresin:

Rendimiento de Faraday=

El flujo de gas producido (

) ya se ha calculado anteriormente, por conversin de unidades

se pasa a flujo de gas en

.

Para la tensin del 0,7 V:

El flujo de gas es de 8,61

= 0.52

La produccin de hidrgeno terica media es la suma de los rendimientos entre el nmero de

tomas de muestras (10 tomas para el voltaje de 0,7 V), 1,43

de hidrgeno para el primer

ensayo.

Para este ejemplo, el rendimiento de Faraday se calcula a continuacin:

=

= 0,36.


36

En la siguiente tabla se detallan los resultados para el resto de ensayos.

Tensin (V) 0.7 V 0.8V 0.9 V 1.0 V 1.2 V 1.4 V 1.6 V

Flujo de gas (

) 0,52 0,89 1,16 1,50 2,39 2,87 3,77

Produccin terica media H2 (

) 1,43 2,51 3,68 4,91 7,35 9,56 12,48

Rendimiento Faraday 0,36 0,36 0,32 0,31 0,32 0,30 0,30

Como se indica en el resultado de la tabla anterior el rendimiento de Faraday medio en

todos los ensayos es del 30%, obteniendo un rendimiento de Faraday medio de 32%.

Este rendimiento es muy bajo, y ser un aspecto importante a tratar en las conclusiones. Ya

que es un punto que se debe estudiar a fondo para mejorar el proceso.

Consumo energtico

El consumo energtico se calcula como el cociente entre la potencia y el flujo de gas producido

en la electrlisis (calculado a partir de la altura registrada en cada ensayo)

Consumo energtico (

)=

La Potencia = IU. Se calcula a partir de la intensidad media que se da en cada ensayo de

voltaje. Y anteriormente ya ha sido calculado el flujo de gas (cm3/min).

Para la tensin de 0,7 V; la intensidad media es de 1,06 A. Potencia = 1,06(A) 0,7(V) 3

= 2,23W

= 2,2310-3 kW. La tensin se multiplica por 3 porque en realidad son 3 celdas

que reciben individualmente 0,7 V pero para calcular el consumo global se tiene en cuenta las

tres celdas que forman el electrolizador, al igual que se contabiliza la produccin de hidrgeno

total del electrolizador, que es la que producen las tres celdas de las que est formado.

El flujo de gas que se produce en el electrolizador medio es de 8,61

=

5,17 10-4

.

El consumo energtico =

=

= 4,31

A partir de este resultado, podemos calcular el consumo energtico por masa de hidrgeno

que es ms visual.


37

Para pasar de

a

se utiliza la ecuacin de los gases: PV=

RT; la conversin se

realiza tal y como se indica en la siguiente ecuacin:

Consumo energtico

) = Consumo energtico (

)

Si realizamos la conversin para el resultado anterior:

Consumo energtico

) = 4,31

= 51,81

En la siguiente tabla se muestran los resultados de todos los ensayos realizados.

Tensin (V) 2,1 V 2,4 V 2,7 V 3 V 3,6 V 4,2 V 4,8 V

Intensidad media (A) 1,06 1,86 2,74 3,65 5,47 7,11 9,28

Potencia (kW) 2,2310-3 4,4710-3 7,4010-3 1,1010-3 1,9710-3 2,9910-3 4,4510-2

Produccin Hidrogeno (

) 5,1710

-4 8,9010-4 1,1610-3 1,5010-3 2,3910-3 2,8710-3 3,7710-3

Consumo energtico (

) 4,31 5,03 6,36 7,28 8,25 10,39 11,81

Consumo energtico (

) 51,81 60,40 76,35 87,48 99,10 124,87 141,90

El consumo energtico de la electrlisis obtenido es mucho mayor que el valor referencia de

consumo para la electrlisis convencional 50

. Esto es un valor que preocupa al igual que

el rendimiento de Faraday, porque indica que no se ha obtenido ninguna mejora energtica

frente a la electrlisis convencional.

5.1.3. Resultados.

Se han detallado los clculos para el ensayo 20% KOH 20% residuo orgnico, a continuacin

se muestran los resultados para el resto de ensayos para los que se ha procedido de igual

modo que el indicado en los apartados anteriores.

Cada ensayo se ha repetido con objetivo de obtener unos resultados representativos. Los

resultados de ensayo y repeticin se muestran para cada disolucin de ensayo.

Nota: En CD anexo se adjuntan las diferentes hojas de clculo con los clculos

pormenorizados de cada ensayo.


38

Ensayo 1: 20% KOH 20% residuo orgnico:

Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V


Densidad de corriente (

) 10,77 18,92 27,82 37,08 55,51 72,21 94,19

Flujo

) 8,61 14,83 19,40 25,08 39,77 47,90 62,84


1,43 2,51 3,68 4,91 7,35 9,56 12,48


Consumo energtico (

) 51,81 60,40 76,35 87,48 99,10 124,87 141,90

Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V



) 11,47 19,78 30,11 40,91 67,11 99,20 132,87

Flujo

) 9,29 15,15 22,24 28,45 47,79 70,16 91,94


1,52 2,62 3,99 5,42 8,89 13,14 17,60


Consumo energtico (

) 51,16 61,80 72,10 85,09 99,70 117,12 136,80


Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V



) 18,68 27,96 37,03 46,36 69,89 100,08 137,03

Flujo

) 15,25 20,47 25,40 33,18 46,54 62,65 90,13


2,47 3,70 4,90 6,14 9,26 13,26 18,15


Consumo energtico (

) 50,72 64,64 77,63 82,65 106,62 132,30 143,92

Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V



) 12,67 18,29 25,85 36,63 62,32 95,51 138,26

Flujo

) 9,96 14,00 18,79 26,31 43,49 66,82 94,30


1,68 2,42 3,42 4,85 8,25 12,65 18,31


Consumo energtico (

) 52,71 61,87 73,26 82,38 101,75 118,39 138,80


39


Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V



) 8,55 12,21 19,62 29,49 46,32 65,62 88,11

Flujo

) 6,29 9,91 14,38 21,64 33,66 48,77 61,67


1,13 1,62 2,60 3,91 6,14 8,69 11,67


Consumo energtico (

) 56,29 58,30 72,67 80,64 97,71 111,45 135,24

Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V



) 10,46 16,38 23,65 32,96 52,77 76,87 108,35

Flujo

) 9,42 13,17 17,77 24,17 37,73 54,26 77,76


1,39 2,17 3,13 4,37 6,99 10,18 14,35


Consumo energtico (

) 45,97 58,87 70,88 80,70 99,29 117,33 131,90


Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V



) 8,60 14,46 21,48 30,27 53,76 76,01 98,87

Flujo

) 7,39 11,34 16,38 22,53 37,34 54,21 68,15


1,14 1,91 2,85 4,01 7,12 10,07 13,10


Consumo energtico (

) 48,22 60,34 69,84 79,49 102,22 116,13 137,34

Tensin 0,7 V 0,8 V 0,9 V 1 V 1,2 V 1,4 V 1,6 V



) 7,33 15,53 24,14 34,82 58,50 86,36 122,17

Flujo

) 6,85 11,91 18,79 22,80 42,12 58,68 76,59


0,97 2,06 3,20 4,61 7,75 11,44 16,18


Consumo energtico (

) 44,31 61,73 68,43 90,36 98,60 121,90 151,00


40

Representacin grfica de los resultados.

Densidad de corriente Tensin

En todos los ensayos al aumentar la tensin que se proporciona al electrolizador aumenta la

densidad de corriente. En los grficos se puede ver esta tendencia, y se aprecia que es ms

pronunciada para bajas tensiones.

Se puede destacar que los valores de densidad de corriente ms altos aparecen para los

ensayos de 30%KOH-20% residuo orgnico, seguidos de la densidad de corriente calculada

para los ensayos de disolucin 30%KOH-30% residuo orgnico y en tercer lugar para los

ensayos de la disolucin 20%KOH-30% residuo orgnico, sin embargo, la tendencia no es clara

y se intercalan diferentes ensayos de otras disoluciones entre ensayo y rplica de la misma

concentracin.

En la disolucin 20%KOH-20% residuo orgnico es la disolucin que entre los grficos del

ensayo y la repeticin se guarda menos similitud, destacando la diferencia en los valores ms

altos de tensin de trabajo.

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Ten

si

n (V

)

Densidad de corriente (mA/cm2)

20% KOH 20% Glicerina









41

Tensin - Flujo de gas

La tendencia de produccin de gas al aumentar la tensin es creciente y presenta una forma

convexa suave.

El ensayo que mayor flujo de gas proporciona en las tensiones de estudio es el de la disolucin

30%KOH-20% residuo orgnico, en segundo lugar 30%KOH-30% residuo orgnico, y por ltimo

la disolucin 20%KOH-30% residuo orgnico.

Para la disolucin 20%KOH-20% residuo orgnico se vuelven a obtener los resultaros ms

dispares entre ensayo y repeticin y de nuevo se vuelven a acentuar estas diferencias para los

valores ms altos de tensin estudiados.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Flu

jo d

e ga

s (c

m3/m

in)

Tensin (V)










42

Tensin- Produccin terica de hidrgeno

La produccin de hidrgeno es bastante homognea para los dos ensayos de cada

disolucin, especialmente en las tensiones ms bajas de estudios. En la disolucin 20% KOH-

20% residuo orgnico los grficos del ensayo y la repeticin, los resultados se separan ms

llamativamente en las tensiones altas que el resto de disoluciones.

La tendencia desde los valores ms altos de produccin terica de hidrgeno a los ms bajos,

sigue el mismo orden que el resto de variables estudiadas hasta ahora: disolucin de 30%-

KOH-20% residuo orgnico, 30%KOH-30% residuo orgnico y por ltimo 20%KOH-30% residuo

orgnico. Sin tener en cuenta en esta clasificacin la disolucin 20%KOH-20% residuo orgnico

que es la que peores resultados de semejanza de resultados presenta entre el ensayo y su

repeticin.

Destaca en esta ocasin especialmente la disolucin 30%KOH-20% residuo orgnico por la

similitud que presentan los resultados de ensayo y repeticin, especialmente ajustados en las

tensiones ms altas del intervalo de tensiones estudiado, donde en el resto de disoluciones se

evidencia la separacin de los resultados de los dos ensayos.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Pro

du

cci

n t

e

rica

de

hid

rge

no

(l

H2/h

)

Tensin (V)










43

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Ren

dim

ien

to d

e Fa

rad

ay

Tensin (V)









Tensin - Rendimiento de Faraday

Todos los ensayos presentan un rendimiento de Faraday muy bajo, que nunca supera el 45%

y oscila mayoritariamente entre el 30 y el 35%

La representacin del rendimiento de Faraday es la primera grfica donde los resultados de

los ensayos a diferentes tensiones comienzan a oscilar y no se muestra una tendencia

inequvoca.

Globalmente se observa que decrece el rendimiento de corriente al aumentar la tensin (ms

acentuada a bajas tensiones; de 0,7 V a 1 V). Pero no es una tendencia tan clara como en los

estudios anteriores.

Que la tendencia global sea decreciente, significa que el denominador que es la produccin

terica de hidrgeno (calculada a partir de la intensidad registrada) crece en mayor medida

que el numerador que es el flujo de gases que se mide en el electrolizador. En las tensiones

ms altas estos valores comienzan a tener cocientes ms similares, ya que la grfica disminuye

su pendiente hacindose ms horizontal.

En el estudio individual del flujo de gas producido y de la produccin de hidrgeno terica,

detallados anteriormente de forma grfica, se obtienen tendencias claras y no oscilantes.

Destacando especialmente la cercana de los valores de los resultados en la representacin de

la produccin de hidrgeno terica (excepto para la disolucin 20%KOH-20% residuo orgnico

que repetidamente es el que presenta resultados menos representativos entre ensayo y

repeticin en todas las variables estudiadas anteriormente). Pese a estos buenos resultados en

la representacin grfica de las variables de forma independiente, el cociente de estas


44

variables presenta un resultado mucho ms desordenado y aleatorio a lo largo del intervalo de

tensiones estudiado.

La disolucin 20%KOH-20% residuo orgnico en esta variable es la que muestra unos

resultados que oscilan en un intervalo ms reducido de rendimiento, situndose en la media

del grupo.

Tensin - Consumo energtico

El consumo energtico crece segn se aumenta la tensin, de forma prcticamente lineal. Ya

que al aumentar el voltaje se produce ms consumo energtico (a cambio de ms intensidad y

por ello ms produccin por unidad de superficie electrdica)

Se dan consumos energticos muy altos y uno de los objetivos de la electrlisis orgnica

frente a la convencional es disminuir este consumo ya que necesita menos energa para

producir hidrgeno.

Las disoluciones propuestas presentan consumos en un rango bastante concentrado en las

tensiones de estudio.

La disolucin de 30%KOH-20% residuo orgnico es la que presenta los consumos ms altos y

en algunos puntos de tensin estudiados es la que ms se aleja de los resultados del grupo

de disoluciones representando. Resultado que llama la atencin ya que siempre ha sido la

disolucin que ha presentado mejores resultados.

Cabe destacar que las dos disoluciones que mejores resultados presentan en el estudio de las

variables iniciales, previo a la representacin de los rendimientos, son las que producen los

picos ms altos de consumos y se alejan en mayor medida del rango medio.

40

60

80

100

120

140

160

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Co

nsu

mo

en

erg

tico

(kW

/kg)

Tensin (V)










45

No se distinguen los dos grficos correspondientes a la disolucin de 20%KOH -20% residuo

orgnico. Esto es debido a que los valores de consumo energtico para ensayo y repeticin

son muy similares, y que la grfica no tiene la escala no tiene el suficiente detalle para

mostrar los dos grficos de manera separada, aparecen solapndose. Presentando el

comportamiento ms dispar en el resto de variables estudiadas anteriormente.

5.1.4. Conclusiones.

En el intervalo de voltajes estudiados en todas las disoluciones al aumentar la tensin de

trabajo aumenta la densidad de corriente, flujo de gas producido y produccin terica de

hidrgeno para las disoluciones en este orden:

- 30% KOH-20% residuo orgnico



Y los resultados ms discrepantes entre ensayo y repeticin son para la disolucin 20%KOH-

20% residuo orgnico adquiriendo especial relevancia en los valores ms altos de tensin de

estudio.

El rendimiento de Faraday que presentan las disoluciones en el rango de tensiones propuesto

es muy oscilante y tiende a alcanzar un valor constante muy bajo, alrededor del 30% a partir

de 1 V de tensin suministrada.

En el consumo energtico por masa de hidrgeno producido se obtienen unos grficos muy

lineales y los resultados de todas las disoluciones presentan resultados prximos. Los valores

ms discrepantes son para la disolucin 30%KOH-20% residuo orgnico y 30%KOH-30%

residuo orgnico y los ms semejantes e integrados en la media del grupo para el 20%KOH

20% residuo orgnico. Resultado opuesto a los obtenidos en las representaciones de

densidad de corriente, flujo de gas producido y produccin terica de hidrgeno.

A la vista de estos resultados anteriores, a continuacin se muestran unas conclusiones

globales de las disoluciones estudiadas.

La disolucin 30%KOH-20% residuo orgnico muestra los mejores resultados en los estudios

de densidad de corriente, flujo de gas producido y produccin terica de hidrgeno. En

cambio en el rendimiento de Fadaray muestra los valores ms bajos del grupo en muchas

ocasiones, aunque no discrepa en exceso de los resultados globales y estas dos grficas son

muy dispersas y oscilantes y por ello muy complicadas de analizar y obtener conclusiones

sencillas. Por otro lado en el estudio del consumo energtico uno de los dos ensayos de esta

disolucin ha obtenido los valores ms altos del consumo alejndose en algunas tensiones de

estudio de la media, los resultados del otro ensayo se mantienen ms cercanos del grupo de

resultados.

La disolucin 30%KOH-30% residuo orgnico, muestra el segundo resultado ms alto en

densidad de corriente, flujo de gas producido y produccin terica de hidrgeno. En el


46

rendimiento de Faraday a la tensin de 0,7 V muestra para un ensayo el rendimiento ms alto

y el resto de rendimientos en el intervalo de tensiones de estudio se mantiene en la media del

grupo.

La disolucin 20%KOH-30% residuo orgnico, en los valores de densidad de corriente, flujo de

gas producido y produccin terica de hidrgeno muestra los valores ms bajos (la disolucin

20%KOH-20% residuo orgnico muestra representaciones dispares entre ensayo y repeticin

que no tiene en cuenta para la representacin de resultados). Por otro lado esta disolucin

presenta rendimientos de Faraday de corriente en la parte superior de la media del grupo para

tensiones sobretodo segn se avanza a las ms altas. Y consigue los consumos energticos ms

bajos del grupo (aunque no con mucha diferencia porque todos los resultados estn bastante

apilados) hacindose ms visible la disminucin del consumo cuando va aumentando la

tensin de trabajo.

La disolucin 20%KOH-20% residuo orgnico presenta valores muy alejados entre ensayo y

repeticin en los estudios de densidad de corriente, flujo de gas producido y produccin

terica de hidrgeno, un ensayo tiende a presentar los valores ms altos de estas variables y

el otro los ms bajos, sobretodo esta discrepancia se distancia grficamente en mayor medida

en los valores de tensin ms altos. En la eficiencia de Faraday grficamente se sita en la

media del grupo y los resultados a diferentes tensiones varan en un intervalo ms pequeo. La

representacin del consumo energtico se sita en la parte media de las rectas y destaca que

ensayo y repeticin muestran valores solapados debido a su cercana en la grfica.


47

5.2. SEGUNDA PARTE

En esta parte se miden tres propiedades importantes en el proceso: pH, oxgeno disuelto y

potencial de xido de reduccin

Las mediciones se hacen en muestras tomadas en las disoluciones iniciales y finales de los

ensayos realizados en la Primera parte experimental.

Imagen: muestra de la disolucin al inicial y final del electrolizador

5.2.1. Descripcin de la parte experimental.

Se registra en primer lugar pH con un medidor estndar, que muestra a la vez pH y

temperatura de la muestra.

Imagen: medidor de pH

Disolucin inicial

(antes de comenzar la

electrlisis)

Disolucin final (tras el

proceso de electrlisis)


48

Seguidamente, en cada muestra se mide: pH, oxgeno disuelto y potencial de xido de

reduccin (relacionado con la materia orgnica que hay disuelta) con unos sensores.

La instalacin, calibracin y el funcionamiento de los sensores se desarrollan en el trabajo de

MSC de Andrea Ortiz (Ingeniera Mecatrnica)

Los sensores necesitan 5 minutos para proporcionar unos valores fiables y tras este tiempo

muestran los resultados peridicamente en el equipo al que estn conectados. Esta opcin es

muy interesante ya que en futuros estudios, estos sensores, que estn preparados para

trabajar en condiciones qumicas y de temperaturas bastante amplias, se pueden utilizar para

realizar mediciones en tiempo real dentro del electrolizador que permitiran caracterizar de

manera ms precisa el proceso.

Nota: los valores de pH y la temperatura que proporcionaban el medidor estndar y el sensor

coincidan (teniendo en cuenta que cada uno presenta una precisin diferente).

Imagen: medicin de muestra con sensores

Sensores de pH, oxgeno

disuelto y potencial de

xido de reduccin

Sensor de temperatura.


49

5.2.2. Resultados y conclusiones

En la tabla se muestran los resultados que proporcionaron los sensores para cada disolucin

con las muestras tomadas antes de la electrlisis (t0) y despus de la electrlisis (tf)

El primer dato que se proporciona es la temperatura. En las muestras iniciales la temperatura

aumenta al aadir el KOH. Y en las mediciones se han obtenido temperaturas ms altas que las

de ambiente del laboratorio, debido a dos factores: en primer lugar, las mediciones se realizan

en una parte del laboratorio no climati

tfm-zapero pilar-producción de h2 por compuestos orgánicos

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