LA SEPARACIÓN DE LOS ELECTRODOS
COMO FACTOR PARA EL CONSUMO DE
POTENCIA ELÉCTRICA EN LA PRODUCCIÓN
DE GAS BROWN CON ELECTROLIZADORES
BIPOLARES ALCALINOS
ELECTRODE SEPARATION AS A FACTOR FOR CONSUMPTION
ELECTRICAL POWER IN THE PRODUCTION OF BROWN GAS
WITH BIPOLAR ALKALINE ELECTROLYZERS
José Luis Sosa Pedraza
Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas, México
Jorge Salazar Rocha
Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas, México
Jose Enrique Munguía Tapia
Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas, México
pág. 11703
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i4.13333
La Separación de los Electrodos como Factor para el Consumo de
Potencia Eléctrica en la Producción de Gas Brown con Electrolizadores
Bipolares Alcalinos
José Luis Sosa Pedraza
1
ing.jl.sosa@gmail.com
https://orcid.org/0000-0003-2850-5891
Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas
México
Jorge Salazar Rocha
jorgesalazarrocha@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-3847-0554
Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas
México
Jose Enrique Munguía Tapia
jenrique.munguia@lcardenas.tecnm.mx
https://orcid.org/0000-0002-3847-0554
Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas
México
RESUMEN
La electrólisis de agua alcalina es de los métodos más fáciles para la producción de hidrógeno. Para el
uso generalizado de la electrólisis del agua hay que reducir el consumo de energía, costo, mantenimiento
y aumentar la fiabilidad, durabilidad y seguridad. Actualmente existe una gran oportunidad en México
ya que solamente el 3.2% de la producción de hidrogeno se realiza por electrolisis uno de los factores
es el alto costo de los materiales y la electricidad el primero se puede amortiguar aumentando la
densidad de corriente que transita por los electrodos. La alteración de la microestructura superficial, el
electrolito y la separación de los electrodos incide directamente en el consumo eléctrico. En el presente
estudio se experimentó con claros entre electrodos obtenidos en otras investigaciones (6.0, 10mm),
resultando la separación de 10 mm con una mínima diferencia en la producción de gas Brown a un
menor consumo de electricidad.
.
Palabras clave: bipolar, gas brown, separación, potencia eléctrica
1
Autor principal.
Correspondencia: ing.jl.sosa@gmail.com
pág. 11704
Electrode Separation as a Factor for Consumption Electrical Power in the
Production of Brown Gas with Bipolar Alkaline Electrolyzers
ABSTRACT
Alkaline water electrolysis is one of the easiest methods for hydrogen production. For the widespread
use of water electrolysis, energy consumption, cost, maintenance must be reduced and reliability,
durability and safety must be increased. Currently there is a great opportunity in Mexico since only
3.2% of hydrogen production is carried out by electrolysis, one of the factors is the high cost of materials
and electricity, the first can be damped by increasing the current density that passes through the
electrodes. The alteration of the surface microstructure, the electrolyte and the separation of the
electrodes directly affects electrical consumption. In the present study, we experimented with gaps
between electrodes obtained in other investigations (6.0, 10mm), resulting in a separation of 10 mm
with a minimum difference in the production of Brown gas at lower electricity consumption.
Keywords: bipolar, gas brown, separation, electrical power
Artículo recibido 10 julio 2024
Aceptado para publicación: 15 agosto 2024
pág. 11705
INTRODUCCIÓN
Ahora, la contaminación de los combustibles de petróleo aumenta día a día en todo el mundo y, como
sabemos los combustibles de petróleo no son renovables, por lo que un cambio en los intereses de los
científicos es observado recientemente, hacia un menor consumo de combustible. Esto alienta a los
investigadores a buscar soluciones alternativas para usar en motores un combustible alternativo sin la
necesidad de un cambio dramático en el diseño del vehículo (Usmani 2018)
Los combustibles fósiles son una fuente de energía versátil y vital que la vida productiva humana
depende en gran medida de los productos básicos; el transporte y la producción de energía.
La investigación y el desarrollo (I + D) realizados en las últimas décadas han demostrado que el sector
de la energía eléctrica y el sector del transporte representan el 82% y 95% respectivamente de todo el
combustible fósil consumido en el mundo.
Los estudios han revelado además que la quema continua de estos combustibles fósiles (carbón, petróleo
y gas) liberan una enorme cantidad de contaminantes (radiactividad, metales pesados, y cenizas) y gases
de efecto invernadero (CO, CO2, SOx y NOx) en el medio ambiente causando el calentamiento global
y otras enfermedades humanas relacionadas (Essuman et al. 2019).
(Zoulias et al. s. f.), revisaron varias técnicas de hidrógeno producción. Señalaron que se pueden usar
soluciones electrolíticas ácidas o alcalinas. Sin embargo, se prefiere este último debido a un menor
riesgo de corrosión, lo que permite el uso de productos más baratos materiales de construcción.
La electrólisis alcalina se puede transportar utilizando arreglos monopolares o bipolares de electrodos,
en donde los electrodos están dispuestos en paralelo y en serie respectivamente como se muestra en la
Fig. El uso de la disposición bipolar tiene las ventajas de compacidad y menor requerimiento de
material. Sin embargo, este arreglo puede producir corrientes de derivación en los conductos de
electrolitos si no está diseñado correctamente. Los autores han citado diseños de células electrolíticas
alcalinas con presiones operativas de hasta 30 bar, corriente densidad hasta 10 kA / m2 y eficiencia
superior al 80%.(Subramanian y Ismail 2018) .
pág. 11706
Figura 1: Arreglo de los electrodos.
Fuente: (Subramanian y Ismail 2018)
MARCO TEÓRICO
Electroquímica de la electrolisis del agua
De acuerdo a (Abe s. f.), (Shrikant Bhardwaj y Subodh Kumar Sharma s. f.) y (Zouhri y Lee 2016) el
proceso de electrólisis del agua consiste en tres partes principales; el cátodo, el ánodo y el electrolito
conductor de iones durante el proceso, el hidrógeno y el oxígeno se producen en el cátodo y el ánodo,
respectivamente.
La reacción química para la electrólisis del agua alcalina es descrita por la siguiente ecuación:
2H
2
O + Electricidad → 2H
2
+ O
2
(2.1)
La reacción que se produce en el lado del ánodo se puede describir por lo siguiente:
2OH
-
→ H
2
O +0.5O +2e
-
(2.2)
La reacción se produce en el lado del cátodo se puede describir como sigue:
2H
2
O + 2e
-
→2OH + H
2
(2.3)
Termodinámica
La termodinámica proporciona un marco para describir el equilibrio de la reacción y los efectos térmicos
en los reactores electroquímicos. También da una base para la definición de las fuerzas que dan lugar a
la aparición de los fenómenos de transporte en los electrolitos y conduce a la descripción de las
propiedades de las soluciones. A continuación, hay una breve descripción de la termodinámica que se
da a bajas temperaturas en reacciones electroquímicas hidrogeno-oxígeno para un modelo de
electrolizador.
Pueden hacerse los siguientes supuestos sobre el agua para una reacción de división:
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(a) el hidrógeno y el oxígeno son gases ideales
(b) el agua es un fluido incompresible
(c) las fases gas y líquido son separadas.
Basado en estos supuestos el cambio de entalpía ΔH, de entropía ΔS y la energía de Gibbs ΔG de la
reacción de división del agua puede calcularse con referencia a hidrógeno puro (H2), oxígeno puro (O2)
y agua (H2O) a temperatura y presión (25◦C y 1 bar) estándar. El cambio total de entalpía para dividir
el agua es la diferencia de entalpia entre los productos (H2 y O2) y los reactantes (H2O). Lo mismo se
aplica para el cambio total de entropía. El cambio en la energía de Gibbs se expresa por.
∆ = ∆ − ∆ (2.4)
En condiciones normales (25 C y 1 bar) la división de agua es una reacción no espontánea, esto significa
que el cambio en la energía de Gibbs es positiva. La energía de Gibbs estándar para dividir el agua es
ΔG=273 kJ mol
-1
. Para un proceso electroquímico que opera a temperatura y presión constante, el
trabajo útil posible máximo (es decir, el trabajo reversible) es igual al cambio en la energía de Gibbs
ΔG.
La ley de Faraday relaciona la energía eléctrica (emf) necesaria para dividir el agua a la tasa de
conversión química en cantidades molares. La emf para un proceso electroquímico reversible o el
voltaje reversible de la celda reversible, se expresa por.
(2.5)
La cantidad total de energía necesaria en la electrólisis del agua es equivalente al cambio de entalpía
ΔH. De la ecuación (4) se ve que ΔG incluye la irreversibilidad térmica TΔS, que para un proceso
reversible es igual a la demanda de calor. La entalpía estándar para dividir el agua es ΔHo = 286 kJ
mol−1. La demanda total de energía ΔH está relacionada con el voltaje termoneutro de la celda por la
expresión
(2.6)
pág. 11708
En condiciones estándar U
rev
= 1.229 V y U
tn
= 1.482, pero estos cambiarán con la temperatura y la
presión. En el rango de temperaturas aplicables U
rev
disminuye ligeramente con el aumento de la
temperatura (U
rev
@80◦C, 1 bar = 1.184 V), mientras que se U
tn
se mantiene casi constante (U
tn
@80◦C,
1 bar = 1.473 V). Aumentando la presión aumenta ligeramente U
rev
(U
rev
@25◦C; 30 bar = 1.295 V),
mientras que U
tn
permanece constante. (Ramirez Piedrahita 2015)
Potencia teórica del HHO
El proceso de electrólisis, hay más de un tipo posible de reacción eléctrica, entonces un anión simple se
desprenderá del ánodo positivo (por ejemplo, cloruro), que carece de este anión, OH- será creado por
división de agua. El voltaje de disolución del agua a 25 ° C (temperatura ambiente) es 1.23 V (fuerza
electromotriz, FEM), el coeficiente de temperatura es 0.85 mV / K, lo que significa que a 100 °C la
tensión baja a 1,17 V. Por lo tanto, a la luz de estos datos, la demanda de energía específica para hacer
hidrógeno a través de la electrólisis en 25 °C se puede calcular de la siguiente manera
La cantidad de carga necesaria para separar 1 kg de gas de hidrógeno es
q = z F/ M (2.7)
= (2* 96; 487)/ 2 = 96; 487 As / mol = 26; 801 Ah / kg
donde
z es el número de carga del ion específico,
F es la constante de Faraday (aproximadamente 96,500 C / mol) y
M es el peso atómico estándar.
La potencia eléctrica es igual al producto del voltaje por la corriente podemos calcular la potencia
necesaria para producir un kilogramo de hidrogeno de la siguiente manera:
WH
2
= q E
MF
= 26; 801 * 1.23 = 32; 966 Wh / kg (2.8)
Dado que el volumen de 1 kg de estado estándar H
2
es 12,474 L, la cantidad de energía requerida para
producir 1 L de hidrógeno es
WH
2
= 32; 966 / 12; 474 = 2.64 Wh / L: (2.9)
Para producir 1 L de hidrógeno, se necesitan 1,5 L de gas HHO. La energía demanda de producir 1 L
pág. 11709
de gas HHO (usando (3)) es
W
HHO
=0. 667 * 2. 64 = 1.76 Wh / L: (2.10)
(Göllei, Görbe, y Magyar 2016)
METODOLOGÍA
Descripción del método
Para el proceso de la electrolisis se requieren según (Tijani, Yusup, y Rahim 2014).
Electrodos
Ánodo
Cátodo
Electrolito
Fuente de cc.
El Stanley Steel AISI 316 es 10 veces más barato que el níquel, de acuerdo con (Symes et al. 2015),
utilizaremos este material para realizar este experimento.
En base a la metodología que se utilizó en “Evaluación del efecto de las modificaciones superficiales
en electrodos basados en Ni para electrólisis del agua alcalina” en el Centro de Energía, Universidad de
Western Australia (Zeng y Zhang 2014), se realizaron modificaciones a la microestructura superficial
del acero inoxidable AISI 316 para ser utilizados en electrolizadores bipolares alcalinos para la
producción de oxhidrógeno. El aumento en el área superficial se traduce en un mayor flujo de corriente,
así como en un incremento en la producción. Como electrodo se utilizaron placas de 35 x 35 mm a las
cuales se les aplico un lijado con una lijadora BLACK + DECKER modelo SS200 y una lija GSO 50
posteriormente se les coloco un alambre de cobre recubierto de calibre 16 AWG para su conexión a la
electricidad, se preparará un juego de electrodos para cada separación 6 y 10, mm entre placas, las
pruebas se harán de la siguiente manera: para cada separación un par de electrodos, un par de electrodos
y un neutro un par de electrodos y dos neutros ,se utilizó como electrolito hidróxido de potasio al 20%.
pág. 11710
METODOLOGÍA
Se cortaron de una misma pieza pequeñas probetas de acero AISI-316
El grado 316 es la segunda forma de acero inoxidable más común. Tiene casi las mismas propiedades
físicas y mecánicas del acero inoxidable 304. La diferencia es que incorpora alrededor de 2% a 3% de
molibdeno, que incrementa su resistencia a la corrosión, en particular contra el cloruro y otros solventes
industriales. (“Acero inoxidable 304 y 316”, 2018)
Las dimensiones de las probetas son (35 x 35 x 1.3 mm) al cortar las probetas se cuidó que tuvieran las
mismas medidas (Figura1).
Figura 1: Placas de acero inoxidable antes de su limpieza
Fuente: Elaboración propia
Se les aplicaron los siguientes tratamientos ver (Tabla.1).
Tabla 1: Detalle de las probetas empleadas, tratamientos aplicados a cada una de ellas y la función que
desarrollan.
Probeta
Función
Tratamiento
AISI316
Cátodo
Rayado - Limpieza
AISI316
Ánodo
Rayado - Limpieza
Fuente: Elaboración propia
Las etapas que corresponden a los tratamientos son: se tomó como base a;(Lavorante et al. s. f.),
(Lavorante y Franco 2016)
Para el tratamiento de limpieza
▪ Lavar las probetas con agua destilada y dejar secar al aire.
▪ Mojar un papel de filtro con acetona, limpiar la probeta y dejar evaporar el solvente.
▪ Mojar un papel de filtro con alcohol isopropílico, limpiar la probeta y dejar evaporar el solvente.
pág. 11711
Para el tratamiento de rayado
▪ Rayar dos de las probetas con lija J-73 Fandeli ANSI-50 con lijadora BLACK + DECKER modelo
SS200 .
▪ Lavar las probetas con agua destilada, dejar secar al aire.
▪ Mojar un papel de filtro con acetona, limpiar la probeta y dejar secar al aire.
▪ Mojar un papel de filtro con alcohol isopropílico, limpiar la probeta y dejar evaporar el solvente.
▪ Las probetas fueron sumergidas en Potasa caustica al 20% y 80% de agua destilada, los (electrodos)
están conectados a una fuente Maisheng DC power supply MS3010D de 110V/60 Hz, 30V/10A.
Figura 2: Imágenes 500x de los electrodos rayado con una lijadora BLACK + DECKER modelo SS200
con papel de lija P50, (microscopio marca Digital Microscope Magnificación)
Fuente: Elaboración propia
Para dar agilidad a la prueba se diseñó un soporte para hacer el intercambio de probetas de manera más
rápida este dispositivo se construyó en una impresora 3D como lo muestra la figura.
Figura 3: Dispositivo separador de electrodos tipo placa con diferentes claros
Fuente: Elaboración propia
Para hacer el cambio de probetas más ágil se le colocaron a cada externo del alambre de cobre una
terminal macho plana de ¼ in como lo muestra la figura 4.
Figura 4: Dispositivo separador con diferentes claros, y electrodos con cable y terminal plana macho
pág. 11712
Fuente: Elaboración propia
Figura 5: Vista general de experimento.
Fuente: Elaboración propia
pág. 11713
RESULTADOS
Resumen de resultados
En las siguientes graficas observamos el resumen de resultados, primeramente hacemos la comparación
de un juego de electrodos con una placa neutra y observamos como los resultados no son
significativamente diferentes, sin embargo tenemos una ligera diferencia para 10 mm.
Grafica 1: Producción con una placa neutra.
Fuente: Elaboración propia
Grafica 2: Producción con una placa neutra
Fuente: Elaboración propia
pág. 11714
Como observamos en la gráfica los resultados son similares al aumentar a dos las placas neutras
Ahora bien, los resultados de la siguiente grafica fueron obtenidos con los electrodos lijados con un
abrasivo G50
Grafica 3: Producción con una placa neutra lijada
Fuente: Elaboración propia
Grafica4: Producción con dos placas neutras
Fuente: Elaboración propia
pág. 11715
Si observamos la gráfica 3 la separación entre electrodos es ligeramente mayor para 10 mm
Finalmente para dos placas neutras observamos que la separación con una mejor producción en la de
10 mm
CONCLUSIÓN
Para (Lavorante et al. s. f.) en Argentina la separación de 6.3 es la óptima para electrodos en serie en
este estudio se observa una ligera mejora en la producción con la separación de 10.0 mm aplicada a un
electrolizador bipolar alcalino.
Recomendaciones
Recomendamos que, para la construcción de electrolizadores bipolares alcalinos, se haga con una
separación de 10.0 mm.
Sin embargo, si la utilización de los separadores eleva el costo del electrolizador la separación a elegir
será de 6.0.
Asimismo, el tratamiento mecánico (lijado con grano G50), no es suficiente se recomienda hacerlo un
poco más agresivo para incrementar la superficie.
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