Diseño y manufactura de un prototipo de electrolizador alcalino de hasta 20 Sl/min de gas oxihidrógeno para ser empleado en embarcaciones marinas

Abstract

RESUMEN: Este trabajo de investigación se centra en la generación de gas Oxihidrógeno hasta 20 Sl/min, que pueda ser empleado como aditivo energético para el combustible de un motor de combustión interna, utilizado en el sector marítimo. A pesar de que este sector no es el más numeroso o económico en el país, si es de gran importancia para las comunicaciones nacionales debido a la gran cantidad de costas existentes en México, de igual manera debido a la necesidad de utilizar una fuente primaria de energía se considera factible utilizar la gran superficie de exposición al sol de las embarcaciones marinas como receptores de energía solar.

Existen dos razones por las cuales se considera importante estudiar fuentes de energía alternativas, en este caso el gas Oxihidrógeno como combustible dual, la primera se debe al incremento de precio que han tenido los combustibles a nivel nacional en los pasados 12 años y la segunda es el aumento en la temperatura del planeta lo que ha ocasionado alteraciones en los ecosistemas, incrementándose la cantidad de desastres naturales en los últimos 50 años.

El proyecto consiste en establecer una metodología de diseño (definida por Krick), y el proceso de caracterización para un electrolizador alcalino, el cual está conformado de un arreglo en serie de 24 unidades, cada una de ellas conformada por dos electrodos, ánodo (de acero inoxidable recubierto con un depósito de níquel) y cátodo (de acero inoxidable), ambos con forma de espiral y ensamblados concéntricamente, sumergidos en una solución de NaOH al 5%. Se encuentran conectados eléctricamente a una fuente de corriente directa, la cual al pasar por los electrodos, genera el proceso electroquímico de separar la molécula del agua en hidrogeno y oxígeno, produciendo una mezcla gaseosa de estos componentes la cual es altamente energética. Cada electrolizador produce hasta 0.85 Sl/min de gas, demandando 80 A y 5.3 V, la intercepción en las curvas de eficiencia-voltaje y corriente-voltaje muestran que el punto óptimo de funcionamiento del electrolizador se presenta con una eficiencia de 52%, demandando 42 A y 3.6 V generando, cada unidad, 0.60 Sl/min de gas. De manera conjunta los 24 electrolizadores funcionando a 80 A producen 20.4 Sl/min a una eficiencia del 20%. En el punto óptimo el sistema demanda 42 A y 86 V para producir 14.4 Sl/min de gas Oxihidrógeno a una eficiencia de 52%.

Diseño y manufactura de un prototipo de electrolizador alcalino de hasta 20 sL/min de gas Oxi- hidrógeno para ser empleado en embarcaciones marinas. Se tiene programado inyectar esta mezcla directamente en el múltiple de admisión de aire de un motor diesel lo que permitirá disminuir el consumo de combustibles fósiles y reducir la cantidad de gas de efecto invernadero que se emite a la atmósfera.

Por otra parte, se realizó una estancia internacional en el Centro Nacional de Experimentación de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible (CNH2) en Puertollano España, donde se analizó y estableció la importancia de los depósitos separadores bifásicos gas-líquido, en el sistema general de electrólisis. Se estableció que un diseño y dimensionamiento adecuado de estos depósitos aumenta la eficiencia global del sistema. En el trabajo desarrollado en México estos depósitos son los recipientes recirculadores de electrólito, donde se separa el gas Oxihidrógeno generado del electrolito, por lo tanto el trabajo desarrollado en el CNH2 ayudará a mejorar el diseño del sistema de electrólisis que se están desarrollando para el enriquecimiento de combustibles. ABSTRACT: The purpose of this work is to generate Oxyhydrogen gas up to 20 sL/ min, which can be used as an energy additive for the fuel of a direct combustion engine in the maritime sector. Although this sector is not the most numerous or economic in the country, it is of great importance for national communications due to the large number of coasts in Mexico, also the need to use a primary source of energy is considered feasible to use the large area of exposure to the sun of the marine vessels as receivers of solar energy. There are two reasons why it is considered important to study alternative energy sources, in this case Oxyhydrogen gas as a dual fuel, the first is due to the price increase that fuels have had at the national level in the past 12 years and the second is the increase in the temperature of the planet which has caused alterations in the ecosystems, increasing the amount of natural disasters in the last 50 years. The project consisted in establishing a design methodology (defined by Krick) and characterization process for an alkaline electrolyser, which is made up of 24 units in a series array, each one consist of two electrodes, anode (stainless steel with a nickel deposit) and cathode (stainless steel) in the shape of a concentric spiral immersed in a solution of 5% NaOH, which are electrically connected to a direct current source, when electricity pass through the electrodes, generates the electrochemical process to separate the molecule from water into hydrogen and oxygen, producing a gaseous mixture of these components which is highly energetic. Each electrolyzer produces up to 0.85 sL/min of gas, requiring 80 A and 5.3 V, the intercept in the efficiency-voltage and current-voltage curves show that the optimal operation point of the electrolyzer presents an efficiency of 52%, demanding 42 A and 3.6 V generating 0.60 sL/min of gas. Together the 24 electrolyzers running at 80 A produce 20.4 sL/min at 20%. efficiency. At the optimum point the system requires 42 A and 86 V to produce 14.4 sL/min of Oxyhydrogen gas at 52% efficiency. It is planned to inject this mixture directly into the intake manifold of a diesel engine, which will reduce the consumption of fossil fuels and reduce the amount of greenhouse gas emitted to the atmosphere. An international stay was held at the National Center for the Experimentation of Hydrogen Technologies and Fuel Cells (CNH2) in Puertollano, Spain, where the importance of gas-liquid biphasic separator deposits in the general electrolysis system was analyzed and established. It was established that an adequate design and dimensioning of these deposits increases the overall efficiency of the system. In the work developed in Mexico these deposits are the recirculating containers of electrolyte, where the generated Oxyhydrogen gas is separated from the electrolyte, therefore the work developed in the CNH2 will help to improve the design of the electrolysis system that are being developed for the enrichment Of fuels.