Manufactura y caracterización de un electrolizador alcalino y la evaluación de su eficiencia teórico experimental

Abstract

RESUMEN: En este trabajo de investigación se utiliza la metodología de diseño APQP para el diseño y manufactura de un electrolizador alcalino. Como lo indica dicha metodología, se realiza un estudio de mercado para el producto, se obtienen los requerimientos de diseño, así mismo se analizaron los diseños previos de electrolizadores alcalinos dentro del grupo de investigación OXIDROG®, para detectar las fallas recurrentes y proponer una solución adecuada a cada una de ellas, igualmente hizo la revisión del estado de la técnica para identificar las novedades o desventajas en el diseño de estos dispositivos y de esta forma tener una ventaja competitiva con el nuevo diseño propuesto. Al complementar el marco teórico de este trabajo de investigación se identificaron los factores que intervienen en el proceso de electrólisis alcalina, los cuales también fueron considerados dentro de la metodología de diseño. Una vez obtenido el diseño final del electrolizador alcalino se procedió a la manufactura y ensamble de este, para después realizar las pruebas de funcionamiento, se tuvieron ciertos inconvenientes en el primer ensamble por lo que se propuso un cambio en el tipo de sellado, con estas modificaciones el dispositivo paso sin problemas las pruebas hidrostáticas asegurando que no se tuvieran fugas de líquido o gases. Después se prosiguió a la caracterización del dispositivo a diferentes condiciones de operación como lo son temperatura, y concentración de electrolito, esto con el fin de obtener valores experimentales con cada una de las variables consideradas. La caracterización se realizó en dos instalaciones una con control de temperatura y la otra sin él; se observó un mejor comportamiento en la instalación con un control de temperatura, ya que esta es la variable que tiene mayor efecto dentro del proceso de electrólisis alcalina.

Se estudiaron los modelos matemáticos propuestos para la representación del proceso de electrólisis alcalina, y se observó que existen diferentes formas de realizarlo, en este trabajo de investigación, se optó por realizar el modelo con base en fundamentos de termodinámica y formulaciones electroquímicas empíricas, se propuso un modelo basado en el más común en la literatura revisada, agregando parámetros para considerar más variables independientes, con el modelo propuesto se realizó un ajuste no lineal con el software matemático Matlab®. Se alcanzó un modelo que reproduce con cierta fidelidad el comportamiento del proceso de electrólisis alcalina, posteriormente con los parámetros del modelo calculados se realizaron diferentes simulaciones haciendo cambios en las temperaturas de operación, concentración del electrolito y la distancia entre electrodos, el modelo matemático es una herramienta de mucha utilidad, ya que nos ayuda a poder predecir con cierta precisión el posible comportamiento de un electrolizador para futuros diseños, adecuando las características de este, según la aplicación que se le quiera dar. ABSTRACT: This research developed the APQP design methodology for the design and manufacturing of an alkaline electrolyser, as indicated in this methodology, an costumer research was made for this product, the design requirements were obtained, in the same way, the previous electrolyser made for the investigation group OXIDROG® were analyzed to identify the regular failures and propose the possible and right solutions, also a state of the art review was made to identify the innovation or disadvantage in the design of this devices and thus have a competitive advantage with the new proposed design. To complete the framework of this research, the main factors on the alkaline electrolysis were identified and took in account in the design methodology. Once the final alkaline electrolyser design was obtained, the different pieces of the electrolyser were manufactured and assembled. Following that functional tests were made. The first assembly had some failures. Therefore, a different way of sealing was proposed. With this change the device approved the functional tests, without gas or liquid leaking. After that the characterizations were made with different operation parameters like temperature, electrolyte concentration, distance between electrodes to obtain experimental data with the different parameters. The characterizations were made in two different installations, one with temperature control and another without the control. The installation with temperature control was had better behavior than the other, because the temperature is the most important variable in the alkaline electrolysis process. The mathematical model to represent the alkaline electrolysis process were studied, there are different forms to archive that. A model based on thermodynamics fundaments and empirics electrochemical formulations is proposed in this research, this model is founded on the most common model in the literature with some new parameters to take in account others independent variables. Nonlinear adjusted were calculated with mathematical software Matlab® in order to resolve the proposed model. The model archive low standard deviation in order to reproduce the voltage vs current curve of the alkaline electrolyser manufactured in this research. Subsequently different simulation were obtained with the parameters calculated before, the variables were changed in order to graphic different temperature, electrolyte concentration or distance between electrodes. The mathematical model is a useful tool, because of it help us to predict possible behavior of an alkaline electrolyser for future designs, adapting the characteristics of this one according to the application that is wanted to give it.