INTRODUCCIÓN PARTE EXPERIMENTAL CARACTERIZACIÓN

INTRODUCCIÓN PARTE EXPERIMENTAL CARACTERIZACIÓN

CARACTERIZACIÓN ELECTROQUÍMICA DE UN DISPOSITIVO
DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO MEDIANTE ELECTRÓLISIS
ALCALINA: INFLUENCIA DE LA MEMBRANA
Ana López Cudero(*) y Jesús Rodríguez Ruiz
Prol. Fernando El Santo s/n, 13500 Puertollano (Ciudad Real). SPAIN
Tel: +34 926 420 682
www.cnh2.es
(*) [email protected]
INTRODUCCIÓN
CONDUCTIVIDAD IÓNICA
La electrólisis alcalina en combinación con energías renovables constituye una de las
principales estrategias para la producción de hidrógeno de manera económica y con
reducido impacto ambiental [1].
El presente trabajo tiene por objetivo evaluar la contribución de la membrana al
rendimiento del electrolizador. Para ello se han caracterizado electroquímicamente
cuatro membranas comerciales y se ha medido su conductividad iónica en distintas
condiciones. Asimismo se ha evaluado el comportamiento en un stack, y como le
influyen parámetros como su configuración.
A concentraciones bajas de KOH, el valor de
conductividad obtenido en todo el rango de corriente
es similar para todas las membranas. Sin embargo, a
[KOH] más próximas a las de procesos industriales se
observan variaciones, siendo la conductividad más alta
para Zirfon® (Fig.4C, ). En todos los casos estudiados
la membrana A-7001® mostró el peor rendimiento.
Los valores de conductividad obtenidos y su variación
con la concentración de electrolito son similares a los
encontrados en bibliografía [2,3].
A
B
PARTE EXPERIMENTAL
Las membranas estudiadas fueron: Selemion®, A-7001®,
ePTFE (suministrados por ElectroCell®) y Zirfon® (AGFA®). La
determinación de la conductividad iónica se llevó a cabo en
una celda electroquímica diseñada especialmente para ello
(Fig.1) [2].
En la Fig.5 se presenta una serie de fotografías del
aspecto de las membranas inicialmente y tras su uso
en medio alcalino. Se observa un deterioro progresivo
de las membranas A7001® y Selemion®.
C
Inicial
Con el uso progresivo
A 7001®
Para el cálculo de la conductividad, se utilizó la ecuación:

Figura 1. Fotografía
de la celda para la
determinación de la
conductividad iónica
Selemion®
l
RMem  S
siendo:  la conductividad iónica (S cm-1); l el espesor de la
membrana (cm), S la superficie de membrana expuesta al
campo eléctrico (cm2) y RMem la resistencia de la membrana
().
Zirfon®
Figura 4. Valores de conductividad
para cada membrana en función de la
intensidad de corriente. A) [KOH] 0.5
M, B) [KOH] 1M y C) [KOH] 5 M.
EXPERIMENTACIÓN EN STACK
CARACTERIZACIÓN ELECTROQUÍMICA
La Fig.2(A) muestra las curvas de polarización obtenidas para las cuatro membranas
y para el blanco (celda sin membrana). El comportamiento de las membranas
Selemion® (trazo verde) y Zirfon® (trazo azul), es similar al del dispositivo sin
membrana (trazo negro). Peores rendimientos muestran las membranas A-7001®
(trazo rojo) y, con diferencia, e-PTFE® (trazo magenta), que se descarta.
B
A
C
Figura 6. Diagrama de Nyquist
para distinta configuración de
stack. KOH 5 M, Ewe=-1.8 V*
A
Figura 2. Caracterización electroquímica en KOH 0.5 M. (A) Curvas I/V; (B) Cronoamperometrías (Ewe=-2 V) y (C)
Diagramas Nyquist para A7001, Selemion y Zirfon (ePTFE no se muestra por ser varios ordenes de magnitud
superior). Ewe=-1.8 V, Vamp= 5 mV. Rango de frecuencias: 1 MHz a 100 mHz.
En las cronoamperometrías (Fig.2(B)) se puede comprobar que las corrientes
obtenidas (en torno a 14-16 mAcm-2) para las membranas Selemion® (trazo verde) y
Zirfon® (trazo azul) son del mismo orden que las medidas en ausencia de membrana
(trazo negro). Las medidas de impedancia (Fig.2(C)) corroboran que los mejores
rendimientos corresponden a las membranas Selemion® y Zirfon®, siendo la primera
la que presenta una resistencia más cercana a la ausencia de membrana.
A
B
C
D
Figura 3. Evolución de los diagramas de Nyquist con el Ewe.
Disolución KOH 0.5 M sin membrana (A) y con las membranas:
A7001 (B), Selemion (C) y Zirfon (D). Vamp= 5 mV. Rango de
frecuencias: 1 Mhz a 100 mHz.
Ewe
(V)
Sin Membrana
@-1,8
1,91
@-2,0
1,42
@-2,3
1,33
Resistencia /Ohm
A 7001® Selemion®
4,91
2,04
3,16
1,56
2,67
1,40
Zirfon®
2,34
1,84
1,63
Tabla 1. Valores de resistencia para distintos Ewe a partir
de medidas de impedancia en KOH 0.5 M.
En la Fig. 3 se presenta la evolución
del los diagramas de Nyquist para
cada una de las membranas en
función del potencial aplicado al
electrodo de trabajo (Ewe). A medida
que aumenta el valor del potencial
aplicado, se favorece el proceso de
electrolisis, lo cual se traduce en una
disminución de la resistencia global
del proceso, como claramente se
observa en los diagramas. Por otro
lado, a sobrepotenciales muy
elevados la presencia de burbujas
genera imprecisiones en la medida.
Los valores de resistencia total del
proceso de electrolisis, obtenidos a
partir de los diagramas de Nyquist
en función del potencial aplicado
(para valores de Ewe suficientemente
elevados para que exista electrolisis)
se presentan en la Tabla 1.
E-PTFE®
Figura 5. Fotografías de cada una
de las membranas, antes y
después de su uso en medio
alcalino, dónde se observa la
variación de aspecto.
B
Para el análisis de la influencia de las variables como la
concentración de electrolito y la configuración, se utilizó un
stack modular. Como membrana se utilizó Zirfon®.
En la Fig.6 se observa el diagrama de Nyquist para [KOH] 5
M y un potencial de celda* de -1,8 V para un stack (area
total de electrodo: 50cm2) en configuración bipolar
(magenta) y monopolar tanto completo (negro) como
tomando sus celdas de manera independiente. La
resistencia es mayor en configuración bipolar.
En la Fig.7 se presenta la Potencia (W) del stack obtenida a
tres valores de potencial de celda* (Ewe= -1,5 V, -1,8 V y
-2,0V) para distintas [KOH] (0,5M, 1M y 5M) en cada una de
las dos configuraciones posibles (monopolar y bipolar). Se
puede observar que, para unas mismas condiciones, la
configuración bipolar ofrece valores mayores de potencia y
cómo ésta aumenta con la concentración de electrolito.
Figura 7. Potencia obtenida frente a E de
celda* a distintas [KOH] en configuración
Monopolar (A) y Bipolar (B).
*en configuración bipolar son 5 celdas
CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
• Se ha caracterizado y estudiado la influencia de un componente clave en un
sistema de electrolisis como es la membrana, tanto de forma individual como en un
montaje similar a un dispositivo comercial.
• De entre las membranas estudiadas, se ha observado un mejor rendimiento de
Selemion® y Zirfon®. No obstante, la membrana Selemion® ha mostrado una baja
estabilidad y una rápida degradación en medios alcalinos. La membrana A7001®
tiene un comportamiento peor a las anteriores mientras que la ePTFE no es
adecuada para su utilización en electrolisis alcalina, dada su elevada resistencia.
• En desarrollos futuros la atención irá orientada al análisis conjunto de membranas
y nuevos electrocatalizadores y su interacción con fuentes de energía renovables, a
fin de conseguir la combinación óptima de componentes que proporcione una
mayor eficiencia global del proceso.
REFERENCIAS
[1] A. Roy, S. Watson, y D. Infield Int. J. Hydrogen Energy 31 (2006) 1964-1979.
[2] E. Agel, J. Bouet, y J. Fauvarque, Int. J. Hydrogen Energy 101 (2001) 267-274
[3] J. Kerres, G. Eigenberger, S. Reichle S., V. Schramm, K. Hetzel, W. Schnurnberger e I. Seybold; Desalination 104
(1996) 47-57
FINANCIACIÓN
Proyecto IPT-120000-2010-10 financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, dentro del Plan Nacional de
Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica, 2008 – 2011