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title: "Análisis de la variación de la resistencia eléctrica en una celda de electrólisis alcalina mediante curvas de polarización I-V"
author:
  - Mario Guillermo Ponce-Hernández
  - Gerardo Marx Chávez-Campos
  - Javier Correa-Gómez
  - Héctor Javier Vergara-Hernández
  - Luis Ulises Chávez-Campos
date: March 2026
lang: es
resumen: |
  El presente estudio realiza un análisis preliminar del comportamiento de la resistencia eléctrica de una celda de electrólisis alcalina mediante las curvas de polarización I-V. La planta experimental está conformada por una celda con electrodos planos de acero inoxidable-304 y una solución de $NaOH$ 1 M. El sistema es alimentado mediante una fuente programable en corriente directa y monitoreado con instrumentos de alta precisión. Para la adquisición y control de variables se desarrolló una interfaz gráfica basada en Python 3 con comunicación mediante PyVISA, incorporando además un sensor PT1000 para el seguimiento de la temperatura del medio. La metodología experimental se compone de cuatro rondas consecutivas de curvas de polarización, realizadas con el mismo par de electrodos y el mismo electrolito, a fin de evaluar posibles variaciones en la respuesta de la resistencia eléctrica. Una vez finalizada la caracterización, se estima el valor de dicha resistencia, se grafican los datos obtenidos sobre la curva de polarización y se delimitan las posibles zonas de operación. Bajo este enfoque, se propone que la resistencia eléctrica puede utilizarse como una variable de apoyo para analizar el comportamiento del electrolizador e identificar regiones asociadas con pérdidas electroquímicas.
    
keywords:
  - Electrólisis alcalina
  - Resistencia eléctrica
  - Curva de polarización
  - Temperatura
  - Corriente
  - Voltaje

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# Introducción 

Los sistemas de electrólisis alcalina del agua han optimizado su rendimiento gracias al avance en la innovación de nuevos materiales y estrategias de integración para electrodos, membranas y electrólito [@ref39]. Estos componentes constituyen una parte esencial de los electrolizadores, los cuales pueden estar formados por una o más celdas electroquímicas conectadas en serie o en paralelo [@ref43]. En este contexto, la evaluación del desempeño electroquímico suele realizarse mediante curvas de polarización, ya que estas permiten caracterizar la respuesta del sistema en diferentes regiones de operación [@ref39;@ref59].

En particular, las curvas Corriente-Voltaje ($I$-$V$), también conocidas como curvas de polarización, permiten evaluar cuantitativamente el comportamiento de la celda y distinguir las principales contribuciones a las pérdidas del sistema. Entre ellas se encuentran la polarización por activación, asociada con la cinética de la reacción electroquímica; la polarización óhmica, relacionada con la conducción eléctrica e iónica; y las limitaciones por transferencia de masa, también denominadas polarización de concentración  [@ref11;@ref60].

Entre las contribuciones asociadas a las pérdidas del sistema, la resistencia óhmica desempeña un papel determinante, ya que su reducción permite operar a mayores densidades de corriente y mejorar el desempeño global del electrolizador [@ref59;@ref60]. En este sentido, diversos estudios han señalado que dicha resistencia puede incrementarse por múltiples factores, tales como la formación de nanoburbujas en las interfaces electrodo-electrolito, la selección de materiales y acabados superficiales que modifican la resistencia de contacto, así como las variaciones en el nivel de compresión del ensamble, las cuales afectan directamente la resistencia interfacial [@ref12;@ref58;@ref57].

En este contexto, el presente trabajo se orienta a evaluar el comportamiento de la resistencia eléctrica de una celda electroquímica a partir de curvas de polarización ($I$-$V$). Las variables eléctricas del sistema se adquieren mediante instrumentación de alta resolución, lo que permite registrar de manera confiable la respuesta del electrolizador bajo diferentes condiciones de excitación y analizar su comportamiento en el dominio del tiempo, sin requerir técnicas de caracterización más especializadas.

La evolución de la resistencia a lo largo de las distintas etapas de operación puede constituir un indicador del estado de la celda electroquímica. Además, el análisis de las curvas permite identificar regiones de operación en las que el sistema presenta mayores pérdidas de eficiencia, asociadas a una mayor disipación de energía en forma de calor. De este modo, la metodología propuesta ofrece una alternativa de análisis más simple y accesible, sin comprometer la confiabilidad del estudio, y establece una base para el desarrollo de futuros métodos de monitoreo, control y optimización energética en celdas electroquímicas.

# Metodología 

Para obtener las curvas de polarización, se desarrolló el sistema experimental mostrado en la @fig:Met_gral, el cual está compuesto por tres elementos principales. El primero es el electrolizador, constituido por una celda alcalina de laboratorio con electrodos planos de acero inoxidable *AISI 304* de $20 \, \text{mm} \times 93 \, \text{mm}$, sumergidos en una solución acuosa de $NaOH$ a 1 M y montados en un contenedor de vidrio con tapa de polipropileno impresa en 3D, diseñado para operar en condiciones corrosivas. El segundo es el Sistema de Inyección y Medición, integrado por una fuente programable Agilent N5770A de 1500 W, un multímetro Picotest M3500A para medir el potencial entre el ánodo y el cátodo, un multímetro Tektronix DMM4040 para registrar la corriente suministrada y un sensor PT1000 con módulo de lectura Wi-Fi Pool Kit de Atlas Scientific para monitorear la temperatura del electrolito. El tercero es el Sistema de Adquisición, implementado mediante una plataforma gráfica en Python 3 y basado en el paquete PyVISA, desarrollado para configurar el barrido experimental, automatizar la inyección y la adquisición de variables, almacenar los datos de manera sistemática y generar las curvas de polarización del sistema.

![Diagrama general implementado para la obtención de las curvas de polarización ($I-V$) del sistema.](figures/Metod_Amidiq.png){#fig:Met_gral width=65%}

La caracterización experimental se llevó a cabo mediante experimentos consecutivos bajo condiciones similares, utilizando el mismo par de electrodos y el mismo electrolito, con el fin de evaluar la repetibilidad del sistema y observar el efecto del desgaste en las variables eléctricas. En cada experimento, el voltaje de inyección se incrementó en pasos de $0.1$ V hasta alcanzar el límite de corriente de la fuente, establecido en $10.5$ A. Entre cada incremento se definió un tiempo de espera aproximado de 1 min para favorecer la estabilización de las mediciones. En cada punto de operación se adquirieron cinco muestras por parámetro y, a partir de los datos obtenidos, se generaron las curvas de polarización y se estimó la resistencia eléctrica correspondiente en cada punto.

# Resultados

Una vez obtenidos los datos de los experimentos se procesan por medio de un algoritmo desarrolladó en Python y se organizan para realizar la comparación de la evolución de las variables a través del desarrollo de los experimentos. La @fig:ve_ce muestra una gráfica comparativa de la evolución de la corriente en los electrodos a traves de 2 experimentos.

![Gráfica comparativa de la evolución de la corriente en los electrodos durante 2 experimentos.](figures/R1_Zonas_Clrs.png){#fig:ve_ce width=60%}

En la @fig:ve_ce se identifican claramente cuatro zonas de operación diferenciadas mediante colores, las cuales representan las distintas etapas por las que atraviesa el sistema electroquímico conforme aumenta el voltaje aplicado a la celda. Estas zonas permiten describir el comportamiento eléctrico del electrolizador y facilitan la interpretación del proceso de generación de hidrógeno.

El comportamiento del electrolizador puede dividirse en cuatro zonas de operación. La *Zona 1*, **No conducción**, corresponde al régimen donde el potencial aplicado aún no supera la barrera energética y la corriente permanece cercana a cero. En la *Zona 2*, **Conducción**, el voltaje comienza a vencer dicha barrera y se observa un incremento gradual en la corriente, aunque sin activar de manera significativa la reacción electroquímica. La *Zona 3*, **Generación**, marca el inicio de la electrólisis del agua, con formación visible de gases en los electrodos y un comportamiento eléctrico aproximadamente lineal entre voltaje y corriente. Finalmente, la *Zona 4*, **Saturación**, se caracteriza por el aumento de temperatura y la disipación de energía en forma de calor, condición que puede afectar la pureza del hidrógeno si no se controla adecuadamente.

El calculo de la resistencia eléctrica se basa en los valores obtenidos de las variables de *Voltaje en Electrodos (V)* y *Corriente en Electrodos (A)*, estos datos tienen un promediado de 5 muestras, las cuales son tomadas cada *100ms*. La [@eq:calc_res] es la empleada para el estimación del valor de la resistencia en cada punto del experimento. 

$$
\mathrm{\hat{R} = \frac{\sum_{i}^{N}V_i}{\sum_{i}^{N}I_i}}
$$ {#eq:calc_res}

Partiendo de la división de las 4 distintas zonas, se analiza el comportamiento de la resistencia eléctrica dentro de la zona de saturación. La @fig:res_sat muestra el comportamiento de la resistencia del *Experimento 1* y *Experimento 2*. 

![Gráfica de la evolución de la resistencia en la zona de saturación del experimento 1 y 2](figures/R1_res_exp_12.png){#fig:res_sat width=60%}

En la zona de **Saturación** se observa una diferencia clara en los valores de resistencia: aunque ambas curvas mantienen una tendencia decreciente, existe un desplazamiento notable entre ellas. Este desfase no representa solo una variación puntual, sino una modificación en la respuesta eléctrica global del sistema para un mismo nivel de energía. Al comparar los experimentos, la mayor caída de tensión en los electrodos no implica un mejor flujo de corriente, sino que evidencia que parte de la energía se concentra como potencial eléctrico en lugar de transformarse eficientemente en corriente útil para la separación del agua. Este comportamiento sugiere que el desgaste de los electrodos y las variaciones en el electrolito influyen directamente en la distribución de energía, reflejando un cambio en el régimen de conducción y una disminución en la eficiencia electroquímica del proceso.

Como se menciono anteriormente la zona de saturación comprende el comportamiento del sistema donde la mayoría de la energía inyectada se disipa en forma de calor, lo cual se ve reflejado en el aumento de la temperatura dentro del sistema. Las @fig:res_temp muestran el comportamiento de la resistencia y la temperatura del *Experimento 1 y 2* en la transición de la Zona de *Generación* hacia la Zona de *Saturación*. 

![(a) Respuesta de la resistencia y temperatura en el experimento 1 (b) Respuesta de la resistencia y temperatura en el experimento 2.](figures/R1_res_temp_exp_12.png){#fig:res_temp width=100%}

Como se observa en la @fig:res_temp (a), el *Experimento 1* muestra una disminución progresiva de la resistencia al pasar de la zona de *Generación* a la de *Saturación*, acompañada de un aumento moderado de la temperatura. Esto indica que la energía eléctrica se emplea principalmente en el proceso electroquímico, manteniendo un comportamiento estable desde el punto de vista térmico y eléctrico. En contraste, la @fig:res_temp (b) revela que en el *Experimento 2* la temperatura crece de forma más temprana y pronunciada, lo que sugiere mayores pérdidas internas y una fracción significativa de energía disipada como calor. Este comportamiento refleja la influencia del desgaste de los electrodos y las variaciones del electrolito en la distribución energética, reduciendo la eficiencia electroquímica global del sistema.


# Conclusiones  

Las curvas de polarización muestran una clara variación de los valores a través del desarrollo de la experimentación. Sin embargo, se observa una repetibilidad en los eventos físicos de conducción y generación en todos los experimentos. Los valores de inyección de energía (*Voltaje Inyectado (V)*) necesarios para que ocurran estos fenómenos fueron similares en cada caso, rondando aproximadamente en $1.0 V$ y $1.8 V$ respectivamente.

Las diferencias entre las curvas comienzan a manifestarse al final de la zona de *Generación*; no obstante, en la zona de *Saturación* la discrepancia se hace más evidente, reflejando el efecto del desgaste de los componentes (*electrodos* y *electrolito*) sobre las variables medidas. Estas variaciones son consecuencia de la operación continua del sistema.  

 Si bien la reducción de la resistencia óhmica favorece el aumento del flujo de corriente, estrechamente relacionado con la generación de gas, esto no implica que sea necesario inyectar más energía al sistema. La @fig:res_temp muestra cómo el valor de la resistencia tiende a disminuir conforme aumenta la energía suministrada, mientras que la temperatura del electrolito presenta un comportamiento exponencial, indicando que una fracción de la energía se disipa en forma de calor. Conocer los valores de la resistencia eléctrica durante la operación puede contribuir al desarrollo de un control de inyección de energía que busque la operación óptima del sistema, maximizando así su eficiencia.
 
  