diff --git a/main.md b/main.md index c4b4266..7276818 100644 --- a/main.md +++ b/main.md @@ -52,92 +52,71 @@ La producción de hidrógeno tiene la ventaja de desacoplar el proceso de genera Se espera que el hidrógeno verde desempeñe un papel crucial en la transición energética [@ref9,@ref13], ya que representa una de las pocas opciones viables para descarbonizar sectores difíciles de electrificar, como la industria metalúrgica y la química [@ref47]. Proyecciones recientes estiman que la demanda de hidrógeno verde podría alcanzar 500 millones de toneladas para el año 2050 [@ref46]. -Específicamente, la electrólisis es un proceso químico que utiliza energía eléctrica para forzar una reacción de oxidación-reducción no espontánea en una sustancia química [@ref24]. aquí Este fenómeno ocurre en una celda electroquímica, donde una corriente eléctrica externa se aplica a través de electrodos sumergidos en un electrolito, provocando la descomposición de un compuesto químico en sus componentes fundamentales [@ref36]. En la electrólisis del agua, al aplicar un voltaje y una corriente continua, se promueve la disociación de las moléculas de agua ($H_2O$) en hidrógeno ($H_2$) y oxígeno ($O$), los cuales se liberan en estado gaseoso [@ref35]. +Específicamente, la electrólisis es un proceso químico que utiliza energía eléctrica para forzar una reacción de oxidación-reducción no espontánea en una sustancia química [@ref24]. Este fenómeno ocurre en una celda electroquímica, donde se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos sumergidos en un electrolito, lo que promueve el transporte iónico y la transferencia de carga en las interfaces electrodo-electrolito, propiciando la descomposición de un compuesto en especies más simples [@ref36]. En la electrólisis del agua, al aplicar un voltaje en corriente continua, se impulsa la disociación del agua ($H_2O$) en hidrógeno ($H_2$) y oxígeno ($O_2$), los cuales se liberan en forma gaseosa [@ref35]. -La reacción básica de la electrólisis del agua se representa mediante la @eq:h2o: +La reacción global de la electrólisis del agua puede representarse como [@eq:h2o]: $$ -\mathrm{H_2O \rightarrow H_2 + O} +\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2} $$ {#eq:h2o} - +En general, el proceso se lleva a cabo mediante sistemas denominados electrolizadores. Sus componentes principales son: la fuente de alimentación, los electrodos y el electrolito [@ref38]. En particular, una de las tecnologías más utilizadas para la electrólisis del agua es la electrólisis alcalina. Esta tecnología es una de las más implementadas a escala industrial debido a su robustez, bajo costo y durabilidad, aunque presenta limitaciones en términos de densidad de corriente y de respuesta dinámica frente a cambios rápidos en la operación [@ref39]. -El proceso de electrólisis puede llevarse a cabo mediante dispositivos denominados electrolizadores. Sus componentes principales son: la fuente de alimentación, los electrodos y el electrolito [@ref38]. Una de las tecnologías más utilizadas para realizar la electrólisis del agua es la electrólisis alcalina. Esta tecnología es una de las más implementadas a escala industrial debido a su robustez, bajo costo y durabilidad, aunque presenta limitaciones en términos de densidad de corriente y capacidad de respuesta dinámica [@ref39]. +En ese sentido, investigaciones recientes se han enfocado en mejorar la eficiencia y la estabilidad de los electrolizadores mediante el desarrollo de nuevos materiales y recubrimientos que reduzcan la degradación de los electrodos y favorezcan la cinética de reacción en las interfaces electrodo-electrolito [@ref15,@ref5,@ref21,@ref25]. De forma complementaria, se han explorado ajustes en la composición y la concentración del electrolito con el objetivo de incrementar la conductividad iónica del medio y, con ello, disminuir las pérdidas óhmicas durante la operación [@ref38]. -Las investigaciones recientes [@ref15,@ref5,@ref21,@ref25] se han centrado en mejorar la eficiencia de estos sistemas mediante la implementación de nuevos materiales o recubrimientos que ayuden a disminuir la degradación de los electrodos, los cuales son los elementos encargados de inyectar la energía eléctrica al sistema. Asimismo, se han explorado mejoras en el electrolito con el objetivo de incrementar la conductividad del medio [@ref38]. +Con la intención de evaluar el comportamiento global de estos sistemas electroquímicos, se emplean comúnmente curvas de polarización. Las curvas describen la relación entre la potencia de la celda y la densidad de corriente [@ref60,@ref39]. En consecuencia, las contribuciones óhmicas (resistencia del electrolito, contactos e interconexiones) se manifiestan típicamente como un término aproximadamente lineal con la densidad de corriente, mientras que las pérdidas asociadas a la activación electroquímica se relacionan con los sobrepotenciales, cuya dependencia puede aproximarse mediante la ecuación de Tafel en ciertos rangos de operación [@ref46]. En consecuencia, el análisis de las curvas de polarización permite identificar y estimar la contribución óhmica y distinguirla de las pérdidas asociadas a sobrepotenciales y, cuando aplica, a las limitaciones de transporte de masa. -Para evaluar el comportamiento de estos sistemas electroquímicos se emplean comúnmente las curvas de polarización, las cuales permiten analizar la dependencia del potencial de la celda con la densidad de corriente [@ref60,@ref39]. Las contribuciones óhmicas al potencial de la celda, como la resistencia del electrolito, presentan una dependencia lineal con la densidad de corriente, mientras que los sobrepotenciales presentan una dependencia logarítmica descrita por la ecuación de Tafel [@ref46]. A partir del análisis de las curvas de polarización es posible separar las pérdidas óhmicas de aquellas asociadas a los sobrepotenciales. -La reducción de la resistencia óhmica resulta fundamental para alcanzar mayores densidades de corriente [@ref59,@ref60]. Diversos estudios han reportado que esta resistencia puede incrementarse debido a múltiples factores, tales como la formación de nanoburbujas en la interfaz membrana-electrodo, el uso de distintos materiales en los electrodos que afectan la resistencia de contacto [@ref12,@ref58,@ref57], así como variaciones en los niveles de compresión del sistema, las cuales influyen directamente en la resistencia interfacial. +La reducción de la resistencia óhmica es fundamental para operar a mayores densidades de corriente y mejorar el desempeño global del electrolizador [@ref59, @ref60]. Diversos estudios han reportado que esta resistencia puede incrementarse por múltiples factores, entre ellos la formación de nanoburbujas en las interfaces electrodo–electrolito, el uso de distintos materiales y acabados superficiales que modifican la resistencia de contacto, así como variaciones en el nivel de compresión del ensamble, que afectan directamente la resistencia interfacial [@ref12,@ref58,@ref57]. -La mayoría de los trabajos reportados en la literatura emplean técnicas como la *Espectroscopia de Impedancia Eléctrica (EIS)* para evaluar el estado interno de los sistemas electroquímicos [@ref31,@ref33,@ref32,@ref34]. No obstante, este tipo de análisis suele realizarse bajo condiciones controladas y fuera del régimen operativo real, lo que limita su aplicabilidad durante la operación continua del sistema. Aunque la *EIS* permite descomponer con precisión las variables internas del sistema, su implementación en tiempo real continúa siendo compleja y poco práctica en numerosos entornos. +La mayoría de los trabajos reportados en la literatura emplean técnicas como la *Espectroscopia de Impedancia Eléctrica (EIS)* para evaluar el estado interno de sistemas electroquímicos [@ref31,@ref33,@ref32,@ref34]. No obstante, este tipo de análisis suele realizarse en condiciones cuidadosamente controladas y, con frecuencia, fuera del régimen operativo típico, lo que limita su uso para el monitoreo en línea durante la operación continua. Si bien la EIS permite descomponer con alta resolución la contribución de diferentes procesos (resistencia óhmica, transferencia de carga y fenómenos difusivos), su instrumentación, los requerimientos de excitación y el procesamiento hacen que su implementación en tiempo real siga siendo compleja y poco práctica en numerosos entornos industriales o de laboratorio aplicados. -En este contexto, el presente trabajo propone un enfoque más directo y funcional, basado en el monitoreo eléctrico continuo de las variables fundamentales del sistema, específicamente **voltaje** y **corriente**, durante su operación activa. Este monitoreo se realiza mediante instrumentos de alta resolución, lo que permite capturar de manera confiable el comportamiento dinámico del sistema frente a distintas pruebas de esfuerzo. +En este contexto, el presente trabajo propone un enfoque más directo y operativamente viable, basado en el monitoreo eléctrico continuo de variables fundamentales del sistema, específicamente **voltaje** y **corriente**, durante su operación activa. En esta etapa preliminar, las mediciones se realizan con instrumentación de alta resolución, lo que permite registrar con confiabilidad la respuesta del electrolizador ante diferentes condiciones de excitación y evaluar su comportamiento en el dominio del tiempo, sin requerir procedimientos de caracterización especializados como los asociados a la EIS. -A diferencia de enfoques que fragmentan el análisis separando cada componente o variable, en este estudio se propone una visión integrada del sistema, unificando el monitoreo eléctrico para obtener una representación más orgánica y representativa del comportamiento global del electrolizador. Esta aproximación busca no solo facilitar el diagnóstico del sistema, sino también sentar las bases para el desarrollo de futuras estrategias de control adaptativo y optimización energética. +A diferencia de enfoques que analizan de manera aislada variables o subcomponentes, en este estudio se plantea una perspectiva integrada del sistema basada en un esquema de monitoreo eléctrico unificado, con el fin de obtener una descripción consistente del comportamiento global del electrolizador durante la operación. Esta aproximación busca no solo facilitar el diagnóstico del sistema, sino también sentar las bases para el desarrollo de futuras estrategias de control adaptativo y de optimización energética. - # 2. Material y Métodos -Para obtener las curvas de polarización, se construyó un electrolizador alcalino básico con electrodos de acero inoxidable y una solución de hidróxido de sodio ($NaOH$) como electrolito. El sistema fue instrumentado con una fuente de corriente directa programable y equipos de medición de alta resolución, los cuales fueron controlados mediante el protocolo *VISA*. Con el objetivo de garantizar la reproducibilidad de los experimentos, se desarrolló una interfaz gráfica en Python para la adquisición automática de las variables eléctricas y la obtención de las curvas de polarización tensión–corriente del sistema. +Para obtener las curvas de polarización, se construyó un electrolizador alcalino de laboratorio con electrodos de acero inoxidable (AISI 304) y electrolito acuoso de hidróxido de sodio ($NaOH$, 1 M). La celda fue instrumentada con una fuente DC programable y equipos de medición de alta resolución para el registro simultáneo de la tensión y la corriente. La comunicación y el control de los instrumentos se realizaron mediante el protocolo VISA (comandos SCPI), con el fin de automatizar la secuencia experimental y reducir la variabilidad asociada a la operación manual. + +Con el objetivo de garantizar la reproducibilidad, se desarrolló una interfaz gráfica en Python para: (i) configurar los puntos de prueba del barrido, (ii) adquirir y almacenar las variables eléctricas de manera automática y sistemática, y (iii) generar las curvas de tensión–corriente del sistema. Adicionalmente, se incorporó un sensor PT1000 para medir la temperatura del electrolito en su conjunto durante las caracterizaciones. + +El diseño experimental consistió en dos pruebas independientes; en cada una se realizaron cuatro rondas consecutivas de caracterización, manteniendo el mismo par de electrodos y el mismo electrolito para evaluar los cambios derivados del uso. A partir de los datos adquiridos, se calcularon parámetros eléctricos de interés asociados a la curva de polarización, incluida la resistencia instantánea en cada punto, a partir de las mediciones de tensión y corriente. + -La @fig:Met_gral muestra el diagrama general de la metodología implementada en el presente trabajo. + +La @fig:Met_gral muestra el diagrama general de la metodología empleada en el presente trabajo. ![Diagrama general de la metodología para la caracterización del sistema.](figures/Metod_V01.png){#fig:Met_gral width=90%} - -## 2.1 Electrolizador -Desde la perspectiva de la identificación de sistemas, el electrolizador empleado se considera una planta experimental compuesta por tres elementos fundamentales: electrodos, electrolito y carcasa. Los electrodos son los encargados de inyectar la corriente al electrolito para producir la electrólisis y, debido a su exposición directa a la reacción química, requieren materiales con alta resistencia a la corrosión. +## 2.1 Electrolizador -En este trabajo se utilizan electrodos de *Acero Inoxidable 304* de calibre 22, con un espesor aproximado de $0.740 mm$. Cada electrodo presenta un área expuesta de $90 mm^2$ y dimensiones totales de $20 × 93 mm$, las cuales están definidas por el diseño de la carcasa del sistema. +Desde la perspectiva de la identificación de sistemas, el electrolizador empleado se modela como una planta experimental integrada por tres elementos principales: electrodos, electrolito y carcasa. Los electrodos constituyen la interfaz electroquímica responsable de inyectar corriente al electrolito para inducir la electrólisis; debido a su exposición directa al medio alcalino y a las reacciones en la interfaz, es indispensable emplear materiales con alta resistencia a la corrosión para preservar condiciones de operación estables. -El electrolito consiste en una solución 1 M de *hidróxido de sodio* ($NaOH$) disuelta en agua destilada. Finalmente, la carcasa del sistema está conformada por un recipiente de vidrio con una tapa impresa en 3D, fabricada en *polipropileno* (PPP), con el objetivo de garantizar resistencia química y evitar daños por corrosión, asegurando así una operación adecuada del electrolizador. +En este trabajo se utilizan electrodos de acero inoxidable 304, calibre 22, con un espesor aproximado de $0.740 mm$. Cada electrodo presenta un área expuesta de $90 mm^2$ y dimensiones totales de $20 × 93 mm$, definidas por el diseño de la carcasa del sistema. -La @fig:planta_exp muestra la planta experimental utilizada para la realización de las pruebas. +El electrolito empleado es una solución acuosa 1 M de hidróxido de sodio ($NaOH$) preparada con agua destilada, seleccionada para proporcionar una conductividad iónica suficiente y condiciones alcalinas estables durante las caracterizaciones. -![Planta experimental del electrolizador alcalino.](figures/Planta_Experimental.jpg){#fig:planta_exp width=35%} +Por su parte, la carcasa del sistema está integrada por un recipiente de vidrio y una tapa impresa en 3D fabricada en polipropileno (PP), con el propósito de asegurar compatibilidad química con el medio alcalino y minimizar procesos de corrosión o degradación de materiales estructurales. Esta configuración contribuye a mantener una operación segura y reproducible del electrolizador, evitando contaminaciones y cambios no deseados en el entorno electroquímico durante los ensayos. - ## 2.2 Instrumentos de Medición -El sistema fue alimentado mediante una fuente programable de corriente directa (*CD*) *Agilent N5770A*, con una capacidad máxima de suministro de potencia de $1500 W$. El voltaje entre el ánodo y el cátodo se midió utilizando un multímetro de alta precisión *Picotest M3500A*, el cual cuenta con una resolución de $10 µV$ ($10 \times 10^{−5}$). Mientras que la corriente que circula se mide con un multímetro *Tektronix DMM4040*, con resolución de $100 pA$ ($1\times 10^{−10}$). +El sistema fue alimentado mediante una fuente programable de corriente directa (*CD*) *Agilent N5770A*, con una capacidad máxima de suministro de potencia de $1500 W$. El voltaje entre el ánodo y el cátodo se midió con un multímetro de alta precisión *Picotest M3500A*, que cuenta con una resolución de $10 µV$ ($10 \times 10^{−5}$). Mientras que la corriente que circula se mide con un multímetro *Tektronix DMM4040*, con una resolución de $100 pA$ ($1\times 10^{−10}$). Ambos dispositivos presentan una resolución global de pantalla de 6½ dígitos. La @fig:conex_inst muestra el diagrama de conexión de los instrumentos empleados en el sistema de medición. ![Diagrama de conexión de los instrumentos de medición.](figures/conexion_instrumentos.jpg){#fig:conex_inst width=35%} - ## 2.3 Adquisición de Datos -Los instrumentos de medición empleados utilizan el protocolo *VISA* (*Virtual Instrument Software Architecture*), el cual es una *API* (*Interfaz de Programación de Aplicaciones*) estandarizada para la comunicación con equipos de prueba mediante interfaces *USB* y *RS-232*. Para la gestión de esta comunicación se empleó *NI-VISA*, mientras que la librería *PyVISA* permitió el control de los instrumentos mediante el lenguaje de programación *Python*, utilizando comandos *SCPI* (*Standard Commands for Programmable Instruments*). +Los instrumentos de medición empleados utilizan el protocolo *VISA* (*Virtual Instrument Software Architecture*), una *API* (*Interfaz de Programación de Aplicaciones*) estandarizada para la comunicación con equipos de prueba mediante interfaces *USB* y *RS-232*. Para la gestión de esta comunicación se empleó *NI-VISA*, mientras que la librería *PyVISA* permitió el control de los instrumentos mediante el lenguaje de programación *Python* mediante comandos *SCPI* (*Standard Commands for Programmable Instruments*). + +Sobre esta base, se desarrolló una interfaz gráfica que permite visualizar en tiempo real las variables medidas y calcular parámetros derivados, los cuales se registran automáticamente en una tabla para su posterior análisis. -Sobre esta base se desarrolló una interfaz gráfica que permite visualizar en tiempo real las variables medidas y calcular parámetros derivados, los cuales son registrados automáticamente en una tabla para su posterior análisis. Dicha tabla incluye los siguientes campos: +Dicha tabla incluye los siguientes campos: - Número de muestra - Voltaje inyectado @@ -148,17 +127,12 @@ Sobre esta base se desarrolló una interfaz gráfica que permite visualizar en t - Temperatura - Observaciones - ## 2.4 Flujo de Experimentación -Para la caracterización del sistema se plantea un flujo de trabajo dividido en dos experimentos, los cuales se llevan a cabo de la misma forma con el objetivo de igualar las condiciones iniciales y de operación. Existen variables externas, como la temperatura ambiente, que no pueden ser controladas, por lo que cada experimento puede presentar valores de temperatura ligeramente distintos. +Para la caracterización del sistema se definió un flujo de trabajo dividido en dos experimentos independientes, ejecutados bajo el mismo procedimiento con el propósito de aproximar condiciones iniciales y de operación equivalentes. No obstante, existen variables externas —principalmente la temperatura ambiente— que no pueden controlarse por completo, por lo que entre experimentos pueden presentarse variaciones térmicas ligeras. -Cada experimento consta de cuatro rondas consecutivas. Además de los valores obtenidos mediante el sistema de adquisición de datos, se realiza un registro manual en una bitácora de operación, la cual permite documentar observaciones relevantes antes y después de cada ronda. La bitácora incluye los siguientes campos: +Cada experimento consta de cuatro rondas consecutivas de caracterización. Además de los datos registrados por el sistema de adquisición, se realiza un registro manual en una bitácora de operación para documentar observaciones relevantes antes y después de cada ronda —cambios visibles en el burbujeo, el estado superficial, la coloración del electrolito o incidencias del montaje—. Esta bitácora permite contextualizar los resultados y facilitar la trazabilidad experimental. En particular, la bitácora incluye los siguientes campos: 1. **Mediciones:** especifica la forma en la que se inyecta el voltaje en la celda y cómo se realizan las mediciones de voltaje y corriente. 2. **Solución (Electrolito):** incluye la fecha de preparación de la solución, el pH inicial y final, así como la cantidad de electrolito empleada. @@ -167,17 +141,12 @@ Cada experimento consta de cuatro rondas consecutivas. Además de los valores ob En cada experimento se utiliza el mismo par de electrodos y el mismo electrolito, con el objetivo de observar si el desgaste de estos componentes influye en el comportamiento de las variables eléctricas. Cada ronda sigue el siguiente procedimiento: -1. Se aplican incrementos de $0.1 V$ en la inyección de voltaje hacia la planta experimental, avanzando de manera progresiva hasta alcanzar el límite de corriente que puede suministrar la fuente de alimentación, el cual es de $10.5 A$. +1. Se aplican incrementos de $0.1 V$ en la inyección de voltaje a la planta experimental, avanzando de manera progresiva hasta alcanzar el límite de corriente que puede suministrar la fuente de alimentación, que es de $10.5 A$. 2. Se establece un tiempo de espera aproximado de 1 minuto entre cada incremento para permitir la estabilización de las mediciones. -3. Para cada punto se obtiene un promedio de cinco muestras por parámetro medido. +3. Para cada punto se obtiene un promedio de cinco muestras por parámetro medido y se registra en la tabla. Una vez concluida cada ronda, se obtiene una tabla de resultados como la mostrada en la @tbl:ejemp_tbl. - : Ejemplo de tabla al finalizar una ronda. {#tbl:ejemp_tbl} @@ -188,12 +157,7 @@ LIMITACIÓN MARKDOWN: | 3 | 3.5 V | 3.2 V | 0.25 A | 0.28 A | 15 Ω | 30 °C | | … | … | … | … | … | … | … | - -# 3. Resultados y Discusión +# 3. Resultados y Discusión *aquí* La @tbl:ejem_ronda muestra algunos de los datos obtenidos durante la Ronda A correspondiente al *Experimento 1*. Por motivos de claridad, no se incluyen todos los valores registrados durante la prueba.