Reynolds number driven void fraction and ionic resistivity in a modular membraneless flow-by electrolyzer
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Se evaluó experimentalmente un electrolizador modular de flujo continuo sin membrana para determinar cómo el número de Reynolds (Re) rige la fracción de vacío y la resistividad iónica resultante del electrolito. El estudio abordó el desafío de las pérdidas óhmicas inducidas por burbujas, una limitación clave en los generadores de hidrógeno sin membrana. El objetivo fue cuantificar el acoplamiento entre el régimen de flujo, la retención de gas y el comportamiento resistivo bajo condiciones de operación controladas. La celda prototipo (volumen activo: X cm³, espacio entre electrodos: Y mm) se operó con KOH 1 M y se probó a caudales correspondientes a Re = A–B. La fracción de vacío se midió utilizando [método empleado, Directo → Análisis de video (Visualización óptica / PIV simplificada), Indirecto → A partir de conductividad efectiva], y la resistividad del electrolito se obtuvo a partir de datos de polarización a densidades de corriente de C–D A·cm⁻². Un aumento de Re de R₁ a R₂ redujo la fracción de vacío en un V%, y la resistividad iónica disminuyó en un W%, lo que resultó en una mejora de la eficiencia energética del E%. La tasa de generación de hidrógeno alcanzó F mmol·h⁻¹·cm⁻² con el Re más alto probado. Estas tendencias fueron consistentes con las predicciones de CFD, que mostraron un adelgazamiento de la capa límite iónica y una renovación convectiva mejorada cerca de las superficies de los electrodos. En general, los resultados demostraron que manipular el régimen de flujo es un mecanismo eficaz para mitigar la acumulación de burbujas y reducir las pérdidas óhmicas en sistemas sin membrana. Estos hallazgos respaldan el desarrollo de generadores de hidrógeno escalables y de bajo costo como alternativa a los dispositivos PEM, con pérdidas óhmicas potenciales reducidas hasta en un G% en relación con los sistemas de referencia basados en membranas.
Abstract
A modular membraneless flow-by electrolyzer was experimentally evaluated to determine how the Reynolds number (Re) governs the void fraction and the resulting ionic resistivity of the electrolyte. The study addressed the challenge of bubble-induced ohmic losses, a key limitation in membraneless hydrogen generators. The objective was to quantify the coupling between flow regime, gas holdup, and resistive behavior under controlled operating conditions. The prototype cell (active volume: X cm³, electrode gap: Y mm) was operated with KOH 1M and tested at flow rates corresponding to Re = A–B. Void fraction was measured using [método empleado, Directo Análisis de video (Visualización óptica / PIV simplificada), Indirecto A partir de conductividad efectiva], and electrolyte resistivity was obtained from polarization data at current densities of C–D A·cm⁻². An increase in Re from R₁ to R₂ reduced the void fraction by V%, and the ionic resistivity decreased by W%, leading to an improvement of energy efficiency of E%. Hydrogen generation rate reached F mmol·h⁻¹·cm⁻² at the highest Re tested. These trends were consistent with CFD predictions, which showed thinning of the ionic boundary layer and enhanced convective renewal near the electrode surfaces. Overall, the results demonstrated that manipulating the flow regime is an effective mechanism to mitigate bubble accumulation and reduce ohmic penalties in membraneless systems. These findings support the development of low-cost, scalable hydrogen generators as an alternative to PEM devices, with potential ohmic losses reduced by up to G% relative to reference membrane-based benchmarks.
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spa
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Acevedo Rivillas, E. (2026). Reynolds number driven void fraction and ionic resistivity in a modular membraneless flow-by electrolyzer. [Trabajo de Pregrado, Universidad Santo Tomás]. Repositorio Institucional.
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