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Jun 13, 2023

Grafito

Las pilas de combustible se han convertido en una fuente de energía viable y respetuosa con el medio ambiente y se siguen realizando avances en la tecnología. Hoy en día, las pilas de combustible ya se utilizan como energía primaria y de respaldo para uso comercial,

Las pilas de combustible se han convertido en una fuente de energía viable y respetuosa con el medio ambiente y se siguen realizando avances en la tecnología. Hoy en día, las pilas de combustible ya se utilizan como energía primaria y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales. Sin embargo, las pilas de combustible también se utilizan para impulsar una variedad de vehículos, incluidos montacargas, automóviles, autobuses, barcos, motocicletas y submarinos. A medida que mejora la tecnología de las pilas de combustible, se vuelve cada vez más evidente la importancia de utilizar grafito de alta pureza en las placas bipolares, las capas de difusión de gas y los catalizadores de las pilas de combustible.

A medida que crece la industria de los vehículos eléctricos (EV), la autonomía de conducción ha demostrado ser un gran desafío. Las pilas de combustible se pueden utilizar tanto en aplicaciones estacionarias como móviles, aunque estas últimas requieren acceso a una estación de servicio. Sin embargo, los vehículos eléctricos estándar todavía están mucho más limitados por sus baterías. Esto no es muy práctico en muchas aplicaciones comerciales donde los vehículos cubren grandes distancias, o en países que están menos densamente poblados y tienen largas distancias de conducción. Las pilas de combustible pueden suministrar energía eléctrica a distancias comparables a las de los motores de gasolina o diésel. Por lo tanto, las pilas de combustible se utilizan con frecuencia en el transporte masivo/autobuses, por ejemplo en China y América del Norte, particularmente en aplicaciones de tipo flota donde los vehículos regresan a un punto central cada día. Los autobuses de pila de combustible operan en varios estados de EE. UU. y también en el Reino Unido.

Cada vez más, los fabricantes de automóviles consideran esta tecnología a mayor escala. Daimler y Honda ya están alquilando vehículos de pila de combustible y les siguen otros fabricantes de automóviles como Toyota y Hyundai.

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible en electricidad mediante una reacción electroquímica del combustible que contiene hidrógeno con el oxígeno del aire u otro agente oxidante. Las placas bipolares (BP) son un componente clave de las pilas de combustible con carácter multifuncional: conducen la corriente eléctrica de una celda a otra, eliminan el calor del área activa y evitan fugas de gases y refrigerante. Las capas de difusión de gas (GDL) son esenciales para distribuir uniformemente el gas combustible y el oxígeno del aire. Los catalizadores y los sustratos de los catalizadores son decisivos para aumentar la velocidad de las reacciones electroquímicas de las pilas de combustible.

El grafito en las pilas de combustible se utiliza como material conductor para las placas bipolares, que son un componente esencial de la estructura de la pila de combustible. Las placas bipolares de grafito súper delgadas deben ser puras y de alta calidad para mejorar la conductividad eléctrica y térmica, así como garantizar un funcionamiento prolongado.

Las placas bipolares en las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, una de las tecnologías más populares, requieren grafito de gran pureza y escamas grandes. El grafito de grano fino también se utiliza como aditivos y cargas, pero es un componente relativamente pequeño de las pilas de combustible.

El grafito también se utiliza en GDL, donde el grafito afecta la porosidad de esta capa.

Finalmente, se utiliza grafito de alta pureza como sustrato del catalizador, lo que permite que los metales preciosos del catalizador estén en estrecho contacto con los productos químicos reactivos, evitando al mismo tiempo cualquier contaminación.

Las pilas de combustible dependen de un proceso electroquímico y no de una combustión; las emisiones nocivas de las pilas de combustible son realmente inexistentes: un cambio absoluto en las reglas del juego incluso en comparación con los procesos de combustión de combustible más limpios. El agua y el calor son los únicos subproductos de las pilas de combustible. Las pilas de combustible también son mucho más eficientes que los motores de combustión a la hora de convertir combustible en energía. Como no tienen piezas móviles, las pilas de combustible son silenciosas, duraderas, fiables y duraderas con poco mantenimiento.

La UE busca activamente la cooperación internacional en investigación e innovación en hidrógeno renovable a través de Mission Innovation, una iniciativa global para acelerar los esfuerzos en innovación en energías renovables. El objetivo de la Misión Hidrógeno Limpio es reducir los costos del hidrógeno limpio para el usuario final a $2/kg para 2030, y desarrollar al menos 100 valles de hidrógeno en todo el mundo para 2030. La Agencia Internacional de Energía ha registrado las políticas nacionales vigentes. (AIE) informe sobre el hidrógeno.1

Como parte de su estrategia RePowerEuropePlan2, en 2020 la Unión Europea adoptó una Estrategia integral del Hidrógeno3 que consta de una serie de acciones: un acelerador de hidrógeno, una Red de Energía del Hidrógeno, una Alianza Europea para el Hidrógeno Limpio y una variedad de iniciativas de investigación. El 8 de julio de este año, la Comisión Europea adoptó la Estrategia de la UE para la integración de los sistemas energéticos y el hidrógeno.4 La primera aborda la infraestructura y las redes de carga, mientras que la Estrategia del Hidrógeno se centra en los vehículos pesados ​​y de larga distancia y la infraestructura del hidrógeno.

En el caso de la infraestructura de hidrógeno para vehículos de transporte, existen problemas diferentes en torno a la infraestructura de repostaje que los de los vehículos privados. Para las flotas de transporte, la Comisión Europea cree que las estaciones de servicio de hidrógeno pueden “ser abastecidas fácilmente por electrolizadores regionales o locales, pero su implementación deberá basarse en un análisis claro de la demanda de la flota y los diferentes requisitos para los vehículos ligeros y pesados”. Por lo tanto, debería fomentarse aún más el uso de pilas de combustible de hidrógeno en vehículos de carretera pesados, autocares, vehículos especiales y transporte de mercancías por carretera de larga distancia.

La Comisión Europea también señaló que alrededor del 46% de la red principal europea todavía cuenta con tecnología diésel y, por lo tanto, se podrían desarrollar trenes con pilas de combustible de hidrógeno para otras rutas comerciales viables que de otro modo serían difíciles o no rentables de electrificar.

Paralelamente, la Alianza Europea por un Hidrógeno Limpio5 está celebrando mesas redondas centradas en camiones/autobuses, vehículos ligeros, trenes, barcos, pilas de combustible, trenes motrices, tanques y estaciones de repostaje de hidrógeno (HRS). Las políticas de hidrógeno ahora también están repartidas en muchos países europeos, pero con grandes diferencias. En 2021, 19 de los 34 Estados miembros tenían una estrategia nacional sobre el hidrógeno y los cambios geopolíticos han acelerado los debates y las actividades.

Tras el informe del Centro Común de Investigación (JRC) de la Comisión Europea sobre el despliegue global de pilas de combustible estacionarias de gran capacidad (200 kW o más) que identifica los factores que impulsan y las barreras para construir una presencia europea más fuerte, el Observatorio de Pilas de Combustible e Hidrógeno (FCHO)6 publicó sus informes en junio de 2022 sobre tecnologías, oferta y demanda, políticas y estándares.7

La Alianza Europea por un Hidrógeno Limpio8 identificó una cartera de más de 750 proyectos de inversión que sus miembros indicaron emprender de aquí a 2030. Los proyectos están ubicados en casi todos los Estados miembros de la UE e incluyen la producción de hidrógeno (proyectos para la instalación de más de 50 GW de electrolizadores), el transporte y su uso en la industria, aplicaciones de movilidad, sistemas energéticos y edificios.

La Asociación para un Hidrógeno Limpio9 en el marco de Horizonte Europa está elevando el nivel de investigación con un apoyo de la UE de 1.000 millones de euros para el período 2021-2027, complementado con al menos una cantidad equivalente de inversión privada (de los miembros privados de la asociación), con lo que el presupuesto total por encima de los 2.000 millones de euros.

En su informe sobre el hidrógeno, la Agencia Internacional de la Energía ilustró que, con el desarrollo de solicitudes de patentes para pilas de combustible 2010-201910, Europa ocupa el segundo lugar después de Japón.

La UE tiene un sistema de identificación de Proyectos Importantes de Interés Común Europeo (IPCEI). El primer IPCEI en esta área se denomina 'IPCEI Hy2Tech', que incluye 41 proyectos y fue aprobado en julio de 2022. Su objetivo es desarrollar tecnologías innovadoras para la cadena de valor del hidrógeno para descarbonizar los procesos industriales y el sector de la movilidad con foco en los usuarios finales.

En septiembre de 2022, la Comisión aprobó 'IPCEI Hy2Use', un segundo proyecto que complementa IPCEI Hy2Tech y que apoyará la construcción de infraestructuras relacionadas con el hidrógeno y el desarrollo de tecnologías innovadoras y más sostenibles para la integración del hidrógeno en los sectores industriales. En este proyecto participan 29 empresas y 35 proyectos de 13 Estados miembros. Los Estados miembros aportarán hasta 5.200 millones de euros en financiación pública, lo que se espera que desbloquee 7.000 millones de euros adicionales en inversiones privadas.

En un proyecto de investigación conjunto denominado "miniBIP II",11 el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas IWS Dresden, el grupo automovilístico alemán Daimler y la empresa siderúrgica finlandesa Outokumpu Nirosta han desarrollado una alternativa económica para una solución más rápida, menos compleja y menos costosa. una producción en masa costosa y más sostenible desde el punto de vista ambiental. En lugar de utilizar oro en la producción continua de placas bipolares, recubren las placas con una capa muy fina de carbono. Mediante la deposición física de vapor, un automóvil eléctrico en una cámara de vacío vaporiza primero el carbono, que luego se deposita sobre el acero inoxidable en una capa muy pura, uniforme y muy fina.

Otro proyecto de Horizon Europe es PEMTASTIC, que reúne a Imerys, el Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, productores de pilas de combustible y académicos, y tiene como objetivo afrontar los desafíos técnicos clave para aumentar la durabilidad de los conjuntos de electrodos de membrana (MEA) para aplicaciones HD. Estos desafíos se abordan con una combinación de diseño basado en modelos y el desarrollo de un CCM duradero utilizando materiales innovadores diseñados para operaciones de servicio pesado a altas temperaturas (105 °C). Los objetivos cuantitativos corresponden a una durabilidad de 20.000 horas, manteniendo una densidad de potencia de última generación de 1,2 W/cm2@0,65 V con una carga de Pt de 0,30 g/kW.

Según Materias primas críticas para tecnologías y sectores estratégicos en la UE del JRC. Un estudio de prospectiva12: “El cambio a la movilidad eléctrica requerirá baterías, pilas de combustible y motores de tracción ligeros no sólo para los automóviles sino también para las bicicletas eléctricas, los scooters y el transporte pesado. La defensa y el sector aeroespacial siempre han sido estratégicamente importantes y permanecen a la vanguardia de los desarrollos tecnológicos; implementan casi todas las tecnologías”.

A lo largo de su informe, el CCI identifica la necesidad de abordar los cuellos de botella en el suministro de materias primas, incluido el grafito, para estas aplicaciones.

En Estados Unidos, se ha estimado que hay más grafito en un vehículo de pila de combustible que en un vehículo eléctrico. El Servicio Geológico de los Estados Unidos afirmó que: “Las pilas de combustible tienen el potencial de consumir tanto grafito como todos los demás usos combinados”. El mercado mundial de pilas de combustible está experimentando un rápido crecimiento y se espera que continúe creciendo a una tasa compuesta anual del 20,9% hasta 2025.

Es probable que continúe la inversión en proyectos de investigación y se esperan nuevos desarrollos en materiales para pilas de combustible en los próximos años. El próximo Foro Europeo de Pilas de Combustible13 se celebrará del 4 al 7 de julio de 2023 en Lucerna, Suiza.

Dra. Corina Hebestreitsecretario generalAsociación Europea de Carbono y Grafitohttp://www.ecga.net/https://www.linkedin.com/company/ecga-carbon-graphite/?originalSubdomain=behttps://twitter.com/Ecga_C

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la duodécima edición de nuestropublicación trimestral.

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