Grandes logros de proyectos - La carrera hacia una pila de combustible más barata
Reducir los costes es fundamental. Científicos y economistas están convencidos de que, a largo plazo, las pilas de combustible de hidrógeno son uno de los candidatos mejor situados para sustituir a los combustibles fósiles en los automóviles. Aunque es poco probable que esto ocurra si la tecnología sigue siendo cara. Actualmente, la tecnología dominante es la «pila de combustible con membrana de intercambio iónico» (PEMFC). Es una de las tecnologías menos costosas, aunque sigue siendo demasiado cara para la producción en serie pese a que los costes se han reducido enormemente desde que las pilas de combustible se utilizaran por primera vez de manera destacable en el programa Gemini de la NASA durante los años sesenta. La membrana de intercambio iónico (PEM) es un elemento fundamental de estas pilas de combustible. Es posible usar otros combustibles como el diésel, pero el hidrógeno es el más común. A continuación se explica cómo funciona. El hidrógeno es el elemento más abundante del universo. Sus átomos (H) están formados por un electrón, un protón y ningún neutrón. La molécula de hidrógeno (H2) entra en la pila de combustible y se encuentra con el ánodo, que separa los protones del hidrógeno (2H+) de sus electrones (2e-). La membrana conduce los iones cargados positivamente, o protones (H+), pero no los electrones. De esta forma, los protones atraviesan la membrana hasta el cátodo, pero los electrones se ven obligados a seguir un circuito externo alrededor de la membrana para alcanzar el cátodo. Durante su desplazamiento por este circuito los electrones generan una corriente. Una vez que los protones y electrones alcanzan el cátodo, reaccionan con el oxígeno produciendo agua. El proyecto «Pilas de combustible basadas en fluoropolímeros funcionales» (Flupol), financiado con fondos comunitarios, pretende crear membranas más baratas utilizando fluoropolímeros, es decir, polímeros basados en fluorocarbonos con varios enlaces fuertes carbono-flúor. Esta tarea supone un gran reto debido a que las PEM deben ajustarse a una serie de propiedades. El diseño de un material nuevo para este propósito es algo complejo, según explica Justyna Walkowiak, investigadora jefe del proyecto Flupol, debido a que no es posible concentrarse en una única propiedad. «Deben tener una elevada conductividad de protones, carecer de conductividad electrónica, tener una baja permeabilidad frente al combustible y el oxidante, presentar un transporte reducido de agua por difusión y electroósmosis, contar con estabilidad oxidativa y electrolítica, presentar buenas propiedades mecánicas, ser de bajo coste y permitir su fabricación en dispositivos de electrodos con membrana», explica. El material más avanzado actualmente es el Nafion, la marca comercial de una membrana de DuPont. Es un producto a la venta que se emplea en coches y en diversa maquinaria portátil y otros equipos. Existen otras marcas con un diseño similar y todas las membranas son de polímeros. Los polímeros son una serie de monómeros enlazados, y los monómeros son átomos o moléculas pequeñas que pueden formar enlaces químicos en cadenas largas con otros monómeros. El monómero natural más frecuente es la glucosa, que puede enlazarse con otros monómeros para formar polímeros como la celulosa y el almidón. Existen millones de polímeros, tanto naturales como sintéticos. Todas las membranas disponibles actualmente se basan en dos o tres polímeros emparentados, todos ellos basados en polímeros de fluorocarbonos de un tipo u otro. La estrategia de Flupol ha sido estudiar los polímeros aromáticos fluorados. En química orgánica, los compuestos aromáticos incluyen anillos aromáticos en sus estructuras químicas. Estos anillos se crean por la forma en que los átomos se enlazan entre sí. No es barato «Lo que pensamos es que los compuestos aromáticos serían adecuados para su procesamiento después de la polimerización, y esto quiere decir que sería posible cambiar las propiedades del polímero después de la síntesis», revela Walkowiak. «Pensamos que sería más barato cambiar las propiedades después de la polimerización. Ahora mismo no es tan barato, pero creemos que hay posibilidades de reducir estos costes en el futuro.» Walkowiak cree que los dos años asignados al proyecto Flupol son muy poco tiempo para trabajar en un tema tan importante, pero también cree que se han conseguido algunos resultados firmes que abren algunos caminos claros por donde continuar. En primer lugar, Walkowiak desarrolló un nuevo método de preparación más barato para una importante clase de monómeros denominados monómeros estirénicos. Esto constituyó un excelente resultado en un campo complicado. En la ciencia de los polímeros, los químicos habitualmente comprueban en primer lugar si es posible que un compuesto se polimerice consigo mismo. Esto se denomina homopolimerización. «Si esto no funciona, intentamos usar dos polímeros para inducir la copolimerización», explica Walkowiak. Y si esto tampoco funciona, es posible intentar una «copolimerización inducida por termonómeros» (terpolimerización) empleando tres monómeros. Uno de estos monómeros actúa como enlace activo para los otros dos. Se polimeriza la unión activa con el primer monómero y después se incorpora el tercero para conseguir las cualidades deseadas del material final. La innovación de Walkowiak consiste en haber hallado un método de terpolimerización para preparar monómeros estirénicos monofluorados. En segundo lugar, el proyecto encontró una forma de minimizar un problema común entre determinados monómeros y el estireno, un compuesto muy importante en la ciencia de los polímeros. Dos monómeros, FMST y TFMST, pueden unirse al estireno, pero el FMST frena la reacción, la velocidad a la que los materiales se unen. Esto tiene dos consecuencias negativas. Primero: aumenta la duración. Segundo: la menor velocidad hace que los enlaces de cadena, las uniones entre cada uno de los monómeros, sean más cortos. En consecuencia, se obtiene menos material final debido a estos enlaces más cortos. Más tiempo y menos material significa que es probable que en algunos de estos materiales los costes sean muy elevados. Walkowiak encontró una forma de anular el efecto de frenado del FMST combinándolo con TFMST. «El FMST sigue frenando la reacción, pero no tanto», explica Walkowiak. Finalmente, la investigadora desarrolló una nueva metodología de polimerización controlada para materiales poliméricos. «Las reacciones convencionales de polimerización con radicales libres, como la producción de poliestireno, tienden a no ser controlables. Un efecto de esta falta de control es la alta cantidad de ramificaciones. Además, es imposible controlar la longitud de las cadenas individuales, debido a que el proceso finaliza aleatoriamente cuando dos cadenas colisionan», explica Walkowiak. «Sin embargo, empleando agentes de transferencia de cadenas, o CTA, es posible cierto control.» «Lo importante es utilizar los CTA adecuados. Con mi trabajo se ha encontrado el CTA específico necesario para producir copolímeros que contengan estireno fluorado y estireno. Estos copolímeros en particular nunca se habían sintetizado anteriormente. Es algo nuevo.» Estos copolímeros tienen unas propiedades realmente interesantes, que el investigador no puede divulgar actualmente con libertad. «Las investigaciones para el desarrollo de estos materiales continúan y los resultados son prometedores. Podrían tener propiedades realmente muy interesantes en cuando a la estabilidad del material», asegura. Pero Walkowiak desvela que el paso fundamental ha sido la introducción de elementos fluorados en los copolímeros. En resumen, se trata de un conjunto impresionante de resultados que contribuyen significativamente a la comprensión de los polímeros aromáticos fluorados y su aplicación potencial a la tecnología de las pilas de combustible. Además, puede haber otros beneficios inesperados, como a menudo ocurre en este campo de la ciencia. El proyecto Flupol recibió fondos del programa «Marie Curie» del Séptimo Programa Marco de investigación comunitario.