La célula de combustible y la AIP

En 1839, el físico inglés William Grove demostró que la unión electroquímica del hidrógeno con el oxígeno genera electricidad. Mucho tiempo ha transcurrido para que la demostración de aquel científico se convirtiera en una ilusión para la generación limpia de energía.

La célula de combustible (FC Fuel Cell) es un dispositivo de generación de electricidad alimentado por un combustible (el hidrógeno H2) y por un oxidante (el oxígeno O2) formando agua como producto final. Ella es una de las opciones para la Propulsión Independiente del Aire (AIP) que equipará a muchos submarinos en el siglo que comienza.

Se pueden utilizar como combustible otras substancias ricas en H2 como el metanol. Las FC las están desarrollando muchas fábricas de automotores y otras empresas como generadores fijos de energía.

Conceptualmente es fácil de comprender: la célula se compone de dos electrodos (ánodo y cátodo) separados por un electrolito. Este electrolito, que solo permite el paso de protones, puede estar constituido por distintas substancias, una de las cuales es la Membrana de Intercambio Protónico (PEM Proton Membrane Exchange), que nos servirá a modo de ejemplo.

El funcionamiento

• Se hace fluir el combustible hacia el cátodo. Allí se ioniza y deja libres a sus protones (cargas positivas) en contacto con la PEM.
• Los electrones (cargas negativas) viajan por un circuito exterior produciendo corriente eléctrica.
• Los protones se movilizan a través de la PEM hacia el cátodo.
• En el cátodo, los protones y electrones se combinan con el O2 aportado para formar agua pura como producto de la reacción.
• La reacción genera una moderada cantidad de calor.

La sencillez conceptual del funcionamiento de la FC choca con la complejidad para lograr un sistema seguro en la realidad. Por ello se están invirtiendo millones de horas hombre y de dólares para alcanzar la ilusoria imagen del agua pura vertiendo por un tubo de escape.

La Célula de Combustible para la Propulsión Independiente del Aire

Sólo los submarinos nucleares disponen de la energía suficiente tanto como para impulsarse a través de la masa oceánica a grandes velocidades en forma sostenida, como para permitir el funcionamiento de todos los sistemas de la nave y asegurar una atmósfera interior segura para la tripulación, sin necesidad de alcanzar la superficie ni asomar apéndice alguno.

Por el contrario, los submarinos convencionales requieren asomar su snorkel para hacer funcionar los generadores que recargarán la batería cuando el nivel de carga se baja. Esta acción es peligrosa si se realiza en el área de patrulla, ya que el enemigo puede detectar el mástil snorkel con el radar y/o el ruido de los diesel generadores en funcionamiento a través de los sensores pasivos.

Más allá de la posibilidad de disponer de la tecnología para la construcción de submarinos nucleares, con el costo de alguno de ellos se obtienen tres convencionales. El mantenimiento es mas costoso y requieren de instalaciones especiales en su base.

Con esta premisa, varias empresas desarrollaron distintos tipos de sistemas de propulsión independientes del aire para submarinos a fin de evitar la necesidad de recargar la batería cerca de la superficie, en el área de patrulla de guerra o en zonas hostiles.

La célula de combustible de Siemens, que equipará a estos submarinos, genera electricidad a partir de una reacción electroquímica. Ello, obviamente, además de ser mucho más silencioso que el generador diesel, evita que la nave deba hacer snorkel y su energía pueda alimentar directamente al motor Permasyn de magnetismo sincrónico permanente durante la navegación en patrulla (2 a 6 nudos). El sistema le permite a la nave operar por mas de dos semanas en inmersión. En caso de requerir velocidades mayores se conecta al motor la corriente de la batería.

Cada célula (lleva nueve) entrega una potencia 35 Kw para una corriente de 650 A y tiene un rendimiento del 65%. El corazón de esta célula de combustible está constituida por una PEM de un polímero especial como electrolito, electrodos -ánodo y cátodo- con platino como catalizador y placas de carbón a ambos lados.

El combustible -H2- está alojado en contenedores cilíndricos, construidos en aleación especial de hidruros metálicos que permiten la fluidez del gas a temperaturas bajas. Por cuestiones de seguridad los contenedores se ubican fuera del casco resistente, dada la peligrosidad del hidrógeno, pero en realidad la célula en pleno funcionamiento contiene en su interior una cantidad menor del gas emanado por la batería en descarga rápida.

El oxidante -O2- se carga bajo presión en forma líquida en contenedores hechos con el mismo acero amagnético del casco resistente y se lo vaporiza para ingresar a la célula. En los submarinos de la clase 212, los contenedores se ubican a popa de la vela en la libre circulación, pero en la clase 214 se encuentran en el interior de la nave.

Dado que la célula de combustible tiene una temperatura de trabajo de alrededor de 80º, posee un sistema de refrigeración por agua, cuya circulación luego de recorrer la célula se dirige hacia los contenedores de H2 para facilitar su fluidez. Además, el agua generada como producto de la reacción, es enviada a un tanque para evitar su eliminación directa al exterior, que podría modificar la signatura térmica de la nave.

La FC como los otros sistemas AIP se diseñan con un concepto modular, de tal manera que no sólo se acomodan en submarinos nuevos sino que pueden ser instalados en submarinos en servicio, como los de las clases 209 o TR-1700, con la incorporación de un segmento de casco resistente. Con esta posibilidad, además de alargar la vida útil de la nave, ésta queda prácticamente actualizada respecto de los submarinos de última generación.