OpenFCST: Um Software de Modelagem Matemática de Código Aberto para Células a Combustível de Eletrolito Polimérico

OpenFCST (ferramenta de simulação de células a combustível de código aberto) é um software de modelagem matemática multi-dimensional baseado no método dos elementos finitos, voltado para células a combustível de eletrolito polimérico. O objetivo do software é desenvolver uma plataforma para o desenvolvimento colaborativo de modelos matemáticos de células a combustível. A filosofia, estrutura e principais componentes do openFCST são apresentados. O OpenFCST atualmente inclui modelos físicos para transporte de gás, elétrons, íons, água ligada ao ionômero e calor. Ele também contém relações de meios de transporte eficazes para estimar propriedades de transporte para camadas de difusão de gás, camadas micro-porosas e camadas de catalisador, além de vários modelos cinéticos para as reações eletroquímicas da célula a combustível. O OpenFCST foi estruturado como uma caixa de ferramentas de modo que seja mais fácil para novos usuários integrar novos modelos físicos com a estrutura existente. O OpenFCST é utilizado para analisar o impacto de diferentes modelos cinéticos em um modelo de cátodo multidimensional e para estudar as principais diferenças entre um modelo macro-homogêneo e vários modelos aglomerados. Finalmente, o openFCST é usado para desenvolver um modelo tridimensional de uma camada de catalisador padronizada. Os resultados mostram que modelos cinéticos de múltiplos passos melhoram as previsões de desempenho da célula a combustível, modelos macro-homogêneos e aglomerados preenchidos com ionômero apresentam desempenho semelhante para aglomerados com raios de 100 nm até densidades de corrente de 2 A/cm², e modelos de aglomerados preenchidos com água requerem cargas superficiais negativas para existir nas paredes dos poros a fim de fornecer resultados alinhados com dados experimentais. Por fim, uma camada de catalisador padronizada com micro-poros demonstra melhorar o desempenho do eletrodo.