A PARAMETER IDENTIFICATION APPROACH OF A PEM FUEL CELL STACK USING PARTICLE SWARM OPTIMIZATION

ABSTRACT The fear of fossil fuels depletion as well as the constantly increasing pollution rates motivated most of today's engineers and researchers towards focusing on renewable energies and their applications. Fuel Cells are one of the green technologies that are being explored extensively around the world. The work of this paper was done on the 3kW ElectraGen TM fuel cell system under study for domestic use in the United Arab Emirates (UAE). Several experiments were conducted at different operating points and relatively high ambient temperatures. The experimental I/V characteristics of the system are matched by identifying 13 different modeling parameters using basic fitting. The obtained model is then further optimized using Particle Swarm Optimization (PSO). The resulting model is validated experimentally and was found to highly resemble the system's I/V characteristics yielding less than 1.5 V H ∞ norm of the error

Long-Term Deformations and Mechanical Properties of Fine Recycled Aggregate Earth Concrete

Earth-based materials are currently receiving high attention, as they are considered as sustainable. In addition, the reuse of waste materials and more particularly recycled aggregates can boost circular economy while reducing landfilling and mineral resource depletion. Incorporating recycled aggregates in earth concrete can be an innovative way to valorize them. However, investigations are required concerning their long-term behavior. Such an aspect is more important when fine recycled aggregates are considered. In this paper, the vulnerability to long term deformations of natural sand (NS) and recycled sand (RS) earth concrete mixtures is examined under real exposure conditions. Autogenous shrinkage, drying shrinkage, basic creep and drying creep of the different mixtures were monitored for a period of two months. Specimens were then subjected to compressive tests in order to evaluate their residual strength. Furthermore, the destructive tests were monitored in parallel with the acoustic emission (AE) technique. The results show an increase in the rate of drying creep and shrinkage for RS earth concrete mixtures. In addition, NS and RS earth concrete mixtures subjected to drying, with and without loading, reported a strength development in comparison to the reference mixtures. However, the Young’s modulus reported its lowest value for drying shrinkage of both mixtures. Regarding the AE technique, the distribution of its activity reflected the higher rate of damage of dried specimens in the pre-peak region

Comportement mécanique et durabilité des bétons de terre : étude expérimentale et numérique

Ces dernières années, de nombreux efforts ont été réalisés dans le domaine de la construction pour remplacer le béton traditionnel par des matériaux alternatifs tels que le béton contenant une forte proportion de divers composants écologiques appelés « verts » tout en maintenant des propriétés mécaniques acceptables pour l'application souhaitée. Par exemple, les constructions réalisées à partir de la terre crue sont intéressantes considérant leurs meilleures propriétés thermiques et acoustiques par rapport à un béton ordinaire. L'objectif de la production de ce béton est de réduire la consommation de ciment et donc la production de CO2, de fournir des solutions pour éviter l'épuisement des ressources naturelles comme les granulats et de réduire la consommation d'énergie dans le processus de production. Ces dernières années, plusieurs études ont été réalisées afin de développer des méthodes communes et faciles à appliquer dans le domaine de la construction avec ces nouveaux matériaux, ce qui a conduit à la sélection de béton de terre. Ce béton est constitué d'argile traitée par de faibles quantités d'un ou de plusieurs liants hydrauliques et peut être coulé comme un béton ordinaire. En plus, nous avons remplacé les agrégats naturels par des agrégats recyclés (sable recyclés) pour contribuer à éviter l'épuisement des ressources naturelles. Dans un premier temps, les effets de l’argile et du sable recyclé sur le comportement mécanique sous sollicitations monotones du béton de terre ont été étudiés. Des essais de compression ont été réalisés à différents âges et à différentes conditions de cure et suivis simultanément avec les techniques de traitement d'images et d’émission acoustique. Des essais de flexion ont été également réalisés. Les résultats ont montré la perte des propriétés mécaniques à cause du remplacement de sable naturel par le sable recyclé et de l'introduction de l’argile dans la composition du béton étudié. En plus, les résultats ont montré l’effet de l'argile sur la baisse des propriétés mécaniques au long terme lors du séchage. Pour mieux comprendre ce comportement, le retrait de dessiccation a été mesuré en parallèle avec la perte de masse. Des mesures de pression capillaire ont été réalisées. Dans un second temps, le comportement mécanique sous sollicitations cycliques du béton de terre a été étudié et suivi simultanément avec les techniques de traitement d'images et d’émission acoustique. Une assez bonne corrélation concernant l'évolution de l’endommagement a été révélée entre les deux techniques. Finalement, des essais de fluage ont été réalisés. Dans la partie numérique, des simulations par éléments-finis ont été réalisées en utilisant le modèle d'endommagement isotrope de Fichant afin de reproduire le comportement à la rupture de ces matériaux et d'en déterminer les propriétés mécaniques. En plus, des simulations du comportement différé du béton de terre en étudiant les déformations de retrait et la perte de masse ont été ainsi réalisées.In recent years, many efforts have been made in the field of construction to replace traditional concrete with alternative materials such as the concrete containing a high proportion of various ecological components called 'green' in acceptable properties for the desired application. For example, constructions made from the raw earth are interesting considering their better thermal and acoustic properties compared to ordinary concrete. The objective of the production of this concrete is to reduce the consumption of cement and therefore the production of CO2, to provide solutions to avoid the depletion of natural resources such as aggregates and reduce energy consumption in the production process. On the other side, efforts have been made to replace natural sand by recycled sand to avoid resource depletion as well. In the following study, first, the effect of clay and recycled sand on the mechanical behavior of earth concrete was studied. Compressive tests were carried out at different ages and at different curing conditions and monitored in parallel with acoustic emission (AE) and digital image correlation (DIC) techniques. Flexion tests were performed as well. The results revealed degradation in the mechanical properties as recycled sand replaces natural sand and with clay content. In addition, the results showed the contribution of clay to strength development after short period of drying and to strength loss after long period of drying. Such loss was more significant in the recycled sand-clay mixtures. To better understand this behavior, the shrinkage was measured in parallel with mass loss. In addition, capillary rise test was conducted. Second, earth concrete mixtures were subjected to cyclic loadings and monitored as well by AE and DIC. An AE damage assessment was carried out. A good correlation between both investigations was revealed. Finally with experimental part, creep tests were performed. Regarding numerical modelling, as a first step, numerical simulations with finite elements were performed using Fichant's isotropic damage model to reproduce the breaking behavior of these materials and to determine the mechanical properties. In addition, simulations were carried out for the mass loss and shrinkage

Mechanical behavior and durability of earth concrete : an experimental and numerical study

Ces dernières années, de nombreux efforts ont été réalisés dans le domaine de la construction pour remplacer le béton traditionnel par des matériaux alternatifs tels que le béton contenant une forte proportion de divers composants écologiques appelés « verts » tout en maintenant des propriétés mécaniques acceptables pour l'application souhaitée. Par exemple, les constructions réalisées à partir de la terre crue sont intéressantes considérant leurs meilleures propriétés thermiques et acoustiques par rapport à un béton ordinaire. L'objectif de la production de ce béton est de réduire la consommation de ciment et donc la production de CO2, de fournir des solutions pour éviter l'épuisement des ressources naturelles comme les granulats et de réduire la consommation d'énergie dans le processus de production. Ces dernières années, plusieurs études ont été réalisées afin de développer des méthodes communes et faciles à appliquer dans le domaine de la construction avec ces nouveaux matériaux, ce qui a conduit à la sélection de béton de terre. Ce béton est constitué d'argile traitée par de faibles quantités d'un ou de plusieurs liants hydrauliques et peut être coulé comme un béton ordinaire. En plus, nous avons remplacé les agrégats naturels par des agrégats recyclés (sable recyclés) pour contribuer à éviter l'épuisement des ressources naturelles. Dans un premier temps, les effets de l’argile et du sable recyclé sur le comportement mécanique sous sollicitations monotones du béton de terre ont été étudiés. Des essais de compression ont été réalisés à différents âges et à différentes conditions de cure et suivis simultanément avec les techniques de traitement d'images et d’émission acoustique. Des essais de flexion ont été également réalisés. Les résultats ont montré la perte des propriétés mécaniques à cause du remplacement de sable naturel par le sable recyclé et de l'introduction de l’argile dans la composition du béton étudié. En plus, les résultats ont montré l’effet de l'argile sur la baisse des propriétés mécaniques au long terme lors du séchage. Pour mieux comprendre ce comportement, le retrait de dessiccation a été mesuré en parallèle avec la perte de masse. Des mesures de pression capillaire ont été réalisées. Dans un second temps, le comportement mécanique sous sollicitations cycliques du béton de terre a été étudié et suivi simultanément avec les techniques de traitement d'images et d’émission acoustique. Une assez bonne corrélation concernant l'évolution de l’endommagement a été révélée entre les deux techniques. Finalement, des essais de fluage ont été réalisés. Dans la partie numérique, des simulations par éléments-finis ont été réalisées en utilisant le modèle d'endommagement isotrope de Fichant afin de reproduire le comportement à la rupture de ces matériaux et d'en déterminer les propriétés mécaniques. En plus, des simulations du comportement différé du béton de terre en étudiant les déformations de retrait et la perte de masse ont été ainsi réalisées.In recent years, many efforts have been made in the field of construction to replace traditional concrete with alternative materials such as the concrete containing a high proportion of various ecological components called 'green' in acceptable properties for the desired application. For example, constructions made from the raw earth are interesting considering their better thermal and acoustic properties compared to ordinary concrete. The objective of the production of this concrete is to reduce the consumption of cement and therefore the production of CO2, to provide solutions to avoid the depletion of natural resources such as aggregates and reduce energy consumption in the production process. On the other side, efforts have been made to replace natural sand by recycled sand to avoid resource depletion as well. In the following study, first, the effect of clay and recycled sand on the mechanical behavior of earth concrete was studied. Compressive tests were carried out at different ages and at different curing conditions and monitored in parallel with acoustic emission (AE) and digital image correlation (DIC) techniques. Flexion tests were performed as well. The results revealed degradation in the mechanical properties as recycled sand replaces natural sand and with clay content. In addition, the results showed the contribution of clay to strength development after short period of drying and to strength loss after long period of drying. Such loss was more significant in the recycled sand-clay mixtures. To better understand this behavior, the shrinkage was measured in parallel with mass loss. In addition, capillary rise test was conducted. Second, earth concrete mixtures were subjected to cyclic loadings and monitored as well by AE and DIC. An AE damage assessment was carried out. A good correlation between both investigations was revealed. Finally with experimental part, creep tests were performed. Regarding numerical modelling, as a first step, numerical simulations with finite elements were performed using Fichant's isotropic damage model to reproduce the breaking behavior of these materials and to determine the mechanical properties. In addition, simulations were carried out for the mass loss and shrinkage

Evolution of acoustic emission activity throughout fine recycled aggregate earth concrete under compressive tests

Pourable earth concrete is a new form of earth construction that may be, for different applications, an alternative to cement concrete. The ecological benefits of such mixture will be more important if it was formed with fine recycled aggregate. However, earth construction materials are of low strength and thus the assessment of their mechanical properties is of high importance. In this paper, the mechanical behavior of natural sand (NS) and recycled sand (RS) earth concrete mixtures of different clay amounts has been assessed. Uniaxial compressive tests were carried out at different curing ages and were monitored in parallel with acoustic emission (AE) and digital image correlation (DIC) techniques. Different mechanical properties have been examined at the age of 14, 28 and 90 days. The results revealed a decrease in the mechanical properties and fracture energy from one side and increase in the fracture toughness from other side when RS replaces NS and with clay content. Furthermore, according to the AE activity evolution throughout the compressive tests, different phases during the fracture process of earth concrete were distinguished: compaction phase, linear phase, stable crack growth phase, unstable crack growth phase and softening phase. AE reflected differently each phase and by means of AE activity and energy, it has been alleged that RS mixtures are of lower ITZ properties

The Use of LMS AMESim in the Fault Diagnosis of a Commercial PEM Fuel Cell System

The world’s pollution rates have been increasing exponentially due to the many reckless lifestyle practices of human beings as well as their choices of contaminating power sources. Eventually, this lead to a worldwide awareness on the risks of those power sources, and in turn, a movement towards the exploration and deployment of several green technologies emerged. Proton Exchange Membrane Fuel cells (PEMFCs) are one of those green technologies. However, in order to be able to successfully and efficiently deploy PEMFC systems, a solid fault diagnosis scheme is needed. The development of accurate model based fault diagnosis schemes has been imposing a lot of challenge and difficulty on researchers due to the high complexity of the PEMFC system. Furthermore, confidentiality issues with the manufacturer can also impose further constraints on the model development of a commercial PEMFC system. In this work, an approach to develop an accurate PEMFC system model despite the lack of crucial system information is presented through the use of Siemens LMS AMESim software. The developed model is then used to develop a fault diagnosis scheme that is able to detect and isolate five system faults

Utilization of Date-pits in Transformer Oil Chemical Regeneration

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The parameter identification of the Nexa 1.2 kW PEMFC's model using particle swarm optimization

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