Optimisation par la modélisation de l'expérimentation vibratoire des systèmes pile à combustible pour le transport terrestre

Les recherches scientifiques sur la pile à combustible échangeuse de protons (PEMFC) ont, jusqu il y a peu, concerné presque exclusivement les aspects fondamentaux liés à l électrochimie, particulièrement la conception, le dimensionnement, les performances et le diagnostic. Récemment, les objectifs de durée de vie ont ouvert un nouvel axe de recherche sur le comportement mécanique de la PEMFC devant conduire à son optimisation statique et dynamique. Parallèlement les installations vibroclimatiques de la plateforme d essais Systèmes Pile à Combustible de Belfort ont été développées. La thèse de Vicky ROUSS soutenue en 2008 montre l intérêt et le potentiel de la modélisation type boîte noire pour simuler le comportement mécanique de la PEMFC, et de la technique des signatures mécaniques expérimentales pour mettre en évidence la présence des phénomènes physiques à l intérieur de la PEMFC. Dans ce contexte les travaux de la présente thèse ont concerné le pilotage des essais de durabilité par simulation boîte noire temps réel et l exploitation de cette dernière en vue de la découverte des phénomènes physiques à l intérieur de la PEMFC. La modélisation par réseaux de neurones des systèmes simples de type oscillateur harmonique a représenté le premier pas pour la définition d un modèle neuronal de pilotage des essais de durabilité en temps réel. Le cas du système mécanique excité par la base qui correspond à une pile à combustible fixée sur la plateforme vibratoire, a été considéré. L architecture neuronale optimale a été définie en plusieurs étapes en utilisant différents algorithmes. Elle utilise en entrée le signal de commande du système et la réponse mesurée sur la pile à combustible au moment t et en sortie on obtient la réponse prédite du comportement de la pile à combustible au moment t+1. Cette architecture a été mise au point et validée par des essais sur la plateforme. D autres essais ont permis de mettre en évidence différents comportements de la pile à combustible en fonction de l amplitude de sollicitation, de la pression et de la température de la pile à combustible. Les signatures mécaniques obtenues réalisées à partir des essais de durabilité complètent la bibliothèque de signatures déjà existante et mettent en évidence de nouveaux comportements de la pile à combustible.Scientific research on cell proton exchange fuel cells (PEMFC) have, until recently, almost exclusively concerned fundamental aspects of electrochemistry, particularly the design, sizing, the electrochemical performance and diagnostics. Recently, the objectives of life cycle have opened a new direction of research on the mechanical behavior of the PEMFC leading to its static and dynamic optimization. At the same time new environmental facilities of the test platform "Fuel Cell Systems" at Belfort are developed. Vicky ROUSS thesis sustained in 2008 shows the importance and the potential of the black box modeling to simulate the mechanical behavior of the PEMFC and experimental mechanical signatures to highlight the presence of physical phenomena inside PEMFC. In this context the work of this thesis concerned the monitoring of durability tests by simulation and real-time black-box operation to explore the physical phenomena inside the PEMFC. Modeling neural networks simple systems such as harmonic oscillator represented the first step towards the definition of a neural control model of real time environmental tests. Then, it was considered the case of the harmonic oscillator excited by the base, which corresponds to the fuel cell mounted on the vibration platform. The optimal neural architecture has been defined in several stages using different algorithms. This architecture uses as input the control signal of the system and the measured signal on the fuel cell at the time t and as output the predicted response behavior of the fuel cell at time t+1. This architecture has been developed and validated by tests on the platform. Other tests have allowed demonstrating the different behavior of the fuel cell in accordance with the amplitude of solicitation, the pressure and temperature of the fuel cell. Mechanical signatures made from tests complete the existing library of signatures and demonstrate new behaviors of the fuel cell.BELFORT-UTBM-SEVENANS (900942101) / SudocSudocFranceF

Analysis of PEM fuel cell experimental data using Principal Component Analysis and Multi linear regression

International audiencePolarisation curves performed at the Fuel Cell System Laboratory (FC LAB) at Belfort on a PEM fuel cell stack using a homemade fully instrumented test bench led to more than 100 variables depending on time. Visualising and analysing all the different test variables are complex. In this work, we show how the Principal Component Analysis (PCA) method helps to explore correlations between variables and similarities between measurements at a specific sampling time (individuals). To complete this method, an empirical model of the PEM fuel cell is proposed by linking the different input parameters to the cell voltage using Multiple Linear Regressions. Proton exchange membrane (PEM) fuel cell; Principal Component Analysis (PCA); Multiple Linear Regression; statistical analysis

Optimisation multicritère appliquée aux systèmes mécaniques adaptatifs

Le travail de cette thèse consiste à étendre les méthodes d'optimisation multicritère à la conception des structures actives, et plus particulièrement à l'emplacement des capteurs et des actionneurs sur une structure mécanique. Les systèmes mécaniques adaptatifs font appel à des régulateurs LQG (Linear Quadratic Gaussien). Les principales matrices du contrôle optimal LQG, sont déterminées par minimisation d'un critère quadratique mais avec en plus des contraintes qui sont prises en compte au cours d'un processus itératif (exemple : l'utilisation des actionneurs au maximum de leurs possibilités conduit à modifier itérativement des rapports spécifiques des pondérations). Nous avons proposé une stratégie originale pour l'optimisation de la matrice de gain du régulateur, en tenant compte des contraintes sur la commande des actionneurs et sur les sorties. Puisqu'il s'agit d'un problème d'optimisation sous contrainte, nous avons choisi un algorithme de recherche de point-selles de type Uzawa. Le choix et le positionnement des actionneurs et des capteurs se fait en fonction bien sûr des objectifs à atteindre mais peut être guidé par quelques idées simples d'une base de connaissance. Nous avons développé une méthode de positionnement optimal des actionneurs basée sur l'approche logique floue. En effet, l'approche logique floue permet la prise en compte de connaissances expertes ainsi que l'introduction facile de règles expertes supplémentaires. Enfin, nous avons indiqué des pistes pour l'emplacement du premier capteur sur la structure active en se basant sur les normes énergétiques de perturbabilités et d'observabilités. Ces travaux ont été appliqués à l'étude d'un panneau en aluminium.The aim of this work is to extend multi-criterion optimisation methods to active structure design, and particularly to the placement of sensors and actuators on a mechanical structure. Adaptive mechanical systems use LQG regulators (Linear Quadratic Gaussien). The main matrices are determined by minimisation of a quadratic criterion and under consideration of some constraints that are used during the iterative process (ex: the use of actuators at the maximum of their possibilities leads to iteratively modify the specific ratio of weight factors). We propose an original strategy for the optimisation of the regulator gain matrix by considering constraints on the actuator control and outputs. Since the problem is an optimisation under constraints, UZAWA algorithm was used to the search of saddle-point. The choice and placement of actuators and sensors are of course made according to the fixed objectives, but it is also leaded by taking into account simple ideas given by an expert system knowledge. Fuzzy logic approach was used to optimise actuators placement. This approach allows the consideration of knowledge given by expert as well as the easy introduction of additional expert rules. Finally, ways to the first sensor placement on the active structure are shown using energetic standards for perturbability and observability. This work was applied to the study of an aluminium panel.BELFORT-BU L. FEBVRE (900102102) / SudocBELFORT-UTBM-SEVENANS (900942101) / SudocSudocFranceF

Un outil de simulation pour l'étude de la fiabilité d'une pile à combustible de type PEM

Cet article présente une démarche d'aide à l'évaluation de la fiabilité d'une pile à combustible de type PEM. L'objectif est de garantir un niveau de performance électrique donné dans les différentes conditions d'usage envisagées. La démarche s'appuie sur un couplage physico-fiabiliste où la complexité des phénomènes physiques présents dans la pile est prise en compte par une modélisation dynamique, symbolique, acausale et par des paramètres physiques et semi-empiriques. La modélisation retenue, monodimensionnelle, non isotherme inclut une représentation diphasique des écoulements fluidiques. Les qualités du logiciel DYMOLA sont mises à profit pour considérer un maximum de paramètres, opératoires ou liés au design de l'assemblage, et pour simuler les conséquences de différents types d'incertitudes ou de dégradations; leurs influences sur la réponse électrique de la pile peuvent être observées

A framework for the probabilistic analysis of PEMFC performance based on multi-physical modelling, stochastic method, and design of numerical experiments

In this article, a probabilistic approach is applied to evaluate the impact of the GDL porosity uncertainty on the electrical performances of a PEMFC. The study is based on the use of a dynamical, symbolic, and acausal knowledge model. Some statistical distributions are introduced on the input model parameter (porosity) and the statistical distributions induced on the output parameters (cell voltage, resistance) are analyzed. The difference observed between the shapes of the input and output distributions (respectively some Gaussian and inverse Gamma distributions with a threshold phenomenon) is the result of strong nonlinearities linked with the integration of multiphase flow phenomena in the modelling (e.g. diffusion limit of the humidified air in the GDL). The study is also conducted for different conditions of temperature and pressure through a design of numerical experiments. One of the results obtained is that the variation coefficient related to the GDL porosity has, compared to the other parameters with their intervals of variation considered, little effect on the average output distributions. However, the dispersion introduced on the porosity impacts their shapes (e.g. significant effect on the standard deviation)

A PEMFC multi-physical model to evaluate the consequences of parameter uncertainty on the fuel cell performance

In this article, a novel method is proposed to help evaluating the reliability of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) stack. The aim is to guarantee a target level of electrical performance that can be considered as sufficient to meet any application requirements. The approach is based on the close coupling between physical modeling and statistical analysis of reliability. The complexity of the physical phenomena involved in the fuel cell is taken into account through the development of a dynamical, symbolic, acausal modeling tool including physical and semi-empirical parameters as well. The proposed knowledge PEMFC model is one-dimensional, non-isothermal and it includes a two-phase fluidic flow representation (each reactant is considered as a mix of gases and liquid water). The modeling is implemented using the DYMOLA software; one of the advantages of this simulation tool is that it allows an effective connection between multi-physical modeling and statistical treatments. In this perspective, the modeling is done with the aim of having as much relevant physical parameters as possible. The different effects of these parameters on the PEMFC electrical behavior can be observed and the performance sensitivity can be determined considering statistical distributions of input parameters, which is a step towards reliability analysis

Mechanical behaviour of a fuel cell stack undr vibrating conditions linked to aircraft applications part I: experimental

International audienceThe implementation of fuel cells (FC) in transportation systems, as airplanes, requires some better understanding and mastering of their mechanical behaviours in vibrating environments. To this end, a FC stack is tested on a vibrating platform and characterised on the three geometric axes of the equipment. The impacts over the stack assembly of sine excitations with different frequencies and magnitudes are estimated using various accelerometers placed on different locations of the FC surface. Leak checks are also performed in order to verify that no malfunctions occur in the stack. In this first part, some descriptions concerning the test facilities and the experimental setup are given, as well as some information about the mechanical test procedure applied. Some frequency – acceleration diagrams resulting from the experiments are shown and analysed. Finally, some assessments concerning the stack behaviour in vibrating conditions are made

Méthodologies expérimentales pour identifier les cellules défaillantes dans les stacks PEM - Cas des fuites de réactifs

National audienc