Loading...
Experimental Modeling of a Transparent Fuel Cell with Aid of Deep Neural Network to Measure Water Coverage Ratio and Fuzzy Control
Mehnatkesh Ghadikolaei, Hossein | 2020
500
Viewed
- Type of Document: M.Sc. Thesis
- Language: Farsi
- Document No: 53570 (08)
- University: Sharif University of Technology
- Department: Mechanical Engineering
- Advisor(s): Alasty, Aria; Kermani, Mohammad Jafar; Boroushaki, Mehrdad
- Abstract:
- Polymer membrane fuel cell is a rich source of renewable energy. Two problems of short life and low reliability in fuel cells are the main problems of this system. The difference in partial pressure of hydrogen and oxygen causes serious damage to the fuel cell and inefficiency of the electricity production capacity. On the other hand, the life and optimal performance of the fuel cell depends on the moisture content of the membrane because the membrane needs sufficient moisture to pass ions. Transparent fuel cells can be used to study the water in the fuel cell. With direct imaging of this type of fuel cells, the phenomenon of water creation in the fuel cell can be studied with the help of image processing, but this method has a high computational cost and is sensitive to the initial position of the camera and ambient light. In this research, in order to reduce the difference between the partial pressure of hydrogen and oxygen, mathematical modeling of the fifth order of polymer membrane fuel cells will be performed and then we will control this mathematical model with the help of different controllers. Due to the qualitative nature of the processes in the fuel cell, a fuzzy controller has been used to control the model. Finally, we optimize the fuzzy PID controller using the particle swarm optimization method, which shows a 78.66% improvement in reducing the largest partial pressure difference compared to Ziegler-Nichols method. One of the most important parameters in the life time of the fuel cell is the presence of water in it. The water coverage ratio in the fuel cell was investigated by a deep neural network using real data from a transparent fuel cell. For the production of image labels, all data is divided into 6 classes based on the percentage of water coverage ratio, which the number of data in each class is unbalanced. To overcome this problem, random oversampling and undersampling have been used. Images and classes are considered as the input and output of the deep neural network, respectively. The deep network structure used has 4 convolution layers and 2 fully connected layers, which with the help of genetic algorithm optimization, the number of nodes has been obtained 4, 41, 64, 120, 99 and 6, respectively. After network training, the deep neural network model is able to estimate the amount of water in the fuel cell channels by receiving fuel cell images. Accuracy of 96.77% and 94.23% was obtained in training and testing data. In addition, this network is 10 times faster than the image processing method, and the area of water accumulation in the gas channel can be identified by robustness to environmental conditions
- Keywords:
- Proton Exchange Membrane (PEM)Fuel Cell ; Deep Neural Networks ; Intelligent Optimization ; Fuzzy Control ; Mathematical Modeling ; Drying ; Flooding
- محتواي کتاب
- view
- فصل 1: مقدمه
- فصل 2: مفاهیم پایه
- 2-1- مقدمه
- 2-2- پیل سوختی
- 2-3- بخشهای پیل سوختی
- شکل (2-2) بخشهای هر سلول پیل سوختی [1]
- 2-3-2- مجموعه غشا-الکترود
- شکل (2-3) نمونهای از مونتاژ غشا-الکترود. غشاء کمی بیشتر از الکترودهای متصل شده است. غشاء 10 سانتی متر مربع به طور معمول ضخامت 05/0-1/0 میلی متر، ضخامت الکترودها در حدود 03/0 میلی متر و ضخامت لایههای نفوذ گاز بین 2/0 تا 5/0 میلی متر است [1].
- شکل (2-4) واحدهای کاتد - الکترولیت – آند. ساخت این واحدها با مهر و موم لبهای باعث عدم نشت گازها به داخل یا خارج از لبههای الکترودهای متخلخل میشود [1].
- 2-3-2-2- الکترود آند
- 2-3-2-3- الکترولیت
- 2-3-2-4- الکترود کاتد
- 2-3-3- لایههای نفوذ گاز
- 2-3-4- صفحههای دو قطبی
- 2-4- معادلات پیل سوختی
- 2-5- تجهیزات پیل سوختی
- 2-6- پیل سوختی شفاف
- 2-7- یادگیری عمیق
- فصل 3: مرور ادبیات
- 3-1- مقدمه
- 3-2- عیبیابی پیل سوختی
- 3-3- دستهبندی پژوهشهای موردبررسی
- جدول (3-1) دستهبندی مقالات موردبررسی
- 3-3-2- مدل ریاضی
- 3-3-3- شبکه عصبی
- 3-3-3-2- شبکههای عصبی عمیق
- شکل (3-10) نمونهای از شبکه عصبی عمیق که در این پژوهش استفاده شده، برای تشخیص میزان آب موجود در پیل سوختی
- شکل (3-10) نمونهای از شبکه عصبی عمیق که در این پژوهش استفاده شده، برای تشخیص میزان آب موجود در پیل سوختی
- شکل (3-10) نمونهای از شبکه عصبی عمیق که در این پژوهش استفاده شده، برای تشخیص میزان آب موجود در پیل سوختی
- 3-3-4- پردازش سیگنال
- 3-3-4-1- پردازش نویز
- 3-3-4-2- پردازش تصویر
- 3-4- جمعبندی و جایگاه پژوهش
- فصل 4: مدلسازی پیل سوختی
- فصل 5: کنترل پیل سوختی
- 5-1- مقدمه
- 5-2- مسیر مطلوب
- 5-3- کنترلگر PID
- 5-4- کنترل فازی
- 5-4-1- طراحی کنترلر فازی بر اساس سعی و خطا
- شکل (5-8) سطح حاصلشده از پایگاه قوانین زیرسیستم رسته 2 (هیدروژن)
- شکل (5-9) سطح حاصلشده از پایگاه قوانین زیرسیستم رسته 3 (اکسیژن)
- شکل (5-10) نتیجه کنترلر طراحیشده برای زیرسیستم رسته 2
- شکل (5-11) نتیجه کنترلر طراحیشده برای زیرسیستم رسته 3
- شکل (5-12) ورودی کنترلی دو کنترلر فازی طراحیشده به روش سعی و خطا
- شکل (5-13) تفاوت فشار جزئی هیدروژن و اکسیژن
- 5-4-2- طراحی کنترلر PID فازی
- جدول (5-4) اطلاعات دو روش زیگلر نیکولز مورداستفاده در پژوهش [42]
- شکل (5-14) متغیرهای کلامی تعریفشده برای خطا و مشتق خطا
- شکل (5-15) متغیرهای کلامی تعریفشده برای
- شکل (5-16) سطح پایگاه قوانین برای 3 خروجی سیستم فازی
- شکل (5-17) نتیجه کنترلر طراحیشده برای زیرسیستم رسته 2
- شکل (5-18) نتیجه کنترلر طراحیشده برای زیرسیستم رسته 3
- شکل (5-19) ورودی کنترلی دو کنترلر فازی طراحیشده به روش سعی و خطا
- شکل (5-20) تفاوت فشار جزئی هیدروژن و اکسیژن
- 5-4-1- طراحی کنترلر فازی بر اساس سعی و خطا
- 5-5- بهینهسازی PID فازی به کمک ازدحام ذرات
- 5-6- نتيجهگيری و بحث
- فصل 6: مدلسازی به کمک یادگیری عمیق
- 6-1- مقدمه
- 6-1- یادگیری عمیق
- 6-2- دادههای تصویر پیل سوختی شفاف
- شکل (6-2) شماتیک نحوه تصویربرداری از پیل سوختی
- 6-2-2- محاسبه ضریب آب پوشانی در تصاویر
- 6-2-3- پردازش دادههای پیل سوختی شفاف
- 6-2-4- مشکل عدمتشخیص صحیح
- 6-2-5- مرز دستهبندی
- 6-2-6- مشکل عدم توازن
- 6-3- مدل یادگیری عمیق
- 6-4- مشکل یادگیری بیشبرازش
- 6-5- بهینهسازی مدل
- 6-6- نتیجهگیری و بحث
- فصل 7: نتیجهگیری
- مراجع