Literatura científica selecionada sobre o tema "Système multi-piles à combustible"

A sixth season of excavation at the late Roman rural estate of Gerace (Enna province, Sicily) took place in 2019. The principal goal, of completing the investigation of the bath-house of ca. 380 (first discovered in 2016), was achieved. A second cold pool of the frigidarium was excavated, and found to be very well preserved; in a secondary period, probably during construction, it had been made smaller than originally planned. Bricks underpinning its marble floor are, at ca. 65 cm square, among the largest known, and may document continuing use of the Doric foot measure (widespread in classical and Hellenistic Sicily) into late antiquity. The marble floor had been ripped up during the stripping process in the fifth century, when a bonfire was lit inside the pool. The caldarium also saw modification during construction (it too was made smaller than planned); its mosaic floor was smashed (although its design was recoverable) and all but one of the pilae stacks supporting the floor were removed during demolition. The opus signinum floor of an adjacent hot-water pool had been similarly destroyed. Its back wall was severely fractured by the earthquake that struck Gerace in the second half of the fifth century, possibly not before ca. ad 470. Part of its praefurnium was also excavated, but total exposure was hindered by the precarious state of the masonry. The exterior of the praefurnium of tepidarium 2 was also explored. Two successive water conduits were found to the north, and the water system for supplying the baths hypothetically reconstructed. An enigmatic apse belonging to another building, possibly mid-imperial, was also discovered. Finds in the baths included a new monogrammed tile stamp reading ANTONINI or similar, a leg of a marble statuette, and five chamber pots, four of them reconstructable entire. Four appendices contain reports on other ongoing research. Work on the animal bones include for the first time isotopic analysis of a sample; the number of equid bones continues to rise to unusually high levels for a Roman archaeological site in the Mediterranean. Continuing analysis of the carbonized wood has identified that the hypocaust fuel for the baths comprised oak and olive-tree cuttings. Investigation of a deposit inside one of the chamber pots has shown the presence of eggs of intestinal whipworm (and therefore of faeces), so proving the function of such vessels for the first time. Une sixième saison de fouilles sur le site du domaine rural romain d’époque tardive de Gerace (province d’Enna, Sicile) a eu lieu en 2019. L’objectif principal, à savoir compléter l’investigation des bains datant d’env. 380 apr. J.-C. (découverts en 2016), fut atteint. Un second bassin du frigidarium fut mis au jour et se révéla très bien conservé. Il avait été aménagé dans des dimensions moindres que celles initialement prévues, ce changement ayant probablement été opéré directement au moment des travaux de construction. Les briques qui sous-tendent son plancher en marbre sont, à env. 65 cm2, parmi les plus grandes connues, et peuvent attester de l’utilisation prolongée de la mesure en pied dorique (répandue en Sicile classique et hellénistique) jusque dans l’Antiquité tardive. Le plancher de marbre avait été arraché au Ve siècle lors du processus de décapage, lorsqu’un feu avait été allumé à l’intérieur du bassin. Le caldarium fit lui aussi l’objet de modifications au moment de sa construction (il fut lui-même réduit par rapport à son plan initial); son sol en mosaïque était fracassé (bien que sa conception ait pu être récupérée) et toutes les piles de pilae qui supportaient le plancher sauf une furent retirées au moment de la démolition. Le pavement d’ opus signinum d’un bassin d’eau chaude adjacent avait été détruit de la même manière. Son mur arrière avait été sévèrement fracturé par le tremblement de terre qui frappa Gerace durant la seconde moitié du Ve siècle (peut-être pas avant env. 470 apr. J.-C.). Une partie de son praefurnium fut également fouillée, mais l’exposition entière fut entravée par l’état précaire de la maçonnerie. L’extérieur du praefurnium du tepidarium 2 fut également exploré. Deux conduites d’eau successives furent retrouvées au nord, et le système d’alimentation en eau des bains a pu être hypothétiquement reconstitué. Une abside énigmatique appartenant à un autre édifice, datant possiblement du milieu de l’empire, fut par ailleurs mise au jour. Les découvertes dans les bains comprenaient une nouvelle marque d’étampe sur une tuile d’un monogramme indiquant ANTONINI ou similaire, une jambe d’une statuette en marbre et cinq pots de chambre, dont quatre étaient entièrement reconstructibles. Quatre annexes contiennent des rapports sur d’autres recherches en cours. Les travaux sur les os d’animaux comprenaient pour la première fois l’analyse isotopique d’un échantillon. Le nombre d’ossements d’équidés continue d’augmenter à des niveaux anormalement élevés pour un site archéologique romain en Méditerranée. L’analyse continue de bois carbonisé a permis d’identifier que le combustible de l’hypocauste pour les bains comprenait de chêne et des boutures d’olivier. L’analyse d’un dépôt à l’intérieur d’un des pots de chambre a révélé la présence d’œufs de trichocéphale intestinal (et donc d’excréments), prouvant ainsi la fonction de ces vaisseaux pour la première fois.

Dans cet article, un modèle mathématique de 1.2 W PEMFC est développé. Ce modèle décrit le comportement des PEMFC dans des conditions statiques et dynamiques. La nouveauté de ce modèle est l’intégration de toutes les équations dynamiques possibles comme la dynamique des équations de charge, telle que la dynamique débit molaire de l’hydrogène et de l’oxygène, pression, température, la tension de la pile, etc. La caractéristique V-I de PEMFC est obtenue pour différentes valeurs de paramètres d’entrée. La réponse transitoire du modèle PEMFC sur de courtes périodes et de longue date est analysée. Enfin, le comportement du modèle de pile à combustible PEM sous une charge résistive est évalué. Les résultats de simulation ont été validés en comparant les résultats prédits avec les résultats expérimentaux une pile composée de 4 cellules testées au CDER d’Alger, et ont été jugés en bon accord. Le résultat obtenu serait de conduire à des améliorations dans la conception des piles à combustible et son intégration dans des systèmes électriques.

Les piles microbiennes à plante (PMP), sont des systèmes bioélectrochimiques très prometteurs pour la génération d’une énergie verte renouvelable et durable. Dans la présente étude, la possibilité de générer de la bioélectricité à partir de l’énergie solaire et de la biomasse a été démontrée, sur les principes de l’activité biologique du sol en utilisant une plante vivante Watsonia sp cueillie du jardin du CDER. Le suivi de la génération de la bioélectricité en présence de la plante nous a permis d’enregistrer un rendement de 90 % plus important par rapport à celui généré en son absence. Une production de courant atteignant 0.1 mA est obtenue dans les conditions d’ensoleillement. Des pics des valeurs les plus élevées du courant, sont enregistrés aux moments d’intensité lumineuse importante de la journée (entre 12 h -14 h), ce qui a été confirmé par la réduction de la tension de plus de 30% quand Watsonia sp était placée à l’éclairage du laboratoire. La plante Watsonia sp présente donc un excellent outil biologique pour la production de la bioélectricité. Le rendement en courant peut être augmenté en optimisant les conditions physico-chimiques (sol, pH, température, nutriments….) et électrochimiques (matériaux des électrodes) ou en adoptant une autre espèce de plante.

Ce mémoire de thèse apporte une contribution au développement des groupes électrogènes à piles à combustible (PAC). Les principaux avantages des PAC sont essentiellement le faible niveau d’émission de polluants et leur efficacité énergétique. Elles sont de ce fait perçues comme un excellent moyen de développer un convertisseur à hydrogène, qui constituerait une alternative au moteur à explosion dans le domaine des transports terrestres. Cependant, les performances en terme de rendement énergétique de ces systèmes doivent être améliorées. En effet, les circuits auxiliaires du groupe électrogène nécessaires au fonctionnement de la pile, altèrent significativement le rendement global du système. Parmi ces circuits, le circuit d’air composé d’un groupe motocompresseur est particulièrement gourmand en énergie. Trois niveaux d’actions ont été envisagés afin de diminuer la consommation énergétique du circuit d'air et d’augmenter ainsi le rendement global du générateur à PAC. La première action concerne le choix de la technologie du groupe motocompresseur envisagé pour le système à PAC. A cet effet, un compresseur à palettes non-lubrifié entraîné par un moteur ''brushless'' a été retenu pour alimenter en air une pile de type à membrane. La seconde consiste en l’élaboration d’une loi de contrôle/commande du circuit d'air permettant de réduire la consommation énergétique liée à ce dernier. Un régulateur nonlinéaire a été proposé dans ce cadrece cadre et développé grâce à la logique floue. Finalement, une dernière action a porté sur la gestion énergétique du moto-compresseur embarqué à bord d'un véhicule à PAC qui a été optimisée par la méthode d’optimisation par essaim particulaire<br>This work deals with fuel cell (FC) generator developments for transportation applications. FC main advantages are essentially their low level of pollution and their potential of higher fuel efficiency. So, FC technology is being developed as a potential alternative to the conventional internal combustion engine vehicle and proposes a real opportunity to build a clean vehicle. However, before seeing FC vehicles on the market, many technological bolts must be removed. Among them, energy optimization of the complete FC system still remains to be improved. Indeed, ancillary circuits of FC generator, necessary to its correct operation, put a great strain on overall system efficiency. Among these ancillaries, air supply circuit based on motor-compressor group is the most power-hungry. Consequently, in order to reduce motor-compressor group energy consumption and by this fact to increase the overall system efficiency, three action levels were considered on air supply circuit. The first one is the choice of compressor and driven motors technologies suitable for fuel cell transportation applications. To reach this aim, a non-lubricated rotary vane compressor and a brushless machine were chosen to supply with air a proton exchange membrane type FC. The second one is the elaboration of an air flow controller which allows supplying just the required air quantity to FC. A non-linear type regulator was therefore developed using fuzzy logic. Finally, the last action was carried on motor-compressor management and on its air flow solicitation evaluation for an embedded FC system. This energy management of the motor-compressor was optimized thanks to particle swarm optimization method

Les systèmes de piles à combustible offrent une solution durable à la production d'énergie électrique dans le secteur des transports, même s'ils rencontrent encore des problèmes de fiabilité et de durabilité. Le recours à des systèmes multi-piles à combustible (MFC) au lieu de piles à combustible uniques est une solution prometteuse pour surmonter ces limitations en répartissant de manière optimale la demande de puissance entre les différentes piles tout en tenant compte de leur état de santé, au moyen d'une stratégie de gestion de l'énergie (EMS) efficace. Dans ce travail, différentes stratégies ont été développées pour des applications automobiles, avec l'objectif d'optimiser la durée de vie du système de piles à combustible.Le premier défi est de développer un modèle reliant la détérioration de chaque pile avec la puissance délivrée, de manière à être en mesure de prédire l'effet d'une allocation de charge sur la détérioration de chaque pile, et ainsi prendre une décision post-pronostic pertinente. Plusieurs modèles stochastiques de détérioration, allant du modèle classique de processus Gamma à des modèles plus complexes avec des effets aléatoires, sont développés et adaptés aux spécificités des piles à combustible. Sur la base de ces modèles, plusieurs stratégies de décision post-pronostic pour une MFC sont proposées et, pour chacune d'entre elles, le problème d'optimisation associé est formulé.Tout d'abord, sous un profil de charge constant, en prenant en compte dans le processus de décision à la fois la consommation totale de combustible et la détérioration attendue, une stratégie de gestion de l'énergie tenant compte de la détérioration est proposée pour un système constitué de trois piles à combustible. Le problème d'optimisation multi-objectif associé à cette stratégie est résolu à l'aide d'un algorithme évolutionnaire, ce qui permet d'obtenir les allocations de charge optimisées pour chacune des piles du système. La durée de vie moyenne obtenue dans le cadre de la stratégie proposée s'avère plus longue que celle résultant de stratégies classiques (Average Load, Daisy Chain).De plus, sous un profil de charge dynamique aléatoire, et en prenant en compte les phénomènes de détérioration dus à la fois au niveau et aux variations de la charge, une stratégie de prise de décision est proposée pour un système de deux piles à combustible. La prise de décision est réalisée à chaque événement de modification de la demande, et les allocations de charge optimales sont obtenues en minimisant la fonction objectif qui est estimée sur la base de la prévision de la détérioration future du système. Une étude de l'influence des charges dynamiques aléatoires sur les performances de la stratégie proposée montre que la durée de vie moyenne obtenue dans le cas d’une durée inconnue entre deux modifications de demande est proche de celle obtenue avec une durée d'événement connue, ce qui prouve la robustesse de la stratégie proposée. De plus, il est montré que la durée de vie moyenne du système est augmentée par rapport au cas avec une stratégie de charge moyenne, sur plusieurs modèles de détérioration stochastique différents.Enfin, une étude plus exploratoire ouvre des perspectives de recherche dans le cas où le système multi-piles est composé de trois piles, dont deux seulement fonctionnent en même temps. Pour optimiser la durée de vie des piles, tout en répondant à la demande de charge, le système de gestion de l’énergie doit également optimiser le démarrage et l'arrêt des différentes piles. En fait, l'optimisation du remplacement des piles est également nécessaire pour une tâche d'exploitation à long terme. Par conséquent, cette étude ouvre la voie à des approches de maintenance pour les systèmes multi-piles<br>Fuel cell systems offer a sustainable solution to electrical power generation in the transportation sector, even if they still encounter reliability and durability issues. Resorting to Multi-stack Fuel Cells systems (MFC) instead of single fuel cells is a promising solution to overcome these limitations by optimally distributing the power demand among the different stacks while taking into account their state of health, by means of an efficient Energy Management Strategy (EMS). In this work, different strategies have been developed for vehicle applications, with the objective of optimizing the fuel cell system lifetime.The first challenge is to develop a model linking the deterioration trend of each stack with the power delivered by the stack, so as to predict the effect of a load allocation on each stack deterioration, and thus make a relevant post-prognostics decision. Several stochastic deterioration models, from the classical Gamma process model to more complex models with random effects are developed and tailored to the fuel cell specificities. Based on these models, several post-prognostics decision-making strategies for an MFC are proposed and, for each of them, the associated optimization problem is formulated.First, under a constant load profile, taking into consideration both the expected whole fuel consumption and the expected deterioration in the decision-making process, a deterioration-aware energy management strategy is proposed for a three-stack fuel cell system. The multi-objective optimization problem associated to this strategy is solved using an evolutionary algorithm, giving the optimized load allocations among stacks. The average lifetime obtained under the proposed strategy is demonstrated to be larger than those resulting from the classical Average Load and Daisy Chain strategies.Furthermore, under a random dynamic load profile, taking into consideration the deterioration phenomena due to both the load magnitude and the load variations, an event-based decision-making strategy is built for a two-stack fuel cell system. The optimal load allocations are obtained by minimizing the objective function which is estimated based on the prevision of the future system deterioration. An investigation on the influence of the random dynamic loads on the proposed strategy performance shows that the average lifetime obtained with unknown event duration is close to that with known event duration, which proves the robustness of the proposed strategy. Moreover, it is shown that the average system lifetime is increased when compared to the case with an Average Load strategy, on several different stochastic deterioration models.Lastly, a more exploratory study opening research perspectives in the case where the multi-stack system is composed of three stacks, only two of which are operating at the same time. To optimize the lifetime of the stacks, while meeting the load demand, the EMS must also optimize the start and stop of the different stacks. In fact, the optimization of stack replacement is also required for a long-term operation task. Therefore, this study opens the way to maintenance approaches to multi-stack systems

Dans un contexte de réduction d’émissions des gaz à effet de serre, l’hydrogène apparaît comme prometteur car c’est un vecteur énergétique respectueux de l’environnement. L’utilisation d’une pile à combustible alimentée en hydrogène pour les applications automobiles, portables ou stationnaires pourrait être une solution d’avenir. La production d’hydrogène in situ par reformage de bioéthanol (carburant propre du point de vue environnemental) en vue d’alimenter une pile, peut être une solution alternative au problème du stockage de l’hydrogène. Dans cette thèse, la solution alternative proposée est constituée d’un module de puissance (MdP) membranaire. Il est principalement constitué d’un vaporeformeur de bioéthanol, d’un purificateur membranaire du reformat, d’une pile à combustible de type PEM, et d’un brûleur alimenté par les gaz non perméés à travers la membrane. L’avantage de l’utilisation d’une membrane de purification est de réduire considérablement le volume du système complet par rapport à un système de purification chimique. Dans ce travail, des simulations théoriques sur la base de différentes architectures de MdP ont montré l’intérêt indéniable d’un MdP membranaire par rapport à des MdP avec purification chimique en termes de rendement énergétique global et d’encombrement. De plus, un banc d’essai expérimental de reformage / purification membranaire a été conçu et monté, et les essais menés ont en particulier permis l’élaboration d’un modèle cinétique du vaporeformage de bioéthanol et de perméation de membrane, en vue du dimensionnement de ces unités. A partir de ces modèles, deux MdP membranaires optimisés l’un pour une application automobile, l’autre pour une application stationnaire ou portable de faible puissance sont proposés sur la base du meilleur compromis performance / encombrement<br>In the reduction of greenhouse gas emissions context, the use of hydrogen is a promising solution since it is a clean source of energy. Therefore, PEM fuel cells that convert hydrogen into electricity by an electrochemical way, appear to be a future alternative for automotive, portable or stationary applications. Because the storage and distribution of hydrogen actually still show difficulties, the on-board hydrogen production from bio-ethanol reforming – an environmentally friendly fuel – is an alternative solution. Therefore, a new kind of power plant has been designed in this work. It is mainly made up of a bio-ethanol steam reforming unit, a reformate purification system based on a hydrogen permeating membrane, a PEM fuel cell and a burner fed by the non-permeated gases. The benefit of using a membrane instead of a classical chemical purification way is that it considerably reduces the volume of the system. In this work, theoretical simulations of different architectures of power plants have shown the interest of using a membrane power plant instead of a chemical purification power plant in terms of global energetic yield and dimensions. Furthermore, an experimental setup made of reforming and membrane purification units has been designed and built, and experiments have been carried out to develop a kinetic model of the bio-ethanol steam reforming and a permeance model, in order to design these units. Based on these models, two membrane power plants are proposed: the first one is optimized for automotive application; the second one is optimized for stationary or small portable power use, with the best compromise between performance and dimensions

La pile à combustible est un générateur électrique qui s'appuie sur un effet électrochimique découvert au 19èmesiècle par Christian Schönbein. Cette technologie a connu des périodes de développement et de désintéressementsuccessives jusqu'à nos jours. Suite à une flambé du prix du baril de pétrole et à la sensibilisation des populationsaux problèmes environnementaux engendrés par les rejets de gaz à effet de serre, la quantité annuelle depublications sur la pile à combustible a augmenté d'une manière continue. Son rendement, souvent supérieur àcelui des technologies de production d'énergie par combustion, et la possibilité d'utiliser des carburants non fossileset non polluants en font un candidat de substitution attractif. Cependant, son cout, sa durée de vie, sa puissancemassique et d'autres problèmes liés au stockage de son carburant ne lui permet pas de détrôner les technologiesactuelles qui sont bien rodées et qui profitent d'une économie d'échelle. Il faut donc continuer à améliorer la pile àcombustible pour qu'elle devienne un jour économiquement viable.L'une des voies pour atteindre cet objectif, est la modélisation qui permet une réflexion, une meilleurecompréhension de la pile à combustible, ainsi que la possibilité de tester des idées à moindre cout.Malheureusement, la pile à combustible est un système complexe combinant des phénomènes fluidique, thermiqueet électrochimique. Des modèles en 1 dimension et en temps réels ont déjà été développés. Mais pour étudiercorrectement ce qui se passe à l'intérieur, il faut au moins disposer d'un modèle en 2 dimensions. Cependant lesmodèles en 2 dimensions demandent des méthodes de calcul par éléments finis qui nécessitent des ressources decalcul importantes, ainsi, jusqu'ici, ils ne permettaient pas de réaliser des calculs en temps réel. C'est pourtant ledéfi relevé par cette thèse : développer un modèle en deux dimensions ou plus et être capable de le faire tourner entemps réel sur un ordinateur comme sur un processeur embarqué.Pour arriver à cette performance, les concepts physiques, mathématiques et informatiques ont été combinés etintégrés grâce à des astuces organisationnelles en un programme en langage C, peu gourmand en mémoire et enpuissance de calculs. Toutes les hypothèses simplificatrices et les méthodes mathématiques modifiées etimplantées selon des schémas informatiques peu communément utilisés dans ce domaine ont fait apparaitre denouveaux problèmes. Des nouvelles méthodes de calculs ont dû alors être développées pour gérer ces nouveauxproblèmes.Finalement, un modèle de pile à combustible multidimensionnel et temps réel a été conçu et ses paramètresphysiques ont été ajustés par un programme pour faire correspondre les résultats à ceux d'une pile à combustibleréelle sur laquelle des essais ont été réalisés. Les résultats obtenus ont été analysés à l'aide d'un procédéd'observation structuré. Le résultat de ces observations a permis d'arriver à des conclusions dans le domaine de lamodélisation multidimensionnelle et multiphysique de la pile à combustible pour des applications en temps réel<br>The fuel cell is an electric generator which uses an electrochemical effect discovered in 18 century by ChristianSchönbein. This technology has gotten successively periods of development and periods of void in the pastdecades. After the petrol barrel price rising and the people¿s awareness of environmental problem such asgreenhouse effect, the research in fuel cell field has been increasing constantly. Its higher efficiency compared tothermal technology to produce electricity, the possibility to use no fossil fuel and no pollution final products make thefuel cell an attractive substitution candidate for energy production. However, its cost, life time, power density andother problems related to the fuel storage do not allow it to replace immediately the actual technology which is elderand benefit about scale economy effect. Thus, the fuel cell technology must be improved to become economicallyviable.One of the ways to do it, is to model the fuel cell in order to reflect, analyze and better understand its behavior with aminimal cost. Unfortunately, the fuel cell is a complex system which combines fluidic, thermic and electrochemicaleffects. In literature, many one dimensional real time models have been developed. But to analyze and predict localphenomena, a 2 dimensional model is needed. However, the general two dimensional models use finite elementcalculation methods that cannot be done in real time due to their complex mathematical calculation. In spirit toovercome this calculation complexity problem, the challenge of this thesis is defined: develop a 2 dimensional modelwho are able to be executed in real time on an ordinary computer or an embedded system.In order to achieve the desired real time performance, the physical, mathematical and computer concepts of realtime 2D fuel cell model are developed, combined and integrated with specific organization methods in a C languageprogram which does not requires an important calculation power or memory to run. All the modeling assumptionsand the modified mathematic methods are implanted following an innovative modeling approach.Finally, a 2D, multiphysique, multidimensional real time fuel cell model is developed and its parameters are adjustedwith a real fuel cell stack from different experiments. The results are then analyzed with a structured observationmethod with conclusions given at last

Les travaux de cette thèse visent à apporter des éléments de solutions au problème de la durée de vie des systèmes pile à combustible (FCS – Fuel Cell System) de type à « membrane échangeuse de protons » (PEM – Proton Exchange Membrane) et se décline sur deux champs disciplinaires complémentaires :Une première approche vise à augmenter la durée de vie de celle-ci par la conception et la mise en œuvre d'une architecture de pronostic et de gestion de l'état de santé (PHM – Prognostics &amp; Health Management). Les PEM-FCS, de par leur technologie, sont par essence des systèmes multi-physiques (électriques, fluidiques, électrochimiques, thermiques, mécaniques, etc.) et multi-échelles (de temps et d'espace) dont les comportements sont difficilement appréhendables. La nature non linéaire des phénomènes, le caractère réversible ou non des dégradations, et les interactions entre composants rendent effectivement difficile une étape de modélisation des défaillances. De plus, le manque d'homogénéité (actuel) dans le processus de fabrication rend difficile la caractérisation statistique de leur comportement. Le déploiement d'une solution PHM permettrait en effet d'anticiper et d'éviter les défaillances, d'évaluer l'état de santé, d'estimer le temps de vie résiduel du système, et finalement, d'envisager des actions de maîtrise (contrôle et/ou maintenance) pour assurer la continuité de fonctionnement. Une deuxième approche propose d'avoir recours à une hybridation passive de la PEMFC avec des super-condensateurs (UC – Ultra Capacitor) de façon à faire fonctionner la pile au plus proche de ses conditions opératoires optimales et ainsi, à minimiser l'impact du vieillissement. Les UCs apparaissent comme une source complémentaire à la PEMFC en raison de leur forte densité de puissance, de leur capacité de charge/décharge rapide, de leur réversibilité et de leur grande durée de vie. Si l'on prend l'exemple des véhicules à pile à combustible, l'association entre une PEMFC et des UCs peut être réalisée en utilisant un système hybride de type actif ou passif. Le comportement global du système dépend à la fois du choix de l'architecture et du positionnement de ces éléments en lien avec la charge électrique. Aujourd'hui, les recherches dans ce domaine se focalisent essentiellement sur la gestion d'énergie entre les sources et stockeurs embarqués ; et sur la définition et l'optimisation d'une interface électronique de puissance destinée à conditionner le flux d'énergie entre eux. Cependant, la présence de convertisseurs statiques augmente les sources de défaillances et pannes (défaillance des interrupteurs du convertisseur statique lui-même, impact des oscillations de courant haute fréquence sur le vieillissement de la pile), et augmente également les pertes énergétiques du système complet (même si le rendement du convertisseur statique est élevé, il dégrade néanmoins le bilan global)<br>This thesis work aims to provide solutions for the limited lifetime of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Systems (PEM-FCS) based on two complementary disciplines:A first approach consists in increasing the lifetime of the PEM-FCS by designing and implementing a Prognostics &amp; Health Management (PHM) architecture. The PEM-FCS are essentially multi-physical systems (electrical, fluid, electrochemical, thermal, mechanical, etc.) and multi-scale (time and space), thus its behaviors are hardly understandable. The nonlinear nature of phenomena, the reversibility or not of degradations and the interactions between components makes it quite difficult to have a failure modeling stage. Moreover, the lack of homogeneity (actual) in the manufacturing process makes it difficult for statistical characterization of their behavior. The deployment of a PHM solution would indeed anticipate and avoid failures, assess the state of health, estimate the Remaining Useful Lifetime (RUL) of the system and finally consider control actions (control and/or maintenance) to ensure operation continuity.A second approach proposes to use a passive hybridization of the PEMFC with Ultra Capacitors (UC) to operate the fuel cell closer to its optimum operating conditions and thereby minimize the impact of aging. The UC appear as an additional source to the PEMFC due to their high power density, their capacity to charge/discharge rapidly, their reversibility and their long life. If we take the example of fuel cell hybrid electrical vehicles, the association between a PEMFC and UC can be performed using a hybrid of active or passive type system. The overall behavior of the system depends on both, the choice of the architecture and the positioning of these elements in connection with the electric charge. Today, research in this area focuses mainly on energy management between the sources and embedded storage and the definition and optimization of a power electronic interface designated to adjust the flow of energy between them. However, the presence of power converters increases the source of faults and failures (failure of the switches of the power converter and the impact of high frequency current oscillations on the aging of the PEMFC), and also increases the energy losses of the entire system (even if the performance of the power converter is high, it nevertheless degrades the overall system)

Le travail de thèse porte sur les systèmes d’alimentation en air des piles à combustible type PEM (Proton Exchange Membrane). Une première étape du travail a porté sur la modélisation, et consistait à réduire le modèle dynamique d’ordre 4 à un modèle plus simple d’ordre 3. Ce dernier a été validé expérimentalement avec une erreur relative moins de 5%. Le modèle réduit a été décomposé en l’interconnection de 3 sous-systèmes dont l’un est strictement passif en sortie ; et une structure de commande en cascade a été conçue. Une étude de stabilité basée sur la passivité a permis d’établir une méthodologie générale pour le réglage de tout type de contrôleur tout en garantissant la stabilité du système bouclé. De plus, une autre étude basée sur les caractéristiques de monotonicité du système a montré que le système est localement asymptotiquement stabilisable autour de tout point d’équilibre, par un simple contrôleur proportionnel (p) ou proportionnel-intégral (pi), si la variable de retour est bien choisie. Plusieurs lois de commande ont été étudiées pour le réglage du débit d’air du compresseur, et la stoechiométrie de la pile, comme le mode glissant, le rst, l’ip, le backstepping, et l’ors (output regulation subspaces). Des validations expérimentales ont mis en évidence les performances de la commande par mode glissant du second ordre, algorithme du super-twisting, avec gains variables<br>This thesis deals with the air supply system of PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cells. The first part treats modelling, and consist on the reduction of the 4th order dynamical model into a simpler 3rd order one. The latter has been validated experimentally with a relative error less than 5%. The reduced model has been decomposed into the interconnection of 3 subsystems, with one of them being output strictly passive; and a cascaded control structure has been designed. A passivity based stability study results in a general methodology for tuning any controller, with guaranteed stability of the closed-loop system. Moreover, another stability study, based on the monotonicity characteristics of the system, shows that the system is locally asymptotically stabilisable around any equilibrium point, with a simple proportional or proportional-integral controller, if the feedback variable is well chosen. Many control laws have been designed to regulate the compressor air flow and the oxygen stoechiometry. The used controllers are higher order sliding mode, rst, ip, backstepping, and ors (output regulation subspaces). Experimental validation proves the performance of the second order sliding mode control, precisely, the super-twisting algoritm with variable gains

Le sujet de la thèse traite de la modélisation d’un système d’énergie avec piles à combustibles (PàC) de type PEMFC destiné à être intégré dans les véhicules électriques. Le but recherché par la réalisation de cet émulateur (objet matériel qui a le même comportement qu’un système réel) est de développer des lois de commande assurant un bon fonctionnement du système PàC. Après une étude bibliographique sur les différentes modélisations de cœur de Pile à Combustible (PàC), le choix d’un convertisseur de type Buck a été retenu et mis en œuvre pour l’émulateur. L’originalité de ce travail réside dans la prise en compte de toutes les auxiliaires du système PàC. Les auxiliaires ont été introduites sous forme Hardware In the Loop (HIL). Pour cela l’environnement DSPACE a été utilisé. Plusieurs lois de commande et de contrôle ont été étudiées et mises en œuvre. L’émulateur a été conçu avec une large bande passante. Le contrôle de la tension est réalisé avec la technique « State Variable Feedback », qui est capable de fixer correctement les pôles du système à boucle-fermé afin d’assurer la bande passante souhaité et le comportement à régime permanent. Le cas particulier de la gestion de l’air a été largement développé et a permis de valider le principe d’émulation retenu. En effet, différentes stratégies de commande (static feedforward, PI) ont été étudiées et comparées en utilisant une nouvelle stratégie de commande basée sur les réseaux neuronaux. Cette dernière repose sur le principe d’inversion de la relation entre la vitesse de rotation du compresseur et le coefficient de « oxygen excess ratio », dont la régulation est d’importance capitale pour éviter l’appauvrissement en oxygène de la membrane<br>This thesis deals with modelling of a PEM-Fuel Cell System (FCS) for power generation in an electrical vehicle. The goal of the research is the construction of an emulator of the PEM Fuel Cell stack, that of a device having the same behaviour as the real system, and the development of command strategies for the FCS. After a bibliographical study of the models of Fuel Cell stack, a buck converter structure has been chosen and then implemented to build the emulator. The novelty of this thesis is that all the auxiliary components of a FCS have been considered in a Hardware In the Loop (HIL) fashion by using a DSPACE development platform. Several command strategies have been implemented and assessed by using the emulator, which has been designed with a high bandwidth. The voltage control of the emulator has been accomplished by using the “State Variable Feedback”, which is a pole-placement technique for achieving the desired bandwidth and dynamical and steady-state performance. The particular case of control of the air-management system has been considered and used to asses the emulator. Actually several control strategies (static feedforward, PI) have been studied and their results compared also by using a novel neural network based command strategy. This neural network implements the inversion of the relationship between the compressor speed and the “oxygen excess ratio”, whose regulation is a key issue for preventing the oxygen starvation of the membrane

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la contribution à l’avancée scientifique et technologique de l'utilisation des énergies renouvelables au moyen d'un système de piles à combustible PEMFC alimenté par de l'hydrogène provenant d'un réservoir à hydrure métallique. La première partie du travail a été consacrée à la caractérisation de deux réservoirs commerciaux de cette technologie en mettant l’accent sur la dégradation de leurs performances. Des méthodes stochastiques ont été utilisées pour étudier l’impact du cyclage (charge /décharge) sur la variation des paramètres intrinsèques du des réservoirs. Dans un la deuxième partie, les résultats de cette étude ont été mis en œuvre à travers un modèle énergétique du réservoir développé sous l’environnement MATLAB /Simulink. Ce dernier modèle a fait l’objet d’une validation expérimentale grâce à un banc de test spécialement réalisé à cet effet. Le phénomène de vieillissement a été mis en évidence, apportant ainsi une avancée significative notamment en vue de l'industrialisation de ce type de solution. Finalement, le couplage thermo-fluidique entre la pile à combustible et le réservoir d'hydrure a été expérimenté, modélisé et simulé numériquement<br>This thesis work is part of the contribution to the scientific and technological advancement of the use of renewable energies based on a PEMFC fuel cell system powered by hydrogen from a metal hydride tank. The first part of the work was devoted to the characterisation of two commercial tanks of this technology with emphasis on their performance degradation. Stochastic methods were used to study the impact of cycling (charge/discharge) on the variation of the tanks' intrinsic parameters. In a second part, the results of this study were implemented through an energy model of the tank developed under the MATLAB /Simulink environment. The model was validated experimentally on a specially designed test bench. The ageing phenomenon was highlighted, providing a significant advance, particularly with a view to the industrialisation of this type of solution. Finally, the thermo-fluidic coupling between the fuel cell and the hydride tank was experimented, modelled and numerically simulated

Les générateurs piles à combustibles (PàC) ont des performances qui dépendent fortement des conditions de fonctionnement liées à l'environnement dans lequel ils se trouvent. De plus, le pilotage de ces systèmes demeure délicat en raison du grand nombre de paramètres physiques mis en jeu tels que le profil du courant imposé par la charge, la température du stack, les températures, les pressions, les débits, l'hydratation des gaz... La méthodologie des Plans d'Expériences (PE) permet de définir de manière rationnelle les essais visant à caractériser rapidement et efficacement une PàC. Elle permet de déterminer les paramètres les plus influents sur le comportement de la pile et de mettre en évidence les interactions éventuelles qui lient ces facteurs. D'autre part, la caractérisation du générateur PàC par des PE a pour finalité de prédire le comportement du système vis-à-vis de ses paramètres de fonctionnement et d'envisager ainsi, par la suite, des stratégies de pilotage du système visant à optimiser un critère déterminant tel que la tension, la consommation d'hydrogène, la puissance électrique maximale, voire la durée de vie du stack.<br />Le mémoire est divisé en six chapitres. Après un bref aperçu du fonctionnement d'une PàC et de ses contraintes (premier chapitre), l'auteur donne les éléments essentiels de la méthodologie des PE nécessaires à la compréhension de la suite du travail (deuxième chapitre). Un plan destiné à étudier l'influence des débits et des pressions, côté hydrogène et côté air, sur la puissance maximale de la pile a été réalisé sur une pile PEM 500W utilisée en mode régulation de pression (troisième chapitre). Le plan complet comporte seize essais. Les analyses de la variance pour le plan complet et pour le plan fractionnaire (huit expériences choisies judicieusement parmi les seize réalisées) ont conduit à des résultats sensiblement identiques, à savoir une influence majeure du facteur débit d'air sur le niveau de puissance maximal atteint par la pile étudiée. Les plans et les outils logiciels mis au point ont ensuite été développés et utilisés pour analyser des résultats expérimentaux collectés sur une pile PEM 5kW (chapitre quatre). Les analyses réalisées permettent de cerner clairement et d'exprimer quantitativement, pour différents niveaux de courant de charge, les incidences des paramètres température de stack, pressions et surstoechiométries des gaz réactifs sur les performances de la PàC. Une modélisation statistique de la tension de pile en fonction des paramètres étudiés est mise en œuvre pour optimiser les conditions de fonctionnement de la pile. Le cinquième chapitre est consacré à l'analyse par la Méthode des Surfaces de Réponse (MSR) de résultats expérimentaux issus d'un essai d'endurance d'une PàC 100W ayant fonctionné en régime stationnaire pendant 1000 heures. Cette étude a notamment permis de montrer l'intérêt d'adopter des surstoechiométries variables au cours du temps pour aboutir d'une part à des performances élevées en terme de tension de pile et d'autre part à une diminution de la variabilité des tensions de cellules. Le dernier chapitre montre comment les PE peuvent contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes physiques intervenant dans les PàC. Trois domaines sont considérés : les pertes de charge dans les plaques bipolaires distributrices des gaz réactifs, l'impact de l'humidification sur la variation de la résistance interne de la pile et le vieillissement à une température de fonctionnement supérieure à la valeur nominale.<br />L'ensemble des travaux réalisés montre comment la méthode des plans d'expériences peut être un moyen approprié pour caractériser, analyser et améliorer le système complexe que représente un générateur PàC.

L’objectif de la thèse est d’évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d’électricité couplée au traitement d’effluents de l’industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l’anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu’à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents<br>The objective of this thesis was to assess the feasibility of the microbial fuel cell technology for the production of electrical energy coupled with the treatment of pulp and paper effluents. The first part of work showed that various pulp and paper effluents are suitable to form efficient anodic biofilms. When the effluent was supplemented with acetate and the anode polarized between at -0.3 V/SCE, current densities of 12 A/m² and Coulombic efficiencies up to 90% were obtained. When effluents were provided as the sole substrate, current densities reached 6 A/m² and Coulombic efficiencies 30%, with COD removal around 50%. The optimal anodic biofilms were associated with associated with abiotic air cathodes to design complete microbial fuel cells. Power densities from 294 mW/m² to 596 mW/m² were obtained with two different effluents

While most of the severe accident related vulnerabilities arising from the inherent 40 odd year old PHWR design are common with single unit CANDU reactors and a number are also shared with LWR designs of that vintage, an evaluation of a station blackout accident at a multi-unit CANDU station reveals significant challenges to accident management options and potentially unacceptable off site radiological consequences. Opportunities for design improvements are abundant but unfortunately mostly ignored with both accident progression and consequence assessments by the utilities presented in a distorted positive light in defiance of engineered realities and public safety. Over-pressure protection systems in all relevant reactor systems (PHTS, Calandria, Shield Tank, and Containment) are inadequate for decay heat, let alone for other anticipated severe accident loads. Early passive heat removal by steam generators after a station blackout can be compromised by primary coolant removal into a large pressurizer located well below the pump bowl. There are no emergency means of high pressure water addition to the steam generators or the heat transport system which not only has an inadequate steam relief capacity for over pressure protection such that an early containment bypass by steam generator tube ruptures is a possibility, but also lacks a method of manual depressurization for early accident mitigation. In absence of a retaining LWR like pressure vessel, the reactor cores would release fission products without attenuation into the box like containments that are at 48% per day leak rate at design pressure very leaky and at less than 1 bar design pressure, structurally weakest of all operating reactor containments. The reactor buildings around each individual reactor unit are inverted cup like traps for combustible gases. A large number of safety significant components like the steam generators, pumps and the reactivity control devices are all outside the containment envelope. The production of combustible Deuterium gas from over ten km of carbon steel piping and over 50 tons of Zircaloy can be extremely high making the installed numbers and types of PARS not only inadequate but as early ignition sources also dangerous. Improvements after Fukushima are perfunctory and the analytical methods in support of severe accident management guidelines are outdated and incomplete. A lax and uninformed regulatory regime blindly supporting an intransigent industry resisting basic design enhancements has further exasperated, like it did in Japan, the severe accident related risk from continued operation of these reactors. These conclusions are based on thirty years of working on severe accident related issues at CANDU reactors, conducting extensive design reviews and developing computer codes and analytical methods for accident progression and consequence assessments. It is hoped that open discussions by professional engineers would foster change in name of public safety. It is also feared that nothing will change unless an accident occurs.

&lt;div class="section abstract"&gt;&lt;div class="htmlview paragraph"&gt;Currently, there are no safe and suitable fuel sources with comparable power density to traditional combustible fuels capable of replacing Internal Combustion Engines (ICEs). For the foreseeable future, civilian and military systems are likely to be reliant on traditional combustible fuels. Hybridization of the vehicle powertrains is the most likely avenue which can reduce emissions, minimize system inefficiencies, and build more sustainable vehicle systems that support the United States Army modernization priorities. Vehicle systems may further be improved by the creation and implementation of artificial intelligence and machine learning (AI/ML) in the form of advanced predictive capabilities and more robust control policies. AI/ML requires numerous characterized and complete datasets, given the sensitive nature of military systems, such data is unlikely to be known or accessible limiting the reach to develop and deploy AI/ML to military systems. With the absence of data, AI/ML may still be developed and deployed to military systems if supported by near-real-time or real-time computationally efficient and effective hardware and software or cloud-based computing. In this research, an OPAL real-time (OPAL-RT) simulator was used to emulate a compression ignition (CI) engine simulation architecture capable of developing and deploying advanced AI/ML predictive algorithms. The simulation architecture could be used for developing online predictive capabilities required to maximize the effectiveness or efficiency of a vehicle. The architecture includes a real-time simulator (RTS), a host PC, and a secondary PC. The RTS simulates a crank angle resolved engine model which utilized pseudo engine dynamometer data in the form of multi-dimensional matrices to emulate quasi-steady state conditions of the engine. The host PC was used to monitor and control the engine while the secondary PC was used to train the AI/ML to predict the per-cylinder generated torque from the crank shaft torque, which was then used to predict the in-cylinder temperature and pressure. The results indicate that using minimal sensor data and pretrained predictive algorithms, in-cylinder characterizations for unobserved engine variables may be achievable, providing an approximate characterization of quasi-steady state in-cylinder conditions.&lt;/div&gt;&lt;/div&gt;

With rising worldwide energy demands, there is a growing need for technologies which are able to utilize alternative forms and sources of energy as well as to reduce consumption. While energy storage technologies are rapidly advancing, they are not yet capable of matching the energy densities of combustible fuels. The internal combustion engine (ICE), coupled with a generator, is the predominant method of converting this chemical energy into electrical energy, yet the mechanical nature of this system presents performance limitations. An alternative being developed here is a combustion-powered thermoelectric generator (C-TEG) to directly convert the heat released from combustion into electricity. The solid-state nature of thermoelectric (TE) devices provides the attractive inherent benefits of reliability, fuel flexibility, controllability, and potential for power densities exceeding that of ICE/generator systems. While low material and device efficiencies have thus far limited the use of TEGs to niche applications, recently developed materials have more than doubled the TE figure of merit, a material parameter strongly influencing efficiency. The rapid rate of TE material advancements merits the parallel development of device technologies. Opportunities for a durable, multi-fuel, high power density generator make C-TEGs potential candidates for many consumer, industrial, and military power applications including automotive auxiliary power. Within the automotive field, C-TEGs may be applied in hybrid-electric vehicles to provide power during engine cycling or in conjunction with a TE waste heat recovery system to provide power on demand. With sufficient improvements in efficiency, C-TEGs may be used in plug-in hybrid-electric vehicles where the C-TEG serves as the range extender in lieu of an ICE/generator system. Another application is to provide auxiliary power in commercial vehicles. In this research, a baseline prototype was first constructed with a conventional heat exchange configuration, a commercial bismuth telluride module (maximum 225 °C), and a novel fuel atomizer. This prototype was used to develop and validate a computer simulator, identify the greatest opportunities for improvement, validate the use of the fuel atomizer with diesel fuel for TE power generation, and provide a baseline performance with which to compare system improvements. Subsequent improvements were made to increase combustion efficiency, reduce thermal losses, and characterize the heat exchangers at 500 °C for accurate simulation of the system performance with high performance lead telluride modules. In addition, multiple fuels were tested to verify multi-fuel capability and performance, and the use of a Pt/Pd combustion catalyst was tested to quantify improvements in heat exchange effectiveness.

Past work has demonstrated the feasibility of pyrolyzing biomass and condensing the resulting vapor to form a low quality combustible liquid. The product, often termed pyrolysis oil, bio-oil, or bio-crude, can be refined to a transportation grade fuel. Because the pyrolysis process is comparatively simple, we speculate that a mobile pyrolysis system might be able to process the biomass at the site of harvest, generating a dense liquid for transportation. This would be expected to result in improved transportation economics compared to transporting the raw biomass fuel. This technology is being considered for northern New Mexico forests that are presently managed by periodic thinning efforts with little utilization of the products. We have designed a bench-scale system and pyrolyzed biomass pellets, which function in these tests as surrogate material for the forest trimmings. The system features controllable furnace temperatures, augur feed, gas recirculation, and multi-stage condensation. We have analyzed gases, chars, and liquids resulting from various operating conditions and report product quantities and qualities through various standard chemical methods. Good liquid mass yields of over 50% of the original material are typically found, with varying product quality and quantity depending on the operating temperature. Our results suggest the current configuration gives better yields and functions more optimally at pyrolysis temperatures around 525°C. For a practical system, combustion of the non-condensable fuel gases may be able to replace the electrically heated furnace used in these tests.

There has been increasing focus in the area of in-situ structural health monitoring since the advent of embedded nano-composites. This experimental research investigates the structural health monitoring abilities of polymer bonded energetics embedded with a uniformly dispersed but randomly oriented carbon nanotube (CNT) sensing network within the polymer binder. A common formulation of the recent solid propellants consists of ammonium perchlorate (oxidizer) and aluminum powder (combustive fuel)-often shaped using a polymer binder, rather than the older techniques of power pressing. Since this study focuses on the structural health of the material and not its thermal properties, monoclinic sugar crystals were used as a substitute for ammonium perchlorate as it has very similar mechanical properties and is much safer in terms of material handling. Thus, a combination of sugar crystals and aluminum powder bound by a Polydimethylsiloxane (PDMS) binder is fabricated in varying concentrations to simulate actual solid rocket propellants. The main focus of this study lies in characterizing the mechanical and electrical properties of the CNT embedded energetic material through subjecting it under mechanical loads; followed by a detailed observation and study of the real time electro-mechanical response under tension and compression. The addition of carbon nanotubes to the polymer binder, thus translates to a real time sensing technique for detection of multi-scale damage in polymer bonded energetics. The results of this study aim to establish a proof of concept for CNT embedded structural health monitoring systems.

Abstract Fire suppression systems for transuranic (TRU) waste facilities are designed to minimize radioactive material release to the public and to facility employees in the event of a fire. Currently, facilities with Department of Transportation (DOT) 7A drums filled with TRU waste follow guidelines that assume a fraction of the drums experience lid ejection in case of a fire. This lid loss is assumed to result in significant TRU waste material from the drum experiencing an unconfined burn during the fire, and fire suppression systems are thus designed to respond and mitigate potential radioactive material release. However, recent preliminary tests where the standard lid filters of 7A drums were replaced with a UT-9424S filter suggest that the drums could retain their lid if equipped with this filter. The retention of the drum lid could thus result in a very different airborne release fraction (ARF) of a 7A drum’s contents when exposed to a pool fire than what is assumed in current safety basis documents. This potentially different ARF is currently unknown because, while studies have been performed in the past to quantify ARF for 7A drums in a fire, no comprehensive measurements have been performed for drums equipped with a UT-9424S filter. If the ARF is lower than what is currently assumed, it could change the way TRU waste facilities operate. Sandia National Laboratories has thus developed a set of tests and techniques to help determine an ARF value for 7A drums filled with TRU waste and equipped with a UT-9424S filter when exposed to the hypothetical accident conditions (HAC) of a 30-minute hydrocarbon pool fire. In this multi-phase test series, SNL has accomplished the following: (1) performed a thermogravimetric analysis (TGA) on various combustible materials typically found in 7A drums in order to identify a conservative load for 7A drums in a pool fire; (2) performed a 30-minute pool fire test to (a) determine if lid ejection is possible under extreme conditions despite the UT-9424S filter, and (b) to measure key parameters in order to replicate the fire environment using a radiant heat setup; and (3) designed a radiant heat setup to demonstrate capability of reproducing the fire environment with a system that would facilitate measurements of ARF. This manuscript thus discusses the techniques, approach, and unique capabilities SNL has developed to help determine an ARF value for DOT 7A drums exposed to a 30-minute fully engulfing pool fire while equipped with a UT-9424S filter on the drum lid.

Gas turbines burn a large variety of gaseous fuels under elevated pressure and temperature conditions. During transient operations like maintenance, start-ups or fuel transfers, variable gas/air mixtures flow through the gas piping system and can cause damages in case of ignition. In order to properly control this risk of explosion and ensure safe operation, it is of the essence to have a good knowledge of the flammability limits of the gas mixtures involved, and to be in position to define safe inerting conditions every time it is required. While well-established methods are available in the engineering science to calculate flammability limits of fuel/air mixtures, no systematic methodology exists — to the authors’ knowledge — for the prediction of the Lower and Upper Flammability Limits (UFL-LFL) of gaseous blends containing variable amounts of inert components and over a large temperature and pressure range. The purpose of this study was then the evaluation of the LFL and UFL of multi-component fuels in air, in function of pressure, temperature and the concentrations of the most frequently used inerting gases, namely: nitrogen, carbon dioxide and steam. Different prediction criteria proposed in the literature were tested and eventually an original methodology based on the adiabatic flame temperature (Tad) was adopted as criterion and extended to gas mixtures and to high temperatures and pressures. Flame temperatures of different blends were calculated for different initial conditions assuming the access to the chemical equilibrium. Minimum temperature criteria corresponding to the Tad values reached at the LFL and UFL equivalence ratios were deduced from experimental data for each individual combustible molecule. It has been then possible to evaluate the minimum Tad values which ensure flame propagation of fuel blends on the lean and rich sides and to deduce the flammability limits. These calculations were repeated while adding various contents of the three selected inert gases. The methodology was validated by comparison against experimental data when available. The method proves to be simple, accurate, easy to use and applicable to large ranges of pressure, temperature and fuel compositions and to various diluents. The results confirm and quantify some well-known trends of flammability limits, e.g. their widening with increasing initial temperature and pressure, with a stronger effect on UFL than on LFL. The impact of the nature of the inerting gas was also successfully simulated for variable initial conditions and fuel compositions.

ABSTRACT The goal of this paper is to provide an overview of numerical simulation results aiding the development of a novel pulsed combustion-based wellbore fracturing technology. The technology can be used as a pre-conditioning and stimulation tool for in-situ recovery and cave mining, enhanced geothermal systems, and unconventional hydrocarbon reservoirs. Numerical simulations were carried out using a finite-discrete element method (FDEM) code, capable of explicit consideration of rock fracturing processes and dynamic phenomena. A parametric study on the effect of borehole pressurization characteristics and geostatic confinement highlighted the influence of these factors on fracture complexity and radial extent. An in-depth analysis of the extent of the crushed zone and radial distributions of fracture specific surface area was carried out. Borehole pair configurations were simulated to investigate borehole spacing and loading sequence effects. The simulations provided the following key findings: (a) for a set of fracturing parameters there exists a maximum borehole spacing beyond which fracture networks no longer intersect; (b) simultaneous fracturing of borehole pairs produces a compounding effect that induces higher inter-borehole fracturing compared to sequential fracturing; (c) the incorporation of a coupled in-fracture gas pressure propagation logic has substantial positive effects on the radius of the induced fractured zone. INTRODUCTION Rock mass stimulation techniques are used in several geomechanical applications such as cave mining, in-situ recovery (ISR) or leaching (ISL) mining, enhanced geothermal systems (EGSs), and unconventional hydrocarbon recovery. Application of conventional, hydraulic-based stimulations to deep, hard rock formations is limited by surface pumping pressures, as hydraulic fracturing techniques are unable to achieve breakdown in high strength rocks subject to large geostatic confinement. In addition, they may be unable to achieve complex formation fracturing characteristics, which are required for applications such as ISR mining and EGS. To overcome the limitations of conventional surface pumping stimulations, a new technology is being developed by NaturaFrac using surface injection of reactive gasses and subsequent subsurface dynamic combustion. The proposed downhole combustion-based dynamic pressurization technology allows to generate a wide range of in-situ pressures (exceeding ∼700 MPa), allowing to create a variety of desirable fracture responses depending on pressure rise rate and peak pressurization levels. Unlike other steady combustion or propellant-based fracturing approaches, the proposed method allows to readily change peak combustion pressure, pressurization rate, pulse duration, and number of applied pulses without having to retrieve the tool to surface in between applications or to change combustion parameters. As illustrated below in Fig. 1, pulsed combustion has advantages over alternative well bore fracturing techniques. Conventional hydraulic fracturing will typically produce a simple bi-wing or planar fracture system highly sensitive to the local well bore stress state and requires surface-generated high fluid pressures to overcome the effective formation strength (break-down pressure). Propellant fracturing can produce a complex initial fracturing pattern via very high dynamic pressures which tend to ignore the local stress state conditions (Cuderman, 1981) but is essentially a single pulse technology that requires the fracturing tool to be removed, reloaded at the surface and re-inserted to apply a subsequent pulse to drive fracture extension. Furthermore, it is not easily (or at all) dynamically tunable for pressure peak or pressurization rates matched to the formation characteristics/well bore stress state. Explosives-based fracturing is related to propellant fracturing, but the pressurization rates and peak values tend to be extremely high, thus producing significant near bore formation damage with short tensile fracture extension and cannot easily provide multiple applications without removal from and re-insertion into the wellbore (Kutter and Fairhurst, 1971, Donzé et al., 1997, Cho and Kaneko, 2004). Multi-pulsed-combustion-based fracturing (i.e., the NaturaFrac technology) combines the down-hole energetics of propellant and explosives but allows for single and multi-pulse dynamic pressure generation with tunable pressurization rates and pressure peaks depending on the dynamic fracturing requirements of the local well bore state. In addition, since the combustible gases are separately supplied from the surface a tool can apply multiple, changeable pulses to the same section of the well bore for generating additional fracture complexity and/or further extend the fracture network.