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Accurate long-term prognostics of proton exchange membrane fuel cells using recurrent and convolutional neural networks

均方误差 估计员 卷积神经网络 计算机科学 循环神经网络 平均绝对百分比误差 堆栈(抽象数据类型) 超参数 人工智能 统计 算法 模式识别(心理学) 人工神经网络 数学 程序设计语言
作者
Kartik Sahajpal,K.P.S. Rana,Vineet Kumar
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:48 (78): 30532-30555 被引量:34
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.04.143
摘要

Estimating the remaining useful life (RUL) of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is key to predicting and increasing their durability. This paper investigates six deep learning techniques – long short-term memory (LSTM) networks, gated recurrent units (GRU), 1-D convolutional neural network (CNN)-LSTMs, 1D–CNN–GRUs, 1D–CNN–Bidirectional-LSTMs, and 1D–CNN–Bidirectional-GRUs – for RUL and long-term degradation trend prediction for a five-cell PEMFC stack operated with and without current ripples. The hyperparameters of all models are optimized for minimum root-mean-square error (RMSE) of the stack voltage using tree-structured Parzen estimators (TPE) with hyperband pruning. The obtained prediction results are benchmarked using the coefficient of determination (R2), RMSE, and mean absolute percentage error (MAPE) in stack voltage predictions and relative error (RE) in RUL estimates. The comparative analysis for models trained on 50% datasets reveals that the best R2, RMSE, MAPE, and RE of 98.87E-2, 1.258E-3, 0.285E-1, and 0.0425E-1 are offered by the LSTM model for the stack without current ripples. Further, for the stack with current ripples, the best R2, RMSE, MAPE, and RE of 99.482E-2, 1.77E-3, 0.444E-1, and 0.089E-1 are exhibited by the 1D–CNN–Bidirectional-GRU model. The LSTM model also reveals excellent transfer learning performance on the stack with current ripples with the best R2, RMSE, MAPE, and RE of 98.91E-2, 2.455E-3, 0.362E-1, and 0.044E-1, respectively.
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