Proton değişim membran yakıt hücresi gaz difüzyon tabakasının nanofiber/nanopartikül ile etkileşiminin elektriksel iletkenliği üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of an impact of nanofiber/nanoparticle interaction on the electrical conductivity of proton exchange membrane fuel cell gas diffusion layer
Yazar: GAMZE KARANFİL CELEP
Danışman: YRD. DOÇ. DR. KEVSER DİNCER
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, nanofiber/nanopartikül etkileşiminin Proton Değişim Membran Yakıt Hücresi (PEMYH)'inde kullanılan gaz difüzyon tabakaları (GDT)'nın elektriksel iletkenlik ve yakıt hücresi performansı üzerindeki etkisi deneysel olarak incelenmiş ve Taguchi metodu ile optimize edilmiştir. Performans parametresi, güç yoğunluğu (P/A)'nun-akım yoğunluğu (I/A)'na göre değişimidir. PEMYH'nin bileşenleri için tasarlanmış olan değiştirilebilir hıza sahip döner başlıklı toplayıcılı elektrospin cihazı ilk kez bu çalışmada kullanılarak, nanopartikül (titanyumdioksit (TiO2)/ Ebonex® (Ti4O7))'lü nanofiber (poliakrilonitril (PAN)/ polivinilalkol (PVA))'ler üretilmiştir. PAN ve PVA nanofiberlerinin optimum nanofiber çapları sırasıyla 163.6 nm ve 91.9 nm'dir. Nanofiber/nanopartikül etkileşiminin destek tabakaları kalınlığı üzerindeki etkisinin belirlenmesi amacıyla, iki farklı kalınlığa sahip karbon kâğıt olan Toray 30 (110 μm) ve Toray 120 (370 μm) kullanılmıştır. Nanofiber (PAN ve PVA), nanopartikül (TiO2 ve Ti4O7), karbon kağıt (Toray 30 ve Toray 120)'dan oluşan üç farklı parametrenin, iki farklı seviyesi bulunan GDT üretimi Taguchi optimizasyon metodu ile tasarlanmış ve en yüksek elektriksel iletkenliğe (31.2 S/cm) sahip kombinasyon deneysel olarak tespit edilmiştir. Bu kombinasyonda ki yakıt hücresinin optimum performansı (0.4 V ve 25 °C şartlarında); P/A= 461 mW/cm2 ve I/A= 1152 mA/cm2'dır. Deneysel değerler ve Taguchi metodu ile elde edilen sonuçlar, Taguchi metodu'nun PEMYH gaz difüzyon tabakasının nanofiber/nanopartikül ile etkileşiminin elektriksel iletkenliği üzerindeki etkisinin belirlenmesinde başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
In this study, the effect of the nanoparticle/nanoparticle interaction on the conductivity and fuel cell performance of gas diffusion layers (GDL) at the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) was experimentally investigated and optimized by the Taguchi method. The performance parameter is the change in power density (P/A) versus current density (I/A). Polyacrylonitrile (PAN) and polyvinylalcohol (PVA) nanofibers with titanium dioxide (TiO2) and Ebonex® (Ti4O7) nanoparticles were produced by using an electrospin device -with a rotatable collector with an adjustable speed- designed for components of PEMFC, which was used for the first time in the present study. The optimum nanofiber diameters of PAN and PVA nanofibers are 163.6 nm and 91.9 nm, respectively. Toray 30 (110 μm) and Toray 120 (370 μm), carbon paper with two different thicknesses, were used to determine the effect of the nanoparticle/nanoparticle interaction on the thickness of the support layers. Three different parameters consisting of nanofiber (PAN and PVA), nanoparticle (TiO2 and Ti4O7), carbon paper (Toray 30 and Toray 120) with two different levels were designed by Taguchi optimization method for GDL production and the combination of highest electrical conductivity (31.2 S/cm) was experimentally determined. The optimum performance of the fuel cell in this combination is (at the conditions of 0.4 V and 25 °C); P/A= 461 mW/cm2 and I/A= 1152 mA/cm2. Experimental values and results obtained by the Taguchi method have shown that the Taguchi method can be successfully used to determine the effect of the nanoparticle/nanoparticle interaction on the electrical conductivity of the PEMFC gas diffusion layer.