Introducing
Your new presentation assistant.
Refine, enhance, and tailor your content, source relevant images, and edit visuals quicker than ever before.
Trending searches
Proton değişim membran yakıt hücresi gaz difüzyon tabakasının nanofiber/nanopartikül ile etkileşiminin elektriksel iletkenliği üzerindeki etkisinin incelenmesi
---------------
--------
---------------
------------
---------------
---------
3. TEZ iZLEME KOMiTESi (TiK) SUNUMU
27/09/2017-KONYA
Doktora Öğrencisi: Gamze KARANFİL CELEP
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Kevser DİNCER
"Proton değişim membran yakıt hücresi gaz difüzyon tabakasının nanofiber/nanopartikül ile etkileşiminin elektriksel iletkenliği üzerindeki etkisinin incelenmesi" başlıklı doktora tezinin çalışma programı kapsamında gerçekleştirilmesi planlanan tüm deneyler ve analizler tamamlanmıştır.
Sunulacak olan 3. TİK sunumunda;
-Yürütülen doktora tez çalışmasına ait teorik bilgilere
-Tez dönemi boyunca gerçekleştirilmiş deneysel çalışmalara
-1. ve 2. TİK döneminde elde edilmiş sonuçların özetlerine
-3. TİK dönemine ait sonuçların ayrıntılı yorumlarına yer verilmiştir.
Tez kapsamında, yakıt hücresi bileşenlerinden olan gaz difüzyon tabakasının elektriksel iletkenliğinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, destek malzemesi Toray 30 ve Toray 120 üzerine bağlayıcı olarak PVA ve PAN nanofiberleri kullanılarak TiO2 ve Ti4O7 malzemeleri yüklenmiştir. PVA ve PAN nanofiberleri elektrospin yöntemi ile üretilerek, TiO2 ve Ti4O7 malzemeleri sentezlenmiş ve ticari olanlarla kıyaslama yapılmıştır. Çalışmaların her aşamasında, üretim ve deneysel parametrelerin optimizasyonu için Taguchi metodu kullanılmıştır Üretilen gaz difüzyon tabakalarının elektriksel ve ısıl iletkenlik, gözeneklilik, hidrofobiklik ve yakıt hücresi performans karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir.
Yakıt hücresi, reaksiyonun kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren, su ve ısının yan ürün olarak üretildiği bir enerji dönüşüm aygıtıdır.
Sistem üzerindeki bir varsayımı ya da gerçeği incelemek amacıyla belirli kurallara uygun olarak gerçekleştirilen işleme "deney" denir.
Deney tasarımı ise, sisteme giren değişkenler üzerinde hedeflenen değişikliklerin uygulanması, bir çıktı alarak farklılıklara ulaşılması ve bu farklılıkların yorumlanması olarak açıklanabilir.
Bir ürün veya sürecin geliştirilmesinde iki durumla karşı karşıya gelinir:
1. Ürünün veya sürecin belirlenen performans karakteristiğini en iyi değere getirecek parametrelerin saptanması,
2. Ürün veya süreç için eşdeğer performans düzeyini sağlayacak şekilde daha ucuz alternatif tasarım, teknik veya malzemenin bulunması.
Deming'in PYDK (Planla-Yap-Doğrula-Karar ver) çemberi deney tasarımı aşamalarını özetlemektedir.
Taguchi optimizasyon metodu, ürüne ve sürece ait faktörlerin iyileştirilmesi ve kalitenin sürekliliğinin sağlanabilmesi için Dr. Genichi Taguchi tarafından geliştirilmiştir.
Taguchi optimizasyon metodunun asıl amacı; hedef değer etrafındaki varyasyonun azaltılmasıdır.
Başka bir deyişle Taguchi metodu; üründe ve süreçte, değişkenliğe neden olan ve kontrol edilemeyen parametrelere karşı, kontrol edilebilen parametrelerin seviyelerinin en uygun kombinasyonunu belirleyerek, varyasyonu en aza indirmeye çalışan bir deney tasarım yöntemidir.
Doktora tez çalışması kapsamında nanofiber üretimi için PAN ve PVA polimerleri kullanılmıştır.
Nanofiber üretimini etkileyen parametreler belirlenerek, literatür araştırmaları sonucunda seviyeleri seçilmiştir.
PVA ve PAN nanofiberlerinin üretim parametreleri incelendiğinde 4 seviyeli 4 faktörden oluşan bir deney tasarımına ihtiyaç duyulduğu görülmektedir. Geleneksel yol tercih edildiğinde deney sayısı 4^4= 256 olur. Taguchi tarafından gerçekleştirilen 16 denemeli L16 dizisi bu deney için uygundur. Yapılacak 16 deney ile istenilen analizler yapılabilir ve 256 – 16 = 240 deney yapmak için geçen süre ve maliyetten tasarruf edilir.
Doktora tez çalışması kapsamında nanopartikül olarak TiO2 ve Ti4O7 kullanılmıştır. Belirlenen nanopartiküllerin sentez parametreleri Taguchi metodu ile optimize edilerek sentezlenmiş ve ticari olanlarla kıyaslama yapılmıştır.
3 faktörlü 3 seviyeli olan TİO2 nanopartikülü deney tasarımında L9 ortogonal dizisi kullanılabilir. Deney tasarımımızda 4. Parametre bulunmadığından en son sütün ihmal edilecektir.
3 faktörlü 2 seviyeli olan Tİ4O7 nanopartikülü deney tasarımında L4 ortogonal dizisi kullanılabilir.
Ti4O7 ise genellikle yüksek sıcaklıklarda bir indirgeyici kullanılarak TiO2’nin indirgenmesi ile sentezlenir.
TiO2’nin yüksek sıcaklıklarda silicon (Si) ve kalsiyum klorür (CaCl2) varlığında indirgenmesiyle sentezlenen Ti4O7 nanopartiküllerinin sentez basamakları aşağıda verildiği gibidir:
Mevcut tez kapsamında geliştirilen gaz difüzyon tabakasında, destek malzemesi olarak kullanılan Toray 30 (110 um) ve Toray 120 (370 um) ile destek malzemesi kalınlığının etkisi araştırılmıştır. Bunlar üzerine bağlayıcı olarak görev yapacak PVA ve PAN nanofiberlerinin etkisi ve elektriksel iletkenliği arttırıcı olarak görev yapacak TiO2 nanopartiküllerinin ve magneli faz Ti4O7 nanomalzemesinin etkileri belirlenmiştir.
Taguchi analizi sonucunda optimum koşullar; A1B4C4D2 olarak belirlenmiştir. Bu sonuçtan yola çıkarak üretilecek PVA nanofiber için hesaplanan tahmini S/N oranı ve nanofiber çapının doğrulama deney sonuçlarıyla karşılaştırılması Çizelge’de verilmiştir.
PVA nanofiberlerin üretimi için optimum koşullar olan A1B4C4D2 şartlarında gerçekleştirilen deneyde elde edilen nanofiber çapı 91.9 nm olarak bulunmuştur. Tahmini değere yakın ve uygun olan bu değer, üretilen tüm nanofiberler arasında en düşük çapa sahip olanıdır. Ağırlıkça % 7 çözelti konsantrasyonu, 30kV voltaj ve 4 mL/saat gibi optimum şartlar göz önüne alındığında yeni tasarlanmış olan elektrospin cihazı ile elde edilen nanofiberlerin oldukça ekonomik olarak üretilebileceği görülmüştür.
PVA nanofiberleri suda çözünmektedir. Tez kapsamında üretilen PVA nanofiberleri yakıt hücresinde gaz difüzyon tabakasında kullanılacaktır. Üretilen PVA nanofiberlerinin, su üretiminin ve transferinin gerçekleştiği gaz difüzyon tabakasında kullanılabilmesi için çapraz bağlı olarak üretilmesi gerekmektedir. Optimum üretim şartları belirlendikten sonra, çapraz bağlayıcı ajan (maleik anhidrit) ve UV ışık kullanılarak çapraz bağlı PVA nanofiberleri üretilmiştir. Üretilen nanofiberlerin üretim koşulları ve elde edilen nanofiber çapları Çizelge’de verilmiştir. Çapların belirlenmesi için alınan SEM görüntüleri Şekil’de gösterilmiştir.
PVA nanofiberlerinin yapı analizinin gerçekleştirilmesi için FTIR analizi kullanılmıştır.
PVA nanofiberlerin termal kararlılığının belirlenmesi için gerçekleştirilen TGA analizinin sonucu verilmiştir. TGA analizi; 25-1000 °C arasında, 10 °C/dk hızla ve azot atmosferinde gerçekleştirilmiştir.
Yüksek sıcaklıkta indirgeme reaksiyonuyla sentezlenen nano boyuttaki Ti4O7 tozların üretim parametrelerinin optimizasyonu için Taguchi metodu kullanılmıştır. Buradaki amaç en düşük boyuta sahip Ti4O7 nanopartikülünü sentezlemektir. Bunun için XRD analizi yapılmıştır.
XRD sonuçları; TiO2 nanopartikülünün anatase fazı 00-021-1272 numaralı pdf kartına göre ve magneli faz Ti4O7 nanopartikülü 01-071-0574 numaralı pdf kartı kullanılarak belirlenmiştir. XRD analizinden açıkça görülmektedir ki; 900 °C reaksiyon sıcaklığı TiO2 nanopartikülünün indirgenmesi için yeterli olmamıştır. Bu nedenle MT1 ve MT3 numunelerinde çoğunlukla TiO2 pikleri görülmüştür. 1100 °C reaksiyon sıcaklığında gerçekleşen sentezin başarılı olduğu görülmektedir. XRD analizi sentezlenen dört numunede de görülen ve Ti4O7’ye ait olan -113 (2θ=27.55°) piki esas alınarak gerçekleştirilmiştir.
Tüm parametrelerin Ti4O7 nanopartiküllerinin üretimi üzerindeki etkisinin araştırılması için Sinyal/Gürültü (S/N) oranları hesaplanmıştır.
Yüksek sıcaklıkta indirgeme reaksiyonuyla sentezlenen Ti4O7 nanopartiküllerinin optimum üretim şartlarını belirlemek için ‘en küçük en iyi’ yaklaşımıyla hesaplanan S/N oranları Çizelge’de verilmiştir.
Taguchi analizi ile her bir parametre için S/N oranları hesaplanıp, her bir parametrenin Ti4O7 nanopartiküllerinin üretimi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Parametrelerin optimum seviyelerinin belirlenmesi için oluşturulan S/N grafiği Şekil 4.11’de verilmiştir. Elde edilen grafiklerden yola çıkarak optimum koşullar; A2B2C1 olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak doğrulama deneyinin; 100:10:5 TiO2:Si:CaCl2 oranında, 1100 °C sentez sıcaklığı ve 4 saat sentez süresi şartlarında gerçekleştirileceği belirlenmiştir.
Belirlenen üretim parametrelerinin ve seviyelerinin yüksek sıcaklıkta indirgeme reaksiyonuyla sentezlenen Ti4O7 nanopartiküllerinin kristal boyutları üzerindeki etkisinin araştırılması için S/N oranı tablosu analizi gerçekleştirilmiştir.
S/N oranları sonuçlarına göre yüksek sıcaklıkta indirgeme reaksiyonuyla sentezlenen Ti4O7 nanopartiküllerinin üretiminde en etkili faktör reaksiyon sıcaklığıdır. Bunu sırayla numune oranları ve sentez süresi takip etmektedir.
Doğrulama deneyi kombinasyonu yapılan deneyler arasında bulunduğundan, tekrar yapılmasına gerek görülmemiştir.
Gaz difüzyon tabakalarının optimizasyon metodu kullanılarak üretilmesindeki amaç, elektriksel iletkenliği en yüksek kombinasyonu belirlemekti. Bu amaçtan yola çıkarak, tüm gaz difüzyon tabakaları üretildikten sonra 4-nokta elektriksel iletkenlik ölçümü cihazı ile elektriksel iletkenlikleri belirlenmiştir. Üretilen gaz difüzyon tabakalarının kombinasyonu ve elektriksel iletkenlikleri Çizelge’de verilmiştir.
Taguchi analizi ile her bir parametrenin optimum seviyelerinin belirlenmesi için Sinyal/Gürültü (S/N) oranları hesaplanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda elektrospin ile üretilen gaz difüzyon tabakalarının 4 nokta elektriksel iletkenlik ölçümü cihazı ile ölçülen iletkenlikleri ve bunların ‘en büyük-en iyi’ yaklaşımına göre hesaplanan S/N oranları Çizelge’de verilmiştir.
Parametrelerin optimum seviyelerinin belirlenmesi için oluşturulan S/N grafiği Şekil’de verilmiştir. Elde edilen grafiklerden yola çıkarak optimum koşullar; A2B1C2 olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak doğrulama deneyinin; Toray 120 karbon kağıdı, PVA nanofiberi ve Ti4O7 nanopartikülü kombinasyonunda gerçekleştirileceği belirlenmiştir.
Belirlenen üretim parametrelerinin ve seviyelerinin üretilen gaz difüzyon tabakalarının elektriksel iletkenlikleri üzerindeki etkisinin araştırılması için S/N oranı tablosu analizi gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar Çizelge’de verilmiştir.
S/N oranları sonuçlarına göre üretilen gaz difüzyon tabakalarının elektriksel iletkenlikleri üzerindeki en etkili faktör Ti4O7 nanopartikülüdür. Bunu sırayla PVA nanofiberleri ve karbon kağıt kalınlığı takip etmektedir.
Doğrulama deneyi kombinasyonu yapılan deneyler arasında bulunduğundan tekrar yapılmasına gerek görülmemiştir. Deney sonuçlarından da açıkça görülmektedir ki; optimum şartlarda üretilen gaz difüzyon tabakasından elde edilen elektriksel iletkenlik değeri diğerlerine göre çok yüksektir.
TiO2 ve Ti4O7 nanopartiküllerinin PAN nanofiber yapısına eklendiğini belirlemek için XRD analizleri gerçekleştirilmiştir. TiO2 nanopartikülünün anatase fazı 00-021-1272 numaralı pdf kartına göre ve magneli faz Ti4O7 nanopartikülü 00-050-0787 numaralı pdf kartı kullanılarak belirlenmiştir. TiO2 nanopartikülünün PAN nanofiberine eklenmesiyle PAN piklerinin şiddetinde azalma görülürken, Ti4O7 nanopartikülünün eklenmesiyle piklerde sola doğru kaymalar görülmüştür. Ayrıca nanopartiküllere ait karakteristik pikler de XRD analizinde mevcuttur. XRD sonuçlarına göre nanopartiküllerin PAN nanofiberlerine başarılı bir biçimde eklendiği görülmektedir.
TiO2 ve Ti4O7 nanopartiküllerinin PVA nanofiber yapısına eklendiğini belirlemek için XRD analizleri gerçekleştirilmiştir. TiO2 nanopartikülünün anatase fazı 00-021-1272 numaralı pdf kartına göre ve magneli faz Ti4O7 nanopartikülü 00-050-0787 numaralı pdf kartı kullanılarak belirlenmiştir. TiO2 ve Ti4O7 nanopartikülünün PVA yapısına eklenmesiyle PVA karakteristik piklerinin şiddetinde artma görülmüştür. Ayrıca nanopartiküllere ait karakteristik pikler de XRD analizinde mevcuttur. XRD sonuçlarına göre nanopartiküllerin PVA nanofiberlerine başarılı bir biçimde eklendiği görülmektedir.
Nanofiber/nanopartikül etkileşiminin başarıyla gerçekleştiğini belirleyen XRD sonuçları Çizelge’de referanslarıyla birlikte özetlenmiştir.
En iyi koşullarda üretilmiş PVA (%7 (w/w) çözelti konsantrasyonu, 30 kV voltaj, 4 mL/saat besleme hızı, 10 cm uzaklık; 91.9 nm) ve PAN (%8 (w/w) çözelti konsantrasyonu, 10 kV voltaj, 2.5 mL/saat besleme hızı, 12 cm uzaklık; 163.6 nm) nanofiberlerinin mekanik dayanımının incelenmesi ve TiO2 ile Ti4O7 nanopartiküllerinin eklenmesiyle mekanik dayanımlarındaki değişimin araştırılması amacıyla çekme testi gerçekleştirilmiştir. Üretilen tüm nanofiberlerin gerilme-yüzde uzama eğrileri Şekil’de verilmiştir.
Elde edilen verilerden hesaplanan çekme ve akma dayanımlarının karşılaştırılması PVA nanofiberleri için Şekil a’da, PAN nanofiberleri için ise Şekil b’de verilmiştir. Şekil’den görüleceği üzere her bir nanofiber (PVA ve PAN) için akma ve çekme dayanımları nanopartikül (TiO2 ve Ti4O7) eklenmesiyle artmıştır.
TiO2 nanopartiküllerinin nanofiber yapısına eklenmesinin çekme dayanımlarını arttırdığı, buna karşılık kopma yüzdelerini düşürdüğü literatürde gözlenmiş bir sonuçtur ve elde ettiğimiz sonuçlarla uyumluluk göstermektedir (Linh ve ark., 2011; Pant ve ark., 2011). TiO2 nanopartiküllerinin nanofiber yapısına eklenmesi ve çeşitli uygulamalarıyla ilgili birçok çalışma mevcutken, Ti4O7 nanopartikülü ile nanofiber etkileşiminin incelendiği herhangi bir çalışma bulunmamaktadır. Bu nedenle, Ti4O7 nanopartikülü ile elde ettiğimiz sonuçlar literatürde bir ilk olma özelliğini taşımaktadır.
Gerçekleştirilen tasarım sonucunda, gaz difüzyon tabakası üretimi için Taguchi optimizasyon metodu ile belirlenen en iyi kombinasyon Toray 120 karbon kağıdı, PVA nanofiberi ve Ti4O7 nanopartikülü olmuştur. En yüksek elektriksel iletkenliğe sahip bu kombinasyona sahip (GDL3, 31.20 S/cm) gaz difüzyon tabakaları, diğer karakterizasyonlar için üretilmiştir. En iyi kombinasyona sahip gaz difüzyon tabakasının elektriksel iletkenliğinin diğerleri ile kıyaslanması Şekil’de verilmiştir.
Gaz difüzyon tabakasının görevlerinden, özellikle katot tarafında reaksiyon sonucu oluşan suyun dışarı atılmasıdır. Bu nedenle hidrofobik bir yapıda olması beklenir. Bunun yanı sıra, tamamen hidrofobik bir gaz difüzyon tabakası membranın nemli tutması gereken suyu ortamdan uzaklaştıracağı için istenen bir durum değildir. Gaz difüzyon tabakası üzerindeki hidrofilik ve hidrofobik bölgelerin beraber varlığı, hem üretilen suyun dışarı atılmasını hem de membranın nemli tutulmasını sağlayacaktır. En iyi kombinasyonda üretilen gaz difüzyon tabakasının hidrofiliklik/hidrofobiklik özelliklerinin belirlenmesi için temas açısı ölçümü yapılmıştır.
PVA/Ti4O7 nanofiberlerinin gaz difüzyon tabakası temas açısı üzerindeki etkisinin belirlenmesi için öncelikle saf haldeki Toray 120 karbon kağıdının temas açısı ölçümü gerçekleştirilmiştir. Saf Toray 120 karbon kağıdının yüzey temas açısı 144.1° olarak ölçülmüştür. Bu değer literatür ile uyumludur (Fang ve ark., 2014; Kannan ve ark., 2008).
En iyi kombinasyondaki gaz difüzyon tabakasının hidrofiliklik/hidrofobiklik özelliklerinin belirlenmesi için temas açısı ölçümü gerçekleştirilmiştir. PVA/Ti4O7 nanofiberleri yüklenmiş Toray 120 karbon kağıdı düşük yüzey temas açısı göstermiştir. Şekil’den açıkça görüleceği üzere, nispeten daha düşük ıslatma açısına neden olan nano ölçekli bir tabakası olan bir gaz difüzyon tabakasının, düşük nemlilik koşullarında yakıt hücresinde daha iyi performans göstermesi beklenmektedir (Cindrella ve ark., 2009).
Gaz difüzyon tabakasının gözenekliliği reaksiyon gazlarının reaksiyon bölgelerine ulaşmasına ve ürün suyunun dışarıya taşınmasına izin verir. Su yönetimi açısından, katot gaz difüzyon tabakasının mikro gözenekli tabakasının rolü, oksijen gazı moleküllerinin nispeten kuru gözenekler vasıtasıyla reaksiyon bölgelerine ulaşabilmesi için ürün suyunu etkin bir şekilde uzaklaştırmaktır. Diğer fonksiyonlar daha iyi ohmik davranış ve optimum katalizör kullanımını kolaylaştırmaktır. Tüm bu işlevler gaz difüzyon tabakasının gözenekliliği tarafından kontrol edilmektedir.
Gaz difüzyon tabakalarının gözenekliliği % 80 civarında olmalıdır. Tez çalışmasında kullanılan Toray 120 karbon kağıdının gözenekliliği % 76.2’dir. Malzemede küçük gözeneklerin varlığı, reaktan gazlarının katalizör tabakasına kütle transferine karşı daha büyük bir direnç oluşturabilir. Gözeneklerin çok büyük olması ise, membranın aşırı su kaybı nedeniyle kurumasına neden olabilir. Dolayısıyla, gözenek boyutu ve gözenek yarıçapı dağılımı, yakıt hücresi performansını etkileyen iki önemli fiziksel özelliktir (Dhanushkodi ve ark., 2015).
BET analizi sonuçları Çizelge’de verilmiştir. Analiz sonuçlarına bakıldığında yüzey alanının düşük olduğu gözlenmiştir. Elektriksel iletkenliği arttırmak için kullanılan yüksek orandaki nanopartikül eklenmesi, yüzey alanında aşırı bir düşüşe neden olmaktadır ve bu nedenle metal fazın dağılımına destek kabiliyeti azalır (Siracusano ve ark., 2013).
Bunun yanı sıra, tez çalışmasında kullanılan Ti4O7 nanopartikülünün yüzey alanı 1-3 m2/g arasındadır. Düşük yüzey alanına sahip nanopartikülün yüksek oranda gaz difüzyon tabakasında kullanılması ile yüzey alanındaki düşüş beklenen bir sonuçtur (Antolini ve Gonzalez, 2009).
En iyi kombinasyonda üretilen gaz difüzyon tabakasının (Toray 120, PVA nanofiberi ve Ti4O7 nanopartikülü) gözenek boyutu dağılımı Şekil’de verilmiştir. Ortalama gözenek çapı 30 nm civarındadır.
Düşük boyutlu gözenekler, üst tabakalara süreklilik ve üç boyutlu yapılar sağlar. Yüksek orandaki düşük gözenek boyutları, suyun taşmasına sebep olmadan yüksek nemlilik koşullarında çalışmaya olanak verir. Geniş varyasyonlardaki ve daha küçük frekanstaki küçük gözeneklerle iyi bağlanmış geniş gözenek boyutları, düşük nemlilik koşullarında daha iyi performans gösterir (Cindrella ve ark., 2009).
PEM yakıt hücresinde oluşan genel reaksiyon ekzotermiktir. Bu nedenle üretilen ısı verimli bir şekilde gaz difüzyon tabakasından dışarıya atılmalıdır. gaz difüzyon tabakasının ısıl iletkenliği, geometrisine, fiber yapısına ve çalışma koşullarına bağlıdır. Gaz difüzyon tabakası, yakıt hücresinde yeterli ısı transferini sağlamalıdır (Dhanushkodi ve ark., 2015).
Ölçüm noktalarının uzaklıklarına karşılık çizilen sıcaklık profili Şekil’de verilmiştir.
Isıl iletkenlik analizi sonucu elde edilen değerler Çizelge’de verilmiştir.
Yapılan hesaplama sonucu ve elde edilen sonucun literatür karşılaştırılması Çizelge’de verilmiştir. PVA/Ti4O7 nanofiber yapısının Toray 120 karbon kağıdının üzerine eklenmesiyle ısıl iletkenlik katsayısının düştüğü görülmektedir. Literatürde üretilen gaz difüzyon tabakalarının ısıl iletkenlik katsayılarının 0.1-1.6 W/mK gibi geniş bir aralıkta değiştiği gözlenmiştir. Elde edilen sonuç literatür ile uyumluluk göstermektedir (Burheim ve ark., 2010; Sadeghi ve ark., 2008).
En iyi kombinasyonda üretilen gaz difüzyon tabakasının (Toray 120, PVA nanofiberi ve Ti4O7 nanopartikülü) yakıt hücresi performans analizi Tübitak Marmara Araştırma Merkezi Enerji Enstitüsü Yakıt Pili Teknolojileri Laboratuvarı’nda gerçekleştirilmiştir. Üretilen gaz difüzyon tabakası, üzerine 0.6 mg Pt/cm2 katalizör yüklemesi gerçekleştirilerek katot tarafında kullanılmıştır. Anot tarafında ise, Toray 120 üzerine 0.6 mg Pt/cm2 katalizör yüklenerek hazırlanan elektrot kullanılmıştır. Membran elektrot bileşkesi (MEB) Nafion 212 membran kullanılarak hazırlanmıştır. Deneyler sırasında hidrojen 0.250 lt/dk, oksijen ise 0.175 lt/dk hızda verilmiş, deneyler oda sıcaklığında gerçekleştirilmiş ve anot tarafının nemi %100 tutularak katot tarafının nemi %100, %50 ve %0 olacak şekilde değiştirilmiştir.
Elde edilen sonuçlar; referans olarak hazırlanan, anot ve katot tarafında 0.6 mg Pt/cm2 katalizör ve Nafion 212 membran kullanılan referans MEB’nin aynı sistemde ve aynı koşullarda kullanılmasıyla elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.
Karşılaştırılmalar, deneylerden elde edilen akım değerlerinin elektrotun geometrik yüzey alanına (25 cm2) bölünmesiyle elde edilen akım yoğunluğu değerlerinin potansiyel değerine karşı grafiğe geçirilmesiyle elde edilmiştir. Güç yoğunluğu değerleri ise elde edilen akım yoğunluklarının, elde edildikleri potansiyel değeriyle çarpılmasıyla elde edilmiş ve akım yoğunluğu değerlerine karşı grafiğe geçirilmiştir.
En iyi kombinasyonda üretilen gaz difüzyon tabakası (Toray 120, PVA nanofiberi ve Ti4O7 nanopartikülü) kullanılarak farklı katot nemlilik yüzdelerinde gerçekleştirilen deneyler sonucunda elde edilen polarizasyon eğrilerinden orta akım yoğunluğu bölgelerinde MEB’ni oluşturan bileşenlerin direncine bağlı olarak potansiyel kayıpları olduğu gözlemlenmiştir. Yüksek akım yoğunluğu bölgesinde de kütle aktarım kayıplarının neden olduğu potansiyel düşüşleri gözlemlenmiştir.
Orta akım yoğunluğu bölgesindeki potansiyel kayıplarına Toray 120 karbon kağıdının kalınlığının ve PVA-Ti4O7 nanofiberlerinin yükleme miktarının oluşturduğu direncin neden olduğu düşünülmektedir. Yüksek akım yoğunluğu bölgesindeki potansiyel kayıplarının ise BET sonuçlarıyla belirlenen GDT yetersiz gözenekliliğinin, reaktant ve ürün gazlarının geçişine izin vermemesinin bir sonucu olduğu düşünülmektedir.
Elde edilen sonuçların yanı sıra, farklı katot nemlilik yüzdelerinde (%100, %50 ve %0) performansı denenen gaz difüzyon tabakalarının yakıt hücresi performansının nemlilik ile değişmediği gözlenmiştir. Bu sonuç, BET analizi sonucunda elde edilen düşük gözenek çaplarının yüksek nemlilik değerlerinde ve yüzey temas açısı analizi ile elde edilen düşük ıslatma açısının düşük nemlilik değerlerinde çalışabilme özelliği sağlamasını doğrulamaktadır. Böylelikle en iyi kombinasyonda üretilen gaz difüzyon tabakasının (Toray 120, PVA nanofiberi ve Ti4O7 nanopartikülü) yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olmasının yanı sıra, iyi bir su yönetimi gerçekleştirdiği de belirlenmiştir.
En iyi kombinasyonda üretilen gaz difüzyon tabakasının (Toray 120, PVA nanofiberi ve Ti4O7 nanopartikülü) yakıt hücresi performansı, aynı şekilde üretilmiş ve aynı koşullarda denenmiş referans MEB’nin yakıt hücresi performansı ile karşılaştırılmıştır. Farklı katot nemlilik yüzdelerinde (%100, %50 ve %0) performansı denenen gaz difüzyon tabakalarının yakıt hücresi performansından elde edilen maksimum güç yoğunlukları sırasıyla 460, 461 ve 453 mW/cm2 iken, referans MEB’nin kullanılarak elde edilen maksimum güç yoğunluğu 592 mW/cm2 olarak bulunmuştur. Literatürde ilk kez denenmiş olan gaz difüzyon tabakası kombinasyonunun performansı, referans MEB’ne yaklaşmış, fakat geçememiştir. Polarizasyon eğrisindeki potansiyel kayıp bölgeleri irdelenerek, yapılabilecek yeni optimizasyonlar ile performansın geliştirilebileceği düşünülmektedir.
1. Gamze KARANFİL CELEP ve Kevser DİNCER, ‘An Overview of the Gas Diffusion Layer in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: How Its Nano-structural Characteristics Affect Performance’, 4th International Symposıum On Innovative Technologies In Engineering And Science (ISITES’2016), 03-05 Kasım 2016, Alanya-Antalya, Türkiye (Sözlü).
2. Gamze KARANFİL CELEP ve Kevser DİNCER, ‘Preparation and characterization of electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibers’, İnternatıonal conference on energy and thermal engineering: İstanbul 2017, 25-28 Nisan 2017, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye (Sözlü).
3. Gamze KARANFİL CELEP ve Kevser DİNCER, ‘Effects of electrospinning parameters on polyvinylalcohol (PVA) nanofiber diameter: an examination by Taguchi method’, İnternatıonal conference on energy and thermal engineering: İstanbul 2017, 25-28 Nisan 2017, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye (Sözlü).
4. Gamze KARANFİL CELEP ve Kevser DİNCER, ‘Optimization of the synthesis parameters of TiO2 nano-powders by Taguchi method’, İnternatıonal conference on energy and thermal engineering: İstanbul 2017, 25-28 Nisan 2017, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye (Poster).
1. Gamze KARANFİL CELEP ve Kevser DİNCER, Optimization of Parameters for Electrospinning of Polyacrylonitrile Nanofibers by the Taguchi Method, International Polymer Processing 32 (4) 508-514.
1. Gamze KARANFİL CELEP ve Kevser DİNCER, ‘Application of Taguchi Method for The Synthesis of Nano-sized TiO2 Powders by Acid-Used Sol-Gel Method’, Anadolu Üniversitesi Bilim Ve Teknoloji Dergisi A - Uygulamalı Bilimler ve Mühendislik (Kabul edildi, basılması bekleniyor)