Hidrojen Depolama için Grafen Nanoplateletler ile Güçlendirilmiş Yüksek Basınçlı Tip-IV Kompozit Basınçlı Kapların Sonlu Elemanlar Analizi Kullanılarak Tasarımı, Simülasyonu ve Optimizasyonu

Abstract

Fosil yakıtların sınırlı kaynak olması ve kullanımlarından kaynaklanan çevresel kirlilik, hidrojen gibi temiz enerji kaynaklarının araştırılmasını hızlandırmıştır. Hidrojeni verimli bir yakıt olarak kullanabilmek için, hafif ve yüksek basınçlı depolama tankları gereklidir. Tip-IV kompozit sarılı basınçlı kaplar (COPV) bu alanda öne çıkmaktadır; bu tasarım metal içermediği için yüksek dayanım/ağırlık oranına sahiptir. Bu tez çalışmasında, Tip-IV COPV'lerin yüksek basınçta hidrojen depolama için tasarımı hedeflenmiş ve kompozit matrisine farklı oranlarda grafen nanoplatelet (GnP) takviyesi yapılmış ve etkileri araştırılmıştır. Kompozit numuneler filament sarma yöntemiyle üretilmiş ve mekanik özellikleri çekme, basma, V-çentik kayma ve ara yüzey kayma (ILSS) testleri ile incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, %2 ağırlıkça GnP katkısının epoksiye göre çekme dayanımını yaklaşık %9 ve elastik modülü %15 oranında artırdığını göstermiştir. Elde edilen malzeme özellikleri doğrultusunda, netting teorisi, Clairaut denklemi gibi analitik hesaplamalar ile belirlenen katman sayıları kullanılarak ANSYS ortamında 3B sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Hoop/helisel oranları senaryoları simüle edilerek, teorik hesapları da onaylayacak şekilde en uygun katman düzeni belirlenmiştir.

The limited resource of fossil fuels and the environmental pollution caused by their use have accelerated the research of clean energy sources such as hydrogen. In order to use hydrogen as an efficient fuel, lightweight and high-pressure storage tanks are required. Type-IV composite overwrapped pressure vessels (COPV) stand out in this field; this design has a high strength/weight ratio since it does not contain metal. In this thesis study, the design of Type-IV COPVs for high-pressure hydrogen storage was targeted and different amounts of graphene nanoplatelet (GnP) were added to the composite matrix and their effects were investigated. Composite samples were produced by filament winding method and their mechanical properties were investigated by tensile, compression, V-notched shear and interface shear (ILSS) tests. Experimental results showed that 2% wt GnP addition increased the tensile strength by approximately 9% and elastic modulus by 15% compared to epoxy. In line with the obtained material properties, a 3D finite element model was created in ANSYS environment using the layer numbers determined by analytical calculations such as netting theory and Clairaut equation. By simulating the hoop/helical ratio scenarios, the most appropriate layer arrangement was determined to confirm the theoretical calculations.