Desing and Production of Light-Weight Pressure Resistant Composite Tank Materials and Systems for Hydrogen Storage

Abstract

This thesis focuses on the development of high-pressure resistant composite tanks for hydrogen storage. For this aim, composite tanks with aluminum liners were designed and manufactured by filament winding technique with various lay-up configurations and tested. The main objective of this study was to develop composite tanks with 700 bar working pressure and 1400 bar burst pressure. Furthermore, composite doily layers were incorporated into the filament winding technique and inserted at the front and end dome sections of the composite tanks to improve the burst pressure performance of the composite tanks and to develop the manufacturing process. Before the manufacturing process, the winding simulations were completed using CADWINDTM CAM software. The manufactured composite tanks were hydrostatically loaded with increasing internal pressure up to the burst pressure. During loading, the deformations over the composite tanks and liners were measured locally using strain gauges. Besides, composite plates were manufactured by filament winding technique to determine the mechanical and the thermo-mechanical properties, and the fiber mass fractions of composite sections were determined. Additionally, a preliminary study was carried out to investigate the effect of hybrid fiber usage on the burst pressure performance of steel liner based composite tanks. The effect of filament winding parameters on the burst pressure performance of composite tanks was investigated experimentally. The aimed burst pressure value of more than 1400 bar was obtained in this study for aluminum liner-based carbon fiber reinforced composite tanks. Also, a desired safe burst mode that is expected to occur in the mid-region of the composite tanks was successfully obtained. This study may be useful for the development of composite tanks for high-pressure hydrogen storage especially for the automotive industry and can be helpful to decrease the usage of fossil fuels.

Bu tez, hidrojen depolanması amaçlı yüksek basınca dayanıklı kompozit tankların geliştirilmesine odaklanmaktadır. Bu amaçla, aluminyum iç gömleğe sahip kompozit tanklar tasarlanmış ve çeşitli katman dizilimleri ile filament sarma yöntemi ile üretilmiş ve test edilmiştir.Bu çalışmanın ana amacı, 700 bar çalışma basıncına ve 1400 bar patlama basıncına sahip kompozit tankların geliştirmesidir. Üstelik, kompozit tankların patlama basıncı performansını iyileştirmek ve üretim yöntemini geliştirmek için kompozit takviye tabakaları filament sarma tekniğine dahil edilerek ön ve arka dom kısımlarına yerleştirilmiştir. Üretim prosesinden önce, sarım simülasyonları CADWINDTM CAM yazılımı kullanılarak tamamlanmıştır. Üretilen kompozit tanklara, patlama basıncı noktasına kadar artan hidrostatik yük uygulanmıştır. Yükleme sırasında kompozit tanklarda ve iç gömleklerde oluşan lokal deformasyonlar gerinim pulları kullanılarak ölçülmüştür. Ayrıca, kompozit kısmın mekanik ve termo-mekanik özelliklerini ve fiber ağırlık oranını belirlemek için filament sarma yöntemi ile kompozit plakalar üretilmiştir. Ek olarak, hibrit fiber kullanımının çelik iç gömleğe sahip kompozit tankların patlama basıncı performansına olan etkisinin incelenmesi için bir ön çalışma gerçekleştirilmiştir. Filament sarma parametrelerinin kompozit tankların patlama basıncına olan etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Bu çalışmada alüminyum iç gömlek esaslı karbon fiber takviyeli kompozit tanklar için hedeflenen 1400 bar üstü patlama basıncı elde edilmiştir. Ayrıca kompozit tankların orta bölgesinde olması gereken güvenli patlama moduna istenilen şekilde başarıyla ulaşılmıştır. Bu çalışma, özellikle otomotiv endüstrisi için yüksek basınç hidrojen depolama amaçlı kompozit tankların gelişimde ve katı yakıt kullanımın azaltılmasında yararlı olabilir.