Yüksek Basınçlı Kompozit Hidrojen Tankının Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Yapısal Analizi

Öz

Hidrojen, temiz enerji sistemlerinde yüksek potansiyele sahip bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojenin güvenli biçimde depolanabilmesi için yüksek basınçlı tankların yapısal dayanımı kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, yüksek basınçlı kompozit bir hidrojen tankının farklı malzemeler altındaki yapısal davranışı sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmiştir. Tank geometrisi ANSYS DesignModeler ortamında oluşturulmuş, statik yapısal analizler ANSYS Workbench kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analizlerde karbon fiber, paslanmaz çelik ve cam elyafı olmak üzere üç farklı malzeme değerlendirilmiş; toplam deformasyon, eşdeğer elastik gerinim ve eşdeğer gerilme değerleri karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre karbon fiber yüksek mukavemet ve hafiflik avantajı ile öne çıkarken, paslanmaz çelik en düşük deformasyon ve gerinim değerleriyle daha rijit bir davranış sergilemiştir. Cam elyafı ise karbon fiber ve paslanmaz çelik arasında dengeli bir performans göstererek maliyet-performans açısından alternatif bir malzeme olarak değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, yüksek basınçlı hidrojen tanklarının malzeme seçimi ve yapısal tasarım süreçlerinde sonlu elemanlar analizinin etkili bir değerlendirme aracı olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Hidrojen
• Kompozit
• Sonlu elemanlar

Structural Analysis of a High-Pressure Composite Hydrogen Tank Using Finite Element Method

Öz

Hydrogen is an energy carrier with significant potential for clean energy systems. The structural strength of high-pressure tanks is critical for the safe storage of hydrogen. In this study, the structural behaviour of a high-pressure composite hydrogen tank under different material configurations was investigated using the finite element method. The tank geometry was created in ANSYS DesignModeler, and static structural analyses were performed using ANSYS Workbench. Three different materials, namely carbon fiber, stainless steel and glass fiber, were evaluated, and total deformation, equivalent elastic strain and equivalent stress values were compared. The results showed that carbon fiber stands out due to its high strength and lightweight structure, while stainless steel exhibited a more rigid behaviour with the lowest deformation and strain values. Glass fiber demonstrated a balanced performance between carbon fiber and stainless steel and was considered an alternative material in terms of cost-performance balance. The findings indicate that finite element analysis is an effective tool for evaluating material selection and structural design processes in high-pressure hydrogen tanks.

Anahtar Kelimeler

• Hydrogen
• Composite
• Finite elements

Kaynakça

1. [1] ARABACI, H., & ÖZKAN, N. (2025). Yenilenebilir Enerjinin Sosyal Çevre ve Ekonomik Kalkınma Üzerindeki Etkisi. Balkan & Near Eastern Journal of Social Sciences (BNEJSS), 11(4). https://www.ibaness.org/bnejss/2025_11_04/08_Arabaci_and_Ozkan.pdf
2. [2] Daş, E., & Öner, E. T. (2025). Hidrojen: Sürdürülebilir enerji için çok yönlü çözüm. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 28(1), 536-550. https://doi.org/10.17780/ksujes.1564900
3. [3] Mutlubaş, H., & Özdemir, Z. Ö. (2023). Hidrojenin Kullanım Alanları ve Hidrojen Ekonomisi. Yekarum, 8(1), 20-31. https://izlik.org/JA24KN78GP
4. [4] Tunçbilek, H. S. (2025). Hidrojen Enerji Sistemleri. Journal of West European Social Sciences, 2(1), 166-181. https://doi.org/105281/zenodo.15122919
5. [5] ORAL, M. (2020). HYDROGEN ENERGY IN THE FUTURE OF SUSTAINABLE ENERGY POLICIES. International Journal of Eurasia Social Sciences/Uluslararasi Avrasya Sosyal Bilimler Dergisi, 11(42). https://hdl.handle.net/20.500.14619/11620
6. [6] Koşar, C. (2021). Hidrojen Depolama Yöntemleri. Open Journal of Nano, 6(1), 1-10. https://izlik.org/JA56ZD63NY
7. [7] Demir, A. (2022). Hibrid, Tam Elektrikli ve Yakit Hücreli Araçlar Trendi ve Emniyet Yükümlülüklerinin Değerlendirilmesi. İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 21(41), 136-155. https://doi.org/10.55071/ticaretfbd.1096211
8. [8] İlbeyoğlu, S., Gürbüz, H., & Bayat, M. (2023). Hidrojen PEM Yakıt Hücresinin Performansını Etkileyen Faktörler ve Genel Bir Değerlendirme. In İçinde International Conference on Pioneer and Innovative Studies. https://doi.org/10.59287/icpis.804

9. [9] Jere, N., Faik, A., & Nachtane, M. (2026). From design to application: how manufacturing processes impact composite hydrogen storage tank performance?. Polymer Composites, 47(6), 4900-4928. https://doi.org/10.1002/pc.70510
10. [10] Molkov, V., Kashkarov, S., & Makarov, D. (2023). Breakthrough safety technology of explosion free in fire self-venting (TPRD-less) tanks: The concept and validation of the microleaks-no-burst technology for carbon-carbon and carbon-glass double-composite wall hydrogen storage systems. International Journal of Hydrogen Energy, 48(86), 33774-33785. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.05.148
11. [11] Senthil Kumar, S., Bibin, C., & Ramachandran, M. (2020, March). Design and analysis of hydrogen storage tank with different materials by ansys. In IOP conference series: materials science and engineering (Vol. 810, No. 1, p. 012016). IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1757-899X%2F810%2F1%2F012016
12. [12] Yuan, K., & Liu, Z. (2024). A structural mechanics analysis on a Type IV hydrogen storage tank during refueling and discharging. Engineering Failure Analysis, 165, 108822. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2024.108822
13. [13] He, C., Yu, R., Sun, H., & Chen, Z. (2016). Lightweight multilayer composite structure for hydrogen storage tank. International Journal of Hydrogen Energy, 41(35), 15812-15816. https://ui.adsabs.harvard.edu/link_gateway/2016IJHE...4115812H/doi:10.1016/j.ijhydene.2016.04.184
14. [14] Gomez, A., & Smith, H. (2019). Liquid hydrogen fuel tanks for commercial aviation: Structural sizing and stress analysis. Aerospace Science and Technology, 95, 105438. https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105438.
15. [15] Ansys (2025), Ansys Inc., Canonsburg. PA.
16. [16] Yapιcι H., Genç MS, Özιşιk G. (2008). Transient temperature and thermal stress distributions in a hollow disk subjected to a moving uniform heat source, Journal of Thermal Stresses 31 (5), 476-493, https://doi.org/10.1080/01495730801912652.
17. [17] Çiftci C., Erdoğan A., Genç MS. (2023). Investigation of the mechanical behavior of a new generation wind turbine blade technology, Energies 16 (4), 1961, https://doi.org/10.3390/en16041961.
18. [18] Choi, Y., Kim, J., Park, S., Park, H., & Chang, D. (2022). Design and analysis of liquid hydrogen fuel tank for heavy duty truck. International Journal of Hydrogen Energy, 47(32), 14687-14702. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.02.210
19. [19] Apalak Z.G., Apalak MK., MS Genç M.S. (2006). Progressive damage modeling of an adhesively bonded unidirectional composite single-lap joint in tension at the mesoscale level, Journal of Thermoplastic Composite Materials 19 (6), 671-702, https://doi.org/10.1177/0892705706067487.
20. [20] Apalak Z.G., Apalak MK., MS Genç M.S. (2007). Progressive damage modeling of an adhesively bonded composite single lap joint under flexural loads at the mesoscale level, Journal of Reinforced Plastics and Composites 26 (9), 903-953, https://doi.org/10.1177/0731684407079413.