随之经济社会的快速发展,全球赖以生存的自然资源被过度消耗,新能源开发和利用受到越来越多关注。作为一种绿色能源,氢能已引起世界各国的重视。然而,如何安全有效地储存氢气一直是制约氢能应用的难题。金属氢化物是一种相当可靠的固态储氢介质;此外,它还可以用于净化氢、热机的组成部分、制备燃料电池,甚至用于ITER燃料循环。因此,研究金属氢化物储氢技术对氢能源的应用意义重大。金属氢化物储氢是利用合金材料同氢气之间的化学反应,使氢气进入晶体空隙中储存。由于氢气分子的体积小,可以大量留存在晶体间隙中,因此储氢合金能够贮存数千倍体积比的氢气。同时,氢气与合金之间的反应具有可逆性,这样在合适的温度和压力环境中,储氢合金如同“海绵”一般吸收氢气,并在加温加压条件下将氢气释放。作为储氢技术的载体,金属氢化物储氢反应器在金属储氢过程中扮演着重要角色。当前研究表明:吸放氢过程是一个热量剧烈传输的过程,如何有效地降低热效应产生的负面影响是提升储氢量和储氢效率的关键。同时,在吸放氢过程中,氢气有效输运也是影响储氢性能的重要因素。因此,本文对储氢反应器传热、传质及力学响应进行全面的研究和调查,从而提出优化金属储氢容器的思路和方案。传热效果是影响储氢反应器性能的关键因素,反应器设计需优先考虑传热效果。因此,本文建立了多层环状储氢反应器的三维模型,通过仿真实验对反应器的热性能进行了评价。采用有限元数值模拟,系统地研究了对流换热框架下结构几何形状、冷却方式和材料热物理性质对热扩散行为的影响,有效表征了氢吸收的温度演化过程。结果表明:冷却剂的选取、氢化物的厚度及冷却管的数目对反应器发的传热性能影响较显著。此外,经过统计分析,揭示了这些因素的敏感性序列总热性能,各个因素对反应器散热效果的影响大小顺序为:冷却剂>氢化物层厚度>冷却管型式>铝掺杂>流速>壁面导热系数>翅片布置。传质行为是影响储氢反应器效率的重要因素,高效的物质传递是反应器实现快速吸放氢的保证。为此,本文建立了一个新的模型来描述反应器氢吸收和脱附过程中传热传质与反应速率之间的耦合关系。该模型基于完善的数学物理方程,考虑了复杂多尺度、多物理耦合效应,并首次引入介孔结构来研究传质问题,同时研究了堆积床孔隙和颗粒内部孔隙两个尺度的氢气浓度分布情况。通过三维数值模拟发现,传热传质行为与化学反应密不可分、相互影响。在此基础上,分析了颗粒参数和填充床设计参数对氢气吸收过程的影响。结果表明:氢化物颗粒粒径、孔隙率和装填方式对整个运输过程有显著影响。这意味着合适的颗粒尺寸、颗粒孔隙度和填充床的密实度是反应器设计中必须考虑的因素。此外,反应器的长径比也是影响反应器性能的关键因素之一。在研究反应器传热传质效果的基础上,本文还评估了反应器的安全性。通过获得反应器的温度场,计算了反应器的热应力分布和应力集中区域。结果表明,冷却管壁面出会出现剧烈的应力集中,反应器内侧的应力水平会明显高于外侧。同时,本文研究了金属氢化物床特征参数对于反应器内氢气压力的影响。实验结果显示,在保证供给的氢浓度不变的情况下,减小颗粒尺寸或提升堆积床密实度都会明显提升氢化物床的氢气压力水平。而降低氢化物床的长径比对降低床内氢气压力有明显帮助。此外,本文还研究了冷却管内流体流动时产生的压力。由于冷却管回路由数个弯头相连接,弯管处管壁的压力会出现变化,还研究了流体流速大小、流体温度和弯管曲率大小对壁面压力的影响。结果表明:流体流速超过1 m/s时,管壁的压力值会迅速升高;提升流体温度能够小幅降低壁面压力;弯管曲率半径较小时,会提升输入段管壁的压力水平;同时弯管内侧和外侧会分别形成较大负压和正压。最后,通过模拟结果分析和影响因素的敏感性评价,本文提出了优化反应器的思路方案。主要从提升反应器散热水平,改善反应器内氢气的传输能力,减小反应器的应力尖峰,改进结构薄弱环节等方面入手;同时尽量保证结构易于建造,力求反应器方案安全高效并适用于实际操作。本文以多层环状储氢反应器为典型代表,开展储氢反应器的热量传输、物质运输和结构安全性研究,旨在为工业级金属氢化物固态储氢容器的设计开发、性能优化提供必要的理论依据和有力的技术保障,进而促进金属储氢技术的应用和推广。