17、航天器化学储能与发电系统详解

航天器化学储能与发电系统详解

1. 引言

航天器电力可视为便携式或远程储能设备的终极需求。航天器电力系统必须具备储能功能，以满足各种任务需求。任务需求决定了储能的类型和水平。一次电池（一次性放电）和二次电池（可充电）都已在太空应用中得到使用。二次电池通常利用航天器上的光伏阵列进行充电。燃料电池为航天飞机的主要运行和生命维持系统提供动力，同时也为存储舱内的其他设备、仪器和航天器供电。燃料电池与一次电池类似，其储存的能量仅限于燃料和氧化剂。

电池中的电化学电池是储存能量的基本来源。通过电气、机械和热连接的电池组成了电池组。每个电化学电池都是一个独立的装置，可根据电负载的需求将储存的化学能转化为电能。当负载连接到其端子时，电池中的一个电极会自发释放电子，而另一个电极则会自发且同时接受这些电子。电池内部通过电解质中带电粒子（离子）在两个电极之间的流动来闭合电路。电池中连接的电池数量和容量决定了其能量和功率能力。

在一次电池中，反应是不可逆的，因此化学能只能转化为电能一次。而在可充电电池中，反应是可逆的。通过反转电子流（例如，在阳光期间来自太阳能电池板），反应可以逆转，将电极的势能差恢复为化学能。能够将充放电过程逆转数千次，这取决于电池的化学性质。

燃料电池系统（通常简称为“燃料电池”）已用于载人任务，并且是航天飞机的主要动力源。燃料电池系统包括多个像电池中的电池单元一样电气组装的燃料电池，形成燃料电池堆。系统的其余部分包括外部燃料和氧化剂罐、水收集装置以及相关的电气、阀门和管道硬件。

单个电池单元和单个燃料电池的区别在于，前者的化学能在每个电池壳内储存并转化为电能。而在燃料电池中，化学能以氢气或最近使用的甲醇（燃料）和氧气（氧化剂）的形式储存在电池