基于竞赛的化工小车动力系统和控制系统概述

1 引言

为了锻炼和提高化学工程专业学生的实践能力和创新思维，培养大学生的自主学习和团队协作能力，由美国化工学会开展的面向世界大学生的一项运用化学工程技能的竞赛——Chem-E-Car 竞赛在多个国家开展，作为分赛区的中国赛区也已经连续成功举办多次竞赛，受到国内越来越多高校的关注和重视。此项竞赛要求本科专业的学生自主设计并制造一款以化学反应为基础提供动力（动力系统）的化工能源小车，并且在一定的负载下能够行驶一定的距离后达到精准控制（控制系统）[1]。

化工能源小车的设计要求运用化学反应来驱动和停止，旨在利用化学方法来替代能源消耗，在一定程度上能够有效减缓能源消耗，而且化工能源小车的设计制造包含化学、物理、机械、美工等专业知识，涉及内容较多，覆盖面较广，具有一定的挑战性、趣味性，能够激发在校大学生的兴趣，提高其动手操作能力[2]。

本文以Chem-E-Car 竞赛为背景，结合近年来国内外各高校的参赛情况就动力系统和控制系统进行分析总结。

2 动力系统

动力系统作为小车的动力来源，是其最重要的部分之一，因此，如何选择动力源也是研究这个比赛的核心问题。众所周知，生活中有各种各样的能量存在形式，比如风能、光能、化学能、热能等，参照比赛规则可以选择风能，将化学反应产生的气体进行压缩释放，从而推动小车前进；光能，用太阳能电池板将光能转化为电能输出到电动机上从而推动小车；化学能，可以采用化学电池，用化学电池所产生的电能转化为机械能推动小车；热能，可以用内燃机燃烧化学反应所生成的化学燃料例如乙醇等，将热能转换为机械能从而推动小车。风能形式的小车中对气体加压有一定的不安全性，无法对小车做到精准控制。2001 年，墨尔本Chem-E-Car竞赛上，新加坡大学队就采用双氧水催化分解产生氧气，气体通过车子后面的管道排放出来而推动小车前进（“火箭式”小车）。气体排完后，小车就自动停止，但这类设计由于安全等因素目前已经被禁止参赛；热能形式的小车在2003 年也被设计过，澳大利亚Aldelaide 的大学生设计使用汽油发动机作为动力源使小车运行，通过控制发动机燃烧消耗空气的量来使小车停止。他们将一个塑料袋充入一定量的空气，当空气燃烧完毕，小车自动停止[3]。但是出于对安全方面的考虑以及比赛规则的限制，越来越多的参赛队伍不约而同地采取化学电池作为动力系统的小车，即依靠电化学电池推动电动马达从而实现化工小车前进，这种形式的动力系统具有输出稳定、安全、高效、环保等等优点[4]。

2.1 燃料电池

自20 世纪60 年代中期碱性燃料电池（AFC）首次用于NASA 空间计划以来，燃料电池已成为国际上研究开发的热点之一。现如今新能源汽车的普及，化学燃料电池作出了不可磨灭的贡献。将化学燃料电池应用在化工小车上也是一种大胆的设想与实践。美国Dayton 大学化学工程专业学生在2003 年AIChE 比赛上，设计了以氢气为燃料的燃料电池化工小车[4]。

2018 年中国大学生Chem-E-Car 竞赛上中北大学参赛队伍设计出了一种以H2O2的酸性溶液与NaBH4的碱性溶液构成的全液态燃料电池（DBHFC）。硼氢化钠有储氢效率高、无毒、不可燃、便于储藏运输等优势，是燃料电池理想的储氢材料，H2O2作为燃料电池的氧化剂，比氧气还原容易得多，还可以获得更高的输出功率密度。

其化学反应方程式如下：

正极：BH4-+8OH-=BO2-+6H2O+8e-

负极：4H2O2+8H++8e-=8H2O

在同届比赛中大连理工大学（盘锦）校区参赛团队以氢氧燃料电池为动力系统。氢氧燃料电池，氢氧燃料电池具备是当今世界上最清洁的能源电池，它反应过程中只消耗氢气和氧气生成产物是水。整个反应过程中由于有氢气的参与，所以又独立设计了一套制备氢气的系统供燃料电池提供氢气，整套电池系统能够稳定的输出电压，使小车能够平稳地运行。其化学反应方程式如下：

正极上：H2=2H++2e-

负极上：1/2O2+2H++2e-=H2O

全反应：1/2O2+H2=H2O

其电池电动势E=1.229 V

制氢系统：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

2.2 锌（镁、铝）-空气电池

锌（镁、铝）-空气系统作为最受欢迎的一套动力系统，具有稳定高效的优点。在2018 和2019 两届中国大学生Chem-E-Car 竞赛上被清华大学、上海交通大学、大连理工大学、西北大学、中南大学、西安交通大学、北京化工大学等25 所高校采用。2019 年竞赛中四川大学将铝-空气电池的电解质溶液改为固体凝胶电解质层，有效减缓浓差极化，也避免出现电解液漏液的现象。天津大学采用液流式铝空电池，增加一套循环系统，维持电池内部温度和浓度的稳定。同样在2019 年竞赛中西北大学凭借锌-空气电池动力系统取得第一，并打破比赛记录。以锌-空气电池为例，其对应的化学反应为：

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