余洪洋，溫 濤，王子恒，喻卓陽，肖作安，占 丹

（湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院·化學(xué)工程學(xué)院，湖北 襄陽441053）

1 引言

為了鍛煉和提高化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)大學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和團隊協(xié)作能力，由美國化工學(xué)會開展的面向世界大學(xué)生的一項運用化學(xué)工程技能的競賽——Chem-E-Car 競賽在多個國家開展，作為分賽區(qū)的中國賽區(qū)也已經(jīng)連續(xù)成功舉辦多次競賽，受到國內(nèi)越來越多高校的關(guān)注和重視。此項競賽要求本科專業(yè)的學(xué)生自主設(shè)計并制造一款以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)提供動力（動力系統(tǒng)）的化工能源小車，并且在一定的負載下能夠行駛一定的距離后達到精準(zhǔn)控制（控制系統(tǒng)）[1]。

化工能源小車的設(shè)計要求運用化學(xué)反應(yīng)來驅(qū)動和停止，旨在利用化學(xué)方法來替代能源消耗，在一定程度上能夠有效減緩能源消耗，而且化工能源小車的設(shè)計制造包含化學(xué)、物理、機械、美工等專業(yè)知識，涉及內(nèi)容較多，覆蓋面較廣，具有一定的挑戰(zhàn)性、趣味性，能夠激發(fā)在校大學(xué)生的興趣，提高其動手操作能力[2]。

本文以Chem-E-Car 競賽為背景，結(jié)合近年來國內(nèi)外各高校的參賽情況就動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行分析總結(jié)。

2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)作為小車的動力來源，是其最重要的部分之一，因此，如何選擇動力源也是研究這個比賽的核心問題。眾所周知，生活中有各種各樣的能量存在形式，比如風(fēng)能、光能、化學(xué)能、熱能等，參照比賽規(guī)則可以選擇風(fēng)能，將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體進行壓縮釋放，從而推動小車前進；光能，用太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能輸出到電動機上從而推動小車；化學(xué)能，可以采用化學(xué)電池，用化學(xué)電池所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為機械能推動小車；熱能，可以用內(nèi)燃機燃燒化學(xué)反應(yīng)所生成的化學(xué)燃料例如乙醇等，將熱能轉(zhuǎn)換為機械能從而推動小車。風(fēng)能形式的小車中對氣體加壓有一定的不安全性，無法對小車做到精準(zhǔn)控制。2001 年，墨爾本Chem-E-Car競賽上，新加坡大學(xué)隊就采用雙氧水催化分解產(chǎn)生氧氣，氣體通過車子后面的管道排放出來而推動小車前進（“火箭式”小車）。氣體排完后，小車就自動停止，但這類設(shè)計由于安全等因素目前已經(jīng)被禁止參賽；熱能形式的小車在2003 年也被設(shè)計過，澳大利亞Aldelaide 的大學(xué)生設(shè)計使用汽油發(fā)動機作為動力源使小車運行，通過控制發(fā)動機燃燒消耗空氣的量來使小車停止。他們將一個塑料袋充入一定量的空氣，當(dāng)空氣燃燒完畢，小車自動停止[3]。但是出于對安全方面的考慮以及比賽規(guī)則的限制，越來越多的參賽隊伍不約而同地采取化學(xué)電池作為動力系統(tǒng)的小車，即依靠電化學(xué)電池推動電動馬達從而實現(xiàn)化工小車前進，這種形式的動力系統(tǒng)具有輸出穩(wěn)定、安全、高效、環(huán)保等等優(yōu)點[4]。

2.1 燃料電池

自20 世紀(jì)60 年代中期堿性燃料電池（AFC）首次用于NASA 空間計劃以來，燃料電池已成為國際上研究開發(fā)的熱點之一。現(xiàn)如今新能源汽車的普及，化學(xué)燃料電池作出了不可磨滅的貢獻。將化學(xué)燃料電池應(yīng)用在化工小車上也是一種大膽的設(shè)想與實踐。美國Dayton 大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生在2003 年AIChE 比賽上，設(shè)計了以氫氣為燃料的燃料電池化工小車[4]。

2018 年中國大學(xué)生Chem-E-Car 競賽上中北大學(xué)參賽隊伍設(shè)計出了一種以H2O2的酸性溶液與NaBH4的堿性溶液構(gòu)成的全液態(tài)燃料電池（DBHFC）。硼氫化鈉有儲氫效率高、無毒、不可燃、便于儲藏運輸?shù)葍?yōu)勢，是燃料電池理想的儲氫材料，H2O2作為燃料電池的氧化劑，比氧氣還原容易得多，還可以獲得更高的輸出功率密度。

其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

正極：BH4-+8OH-=BO2-+6H2O+8e-

負極：4H2O2+8H++8e-=8H2O

在同屆比賽中大連理工大學(xué)（盤錦）校區(qū)參賽團隊以氫氧燃料電池為動力系統(tǒng)。氫氧燃料電池，氫氧燃料電池具備是當(dāng)今世界上最清潔的能源電池，它反應(yīng)過程中只消耗氫氣和氧氣生成產(chǎn)物是水。整個反應(yīng)過程中由于有氫氣的參與，所以又獨立設(shè)計了一套制備氫氣的系統(tǒng)供燃料電池提供氫氣，整套電池系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的輸出電壓，使小車能夠平穩(wěn)地運行。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

正極上：H2=2H++2e-

負極上：1/2O2+2H++2e-=H2O

全反應(yīng)：1/2O2+H2=H2O

其電池電動勢E=1.229 V

制氫系統(tǒng)：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

2.2 鋅（鎂、鋁）-空氣電池

鋅（鎂、鋁）-空氣系統(tǒng)作為最受歡迎的一套動力系統(tǒng)，具有穩(wěn)定高效的優(yōu)點。在2018 和2019 兩屆中國大學(xué)生Chem-E-Car 競賽上被清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、西北大學(xué)、中南大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京化工大學(xué)等25 所高校采用。2019 年競賽中四川大學(xué)將鋁-空氣電池的電解質(zhì)溶液改為固體凝膠電解質(zhì)層，有效減緩濃差極化，也避免出現(xiàn)電解液漏液的現(xiàn)象。天津大學(xué)采用液流式鋁空電池，增加一套循環(huán)系統(tǒng)，維持電池內(nèi)部溫度和濃度的穩(wěn)定。同樣在2019 年競賽中西北大學(xué)憑借鋅-空氣電池動力系統(tǒng)取得第一，并打破比賽記錄。以鋅-空氣電池為例，其對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)為：

正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

負極：Zn+4OH--2e-→Zn（OH）42-

總反應(yīng)：Zn+1/2O2+H2O+2OH-→Zn（OH）42-

其電池電動勢E=1.4 V

這種電池單組所產(chǎn)生的電壓在1.4 V 左右，相當(dāng)于1 節(jié)干電池的電壓。由于電池體積小可以將電池串聯(lián)起來，做成電池組，其電壓可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整。

2.3 其他電池

除了上述的燃料電池，鋅（鎂、鋁）-空氣電池，在比賽中也出現(xiàn)了一些其他的化學(xué)電池動力源。2018 年中國大學(xué)生Chem-E-Car 競賽上華南理工大學(xué)采用Pb-PbO2硫酸體系電池，也就是人們所熟知的鉛蓄電池。這種電池技術(shù)成熟，但是制作成本大，且原料對環(huán)境有著一定的影響。

常州大學(xué)團隊采用水系鋰離子液流電池。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

正極：Zn2++2e-=Zn

負極：LiMn2O4=xLi++xe-+Li1-xMn2O4

總反應(yīng)：LiMn2O4+x/2 Zn2+=xLi++x/2 Zn+Li1-xMn2O

其電池電動勢E≈1.25 V

在比賽上往往各支參賽隊伍的動力系統(tǒng)大致相同，因此大賽對創(chuàng)新的渴望度很高，在2019 年中國大學(xué)生Chem-ECar 競賽上我們看到有些參賽隊伍設(shè)計出了新型電池，例如大連理工大學(xué)和中國石油大學(xué)的堿性鋅錳電池。這種電池具有較高的放電性能，堿性鋅錳電池的容量和放電時間是同等型號普通電池的3～7 倍，低溫性能兩者差距更大，堿性鋅錳電池更耐低溫，而且更適合用于大電流放電和要求工作電壓比較穩(wěn)定的用電場合，而且其內(nèi)阻小（約0.25 Ω），能在重負荷下連續(xù)工作同時維持較高的穩(wěn)定電壓。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

正極：Zn+2OH-=Zn（OH）2+2e-；

Zn（OH）2+2OH-=[Zn（OH）4]2-

負極：MnO2+H2O+e-=MnOOH+OH-；

MnOOH+H2O+e-=Mn（OH）2+OH-

總反應(yīng)：Zn+2H2O+MnO2+2OH-=Mn（OH）2+[Zn（OH）4]2-

其電池電動勢E≈1.52 V

2.4 溫差發(fā)電機

除了原電池外，也可以通過其他化學(xué)反應(yīng)設(shè)計并制造動力系統(tǒng)。比如在印度地區(qū)的Chem-E-Car 競賽中利用塞貝克效應(yīng)制作溫差發(fā)電機。塞貝克效應(yīng)又稱作第一熱電效應(yīng)，在溫度梯度下導(dǎo)體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內(nèi)部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產(chǎn)生一個反向電荷流，當(dāng)熱運動的電荷流與內(nèi)部電場達到動態(tài)平衡時，半導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動勢。他們的熱端采用硫酸與氫氧化鈉的中和反應(yīng)，而冷端采用干冰與丙酮的混合物。

無論采用哪種動力系統(tǒng)都要遵循一個原則：對于一個或多個化學(xué)反應(yīng)，利用所學(xué)的專業(yè)知識將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動前進的能量方式，并且要穩(wěn)定、安全、無危害，還要不斷優(yōu)化動力系統(tǒng)，通過安全審查。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)即剎車系統(tǒng)，根據(jù)比賽要求控制系統(tǒng)同樣要涉及到化學(xué)反應(yīng)，但不可以用任何機械或電子計時裝置使化學(xué)反應(yīng)停止或車停止。因此，國內(nèi)外各高校憑借比賽規(guī)則展開自己的理解，通過化學(xué)反應(yīng)利用溫度、顏色、壓力等變化，再與發(fā)光二極管、傳感器、繼電器、電阻、單片機等電子元器件相結(jié)合，控制整個電路中電流的變化，從而做到精準(zhǔn)控制。

3.1 碘鐘反應(yīng)

碘鐘反應(yīng)是一種化學(xué)振蕩反應(yīng)，同時也是一種變色反應(yīng)。在反應(yīng)中將兩種或三種溶液混合在一起，幾秒鐘后溶液變?yōu)榈逅{色。利用一個快速反應(yīng)或一系列快速反應(yīng)組合，通過指示劑來顯示某一反應(yīng)物已消耗完畢。此類反應(yīng)與生命鐘相似，故稱為“碘鐘反應(yīng)”。2005 年在Monash 大學(xué)舉辦Chem-E-Car 的競賽中，有支參賽隊伍首次采用碘鐘反應(yīng)作為控制系統(tǒng)，原理是讓發(fā)光裝置的光線穿過透明反應(yīng)容器照射到光敏電阻上，通過光敏電阻感受到的光強變化來改變電阻，從而來控制反應(yīng)的開關(guān)。反應(yīng)剛開始時，光敏電阻接收大量的光照，此時電阻很小，整個小車的電路是個通路。隨著反應(yīng)的進行，透明容器內(nèi)的碘鐘反應(yīng)由初始的透明逐漸變?yōu)榉磻?yīng)終止時的深色，此時發(fā)光裝置的光線無法穿透反應(yīng)容器，光敏電阻無法接收光照阻值變得很大，這時整個小車的電路就變成了斷路，小車停止。因此精確控制反應(yīng)物濃度就能控制化工小車碘鐘反應(yīng)的變色時間，也就是小車的行駛時間，從而讓小車在終點線停下來[5]。

由于碘鐘反應(yīng)現(xiàn)象明顯，操作簡單安全，因此被國內(nèi)外各高校廣泛運用，特別是碘酸鹽型碘鐘反應(yīng)、過硫酸鹽型碘鐘反應(yīng)和VC（維生素C）型碘鐘反應(yīng)應(yīng)用最廣泛。下面介紹幾種典型的碘鐘反應(yīng)原理。

3.1.1 過氧化氫型碘鐘反應(yīng)

向硫酸酸化的過氧化氫溶液中加入碘化鉀、硫代硫酸鈉和淀粉的混合溶液。這個過程的碘鐘顏色變化由深色變?yōu)橥该髟僮兂珊谏?，此時在體系中存在2 個主要反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

3.1.2 碘酸鹽型碘鐘反應(yīng)

向硫酸酸化的碘酸鹽中加入亞硫酸氫鈉和少量的淀粉，此時體系中存在：

之后過量的碘酸根離子與碘離子發(fā)生歸中反應(yīng)：

接著亞硫酸氫鈉將生成的碘還原：

3.1.3 過硫酸鹽型碘鐘反應(yīng)

絕大多數(shù)參賽隊伍選擇了過硫酸鹽型碘鐘作為控制系統(tǒng)，通過過硫酸鉀、過硫酸鈉或過硫酸銨將碘離子氧化成碘單質(zhì)。加入硫代硫酸鈉可以將碘單質(zhì)還原回碘離子，整個變色過程由透明到深色?；瘜W(xué)方程式如下：

3.1.4 氯酸鹽型碘鐘反應(yīng)

氯酸鹽型碘鐘反應(yīng)在競賽中很少被采用，通過將盧戈氏碘液、氯酸鈉和高氯酸混合，反應(yīng)原理為：

3.1.5 VC 型碘鐘反應(yīng)

過氧化氫和碘化鉀反應(yīng)較慢，而VC 和碘單質(zhì)反應(yīng)較快，碘單質(zhì)一旦生成，將立即被VC 還原，直到VC 消耗完成后，碘單質(zhì)開始積累，與水溶性淀粉反應(yīng)，溶液顏色加深，反應(yīng)方程式如下：

不同的碘鐘反應(yīng)有著不同的變色機理，因此要根據(jù)其光敏電阻類型來選擇，通過大量的實驗來確定反應(yīng)物濃度，從而控制變色時間。能夠精準(zhǔn)地控制變色時間就能夠精準(zhǔn)地控制小車行駛的時間。

3.2 B-Z 振蕩反應(yīng)

除碘鐘反應(yīng)這一振蕩反應(yīng)外，B-Z 振蕩反應(yīng)在2019 年中國Chem-E-Car 競賽中受到華東理工大學(xué)的青睞，通過電極檢測電位的周期性變化，并記錄周期數(shù)量，當(dāng)達到電路板預(yù)設(shè)程序所指定的震蕩次數(shù)后，切斷電路使小車停止。

3.3 熒光反應(yīng)

通過改變過氧化氫的濃度進而改變熒光物質(zhì)發(fā)光衰退時間，再利用光線傳感器光強變化改變光敏電阻的阻值，從而改變電路中電流的大小使小車停止。

3.4 其他控制系統(tǒng)

除了以上幾種控制系統(tǒng)外，也有高校利用溶斷機制、壓力變化、短路等方法設(shè)計自己的控制系統(tǒng)。

溶斷機制是根據(jù)“保險絲”演化而來，通過改變酸濃度來改變酸溶斷金屬絲所需要的時間，進而控制小車的停止。在2018 年中國大學(xué)生Chem-E-Car 競賽中太原理工大學(xué)用稀硫酸溶解鎂條，當(dāng)鎂條不和溶液液面接觸時，電路斷開，小車停止運行。同樣利用稀硫酸和鎂條反應(yīng)，浙江大學(xué)利用反應(yīng)產(chǎn)生的氣體使定容容器內(nèi)的壓力發(fā)生變化，通過改變酸的濃度改變氣體產(chǎn)生的量，當(dāng)生成一定量的氣體后，觸發(fā)壓力傳感器切斷電路[3]。

2019 年廣州大學(xué)利用短路原理實現(xiàn)對小車的控制。將兩根相距一定距離的不銹鋼棒放在一定濃度的硫酸銅溶液中，使其發(fā)生置換反應(yīng)，當(dāng)置換出的銅將兩根不銹鋼棒聯(lián)通時，使電路發(fā)生短路，電流不經(jīng)過馬達，小車停止。

2003 年澳大利亞Monash 大學(xué)用自制的以鉑為電極的干電池來控制化工小車。在鉑電極上預(yù)先鍍上銅，小車在前進過程中鉑電極上的銅在電解液中被氧化，當(dāng)銅完全氧化時電阻突然增大、電流減小，小車停止前進。

從歷屆參賽作品來看，大多參賽隊伍選擇激光燈形式的碘鐘反應(yīng)作為化工小車的控制系統(tǒng)，因為其化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性、變色的靈敏性及可控性得到大家的青睞。在比賽中好的東西往往會被大家借鑒模仿，通過模仿會呈現(xiàn)更完美更準(zhǔn)確的碘鐘反應(yīng)控制系統(tǒng)。相信通過參賽隊伍們的不斷努力，未來將會有更新穎更高效的控制系統(tǒng)呈現(xiàn)在我們面前。

4 總結(jié)

動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)多種多樣，不同的參賽隊伍根據(jù)自身情況設(shè)計并制造不同的動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，將自己的所學(xué)所見運用到實際學(xué)習(xí)生活中，在原有的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新發(fā)展，研究創(chuàng)造出更多新穎獨特的方案體系。隨著Chem-E-Car競賽的發(fā)展，越來越多的高校學(xué)生參與到其中，實現(xiàn)“學(xué)中做，做中學(xué)”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也培養(yǎng)了他們的團隊合作精神和研究創(chuàng)新的能力[6]。