以「未來汽車動力與能源之辯」為主題的2019上海電化學能源器件工程技術創新論壇於2019年12月15日在上海舉辦。論壇圍繞當前新能源汽車產業發展中的熱點話題，從先進動力電池、燃料電池、氫能製備與儲運、到甲醇燃料及氫電混合動力系統各抒己見，為我國新能源汽車的發展獻計獻策，共同推動我國新能源汽車技術進步。
會上，北京航空航天大學仿生能源材料與器件北京市重點實驗室盧善富發表了主題演講，以下為演講實錄：
首先非常感謝馬老師給我這個機會，來匯報我們近幾年在高溫質子角膜換燃料電池方面做的一些進展。
我的匯報分以下三個部分，第一部分是燃料電池，大家已經很熟悉，不做過多的介紹。昨天邵老師和楊老師給大家講了很多燃料電池相關基礎知識，大家的共識是基於目前的體系，基於純氫電動供給模式的話，給車大量的補貼帶來很多的問題。
昨天楊院士也說到，不管是製取還是運輸都非常麻煩。目前的80度以下的電池對氫的要求純度非常高，至少是99.99以上。否則的話燃料對模組損耗非常嚴重，另外加氫站成本問題帶來了很多，大面積推廣的話已經成為主要戰略之一。
另外，這個是前一段時間全國電話會議的時候，有專家提出來的新觀點，對於氫能可能不再局限於傳統的只用純氫概念，怎麼樣更廣義的概念。潘老師也講到制氫問題，這樣的話傳統比較理想的是水到氫氣，實際上氫能可以想到很多。在自然界裡淨化這麼多年，空氣裡還有很多的比如說二氧化碳、氮氣，可以結合氮氫來做我們的燃料，很多的燃料是液態，而且氫的含量比壓縮成液態的含氫量會輕很多。一些大專家提出新的液態陽光的事情，這樣的話到碳的整個循環應該是沒有什麼問題，氮還原做的好的話，氮的重整，氫氣有很多的好處，可以實現所謂的3E系統的可持續協調的發展。
再講一下甲醇的特點，因為我們國家的國情是這樣的，富煤少氣缺油的國情，這麼多煤，我們燒煤肯定是有問題。一是二氧化碳的排放，二是燃燒過程中有很多的氮氧化物、硫氧化物的出現，如果是用這種燃料電池的方式去工作的話，就可以很好的避免剛才說的一些硫氧化物，氮氧化物的出現。而且對現有的加油站進行改造的話非常簡單，幾乎現有的中石化、中石油的加氣站只要換一個氣槍就可以實現基礎設施的建設，現在在我們國家的5個省市已經在鋪開推廣，特別是家庭汽車的發展的情況下。
另外甲醇在電池裡的應用，大概有幾種形式，第一種是直接甲醇的模式，已經做了很多年。但是現在受限於甲醇氧化活性比較低，這樣的話做汽車的動力化有問題。那麼在早期有兩種模式，一種是重整再到提純再到PEMFC電池低溫電池融合的模式，提純的話不管是電壓吸附也好，還是膜吸附也好，裡面的周期和成本比較高。
另外最近比較熱的，特別是像咱們的鉑氫在產業方面的推進，重整進行利用的話，可以把重整制氫這一塊，把純化這塊可以直接拿掉。這樣對於電池來說，高溫電池在更高的溫度工作，反應動力學速度更快，可以直接通過重整氫，以及化工的副產氫做燃料，避免了純化問題。
另外，高溫電池還有一些問題，高溫電池在140度以上的工作，生成的水是一個單向。這樣的話，沒有水銀的問題可能就可以避免了。那麼實際上，除了對燃料側的影響之外，大家可以看到即使電池工作在120度，如果說有1%的一氧化碳電池性能已經開始有明顯影響，到0.5的話影響非常明顯，但是如果電池工作200度的話，大家可以看到，1%的一氧化碳對這個性能幾乎沒有影響。
另外一個問題是空氣中雜質問題。現在實際上我們老在強調燃料，實際上我們可以看到低溫下電池裡如果空氣裡面含有10個PPM的話，整個電池的下降已經下降了70%、80%，下降的非常嚴重。如果用高溫電池的話，10個PPM二氧化硫對電池的影響也是有的，但是可以看到影響是顯著下降的，這說明我們的高溫燃料電池至少是一個現有的氫燃料的很好的補充。
燃料電池有很多的優點，但是它在發展過程中，現在整個產業鏈發展遠遠落後於高溫燃料電池，原因在於現有的低溫裡面的質子模式下沒有辦法用到高溫體系的。因為低溫是依賴於水的傳輸，高溫的話目前有很多的體系，但是基本上目前大家認為是基於磷酸高溫複合材料。
另外一個，高溫複合材料正是因為用了磷酸的體系，磷酸在膜的吸附比較嚴重，導致目前的鉑的載量是比較偏高的。要降低成本的話，這一塊還有很長的路要去走。
另外一個是密封問題，現有的低溫條件下用矽來密封，高溫條件下實際上用矽膠的話沒法應用，因為這個問題非常嚴重。那麼這樣的話，有很多的科學問題有待大家解決，高溫的粒子傳導和力學性能和化學穩定性等等。鹽酸對鉑酸的組化問題還有很多的問題去解決。
溫度升高電池啟動會變慢，這樣能不能構建一個工作離子交換導體可以同室內或者是零下以及到300度都可以快速進行啟動，那相應的會衍生很多的相關的技術性的問題。
接下來，匯報一下這些年在高溫質子交換膜方面的探索。目前用的最多的是高溫質子交換膜，氣體用在聚苯並咪咗類。那麼聚苯並咪咗類實際上分為四類，MPBI，PPBI，OPBI以及APBI。大家知道，它的合成是非常困難的，而且很多PPBI可溶性加工就非常差，這樣限制了大規模的應用，導致目前PPBI的成本很高。
我們用磷酸的主要原因是從低溫到高溫有很好的離子電導力，也是早期做磷酸燃料的主要導體，就在這裡。這樣我們第一步就想把PPBI換掉，哪些材料可以換掉它？我們做了一些嘗試，目前用的非常多的是高分子材料，我們把它用在高分子材料。另外，替代PPBI還有一些新型的混合物。
質子導體方面，除了磷酸以外，能不能換掉？因為很多對高鉑載量，主要是因為磷酸對鉑表面吸附，導致氧化動力學嚴重的下降，最近在有機多鹽酸做了一些探索。
早期用PPP來做高膜的時候，因為PPP上有羰基以及氮原子，這樣的話可以吸收硫酸，很容易有很高的磷酸吸附量。因為大家知道PPP瑞水容率高，幾乎沒有長阻，用另外兩個聚碸等等，來做這樣一個附加，這樣的施加是可以有批量的製備，而且熱度在380度以後才開始分解。電導率的話可以通過調控PPP含量，電導率可以做的非常高，160度基本上都可以做到0.1，這樣電池器件功率密度做的還是不錯的。
最擔心碳氫型的材料電池上能不能穩定？那麼這樣的話，也構建了這樣一個膜電機，5×5的膜電機，目前已經測出來3000個小時，穩定性還是可以的。另外200毫安是目前高溫燃料電池評價的條件，200毫安/平方釐米，150度，用相關的值來進行控制。
那麼在這個基礎上還做了一些其他探索，因為前面是共混。傳統的PBI也好，還是做一些其他的還原。，一個大的問題是吸附磷酸，為了獲得高的電導率，那麼高的磷酸含量，電導率力學性能穩定下來，通過高分子鏈節的設計，把連結上去形成側鏈的結構，離子導電和力學性能分開的功能，獲得一個相對比較好的結果。這樣的話，通過鏈結構的設計，通過核磁來證實，我們確實合成了這樣一個結構。
我們比較關心的是，這樣的一個結構會不會帶來我們所關心的。學生通過原子顯微鏡以及二維證明，隨著側鏈長度不同的鏈結構可以形成梯度，形成帶來什麼好處確實沒看到。從固體核磁可以看到，風勢如果變窄，而且向高的PPM移動的話，說明質子移動能力變強的。隨著側鏈延長向高位移動，質子移動變強，看到電導率也可以做的非常高。
而且形成寬的通道以後，磷酸傳輸活動大低於這種沒有多向通道的，大概是7.7/膜。組裝電池去看一看，初步看這個是沒有問題的。
另外，我們也比較關心的是弄完了以後，是不是像剛才想的一樣，直接側鏈和接到延長以後的力學性能。這樣力學性能沒有問題。把文獻裡做的一系列的結果做一下對比，做一個短時間的放電意義還是不錯的。
剛才講的地面側鏈的結果，發現證明的想法可以通過側鏈調整，可以調控它的性能。但是發現一個新的問題，接到側鏈以後，穩定性從剛才的380度降到大概只有220左右，電池運行存在很大的風險。那麼這樣的話，武漢大學的我的博士導師合作做的一個新型的結構。
另外，可以通過側鏈結構，也可以通過這種類似於氫能維固，莊老師用他的材料做鹼性膜。這個地方做鹼性，對於我們來說，做高溫質子交換膜不需要把它氮甲烷化，因為氮泡完磷酸以後，本身可以用來做高溫質子交換膜。
我們做了一個利用聯本或者是三聯本，它的效果非常好，將近400度也能分解。而且最重要的是，批量合成非常容易，前面兩種只是做幾個，這樣的話現在一波可以做出100個，這樣的話可以嘗試了在很多種有機溶劑去做溶解，溶解性都非常好，這樣的話對後續的加工帶來很大的方便，這樣的話在進行批量的製備，幅寬40釐米，然後連續生產的結果。
這個膜材料拉伸強度到底怎麼樣？跟商業化的OPDI和自己做的PPP，一個三聯本的哌澱銅類的，它的拉伸強度顯著。其實兩個膜材料磷酸是一樣的，而且磷酸它的電導率明顯優於OPDI，在150度以下2個小時一直通幹的空氣和氫氣，測出來的電導率幾乎是沒有下降的。在180度的時候，因為電導率初始下降，原因是磷酸部分揮發以及磷酸變成膠凝酸的比例，到後面膠凝酸全部形成以後還是非常穩定的，而且可以維持在0.08C。
另外多溼氣條件下，磷酸結構對保溼率也比OPDI好一些。另外，這種結構它的化學穩定性怎麼樣？也是在分別進行測試，因為三聯本氮太多，更容易吸收更多的磷酸，更容易受到更多的進攻。用三聯本的話，它的抗氧化能力與OPDI還是比較接近的。
確實明顯浸泡磷酸而形成，而OPDI沒有。最近一個學生去做了一個數據，去做原位的高溫條件下150、160度還可以維持這個結構。
實際在電池裡面它的行為怎麼樣？目前也是新合成的新型的這一代的高溫膜材料也做出來的組裝25平方釐米的電池，目前測試是1600小時，也是非常穩定，說明這個材料是非常有希望的，可以作為第二代有氫材料。
剛才講過，造成催化劑載量比較高的原因是我們用的磷酸，我們的常規的液態磷酸。傳統的做法是把凝酸能不能接上去，接上去以後電導率一下子從10的-2次，-1次，降到10的-5次，-6次，沒法用了。
我們的觀點是能不能搞一個折衷方案？能石字旁的，變成月字旁的，是一個小分子的磷酸，叫有機膦酸，比如說二元膦酸，三元膦酸，甚至是四元、五元膦酸。這樣的話有好處，它的移動性會強一些，但是跟我們的液態磷酸相比，電導率有明顯的提升，吸附量不會有太大的變化。
在三聯的導酸能力，以及電池的開路電壓，完全派路條件下開路壓的維持能力，以及放在大電壓條件下去做測試的話，都會保持很好的穩定性。如果是傳統的磷酸1.5倍放酸的話，磷酸流失會非常快，電導性非常快。
還有一個，電池的溫度到160度，剛才潘老師講到他們做重整的問題，那實際上目前催化劑，基本上是接近260—300度才能工作。這個時候要把氣溫度放下來以後巨大的能量，如果是把電池的工作也搞到250、260度，可能很大的好處，把後面的熱部分簡化掉。通過原位生成可以發現如果加磷酸性能非常快，如果是原位生成的話電導很高，通過核磁來解析這個成分到底是什麼還沒有完全解析出來。
目前也是通過240度的運行可以看到，電池性能雖然有下降，但是如果是交流端鹽的話，電導率下降。電導率的下降是很明顯的，主要原因是催化的衰減。
後面的話，看更高溫條件下的抗鹽酸能力，如果是到250度的時候，電池耐受6%沒有問題。這樣的話我們覺得往上走是有很大的空間可以做的。
最近我們在嘗試甲酸。因為低溫條件下甲酸直接做燃料的話，電池很快會死掉。最近我們發現，把它做到高溫條件下，電池最少在測試幾十個小時內是非常穩定的。原因在於甲酸的工作模式條件下，實際上在高溫條件下甲酸的電氧化率在200多度的時候，可以出現重整並且清洗兩個混合的工作方式。
這裡簡要過一下，因為剛才很多的老師已經講了鐵氮催化劑，在低溫條件下衰減很快。一個原因是因為豐富的面積，高溫條件下水是單向的，沒有水淹問題。所以，可以很好的緩解穩定性的問題。
當時只是做了一個初步的工作，做了單元的嵌入，高溫電池的應用。最重要的是我們發現鉑在高溫條件下，團聚比較嚴重而且很多磷酸鋪在鉑表面。如果是鐵氮碳的話，這個分布均勻得多，不像鉑會集中在一個區域，穩定性比在230度高的原因，最近進一步的調控，通過做成雙原子，用鐵銅來替代鐵的話，穩定性進一步提高。而且功率密度已經在230度的時候，跟鉑也比較接近了。
最後用自己做的這些材料，特別是自己做的鉑材料，製備大量的膜電極，去評估了一下它的性能，這個膜電極做出來的性能在0.6v的話，也可以做到120個安培。這樣的話跟商業化的幾個膜做了比對。目前我們自己做的水平是在紅色，不是最好的，也不是最差的，讓它優化去提升。對進用自己的做的膜電極去組裝了幾個堆，這個是12片，這個是20片全部是自己做的材料，這樣的話可以實現500瓦到1000瓦的過程。
最後也是給了我一個簡易的甲醛器。可以用自己的堆，用純氫和甲醛處理器進行標定一下，兩個溫度，150和160，純氫也會好一點。說明性能下降主要原因是重整性有20%幾的二氧化碳，分壓不一樣把電池目前也測了，大概有100多天。還是可以穩定工作的，這樣的話給了我很多的信心，今後可以往下接著做。
最後做一個小結，通過分鏈結構去回饋高分子膜的微觀調控獲得性價比優良的新型高溫質子膜材料。另外一個可以改變溫度的工作區間，還有催化劑在高溫膜裡面有比較好的應用前景。另外，也用自己的材料去搗騰了自己的電堆。
最後是感謝課題組所有老師和研究生的努力，還有國家項目和學校的一些人才計劃的支持。最後謝謝大家。