近日，科技日報記者走進(jìn)天津大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺的實驗室，看到該平臺常務(wù)副主任焦魁教授正在和團(tuán)隊成員探討燃料電池仿真技術(shù)。他帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)的燃料電池全流程正向開發(fā)仿真平臺，可以幫助工程師更高效地設(shè)計和優(yōu)化燃料電池，為燃料電池技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用提供關(guān)鍵支持。
焦魁多年扎根科研一線，不斷創(chuàng)新、持續(xù)深耕。在前不久舉行的2024世界青年科學(xué)家峰會上，他獲得第十八屆中國青年科技獎。
堅持是科研的敲門磚
焦魁的科研之路始于2007年。當(dāng)時，他碩士畢業(yè)，懷著對氫能與燃料電池領(lǐng)域的熱愛，選擇攻讀博士學(xué)位。
“那時候，燃料電池研究取得的進(jìn)展距離商業(yè)化還有很大差距，很多問題都沒有現(xiàn)成的答案。”焦魁回憶道。博士期間，他選擇了質(zhì)子交換膜燃料電池水熱管理這一難題作為研究方向。
后來，焦魁加入天津大學(xué)，開始深耕燃料電池領(lǐng)域。然而，他的科研之路并非一帆風(fēng)順。
2008年到2014年是燃料電池的寒冬期：燃料電池研究經(jīng)費(fèi)緊張，行業(yè)前景不明朗。焦魁回憶道，“很多同行都轉(zhuǎn)型了，我也曾動搖過。”
“在我產(chǎn)生動搖時，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實驗室時任主任堯命發(fā)對我說，‘你如果沒有錢我可以資助，但是不要輕易換項目。’這句話讓我深受感動，讓我堅定了繼續(xù)前行的信心。”焦魁說。
經(jīng)過分析，焦魁認(rèn)為氫能和燃料電池技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢，未來前景看好。堅定了大方向，焦魁心無旁騖地一頭扎在科研中。
在科研過程中，焦魁經(jīng)常會遇到“難啃的硬骨頭”，每到這時他就特別興奮。“科研能獲得探索未知的樂趣。”焦魁認(rèn)為，“科研路上的難題考驗我們的技術(shù)能力和創(chuàng)新精神，促使我們不斷進(jìn)步和成長。每一次突破都讓我感到無比興奮和滿足。”
燃料電池的仿真技術(shù)領(lǐng)域一度被國外公司壟斷，我國相關(guān)技術(shù)體系并不完善。如何建立一個完整的、適用于燃料電池、電解池、鋰電池等能量轉(zhuǎn)換裝置的仿真技術(shù)體系，成了焦魁團(tuán)隊面臨的最大挑戰(zhàn)。
通過反復(fù)實驗，焦魁團(tuán)隊針對燃料電池發(fā)明了全流程，可用于正向設(shè)計的高效高精度仿真技術(shù)，其核心技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。它克服了之前仿真技術(shù)中存在的效果差、部分功能缺失等問題。
“科研就像一場馬拉松，拼的不是速度，而是耐力。”焦魁說，“在面對困境時，我會提醒自己，在科研的道路上，失敗、遇到挑戰(zhàn)在所難免，每一次克服困難都讓我離取得最終突破更近一步。”
焦魁深知，科研成果只有投入實際應(yīng)用，才能真正推動社會進(jìn)步。他帶領(lǐng)團(tuán)隊與國內(nèi)多家龍頭企業(yè)合作，將仿真技術(shù)應(yīng)用于燃料電池、電解池、鋰電池等能量轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計和優(yōu)化中。通過與一汽、上汽、濰柴、德國博世等企業(yè)的合作，他們的技術(shù)得到了驗證應(yīng)用，繼而極大地推動了我國燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
“每當(dāng)想到自己的工作能夠為我國燃料電池領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量，我就感到非常榮幸與自豪。”焦魁對記者說。
照亮學(xué)生前行道路
除了科研工作，焦魁還承擔(dān)著教書育人的重任。
“我喜歡和學(xué)生接觸，喜歡看到他們的成長。”焦魁認(rèn)為，科研人員從事教學(xué)工作，不僅能將前沿知識與創(chuàng)新思維融入課堂，激發(fā)學(xué)生的探索熱情；同時，還可以通過言傳身教，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，為社會輸送高素質(zhì)創(chuàng)新人才。這不僅是知識傳承的需要，更是科研人員承擔(dān)社會責(zé)任的體現(xiàn)。
焦魁非常注重因材施教，鼓勵學(xué)生提前參與科研項目，并倡導(dǎo)互助創(chuàng)新。“本科生就可以參與到我們的項目中來，提前對科研有一個直觀了解。研究生則有機(jī)會參與企業(yè)項目并成長為技術(shù)骨干。”焦魁介紹。
專業(yè)、課程、教材、教法等都是育人的核心要素。在每個方面，焦魁都盡心盡責(zé)。他主講多門課程，出版了多部教材，其中《人工智能應(yīng)用導(dǎo)論》獲天津市精品教材建設(shè)立項，《燃料電池科學(xué)與技術(shù)》獲評天津市一流課程。
“在教學(xué)方法方面，我比較贊同課堂、實踐和競賽的一體化。通過帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實驗室、指導(dǎo)科創(chuàng)競賽等方式，將理論知識與實際操作相結(jié)合。”焦魁說。在他的指導(dǎo)下，多名學(xué)生獲得了寶鋼優(yōu)秀學(xué)生特等獎、天津大學(xué)學(xué)生科學(xué)獎等榮譽(yù)，并在國際會議上屢獲佳績。
“我希望可以照亮學(xué)生前行的道路，使他們勇敢地踏上探索未知的征程。”焦魁說。
聚焦氫能助力“雙碳”
“氫能是實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而燃料電池則是氫能應(yīng)用的核心。”作為我國燃料電池領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，焦魁教授深知?dú)淠芗夹g(shù)對國家能源轉(zhuǎn)型的重要性。
天津大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺是國家發(fā)展改革委、教育部批準(zhǔn)建設(shè)的全國首批三個國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺之一。平臺聚焦電化學(xué)儲能、燃料儲能與應(yīng)用、儲能裝備與系統(tǒng)、儲能安全與運(yùn)維以及儲能經(jīng)濟(jì)與政策五個研究中心，致力于打通儲能領(lǐng)域的人才鏈、創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈。
在科研方面，焦魁團(tuán)隊聚焦燃料電池的“一體化”和“有序化”設(shè)計。傳統(tǒng)燃料電池的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計存在根本缺陷，限制了氣、水、電、熱的傳輸效率。為了解決這一問題，焦魁提出了流道和多孔電極的一體化設(shè)計思路，通過大幅度縮短物質(zhì)傳輸路徑，減少多層結(jié)構(gòu)帶來的接觸阻力，推動燃料電池超薄設(shè)計的實現(xiàn)。
“我們希望通過‘有序化’設(shè)計，使燃料電池中的物質(zhì)傳輸更加高效，減少生產(chǎn)過程中的波動，從而開發(fā)出具有超高功率密度和長壽命的燃料電池電堆產(chǎn)品。”焦魁解釋道。這些技術(shù)突破不僅為燃料電池的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，也為我國氫能技術(shù)提升國際競爭力提供了有力支撐。
在人才培養(yǎng)方面，焦魁和團(tuán)隊成功打造了一個跨學(xué)科、多層次、“產(chǎn)學(xué)研用”融合的人才培養(yǎng)體系。
“我們構(gòu)建了‘學(xué)科交叉、科教融匯、產(chǎn)教融合’的三層次實驗教學(xué)體系，并探索實踐了‘2+1+N’本研貫通培養(yǎng)路徑。”焦魁自豪地說。該平臺還與國家電網(wǎng)、中國電科、濰柴、華為、比亞迪等龍頭企業(yè)建立了密切的合作關(guān)系，構(gòu)建了“1+N+X”產(chǎn)學(xué)研合作新模式。
“我們培養(yǎng)的儲能專業(yè)2021級研究生畢業(yè)后，部分繼續(xù)深造，七成進(jìn)入國家電網(wǎng)、比亞迪、中國電建、許繼集團(tuán)、特變電工等能源領(lǐng)域龍頭企業(yè)工作，得到了產(chǎn)業(yè)界的高度認(rèn)可。”焦魁自豪地說。
談及未來，焦魁充滿信心。他說，平臺將繼續(xù)聚焦電化學(xué)儲能、燃料儲能、儲能系統(tǒng)應(yīng)用、儲能安全、儲能經(jīng)濟(jì)與政策等領(lǐng)域，推動技術(shù)的快速應(yīng)用與轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。“我們將深化跨學(xué)科合作，整合各方資源，培養(yǎng)更多高水平的復(fù)合型人才，確保儲能技術(shù)研發(fā)能夠與產(chǎn)業(yè)需求緊密對接。”
“科研是一場沒有終點(diǎn)的旅程，但我相信，只要堅持，就一定能夠取得一個又一個突破。”焦魁說。他希望通過自己的努力，為我國的能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)，助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。
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