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建材行業十大科技突破領軍人物 | 韓敏芳——不負年華不負“氫”

來源:《中國建材》雜志  撰稿人:  發布時間:2022年05月24日 瀏覽:
摘要:

為進一步發揮先進的示范帶動作用,講好建材行業中不斷涌現的科技企業和科技人物的創新故事,更好地樹立科技創新典范,推動行業科技創新進步,中國建筑材料聯合會和主管主辦的《中國建材》雜志特同時開設專欄,力求走進企業,走近人物,挖掘先進企業和先進人物背后的生動故事,多角度報道他們的突出成就和重大貢獻。

  

  

  導語:為深入貫徹新時代科技強國、人才強國戰略,堅持面向國家重大需求、面向國際建材科技前沿、面向國民經濟主戰場、面向人民生命健康的科技創新方向,圍繞建材行業科技創新方面“突破”和“領軍”兩個關鍵維度,2021年,中國建筑材料聯合會首次發布了建材行業年度“十大科技突破領軍企業”和“十大科技突破領軍人物”。

  這些年度領軍企業和領軍人物是全行業落實“宜業尚品、造福人類” 建材行業新發展目標的縮影,對突破“卡脖子”瓶頸、推動建材行業綠色低碳、安全高質量發展發揮了重要作用,在全行業和社會上產生了廣泛和積極的影響。

  為進一步發揮先進的示范帶動作用,講好建材行業中不斷涌現的科技企業和科技人物的創新故事,更好地樹立科技創新典范,推動行業科技創新進步,中國建筑材料聯合會和主管主辦的《中國建材》雜志特同時開設專欄,力求走進企業,走近人物,挖掘先進企業和先進人物背后的生動故事,多角度報道他們的突出成就和重大貢獻。

  

  

  2022年4月22日是第53個世界地球日,主題是“珍愛地球人與自然和諧共生”。這是一個專為世界環境保護而設立的節日,旨在提高民眾對于現有環境問題的認識,并動員民眾通過綠色低碳生活,改善地球的整體環境。這一天,本文的主人公,清華大學燃料電池與儲能研究中心主任韓敏芳教授受邀參加“氫能在工業車輛及生產供能中的應用高峰論壇”和中華環保聯合會以“云端連線”形式舉行的“新能源、氫動力”綠色能源革命宣講活動,分享碳中和愿景下燃料電池發電、儲能的發展機遇。

  由于疫情管控,加上臨近清華大學111周年校慶,進出學校手續繁瑣,活動結束后,韓教授便與記者相約清華大學東門附近。能在這樣一個特殊的日子采訪到她,這其中既有巧合又極具意義。從青澀花季走進清華,再到重返母校踏上講臺,韓敏芳先后在無機非金屬材料、燃料電池和新能源技術的道路上探索了30多年。

  能源革命 向綠而生

  我國是一個產煤和燃煤大國,全年煤炭能源消費量約占世界的50%,造成煤燃料的極大浪費和嚴重的環境污染。在碳達峰、碳中和目標下,我國以煤為主的能源結構亟待轉型,而氫能是助力實現“雙碳”目標,深入推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、安全高效能源體系的重要支撐技術。3月23日,國家發展改革委、國家能源局聯合發布《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035)》,明確指出氫能是我國未來能源體系的重要組成部分,要加快氫能技術研發和示范應用,探索在工業、交通運輸、建筑等領域規?;瘧?。于是越來越多的人將目光投向這種當今世界公認的最清潔的二次能源。

  氫是宇宙中分布最廣泛的物質,在地球上主要以化合態的形式出現,它燃燒的產物是水,是世界上最干凈的能源。由于其舉足輕重的地位,氫的制取、儲存、運輸、應用技術自然成為近年來備受關注的焦點。

  燃料電池是一種電化學反應的發電裝置,直接將燃料的化學能轉化為電能,轉化效率高且無污染,是十分理想的能源利用方式。韓敏芳介紹,燃料電池可以簡單地分為氫燃料電池和氧燃料電池,前者只能使用純氫氣為燃料,后者則可以使用范圍更廣的燃料。

  固體氧化物燃料電池(SOFC)便屬于后者。與傳統的燃燒發電過程相比,它以其全固態結構、更高的能量效率、更低的污染物排放和對氫氣、煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體廣泛適應性等突出特點,成為通過電化學反應來替代煤燃燒發電的一條重要途徑。韓敏芳的研究方向,正是“固體氧化物燃料電池材料研發、批量制備及產業應用”。

  “SOFC發電技術很容易與現有能源供應系統兼容,非常適用于住宅、樓宇、社區及商業建筑等的分布式發電和熱電聯供,有利于建筑節能和供給側能源改革和結構調整?!表n敏芳告訴記者,日本、美國、德國等都將SOFC分布式發電(熱電聯供)列為國家戰略高技術,商業化應用已經十多年,但所有產品和技術均禁售給中國,是典型的“卡脖子”難題。

  據測算,傳統的熱機的一次發電效率為30%~45%,而燃料電池的一次發電效率能達到45%~65%。以日本三菱重工250千瓦級別的SOFC-MGT系統為例,與傳統火力發電相比,該系統能夠減少47%的碳排放;而用于住宅的小型SOFC熱電聯供系統,如700瓦級別,每臺每年便可減少1.3噸的碳排放。

  千瓦級固體氧化物燃料電池堆

  在韓敏芳看來,除了發電,SOFC還有一項“黑科技”,它不僅能利用燃料氣體發電,反過來還能將二氧化碳電解成一氧化碳和氧,一氧化碳可直接轉換為燃料,不僅實現了減碳,還節約了能源。她表示,目前國外已將這項技術應用于煉鋼廠,未來也有望應用于水泥行業,助力減碳。

  從零起步 迎難而上

  韓敏芳本科專業是無機非金屬材料,1990年在清華大學畢業后到中國礦業大學(北京)攻讀碩士“礦物加工工程專業”,后留校工作了21年。2014年經人才引進回到清華大學成為長聘教授。自上世紀90年代末,她開始跟蹤燃料電池技術,交叉涉足到能源與動力工程領域,率領團隊歷經近30年的產、學、研聯合攻關,從基礎研究開始,以自主知識產權打通了SOFC“核心材料—電池制備—電堆組件—系統構建”全產業鏈核心技術,實現了成果落地轉化,開啟了我國SOFC產業“從0到1”的深刻變革。

  回憶起這些過程,韓敏芳多次提到“沒想到這么難”。原來,要想打造出一個可以工作運行的發電系統,要從最基礎的材料研究開始。這就好比想開一間烘焙工坊,得先研究如何種小麥。

  縱觀整條產業鏈,對韓敏芳來說,材料、電池、模塊、系統每個環節都是極大的挑戰。全新產業,空白領域,關鍵技術被外國封鎖,一切只能從頭開始。

  每塊固體氧化物燃料電池是由數個結構像三明治一樣的薄片組合而成,每片“三明治”的上下兩層分別是陽極和陰極,為多孔氧化物材料,中間一層是電解質材料,要求致密且輕薄。固體氧化物燃料電池工作運行的核心原理是通過電解質傳導氧離子,很長時間內,韓敏芳一直潛心研究一種叫氧化鋯的特種陶瓷材料在特定條件下傳導氧離子的各種性能及制備工藝,為SOFC技術發展奠定基礎。

  人的發絲直徑大約在50至100微米,SOFC中氧化鋯基陶瓷電解質(簡稱YSZ)僅有10微米厚。燒成出薄薄一片已實屬不易,尺寸還得大,并且要在不同溫度不同條件下將三層不同材質、不同結構的材料燒結到一起,韓敏芳團隊絞盡腦汁,最終針對這一難題發明了三步燒結方法,在低溫下(小于1300℃)實現了薄膜致密化燒結,獲得亞微米細晶粒電解質,電導率提高了20%~40%;提出了導體晶界空位富集型導電機理模型,揭示了YSZ細晶粒、薄晶界快速傳導機制;發明了大尺寸(厚度小于0.5毫米,邊長大于110毫米)異質、異構、多層薄膜陶瓷共燒結方法,自主設計了生產線,實現了批量化生產,獲得高性能輸出和穩定運行。

  搞定了材料和電池單元,還要將它們模塊化,制作成電池堆。首先要把每片金屬連接體的表面包裹抗氧化且導電的保護涂層,再選擇特種玻璃作為密封和封接材料,將每塊“三明治”電池與金屬構件依次間隔連接起來。反復試驗后,韓敏芳終于在電池堆層面突破了低膨脹、高溫抗氧化金屬連接體及導電涂層制備技術和玻璃-陶瓷復合密封材料及高可靠組合封接技術。

  2010年,韓敏芳開始組建產業化團隊,推動成立專業化公司,在社會各方資金支持下,親自主持,依次完成了上述核心關鍵技術的中試驗證。這從實驗室走向市場的第一步,就用了6年。

單電池批量化生產線

  隨著技術日漸成熟,2017年9月,產業化落地轉化工作正式啟動。2018年,韓敏芳又投入到組織研發生產線設計和建設工作中。2019年,國內首條自主知識產權、年產百萬片固體氧化物燃料電池材料的自動化生產線在徐州建成,產品性能達到國際領先水平,目前運行時間已超過1萬小時,國際燃料電池權威媒體FuelCellWorks報道指出:“這是中國氫能產業領域自主創新的重大突破?!?/span>

  與此同時,在發電系統層面,韓敏芳團隊自主研發,實現了千瓦級SOFC發電系統設計集成,陸續在晉城、上海、攀枝花、東莞、徐州等地推動開展了采用氣化煤氣、管道天然氣、液化石油氣等多種燃料、多場景的示范應用。

  行之以躬 不言而信

  科學像一把鑰匙,開啟上游九天攬星辰、下巡五湖縱云海的夢想,也點亮了無數人的內心。

  韓敏芳出生在河北藁城,不待揚鞭自奮蹄,憑借天賦和毅力,她考上了縣里的高中,并成為學校前后幾年內唯一被清華大學錄取的學生。她相信,唯有不斷學習,掌握知識,才能主宰自己的命運。

  起初,專注科研的她將大部分精力投入到SOFC關鍵材料研發和產品制備上,但是,每完成一個環節,她面對的又是一片“荒漠”,一切的技術和產業都是零。

  “上世紀八九十年代,以美國、日本為主的發達國家就開始了固體氧化物燃料電池的研究。美國在2010年前后將SOFC分布式發電技術產品推向市場應用領域,日本則用了30年實現了從材料研發階段到設備大規模生產,目前已廣泛應用于從民居到商業大樓的分布式熱電聯供和多種工業領域。我國開始SOFC的研發幾乎與美日同步,但如今美國甚至已經將這一技術用在了火星探測器,我們卻還處在示范階段?!表n敏芳心里很焦急。

  過程是很艱難,那又怎樣?細數過往,正是心底的那份責任與擔當推著她不斷向前,從基礎研究、技術突破,走上產業轉化、示范應用,解決了全產業鏈上一個又一個難點,成為我國SOFC產業的“拓荒者”。如今,她很高興地看到,有越來越多的人參與到這項事業之中,久久為功,“荒漠”終將變“綠洲”。

  韓敏芳帶領的研究團隊

  韓敏芳不僅是清華大學燃料電池與儲能研究中心主任、能源與動力工程系學術委員會副主任,還是教育部“長江學者”特聘教授、國家“973計劃”固體氧化物燃料電池項目首席科學家、國家重點研發計劃“固體氧化物燃料電池項目”負責人、中國硅酸鹽學會固態離子學分會副理事長,多次擔任國際學術會議Asian SOFC Symposium主席,還是第十四、十五屆北京市人大代表。

  同時,韓敏芳牽頭于2016年發起成立了中國能源研究會燃料電池專業委員會,現擔任常務副主任兼秘書長;2017年發起成立由國家能源局批準的能源行業高溫燃料電池標準委員會并任主任;2021年發起成立中關村氫能與燃料電池技術創新產業聯盟,任常務副理事長,親自主持相關行業建設工作。她積極推動SOFC行業建設和產業標準研究,為我國建設“清潔低碳、安全高效”現代能源體系和“雙碳”目標的實現貢獻力量。

  2021年,中國建筑材料聯合會、中國硅酸鹽學會正式批準公告了47項2020年度建筑材料科學技術獎獲獎項目,韓敏芳團隊的“高性能碳基燃料固體氧化物燃料電池應用基礎研究”項目獲基礎研究獎一等獎。此外,她還曾獲得省部級科技獎勵8項,相關專利100多項,發表論文200余篇,出版學術論著5部,并榮獲“教育部新世紀人才”“科技北京”百名領軍人才、北京市“三八”紅旗獎章、江蘇省“雙創人才”等。鑒于為保障我國建材行業綠色低碳、關鍵領域產業鏈供應鏈的安全高質量發展,補短板、鑄長板、推進核心技術的自主可控而作出的重要貢獻,她于去年年底被中國建筑材料聯合會評為建材行業2021年度十大科技突破領軍人物。

  行之以躬,不言而信。30多年來,韓敏芳以“無我”的堅守,在科學技術的前沿傾注心血,不辭艱辛,不計名利,把青春年華奉獻給科研事業;以“大我”的品格,在漫漫征途路上始終保持謙虛謹慎的作風,不斷攻克“卡脖子”技術,默默地改變著人們的生活;以“忘我”的精神,在屢敗屢戰中執著,在精益求精中探索,實現了一個又一個的突破。

  臨別前,記者為韓敏芳在清華大學門前拍了張照片,她說這還是第一次在這里拍照。四月芳菲,春色漸濃,往事幕幕,記憶猶新。那個仰望星空的農村女孩,已成為行業內響當當的學者、科學家,相信她對科學的執著和熱情將陪伴她走向更遠的未來。(靳慧怡)

責任編輯:單建慶
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