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    建材行业十大科技突破领军人物 | 韩敏芳——不负年华不负“氢”

    来源:《中国建材》杂志  撰稿人:  发布时间:2022年05月24日 浏览:
    摘要:

    为进一步发挥先进的示范带动作用,讲好建材行业中不断涌现的科技企业和科技人物的创新故事,更好地树立科技创新典范,推动行业科技创新进步,中国建筑材料联合会和主管主办的《中国建材》杂志特同时开设专栏,力求走进企业,走近人物,挖掘先进企业和先进人物背后的生动故事,多角度报道他们的突出成就和重大贡献。

      

      

      导语:为深入贯彻新时代科技强国、人才强国战略,坚持面向国家重大需求、面向国际建材科技前沿、面向国民经济主战场、面向人民生命健康的科技创新方向,围绕建材行业科技创新方面“突破”和“领军”两个关键维度,2021年,中国建筑材料联合会首次发布了建材行业年度“十大科技突破领军企业”和“十大科技突破领军人物”。

      这些年度领军企业和领军人物是全行业落实“宜业尚品、造福人类” 建材行业新发展目标的缩影,对突破“卡脖子”瓶颈、推动建材行业绿色低碳、安全高质量发展发挥了重要作用,在全行业和社会上产生了广泛和积极的影响。

      为进一步发挥先进的示范带动作用,讲好建材行业中不断涌现的科技企业和科技人物的创新故事,更好地树立科技创新典范,推动行业科技创新进步,中国建筑材料联合会和主管主办的《中国建材》杂志特同时开设专栏,力求走进企业,走近人物,挖掘先进企业和先进人物背后的生动故事,多角度报道他们的突出成就和重大贡献。

      

      

      2022年4月22日是第53个世界地球日,主题是“珍爱地球人与自然和谐共生”。这是一个专为世界环境?;ざ枇⒌慕谌?,旨在提高民众对于现有环境问题的认识,并动员民众通过绿色低碳生活,改善地球的整体环境。这一天,本文的主人公,清华大学燃料电池与储能研究中心主任韩敏芳教授受邀参加“氢能在工业车辆及生产供能中的应用高峰论坛”和中华环保联合会以“云端连线”形式举行的“新能源、氢动力”绿色能源革命宣讲活动,分享碳中和愿景下燃料电池发电、储能的发展机遇。

      由于疫情管控,加上临近清华大学111周年校庆,进出学校手续繁琐,活动结束后,韩教授便与记者相约清华大学东门附近。能在这样一个特殊的日子采访到她,这其中既有巧合又极具意义。从青涩花季走进清华,再到重返母校踏上讲台,韩敏芳先后在无机非金属材料、燃料电池和新能源技术的道路上探索了30多年。

      能源革命 向绿而生

      我国是一个产煤和燃煤大国,全年煤炭能源消费量约占世界的50%,造成煤燃料的极大浪费和严重的环境污染。在碳达峰、碳中和目标下,我国以煤为主的能源结构亟待转型,而氢能是助力实现“双碳”目标,深入推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要支撑技术。3月23日,国家发展改革委、国家能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划(2021—2035)》,明确指出氢能是我国未来能源体系的重要组成部分,要加快氢能技术研发和示范应用,探索在工业、交通运输、建筑等领域规?;τ?。于是越来越多的人将目光投向这种当今世界公认的最清洁的二次能源。

      氢是宇宙中分布最广泛的物质,在地球上主要以化合态的形式出现,它燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源。由于其举足轻重的地位,氢的制取、储存、运输、应用技术自然成为近年来备受关注的焦点。

      燃料电池是一种电化学反应的发电装置,直接将燃料的化学能转化为电能,转化效率高且无污染,是十分理想的能源利用方式。韩敏芳介绍,燃料电池可以简单地分为氢燃料电池和氧燃料电池,前者只能使用纯氢气为燃料,后者则可以使用范围更广的燃料。

      固体氧化物燃料电池(SOFC)便属于后者。与传统的燃烧发电过程相比,它以其全固态结构、更高的能量效率、更低的污染物排放和对氢气、煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,成为通过电化学反应来替代煤燃烧发电的一条重要途径。韩敏芳的研究方向,正是“固体氧化物燃料电池材料研发、批量制备及产业应用”。

      “SOFC发电技术很容易与现有能源供应系统兼容,非常适用于住宅、楼宇、社区及商业建筑等的分布式发电和热电联供,有利于建筑节能和供给侧能源改革和结构调整?!焙舴几嫠呒钦?,日本、美国、德国等都将SOFC分布式发电(热电联供)列为国家战略高技术,商业化应用已经十多年,但所有产品和技术均禁售给中国,是典型的“卡脖子”难题。

      据测算,传统的热机的一次发电效率为30%~45%,而燃料电池的一次发电效率能达到45%~65%。以日本三菱重工250千瓦级别的SOFC-MGT系统为例,与传统火力发电相比,该系统能够减少47%的碳排放;而用于住宅的小型SOFC热电联供系统,如700瓦级别,每台每年便可减少1.3吨的碳排放。

      千瓦级固体氧化物燃料电池堆

      在韩敏芳看来,除了发电,SOFC还有一项“黑科技”,它不仅能利用燃料气体发电,反过来还能将二氧化碳电解成一氧化碳和氧,一氧化碳可直接转换为燃料,不仅实现了减碳,还节约了能源。她表示,目前国外已将这项技术应用于炼钢厂,未来也有望应用于水泥行业,助力减碳。

      从零起步 迎难而上

      韩敏芳本科专业是无机非金属材料,1990年在清华大学毕业后到中国矿业大学(北京)攻读硕士“矿物加工工程专业”,后留校工作了21年。2014年经人才引进回到清华大学成为长聘教授。自上世纪90年代末,她开始跟踪燃料电池技术,交叉涉足到能源与动力工程领域,率领团队历经近30年的产、学、研联合攻关,从基础研究开始,以自主知识产权打通了SOFC“核心材料—电池制备—电堆组件—系统构建”全产业链核心技术,实现了成果落地转化,开启了我国SOFC产业“从0到1”的深刻变革。

      回忆起这些过程,韩敏芳多次提到“没想到这么难”。原来,要想打造出一个可以工作运行的发电系统,要从最基础的材料研究开始。这就好比想开一间烘焙工坊,得先研究如何种小麦。

      纵观整条产业链,对韩敏芳来说,材料、电池、???、系统每个环节都是极大的挑战。全新产业,空白领域,关键技术被外国封锁,一切只能从头开始。

      每块固体氧化物燃料电池是由数个结构像三明治一样的薄片组合而成,每片“三明治”的上下两层分别是阳极和阴极,为多孔氧化物材料,中间一层是电解质材料,要求致密且轻薄。固体氧化物燃料电池工作运行的核心原理是通过电解质传导氧离子,很长时间内,韩敏芳一直潜心研究一种叫氧化锆的特种陶瓷材料在特定条件下传导氧离子的各种性能及制备工艺,为SOFC技术发展奠定基础。

      人的发丝直径大约在50至100微米,SOFC中氧化锆基陶瓷电解质(简称YSZ)仅有10微米厚。烧成出薄薄一片已实属不易,尺寸还得大,并且要在不同温度不同条件下将三层不同材质、不同结构的材料烧结到一起,韩敏芳团队绞尽脑汁,最终针对这一难题发明了三步烧结方法,在低温下(小于1300℃)实现了薄膜致密化烧结,获得亚微米细晶粒电解质,电导率提高了20%~40%;提出了导体晶界空位富集型导电机理模型,揭示了YSZ细晶粒、薄晶界快速传导机制;发明了大尺寸(厚度小于0.5毫米,边长大于110毫米)异质、异构、多层薄膜陶瓷共烧结方法,自主设计了生产线,实现了批量化生产,获得高性能输出和稳定运行。

      搞定了材料和电池单元,还要将它们??榛?,制作成电池堆。首先要把每片金属连接体的表面包裹抗氧化且导电的?;ね坎?,再选择特种玻璃作为密封和封接材料,将每块“三明治”电池与金属构件依次间隔连接起来。反复试验后,韩敏芳终于在电池堆层面突破了低膨胀、高温抗氧化金属连接体及导电涂层制备技术和玻璃-陶瓷复合密封材料及高可靠组合封接技术。

      2010年,韩敏芳开始组建产业化团队,推动成立专业化公司,在社会各方资金支持下,亲自主持,依次完成了上述核心关键技术的中试验证。这从实验室走向市场的第一步,就用了6年。

    单电池批量化生产线

      随着技术日渐成熟,2017年9月,产业化落地转化工作正式启动。2018年,韩敏芳又投入到组织研发生产线设计和建设工作中。2019年,国内首条自主知识产权、年产百万片固体氧化物燃料电池材料的自动化生产线在徐州建成,产品性能达到国际领先水平,目前运行时间已超过1万小时,国际燃料电池权威媒体FuelCellWorks报道指出:“这是中国氢能产业领域自主创新的重大突破?!?/span>

      与此同时,在发电系统层面,韩敏芳团队自主研发,实现了千瓦级SOFC发电系统设计集成,陆续在晋城、上海、攀枝花、东莞、徐州等地推动开展了采用气化煤气、管道天然气、液化石油气等多种燃料、多场景的示范应用。

      行之以躬 不言而信

      科学像一把钥匙,开启上游九天揽星辰、下巡五湖纵云海的梦想,也点亮了无数人的内心。

      韩敏芳出生在河北藁城,不待扬鞭自奋蹄,凭借天赋和毅力,她考上了县里的高中,并成为学校前后几年内唯一被清华大学录取的学生。她相信,唯有不断学习,掌握知识,才能主宰自己的命运。

      起初,专注科研的她将大部分精力投入到SOFC关键材料研发和产品制备上,但是,每完成一个环节,她面对的又是一片“荒漠”,一切的技术和产业都是零。

      “上世纪八九十年代,以美国、日本为主的发达国家就开始了固体氧化物燃料电池的研究。美国在2010年前后将SOFC分布式发电技术产品推向市场应用领域,日本则用了30年实现了从材料研发阶段到设备大规模生产,目前已广泛应用于从民居到商业大楼的分布式热电联供和多种工业领域。我国开始SOFC的研发几乎与美日同步,但如今美国甚至已经将这一技术用在了火星探测器,我们却还处在示范阶段?!焙舴夹睦锖芙辜?。

      过程是很艰难,那又怎样?细数过往,正是心底的那份责任与担当推着她不断向前,从基础研究、技术突破,走上产业转化、示范应用,解决了全产业链上一个又一个难点,成为我国SOFC产业的“拓荒者”。如今,她很高兴地看到,有越来越多的人参与到这项事业之中,久久为功,“荒漠”终将变“绿洲”。

      韩敏芳带领的研究团队

      韩敏芳不仅是清华大学燃料电池与储能研究中心主任、能源与动力工程系学术委员会副主任,还是教育部“长江学者”特聘教授、国家“973计划”固体氧化物燃料电池项目首席科学家、国家重点研发计划“固体氧化物燃料电池项目”负责人、中国硅酸盐学会固态离子学分会副理事长,多次担任国际学术会议Asian SOFC Symposium主席,还是第十四、十五届北京市人大代表。

      同时,韩敏芳牵头于2016年发起成立了中国能源研究会燃料电池专业委员会,现担任常务副主任兼秘书长;2017年发起成立由国家能源局批准的能源行业高温燃料电池标准委员会并任主任;2021年发起成立中关村氢能与燃料电池技术创新产业联盟,任常务副理事长,亲自主持相关行业建设工作。她积极推动SOFC行业建设和产业标准研究,为我国建设“清洁低碳、安全高效”现代能源体系和“双碳”目标的实现贡献力量。

      2021年,中国建筑材料联合会、中国硅酸盐学会正式批准公告了47项2020年度建筑材料科学技术奖获奖项目,韩敏芳团队的“高性能碳基燃料固体氧化物燃料电池应用基础研究”项目获基础研究奖一等奖。此外,她还曾获得省部级科技奖励8项,相关专利100多项,发表论文200余篇,出版学术论著5部,并荣获“教育部新世纪人才”“科技北京”百名领军人才、北京市“三八”红旗奖章、江苏省“双创人才”等。鉴于为保障我国建材行业绿色低碳、关键领域产业链供应链的安全高质量发展,补短板、铸长板、推进核心技术的自主可控而作出的重要贡献,她于去年年底被中国建筑材料联合会评为建材行业2021年度十大科技突破领军人物。

      行之以躬,不言而信。30多年来,韩敏芳以“无我”的坚守,在科学技术的前沿倾注心血,不辞艰辛,不计名利,把青春年华奉献给科研事业;以“大我”的品格,在漫漫征途路上始终保持谦虚谨慎的作风,不断攻克“卡脖子”技术,默默地改变着人们的生活;以“忘我”的精神,在屡败屡战中执着,在精益求精中探索,实现了一个又一个的突破。

      临别前,记者为韩敏芳在清华大学门前拍了张照片,她说这还是第一次在这里拍照。四月芳菲,春色渐浓,往事幕幕,记忆犹新。那个仰望星空的农村女孩,已成为行业内响当当的学者、科学家,相信她对科学的执着和热情将陪伴她走向更远的未来。(靳慧怡)

    责任编辑:单建庆
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