人物素描

随着全球能源消费总量的持续增加，能源转型与变革已成为世界各个国家和地区能源产业发展的主旋律。2020年第75届联合国大会上，习近平主席宣布，中国将力争2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”。作为世界上最大的发展中国家，这一承诺体现出一个大国的责任与担当。而想要实现“双碳”目标，就要在克服经济社会发展诸多挑战的同时，满足日益增长的能源需求。

风电、光电、氢能……当能源转型步伐加快时，新能源消纳的问题也随之出现。大量新能源发电因无法有效并网，导致了弃风、弃光现象的发生。与此同时，电网系统还因调度的难度骤增，面临着稳定性与安全性的挑战。

而解决这一问题的有效途径就是储能。“作为平衡能源供需、保障电力可靠供应的关键支撑技术，储能技术将能源在高峰期存储起来，在能源需求较大时释放，从而提供连续、可靠的能源供应。这不仅有助于平衡能源供需，还能提高能源利用效率，降低能源成本。”在天津大学国家储能技术产教融合创新平台，记者见到了焦魁，作为第十八届中国青年科技奖获得者，他接受了本刊记者的专访。

2011年，获得博士学位的焦魁从加拿大回到国内，进入天津大学任教。当时，国内燃料电池行业方兴未艾，焦魁作为这一领域的青年力量，倍感责任重大。“身为高校教师，除要不断提高自身科研水平外，培养学生、做好人才储备也是一份十分重要的任务。”焦魁对记者说，这一想法源于他入职之初的一段经历。“当时，我还是‘助课’教师，为了对学生进行有针对性的培养，我们从班里挑出了8位成绩并非顶尖但踏实肯学的本科生组成科研小组，分组给定方向，由我带着他们一步步进行摸索。”焦魁回忆说，在与学生的长时间交流探讨过程中，他发现激发学生对科研的兴趣与信心无比关键。“一开始，我们并没计划发论文，整个小组将重点放在培养科研兴趣上，我想如果他们能做出成果，就再鼓励动笔。”令焦魁没有想到的是，这个小组不仅做出了成果，而且还有6名学生以第一作者身份发表了高水平论文。“虽然这期间的过程很艰辛，但能取得这样的成绩，让我坚信了一点，本科生做科研，潜力不容小觑。”

这一经历让焦魁很受启发。于是，他在之后的工作中越发重视育人体系的搭建。不论身兼何职，焦魁始终聚焦育人核心要素，推动高等教育教学改革。在机械学院时，他全力推动博士生课程体系革新，融合实践与科研，实施海外访学激励，让大批学生有机会拓宽国际视野；在教务处工作期间，他依据教学实际撰写的系列制度文件成为全国示范，并由此有序推进了国家一流专业、一流课程等的建设。焦魁认为，在建设新工科的实际工作中，教学方法与手段的改革同样重要，于是他探索出一条“课堂、实践、竞赛”一体化的培养路径：将学生带进实验室，指导科创竞赛，把理论落于实操，让知识不再局限于书本。同时，他也秉持着因材施教的方针，鼓励学有余力的学生提前介入科研，倡导互助创新。“在课题组，本科生能发表高水平论文，研究生具备扎实的工程开发能力，毕业后能够实现‘即插即用’。此外，获得各级各类科技竞赛奖项、奖学金、优秀论文的学生更不在少数。”提起学生，焦魁的话语中充满着自豪与欣慰。

除了天津大学讲席教授、博士生导师的身份外，焦魁目前还是天津大学国家储能技术产教融合创新平台常务副主任。虽然到国家储能平台工作的时间并不长，但焦魁认为这里是让自己成长最快的地方。“作为全国首批三个国家储能技术产教融合创新平台之一，天津大学国家储能平台的建设意义大、时间紧、任务重，除了要新建硬件设施外，师资力量、培养方案、教学模式等‘软件’也要‘推陈出新’。”焦魁提道，储能技术属于战略性新兴技术，是助力我国实现“双碳”目标，推动全球能源格局革命性、颠覆性调整的重要支撑性技术，涉及化学、物理、材料、电气等众多学科，是典型的由交叉学科支撑的新工科专业，而传统的工科人才培养模式无法满足“高精尖缺”人才培养需求。为此，焦魁走访了校内相关专业的多位知名教授，在认真听取他们建议的同时，也向他们发出了诚挚的邀请。“这是储能技术平台的一大特点，老师们都是‘跨界’来上课，他们可能是化学院或是材料学院的老师，在储能技术的某一专业领域做得非常出色，那么我们就会邀请他们到储能技术平台来为学生们授课。”就这样，在焦魁的全力推动下，天大国家储能平台成为了一个不设限的‘全能’平台，学生们在这里不仅可以接触到储能技术领域的前沿科技，还能在各个不同的细分领域进行深入的学习探索。如今，用了短短3年的时间，焦魁就将天津大学储能科学与工程建设成了本、硕、博多层次人才培养的学科专业，同时，还牵头获批了天津市教学团队、天津市一流课程，探索出了具有天大特色的新工科人才培养模式，并被作为典型案例进行推广。

在不间断的反应中积蓄能量，在所需要的环境中释放能量。电池如此，人生亦是如此。“发展储能技术产业，需要跨学科、多领域交叉的复合型人才，现在离实现‘双碳’目标的时间越来越近，我们要做的事情还有很多。”焦魁表示，来到国家储能平台后最大的感受就是重任在肩、时不我待。“未来，我希望能够发挥好平台的作用，在培养人才、攻克难题上持续发力，为能源转型、服务‘双碳’继续贡献自己的一份力量。”

独家对话

记者：请您简单介绍一下您的专业领域及实际应用。

焦魁：我的研究主要围绕“双碳”背景下电化学能量转换、储存装置中的工程热物理问题，具体包括燃料电池、内燃机、氢能技术、二次电池、电解池、温差发电器等。目前，我的研究重点是质子交换膜燃料电池，这是当下最具应用前景的一类燃料电池技术。我和团队开展的工作既包括基础研究，如微介观尺度下物质输运与电化学反应机理揭示、两相流特征解析等；也包括应用研究，如燃料电池全流程正向开发仿真平台搭建、低铂膜电极设计以及高功率密度燃料电池开发等。这些工作的开展过程中，我们不仅获得了多项国家和省部级项目的支持，同时也与许多国内外头部企业保持着密切联系。我们所开发的燃料电池全流程仿真平台应用于40余家国内外领军企业的产品开发，为多款燃料电池产品开发提供了技术支持，希望能为推动燃料电池技术进步和全面产业化尽绵薄之力。

记者：能否简单介绍一下您近几年的科研成果？

焦魁：作为氢能利用中的核心技术，燃料电池是一种将氢气与氧气中的化学能直接转换为电能的能量转换装置，其大规模产业化仍受制于性能和成本等问题，而水热管理是解决这些问题的有效手段。近几年，我们团队的研究聚焦在“燃料电池水热管理”的关键科学问题和技术难点，围绕关键部件、全电池、电堆/系统三个层面建立了“机理探索→结构设计→策略制定→工程应用”的研究路线，实现从基础部件到系统的全流程自主仿真技术开发，助推燃料电池产业创新发展。

我们团队在燃料电池设计理论与方法领域深入钻研，成功建立全流程仿真模型，并提出了一种适用于商用燃料电池的数字化设计方法，可有效指导电池正向设计；建立了大尺寸燃料电池三维加一维仿真模型，该模型涵盖流道液态水、催化层微观传输等多尺度多物理场传输过程与电化学反应，借助优化算法，其计算效率较传统三维模型提升10—20倍。通过仿真和实验相结合的办法，可以快速提出多种优化方案，加速电池开发进程。

我们团队针对此电池模型在商用燃料电池尺寸下开展了全面且深入的验证工作。在极化曲线验证过程中，仿真结果与实验数据最大偏差也小于4%。在敏感性验证过程中，选取了5个对电池性能有着关键影响的工况参数，并在7个电流密度下展开细致验证，所有的仿真趋势与实验趋势都高度一致。在内部分布验证过程中，以0.8平方厘米的高分辨率精确验证了3个不同电流密度的分布情况。证明了模型在性能与机理层面的高精度预测能力。该数字化技术成功应用于一汽、东风、潍柴动力、亿华通、博世等多个企业的多款产品开发，其中，亿华通利用该技术开发燃料电池产品，在流动、电化学反应一致性方面提升20%，成本降低60%，研发周期缩短1/3。

我们团队还对质子交换膜燃料电池结构进行重构，整合新型组件，优化“气—水—热—电”传输路径，成功设计出超薄、超高功率密度燃料电池，将燃料电池体积功率密度提升约两倍。经研究团队估算，采用这种新型燃料电池结构的电堆，峰值体积功率密度有望达到9.8 千瓦/升，相比目前市面上主流同类产品性能提升超过80%。我们团队的研究成果为燃料电池功率密度提升、电池设计优化以及商业化进程推进，提供了新的方法与思路，同时，我们研究成果也得到人民日报、科技日报、光明网、基金委官网等主流媒体的报道。

就目前的研究来看，最大的挑战将是超高功率密度燃料电池的耐久性。我们的研究结果显示，经过5000次循环的加速耐久实验，仍未发现这种新结构对耐久方面产生的消极影响。但是，在更多的循环次数或者更长的正常实用工况，又或者其他极端工况，比如低温启动工况下，他的影响会是什么样的，这些问题目前还尚未展开研究。此外，如何将这一结构放大到全功率的电堆上，也是一个很大的工程挑战。我们接下来要进行的工作，也是围绕这种新型结构在实际应用和商业化方面展开的。

记者：越来越多的青年科技人才在工作中挑大梁、当主角，您作为青年科研工作者对此有何感悟，在实际工作中又是如何做的？

焦魁：当下，全市乃至全国都将激励青年科技人才视为推动科研创新的关键发力点，鼓励大家在科研工作里挑大梁、当主角，对此，我感触颇深。这一导向，为青年科技人才提供了更多崭露头角的机遇和舞台，也承载着党和国家的信任与期望。

回首过往，我的科研之路能走到如今，离不开我的导师李献国院士的悉心指导。还记得刚开始接触复杂课题时，我被海量的数据、晦涩的理论折磨得晕头转向，一度打起了退堂鼓。导师敏锐察觉到我的困境，他没有丝毫责备，而是耐心带着我解读文献，手把手指导我搭建研究框架，那些密密麻麻的批注、一次次深入细致的讨论，让我逐步掌握了科研的方法和思路。

而我与天津大学的缘分，亦是导师一手促成的。在我博士毕业面临职业抉择时，导师敏锐洞察到天津大学这片科研沃土蕴含的无限潜力，尤其是它在工科领域的深厚积淀与蓬勃发展态势，极力推荐我前来。他向我详细介绍了天津大学的科研底蕴和未来规划，让我看到了未来发展的诸多机会，从而让我决心在天大开启科研之路。

如今，接力棒交到我手中，助力青年人才成长成了我的使命。近几年，我努力指导年轻教师冲击“青年人才托举工程”、“博士后创新人才支持计划” 与 “香江学者计划”。针对“青年人才托举工程”，我积极培养并举荐年轻教师参评，帮助深入解读评选要求，共同打磨申报材料。针对“博士后创新人才支持计划”，我结合每位年轻教师的专业特长与兴趣方向，帮他们锚定高潜力的课题，一同钻研前沿文献，组织研讨激发创新思维，打磨出更具竞争力的申报方案。针对“香江学者计划”，鉴于其国际化交流需求，我分享自身海外求学的经验，督促他们苦练英文，还邀请国际知名学者线上分享交流，帮助他们融入国际学术圈，期望他们今后也能在国际科研舞台上挑大梁、当主角，为行业注入源源不断的新生力量。

津云：高端访谈——为储能培养人才 为人才培养储能

(编辑 焦德芳 罗城宇)