WILEY人物访谈——天津大学焦魁教授

二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”。这是中国对国际社会的承诺,也是对国内的动员令。天津大学焦魁教授“耕耘”工程热物理多年,与国内外诸多头部企业合作,在氢能利用领域,特别是为燃料电池仿真平台的开发做出了卓越的贡献。

人物简介

焦魁,天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室教授、博士生导师。主要从事能源利用和工程热物理方面的研究工作。近年来主持科研项目30余项,包括国家优秀青年基金、英国皇家学会牛顿高级学者基金、国家重点研发计划课题等国家和省部级项目,以及上汽、一汽、潍柴、捷氢、博世、长城、中汽研等企业委托研发项目。所开发的燃料电池仿真模型在多家企业得到成功应用,支撑了多款燃料电池发动机和整车的研发工作。以第一或通讯作者在Nature等国际期刊发表100余篇文章。他是国际期刊Energy and AI创刊副主编、International Journal of Green Energy副主编、IEEE TTE, Applied Energy等期刊编委、中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员、英国皇家学会会士,获中国内燃机学会自然科学一等奖(第1完成人)、霍英东青年教师奖、吴仲华青年学者奖等荣誉。

MVC:请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作。

焦魁(JK):课题组的研究主要围绕双碳背景下电化学能量转化、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。目前我们的研究重点是质子交换膜燃料电池,这是当下商业化程度最高、最具应用前景的一类燃料电池技术。我们所开展的工作既包括基础研究,如微介观尺度下传输过程仿真与机理揭示、两相流特征解析以及质子交换膜与催化剂结构设计等,也包括应用研究,如燃料电池多维度-多层次仿真平台搭建、基础部件合成工艺开发以及燃料电池表征测试等。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,同时也与诸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多维度-多层次仿真平台应用于多家企业的产品开发,为多款燃料电池产品开发提供了技术支持,为推动燃料电池技术进步和全面产业化做出了我们的贡献。

MVC:您最近为《自然》撰写展望“Designing the Next Generation of Proton-Exchange Membrane Fuel Cells”,阐明了未来10-20年燃料电池发动机技术路线。能为从事材料研究的读者们阐述如何理性地从头设计(De Novo Design)燃料电池电催化剂和质子交换膜吗?

JK燃料电池近几十年来得到了长足的发展,功率密度不断提升。但总体来讲,真正进入市场的燃料电池催化剂和质子交换膜的材料体系变化不大。催化剂的材料基本为铂金属或铂合金,因为其具有较高的催化活性和稳定性;质子交换膜的材料基本为全氟磺酸高聚物,因为其具有较高的质子电导率、机械强度和稳定性。但是未来10年左右,燃料电池的功率密度要提升2-3倍,因此对电催化剂和质子交换膜的材料体系提出了挑战。我们预测未来催化剂颗粒的形貌将发生重大变化,比如:核壳结构、纳米笼、纳米框架、纳米线等,从而能不断提升催化剂的质量活性,并降低铂的载量。有序化催化层也是未来重要发展方向之一,有序化有助于提升物质传输的效率和催化剂的利用率,保证催化层制备过程中的一致性和可靠性。未来5年,全氟磺酸聚合物仍将是质子交换膜的首选,不过要进一步提升其稳定性和温度、湿度适应性等,当然开发低成本的非全氟磺酸材料也是未来非常重要的发展方向。

MVC:您在Wiley旗下的期刊上发表了多篇论文,特别是对于《International Journal of Energy Research》的支持,请问哪篇论文最让您引以为傲?为什么?

JKMult-phase simulation of proton exchange membrane fuel cell with 3D fine mesh flow field。在这篇文章中,我们利用课题组开发的三维模型,对燃料电池三维精细化流场中的多相传热传质过程以及电化学性能进行了深入系统的分析。据我所知,这种针对复杂精细化流场进行系统分析的工作,应该是首次发表。可以看出,随着人们对燃料电池性能提升越来越关注,这两年此类文章也多了起来。这些工作对于实现下一代高功率密度燃料电池设计具有重要的参考价值和指导意义。

MVC:您在北美的学术界工作多年,加拿大的燃料电池研究和商业化一直是全球领先(例如巴拉德动力等)。与欧美国家相比我国的燃料电池研究和产业化有何优势与不足?

JK我国燃料电池研究和产业化较发达国家还是有差距的。举个例子,电堆功率密度是衡量性能的重要指标。丰田作为车用燃料电池的领跑者,在2015年推出的乘用车Mirai搭载的电堆功率密度为3 kW/L,目前国产电堆功率密度能够达到这一水平,而丰田在去年推出的Mirai二代又提升了40%以上。请注意,我这里说的只包括量产车型搭载的发动机。与此同时,丰田的自主化程度也非常高,可以说几乎涵盖了全产业链。然而我国很多核心部件仍较多依赖进口。总体而言,我认为我国燃料电池技术和产业化与发达国家之间存在至少五年的差距。当然,近些年我国的燃料电池和氢能技术发展非常迅速,我相信不远的未来一定能够实现全面赶超,这与我国相关政策的大力支持和企业的持续投入是分不开的。

MVC:除了优异的科研成果,您在教学方面同样成绩斐然,获得了诸如霍英东青年教师奖挑战杯优秀指导教师奖等称号。您认为如何成为一名优秀的大学教师?年轻教师应如何平衡教学与科研的双重压力?

JK作为一名大学教师,具有科研人员和教师的双重身份,因此科研和教学都不可或缺,而且两者相辅相成。在教学过程中,可以融入科学前沿知识,从而拓展学生的视野;还可以带领学生走入实验室,从而提升学生的动手能力,加深学生对知识的理解;注重启发、引导、鼓励学生发展;着力培养具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力的卓越人才。年轻老师应该正确看待教学和科研的关系,两者在某种程度上是不可分的,要在教学和科研中找到平衡点。

MVC:在您丰富的学术经历中对您影响较大的人是谁?

JK对我影响最大的是我的导师李献国教授。在他的指导下,我完成了博士阶段4年的学习和研究工作,耳濡目染,从如何指导学生、完成科研项目,到与人沟通、行为规范,都对我影响巨大。

MVC:您在选择研究生的时候有什么标准?对有志从事科学研究的同学们有什么建议?

JK除了同学的专业知识和技能,我往往更关注他们对科研的兴趣和热情。对于本科刚毕业的同学,专业知识可以在未来的学业中继续强化,但可能会面临一些我是否适合搞科研、搞科研是否有前途的迷惘。所以我会更看重他们对科研是否有兴趣,是否立志要把科研做好,态度和决心在未来的研究生涯中非常关键。对于有志从事科学研究的同学,希望你们能够在科研中敢于磕硬石头,解决国家需要、人民需求的难题。生活中,也要做好劳逸结合,紧张科研工作之余,也要学会放松自己。

MVC:科研工作之余,您如何平衡生活和工作?您最大的爱好是什么?

JK我的大部分时间都用在工作上。但是,我也会争取出时间陪家人,同时也会和我的学生踢足球。在繁忙的工作中,尽量找到工作和生活的平衡点,及时调整心态。