【對話科學(xué)家】

從1998年扎進(jìn)“冷門”的固體氧化物燃料電池（SOFC）領(lǐng)域，到2025年帶領(lǐng)中國實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)20萬片電池的突破，她用27年時間，實(shí)現(xiàn)了中國SOFC領(lǐng)域從0到1的轉(zhuǎn)變，跨越了從“實(shí)驗室”到“產(chǎn)業(yè)化”的漫漫長路。

如今，中國SOFC技術(shù)已躋身世界前列，而她探索的腳步從未停歇。

本期《對話科學(xué)家》，讓我們走進(jìn)清華大學(xué)教授、燃料電池與儲能研究中心主任韓敏芳的科研故事，看她如何用“冷板凳”精神，點(diǎn)燃中國SOFC的產(chǎn)業(yè)化之火。

這個領(lǐng)域曾很“冷”

1998年對于燃料電池行業(yè)來說，是非常重要的一年。

這一年，美國西屋電氣公司開發(fā)了一套可以在大氣壓下運(yùn)行100kW的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)，這標(biāo)志著SOFC具備了投入生產(chǎn)生活的條件，也讓SOFC替代化石燃料進(jìn)行發(fā)電成為了可能。

也是在這一年，在中國礦業(yè)大學(xué)（北京）工作的韓敏芳第一次走出國門，前往美國參加學(xué)術(shù)活動。她和自己在清華大學(xué)讀書時的兩位同學(xué)進(jìn)行了深入的交流，他們在美國佐治亞理工大學(xué)讀博研究的是SOFC的核心材料氧化鋯。

在交流中，他們和韓敏芳分享了國外學(xué)界對SOFC的看法，傳統(tǒng)的發(fā)電方式需要燃燒，SOFC則不需要，將幾個氧化物材料放在一起，通過電化學(xué)反應(yīng)，就能發(fā)電。損耗小、安全性高的特性會讓它在未來成為顛覆電池產(chǎn)業(yè)的決定性技術(shù)。

這次交流讓韓敏芳對燃料電池有了全新的認(rèn)識。回國后，她決定進(jìn)行SOFC的探索與研究。

這是一個充滿前景的領(lǐng)域，也是一個無人探索的領(lǐng)域。

“當(dāng)時SOFC在中國真的是‘冷’得很，一個國家項目都沒有，學(xué)界也不看好它的前景。”韓敏芳回憶。

她來到清華大學(xué)咨詢材料系的老師，得到的反饋是燃料電池是個老概念，現(xiàn)有電池的論文研究已經(jīng)非常全面了，只有做出電池來，才會有新的研究方向。

從1998年到2009年，韓敏芳埋頭在實(shí)驗室鉆研，燒制電池，布局未來。

在這十一年中，她帶領(lǐng)團(tuán)隊在實(shí)驗室燒制電池，從紐扣大小到邊長為5厘米的電池樣品不斷取得突破，但相關(guān)科研成果的評獎結(jié)果卻差強(qiáng)人意。

說沒有壓力是假的，周圍的人都勸她改方向，韓敏芳坦言：“真的每天都在猶豫不決，睡前想的是不折騰了，安安穩(wěn)穩(wěn)做別的研究，睡醒了又覺得不行，這么好的領(lǐng)域，中國不能空著。”

真正讓她下定決心的是2010年的一次國際會議。日本在會上宣布SOFC已經(jīng)實(shí)現(xiàn)安裝到戶，部分居民區(qū)每家都有一個發(fā)電裝置。

“人家已經(jīng)進(jìn)入了民用，我們連一個商業(yè)樣品都沒有，對話完全不在一個量級，這對我來說觸動很大。”

同年，韓敏芳開始組建產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊，推動成立專業(yè)化公司，在蘇州建立了中試基地，正式拉開我國SOFC的量產(chǎn)之路。

把“懸崖路”走成“領(lǐng)跑線”

韓敏芳用“懸崖后面還是懸崖”來形容自己選擇的道路。“我的難在于沒有任何可以參照的道路。從實(shí)驗室到中試基地，有了更廣闊的試驗場地，也有了無數(shù)個難題等待解決。我們根本看不見終點(diǎn)，只能埋頭苦干，一步步把路鋪出去。”

首先需要突破的是電池尺寸，現(xiàn)有的電池大小用于實(shí)驗室研究是足夠的，真正應(yīng)用到工業(yè)，最起碼邊長要做到10厘米。

從5厘米到10厘米，不是簡單的等比例放大，成品需要又薄又大。SOFC工作運(yùn)行的核心原理是通過固體氧化物電解質(zhì)傳導(dǎo)氧離子，作為基本發(fā)電單元的電池堆則是由數(shù)個結(jié)構(gòu)類似三明治一樣的薄片組合而成的電池片。組成“三明治”的三層材料也不同，上下兩層是多孔的氧化物材料，中間一層是致密的電解質(zhì)材料。

人的發(fā)絲直徑約為50至100微米，而SOFC中氧化鋯基陶瓷電解質(zhì)的厚度僅有10微米。將三層不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的材料盡可能薄地?zé)揭黄穑y度可想而知。

韓敏芳團(tuán)隊經(jīng)過六年的反復(fù)論證，發(fā)明了氧化物陶瓷的三步燒結(jié)方法，成功燒制出了厚度小于0.5毫米、邊長大于110毫米的電池樣品，并于2016年建成中試線，正式進(jìn)入生產(chǎn)線試驗階段。

接下來需要突破的是成品率，因為電解質(zhì)之間熱膨脹差等原因，在中試線生產(chǎn)的初期，燒制的電池經(jīng)常有裂紋產(chǎn)生。“就像燒瓷磚，得燒一個成一個，不然成本下不來，就前功盡棄了。”

又是三年的試驗論證，韓敏芳帶領(lǐng)團(tuán)隊不斷增加工位的信息控制，細(xì)化工藝流程。燒制裝備也從間歇爐調(diào)整到溫度更可控的隧道窯，最終將成品率從50%提升到了96%。達(dá)到了建立生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)。

2019年，國內(nèi)首條自主知識產(chǎn)權(quán)、年產(chǎn)百萬片固體氧化物燃料電池材料的自動化生產(chǎn)線在徐州建成，國際燃料電池權(quán)威媒體Fuel Cell Works評價說：“這是中國氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新的重大突破。”

年產(chǎn)百萬片SOFC單電池批量化生產(chǎn)線。

有了先進(jìn)的技術(shù)，有了穩(wěn)定的產(chǎn)出，還是難。在SOFC這個全新的領(lǐng)域中，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還是空白。

比如生產(chǎn)過程中，各階段的名稱是什么；衡量電池好壞的標(biāo)準(zhǔn)是什么；安裝過程中，如何進(jìn)行安全測試。種種的一切，都需要規(guī)范化管理。

2018年，韓敏芳聯(lián)合行業(yè)內(nèi)頂尖專家成立了能源行業(yè)高溫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，制定了包括術(shù)語、單電池測試方法、通用安全技術(shù)導(dǎo)則、安裝設(shè)計與工程安全技術(shù)規(guī)范等12項標(biāo)準(zhǔn)，打破了行業(yè)內(nèi)不同工種之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)了從生產(chǎn)到安裝再到檢測的全鏈條對話。

2024年7月，“第十六屆歐洲固體氧化物燃料電池和電解池論壇”在瑞士召開，各國專家齊聚于此，共同探討行業(yè)發(fā)展。首位發(fā)言的是舉辦方歐盟的代表，韓敏芳第二個發(fā)言。按照以往的慣例，中國代表應(yīng)該排在美國、日本、歐盟之后，第四個發(fā)言。

韓敏芳在瑞士參加“第十六屆歐洲固體氧化物燃料電池和電解池論壇”并做大會特邀報告。

韓敏芳從科研成果講到標(biāo)準(zhǔn)制定，從產(chǎn)能產(chǎn)量講到企業(yè)落地，詳細(xì)介紹了中國SOFC的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景。現(xiàn)場參會的代表，完全沒想到中國能在這么短的時間做出這么多突出的成果。

回憶起當(dāng)時的場景，韓敏芳笑著說：“這么多年的苦這么多年的難都值了，我用自己的成果為祖國爭了口氣。”

架起理論向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的橋梁

5月20日，陜西榆林舉辦了一場我國固體氧化物燃料電池領(lǐng)域具有重要意義的新聞發(fā)布會。會上，國內(nèi)首套高溫電解水制氫撬裝置正式發(fā)布，這標(biāo)志著我國在突破氫能關(guān)鍵裝備技術(shù)、構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)邁出了堅實(shí)一步，而這套裝置，全程由韓敏芳團(tuán)隊主導(dǎo)研發(fā)。

韓敏芳表示，自國家提出“雙碳”目標(biāo)以來，固體氧化物燃料電池、電解池技術(shù)迎來了發(fā)展的黃金期。2024年以來，國家發(fā)改委、工信部、科技部等部門相繼出臺多項政策，大力支持固體氧化物燃料電池/電解項目的發(fā)展。

韓敏芳教授團(tuán)隊在SOFC實(shí)驗室。

隨著政策的落地，SOFC在科研領(lǐng)域慢慢從冷門變成了熱門，歐盟曾對過去十年SOFC領(lǐng)域的論文和專利做過統(tǒng)計，其中中國的數(shù)量排名第一。

然而，與科研領(lǐng)域的繁榮形成鮮明反差的是產(chǎn)業(yè)化建設(shè)的滯后。日本SOFC技術(shù)已在普通家庭應(yīng)用長達(dá)十五年，美國SOFC技術(shù)已成功應(yīng)用于火星探測器。而我國目前還處于企業(yè)應(yīng)用的初級階段。

如何打通從理論到產(chǎn)業(yè)的“最后一公里”，是韓敏芳思考多年的問題。

我國是一個產(chǎn)煤和燃煤大國，煤炭年消費(fèi)量約占世界的50%，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。在“雙碳”目標(biāo)下，我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型刻不容緩。

固體氧化物燃料電池（SOFC）與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電相比，具有發(fā)電效率高（可達(dá)60%以上）、污染物零排放、燃料適應(yīng)性廣（可用氫氣、天然氣等多種清潔能源）等顯著優(yōu)勢。但為何目前我國SOFC應(yīng)用范圍并不廣呢？

“這幾年，節(jié)能減碳，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的理念正深入人心，各級政府都積極支持創(chuàng)新型科技產(chǎn)品落地，但實(shí)際應(yīng)用時，一定需要有企業(yè)提供應(yīng)用的場景，這是最難的。”韓敏芳分析，“主要是從成本方面考慮，和太陽能相比，SOFC成本過高。”

回顧電力能源的變革歷程，這是發(fā)展的必經(jīng)階段。“我們現(xiàn)在用于發(fā)電的太陽能，最開始十幾塊錢一度電，讓人望而卻步。在實(shí)地試用過程中，技術(shù)不斷迭代，后來價格降至三五塊錢一度電。之后，太陽能企業(yè)成立了一塊錢聯(lián)盟。如今，甚至有企業(yè)在競標(biāo)中報出了一毛五的價格。從十幾塊到一毛五，降幅超過百倍。所以，SOFC一定要擴(kuò)大適用范圍，使用量增加后，成本會迅速下降。”

去年，韓敏芳參加了2024年第十期中國科技會堂論壇，該期論壇聚焦“氫能與現(xiàn)代工業(yè)”。“通過學(xué)界專家與企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層對話，讓企業(yè)了解新的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，能從決策層面為SOFC創(chuàng)造更多應(yīng)用空間，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”韓敏芳說。

“從‘十二五’到‘十三五’期間，中國的SOFC只有兩三個項目獲得了立項。到了‘十四五’，每年獲得立項的就不止兩三個。這對每一個青年科技者來說都是一個機(jī)會。”韓敏芳感慨，“現(xiàn)在有越來越多的人投入到了這個領(lǐng)域，我蹚過了從理論到實(shí)踐、從量產(chǎn)到產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的道路，我愿意把它分享出來，助力更多的學(xué)者和企業(yè)為SOFC未來的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。”

作為中國硅酸鹽學(xué)會固態(tài)離子學(xué)分會副理事長，每年學(xué)會舉行學(xué)術(shù)年會，她都會去現(xiàn)場作報告。在韓敏芳看來，引導(dǎo)更多的青年來參與SOFC的建設(shè)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頭等大事。“只有年輕人知道了、了解了、感興趣了，我們的產(chǎn)業(yè)才會有代代傳承的希望。”

對話科學(xué)家

問：請您介紹目前SOFC在哪些領(lǐng)域有比較成功的應(yīng)用案例？

韓敏芳：在成熟領(lǐng)域做局部的創(chuàng)新、推廣相對簡單，但在公眾不了解的領(lǐng)域，哪怕小的改變也難以推廣。若想要取得突破，就必須找到合適的場景，讓SOFC嵌入成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。

目前，嵌入的比較好的是在石油化工企業(yè)。這類企業(yè)的生產(chǎn)園區(qū)中有大量的副產(chǎn)氫，以往它們多被用于氫燃料電池生產(chǎn)，其實(shí)企業(yè)更希望用其進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)能量內(nèi)循環(huán)。2023至2024年，中國石油、中國石化、中海石油三家龍頭企業(yè)先后穩(wěn)定運(yùn)行千瓦級固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，大幅提高了能源利用率。

冶金行業(yè)也同樣有適配的嵌入場景。為響應(yīng)減碳目標(biāo)，多家鋼鐵公司正大力布局用減排潛力巨大的氫冶金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳冶金。

分享一個我參與的代表性項目。2020年左右，我得知國家四個化石能源基地之一的榆林，有非常急切的減碳需求。隨后四年，我多次前往榆林，通過學(xué)術(shù)演講和決策層溝通等方式，大力推廣固體氧化物電解制氫技術(shù)。2024年，該技術(shù)在陜西氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司完成落地，為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了廣闊前景。

問：請您展望一下SOFC十年后在中國的發(fā)展情況？

韓敏芳：不用十年，未來五年，我們一定會看到這個行業(yè)在中國的大發(fā)展。現(xiàn)在，不僅是央企，很多民企也紛紛行動起來，各方面的市場協(xié)同發(fā)力，行業(yè)必將蓬勃發(fā)展。

大家想想中國的市場規(guī)模有多大，一旦行業(yè)市場真正蘇醒，中國將很快引領(lǐng)世界。

責(zé)　　編：周盛楠 陳盡美

審　　核：張敬一

值班編委：譚華霖