焦魁：以“堅(jiān)持”為鑰開啟科研之門

近日，科技日?qǐng)?bào)記者走進(jìn)天津大學(xué)國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室，看到該平臺(tái)常務(wù)副主任焦魁教授正在和團(tuán)隊(duì)成員探討燃料電池仿真技術(shù)。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的燃料電池全流程正向開發(fā)仿真平臺(tái)，可以幫助工程師更高效地設(shè)計(jì)和優(yōu)化燃料電池，為燃料電池技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用提供關(guān)鍵支持。

焦魁多年扎根科研一線，不斷創(chuàng)新、持續(xù)深耕。在前不久舉行的2024世界青年科學(xué)家峰會(huì)上，他獲得第十八屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)。

焦魁的科研之路始于2007年。當(dāng)時(shí)，他碩士畢業(yè)，懷著對(duì)氫能與燃料電池領(lǐng)域的熱愛，選擇攻讀博士學(xué)位。

“那時(shí)候，燃料電池研究取得的進(jìn)展距離商業(yè)化還有很大差距，很多問題都沒有現(xiàn)成的答案。”焦魁回憶道。博士期間，他選擇了質(zhì)子交換膜燃料電池水熱管理這一難題作為研究方向。

后來，焦魁加入天津大學(xué)，開始深耕燃料電池領(lǐng)域。然而，他的科研之路并非一帆風(fēng)順。

2008年到2014年是燃料電池的寒冬期：燃料電池研究經(jīng)費(fèi)緊張，行業(yè)前景不明朗。焦魁回憶道：“很多同行都轉(zhuǎn)型了，我也曾動(dòng)搖過。”

“在我產(chǎn)生動(dòng)搖時(shí)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)任主任堯命發(fā)對(duì)我說：‘你如果沒有錢我可以資助，但是不要輕易換項(xiàng)目。’這句話讓我深受感動(dòng)，讓我堅(jiān)定了繼續(xù)前行的信心。”焦魁說。

經(jīng)過分析，焦魁認(rèn)為氫能和燃料電池技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，未來前景看好。堅(jiān)定了大方向，焦魁心無旁騖地一頭扎在科研中。

在科研過程中，焦魁經(jīng)常會(huì)遇到“難啃的硬骨頭”，每到這時(shí)他就特別興奮。“科研能獲得探索未知的樂趣。”焦魁認(rèn)為，“科研路上的難題考驗(yàn)我們的技術(shù)能力和創(chuàng)新精神，促使我們不斷進(jìn)步和成長(zhǎng)。每一次突破都讓我感到無比興奮和滿足。”

燃料電池的仿真技術(shù)領(lǐng)域一度被國(guó)外公司壟斷，我國(guó)相關(guān)技術(shù)體系并不完善。如何建立一個(gè)完整的、適用于燃料電池、電解池、鋰電池等能量轉(zhuǎn)換裝置的仿真技術(shù)體系，成了焦魁團(tuán)隊(duì)面臨的最大挑戰(zhàn)。

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，焦魁團(tuán)隊(duì)針對(duì)燃料電池發(fā)明了全流程，可用于正向設(shè)計(jì)的高效高精度仿真技術(shù)，其核心技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。它克服了之前仿真技術(shù)中存在的效果差、部分功能缺失等問題。

“科研就像一場(chǎng)馬拉松，拼的不是速度，而是耐力。”焦魁說，“在面對(duì)困境時(shí)，我會(huì)提醒自己，在科研的道路上，失敗、遇到挑戰(zhàn)在所難免，每一次克服困難都讓我離取得最終突破更近一步。”

焦魁深知，科研成果只有投入實(shí)際應(yīng)用，才能真正推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)多家龍頭企業(yè)合作，將仿真技術(shù)應(yīng)用于燃料電池、電解池、鋰電池等能量轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中。通過與一汽、上汽、濰柴、德國(guó)博世等企業(yè)的合作，他們的技術(shù)得到了驗(yàn)證應(yīng)用，繼而極大地推動(dòng)了我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“每當(dāng)想到自己的工作能夠?yàn)槲覈?guó)燃料電池領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量，我就感到非常榮幸與自豪。”焦魁對(duì)記者說。

除了科研工作，焦魁還承擔(dān)著教書育人的重任。

“我喜歡和學(xué)生接觸，喜歡看到他們的成長(zhǎng)。”焦魁認(rèn)為，科研人員從事教學(xué)工作，不僅能將前沿知識(shí)與創(chuàng)新思維融入課堂，激發(fā)學(xué)生的探索熱情；同時(shí)，還可以通過言傳身教，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，為社會(huì)輸送高素質(zhì)創(chuàng)新人才。這不僅是知識(shí)傳承的需要，更是科研人員承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的體現(xiàn)。

焦魁非常注重因材施教，鼓勵(lì)學(xué)生提前參與科研項(xiàng)目，并倡導(dǎo)互助創(chuàng)新。“本科生就可以參與到我們的項(xiàng)目中來，提前對(duì)科研有一個(gè)直觀了解。研究生則有機(jī)會(huì)參與企業(yè)項(xiàng)目并成長(zhǎng)為技術(shù)骨干。”焦魁介紹。

專業(yè)、課程、教材、教法等都是育人的核心要素。在每個(gè)方面，焦魁都盡心盡責(zé)。他主講多門課程，出版了多部教材，其中《人工智能應(yīng)用導(dǎo)論》獲天津市精品教材建設(shè)立項(xiàng)，《燃料電池科學(xué)與技術(shù)》獲評(píng)天津市一流課程。

“在教學(xué)方法方面，我比較贊同課堂、實(shí)踐和競(jìng)賽的一體化。通過帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室、指導(dǎo)科創(chuàng)競(jìng)賽等方式，將理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合。”焦魁說。在他的指導(dǎo)下，多名學(xué)生獲得了寶鋼優(yōu)秀學(xué)生特等獎(jiǎng)、天津大學(xué)學(xué)生科學(xué)獎(jiǎng)等榮譽(yù)，并在國(guó)際會(huì)議上屢獲佳績(jī)。

“我希望可以照亮學(xué)生前行的道路，使他們勇敢地踏上探索未知的征程。”焦魁說。

“氫能是實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而燃料電池則是氫能應(yīng)用的核心。”作為我國(guó)燃料電池領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，焦魁教授深知?dú)淠芗夹g(shù)對(duì)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型的重要性。

在科研方面，焦魁團(tuán)隊(duì)聚焦燃料電池的“一體化”和“有序化”設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)燃料電池的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在根本缺陷，限制了氣、水、電、熱的傳輸效率。為了解決這一問題，焦魁提出了流道和多孔電極的一體化設(shè)計(jì)思路，通過大幅度縮短物質(zhì)傳輸路徑，減少多層結(jié)構(gòu)帶來的接觸阻力，推動(dòng)燃料電池超薄設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

“我們希望通過‘有序化’設(shè)計(jì)，使燃料電池中的物質(zhì)傳輸更加高效，減少生產(chǎn)過程中的波動(dòng)，從而開發(fā)出具有超高功率密度和長(zhǎng)壽命的燃料電池電堆產(chǎn)品。”焦魁解釋道。這些技術(shù)突破不僅為燃料電池的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，也為我國(guó)氫能技術(shù)提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力提供了有力支撐。

“我們構(gòu)建了‘學(xué)科交叉、科教融匯、產(chǎn)教融合’的三層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并探索實(shí)踐了‘2+1+N’本研貫通培養(yǎng)路徑。”焦魁自豪地說。該平臺(tái)還與國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)電科、濰柴、華為、比亞迪等龍頭企業(yè)建立了密切的合作關(guān)系，構(gòu)建了“1+N+X”產(chǎn)學(xué)研合作新模式。

談及未來，焦魁充滿信心。他說，平臺(tái)將繼續(xù)聚焦電化學(xué)儲(chǔ)能、燃料儲(chǔ)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用、儲(chǔ)能安全、儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)與政策等領(lǐng)域，推動(dòng)技術(shù)的快速應(yīng)用與轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。“我們將深化跨學(xué)科合作，整合各方資源，培養(yǎng)更多高水平的復(fù)合型人才，確保儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)能夠與產(chǎn)業(yè)需求緊密對(duì)接。”

“科研是一場(chǎng)沒有終點(diǎn)的旅程，但我相信，只要堅(jiān)持，就一定能夠取得一個(gè)又一個(gè)突破。”焦魁說。他希望通過自己的努力，為我國(guó)的能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

◎ 來源｜科技日?qǐng)?bào)