【对话科学家】

从1998年扎进“冷门”的固体氧化物燃料电池（SOFC）领域，到2025年带领中国实现商业化量产20万片电池的突破，她用27年时间，实现了中国SOFC领域从0到1的转变，跨越了从“实验室”到“产业化”的漫漫长路。

如今，中国SOFC技术已跻身世界前列，而她探索的脚步从未停歇。

本期《对话科学家》，让我们走进清华大学教授、燃料电池与储能研究中心主任韩敏芳的科研故事，看她如何用“冷板凳”精神，点燃中国SOFC的产业化之火。

这个领域曾很“冷”

1998年对于燃料电池行业来说，是非常重要的一年。

这一年，美国西屋电气公司开发了一套可以在大气压下运行100kW的SOFC热电联供系统，这标志着SOFC具备了投入生产生活的条件，也让SOFC替代化石燃料进行发电成为了可能。

也是在这一年，在中国矿业大学（北京）工作的韩敏芳第一次走出国门，前往美国参加学术活动。她和自己在清华大学读书时的两位同学进行了深入的交流，他们在美国佐治亚理工大学读博研究的是SOFC的核心材料氧化锆。

在交流中，他们和韩敏芳分享了国外学界对SOFC的看法，传统的发电方式需要燃烧，SOFC则不需要，将几个氧化物材料放在一起，通过电化学反应，就能发电。损耗小、安全性高的特性会让它在未来成为颠覆电池产业的决定性技术。

这次交流让韩敏芳对燃料电池有了全新的认识。回国后，她决定进行SOFC的探索与研究。

这是一个充满前景的领域，也是一个无人探索的领域。

“当时SOFC在中国真的是‘冷’得很，一个国家项目都没有，学界也不看好它的前景。”韩敏芳回忆。

她来到清华大学咨询材料系的老师，得到的反馈是燃料电池是个老概念，现有电池的论文研究已经非常全面了，只有做出电池来，才会有新的研究方向。

从1998年到2009年，韩敏芳埋头在实验室钻研，烧制电池，布局未来。

在这十一年中，她带领团队在实验室烧制电池，从纽扣大小到边长为5厘米的电池样品不断取得突破，但相关科研成果的评奖结果却差强人意。

说没有压力是假的，周围的人都劝她改方向，韩敏芳坦言：“真的每天都在犹豫不决，睡前想的是不折腾了，安安稳稳做别的研究，睡醒了又觉得不行，这么好的领域，中国不能空着。”

真正让她下定决心的是2010年的一次国际会议。日本在会上宣布SOFC已经实现安装到户，部分居民区每家都有一个发电装置。

“人家已经进入了民用，我们连一个商业样品都没有，对话完全不在一个量级，这对我来说触动很大。”

同年，韩敏芳开始组建产业化团队，推动成立专业化公司，在苏州建立了中试基地，正式拉开我国SOFC的量产之路。

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把“悬崖路”走成“领跑线”

韩敏芳用“悬崖后面还是悬崖”来形容自己选择的道路。“我的难在于没有任何可以参照的道路。从实验室到中试基地，有了更广阔的试验场地，也有了无数个难题等待解决。我们根本看不见终点，只能埋头苦干，一步步把路铺出去。”

首先需要突破的是电池尺寸，现有的电池大小用于实验室研究是足够的，真正应用到工业，最起码边长要做到10厘米。

从5厘米到10厘米，不是简单的等比例放大，成品需要又薄又大。SOFC工作运行的核心原理是通过固体氧化物电解质传导氧离子，作为基本发电单元的电池堆则是由数个结构类似三明治一样的薄片组合而成的电池片。组成“三明治”的三层材料也不同，上下两层是多孔的氧化物材料，中间一层是致密的电解质材料。

人的发丝直径约为50至100微米，而SOFC中氧化锆基陶瓷电解质的厚度仅有10微米。将三层不同材质、不同结构的材料尽可能薄地烧到一起，难度可想而知。

韩敏芳团队经过六年的反复论证，发明了氧化物陶瓷的三步烧结方法，成功烧制出了厚度小于0.5毫米、边长大于110毫米的电池样品，并于2016年建成中试线，正式进入生产线试验阶段。

接下来需要突破的是成品率，因为电解质之间热膨胀差等原因，在中试线生产的初期，烧制的电池经常有裂纹产生。“就像烧瓷砖，得烧一个成一个，不然成本下不来，就前功尽弃了。”

又是三年的试验论证，韩敏芳带领团队不断增加工位的信息控制，细化工艺流程。烧制装备也从间歇炉调整到温度更可控的隧道窑，最终将成品率从50%提升到了96%。达到了建立生产线的标准。

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，国际燃料电池权威媒体Fuel Cell Works评价说：“这是中国氢能产业领域自主创新的重大突破。”

年产百万片SOFC单电池批量化生产线。

有了先进的技术，有了稳定的产出，还是难。在SOFC这个全新的领域中，行业标准还是空白。

比如生产过程中，各阶段的名称是什么；衡量电池好坏的标准是什么；安装过程中，如何进行安全测试。种种的一切，都需要规范化管理。

2018年，韩敏芳联合行业内顶尖专家成立了能源行业高温燃料电池标准化技术委员会，制定了包括术语、单电池测试方法、通用安全技术导则、安装设计与工程安全技术规范等12项标准，打破了行业内不同工种之间的壁垒，实现了从生产到安装再到检测的全链条对话。

2024年7月，“第十六届欧洲固体氧化物燃料电池和电解池论坛”在瑞士召开，各国专家齐聚于此，共同探讨行业发展。首位发言的是举办方欧盟的代表，韩敏芳第二个发言。按照以往的惯例，中国代表应该排在美国、日本、欧盟之后，第四个发言。

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韩敏芳在瑞士参加“第十六届欧洲固体氧化物燃料电池和电解池论坛”并做大会特邀报告。

韩敏芳从科研成果讲到标准制定，从产能产量讲到企业落地，详细介绍了中国SOFC的产业现状和发展前景。现场参会的代表，完全没想到中国能在这么短的时间做出这么多突出的成果。

回忆起当时的场景，韩敏芳笑着说：“这么多年的苦这么多年的难都值了，我用自己的成果为祖国争了口气。”

架起理论向产业化发展的桥梁

5月20日，陕西榆林举办了一场我国固体氧化物燃料电池领域具有重要意义的新闻发布会。会上，国内首套高温电解水制氢撬装置正式发布，这标志着我国在突破氢能关键装备技术、构建氢能产业生态迈出了坚实一步，而这套装置，全程由韩敏芳团队主导研发。

韩敏芳表示，自国家提出“双碳”目标以来，固体氧化物燃料电池、电解池技术迎来了发展的黄金期。2024年以来，国家发改委、工信部、科技部等部门相继出台多项政策，大力支持固体氧化物燃料电池/电解项目的发展。

韩敏芳教授团队在SOFC实验室。

随着政策的落地，SOFC在科研领域慢慢从冷门变成了热门，欧盟曾对过去十年SOFC领域的论文和专利做过统计，其中中国的数量排名第一。

然而，与科研领域的繁荣形成鲜明反差的是产业化建设的滞后。日本SOFC技术已在普通家庭应用长达十五年，美国SOFC技术已成功应用于火星探测器。而我国目前还处于企业应用的初级阶段。

如何打通从理论到产业的“最后一公里”，是韩敏芳思考多年的问题。

我国是一个产煤和燃煤大国，煤炭年消费量约占世界的50%，既浪费资源又污染环境。在“双碳”目标下，我国能源结构转型刻不容缓。

固体氧化物燃料电池（SOFC）与传统燃煤发电相比，具有发电效率高（可达60%以上）、污染物零排放、燃料适应性广（可用氢气、天然气等多种清洁能源）等显著优势。但为何目前我国SOFC应用范围并不广呢？

“这几年，节能减碳，发展新质生产力的理念正深入人心，各级政府都积极支持创新型科技产品落地，但实际应用时，一定需要有企业提供应用的场景，这是最难的。”韩敏芳分析，“主要是从成本方面考虑，和太阳能相比，SOFC成本过高。”

回顾电力能源的变革历程，这是发展的必经阶段。“我们现在用于发电的太阳能，最开始十几块钱一度电，让人望而却步。在实地试用过程中，技术不断迭代，后来价格降至三五块钱一度电。之后，太阳能企业成立了一块钱联盟。如今，甚至有企业在竞标中报出了一毛五的价格。从十几块到一毛五，降幅超过百倍。所以，SOFC一定要扩大适用范围，使用量增加后，成本会迅速下降。”

去年，韩敏芳参加了2024年第十期中国科技会堂论坛，该期论坛聚焦“氢能与现代工业”。“通过学界专家与企业领导层对话，让企业了解新的产业和技术，能从决策层面为SOFC创造更多应用空间，推动产业发展。”韩敏芳说。

“从‘十二五’到‘十三五’期间，中国的SOFC只有两三个项目获得了立项。到了‘十四五’，每年获得立项的就不止两三个。这对每一个青年科技者来说都是一个机会。”韩敏芳感慨，“现在有越来越多的人投入到了这个领域，我蹚过了从理论到实践、从量产到产业规范化的道路，我愿意把它分享出来，助力更多的学者和企业为SOFC未来的发展贡献力量。”

作为中国硅酸盐学会固态离子学分会副理事长，每年学会举行学术年会，她都会去现场作报告。在韩敏芳看来，引导更多的青年来参与SOFC的建设，是产业发展的头等大事。“只有年轻人知道了、了解了、感兴趣了，我们的产业才会有代代传承的希望。”

对话科学家

问：请您介绍目前SOFC在哪些领域有比较成功的应用案例？

韩敏芳：在成熟领域做局部的创新、推广相对简单，但在公众不了解的领域，哪怕小的改变也难以推广。若想要取得突破，就必须找到合适的场景，让SOFC嵌入成熟的产业链。

目前，嵌入的比较好的是在石油化工企业。这类企业的生产园区中有大量的副产氢，以往它们多被用于氢燃料电池生产，其实企业更希望用其进行供电，实现能量内循环。2023至2024年，中国石油、中国石化、中海石油三家龙头企业先后稳定运行千瓦级固体氧化物燃料电池热电联供系统，大幅提高了能源利用率。

冶金行业也同样有适配的嵌入场景。为响应减碳目标，多家钢铁公司正大力布局用减排潜力巨大的氢冶金代替传统的碳冶金。

分享一个我参与的代表性项目。2020年左右，我得知国家四个化石能源基地之一的榆林，有非常急切的减碳需求。随后四年，我多次前往榆林，通过学术演讲和决策层沟通等方式，大力推广固体氧化物电解制氢技术。2024年，该技术在陕西氢能产业发展有限公司完成落地，为氢能产业发展提供了广阔前景。

问：请您展望一下SOFC十年后在中国的发展情况？

韩敏芳：不用十年，未来五年，我们一定会看到这个行业在中国的大发展。现在，不仅是央企，很多民企也纷纷行动起来，各方面的市场协同发力，行业必将蓬勃发展。

大家想想中国的市场规模有多大，一旦行业市场真正苏醒，中国将很快引领世界。

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责　　编：周盛楠 陈尽美

审　　核：张敬一

值班编委：谭华霖