Джейк Кристенсен, доктор философии. | Bosch Global
«К сожалению, с точки зрения изменения климата ископаемое топливо останется дешевым и доступным в течение десятилетий. Чтобы сократить автомобильные выбросы CO2, нам нужны эффективные электромобили, работающие на доступных и надежных электрохимических технологиях. Эволюционный прогресс был слишком медленным; пришло время для революции».
Я руковожу отделом энергетических технологий в Центре исследований и технологий в Северной Америке и являюсь главным инженером по моделированию батарей. Моя команда разрабатывает электрохимические устройства для надежной и доступной электромобильности и чистого, эффективного использования наших природных ресурсов. Мы объясняем сложные явления посредством моделирования и симуляции от атома до масштаба системы, измерения фундаментальных свойств материалов и определения характеристик операндо.
- Директор отдела, руководитель группы по разработке систем управления аккумуляторами и технологии топливных элементов
- Главный эксперт по моделированию аккумуляторов, разработал передовые мультифизические модели характеристик, старения и неправильного использования аккумуляторов
- Главный инженер, исследовал высокоэнергетические Li/S, Литий-воздушные и твердотельные батареи
J.
Christensen et al. (2013)Эффективная распараллеливаемая трехмерная термоэлектрохимическая модель литий-ионного элемента
- Дж. Кристенсен; Д. Кук; П. Альбертус
- Журнал Электрохимического общества, том. 166, выпуск 5
Y. Zeng et al. (2013)
Эффективные консервативные численные схемы для одномерных нелинейных сферических уравнений диффузии с приложениями в моделировании батарей
- Y. Zeng; П. Альбертус; Р. Кляйн; А. Койич; М. Базант; J. Christensen
- Journal of the Electrochemical Society, vol. 166, выпуск 5
J. Christensen et al. (2012)
Критический обзор литий-воздушных аккумуляторов
- Дж. Кристенсен; П. Альбертус; Р. Санчес-Каррера; Т. Ломанн; Б. Козинский; Р. Лидтке; Дж. Ахмед; А. Койич
- Журнал Электрохимического общества, том. 166, выпуск 5
Н. Чатурведи и др. (2010)
Алгоритмы для передовых систем управления батареями
- Н.
Чатурведи; Р. Кляйн; Дж. Кристенсен; Дж. Ахмед; А. Койич - Журнал IEEE Control Systems, vol. 30, выпуск 3
Чатурведи; Р. Кляйн; Дж. Кристенсен; Дж. Ахмед; А. КойичJ. Christensen (2010)
Моделирование напряжения, вызванного диффузией, в литий-ионных элементах с пористыми электродами
- Journal of the Electrochemical Society, vol. 166, выпуск 5
P. Albertus et al. (2009)
Эксперименты и моделирование положительных электродов с несколькими активными материалами для литий-ионных аккумуляторов
- P. Albertus; Дж. Кристенсен; Дж. Ньюман
- Журнал Электрохимического общества, том. 166, выпуск 5
J. Christensen & J. Newman (2006)
Математическая модель возникновения напряжения и разрушения в оксиде лития-марганца
- Journal of the Electrochemical Society, vol. 166, выпуск 5
Дж. Кристенсен и Дж. Ньюман (2006)
Генерация напряжения и разрушение литиевых вставок
- Journal of Solid-State Electrochemistry, vol. 10, вып. 5, с. 293-319
10, вып. 5, с. 293-319Дж. Кристенсен и Дж. Ньюман (2005)
Циклируемый литий и потеря емкости в литий-ионных элементах
- Journal of the Electrochemical Society, vol. 166, выпуск 5
Дж. Кристенсен и Дж. Ньюман (2004)
Математическая модель литий-ионного отрицательного электрода и твердого электролита в промежуточной фазе
- Journal of the Electrochemical Society, vol. 166, выпуск 5
Директор, Энергетические технологии и главный эксперт, Моделирование накопления энергии
Расскажите, что Вас больше всего привлекает в исследованиях.
Исследования направлены на изменение реальности мира, в котором мы живем. Речь идет о том, чтобы сделать непостижимое понятным, а невозможное возможным. Он использует возможность неоднократно терпеть неудачу, открывая истину по пути. И, при настойчивости и удаче, это дает замечательные результаты.
Что делает исследования, проводимые Bosch, такими особенными?
Исследования Bosch могут быть очень фундаментальными, но в то же время дисциплинированными.
Что я могу сделать из этого открытия, что поможет человечеству? Какой материальный продукт или услугу будут использовать миллионы или миллиарды людей каждый день? Эти вопросы направляют наши усилия.
Над какими исследовательскими темами вы сейчас работаете в Bosch?
В настоящее время моя команда занимается, среди прочего, разработкой физических моделей и систем управления батареями для увеличения срока службы батарей, безопасности и скорости зарядки в транспортных средствах и потребительских товарах; выяснить, что ограничивает срок службы и производительность топливных элементов; и изобретение устройств электрохимической очистки воды. Мне посчастливилось работать вместе с десятками исключительно ярких и творческих личностей.
Каковы самые большие научные проблемы в вашей области исследований?
Батареи, топливные элементы и другие электрохимические устройства представляют собой чрезвычайно сложные системы материалов, в которых явления происходят в широком диапазоне масштабов длины и времени.
Существует внутреннее противоречие между критическими целями производительности, срока службы, размера и стоимости для каждой технологии. Обычно для создания конкурентоспособного продукта необходимо решить не одну, а десятки задач.
Как результаты ваших исследований становятся частью решений «Изобретено для жизни»?
Мы не только должны гарантировать, что наши продукты долговечны (часто срок службы не менее 15 лет), мы в конечном итоге хотим улучшить жизнь наших клиентов. Это означает, что люди должны быть там, где им нужно, и делать то, что им нужно, не ставя под угрозу глобальную окружающую среду для будущих поколений. Электрификация транспортных средств играет важную роль.
Блок топливных элементов: серийное производство с 2022 г.
Эта статья является частью нашей темы «Электрификация». Bosch объединила усилия со стартапом PowerCell Sweden, чтобы запустить эту технологию в массовое производство и совершить прорыв.
На первый взгляд мало что отличает автомобиль на топливных элементах от автомобиля, работающего на бензине или дизеле.
После заправки топливом — что занимает всего несколько минут — запас хода автомобиля превышает 500 километров. Но есть одно принципиальное отличие: электрическая трансмиссия не производит локальных выбросов. И именно поэтому водородные технологии обязательно займут видное место на пути к низкоуглеродному транспорту, особенно когда речь идет об электрификации тяжелых грузовиков. Но прежде чем автомобили на топливных элементах смогут конкурировать с обычными, необходимо преодолеть одно большое препятствие: высокие производственные затраты. Bosch и стартап PowerCell Sweden стремятся решить эту проблему. Чтобы снизить затраты, обе компании сосредоточили свое внимание на стеке топливных элементов, сердцевине водородной трансмиссии. Этот блок топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC), также известный как топливный элемент с мембраной из полимерного электролита (PEM), представляет собой место, где электрохимический обмен реагентов водорода и кислорода производит электричество.
Стек топливных элементов готовится к крупносерийному производству.H₂
Топливом служит водород. В топливном элементе молекулы водорода находятся на стороне анода. Они состоят из электронов и протонов.
«Сотрудничество с Bosch позволит нам быстро усовершенствовать наши технологии для промышленного производства».Пер Вассен, генеральный директор PowerCell Sweden
Один топливный элемент генерирует лишь небольшое количество энергии, поэтому инженеры укладывают их слоями, разделенными биполярными пластинами. В легковом автомобиле объединение примерно 400 топливных элементов будет производить до 120 киловатт выходной мощности (163 лошадиных силы). Для более высоких требований к мощности коммерческих автомобилей количество стеков может быть соответственно увеличено. Менеджер по продукции Bosch Ахим Мориц не хочет слишком много рассказывать о специфике сдерживания затрат на топливные элементы и батареи. Но он скажет следующее: «Один из важных подходов — использовать менее дорогие материалы.
Мы также ожидаем дальнейшего прогресса в других областях, например, за счет увеличения выходной мощности отдельных ячеек». Он добавляет, что стоимость стека может быть значительно снижена по мере увеличения количества единиц в больших производственных партиях.
Однако массовое производство такой сложной системы, как блок топливных элементов, — непростая задача. «Каждый отдельный стек должен работать надежно. Таким образом, блоки управления играют ключевую роль в эксплуатации автомобиля», — говорит Мориц. Подобно блокам управления двигателем в автомобилях с бензиновым и дизельным двигателем, эти мощные мини-компьютеры управляют всеми функциями топливного элемента и обеспечивают максимально эффективную работу трансмиссии. В этом Bosch значительно опережает конкурентов. Компания занимается разработкой ЭБУ уже много лет. «Благодаря большому внутреннему опыту и знаниям в этой области мы можем воспользоваться этими синергетическими эффектами для стеков топливных элементов. Это помогает в таких вещах, как модульная конструкция аппаратного комплекта и логика управления, характерная для таких блоков управления», — говорит Мориц.
O₂
Кислород является реагентом. В топливном элементе это со стороны катода.
Протонообменная мембрана разделяет O₂ и H₂, а также катод и анод. Он проницаем только для протонов в молекулах водорода.
Какие препятствия мешают прогрессу на пути к надежному массовому производству? Более пристальный взгляд на эту технологию позволяет лучше понять проблемы, связанные с изготовлением топливных элементов. Молекулы водорода имеют малый размер и низкую вязкость, что означает, что для эффективной и безопасной работы стек должен иметь идеальное уплотнение. Как отмечает Мориц, «длина уплотнения дымовой трубы мощностью 120 кВт составляет около одного километра. Это та область, в которой мы стремимся соответствовать строгим требованиям к качеству, предъявляемым к автомобильным приложениям». В работе над силовыми агрегатами других типов компания Bosch уже продемонстрировала, что ее специалисты обладают богатым опытом и навыками в параллельной разработке продуктов и процессов — иными словами, в одновременном инжиниринге.
Частью этого является возможность предварительного выбора подходящего метода изготовления компонентов при разработке продукта, другими словами, всегда думать на шаг вперед.
«Одновременное проектирование — одно из наших УТП, — говорит Мориц. Пер Вассен разделяет это мнение: «Bosch является ведущим поставщиком автомобильных технологий и обладает огромным опытом и инновационным потенциалом в этой области. В автомобильном секторе доминируют крупные международные корпорации, и для него характерны длительные сроки разработки и строгие требования к качеству. Каким бы технологически продвинутым он ни был, такому стартапу, как PowerCell, будет сложно использовать этот огромный рыночный потенциал самостоятельно. Сотрудничая с Bosch, мы поможем нашим технологиям совершить прорыв намного быстрее», — говорит генеральный директор PowerCell Sweden.
2H₂+O₂ → 2H₂O
Побочным продуктом является вода. Это результат реакции ионов водорода, то есть протонов, с кислородом в процессе, ускоренном катализатором внутри топливного элемента.
DC
Топливные элементы предназначены для производства постоянного тока (DC).
Он создается путем проведения электронов водорода через анод, где они проходят через внешнюю цепь и возвращаются к катоду.
Затем инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток (AC), который питает электродвигатель.
По мере того, как такие компании, как Bosch и PowerCell, прилагают все усилия для массового производства мобильных топливных элементов, рыночные силы разрушают еще одно препятствие, мешающее внедрению этой технологии: доступность. Во многих странах количество водородных заправочных станций уже растет. Субсидии частично объясняют это расширение инфраструктуры, но такие ассоциации, как Совет по водороду, также лоббируют продвижение этого развития.