面向生命周期的燃料電池低碳優化設計

李嘉琪　李柏姝

摘 要：低碳經濟的背景下，燃料電池以其節能環保的特點得到廣泛應用。針對這種情況，燃料電池的低碳設計是必然的趨勢。在生命周期評價的基礎上，計算得到的生命周期各階段碳排放量，為燃料電池低碳設計提供優化方案。最后，燃料電池為例，通過對優化前后的碳足跡對比分析，證明了方法的可行性與實用性。

關鍵詞：碳足跡 生命周期評價 低碳設計 產品優化

Low-carbon Fuel Cell Optimization Design for Life Cycle

Li Jiaqi，Li Boshu

Abstract：In the context of low-carbon economy， fuel cells are widely used due to their energy-saving and environmentally friendly features. In response to this situation， the low-carbon design of fuel cells is an inevitable trend. Based on the life cycle assessment， the calculated carbon emissions at each stage of the life cycle provide an optimized solution for the low-carbon design of fuel cells. Finally， using fuel cells as an example， the feasibility and practicability of the method are proved through a comparative analysis of the carbon footprint before and after optimization.

Key words：carbon footprint， life cycle assessment， low-carbon design， product optimization

1 引言

隨著世界上各國的工業化程度不斷提高，較高的能源消耗引起大氣中CO2等溫室氣體濃度的增加，從而使溫室效應日趨嚴重。交通運輸作為溫室氣體排放的主要來源之一[1]，能源消耗高，減排潛力大，對交通運輸碳減排進行研究已成為必然趨勢。對于產品層面碳足跡核算，國際上廣泛運用的標準為：PAS2050：2008、GHG protocol （2011）和ISO14067 （2012）。其中，PAS2050：2008是第一個產品碳足跡核算標準，己經被世界范圍內很多公司所應用[2]。本文通過對燃料電池生命周期的碳足跡模型的建立，為燃料電池汽車低碳優化設計提供方向，對燃料電池的低碳設計具有指導意義。

2 燃料電池的碳足跡計算

目前燃料電池制造階段和裝配階段基本都采取機器工作，所以機器消耗的電能和熱能為主要的能源消耗;運輸包裝階段分為運輸、包裝兩個方面，運輸階段的起點取燃料電池技術發展成熟的深圳，沈陽作為運輸過程的終點，主要的運輸方式選用汽車，則該階段的碳排放為汽車行駛過程中的溫室氣體排放;包裝階段指包裝活動中產生的碳排放，其中泡沫塑料的碳排放因子為7.36kgCO2/kg，瓦楞紙箱的碳排放因子為30.2kgCO2/m2;運行使用階段碳排放來自使用時消耗的氫能，已知該燃料電池功率為40Kw，比質量（Kg/Kw）為1.55，總質量為62kg，安裝和維修的碳排放為原材料獲取階段和制造裝配階段碳排放總量的15%[3]，報廢回收階段中拆卸所產生的碳排放為原材料獲取階段和制造裝配階段碳排放

總量的10%[4]。

3 基于多約束優化的低碳優化設計

結合燃料電池各生命周期階段的結果，以現有碳足跡為指標，選取運行使用和包裝運輸這兩個碳排放較顯著的階段為研究對象，基于以碳排放最小為研究目標，本文選取的設計優化變量為電力生產碳排放因子、平均運行功率、運輸方式能源選擇、回收利用率及系統質量進行優化。

選取燃料電池汽車動力系統為研究對象，對其進行低碳多約束優化，本文以改進方案碳足跡最小為優化目標，從而構建優化設計模型如下：

（6.2）

約束條件：

濃差過電壓：

等效電容兩端電壓：

氫氣流量：

在Matlab7.12.0 0調用Matlab優化工具箱中，利用GAOT求解過程，在約束變量允許的范圍內，進行仿真計算得到優化結果。其中，設置遺傳算法相應的控制參數為：種群規模為50，最大遺傳代數為200。

通過比較表5中的優化結果可以得出，優化設計方案與原方案相比，單從各方案碳排放降低程度來看，方案二和方案三均有不同程度的改善，并且均滿足約束條件。尤其是方案二的碳排放減少的最多，較原設計方案下降了15. 494%，高于其他設計方案，達到了在不影響產品性能的前提下，減小產品碳足跡的目的。

4 總結與展望

（1）本文在全生命周期的基礎上，從燃料電池碳足跡分布出發，收集了各生命周期階段內的清單數據，對各個階段的碳足跡進行了核算。選取并確定燃料電池優化設計參數，以各低碳設計參數改進引起的碳足跡最小為優化目標，構建了多約束目標優化模型，在約束變量允許的范圍內，對模型進行多次仿真計算，得到多組優化結果，依據性能約束與碳排放降低程度，得出方案二為最佳方案，較之前碳排放水平相比，降低15. 494%。

（2）目前，國外一些發達國家已通過 LCA清單分析軟件收集了大量碳足跡排放數據，但為了分析我國碳足跡排放數據，逐步建立起適合我國國情的數據庫，應由國家主管部門或各行業協會組織要求企業積極收集生產過程中與碳排放有關的數據，為后續的低碳設計研究提供數據支持。

參考文獻：

[1]劉向倫.低碳物流下多倉油罐車輛路徑優化研究[D].河北工業大學，2016.

[2]白偉榮，王震，呂佳.碳足跡核算的國際標準概述與解析[J].生態學報，2014，34（24）：7486-7493.

[3]Gerner S， Kobeissi A， David B， et al. W tegrated approach for disassembly processes generation and recycling evaluation of an end-of-life product[J].W ternational Journal of Production Researcb，2005，43（1）：195-222.

[4]呂利勇，喬立紅，王田苗.面向產品生命周期的產品模塊化分解方法研究[J].計算機集成制造系統，200G，12（4）：54G-551.