面向生命周期的燃料電池低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)

李嘉琪　李柏姝

摘 要：低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，燃料電池以其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)這種情況，燃料電池的低碳設(shè)計(jì)是必然的趨勢(shì)。在生命周期評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到的生命周期各階段碳排放量，為燃料電池低碳設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案。最后，燃料電池為例，通過對(duì)優(yōu)化前后的碳足跡對(duì)比分析，證明了方法的可行性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：碳足跡 生命周期評(píng)價(jià) 低碳設(shè)計(jì) 產(chǎn)品優(yōu)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(guó)的工業(yè)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(yīng)日趨嚴(yán)重。交通運(yùn)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(duì)交通運(yùn)輸碳減排進(jìn)行研究已成為必然趨勢(shì)。對(duì)于產(chǎn)品層面碳足跡核算，國(guó)際上廣泛運(yùn)用的標(biāo)準(zhǔn)為：PAS2050：2008、GHG protocol （2011）和ISO14067 （2012）。其中，PAS2050：2008是第一個(gè)產(chǎn)品碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)，己經(jīng)被世界范圍內(nèi)很多公司所應(yīng)用[2]。本文通過對(duì)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(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向，對(duì)燃料電池的低碳設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2 燃料電池的碳足跡計(jì)算

目前燃料電池制造階段和裝配階段基本都采取機(jī)器工作，所以機(jī)器消耗的電能和熱能為主要的能源消耗;運(yùn)輸包裝階段分為運(yùn)輸、包裝兩個(gè)方面，運(yùn)輸階段的起點(diǎn)取燃料電池技術(shù)發(fā)展成熟的深圳，沈陽作為運(yùn)輸過程的終點(diǎn)，主要的運(yùn)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(dòng)中產(chǎn)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(yùn)行使用階段碳排放來自使用時(shí)消耗的氫能，已知該燃料電池功率為40Kw，比質(zhì)量（Kg/Kw）為1.55，總質(zhì)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(bào)廢回收階段中拆卸所產(chǎn)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(yōu)化的低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合燃料電池各生命周期階段的結(jié)果，以現(xiàn)有碳足跡為指標(biāo)，選取運(yùn)行使用和包裝運(yùn)輸這兩個(gè)碳排放較顯著的階段為研究對(duì)象，基于以碳排放最小為研究目標(biāo)，本文選取的設(shè)計(jì)優(yōu)化變量為電力生產(chǎn)碳排放因子、平均運(yùn)行功率、運(yùn)輸方式能源選擇、回收利用率及系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。

選取燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行低碳多約束優(yōu)化，本文以改進(jìn)方案碳足跡最小為優(yōu)化目標(biāo)，從而構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)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(diào)用Matlab優(yōu)化工具箱中，利用GAOT求解過程，在約束變量允許的范圍內(nèi)，進(jìn)行仿真計(jì)算得到優(yōu)化結(jié)果。其中，設(shè)置遺傳算法相應(yīng)的控制參數(shù)為：種群規(guī)模為50，最大遺傳代數(shù)為200。

通過比較表5中的優(yōu)化結(jié)果可以得出，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案下降了15. 494%，高于其他設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了在不影響產(chǎn)品性能的前提下，減小產(chǎn)品碳足跡的目的。

4 總結(jié)與展望

（1）本文在全生命周期的基礎(chǔ)上，從燃料電池碳足跡分布出發(fā)，收集了各生命周期階段內(nèi)的清單數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)階段的碳足跡進(jìn)行了核算。選取并確定燃料電池優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以各低碳設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)引起的碳足跡最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了多約束目標(biāo)優(yōu)化模型，在約束變量允許的范圍內(nèi)，對(duì)模型進(jìn)行多次仿真計(jì)算，得到多組優(yōu)化結(jié)果，依據(jù)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(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已通過 LCA清單分析軟件收集了大量碳足跡排放數(shù)據(jù)，但為了分析我國(guó)碳足跡排放數(shù)據(jù)，逐步建立起適合我國(guó)國(guó)情的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)由國(guó)家主管部門或各行業(yè)協(xié)會(huì)組織要求企業(yè)積極收集生產(chǎn)過程中與碳排放有關(guān)的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的低碳設(shè)計(jì)研究提供數(shù)據(jù)支持。

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