李嘉琪　李柏姝

摘 要：低碳经济的背景下，燃料电池以其节能环保的特点得到广泛应用。针对这种情况，燃料电池的低碳设计是必然的趋势。在生命周期评价的基础上，计算得到的生命周期各阶段碳排放量，为燃料电池低碳设计提供优化方案。最后，燃料电池为例，通过对优化前后的碳足迹对比分析，证明了方法的可行性与实用性。

关键词：碳足迹 生命周期评价 低碳设计 产品优化

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

随着世界上各国的工业化程度不断提高，较高的能源消耗引起大气中CO2等温室气体浓度的增加，从而使温室效应日趋严重。交通运输作为温室气体排放的主要來源之一[1]，能源消耗高，减排潜力大，对交通运输碳减排进行研究已成为必然趋势。对于产品层面碳足迹核算，国际上广泛运用的标准为：PAS2050：2008、GHG protocol （2011）和ISO14067 （2012）。其中，PAS2050：2008是第一个产品碳足迹核算标准，己经被世界范围内很多公司所应用[2]。本文通过对燃料电池生命周期的碳足迹模型的建立，为燃料电池汽车低碳优化设计提供方向，对燃料电池的低碳设计具有指导意义。

2 燃料电池的碳足迹计算

目前燃料电池制造阶段和装配阶段基本都采取机器工作，所以机器消耗的电能和热能为主要的能源消耗;运输包装阶段分为运输、包装两个方面，运输阶段的起点取燃料电池技术发展成熟的深圳，沈阳作为运输过程的终点，主要的运输方式选用汽车，则该阶段的碳排放为汽车行驶过程中的温室气体排放;包装阶段指包装活动中产生的碳排放，其中泡沫塑料的碳排放因子为7.36kgCO2/kg，瓦楞纸箱的碳排放因子为30.2kgCO2/m2;运行使用阶段碳排放来自使用时消耗的氢能，已知该燃料电池功率为40Kw，比质量（Kg/Kw）为1.55，总质量为62kg，安装和维修的碳排放为原材料获取阶段和制造装配阶段碳排放总量的15%[3]，报废回收阶段中拆卸所产生的碳排放为原材料获取阶段和制造装配阶段碳排放

总量的10%[4]。

3 基于多约束优化的低碳优化设计

结合燃料电池各生命周期阶段的结果，以现有碳足迹为指标，选取运行使用和包装运输这两个碳排放较显著的阶段为研究对象，基于以碳排放最小为研究目标，本文选取的设计优化变量为电力生产碳排放因子、平均运行功率、运输方式能源选择、回收利用率及系统质量进行优化。

选取燃料电池汽车动力系统为研究对象，对其进行低碳多约束优化，本文以改进方案碳足迹最小为优化目标，从而构建优化设计模型如下：

（6.2）

约束条件：

浓差过电压：

等效电容两端电压：

氢气流量：

在Matlab7.12.0 0调用Matlab优化工具箱中，利用GAOT求解过程，在约束变量允许的范围内，进行仿真计算得到优化结果。其中，设置遗传算法相应的控制参数为：种群规模为50，最大遗传代数为200。

通过比较表5中的优化结果可以得出，优化设计方案与原方案相比，单从各方案碳排放降低程度来看，方案二和方案三均有不同程度的改善，并且均满足约束条件。尤其是方案二的碳排放减少的最多，较原设计方案下降了15. 494%，高于其他设计方案，达到了在不影响产品性能的前提下，减小产品碳足迹的目的。

4 总结与展望

（1）本文在全生命周期的基础上，从燃料电池碳足迹分布出发，收集了各生命周期阶段内的清单数据，对各个阶段的碳足迹进行了核算。选取并确定燃料电池优化设计参数，以各低碳设计参数改进引起的碳足迹最小为优化目标，构建了多约束目标优化模型，在约束变量允许的范围内，对模型进行多次仿真计算，得到多组优化结果，依据性能约束与碳排放降低程度，得出方案二为最佳方案，较之前碳排放水平相比，降低15. 494%。

（2）目前，国外一些发达国家已通过 LCA清单分析软件收集了大量碳足迹排放数据，但为了分析我国碳足迹排放数据，逐步建立起适合我国国情的数据库，应由国家主管部门或各行业协会组织要求企业积极收集生产过程中与碳排放有关的数据，为后续的低碳设计研究提供数据支持。

参考文献：

[1]刘向伦.低碳物流下多仓油罐车辆路径优化研究[D].河北工业大学，2016.

[2]白伟荣，王震，吕佳.碳足迹核算的国际标准概述与解析[J].生态学报，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]吕利勇，乔立红，王田苗.面向产品生命周期的产品模块化分解方法研究[J].计算机集成制造系统，200G，12（4）：54G-551.