CN106415265A - 用于确定反应物纯度的装置 - Google Patents

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Abstract

一种被配置来确定反应物纯度的装置(10)，其包括；第一燃料电池(11)，其被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，具有被配置来从第一反应物源(7，5，16)接收测试反应物的第一反应物入口(13)，所述测试反应物包括所述两种反应物中的一种；第二燃料电池(12)，其被配置来从所述两种反应物之间的电化学反应产生电流，具有被配置来从第二反应物源(5)接收所述测试反应物的第二反应物入口(14)；控制器(20)，其被配置来向每一个燃料电池施加电负荷并确定所述第一燃料电池(11)的电输出与所述第二燃料电池(12)的电输出之间的电输出差值ODt，并且确定预测输出差值与所述所确定的电输出差值ODt之间的差值，所述预测输出差值基于早期确定的历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定，所述控制器(20)被配置来至少基于所述预测输出差值和所述所确定的输出差值之间的差值提供指示所述测试反应物纯度的纯度输出。

Description

用于确定反应物纯度的装置
本发明涉及一种被配置来确定反应物纯度的装置。具体地，它涉及一种用于确定诸如氢气的燃料和/或诸如空气的氧化剂的纯度的装置。它也涉及包括此装置的加油站或固定电力设备以及确定反应物纯度的方法。
使用氢气作为燃料用于产生燃料电池中的电力正变得越来越重要。氢气供给的纯度对最佳电力产生和对维持使用此氢气的燃料电池在最佳状态是重要的。
当前，在燃料电池系统中使用的氢气通常通过天然甲烷气体的蒸汽重整来合成。甚至在使用最好质量实践的情况下，对于燃料电池运行有危害的许多污染物仍可能存在于氢气燃料中。虽然这种危害通常是可逆的，但是在最坏的情况中，可能存在包括会对燃料电池造成不可逆危害的一些化合物的高度污染。
根据本发明的第一个方面，我们提供一种被配置来确定反应物纯度的装置，其包括；
第一燃料电池，其被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，具有被配置来从第一反应物来源接收测试反应物的第一反应物入口，所述测试反应物包括两种反应物中的一种；
第二燃料电池，其被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，具有被配置来从第二反应物来源接收测试反应物的第二反应物入口；
控制器，其被配置来向每一个燃料电池施加电负荷并确定第一燃料电池的电输出与第二燃料电池的电输出之间的电输出差值ODt，并且确定预测输出差值与所确定的电输出差值ODt之间的差值，预测输出差值基于早期确定的历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定，
所述控制器被配置来至少基于预测输出差值与所确定的输出差值之间的差值提供指示测试反应物纯度的纯度输出。
这是有利的，因为已发现基于历史测量值确定输出差值在后期的走向的预测，然后在后期确定输出差值并进行比较，提供了确定或监测反应物纯度的一种有效的方法。历史值可包括先前确定的差值或变化率或者差值或变化率的历史平均值。
控制器可被配置来使用在早期t-1先前确定的相同指标中的两个在时间t确定至少三个指标，这些指标包括代表预测输出差值与所确定的输出差值之间的差值的δt指标、平滑水平指标SLt以及变化率指标ROCt，其中；
δt＝ODt-(SLt-1+ΔtxROCt-1)
SLt＝(SLt-1+ΔtxROCt-1)+α1xδt
ROCt＝ROCt-1+α2xδt
且Δt包括时间t与时间t-1之间的时间差值，并且α1和α2包括预先确定的值，其中纯度输出使用所述指标确定。
已发现这些指标在鉴定反应物质量随时间的劣化方面有效，同时在计算上是高效的。
纯度输出可使用电输出差值ODt确定。
第一反应物来源可提供测试反应物的参考反应物，所述参考反应物具有已知纯度并且第二反应物来源提供未知纯度的燃料。第一反应物来源可包括纯化设备，所述纯化设备被配置来纯化从第二反应物来源供给的测试反应物的部分。
因此，所述装置被配置来确定除了向燃料电池供给的燃料之外基本上相同的两个燃料电池的电输出。可假设参考反应物是纯的而测试反应物具有未知纯度，本装置可相对于参考反应物确定所述未知纯度。
任选地，测试反应物包括燃料。燃料可包括氢气。任选地，测试反应物包括氧化剂，诸如大气。反应物可用于向燃料电池电力来源供给，诸如燃料电池驱动的汽车或固定电力设备。
输出差值可基于来自第一燃料电池和第二燃料电池的多个采样电输出值的平均值确定。因此，可对多个输出值求平均并且确定差值，或确定多个输出差值，然后求平均。平均值可包括众数、均数或中值平均值、集中趋势度量或任何其他平均值。
控制器可被配置来确定变化率指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供变化的反应物纯度的警告。控制器可被配置来确定平滑水平指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供反应物纯度无法接受的指示。控制器可被配置来确定δt指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供反应物纯度无法接受的指示。因此，如果超过预先确定的阈值，控制器可仅发出警报或警告。另选地，它可基于多个阈值提供多个警告。
所述装置可包括第三燃料电池，其被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，其中测试反应物包括第一测试反应物并且两种反应物中的另一种包括第二测试反应物；
第一燃料电池被配置来从第一反应物来源接收第一测试反应物和从第四反应物来源接收第二测试反应物；
第二燃料电池被配置来从第二反应物来源接收第一测试反应物和从第四反应物来源接收第二测试反应物；
第三燃料电池被配置来从第一反应物来源接收第一测试反应物和从第三反应物来源接收第二测试反应物，
控制器被配置来确定以下各项的电输出之间的电输出差值ODt
第一燃料电池与第二燃料电池；
第一燃料电池与第三燃料电池；以及
第二燃料电池与第三燃料电池，
控制器被配置来至少基于预测输出差值和所确定的输出差值ODt之间的差值给出第一测试反应物纯度和第二测试反应物纯度的指示，对于每一个输出差值而言，预测输出差值基于历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定。
第一测试反应物可包括燃料且第二测试反应物包括空气；第一反应物来源包括纯燃料来源；第二反应物来源包括未知纯度的燃料来源；第三反应物来源包括纯空气来源或未知纯度的空气来源且第四反应物来源包括纯空气来源和未知纯度的空气来源中的另一者。
控制器可被配置来输出第三燃料电池与第二燃料电池之间的性能差值的指示。因此，第二燃料电池与第三燃料电池之间的输出差值可提供燃料电池健康状态的指示。
第一燃料电池可包括呈堆的多个串联连接的燃料电池和/或其中第二燃料电池包括呈堆的多个串联连接的燃料电池。
根据本发明的第二个方面，我们提供一种用于确定反应物纯度的指示的方法，其包括；
测量第一燃料电池的电输出，第一燃料电池具有施加至其上的负荷并且被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，两种反应物中的一种包括从第一反应物来源向第一燃料电池供给的测试反应物；
测量第二燃料电池的电输出，第二燃料电池具有施加至其上的负荷并且被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，向第二燃料电池供给的测试反应物从第二反应物来源供给；
确定第一燃料电池电输出与第二燃料电池的电输出之间的电输出差值ODt，
至少基于预测输出差值和所确定的输出差值之间的差值提供测试反应物纯度的指示，预测输出差值基于历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定。
提供指示的步骤可包括；
使用在时间t-1先前确定的相同指标中的两个在时间t确定至少三个指标，这些指标包括代表预测输出差值与所确定的输出差值之间的差值的δt指标、平滑水平指标SLt以及变化率指标ROCt，其中；
δt＝ODt-(SLt-1+ΔtxROCt-1)
SLt＝(SLt-1+ΔtxROCt-1)+α1xδt
ROCt＝ROCt-1+α2xδt
且Δt包括时间t与时间t-1之间的时间差值，并且α1和α2包括预先确定的值，其中所述方法还包括使用所述指标提供反应物纯度的指示。
所述方法可包括基于电输出差值ODt提供纯度输出的步骤，所述纯度输出包括测试反应物纯度的指示。
确定电输出差值的步骤可包括确定来自第一燃料电池和第二燃料电池的多个采样电输出值的平均值并使用所述平均值来确定电输出差值。
所述方法可包括确定变化率指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么使用所述纯度输出提供变化的反应物纯度的警告。所述方法可包括确定平滑水平指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么使用所述纯度输出提供反应物纯度无法接受的指示。所述方法可包括确定δt指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供反应物纯度无法接受的指示。
所述方法可包括以下步骤
测量第三燃料电池的电输出，第三燃料电池具有施加至其上的负荷并且被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，其中测试反应物包括第一测试反应物并且两种反应物中的另一种包括第二测试反应物，第一燃料电池被配置来从第三反应物来源接收第二测试反应物，第二燃料电池被配置来从第三反应物来源接收第二测试反应物，并且第三燃料电池被配置来从第一反应物来源接收第一测试反应物和从第四反应物来源接收第二测试反应物，
所述方法还包括确定以下各项的电输出之间的电输出差值ODt的步骤
第一燃料电池与第二燃料电池
第一燃料电池与第三燃料电池；以及
第二燃料电池与第三燃料电池，以及
使用预测输出差值与所确定的输出差值之间的差值提供第一测试反应物纯度和第二测试反应物纯度的指示的步骤，对于每一个输出差值而言，预测输出差值基于历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定。
根据本发明的第三个方面，我们提供一种包括代码的计算机程序或计算机程序产品，所述代码在被处理器执行时致使装置实施第二个方面的方法。
根据本发明的第四个方面，我们提供一种反应物分配系统，所述系统被配置来从位于地理上不同的反应物使用位置的多个传感器中的每一个接收反应物纯度指标并且根据被配置来向反应物使用位置供给反应物的反应物分配网络识别与每一个所接收的指标相关联的位置，所述系统适于响应于代表来自特定反应物使用位置的低反应物纯度的所接收的指标、基于所述特定反应物使用位置在反应物分配网络中的位置来重新配置反应物分配网络和/或禁用在一个或多个反应物使用位置的反应物的使用。
反应物使用位置可包括反应物分配位置，诸如加油站。另选地，反应物使用位置可包括消耗向其供给的反应物的固定电力设备。
所述系统可被配置来通过抑制向反应物分配网络中处于从其接收到低反应物纯度指标的分配位置的下游的部分分配反应物来重新配置反应物分配网络。这防止更远的反应物使用位置接收低纯度反应物(如果假设杂质的起因是来自被传送的反应物)。下游位置可根据分配网络确定。
所述系统可被配置来通过以下方式禁用在一个或多个反应物使用位置的反应物的使用：被配置来使用反应物分配网络将从共同反应物来源接收反应物的一个或多个反应物使用位置识别为特定反应物使用位置并提供所述被识别的反应物使用位置的禁用。因此，当使用反应物分配网络确定哪些位置从与具有低反应物纯度问题的特定使用位置的相同来源接收反应物时，反应物使用位置可被停止使用或分配低质量反应物。另外，在反应物使用位置包括例如固定电力设备的情况下，每一个单元可以不同速率消耗反应物。因此，通过自动确定上游或下游的哪些使用位置从相同来源接收反应物，提供了一种有利的反应物分配网络。
所述系统可被配置来实时提供阀门关闭信号用于反应物分配网络中的阀门的致动，以防止反应物沿着分配管道在从其接收低反应物纯度指标的分配位置的下游流动。
所述系统可被配置来实时提供信号，以防止来自一个批次反应物的反应物向反应物分配位置的分配，所述反应物分配位置沿着预先确定的路径处于从其接收低反应物纯度指标且也从所述批次反应物接收反应物的分配位置的下游。
所述系统可被配置来提供另选的供给信号以重新配置反应物分配网络，使得位于反应物分配网络部分中处于从其接收低反应物纯度指标的分配位置的下游的部分中的反应物分配位置从网络的不同部分被供给反应物。
另选的供给信号可包括；
i)打开反应物分配网络中的阀门以从网络的另选部分供给受影响的反应物分配位置的指令；或
ii)向位于反应物分配网络部分中处于从其接收低反应物纯度指标的分配位置的下游的部分中的一个或多个反应物分配位置调度一个批次反应物的指令；
iii)将一个批次反应物从其预先确定的路径转向至位于反应物分配网络中处于从其接收低反应物纯度指标的分配位置的下游的部分中的一个或多个反应物分配位置的指令。
所述系统可被配置来向一个或多个被识别的反应物使用位置提供抑制信号，以抑制从共同来源接收的反应物的使用。因此，反应物使用位置可切换至不同的反应物来源(如果存在)，或被禁用直至反应物分配网络从不同来源传送反应物。另外，根据分配网络，不止产生低反应物纯度指示的反应物使用位置可被抑制。这可防止低质量反应物在其他反应物使用位置的损害或进一步分配。
根据本发明的第五个方面，我们提供一种包括代码的方法或计算机程序或计算机程序产品，所述代码在被处理器执行时实施以下步骤；
从位于地理上不同的反应物使用位置的多个传感器中的每一个接收反应物纯度指标；
根据被配置来向反应物使用位置供给反应物的反应物分配网络识别与每一个所接收的指标相关联的位置，
响应于代表来自特定反应物使用位置的低反应物纯度的所接收的指标、基于所述特定反应物使用位置在反应物分配网络中的位置，发送指令以重新配置反应物分配网络和/或禁用在一个或多个反应物使用位置的反应物的使用。
现在接着仅以举例的方式，参考附图提供本发明的一个或多个实施方案的详细描述，其中；
图1示出第一示例装置的示意图，所述装置利用两个燃料电池并被配置来确定反应物的纯度；
图2a至2c示出一系列图表，其针对示例数据组说明几个反应物纯度指标随时间的改变；
图3示出第一示例装置的示意图，所述装置利用三个燃料电池并被配置来确定两种反应物的纯度；并且
图4示出用于重新配置反应物分配网络的反应物分配系统。
图1中示出用于确定反应物纯度的装置10。装置10具有用于确定诸如氢气的燃料的纯度的特定应用。因此，装置10可形成针对诸如汽车的燃料电池驱动设备的燃料加注站的部分。所述装置可因此被配置来监测所储存的或向加油站供给的燃料的纯度用于污染检测并且可在燃料被传送至消费者之前评估燃料纯度。所述装置还可用于监测正向运行燃料电池或“原”燃料电池进料的氢气供给，所述燃料电池正被用作针对例如建筑物或汽车或通信基础设施的电力供给。本发明也对针对基于燃料电池的固定电力设备确定反应物纯度是有用的，所述设备为诸如移动电信桅杆的装备提供电力或备用电力。所述装置可用作周期性测试系统或用作“内嵌的(in-line)”连续运行的反应物/燃料监视器。
所述装置也可确定诸如氧化剂的其他反应物的纯度。燃料电池可利用大气作为氧化剂并且因此，所述装置可用于评估空气纯度。这是有利的，因为所述装置可被配置来提供关于燃料纯度和/或空气纯度的变化的信息。
所述装置使用至少两个燃料电池的配置来监测反应物纯度。使用燃料电池来确定反应物纯度的优点是与现有的元素分析装置和方法比较，它是相对廉价的。基于燃料电池的纯度监测系统的另一个优点是从本质上来说，执行纯度监测的这些燃料电池可易于被配置成对完全相同的污染物敏感，所述污染物对可与纯度监视器相关联的原燃料电池堆的运行有害。
图1示出说明装置10的第一种配置的运行原理的示意图。纯度监视器10包括第一燃料电池11和第二燃料电池12。第一燃料电池11是参考燃料电池并且还可包括另外设置在串联连接配置中的多个个体燃料电池，以作为参考燃料电池堆11。第二燃料电池12是测试燃料电池并且还可另外包括设置在串联连接配置中的多个个体燃料电池，以作为测试燃料电池堆12。参考电池11具有燃料入口13并且测试电池12具有燃料入口14。在这种布置中，燃料入口13、14均从共同氢气来源5供给。氢气来源5可为任何形式的氢气来源，其包括但不限于任何形式的储罐或容器，连续管道供给，或诸如蒸汽重整系统的氢气发生器。燃料入口13通过纯化器16连接至氢气来源5。因此，纯化器16可被认为是纯氢气的来源。纯化器16可为任何形式的过滤器，其能够去除降低参考燃料电池11和测试燃料电池12的电性能的污染物。例如，可使用任何形式的催化剂激活的纯化器。优选的纯化器是钯膜。纯化器16优选地位于入口13与氢气来源5之间。可使用任何合适的纯化器或内嵌的气体纯化方法，诸如基于使用多孔介质吸附或变压吸附的吸附方法的那些。一系列可能的氢气纯化器是可商购获得的，诸如来自SAES Pure Gas Inc的系列。
在其他实施方案中，入口13可连接至独立的纯氢气燃料来源7(在图1中以虚线示出)而不是纯化器16。
燃料电池11和12包括被配置来接收可替换燃料来源的便携式消费者燃料电池电力供给。在纯度确定装置中使用消费者单元是节省成本的并且，考虑到这些单元可为大量生产的，它们通常在性能上具有良好的一致性。燃料电池11和12被配置来分别从包括纯化器的燃料来源16和燃料来源5接收供给，而不是从可替换燃料来源接收燃料。
校准阀门31使燃料电池11和12均能以相同反应物被进料，所述反应物在此实施方案中是纯化的氢气或纯氢气。校准阀门31可被致动使得燃料电池12通过管道32接收纯氢气。在校准阀门31处于此位置的情况下，控制器20可通过适当地调整控制器20来执行校准程序以确定和校准燃料电池11与12之间的任何系统性电输出差值。在正常使用中，校准阀门31可被致动使得第二燃料电池12从来源5接收氢气并且第一燃料电池11从来源7或纯化器16接收氢气。
第一参考燃料电池11具有电输出17并且第二测试燃料电池12具有电输出18。电输出17、18均连接至控制器20。控制器20被配置来向每一个燃料电池11、12施加电负荷(未示出)并监测燃料电池11、12的电输出17、18。控制器20也被配置来比较所述电输出以确定燃料电池11、12之间的电输出差值。在此实施方案中，电输出17、18包括通过USB电缆连接至控制器20的USB输出。电输出包括电压。具体地，控制器可在恒定输出电流下测量燃料电池电压。另选地，控制器可在恒定电压下为每一个燃料电池11、12测量输出电流。
控制器20也提供纯度输出22，其被配置来基于控制器20的输出给出氢气来源5的燃料反应物纯度的指示。在此实施方案中，纯度输出22呈交通灯系统的形式。具体地，绿色灯23显示燃料/反应物质量在预先确定的限度内可接受，琥珀色灯24指示变化的反应物纯度的警告且红色灯25指示不可接受的反应物纯度。应当了解可使用其他指示器，如显示器。控制器20还包括由天线26代表的无线通信元件，以向另一个设备传输反应物纯度的测量值或对反应物纯度的确定。因此，在另一个实施方案中，控制器可包括连接至燃料电池的数据采集部件和远离燃料电池并通过通信链路连接至数据采集部件的数据分析部件，所述数据分析部件被配置来根据所采集的数据确定反应物质量。控制器的功能性可作为在处理器上执行的软件来体现，所述处理器从燃料电池11、12接收输出。
在使用时，第一燃料电池11从纯化器16接收氢气燃料，纯化器16反过来从氢气来源5接收燃料。第二燃料电池12直接从没有纯化的氢气来源接收燃料。氢气来源5因此供给待测试的反应物。燃料入口13和燃料入口14各自连接至相应的调压器27、28以确保每一个燃料电池以相同速率被供给燃料。燃料电池11、12通过空气入口29、30均接收大气作为其他反应物。燃料电池11、12并排定位并且因此假设它们均接收相同纯度的空气，使得其电输出的任何差值将是由向第一燃料电池11供给的纯化燃料和向第二燃料电池12供给的未纯化测试燃料之间的差异引起的。
燃料电池11、12产生电力并且控制器被配置来周期性地确定它们之间电输出的差值ODt。具体地，在此实例中，控制器被配置来每秒采样电输出电压。控制器被配置来每分钟取得先前60秒的电输出电压的平均值并且使用平均电输出确定电输出(电压)差值。因此，在时间t，控制器确定输出差值ODt。前一周期的输出差值指定为ODt-1。
控制器20被配置来基于历史输出差值和所述输出差值的历史变化率预测输出差值ODt的走向。为了初始化，历史输出差值和历史变化率可各自包括预先确定的值。此外，历史输出差值和历史变化率可在每个时间间隔t进行计算。历史输出差值可包括先前确定的输出差值并且同样地，历史变化率可包括先前确定的变化率。控制器20然后被配置来确定预测输出差值与输出差值ODt之间的进一步差值。控制器可确定此进一步差值是否处于预先确定的阈值或限度之内并且，基于此评估，控制器可提供纯度输出22，纯度输出22可包括向燃料电池12供给的反应物纯度在变化或在可接受限度之外的警示、值或警告。在此实例中，这样的警示指示来自来源5的氢气纯度可能是低的。
在另一个实例中，控制器被配置来基于使用在时间t-1先前确定的相同指标中的两个，即SLt-1和ROCt-1，在时间t确定的至少三个指标或参数中的任一个给出反应物纯度的指示。这些指标包括代表预测输出差值与以上所述的所确定的输出差值之间的差值的δt指标、平滑水平指标SLt以及变化率指标ROCt，其中；
δt＝ODt-(SLt-1+ΔtxROCt-1) (1)
SLt＝(SLt-1+ΔtxROCt-1)+α1xδt (2)
ROCt＝ROCt-1+α2xδt (3)
Δt包括时间t与时间t-1之间的时间差值，且α1和α2包括预先确定的值。α1和α2可包括常数。α1和α2可用于调谐所述指标对其他指标的变化的灵敏度。另外，α1和α2可为相关的，使得；
α2＝α1 2/((2-α1)xΔt) (4)
因此，公式3变成；
ROCt＝ROCt-1+(α1 2/((2-α1)xΔt))xδt (5)
α1可在0和1之间选出，以给出在(a)消除观察值中的噪声(小α1)与(b)使时间序列的离散特征由所述指标代表(大α1)之间的折衷。α1与α2之间的其他关系是可能的。例如，α2＝α1 2/(2-α1)是可产生有利结果的一种可能关系。
指标δt、平滑水平指标SLt以及变化率指标ROCt可各自具有相关联的阈值水平或范围。平滑水平指标代表历史输出差值并且变化率指标代表历史变化率。因此，当确定这些指标中的任何一个已超过其预先确定的阈值/范围或落在其预先确定的阈值/范围之外时，纯度输出22可被配置来产生警示。
在此实施方案中，使用交通灯警告系统，变化率指标用于在红色警示之前给出琥珀色警告。另外，如果在燃料电池11、12之间存在持续的高电压差值或燃料电池11、12之间的电压差值存在突然‘峰值’或‘跳跃’，那么平滑水平指标和δ输出用于给出红色警示。
图2a至2c示出示例数据组，以展示指标的变化以及它们如何被用来警告使用者可能劣化的反应物纯度或低反应物纯度。
图2a示出燃料电池11与燃料电池12之间的电压输出差值200。初始时，输出差值处在其相关联的阈值201之内并且绿色灯23被点亮以向使用者显示燃料纯度是可接受的。可看出输出差值在从监测开始时起的约93分钟后越过0.1伏特的阈值。这提供燃料纯度可能已落在可接受限度以下的指示。因此，红色灯25被点亮。
图2b示出标记为212的变化率指标ROCt的曲线图。变化率指标具有在+0.001与-0.001之间并标记为210、211的相关联的阈值范围。所述范围在约50分钟后被超过。控制器被配置来使用超过其阈值范围的变化率指标作为给使用者的警告，而不是纯度水平已落在可接受限度以下的警示。因此，在50分钟后，发出琥珀色警示并且琥珀色灯24被点亮。已发现ROCt指标有利地提供变化的反应物纯度的提前警告和纯度水平潜在地减小到可接受水平以下的有用早期警告。
图2c示出δt指标222。δt值具有相关联的阈值范围220、221，在此实例中，所述范围包括-0.005至+0.005。δt值在从监测开始时起的102分钟超过阈值范围。因此，红色灯25通过控制器被点亮。
应当了解阈值和范围可根据应用选择。另外，预先确定的常数α1和α2可根据特定应用调谐。
图3示出可用于确定多于一种反应物的纯度的第二实施方案。在此实施方案中，相同的特征结构使用相同的参考数字。此实施方案包括在构造上与第一燃料电池11和第二燃料电池12相同的第三燃料电池33。第一燃料电池11从独立的纯来源7接收燃料，而不是从纯化器16接收其燃料，但是当提供三个(或更多)燃料电池11、12、33时，这不是必需的。第三燃料电池被配置来从纯燃料来源7接收其燃料供给。在第一燃料电池11和第二燃料电池12通过通气孔29、30从大气环境吸入其其他反应物(空气)的情况下，第三燃料电池33从纯化空气来源34接收空气。纯化空气来源可为空气纯化设备和/或过滤器或来自储存容器的空气。第三燃料电池33包括连接至控制器20的电输出35。
控制器20被配置来施加负荷并如同针对第一燃料电池和第二燃料电池执行的一样对第三燃料电池33的电输出采样。除根据第一燃料电池与第二燃料电池12的电输出之间的差值确定的电输出差值ODt之外，控制器也被配置来确定第一燃料电池11与第三燃料电池33之间的输出差值ODt。就第一燃料电池和第三燃料电池而言，它们接收相同纯度的燃料，但是第三燃料电池33充当空气纯度的参考并且第一燃料电池接收“测试”大气。因此，第一燃料电池11与第三燃料电池33之间的电输出的差值是(基本上)由空气纯度的差值引起的。
控制器可另选地或除此之外被配置来确定第二燃料电池12与第三燃料电池33之间的输出差值。就第二燃料电池和第三燃料电池而言，它们接收(潜在地)不同纯度的燃料和(潜在地)不同纯度的空气。然而，，鉴于第三燃料电池33接收纯空气和纯燃料，它将不会在使用中受污染。因此，第二燃料电池12与第三燃料电池33之间的电输出的差值是(基本上)由于第二燃料电池12因使用中的污染而劣化所引起的。因此，第二燃料电池与第三燃料电池之间的电输出差值是有利的并且可使用以上讨论的指标进行分析。
纯度输出22交通灯显示器由产生报告(未示出)来替代，所述报告可被报告给加油站和/或分配网络控制器。
在另一个实施方案中，可提供从来源5接收其氢气燃料且从纯空气来源34接收其空气供给的第四燃料电池。因此，所述装置如下表中所示。
第一燃料电池与第二燃料电池之间的输出差值以及第三燃料电池与第四燃料电池之间的差值提供两个对燃料纯度的确定。第一燃料电池与第三燃料电池之间的输出差值以及第二燃料电池与第四燃料电池之间的差值提供两个对空气(或其他氧化剂)纯度的确定。这可提供更可靠的确定。
反应物分配系统可利用纯度输出22来配置反应物分配网络。图4示出反应物分配网络40，所述反应物分配网络40在此实例中包括用于向多个反应物使用位置41a-f传送燃料的氢气分配网络。反应物使用位置41a-f可包括分配位置，诸如氢气加注站，在此处，燃料电池驱动汽车的使用者可将氢气燃料加注至其汽车。每一个反应物使用位置包括反应物纯度传感器，所述传感器可包括以上所述的装置10，但是可使用任何适当的纯度传感器。
网络40从第一网络来源42和第二网络来源43接收其氢气燃料供给。网络来源可包括氢气产生工厂或大容量储存仓库。
网络40包括将网络来源42、43与分配位置41a-f连接的多个通路44a-e和45a-d。在此实例中，这些通路包括燃料可沿其流动的管道。然而，应当了解，通路44a-e和45a-d可构成反应物传送载体的预先确定的传送路径的区段。在此实例中，网络40包括由第一网络来源42供给的第一部分，其包括位置41a、41b、41d、41f和41e。这些位置通过通路44a-e依序被供给。网络40还包括由第二网络来源43供给的第二部分，其包括位置41c、41d、41f和41e。位置41c、41d、41f通过通路45a、45b和45c依序被供给。位置41e通过通路45d直接从第二网络来源43被供给。
每一个通路44a-e、45a-d包括阀门46，阀门46可被致动以防止沿其流动。因此，通路44c的阀门46的致动将防止来自第一网络来源42的燃料到达包括41d、41f和41e的下游位置。
所述系统可包括接收在每一个位置41a-f的传感器的输出并可控制阀门46的控制器47。这可通过无线通信或以其他方式执行。
在第一实例中，通路45b、45c和45d的阀门是关闭的。因此，位置41a、41b、41d、41f、41e从第一网络来源42依序接收燃料。位置41c从第二网络来源43接收燃料。
在使用时，低反应物质量指标可从位置41b处的传感器接收。控制器47可被构造来定位网络40中的传感器并且因此识别通路44c是在位置41b的下游。因此，为了防止低纯度燃料到达更远的分配位置，即位置41d、41f和41e，控制器可因此自动发出信号以引起通路44c的阀门46的致动。在网络中的位置41b周围可能存在污染源。因此，分配位置41d、41f和41e与第一网络来源42以及在来源42和通路44c的阀门46之间的网络部分被隔离。控制器47可使用向更远下游通路的更远阀门的另外信号来将阀门致动以防止低纯度燃料的分配。
另选地或除此之外，控制器47可向使用位置41b、41d、41f和41e提供抑制信号以阻止这些位置使用或分配燃料。这是有利的，因为它防止潜在受污染的燃料被分配至使用者的汽车。
应当了解，在另选的实施方案中，通路44c的阀门46可代表在燃料传送载体中的信号接收以控制载体沿行的路径。因此，所述载体可已被预订按顺序向位置41a、41b、41d、41f和41e传送。因此，所述信号可实时命令传送载体改变其路径以便不会传送至下游位置41d、41f和41e。
控制器47也可发出另选的供给信号以引起网络40的另外的重新配置，使得受通路44c的阀门46的关闭影响的分配位置可从诸如第二来源43的不同来源被供给。因此，另选的供给信号被配置来引起通路45b、45c和45d的阀门46的致动，使得这些通路对来自第二来源43的燃料的流动打开。因此，与第一网络来源42隔离的分配位置41d和41f现在由来自第二网络来源43的燃料供给。另外，分配位置41e直接从第二网络来源43供给而不是从第一网络来源42供给。
在另选的实施方案中，另选的供给信号可针对来自第二网络来源43的燃料供给载体或油船限定路径以供给受影响的分配位置。另选的供给信号可限定对燃料供给载体的预先存在的路径的修改。因此，在此另选的实施方案中，通路45b的阀门46可不是代表阀门，而是代表针对燃料传送载体的指令的接收，以修改所述载体的预期路径(可回到第二网络来源43)并转而继续至分配位置41d和41f。另外的载体可被发送指令以进行至分配位置41e。因此，控制器47可执行对一个或一组燃料供给载体所沿行的路径的实时重新配置，方式如同在实体供给管道基础设施中的阀门控制燃料沿其流动。来自控制器47的信号可产生传送载体中的警示并向驱动程序提供消息以改变路径。另选地，所述信号可提供指令以自动地重新配置带有驱动程序所沿行的新路径的导航制导装置，诸如GPS制导设备。
在另一个实施方案中，可在网络中致动过滤装置，使得网络以一部分网络接收过滤后反应物的方式重新配置。过滤装置可位于分配位置之间且可靠近任何阀门或设置有阀门。因此，过滤装置可在报告低反应物质量的分配位置上游和/或下游被致动。
在另一个实施方案中，反应物使用位置41a-f包括固定电力设备，诸如，用于向移动电信桅杆供给备用电力。因为反应物使用位置41a-f提供备用电力，所以它们可仅被周期性地激活并且一些位置比其他位置更频繁。在此实施方案中，控制器47被配置来使用分配网络确定哪些反应物使用位置从相同来源42、43接收反应物。因此，它可考虑受影响的反应物使用位置下游和上游的反应物使用位置。这是因为，虽然在已报告低反应物纯度的位置之前上游位置可能已接收潜在受污染的燃料，但是它可能不是有活性并且因此受污染的燃料可储存在上游固定电力设备中待用。因此，控制器47可向从共同来源接收燃料的反应物使用位置提供抑制信号。另选地，或除此之外，控制器可重新配置分配网络，使得可能来自不同来源的新燃料被传送至受影响的反应物使用位置41a-f。控制器47因此确保反应物使用位置的有效网络。
反应物分配系统可向使用者提供燃料分配位置处或网络中其他任何位置处的反应物纯度的实时信息。因此，使用者可实时看到在每一个燃料分配位置的反应物纯度。这可构成本发明的一个方面。

Claims (36)

1.一种被配置来确定反应物纯度的装置，其包括；
第一燃料电池，其被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，具有被配置来从第一反应物来源接收测试反应物的第一反应物入口，所述测试反应物包括所述两种反应物中的一种；
第二燃料电池，其被配置来从所述两种反应物之间的电化学反应产生电流，具有被配置来从第二反应物来源接收所述测试反应物的第二反应物入口；
控制器，其被配置来向每一个燃料电池施加电负荷并确定所述第一燃料电池的电输出与所述第二燃料电池的电输出之间的电输出差值ODt，并且确定预测输出差值与所述所确定的电输出差值ODt之间的差值，所述预测输出差值基于早期确定的历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定，
所述控制器被配置来至少基于所述预测输出差值与所述所确定的输出差值之间的所述差值提供指示所述测试反应物纯度的纯度输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中
所述控制器被配置来使用在早期t-1先前确定的所述相同指标中的两个在时间t确定至少三个指标，所述指标包括代表预测输出差值与所述所确定的输出差值之间的差值的δt指标、平滑水平指标SLt以及变化率指标ROCt，其中；
δt＝ODt-(SLt-1+Δt x ROCt-1)
SLt＝(SLt-1+Δt x ROCt-1)+α1xδt
ROCt＝ROCt-1+α2xδt
且Δt包括时间t与时间t-1之间的所述时间差值，并且α1和α2包括预先确定的值，其中所述纯度输出使用所述指标确定。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中
所述纯度输出使用所述电输出差值ODt确定。
4.如任一前述权利要求所述的装置，其中所述第一反应物来源提供所述测试反应物的参考反应物，所述参考反应物具有已知纯度并且所述第二反应物来源提供未知纯度的燃料。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一反应物来源包括纯化设备，所述纯化设备被配置来纯化从所述第二反应物来源供给的所述测试反应物的部分。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述测试反应物包括燃料。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述测试反应物包括氧化剂，诸如大气。
8.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述输出差值基于来自所述第一燃料电池和所述第二燃料电池的多个采样电输出值的平均值确定。
9.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器被配置来确定所述变化率指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供变化的反应物纯度的警告。
10.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器被配置来确定所述平滑水平指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供所述反应物纯度无法接受的指示。
11.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器被配置来确定所述δt指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供所述反应物纯度无法接受的指示。
12.根据权利要求1所述的装置，其包括第三燃料电池，所述第三燃料电池被配置来从所述两种反应物之间的电化学反应产生电流，其中所述测试反应物包括第一测试反应物并且所述两种反应物中的另一种包括第二测试反应物；
所述第一燃料电池被配置来从所述第一反应物来源接收所述第一测试反应物和从第四反应物来源接收所述第二测试反应物；
所述第二燃料电池被配置来从所述第二反应物来源接收所述第一测试反应物和从所述第四反应物来源接收所述第二测试反应物；
所述第三燃料电池被配置来从所述第一反应物来源接收所述第一测试反应物和从第三反应物来源接收所述第二测试反应物，
所述控制器被配置来确定以下各项的电输出之间的电输出差值ODt
第一燃料电池与第二燃料电池；
第一燃料电池与第三燃料电池；以及
第二燃料电池与第三燃料电池，
所述控制器被配置来至少基于预测输出差值和所述所确定的输出差值ODt之间的差值给出所述第一测试反应物纯度和所述第二测试反应物纯度的指示，对于每一个所述输出差值而言，所述预测输出差值基于历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定。
13.根据权利要求12所述的装置，其中
所述第一测试反应物包括燃料且所述第二测试反应物包括空气；
所述第一反应物来源包括纯燃料来源；
所述第二反应物来源包括未知纯度的燃料来源；
所述第三反应物来源包括纯空气来源或未知纯度的空气来源且所述第四反应物来源包括所述纯空气来源和所述未知纯度的空气来源中的另一者。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述控制器被配置来输出所述第二燃料电池与所述第三燃料电池之间的性能差值的指标。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一燃料电池包括呈堆的多个串联连接的燃料电池，和/或其中所述第二燃料电池包括呈堆的多个串联连接的燃料电池。
16.根据权利要求6所述的装置，其中所述燃料包括氢气。
17.一种用于确定反应物纯度的指示的方法，其包括；
测量第一燃料电池的电输出，所述第一燃料电池具有施加至其上的负荷并且被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，所述两种反应物中的一种包括从第一反应物来源向所述第一燃料电池供给的测试反应物；
测量第二燃料电池的电输出，所述第二燃料电池具有施加至其上的负荷并且被配置来从所述两种反应物之间的电化学反应产生电流，向所述第二燃料电池供给的所述测试反应物从第二反应物来源供给；
确定所述第一燃料电池电输出与所述第二燃料电池的电输出之间的电输出差值ODt，
至少基于预测输出差值和所确定的输出差值之间的差值提供所述测试反应物纯度的指示，所述预测输出差值基于历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定。
18.根据权利要求17所述的方法，其中提供指示的所述步骤包括；
使用在时间t-1先前确定的所述相同指标中的两个在时间t确定至少三个指标，所述指标包括代表预测输出差值与所述所确定的输出差值之间的差值的δt指标、平滑水平指标SLt以及变化率指标ROCt，其中；
δt＝ODt-(SLt-1+Δt x ROCt-1)
SLt＝(SLt-1+Δt x ROCt-1)+α1xδt
ROCt＝ROCt-1+α2xδt
且Δt包括时间t与时间t-1之间的时间差值，并且α1和α2包括预先确定的值，其中所述方法还包括使用所述指标提供反应物纯度的所述指示。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中所述方法包括基于所述电输出差值ODt提供所述纯度输出的步骤，所述纯度输出包括测试反应物纯度的指示。
20.根据权利要求17所述的方法，其中确定所述电输出差值的所述步骤包括确定来自所述第一燃料电池和所述第二燃料电池的多个采样电输出值的平均值并使用所述平均值来确定所述电输出差值。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述方法包括确定所述变化率指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么使用所述纯度输出提供变化的反应物纯度的警告。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述方法包括确定所述平滑水平指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么使用所述纯度输出提供所述反应物纯度无法接受的指示。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述方法包括确定所述δt指标是否超过预先确定的阈值范围并且，如果这样，那么提供所述反应物纯度无法接受的指示。
24.根据权利要求17所述的方法，其包括以下步骤
测量第三燃料电池的电输出，所述第三燃料电池具有施加至其上的负荷并且被配置来从两种反应物之间的电化学反应产生电流，其中所述测试反应物包括第一测试反应物且所述两种反应物中的另一种包括第二测试反应物，所述第一燃料电池被配置来从第三反应物来源接收所述第二测试反应物，所述第二燃料电池被配置来从所述第三反应物来源接收所述第二测试反应物，并且所述第三燃料电池被配置来从所述第一反应物来源接收所述第一测试反应物和从第四反应物来源接收所述第二测试反应物，
所述方法还包括确定以下各项的电输出之间的电输出差值ODt的步骤
第一燃料电池与第二燃料电池
第一燃料电池与第三燃料电池；以及
第二燃料电池与第三燃料电池，以及
使用预测输出差值与所述所确定的输出差值之间的差值提供所述第一测试反应物物纯度和所述第二测试反应物纯度的指示的步骤，对于每一个所述输出差值而言，所述预测输出差值基于历史输出差值和所述输出差值的历史变化率确定。
25.一种包括代码的计算机程序或计算机程序产品，所述代码在被处理器执行时致使装置实施权利要求17至24中任一项所述的方法。
26.一种反应物分配系统，其被配置来从位于地理上不同的反应物使用位置的多个传感器中的每一个接收反应物纯度指标并且根据被配置来向所述反应物使用位置供给反应物的反应物分配网络识别与每一个所述所接收的指标相关联的位置，所述系统适于响应于代表来自特定反应物使用位置的低反应物纯度的所接收的指标、基于所述特定反应物使用位置在所述反应物分配网络中的位置来重新配置所述反应物分配网络和/或禁用在一个或多个反应物使用位置的反应物的使用。
27.根据权利要求26所述的反应物分配系统，其中所述系统被配置来通过抑制向所述反应物分配网络中处于从其接收到所述低反应物纯度指标的分配位置的下游的部分分配反应物来重新配置所述反应物分配网络。
28.根据权利要求27所述的反应物分配系统，其中所述系统被配置来实时提供阀门关闭信号用于所述反应物分配网络中的阀门的致动，以防止反应物沿着分配管道在从其接收所述低反应物纯度指标的分配位置的下游流动。
29.根据权利要求27所述的反应物分配系统，其中所述系统被配置来实时提供信号，以防止来自一个批次反应物的反应物向反应物分配位置的分配，所述反应物分配位置沿着预先确定的路径处于从其接收所述低反应物纯度指标且也从所述批次反应物接收反应物的分配位置的下游。
30.根据权利要求26所述的反应物分配系统，其中所述系统被配置来通过以下方式禁用在一个或多个反应物使用位置的反应物的使用：被配置来使用所述反应物分配网络将从共同反应物来源接收反应物的一个或多个反应物使用位置识别为所述特定反应物使用位置并提供所述被识别的反应物使用位置的禁用。
31.根据权利要求30所述的反应物分配系统，其中所述系统被配置来向一个或多个所述被识别的反应物使用位置提供抑制信号，以抑制从所述共同来源接收的反应物的使用。
32.根据权利要求27至31中任一项所述的反应物分配系统，其中所述系统被配置来提供另选的供给信号以重新配置所述反应物分配网络，使得位于所述反应物分配网络部分中处于从其接收所述低反应物纯度指标的分配位置的下游的部分中的所述反应物分配位置和/或所述被识别的反应物使用位置从所述网络的不同部分被供给反应物。
33.根据权利要求32所述的反应物分配系统，其中所述另选的供给信号包括；
i)打开所述反应物分配网络中的阀门以从所述网络的另选部分供给所述受影响的反应物分配位置的指令；或
ii)向位于所述反应物分配网络部分中处于从其接收所述低反应物纯度指标的所述分配位置的下游的部分中的一个或多个所述反应物分配位置调度一个批次反应物的指令；
iii)将一个批次反应物从其预先确定的路径转向至位于所述反应物分配网络中处于从其接收所述低反应物纯度指标的分配位置的下游的部分中的一个或多个所述反应物分配位置的指令。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的反应物分配系统，其中所述反应物使用位置包括反应物分配位置，诸如加油站。
35.根据权利要求26至33中任一项所述的反应物分配系统，其中所述反应物使用位置包括消耗向其供给的反应物的固定电力设备。
36.一种包括代码的计算机程序或计算机程序产品，所述代码在被处理器执行时实施以下步骤；
从位于地理上不同的反应物使用位置的多个传感器中的每一个接收反应物纯度指标；
根据被配置来向所述反应物使用位置供给反应物的反应物分配网络识别与每一个所述所接收的指标相关联的位置，
响应于代表来自特定反应物使用位置的低反应物纯度的所接收的指标、基于所述特定反应物使用位置在所述反应物分配网络中的位置，发送指令以重新配置所述反应物分配网络和/或禁用在一个或多个反应物使用位置的反应物的使用。
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