热系统以及用于运行热系统的方法与流程

本发明涉及一种热系统、尤其是燃料电池系统，其包括至少一个传感器，以及涉及一种用于运行热系统的方法。

背景技术：

由wo02/20300a1已知一种传感器，该传感器测量燃料电池车辆中的一氧化碳浓度，其中，在一氧化碳浓度提高时停止燃料电池的运行。

技术实现要素：

包括至少一个传感器的本热系统、尤其是燃料电池系统与之相应地具有如下优点，即，布置至少一个检测装置，所述至少一个检测装置被设置用于以至少一种流体的至少一部分来加载所述至少一个传感器，用于检查。由此来提高热系统的安全性。

本发明也涉及一种热系统、尤其是燃料电池系统，其包括至少一个传感器，并且其特征在于，至少一个运行状态能够被这样地调整，即以至少一种流体的至少一部分来加载所述至少一个传感器，用于检查。由此同样来提高热系统的安全性。

通过在从属权利要求中列举的特征能够有利地改进本发明。因此，所述至少一个传感器是安全性传感器、优选是气体传感器，通过其能够实现有效的技术上的实施。

以优选的方式，所述至少一个传感器布置在至少一个热单元的至少一个壳体内部，由此能够保证传感器的有效的测量。

在一有利的实施方案中，用于加载所述至少一个传感器的所述检测装置或一检测装置具有至少一个检测管路和/或至少一个配量单元、尤其是配量阀。因此可以将所述至少一个传感器的加载和/或检查这样地设计，使得所述至少一种流体的对热系统的运行来说所需的流动几乎不被影响。

优点是，所述检测装置或一检测装置、尤其是至少一个检测管路紧邻所述至少一个传感器具有用于所述至少一种流体的至少一部分的至少一个开口、尤其是至少一个出口开口。因此，可以实现传感器的特别有效的测量。

在另一有利的实施方案中，所述检测装置或一检测装置布置在至少一个燃料电池单元的上游、尤其是布置在至少一个热单元的入口处，和/或布置在至少一个燃料容器的下游和/或至少一个脱硫单元的下游和/或至少一个重整器单元的下游。由此可以最大程度上与热系统中的热产生过程无关地设计所述至少一个传感器的加载和/或检查。

在另一有利的实施方案中，所述检测装置或一检测装置布置在至少一个燃料电池单元的下游和/或至少一个再燃烧器的下游。由此能够实现检测装置的技术上简单的集成。

在另一有利的实施方案中，所述检测装置或一检测装置布置在至少一个冷凝物容器和/或至少一个电解装置的下游。因此，例如可以使用高纯度的冷凝水，由此以更小的程度“毒化”所述至少一个传感器并且由此也可以提高它的使用寿命。

此外，本发明也涉及一种用于运行热系统的方法，所述热系统包括至少一个传感器。所述方法具有如下优点，即，借助于至少一个检测装置以至少一种流体的至少一部分来加载所述至少一个传感器，用于监控。由此可以特别安全地设计所述热系统的运行。

在一有利的实施方案中，所述至少一个传感器以规则的时间间隔、特别是24h以所述至少一种流体的至少一部分来加载，由此可以实现所述至少一个传感器的有效监控。

优选的是，所述至少一个传感器以所述至少一种流体的至少一部分的确定的配量来加载。因此可以确保所述至少一个传感器的统一的检查。

在一特别有利的实施方案中，所述至少一个传感器检测所述至少一种流体的至少一部分的至少一个能燃烧和/或有毒的组分。因此，有危害的物质的检测可以有目的地被检查或监控。

特别有利的是，当所述至少一个传感器的、尤其在测试阶段期间的至少一个输出信号没有超过至少一个阈值时，闭合至少一个阀、优选至少一个燃料阀。由此可以确保，当至少一个传感器故障时，没有有危害的物质能够被供应给热系统。

在一有利的实施方案中，所述方法通过下列的方法步骤来进行：

a)获知所述热系统是否在运行中，

a1)当热系统在运行中时，以方法步骤b)继续，

a2)当所述热系统没有在运行中时，以方法步骤d)继续，

b)以至少一种流体的至少一部分来加载所述至少一个传感器，

c)获知所述至少一个传感器的至少一个输出信号是否没有超过至少一个阈值，

c1)当所述至少一个传感器（52）的至少一个输出信号没有超过所述至少一个阈值时，以方法步骤d)继续，

c2)当至少一个传感器（52）的至少一个输出信号超过至少一个阈值时，以方法步骤d)继续，

d)将至少一个阀（26、28）、尤其是燃料阀（26、28）闭合，和/或为使用者给出故障报告，

e)在规定的时间、尤其是24h之后，以方法步骤a)继续。

因此可以特别有效地进行所述至少一个传感器的监控。

在一特别有利的实施方案中，所述方法这样地进行，即方法步骤b)以下列的方法步骤来进行：

b1)打开处在至少一个管路、尤其是所述至少一个检测装置的检测管路中的至少一个阀、尤其是配量阀，所述至少一个管路在流体技术上引导给所述至少一个传感器，

b2)等待,直到经过规定的时间、尤其是30秒和/或直到所述至少一种流体的至少一部分的规定的配量已加载所述至少一个传感器，

b3)闭合处在所述管路、尤其是所述检测装置的所述检测管路中的所述至少一个阀、尤其是所述配量阀，所述管路在流体技术上引导给所述至少一个传感器，

b4)以方法步骤c)继续。

以这种方式可以特别有效地扩展所述方法。

在一有利的实施方案中，所述至少一种流体的至少一部分借助于所述至少一个检测装置在一燃料电池单元的上游、尤其是在一热单元的入口处，和/或在一燃料容器的下游和/或一脱硫单元的下游和/或至少一个重整器单元的下游分支。因此可以特别有效地实现所述至少一个传感器的监控。

在另一有利的实施方案中，所述至少一种流体的至少一部分借助于所述至少一个检测装置在至少一个燃料电池单元和/或至少一个再燃烧器的下游分支。因此可以在技术上特别简单地实施所述至少一个传感器的监控。

在另一有利的实施方案中，所述至少一种流体的至少一部分借助于所述至少一个检测装置在至少一个冷凝物容器和/或至少一个电解装置的下游分支。因此可以针对所述至少一个传感器的监控例如利用高纯度的冷凝水，由此以更小的程度“毒化”所述至少一个传感器。

特别有利的是，至少一个电解装置在测试阶段期间被供电，由此能够实现冷凝水的使用。

此外，本发明也涉及一种热系统、尤其是在前面的描述中所描述的热系统，其以前面的描述中所描述的方法来运行。

附图说明

在附图中，本发明的实施例示意性示出并在下面的描述中详细阐述。其中：

图1示出了根据本发明的热系统的一实施方案的示意图；

图2示出了根据本发明的热系统的另一实施方案的示意图；

图3示出了根据本发明的热系统的另一实施方案的示意图；

图4示出了根据本发明的热系统的另一实施方案的示意图；

图5示出了根据本发明的热系统的另一实施方案的示意图，

图6示出了用于运行热系统的根据本发明的方法的一实施方案的示意图，

图7示出了用于运行热系统的根据本发明的方法的另一实施方案的示意图。

具体实施方式

这些实施方案的相同构件设有相同的附图标记。

图1中示出了根据本发明的热系统10的一实施方案的示意图。所示的热系统10是一燃料电池系统12，该燃料电池系统具有带壳体15的热单元14。热单元14又具有带燃料电池17的燃料电池单元16。但是也可以考虑，燃料电池单元16具有多个燃料电池17。因此，燃料电池单元16可以是燃料电池堆栈。

通过燃料供应装置24给热系统10或热单元14供应燃料。燃料、在所示情况下的天然气或甲烷通过两个燃料阀26、28借助于压缩机30被供应给阳极气体处理器32。借助于阳极气体处理器32，从被供应的燃料、所示情况下从天然气中产生能用于产生能量的气体、所示情况下是含氢量高的气体。阳极气体处理器32包括重整器单元36、所示情况下的蒸汽重整器37，以及包括脱硫单元34（图2）。

借助于脱硫单元34，从被供应的燃料中去除硫组分，而借助于重整器单元36将天然气或甲烷气体基本上重整为氢气和一氧化碳。附加地也可以考虑，阳极气体处理器32包括过滤器。因此，过滤器也可以被布置替代脱硫单元34。

在所示的实施方案中，脱硫单元34是高温脱硫装置（hds）。阳极气体处理器32在此具有返回引导装置35，借助于该返回引导装置，使含氢量高的气体从重整器单元36下游的一部位被引导给脱硫单元34上游的一部位。

在所示的实施方案中，燃料电池16是固体氧化物（sofc）燃料电池，其中可以考虑也使用另外的燃料电池类型、例如pem燃料电池。

燃料电池16包括阳极18、阴极20和布置在它们之间的电解质22。

借助于阳极气体处理器32所产生的含氢量高的气体被供应给燃料电池17的阳极18。在那里，氢气以电化学方式被转换，其中产生热和电流。因此，所示的热系统或燃料电池系统是联合热能设施。

借助于空气管路38和另一压缩机40，将空气或氧气供应给燃料电池17的阴极20。在所示的实施方案中，在此涉及来自壳体15被截取的空气，其中，壳体本身具有空气开口42，环境空气可以穿过空气开口进入到壳体15中。

有时还包含未消耗的氢气的阳极排气被供应给再燃烧器44。同样地，包含未消耗的空气或未消耗的氧气的阴极排气被供应给再燃烧器44。在再燃烧器44中，最后将未消耗的氢气和来源于重整的一氧化碳氧化或燃烧。在该燃烧中产生的热同样可以被用于热回路和/或用于使用水的加热。

再燃烧器44可以是火焰燃烧器、flox燃烧器和/或催化燃烧器。同样可以考虑，再燃烧器44被实施为由所提到的燃烧器的组合。因此，再燃烧器44也可以具有多个单个的燃烧器。

在燃料电池单元16和再燃烧器44中的热产生时出现的排气然后到达热传递装置46中，通过该热传递装置，用于热回路或使用水加热的在热单元14中产生的热被输出。接下来，排气通过排气管路48离开热单元14。在此可以考虑，排气管路48和空气开口42被连接到空气-排气系统、优选到双管烟囱或到共轴管上。

此外，在该实施例中示出了另一压缩机50。借助于所述另一压缩机50可以使用于扫气过程的空气从空气开口42穿过壳体15被引导给排气管路48。

根据本发明的热系统10或燃料电池系统12包括就像这些实施方案中所示那样的传感器52，并且其特征在于，布置有检测装置54，该检测装置被设置用于或被设立用于：以至少一种流体的、所示实施方案中被供应的燃料和/或排气和/或冷凝水或者说从冷凝水中得到的气体的至少一部分来加载传感器52，用于检查。通过传感器52的检查来提高热系统的安全性。在此也可以考虑，热系统10具有多个传感器52。

包括所述传感器52的根据本发明的热系统10或燃料电池系统12其特征同样在于，至少一个运行状态能够这样地调整，即以至少一种流体的、所示情况中被供应的燃料和/或排气和/或冷凝水或者说从冷凝水中得到的气体的至少一部分来加载传感器52，用于检查。由此来附加地提高用于运行热系统10的安全性。

传感器52是安全性传感器或气体传感器，由此为了提高热系统10的安全性而能够实现有效的技术上的实施。

传感器52布置在热单元14的壳体14内部，由此来保证传感器52的有效的测量。

用于加载传感器52的检测装置54具有检测管路56和配量单元58，所示情况下是配量阀60。由此，将所述至少一个传感器52的加载和/或检查这样地设计，使得所述至少一种流体的、就像所示情况下的在热单元14的入口处被供应的燃料的对热系统10的运行来说所需的流动几乎不被影响。

此外也可以考虑，用于加载传感器52的检测装置54具有至少一个脱硫单元和/或至少一个过滤器。因此也可以借助于检测装置54进行硫的吸收或吸附。

检测装置54、所示情况下是至少一个检测管路56紧邻传感器52具有用于所述至少一种流体的至少一部分的开口62或出口开口64。在所示情况下，检测装置54或检测管路56以紧邻传感器52的开口或出口开口终止。因此，所述至少一种流体的至少一部分可以以用于传感器52的检查的少的量有目的地紧邻传感器52在壳体内部流出，由此更有效地设计传感器52的检查。

在图1中所示的实施方案中，检测装置54布置在燃料电池单元16的上游。因此，检测装置54布置在热单元14的入口处、在所示情况下在流动技术上布置在供应管路24的一部位上，在该部位上，被供应的燃料以未改变的形式进入到热单元14中。由此可以使被供应的燃料以未改变的形式被用于传感器52的检查。

在图1中所示的实施方案中，检测装置54布置在压缩机30的下游。但是替换地也可以考虑，检测装置54布置在压缩机30的上游。

替换地也可以考虑，检测装置54布置在燃料容器的下游。同样可以考虑，布置一气体存储器、例如气瓶，其被设置用于提供用于加载传感器52的气体。气体存储器在此可以被设计针对热系统10的使用寿命，或在维修时可以被互换或填充。

图2中示出了根据本发明的热系统10的另一实施方案的示意图。在这里，阳极气体处理器32示出得更准确。就像已经提到的那样，阳极气体处理器32包括脱硫单元34和重整器单元36。在所示情况下，检测装置54布置在脱硫单元34的下游。由此可以以被脱硫形式的燃料来加载传感器52，用于检查。

图3中示出了根据本发明的热系统10的另一实施方案的示意图。在该情况下，检测装置54布置在重整器单元36的下游，由此也可以使用含氢量高的气体用于传感器52的检查。在此，检测装置布置在燃料电池单元16的上游。

图4中示出了根据本发明的热系统10的另一实施方案的示意图。在该情况下，检测装置54布置在燃料电池单元16的下游和再燃烧器44的下游。由此可以将再燃烧器44的排气用于传感器52的检查。替换地也可以考虑，检测装置54布置在再燃烧器44的上游以及燃料电池单元16的下游，由此来自燃料电池单元16的排气、也就是阳极排气和/或阴极排气可以被用于传感器52的检查。

图5中示出了根据本发明的热系统10的另一实施方案的示意图。在该情况下，检测装置54布置在至少一个冷凝物容器66和至少一个电解装置68的下游。因此，在由于热交换器46而热减少时出现的冷凝水的高纯度可以被用于传感器52的检查。替换地也可以考虑，检测装置54布置在冷凝物容器66的下游并包括电解装置68。

作为电解槽68可以使用碱性的电解槽和/或具有膜、例如聚合物电解质膜（pem）的电解槽。

此外，在图5中示出的实施方案中，将在热传递装置46之后积累的冷凝水进行过滤、优选去离子，并供应给用于蒸汽重整的重整器单元36（图像上没有示出）。

用于运行包括所述传感器52的热系统10的根据本发明的方法的特征在于，借助于检测装置54以至少一种流体的、所示的实施方案中被供应的燃料和/或排气和/或冷凝水或者说从冷凝水中得到的气体的至少一部分来加载传感器52，用于监控。由此来特别安全地设计热系统10的运行。

传感器以规则的时间间隔、特别是24h以所述至少一种流体的至少一部分来加载，由此实现了传感器52的有效监控。

传感器52以所述至少一种流体的至少一部分的确定的配量来加载，由此，尤其在以规则的时间间隔、以统一的配量来加载时检查传感器52。

传感器52检测所述至少一种流体的至少一部分的能燃烧的和/或有毒的组分。因此可以有目的地关于有危害的物质执行传感器52的监控，这些有危害的物质在出现泄漏时会被释放在壳体14内部。由此，传感器52根据能燃烧的和/或有毒的气体监控热单元14的内部空间，其中，传感器52的输出信号在检查期间被测量。

在以至少一种流体的至少一部分来加载传感器52时增强了由控制单元70所分析的输出信号。在所示的实施方案中，控制单元70是气体-燃烧自动装置（gfa）。

控制单元70通过通信线路72与传感器52连接。此外，控制单元70通过通信线路74、76与燃料阀26、28连接。相应地，控制单元70被设计为双重故障保护。

此外，控制单元70通过通信线路78与系统控制单元80连接。系统控制单元80又通过通信线路82与显示单元84连接。

此外，控制单元70通过通信线路86与配量单元58或配量阀60连接。由此，控制单元70可以在传感器52检查期间控制所述流体的至少一部分的配量。由此，控制单元70控制传感器52的加载并监控其输出信号。

在所示的实施方案中，通信线路72、74、76、78、82、86被设置用于针对热系统10的安全运行而完成控制技术和/或调节技术上的通信。在此，通信线路72、78、82被实施为数据线路并且通信线路74、76、86被实施为控制线路。

但是替换地也可以考虑，通信线路72、78、82、74、76通过总线系统、通过无线电通信连接和/或通过互联网连接被实施。

当在传感器52的检查期间或在测试阶段期间的输出信号没有超过至少一个阈值、在所示情况下的预先给定的阈值时，那么至少一个阀、在所示的实施方案中的燃料阀26、28或供应阀26、28被闭合。由此确保了，当传感器52故障时，没有有危害的物质被供应给热系统10。由此，在传感器52不能运转时，也不可能有有危害的物质由于泄漏而流出到热单元14的壳体15中。如果传感器52故障，那么通过系统控制单元80和显示单元84为使用者给出故障报告，由此，使用者可以联系修理或更换传感器52的技术人员。

阈值被存储在控制单元70的数据存储器中。该阈值在安装热系统10期间预先给定给控制单元70。替换地，阈值也可以在安装热系统10之后通过另一通信线路、无线电通信连接和/或互联网连接来预先给定。阈值的预先给定不仅可以静态，而且可以动态、例如在考虑和/或适配热系统10的运行方式的情况下进行。

图6中示出了用于运行热系统10的根据本发明的方法的一实施方案的示意图。用于运行热系统10的方法以下列的方法步骤来进行：

a)获知热系统10或者说热单元14是否在运行中，

a1)当热系统10在运行中时，以方法步骤b)继续，

a2)当热系统10没有在运行中时，以方法步骤d)继续，

b)以至少一种流体的至少一部分来加载所述至少一个传感器，

c)获知传感器52的输出信号是否没有超过阈值或者说预先给定的阈值，

c1)当至少一个传感器（52）的至少一个输出信号没有超过至少一个阈值时，以方法步骤d)继续，

c2)当至少一个传感器（52）的至少一个输出信号超过至少一个阈值时，以方法步骤d)继续，

d)将至少一个阀（26、28）、尤其是燃料阀（26、28）闭合，和/或为使用者给出故障报告，

e)在规定的时间、尤其是24h之后，以方法步骤a)继续。

因此，特别有效地执行了具有所描述的方法步骤的方法。

图7中示出了用于运行热系统的根据本发明的方法的另一实施方案的示意图。进行用于运行热系统10的方法，其方式是：方法步骤b)以下列的方法步骤来进行：

b1)打开处在至少一个管路、所示实施方案中的检测装置54的检测管路56中的至少一个阀、所示实施方案中的配量阀60，所述至少一个管路在流体技术上引导给传感器52，

b2)等待,直到经过规定的时间、所示实施方案中30秒和/或直到至少一种流体的至少一部分的规定的配量已加载所述传感器52，

b3)闭合处在所述管路、所示实施方案中的检测装置54的检测管路56中的所述至少一个阀、所示实施方案中的配量阀60，所述管路在流体技术上引导给所述至少一个传感器，

b4)以方法步骤c)继续。

由此来附加地提高用于运行热系统10的方法的效率。在根据图7的来自图6的方法的扩展方案的范围内，替换地也可以考虑，取消方法步骤b4)。

在图1中所示的实施方案中，就像在前面的描述中已经表明的那样，至少一种流体的、所示情况下是燃料的至少一部分借助于检测装置54在燃料电池单元16的上游、所示情况下在热单元14的入口处分支。由此使热系统10这样地进行，即被供应的燃料可以以未改变的形式被用于传感器52的检查。

在没有图像示出的一替换的实施方案中也可以考虑，至少一种流体的、优选燃料的至少一部分借助于检测装置54在燃料容器的下游分支。由此可以使热系统10这样地处理，即可以使用直接来自可以布置在热系统10的任意部位上的燃料电池容器的未改变的燃料。

在图2中所示的实施方案中，就像同样在前面的描述中已经表明的那样，至少一种流体的、所示情况下是燃料的至少一部分借助于检测装置54在脱硫单元34的下游分支。由此使热系统10这样地进行，即燃料以脱硫的形式被使用，由此以更小的程度毒化传感器52。

在图3中所示的实施方案中，就像同样在前面的描述中已经表明的那样，至少一种流体的、所示情况下是燃料的至少一部分借助于检测装置54在重整器单元36的下游分支。由此使热系统10这样地进行，即含氢量高的气体被用于传感器52的检查。

在图4中所示的实施方案中，就像同样在前面的描述中已经表明的那样，至少一种流体的、所示情况下是排气的至少一部分借助于所述至少一个检测装置54在燃料电池单元16和再燃烧器44的下游分支。由此使热系统10这样地进行，即排气被用于传感器52的检查。

替换地也可以考虑，至少一种流体的至少一部分借助于检测装置54在燃料电池单元16的下游和再燃烧器44的上游分支。

如果再燃烧器44在一替换的实施方案中具有多个单个的燃烧器，那么也可以考虑，至少一种流体的至少一部分借助于检测装置54在这些单个的燃烧器之间的一个或多个部位上分支。

在图4中所示的情况下，针对传感器52的检查，优选借助于压缩机30、40这样地调整被供应的燃料和被供应的空气的比例，从而在再燃烧器44中燃烧时因为空气缺少而产生大量一氧化碳。由此，在再燃烧器的下游的排气具有高份额的一氧化碳。

在图4中所示的传感器52被这样地设计，使得该传感器检测一氧化碳。因此，在所示的情况下，由传感器52来探测包含在排气中的一氧化碳。

在所示的情况下，检测装置54不具有配量单元58或不具有配量阀60。由此可以利用的是，在再燃烧器44的下游或在燃料电池单元16的下游的排气中一般不包含传感器52对其作出反应的物质，就此而言，涉及的是如在所示情况下那样根据一氧化碳的探测被设计的传感器52。针对所示的情况过滤器也不是必不可少的。

在图5中所示的实施方案中，就像同样在前面的描述中已经表明的那样，至少一种流体的、所示情况下是冷凝水或从冷凝水中所得到的气体的至少一部分借助于检测装置54在冷凝物容器66和电解装置68的下游分支。由此使热系统10这样地处理，即使用了具有高纯度的冷凝水。

电解槽68在测试阶段期间被供电，由此从纯冷凝水中产生气体、所示情况下是氢气或氢气-氧气混合物。电流通过控制单元70被这样地调整，使得在传感器52的检查期间或在测试阶段期间针对传感器52的检查存在足够的气体，该气体从冷凝水中得到。

根据本发明的热系统、尤其是根据本发明的燃料电池系统不仅被限制到由前面的描述所得知的应用上。因此，根据本发明的热系统、尤其是根据本发明的燃料电池系统可以被使用在要求产生电流和/或热的所有的应用中。例如，根据本发明的热系统、尤其是根据本发明的燃料电池系统可以被使用在车辆中，用于产生电流和/或热。因此，通过根据本发明的热系统、尤其是根据本发明的燃料电池系统的应用，提高了车辆中的安全性。同样地，根据本发明的热系统也可以被使用在紧急供电系统中。