EP1632004A1 - Anordnung und verfahren zur drahtlosen versorgung eines feldgerätes in einer verfahrenstechnischen anlage mit elektrischer energie - Google Patents

Anordnung und verfahren zur drahtlosen versorgung eines feldgerätes in einer verfahrenstechnischen anlage mit elektrischer energie

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EP1632004A1
EP1632004A1 EP03708218A EP03708218A EP1632004A1 EP 1632004 A1 EP1632004 A1 EP 1632004A1 EP 03708218 A EP03708218 A EP 03708218A EP 03708218 A EP03708218 A EP 03708218A EP 1632004 A1 EP1632004 A1 EP 1632004A1
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EP
European Patent Office
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fuel
oxygen
membrane
fuel cell
electrode block
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Withdrawn
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EP03708218A
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English (en)
French (fr)
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Guntram Scheible
Ray Keech
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ABB Research Ltd Sweden
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the wireless supply of a field device in a process plant, which is equipped with a wireless communication interface, with electrical energy, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for wireless supply of a field device in a process plant electrical energy according to the preamble of claim 12.
  • Field devices which are equipped with a wireless communication interface, for example a GPRS or Bluetooth interface, for use in process engineering systems, such devices in addition to a sensor / actuator unit which contains the actual measuring or actuating module, a control and data acquisition - And processing module and also includes the wireless communication interface, still have a power generation and supply unit for wireless power supply of the field device within a housing.
  • a wireless communication interface for example a GPRS or Bluetooth interface
  • a fuel cell in which electrical energy and water are known to be generated by the oxidation of a fuel with oxygen in a membrane / electrode block, has an energy density which is at least 20 times higher than, for example, a lead accumulator, ie an energy generation and supply unit which uses a fuel cell, can be built much more compact and cheaper than a lead accumulator with the same capacity. This is particularly important when supplying field devices in process engineering plants with electrical energy.
  • DE 201 07 114 U1 describes such an arrangement, where the fuel is direct is taken from a fuel line. To ensure a continuous and uninterruptible power supply to the field device even in the event of a brief failure of the fuel supply, an energy store is provided in the system according to DE 201 07 114 as a temporary store of the electrical energy generated.
  • DE 199 29 343 describes a corresponding arrangement for the wireless supply of a large number of sensors and / or actuators with electrical energy, a micro-fuel cell with an associated fuel tank being integrated in each of the sensors.
  • the required air is supplied by the ambient air, as is common in today's fuel cells.
  • Such an arrangement cannot of course be used if the field device is to be used in an environment in which atmospheric oxygen is not available.
  • Such areas of application can be, for example, flow meters buried in the ground together with a water pipe, or also when using field devices made suitable for underwater use for flow, pressure or temperature measurement or for valve control in the submarine oil production.
  • the fuel cell is therefore equipped with an oxygen store, which provides the oxygen required for the generation of electrical energy by oxidation of the fuel in the fuel cell. Furthermore, the fuel cell is equipped with a water storage unit, which absorbs the water formed during the generation of electrical energy in the membrane / electrode block by the oxidation of the fuel with the oxygen. In particular, the fuel cell forms a closed system with the membrane / electrode block, the fuel tank, the oxygen store and the water storage unit.
  • the oxygen in the oxygen store is under excess pressure. Because then the oxygen can be fed to the membrane / electrode block under increased pressure, which increases the efficiency of the fuel cell.
  • the pressure of the fuel at the interface between the fuel tank and the fuel cell can be controlled with a fuel pressure control device and / or the pressure of the oxygen at the interface between the oxygen reservoir and the fuel cell with an oxygen pressure control device.
  • the fuel and / or oxygen pressure regulating devices can be mechanical pressure regulating valves, membrane pressure regulators or electronic pressure regulators.
  • Arrangements constructed according to the invention are characterized in that the power of the fuel cell can be set and / or regulated, the fuel pressure and / or the oxygen pressure being the manipulated variables.
  • the water storage unit is a water tank that is connected to the membrane / electrode block.
  • An advantageous embodiment of the invention can, however, also be characterized in that the fuel cell with the membrane / electrode block, the fuel tank, the oxygen store, the water storage unit, the fuel pressure control device and the possibly present oxygen pressure control device, the at least one current sensor or the at least one energy measurement device is designed as a modular, closed system, the membrane / electrode block, the fuel tank, the oxygen store, the water storage unit, the fuel or oxygen pressure control devices and the at least one current sensor or the at least one energy measurement device being individually replaceable Modules and can be connected to one another and / or to the fuel cell by detachable connection devices.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the membrane / electrode block with the fuel tank, the oxygen store, the water storage unit, the fuel or oxygen pressure control device or devices, or the current sensors or energy measurement devices are integrated in a pressure-resistant housing.
  • a pressure relief valve can advantageously be installed in the pressure-resistant housing; a pressure relief valve can also be installed in the housing of the field device for safety reasons.
  • control of the fuel cell power can be carried out by means of a microprocessor or a controller integrated in the field device, the microprocessor or controller at least with the current sensor and / or the energy measuring device for measuring the electrical current generated by the fuel cell or by it generated electrical Energy, and the one or more fuel or oxygen pressure control devices is connected.
  • the microprocessor or controller can also be connected to the wireless communication interface of the field device, so that information about the state of the fuel cell and / or information about the amount of electrical energy generated by the microprocessor or controller is located outside the field device via the wireless communication interface Central unit are interchangeable.
  • a device has the advantage that a field device with a wireless communication device with a completely autonomous electrical energy supply was created.
  • the field device can therefore be used in environments without atmospheric oxygen.
  • the electrical power supply has an approximately 20 times higher energy density than a lead-acid battery currently used in field devices with a wireless communication device, and an approximately 3-6 times higher energy density than lithium-ion batteries.
  • the modular structure of the arrangement according to the invention enables very cost-effective assembly and maintenance of the field device, since for maintenance only the replacement of prefabricated modules, such as the fuel tank or the oxygen tank.
  • the essence of the invention is that the oxygen required for the generation of electrical energy by oxidation of the fuel in the membrane / electrode block is provided by an oxygen store, with which the fuel cell is equipped, and that the water formed during the generation of electrical energy in the membrane / electrode block by the oxidation of the fuel with the oxygen is taken up in a water storage unit.
  • the pressure of the fuel at the interface between the fuel tank and the membrane / electrode block is controlled with a fuel pressure control device, the pressure of the oxygen at the interface between the oxygen reservoir and the membrane / electrode block with an oxygen pressure control device.
  • the electrical current generated by the fuel cell is measured with a current sensor; however, the electrical energy generated by the fuel cell can also be measured by means of an energy measuring device.
  • the power of the fuel cell is regulated, the signal from the at least one current sensor or the signal from the at least one energy measuring device being the controlled variable and the fuel and / or oxygen pressure being the manipulated variables
  • the water generated during the generation of electrical energy in the fuel cell due to the oxidation of the fuel with the oxygen is fed to the water storage unit via a valve and a water pump and from there can also be at least partially returned to the membrane / electrode block if necessary.
  • the resulting water could simply collect inside the pressure-resistant housing, in which case it is of course no longer possible to return the water, even partially, to the membrane / electrode block.
  • control of the fuel cell power is carried out by means of a microprocessor or a controller integrated in the field device and if the microprocessor or controller at least with the current sensor and / or the energy measuring device for measuring the electrical current generated by the fuel cell or electrical energy generated by it, as well as the fuel or oxygen pressure measuring device or devices is connected.
  • the microprocessor or controller is advantageously connected to the wireless communication interface of the field device, so that information about the state of the fuel cell and / or information about the amount of electrical energy generated by the microprocessor or controller via the wireless communication interface with one located outside the field device Central unit can be replaced.
  • the single figure shows an exemplary embodiment of an arrangement for the wireless energy supply of a field device 10, which in the example shown here is an analysis device for analyzing the composition of a process medium carried in a pipeline 1 of a process engineering process and represented in the figure by an arrow 1a.
  • the field device 10 is surrounded by a housing 11 and has a sensor / actuator unit 6, which comprises the measuring or actuating module 3, hereinafter also referred to as analysis modules, a control, data acquisition and processing module 4 and also the wireless communication interface 5 , and a sampling line 2, by means of which a sample is taken from the process medium 1a flowing through the pipeline 1 and fed to the sensor / actuator unit 6.
  • the analysis module 3 can be a device for automated water or gas analysis, for example a process gas chromatograph, a process photometer, a process pH meter, a conductivity analyzer, a process nitrate analyzer, a process oxygen analyzer or the like.
  • the control, data acquisition and processing unit 4 takes over the process control of the measurement process in the analysis module 3, controls the measurement data acquisition and, if necessary, carries out measurement data preprocessing.
  • the wireless communication interface 5 will be used to exchange data between the field device 10 and a central unit (not shown here). The data exchange is represented by the bidirectional arrow 5a.
  • the fuel cell 14 comprises a membrane / electrode block 15, a fuel tank 18, an oxygen storage 16 and a water storage unit 20.
  • a current sensor 26 and an energy measuring device 28 are installed at the interface between the fuel cell 14 and the sensor / actuator unit 6.
  • the energy measuring device 28 additionally contains an integration device, by means of which a value for the electrical energy is determined from the time profile of the current. Only the current sensor 26 or only the energy measuring device 28 could also be provided.
  • an energy store 24 is installed at the interface between the fuel cell 14 and the sensor / actuator unit 6 as a temporary store of the electrical energy generated.
  • the membrane / electrode block 15 can be a polymer membrane / electrode block which is known per se and which, for the purpose of volume reduction and cost saving, can also be microtechnically manufactured according to methods known per se.
  • the fuel tank 18 is, for example, a hydrogen pressure tank known per se or a metal hydride hydrogen store, also known per se.
  • a liquid fuel can also be used, e.g. Methanol or ethanol, then the fuel tank 18. matched tank.
  • the oxygen store 16 is an oxygen pressure tank.
  • the oxygen in the oxygen storage 16 is therefore under pressure.
  • the water storage unit 20 is a water tank which is preceded by a valve 42.
  • the fuel tank 18, the oxygen store and the water storage unit 20 are each connected to the membrane / electrode block 15 via suitable interfaces.
  • the interface between the fuel tank 18 and the membrane / electrode block 15 is a fuel pressure control device 41 with an integrated valve. It would also be possible to implement the valve separately from the fuel pressure control device. Accordingly, the interface between the oxygen storage 16 and the membrane / electrode block 15 is formed by an oxygen pressure control device 40 with an integrated valve.
  • a bidirectional water conveying device 43 is arranged, which both water from the water storage unit 20 into the membrane / electrode block 15 and water from the membrane / electrode block 15 into the water Storage unit 20 can pump.
  • the fuel cell 14 with the membrane / electrode block 15, the fuel tank 18, the oxygen storage 16, the water storage unit 20, the fuel and oxygen pressure regulating devices 40, 41 and the current sensor 26 and the energy measuring device 28 is designed as a modular, closed system.
  • the membrane / electrode block 15, the fuel tank 18, the oxygen storage 16, the water storage unit 20, the hydrogen and oxygen pressure regulating devices 40, 41, and the current sensor 26 and the energy measuring device 28 are individually interchangeable modules, which by Detachable connection devices 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 can be connected to one another and exchanged.
  • the modular structure offers in particular the advantage of simple and inexpensive assembly and maintenance by exchanging a possibly defective for a new module.
  • a microprocessor or controller 22 is also integrated, • which is connected to the current sensor 26, power measuring means 28 or the hydrogen or oxygen pressure control devices 40, 41, and the valve 42nd
  • the microprocessor or controller is also connected to the sensor / actuator unit 6 and thus the wireless communication interface 5, the analysis module 3, and the water pump 43.
  • information about the state of the fuel cell 14 and / or about the electrical energy generated can be exchanged by the microprocessor or controller via the wireless communication interface with a central unit located outside the field device.
  • the microprocessor or controller 22 can also regulate all functional sequences within the fuel cell 14. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • measuring or adjusting module also called analysis module

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Abstract

Es wird eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes (10) in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (5) ausgestattet ist, mit elektrischer Energie, beschrieben. In dem Feldgerät (10) sind in einem Gehäuse (11) wenigstens eine Brennstoffzelle (14) mit einem Membran/Elektrodenblock (15) und einem Kraftstofftank (16) sowie ein elektrischer Energiespeicher (24) integriert, wo bei die Brennstoffzelle (14) mit einem Sauerstoffspeicher (18) ausgestattet ist, der den für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation des Kraftstoffes in dem Membran/Elektrodenblock (15) benötigten Sauerstoff bereitstellt. Weiterhin ist die Brennstoffzelle (14) mit einer Wasserspeichereinheit (20) ausgestattet, die das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock (15) durch die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser aufnimmt. Die Brennstoffzelle (14) bildet mit dem Membran/Elektrodenblock (15), dem Kraftstofftank (16), dem Sauerstoffspeicher (18) und der Wasserspeichereinheit (20) ein modulares, geschlossenes System.

Description

Anordnung und Verfahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage mit elektrischer Energie
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, mit elektrischer Energie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage mit elektrischer Energie ge- maß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Es sind Feldgeräte, die mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise einer GPRS oder Bluetooth-Schnittstelle, ausgestattet sind, zur Anwendung in verfahrenstechnischen Anlagen bekannt, wobei solche Geräte neben einer Sensor/Aktoreinheit, welche den eigentlichen Mess- oder Stellmodul, einen Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodul und auch die drahtlose Kommunikationsschnittstelle umfasst, noch eine Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit zur drahtlosen Energieversorgung des Feldgerätes innerhalb eines Gehäuses aufweisen. Besonders vorteilhaft erscheint dabei eine Variante einer Energieerzeugungsund Bereitstellungseinheit, die eine Brennstoffzelle verwendet. Eine Brennstoffzelle, in der bekanntermaßen durch die Oxidation eines Brennstoffes mit Sauerstoff in einem Membran/Elektrodenblock elektrische Energie und Wasser entsteht, hat eine mindestens 20-mal höhere Energiedichte wie beispielsweise ein Bleiakkumulator, d.h., eine Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit, die eine Brennstoffzelle verwendet, kann bei gleicher Kapazität wesentlich kompakter und billiger gebaut sein als ein Bleiakkumulator. Dies ist insbesondere bei der Versorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen mit elektrischer Energie von Bedeutung. Die DE 201 07 114 U1 beschreibt eine solche Anordnung, wobei dort der Brennstoff direkt einer Brennstoffleitung entnommen wird. Zur Sicherstellung einer kontinuierlichen und unterbrechungsfreien Stromversorgung des Feldgerätes auch bei kurzzeitigem Ausfall der Brennstoffzufuhr, ist dabei in dem System gemäß der DE 201 07 114 ein Energiespeicher als Zwischenspeicher der erzeugten elektrischen Energie vorgese- hen.
Da nicht in jeder Anwendungssituation eine Brennstoffleitung zur Verfügung steht, wurde vorgeschlagen, einen Brennstoffspeicher direkt als Teil der Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit mit vorzusehen. Die DE 199 29 343 beschreibt eine entsprechende Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Senso- ren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, wobei in den Sensoren jeweils eine Mikro-Brennstoffzelle mit zugehörigem Kraftstofftank integriert ist. Den benötigten Sauerstoff liefert die Umgebungsluft, wie bei heute verwendeten Brennstoffzellen allgemein üblich.
Eine solche Anordnung kann naturgemäß nicht verwendet werden, wenn das Feld- gerät in einer Umgebung eingesetzt werden soll, in der Luftsauerstoff nicht zur Verfügung steht. Solche Einsatzgebiete können beispielsweise im Erdreich zusammen mit einer Wasserleitung vergrabene Durchflussmesser sein, oder auch beim Einsatz von für den Unterwassereinsatz tauglich gemachten Feldgeräten zur Durchfluss-, Druck-, oder Temperaturmessung oder zur Ventilansteuerung bei der unterseeischen Erdöl- förderung.
Die Effizienz einer heute bekannten herkömmlichen Brennstoffzelle ist begrenzt durch die Sauerstoffzufuhr aus der Umgebungsluft, welche diffusionsgetrieben erfolgt und daher limitiert ist. Es ist wünschenswert, die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen in Feldgeräten durch Effizienzsteigerung der verwendeten Brenn- Stoffzeilensysteme zu erweitern.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, unter Verwendung einer Brennstoffzelle mit Kraftstofftank und einem Energiespeicher zur elektrischen Ener- gieversorgung zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und insbesondere auch in Einsatzumgebungen ohne Luftsauerstoff einsetz- bar ist, sowie ein Verfahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, mit elektrischer Energie zu entwickeln.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Anordnung gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 13.
Erfindungsgemäß also ist die Brennstoffzelle mit einem Sauerstoffspeicher ausgestattet, der den für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation des Kraftstoffes in der Brennstoffzelle benötigten Sauerstoff bereitstellt. Weiterhin ist die Brennstoffzelle mit einer Wasserspeichereinheit ausgestattet, die das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock durch die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser aufnimmt. Insbesondere bildet die Brennstoffzelle mit dem Membran/Elektrodenblock, dem Kraftstofftank, dem Sauerstoffspeicher und der Wasserspeichereinheit ein geschlossenes System.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung steht der Sauerstoff in dem Sauerstoffspeicher unter Überdruck. Denn dann kann der Sauerstoff dem Membran/Elektrodenblock unter erhöhtem Druck zugeführt werden, was die Effizienz der Brennstoffzelle steigert.
Es ist sehr vorteilhaft, wenn der Druck des Kraftstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank und der Brennstoffzelle mit einer Kraftstoff-Druckregeleinrichtung und/oder der Druck des Sauerstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Sauerstoffspeicher und der Brennstoffzelle mit einer Sauerstoff-Druckregeleinrichtung regelbar ist. Dabei können die Kraftstoff- und/oder Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen mechanische Druckregelventile, Membran-Druckregler oder elektronische Druckregler sein.
Erfindungsgemäß aufgebaute Anordnungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Leistung der Brennstoffzelle einstell- und/oder regelbar ist, wobei der Kraftstoff- ünd/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung sieht vor, dass die Wasserspeichereinheit ein Wassertank ist, der mit dem Membran/Elektrodenblock verbunden ist.
Sehr vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltungsform, bei der die Brennstoffzelle mit we- nigstens einem Stromsensor zur Messung des von ihr erzeugten elektrischen Stromes oder mit einer Energiemesseinrichtung zur Messung der von ihr erzeugten e- lektrischen Energie ausgestattet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die Brennstoffzelle mit dem Membran/Elektrodenblock, dem Kraft- stofftank, dem Sauerstoffspeicher, der Wasserspeichereinheit, der Kraftstoff-Druckregeleinrichtung und der gegebenenfalls vorhandenen Sauerstoff-Druckregeleinrichtung, dem wenigstens einen Stromsensor oder der wenigstens einen Energiemesseinrichtung als modulares, geschlossenes System ausgebildet sind, wobei der Membran/Elektrodenblock, der Kraftstofftank, der Sauerstoffspeicher, die Wasser- Speichereinheit, der oder die Kraftstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen sowie der wenigstens eine Stromsensor oder die wenigstens eine Energiemesseinrichtung einzeln austauschbare Module und durch lösbare Anschlussvorrichtungen miteinander und/oder mit der Brennstoffzelle verbindbar sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung sieht vor, dass der Membran/Elektrodenblock mit dem Kraftstofftank, dem Sauerstoffspeicher, der Wasserspeichereinheit, der oder den Kraftstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen sowie der oder den Stromsensoren oder Energiemesseinrichtungen in einem druckfesten Gehäuse integriert sind. In das druckfeste Gehäuse kann dabei aus Sicherheitsgründen vorteilhafterweise ein Überdruckventil eingebaut sein; es kann auch in dem Gehäuse des Feldgerätes ein Überdruckventil aus Sicherheitsgründen eingebaut sein.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Regelung der Brennstoffzellenleistung mittels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers durchführbar ist, wobei der Mikroprozessor oder Controller wenigstens mit dem Stromsensor und/oder der Energiemesseinrichtung zur Messung des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stromes oder der von ihr erzeugten elektrischen Energie, sowie der oder den Kraftstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen verbunden ist.
Der Mikroprozessor oder Controller kann auch mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle des Feldgerätes verbunden sein, so dass Informationen über den Zu- stand der Brennstoffzelle und/oder Angaben über die Menge der erzeugten elektrischen Energie vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit austauschbar sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung hat insgesamt den Vorteil, dass damit ein Feld- gerät mit drahtloser Kommunikationseinrichtung mit einer vollkommen autonomen elektrischen Energieversorgung, geschaffen wurde. Das Feldgerät kann dadurch in Umgebungen ohne Luftsauerstoff eingesetzt werden. Die elektrische Energieversorgung weist eine ca. 20-mal höhere Energiedichte als ein in Feldgeräten mit drahtloser Kommunikationseinrichtung derzeit eingesetzten Bleiakkumulatoren, und eine ca. 3-6 mal höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkumulatoren auf. Der modu- lare Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht eine sehr kostengünstige Montage und Wartung des Feldgerätes, da zur Wartung nur der Austausch von vorgefertigten Modulen, wie z.B. dem Kraftstofftank oder dem Sauerstofftank, nötig ist.
Prinzipiell kommen die oben genannten Vorteile bei allen Arten von Feldgeräten zum Tragen, insbesondere aber bei Feldgeräten mit einem gesamten Leistungsbedarf von einigen Milliwatt.
Hinsichtlich des Verfahrens zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, mit elektrischer Energie besteht der Kern der Erfindung darin, dass der für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation des Kraftstoffes in dem Membran/Elektrodenblock benötigte Sauerstoff von einem Sauerstoffspeicher bereitgestellt wird, mit dem die Brennstoffzelle ausgestattet ist, und dass das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock durch die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser in einer Wasserspeichereinheit aufgenommen wird. Der Druck des Kraftstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank und dem Membran/Elektrodenblock wird mit einer Kraftstoff-Druckregeleinrichtung, der Druck des Sauerstoffes wird an der Schnittstelle zwischen dem Sauerstoffspeicher und dem Membran/Elektrodenblock mit einer Sauerstoff-Druckregeleinrichtung geregelt.
Der durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Strom wird mit einem Stromsensor gemessen; es kann aber auch die durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie mittels einer Energiemesseinrichtung gemessen werden.
Die Leistung der Brennstoffzelle wird geregelt, wobei das Signal des wenigstens einen Stromsensors oder das Signal der wenigstens einen Energiemesseinrichtung die Regelgröße ist, und der Kraftstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind
Das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle aufgrund der Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser wird über ein Ventil und eine Wasser-Pumpe der Wasserspeichereinheit zugeführt und kann von dort bei Bedarf auch wieder zumindest teilweise in den Membran/Elektrodenblock zurückgeführt werden. Es könnte aber auch das entstehende Wasser sich einfach innerhalb des druckfesten Gehäuses sammeln, in diesem Falle ist dann natürlich die Rückführung des Wassers, auch teilweise, in den Membran/Elektrodenblock nicht mehr möglich.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Regelung der Brennstoffzellenleistung mit- tels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers durchgeführt wird und wenn der Mikroprozessor oder Controller wenigstens mit dem Stromsensor und/oder der Energiemesseinrichtung zur Messung des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stromes oder der von ihr erzeugten elektrischen Energie, sowie der oder den Kraftstoff- bzw. Sauerstoff-Druckmesseinrichtungen verbunden wird. Vorteilhafterweise wird dabei der Mikroprozessor oder Controller mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle des Feldgerätes verbunden, so dass Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle und/oder Angaben über die Menge der erzeugten elektrische Energie vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außerhalb des Feldgerätes lie- genden Zentraleinheit ausgetauscht werden können. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Die einzige Figur zeigt als Ausführungsbeispiel eine Anordnung zur drahtlosen Energieversorgung eines Feldgerätes 10, welches in dem hier gezeigten Beispiel ein Analysegerät zur Analyse der Zusammensetzung eines in einer Rohrleitung 1 eines verfahrenstechnischen Prozesses geführten und in der Figur durch einen Pfeil 1a dargestellten Prozessmediums ist. Das Feldgerät 10 ist umgeben von einem Gehäuse 11 und weist eine Sensor/Aktoreinheit 6, welche den Mess- oder Stellmodul 3, hier im Folgenden auch Analysenmodule genannt, einen Steuerungs-, Datenerfas- sungs- und Verarbeitungsmodul 4 und auch die drahtlose Kommunikationsschnittstelle 5 umfasst, und eine Probennahmeleitung 2 auf, mittels welcher eine Probe aus dem die Rohrleitung 1 durchströmenden Prozessmedium 1a entnommen und der Sensor/Aktoreinheit 6 zugeführt wird. Je nach Prozessmedium und Aufgabenstellung kann der Analysemodul 3 eine Vorrichtung zur automatisierten Wasseroder Gasanalyse sein, beispielsweise ein Prozessgaschromatograph, ein Prozessphotometer, ein Prozeß-pH-Meter, ein Leitfähigkeitsanalysator, ein Pro∑ess-Nitrat- Analysator, ein Prozeß-Sauerstoffanalysator oder ähnliches. Die Steuerungs-, Date- nerfassungs- und Verarbeitungseinheit 4 übernimmt die Ablaufkontrolle des Messvorganges in dem Analysenmodul 3, steuert die Messdatenaufnahme und führt gegebenenfalls eine Messdatenvorverarbeitung durch. Mittels der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 5 werden Daten zwischen dem Feldgerät 10 und einer (hier nicht dargestellten) Zentraleinheit ausgetauscht werden. Der Datenaustausch ist durch den bidirektionalen Pfeil 5a dargestellt.
Die Brennstoffzelle 14 umfasst einen Membran/Elektrodenblock 15, einen Kraftstofftank 18, einen Sauerstoffspeicher 16 und eine Wasser-Speichereinheit 20. An der Schnittstelle zwischen der Brennstoffzelle 14 und der Sensor/Aktoreinheit 6 sind ein Stromsensor 26 und eine Energiemesseinrichtung 28 eingebaut. Während der
Stromsensor 26 die Strommenge misst, die zwischen der Brennstoffzelle 14 und der Sensor/Aktoreinheit 6 ausgetauscht wird, enthält die Energiemesseinrichtung 28 zusätzlich eine Integrationsvorrichtung, mittels derer aus dem zeitlichen Verlauf des Stromes ein Wert für die elektrische Energie ermittelt wird. Es könnte auch nur der Stromsensor 26 oder nur die Energiemesseinrichtung 28 vorgesehen sein.
Außerdem ist an der Schnittstelle zwischen der Brennstoffzelle 14 und der Sensor/Aktoreinheit 6 ein Energiespeicher 24 eingebaut als Zwischenspeicher der erzeugten elektrischen Energie.
Als Kraftstoff wird in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel Wasserstoff verwendet. Der Membran/Elektrodenblock 15 kann ein an sich bekannter Polymermem- bran/Elektrodenblock sein, der zum Zwecke der Volumenreduzierung und Kostenersparnis auch gemäß an sich bekannter Methoden mikrotechnisch gefertigt sein kann. Der Kraftstofftank 18 ist beispielsweise ein an sich bekannter Wasserstoff- Drucktank oder ein, ebenfalls an sich bekannter, Metallhydrid-Wasserstoffspeicher.
Alternativ kann auch ein flüssiger Treibstoff verwendet werden wie z.B. Methanol oder Ethanol, wobei dann der Kraftstofftank 18 ein. daran angepasster Tank ist.
Der Sauerstoffspeicher 16 ist in dem dargestellten Beispiel ein Sauerstoff- Drucktank. Der Sauerstoff steht in dem Sauerstoffspeicher 16 somit unter Überdruck.
Die Wasserspeichereinheit 20 ist ein Wassertank, dem ein Ventil 42 vorgeschaltet ist.
Der Kraftstofftank 18, der Sauerstoffspeicher und die Wasser-Speichereinheit 20 sind über jeweils geeignete Schnittstellen mit dem Membran/Elektrodenblock 15 verbunden.
Die Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank 18 und dem Membran/Elektrodenblock 15 ist eine Kraftstoff-Druckregeleinrichtung 41 mit integriertem Ventil. Es wäre auch möglich, das Ventil separat von der Kraftstoff-Druckregeleinrichtung zu realisieren. Entsprechend ist die Schnittstelle zwischen dem Sauerstoffspeicher 16 und dem Membran/Elektrodenblock 15 durch eine Sauerstoff-Druckregeleinrichtung 40 mit integriertem Ventil gebildet. An der Schnittstelle zwischen der Wasserspeichereinheit 20 und dem Membran/Elektrodenblock 15 ist eine bidirektionale Wasser-Fördereinrichtung 43 angeordnet, welche sowohl Wasser von der Wasser-Speichereinheit 20 in den Membran/Elektrodenblock 15 als auch Wasser aus dem Membran/Elektrodenblock 15 in die Wasser-Speichereinheit 20 pumpen kann.
Die Brennstoffzelle 14 mit dem Membran/Elektrodenblock 15, dem Kraftstofftank 18, dem Sauerstoffspeicher 16, der Wasserspeichereinheit 20, der Kraftstoff- und Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen 40, 41 und dem Stromsensor 26 sowie der Energiemesseinrichtung 28 ist als modulares, geschlossenes System ausgebildet. Das be- deutet, dass der Membran/Elektrodenblock 15, der Kraftstofftank 18, der Sauerstoffspeicher 16, die Wasserspeichereinheit 20, die Wasserstoff- und Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen 40, 41 , und der Stromsensor 26 sowie die Energiemesseinrichtung 28 einzeln austauschbare Module sind, die durch lösbare Anschlussvorrichtungen 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 miteinander verbunden und ausgetauscht werden können.
Der modulare Aufbau bietet insbesondere den Vorteil der einfachen und kostengünstigen Montage und Wartung durch Auswechseln eines gegebenenfalls defekten gegen ein neues Modul.
In dem Feldgerät 10 ist weiterhin ein Mikroprozessor oder Controller 22 integriert, • der mit dem Stromsensor 26, der Energiemesseinrichtung 28, der oder den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen 40, 41 , und dem Ventil 42 verbunden ist. Der Mikroprozessor oder Controller ist auch mit der Sensor/Aktoreinheit 6 und damit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 5, dem Analysenmodul 3, und der Wasser-Pumpe 43 verbunden. Dadurch können Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle 14 und/oder über die erzeugte elektrische Energie vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit ausgetauscht werden. Der Mikroprozessor oder Controller 22 kann auf diese Weise auch alle Funktionsabläufe innerhalb der Brennstoffzelle 14 regeln. Bezugszeichenliste
1 Rohrleitung
1a Prozessmedium
2 Probennahmeleitung
3 Mess- oder Stellmodul, auch Analysemodul genannt
Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmo
4 dul
5 drahtlose Kommunikationsschnittstelle
5a Richtungspfeil
6 Sensor/Aktor- Einheit
10 Feldgerät
11 Gehäuse
12 Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit
14 Brennstoffzelle
16 Sauerstoffspeicher
18 Kraftstofftank
20 Wasserspeichereinheit
22 Mikroprozessor
24 Energiespeicher
26 Stromsensor
28 Energiemesseinrichtung
30 Anschlussvorrichtung
31 Anschlussvorrichtung
32 Anschlussvorrichtung üv Anschlussvorrichtung
34 Anschlussvorrichtung
35 Anschlussvorrichtung
36 Anschlussvorrichtung
40 Sauerstoff-Druckregeleinrichtung
41 Kraftstoff-Druckregeleinrichtung
42 Ventil
43 Wasser-Pumpe

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes (10) in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (5) ausgestattet ist, mit elektrischer Energie, wobei in dem Feldgerät (10) in einem Gehäu- se (11) wenigstens eine Brennstoffzelle (14) mit einem Membran/Elektrodenblock
(15) und einem Kraftstofftank (16) und ein elektrischer Energiespeicher (24) integriert sind, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Brennstoffzelle (14) mit einem Sauerstoffspeicher (18) ausgestattet ist, der den für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation des Kraftstoffes in dem Membran/Elektrodenblock (15) benötigten Sauerstoff bereitstellt,
- dass die Brennstoffzelle (14) mit einer Wasserspeichereinheit (20) ausgestattet ist, die das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock (15) durch die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sau- erstoff entstehende Wasser aufnimmt, und
- dass die Brennstoffzelle (14) mit dem Membran/Elektrodenblock (15), dem
Kraftstofftank (16), dem Sauerstoffspeicher (18) und der Wasserspeichereinheit (20) ein geschlossenes System bildet.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff in dem Sauerstoffspeicher (18) unter Überdruck steht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Kraftstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank (16) und dem Membran/Elektrodenblock (15) mit einer Kraftstoff-Druckregeleinrichtung (40) und/oder der Druck des Sauerstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Sauerstoffspeicher (18) und dem Mem-bran/Elektrodenblock (15) mit einer Sauerstoff-
Druckregeleinrichtung (41) regelbar ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff- und/oder Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen (40, 41) mechanische Druckregelventile, Membran-Druckregler oder elektronische Druckregler sind.
5. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Brennstoffzelle (14) einstell- und/oder regelbar ist, wobei der Kraftstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind.
6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserspeichereinheit (20) ein Wassertank ist, der mit dem Membran/Elektrodenblock (15) verbunden ist.
7. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (14) mit wenigstens einem Stromsensor (26) zur Messung des von ihr erzeugten elektrischen Stromes oder mit einer Energiemessein- richtung (28) zur Messung der von ihr erzeugten elektrischen Energie ausgestattet ist.
8. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (14) mit dem Membran/Elektrodenblock (15), dem Kraftstofftank (16), dem Sauerstoffspeicher (18), der Wasserspeichereinheit (20), der Kraftstoff-Druckregeleinrichtung (40) und der gegebenenfalls vorhandenen Sauerstoff-Druckregeleinrichtung (41), dem wenigstens einen Stromsensor (26) oder der wenigstens einen Energiemesseinrichtung (28) als modulares, geschlossenes System ausgebildet sind, wobei der Membran/Elektrodenblock (15), der Kraftstofftank (16), der Sauerstoffspeicher (18), die Wasserspeichereinheit (20), der oder die Kraftstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen (40, 41) sowie der wenigstens eine Stromsensor (26) oder die wenigstens eine Energiemesseinrichtung (28) einzeln austauschbare Module und durch lösbare Anschlussvorrichtungen (30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36) miteinander verbindbar sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mem- bran/Elektrodenblock (15) mit dem Kraftstofftank (16), dem Sauerstoffspeicher
(18), der Wasserspeichereinheit (20), der oder den Kraftstoff- bzw. Sauerstoff- Druckregeleinrichtungen (40, 41) sowie der oder den Stromsensoren (26) oder Energiemesseinrichtungen (28) in einem druckfesten Gehäuse (12) integriert sind.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in das druckfeste Gehäuse (12) und/oder in das Gerätegehäuse (1 1) ein Überdruckventil eingebaut ist.
1 1. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Brennstoffzellenleistung mittels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers (22) durchführbar ist, wobei der Mikroprozessor oder Controller (22) wenigstens mit dem Stromsensor (26) und/oder der Energiemesseinrichtung (28) zur Messung des von der Brennstoffzelle (14) erzeugten elektrischen Stromes oder der von ihr erzeugten elektri- sehen Energie, sowie der oder den Kraftstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen (40, 41) verbunden ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor oder Controller (22) mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (5) des Feldgerätes (10) verbunden ist und dass Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle und/oder die erzeugte elektrische Energie vom Mikroprozessor oder Controller (22) über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle (5) mit einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit austauschbar sind.
13. Verfahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes (10) in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (5) ausgestattet ist, mit elektrischer Energie, wobei in dem Feldgerät (10) wenigstens eine Brennstoffzelle (14) mit einem dem Membran/Elektrodenblock (15), einem Kraftstofftank (16) und einem elektrischen Energiespeicher (24) integriert ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass der für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation des Kraft- Stoffes in dem Membran/Elektrodenblock (15) benötigte Sauerstoff von einem
Sauerstoffspeicher (18), mit dem die Brennstoffzelle (14) ausgestattet ist, bereitgestellt wird, und
- dass die Brennstoffzelle (14) mit einer Wasserspeichereinheit (20) ausgestattet ist und das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elek- trodenblock (15) durch die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser in der Wasserspeichereinheit (20) aufgenommen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Kraftstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank (16) und dem Mem- bran/Elektrodenblock (15) mit einer Kraftstoff-Druckregeleinrichtung (40) und/oder der Druck des Sauerstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Sauer- stoffspeicher (18) und dem Mem-bran/Elektrodenblock (15) mit einer Sauerstoff- Druckregeleinrichtung (41) geregelt wird bzw. werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Brennstoffzelle (14) erzeugte elektrische Strom mit einem Stromsensor (26) und/oder die durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie mittels einer Energiemesseinrichtung (28) gemessen wird bzw. werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Brennstoffzelle (14) eingestellt und/oder geregelt wird, wobei der Kraftstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der
Brennstoffzelle (14) geregelt wird, wobei das Signal des wenigstens einen Stromsensors (26) oder das Signal der wenigstens einen Energiemesseinrichtung (28) die Regelgröße ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock (15) aufgrund der Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser über ein Ventil (42) und eine Wasser-Pumpe (43) der Wasserspeichereinheit (20) zugeführt und von dort bei Bedarf auch wieder zumindest teilweise in den Membran/Elektrodenblock (15)zurückgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock (15) aufgrund der Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser sich innerhalb des druckfesten Gehäuses (12) sammelt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Brennstoffzellenleistung mittels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers (22) durchgeführt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor oder Controller (22) mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (5) des
Feldgerätes (10) verbunden wird.
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