WO2004082054A1 - Arrangement and method for continuously supplying electric power to a field device in a technical system - Google Patents

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WO2004082054A1
WO2004082054A1 PCT/EP2003/002528 EP0302528W WO2004082054A1 WO 2004082054 A1 WO2004082054 A1 WO 2004082054A1 EP 0302528 W EP0302528 W EP 0302528W WO 2004082054 A1 WO2004082054 A1 WO 2004082054A1
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Guntram Scheible
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Abb Research Ltd.
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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 engineering system, 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 the wireless supply of a field device in a process engineering system. which is equipped with a wireless communication interface, with electrical energy, according to the preamble of claim 18.
  • Field devices are known 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 controls the actual measuring or adjusting module, a control , Data acquisition and processing module and also includes the wireless communication interface, still include a power generation and preparation unit for wireless power supply of the field device.
  • a wireless communication interface for example a GPRS or Bluetooth interface
  • a variant of an energy generation and supply unit by means of which non-electrical primary energy in the process engineering system is converted into electrical energy and the field device is supplied with electrical energy in this way, appears to be particularly advantageous, since in this way one has the disadvantage of being exhausted from conventional primary energy sources such as batteries.
  • Such a system was proposed in DE 101 20 100 A1, which makes use of so-called non-conventional primary energy generators for supplying field devices with wireless communication devices for use in process engineering systems, for example solar cells, thermo- electrical converter or vibration generator.
  • the non-electrical primary energy is generally available discontinuously, so a system such as that described in DE 101 20 100 A1 requires a secondary element as an energy buffer in order to temporarily supply excess electrical energy in the event of a temporary oversupply of non-electrical primary energy to save so that it can be removed from the memory again in periods of a lack of or an interruption in the non-electrical primary energy supply in order to maintain a continuous supply of the field device with electrical energy.
  • Lead accumulators such as are known, for example, from motor vehicle technology are generally used today as energy intermediate stores for the purpose mentioned.
  • some of the properties of the lead accumulators only make them suitable to a limited extent for installation in field devices with a wireless communication device for use in process engineering systems.
  • they are heavy and expensive, they have a very low energy density, both volumetric and gravimetric, and they have low cycle stability and durability.
  • Lithium ion accumulators also still have an insufficient energy density and are moreover more expensive than lead accumulators; thus they are out of the question for use in field devices of the generic type.
  • the secondary element is a regenerative fuel cell unit that can be operated with hydrogen as fuel both in an electrolysis operating mode for storing electrical energy in the form of hydrogen and in a fuel cell operating mode for generating electrical energy.
  • the regenerative fuel cell unit comprises at least one membrane / electrode block, a hydrogen storage unit, a hydrogen compression unit, an oxygen supply unit and a water storage unit.
  • the hydrogen storage unit, the hydrogen compression unit, the oxygen supply unit and the water storage unit are each connected to the membrane / electrode block via suitable interfaces.
  • Such a regenerative fuel cell unit has an approximately 20 times higher energy density than the lead accumulators known in the prior art, and an approximately 6 times higher energy density than lithium-ion accumulators.
  • the membrane / electrode block is a microtechnically manufactured polymer membrane / electrode block.
  • the hydrogen storage unit is advantageously a pressure tank or a metal hydride hydrogen storage. It is also very advantageous if the hydrogen compression unit is a microtechnically manufactured compressor. As a result, a very small, compact structure of the regenerative fuel cell unit can be made possible, which is a great advantage when used in field devices in process engineering systems due to the limited size of the field device.
  • the oxygen supply unit can therefore contain an oxygen pressure tank, an oxygen compression device being connected upstream of this.
  • the oxygen comes from the surrounding air; the oxygen supply unit can then contain an oxygen diffusion membrane with a downstream oxygen compression device.
  • the upstream or downstream oxygen compression device can also be a micro-engineered compressor with a check valve.
  • the water storage unit is a water tank which is preceded by a valve.
  • a hydrogen pressure control device at the interface between the hydrogen storage unit and the membrane / electrode block, an oxygen pressure control unit at the interface between the oxygen supply unit and the membrane / electrode block, and a water at the interface between the water storage unit and the membrane / electrode block Conveyor arranged.
  • a switchover unit is arranged between the sensor / actuator unit of the field device and the primary energy generation and supply unit on the one hand and the regenerative fuel cell unit on the other hand, by means of which the energy supply of the field device can be switched between the primary energy generation and supply unit and the regenerative fuel cell unit and by which excess electrical energy produced in the primary energy generation and supply unit can be conducted for storage in the regenerative fuel cell unit.
  • An embodiment is very advantageous in which the power of the regenerative fuel cell unit can be set and / or regulated in the fuel cell operating mode, the hydrogen and / or the oxygen pressure being the manipulated variables.
  • the regenerative fuel cell unit can be equipped with at least one current sensor that provides the controlled variable for the power control of the fuel cell.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides that the regenerative fuel cell unit with the membrane / electrode block, the hydrogen storage unit, the hydrogen compression unit, the oxygen supply unit, the water storage unit, the hydrogen and oxygen pressure control device and the current sensor as a modular, closed system
  • the membrane / electrode block, the hydrogen storage unit, the hydrogen compression unit, the oxygen supply unit, the water storage unit, the hydrogen and oxygen pressure regulating devices, and the current sensor can be connected to individually interchangeable modules and can be connected to one another by detachable connection devices and, if appropriate, in a pressure-resistant one Housing are integrated.
  • the modular structure offers in particular the advantage of simple and inexpensive assembly and maintenance of an arrangement according to the invention. If, for example, a sub-unit, e.g. the oxygen supply unit fail, it can be repaired quickly and easily by replacing the defective with a new module. Likewise, in the case of an empty storage device, for example the hydrogen storage device, this can be exchanged modularly for a filled storage device, which overall offers a high volume and weight advantage for maintenance compared to the replacement of a lead-acid battery in conventional arrangements of the generic type.
  • An embodiment of the invention is very advantageous, in which the regulation of the power of the regenerative fuel cell unit in the fuel cell operating mode can be carried out by means of a microprocessor or a controller integrated in the field device, the microprocessor or controller with the current sensor, with the or the hydrogen or Oxygen pressure regulating devices and is connected to the switching unit.
  • the microprocessor or controller is also connected to the wireless communication interface of the field device, as a result of which information about the state of the regenerative fuel cell unit and / or the primary energy generation unit and / or about the electrical energy generated by the microprocessor or controller via the wireless communication interface with an outside of the Field unit lying central unit are interchangeable.
  • the essence of the invention is that a regenerative fuel cell unit with at least one as a secondary element Membrane / electrode block, a hydrogen storage unit, a hydrogen compression unit, an oxygen supply unit and a water storage unit is used, in which hydrogen is used as fuel, and in which electrical energy is stored in the form of hydrogen in an electrolysis operating mode and in a fuel cell operating mode electrical energy is generated from the hydrogen stored in the electrolysis operating mode.
  • the energy supply of the field device is switched between the primary energy generation and supply unit and the regenerative fuel cell unit by a switchover unit;
  • the switchover unit at least partially conducts the electrical energy generated in the primary energy generation and supply unit for storage in the regenerative fuel cell unit.
  • water from the water storage unit is decomposed into hydrogen and oxygen in the membrane / electrode block by means of at least part of the electrical energy generated from the non-electrical primary energy.
  • the hydrogen generated in this way is brought into the hydrogen storage unit;
  • the oxygen generated in this way is released into the environment or placed in an oxygen pressure tank.
  • hydrogen from the hydrogen storage unit and oxygen from the oxygen supply unit in the membrane / electrode block are oxidized to water with the formation of electrical energy, and the water which is produced is fed to the water storage unit.
  • the hydrogen is compressed in the hydrogen storage unit by a hydrogen compression unit while increasing the pressure.
  • the pressure of the hydrogen is regulated using a hydrogen pressure control device; the pressure of the oxygen is controlled at the interface between the oxygen supply unit and the membrane / electrode block using an oxygen pressure control device.
  • the electrical current generated in the membrane / electrode block is measured with a current sensor. It can then tgng of the fuel cell are set and / or controlled, the hydrogen and / or oxygen pressure being the manipulated variables and the signal from the current sensor being the controlled variable.
  • the control of the fuel cell power is carried out by means of a microprocessor or a controller integrated in the field device, which is connected at least to the current sensor, as well as to the hydrogen or oxygen pressure measuring device or devices and the switchover unit, and at the same time also the tasks of the sensor / Actuator signal preprocessing could do.
  • the microprocessor or controller is connected to the wireless communication interface of the field device and information about the state of the regenerative fuel cell unit and / or the primary energy generation unit and / or about the generated electrical energy or other signals, data or information available in the system are sent by the microprocessor or Controller exchanged via the wireless communication interface with a central unit located outside the field device.
  • a state of charge check can be carried out in the electrolysis operating mode by measuring the current flowing from the primary energy generation and supply unit into the regenerative fuel cell unit with the current sensor; the amount of the current value is then integrated in the controller or microprocessor and thus a measure of the state of charge of the regenerative fuel cell unit is obtained.
  • FIG. 1 a schematic representation of a first embodiment of the arrangement according to the invention, in which the oxygen supply unit contains an oxygen pressure tank, and
  • FIG. 2 shows a basic illustration of a second embodiment of the arrangement according to the invention, in which the oxygen supply unit contains an oxygen diffusion membrane.
  • FIG. 1 shows a first 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 process carried out in a pipeline 1 and in FIG. 1 by an arrow 1a process medium shown is shown.
  • the field device 10 is surrounded by a housing 11 and has a sensor / actuator unit 6, which comprises the measuring or adjusting module 3, hereinafter also referred to as the analysis module, 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 1 a flowing through the pipeline 1 and fed to the analysis module 3.
  • 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 field device 10 also has a control, data acquisition and processing unit 4, which takes over the sequence control of the measurement process in the measurement module, controls the measurement data acquisition and, if necessary, carries out measurement data preprocessing.
  • the field device 10 has a wireless communication interface 5, by means of which data is exchanged between the field device 10 and a central unit (not shown here). The data exchange is represented by the bidirectional arrow 5a.
  • the field device 10 has a primary energy generation and supply unit 50.
  • This is a so-called non-conventional primary energy generator, for example a solar cell with associated control electronics, a thermoelectric converter or a vibration generator, and it uses non-electrical primary energy available in the process to generate electrical energy for the intended operation of the field device 10.
  • the field device 10 also has a secondary element 12 as an energy buffer in order to store the excess electrical energy produced in the event of a temporary oversupply of non-electrical primary energy, so that it can be maintained in periods of a lack of or an interruption in the non-electrical primary energy supply a continuous supply of the field device 10 with electrical energy can be removed from the energy buffer 12.
  • the field device 10 also has a switchover unit 52, by means of which the energy supply to the field device 10 is switched between the primary energy generation and supply unit 52 and the regenerative fuel cell unit 12, and by the excess electrical energy produced in the primary energy generation and supply unit 50 for storage can be passed into the regenerative fuel cell unit 12.
  • a current sensor 26 is attached, with which the amount of electricity transported into or out of the regenerative fuel cell unit 12 is detected.
  • the regenerative fuel cell unit 12 comprises a membrane / electrode block 14, a hydrogen storage unit 18, a hydrogen compression unit 19, an oxygen supply unit 16 and a water storage unit 20.
  • the membrane / electrode block 14 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 micro-manufactured according to methods known per se.
  • the hydrogen storage unit is, for example, a hydrogen pressure tank known per se or a metal hydride tank, also known per se. Hydrogen storage.
  • the hydrogen compression unit 19 is a compressor known per se.
  • the oxygen supply unit contains an oxygen pressure tank 16a, which is preceded by an oxygen compression device 17, which is also a compressor known per se.
  • the oxygen in the oxygen supply unit 16 is therefore under excess pressure.
  • the hydrogen compression unit 19 and the upstream oxygen compression device 17 can also be micro-manufactured in a manner known per se.
  • a very small, compact structure of the regenerative fuel cell unit can be made possible, which is a great advantage when used in field devices in process engineering systems due to the limited size of the field device.
  • the water storage unit 20 is a water tank which is preceded by a valve 42.
  • the hydrogen storage unit 18, the hydrogen compression unit 19, the oxygen supply unit 16 with the upstream oxygen compression unit 17 and the water storage unit 20 are each connected to the membrane / electrode block 14 via suitable interfaces.
  • the interface between the hydrogen storage unit 18 and the membrane / electrode block 14 is through the parallel connection of a hydrogen pressure control device 40, which can be switched off by a valve 46 in series with it, and the hydrogen compression device 19, which is through a valve 45 in series with it can be switched off, formed.
  • the interface between the oxygen supply unit 16 and the membrane / electrode block 14 is due to the parallel connection of an oxygen pressure control device 41, which can be switched off by a valve 43 in series with it, and the upstream oxygen compression device 17, which is connected in series by a its lying valve 44 can be switched off, formed.
  • a bidirectional water delivery device (53) is arranged, which both water from the water storage unit 20 in the membrane / electrode block 14, and water from the membrane / electrode block 14 in the water storage unit 20 can pump.
  • the regenerative fuel cell unit 12 with the membrane / electrode block 14, the hydrogen storage unit 18, the hydrogen compression unit 19, the oxygen supply unit 16 with the upstream oxygen compression device 17, the water storage unit 20, the hydrogen and oxygen pressure regulating devices 40, 41 and the current sensor 26 is a modular, closed system trained.
  • the membrane / electrode block 14, the hydrogen storage unit 18, the hydrogen compression unit 19, the oxygen supply unit 16 with the upstream oxygen compression unit 17, the water storage unit 20, the hydrogen and oxygen pressure regulating devices 40, 41, and the current sensor 26 are individually interchangeable modules , which can be connected and exchanged by detachable connection devices 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39.
  • the modular structure offers in particular the advantage of simple and inexpensive installation 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, the one or more hydrogen or oxygen pressure regulating devices 40, 41, the switchover unit 52 and the valves 42, 43, 44, 45, 46 ,
  • the microprocessor or controller 22 is also connected to the wireless communication interface 5, the analysis module 3, the primary energy generation and supply unit 50, the water pump 53, the hydrogen compression unit 19 and the upstream oxygen compression unit 17.
  • information about the state of the regenerative fuel cell unit and / or the primary energy generation unit and / or about the electrical energy generated can be transmitted by the microprocessor or controller via the wireless communication interface to an external central unit lying half of the field device.
  • the microprocessor or controller 22 can also control and / or regulate all functional sequences within the regenerative fuel cell unit 12 and their interaction with the primary energy generation and provision unit 50.
  • the regenerative fuel cell unit 12 is now in the electrolysis mode, i.e. in the membrane / electrode block 14 water which is pumped there by the pump 53 with the valve 42 open from the water storage unit 20 is decomposed into hydrogen and oxygen.
  • the hydrogen generated in this way is brought into the hydrogen storage unit 18 and compressed on the way there by the hydrogen compression unit 19; valve 46 is closed, valve 45 is open.
  • the oxygen generated in the membrane / electrode block 14 during electrolysis is brought into the oxygen pressure tank 16a of the oxygen supply unit 16 and is compressed by the upstream oxygen compression unit 17.
  • the valve 44 is open, the valve 43 is closed.
  • the regenerative fuel cell unit 12 switches to the fuel cell mode connected. Close valves 45 and 44, open valves 46 and 43. From the hydrogen storage unit 18, a hydrogen flow pressure-controlled by the hydrogen pressure control device 40 and from the oxygen supply unit 16, an oxygen flow pressure-controlled by the oxygen pressure control device 41, enter the membrane / electrode block 14, where both are water oxidize with the corresponding release of electrical energy. The resulting water is brought into the water reservoir 20 with the pump 53 when the valve 42 is open. The electrical energy generated is measured in the current sensor 26 and fed to the analysis module 3, the control, data acquisition and processing module 4 and the wireless communication interface 5 via the switching unit 52 for operating the field device.
  • the performance of the fuel cell in fuel cell mode is determined, among other things, by the oxygen pressure.
  • the microprocessor 22 contains corresponding optimization routines and specifies the corresponding target values to the oxygen pressure control device 41.
  • the second embodiment of the arrangement according to the invention shown schematically in FIG. 2 differs from that shown in FIG. 1 in that the oxygen supply unit 16 contains an oxygen diffusion membrane 64.
  • a downstream oxygen compression device 60 is installed in the interior of the field device, downstream of the oxygen diffusion membrane 64, for compression and thus an increase in pressure of the oxygen diffused through the oxygen diffusion membrane 64.
  • This downstream oxygen compression device 60 is here, for example, a micropump manufactured in a manner known per se with an integrated check valve. The one in the electrolysis mode of operation of the regenerative
  • Fuel cell unit 12 oxygen produced in the membrane / electrode block 14 is supplied via the valve 43 to an oxygen outlet opening 66 introduced into the housing 11 and released into the environment.
  • the oxygen supply unit 16 is thus divided into two modular blocks, a diffusion membrane block 16b and a compression block 16c. Both blocks 16b and 16c can be removed and exchanged separately from one another in a modular manner.
  • Measuring or adjusting module also called analysis module
  • Control, data acquisition and processing modules wireless communication interface a directional arrow

Abstract

The invention relates to an arrangement for continuously supplying electric power to a field device (10) in a technical system. Said field device is fitted with a wireless communication interface (5). A sensor/actuator unit (6) and a primary energy generation unit and preparation unit (50) are provided in the field device (10) and are used to convert non-electric primary power procedurally available in the technical system and to supply the field device (10) with said electric power. Additionally, a secondary element is provided for temporary storage of at least one part of the electric power produced from the non-electric power. The secondary element is a regenerative fuel cell unit (12). Said fuel cell unit can be actuated with hydrogen as fuel and in an electrolysis operational mode for the storage of electrical power in the form of hydrogen and also in a fuel cell operational mode for the production of power.

Description

Anordnung und Verfahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage mit elektrischer EnergieArrangement and method for the wireless supply of a field device in a process plant with electrical energy
Beschreibungdescription
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, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, mit elektrischer Energie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18.The invention relates to an arrangement for the wireless supply of a field device in a process engineering system, 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 the wireless supply of a field device in a process engineering system. which is equipped with a wireless communication interface, with electrical energy, according to the preamble of claim 18.
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 Sen- sor/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 umfassen. Besonders vorteilhaft erscheint dabei eine Variante einer Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit, durch die prozessual in der verfahrenstechnischen Anlage vorhandene, nichtelektrische Primärenergie in elektrische Energie umgesetzt und das Feldgerät auf diese Weise mit elektrischer Energie versorgt wird, da man auf diese Weise den Nachteil der Erschöpflichkeit konventioneller Primärenergiequellen, wie z.B. Batterien, vermeidet. In der DE 101 20 100 A1 wurde ein solches System vorgeschlagen, das sich zur Versorgung von Feldgeräten mit drahtloser Kommunikationseinrichtung zur Verwendung in verfahrenstechnischen Anlagen sogenannter nichtkonventioneller Primärenergieerzeuger bedient, beispielsweise Solarzellen, thermo- elektrischer Konverter oder Vibrationsgeneratoren. Die nicht-elektrische Primärenergie ist in der Regel diskontinuierlich verfügbar, somit benötigt ein System wie das in der DE 101 20 100 A1 beschriebene ein Sekundärelement als Energie-Zwischenspeicher, um bei einem zeitweisen Überangebot von nicht-elektrischer Primärenergie die dann im Überschuss produzierte elektrische Energie zu speichern, damit sie in Perioden eines Mangels an oder einer Unterbrechung der nicht-elektrischen Primärenergiezufuhr zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Versorgung des Feldgerätes mit elektrischer Energie dem Speicher wieder entnommen werden kann.Field devices are known 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 controls the actual measuring or adjusting module, a control , Data acquisition and processing module and also includes the wireless communication interface, still include a power generation and preparation unit for wireless power supply of the field device. A variant of an energy generation and supply unit, by means of which non-electrical primary energy in the process engineering system is converted into electrical energy and the field device is supplied with electrical energy in this way, appears to be particularly advantageous, since in this way one has the disadvantage of being exhausted from conventional primary energy sources such as batteries. Such a system was proposed in DE 101 20 100 A1, which makes use of so-called non-conventional primary energy generators for supplying field devices with wireless communication devices for use in process engineering systems, for example solar cells, thermo- electrical converter or vibration generator. The non-electrical primary energy is generally available discontinuously, so a system such as that described in DE 101 20 100 A1 requires a secondary element as an energy buffer in order to temporarily supply excess electrical energy in the event of a temporary oversupply of non-electrical primary energy to save so that it can be removed from the memory again in periods of a lack of or an interruption in the non-electrical primary energy supply in order to maintain a continuous supply of the field device with electrical energy.
Als Energie-Zwischenspeicher für den genanten Zweck werden heute allgemein Blei- Akkumulatoren verwendet, wie sie beispielsweise aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannt sind. Einige der Eigenschaften der Blei-Akkumulatoren machen sie jedoch für einen Einbau in Feldgeräten mit drahtloser Kommunikationseinrichtung zur Verwendung in verfahrenstechnischen Anlagen nur bedingt geeignet. Insbesondere sind sie schwer und teuer, sie weisen eine sehr geringe Energiedichte auf, sowohl volume- trisch als auch gravimetrisch, und sie haben eine geringe Zyklenfestigkeit und Lebensdauer. Auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen noch eine ungenügende E- nergiedichte auf und sind darüber hinaus noch teurer als Blei-Akkus; somit kommen sie für einen Einsatz in Feldgeräten der gattungsgemäßen Art nicht in Frage.Lead accumulators such as are known, for example, from motor vehicle technology are generally used today as energy intermediate stores for the purpose mentioned. However, some of the properties of the lead accumulators only make them suitable to a limited extent for installation in field devices with a wireless communication device for use in process engineering systems. In particular, they are heavy and expensive, they have a very low energy density, both volumetric and gravimetric, and they have low cycle stability and durability. Lithium ion accumulators also still have an insufficient energy density and are moreover more expensive than lead accumulators; thus they are out of the question for use in field devices of the generic type.
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, mit elektrischer Energie zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Systeme vermeidet und insbesondere einen reversiblen elektrischen Energiezwischenspeicher mit hoher Energiedichte aufweist, der einfach und kostengünstig herzustellen und zu warten ist, sowie ein Ver- fahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, mit elektrischer Energie zu entwickeln.It is therefore the object of the present invention to provide 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, which avoids the disadvantages of the known systems, and in particular a reversible electrical energy buffer with a high level Has energy density that is easy and inexpensive to manufacture and maintain, and to develop a method for the wireless supply of a field device in a process engineering system that is equipped with a wireless communication interface with electrical energy.
Die Aufgabe wird bezüglich der Anordnung gelöst durch die kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 , und bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 18. Erfindungsgemäß also ist das Sekundärelement eine regenerative Brennstoffzelleneinheit, die mit Wasserstoff als Brennstoff sowohl in einem Elektrolyse- Betriebsmodus zur Speicherung elektrischer Energie in Form von Wasserstoff, als auch in einem Brennstoffzellen-Betriebsmodus zur Erzeugung elektrischer Energie betreibbar ist. Die regenerative Brennstoffzelleneinheit umfasst dabei wenigstens einen Membran/Elektrodenblock, eine Wasserstoffspeichereinheit, eine Wasserstoffkompressionseinheit, eine Sauerstoffbereitstellungseinheit und eine Wasser- Speichereinheit. Die Wasserstoffspeichereinheit, die Wasserstoffkompressionseinheit, die Sauerstoffbereitstellungseinheit und die Wasser-Speichereinheit sind über jeweils geeignete Schnittstellen mit dem Membran/Elektrodenblock verbunden.The object is achieved with respect to the arrangement by the characterizing features of claim 1, and with respect to the method by the characterizing features of claim 18. According to the invention, the secondary element is a regenerative fuel cell unit that can be operated with hydrogen as fuel both in an electrolysis operating mode for storing electrical energy in the form of hydrogen and in a fuel cell operating mode for generating electrical energy. The regenerative fuel cell unit comprises at least one membrane / electrode block, a hydrogen storage unit, a hydrogen compression unit, an oxygen supply unit and a water storage unit. The hydrogen storage unit, the hydrogen compression unit, the oxygen supply unit and the water storage unit are each connected to the membrane / electrode block via suitable interfaces.
Eine solche regenerative Brennstoffzelleneinheit hat eine etwa 20-mal höhere Energiedichte als die im Stand der Technik bekannten Blei-Akkumulatoren, und eine etwa 6-mal höhere Energiedichte als Lithium-Ionen Akkumulatoren.Such a regenerative fuel cell unit has an approximately 20 times higher energy density than the lead accumulators known in the prior art, and an approximately 6 times higher energy density than lithium-ion accumulators.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Membran/Elektrodenblock ein mikrotechnisch gefertigter Polymermembran/Elektrodenblock. Die Wasserstoffspeichereinheit ist vorteilhafterweise ein Drucktank oder ein Metallhydrid-Wasserstoffspeicher. Sehr vorteilhaft ist es auch, wenn die Wasserstoffkompressionseinheit ein mikrotechnisch gefertigter Kompressor ist. Dadurch kann insgesamt ein sehr kleiner, kompakter Aufbau der regenerativen Brennstoffzelleneinheit ermöglicht werden, was bei der Anwendung in Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen aufgrund der beschränkten Baugröße des Feldgerätes einen großen Vorteil darstellt.In an advantageous embodiment of the invention, the membrane / electrode block is a microtechnically manufactured polymer membrane / electrode block. The hydrogen storage unit is advantageously a pressure tank or a metal hydride hydrogen storage. It is also very advantageous if the hydrogen compression unit is a microtechnically manufactured compressor. As a result, a very small, compact structure of the regenerative fuel cell unit can be made possible, which is a great advantage when used in field devices in process engineering systems due to the limited size of the field device.
Bekannterweise entsteht in einer Brennstoffzelle in dem Membran/Elektrodenblock durch die Oxidation von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie und Wasser. Zur Erhöhung der Leistung einer Brennstoffzelle ist es bekanntermaßen angebracht, den Sauerstoff unter Überdruck dem Membran/Elektrodenblock zuzuführen. In einer ersten Variante der Sauerstoffbereitstellungseinheit kann diese daher einen Sauerstoff- Drucktank enthalten, wobei diesem eine Sauerstoffkompressionsvorrichtung vorgeschaltet ist. In einer zweiten Variante kommt der Sauerstoff aus der umgebenden Luft; die Sauerstoffbereitstellungseinheit kann dann eine Sauerstoff-Diffusions- membran mit einer nachgeschalteten Sauerstoffkompressionsvorrichtung enthalten. Aus den selben vorteilhaften Gründen wie oben bereits angeführt kann auch die vor- oder nachgeschaltete Sauerstoffkompressionsvorrichtung ein mikrotechnisch gefertigter Kompressor mit Rückschlagventil sein.As is known, electrical energy and water are generated in the fuel / cell in the membrane / electrode block by the oxidation of hydrogen and oxygen. To increase the performance of a fuel cell, it is known to supply the oxygen to the membrane / electrode block under excess pressure. In a first variant of the oxygen supply unit, it can therefore contain an oxygen pressure tank, an oxygen compression device being connected upstream of this. In a second variant, the oxygen comes from the surrounding air; the oxygen supply unit can then contain an oxygen diffusion membrane with a downstream oxygen compression device. For the same advantageous reasons as already mentioned above, the upstream or downstream oxygen compression device can also be a micro-engineered compressor with a check valve.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Wasserspeichereinheit ein Wassertank, dem ein Ventil vorgeschaltet ist.In a particularly advantageous manner, the water storage unit is a water tank which is preceded by a valve.
In der erfindungsgemäßen Anordnung ist an der Schnittstelle zwischen der Wasserstoffspeichereinheit und dem Membran/Elektrodenblock eine Wasserstoff-Druckregeleinrichtung, an der Schnittstelle zwischen der Sauerstoffbereitstellungseinheit und dem Membran/Elektrodenblock eine Sauerstoff-Druckregeleinheit , an der Schnittstelle zwischen der Wasserspeichereinheit und dem Membran/Elektrodenblock eine Wasser-Fördereinrichtung angeordnet.In the arrangement according to the invention there is a hydrogen pressure control device at the interface between the hydrogen storage unit and the membrane / electrode block, an oxygen pressure control unit at the interface between the oxygen supply unit and the membrane / electrode block, and a water at the interface between the water storage unit and the membrane / electrode block Conveyor arranged.
Zwischen der Sensor/Aktoreinheit des Feldgerätes und der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit einerseits und der regenerativen Brennstoffzelleneinheit andererseits ist eine Umschalteeinheit angeordnet, durch die die Energiever- sorgung des Feldgerätes zwischen der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit und der regenerativen Brennstoffzelleneinheit umschaltbar ist, und durch die in der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit überschüssig hergestellte elektrische Energie zur Speicherung in die regenerative Brennstoffzelleneinheit leitbar ist.A switchover unit is arranged between the sensor / actuator unit of the field device and the primary energy generation and supply unit on the one hand and the regenerative fuel cell unit on the other hand, by means of which the energy supply of the field device can be switched between the primary energy generation and supply unit and the regenerative fuel cell unit and by which excess electrical energy produced in the primary energy generation and supply unit can be conducted for storage in the regenerative fuel cell unit.
Sehr vorteilhaft ist eine Ausführungsform, in der die Leistung der regenerativen Brennstoffzelleneinheit im Brennstoffzellen-Betriebsmodus einstell- und/oder regelbar ist, wobei der Wasserstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind. Die regenerative Brennstoffzelleneinheit kann dabei mit wenigstens einem Stromsensor ausgestattet sein, der die Regelgröße für die Leistungsregelung der Brenn- stoffzelle bereitstellt.An embodiment is very advantageous in which the power of the regenerative fuel cell unit can be set and / or regulated in the fuel cell operating mode, the hydrogen and / or the oxygen pressure being the manipulated variables. The regenerative fuel cell unit can be equipped with at least one current sensor that provides the controlled variable for the power control of the fuel cell.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung sieht vor, dass die regenerative Brennstoffzelleneinheit mit dem Membran/Elektrodenblock, der Wasserstoffspeichereinheit, der Wasserstoffkompressionseinheit, der Sauerstoffbereitstellungseinheit, der Wasserspeichereinheit, der Wasserstoff- und Sauerstoff- Druckregeleinrichtung und dem Stromsensor als modulares, geschlossenes System ausgebildet ist, wobei der Membran/Elektrodenblock, die Wasserstoffspeicherein- heit, die Wasserstoffkompressionseinheit , die Sauerstoffbereitstellungseinheit, die Wasserspeichereinheit, die Wasserstoff- und Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen, und der Stromsensor einzeln austauschbare Module und durch lösbare Anschluss- Vorrichtungen miteinander verbindbar und gegebenenfalls in einem druckfesten Gehäuse integriert sind.Another advantageous embodiment of the invention provides that the regenerative fuel cell unit with the membrane / electrode block, the hydrogen storage unit, the hydrogen compression unit, the oxygen supply unit, the water storage unit, the hydrogen and oxygen pressure control device and the current sensor as a modular, closed system The membrane / electrode block, the hydrogen storage unit, the hydrogen compression unit, the oxygen supply unit, the water storage unit, the hydrogen and oxygen pressure regulating devices, and the current sensor can be connected to individually interchangeable modules and can be connected to one another by detachable connection devices and, if appropriate, in a pressure-resistant one Housing are integrated.
Der modulare Aufbau bietet insbesondere den Vorteil der einfachen und kostengünstigen Montage und Wartung einer erfindungsgemäßen Anordnung. Sollte beispielsweise aufgrund eines Defektes eine Unter-Einheit, wie z.B. die Sauerstoff- Bereitstellungseinheit, ausfallen, so kann sie schnell und einfach durch Auswechseln des defekten gegen ein neues Modul wieder instand gesetzt werden. Ebenso kann im Falle eines leeren Speichers, beispielsweise des Wasserstoffspeichers, dieser modular gegen einen gefüllten Speicher ausgetauscht werden, was insgesamt für die Wartung einen hohen Volumen- und Gewichtsvorteil bietet gegenüber dem Aus- tausch eines Bleiakkus in herkömmlichen gattungsgemäßen Anordnungen.The modular structure offers in particular the advantage of simple and inexpensive assembly and maintenance of an arrangement according to the invention. If, for example, a sub-unit, e.g. the oxygen supply unit fail, it can be repaired quickly and easily by replacing the defective with a new module. Likewise, in the case of an empty storage device, for example the hydrogen storage device, this can be exchanged modularly for a filled storage device, which overall offers a high volume and weight advantage for maintenance compared to the replacement of a lead-acid battery in conventional arrangements of the generic type.
Sehr vorteilhaft ist eine Ausgestaltungsform der Erfindung, in der die Regelung der Leistung der regenerativen Brennstoffzelleneinheit im Brennstoffzellen- Betriebsmodus mittels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers durchführbar ist, wobei der Mikroprozessor oder Controller mit dem Stromsensor, mit der oder den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen und mit der Umschalteeinheit verbunden ist. Der Mikroprozessor oder Controller ist auch mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle des Feldgerätes verbunden, wodurch Informationen über den Zustand der regenerativen Brennstoffzelleneinheit und/oder der primären Energieerzeugungseinheit und/oder über die erzeugte elektri- sehe Energie vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit austauschbar sind.An embodiment of the invention is very advantageous, in which the regulation of the power of the regenerative fuel cell unit in the fuel cell operating mode can be carried out by means of a microprocessor or a controller integrated in the field device, the microprocessor or controller with the current sensor, with the or the hydrogen or Oxygen pressure regulating devices and is connected to the switching unit. The microprocessor or controller is also connected to the wireless communication interface of the field device, as a result of which information about the state of the regenerative fuel cell unit and / or the primary energy generation unit and / or about the electrical energy generated by the microprocessor or controller via the wireless communication interface with an outside of the Field unit lying central unit are interchangeable.
Hinsichtlich des Verfahrens zur drahtlosen Versorgung eines mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestatteten Feldgerätes in einer verfahrenstechni- sehen Anlage mit elektrischer Energie besteht der Kern der Erfindung darin, dass als Sekundärelement eine regenerative Brennstoffzelleneinheit mit wenigstens einem Membran/Elektrodenblock, einer Wasserstoffspeichereinheit, einer Wasserstoffkompressionseinheit, einer Sauerstoffbereitstellungseinheit und einer Wasser- Speichereinheit eingesetzt wird, in der Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, und in der in einem Elektrolyse-Betriebsmodus elektrische Energie in Form von Wasserstoff gespeichert wird und in einem Brennstoffzellen-Betriebsmodus elektrische Energie aus dem im Elektrolyse-Betriebsmodus gespeicherten Wasserstoff erzeugt wird. Weiterhin wird durch eine Umschalteeinheit die Energieversorgung des Feldgerätes zwischen der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit und der regenerativen Brennstoffzelleneinheit umgeschaltet; durch die Umschal- teeinheit wird die in der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit erzeugte elektrische Energie wenigstens teilweise zur Speicherung in die regenerative Brennstoffzelleneinheit geleitet.With regard to the method for the wireless supply of a field device equipped with a wireless communication interface in a process engineering system with electrical energy, the essence of the invention is that a regenerative fuel cell unit with at least one as a secondary element Membrane / electrode block, a hydrogen storage unit, a hydrogen compression unit, an oxygen supply unit and a water storage unit is used, in which hydrogen is used as fuel, and in which electrical energy is stored in the form of hydrogen in an electrolysis operating mode and in a fuel cell operating mode electrical energy is generated from the hydrogen stored in the electrolysis operating mode. Furthermore, the energy supply of the field device is switched between the primary energy generation and supply unit and the regenerative fuel cell unit by a switchover unit; The switchover unit at least partially conducts the electrical energy generated in the primary energy generation and supply unit for storage in the regenerative fuel cell unit.
In dem Elektrolyse-Betriebsmodus wird mittels zumindest eines Teils der aus der nicht-elektrischen Primärenergie erzeugten elektrischen Energie in dem Memb- ran/Elektrodenblock Wasser aus der Wasser-Speichereinheit in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Der so erzeugte Wasserstoff wird in die Wasserstoffspeicherein- heit verbracht; der so erzeugte Sauerstoff wird an die Umgebung abgegeben oder in einen Sauerstoff-Drucktank verbracht. In dem Brennstoffzellen-Betriebsmodus werden Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinheit und Sauerstoff aus der Sauer- Stoffbereitstellungseinheit in dem Membran/Elektrodenblock unter Entstehung von elektrischer Energie zu Wasser oxidiert, und das entstehende Wasser wird der Wasser-Speichereinheit zugeführt.In the electrolysis operating mode, water from the water storage unit is decomposed into hydrogen and oxygen in the membrane / electrode block by means of at least part of the electrical energy generated from the non-electrical primary energy. The hydrogen generated in this way is brought into the hydrogen storage unit; The oxygen generated in this way is released into the environment or placed in an oxygen pressure tank. In the fuel cell operating mode, hydrogen from the hydrogen storage unit and oxygen from the oxygen supply unit in the membrane / electrode block are oxidized to water with the formation of electrical energy, and the water which is produced is fed to the water storage unit.
Der Wasserstoff wird dabei beim Verbringen in die Wasserstoffspeichereinheit durch eine Wasserstoff-Kompressionseinheit unter Druckerhöhung komprimiert.The hydrogen is compressed in the hydrogen storage unit by a hydrogen compression unit while increasing the pressure.
An der Schnittstelle zwischen der Wasserstoffspeichereinheit und dem Membran/Elektrodenblock wird der Druck des Wasserstoffs mit einer Wasserstoff-Druckregeleinrichtung geregelt; der Druck des Sauerstoffes wird an der Schnittstelle zwischen der Sauerstoffbereitstellungseinheit und dem Membran/Elektrodenblock mit einer Sauerstoff-Druckregeleinrichtung geregelt.At the interface between the hydrogen storage unit and the membrane / electrode block, the pressure of the hydrogen is regulated using a hydrogen pressure control device; the pressure of the oxygen is controlled at the interface between the oxygen supply unit and the membrane / electrode block using an oxygen pressure control device.
Im Brennstoffzellen-Betriebsmodus wird der in dem Membran/Elektrodenblock erzeugte elektrische Strom mit einem Stromsensor gemessen. Es kann dann die Leis- tgng der Brennstoffzelle eingestellt und/oder geregelt werden, wobei der Wasserstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen und das Signal des Stromsensors die Regelgröße sind.In the fuel cell operating mode, the electrical current generated in the membrane / electrode block is measured with a current sensor. It can then tgng of the fuel cell are set and / or controlled, the hydrogen and / or oxygen pressure being the manipulated variables and the signal from the current sensor being the controlled variable.
Die Regelung der Brennstoffzellenleistung wird dabei mittels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers durchgeführt, der wenigstens mit dem Stromsensor, sowie mit der oder den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff- Druckmesseinrichtungen und der Umschalteeinheit verbunden wird, und der gleichzeitig auch die Aufgaben der Sensor/Aktorsignalvorverarbeitung erledigen könnte.The control of the fuel cell power is carried out by means of a microprocessor or a controller integrated in the field device, which is connected at least to the current sensor, as well as to the hydrogen or oxygen pressure measuring device or devices and the switchover unit, and at the same time also the tasks of the sensor / Actuator signal preprocessing could do.
Der Mikroprozessor oder Controller wird mit der drahtlosen Kommunikationsschnitt- stelle des Feldgerätes verbunden und Informationen über den Zustand der regenerativen Brennstoffzelleneinheit und/oder der primären Energieerzeugungseinheit und/oder über die erzeugte elektrische Energie oder weitere im System verfügbare Signale, Daten oder Informationen werden vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außerhalb des Feldgerätes lie- genden Zentraleinheit ausgetauscht.The microprocessor or controller is connected to the wireless communication interface of the field device and information about the state of the regenerative fuel cell unit and / or the primary energy generation unit and / or about the generated electrical energy or other signals, data or information available in the system are sent by the microprocessor or Controller exchanged via the wireless communication interface with a central unit located outside the field device.
Es können selbstverständlich noch weitere Funktionen durch den Mikroprozessor oder Controller realisiert werden. Beispielsweise kann eine Ladezustandskontrolle im Elektrolyse-Betriebsmodus durchgeführt werden, indem mit dem Stromsensor der Strom gemessen wird, der von der primären Energieerzeugungs- und Bereitstel- lungseinheit in die regenerative Brennstoffzellen-Einheit hineinfließt; der Betrag des Stromwertes wird dann in dem Controller oder Mikroprozessor aufintegriert und somit ein Maß für den Ladezustand der regenerativen Brennstoffzellen-Einheit erhalten.Of course, other functions can be implemented by the microprocessor or controller. For example, a state of charge check can be carried out in the electrolysis operating mode by measuring the current flowing from the primary energy generation and supply unit into the regenerative fuel cell unit with the current sensor; the amount of the current value is then integrated in the controller or microprocessor and thus a measure of the state of charge of the regenerative fuel cell unit is obtained.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weite- re Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous refinements and improvements of the invention and further advantages can be found in the subclaims.
Anhand der Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigen:The invention and further advantageous refinements and improvements to the invention and further advantages are to be explained and described in more detail with reference to the drawings, in which two exemplary embodiments of the invention are shown. Show it:
Fig. 1 : eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, in der die Sauerstoff-Bereitstellungseinheit einen Sauerstoff-Drucktank enthält, und1: a schematic representation of a first embodiment of the arrangement according to the invention, in which the oxygen supply unit contains an oxygen pressure tank, and
Fig. 2: eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, in der die Sauerstoff-Bereitstellungseinheit eine Sauerstoff-Diffusionsmembran enthält.2 shows a basic illustration of a second embodiment of the arrangement according to the invention, in which the oxygen supply unit contains an oxygen diffusion membrane.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur drahtlosen Energieversorgung eines Feldgerätes 10, welches in dem hier gezeigten Beispiel ein Analyse- gerät zur Analyse der Zusammensetzung eines in einer Rohrleitung 1 eines verfahrenstechnischen Prozesses geführten und in der Fig. 1 durch einen Pfeil 1a dargestellten Prozessmediums ist, dargestellt. 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 Analysemodul genannt, einen Steuerungs-, Datener- fassungs- und Verarbeitungsmodul 4 und auch die drahtlose Kommunikationsschnittstelle 5 umfasst, sowie eine Probennahmeleitung 2 auf, mittels welcher eine Probe aus dem die Rohrleitung 1 durchströmenden Prozessmedium 1a entnommen und dem Analysemodul 3 zugeführt wird. Je nach Prozessmedium und Aufgabenstellung kann der Analysemodul 3 eine Vorrichtung zur automatisierten Wasser- oder Gasanalyse sein, beispielsweise ein Prozessgaschromatograph, ein Prozessphotometer, ein Prozeß-pH-Meter, ein Leitfähigkeitsanalysator, ein Prozess- Nitrat-Analysator, ein Prozeß-Sauerstoffanalysator oder ähnliches. Das Feldgerät 10 weist ferner eine Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit 4 auf, die die Ablaufkontrolle des Messvorganges in dem Messmodul übernimmt, sowie die Messdatenaufnahme steuert und gegebenenfalls eine Messdatenvorverarbeitung durchführt. Weiterhin weist das Feldgerät 10 eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 5 auf, mittels derer Daten zwischen dem Feldgerät 10 und einer (hier nicht dargestellten) Zentraleinheit ausgetauscht werden. Der Datenaustausch ist durch den bidirektionalen Pfeil 5a dargestellt.1 shows a first 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 process carried out in a pipeline 1 and in FIG. 1 by an arrow 1a process medium shown is shown. The field device 10 is surrounded by a housing 11 and has a sensor / actuator unit 6, which comprises the measuring or adjusting module 3, hereinafter also referred to as the analysis module, 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 1 a flowing through the pipeline 1 and fed to the analysis module 3. Depending on the process medium and the task, 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 field device 10 also has a control, data acquisition and processing unit 4, which takes over the sequence control of the measurement process in the measurement module, controls the measurement data acquisition and, if necessary, carries out measurement data preprocessing. Furthermore, the field device 10 has a wireless communication interface 5, by means of which data is exchanged between the field device 10 and a central unit (not shown here). The data exchange is represented by the bidirectional arrow 5a.
Zur Stromversorgung der Sensor/Aktoreinheit 6, und damit des Analysemodules 3, der Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit 4 und der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 5 weist das Feldgerät 10 eine primäre Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit 50 auf. Diese ist ein sogenannter nichtkonventioneller Primärenergieerzeuger, beispielsweise eine Solarzelle mit zugehöriger Steuerelektronik, ein thermoelektrischer Konverter oder ein Vibrationsgenerator, und sie nutzt prozessual vorhandene nicht-elektrische Primärenergie aus, um daraus elektrische Energie zum bestimmungsgemäßen Betrieb des Feldgerätes 10 zu erzeugen.To power the sensor / actuator unit 6, and thus the analysis module 3, the control, data acquisition and processing unit 4 and the wireless Communication interface 5, the field device 10 has a primary energy generation and supply unit 50. This is a so-called non-conventional primary energy generator, for example a solar cell with associated control electronics, a thermoelectric converter or a vibration generator, and it uses non-electrical primary energy available in the process to generate electrical energy for the intended operation of the field device 10.
Das Feldgerät 10 weist ferner ein Sekundärelement 12 als Energie-Zwischenspeicher auf um bei einem zeitweisen Überangebot von nicht-elektrischer Primärenergie die dann im Überschuss produzierte elektrische Energie zu speichern, damit sie in Perioden eines Mangels an oder einer Unterbrechung der nicht-elektrischen Primärenergiezufuhr zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Versorgung des Feldgerätes 10 mit elektrischer Energie dem Energie-Zwischenspeicher 12 wieder entnommen werden kann. Das Feldgerät 10 weist dazu weiterhin eine Umschalteeinheit 52 auf, durch die die Energieversorgung des Feldgerätes 10 zwischen der primären E- nergieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit 52 und der regenerativen Brennstoffzelleneinheit 12 umgeschaltet, und durch die in der primären Energieerzeugungsund Bereitstellungseinheit 50 überschüssig hergestellte elektrische Energie zur Speicherung in die regenerative Brennstoffzelleneinheit 12 geleitet werden kann. An der Schnittstelle zwischen der regenerativen Brennstoffzelleneinheit 12 und der Umschalteinheit 52 ist ein Stromsensor 26 angebracht, mit dem die in die regenerative Brennstoffzelleneinheit 12 hinein- oder heraustransportierte Strommenge erfasst wird.The field device 10 also has a secondary element 12 as an energy buffer in order to store the excess electrical energy produced in the event of a temporary oversupply of non-electrical primary energy, so that it can be maintained in periods of a lack of or an interruption in the non-electrical primary energy supply a continuous supply of the field device 10 with electrical energy can be removed from the energy buffer 12. For this purpose, the field device 10 also has a switchover unit 52, by means of which the energy supply to the field device 10 is switched between the primary energy generation and supply unit 52 and the regenerative fuel cell unit 12, and by the excess electrical energy produced in the primary energy generation and supply unit 50 for storage can be passed into the regenerative fuel cell unit 12. At the interface between the regenerative fuel cell unit 12 and the switchover unit 52, a current sensor 26 is attached, with which the amount of electricity transported into or out of the regenerative fuel cell unit 12 is detected.
Die regenerative Brennstoffzelleneinheit 12 umfasst einen Membran/Elektroden- block 14, eine Wasserstoffspeichereinheit 18, eine Wasserstoffkompressionseinheit 19, eine Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 und eine Wasser-Speichereinheit 20.The regenerative fuel cell unit 12 comprises a membrane / electrode block 14, a hydrogen storage unit 18, a hydrogen compression unit 19, an oxygen supply unit 16 and a water storage unit 20.
Der Membran/Elektrodenblock 14 kann ein an sich bekannter Polymermembran/Elektrodenblock sein, der zum Zwecke der Volumenreduzierung und Kostenersparnis auch gemäß an sich bekannter Methoden mikrotechnisch gefertigt sein kann. Die Wasserstoffspeichereinheit ist beispielsweise ein an sich bekannter Was- serstoff-Drucktank oder ein, ebenfalls an sich bekannter, Metallhydrid- Wasserstoffspeicher. Die Wasserstoffkompressionseinheit 19 ist ein an sich bekannter Kompressor.The membrane / electrode block 14 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 micro-manufactured according to methods known per se. The hydrogen storage unit is, for example, a hydrogen pressure tank known per se or a metal hydride tank, also known per se. Hydrogen storage. The hydrogen compression unit 19 is a compressor known per se.
Die Sauerstoffbereitstellungseinheit enthält in dem dargestellten Beispiel der Fig. 1 einen Sauerstoff- Drucktank 16a, dem eine Sauerstoffkompressionsvorrichtung 17 vorgeschaltet ist, welche ebenfalls ein an sich bekannter Kompressor ist. Der Sauerstoff steht in der Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 somit unter Überdruck.In the example shown in FIG. 1, the oxygen supply unit contains an oxygen pressure tank 16a, which is preceded by an oxygen compression device 17, which is also a compressor known per se. The oxygen in the oxygen supply unit 16 is therefore under excess pressure.
Die Wasserstoffkompressionseinheit 19 und die vorgeschaltete Sauerstoffkompressionsvorrichtung 17 können aus Gründen der Volumen-, Gewichts- und Kostenersparnis auch in an sich bekannter Weise mikrotechnisch gefertigt sein. Dadurch kann insgesamt ein sehr kleiner, kompakter Aufbau der regenerativen Brennstoffzelleneinheit ermöglicht werden, was bei der Anwendung in Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen aufgrund der beschränkten Baugröße des Feldgerätes einen großen Vorteil darstellt.For reasons of volume, weight and cost savings, the hydrogen compression unit 19 and the upstream oxygen compression device 17 can also be micro-manufactured in a manner known per se. As a result, a very small, compact structure of the regenerative fuel cell unit can be made possible, which is a great advantage when used in field devices in process engineering systems due to the limited size of the field device.
Die Wasserspeichereinheit 20 ist ein Wassertank, dem ein Ventil 42 vorgeschaltet ist.The water storage unit 20 is a water tank which is preceded by a valve 42.
Die Wasserstoffspeichereinheit 18, die Wasserstoffkompressionseinheit 19, die Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 mit der vorgeschalteten Sauerstoffkompressionseinheit 17 und die Wasser-Speichereinheit 20 sind über jeweils geeignete Schnittstellen mit dem Membran/Elektrodenblock 14 verbunden.The hydrogen storage unit 18, the hydrogen compression unit 19, the oxygen supply unit 16 with the upstream oxygen compression unit 17 and the water storage unit 20 are each connected to the membrane / electrode block 14 via suitable interfaces.
Die Schnittstelle zwischen der Wasserstoffspeichereinheit 18 und dem Membran/Elektrodenblock 14 ist durch die Parallelschaltung einer Wasserstoff-Druckregeleinrichtung 40, die durch ein in Reihe zu ihr liegendes Ventil 46 abschaltbar ist, und der Wasserstoffkompressionseinrichtung 19, die durch ein in Reihe zu ihr liegendes Ventil 45 abschaltbar ist, gebildet. Entsprechend ist die Schnittstelle zwi- sehen der Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 und dem Membran/Elektrodenblock 14 durch die Parallelschaltung einer Sauerstoff-Druckregeleinrichtung 41 , die durch ein in Reihe zu ihr liegendes Ventil 43 abschaltbar ist, und der vorgeschalteten Sauerstoffkompressionseinrichtung 17, die durch ein in Reihe zu ihr liegendes Ventil 44 abschaltbar ist, gebildet. An der Schnittstelle zwischen der Wasserspeichereinheit 20 und dem Membran/Elektrodenblock 14 ist eine bidirektionale Wasser-Fördereinrichtung (53) angeordnet, welche sowohl Wasser von der Wasser-Speichereinheit 20 in den Membran/Elektrodenblock 14, als auch Wasser aus dem Membran/Elektrodenblock 14 in die Wasser-Speichereinheit 20 pumpen kann.The interface between the hydrogen storage unit 18 and the membrane / electrode block 14 is through the parallel connection of a hydrogen pressure control device 40, which can be switched off by a valve 46 in series with it, and the hydrogen compression device 19, which is through a valve 45 in series with it can be switched off, formed. Correspondingly, the interface between the oxygen supply unit 16 and the membrane / electrode block 14 is due to the parallel connection of an oxygen pressure control device 41, which can be switched off by a valve 43 in series with it, and the upstream oxygen compression device 17, which is connected in series by a its lying valve 44 can be switched off, formed. At the interface between the water storage unit 20 and the membrane / electrode block 14, a bidirectional water delivery device (53) is arranged, which both water from the water storage unit 20 in the membrane / electrode block 14, and water from the membrane / electrode block 14 in the water storage unit 20 can pump.
Die regenerative Brennstoffzelleneinheit 12 mit dem Membran/Elektrodenblock 14, der Wasserstoffspeichereinheit 18, der Wasserstoffkompressionseinheit 19, der Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 mit der vorgeschalteten Sauerstoffkompressionseinrichtung 17, der Wasserspeichereinheit 20, der Wasserstoff- und Sauerstoff- Druckregeleinrichtungen 40, 41 und dem Stromsensor 26 ist als modulares, geschlossenes System ausgebildet. Das bedeutet, dass der Membran/Elektrodenblock 14, die Wasserstoffspeichereinheit 18, die Wasserstoffkompressionseinheit 19, die Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 mit der vorgeschalteten Sauerstoffkompressionseinheit 17, die Wasserspeichereinheit 20, die Wasserstoff- und Sauerstoff- Druckregeleinrichtungen 40, 41 , und der Stromsensor 26 einzeln austauschbare Module sind, die durch lösbare Anschlussvorrichtungen 30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 miteinander verbunden und ausgetauscht werden können.The regenerative fuel cell unit 12 with the membrane / electrode block 14, the hydrogen storage unit 18, the hydrogen compression unit 19, the oxygen supply unit 16 with the upstream oxygen compression device 17, the water storage unit 20, the hydrogen and oxygen pressure regulating devices 40, 41 and the current sensor 26 is a modular, closed system trained. This means that the membrane / electrode block 14, the hydrogen storage unit 18, the hydrogen compression unit 19, the oxygen supply unit 16 with the upstream oxygen compression unit 17, the water storage unit 20, the hydrogen and oxygen pressure regulating devices 40, 41, and the current sensor 26 are individually interchangeable modules , which can be connected and exchanged by detachable connection devices 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39.
Der modulare Aufbau bietet insbesondere den Vorteil der einfachen und kostengünstigen Montage und Wartung durch Auswechseln eines gegebenenfalls defek- ten gegen ein neues Modul.The modular structure offers in particular the advantage of simple and inexpensive installation and maintenance by exchanging a possibly defective for a new module.
In dem Feldgerät 10 ist weiterhin ein Mikroprozessor oder Controller 22 integriert, der mit dem Stromsensor 26, der oder den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff- Druckregeleinrichtungen 40, 41 , der Umschalteeinheit 52 sowie den Ventilen 42, 43, 44, 45,46 verbunden ist. Der Mikroprozessor oder Controller 22 ist auch mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 5, dem Analysenmodul 3, der primären E- nergieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit 50, der Wasser-Pumpe 53, der Wasserstoff-Kompressionseinheit 19 und der vorgeschalteten Sauerstoff- Kompressionseinheit 17 verbunden. Dadurch können Informationen über den Zustand der regenerativen Brennstoffzelleneinheit und/oder der primären Energieer- zeugungseinheit und/oder über die erzeugte elektrische Energie vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außer- halb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit ausgetauscht werden. Der Mikroprozessor oder Controller 22 kann auf diese Weise auch alle Funktionsabläufe innerhalb der regenerativen Brennstoffzelleneinheit 12 sowie deren Zusammenwirken mit der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit 50 steuern und/oder regeln.In the field device 10, a microprocessor or controller 22 is also integrated, which is connected to the current sensor 26, the one or more hydrogen or oxygen pressure regulating devices 40, 41, the switchover unit 52 and the valves 42, 43, 44, 45, 46 , The microprocessor or controller 22 is also connected to the wireless communication interface 5, the analysis module 3, the primary energy generation and supply unit 50, the water pump 53, the hydrogen compression unit 19 and the upstream oxygen compression unit 17. As a result, information about the state of the regenerative fuel cell unit and / or the primary energy generation unit and / or about the electrical energy generated can be transmitted by the microprocessor or controller via the wireless communication interface to an external central unit lying half of the field device. In this way, the microprocessor or controller 22 can also control and / or regulate all functional sequences within the regenerative fuel cell unit 12 and their interaction with the primary energy generation and provision unit 50.
Die Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 ist nun die folgende. Wenn in der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit 50 mehr elektrische Energie erzeugt wird, als zum Betrieb des Feldgerätes benötigt wird, so wird der überschüssige Anteil der elektrischen Energie über die Umschalteinheit 52 in die regene- rative Brennstoffzelleneinheit 12 geleitet. Der Stromsensor 26 erfasst deren Betrag; in dem Mikroprozessor 22 wird die insgesamt transportierte Strommenge aufintegriert und steht als Wert für den momentanen Ladezustand einer weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Die regenerative Brennstoffzelleneinheit 12 befindet sich jetzt im Elektrolyse-Modus, d.h., in dem Membran/Elektrodenblock 14 wird Wasser, das von der Pumpe 53 bei geöffnetem Ventil 42 aus der Wasser-Speichereinheit 20 dorthin gepumpt wird, in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Der so erzeugte Wasserstoff wird in die Wasserstoffspeichereinheit 18 verbracht und auf dem Weg dorthin von der Wasserstoff-Kompressionseinheit 19 komprimiert; das Ventil 46 ist geschlossen, das Ventil 45 offen. Der bei der Elektrolyse in dem Membran/Elektrodenblock 14 er- zeugte Sauerstoff wird in den Sauerstoff-Drucktank 16a der Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 verbracht und dabei von der vorgeschalteten Sauerstoff- Kompressionseinheit 17 komprimiert. Das Ventil 44 ist geöffnet, das Ventil 43 ist geschlossen.1 is now as follows. If more electrical energy is generated in the primary energy generation and preparation unit 50 than is required to operate the field device, the excess portion of the electrical energy is conducted via the switchover unit 52 into the regenerative fuel cell unit 12. The current sensor 26 detects the amount thereof; The total amount of electricity transported is integrated in the microprocessor 22 and is available as a value for the current state of charge for further processing. The regenerative fuel cell unit 12 is now in the electrolysis mode, i.e. in the membrane / electrode block 14 water which is pumped there by the pump 53 with the valve 42 open from the water storage unit 20 is decomposed into hydrogen and oxygen. The hydrogen generated in this way is brought into the hydrogen storage unit 18 and compressed on the way there by the hydrogen compression unit 19; valve 46 is closed, valve 45 is open. The oxygen generated in the membrane / electrode block 14 during electrolysis is brought into the oxygen pressure tank 16a of the oxygen supply unit 16 and is compressed by the upstream oxygen compression unit 17. The valve 44 is open, the valve 43 is closed.
Reicht die von der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit 50 er- zeugte elektrische Energie für den Betrieb des Feldgerätes 10 nicht mehr aus, oder liegt eine Unterbrechung der Zufuhr an prozessualer nicht-elektrischer Primärenergie vor, so wird die regenerative Brennstoffzelleneinheit 12 in den Brennstoffzellen- Modus geschaltet. Die Ventile 45 und 44 schließen, die Ventile 46 und 43 öffnen. Aus der Wasserstoffspeichereinheit 18 gelangen ein durch die Wasserstoff- Druckregeleinrichtung 40 druckgeregelter Wasserstoffstrom und aus der Sauerstoffbereitstellungseinheit 16 ein durch die Sauerstoffdruckregeleinrichtung 41 druckgeregelter Sauerstoffstrom in den Membran/Elektrodenblock 14, wo beide zu Wasser oxidieren unter entsprechender Abgabe elektrischer Energie. Das entstehende Wasser wird bei geöffnetem Ventil 42 mit der Pumpe 53 in den Wasserspeicher 20 verbracht. Die erzeugte elektrische Energie wird im Stromsensor 26 gemessen und über die Umschalteinheit 52 zum Betrieb des Feldgerätes dem Analysemodul 3, dem Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodul 4 und der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 5 zugeführt.If the electrical energy generated by the primary energy generation and preparation unit 50 is no longer sufficient for the operation of the field device 10, or if there is an interruption in the supply of process non-electrical primary energy, the regenerative fuel cell unit 12 switches to the fuel cell mode connected. Close valves 45 and 44, open valves 46 and 43. From the hydrogen storage unit 18, a hydrogen flow pressure-controlled by the hydrogen pressure control device 40 and from the oxygen supply unit 16, an oxygen flow pressure-controlled by the oxygen pressure control device 41, enter the membrane / electrode block 14, where both are water oxidize with the corresponding release of electrical energy. The resulting water is brought into the water reservoir 20 with the pump 53 when the valve 42 is open. The electrical energy generated is measured in the current sensor 26 and fed to the analysis module 3, the control, data acquisition and processing module 4 and the wireless communication interface 5 via the switching unit 52 for operating the field device.
Die Leistung der Brennstoffzelle im Brennstoffzellen-Modus wird unter anderem durch den Sauerstoffdruck bestimmt. Der Mikroprozessor 22 enthält entsprechende Optimierungsroutinen und gibt der Sauerstoff-Druckregeleinrichtung 41 die entspre- chenden Sollwerte vor.The performance of the fuel cell in fuel cell mode is determined, among other things, by the oxygen pressure. The microprocessor 22 contains corresponding optimization routines and specifies the corresponding target values to the oxygen pressure control device 41.
Auch alle anderen denkbaren und hier nicht genannten Steuer-, Regel und Optimierungsaufgaben für die regenerative Brennstoffzelleneinheit 12 selbst und in ihrem Zusammenwirken mit der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit 50, der Umschalteeinheit 52, dem Analysemodul 3, dem Steuerungs-, datenerfas- sungs- und Verarbeitungsmodul 4 und der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 5 werden von dem Mikroprozessor 22 bewerkstelligt.All other conceivable control and regulation and optimization tasks not mentioned here for the regenerative fuel cell unit 12 itself and in its interaction with the primary energy generation and preparation unit 50, the switchover unit 52, the analysis module 3, the control, data acquisition and Processing module 4 and the wireless communication interface 5 are implemented by the microprocessor 22.
Die in der Fig. 2 schematisch gezeigte zweite Ausführungsförm der erfindungsgemäßen Anordnung unterscheidet sich von der in der Fig. 1 dargestellten dadurch, dass die Sauerstoff-Bereitstellungseinheit 16 eine Sauerstoffdiffusionsmembran 64 ent- hält. Diese umfasst eine in das Gehäuse 11 eingebrachte Sauerstoff- Eintrittsöffnung 62, die mit der Sauerstoff-Diffusionsmembran 64 gegen die äußere Umgebung des Feldgerätes hin abgeschlossen ist und mittels derer der Sauerstoff aus der Umgebungsluft der Sauerstoff-Bereitstellungseinheit 16 zugeführt wird. Zur Erhöhung der Leistung der Brennstoffzelle ist im Inneren des Feldgerätes, der Sau- erstoff-Diffusionsmembran 64 nachgeschaltet, eine nachgeschaltete Sauerstoff- Kompressionsvorrichtung 60 angebracht, zur Kompression und damit Druckerhöhung des durch die Sauerstoff-Diffusionsmembran 64 eindiffundierten Sauerstoffs. Diese nachgeschaltete Sauerstoff-Kompressionsvorrichtung 60 ist hier beispielsweise eine in an sich bekannter Weise mikrotechnisch gefertigte Mikropümpe mit integ- riertem Rückschlagventil. Der im Elektrolyse-Betriebsmodus der regenerativenThe second embodiment of the arrangement according to the invention shown schematically in FIG. 2 differs from that shown in FIG. 1 in that the oxygen supply unit 16 contains an oxygen diffusion membrane 64. This includes an oxygen inlet opening 62 which is introduced into the housing 11 and which is closed off with the oxygen diffusion membrane 64 against the external environment of the field device and by means of which the oxygen from the ambient air is supplied to the oxygen supply unit 16. To increase the power of the fuel cell, a downstream oxygen compression device 60 is installed in the interior of the field device, downstream of the oxygen diffusion membrane 64, for compression and thus an increase in pressure of the oxygen diffused through the oxygen diffusion membrane 64. This downstream oxygen compression device 60 is here, for example, a micropump manufactured in a manner known per se with an integrated check valve. The one in the electrolysis mode of operation of the regenerative
Brennstoffzelleneinheit 12 im Membran/Elektrodenblock 14 entstehende Sauerstoff wird über das Ventil 43 einer in das Gehäuse 11 eingebrachten Sauerstoff- Austrittsöffnung 66 zugeführt und an die Umgebung abgegeben. Die Sauerstoff- Bereitstellungseinheit 16 ist somit in sich in zwei modulare Blöcke unterteilt, einen Diffusionsmembran-Block 16b und einen Kompressions-Block 16c. Beide Blöcke 16b und 16c sind getrennt voneinander modular entnehm- und auswechselbar. Fuel cell unit 12 oxygen produced in the membrane / electrode block 14 is supplied via the valve 43 to an oxygen outlet opening 66 introduced into the housing 11 and released into the environment. The oxygen supply unit 16 is thus divided into two modular blocks, a diffusion membrane block 16b and a compression block 16c. Both blocks 16b and 16c can be removed and exchanged separately from one another in a modular manner.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Rohrleitung a ProzessmediumPipeline a process medium
ProbennahmeleitungSampling line
Mess- oder Stellmodul, auch Analysenmodul genanntMeasuring or adjusting module, also called analysis module
Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodui drahtlose Kommunikationsschnittstelle a RichtungspfeilControl, data acquisition and processing modules wireless communication interface a directional arrow
Sensor/AktoreinheitSensor / actuator unit
10 Feldgerät10 field device
11 Gehäuse11 housing
12 regenerative Brennstoffzelleneinheit12 regenerative fuel cell unit
14 Membran/Elektroden-Block14 membrane / electrode block
16 Sauerstoff-Bereitstellungseinheit16 oxygen supply unit
16a Sauerstoff-Drucktank16a oxygen pressure tank
16b Diffusions-Membranblock16b diffusion membrane block
16c Kompressionsblock16c compression block
17 vorgeschhaltete Sauerstoff-Kompressionseinheit17 upstream oxygen compression unit
18 Wasserstoff-Speichereinheit18 hydrogen storage unit
19 Wasserstoff-Kompressionseinheit19 hydrogen compression unit
20 Wasser-Speichereinheit20 water storage unit
22 Mikroprozessor22 microprocessor
24 Energiespeicher24 energy storage
26 Stromsensor26 current sensor
30, 31 , 32, 33, 3430, 31, 32, 33, 34
QO, o, 0/ j θ) y AnschlussvorrichtungQO, o, 0 / j θ ) y connection device
40 Wasserstoff-Druckregeleinrichtung40 hydrogen pressure control device
41 Sauerstoff-Druckregeleinrichtung41 Oxygen pressure control device
42, 43, 44, 45, 46 Ventil42, 43, 44, 45, 46 valve
50 Primäre Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit50 Primary power generation and supply unit
52 Umschalteeinheit52 changeover unit
53 Wasser-Pumpe53 water pump
60 nachgeschaltete Sauerstoff-Kompressionvorrichtung60 downstream oxygen compression device
62 Sauerstoff-Eintrittsöffnung62 Oxygen inlet opening
64 Sauerstoff-Diffusionsmembran64 oxygen diffusion membrane
66 Sauerstoff-Austrittsöffnung 66 Oxygen outlet opening

Claims

Patentansprüche claims
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) eine Sensor/Aktoreinheit (6) und eine primäre Energieerzeugungs- und1. Arrangement for the wireless supply of a field device (10) in a process plant, which is equipped with a wireless communication interface (5), with electrical energy, wherein in the field device (10) a sensor / actuator unit (6) and a primary energy generation and
Bereitstellungseinheit (50) vorgesehen ist, durch die prozessual in der verfahrenstechnischen Anlage vorhandene, nicht-elektrische Primärenergie in elektrische Energie umgesetzt und das Feldgerät (10) mit dieser elektrischen E- nergie versorgt wird, und wobei weiterhin ein Sekundärelement zur Zwischen- speicherung zumindest eines Teils der aus der nicht-elektrischen Primärenergie erzeugten elektrischen Energie vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärelement eine regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) ist, die mit Wasserstoff als Brennstoff sowohl in einem Elektrolyse-Betriebsmodus zur Speicherung elektrischer Energie in Form von Wasserstoff, als auch in ei- nem Brennstoffzellen-Betriebsmodus zur Erzeugung elektrischer Energie betreibbar ist.Provision unit (50) is provided, by means of which non-electrical primary energy present in the process engineering system is converted into electrical energy and the field device (10) is supplied with this electrical energy, and furthermore a secondary element for intermediate storage of at least one Part of the electrical energy generated from the non-electrical primary energy is provided, characterized in that the secondary element is a regenerative fuel cell unit (12) which uses hydrogen as fuel both in an electrolysis operating mode for storing electrical energy in the form of hydrogen, and also can be operated in a fuel cell operating mode for generating electrical energy.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) wenigstens einen Membran/Elektrodenblock (14), eine Wasserstoffspeichereinheit (18), eine Wasserstoffkompressionseinheit (19), eine Sauerstoffbereitstellungseinheit (16) und eine Wasser-2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the regenerative fuel cell unit (12) at least one membrane / electrode block (14), a hydrogen storage unit (18), a hydrogen compression unit (19), an oxygen supply unit (16) and a water
Speichereinheit (20) umfasst.Includes storage unit (20).
3.. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran/Elektrodenblock (14) ein mikrotechnisch gefertigter Polymermembran/Elektrodenblock ist.3 .. Arrangement according to claim 2, characterized in that the membrane / electrode block (14) is a microtechnically manufactured polymer membrane / electrode block.
4. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffspeichereinheit (18) ein Drucktank oder ein Metallhydrid- Wasserstoffspeicher ist.4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen storage unit (18) is a pressure tank or a metal hydride hydrogen storage.
5. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffkompressionseinheit (19) ein mikrotechnisch gefertigter Kompressor ist. 5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen compression unit (19) is a microtechnologically manufactured compressor.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffbereitstellungseinheit (16) einen Drucktank (16a) enthält, wobei diesem eine Sauerstόffkompressionsvorrichtung (17) vorgeschaltet ist.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the oxygen supply unit (16) contains a pressure tank (16a), which is preceded by an oxygen compression device (17).
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffbe- reitstellungseinheit (16) eine Sauerstoff-Diffusionsmembran (64) mit einer nachgeschalteten Sauerstoffkompressionsvorrichtung (60) enthält.7. Arrangement according to claim 5, characterized in that the oxygen preparation unit (16) contains an oxygen diffusion membrane (64) with a downstream oxygen compression device (60).
8. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vor- und/oder nachgeschaltete Sauerstoffkompressionsvorrichtungen (17, 60) mikrotechnisch gefertigte Kompressoren mit Rückschlagventilen sind.8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the upstream and / or downstream oxygen compression devices (17, 60) are microtechnologically manufactured compressors with check valves.
9. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserspeichereinheit (20) ein Wassertank ist, dem ein Ventil (42) vorgeschaltet ist.9. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the water storage unit (20) is a water tank, which is preceded by a valve (42).
10. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schnittstelle zwischen der Wasserstoffspeichereinheit (18) und dem Membran/Elektrodenblock (14) eine Wasserstoff-Druckregeleinrichtung10. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a hydrogen pressure control device at the interface between the hydrogen storage unit (18) and the membrane / electrode block (14)
(40) und/oder an der Schnittstelle zwischen der Sauerstoffbereitstellungseinheit (16) und dem Membran/Elektrodenblock (14) eine Sauerstoff- Druckregeleinheit (41 ), und/oder an der Schnittstelle zwischen der Wasserspeichereinheit (20)und dem Membran/Elektrodenblock (14) eine Wasser- Fördereinrichtung (53) angeordnet ist bzw. sind.(40) and / or an oxygen pressure control unit (41) at the interface between the oxygen supply unit (16) and the membrane / electrode block (14), and / or at the interface between the water storage unit (20) and the membrane / electrode block (14 ) a water conveyor (53) is or are arranged.
11. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schnittstelle zwischen der Sensor/Aktoreinheit (6), der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit (50) und der regenerativen . Brennstoffzelleneinheit (12) eine Umschalteeinheit (52) angeordnet ist, durch die die Energieversorgung des Feldgerätes (10) zwischen der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit (50) und der regenerativen Brennstoffzelleneinheit (12) umschaltbar ist, und durch die in der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit (50) überschüssig hergestellte elektrische Energie zur Speicherung in die regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) leitbar ist. 11. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at the interface between the sensor / actuator unit (6), the primary energy generation and supply unit (50) and the regenerative. Fuel cell unit (12) a switching unit (52) is arranged, through which the energy supply of the field device (10) between the primary energy generation and supply unit (50) and the regenerative fuel cell unit (12) can be switched, and through which in the primary energy generation and Providing unit (50) surplus electrical energy for storage in the regenerative fuel cell unit (12) can be conducted.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der regenerativen Brennstoffzelleneinheit (12) im Brennstoffzellen-Betriebsmodus einstell- und/oder regelbar ist, wobei der Wasserstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind.12. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the power of the regenerative fuel cell unit (12) in the fuel cell operating mode can be set and / or regulated, the hydrogen and / or the oxygen pressure being the manipulated variables.
13. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) mit wenigstens einem Stromsensor (26) ausgestattet ist.13. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the regenerative fuel cell unit (12) is equipped with at least one current sensor (26).
14. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) mit dem Membran/Elektro- denblock (14), der Wasserstoffspeichereinheit (18), der Wasserstoffkompressionseinheit (19), der Sauerstoffbereitstellungseinheit (16), der Wasserspeichereinheit (20), der Wasserstoff- und Sauerstoff-Druckregeleinrichtung (41 ,14. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the regenerative fuel cell unit (12) with the membrane / electrode block (14), the hydrogen storage unit (18), the hydrogen compression unit (19), the oxygen supply unit (16), the water storage unit (20), the hydrogen and oxygen pressure control device (41,
40) und dem Stromsensor (26) als modulares, geschlossenes System ausgebildet ist, wobei der Membran/Elektrodenblock (14), die Wasserstoffspei- chereinheit (18), die Wasserstoffkompressionseinheit (19), die Sauerεtoffbe- reitstellungseinheit (16), die Wasserspeichereinheit (20), die Wasserstoff- und Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen (41 , 40), und der Stromsensor (26) einzeln austauschbare Module und durch lösbare Anschlussvorrichtungen (30, 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39) miteinander verbindbar sind.40) and the current sensor (26) is designed as a modular, closed system, the membrane / electrode block (14), the hydrogen storage unit (18), the hydrogen compression unit (19), the oxygen preparation unit (16), the water storage unit ( 20), the hydrogen and oxygen pressure regulating devices (41, 40), and the current sensor (26) individually exchangeable modules and by detachable connection devices (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39) are interconnectable.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) in einem druckfesten Gehäuse integriert ist.15. The arrangement according to claim 14, characterized in that the regenerative fuel cell unit (12) is integrated in a pressure-resistant housing.
16. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Leistung der regenerativen Brennstoffzelleneinheit (12) im Brennstoffzellen-Betriebsmodus mittels eines in dem Feldgerät (10) inte- grierten Mikroprozessors oder eines Controllers (22) durchführbar ist, wobei der Mikroprozessor oder Controller (22) wenigstens mit dem Stromsensor (26), der oder den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen (40,16. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the regulation of the power of the regenerative fuel cell unit (12) in the fuel cell operating mode can be carried out by means of a microprocessor or a controller (22) integrated in the field device (10), the Microprocessor or controller (22) with at least the current sensor (26), the one or more hydrogen or oxygen pressure regulating devices (40,
41) und der Umschalteeinheit verbunden ist.41) and the switching unit is connected.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikropro- zessor oder Controller (22) mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (5) des Feldgerätes (10) verbunden ist und dass Informationen über den Zustand der regenerativen Brennstoffzelleneinheit (12) und/oder der primären Energieerzeugungseinheit (50) und/oder über die erzeugte elektrische Energie vom Mikroprozessor oder Controller (22) über die drahtlose Kommunikations- schnittsteile (5) mit einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit austauschbar sind.17. The arrangement according to claim 16, characterized in that the microprocessor or controller (22) with the wireless communication interface (5) of the field device (10) and that information about the state of the regenerative fuel cell unit (12) and / or the primary energy generation unit (50) and / or about the electrical energy generated by the microprocessor or controller (22) via the wireless communication interfaces ( 5) are interchangeable with a central unit located outside the field device.
18. Verfahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes (10) in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (3) ausgestattet ist, mit elektrischer Energie, wobei in dem Feldgerät (10) eine Sensor/Aktoreinheit (6) und eine primäre Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit (50) vorgesehen sind, durch die prozessual in der verfahrenstechnischen Anlage vorhandene, nicht-elektrische Primärenergie in elektrische Energie umgesetzt und das Feldgerät (10) mit dieser elektrischen E- nergie versorgt wird, wobei weiterhin ein Sekundärelement zur Zwischenspei- cherung zumindest eines Teils der aus der nicht-elektrischen Primärenergie erzeugten elektrischen Energie vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Sekundärelement eine regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) mit wenigstens einem Membran/Elektrodenblock (14), einer Wasserstoffspeichereinheit (18), einer Wasserstoffkompressionseinheit (19), einer Sauerstoff- bereitstellungseinheit (16) und einer Wasser-Speichereinheit (20) eingesetzt wird,18. A method for the wireless supply of a field device (10) in a process plant, which is equipped with a wireless communication interface (3), with electrical energy, wherein in the field device (10) a sensor / actuator unit (6) and a primary energy generation and provision unit (50) are provided, by means of which non-electrical primary energy present in the process engineering system is converted into electrical energy and the field device (10) is supplied with this electrical energy, with a secondary element for the intermediate storage of at least one Part of the electrical energy generated from the non-electrical primary energy is provided, characterized in that a regenerative fuel cell unit (12) with at least one membrane / electrode block (14), a hydrogen storage unit (18), a hydrogen compression unit (19) and an oxygen is used as the secondary element - provisioning unit (16) and a water storage unit (20) is used,
in der Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird,where hydrogen is used as fuel,
in der in einem Elektrolyse-Betriebsmodus elektrische Energie in Form von Wasserstoff gespeichert wird und in einem Brennstoffzellen-Be- triebsmodus elektrische Energie aus dem im Elektrolyse-Betriebsmodus gespeicherten Wasserstoff erzeugt wird,in which electrical energy is stored in the form of hydrogen in an electrolysis operating mode and electrical energy is generated in a fuel cell operating mode from the hydrogen stored in the electrolysis operating mode,
in der durch eine Umschalteeinheit (52) die Energieversorgung des Feldgerätes (10) zwischen der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit (50) und der regenerativen Brennstoffzelleneinheit (12) umge- schaltet wird, und in der durch die Umschalteeinheit (52) die in der primären Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit (50) erzeugte elektrische Energie wenigstens teilweise zur Speicherung in die regenerative Brennstoffzelleneinheit (12) geleitet wird.in which the energy supply of the field device (10) is switched between the primary energy generation and supply unit (50) and the regenerative fuel cell unit (12) by a switchover unit (52), and in which the switchover unit (52) conducts the electrical energy generated in the primary energy generation and preparation unit (50) at least partially for storage in the regenerative fuel cell unit (12).
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Elektrolyse-19. The method according to claim 18, characterized in that in the electrolysis
Betriebsmodusoperation mode
i. mittels zumindest eines Teils der aus der nicht-elektrischen Primärenergie erzeugten elektrischen Energie ii. in dem Membran/Elektrodenblock (14) Wasser aus der Wasser- Speichereinheit (20) in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird, iii. der so erzeugte Wasserstoff in die Wasserstoffspeichereinheit (18) verbracht wird, iv. der so erzeugte Sauerstoff an die Umgebung abgegeben oder in einen Sauerstoff-Drucktank (16a) verbracht wird. i. by means of at least part of the electrical energy generated from the non-electrical primary energy ii. in the membrane / electrode block (14) water from the water storage unit (20) is decomposed into hydrogen and oxygen, iii. the hydrogen generated in this way is brought into the hydrogen storage unit (18), iv. the oxygen thus generated is released to the environment or is placed in an oxygen pressure tank (16a).
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellen- Betriebsmodus i. Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinheit (18) und Sauerstoff aus der Sauerstoffbereitstellungseinheit (16) in dem Membran/Elektrodenblock (14) unter Entstehung von elektrischer Ener- gie zu Wasser oxidiert werden, und ii. das entstehende Wasser der Wasser-Speichereinheit (20) zugeführt wird.20. The method according to claim 18, characterized in that in the fuel cell operating mode i. Hydrogen from the hydrogen storage unit (18) and oxygen from the oxygen supply unit (16) in the membrane / electrode block (14) are oxidized to water with the formation of electrical energy, and ii. the resulting water is supplied to the water storage unit (20).
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff beim Verbringen in die Wasserstoffspeichereinheit (18) durch ei- ne Wasserstoff-Kompressionseinheit (19) unter Druckerhöhung komprimiert wird.21. The method according to claim 19 or 20, characterized in that the hydrogen is compressed when brought into the hydrogen storage unit (18) by a hydrogen compression unit (19) while increasing the pressure.
22. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Wasserstoffs an der Schnittstelle zwischen der Wasserstoffspeichereinheit (18) und dem Membran/Elektrodenblock (14) mit einer Wasserstoff-Druckregeleinrichtung (40) und/oder der Druck des Sauerstoffes an der Schnittstelle zwischen der Sauerstoffbereitstellungseinheit (16) und dem Membran/Elektrodenblock (14) mit einer Sauerstoff-Druckregeleinrichtung (41) geregelt wird bzw. werden.22. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressure of the hydrogen at the interface between the hydrogen storage unit (18) and the membrane / electrode block (14) with a Hydrogen pressure control device (40) and / or the pressure of the oxygen at the interface between the oxygen supply unit (16) and the membrane / electrode block (14) is or are controlled with an oxygen pressure control device (41).
23. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Brennstoffzellen-Betriebsmodus in dem Membran/Elektrodenblock (14) erzeugte elektrische Strom mit einem Stromsensor (26) gemessen wird.23. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical current generated in the membrane / electrode block (14) in the fuel cell operating mode is measured with a current sensor (26).
24. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellen-Betriebsmodus in dem Membran/Elektrodenblock24. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the fuel cell operating mode in the membrane / electrode block
(14) die Leistung eingestellt und/oder geregelt wird, wobei der Wasserstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind.(14) the output is set and / or regulated, the hydrogen and / or the oxygen pressure being the manipulated variables.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellen-Betriebsmodus in dem Membran/Elektrodenblock (14) die Leistung gere- gelt wird, wobei das Signal des Stromsensors (26) die Regelgröße ist.25. The method according to claim 24, characterized in that the power is controlled in the membrane / electrode block (14) in the fuel cell operating mode, the signal of the current sensor (26) being the controlled variable.
26. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellen- Betriebsmodus in dem Membran/Elektrodenblock (14) die Regelung der Brennstoffzellenleistung mittels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers (22) durchgeführt wird und dass der Mikroprozessor oder Controller (22) wenigstens mit dem Stromsensor (26), sowie mit der oder den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Druckmesseinrichtungen (40, 41) und der Umschalteeinheit (52) verbunden wird.26. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the fuel cell operating mode in the membrane / electrode block (14) the regulation of the fuel cell power is carried out by means of a microprocessor or a controller (22) integrated in the field device and that the microprocessor or controller (22) is connected at least to the current sensor (26) and to the hydrogen or oxygen pressure measuring device (40, 41) and the switchover unit (52).
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor oder Controller (22) mit der drahtlosen Kommu- nikationsschnittstelle (5) des Feldgerätes (10) verbunden wird und dass Informationen über den Zustand der regenerativen Brennstoffzelleneinheit (12) und/oder der primären Energieerzeugungseinheit (50) und/oder über die erzeugte elektrische Energie vom Mikroprozessor oder Controller (22) über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle (5) mit einer außerhalb des Feldgerä- tes liegenden Zentraleinheit ausgetauscht werden. 27. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the microprocessor or controller (22) is connected to the wireless communication interface (5) of the field device (10) and that information about the state of the regenerative fuel cell unit (12) and / or the primary energy generation unit (50) and / or via the electrical energy generated by the microprocessor or controller (22) via the wireless communication interface (5) with a central unit located outside the field device.
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