Es sind Feldgeräte, die mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle, beispiels- weise 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 Kommunikations- schnittstelle umfasst, noch eine Energieerzeugungs-und Bereitstellungseinheit zur drahtlosen Energieversorgung des Feldgerätes innerhalb eines Gehäuses aufwei- sen. Besonders vorteilhaft erscheint dabei eine Variante einer Energieerzeugungs- und Bereitstellungseinheit, die eine Brennstoffzelle verwendet. Eine Brennstoffzelle, in der bekanntermaßen durch die Oxidation eines Brennstoffes mit Sauerstoff in ei- nem Membran/Elektrodenblock elektrische Energie und Wasser entsteht, hat eine mindestens 20-mal höhere Energiedichte wie beispielsweise ein Bleiakkumulator, d. h., eine Energieerzeugungs-und Bereitstellungseinheit, die eine Brennstoffzelle verwendet, kann bei gleicher Kapazität wesentlich kompakter und billiger gebaut sein als ein Bleiakkumulator. Dies ist insbesondere bei der Versorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen mit elektrischer Energie von Bedeutung. Die DE 201 07 114 U1 beschreibt eine solche Anordnung, wobei dort der Brennstoff direkt

einer Brennstoffleitung entnommen wird. Zur Sicherstellung einer kontinuierlichen und unterbrechungsfreien Stromversorgung des Feldgerätes auch bei kurzzeitigem Ausfall der Brennstoffzufuhr, ist dabei in dem System gemäß der DE 201 07 114 ein Energiespeicher als Zwischenspeicher der erzeugten elektrischen Energie vorgese- hen.

Da nicht in jeder Anwendungssituation eine Brennstoffleitung zur Verfügung steht, wurde vorgeschlagen, einen Brennstoffspeicher direkt als Teil der Energieerzeu- gungs-und Bereitstellungseinheit mit vorzusehen. Die DE 199 29 343 beschreibt eine entsprechende Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Senso- ren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, wobei in den Sensoren jeweils eine Mikro-Brennstoffzelle mit zugehörigem Kraftstofftank integriert ist. Den benötigten Sauerstoff liefert die Umgebungsluft, wie bei heute verwendeten Brennstoffzellen allgemein üblich.

Eine solche Anordnung kann naturgemäß nicht verwendet werden, wenn das Feld- gerät in einer Umgebung eingesetzt werden soll, in der Luftsauerstoff nicht zur Verfü- gung steht. Solche Einsatzgebiete können beispielsweise im Erdreich zusammen mit einer Wasserleitung vergrabene Durchflussmesser sein, oder auch beim Einsatz von für den Unterwassereinsatz tauglich gemachten Feldgeräten zur Durchfluss-, Druck-, oder Temperaturmessung oder zur Ventilansteuerung bei der unterseeischen Erdöl- förderung.

Die Effizienz einer heute bekannten herkömmlichen Brennstoffzelle ist begrenzt durch die Sauerstoffzufuhr aus der Umgebungsluft, welche diffusionsgetrieben er- folgt und daher limitiert ist. Es ist wünschenswert, die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen in Feldgeräten durch Effizienzsteigerung der verwendeten Brenn- stoffzellensysteme zu erweitern.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, unter Verwendung einer Brennstoffzelle mit Kraftstofftank und einem Energiespeicher zur elektrischen Ener- gieversorgung zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Anordnungen ver- meidet und insbesondere auch in Einsatzumgebungen ohne Luftsauerstoff einsetz-

bar ist, sowie ein Verfahren zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet ist, mit elektrischer Energie zu entwickeln.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Anordnung gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnen- den Merkmale des Anspruchs 13.

Erfindungsgemäß also ist die Brennstoffzelle mit einem Sauerstoffspeicher ausge- stattet, der den für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation des Kraftstoffes in der Brennstoffzelle benötigten Sauerstoff bereitstellt. Weiterhin ist die Brennstoffzelle mit einer Wasserspeichereinheit ausgestattet, die das bei der Erzeu- gung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock durch die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser aufnimmt. Insbesondere bildet die Brennstoffzelle mit dem Membran/Elektrodenblock, dem Kraftstofftank, dem Sauerstoffspeicher und der Wasserspeichereinheit ein geschlossenes System.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung steht der Sauer- stoff in dem Sauerstoffspeicher unter Überdruck. Denn dann kann der Sauerstoff dem Membran/Elektrodenblock unter erhöhtem Druck zugeführt werden, was die Effizienz der Brennstoffzelle steigert.

Es ist sehr vorteilhaft, wenn der Druck des Kraftstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank und der Brennstoffzelle mit einer Kraftstoff-Druckregeleinrichtung und/oder der Druck des Sauerstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Sauerstoff- speicher und der Brennstoffzelle mit einer Sauerstoff-Druckregeleinrichtung regelbar ist. Dabei können die Kraftstoff-und/oder Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen me- chanische Druckregelventile, Membran-Druckregler oder elektronische Druckregler sein.

Erfindungsgemäß aufgebaute Anordnungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Leistung der Brennstoffzelle einstell-und/oder regelbar ist, wobei der Kraftstoff- und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung sieht vor, dass die Wasserspeichereinheit ein Wassertank ist, der mit dem Membran/Elektrodenblock verbunden ist.

Sehr vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltungsform, bei der die Brennstoffzelle mit we- nigstens einem Stromsensor zur Messung des von ihr erzeugten elektrischen Stro- mes oder mit einer Energiemesseinrichtung zur Messung der von ihr erzeugten e- lektrischen Energie ausgestattet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch dadurch gekennzeich- net sein, dass die Brennstoffzelle mit dem Membran/Elektrodenblock, dem Kraft- stofftank, dem Sauerstoffspeicher, der Wasserspeichereinheit, der Kraftstoff-Druck- regeleinrichtung und der gegebenenfalls vorhandenen Sauerstoff-Druckregeleinrich- tung, dem wenigstens einen Stromsensor oder der wenigstens einen Energiemess- einrichtung als modulares, geschlossenes System ausgebildet sind, wobei der Membran/Elektrodenblock, der Kraftstofftank, der Sauerstoffspeicher, die Wasser- speichereinheit, der oder die Kraftstoff-bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen so- wie der wenigstens eine Stromsensor oder die wenigstens eine Energiemesseinrich- tung einzeln austauschbare Module und durch lösbare Anschlussvorrichtungen mit- einander und/oder mit der Brennstoffzelle verbindbar sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung sieht vor, dass der Membran/Elektrodenblock mit dem Kraftstofftank, dem Sauerstoffspeicher, der Was- serspeichereinheit, der oder den Kraftstoff-bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen sowie der oder den Stromsensoren oder Energiemesseinrichtungen in einem druck- festen Gehäuse integriert sind. In das druckfeste Gehäuse kann dabei aus Sicher- heitsgründen vorteilhafterweise ein Überdruckventil eingebaut sein ; es kann auch in dem Gehäuse des Feldgerätes ein Überdruckventil aus Sicherheitsgründen einge- baut sein.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Regelung der Brennstoffzellenleistung mit- tels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers durchführbar ist, wobei der Mikroprozessor oder Controller wenigstens mit dem Stromsensor und/oder der Energiemesseinrichtung zur Messung des von der Brenn- stoffzelle erzeugten elektrischen Stromes oder der von ihr erzeugten elektrischen

Energie, sowie der oder den Kraftstoff-bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen ver- bunden ist.

Der Mikroprozessor oder Controller kann auch mit der drahtlosen Kommunikations- schnittstelle des Feldgerätes verbunden sein, so dass Informationen über den Zu- stand der Brennstoffzelle und/oder Angaben über die Menge der erzeugten elektri- schen Energie vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikati- onsschnittstelle mit einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit aus- tauschbar sind.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung hat insgesamt den Vorteil, dass damit ein Feld- gerät mit drahtloser Kommunikationseinrichtung mit einer vollkommen autonomen elektrischen Energieversorgung, geschaffen wurde. Das Feldgerät kann dadurch in Umgebungen ohne Luftsauerstoff eingesetzt werden. Die elektrische Energieversor- gung weist eine ca. 20-mal höhere Energiedichte als ein in Feldgeräten mit drahtlo- ser Kommunikationseinrichtung derzeit eingesetzten Bleiakkumulatoren, und eine ca. 3-6 mal höhere Energiedichte als Lithium-lonen-Akkumulatoren auf. Der modu- lare Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht eine sehr kostengünstige Montage und Wartung des Feldgerätes, da zur Wartung nur der Austausch von vor- gefertigten Modulen, wie z. B. dem Kraftstofftank oder dem Sauerstofftank, nötig ist.

Prinzipiell kommen die oben genannten Vorteile bei allen Arten von Feldgeräten zum Tragen, insbesondere aber bei Feldgeräten mit einem gesamten Leistungsbedarf von einigen Milliwatt.

Hinsichtlich des Verfahrens zur drahtlosen Versorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage, das mit einer drahtlosen Kommunikationsschnitt- stelle ausgestattet ist, mit elektrischer Energie besteht der Kern der Erfindung darin, dass der für die Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation des Kraftstoffes in dem Membran/Elektrodenblock benötigte Sauerstoff von einem Sauerstoffspei- cher bereitgestellt wird, mit dem die Brennstoffzelle ausgestattet ist, und dass das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dem Membran/Elektrodenblock durch die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser in einer Wasserspeichereinheit aufgenommen wird.

Der Druck des Kraftstoffes an der Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank und dem Membran/Elektrodenblock wird mit einer Kraftstoff-Druckregeleinrichtung, der Druck des Sauerstoffes wird an der Schnittstelle zwischen dem Sauerstoffspeicher und dem Membran/Elektrodenblock mit einer Sauerstoff-Druckregeleinrichtung geregelt.

Der durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Strom wird mit einem Stromsen- sor gemessen ; es kann aber auch die durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie mittels einer Energiemesseinrichtung gemessen werden.

Die Leistung der Brennstoffzelle wird geregelt, wobei das Signal des wenigstens ei- nen Stromsensors oder das Signal der wenigstens einen Energiemesseinrichtung die Regelgröße ist, und der Kraftstoff-und/oder der Sauerstoffdruck die Stellgrößen sind Das bei der Erzeugung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle aufgrund der Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoff entstehende Wasser wird über ein Ventil und eine Wasser-Pumpe der Wasserspeichereinheit zugeführt und kann von dort bei Bedarf auch wieder zumindest teilweise in den Membran/Elektrodenblock zurückgeführt werden. Es könnte aber auch das entstehende Wasser sich einfach innerhalb des druckfesten Gehäuses sammeln, in diesem Falle ist dann natürlich die Rückführung des Wassers, auch teilweise, in den Membran/Elektrodenblock nicht mehr möglich.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Regelung der Brennstoffzellenleistung mit- tels eines in dem Feldgerät integrierten Mikroprozessors oder eines Controllers durchgeführt wird und wenn der Mikroprozessor oder Controller wenigstens mit dem Stromsensor und/oder der Energiemesseinrichtung zur Messung des von der Brenn- stoffzelle erzeugten elektrischen Stromes oder der von ihr erzeugten elektrischen Energie, sowie der oder den Kraftstoff-bzw. Sauerstoff-Druckmesseinrichtungen verbunden wird. Vorteilhafterweise wird dabei der Mikroprozessor oder Controller mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle des Feldgerätes verbunden, so dass Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle und/oder Angaben über die Menge der erzeugten elektrische Energie vom Mikroprozessor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außerhalb des Feldgerätes lie- genden Zentraleinheit ausgetauscht werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und wei- tere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Die einzige Figur zeigt als Ausführungsbeispiel eine Anordnung zur drahtlosen Ener- gieversorgung eines Feldgerätes 10, welches in dem hier gezeigten Beispiel ein Analysegerät zur Analyse der Zusammensetzung eines in einer Rohrleitung 1 eines verfahrenstechnischen Prozesses geführten und in der Figur durch einen Pfeil 1 a dargestellten Prozessmediums ist. Das Feldgerät 10 ist umgeben von einem Ge- häuse 11 und weist eine Sensor/Aktoreinheit 6, welche den Mess-oder Stellmodul 3, hier im Folgenden auch Analysenmodule genannt, einen Steuerungs-, Datenerfas- sungs-und Verarbeitungsmodul 4 und auch die drahtlose Kommunikations- schnittstelle 5 umfasst, und eine Probennahmeleitung 2 auf, mittels welcher eine Probe aus dem die Rohrleitung 1 durchströmenden Prozessmedium 1a entnommen und der Sensor/Aktoreinheit 6 zugeführt wird. Je nach Prozessmedium und Aufga- benstellung kann der Analysemodul 3 eine Vorrichtung zur automatisierten Wasser- oder Gasanalyse sein, beispielsweise ein Prozessgaschromatograph, ein Prozess- photometer, ein Prozeß-pH-Meter, ein Leitfähigkeitsanalysator, ein Prozess-Nitrat- Analysator, ein Prozeß-Sauerstoffanalysator oder ähnliches. Die Steuerungs-, Date- nerfassungs-und Verarbeitungseinheit 4 übernimmt die Ablaufkontrolle des Mess- vorganges in dem Analysenmodul 3, steuert die Messdatenaufnahme und führt ge- gebenenfalls eine Messdatenvorverarbeitung durch. Mittels der drahtlosen Kommu- nikationsschnittstelle 5 werden Daten zwischen dem Feldgerät 10 und einer (hier nicht dargestellten) Zentraleinheit ausgetauscht werden. Der Datenaustausch ist durch den bidirektionalen Pfeil 5a dargestellt.

Die Brennstoffzelle 14 umfasst einen Membran/Elektrodenblock 15, einen Kraftstoff- tank 18, einen Sauerstoffspeicher 16 und eine Wasser-Speichereinheit 20. An der Schnittstelle zwischen der Brennstoffzelle 14 und der Sensor/Aktoreinheit 6 sind ein Stromsensor 26 und eine Energiemesseinrichtung 28 eingebaut. Während der Stromsensor 26 die Strommenge misst, die zwischen der Brennstoffzelle 14 und der

Sensor/Aktoreinheit 6 ausgetauscht wird, enthält die Energiemesseinrichtung 28 zu- sätzlich eine Integrationsvorrichtung, mittels derer aus dem zeitlichen Verlauf des Stromes ein Wert für die elektrische Energie ermittelt wird. Es könnte auch nur der Stromsensor 26 oder nur die Energiemesseinrichtung 28 vorgesehen sein.

Außerdem ist an der Schnittstelle zwischen der Brennstoffzelle 14 und der Sen- sor/Aktoreinheit 6 ein Energiespeicher 24 eingebaut als Zwischenspeicher der er- zeugten elektrischen Energie.

Als Kraftstoff wird in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel Wasserstoff ver- wendet. Der Membran/Elektrodenblock 15 kann ein an sich bekannter Polymermem- bran/Elektrodenblock sein, der zum Zwecke der Volumenreduzierung und Kostener- sparnis auch gemäß an sich bekannter Methoden mikrotechnisch gefertigt sein kann. Der Kraftstofftank 18 ist beispielsweise ein an sich bekannter Wasserstoff- Drucktank oder ein, ebenfalls an sich bekannter, Metallhydrid-Wasserstoffspeicher.

Alternativ kann auch ein flüssiger Treibstoff verwendet werden wie z. B. Methanol oder Ethanol, wobei dann der Kraftstofftank 18 ein. daran angepasster Tank ist.

Der Sauerstoffspeicher 16 ist in dem dargestellten Beispiel ein Sauerstoff-Druck- tank. Der Sauerstoff steht in dem Sauerstoffspeicher 16 somit unter Überdruck.

Die Wasserspeichereinheit 20 ist ein Wassertank, dem ein Ventil 42 vorgeschaltet ist.

Der Kraftstofftank 18, der Sauerstoffspeicher und die Wasser-Speichereinheit 20 sind über jeweils geeignete Schnittstellen mit dem Membran/Elektrodenblock 15 verbunden.

Die Schnittstelle zwischen dem Kraftstofftank 18 und dem Membran/Elektrodenblock 15 ist eine Kraftstoff-Druckregeleinrichtung 41 mit integriertem Ventil. Es wäre auch möglich, das Ventil separat von der Kraftstoff-Druckregeleinrichtung zu realisieren.

Entsprechend ist die Schnittstelle zwischen dem Sauerstoffspeicher 16 und dem Membran/Elektrodenblock 15 durch eine Sauerstoff-Druckregeleinrichtung 40 mit integriertem Ventil gebildet.

An der Schnittstelle zwischen der Wasserspeichereinheit 20 und dem Mem- bran/Elektrodenblock 15 ist eine bidirektionale Wasser-Fördereinrichtung 43 ange- ordnet, welche sowohl Wasser von der Wasser-Speichereinheit 20 in den Mem- bran/Elektrodenblock 15 als auch Wasser aus dem Membran/Elektrodenblock 15 in die Wasser-Speichereinheit 20 pumpen kann.

Die Brennstoffzelle 14 mit dem Membran/Elektrodenblock 15, dem Kraftstofftank 18, dem Sauerstoffspeicher 16, der Wasserspeichereinheit 20, der Kraftstoff-und Sau- erstoff-Druckregeleinrichtungen 40,41 und dem Stromsensor 26 sowie der Energie- messeinrichtung 28 ist als modulares, geschlossenes System ausgebildet. Das be- deutet, dass der Membran/Elektrodenblock 15, der Kraftstofftank 18, der Sauerstoff- speicher 16, die Wasserspeichereinheit 20, die Wasserstoff-und Sauerstoff-Druck- regeleinrichtungen 40,41, und der Stromsensor 26 sowie die Energie- messeinrichtung 28 einzeln austauschbare Module sind, die durch lösbare An- schlussvorrichtungen 30,31, 32,33, 34,35, 36, 37, 38,39 miteinander verbunden und ausgetauscht werden können.

Der modulare Aufbau bietet insbesondere den Vorteil der einfachen und kosten- günstigen Montage und Wartung durch Auswechseln eines gegebenenfalls defek- ten gegen ein neues Modul.

In dem Feldgerät 10 ist weiterhin ein Mikroprozessor oder Controller 22 integriert, der mit dem Stromsensor 26, der Energiemesseinrichtung 28, der oder den Wasser- stoff-bzw. Sauerstoff-Druckregeleinrichtungen 40,41, und dem Ventil 42 verbunden ist. Der Mikroprozessor oder Controller ist auch mit der Sensor/Aktoreinheit 6 und damit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle 5, dem Analysenmodul 3, und der Wasser-Pumpe 43 verbunden. Dadurch können Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle 14 und/oder über die erzeugte elektrische Energie vom Mikroprozes- sor oder Controller über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer außer- halb des Feldgerätes liegenden Zentraleinheit ausgetauscht werden. Der Mikropro- zessor oder Controller 22 kann auf diese Weise auch alle Funktionsabläufe inner- halb der Brennstoffzelle 14 regeln.

Bezugszeichenliste 1 Rohrleitung 1 a Prozessmedium 2 Probennahmeleitung 3 Mess-oder Stellmodul, auch Analysemodul genannt Steuerungs-, Datenerfassungs-und Verarbeitungsmo- 4 dul 5 drahtlose Kommunikationsschnittstelle 5a Richtungspfeil 6 Sensor/Aktor-Einheit 10 Feldgerät 11 Gehäuse 12 Energieerzeugungs-und Bereitstellungseinheit 14 Brennstoffzelle 16 Sauerstoffspeicher 18 Kraftstofftank 20 Wasserspeichereinheit 22 Mikroprozessor 24 Energiespeicher 26 Stromsensor 28 Energiemesseinrichtung 30 Anschlussvorrichtung 31 Anschlussvorrichtung 32 Anschlussvorrichtung 33 Anschlussvorrichtung 34 Anschlussvorrichtung 35 Anschlussvorrichtung 36 Anschlussvorrichtung 40 Sauerstoff-Druckregeleinrichtung 41 Kraftstoff-Druckregeleinrichtung 42 Ventil 43 Wasser-Pumpe