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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem, mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit zu einer elektrochemischen Verwertung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere Methan, vorgeschlagen worden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung für ein Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem, mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit zu einer elektrochemischen Verwertung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, insbesondere Methan.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Abfülleinheit zu einem Befüllen einer, insbesondere externen, Transporteinheit mit einem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt der elektrochemischen Verwertung, insbesondere Kohlenstoffdioxid, umfasst. Unter einem „Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem“ soll insbesondere ein System verstanden werden, das zu einer Zwischenspeicherung und/oder einem Transport von Energie den kohlenstoffhaltigen Brennstoff synthetisiert. Vorzugsweise ist das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem dazu vorgesehen, Energie, insbesondere elektrische Energie, in einen wasserstoffhaltigen Brennstoff umzusetzen, beispielsweise in einem Power-To-Gas-Prozess. Vorzugsweise ist das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem dazu vorgesehen, den wasserstoffhaltigen Brennstoff zu einer Zwischenspeicherung und/oder einem Transport in den kohlenstoffhaltigen Brennstoff umzuwandeln. Insbesondere ist die Brennstoffzellenvorrichtung dazu vorgesehen, den kohlenstoffhaltigen Brennstoff zu einer Bereitstellung von elektrischer Energie elektrochemisch zu verwerten. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann beispielsweise zumindest als Teil, insbesondere als eine Unterbaugruppe, eines Kraftwerks, insbesondere eines Blockheizkraftwerks, eines Antriebssystems, insbesondere eins Fahrzeugantriebssystems, einer Heizungsanlage oder dergleichen ausgebildet sein.
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Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle, verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzelleneinheit auch die gesamte Brennstoffzelle, insbesondere die gesamte Festoxidbrennstoffzelle, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen umfassen. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, den kohlenstoffhaltigen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Verwertungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung zu oxidieren. Unter einer „elektrochemischen Verwertung“ soll insbesondere ein chemischer Prozess verstanden werden, bei welchem Ausgangsstoffe, insbesondere der kohlenstoffhaltige Brennstoff und das Oxidans, zu einer elektrischen Energiegewinnung in Verwertungsprodukte, insbesondere in das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt, umgewandelt werden. Vorzugsweise ist der kohlenstoffhaltige Brennstoff als Fluid, insbesondere Methan und/oder als methanhaltiges Fluidgemisch, beispielsweise Erdgas, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Oxidans als Fluid, insbesondere Umgebungsluft, ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass das Oxidans als oxidanshaltiges Fluidgemisch, insbesondere mit einem zuvor bekannten und/oder geregelten Sauerstoffanteil ausgebildet ist. Vorzugsweise liegen unmittelbar nach einer elektrochemischen Verwertung die Verwertungsprodukte als Fluid vor. Vorzugsweise liegen nach einer elektrochemischen Verwertung Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Wasser und/oder Wasserstoff als Verwertungsprodukt vor. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
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Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zu der elektrochemischen Verwertung zumindest eine Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zu der elektrochemischen Verwertung zumindest eine Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidans. Insbesondere sind die Brennstoffelektrode und die Oxidanselektrode zu einer Verwendung als Kathoden-Anoden-Paar vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Elektrolytschicht zwischen der Brennstoffelektrode und der Oxidanselektrode.
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Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstoffversorgungsleitung, insbesondere zu einer Zuführung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere zu der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelleneinheit. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Abgasleitung zu einem Abführen des bei der elektrochemischen Verwertung entstehenden kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts. Insbesondere ist die Abgasleitung fluidtechnisch an der Brennstoffelektrode angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Oxidansversorgungsleitung, insbesondere zu einer Zuführung des Oxidans zu der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere zu der Oxidanselektrode der Brennstoffzelleneinheit. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine weitere Abgasleitung zu einem Abführen eines weiteren bei der elektrochemischen Verwertung entstehenden Verwertungsprodukts und/oder von nicht verwerteten Ausgangsstoffen. Vorzugsweise ist die weitere Abgasleitung fluidtechnisch an der Oxidanselektrode angeschlossen.
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Vorzugsweise ist die Abfülleinheit an der Abgasleitung angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Abfülleinheit zumindest ein Einspeiseelement zu einer Befüllung eines Transportbehälters der Transporteinheit und/oder zu einer Einspeisung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts in eine Transportleitung der Transporteinheit. Beispielsweise ist die Transporteinheit als Pipeline und/oder als Fahrzeug, insbesondere als Lastkraftwagen oder als Schienenfahrzeug, ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass die Abfülleinheit austauschbare Transportbehälter zu einem Abtransport durch die Transporteinheit umfasst. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Abfülleinheit einen Lagerbehälter zu einer Zwischenspeicherung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts bis zu einem Abtransport durch die Transporteinheit. Vorzugsweise umfasst die Abfülleinheit ein Kompressionselement zu einem Komprimieren des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts innerhalb des Transportbehälters und/oder des Lagerbehälters.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung kann vorteilhaft kostengünstig und/oder vorteilhaft effizient das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt zu einer weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann ein Ausgangsstoff zu einer, insbesondere erneuten, Synthese des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann vorteilhaft ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf zu einem Energietransport und/oder einer Energiespeicherung bereitgestellt werden. Insbesondere kann vorteilhaft klimaverträglich eine Abgabe des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts an die Umgebung vermieden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Abgasseparationseinheit zu einer Trennung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts von zumindest einem weiteren Verwertungsprodukt der elektrochemischen Verwertung vor einem Befüllen der Transporteinheit aufweist. Vorzugsweise ist die Abgasseparationseinheit an der Abgasleitung angeordnet. Vorzugweise umfasst die Abgasseparationseinheit zumindest eine Anode. Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit zumindest eine Kathode. Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit zumindest ein Elektrolyt zwischen der Anode und der Kathode. Vorzugsweise ist die Abgasleitung fluidtechnisch an der Anode angeschlossen. Vorzugsweise ist die Abgasleitung der Brennstoffzelleneinheit fluidtechnisch an der Kathode angeschlossen. Vorzugsweise ist die Abgasleitung fluidtechnisch sowohl an der Anode als auch an der Kathode angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit zumindest einen kathodenseitigen Ausgang. Vorzugsweise mündet der kathodenseitige Ausgang in eine Rezirkulationsleitung der Brennstoffzellenvorrichtung, welche insbesondere in die Brennstoffversorgungsleitung mündet. Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit zumindest einen anodenseitigen Ausgang. Vorzugsweise ist der anodenseitige Ausgang fluidtechnisch mit der Abfülleinheit verbunden. Vorzugsweise ist die Abgasseparationseinheit dazu vorgesehen, durch Anlegen einer elektrischen Spannung Sauerstoffionen von einem kathodenseitigen Fluidstrom auf einen anodenseitigen Fluidstrom zu übertragen. Vorzugsweise ist die Abgasseparationseinheit dazu vorgesehen, durch einen chemischen Umwandlungsprozess eine Konzentration des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts an dem anodenseitigen Ausgang gegenüber dem kathodenseitigen Ausgang zu erhöhen. Vorzugsweise ist die Abgasseparationseinheit dazu vorgesehen, an dem anodenseitigen Ausgang das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt, insbesondere Kohlenstoffdioxid, insbesondere zusammen mit Wasser, bereitzustellen. Insbesondere ist die Abgasseparationseinheit dazu vorgesehen, weitere Verwertungsprodukte, insbesondere Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, über den kathodenseitigen Ausgang von dem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt abzutrennen und insbesondere einer weiteren elektrochemischen Verwertung zuzuführen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft effizient betrieben werden. Vorteilhaft kann der kohlenstoffhaltige Brennstoff zumindest im Wesentlichen vollständig verwertet werden. Insbesondere kann das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt vorteilhaft effizient zu einer Weiterverwertung von weiteren Verwertungsprodukten getrennt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Abfülleinheit ein Wasserabscheiderelement zu einer Trocknung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts umfasst. Vorzugsweise ist das Wasserabscheiderelement in dem Abgaskanal angeordnet. Vorzugsweise ist das Wasserabscheiderelement fluidtechnisch zwischen dem Einspeiseelement und dem anodenseitigen Ausgang der Abgasseparationseinheit angeordnet. Vorzugsweise ist das Wasserabscheiderelement als physikalisch-mechanischer Wasserabscheider ausgebildet. Vorzugsweise ist das Wasserabscheiderelement als Tropfenabscheider, insbesondere als Lammellenabscheider, als Zyklonabscheider, als Raschigringabscheider, als Drahtgestrickabscheider oder dergleichen ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das Wasserabscheiderelement als chemischer Wasserabscheider ausgebildet, insbesondere als Trockenmittel, wie beispielsweise Calciumchlorid, Kieselgel oder Schwefelsäure. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt vorteilhaft hochkonzentriert zu einem Transport und/oder einer Lagerung bereitgestellt werden. Insbesondere können ein Platz- und/oder Kostenbedarf zu einer Lagerung und/oder einem Transport des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts vorteilhaft gering gehalten werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Kohlenstoffspeichereinheit zu einer Nutzung des abgefüllten kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts als Energiespeicher umfasst. Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffspeichereinheit zumindest einen Speicherbehälter zu einer Aufnahme des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts. Der Speicherbehälter kann beispielsweise als Druckbehälter und/oder Untergrundspeicher, insbesondere Kavernenspeicher, ausgebildet sein. Es ist denkbar, dass der Speicherbehälter einteilig mit dem Lagerbehälter ausgebildet ist. Alternativ weist die Brennstoffzellenvorrichtung den Lagerbehälter zusätzlich zu der Kohlenstoffspeichereinheit auf. Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffspeichereinheit zumindest ein Verdichterelement zu einer Druckbeaufschlagung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts bei einer Befüllung des Speicherbehälters mit dem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt, insbesondere unter Aufnahme von elektrischer Energie. Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffspeichereinheit zumindest ein Turbinenelement, zu einer Erzeugung von elektrischer Energie unter Verwendung des aus dem Speicherbehälter strömenden kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts. Es ist denkbar, dass das Turbinenelement und das Verdichterelement zumindest teilweise einstückig ausgebildet sind. Insbesondere sind das Turbinenelement und das Verdichterelement als unterschiedliche Funktionen desselben Bauteils zu verstehen. Vorzugsweise ist das Verdichterelement elektrisch an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Kohlenstoffspeichereinheit ein Stromanschlusselement zu einer Energieversorgung des Verdichterelements durch ein Stromnetz, insbesondere durch ein öffentliches Stromnetz, und/oder zu einer Einspeisung der durch das Turbinenelement erzeugten elektrischen Energie in das Stromnetz, insbesondere in das öffentliche Stromnetz. Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffspeichereinheit zumindest ein, insbesondere manuell oder automatisch betätigbares, Schaltelement zu einem Wechsel zwischen einem Ladebetrieb und einem Entladebetrieb der Kohlenstoffspeichereinheit. Vorzugsweise ist die Kohlenstoffspeichereinheit an der Abgasleitung angeordnet, insbesondere zwischen dem Wasserabscheiderelement und dem Einspeiseelement. Es ist aber auch denkbar, dass die Kohlenstoffspeichereinheit räumlich getrennt von der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Insbesondere ist es denkbar, dass die Kohlenstoffspeichereinheit über die Transporteinheit mit dem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt versorgt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann bei einer Überproduktion von elektrischer Energie, diese vorteilhaft effizient in Form des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts gespeichert werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Kohlenstoffspeichereinheit zumindest ein Verdichterelement zu einem Speichern des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts in einem überkritischen Zustand umfasst. Vorzugsweise soll unter einem „überkritischen Zustand“ der diese Bezeichnung tragende, fluide Aggregatzustand eines Stoffes verstanden werden, bei welchem insbesondere eine flüssige und eine gasförmige Phase des Stoffes ununterscheidbar sind. Insbesondere ist das Verdichterelement dazu vorgesehen, das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt, insbesondere bei einer Temperatur von zumindest 31 °C, mit einem Druck von zumindest 7,4 MPa zu beaufschlagen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt vorteilhaft platzsparend gespeichert werden.
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Darüber hinaus wird ein Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem vorgeschlagen mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche und mit einer Brennstoffsynthesevorrichtung, insbesondere einer Methanisierungsvorrichtung, zu einer Aufbereitung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts zu dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff. Vorzugsweise weist die Brennstoffsynthesevorrichtung zumindest eine Reaktionseinheit zu einer chemischen Umwandlung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts in den kohlenstoffhaltigen Brennstoff, insbesondere unter Beigabe von Wasserstoff, auf. Insbesondere umfasst die Brennstoffsynthesevorrichtung zumindest einen Kohlenstoffversorgungskanal, zu einer Einspeisung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffsynthesevorrichtung zumindest einen Wasserstoffversorgungskanal zu einer Einspeisung von Wasserstoff. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffsynthesevorrichtung eine weitere Abfülleinheit, insbesondere zu einer Befüllung einer weiteren Transporteinheit und/oder der Transporteinheit. Es ist denkbar, dass die weitere Abfülleinheit analog oder unterschiedlich zu der Abfülleinheit ausgebildet ist. Es ist denkbar, dass die weitere Transporteinheit analog oder unterschiedlich zu der Transporteinheit ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die weitere Abfülleinheit zumindest ein Einspeiseelement zu einer Einspeisung des hergestellten kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in eine Pipeline. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf zu einem Energietransport und/oder einer Energiespeicherung bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem elektrische Energie als Brennstoff vorteilhaft effizient transportieren und insbesondere vorteilhaft platzsparend zwischenspeichern. Insbesondere kann das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem vorteilhaft elektrische Energie durch die, insbesondere lokale, elektrochemische Verwertung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zur Verfügung stellen. Insbesondere kann vorteilhaft klimaverträglich eine Abgabe des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts an die Umgebung vermieden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem eine in die Brennstoffsynthesevorrichtung integrierte Elektrolyseeinheit umfasst. Vorzugsweise ist die Elektrolyseeinheit dazu vorgesehen, insbesondere unter Aufnahme elektrischer Energie, Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. Vorzugsweise ist die Elektrolyseeinheit dazu vorgesehen, den gewonnenen Wasserstoff in den Wasserstoffversorgungskanal einzuspeisen. Vorzugsweise umfasst die Elektrolyseeinheit zumindest einen Hochtemperaturelektrolyseur, insbesondere zumindest eine Festoxidelektrolysezelle, zumindest einen Stack von Festoxidelektrolysezellen und/oder zumindest einen Verbund von Stacks von Festoxidelektrolysezellen. Darunter, dass „die Elektrolyseeinheit in die Brennstoffsynthesevorrichtung integriert ist“, soll insbesondere verstanden werden, dass die Elektrolyseeinheit und die Brennstoffsynthesevorrichtung zumindest ein gemeinsames Strukturelement, insbesondere zu einem Wärmeaustausch zwischen der Elektrolyseeinheit und der Brennstoffsynthesevorrichtung, umfasst. Vorzugsweise ist das gemeinsame Strukturelement als Wärmeübertrager ausgebildet, insbesondere zu einer Übertragung von Wärme von der Brennstoffsynthesevorrichtung auf die Elektrolyseeinheit, insbesondere zu einem Verdampfen von Wasser innerhalb der Elektrolyseeinheit. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Elektrolyseeinheit auch räumlich getrennt von der Brennstoffsynthesevorrichtung ausgebildet sein, wobei die Elektrolyseeinheit und die Brennstoffsynthesevorrichtung jeweils zumindest ein Anschlusselement zu einem Transport von Wasserstoff von der Elektrolyseeinheit zu der Brennstoffsynthesevorrichtung über eine zusätzliche Transporteinheit umfassen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff vorteilhaft energieeffizient gestaltet werden. Insbesondere können Transportkosten zu einem Transport von Wasserstoff zu der Brennstoffsynthesevorrichtung vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Platzbedarf zu einer vorübergehenden Lagerung von Wasserstoff vorteilhaft gering gehalten werden.
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Ferner geht die Erfindung aus von einem Verfahren zu einem Betrieb eines Energiespeicher- und/oder Energietransportsystems, insbesondere eines erfindungsgemäßen Energiespeicher- und/oder Energietransportsystems, welches zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, umfasst, wobei in einer elektrochemischen Verwertung ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff, insbesondere Methan, elektrochemisch verwertet wird Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein kohlenstoffhaltiges Verwertungsprodukt der elektrochemischen Verwertung in eine, insbesondere externe, Transporteinheit, insbesondere zu einer Weiterverwendung, abgefüllt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt vor einer elektrochemischen Verwertung der kohlenstoffhaltige Brennstoff in einen gasförmigen Zustand überführt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt vor einer elektrochemischen Verwertung der kohlenstoffhaltige Brennstoff, insbesondere zur Gewinnung von Wasserstoff, reformiert. Vorzugsweise wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff in zumindest einem Verfahrensschritt unter Beigabe eines Oxidans, insbesondere Umgebungsluft, elektrochemisch verwertet. Insbesondere wird in zumindest einem Verfahrensschritt eine durch die Verwertung gewonnene elektrische Energie einem Benutzer zum Betrieb einer Maschine zur Verfügung gestellt und/oder in ein, insbesondere öffentliches, Stromnetz eingespeist. Es ist denkbar, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine bei der Verwertung entstehende Wärme einem Benutzer zur Verfügung gestellt und/oder in ein Fern- und/oder Nahwärmenetz eingespeist wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Abgas der elektrochemischen Verwertung zusammen mit dem kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt über eine Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung abgeführt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt, insbesondere Kohlenstoffdioxid, aus dem Abgas der elektrochemischen Verwertung herausgefiltert. Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt in zumindest einem Verfahrensschritt getrocknet. Vorzugsweise wird das, insbesondere gefilterte und/oder getrocknete, kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt in einem Lagerbehälter der Abfülleinheit und/oder in einer Kohlenstoffspeichereinheit der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere bis zu einer Befüllung der Transporteinheit, zwischengespeichert. Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt in zumindest einem Verfahrensschritt zu einer Lagerung und/oder einem Transport verflüssigt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann vorteilhaft kostengünstig und/oder vorteilhaft effizient das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt zu einer weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt das abgefüllte kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt einer Brennstoffsynthesevorrichtung, insbesondere einer Methanisierungsvorrichtung, zur Bildung eines geschlossenen Kohlenstoffkreislaufs zugeführt wird. Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt in zumindest einem Verfahrensschritt mittels der Transporteinheit der Brennstoffsynthesevorrichtung zugeführt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt vor einer Brennstoffsynthese, insbesondere einer Methanisierung, das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt in einen gasförmigen Zustand überführt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Elektrolyseschritt mittels einer Elektrolyseeinheit des Energiespeicher- und/oder Energietransportsystems Wasserstoff aus Wasser gewonnen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt Wärme von der Brennstoffsynthesevorrichtung auf die Elektrolyseeinheit übertragen, insbesondere zu einer Verdampfung von in dem Elektrolyseschritt zu spaltendem Wasser. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt unter Beigabe von Wasserstoff zu dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff umgewandelt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der kohlenstoffhaltige Brennstoff verflüssigt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der kohlenstoffhaltige Brennstoff in eine weitere Transporteinheit, insbesondere zu einem Transport zu der Brennstoffzellenvorrichtung, abgefüllt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf zu einem Energietransport und/oder einer Energiespeicherung bereitgestellt werden. Insbesondere kann vorteilhaft auf aufwendige Verfahren zu einer Gewinnung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts, insbesondere zu einer Nutzung als Ausgangsstoff für den kohlehaltigen Brennstoff, verzichtet werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Brennstoffzellenvorrichtung den kohlenstoffhaltigen Brennstoff über ein, insbesondere öffentliches, Gasnetz bezieht. Vorzugsweise speist die Brennstoffsynthesevorrichtung in zumindest einem Verfahrensschritt den kohlenstoffhaltigen Brennstoff in das, insbesondere öffentliche, Gasnetz ein. Vorzugsweise ist das Gasnetz als öffentliches Erdgasnetz ausgebildet. Es ist insbesondere denkbar, dass das Gasnetz als Flüssiggasnetz ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft auf eine bereits existierende Infrastruktur zu einem Transport des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zurückgegriffen werden.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, das erfindungsgemäße Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, das erfindungsgemäße Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeicher- und/oder Energietransportsystems mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung,
- 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 3 eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung für das erfindungsgemäße Energiespeicher- und/oder Energietransportsystems.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a. Vorzugsweise ist das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a dazu vorgesehen, elektrische Energie 40a aufzunehmen, insbesondere bei einer Überproduktion von elektrischer Energie 40a durch ein oder mehrere Stromerzeugungsanlagen 42a. Vorzugsweise ist die Stromerzeugungsanlage 42a dazu vorgesehen, die produzierte elektrische Energie 40a in ein, insbesondere öffentliches, Stromnetz 44a einzuspeisen. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Stromerzeugungsanlage 42a in das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a integriert ist. Vorzugsweise ist das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a dazu vorgesehen, die aufgenommene elektrische Energie 40a als Fluid zwischen zu speichern, insbesondere durch eine Elektrolyse von Wasserstoff 48 und durch eine anschließende Synthese eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs 16a aus dem Wasserstoff 48a. Vorzugsweise ist das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a dazu vorgesehen, den kohlenstoffhaltigen Brennstoff 16a zu transportieren, zu verteilen und/oder zu lagern. Vorzugsweise ist das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a dazu vorgesehen, den kohlenstoffhaltigen Brennstoff 16a zu einer Rückgewinnung der elektrischen Energie 40a elektrochemisch zu verwerten, insbesondere bei einer Unterproduktion von elektrischer Energie 40a durch die Stromerzeugungsanlage 42a und/oder bei einem unmittelbaren Bedarf durch eine Benutzeranwendung 46a, beispielsweise durch eine Heizung, durch einen Fahrzeugmotor oder dergleichen.
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Das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a umfasst zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung 10a. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a zu einer elektrochemischen Verwertung 15a (siehe 2) des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs 16a vorgesehen, insbesondere unter Bildung eines kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts 22a. Das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a umfasst zumindest eine Brennstoffsynthesevorrichtung 34a. Vorzugsweise ist die Brennstoffsynthesevorrichtung 34a zu einer Aufbereitung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts 22a zu dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff 16a vorgesehen. Vorzugsweise ist die Brennstoffsynthesevorrichtung 34a als Methanisierungsvorrichtung ausgebildet, insbesondere zu einer Bildung von Methan aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff 48a. Das Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12a umfasst eine in die Brennstoffsynthesevorrichtung 34a integrierte Elektrolyseeinheit 36a. Insbesondere ist die Elektrolyseeinheit 36a zu einer Spaltung von Wasser 50a in Wasserstoff 48a und Sauerstoff vorgesehen, insbesondere unter Aufnahme der elektrischen Energie 40a. Insbesondere ist die Elektrolyseeinheit 36a zu einer Bereitstellung von Wasserstoff 48a für die Brennstoffsynthesevorrichtung 34a vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffsynthesevorrichtung 34a und die Elektrolyseeinheit 36a ein gemeinsames, wärmeleitendes Strukturelement 52a. Insbesondere ist das Strukturelement 52a zu einer Übertragung von Wärme 54a von der Brennstoffsynthesevorrichtung 34a auf die Elektrolyseeinheit 36a vorgesehen.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14a. Die Brennstoffzelleneinheit 14a ist zu einer elektrochemischen Verwertung 15a des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs 16a vorgesehen. Vorzugsweise ist der kohlenstoffhaltige Brennstoff 16a als Methan und/oder als methanhaltiges Fluidgemisch ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit 14a zumindest eine Brennstoffelektrode 56a. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit 14a zumindest eine Oxidanselektrode 58a. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit 14a zumindest ein Elektrolyt 60a, insbesondere zwischen der Oxidanselektrode 58a und der Brennstoffelektrode 56a. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10a zumindest eine Brennstoffversorgungsleitung 62a. Vorzugsweise ist die Brennstoffversorgungsleitung 62a fluidtechnisch an der Brennstoffelektrode 56a angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10a zumindest eine Reformierungsvorrichtung 64a, welcher insbesondere innerhalb der Brennstoffversorgungsleitung 62a angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10a zumindest eine Abgasleitung 66a. Vorzugsweise ist die Abgasleitung 66a fluidtechnisch an der Brennstoffelektrode 56a angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10a zumindest eine Oxidansversorgungsleitung 68a. Vorzugsweise ist die Oxidansversorgungsleitung 68a fluidtechnisch an der Oxidanselektrode 58a angeschlossen. Vorzugsweise ist das Oxidans als Umgebungsluft 70a ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10a zumindest eine weitere Abgasleitung 72a. Vorzugsweise ist die weitere Abgasleitung 72a fluidtechnisch an der Oxidanselektrode 58a angeschlossen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a umfasst eine Abfülleinheit 18a zu einem Befüllen einer, insbesondere externen, Transporteinheit 20a mit einem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt 22a der elektrochemischen Verwertung 15a. Vorzugsweise ist die Abfülleinheit 18a an der Abgasleitung 66a angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Abfülleinheit 18a zumindest ein Einspeiseelement 74a. Vorzugsweise ist das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a als Kohlenstoffdioxid ausgebildet.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a umfasst eine Abgasseparationseinheit 24a. Die Abgasseparationseinheit 24a ist zu einer Trennung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts 22a von zumindest einem weiteren Verwertungsprodukt 26a der elektrochemischen Verwertung 15a vor einem Befüllen der Transporteinheit 20a vorgesehen. Vorzugsweise ist das weitere Verwertungsprodukt 22a als Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff ausgebildet. Vorzugsweise ist die Abgasseparationseinheit 24a an der Abgasleitung 66a angeordnet. Vorzugweise umfasst die Abgasseparationseinheit 24a zumindest eine Anode 76a. Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit 24a zumindest eine Kathode 78a. Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit 24a zumindest ein Elektrolyt 80a zwischen der Anode 76a und der Kathode 78a. Vorzugsweise ist die Abgasleitung 66a fluidtechnisch an der Anode 76a und an der Kathode 78a parallel angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit 24a zumindest einen kathodenseitigen Ausgang. Vorzugsweise mündet der kathodenseitige Ausgang in eine Rezirkulationsleitung 82a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a Vorzugsweise umfasst die Abgasseparationseinheit 24a zumindest einen anodenseitigen Ausgang. Vorzugsweise ist der anodenseitige Ausgang fluidtechnisch mit der Abfülleinheit 18a verbunden. Vorzugsweise ist die Abgasseparationseinheit 24a dazu vorgesehen, an dem anodenseitigen Ausgang das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a, insbesondere Kohlenstoffdioxid, insbesondere zusammen mit Wasser 50a, bereitzustellen. Die Abfülleinheit 18a umfasst ein Wasserabscheiderelement 28a. Das Wasserabscheiderelement 28a ist zu einer Trocknung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts 22a vorgesehen. Vorzugsweise ist das Wasserabscheiderelement 28a fluidtechnisch zwischen dem anodenseitigen Ausgang der Abgasseparationseinheit 24a und dem Einspeiseelement 74a angeordnet.
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2 zeigt ein Verfahren 37a zu einem Betrieb des Energiespeicher- und/oder Energietransportsystems 12a. Bei der elektrochemischen Verwertung 15a wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff 16a, insbesondere Methan, elektrochemisch verwertet. In zumindest einem Verfahrensschritt wird das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a der elektrochemischen Verwertung 15a in eine, insbesondere externe, Transporteinheit 20a abgefüllt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verdampfungsschritt 84a vor einer elektrochemischen Verwertung 15a der kohlenstoffhaltige Brennstoff 16a, insbesondere von einem Transportzustand, in einen gasförmigen Zustand überführt. Vorzugsweise wird in einem Reformierungsschritt 86a vor der elektrochemischen Verwertung 15a der kohlenstoffhaltige Brennstoff 16a reformiert. Vorzugsweise wird der, insbesondere reformierte, kohlenstoffhaltige Brennstoff 16a bei der elektrochemischen Verwertung 15a, insbesondere unter Beigabe des Oxidans, in elektrische Energie 40a, das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a und/oder ein weiteres Verwertungsprodukt 26a umgesetzt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Filterschritt 88a das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a, insbesondere Kohlenstoffdioxid, aus einem Abgas der elektrochemischen Verwertung 15a herausgefiltert. Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a in dem Filterschritt 88a getrocknet. Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a in zumindest einem Kompressionsschritt 90a zu einer Lagerung und/oder einem Transport verflüssigt und/oder in einen überkritischen Zustand überführt. Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a in einem Abfüllschritt 92a auf die Transporteinheit 20a verladen und/oder direkt in die Transporteinheit 20a eingespeist.
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In einem Transportschritt 94a wird das abgefüllte kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a der Brennstoffsynthesevorrichtung 34a, insbesondere der Methanisierungsvorrichtung, zur Bildung eines geschlossenen Kohlenstoffkreislaufs zugeführt. Vorzugsweise wird in einem weiteren Verdampfungsschritt 96a vor einer Brennstoffsynthese 98a, insbesondere einer Methanisierung, das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a in einen gasförmigen Zustand überführt. Vorzugsweise wird in dem weiteren Verdampfungsschritt 96a vor einer Elektrolyse 100a Wasser 50a verdampft. Vorzugsweise wird in der Elektrolyse 100a Wasserstoff 48a aus Wasser 50a gewonnen. Vorzugsweise wird in der Brennstoffsynthese 98a das kohlenstoffhaltige Verwertungsprodukt 22a unter Beigabe des Wasserstoff 48a zu dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff 16a umgewandelt. Vorzugsweise wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff 16a in zumindest einem weiteren Kompressionsschritt 102a verflüssigt. Vorzugsweise wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff 16a in einem Brennstofftransportschritt 104a über ein, insbesondere öffentliches, Gasnetz 38a transportiert, insbesondere zu der Brennstoffzellenvorrichtung 10a. In zumindest einem Verfahrensschritt bezieht die Brennstoffzellenvorrichtung 10a den kohlenstoffhaltigen Brennstoff 16a über das, insbesondere öffentliche, Gasnetz 38a.
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In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des anderen Ausführungsbeispiels, insbesondere der 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
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3 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 10b. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b ist ein Bestandteil eines Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12b. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14b. Die Brennstoffzelleneinheit 14b ist zu einer elektrochemischen Verwertung 15b eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs 16b, insbesondere Methan, vorgesehen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b umfasst eine Abfülleinheit 18b zu einem Befüllen einer, insbesondere externen, Transporteinheit 20b mit einem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt 22b der elektrochemischen Verwertung 15b, insbesondere Kohlenstoffdioxid.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b umfasst zumindest eine Kohlenstoffspeichereinheit 30b. Die Kohlenstoffspeichereinheit 30b ist zu einer Nutzung des abgefüllten kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts 22b als Energiespeicher vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffspeichereinheit 30b zumindest einen Speicherbehälter 106b. Die Kohlenstoffspeichereinheit 30b umfasst zumindest ein Verdichterelement 32b. Das Verdichterelement 32b ist zu einem Speichern des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts 22b, insbesondere innerhalb des Speicherbehälters 106b, in einem überkritischen Zustand vorgesehen. Vorzugsweise ist das Verdichterelement 32b zu einer Druckbeaufschlagung des kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukts 22a bei einer Befüllung des Speicherbehälters 106b mit dem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt 22b unter Aufnahme von elektrischer Energie 40b vorgesehen. Die Kohlenstoffspeichereinheit 30b kann elektrische Energie 40b aus einem öffentlichen Stromnetz 44b und/oder unmittelbar von der Brennstoffzelleneinheit 14b beziehen. Vorzugsweise ist die Kohlenstoffspeichereinheit 30b an einer Abgasleitung 66b der Brennstoffzellenvorrichtung 10b angeordnet, insbesondere zwischen einem Wasserabscheiderelement 28b der Abfülleinheit 18b und einem Einspeiseelement 74b der Abfülleinheit 18b. Es ist aber auch denkbar, dass die Kohlenstoffspeichereinheit 30b räumlich getrennt von der Brennstoffzelleneinheit 14b angeordnet ist (hier angedeutet durch die gestrichelte Linie) und insbesondere über eine zusätzliche Transporteinheit mit dem kohlenstoffhaltigen Verwertungsprodukt 22b versorgt wird.
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Hinsichtlich weiterer Merkmale und/oder Funktionen der Brennstoffzellenvorrichtung 10b und des Energiespeicher- und/oder Energietransportsystem 12b darf auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen werden.
