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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem reversiblen Brennstoffzellensystem zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug, einem Verfahren zum Betreiben eines reversiblen Brennstoffzellensystems sowie einem Kraftfahrzeug, umfassend ein reversibles Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Damit Brennstoffzellensysteme jedoch als emissionsfrei gelten können, ist es notwendig, den Wasserstoff aus regenerativen Quellen, bspw. mittels Wind- oder Solarenergie erzeugen zu können.
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Ein Weg dies zu tun, besteht in der Nutzung von reversiblen Brennstoffzellen, deren energieliefernder Prozess umkehrbar ist und die somit nicht nur als Brennstoffzelle, sondern, bspw. unter Energiezufuhr über Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, auch in regenerativer Form als Elektrolyseur betrieben werden können.
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Nachteiliger Weise können Photovoltaikanlagen nur bei Tag, vorzugsweise bei Sonneneinstrahlung und Windkraftanlagen lediglich bei ausreichend Wind effizient betrieben werden, sodass die beschriebenen reversiblen Brennstoffzellensysteme keinen unabhängigen zuverlässigen Betrieb garantieren können.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein reversibles Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs und gemäß einem dritten Aspekt ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Das erfindungsgemäße reversible Brennstoffzellensystem bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines reversiblen Brennstoffzellensystems dient insbesondere dazu, auf einfache und kostengünstige Weise einen effektiven, unabhängigen, zuverlässigen und emissionsfreien Betrieb eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen.
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Hierdurch kann nicht nur ein umweltfreundlicher, sondern insbesondere auch ein zeitlich und örtlich unabhängiger Betrieb eines Brennstoffzellensystems ermöglicht werden. Über die spezifische erfindungsgemäße Ausgestaltung des gegenständlichen reversiblen Brennstoffzellensystems bzw. des Verfahrens zum Betreiben eines reversiblen Brennstoffzellensystems werden die genannten Vorteile zudem insbesondere auf einfache, ökonomische und sichere Art und Weise erreicht.
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Das erfindungsgemäße reversible Brennstoffzellensystem zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug, umfasst hierbei einen Brennstoffzellen-Stapel aus einer Mehrzahl an reversiblen Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Energieerzeugungsmodus und zur Erzeugung eines Brennstoffs in einem Speichermodus sowie eine Wasserbatterie zur Energieversorgung des Brennstoffzellen-Stapels während des Speichermodus.
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Unter einem reversiblen Brennstoffzellensystem kann im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Brennstoffzellensystem verstanden werden, in dem der energieliefernde Arbeitsprozess umkehrbar ist. Das heißt, dass solche Brennstoffzellensysteme wie Wandlereinheiten sowohl als Brennstoffzelle, als auch als Elektrolyseur arbeiten können und bei einem Einsatz als Brennstoffzelle durch die Umsetzung eines Brennstoffs sowohl elektrische Energie bereitstellen können, als auch bei einem Einsatz als Elektrolyseur durch das Einspeisen elektrischer Energie einen Brennstoff erzeugen können. Unter einem Brennstoffzellen-Stapel kann erfindungsgemäß vorzugsweise eine Einheit aus miteinander verschalteten nebeneinander oder übereinander angeordneten Brennstoffzellen verstanden werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dabei insbesondere als PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet. Entsprechend kann der Brennstoff insbesondere Wasserstoff sein. In einem Energieerzeugungsmodus kann ein Brennstoffzellen-Stapel aus reversiblen Brennstoffzellen unter Zugabe eines Brennstoffs in Form von Wasserstoff und zusätzlicher Zugabe von Luft oder Sauerstoff unter Bildung von Wasser vorzugsweise zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. In einem Speichermodus kann ein Brennstoffzellen-Stapel aus reversiblen Brennstoffzellen unter Zugabe elektrischer Energie, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umwandeln und somit elektrische Energie in Form von chemischer Energie speichern. Unter einer Wasserbatterie kann im Rahmen der Erfindung ein elektrischer Energiespeicher auf Wasserbasis verstanden werden, der auf dem Grundprinzip beruht, dass sich im Wasser in der Nähe hydrophiler Schichten, wie z.B. Nafion, so genannte Exklusionszonen aus in Schichten angeordneten hexagonalen Wassermolekülen mit in Summe negativer Ladung bilden. Diese negative Ladung bildet dann den negativen Pol, bzw. die Anode der Wasserbatterie. Der Pluspol, bzw. die Kathode, der Wasserbatterie wird durch freie Protonen im Wasser außerhalb der Exklusionszonen gebildet, die im Wasser als H3O+-Ionen vorliegen. Die Protonen verteilen sich zwar frei im Wasser, werden aber von der negativen Ladung der Exklusionszonen angezogen und liegen dort als so genanntes Bulk-Wasser vor. Eine Ladungstrennung kann durch die Absorption von Lichtenergie, insbesondere im Infrarotbereich-Bereich (IR = Infrarot), aufrechterhalten werden.
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Das erfindungsgemäße reversible Brennstoffzellensystem kann hierbei insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
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Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere erkannt worden, dass es durch eine erfindungsgemäße Kombination einer reversiblen Brennstoffzelle mit einer Wasserbatterie als regenerative Energiequelle möglich ist, auf einfache und kostengünstige Weise einen effektiven, unabhängigen, zuverlässigen und emissionsfreien Betrieb eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen.
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Im Hinblick auf einen möglichst ökonomischen und leistungsstarken Betrieb des gegenständlichen Brennstoffzellensystems kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellen-Stapel derart mit der Wasserbatterie verbunden ist, dass der Brennstoffzellen-Stapel über die Wasserbatterie sowohl in einem Energieerzeugungsmodus, als auch in einem Speichermodus mit Energie versorgbar ist, wobei vorzugsweise eine Steuereinheit zur Steuerung der Energieversorgung des Brennstoffzellen-Stapels über die Wasserbatterie und/oder zur Steuerung einer Energieabgabe an einen elektrischen Verbraucher vorgesehen ist. So kann bei einer Anordnung des erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug die Wasserbatterie bspw. auch zusätzlich für einen Antrieb, zur Beleuchtung oder für den Betrieb von Komfortverbrauchern in dem Fahrzeug genutzt werden. Ebenso kann die Wasserbatterie dazu genutzt werden ein Rezirkulationsgebläse, einen Verdichter oder eine andere Komponente des reversiblen Brennstoffzellensystems zu betreiben. Hierbei kann ferner eine Sensoreinheit vorgesehen sein, mit dessen Hilfe über die Erfassung von Messwerten eine gezielte, ökonomische und bedarfsorientierte Energieversorgung erfolgen kann. Die Kombination aus Steuereinheit und Sensoreinheit kann hierbei vorzugsweise in Form eines selbstlernenden Systems zur Steuerung der Energieversorgung ausgebildet sein.
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Um einen möglichst ökonomischen Betrieb einer Wasserbatterie und eine effektive Energieerzeugung durch die Wasserbatterie zu ermöglichen, kann gegenständlich vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellen-Stapel und die Wasserbatterie derart zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teil der von dem Brennstoffzellen-Stapel in einem Energieerzeugungsmodus generierten Wärme bzw. Abwärme auf die Wasserbatterie übertragbar ist. So kann die Wasserbatterie bspw. an einer Abluftseite des Brennstoffzellen-Stapels angeordnet sein. Ferner ist es auch denkbar, dass die Abluft bzw. die Abwärme des Brennstoffzellen-Stapels über ein Leitungssystem zu der Wasserbatterie befördert wird.
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Im Hinblick auf eine ökologische und ökonomische Energiegewinnung kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Wasserbatterie über Lichtenergie, insbesondere über Licht im Infrarotbereich (besonders bevorzugt bei einer Wellenlänge von 3000 nm) aufladbar ist. Eine Aufladung über Infrarotstrahlung ermöglicht dabei eine tageszeitunabhängige Aufladung, da Infrarotstrahlung auch bei Dunkelheit vorliegt.
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Um sowohl die erforderliche Kapazität, als auch die erforderliche Ausgangsspannung zur Verfügung stellen zu können, kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Wasserbatterie eine Mehrzahl von Wasserbatterieeinzelelementen aufweist, wobei die Wasserbatterieeinzelelemente vorzugsweise über eine Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Um die Kapazität der Wasserbatterie zu erhöhen, können einzelne bzw. eine Vielzahl von Wasserbatterieeinzelelementen hierbei parallel miteinander verschaltet werden. Um die Ausgangsspannung der Wasserbatterie zu erhöhen, können einzelne bzw. eine Vielzahl von Wasserbatterieeinzelelementen zudem seriell miteinander verschaltet werden.
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Im Hinblick auf einen mechanischen Schutz sowie einen vorzugsweise nachrüstbaren modularen Aufbau des reversiblen Brennstoffzellensystems kann gegenständlich vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass ein Gehäuse zur Anordnung des reversiblen Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, wobei das Gehäuse vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzellenstapeleinheit zur Aufnahme des Brennstoffzellen-Stapels aus einer Mehrzahl an reversiblen Brennstoffzellen und zumindest eine Wasserbatterieeinheit zur Aufnahme der Wasserbatterie aufweist, wobei die Brennstoffzellenstapeleinheit, insbesondere über elektrische Leitungen, mit der Wasserbatterieeinheit verbunden ist. Ein solcher modularer Aufbau ermöglicht insbesondere eine variabel anpassbare Ausführung des gegenständlichen Systems an die entsprechenden Leistungsanforderungen. Vorzugsweise sind die Brennstoffzellenstapeleinheit und die Wasserbatterieeinheit direkt nebeneinander angeordnet. Vorteilhafterweise weist das Gehäuse zudem eine Wärmeisolation auf, um die von dem Brennstoffzellenstapel generierte Abwärme zur Erwärmung der Wasserbatterie nutzen zu können und um diese nicht an die Umgebung abgeben zu müssen. Bei einer höheren Temperatur arbeitet eine Wasserbatterie in der Regel effektiver.
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Um gleichzeitig einen mechanischen Schutz des gegenständlichen reversiblen Brennstoffzellensystems sowie auch eine effektive Aufladung einer Wasserbatterie zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass das Gehäuse zumindest teilweise lichttransparent, vorzugsweise infrarottransparent, ausgebildet ist, wobei das Gehäuse insbesondere zumindest teilweise aus infrarottransparentem Glas ausgebildet ist.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines reversiblen Brennstoffzellensystems, vorzugsweise eines voranstehend beschriebenen reversiblen Brennstoffzellensystems. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Erzeugens elektrischer Energie mittels eines Brennstoffzellen-Stapels in einem Energieerzeugungsmodus, eines Erzeugens eines Brennstoffs mittels des Brennstoffzellen-Stapels in einem Speichermodus sowie eines Versorgens des Brennstoffzellen-Stapels mit elektrischer Energie über eine Wasserbatterie in dem Speichermodus. Damit weist das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße reversible Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind.
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Im Hinblick auf einen möglichst ökonomischen und leistungsstarken Betrieb des gegenständlichen Brennstoffzellensystems kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellen-Stapel sowohl in einem Speichermodus, als auch in einem Energieerzeugungsmodus von der Wasserbatterie mit Energie versorgt wird. So kann bspw. bei einer Anordnung des erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug die Wasserbatterie bspw. auch zusätzlich für einen Antrieb, zur Beleuchtung oder für den Betrieb von Komfortverbrauchern in dem Fahrzeug genutzt werden.
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Um einen möglichst ökonomischen Betrieb einer Wasserbatterie und eine effektive Energieerzeugung durch die Wasserbatterie zu ermöglichen, kann gegenständlich vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellen-Stapel die Wasserbatterie während des Energieerzeugungsmodus mit Abwärme versorgt.
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Im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise zudem vorgesehen sein, dass einzelne, mehrere oder alle obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in der vorgeschlagenen Reihenfolge, aber auch abweichend von der vorgeschlagenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Hierbei können einzelne, mehrere oder alle obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere wiederholt, bspw. zyklisch wiederholt, ausgeführt werden.
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Es versteht sich zudem, dass einzelne, mehrere oder alle der obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständlich automatisiert oder zumindest teilweise automatisiert ausgeführt werden können.
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Es versteht sich ferner, dass einzelne, mehrere oder alle der obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständlich auch durch einen Computer implementiert werden können.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes reversibles Brennstoffzellensystem. Damit weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße reversible Brennstoffzellensystem bzw. das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystems zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Energieerzeugungsmodus,
- 1b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystems zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Speichermodus,
- 2 eine schematische Darstellung einer Wasserbatterie für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines reversiblen Bren nstoffzel lensystems.
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1a zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystems 2 zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Energieerzeugungsmodus EM.
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Wie gemäß 1a zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße reversible Brennstoffzellensystem 2 einen Brennstoffzellen-Stapel 4 aus einer Mehrzahl an reversiblen Brennstoffzellen 4a zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Energieerzeugungsmodus EM und zur Erzeugung eines Brennstoffs in einem Speichermodus SM (siehe insbesondere 1b) sowie eine Wasserbatterie 6 zur Energieversorgung des Brennstoffzellen-Stapels 4 während des Speichermodus SM (siehe insbesondere 1b).
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Wie gemäß 1a gezeigt ist, wird in einem Energieerzeugungsmodus EM innerhalb des Brennstoffzellen-Stapels 4 des reversiblen Brennstoffzellensystems 2 durch Zugabe von Wasserstoff (H2) und Luft bzw. Sauerstoff (O2) unter Erzeugung von Wasser (H2O) als Restprodukt eine elektrische Spannung U an den Polen des Brennstoffzellen-Stapels 4 erzeugt, die einen Stromfluss I zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers 16 generiert.
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Das Gehäuse 8 kann hierbei zumindest teilweise lichttransparent, vorzugsweise Infrarottransparent, ausgebildet sein, bspw. zumindest teilweise aus infrarottransparentem Glas ausgebildet sein, um die Aufladung der Wasserbatterie 6 zu ermöglichen. Durch die Übertragung der Abwärme 14 des Brennstoffzellenstapels 4 auf die Wasserbatterie 6 kann diese effektiver betrieben werden. Zur Steuerung einer Energieabgabe an den elektrischen Verbraucher 16 kann ferner eine Steuereinheit 10 an dem Brennstoffzellenstapel 4 vorgesehen sein.
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1b zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystems 2 zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Speichermodus SM.
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Wie gemäß 1b gezeigt ist, wird in einem Speichermodus SM innerhalb des Brennstoffzellen-Stapels 4 des reversiblen Brennstoffzellensystems 2 durch die Zugabe von Wasser (H2O) unter Zuführung von elektrischem Strom I durch die Wasserbatterie 6, Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) erzeugt, die wiederum als Ausgangsprodukte für den Betrieb des reversiblen Brennstoffzellensystems 2 als Brennstoffzelle verwendet werden können. Die Wasserbatterie 6 kann unterdessen über Absorption von Lichtenergie 12, vorzugsweise in Form von IR-Strahlung, aufgeladen werden. Zur Steuerung einer Energieabgabe an den Brennstoffzellenstapel 4 kann die Wasserbatterie 6 zudem vorzugsweise eine Steuereinheit 10 aufweisen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Wasserbatterie 6 für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen reversiblen Brennstoffzellensystem 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Wie gemäß 2 zu erkennen ist, weist die Wasserbatterie 6 eine Mehrzahl von Wasserbatterieeinzelelementen 6a auf, wobei die Wasserbatterieeinzelelemente 6a vorzugsweise über eine Parallel- und/oder Reihenschaltung miteinander verbunden sind um eine gewünschte Kapazität und Spannung U zu generieren, wobei die Spannung U durch die Reihenschaltung der Wasserbatterieeinzelelemente 6a (von 1.1.... bis m.1) und die Kapazität durch die Parallelschaltung der Wasserbatterieeinzelelemente 6a (von 1.1.... bis 1.n usw.) generiert wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines reversiblen Brennstoffzellensystems 2.
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Wie gemäß 3 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Erzeugens 100 elektrischer Energie mittels eines Brennstoffzellen-Stapels 4 in einem Energieerzeugungsmodus EM, eines Erzeugens 200 eines Brennstoffs mittels des Brennstoffzellen-Stapels 4 in einem Speichermodus SM sowie eines Versorgens 300 des Brennstoffzellen-Stapels 4 mit elektrischer Energie über eine Wasserbatterie 6 in dem Speichermodus SM.
