DE102019003994A1

DE102019003994A1 - Elektrochemische Brennstoffzelle, Verfahren zum Warten einer elektrochemischen Brennstoffzelle und Atemalkoholmessgerät

Info

Publication number: DE102019003994A1
Application number: DE102019003994.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Haupt; Marie-Isabell MATTERN-FRÜHWALD; Michael Sick; Andreas Nauber; Susanne Kassa
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-12-10
Also published as: CN113906290A; WO2020244860A1; US20220326177A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem sowie auf ein Verfahren zum Warten einer solchen elektrochemischen Brennstoffzelle. Die elektrochemische Brennstoffzelle umfasst eine erste Elektrode (1), eine zweite Elektrode (2) und eine dritte Elektrode (3). Die erste Elektrode (1) ist dazu vorgesehen ist, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die zweite Elektrode (2) ist dazu vorgesehen ist, in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die dritte Elektrode (3) ist dazu vorgesehen, in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt zu werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem, auf ein Verfahren zur Wartung einer solchen elektrochemischen Brennstoffzelle sowie auf ein Atemalkoholmessgerät.
Während des Betriebs einer elektrochemischen Brennstoffzelle in einem Atemalkoholmessgerät nimmt die Empfindlichkeit der Zelle auf Ethanol im Atem immer weiter ab. Dies hat mit verschiedenen Prozessen auf der Oberfläche der Katalysatorschicht zu tun. Die Sensitivität auf Alkohol wird immer geringer, so dass nach einer bestimmten Zeit eine Kalibrierung des Sensors mit einem bekannten Standard nötig ist. Bei der Alkoholmessung handelt es sich um eine sogenannte Relativ-Methode, bei der die Konzentration auf einen normierten Wert bezogen wird, der durch die Kalibrierung mit einer bekannten Standard-Lösung erreicht wird.
Während des Betriebs wird die elektrochemische Brennstoffzelle immer wieder verschiedenen Stoffen aus der Umwelt und dem Atem ausgesetzt. Dies kann über die Zeit zu einer Vergiftung/Blockierung der Oberfläche fuhren. Außerdem entstehen durch die Oxidation von Ethanol an Platin im sauren Medium Nebenprodukte, die irreversibel auf der Oberfläche der Katalysatorschicht Adsorptionsplatze belegen und an denen keine Ethanol-Oxidation mehr stattfinden kann.
In der Regel wird heute nach einer bestimmten Zeit kalibriert, um eine vorgegebene Genauigkeit zu erreichen und die systembedingten Abweichung auszugleichen. Damit wird allerdings nicht die Empfindlichkeit der Brennstoffzelle verbessert, sondern nur die Parameter angepasst. Alternativ oder zusätzlich wird die Brennstoffzelle in regelmäßigen Abständen komplett getauscht. Es gibt noch weitere Möglichkeiten die Stabilität der Brennstoffzelle zu erhöhen. Die Katalysatoroberfläche kann beispielsweise durch elektrochemische Prozesse von Adsorbaten befreit werden.
In einer wissenschaftlichen Arbeit von Easton et al. (Sensors & Actuators B: Chemical, 228 (2016) 448-457) wird beschrieben, dass die Reaktivierung einer Katalysator-Oberfläche des Platins mittels einer zyklischen Potentialveränderung die Sensitivität der Oberfläche auf Ethanol wieder gesteigert werden kann. Allerdings wird nicht beschrieben, wie eine solche zyklische Potentialveränderung in einer elektrochemischen Brennstoffzelle implementiert sein kann.
Außerdem wird versucht die Empfindlichkeit zu steigern, indem eine größere aktive Oxidations-Oberfläche zur Verfügung gestellt wird (siehe etwa US9057691 B2 ).
Es besteht der Bedarf nach einer elektrochemischen Brennstoffzelle für ein Atemalkoholmessgerät, bei dem die Empfindlichkeit auf Alkohol eine hohe Stabilität der Sensitivität aufweist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine periodische Erneuerung einer PlatinoxidSchicht oder Platinhydroxid-Schicht eines Platin-Katalysators der Elektroden einer elektrochemischen Brennstoffzelle genutzt werden kann, um eine Sensitivität der Elektroden für Ethanol über einen längeren Zeitpunkt stabil zu halten. Um eine solche Erneuerung durchführen zu können, wird in einer 2-Elektroden-Brenstoffzelle eine dritte Elektrode (Hilfselektrode) vorgesehen, die in einem Regelbetriebsmodus der Brennstoffzelle ungenutzt bleibt, und die in einem Wartungsmodus der Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt werden kann, während eine der anderen beiden Elektroden als Messelektrode und die andere als Bezugselektrode verwendet wird. Durch Anlegen eines ersten Potentials kann in einer ersten Phase die Oxid- oder Hydroxidschicht des Platinkatalysators der jeweiligen Messelektrode auf das Metall reduziert werden. In einer zweiten Phase kann eine Polarisation der jeweiligen Messelektrode stattfinden, die eine neue Oxid- oder Hydroxidschicht entstehen lässt. Anschließend kann die Rolle der Messelektrode und der Bezugselektrode getauscht werden und die Oxid- oder Hydroxidschicht der anderen Elektrode regeneriert werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine elektrochemische Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem. Die elektrochemische Brennstoffzelle umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode. Die elektrochemische Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode dazu vorgesehen ist, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die elektrochemische Brennstoffzelle ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode dazu vorgesehen ist, in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die elektrochemische Brennstoffzelle ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode dazu vorgesehen ist, in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt zu werden.
Durch Vorsehen der dritten Elektrode, die in dem Wartungsmodus als Gegenelektrode genutzt wird, ist eine Regeneration der Adsorptionsplätze der Messelektrode möglich. Dies wird dadurch ermöglicht, dass in dem Wartungsmodus ein Potential erzeugt wird. Um das Potential erzeugen zu können, werden drei Elektroden benötigt, eine Messelektrode und eine Gegenelektrode, zwischen denen eine Spannung erzeugt wird, und eine Bezugselektrode, die den Referenzpunkt für das Potential bildet. Wird das Potential richtig gewählt, so lässt sich eine Oxid- oder Hydroxidschicht an der jeweiligen Messelektrode zuerst reduzieren und anschließend wieder aufbauen, so dass die Oxidschicht an der Messelektrode erneuert wird und die Adsorptionsplätze wieder zur Verfügung stehen.
Beispielsweise kann die elektrochemische Brennstoffzelle in dem Regelbetriebsmodus eine zwei-Elektroden-basierte elektrochemische Brennstoffzelle sein. Die dritte Elektrode kann in diesem Fall dazu vorgesehen ist, in dem Regelbetriebsmodus ungenutzt zu bleiben. Dies ermöglicht die Nutzung der Brennstoffzelle als zwei-Elektroden-basierte elektrochemische Brennstoffzelle, was eine hohe Sensitivität und Selektivität auf Ethanol ermöglicht und womit vermieden werden kann, dass Vorkehrungen gegen eine Instabilität der Bezugselektrode zu treffen sind.
Alternativ kann die elektrochemische Brennstoffzelle in dem Regelbetriebsmodus eine drei-Elektroden-basierte elektrochemische Brennstoffzelle sein. Die dritte Elektrode kann in dem Regelbetriebsmodus dazu vorgesehen sein, als Bezugselektrode genutzt zu werden. Dies ermöglicht eine Nutzung der Erfindung in drei-Elektroden-basierten elektrochemischen Brennstoffzellen.
In zumindest manchen Ausführungsbeispielen umfasst die elektrochemische Brennstoffzelle ferner ein Kontrollmodul. Das Kontrollmodul kann ausgebildet sein, um in einer ersten Phase des Wartungsmodus ein erstes Potential der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode einzustellen. Das Kontrollmodul kann ferner ausgebildet sein, um in einer zweiten Phase des Wartungsmodus ein zweites Potential der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode einzustellen. Dabei kann das erste Potential so gewählt werden, dass es zu einer Reduktion einer Oxid- oder Hydroxidschicht an der jeweiligen Messelektrode führt. Das zweite Potential kann so gewählt werden, dass es zu einem Aufbau der Oxid- oder Hydroxidschicht an der jeweiligen Messelektrode führt.
Beispielsweise können die erste Elektrode und die zweite Elektrode eine Platinoberfläche aufweisen. Das erste Potential kann dazu geeignet sein, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht auf der Platinoberfläche der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode zumindest teilweise zu Platin zu reduzieren. Das zweite Potential kann dazu geeignet sein, um eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht auf der Platinoberfläche der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode zu regenerieren. Dadurch wird eine Erneuerung der Oxid-/Hydroxidschicht ermöglicht.
Dabei können die Oxid-/Hydroxidschichten der ersten und der zweiten Elektrode nacheinander erneuert werden, d.h. die Rolle der beiden Elektroden kann innerhalb des Wartungsmodus vertauscht werden. So kann der Wartungsmodus einen ersten zeitlichen Abschnitt aufweisen, der dafür vorgesehen ist, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht der ersten Elektrode zu erneuern. Der Wartungsmodus kann ferner einen zweiten zeitlichen Abschnitt aufweisen, der dafür vorgesehen ist, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht der zweiten Elektrode zu erneuern. Die beiden zeitlichen Abschnitte können jeweils die erste Phase und die zweite Phase umfassen. Dies ermöglicht die Erneuerung der Oxid-/Hydroxidschichten der ersten und der zweiten Elektrode.
Dabei kann die erste Elektrode dazu vorgesehen sein, in dem ersten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Messelektrode und in dem zweiten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Bezugselektrode genutzt zu werden. Die zweite Elektrode kann dazu vorgesehen sein, in dem ersten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Bezugselektrode und in dem zweiten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Messelektrode genutzt zu werden (oder umgekehrt). So werden die Rollen der beiden Elektroden innerhalb des Wartungsmodus vertauscht.
Der erste zeitliche Abschnitt kann zeitlich vor dem zweiten zeitlichen Abschnitt stattfinden, so dass die Oxid-/Hydroxidschicht der ersten Elektrode zuerst und die der zweiten Elektrode anschließend erneuert wird. Alternativ kann der zweite Abschnitt zeitlich vor dem ersten zeitlichen Abschnitt stattfinden, so dass die Oxid-/Hydroxidschicht der zweiten Elektrode zuerst und die der ersten Elektrode anschließend erneuert wird.
Die erste Phase kann beispielsweise zwischen 1 min und 10 min andauern. In Experimenten hat eine solche Dauer zu einer erfolgreichen Reduktion der Oxid-/Hydroxidschichten geführt.
Das erste Potential kann beispielsweise zwischen -400 mV und -700 mV betragen. Dies entspricht der Spannung, bei der die Platinoxid-/Hydroxidschichten zum Metall reduziert werden. Das zweite Potential kann zwischen -100 mV und +100 mV betragen. Bei einem solchen Potential findet eine Oxid-/Hydroxidbildung auf den Elektroden statt.
Ausführungsbeispiele schaffen ferner ein Verfahren zum Warten einer elektrochemischen Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem. Die elektrochemische Brennstoffzelle umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode. Die erste Elektrode ist dazu vorgesehen, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die zweite Elektrode ist dazu vorgesehen, in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die dritte Elektrode ist dazu vorgesehen, in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt zu werden. Das Verfahren umfasst ein Betreiben der elektrochemischen Brennstoffzelle alternativ in dem Regelbetriebsmodus oder in dem Wartungsmodus. Das Verfahren umfasst ein Einstellen, in einer ersten Phase des Wartungsmodus, eines ersten Potentials der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode. Das Verfahren umfasst ferner ein Einstellen, in einer zweiten Phase des Wartungsmodus, eines zweiten Potentials der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode.
Exemplarisch werden nachfolgend einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. Es zeigen:

1 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektrochemischen Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem; und
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Wartung einer elektrochemischen Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem.

In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht explizit oder implizit anders definiert. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung auf dem Gebiet verwendet, zu dem die Beispiele gehören.
1 zeigt ein schematisches Diagramm einer elektrochemischen Brennstoffzelle 1 zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem. Die elektrochemische Brennstoffzelle umfasst eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und eine dritte Elektrode 3. Wie in 1 gezeigt ist umfasst die Brennstoffzelle ferner ein Elektrolyt, das in dem Ausführungsbeispiel von 1 in einer Membran 5 vorgehalten wird, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Ferner ist die dritte Elektrode an der Membran mit dem Elektrolyt angeordnet, d.h. die erste, die zweite und die dritte Elektrode sind in Kontakt mit dem gleichen Elektrolyt. Dabei kann die dritte Elektrode alternativ über eine Elektrolytbrücke an die Versuchszelle mit der ersten und zweiten Elektrode angekoppelt sein. Grundsätzlich sind auch andere Anordnungen denkbar, die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf das Zusammenspiel der drei Elektroden. Dies ist dadurch geprägt, dass die erste Elektrode 1 dazu vorgesehen ist, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die zweite Elektrode 2 ist dazu vorgesehen, in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die dritte Elektrode 3 ist dazu vorgesehen, in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt zu werden. 1 zeigt ferner ein Atemalkoholmessgerät 100 umfassend die elektrochemische Brennstoffzelle 10.
Wie der vorhergehenden Beschreibung zu entnehmen ist, basiert die vorliegende Erfindung darauf, dass die drei Elektroden in dem Regelbetriebsmodus und in dem Wartungsmodus unterschiedliche Aufgaben innehaben. Dabei ist der Regelbetriebsmodus ein Betriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle, in dem eine Atemalkoholkontrolle durchführbar ist, etwa unter Nutzung eines coulometrischen Verfahrens. Der Wartungsmodus ist ein Betriebsmodus, der für eine Erneuerung von Oxid- oder Hydroxidschichten an den Katalysatorschichten auf den Elektroden vorgesehen ist.
Die erste Elektrode 1 ist dazu vorgesehen, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Dabei kann der Regelbetriebsmodus beispielsweise durch ein Kontrollmodul 4 gesteuert werden, das (logisch) von der elektrochemischen Brennstoffzelle umfasst sein kann. Das Kontrollmodul kann ausgebildet sein, um die elektrochemische Brennstoffzelle entweder in dem Regelbetriebsmodus oder in dem Wartungsmodus zu betreiben. Weitere Modi können ebenfalls möglich sein, etwa ein Kalibriermodus oder ein Standby-Modus. Um zwischen dem Regelbetriebsmodus und dem Wartungsmodus zu wechseln kann das Kontrollmodul ausgebildet sein, eine Verdrahtungsstruktur 6, die die Elektroden mit dem Kontrollmodul elektrisch verbindet, entsprechend der jeweiligen Nutzung der Elektroden anzupassen. Dabei kann die Verdrahtungsstruktur von dem Kontrollmodul 4 umfasst sein, d.h. es kann eine mikroelektronische Verdrahtungsstruktur sein. Alternativ kann die Verdrahtungsstruktur ein oder mehrere Relais umfassen, die von den Kontrollmodul 4 steuerbar sind. Das Kontrollmodul kann beispielsweise ausgebildet sein, um die Verdrahtungsstruktur so zu steuern, dass die erste Elektrode in dem Regelbetriebsmodus als Messelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder als Bezugselektrode betrieben wird.
Entsprechend kann das Kontrollmodul 4 ausgebildet sein, um die Verdrahtungsstruktur 6 so zu steuern, dass die zweite Elektrode 2 in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode betrieben wird. Das Kontrollmodul kann ferner ausgebildet sein, um die Verdrahtungsstruktur 6 so zu steuern, dass die dritte Elektrode 3 in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode betrieben wird. Das Kontrollmodul kann ferner ausgebildet sein, um die Verdrahtungsstruktur 6 so zu steuern, dass die dritte Elektrode 3 in dem Regelbetriebsmodus ungenutzt bleibt, d.h. so dass die dritte Elektrode abgeschaltet ist und/oder so dass die elektrochemische Brennstoffzelle ohne die dritte Elektrode betrieben wird. So kann die elektrochemische Brennstoffzelle 10 in dem Regelbetriebsmodus beispielsweise eine zwei-Elektroden-basierte elektrochemische Brennstoffzelle (ohne Bezugselektrode) sein. Die dritte Elektrode 3 kann dazu vorgesehen sein, in dem Regelbetriebsmodus ungenutzt zu bleiben. Alternativ kann das Kontrollmodul ausgebildet sein, um die Verdrahtungsstruktur 6 so zu steuern, dass die dritte Elektrode 3 in dem Regelbetriebsmodus als Bezugselektrode genutzt wird. So kann die elektrochemische Brennstoffzelle 10 in dem Regelbetriebsmodus beispielsweise eine drei-Elektroden-basierte elektrochemische Brennstoffzelle sein. Die dritte Elektrode 3 kann in dem Regelbetriebsmodus dazu vorgesehen sein, als Bezugselektrode genutzt zu werden.
Atemalkoholmessgeräte, die eine elektrochemische Brennstoffzelle umfassen, werden meist in regelmäßigen Abständen neu kalibriert, damit sie auch beweisfähige Resultate liefern. Ein Hauptgrund für die regelmäßige Kalibrierung solcher Geräte ist die Funktionsweise der Brennstoffzelle: Die Konzentration des Atemalkohols wird dadurch bestimmt, dass der Ethanol im Atem und andere Inhaltsstoffe des Atems an der Messelektrode der elektrochemischen Brennstoffzelle zu einer sogenannten Vergiftung/Blockierung der Oberfläche eines Katalysators der Messelektrode führen, d.h. Adsorptionsplätze auf dem Katalysator der jeweiligen Messelektrode werden durch die Stoffe eingenommen und stehen nachfolgend nicht mehr für die Oxidation von Ethanol an der Katalysatoroberfläche zur Verfügung. Diese Oxidation des Katalysators ist jedoch die Basis der Alkoholmessung in solchen Atemalkoholmessgeräten, da die Oxidation des Ethanols zu einem Elektronenfluss in der Brennstoffzelle führt, der gemessen werden kann und der proportional zu der Konzentration des Atemalkohols ist. Wird durch die Nichtverfügbarkeit der Adsorptionsplätze die Oxidation des Ethanols erschwert kann die Empfindlichkeit (d.h. ein Umrechnungsfaktor) in der nachfolgenden Berechnung des Atemalkoholgehalts angepasst werden, so dass der gemessene Wert dem Atemalkoholgehalt entspricht. Diese Anpassung ist in der Kalibrierung des Atemalkoholmessgeräts umfasst.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, die Adsorptionsplätze zu regenerieren, indem ein Potential an die Messelektrode angelegt wird, mit dem eine Oxid- oder Hydroxidschicht des Katalysators erst ab- und anschließend wieder aufgebaut wird. Diese Regeneration findet während des Wartungsmodus statt. In anderen Worten ist der Wartungsmodus dazu vorgesehen, eine Oxid- oder Hydroxidschicht eines Katalysators der jeweiligen Messelektrode zu erneuern (d.h. erst abzubauen und dann zu regenerieren). Dieses Potential kann in Ausführungsbeispielen durch das Kontrollmodul erzeugt werden. Das Kontrollmodul kann von der elektrochemischen Brennstoffzelle umfasst sein (außerhalb eines Elektrolytraums, d.h. logisch der elektrochemischen Brennstoffzelle zugeordnet und mit den Elektroden elektrisch verbunden). Dabei kann das Kontrollmodul von einem Mikrocontroller umfasst sein, das die elektrochemische Brennstoffzelle umfasst. Wo das Kontrollmodul dabei genau angeordnet ist, ist ohne Belang, solange es logisch der elektrochemische Brennstoffzelle zugeordnet ist.
Das Kontrollmodul 4 kann folglich ausgebildet sein, um ein Potential in der elektrochemischen Brennstoffzelle einzustellen. In einer elektrochemischen Brennstoffzelle ist ein Potential einer Messelektrode immer in Bezug auf die Bezugselektrode zu sehen, d.h. das Potential ist eine Potentialdifferenz zwischen dem Potential der Bezugselektrode und dem Potential der Messelektrode. Die Bezugselektrode ist dabei eine Elektrode, die (nach Möglichkeit) keiner Strombelastung unterliegt, so dass dort ein konstantes Potential vorliegt. Das Potential an der Messelektrode kann beispielsweise über eine sog. potentiostatische Regelschaltung eingestellt werden, eine Schaltung, bei der ein Stromfluss zwischen Messelektrode und Gegenelektrode erzeugt wird, um das Potential einzustellen. Das Kontrollmodul kann beispielsweise eine potentiostatische Regelschaltung oder eine andere Regelschaltung umfassen, die dazu geeignet ist, das Potential einzustellen. Das Kontrollmodul kann ferner ausgebildet sein, um eine Messung eines Stroms zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode während des Regelbetriebsmodus durchzuführen. Die Stromkurve ist dabei proportional zum Atemalkohol (dem Ethanol in der Atemluft), und kann in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt verwendet werden, um den Atemalkohol zu bestimmen.
Das Kontrollmodul kann beispielsweise ausgebildet sein, um in einer ersten (zeitlichen und/oder logischen) Phase des Wartungsmodus ein erstes Potential der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode einzustellen (d.h. das erste Potential an der Messelektrode einzustellen, wobei das erste Potential in Bezug auf die Bezugselektrode eingestellt wird). Dabei kann das erste Potential so gewählt werden, dass es dazu geeignet ist, eine Oxidschicht und/oder eine Hydroxidschicht auf einer Oberfläche einer Katalysatorschicht, die an der Oberfläche der Messelektrode angeordnet ist, zu Metall zu reduzieren, d.h. eine Reduktion auszulösen, in der der Sauerstoff und/oder der Wasserstoff abgegeben wird. Ein solches Potential ist erreicht, wenn eine Zersetzungsspannung überschritten wird (oder unterschritten, wenn diese negativ ist). In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 eine Platinoberfläche aufweisen, d.h. die Messelektrode im Wartungsmodus hat eine Platinoberfläche, die in dem Regelbetriebsmodus als Katalysatorschicht dienen kann. Das erste Potential kann dazu geeignet sein, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht auf der Platinoberfläche der ersten Elektrode 1 oder der zweiten Elektrode 2 zumindest teilweise zu Platin zu reduzieren. Dabei kann das erste Potential zwischen -400 mV und -700 mV betragen (etwa zwischen -500 mV und -600 mV). Die erste Phase kann einige Minuten andauern, etwa zwischen 1 bis 10 Minuten, jedoch auch länger, auch wenn dann keine oder lediglich eine geringere weitere Reduktion zu erwarten ist. Dabei kann die erste Phase etwa zumindest eine Minute, zumindest zwei Minuten, zumindest drei Minuten, oder zumindest 5 Minuten andauern.
Das Kontrollmodul kann ferner ausgebildet sein, um in einer zweiten (zeitlichen und/oder logischen) Phase des Wartungsmodus ein zweites Potential der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode einzustellen (d.h. das zweite Potential an der Messelektrode einzustellen, wobei das zweite Potential in Bezug auf die Bezugselektrode eingestellt wird). Die zweite Phase kann nach der ersten Phase durchgeführt werden. Das zweite Potential kann so gewählt werden, dass es dazu geeignet ist, eine Oxidschicht und/oder eine Hydroxidschicht auf einer Oberfläche einer Katalysatorschicht, die an der Oberfläche der Messelektrode angeordnet ist, entstehen lassen. Beispielsweise kann das zweite Potential dazu geeignet sein, um eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht auf der Platinoberfläche der ersten Elektrode 1 oder der zweiten Elektrode 2 zu regenerieren. Das zweite Potential kann einem Polarisationspotential entsprechen, d.h. das Potential kann durch die in einer Elektrolyse entgegenwirkenden Elemente entstehen. In anderen Worten kann in der zweiten Phase eine Polarisation der Messelektrode und der Gegenelektrode stattfinden. In diesem Fall kann das Kontrollmodul ausgebildet sein, um das zweite Potential durch Polarisation der Elektroden entstehen zu lassen (d.h. nicht selbst für einen Stromfluss zu sorgen, der zu einem Potential führt). Alternativ kann das Kontrollmodul ausgebildet sein, um das zweite Potential aktiv einzustellen, etwa so dass das zweite Potential zwischen -100 mV und +100 mV beträgt, etwa so dass die Oxid- oder Hydroxidschicht regeneriert werden kann. Dabei kann ein Übergang zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential allmählich erfolgen, d.h. das Kontrollmodul kann ausgebildet sein, um einen allmählichen/graduellen Übergang zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential zu bewirken.
In zumindest manchen Ausführungsbeispielen wird in dem Wartungsmodus nicht nur die Oxid- oder Hydroxidschicht einer einzigen Elektrode regeneriert, sondern es können die Oxid-/Hydroxidschichten sowohl der erste Elektrode als auch der zweite Elektrode regeneriert werden. Dazu kann der Wartungsmodus zwei zeitliche Abschnitte umfassen, die jeweils die erste Phase und die zweite Phase umfassen. In anderen Worten kann der Wartungsmodus einen ersten zeitlichen Abschnitt aufweisen, der dafür vorgesehen ist, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht der ersten Elektrode 1 zu erneuern.
Dazu kann die erste Elektrode 1 dazu vorgesehen sein, in dem ersten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Messelektrode und in dem zweiten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Bezugselektrode genutzt zu werden. Der Wartungsmodus kann ferner einen zweiten zeitlichen Abschnitt aufweisen, der dafür vorgesehen ist, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht der zweiten Elektrode 2 zu erneuern. Die zweite Elektrode 2 kann dazu vorgesehen sein, in dem ersten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Bezugselektrode und in dem zweiten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Messelektrode genutzt zu werden.
Die beiden zeitlichen Abschnitte können jeweils die erste Phase und die zweite Phase umfassen. Beispielsweise kann in der ersten Phase des ersten zeitlichen Abschnitts die Oxid-/Hydroxidschicht an der Oberfläche des Katalysators der ersten Elektrode zu Metall reduziert werden und in der zweiten Phase des ersten zeitlichen Abschnitts die Oxid-/Hydroxidschicht an der Oberfläche des Katalysators der ersten Elektrode regeneriert werden. In der ersten Phase des zweiten zeitlichen Abschnitts kann die Oxid-/Hydroxidschicht an der Oberfläche des Katalysators der zweiten Elektrode zu Metall reduziert werden und in der zweiten Phase des zweiten zeitlichen Abschnitts die Oxid-/Hydroxidschicht an der Oberfläche des Katalysators der zweiten Elektrode regeneriert werden. Dabei indiziert die Bezeichnung „erster“ und „zweiter“ zeitlicher Abschnitt in manchen Ausführungsbeispielen keine zeitliche Abfolge, d.h. der erste zeitliche Abschnitt kann zeitlich vor dem zweiten zeitlichen Abschnitt stattfinden, oder der zweite zeitliche Abschnitt kann zeitlich vor dem ersten zeitlichen Abschnitt stattfinden.
In Ausführungsbeispielen kann das Kontrollmodul 4 einem beliebigen Controller oder Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente entsprechen. Beispielsweise kann das Kontrollmodul 4 auch als Software realisiert sein, die für eine entsprechende Hardwarekomponente programmiert ist. Insofern kann das Kontrollmodul 4 als programmierbare Hardware mit entsprechend angepasster Software implementiert sein. Dabei können beliebige Prozessoren, wie Digitale Signalprozessoren (DSPs) zum Einsatz kommen. Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf einen bestimmten Typ von Prozessor eingeschränkt. Es sind beliebige Prozessoren oder auch mehrere Prozessoren zur Implementierung des Kontrollmoduls 4 denkbar.
Mehr Details und Aspekte der elektrochemische Brennstoffzelle oder des Atemalkoholmessgeräts werden in Verbindung mit dem Konzept oder Beispielen genannt, die vorher oder nachher (z.B. 2) beschrieben werden. Die elektrochemische Brennstoffzelle oder das Atemalkoholmessgerät kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale umfassen, die ein oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder der beschriebenen Beispiele entsprechen, wie sie vorher oder nachher beschrieben wurden.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines entsprechenden Verfahrens 20 zur Wartung einer elektrochemischen Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem. Das Verfahren kann beispielsweise durch die elektrochemische Brennstoffzelle 10 und/oder durch das Atemalkoholmessgerät 100 der 1 ausgeführt werden. Die elektrochemische Brennstoffzelle umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode. Diese können ähnlich ausgelegt sein wie die Elektroden der elektrochemischen Brennstoffzelle von 1. So ist die erste Elektrode dazu vorgesehen, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die zweite Elektrode ist dazu vorgesehen, in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden. Die dritte Elektrode ist dazu vorgesehen, in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt zu werden.
Das Verfahren umfasst ein Betreiben 22 der elektrochemischen Brennstoffzelle alternativ in dem Regelbetriebsmodus oder in dem Wartungsmodus. Dazu kann die elektrochemische Brennstoffzelle beispielsweise ein Kontrollmodul umfassen, das ausgebildet ist, um die elektronische Brennstoffzelle alternativ in dem Regelbetriebsmodus oder in dem Wartungsmodus zu betreiben, d.h. der Betrieb der elektronischen Brennstoffzelle in dem Regelbetriebsmodus oder in dem Wartungsmodus kann durch das Kontrollmodul bewirkt werden.
Das Verfahren umfasst ferner ein Einstellen 24, in einer ersten Phase des Wartungsmodus, eines ersten Potentials der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode. Das Verfahren umfasst ferner ein Einstellen 26, in einer zweiten Phase des Wartungsmodus, eines zweiten Potentials der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode. Dabei kann das Einstellen der Potentiale ähnlich wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben durchgeführt werden.
Der Wartungsmodus kann zudem zwei zeitliche Abschnitte aufweisen, einen ersten und einen zweiten zeitlichen Abschnitt. Der erste zeitliche Abschnitt kann dafür vorgesehen sein, eine Oxidschicht (etwa eine Platinoxidschicht) und/oder eine Hydroxidschicht (etwa eine Platinhydroxidschicht) der ersten Elektrode zu erneuern. Der zweite zeitliche Abschnitt kann dafür vorgesehen ein, eine Oxidschicht (etwa eine Platinoxidschicht) und/oder eine Hydroxidschicht (etwa eine Platinhydroxidschicht) der zweiten Elektrode zu erneuern. Die beiden zeitlichen Abschnitte können jeweils die erste Phase und die zweite Phase umfassen. In anderen Worten kann das Verfahren ein Durchführen einer Erneuerung einer Oxidschicht und/oder einer Hydroxidschicht der ersten Elektrode durch Durchführen der ersten Phase und der zweiten Phase in einem ersten Zeitabschnitt umfassen. Das Verfahren kann ein Durchführen einer Erneuerung einer Oxidschicht und/oder einer Hydroxidschicht der zweiten Elektrode durch Durchführen der ersten Phase und der zweiten Phase in einem zweiten Zeitabschnitt umfassen. Eine Reihenfolge der zeitlichen Abschnitte kann beliebige gewählt werden, d.h. der erste zeitliche Abschnitt kann zeitlich vor dem zweiten zeitlichen Abschnitt stattfinden, oder der zweite zeitliche Abschnitt kann zeitlich vor dem ersten zeitlichen Abschnitt stattfinden.
Mehr Details und Aspekte des Verfahrens werden in Verbindung mit dem Konzept oder Beispielen genannt, die vorher oder nachher (z.B. 1) beschrieben werden. Das Verfahren kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale umfassen, die ein oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder der beschriebenen Beispiele entsprechen, wie sie vorher oder nachher beschrieben wurden.
Zumindest manche Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zur Regeneration der Katalysator-Oberfläche einer Brennstoffzelle (etwa der elektrochemischen Brennstoffzelle der 1 und/oder 2) zur Erhöhung der Empfindlichkeit auf Atemalkohol unter Zuhilfenahme einer temporär zugeschalteten Hilfselektrode (der dritten Elektrode).
Atemalkoholmessgeräte sind weltweit im Einsatz. Diese Geräte enthalten häufig eine elektrochemische Brennstoffzelle zur Messung des Ethanolgehalts im Atem. Durch die Verwendung des coulometrischen Verfahrens kann bei exakter Probenmenge die Atemalkoholkonzentration eines Probanden bestimmt werden. Die Geräte sind neben dem Zielgas Ethanol teilweise auch anderen Stoffen (organische Verbindungen im Atem, Zigarettenrauch etc.) ausgesetzt. Aus diesem Grunde kann die Brennstoffzelle in regelmäßigen Abstanden gegen einen bekannten Ethanol-Standard neu kalibriert werden, um die vorgegebenen Anforderungen weiterhin zu erfüllen. Meistens wird ein Kalibrierintervall von 3-12 Monaten gewählt, um eine möglichst hohe Genauigkeit des Messsystems zu gewährleisten.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die elektrochemische Brennstoffzelle, welche zur Messung des Ethanols im menschlichen Atem eingesetzt wird, durch eine temporär zugeschaltete Elektrode so regeneriert werden kann, dass die elektrochemische Katalysator-Oberfläche wieder sehr selektiv und sensitiv auf Ethanol im Atem reagiert.
Ausführungsbeispiele schaffen somit auch eine Elektrochemische Brennstoffzelle (2 - Elektrodensensor mit Messelektrode und Gegenelektrode) zur Messung von Atemalkohol, mit zusätzlicher dritter Hilfselektrode, die (nur) bei der Regeneration der Messelektrode und / oder Gegenelektrode verwendet wird.
Beim Betrieb des Sensors im Gerät können Nebenprodukte der Alkoholoxidation sowie weitere Substanzen aus der Umgebungsluft auf der Platin - Oberfläche der Gegen - und der Messelektrode adsorbiert werden. Weiterhin bildet sich auf den Platin-Oberflächen eine Oxidschicht oder Hydroxidschicht aus, welche die Alkoholumsetzung beeinflussen kann. Die Oberflächen der Mess- und Gegenelektrode können regeneriert werden, indem die Platinoxid- oder Platinhydroxidschichten elektrochemisch zum Metall reduziert und anschließend neu gebildet werden.
Durch die Regeneration des elektrochemischen Sensors kann die Empfindlichkeit auf Ethanol wieder erhöht werden, so dass in manchen Ausführungsformen hohe Kalibrierintervalle erreicht werden können.
Irreversible Adsorption von Nebenprodukten als Folge der Ethanol-Oxidation und Veränderungen der Oxid- und Hydroxidschicht auf der Oberfläche des Katalysators führen u.a. zu einer Abnahme der Empfindlichkeit des Sensors. In manchen Systemen gilt die Kalibrierung als einziges Mittel zur Erhaltung der Genauigkeit des Sensors auf Ethanol nach einer bestimmten Betriebszeit. Eine temporär zugeschaltete Hilfselektrode kann die Oxidschicht über einen regenerativen Prozess erneuern und adsorbierte Spezies von der Oberfläche entfernen. Durch eine Brennstoffzelle mit einer zusätzlichen temporär geschalteten Hilfselektrode kann durch Regeneration der Katalysatorschicht die Stabilität der Empfindlichkeit deutlich erhöht werden. Dies ermöglicht eine Verlängerung der Lebensdauer und damit einhergehend die Verbesserung der Stabilisierung des elektrochemischen Systems.
Zur Regeneration der Gegenelektrode wird der Sensor beispielsweise vom 2 - Elektrodenbetrieb in den 3 - Elektrodenbetrieb umgeschaltet. Die Elektrode, die im 2 - Elektrodenbetrieb als Messelektrode fungiert, wird als Bezugselektrode verwendet. Die Gegenelektrode wird als Messelektrode betrieben und die zusätzliche dritte Hilfselektrode wird als Gegenelektrode verwendet. An der im Regenerationsbetrieb als Messelektrode verwendeten Gegenelektrode wird über einen Zeitraum von 1-10 min ein Potential eingestellt, bei dem das Platinoxid bzw. -Hydroxid auf der Oberfläche zum Metall reduziert wird. Anschließend wird durch Polarisation auf 0 mV oder auch andere Potentiale (z.B. -50 mV, +75 mV usw.; gegen die Bezugselektrode) die Oxid- bzw. Hydroxidschicht wieder aufgebaut. Danach wird die dritte Hilfselektrode wieder abgeschaltet und der Sensor zur weiteren Messung von Alkohol als Brennstoffzelle mit 2 Elektroden weiter betrieben.
Zur Regeneration der Messelektrode wird der Sensor vom 2 - Elektrodenbetrieb in den 3 - Elektrodenbetrieb umgeschaltet. Die Elektrode, die im 2 - Elektrodenbetrieb als Gegenelektrode fungiert, wird als Bezugselektrode verwendet. Die Messelektrode wird weiter als Messelektrode betrieben und die zusätzliche dritte Hilfselektrode wird als Gegenelektrode verwendet. An der Messelektrode wird über einen Zeitraum von 1-10 min ein Potential eingestellt, bei dem das Platinoxid- bzw. Hydroxid auf der Oberfläche zum Metall reduziert wird. Anschließend wird durch Polarisation auf 0 mV oder auch andere Potentiale (z.B. -50 mV, +75 mV usw.; gegen die Bezugselektrode) die Oxid- bzw. Hydroxidschicht wieder aufgebaut. Danach wird die dritte Hilfselektrode wieder abgeschaltet und der Sensor zur weiteren Messung von Alkohol als Brennstoffzelle mit 2 Elektroden weiter betrieben.
Während des Betriebes im Gerät kann das System als bekanntes Brennstoffzellensystem mit hoher Sensitivität und Selektivität auf Ethanol betrieben werden. Die Hilfselektrode (3. Elektrode) ist im Falle eines 2-Elektroden-Systems im Gegensatz zu allen anderen amperometrischen Systemen nicht dauerhaft betrieben.
Eine Kalibrierung kann weiterhin in regelmäßigen Abstanden erfolgen, da ein regelmäßiger Abgleich mit einem Standard erfolgen sollte. Die Zelle wird in Ausführungsbeispielen dabei aber deutlich länger stabil bleiben.
Die vorliegende Offenbarung konzentriert sich auf die Aktivität der Platinelektrode und die Rückgewinnung der Empfindlichkeit.
Alternativ kann auch die Messelektrode eines 3 - Elektrodenalkoholsensors regeneriert werden. An der Messelektrode wird über einen Zeitraum von 1-10 min ein Potential eingestellt, bei dem das Platinoxid- bzw. Hydroxid auf der Oberfläche zum Metall reduziert wird. Anschließend wird durch Polarisation auf 0 mV oder auch andere Potentiale (z. B. -50 mV, +75 mV usw.; 'gegen die Bezugselektrode) die Oxid- bzw. Hydroxidschicht wieder aufgebaut.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9057691 B2 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Arbeit von Easton et al. (Sensors & Actuators B: Chemical, 228 (2016) 448-457 [0005]

Claims

Elektrochemische Brennstoffzelle (10) zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem, die elektrochemische Brennstoffzelle umfassend eine erste Elektrode (1), eine zweite Elektrode (2) und eine dritte Elektrode (3), dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Elektrode (1) dazu vorgesehen ist, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden, die zweite Elektrode (2) dazu vorgesehen ist, in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden, und die dritte Elektrode (3) dazu vorgesehen ist, in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt zu werden.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die elektrochemische Brennstoffzelle (10) in dem Regelbetriebsmodus eine zwei-Elektroden-basierte elektrochemische Brennstoffzelle ist, wobei die dritte Elektrode (3) dazu vorgesehen ist, in dem Regelbetriebsmodus ungenutzt zu bleiben.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die elektrochemische Brennstoffzelle (10) in dem Regelbetriebsmodus eine drei-Elektroden-basierte elektrochemische Brennstoffzelle ist, wobei die dritte Elektrode (3) in dem Regelbetriebsmodus dazu vorgesehen ist, als Bezugselektrode genutzt zu werden.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend ein Kontrollmodul (4), wobei das Kontrollmodul ausgebildet ist, um in einer ersten Phase des Wartungsmodus ein erstes Potential der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode einzustellen, und wobei das Kontrollmodul ausgebildet ist, um in einer zweiten Phase des Wartungsmodus ein zweites Potential der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode einzustellen.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4, wobei die erste Elektrode (1) und die zweite Elektrode (2) eine Platinoberfläche aufweisen, wobei das erste Potential dazu geeignet ist, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht auf der Platinoberfläche der ersten Elektrode (1) oder der zweiten Elektrode (2) zumindest teilweise zu Platin zu reduzieren, wobei das zweite Potential dazu geeignet ist, um eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht auf der Platinoberfläche der ersten Elektrode (1) oder der zweiten Elektrode (2) zu regenerieren.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Wartungsmodus einen ersten zeitlichen Abschnitt aufweist, der dafür vorgesehen ist, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht der ersten Elektrode (1) zu erneuern, und wobei der Wartungsmodus einen zweiten zeitlichen Abschnitt aufweist, der dafür vorgesehen ist, eine Platinoxidschicht und/oder eine Platinhydroxidschicht der zweiten Elektrode (2) zu erneuern, wobei die beiden zeitlichen Abschnitte jeweils die erste Phase und die zweite Phase umfassen.
Die elektrochemische Brennstoffstelle gemäß Anspruch 6, wobei die erste Elektrode (1) dazu vorgesehen ist, in dem ersten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Messelektrode und in dem zweiten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Bezugselektrode genutzt zu werden, wobei die zweite Elektrode (2) dazu vorgesehen ist, in dem ersten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Bezugselektrode und in dem zweiten zeitlichen Abschnitt des Wartungsmodus als Messelektrode genutzt zu werden.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der erste zeitliche Abschnitt zeitlich vor dem zweiten zeitlichen Abschnitt stattfindet, oder wobei der zweite zeitliche Abschnitt zeitlich vor dem ersten zeitlichen Abschnitt stattfindet.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die erste Phase zwischen 1 min und 10 min andauert.
Die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das erste Potential zwischen -400 mV und -700 mV beträgt, und/oder wobei das zweite Potential zwischen -100 mV und +100 mV beträgt.
Atemalkoholmessgerät (100) umfassend die elektrochemische Brennstoffzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren (20) zur Wartung einer elektrochemischen Brennstoffzelle zur Messung von Ethanol in menschlichem Atem, wobei die elektrochemische Brennstoffzelle eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode, umfasst, wobei die erste Elektrode dazu vorgesehen ist, in einem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode und in einem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden, wobei die zweite Elektrode dazu vorgesehen ist, in dem Regelbetriebsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode und in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Messelektrode oder Bezugselektrode genutzt zu werden, wobei die dritte Elektrode dazu vorgesehen ist, in dem Wartungsmodus der elektrochemischen Brennstoffzelle als Gegenelektrode genutzt zu werden, das Verfahren umfassend: Betreiben (22) der elektrochemischen Brennstoffzelle alternativ in dem Regelbetriebsmodus oder in dem Wartungsmodus, Einstellen (24), in einer ersten Phase des Wartungsmodus, eines ersten Potentials der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode; und Einstellen (26), in einer zweiten Phase des Wartungsmodus, eines zweiten Potentials der Messelektrode gegenüber der Bezugselektrode.