DE112004001730B4

DE112004001730B4 - Vorrichtung mit Brennstoffzelle und Verwendung zum Testen des Atems auf Alkohol

Info

Publication number: DE112004001730B4
Application number: DE112004001730.0T
Authority: DE
Inventors: David J. Bayer; Rankine M. Forrester
Original assignee: Alcotek Inc; Intoximeters Inc
Current assignee: Alcotek Inc; Intoximeters Inc
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2024-09-18
Also published as: CN100438164C; WO2005029619A8; CA2538604A1; US20070154765A1; GB0604849D0; DE112004001730T5; CA2538604C; US7855027B2; WO2005029619A1; CN1871729A; GB2420442A; GB2420442B

Abstract

Eine Brennstoffzellenanordnung (102) umfasst eine Brennstoffzelle (104), ein Brennstoffzellengehäuse (106, 108) und eine Membran (170). Das Brennstoffzellengehäuse umfasst eine Endwand und eine sich durch die Endwand erstreckende Einlassmündung (122). Die Einlassmündung dient dazu, eine Atemprobe in das Gehäuse zu lassen. Die Membran ist in dem Gehäuse derart befestigt, dass ein Hohlraum (110) zwischen dem Gehäuse und der Membran definiert wird. Die Brennstoffzelle ist in dem Hohlraum positioniert im Wesentlichen konzentrisch in Bezug auf die Einlassöffnung ausgerichtet.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität zu und den Vorteil von der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/504,448 vom 19. September 2003, die hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1. Eine gattungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist aus der WO 93/05393 A1 bekannt.
Die gattungsgemäße Anordnung hat ein Brennstoffzellengehäuse mit einer an deren Spitzte vorgesehenen Einlassöffnung, wobei diese mit einer eine Brennstoffzelle enthaltenden kommuniziert. Ein Kolben ist in einem Zylinder montiert. Während des Betriebes wird ein Druckknopf nach Art eines Kugelschreibers gedrückt und eine Feder verschiebt den Kolben in eine derartige Richtung, so dass Luft durch die Öffnung in die Brennstoffzellenkammer gesaugt wird. Der Zylinder in dem der Kolben montiert ist, ist über eine Röhre mit der Brennstoffzellenkammer verbunden.
Eine weitere Brennstoffzellenanordnung ist beispielsweise aus der US 4 749 553 A bekannt.
Gemäß einem nebengeordneten Aspekt, betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 24. Eine gattungsgemäße Anordnung ist ebenso aus der WO93/05393 A1 bekannt. Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung solcher Anordnungen nach Anspruch 23 bzw. 36.
Atemtestvorrichtungen umfassen oftmals eine Probenanordnung, eine Brennstoffzellenanordnung und Elektronik/Software zum Bestimmen der Alkoholmenge in einer Probe auf der Basis eines durch eine Brennstoffzelle erzeugten Signals. Insbesondere dient die Probenanordnung dazu, ein kontrolliertes Volumen einer Atemprobe zu der Brennstoffzellenanordnung zu führen, wobei die Brennstoffzelle ein Signal erzeugt, das die Alkoholmenge in der zugeführten Probe angibt. Die Brennstoffzelle muss schnell und vollständig auf die Einführung einer Alkoholprobe mit einem kontrollierten Volumen reagieren und Elektroden mit einer wiederholbaren Antwort auf die Reaktion mit dem Alkohol erzeugen. Die Anzahl der erzeugten Elektroden ist proportional zu der Konzentration des durch die Reaktion verbrannten Alkohols. Das durch die Brennstoffzelle erzeugte Signal wird durch die Elektronik/Software verarbeitet, um die Alkoholkonzentration zu bestimmen.
Wenigstens einige bekannte Probeanordnungen umfassen eine Pumpe, die mit der Brennstoffzellenanordnung über ein Rohr verbunden ist. Die Pumpe zieht eine Atemprobe in das Brennstoffzellengehäuse durch eine Probenmündung, über die Fläche der Brennstoffzelle und aus der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses durch die Pumpe in die Umgebungsluft. Andere bekannte Probeanordnungen umfassen einen Zylinder und einen Kolben, der direkt mit der Brennstoffzellenanordnung verbunden ist. Bei derartigen Konfigurationen sind die Probenanordnung und die Brennstoffzellenanordnung in einer Flusskommunikation über eine kleine Öffnung derart miteinander verbunden, dass der Kolben eine Atemprobe in die Brennstoffzelle durch eine Probenmündung und durch die kleine Öffnung in den Zylinder zieht. Insbesondere umfasst die Brennstoffzellenanordnung bei einer derartigen Konfiguration zwei Mündungen und wird deshalb gelegentlich als Bypassanordnung bezeichnet.
Bei einigen bekannten Bypasssystemen kann es jedoch aufgrund des Pumpen- oder Kolbenbetriebs schwierig sein, sicherzustellen, dass jedes Mal ein konsistentes und annähernd gleiches Volumen aufgenommen wird. Bei einigen Bypasssystemen kann es darüber hinaus schwierig sein, sicherzustellen, dass 100% des Alkohols in der Probe während einer Messung durch die Brennstoffzelle verbrannt wird. Dabei kann ein ursprünglich an der Brennstoffzelle vorbei geführter und jetzt durch die Brennstoffzelle hindurchgehender Alkohol nach einer Rücksetzung eine neue Reaktion in der Brennstoffzelle starten und damit die Zeit zwischen aufeinander folgenden Tests verlängern.
Bei einer anderen bekannten Konfiguration ist die Probenanordnung direkt mit der Brennstoffzellenanordnung verbunden, wobei die Probenanordnung ein bewegliches Element wie etwa eine Membrane umfasst. Wenn die Probenanordnung an der Brennstoffzellenanordnung befestigt wird, funktioniert die Membrane als bewegliche Wand für das Brennstoffzellengehäuse. Wenn sich die Membrane also in einer Richtung bewegt, wird eine Atemprobe in die Brennstoffzellenanordnung aber nicht durch dieselbe gezogen. Dieser Typ von Anordnung, bei der die Brennstoffzellenanordnung nur eine Mündung aufweist, wird manchmal als Sackgassensystem bezeichnet.
Wenn bei wenigstens einigen bekannten Sackgassensystemen Membranen verwendet werden, nimmt die Membrane in der „Probenposition“ ihre natürliche Form an, sodass wenn sich die Membrane in der Rücksetzposition befindet, je nach dem Material der Membrane Spannungen in der Membrane auftreten können. Über die Zeit hinweg können derartige Spannungen die Form der Rücksetzmembrane verändern, wodurch die Langzeit-Kalibrierung der Probenanordnung beeinträchtigt werden kann.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist eine Anordnung angegeben. Die Anordnung umfasst ein Brennstoffzellengehäuse, eine Brennstoffzelle und ein Stellglied. Das Brennstoffzellengehäuse weist eine sich durch dasselbe erstreckende zentrale Linie auf und umfasst eine Einlassmündung, die sich durch das Gehäuse erstreckt und konzentrisch mit demselben ausgerichtet ist. Die Brennstoffzelle ist in dem Hohlraum derart positioniert, dass die Brennstoffzelle im wesentlichen konzentrisch mit dem Gehäuse ausgerichtet ist. Die Brennstoffzelle umfasst eine Öffnung, die sich durch dieselbe erstreckt und konzentrisch in Bezug auf die Brennstoffzelle ausgerichtet ist, um eine Atemprobe in das Gehäuse zu lassen. Das Stellglied ist entfernbar mit dem Gehäuse verbunden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Brennstoffzellengehäuseanordnung angegeben. Die Brennstoffzellengehäuseanordnung umfasst ein Brennstoffzellengehäuse, in dem ein Hohlraum definiert ist, und eine Brennstoffzelle mit einer Außenfläche, einer Innenfläche und einer sich dazwischen erstreckenden Öffnung. Die Öffnung ist im wesentlichen konzentrisch mit der Brennstoffzelle ausgerichtet, damit eine Atemprobe in den Hohlraum gezogen und im wesentlichen gleichmäßig über die Brennstoffzelle verteilt werden kann.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften bekannten Bypass-Probensystems, das in Verbindung mit einer Atemtestvorrichtung verwendet werden kann.
2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines anderen bekannten Bypass-Probensystems, das in Verbindung mit einer Atemtestvorrichtung verwendet werden kann.
3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften bekannten Sackgassen-Probensystems, das in Verbindung mit einer Atemtestvorrichtung verwendet werden kann.
4 ist eine Explosionsansicht eines beispielhaften Probensystems.
5 ist eine vergrößerte perspektivische Rückansicht auf einen Teil des Probensystems von 4.
6 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines montierten Teils des Probensystems von 4.
7 ist eine Querschnittansicht des Probensystems von 4 in einem Proben-Betriebsmodus.
8 ist eine Querschnittansicht des Probensystems von 4 und 5 in einem Rücksetz-Betriebsmodus.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Auf dem Gebiet von Atemtestvorrichtungen können verschiedene Entwurfsanforderungen die Leistung der Atemtestvorrichtung beeinflussen. Zum Beispiel wird bei der Wahl einer Atemtestvorrichtung auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Unempfindlichkeit gegenüber Hochfrequenzstörungen, Verarbeitungsgeschwindigkeit und energiesparenden Betrieb geachtet. Andere Faktoren sind zum Beispiel die erforderliche Zeitspanne zwischen aufeinander folgenden Tests (auch als Testzykluszeit bezeichnet) und die langfristige Kalibrierungsstabilität. Die Hersteller versuchen allgemein, einen optimalen Kompromiss zwischen den verschiedenen Entwurfsanforderungen finden.
Brennstoffzelle und Gasprobenkammer
Brennstoffzellen mit Probenanordnungen können allgemein als Batterien betrachtet werden, die elektrische Energie aus einem Brennstoff erzeugen. In einer Messanwendung sollte das gemessene Volumen des Brennstoffs so schnell wie möglich verbrannt werden, wobei die die Elektroden erzeugende Reaktion ebenfalls so schnell wie möglich abgeschlossen werden sollte. Weiterhin sollten die Alkoholmoleküle ihre chemische Umwandlung gleichzeitig beginnen, wenn die Probe eingeführt wird. Ansonsten beginnen einige Moleküle später mit ihrer Reaktion als die anderen Moleküle, wodurch die zum Abschluss der Gesamtreaktion erforderliche Zeit verlängert wird.
Die Effizienz und die Zweckdienlichkeit der chemischen Umwandlung von Alkoholmolekülen kann von der Höhe des Gasraums in einer Brennstoffzellenanordnung abhängen. Während des Atemtests befindet sich die Atemprobe in dem Gasraum. Dementsprechend sorgt ein kleinerer Gasraum dafür, dass jedes Alkohohlmolekül in der Atemprobe eine Gelegenheit dazu erhält, die Elektrodenoberfläche so schnell wie jedes andere Molekül zu kontaktieren, wenn die Atemprobe von einer Probeneinlassmündung her in den Gasraum der Brennstoffzelle eintritt. Bekannte Brennstoffzellenanordnungen sollten deshalb eine möglichst geringe Gasraumhöhe aufweisen.
Wegen der Ausrichtung der Brennstoffzelle in der Brennstoffzellenanordnung wird gewöhnlich der Teil der Brennstoffzelle, der der Probeneinlassmündung am nächsten ist, allgemein zu 100% der Zeit in Alkoholreaktionen einbezogen, während der am weitesten von dem Probeneinlassmündung entfernte Teil nicht vollständig genutzt wird. Um also derartigen Flusseffekten entgegenzuwirken, sind in wenigstens einigen bekannten Bypasssystem-Probeanordnungen Leitbleche in dem Atemproben-Flusspfad positioniert, um die Alkoholmoleküle in der Atemprobe gleichmäßiger über die Brennstoffzelle zu verteilen. Die bekannten Leitbleche können jedoch nicht die während des Testens genutzte Fläche der Brennstoffzelle vergrößern.
Feuchtigkeitsgehalt
Ein weiterer Entwurfsfaktor besteht darin, dass die Umgebungsluftfeuchtigkeit unerwünschte Probleme in der Brennstoffzellenanordnung verursachen kann, wenn diese in kontinuierlicher Kommunikation mit der internen Umgebung der Probenanordnung ist, die die Brennstoffzelle enthält. Allgemein werden Brennstoffzellen mit einem Elektrolyten hergestellt, der eine Konzentration aufweist, die annähernd im Gleichgewicht mit einer „durchschnittlichen“ relativen Umgebungsfeuchtigkeit ist (ungefähr 45% - 60%). Die Umgebung kann jedoch zu einem bestimmten Zeitpunkt von dieser durchschnittlichen relativen Feuchtigkeit zu einem Wert etwas über oder unter dem Durchschnitt abweichen. Weiterhin kann die relative Feuchtigkeit in einigen extremen Umgebungen von nahe 0% bis nahe 100% reichen. Daraus resultiert, dass die Brennstoffzelle entweder Feuchtigkeit „abgeben“ oder „aufnehmen“ möchte, wenn sich die Umgebungsfeuchtigkeit von dem Zellengleichgewicht unterscheidet und die zwei Umgebungen etwa über einen Probeneinlass kommunizieren.
Wenn Atemproben oder Nasssimulatorproben (beide mit annähernd 100% relativer Feuchtigkeit) in eine Brennstoffzelle eintreten und nach der Verbrennung des Alkohols ausgestoßen werden, kann eine gewisse Feuchtigkeitsmenge zu der Zelle hinzugefügt werden. Wenn entsprechend eine Trockengasprobe (mit annähernd 0% relativer Feuchtigkeit) in eine Brennstoffzelle eintritt und danach ausgestoßen wird, kann eine kleine Feuchtigkeitsmenge aus der Brennstoffzelle entfernt werden. Diese beiden Typen von Proben gleichen einander allgemein weitgehend aus, so dass gewöhnlich keine Probleme entstehen, die denjenigen entsprechen, die durch die langfristigen Auswirkungen des Umgebungsgleichgewichts verursacht werden können. Große Änderungen im Feuchtigkeitsgehalt des Elektrolyten der Brennstoffzellen können einen Ausfall der Brennstoffzelle zur Folge haben, die Reaktion der Brennstoffzelle verlangsamen, eine langfristige Kalibrierungsabweichung verstärken und/oder ungenaue Lesungen verursachen.
Um die Auswirkungen eines relativ instabilen Feuchtigkeitsgehalts zu reduzieren, werden mehrere bekannte Ansätze angewendet. Gemäß einem Ansatz wird die Größe des Einlasslochs zu der Brennstoffzelle, durch das Atemproben zu dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle hindurchgehen müssen, minimiert. Diese Einlasslöcher sind gewöhnlich zwischen den Tests gedichtet. Indem die Einlasslöcher so klein wie möglich ausgebildet werden, bildet das Einlassloch während der Ruhezeiten zwischen den Tests nur einen kleinen Diffusionspfad für den Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Brennstoffzelle und der Umgebung. Änderungen in dem atmosphärischen Umgebungsdruck können tatsächlich einen Luftstrom zwischen der Brennstoffzelle und der Umgebung erzeugen und auch einen Feuchtigkeitsaustausch verursachen. Wenn jedoch das Probeneinlassloch zu klein ist, erhöht sich das Risiko, dass der Einlass während kalten Kondensationsbedingungen zufriert. Außerdem ist bei einem kleineren Einlassloch eine längere Zeitdauer für das Eintreten der Atemprobe in die Zelle erforderlich, wobei auch mehr Leistung benötigt wird, um eine Atemprobe durch das Loch zu ziehen. Außerdem kann die Diffusion durch ein kleines Einlassloch noch zu dem Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Brennstoffzelle und der Umgebung beitragen.
Um die Auswirkungen eines sich radikal verändernden Feuchtigkeitsgehalts abzuschwächen, wurden andere bekannte Brennstoffzellengehäuse aus Materialien hergestellt, die Eigenschaften einer niedrigen Wasserdurchlässigkeit aufweisen. Insbesondere verhindern derartige Materialien allgemein die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit. Derartige Materialien erhöhen jedoch allgemein die Gesamtmontagekosten für die Probenanordnung.
Ein weiterer bekannter Ansatz, der angewendet wird, um die Effekte des Feuchtigkeitsgehalts zu reduzieren, besteht darin, den Einlass mit einem Rand der flexiblen Membran zu schließen, die auch als Hauptelement des Probenmechanismus dient. Weil sich jedoch die Einlassdichtung am Rand der Membran befindet, wo nur eine geringe direkte Kraft zum Öffnen des Einlasses ausgeübt werden kann, können Saugkräfte ein Öffnen des Einlasses für die nächste Atemprobe verhindern.
Kontrolle des Probenvolumens
Der Betrieb der Atemtestvorrichtung kann auch von der Kontrolle des Probenvolumens in der Probenanordnung abhängig sein. Zum Beispiel wird in einem mechanischen Probensystem ein bewegliches Element wie etwa ein Kolben, eine Membrane oder ein anderes Stellglied von einer „Start“-Position zu einer „End“-Position bewegt und dadurch eine Atemprobe in das Gasraumvolumen der Brennstoffzelle für die Messung gezogen. Wie in dem US-Patent 5,291,898 A beschrieben, sollte das bewegliche Element idealerweise jedes Mal an der exakt gleichen Position starten und enden, um sicherzustellen, dass das gleiche Gasvolumen während jedes Testvorgangs geprüft wird. Insbesondere stellen in wenigstens einigen bekannten Probenanordnungen starre mechanische Stopps in jeder Richtung sicher, dass jedes Mal das gleiche Gasvolumen geprüft wird. Außerdem sollten die Auswirkungen eines mechanischen Verschleißes über die Zeit minimiert werden, sodass das Volumen der Probe annähernd konsistent bleibt. Diese Voraussetzungen gelten sowohl für ein Sackgassen-System als auch für ein Bypass-System. Nach einer Messung kehrt der Mechanismus zu der „Start“-Position zurück, um für die nächste Probe bereit zu sein.
Bekannte Bypass-Systeme, die einen Kolben und eine Kurbelwelle verwenden, können jedoch schwer konfiguriert werden, um sicherzustellen, dass jedes Mal ein konsistentes und gleiches Volumen abgetastet wird. Dementsprechend werden bei bekannten Bypass-Systemen mit einem Kolben aufgrund der in einer Richtung erfolgenden Drehbewegung der Kurbel allgemein Sensoren verwendet, um die Bewegung des Kolbens zu starten und zu stoppen. Derartige Sensoren erhöhen allgemein die Kosten und die Komplexität der Brennstoffanordnung. Bei Pumpen wird allgemein die Dauer der Laufzeit verwendet, um das durch den Gasraum der Brennstoffzelle gepumpte Volumen zu bestimmen. In einigen Sackgassen-Systemen bildet die flexible Membrane tatsächlich eine bewegliche Wand in der Brennstoffanordnung und definiert auf diese Weise das Gasraumvolumen in der Brennstoffzelle. In der „Start“-Position wird das Gasraumvolumen über der Brennstoffzelle minimiert, sodass die „End“-Position während des Testens möglichst nahe an der Brennstoffzelle bleiben kann. Insbesondere sollte die „End“-Position eine beträchtliche Vergrößerung des Gasraumvolumens über der Brennstoffzelle bewirken, wobei die Höhe des Volumens über der Brennstoffzelle in der „End“-Position idealerweise minimiert werden sollte, um die Alkoholmoleküle möglichst nahe an der aktiven Oberfläche zu halten. Bei Bypass-Systemen (ohne bewegliche Wand) wird ein konstantes Gasraumvolumen über der Brennstoffzelle aufrechterhalten.
Verbrennung der Probenmoleküle
Wie in dem US-Patent Nr. 4,487,055 A beschrieben, stellt eine andere Entwurfsanforderung sicher, dass 100% des Alkohols in der Atemprobe während der Testmessung durch die Brennstoffzelle verbrannt werden. Bekannte Bypass-Systeme können unter Umständen nicht sicherstellen, dass 100% des Alkohols in der Probe während einer Messung durch die Brennstoffzelle verbrannt werden. Insbesondere beim Rücksetzen wird die ursprünglich an der Brennstoffzelle vorbei geführte Menge der Probe durch die Brennstoffzellenkammer und zurück durch das Einlassloch geblasen. Der ursprünglich an der Brennstoffzelle vorbei geführte Alkohol kann tatsächlich eine neue Reaktion in der Brennstoffzelle starten, wenn der vorbei geführte Alkohol beim Rücksetzen des Systems über die Brennstoffzelle zurückgeführt wird. Die zusätzlichen Reaktionen verlängern die Zeitspanne zwischen aufeinander folgenden Tests.
Allgemein sollte unabhängig von der verwendeten Probenanordnung in Atemtestvorrichtungen kein Probenbypass des Alkohols erfolgen, sodass kein verbleibender Alkohol während des Rücksetzens oder Rückführens des mechanischen Probensystems erneut in die Brennstoffzelle eingeführt werden kann. Ein derartiger „Bypass-Alkohol“ veranlasst das unerwünschte Starten und/oder Abschließen einer zusätzlichen Reaktion in der Brennstoffzelle, wodurch die Zeitspanne bis zur nächsten gültigen Messung verzögert wird.
Es wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um die Verbrennung des Alkohols in der Probe zu kontrollieren. Zum Beispiel wird in wenigstens einigen bekannten Atemtestvorrichtungen die Atemprobe durch die Brennstoffanordnung in nur einer Richtung an der Brennstoffzelle vorbei gezogen, wobei die Probe in die Brennstoffzelle eintritt, aus der Brennstoffzelle austritt, in eine Pumpe eintritt und in einer allgemein linearen Richtung aus der Pumpe ausgestoßen wird. Bei derartigen Atemtestvorrichtungen kann es jedoch schwierig sein, sicherzustellen, dass die durch die Brennstoffzelle gezogene Probengröße jedes Mal im wesentlichen konstant ist.
In anderen bekannten Atemtestvorrichtungen wird ein Rücksetzmechanismus beinahe unmittelbar nach dem Eintreten einer Atemprobe in die Brennstoffzellenanordnung zurückgesetzt. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Probe bereits über die Probeneinlassmündung ausgestoßen werden kann, bevor die Reaktion in der Brennstoffzelle abgeschlossen ist. Dementsprechend kann es bei einem derartigen System schwierig sein, sicherzustellen, dass der an der Oberfläche der Brennstoffzelle haftende Prozentsatz des gesamten Alkohols in der Probe über die Zeit im wesentlichen konstant bleibt.
Wenn die Brennstoffzelle altert und Alkohol ausgesetzt wird, kann es länger dauern, bis die Alkoholmoleküle an der aktiven Oberfläche der Brennstoffzelle haften. In einem Bypass-System ändert sich die Anzahl der Alkoholmoleküle, die die Reaktion umgehen können, mit der Alterung der Brennstoffzelle. Dementsprechend kann die langfristige Kalibrierungsstabilität von derartigen Systemen beeinträchtigt werden.
Elektronik und Software
Allgemein gibt es zwei bekannte Verfahren zum Lesen des Brennstoffzellensignals mithilfe von Elektronik und Software. Das eine Verfahren wir als Spitzenverfahren bezeichnet, und das andere Verfahren wird als Integralverfahren bezeichnet. Es gibt verschiedene bekannte Softwareverfahren, die auf den grundlegenden Verfahren der Spitzen- oder Integrallesung beruhen, wobei diese verschiedenen Methoden versuchen, eine schnellere Endmessung ohne eine Verminderung der Messgenauigkeit zu erzielen.
Das Spitzenverfahren misst allgemein die Reaktionsrate, während das Integralverfahren die Gesamtanzahl der durch die Reaktion erzeugten Elektroden misst. Das Integralverfahren und der assoziierte Schaltungsaufbau bieten allgemein eine schnellere, genauere und stabilere Messung, wie in dem US-Patent Nr. 4,770,026 A beschrieben. Außerdem wird davon ausgegangen, dass die Genauigkeit des Integralverfahrens weniger leicht beeinträchtigt wird als bei denjenigen Verfahren, die versuchen, die Analysegeschwindigkeit zu beschleunigen. Unter den verschiedenartigen Bedingungen für den Einsatz einer Atemtestvorrichtung wie etwa Temperatur, Feuchtigkeit, Häufigkeit und Alter bietet das reine Integralverfahren langfristig eine höhere Messgenauigkeit. Entwurfsänderungen, die über die Probentechniken und den Aufbau der Brennstoffzelle vorgenommen werden können und zu der Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des reinen Integralverfahrens beitragen, können wichtige und zuverlässige Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik realisieren.
Heizen
Es ist allgemein bekannt, dass ein Heizen der Brennstoffzelle und der Probenanordnung in bestimmten Situationen vorteilhaft sein kann. Zum Beispiel kann ein Heizen der Brennstoffzelle zu einer effizienteren und schnelleren chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle führen. Ein Heizen gestattet auch allgemein, Probleme zu vermeiden, die mit einem Temperaturkoeffizienten des interessanten Signals aufgrund von Temperaturauswirkungen auf die Brennstoffzelle und/oder assoziierte mechanische und elektrische Teile bei variierenden Temperaturen assoziiert sein können.
Ein Heizen erfordert jedoch zusätzliche Leistung und kann die Lebensdauer der Batterie beschränken. Ein Heizen bedingt allgemein eine zusätzliche Aufwärmzeit für die Vorrichtung, die ansonsten nicht erforderlich wäre. Trotzdem verwenden wenigstens einige bekannte Systeme einen Scheiben- oder Halbleiterheizer, der mit einer Seite des Brennstoffzellengehäuses verbunden ist. Bei einem derartigen Aufbau können jedoch thermoelektrische Signale in der Brennstoffzelle aufgrund eines thermischen Gradienten in der Brennstoffzelle erzeugt werden. Derartige thermoelektrische Signale können die Genauigkeit der Brennstoffzelle beeinträchtigen.
Andere bekannte Systeme verwenden einen externen Heizer (Beutel oder Ständer), um die gesamte Atemtestvorrichtung zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Temperatur aufzuheizen. Derartige Heizer erfordern jedoch allgemein mehr Leistung als normalerweise in einer handgehaltenen Vorrichtung gewünscht ist, sodass Vorrichtungen mit derartigen Heizern gewöhnlich große Batterien oder eine externe Spannungsquelle wie etwa eine Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug oder Gebäude erfordern. Deshalb kann ein derartiger Heizer die Verwendungsfreiheit einer handgehaltenen Vorrichtung beschränken.
Ein gleichmäßiges Heizen der Brennstoffzellenanordnung und der Probenanordnung kann positive Ergebnisse erzielen, wobei das Heizen aber auch die Rate erhöht, mit der die Brennstoffzelle Feuchtigkeit an die Umgebung in einem System verliert, in dem die Brennstoffzelle zwischen den Tests nicht gegenüber der Umgebung gedichtet ist. Dieser Effekt kann etwas abgeschwächt werden, indem die Vorrichtung nur dann geheizt wird, wenn ein Test durchgeführt werden soll, wobei dadurch jedoch die Aufwärmzeiten vor dem Durchführen eines Tests verlängert werden.
1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Bypass-Probensystems 10, das in Verbindung mit einer Atemtestvorrichtung verwendet werden kann. 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines anderen bekannten Bypass-Probensystems 12, das in Verbindung mit einer Atemtestvorrichtung verwendet werden kann. 3 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften bekannten Sackgassen-Probensystems 14, das in Verbindung mit einer Atemtestvorrichtung verwendet werden kann. Die Probensysteme 10, 12 und 14 wurden mit Rücksicht auf viele der oben beschriebenen Entwurfsanforderungen entworfen, sodass sie auch unter vielen der oben beschriebenen Probleme leiden können.
Das Bypass-Probensystem 10 umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 16 einschließlich eines Gehäuses 20, das eine Brennstoffzelle 22 enthält, und eines Probenmechanismus 24. Der Probenmechanismus 24 umfasst eine Pumpe 26, die über ein Verbindungsrohr 28 mit einer Brennstoffzellenanordnung 16 verbunden ist. Während des Testens veranlasst der Betrieb der Pumpe 26, dass eine Atemprobe über eine Probenmündung 30 in einer Wand des Brennstoffzellengehäuses 20 in dasselbe gezogen wird. Insbesondere veranlasst die Pumpe 26, dass die Atemprobe über eine freiliegende Fläche der Brennstoffzelle 22 zu der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 20 gezogen wird. Die Atemprobe wird dann über das Rohr 28 in die Pumpe 26 gezogen, wo die Probe über eine Ausstoßmündung 32 aus der Probenanordnung 10 ausgestoßen wird.
Das Bypass-Probensystem 12 umfasst ebenfalls eine Brennstoffzellenanordnung 40 einschließlich eines Gehäuses 42, in dem die Brennstoffzelle 22 enthalten ist, und eines Probenmechanismus 44. Der Probenmechanismus 44 umfasst einen Zylinder 46 und einen Kolben 48, die mit der Brennstoffzellenanordnung 40 verbunden sind. Insbesondere ist der Probenmechanismus 44 über eine Öffnung 50 in einer Fluidkommunikation mit der Brennstoffzellenanordnung 40 verbunden. Während des Testens veranlasst der Betrieb des Kolbens 48, dass eine Atemprobe durch eine Probenmündung 49 in einer Seitenwand des Gehäuses 42 über die Brennstoffzelle 22 und durch die Öffnung 50 in den Zylinder 46 gezogen wird.
Das Sackgassen-Probensystem 14 umfasst einen Probenmechanismus 58 einschließlich eines beweglichen Elements 60 und eine Brennstoffzellen-Teilanordnung 62 einschließlich eines Gehäuses 64, in dem die Brennstoffzelle 22 enthalten ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist das bewegliche Element 60 eine Membrane. Der Probenmechanismus 58 ist derart mit der Brennstoffzellenanordnung 62 verbunden, dass die Membrane 60 als bewegliche Wand funktioniert, die das Brennstoffzellengehäuse 64 definiert. Wenn die Membrane 60 während des Testens in einer durch den Pfeil 66 angegebenen ersten Richtung bewegt wird, wird eine Atemprobe durch eine Probenmündung 68, die entlang einer Seitenwand des Gehäuses 64 ausgebildet ist, in die Brennstoffzellenanordnung 62 gezogen. Wenn die Membrane 60 in der durch den Pfeil 70 angegebenen entgegen gesetzten Richtung bewegt wird, wird die Atemprobe über die Mündung 68 aus dem Gehäuse 64 ausgestoßen.
4-8 zeigen verschiedene Aspekte eines beispielhaften Probensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist 4 eine Explosionsansicht des Probensystems 100 und ist 5 eine vergrößerte Rückansicht auf einen Teil des Probensystems 100. 6 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht auf einen montierten Teil des Probensystems 100, und 7 und 8 sind jeweils Querschnittansichten des Probensystems 100 in einem Proben-Betriebsmodus und in einem Rücksetz-Betriebsmodus. Wie in 4 gezeigt, ist das Probensystem 100 ein Sackgassen-Probensystem, das eine Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 und eine darin positionierte Brennstoffzelle 104 umfasst. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Gehäuseanordnung 102 eine mehrteilige Anordnung, die einen Basisteil 106 und einen Verbindungsteil 108 umfasst, die entfernbar derart miteinander verbunden sind, dass ein im wesentlichen luftdichter Hohlraum bzw. eine im wesentlichen luftdichte Kammer 110 in der Gehäuseanordnung 102 definiert ist. In einer Ausführungsform sind die Gehäusemontageteile 106 und 108 aus einem Kunststoffmaterial gegossen. Die Brennstoffzelle 104 und die Stützscheibe 111, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden, sind in dem Hohlraum 110 enthalten.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Gehäusebasisteil 106 eine Seitenwand 112, die sich von einer im wesentlichen kreisrunden Basis 114 erstreckt und diese umgibt. In alternativen Ausführungsformen ist die Basis 114 nicht-kreisrund und/oder eine Seitenwand 112, die sich nicht im wesentlichen senkrecht von der Basis 114 erstreckt. Dementsprechend weist in der beispielhaften Ausführungsform der Basisteil 106 einen Innendurchmesser DBI auf, der in Bezug auf eine Innenfläche 118 der Seitenwand 112 gemessen wird, sowie einen Außendurchmesser D_BO, der in Bezug auf eine Außenfläche 120 der Seitenwand 112 gemessen wird.
Die Seitenwand 112 ist mit einer im wesentlichen glatten Innenfläche 118 ausgebildet, die wie weiter unten ausführlicher beschrieben ermöglicht, dass der Gehäusebasisteil 106 entfernbar mit dem Gehäuseverbindungsteil 108 verbunden wird.
Ein hohles Einlassrohr 122 erstreckt sich durch die Basis 114. In der beispielhaften Ausführungsform weist das Einlassrohr 122 einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf und ist im wesentlichen konzentrisch in Bezug auf die Basis 114 ausgerichtet. Insbesondere erstreckt sich das Einlassrohr 122 in der beispielhaften Ausführungsform im wesentlichen konzentrisch derart durch die Basis 114, sodass sich ein radial inneres Ende 126 über eine Distanz d₁ (siehe 7) von einer Innenfläche 132 der Basis 114 nach innen erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Basis 114 einstückig mit dem Einlassrohr 122 ausgebildet. Das Einlassrohr 122 ermöglicht wie weiter unten ausführlicher beschrieben, dass eine Atemprobe für eine Reaktion in die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 eintritt. Außerdem wird nach der Analyse auch Luft aus dem Einlassrohr 122 ausgestoßen.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Gehäuseverbindungsteil 108 eine Seitenwand 140 mit einer Innenfläche 142, die einen Innendurchmesser D_CI definiert, und mit einer Außenfläche 144, die einen Außendurchmesser D_CO für den Verbindungsteil 108 definiert. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Außendurchmesser D_CO annähernd gleich dem Außendurchmesser D_BO des Gehäusebasisteils. In einer alternativen Ausführungsform ist der Außendurchmesser D_CO größer als der Außendurchmesser D_BO des Gehäusebasisteils. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Außendurchmesser D_CO kleiner als der Außendurchmesser D_BO des Gehäusebasisteils.
Eine bewegliche flexible Membran 170 ist entfernbar in dem Brennstoffzellen-Gehäusebasisteil 106 befestigt. Die Membrane 170 ist mit Ausnahme einer einzigen im wesentlichen kreisrunden Öffnung 171 kontinuierlich, sodass wenn die Membrane 170 in dem Brennstoffzellen-Gehäusebasisteil 106 festgeklemmt wird, die Membrane 170 einen luftdichten Hohlraum 110 in dem Gehäuseteil 106 und zwischen der Basis 114 und der Membrane 170 erzeugt. Insbesondere ist die Membrane 170 in der beispielhaften Ausführungsform im wesentlichen kreisrund und umfasst eine Basisseite 172 und eine gegenüberliegende Stellgliedseite 174. Alternativ hierzu kann die Membrane 170 kontinuierlich sein und keine Öffnungen wie etwa die Öffnung 171 aufweisen.
Die Membranen-Basisseite 172 ist mit Ausnahme der Öffnung 171 kontinuierlich, und die Membranen-Stellgliedseite 174 umfasst einen Rand 176 und eine im wesentlichen zylindrische Nabe 178. Der Rand 176 erstreckt sich von der Seite 174 nach außen und ermöglicht, dass die Membrane 170 in dem Gehäusebasisteil 106 befestigt wird. Und die Nabe 178 erstreckt sich von der Stellgliedseite 174 radial nach außen. Insbesondere sieht der Rand 176 ein flexibles Element vor, das eine Befestigung der Membrane 170 in dem Gehäusebasisteil 106 ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsform ist die Membranen-Basisseite 172 ebenfalls kontinuierlich, aber mit wenigstens einem Teil der Nabe 178 ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Membranennabe 178 im wesentlichen konzentrisch in Bezug auf die Membrane 170 ausgerichtet und mit einer Kerbe (nicht in 4 gezeigt) versehen, die die Verbindung der Membrane 170 mit einem Stellglied 184 unterstützt.
In der beispielhaften Ausführungsform ist ein flachköpfiger Stift 186 mit einer oberen Fläche 187 im wesentlichen konzentrisch durch die Membranenöffnung 171 eingesteckt. Der Stift 186 wird durch eine Presspassung in einer Vertiefung (nicht in 4 gezeigt) in einem Ende eines Läufers 189 des Stellglieds 184 gehalten. Insbesondere wenn der Stift 186 vollständig eingesetzt ist, schließt die Fläche 187 im wesentlichen bündig an die Membranen-Basisseite 172 an.
Ein Läufer 189 des Stellglieds wird durch einen vertieften Teil 192 gebildet, der den Läufer 189 in Nachbarschaft zu einem Ende 196 des Läufers 189 umgibt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Läufer 189 aus einem Eisenmaterial ausgebildet. In der beispielhaften Ausführungsform ermöglicht der Rahmen 197 des Stellglieds 184, dass das Stellglied 184 starr mit der Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 verbunden ist. Insbesondere wird in der beispielhaften Ausführungsform das Stellglied 184 während der Anordnung in den Verbindungsteil 108 pressgepasst und geklebt. In alternativen Ausführungsformen ist der Verbindungsteil 108 für die Verwendung mit anderen Stellgliedern und/oder anderen Betätigungseinrichtungen angepasst. In anderen alternativen Ausführungsformen sind der Verbindungsteil 108 und das Stellglied 184 beide starr an einem dritten Glied montiert. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Verbindungsteil 108 ein Lüftungsloch 198, das sicherstellt, dass ein in dem Verbindungsteil 108 definierter Hohlraum niemals gedichtet wird, um einen Druckaufbau zu verhindern, den die Bewegung Membrane 170 während des Testens überwinden müsste. In anderen alternativen Ausführungsformen ist das Stellglied 184 derart mit der Gehäuseanordnung 102 verbunden, dass der Hohlraum gelüftet bleibt und deshalb das Lüftungsloch 198 nicht erforderlich ist. In weiteren alternativen Ausführungsformen ist das Lüftungsloch 198 nicht in dem Verbindungsteil 108 ausgebildet, sondern derart positioniert, dass es eine Druckausübung auf den Hohlraum verhindert.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Stellglied 184 einen zylindrischen Aufnahmeteil 206, in dem der Läufer 189 von einem Ende 208 der Aufnahmeeinrichtung 206 zu dem anderen Ende 210 je nach der Richtung des Stromflusses durch eine elektrische Spule (nicht gezeigt) in dem Stellglied 184 bewegt werden kann. An der Basis des Aufnahmeteils 206 ist ein Permanentmagnet (nicht in 4 gezeigt) vorgesehen, der den Läufer 189 gegen einen Kopf 214 eines Stiftes 216 hält und einer Kraft entgegenwirkt, die durch eine sich verjüngende Kompressionsfeder 218 in der Probenposition wie in 7 gezeigt ausgeübt wird. Die Feder 218 ist immer etwas zwischen einer Fläche 220 des Stellglieds 184 und einer Scheibe 222 komprimiert. Die Scheibe 222 verhindert, dass das Ende 224 mit kleinerem Durchmesser der Feder 218 in oder um die Membranennabe 178 drückt gedrückt wird, während das Ende 230 mit größerem Durchmesser der Feder 218 in Kontakt mit der Stellgliedfläche 220 bleibt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Feder 218 nicht in einer sich verjüngenden Form vorgesehen.
Ein starrer Klemmring 240 erstreckt sich zwischen der Membrane 170 und der Brennstoffzelle 104. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Klemmring 240 ein Toroidkörper, der sich kontinuierlich entlang des Umfangs erstreckt. Der weiter unten ausführlicher beschriebene Klemmring 240 hält die Komponenten des Probensystems 100 zusammen. In der beispielhaften Ausführungsform und wie weiter unten ausführlicher beschrieben stellt der Klemmring 240 einen Freiraum für Brennstoffzelledrähte 250 sicher, die durch eine Bohrung 251 und kleine Öffnungen 262 in dem Gehäusebasisteil 106 aus der Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 austreten.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Brennstoffzelle 104 im wesentlichen kreisrund und umfasst eine Öffnung 252, die sich durch die Brennstoffzelle 104 erstreckt und im wesentlichen konzentrisch in Bezug auf die Brennstoffzelle 104 ausgerichtet ist. Alternativ hierzu ist die Öffnung 252 nicht im wesentlichen konzentrisch in Bezug auf die Brennstoffzelle 104 ausgerichtet. Weiterhin ist in der beispielhaften Ausführungsform die Stützscheibe 111 im wesentlichen kreisrund und umfasst eine sich im wesentlichen konzentrisch durch dieselbe erstreckende Öffnung 258. Die Öffnungen 252 und 258 sind dimensioniert, um das Einlassrohrende 126 aufzunehmen, sodass die Brennstoffzelle 104 gegen die Stützscheibe 111 positioniert werden kann, die wiederum gegen die Basisinnenfläche 132 positioniert sein kann und dabei das Einlassrohr 122 umgibt. Eine aktive Fläche der Brennstoffzelle 104 ist von der Richtung, in der die Atemprobe gezogen wird, abgewandt, sodass die Atemprobe von dem Zentrum der Brennstoffzelle 104 eintritt und sich im wesentlichen gleichmäßig zu der äußeren Peripherie der Brennstoffzelle 104 verteilt. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht den Aufbau der Brennstoffzelle 104 oder der Stützschicht 111 betrifft.
5 ist eine vergrößerte perspektivische Rückansicht auf einen Teil des Probensystems 100. Insbesondere ist 5 eine vergrößerte Rückansicht eines Brennstoffzellen-Gehäusebasisteils 106. Wie oben beschrieben, erstreckt sich das Einlassrohr 122 durch die Basis 114 (in 4 gezeigt), wobei in der beispielhaften Ausführungsform das Einlassrohr 122 einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist und im wesentlichen konzentrisch in Bezug auf die Basis 114 ausgerichtet ist. Insbesondere erstreckt sich in der beispielhaften Ausführungsform das Einlassrohr 122 im wesentlichen konzentrisch durch einen Buckel 260, der sich von der Außenfläche 133 der Basis 114 nach außen erstreckt. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Basis 114 keinen Buckel 260. Das Einlassrohr 122 weist eine Länge (nicht in 5 gezeigt) auf, die ermöglicht, dass sich ein radial äußeres Ende 264 des Rohrs 122 über eine Distanz (nicht in 5 gezeigt) von der Basisaußenfläche 133 nach außen erstreckt. Das radial äußere Ende 264 steht gewöhnlich in ein Mundstück oder ein anderes Übergangsstück vor, in dem das zu prüfende Gas vorhanden ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Basis 114 einstückig mit dem Buckel 260 und mit dem Einlassrohr 122 ausgebildet.
6 ist eine vergrößerte Ansicht auf einen montierten Teil des Probensystems 100. Insbesondere ist 6 eine perspektivische Montageansicht eines Läufers 189, der mit einer Membrane 170 verbunden ist. Während der Montage wird ein Spitzenteil 200 (in 4 gezeigt) des Läufers 189, der als die Fläche des Läufers 189 zwischen dem Läuferende 192 und dem vertieften Teil 196 (in 4 gezeigt) definiert ist, in die Membranennabe 178 eingesteckt, sodass der Spitzenteil 200 mit einer Kerbe (nicht in 6 gezeigt) in der Membranennabe 178 verbunden wird. Der vertiefte Teil 196 des Läufers ermöglicht, dass der Läufer 189 starr mit der Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 (in 4 gezeigt) in der Nabenkerbe verbunden wird, was weiter unten ausführlicher beschrieben wird. In einer Ausführungsform wird ein Kleber verwendet, um den Läufer 189 in der Nabe 178 zu befestigen. Weil in wenigstens einigen Ausführungsformen die Membranen-Basisseite 172 kontinuierlich ist, hat die Montage des Läufers keine Auswirkungen auf die Luftdichtigkeit des Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102. Insbesondere ist in der beispielhaften Ausführungsform die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 unabhängig von dem Stellglied 184 luftgedichtet.
Die Scheibe 122 erstreckt sich entlang des Umfangs des Läufers 189. Wenn das Probensystem 100 vollständig montiert ist, ist die Scheibe 222 zwischen der Feder 218 und der Membrane 170 positioniert. Insbesondere erstreckt sich die Scheibe 222 zwischen der Feder 218 und der Membrane 170, um zu verhindern, dass das Federende 224 in oder um die Membranennabe 178 gedrückt wird.
7 und 8 sind Querschnittansichten des Probensystems 100, das sich jeweils in einem Proben-Betriebsmodus und in einem Rücksetz-Betriebsmodus befindet. Das Einlassrohr 122 erstreckt sich durch die Basis 114 und weist eine Länge L auf, die ermöglicht, dass sich das radial innere Ende 126 des Rohres über eine Distanz d₁ von der Basisinnenfläche 132 nach innen erstreckt und dass sich das radial äußere Ende über eine Distanz d₂ von der Basisaußenfläche 133 erstreckt.
Der Verbindungsteil 108 umfasst einen Verbindungsring 270 mit einem Außendurchmesser D_CR, der etwas kleiner als der Durchmesser DBI der Innenfläche 118 des Gehäusebasisteils ist. Wenn also die Gehäuseanordnung 102 vollständig montiert ist, wird der Verbindungsring 270 in eine Presspassverbindung mit der Innenfläche 118 der Gehäusebasis aufgenommen. In einer alternativen Ausführungsform ist der Verbindungsring 270 in eine andere Passanordnung aufgenommen, die etwa ineinander geschoben und durch Reibung miteinander verbunden wird.
Ein Verbindungsring 270 ist mit einem Versatz 274 ausgebildet, der einen Durchmesser D_CF aufweist, der kleiner als der Außendurchmesser D_CR des Verbindungsrings ist, sodass eine im wesentlichen flache Fläche 276 zwischen dem Versatz 274 und einer Außenfläche des Verbindungsrings 270 definiert ist.
Die Membrane 170 ist entfernbar in dem Brennstoffzellen-Gehäusebasisteil 106 befestigt. Insbesondere ist in der beispielhaften Ausführungsform die Membranennabe 178 im wesentlichen konzentrisch in Bezug auf die Membrane 170 ausgerichtet und mit einer Kerbe 280 ausgebildet, die dafür sorgt, dass die Membrane 170 mit dem Stellglied 184 verbunden wird. Insbesondere ist der Stift 186 im wesentlichen konzentrisch durch die Membranenöffnung 171 eingesteckt und wird durch eine Presspassung in der Vertiefung 284 in einem Ende des Stellgliedläufers 189 gehalten.
Wenn der Stift 186 vollständig durch die Membranenöffnung 171 eingesteckt ist, ist die Stiftfläche 187 im wesentlichen bündig mit der Membranen-Basisseite 172. Weil die Fläche 187 im Vergleich zu der Membrane 170 gehärtet ist, bietet die Fläche 187 eine solidere Fläche für den Kontakt mit dem Einlassrohrende 126, wenn sich die Membrane 170 in der Rücksetzposition (in 8 gezeigt) befindet. Die Fläche 187 verhindert, dass sich die weichere Membrane 170 um das Einlassrohrende 126 verformt, wenn die Membrane 170 für eine längere Zeit in der Rücksetzposition bleibt. Ohne die Fläche 187 verformt sich die Membrane um das Einlassrohrende 126, wobei die Membrane 170 an dem Einlassrohreende 126 haften kann. Über die Zeit können derartige Verformungen der Membrane die Rücksetzposition der Membrane 170 verändern. In einer alternativen Ausführungsform werden der Stift 186 und der Läufer 189 einstückig ausgebildet. In anderen alternativen Ausführungsformen ist der Stift 186 nicht konzentrisch in Bezug auf die Membrane 170 ausgerichtet. In weiteren alternativen Ausführungsformen wird der Stift 186 nicht durch die Membrane 170 eingesteckt. In weiteren alternativen Ausführungsformen umfasst die Fläche 187 eine Lüftungskomponente wie etwa eine in der Fläche ausgebildete Delle, um ein beabsichtigtes Lecken und/oder Lüften zu fördern und einen langfristigen Druckdifferentialaufbau in der Kammer 110 im Vergleich zu den Umgebungsbedingungen zu verhindern. In weiteren alternativen Ausführungsformen ist die Membrane 170 über ein hartflächiges Element gegossen, um ein einzelnes Teil zu bilden, das dann an einem Läufer 189 montiert wird. In derartigen Ausführungsformen muss der Stift 186 nicht luftdicht in der Membranenöffnung 171 vorgesehen sein, wobei die Membrane statt dessen primär dort gedichtet ist, wo die Nabenkerbe 280 das Läuferende 196 umgibt.
Die Membrane 170 wird bewegt, damit eine Atemprobe in die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 eintreten kann, und wird durch das Stellglieds 184 wie hier beschrieben zurückgesetzt. Das Stellglied 184 kann zwischen Hartstopps betätigt werden. In einer Ausführungsform ist das Stellglied 184 ein elektrisches Sperrsolenoid mit geringer Leistung. Es ist zu beachten, dass das Stellglied 184 nicht auf ein elektrisches Sperrsolenoid mit geringer Leistung beschränkt ist, sondern auch ein anderes Stellglied verwendet werden kann, das ermöglicht, dass die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 und das Probensystem 100 wie hier beschrieben funktionieren. Die Membrane 170 kann zwischen einer in 8 gezeigten wiederholbaren Startposition (Rücksetzposition) und einer in 7 gezeigten wiederholbaren Endposition (Probenposition) bewegt werden.
Wenn das System 100 nicht verwendet wird, befindet sich die Membrane 170 allgemein in der Rücksetzposition. In der Rücksetzposition weist die Membrane 170 ihre „Gussform“ auf, wobei keine internen Spannungen in der Membrane 170 verursacht werden. Wenn sich die Membrane 170 in der Rücksetzposition befindet, ist die Membrane 170 in einem dichtenden Kontakt gegen das Einlassrohrende 126 positioniert, sodass das Einlassrohr 122 vollständig gegenüber dem Hohlraum 110 gedichtet ist. In alternativen Ausführungsformen umfasst das Einlassrohrende 126 eine Lüftungskomponente wie etwa eine Delle, die ein beabsichtigtes Lecken und/oder Lüften fördert, um einen langfristigen Druckdifferentialaufbau zwischen dem Hohlraum 110 und den Umgebungsbedingungen in dem Einlassrohr 122 zu verhindern. In der Probenposition wird die Membrane 170 um eine wiederholbare Distanz d₃ von dem Einlassrohrende 126 bewegt, sodass das Einlassrohr 122 ungehindert geöffnet ist und eine Atemprobe in die Gehäuseanordnung 102 eintreten kann.
Wenn während der Montage die Gehäusekomponenten 106 und 108 zusammengedrückt werden, sind die Membrane 170, der Klemmring 240, die Brennstoffzelle 104, die Stützscheibe 111 und die Brennstoffzellendrähte 250 eng miteinander verbunden. Wie in 4 gezeigt, weisen die Komponenten 106, 108, 170, 240, 104 und 111 jeweils einen allgemein kreisförmigen Querschnitt auf, wobei jedoch zu beachten ist, dass diese Komponenten in verschiedenen Ausführungsformen jeweils unterschiedliche Formen aufweisen können. Die zwei starren Brennstoffzellen-Gehäusekomponenten 106 und 108 werden derart aufeinander pressgepasst, dass die Membrane 170 durch den Versatz 274 des Verbindungsrings in Position gehalten werden. Insbesondere wird der Klemmring 240 bei der Montage der Gehäuseanordnung 102 zwischen der Brennstoffzelle 104 und der Membrane 170 positioniert, wobei der Membranenrand 176 eng in dem Gehäuseverbindungsbereich 276 aufgenommen wird. Wenn die Gehäuseanordnung 102 vollständig montiert ist, sehen die Teile 106 und 108 eine luftdichte Anordnung um die Peripherie der Membrane 170 vor, ohne dass dafür Befestigungselemente oder Kleber verwendet werden muss. Wenn die Gehäuseanordnung 102 montiert ist, übt sie einen Druck auf die dazwischen in einer „Sandwich“-Anordnung vorgesehenen Komponenten 170, 240, 104, 111 und die Drähte 250 aus, sodass ein dichtender elektrischer Kontakt in der Gehäuseanordnung 102 vorgesehen wird. Der Membranenrand 176 sieht ein flexibles Element in dem „Sandwich“ vor, um Toleranzen in der Anordnung zu absorbieren. Die Brennstoffzellendrähte 250 (die einen Kontakt zu der Brennstoffzelle selbst herstellen), treten über kleine und durch Epoxidharz gedichtete Löcher 262 aus der Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 aus. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Klemmring 240 eine Abschrägung 290, die einen Freiraum für die aus der Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 austretenden Brennstoffzellendrähte 250 sicherstellt.
Weiterhin kann die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 für das Ersetzen einer Brennstoffzelle 104 einfach geöffnet und erneut geschlossen werden, ohne dass dazu Befestigungselementen, Kleber oder Wärme verwendet werden müssen. Weil die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 weiterhin nur acht Teile (einschließlich von zwei Brennstoffzellendrähten 250, einer Brennstoffzelle 104, einer Stützscheibe 111, einer Membrane 170 und drei Gussteilen 106, 108 und 240) umfasst, kann die Anordnung 102 einfach montiert werden, bevor sie an einem nicht integrierten Stellglied 184 befestigt wird. Ein derartiger Aufbau reduziert einen mechanischen Verschleiß in der Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 während des Betriebs des Probensystems 100 und unterstützt die Verwendung eines Solenoidstellglieds 184, das mit geringem oder gar keinem Verschleiß betrieben wird.
Alternative Ausführungsformen verwenden ein Lösungsmittel oder einen Kleber, um eine ergänzende Haftung zwischen den Gehäusekomponenten 106 und 108 zusätzlich zu der Presspassung vorzusehen. In einer Ausführungsform ist der Kleber vom Abbrechtyp. In anderen Ausführungsformen kann ein Schlitz in dem Außenrand gebildet werden, an dem die Gehäusekomponenten 106 und 108 miteinander gekoppelt werden, damit die Komponenten einfach getrennt werden können, wenn die Komponenten verklebt oder pressgepasst werden. In anderen alternativen Ausführungsformen werden die Gehäusekomponenten 106 und 108 ineinander geschoben und dann durch Kleber miteinander verbunden.
Unabhängig davon, ob die Gehäusekomponenten 106 und 108 pressgepasst, ineinander geschoben oder auf andere Weise ausgerichtet und verbunden werden, kann ein gegossenes Sperrelement wie etwa Kerbe verwendet werden, um den Halt der Komponenten zu unterstützen. In einer derartigen Ausführungsform kann das Sperrelement einstückig mit den Gehäusekomponenten 106 und 108 gegossen oder verbunden werden. Weiterhin kann das Sperrelement auf den Außenflächen der beiden Komponenten oder an anderer Stelle in der Anordnung vorgesehen werden, etwa in den Gehäusekomponenten 106 und 108. In einer weiteren Ausführungsform werden die Gehäusekomponenten 106 und 108 entfernbar miteinander verbunden, wenn die Anordnung 102 in eine Klemme oder ein Gehäuse eingefügt wird, etwa während der Integration in eine Atemtestvorrichtung oder eine andere Vorrichtung zum Prüfen und Messen des Alkoholgehalts.
Wenn während eines Atemtests das Stellglied 184 mit Strom versorgt wird, um eine Probe zu nehmen, bewegt sich der Läufer 189 schnell von dem Atemeinlassrohrende 126 weg und zieht die Membrane 170 an deren Nabe 178 von dem Einlassrohr 122 ab. Wenn die Membrane 170 weiter von dem Atemeinlassrohr 122 weg bewegt wird, beginnt sie eine abgemessene Atemprobe in die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 zu ziehen. Insbesondere bewegt sich das Stellglied 184, bis es einen Hartstopp gegen einen Magneten 278 erreicht. Dann wird die Stromversorgung zu dem Stellglied 184 unterbrochen, wobei die Anordnung aufgrund des Magneten 278 in der Probenposition verbleibt. In der beispielhaften Ausführungsformen reduziert ein Abstandsglied 214, das durch den Kopf des Stifts 216 gebildet wird, die Magnetkraft, die zum Halten des Läufers 189 gegen das Abstandsglied 214 erforderlich ist. Alternativ hierzu kann die Gehäuseanordnung 102 auch kein Abstandsglied 214 umfassen.
Wenn die Atemprobe in die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 eintritt, strömt die Atemprobe durch das Zentrum der Brennstoffzelle 104 und wird in den Hohlraum 110 ausgegeben, wobei sie an einem Punkt etwas über der Oberfläche der Brennstoffzelle 104 startet. Dabei wird die Atemprobe im wesentlichen gleichmäßig polar über 360° und über die runde Brennstoffzelle 104 verteilt. Die Atemprobe wird auch radial von dem Zentrum der Brennstoffzelle 104 zu der äußeren Peripherie verteilt. Die Alkoholmoleküle in der Atemprobe verfügen also über im wesentlichen gleiche Bedingungen, um im wesentlichen gleichzeitig ein Reaktion mit der Brennstoffzelle 104 zu starten. Weiterhin verteilt die Ausrichtung des Einlassrohrs 122 zu der Brennstoffzelle 104 die Arbeit der Reaktion über die gesamte Fläche der Brennstoffzelle 104. Die durch die Reaktion erzeugten Elektroden werden möglichst schnell durch die externe Schaltung abgeführt, wobei die resultierenden Spannungskurven möglichst schnell integriert werden, um ein schnelles und genaues Ergebnis für den Bediener des Atemtests vorzusehen.
Sobald eine Lesung erhalten wurde, wird das Stellglied 184 mit umgekehrter Polarität im Vergleich zu der im Probenmodus verwendeten Polarität mit Strom versorgt, sodass sich der Läufer 189 des Stellglieds schnell von dem Magneten 278 zu dem Atemeinlassrohr 122 bewegt. Die Atemprobe wird dadurch aus dem Atemeinlassrohr 122 ausgestoßen, bis das Stellglied 184 einen Hartstopp erreicht, wo die Membranennabe 178 gegen das Atemeinlassrohrende 126 positioniert wird. Wenn sich die Membrane 170 in dieser Position befindet, wird die Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung 102 wiederum gegenüber der Umgebung gedichtet, mit Ausnahme einer sehr kleinen Delle, die in der Dichtung vorgesehen ist, um einen Druckausgleich zwischen der Anordnung 102 und dem Umgebungsdruck während sich verändernder Umgebungsdruckbedingungen zuzulassen.
Die Stromversorgung des Stellglieds 184 wird dann unterbrochen, und die Feder 218 spannt das Stellglied 184 und das Probensystem 100 in dieser Rücksetzposition vor. Eine abgeschrägte zylindrische Fläche 286 in dem Verbindungsteil 108 hält ein Ende 230 mit großem Durchmesser der sich verjüngenden Feder 218 in Bezug auf den Läufer 189 zentriert, sodass die von derselben erzeugte Federkraft immer im wesentlichen axial ausgeübt wird. In einer alternativen Ausführungsform ist die Scheibe 222 im wesentlichen in Übereinstimmung mit der Form der Membrane 170 geformt, die durch die Außenform der Nabe 178 definiert wird, sodass die Membrane 170 sich im wesentlichen nicht von der Armatur entfernen kann. In einer alternativen Ausführungsform wird die Gehäuseanordnung 102 gegenüber der Umgebung gedichtet, wenn die Membranennabe 178 gegen das Atemeinlassrohrende 126 positioniert wird. In der Rücksetzposition weist die Membrane 170 ihre natürliche Gussform gegen das Einlassrohr 122 auf, sodass keine wesentlichen Spannungen in der Membrane 170 erzeugt werden.
Während der Prüfung bewegt sich die Membrane 170 zu einer Position, die die Rücksetzposition spiegelt, wenn sich die Membrane 170 an ihrer Peripherie in Nachbarschaft zu dem äußersten Rand biegt, an dem die Membrane 170 luftdicht festgeklemmt ist. Die Membrane 170 bewegt sich glatt ohne Wölbungen oder Falten von der Rücksetzposition zu der Probenposition. Das Einlassrohr 122 darf nicht so klein sein, dass es festfriert oder den Prüfprozess wesentlich verlangsamt, wobei es jedoch ausreichend klein sein sollte, um unter geringem Kraftaufwand durch die Membrane 170 gedichtet werden zu können. In alternativen Ausführungsformen faltet sich die Membrane 170 oder gestattet auf andere Weise eine nicht-axiale Bewegung des Teils der Membrane 170, der sich zwischen der Nabe 178 und deren Peripherie erstreckt. Dementsprechend kann die erforderliche Mindestkraft für die Axialbewegung reduziert werden.
Die oben beschriebene Probenanordnung und die Brennstoffzellenanordnung ermöglichen die Durchführung eines genauen, zuverlässigen, kostengünstigen, langlebigen und schnellen Alkoholtests bei einem geringen Energieaufwand. Die Kombination aus der Brennstoffzelle und dem Stellglied ermöglicht schnelle Zykluszeiten zwischen den Tests und weist viele Vorteile auf, die zur einer langfristigen Kalibrierungsstabilität beitragen. Außerdem weist die Brennstoffzellenanordnung eine ausreichend kleine Größe und Masse auf, um praktisch in einer handgehaltenen Vorrichtung verwendet werden zu können, wobei ein herkömmliches Widerstandsheizen (oder thermisches Heizen und Kühlen) bei geringem Energieaufwand und mit schnellen Aufwärmzeiten verwendet werden kann.
Es sind verschiedene Ausführungsformen alternativ zu den in 4-8 gezeigten Ausführungsformen möglich. Zum Beispiel kann das Stellglied nicht an der Brennstoffzellenanordnung, sondern an einer Leiterplatte oder einem Vorrichtungsgehäuse montiert werden. Weiterhin kann das Ende des Atemeinlassrohrs in der Brennstoffzelle in einer von vielen verschiedenen Formen vorgesehen werden, um die gleichmäßige Verteilung der Probe über die Fläche der Brennstoffzelle zu verbessern. Weiterhin kann das Ende des Atemeinlassrohrs innerhalb der Brennstoffzelle eine Delle auf dem Rand aufweisen, damit es nicht vollständig gegenüber der Außenluft gedichtet wird. Weiterhin können verschiedene Stellglieder verwendet werden, um die Brennstoffzellenmembrane für das Prüfen und Zurücksetzen zu bewegen. Zum Beispiel können Rechtwinkel-Stellglieder verwendet werden.
Es wurden beispielhafte Ausführungsformen der Brennstoffzellen-Gehäuseanordnungen und Probenanordnungen im Detail beschrieben. Keine der Anordnungen oder Komponenten ist auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, wobei die Komponente der verschiedenen Anordnungen auch unabhängig und separat zu den anderen hier beschriebenen Komponenten verwendet werden können. Zum Beispiel wurde das Probensystem im Kontext eines Integralverfahrens beschrieben, wobei die Anordnung jedoch auch in Verbindung mit einem Spitzenmessverfahren oder anderen alternativen Verfahren verwendet werden kann. Während weiterhin viele Komponenten hier allgemein kreisförmig oder flach beschrieben und gezeigt werden, können die Komponenten auch mit einer nicht-kreisrunden Form und/oder einer nicht-flachen Form ausgebildet werden. Außerdem müssen die Komponenten nicht alle dieselbe flache Form aufweisen.
Die Dichtung des Brennstoffzellengehäuse muss unter Umständen vorübergehend am Einlass aufgehoben und dann erneut hergestellt werden, bevor eine Atemprobe genommen wird, um die Druckdifferenz auszugleichen, die aufgrund von Änderungen des Umgebungsdrucks wie etwa bei Veränderungen des Wetters, der Höhe oder der Temperatur zwischen der Innenseite und der Außenseite des Brennstoffzellengehäuses entwickelt werden kann, weil das Brennstoffzellengehäuse zuletzt nach einer Probe gedichtet wurde. Es kann zum Beispiel eine Pseudoprobe in der Anordnung aufgenommen werden, indem während des anfänglichen Einschaltens der Vorrichtung eine Probe genommen und dann sehr schnell zurückgesetzt wird, bevor die Vorrichtung für das Blasen der Testperson bereit ist. Eine derartige Schnelldurchlaufbetätigung sieht im wesentlichen einen Ausgleich zwischen den Druckbedingungen außerhalb und innerhalb der Vorrichtung vor, bevor die Testperson bläst und eine Alkoholprobe zur Analyse aus dem Atem genommen wird. Während der Pseudoprobe wird keine Messung durchgeführt. Alternativ zu dem Schnelldurchlauf kann ein „leerer“ Messzyklus zum Testen auf Alkohol in dem Mundstück als Teil eines standardmäßigen Vortests vor dem Blasen der Testperson durchgeführt werden. Eine „leere“ Mundstückmessung erfordert keine präzise Messung und kann zwei Zielsetzungen erfüllen: Sicherstellen, dass sich kein Alkohol im Mundstück befindet und Durchspülen der Anordnung. Dadurch wird dazu beigetragen, dass immer eine konsistente Probe des menschlichen Atems erhalten wird. Dieser Ansatz erfordert ein beabsichtigtes kleines Leck am Einlass. Weiterhin können die Brennstoffzellendrähte durch die Membrane aus dem Brennstoffzellengehäuse austreten, die im geklemmten Zustand auch ohne Epoxidharz eine Luftdichtung um die Drähte vorsieht.
Weiterhin können das Probensystem/die Brennstoffzellenanordnung mehr als ein Mal oder wiederholt für das Aufnehmen einer „einzelnen“ Probe betrieben werden. Ein derartiger Betrieb unterstützt das Prüfen von Umgebungsluft in einem passiven Testmodus oder aus anderen Gründen. Weiterhin kann auf eine Stützscheibe mit einem extra Elektrolyten zwischen der Brennstoffzelle und der Gehäusewand verzichtet werden. Weiterhin kann der äußere Rand der Membrane derart geformt werden, dass er eine größere Flexibilität beim Absorbieren von Toleranzen bietet, etwa mit einem v-förmigen Querschnitt oder mit einem halbrunden Querschnitt. Als Alternative zu der Klemme kann ein O-Ring zwischen der Membrane und der Brennstoffzelle verwendet werden. In einer weiteren Alternative kann auf den Klemmring verzichtet werden. Außerdem kann das Brennstoffzellengehäuse durch einen Befestigungsmechanismus zusammengehalten werden, der ermöglicht, dass das Brennstoffzellengehäuse wie hier beschrieben funktioniert, wobei anstelle der Befestigungselemente aber auch ein Kleber, eine Presspassung, ein Wärmeverschweißen oder ein Ultraschallverschweißen verwendet werden können.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben, wobei dem Fachmann deutlich sein sollte, dass die Erfindung mit Modifikationen innerhalb des in den Ansprüchen definierten Erfindungsumfangs realisiert werden kann.

Claims

Anordnung (100), die umfasst: ein Brennstoffzellengehäuse (102) mit einer sich durch dasselbe erstreckenden Mittellinie, wobei das Brennstoffzellengehäuse (102) eine sich durch dasselbe erstreckende Einlassmündung (122) umfasst, die konzentrisch in Bezug auf das Brennstoffzellengehäuse (102) ausgerichtet ist, eine Brennstoffzelle (104), die derart in einem Hohlraum (110) positioniert ist, dass die Brennstoffzelle (104) konzentrisch in Bezug auf das Brennstoffzellengehäuse (102) ausgerichtet ist, und ein Stellglied (184), das entfernbar mit dem Brennstoffzellengehäuse (102) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (104) eine Öffnung (252) umfasst, die sich durch dieselbe erstreckt und konzentrisch in Bezug auf die Brennstoffzelle (104) ausgerichtet ist, um eine Atemprobe in das Brennstoffzellengehäuse (102) zu lassen.
Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellengehäuse (102) weiterhin einen ersten Gehäuseteil (106) und einen entfernbar mit dem ersten Gehäuseteil (106) verbundenen zweiten Gehäuseteil (108) umfasst, wobei der erste Gehäuseteil (106) eine Endwand (114) und eine die Endwand (114) umschließende und sich von derselben erstreckende Seitenwand (112) umfasst.
Anordnung (100) nach Anspruch 2, wobei der erste Gehäuseteil (106) entfernbar in einer Presspass-Verbindungsanordnung mit dem zweiten Gehäuseteil (108) verbunden ist.
Anordnung (100) nach Anspruch 2, wobei der erste Gehäuseteil (106) und/oder der zweite Gehäuseteil (108) weiterhin eine Kerbe zum Verbinden des ersten und zweiten Gehäuseteils (106, 108) umfasst.
Anordnung (100) nach Anspruch 1, die weiterhin eine sich durch das Brennstoffzellengehäuse (102) erstreckende Einlassmündung (122) umfasst, wobei die Einlassmündung (122) konzentrisch in Bezug auf das Brennstoffzellengehäuse (102) ausgerichtet ist, wobei sich wenigstens ein Teil der Einlassmündung (122) durch die Brennstoffzellenöffnung (252) erstreckt.
Anordnung (100) nach Anspruch 5, wobei die Einlassmündung (122) konfiguriert ist, um eine Atemprobe gleichmäßig über die Brennstoffzelle (104) zu verteilen.
Anordnung (100) nach Anspruch 5, wobei sich die Einlassmündung (122)über eine radiale Distanz von einer Außenfläche der Brennstoffzelle (104) erstreckt.
Anordnung (100) nach Anspruch 5, wobei die Einlassmündung einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet ist.
Anordnung (100) nach Anspruch 1, die weiterhin eine Membran (170) umfasst, die derart mit dem Brennstoffzellengehäuse (102) verbunden ist, dass ein Hohlraum (110) zwischen dem Brennstoffzellengehäuse (102) und der Membran (110) definiert wird, wobei die Brennstoffzelle (104) in dem Hohlraum (110) positioniert ist.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Membran (170) wahlweise zwischen einer Probenposition und einer Rücksetzposition bewegt werden kann.
Anordnung (100) nach Anspruch 10, wobei die Membran (170) gegossen ist und in ihrer natürlichen Gussform bleibt, wenn sie sich in der Rücksetzposition befindet.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Membran (170) flexibel ist und eine erste und eine zweite Seite (172, 174) umfasst, wobei die erste Seite (172) und die zweite Seite (174) jeweils durch einen Außenrand begrenzt werden, wobei die erste Seite (172) und/oder die zweite Seite (174) wenigstens einen Teil einer Nabe (178) für die Verbindung der Membran (170) mit einem Stellglied (184) umfasst.
Anordnung (100) nach Anspruch 12, wobei sich die erste Seite (172) der Membran (170) kontinuierlich über die Membran (170) erstreckt.
Anordnung (100) nach Anspruch 12, wobei die erste Seite (172) oder die zweite Seite (174) der Membran (170) einen Rand (176) umfasst, der sich von der Seite der Membran (170) nach außen erstreckt und die Membran (170) mit dem Brennstoffzellengehäuse (102) verbindet.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, die weiterhin einen zylindrischen Körper (240) umfasst, der sich zwischen der Membran (170) und der Brennstoffzelle (104) erstreckt.
Anordnung (100) nach Anspruch 15, wobei der zylindrischen Körper (240) die Brennstoffzelle (104) und/oder die Membran (170) in dem Brennstoffzellengehäuse (102) befestigt.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei das Brennstoffzellengehäuse (102) weiterhin eine Seitenwand (112) umfasst, die sich von der Endwand (114) erstreckt, wobei die Membran (170) in einem dichtenden Kontakt derart mit der Gehäuseseitenwand (112) verbunden ist, dass der Hohlraum (110) zwischen der Membran (170) und der Endwand (114) gebildet wird.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Membran (170) mit dem Stellglied (184) verbunden ist und ohne Wölbungen wahlweise in dem Brennstoffzellengehäuse (102) bewegt werden kann.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Membran (170) mit dem Stellglied (184) verbunden ist und ohne Falten wahlweise in dem Brennstoffzellengehäuse (102) bewegt werden kann.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Membran (170) in einem Dichtungskontakt zu dem Brennstoffzellengehäuse (102) bleibt, wenn sie durch das Stellglied (184) bewegt wird.
Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die Membran (170) wahlweise bewegt werden kann, um einen Luftstrom in den Gehäusehohlraum (110) zu verhindern.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Membran (170) wahlweise bewegt werden kann, um den Gehäusehohlraum (110) gegenüber der Umgebung außerhalb des über eine radiale Distanz von einer Außenfläche der Brennstoffzelle (104) erstreckt. (102) zu dichten.
Verwendung der Anordnung (100) nach Anspruch 1 in einer handgehaltenen Atemtestvorrichtung.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) mit einem Brennstoffzellengehäuse (102), in dem ein Hohlraum (110) definiert ist, gekennzeichnet durch eine Brennstoffzelle (104) mit einer ersten zweiten Seite, einer Seite und einer sich dazwischen erstreckenden Öffnung (252), wobei die Öffnung (252) konzentrisch in Bezug auf die Brennstoffzelle (104) ausgerichtet ist, um eine in den Hohlraum (110) gezogene Atemprobe gleichmäßig über die Brennstoffzelle (104) zu verteilen.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 24, wobei das Brennstoffzellengehäuse (102) eine Endwand (114) und eine Seitenwand (112) umfasst, die die Endwand (114) umgibt und sich radial von derselben erstreckt, wobei die Endwand (114) eine Einlassmündung (122) umfasst, die sich durch dieselbe erstreckt und konzentrisch in Bezug auf die Gehäuseendwand (114) ausgerichtet ist, wobei sich wenigstens ein Teil der Einlassmündung (122) durch die Öffnung (252) der Brennstoffzelle (104) erstreckt, sodass eine Spitze der Einlassmündung (122) mit einem Abstand zu der ersten Seite der Brennstoffzelle (104) bleibt.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 25, wobei das Brennstoffzellengehäuse (102) eine Vielzahl von Körperteilen umfasst, die entfernbar in einer Presspass-Verbindungsanordnung miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 26, wobei wenigstens einer aus der Vielzahl von Körperteilen eine Kerbe umfasst, die konfiguriert ist, um die Vielzahl von Körperteilen mit einander zu verbinden.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 26, wobei die Einlassmündung (122) einstückig mit einem aus der Vielzahl von Körperteilen des Gehäuses ausgebildet ist.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 25, die weiterhin eine Membran (170) umfasst, die entfernbar in dem Brennstoffzellengehäuse (102) derart befestigt ist, dass eine äußere Peripherie der Membran (170) in einem dichtenden Kontakt zu dem Brennstoffzellengehäuse (102) ist, wobei die Membran (170) einen Teil des Hohlraums (110) definiert.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 29, wobei die Membran (170) wahlweise zwischen einer Probenposition und einer Rücksetzposition bewegt werden kann.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 29, wobei die Membran (170) eine erste Seite (172) und eine gegenüberliegende zweite Seite (174) umfasst, wobei sich die erste Seite (172) oder die zweite Seite (174) kontinuierlich über die Membran (170) erstreckt, wobei die erste und/oder die zweite Seite (172, 174) der Membran (170) wenigstens einen Teil einer Nabe (178) umfasst, die konzentrisch in Bezug auf die Membran (170) ausgerichtet ist.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 29, die weiterhin einen zylindrischen Körper (240) umfasst, der sich zwischen der Membran (170) und der Brennstoffzelle (104) erstreckt, wobei der zylindrische Körper (240) die Membran (170) und die Brennstoffzelle (104) in dem Brennstoffzellengehäuse (102) befestigt.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 29, die weiterhin ein Stellglied (184) umfasst, das entfernbar mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei das Stellglied (184) konfiguriert ist, um die Membran (170) wahlweise zu und von der Einlassmündung (122) zu bewegen, ohne dass dabei die Membran (170) gefaltet wird.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 33, wobei die äußere Peripherie der Membran (170) in einem Dichtungskontakt mit dem Brennstoffzellengehäuse (102) bleibt, während das Stellglied (184) betrieben wird.
Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 29, wobei die Membran (170) wahlweise bewegt werden kann, um die Einlassmündung (122) zu dichten.
Verwendung einer Brennstoffzellen-Gehäuseanordnung (100) nach Anspruch 24, in einer handgehaltenen Atemtestvorrichtung.