DE112009000438T5 - Verfahren zur Faserherstellung, Vorrichtung zur Faserherstellung und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Faserherstellung, Vorrichtung zur Faserherstellung und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle Download PDF

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Hiroto Kadoma-shi Sumida
Takahiro Kadoma-shi Kurokawa
Kazunori Kadoma-shi Ishikawa
Yoshiaki Kadoma-shi Tominaga
Mikio Kadoma-shi Takezawa
Mitsuhiro Kadoma-shi Takahashi
Takatoshi Kadoma-shi Mitsushima
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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Fasern, die umfasst:
einen ersten Ausgießschritt zum Ausgießen eines ersten Rohstoffs als Material der Fasern in einen Raum;
einen ersten elektrischen Ladeschritt zum Anlegen einer elektrischen Ladung an den ersten Rohstoff und zum elektrischen Aufladen des ersten Rohstoffs;
einen Faserherstellungsschritt zur Herstellung der Fasern aus dem elektrisch aufgeladenen und ausgegossenen ersten Rohstoff, indem dieser erste Rohstoff gedehnt wird;
einen zweiten elektrischen Ladeschritt zum elektrischen Aufladen eines zweiten Rohstoffs einschließlich eines mitgeführten Materials, das auf den Fasern mitgeführt wird, und zwar mit einer Polarität, die der Polarität der elektrisch aufgeladenen Fasern entgegengesetzt ist; und
einen Mischschritt zum Vermischen der hergestellten Fasern und des elektrisch aufgeladenen mitgeführten Materials im Raum.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Faserherstellung, die Fasern mittels eines Elektrospinn-Verfahrens herstellt (ein elektrostatische Dehnungserscheinung), und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Faserherstellung und eine Vorrichtung zur Faserherstellung, die feine Fasern mit einem Durchmesser im Nanobereich (Nanofasern) mit unterschiedlichen Arten von Funktionen versehen können.
  • Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Faserherstellung, das eine Katalysatorschicht bildet, die als Brennstoffelektrode oder als Sauerstoffelektrode für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle genutzt wird.
  • Hintergrund der Technik
  • Herkömmlich ist ein Elektrospinn-Verfahren (ein elektrostatisches Dehnungsphänomen) als Verfahren zur Herstellung faserartiger (faserige Form) Substanzen (Nanofasern) aus polymeren Stoffen bekannt, die einen Durchmesser im Bereich eines Submikrons haben.
  • Beim Elektrospinn-Verfahren wird ein flüssiger Ausgangsstoff, in dem polymere Stoffe und Ähnliches in einem Lösungsmittel dispergiert oder gelöst sind, durch eine Düse oder Ähnliches in einen Raum injiziert (ausgegossen), während der flüssige Ausgangsstoff durch Anlegen einer elektrischen Ladung geladen wird und der flüssige Ausgangsstoff, der im Raum ausbäckt, elektrostatisch explodiert, so dass man Nanofasern erhält.
  • Genauer gesagt, hinsichtlich des flüssigen Ausgangsstoffs, der elektrisch geladen und ausgegossen wird, verringert sich das Volumen des flüssigen Ausgangsstoffs, da das Lösungsmittel im Raum aus dem flüssigen Ausgangsstoff verdunstet. Andererseits verbleibt die elektrische Ladung, die an den flüssigen Ausgangsstoff angelegt wird, im flüssigen Ausgangsstoff. Als Ergebnis erhält ein Partikel des flüssigen Ausgangsstoffs, das in den Raum fliegt, eine höhere elektrische Ladungsdichte. Darüber hinaus, da das Lösungsmittel im flüssigen Ausgangsstoff weiter fortlaufend verdunstet, verringert sich die elektrische Ladungsdichte des flüssigen Ausgangsstoffs weiter, und die Polymerlösung erfährt ein Phänomen (ein elektrostatisches Dehnungsphänomen), bei dem die Polymerlösung explosionsartig in Fäden gedehnt wird, und zwar an einem Punkt, an dem die entgegengesetzt wirkende Coloumb-Kraft, die im flüssigen Ausgangsstoff erzeugt wird, die Oberflächenspannung des flüssigen Ausgangsstoffes übersteigt. Da dieses elektrostatische Dehnungsphänomen nacheinander mit einer exponentiellen Geschwindigkeit im Raum auftritt, werden Fasern (Nanofasern) aus polymeren Stoffen hergestellt, deren Durchmesser im Bereich eines Submikrons liegt (zum Beispiel siehe Patentbezug 1).
  • Die Fasern, die mittels des oben genannten Elektrospinn-Verfahrens hergestellt werden, werden als Rohstoff für Fäden oder Vliesstoff verwendet. Darüber hinaus wurde versucht, die Funktionalität der Fäden oder Vliesstoffe zu verbessern, indem man Nanofaserns verwendet, die funktionelle Substanzen tragen, wie z. B. eine Katalysator oder eine absorbierende Substanz.
  • Zum Beispiel hat ein Anmelder der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für Nanofasern eingereicht, die bei der Herstellung dieser Nanofasern durch ein vorheriges Mischen eines funktionalen mitgeführten Materials in den flüssigen Ausgangsstoff und Herstellung der Nanofasern aus dem betreffenden flüssigen Ausgangsstoff mittels des Elektrospinn-Verfahrens mit einem mitgeführten Material versehen werden.
  • Darüber hinaus hat in den vergangenen Jahren eine Brennstoffzelle Aufmerksamkeit erregt. Der Grund dafür ist Folgender: Die Brennstoffzelle ist nämlich im Gegensatz zu ihrer Bezeichnung nicht wie eine Batterie, die eine zuvor aufgeladene Energie elektrisch entlädt, wie zum Beispiel eine Primärzelle ähnlich einer Trockenbatterie oder eine Sekundärzelle ähnlich einer Blei-Säure-Batterie. Sie ist einer Vorrichtung zur Stromerzeugung ähnlicher, die es uns ermöglicht, die Energie fortlaufend zu entnehmen, wenn ein Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Sauerstoff, kontinuierlich zur Verfügung stehen. Die Brennstoffzelle ist nicht wie eine herkömmliche Vorrichtung zur Stromerzeugung, die einen thermischen Motor nutzt. Sie ermöglicht es, Elektroenergie direkt aus der chemischen Energie zu erzeugen, ohne diese zuvor in Bewegungsenergie umzuwandeln, so dass sie eine hohe Stromerzeugungseffizienz bei niedrigerem Geräusch und weniger Schwingungen aufweist. Demzufolge wird erwartet, dass sie als Stromquelle für eine tragbare Vorrichtung dient, eine Stromquelle für die Verwendung im Haushalt oder als Stromquelle für Autos, Züge usw.
  • Die folgenden Funktionen werden als Verfahren zur Stromerzeugung durch eine Brennstoffzelle angeführt. Kurz gesagt wird in einer Katalysatorschicht einer Brennstoffelektrode Wasserstoff unter Verwendung eines Katalysatorstoffs in ein Elektron und ein Proton (ein Wasserstoffion) aufgespalten. Das aufgespaltene Elektron wird über einen elektrischen Leiter nach außerhalb der Brennstoffzelle geführt. Das Proton bewegt sich zu einer Sauerstoffelektrode über ein Protonen leitendes Polymer innerhalb der Brennstoffzelle. Das Proton, das durch das Protonen leitendes Polymer geht, reagiert mit dem Sauerstoff in der Lösungsmittelschicht der Sauerstoffelektrode und wandelt sich in Wasser um, da es aber an diesem Punkt ein Elektron benötigt, wird das Elektron aufgenommen, das nach außerhalb der Brennstoffzelle geführt wurde, und für die zuvor genannte Reaktion zur Verfügung gestellt.
  • Demzufolge entsteht eine Differenz des elektrischen Potenzials zwischen der Brennstoffelektrode, die eine übermäßige Menge an Elektronen aufweist, und der Sauerstoffelektrode, die mehr Elektronen benötigt, und der Strom kann erzeugt werden.
  • Damit der Wasserstoff in der Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode in ein Elektron und ein Proton aufgespalten werden kann und damit für das Proton Sauerstoff und das Elektron reagieren und sich in der Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode in Wasser umwandeln können, ist es wie oben beschrieben erforderlich, dass der Sauerstoff in Kontakt zur Katalysatorsubstanz kommt und dass das Proton, der Sauerstoff und das Elektron auch in Kontakt zueinander kommen. Darüber hinaus ist es notwendig, um das Elektron zu bewegen, dass ein elektrischer Leiter in der Nähe der zuvor genannten Katalysatorsubstanz vorhanden ist. Um das Proton zu bewegen, ist es erforderlich, dass ein Protonen leitendes Polymer in der Nähe der Katalysatorsubstanz vorhanden ist.
  • Des Weiteren ist es für die Verbesserung der Stromerzeugung der Brennstoffzelle notwendig, dass ein Platz vorhanden ist, wo die Katalysatorsubstanz, der elektrische Leiter und das Protonen leitende Polymer alle gemeinsam vorhanden sind. In der Katalysatorschicht der Brennstoffelektrode ist es notwendig, viele Stellen zu haben, bei denen eine hohe Wahrscheinlichkeit des Kontakts mit Wasserstoff besteht. In der Katalysatorschicht der Sauerstoffelektrode ist es notwendig, viele Stellen zu haben, bei denen eine hohe Wahrscheinlichkeit des Kontakts mit Sauerstoff besteht.
  • Herkömmlich wurde das folgende Verfahren zur Bildung der Katalysatorschicht wie oben beschrieben vorgeschlagen (siehe Patentbezug 2). Kurz gesagt, werden eine Katalysatorsubstanz, die Kohlenstoff mit sich führt, und ein Protonen leitendes Polymer in das Lösungsmittel gegeben und in flüssige Form gebracht. Die betreffende Flüssigkeit wird von einer Elektrode zur anderen Elektrode, an der eine hohe Spannung anliegt, injiziert. Wie oben beschrieben, wird ein elektrostatisches Dehnungsphänomen geschaffen, und es werden Fasern aus dem Protonen leitenden Polymer hergestellt, das die Katalysatorsubstanz und den Kohlenstoff trägt. Eine poröse Katalysatorschicht wird durch Ablagerung der betreffenden Fasern ausgebildet.
    • Patentzitat 1:
    • Nicht geprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2005-330624
    • Patentzitat 2:
    • Nicht geprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2007-214008
  • Offenlegung der Erfindung
  • Technische Problemstellung
  • Als Erfinder der vorliegenden Erfindung, der das zuvor genannte Verfahren zur Herstellung von Fasern weiter erforscht hat, hat der Erfinder jedoch entdeckt, dass es einen Fall gibt, bei dem die Fasern mit der gewünschten Funktion schwierig herzustellen sind, und zwar je nach Art des Kunststoffs, der aus Fasern besteht, oder nach Art des mitzuführenden Materials. Da sich der Erfinder der weiteren Forschung widmete, entdeckte er, dass es einen Fall gibt, bei dem das mitgeführte Material seine Funktion nicht erfüllen kann, da das mitgeführte Material innerhalb der Fasern enthalten ist, und dass es einen Fall gibt, dass die mechanische Festigkeit der Fasern geschwächt ist, weil das mitgeführte Material zu viel in die Fasern eingedrungen ist.
  • Bei der Brennstoffzelle im zuvor genannten Verfahren wird außerdem die Katalysatorsubstanz in dem Protonen leitenden Polymer in einem Prozess gebildet, bei dem sich das Protonen leitende Polymer in Fasern umwandelt, so dass so viele Katalysatorsubstanzen vorhanden sind, die keinen Kontakt mit Wasserstoff oder Sauerstoff herstellen und nicht für die zur Stromerzeugung notwendigen Reaktion zur Verfügung stehen. Die Brennstoffzelle, die eine solche Katalysatorschicht enthält, weist im Vergleich zur verwendeten Menge an Katalysatorsubstanz keine gute Stromerzeugungseffizienz auf.
  • Technische Lösung
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme erdacht, und zwar mit dem Ziel, ein Herstellungsverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern bereit zu stellen, die eine Verschlechterung der mechanischen Festigkeit der Fasern selbst verhindern sowie die komplette Palette der Funktionen des mitgeführten Materials ausführen.
  • Des Weiteren ist es angesichts der oben genannten Probleme ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern zur Verfügung zu stellen, die auf effiziente Weise eine freiliegende Katalysatorsubstanz tragen können, und eine Katalysatorschicht herzustellen, die aus einem Protonen leitenden Polymer besteht, wobei ein elektrischer Leiter in der Nähe der Katalysatorsubstanz angelegt ist.
  • Um die oben genannte Zielstellung zu erreichen, ist ein Herstellungsverfahren von Fasern nach der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Fasern, das Folgendes umfasst: einen ersten ausgießenden Schritt zum Ausgießen eines ersten Rohstoffs als Fasermaterial in einen Raum; einen ersten Schritt der elektrischen Aufladung zum Anlegen einer elektrischen Ladung an den ersten Rohstoff und zum elektrischen Aufladen des ersten Rohstoff; einen Schritt der Faserherstellung zum Herstellen von Fasern aus dem elektrisch geladenen und ausgegossenen ersten Rohstoffs, indem der erste Rohstoff gedehnt wird; einen zweiten Schritt der elektrischen Aufladung zum elektrischen Aufladen eines zweiten Rohstoffs einschließlich eines mitgeführten Materials, das auf den Fasern mitgeführt werden soll, und zwar mit einer Polarität, die der der elektrisch geladenen Fasern entgegengesetzt ist; und einen Mischschritt zum Vermischen der hergestellten Fasern und des elektrisch geladenen mitgeführten Materials in dem Raum.
  • Dadurch werden die hergestellten Fasern und das mitgeführte Material in einem bestimmten Raum vermischt. Da die Fasern und das mitgeführte Material mit einer zueinander entgegengesetzten Polarität elektrisch geladen sind, haftet zusätzlich das mitgeführte Material an der Oberfläche der Fasern. Demzufolge ist es möglich, das mitgeführte Material mit einer neuen Funktion auszustatten, während eine Auswirkung auf die mechanische Funktion der Fasern eingeschränkt wird. Da das mitgeführte Material nur auf der Oberfläche der Fasern vorhanden ist, ist es nebenbei gesagt möglich, Fasern herzustellen, die das mitgeführte Material dabei unterstützen können, seine volle Funktionsfähigkeit auszuüben, ohne dass die Funktion des mitgeführten Materials zerstört wird.
  • Es ist vorzuziehen, einen Transportschritt einzubeziehen, um die hergestellten Fasern mittels eines Gasstroms zu transportieren, wobei im Mischschritt die Fasern im Transportschritt und das mitgeführte Material vermischt werden.
  • Da das mitgeführte Material mit den Fasern, die durch den Gasstrom in einer dispergierten Form transportiert wird, vermischt wird, ist es demzufolge möglich, dass das mitgeführte Material im gesamten Raum und auch für die Fasern gleichmäßig mitgeführt wird. Demzufolge ist es möglich, Fasern herzustellen, die es ermöglichen, dass das mitgeführte Material die Funktion auf stabile Weise erfüllt.
  • Darüber hinaus kann ein Sammelschritt eingeschlossen sein, bei dem die Fasern, die das mitgeführte Material tragen, vom Gasstrom getrennt werden, sich die Fasern ablagern und gesammelt werden.
  • Zudem wird es dadurch möglich, die Fasern wirksam zu sammeln, die gleichmäßig das mitgeführte Material tragen, und die gesammelten Fasern der Herstellung eines Vliesstoffes oder dem Verspinnen der Fasern zur Verfügung zu stellen.
  • Um die oben genannte Zielstellung zu erreichen, ist eine Vorrichtung zur Faserherstellung nach der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern, die Folgendes umfasst: eine erste ausgießende Vorrichtung, die einen ersten Rohstoff als Material für die Fasern in einen Raum ausgießt; eine elektrisch aufladende Vorrichtung, die an den ersten Rohstoff eine elektrische Ladung anlegt und den ersten Rohstoff elektrisch auflädt; eine erste Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms, die einen Gasstrom erzeugt, der die Fasern transportiert; eine zweite elektrisch aufladende Vorrichtung, die einen zweiten Rohstoff einschließlich eines mitgeführten Materials, das auf den Fasern mitgeführt werden soll, mit einer Polarität elektrisch auflädt, die entgegengesetzt der Polarität der elektrisch aufgeladenen Fasern ist, und eine Mischvorrichtung, die die hergestellten Fasern und das elektrisch aufgeladene mitgeführte Material vermischt. Dadurch können die hergestellten Fasern und das mitgeführte Material in einem bestimmten Raum vermischt werden. Da die Fasern und das mitgeführte Material mit einer zueinander entgegengesetzten Polarität elektrisch geladen sind, kann zusätzlich das mitgeführte Material an der Oberfläche der Fasern haften. Demzufolge ist es möglich, das mitgeführte Material mit einer neuen Funktion auszustatten, während eine Auswirkung auf die mechanische Funktion der Fasern eingeschränkt wird. Da das mitgeführte Material nur auf der Oberfläche der Fasern vorhanden ist, ist es nebenbei gesagt möglich, Fasern herzustellen, die das mitgeführte Material dabei unterstützen können, seine volle Funktionsfähigkeit auszuüben, ohne dass die Funktion des mitgeführten Materials zerstört wird.
  • Um die oben genannte zweite Zielstellung zu erreichen, umfasst das Verfahren zur Herstellung der Fasern nach der vorliegenden Erfindung, in der der erste Rohstoff ein Protonen leitendes Polymer und ein flüchtiges Lösungsmittel umfasst, der zweite Rohstoff eine Katalysatorsubstanz als mitgeführtes Material umfasst und im Schritt zur Herstellung der Fasern die Fasern aus dem Protonen leitenden Polymer hergestellt werden, des Weiteren Folgendes: einen dritten elektrischen Ladeschritt, bei dem eine elektrische Ladung an einen dritten Rohstoff einschließlich eines elektrischen Leiters angelegt wird und der dritte Rohstoff elektrisch aufgeladen wird; einen dritten Ausgießschritt, bei dem der dritte Rohstoff in einen Raum gegossen wird; einen Mischschritt zum Vermischen der Fasen, der Katalysatorsubstanz und des elektrischen Leiters im Raum; und einen Ablagerungsschritt zur Ablagerung der Fasern, des elektrischen Leiters und der Katalysatorsubstanz an einem Substrat.
  • Da der Katalysator und der elektrische Leiter an der Oberfläche der Fasern, die aus dem Protonen leitenden Polymer bestehen, haften und mit dieser verbunden sind, kann dementsprechend eine Menge des Katalysators, der in dem Protonen leitende Polymer enthalten ist, so weit wie möglich verringert werden. Da die Fasern, der Katalysator und der elektrische Leiter im Raum verbunden sind, ist es außerdem einfacher, eine dreidimensionale Struktur zu erhalten, die einen Bereich vergrößert, in welchem der Katalysator auf der Oberfläche der Fasern, die aus dem Protonen leitenden Polymer bestehen, ausgesetzt ist.
  • Da der elektrische Leiter genau wie der Katalysator mit der Oberfläche der Fasern verbunden ist, ist es darüber hinaus möglich, eine große Menge an Bereichen auszubilden, wo das Protonen leitende Polymer, der Katalysator und der elektrische Leiter nah beieinander platziert sind. Darüber hinaus werden, da die Fasern, die aus dem Protonen leitenden Polymer bestehen, durch ein elektrostatisches Dehnungsphänomen hergestellt werden, Fasern hergestellt, deren Durchmesser jeweils ein Submikron ist. Nebenbei gesagt, die Katalysatorsubstanz wird durch die Ansammlung der betreffenden Fasern ausgebildet, somit wird die Katalysatorsubstanz porös, wodurch eine große Menge an Wasserstoff, Sauerstoff und Ähnliches hindurch gelangen können.
  • Demzufolge kann die Brennstoffzelle einschließlich der betreffenden Katalysatorschicht im Vergleich zur Menge des eingegossenen Katalysators eine höhere Wirksamkeit der Stromerzeugung erzielen.
  • Es ist vorzuziehen, dass im zweiten elektrischen Ladeschritt und im dritten elektrischen Ladeschritt eine Polarität einer elektrischen Ladung, die an der Katalysatorsubstanz anliegt, und eine Polarität einer elektrischen Ladung, die am elektrischen Leiter anliegt, unterschiedlich zueinander eingestellt werden, und dass im Mischschritt ein mitgeführtes Material einschließlich einer Verbindung des elektrischen Leiters und der Katalysatorsubstanz durch das Vermischen der Katalysatorsubstanz und des elektrischen Leiters ausgebildet wird; und dass die Fasern und das mitgeführte Material durch das Vermischen der Fasern und einer mitgeführten Substanz vermischt werden.
  • Dementsprechend wird es ermöglicht, zu gewährleisten, dass der Katalysator, dessen Menge im Verhältnis zu einer Menge am Protonen leitendem Polymer geringer ist, mit dem elektrischen Leiter verbunden wird, um das mitgeführte Material auszubilden, und des Weiteren eine große Menge eines Bereichs zuzuweisen, wo sich das Protonen leitende Polymer, der Katalysator und der elektrische Leiter nahe zueinander innerhalb der Katalysatorschicht befinden, um das betreffende mitgeführte Material und das Protonen leitende Polymer zu verbinden.
  • Es ist vorzuziehen, dass im ersten elektrischen Ladeschritt, im dritten elektrischen Ladeschritt und im zweiten elektrischen Ladeschritt ein Betrag an elektrischer Ladung und eine Polarität, die am ersten Rohstoff, dem zweiten Rohstoff und dem dritten Rohstoff anliegt, so eingestellt werden, dass das ausgebildete mitgeführte Material mit einer Polarität elektrisch aufgeladen wird, die entgegengesetzt zur Polarität einer elektrischen Ladung ist, die an den Fasern im Mischschritt anliegt.
  • Dadurch wird es möglich, das Protonen leitende Polymer mit dem mitgeführten Material mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu verbinden und eine Katalysatorschicht mit einer hohen Leistungsfähigkeit herzustellen.
  • Vorteilhafte Auswirkungen
  • Da das mitgeführte Material nur auf der Oberfläche der Fasern mitgeführt werden kann, die hergestellt wurden oder werden, ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, Fasern zur Verfügung zu stellen, die eine Ausführung der kompletten Palette an Funktionen des mitgeführten Materials ermöglichen, während gleichzeitig die Verschlechterung einer mechanischen Festigkeit der Fasern selbst eingeschränkt wird.
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, eine poröse Katalysatorschicht herzustellen, welche die Zellen miteinander verbindet und es Wasserstoff, Sauerstoff oder Ähnlichem gestattet, leicht zu passieren, und es einem Proton und Sauerstoff ermöglicht, mit hoher Wirksamkeit zu reagieren.
  • WEITERE INFORMATIONEN ZUM TECHNISCHEN HINTERGRUND ZU DIESER ANMELDUNG
  • Die Offenlegung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-063190 , eingereicht am 12. März 2008, und die Offenlegung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-211218 , eingereicht am 19. August 2008, jeweils einschließlich der Spezifikation, Zeichnungen und Ansprüche, werden hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Einspritzvorrichtung und eine zweite Einspritzvorrichtung darstellt.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Einspritzvorrichtung und eine zweite Einspritzvorrichtung darstellt.
  • 4 ist eine Ansicht, die Fasern, die ein mitgeführtes Material tragen, schematisch darstellt.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Einspritzvorrichtung darstellt.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild der Einspritzvorrichtung darstellt.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil einer Zelle schematisch darstellt, die eine Einheit einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bildet.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Vorrichtung zur Herstellung von Fasern
    101
    Substrat
    102
    Vakuumvorrichtung
    103
    Einheit zur Begrenzung des Bereichs
    104
    Transportvorrichtung
    105
    Luftgebläse
    106
    Vorrichtung zur Rückgewinnung des Lösungsmittels
    107
    Vakuumsteuervorrichtung
    110
    Sammelvorrichtung
    111
    Zuführrolle
    120
    Anziehungsvorrichtung
    121
    Anziehungselektrode
    122
    Anziehungskraftquelle
    123
    Leitung
    130
    Mischvorrichtung
    131
    Zylindrischer Hauptkörper
    132
    Zylindrischer Unterkörper
    201
    Ausgießvorrichtung
    202
    Elektrische Ladevorrichtung
    203
    Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms
    204
    Vorrichtung zur Steuerung eines Gasstroms
    205
    Heizelement
    206
    Blasrohr
    210
    Ausstoßvorrichtung
    211
    Behälter
    212
    Axialer Körper
    213
    Motor
    216
    Ausgießöffnung
    217
    Zufuhrweg
    220
    Zweite Ausstoßvorrichtung
    221
    Ladeelektrode
    222
    Ladestromquelle
    223
    Erdungsvorrichtung
    230
    Dritte Ausstoßvorrichtung
    232
    Einheit zur Erzeugung eine beschleunigten Stroms
    233
    Gasstrom-Eintrittsöffnung
    234
    Beschleunigungs-Lufttunnel
    235
    Ventil
    236
    Beschleuniger
    240
    Vierte Ausstoßvorrichtung
    251
    Zweite Ausgießvorrichtung
    252
    Zweite elektrische Ladevorrichtung
    253
    Zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms
    255
    Fünfte Ausstoßvorrichtung
    256
    Zweites Blasrohr
    300
    Rohstoff
    301
    Faser
    302
    Mitgeführtes Material
    303
    Elektrischer Leiter
    304
    Zweiter Rohstoff
    305
    Dritter Rohstoff
    306
    Zweites mitgeführtes Material
    307
    Vierter Rohstoff
    308
    Elektrisch leitfähige Faser
    400
    Zelle
    401
    Gasdiffusionsschicht
    402
    Katalysatorschicht
    403
    Protonen leitende Polymer-Membran
    410
    Separator auf der Seite der Brennstoffelektrode
    413
    Flüssigkeitsströmungsweg
    420
    Separator auf der Seite der Sauerstoffelektrode
  • Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung
  • Als Nächstes werden die Ausführungsformen der Vorrichtung zur Herstellung von Fasern nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
  • (Ausführungsform 1)
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Wie in der Zeichnung dargestellt wird, ist die Vorrichtung zur Herstellung von Fasern 100 eine Vorrichtung, die Fasern 301, welche von einer Ausstoßvorrichtung 210 ausgestoßen werden, einen zweiten Rohstoff 304 einschließlich einem mitgeführten Material 302, das von einer zweiten Ausstoßvorrichtung 220 ausgestoßen wird, oder ein mitgeführtes Material 302 in einem Raum vermischt, wobei das mitgeführte Material 302 dann auf der Oberfläche der Fasern mitgeführt wird. Die Ausstoßvorrichtung 210 umfasst eine Ausgießvorrichtung 201, eine elektrische Ladevorrichtung 202, ein Blasrohr 206 und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203. Auf der anderen Seite umfasst die zweite Ausstoßvorrichtung 220 eine zweite Ausgießvorrichtung 251, eine zweite elektrische Ladevorrichtung 252, ein zweites Blasrohr 256 und eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 253. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung zur Herstellung von Fasern 100 eine Mischvorrichtung 130, einen Beschleuniger 236 und eine Sammelvorrichtung 110.
  • Die Ausstoßvorrichtung 210 ist eine Einheit, welche die Fasern 301, die durch ein elektrostatisches Dehnungsphänomen hergestellt werden, ausstößt und in einen Gasstrom bringt, während ein Rohstoff 300 elektrisch aufgeladen wird oder sich der betreffende Rohstoff 300 im Flug befindet. Einzelheiten zur Ausstoßvorrichtung 210 werden später erläutert.
  • Hier wird ein Rohstoff für die Herstellung der Fasern als Rohstoff 300 beschrieben, und die hergestellten Fasern werden als Fasern 301 bezeichnet. Im Herstellungsprozess wird jedoch der Rohstoff 300 in die Fasern 301 umgewandelt, da dieser ausgedehnt wird, so dass die Grenzen zwischen dem Rohstoff 300 und den Fasern 301 fließend sind und nicht deutlich bestimmt werden können.
  • Die Mischvorrichtung 130 ist ein rohrförmiges Element, das die Fasern 301 (den Rohstoff 300), die von der Ausstoßvorrichtung 210 ausgestoßen werden, und das mitgeführte Material 302 (der zweite Rohstoff 304), das mit dem Gasstrom von der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 ausgestoßen wird, vermischt. Die Mischvorrichtung 130 ist ein rohrförmiges Element, das in einer Y-Form verbunden ist, so dass die Fasern 301 und das mitgeführte Material 302, die jeweils an einer unterschiedlichen Stelle erzeugt werden, an einer Stelle zusammengeführt werden und diese zusammenfließenden Fasern 301 und das mitgeführte Material 302 miteinander vermischt werden. Die Mischvorrichtung 130 weist eine Struktur auf, bei der zwei Teile eines zylindrischen Unterkörpers 132 mit einem kleineren Durchmesser in einer Linie an der Kante eines zylindrischen Hauptkörpers 131 mit einem großen Durchmesser verbunden sind, und diese beiden Teile des zylindrischen Unterkörpers 132 in entgegengesetzte Richtung zeigen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Rohr in kreisförmiger, zylindrischer Form als zylindrischer Hauptkörper 131 und als zylindrischen Unterkörper 132 verwendet, die Form der Mischvorrichtung 130 ist allerdings willkürlich gewählt, so dass ein Rohr mit einem rechteckigen Querschnitt oder Ähnliches ebenfalls verwendet werden kann. Die Mischvorrichtung 130 ist außerdem nicht nur auf ein rohrförmiges Element, das in V-Form verbunden ist, beschränkt. Es kann sich auch um ein rohrförmiges Element handeln, das in T-Form verbunden ist, so lange es die Fasern 301 und das mitgeführte Material 302 an einer Stelle zusammenführen kann.
  • Die Sammelvorrichtung 110 ist eine Vorrichtung, die die Fasern 301 sammelt, auf deren Oberfläche das mitgeführte Material 302 anhaftet, und die ein Substrat 101, eine Transportvorrichtung 104, eine Vakuumvorrichtung 102, die Vakuumsteuervorrichtung 107 und eine Einheit zur Begrenzung des Bereichs 103 umfasst.
  • Das Substrat 101 ist ein Substrat, an dem sich die Fasern 301, die hergestellt wurden und sich durch ein elektrostatisches Dehnungsphänomen im Flug befinden, anlagern. Das Substrat 101 ist ein Substrat, das die Fasern 301, die von einem Gasstrom mitgeführt werden, vom Gasstrom trennt und diese sammelt. Es weist viele mikroskopische Löcher auf, die es ermöglichen, dass der Gasstrom durch diese hindurchgeht, aber die Fasern 301 nicht hindurch lassen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat 101 ein dünnes, flexibles und langes blattartiges Substrat, das aus einem Material besteht, welches leicht von den Fasern 301 getrennt werden kann. Noch genauer gesagt, ist es möglich, es durch ein langes Netz aus Aramidfasern als Beispiel für das Substrat 101 zu veranschaulichen. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, eine Teflon-Beschichtung (eingetragene Handelsmarke) auf die Oberfläche des Substrats 101 aufzutragen, da dies die Abtrennbarkeit verbessert, wenn angelagerte Fasern 301 vom Substrat 101 getrennt werden. Außerdem soll das Substrat 101 in Rollenform aufgerollt und von einer Zufuhrrolle 111 zugeführt werden.
  • Die Transportvorrichtung 104 zieht das lange Substrat 101 heraus, das dabei von der Zufuhrrolle 111 abgerollt wird, und bewegt es langsam in einen Bereich in der Nähe einer Ableitungsöffnung des Beschleuniger 236 und transportiert das Substrat 101 mit den anhaftenden Fasern 301. Die Transportvorrichtung 104 ist eine Vorrichtung, die einen Vliesstoff aufrollen kann, an dem die Fasern 301 zusammen mit dem Substrat 101 anlagern.
  • Die Vakuumvorrichtung 102 ist eine Vorrichtung, die sich auf der gegenüberliegenden Seite zu der Seite befindet, wo sich die Fasern 301 des Substrats 101 anlagern, oder mit anderen Worten, auf der gegenüberliegenden Seite zu der Seite, wo sich der Beschleuniger 236 befindet, und die den Gasstrom zwingt, von der Ausstoßvorrichtung 210 über den Beschleuniger 236 durch das Substrat 101 zu gehen, und ihn ansaugt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Lüfter, wie zum Beispiel ein Sirocco-Lüfter oder ein Axiallüfter, als Vakuumvorrichtung 102 gewählt und erzeugt einen Gasstrom, der von der Einheit zur Begrenzung des Bereichs 103 zu einer Leitung 123 strömt. Die Vakuumvorrichtung 102 ist außerdem so platziert, dass sie mit der Leitung 123 verbunden ist, die den größten Teil des Gasstroms absaugt, der vom Beschleuniger 236 geliefert wird und mit dem Lösungsmittel vermischt ist, das aus dem Rohstoff 300 verdunstet, und transportiert diese über die Leitung 123 zu einer Vorrichtung zur Rückgewinnung des Lösungsmittels 106.
  • Die Vakuumsteuervorrichtung 107 ist eine Vorrichtung, die elektrisch mit der Vakuumvorrichtung 102 verbunden ist und ein Absaugvolumen der Vakuumvorrichtung 102 steuert. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Luftgebläse als Vakuumvorrichtung 102 verwendet, die Vakuumsteuervorrichtung 107 steuert ein Absaugvolumen eines Gases durch die Steuerung einer Umdrehungszahl des zuvor genannten Luftgebläses.
  • Die Einheit zur Begrenzung des Bereichs 103 ist ein Rohr, welches die Funktion hat, einen Absaugbereich der Vakuumvorrichtung 102 zu begrenzen, welches sich gegenüber einer Stelle befindet, an der die Fasern 301 des Substrats 101 gesammelt werden, und das an beiden Enden offen ist und sich zwischen dem Substrat 101 und der Vakuumvorrichtung 102 befindet. Es ist vorzuziehen, dass eine Anordnung der Einheit zur Begrenzung des Bereichs 103 einer Anordnung des Endteils entspricht, an dem die Fasern 301 abgeschieden werden. Da die Anordnung des Endteils der Ableitöffnung des Beschleunigers 236 rechteckig ist, wird im Fall der vorliegenden Ausführungsform ein rechteckiges Rohr auch für die Einheit zur Begrenzung des Bereichs 103 verwendet, das der zuvor genannten Anordnung entspricht. Wenn der zuvor genannte Ableitendteil eine kreisförmige Form hat, kann die Einheit zur Begrenzung des Bereichs 103 auch eine zylindrische Form aufweisen.
  • Der Beschleuniger 236 ist eine Vorrichtung, die eine Fluggeschwindigkeit der Fasern 301 erhöht, die durch die Mischvorrichtung 130 mit dem mitgeführten Material 302 vermischt wurden und das mitgeführte Material 302 an ihrer Oberfläche mitführen, und eine Einheit zur Erzeugung eine beschleunigten Stroms 232 und einen Beschleunigungs-Lufttunnel 234 umfasst.
  • Der Beschleunigungs-Lufttunnel 234 ist ein rohrförmiges Element, das mit dem zylindrischen Hauptkörper 131 der Mischvorrichtung 130 verbunden ist, die Funktion hat, die Fasern 301, die von der Mischvorrichtung 130 abgegeben werden, zum Substrat 101 zu leiten und umfasst eine Gasstrom-Eintrittsöffnung 233 an seiner Außenwand, die den von der Einheit zur Erzeugung eines beschleunigten Stroms 232 erzeugten Gasstrom in das Innere des Beschleunigungs-Lufttunnels 234 leiten kann. Ein Bereich, der mit der Mischvorrichtung 130 des Beschleunigungs-Lufttunnels 234 verbunden ist, besteht aus einem Bereich, der einem Bereich am Endteil der Ableitungsseite der Mischvorrichtung 130 entspricht, und ein Bereich eines Endteils an der Ableitungsseite des Beschleunigungs-Lufttunnels 234 ist kleiner als der Bereich des zuvor genannten Endteils auf der Ableitungsseite. Deshalb hat insgesamt gesehen der Beschleunigungs-Lufttunnel 234 eine Trichterform, so dass durch die Form die Fasern 301, die in den Beschleunigungs-Lufttunnel 234 zusammen mit dem Gasstrom eintreten, komprimiert werden.
  • Die Einheit zur Erzeugung eines beschleunigten Stroms 232 ist eine Vorrichtung, die einen Gasstrom erzeugt, indem ein Hochdruck-Gas in den Beschleunigungs-Lufttunnel 234 eingeleitet wird. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine Vorrichtung einschließlich eines Tanks (Flasche), die das Hochdruck-Gas vorhalten kann, und eine Gasableitungseinheit mit einem Ventil 235, um einen Druck des Hochdruck-Gases im Tank einzustellen.
  • Das Gas, das durch die Einheit zur Erzeugung eines beschleunigten Stroms 232 zur Verfügung gestellt wird, kann einfach Luft sein, es ist aber mehr vorzuziehen, ein Sicherheitsgas zu verwenden, bei dem das Sauerstoffverhältnis niedriger ist als das in der Luft. Das dient zur Verhinderung einer Explosion durch das Lösungsmittel, das aus dem Rohstoff 300 verdunstet. Hinsichtlich des Sicherheitsgases können ein Gas mit einer niedrigen Sauerstoffdichte, bei dem Sauerstoff in gewissem Umfang durch eine Plastikfolie (eine Hohlfadenfolie) aus der Luft entfernt wurde, oder ein überhitzter Dampf in Betracht kommen. Diese Beschreibung schließt jedoch nicht die Verwendung eines hochreinen Gases, das kaum Sauerstoff enthält, aus, und gestattet auch die Verwendung von hochreinem Stickstoff in Form von Flüssigkeit oder Gas, der in einen Tank gefüllt wird, oder Kohlendioxid, das von Trockeneis geliefert wird.
  • Darüber hinaus ist es möglich, ein Heizgerät zu verwenden, das den Gasstrom erhitzt, der in der Einheit zur Erzeugung eines beschleunigten Stroms 232 erzeugt wird.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausstoßvorrichtung1
    • 1
    In the description of the figures [0036] the ”term ”injection apparatus” is used instead of ”discharge apparatus” here.
    und eine zweite Ausstoßvorrichtung darstellt.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht2
    • 2
    In the description of figures [0036] the term „cross-section view” is used, not „perspective view”.
    , die eine Ausstoßvorrichtung und eine zweite Ausstoßvorrichtung darstellt.
  • Wie in diesen Darstellungen veranschaulicht wird, umfasst die Ausstoßvorrichtung 210 die Ausgießvorrichtung 201, die elektrische Ladevorrichtung 202, die Vorrichtung zur Erzeugung des Gasstroms 203 und ein Blasrohr 206.
  • Die Ausgießvorrichtung 201 ist eine Vorrichtung, die den Rohstoff 300 in den Raum ausstößt, und es ist eine Vorrichtung, die in der vorliegenden Ausführungsform den Rohstoff 300 durch eine Zentrifugalkraft in einem radialen Muster ausstößt. Die Ausgießvorrichtung 201 umfasst einen Behälter 211, einen axialen Körper 212 und einen Motor 213.
  • Der Behälter 211 ist ein Behälter, der es ermöglicht, dass der Rohstoff 300 durch die Zentrifugalkraft, die durch Drehung um sich selbst erzeugt wird, in den Raum ausgegossen wird, wenn der Rohstoff 300 in das Innere des Behälters 211 eingespritzt wird. Es handelt sich um eine zylindrische Form, deren eines Ende geschlossen ist und die viele Ausgießöffnungen 216 an der Außenwand aufweist. Der Behälter 211 besteht aus einem elektrischen Leiter zum Anlegen einer elektrischen Ladung an den vorgehaltenen Rohstoff 300. Der Behälter 211 wird durch ein Lager gestützt (nicht dargestellt), das sich auf einer Stützkonstruktion (nicht dargestellt) befindet, wodurch es möglich ist, dass sich dieser dreht.
  • Genauer gesagt, ist es angebracht, dass ein Durchmesser des Behälters 211 irgendwo im Bereich zwischen 10 mm bis 300 mm gewählt wird. Wenn dieser zu groß ist, wird es schwierig werden, den Rohstoff 300 oder die Fasern 301 mit einem Gasstrom zu zentralisieren. Auf der anderen Seite, wenn er zu klein ist, wird es erforderlich, die Anzahl der Umdrehungen zu erhöhen, um den Rohstoff 300 durch eine Zentrifugalkraft auszugießen, was zu einem Problem durch die Erzeugung zusätzlicher Lasten oder Schwingungen des Motors führen könnte. Darüber hinaus ist es ratsam, dass ein Durchmesser des Behälters 211 irgendwo im Bereich zwischen 20 mm bis 100 mm gewählt wird. Es ist außerdem vorzuziehen, dass die Form eines Ausgießlochs 216 ein Kreis ist, und es ist angebracht, dass dessen Durchmesser irgendwo im Bereich zwischen 0,01 mm und 3 mm gewählt wird.
  • Der axiale Körper 212 ist ein axialer Körper, der den Behälter 211 dreht und eine Triebkraft überträgt, um den Rohstoff 300 durch eine Zentrifugalkraft auszugießen. Es handelt sich um einen stabartigen Körper, der von einem Ende des Behälters 211 in das Innere des Behälters 211 eingeführt wird und bei dem ein Ende mit einem verschlossenen Teil des Behälters 211 verbunden ist. Das andere Ende ist außerdem mit einer Rotationsachse des Motors 213 verbunden.
  • Der Motor 213 ist eine Vorrichtung, die eine Rotationstriebkraft über den axialen Körper 212 auf den Behälter 211 überträgt, um den Rohstoff 300 mittels der Zentrifugalkraft aus dem Ausgießloch 216 auszugießen. Es ist vorzuziehen, dass die Anzahl der Umdrehungen für den Behälter 211 irgendwo im Bereich von wenigen U/min bis zu 10000 U/min gewählt wird, und zwar je nach dem Öffnungsdurchmesser des Ausgießlochs 216, der Viskosität des Rohstoffs 300 und der Art der polymeren Substanz innerhalb des Rohstoffs. Wie es in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, ist die Anzahl der Umdrehungen des Motors 213 gleich der Anzahl der Umdrehungen des Behälters 211, falls der Motor 213 direkt zusammen mit dem Behälter 211 betrieben wird.
  • Die elektrische Ladevorrichtung 202 ist eine Vorrichtung, die eine elektrische Ladung an den Rohstoff 300 anlegt und den Rohstoff 300 elektrisch auflädt. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform umfasst die elektrische Ladevorrichtung 202 eine Ladeelektrode 221, eine Ladestromquelle 222 und eine Erdungsvorrichtung 223. Der Behälter 211 dient außerdem als Teil der elektrischen Ladevorrichtung 202.
  • Die Ladeelektrode 221 ist ein Element, das eine elektrische Ladung für den Behälter 211 induziert, der sich in der Nähe dazu befindet und geerdet ist, indem es eine höhere oder niedrigere Spannung als die Erdung aufweist. Es handelt sich außerdem um ein kreisförmiges Element, das um eine Spitze des Behälters 211 herum platziert ist. Darüber hinaus dient die Ladeelektrode 221 auch als Blasrohr 206, das einen Gasstrom von der Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 zum zylindrischen Unterkörper 132 der Mischvorrichtung 130 leitet.
  • Die Größe der Ladeelektrode 211 muss größter sein als der Durchmesser des Behälters 211. Es ist angebracht, dass der Durchmesser irgendwo im Bereich zwischen 200 mm bis 800 mm gewählt wird.
  • Die Ladestromquelle 222 ist eine Stromquelle, die eine hohe Spannung an die Ladeelektrode 221 anlegen kann. Im Allgemeinen ist es vorzuziehen, dass die Ladestromquelle 222 eine Gleichstromquelle ist. Insbesondere, wenn es nicht durch eine elektrisch geladene Polarität, die für die Fasern 301 erzeugt wird, beeinträchtigt wird, und wenn die Fasern 301 unter Verwendung einer elektrischen Ladung, die für die Fasern 301 erzeugt wird, auf der Polarität gesammelt werden, ist es vorzuziehen, dass es sich um eine Gleichstromquelle handelt. Für jeden anderen Fall kann auch eine Wechselstromquelle verwendet werden. Wenn die Ladestromquelle 222 eine Gleichstromquelle ist, ist es außerdem vorzuziehen, dass eine Spannung, die die Ladestromquelle 222 auf die Ladeelektrode 221 anlegt, irgendwo in einem Bereich zwischen 10 kV und 200 kV eingestellt wird. Da die Stärke eines elektrischen Feldes zwischen dem Behälter 211 und der Ladeelektrode kritisch ist, ist es insbesondere vorzuziehen, dass die angelegte Spannung und die Anordnung der Ladeelektrode 221 entsprechend eingestellt werden, um eine Stärke des elektrischen Feldes von mindestens 1 kV/cm zu haben.
  • Die Erdungsvorrichtung 223 ist ein Element, das elektrisch mit dem Behälter 211 verbunden ist und den Behälter 211 auf einem Massepotenzial halten kann. Ein Ende der Erdungsvorrichtung 223 ist etwas, das als eine Bürste zur Aufrechterhaltung der elektrischen Verbindung dient, selbst wenn sich der Behälter 211 dreht, und das andere Ende ist mit einer Masse verbunden.
  • Wenn ein Induktionsverfahren für die elektrische Ladevorrichtung 202 verwendet wird, ist es, wie in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, möglich, eine elektrische Ladung an den Rohstoff 300 anzulegen, während der Behälter 211 auf dem Massenpotenzial gehalten wird. Wird der Behälter 211 auf dem Massepotenzial gehalten, besteht keine Notwendigkeit, die Elemente, wie zum Beispiel den axialen Körper 212 oder den Motor 213, die mit dem Behälter 211 verbunden sind, elektrisch zu isolieren, was vorzuziehen ist, da es ermöglicht, eine einfache Konstruktion als Ausgießvorrichtung 201 zu verwenden.
  • Darüber hinaus ist dies als elektrische Ladevorrichtung 202 zur Verbindung des Stroms zum Behälter 211, Beibehalten einer hohen Spannung des Behälters 211 und Anlegen einer elektrischen Ladung an den Rohstoff 300 akzeptabel. Darüber hinaus ist es auch akzeptabel, den Behälter 211 mit einem Isoliermaterial auszubilden und die Elektrode innerhalb des Behälters 211 zu platzieren, wodurch direkt ein Kontakt mit dem im Behälter 211 gelagerten Rohstoff 300 hergestellt wird, und eine elektrische Ladung am Rohstoff 300 unter Verwendung der betreffenden Elektrode anzulegen.
  • Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 ist eine Vorrichtung, die einen Gasstrom erzeugt, der eine Flugrichtung des Rohstoffs 300, der vom Behälter 211 ausgegossen wird, in eine Richtung ändert, die von der Mischvorrichtung 130 vorgegeben wird. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 auf der Rückseite des Motors 213 montiert und erzeugt einen Gasstrom, der in Richtung der Spitze des Behälters 211 vom Motor 213 aus verläuft. Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 kann Windkraft erzeugen, die die Richtung des zuvor erwähnten Rohstoffs 300 in eine axiale Richtung verändern kann, und zwar bevor der Rohstoff 300, der in einer radialen Richtung vom Behälter 211 ausgegossen wird, die Ladeelektrode 221 erreicht. In 2 ist der Gasstrom durch einen Pfeil gekennzeichnet. Im Falle der vorliegenden Erfindung dient als Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 ein Luftgebläse, das einen Axiallüfter umfasst, der eine Atmosphäre zwangsweise um die Ausstoßvorrichtung 210 bläst.
  • Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 kann aus einem anderen Luftgebläse wie zum Beispiel einem Sirocco-Lüfter bestehen. Darüber hinaus kann es etwas sein, das eine Richtung des Rohstoffs 300 ändert, der durch die Einleitung eines Hochdruckgases ausgegossen wird. Es kann auch etwas sein, das einen Gasstrom in das Innere der Mischvorrichtung durch die Vakuumvorrichtung 102, die Einheit zur Beschleunigung des Gasstroms 232 oder Ähnliches ändert. In diesem Fall hat die Vorrichtung zur Herstellung der Fasern 100 keine Vorrichtung, die proaktiv einen Gasstrom erzeugt, aber in der vorliegenden Erfindung ist es möglich, sich die bereits vorhandene Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 so vorzustellen, dass ein Gasstrom innerhalb der Mischvorrichtung 130 erzeugt wird. Unter Bedingungen, wo keine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 vorhanden ist, ist es darüber hinaus auch möglich, sich die bereits vorhandene Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 so vorzustellen, dass ein Gasstrom innerhalb der Mischvorrichtung 130 durch das Absaugen mit einer Vakuumvorrichtung 102 erzeugt wird.
  • Das Blasrohr 206 ist ein Lufttunnel, der einen Gasstrom, der von der Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 erzeugt wurde, zu einem Bereich in der Nähe des Behälters 211 leitet. Der vom Blasrohr 206 geleitete Gasstrom kreuzt den Weg des Rohstoffs 300, der aus dem Behälter 211 ausgegossen wird, und ändert die Flugrichtung des Rohstoffs 300.
  • Zusätzlich umfasst die Ausstoßvorrichtung 210 eine Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 und ein Heizgerät 205.
  • Die Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 hat die Funktion, einen Gasstrom zu steuern, um zu verhindern, dass der von der Vorrichtung zur Erzeugung des Gasstroms 203 erzeugte Gasstrom auf das Ausgießloch 216 trifft. Im Fall der vorliegenden Erfindung wird als Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 ein Luftkanal verwendet, um den Gasstrom in einen bestimmten Bereich zu leiten. Da der Gasstrom nicht direkt auf das Ausgießloch 216 trifft, ist es mit der Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 möglich, so praktisch machbar wie möglich zu verhindern, dass der Rohstoff 300, der aus dem Ausgießloch 216 austritt, zu schnell verdunstet und das Ausgießloch 216 blockiert, und zu gewährleisten, dass der Rohstoff 300 kontinuierlich auf stabile Weise eingespritzt wird. Die Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 kann eine Windschutzwand sein, die auf der Ausgießöffnung 216 platziert wird und den Gasstrom daran hindert, einen Bereich in der Nähe der Ausgießöffnung 216 zu erreichen.
  • Das Heizelement 205 ist eine Wärmequelle, die ein Gas erwärmt, das einen durch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 erzeugten Gasstrom bildet. Im Fall der vorliegenden Erfindung ist das Heizelement 205 ein kreisförmiges Heizelement, das sich an der Innenseite des Blasrohrs 206 befindet und das Gas, welches das Heizelement 205 passiert, erwärmen kann. Durch die Erwärmung des Gasstroms mit dem Heizelement 205 ist es möglich, die Verdunstung des Rohstoffs 300 zu bewirken, der in den Raum ausgegossen wird, und auf wirksame Weise Fasern herzustellen.
  • Als Nächstes wird die Ausstoßvorrichtung 220 erläutert. Da die zweite Ausstoßvorrichtung 220 den gleichen Geräteaufbau wie die zuvor erwähnte Ausstoßvorrichtung 210 aufweist, wird sie unter Bezugnahme auf 2 und 3 erläutert. Eine andere Kennnummer wurde den Elementen zugewiesen, die eine andere Bezeichnung haben, die betreffende Kennnummer wird in Klammern angeführt. Elementen mit der gleichen Bezeichnung wurden die gleichen Kennnummern zugewiesen.
  • Die zweite Ausgießvorrichtung 251 umfasst den Behälter 211, den axialen Körper 212 und den Motor 213, welche die gleichen sind wie in der Ausgießvorrichtung 201. Für diese Elemente kann die gleiche Erläuterung Anwendung finden, wenn der oben erwähnte „Rohstoff 300” als „zweiter Rohstoff 304” und die „Fasern 301” als das „mitgeführte Material 302” angesehen werden, demzufolge wird auf deren Erläuterung verzichtet.
  • Die zweite elektrische Ladevorrichtung 252 ist eine Vorrichtung, die eine elektrische Ladung an den zweiten Rohstoff 304 anlegt und den zweiten Rohstoff 304 elektrisch auflädt. Auf gleiche Weise wie die elektrische Ladevorrichtung 202 umfasst auch die elektrische Ladevorrichtung 252 die Ladeelektrode 221, die Ladestromquelle 222 und die Erdungsvorrichtung 223. Zusätzlich dient der Behälter 211 außerdem als Teil der zweiten elektrischen Ladevorrichtung 252.
  • Auf gleiche Weise wie das Blasrohr 206 ist das zweite Blasrohr 256 ein Lufttunnel, der einen Gasstrom, der von der zweiten Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 253 erzeugt wurde, in einen Bereich in der Nähe des Behälters 211 leitet. Der vom zweiten Blasrohr 256 geleitete Gasstrom kreuzt den Weg des zweiten Rohstoffs 304 einschließlich des mitgeführten Materials 302, der vom Behälter 211 ausgegossen wird, und ändert die Flugrichtung des zweiten Rohstoffs 304.
  • In gleicher Weise wie die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 ist auch die zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 253 eine Vorrichtung, die einen Gasstrom für die Änderung einer Flugrichtung des zweiten Rohstoffs 304 erzeugt, der vom Behälter 211 ausgegossen wird, und zwar in eine Richtung, die von der Mischvorrichtung 130 vorgegeben wird. Die zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 253 ist auf der Rückseite des Motors 213 montiert und erzeugt einen Gasstrom, der in Richtung der Spitze des Behälters 211 vom Motor 213 aus verläuft. Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 kann Windkraft erzeugen, die die Richtung des zweiten ausgegossenen Rohstoffs 304 in eine axiale Richtung verändern kann, und zwar bevor der zweite Rohstoff 304, der in einer radialen Richtung vom Behälter 211 eingespritzt wird, die Ladeelektrode 221 erreicht. In 2 ist der Gasstrom durch einen Pfeil gekennzeichnet. Im Falle der vorliegenden Erfindung dient als zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 253 ein Luftgebläse, das einen Axiallüfter umfasst, der eine Atmosphäre zwangsweise um die zweite Ausstoßvorrichtung 220 bläst.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Fasern 301 unter Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung der Fasern 100 erläutert, die aus dem oben erläuterten Aufbau besteht.
  • Als Erstes wird durch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 und der zweiten Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 253 ein Gasstrom innerhalb der Mischvorrichtung 130, des Blasrohrs 206 und des zweiten Blasrohrs 256 erzeugt. Auf der anderen Seite wird mit der Vakuumvorrichtung 102 der zuvor erwähnte Gasstrom von der strömungsabwärtigen Seite unterhalb des Substrats 101 angesaugt.
  • Als Nächstes wird der Rohstoff 300 dem Behälter 211 der Ausgießvorrichtung 201 zugeführt. Der Rohstoff 300 wird in einem separaten Tank (nicht dargestellt) gelagert und dem Behälter 211 vom anderen Ende des Behälters 211 über einen Zufuhrweg 217 zugeführt (siehe 2). Auf der anderen Seite wird der zweite Rohstoff 304 einschließlich des mitgeführten Materials 302 dem Behälter 211 der zweiten Ausgießvorrichtung 251 zugeführt. Der zweite Rohstoff 304 wird in einem separaten Tank (nicht dargestellt) gelagert und dem Behälter 211 vom anderen Ende des Behälters 211 über einen Zufuhrweg 217 zugeführt (siehe 2).
  • Während durch eine Ladestromquelle 222 eine elektrische Ladung an einen Rohstoff 300, der im Behälter 211 gelagert wird, angelegt wird (ein elektrischer Ladevorgang), wird als Nächstes der Behälter 211 durch den Motor 213 gedreht, damit der elektrisch geladene Rohstoff 300 aus der Ausgießöffnung 216 durch eine Zentrifugalkraft ausgegossen wird (ein Ausgießvorgang). Andererseits wird, während durch eine Ladestromquelle 222 eine elektrische Ladung an einen zweiten Rohstoff 304, der im Behälter 211 gelagert wird, angelegt wird (ein zweiter elektrischer Ladevorgang), der Behälter 211 durch den Motor 213 gedreht, damit der elektrisch geladene zweite Rohstoff 304 aus der Ausgießöffnung 216 durch eine Zentrifugalkraft ausgegossen wird (ein zweiter Ausgießvorgang).
  • Hierbei sind die Polarität der elektrischen Ladung, die am Rohstoff 300 anliegt, und die Polarität der elektrischen Ladung, die am zweiten Rohstoff 304 einschließlich dem mitgeführten Material 302 anliegt, zueinander umgekehrt.
  • Eine Flugrichtung des Rohstoffs 300, der radial in einer radialen Richtung des Behälters 211 ausgegossen wird, wird durch einen Gasstrom geändert, und der Rohstoff 300 gelangt in den Gasstrom und wird durch die Mischvorrichtung 130 geleitet und transportiert (ein Transportvorgang). Die Fasern 301 werden durch ein elektrostatisches Dehnphänomen aus dem Rohstoff 300 hergestellt (ein Vorgang zur Herstellung der Fasern) und aus der Ausstoßvorrichtung 210 ausgegossen. Zusätzlich leitet der zuvor genannte Gasstrom, der vom Heizelement 205 erwärmt wird, eine Formation des Rohstoffs 300 und ermöglicht die Verdunstung des Lösungsmittels durch das Anwenden von Hitze auf den Rohstoff 300. Andererseits wird ein zweiter Rohstoff 304 einschließlich des mitgeführten Materials 302 radial in einer radialen Richtung des Behälters 211 ausgegossen und dessen Flugrichtung durch den Gasstrom geändert. Der zweite Rohstoff 304 wird aus der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 ausgegossen und durch ein elektrostatisches Explosionsphänomen in kleine Flüssigkeitstropfen zerschnitten. Darüber hinaus leitet der zuvor erwähnte Gasstrom, der durch das Heizelement 205 erwärmt wird, eine Formation des zweiten Rohstoffs 304 und ermöglicht die Verdunstung des Lösungsmittels durch das Anwenden von Hitze auf den zweiten Rohstoff 304.
  • Als Nächstes werden die Fasern 301, die aus der Ausstoßvorrichtung 210 ausgestoßen und durch ein elektrostatisches Dehnphänomen hergestellt werden, der Rohstoff 300, das mitgeführte Material 302, das aus der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 ausgestoßen wird und durch ein elektrostatisches Explosionsphänomen zu einem kleinen Flüssigkeitstropfen wird, sowie der zweite Rohstoff 304 alle zusammen mit einem Gasstrom verbunden und durch die Mischvorrichtung 130 vermischt (ein Mischvorgang).
  • Da die Fasern 301 und der zweite Rohstoff 304 einschließlich dem mitgeführten Material 302 elektrisch mit einer einander entgegengesetzten Polarität geladen sind, wird als Nächstes eine Anziehungskraft erzeugt, die dazu führt, dass das mitgeführte Material 302 auf der Oberfläche der Fasern 301 haftet, so dass diese, da das mitgeführte Material 302 auf der Oberfläche der Fasern 301 haftet, auf dem Gasstrom in das Innere der Mischvorrichtung 130 transportiert werden (ein Transportvorgang). In diesem Stadium beginnen die Fasern 301, das mitgeführte Material 302 zu tragen.
  • Da die Fasern 301, die das mitgeführte Material 302 tragen und in das Innere des Beschleuniger 236 gelangen, durch einen eingespritzten Strom von Gas mit hohem Druck beschleunigt werden, allmählich komprimiert werden, da das Innere des Beschleuniger 236 immer enger wird, erreichen sie einen hochdichten Zustand und erreichen das Substrat 101. Das Substrat 101 fungiert als Filter, da der Gasstrom von der Rückseite (der strömungsabwärtigen Seite) durch eine Vakuumvorrichtung 102 abgesaugt wird. Es trennt die Fasern 301 vom Gasstrom und sammelt nur die Fasern 301 und lagert diese ab (ein Sammelvorgang). Das Substrat 101, an dem sich die Fasern 301 ablagern, bewegt sich mit einer bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit durch das Aufrollen der Transportvorrichtung 104, so dass sich die Fasern 301, die sich auf dem Substrat 101 abgelagert haben, zusammen mit dem Substrat 101 bewegen und dabei einen Vliesstoff ausbilden und von der Transportvorrichtung 104 aufgerollt werden.
  • Beispiele für polymere Substanzen, die aus den Fasern 301 bestehen, sind unter Anderem Polypropylen, Polyethylen, Polystyren, Polyethylenoxid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Poly-m-Phenylenterephthalat, Poly-p-Phenylenisophthalat, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluoropropylen-Copolymer, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid-Acrylat-Copolymer, Polyacrylnitril, Polyacrylnitril-Methacrylat-Copolymer, Polykarbonat, Polyarylat, Polyesterkarbonat, Nylon, Aramid, Polycaprolacton, Polymilchsäure, Polyglykolsäure, Collagen, Polyhydroxy-Buttersäure, Polyvinylazetat und Polypeptid. Es kann eine Art der Substanzen aus den obigen Beispielen ausgewählt und verwendet oder mehrere Arten der Substanzen miteinander kombiniert werden. Da die obigen Punkte nur Beispiele sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannten polymeren Substanzen beschränkt.
  • Beispiele für Lösungsmittel, die für den Rohstoff 300 verwendet werden, sind unter Anderem Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Hexafluorisopropanol, Tetraethylenglykol, Triethylenglykol, Dibenzylalkohol, 1,3-Dioxolan, 1,4-Dioxan, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Methyl-n-Hexylketon, Methyl-n-Propylketon, Diisopropylketon, Diisobutylketon, Aceton, Hexafluoraceton, Phenol, Ameisensäure, Methylformat, Ethylformat, Propylformat, Methylbenzoat, Ethylbenzoat, Propylbenzoat, Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, Dimethylphthalat, Diethylphthalat, Dipropylphthalat, Methylchlorid, Ethylchlorid, Methylenchlorid, Chloroform, o-Chlortoluen, p-Chlortoluen, Chloroform3
    • 3
    „Chloroform” is stated twice.
    , Kohlenstoff-Tetrachlorid, 1,1-Dichlorethan, 1,2-Dichlorethan, Trichlorethan, Dichlorpropan, Dibromethan, Dibrompropan, Methylbromid, Ethylbromid, Propylbromid, Essigsäure, Genzen, Toluen, Hexan, Cyclohexan, Cyclohexanon, Cyclopentan, o-Xylen, p-Xylen, m-Xylen, Acetonitril, Tetrahydrofuran, N,N-Dimethylformamid, Pyridin und Wasser. Es kann eine Art der Substanzen aus den obigen Beispielen ausgewählt und verwendet oder mehrere Arten der Substanzen miteinander kombiniert werden. Da die obigen Punkte nur Beispiele sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannten polymeren Substanzen beschränkt.
  • Darüber hinaus ist es möglich, dem Rohstoff 300 einige Zusatzstoffe, wie zum Beispiel Zuschlagstoffe oder Plastifikatoren, hinzuzufügen. Beispiele der betreffenden Zusatzstoffe sind Oxide, Karbide, Nitride, Boride, Silizide, Fluoride, Sulfide und so weiter, vom Gesichtspunkt zum Beispiel der Hitzefestigkeit und Verarbeitungsfähigkeit ist es aber vorzuziehen, Oxide zu verwenden. Beispiele der betreffenden Oxide sind unter Anderem Al2O3, SiO2, TiO2, Li2O, Na2O, MgO, CaO, SrO, BaO, B2O3, P2O5, SnO2, ZrO2, K2O, Cs2O, ZnO, Sb2O3, As2O3, CeO2, V2O5, Cr2O3, MnO, Fe2O3, CoO, NiO, Y2O3, Lu2O3, Yb2O3, HfO2, und Nb2O5. Es kann eine Art der Materialien aus den obigen Beispielen ausgewählt und verwendet oder mehrere Arten der Materialien miteinander kombiniert werden. Da die obigen Punkte nur Beispiele sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannten polymeren Substanzen beschränkt.
  • Ein Mischungsverhältnis eines Lösungsmittels mit einer hochmolekularen Substanz hängt von der Art des Lösungsmittels und der hochmolekularen Substanz ab, es ist aber vorzuziehen, dass eine Menge an Lösungsmittel so gewählt wird, dass es irgendwo im Bereich zwischen 60 und 98 Prozent liegt.
  • Das mitgeführte Material 302 ist nicht besonders auf eine Substanz beschränkt, die über eine Funktion verfügt. Zum Beispiel ist es möglich, fotoaktive Metalloxide usw. aufzunehmen. Zum Beispiel sind das Zinkoxide, Titanoxide und so weiter. Die fotoaktiven Metalloxide werden durch Licht, zum Beispiel durch sichtbares Licht (zum Beispiel Zinkoxide) oder durch ultraviolettes Licht (TiO2) aktiviert und weisen eine Katalysatorfunktion auf. Wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, ist es, wenn feine Partikel der fotoaktiven Metalloxide auf einer Oberfläche der Nanofasern aufgelagert werden und die betreffenden Nanofasern einen Vliesstoff ausbilden, demnach möglich, dass Licht die feinen Partikel in wirksamer Weise erreicht, so dass die fotoaktiven Metalloxide ihre Wirkung ausreichend demonstrieren können.
  • Als mitgeführtes Material 302 ist es darüber hinaus möglich, solche Materialien aufzunehmen, die Geruchsbestandteile absorbieren, wie zum Beispiel Aktivkohle, oder Materialien, die eine antibakterielle oder desinfizierende Funktion aufweisen, wie zum Beispiel Silber oder Kupfer, oder Materialien, die hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften bieten.
  • Nach dem oben genannten Aufbau der Vorrichtung und dem Verfahren ist es möglich, die Fasern 301 herzustellen, die das mitgeführte Material 302 nur auf ihrer Oberfläche tragen. Da eine mechanische Festigkeit der Fasern 301 nicht durch das Beimischen des mitgeführten Materials 302 in das Innere der Fasern 301 verringert wird, und weil, wie in 4 dargestellt ist, das mitgeführte Material 302 nur auf der Oberfläche der Fasern 301 getragen wird, kann daher die Funktion des mitgeführten Material 302 in ausreichender Weise ausgeführt werden.
  • Da die tragenden Fasern 301 und das mitgeführte Material 302 elektrisch mit einander entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind, wird das mitgeführte Material 302 darüber hinaus sicher auf der Oberfläche der Fasern 301 getragen.
  • Da die Fasern 301, die durch ein elektrostatisches Dehnphänomen hergestellt werden, mit dem zweiten Rohstoff 304, der durch eine elektrostatische Explosion zu einem kleinen Flüssigkeitstropfen wurde, oder dem mitgeführten Material 302 in einer dispergierten Form vermischt werden, und da sie gleichmäßig vermischt werden, ist es darüber hinaus möglich, die Fasern 301 mit einer Leistungsfähigkeit herzustellen, die insgesamt gesehen stabil ist.
  • (Ausführungsform 2)
  • Als Nächstes wird eine weitere Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt. Die gleichen Kennnummern wurden einem Element, einer Vorrichtung und so weiter zugewiesen, die die gleiche Funktion wie die in der obigen Ausführungsform 1 haben.
  • Wie in der gleichen Darstellung veranschaulicht wird, umfasst die Vorrichtung zur Herstellung der Fasern 100 die Ausstoßvorrichtung 210, die Mischvorrichtung 130, die zweite Ausstoßvorrichtung 220, den Beschleuniger 236 und die Sammelvorrichtung 110. Da die Ausstoßvorrichtung 210, der Beschleuniger 236 und die Sammelvorrichtung 110 die gleichen wie oben sind, wird auf deren Erläuterung hier verzichtet.
  • Die zweite Ausstoßvorrichtung 220 in der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine zweite Vorrichtung zur Abgabe, die den zweiten Rohstoff 304 einschließlich dem mitgeführten Material 302 unter Verwendung von Ultraschall oder einer Düse für zwei Flüssigkeiten versprüht und in den Raum abgibt, sowie eine zweite elektrische Ladevorrichtung, die das ausgegossene mitgeführte Material 302 mittels eines Ionisators mit einer Polarität lädt, die einer Polarität der elektrisch geladenen Fasern 301 entgegengesetzt ist. Die zweite Ausstoßvorrichtung 220 ist an der Seite der Mischvorrichtung 130, die später erläutert wird, installiert und ist in der Lage, das elektrisch geladene mitgeführte Material 302 in das Innere der Mischvorrichtung 130 zu sprühen.
  • Hier ist der Ionisator eine Vorrichtung, die ein im Raum vorhandenes feines Partikel elektrisch aufladen kann. Genauer gesagt, handelt es sich um ein beliebiges Verfahren wie zum Beispiel ein Koronaentladungsverfahren, ein Spannungsüberlagerungsverfahren, ein Wechselstromverfahren, ein gleichmäßiges Gleichstromverfahren, ein pulsierendes Gleichstromverfahren, ein Selbstentladungsverfahren, ein Verfahren mit weichen Röntgenstrahlen, ein Verfahren mit ultravioletten Strahlen, ein Strahlungsverfahren und so weiter.
  • Eine Mischvorrichtung 130 ist ein Element, das die von der Ausstoßvorrichtung 210 abgegebenen Fasern 301 und den von der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 versprühten zweiten Rohstoff 304 vermischt. Im Fall der vorliegenden Erfindung ist die Mischvorrichtung 130 ein Rohr in zylindrischer Form, das die Ausstoßvorrichtung 210 mit dem Beschleuniger 236 in gerader Linie verbindet, es ist gleichzeitig ein Führungsrohr, das einen Gasstrom für den Transport der Fasern 301 von der Ausstoßvorrichtung 210 zum Beschleuniger 236 leitet. Darüber hinaus weist die Mischvorrichtung 130 eine zweite Ausstoßvorrichtung 220 auf, die an der Außenwand befestigt ist.
  • Während die von der Ausstoßvorrichtung 210 abgegebenen Fasern 301 zum Beschleuniger 236 transportiert werden, wir im oben genannten Aufbau das winzige mitgeführte Material 302, das von der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 versprüht wird, vermischt. Da die Fasern und das mitgeführte Material 302 elektrisch mit einer einander entgegengesetzten Polarität aufgeladen sind, ist es hier mit einem einfachen Verfahren möglich, die Fasern 301 herzustellen, die das mitgeführte Material 302 auf ihrer Oberfläche tragen.
  • In der oben genannten Ausführungsform 1 wird durch das Zertrennen der Flüssigkeit einschließlich des mitgeführten Materials 302 in eine feine Form bewirkt, dass es auf der Oberfläche der Fasern 301 getragen werden kann. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Unter Verwendung einer Vorrichtung wie die in der Ausführungsform 2 dargestellten kann zum Beispiel ein Pulver (feines Pulver) des mitgeführten Materials 302 als zweiter Rohstoff elektrisch aufgeladen werden, da es sich in fester Form befindet, und im Raum dispergiert und mit den Fasern 301 vermischt werden.
  • (Ausführungsform 3)
  • Unter Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung von Fasern nach der vorliegenden Erfindung wird als Nächstes eine Ausführungsform eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Herstellung von Fasern erläutert, die für eine Katalysatorschicht für eine Protononenaustauschmembran-Brennstoffzelle verwendet wird (ein Herstellungsverfahren einer Katalysatorschicht für die Brennstoffzelle, eine Fertigungsvorrichtung einer Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle, eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle).
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Wie in der gleichen Darstellung veranschaulicht wird, ist die Vorrichtung zur Herstellung der Fasern 100 eine Vorrichtung, die die von der Ausstoßvorrichtung 210 abgegebenen Fasern 301, einen dritten Rohstoff 305 einschließlich eines elektrischen Leiters, der von einer dritten Ausstoßvorrichtung 230 abgegeben wird, den zweiten Rohstoff 304 einschließlich des mitgeführten Materials 302, der ein Lösungsmittel enthält, das von der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 in den Raum abgegeben wurde, und das mitgeführte Material, das auf der Oberfläche der Fasern 301 getragen werden soll, vermischt. Es handelt sich um eine Vorrichtung, die die betreffenden Fasern ablagern und eine Katalysatorschicht herstellen kann. Die Vorrichtung zur Herstellung der Fasern 100 umfasst die Ausstoßvorrichtung 210, eine dritte Ausstoßvorrichtung 230, eine zweite Ausstoßvorrichtung 220, die Mischvorrichtung 130, die Sammelvorrichtung 110 und eine Anziehvorrichtung 120.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausstoßvorrichtung darstellt.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild der Ausstoßvorrichtung darstellt.
  • Da die dritte Ausstoßvorrichtung 230 und die zweite Ausstoßvorrichtung 220 den gleichen Aufbau wie die Ausstoßvorrichtung 210 aufweisen, wird auf deren Erläuterung hier verzichtet. In Bezug auf die dritte Ausstoßvorrichtung kann der nachfolgend beschriebene „Rohstoff 300” als der „dritte Rohstoff 305” ausgelegt werden, „die Fasern 301” können als „dritter Rohstoff 305” ausgelegt werden, und hinsichtlich der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 können der „Rohstoff 300” als „zweiter Rohstoff 304” und „die Fasern 301” als das „mitgeführte Material 302” verstanden werden.
  • Wie in dieser Darstellung veranschaulicht wird, ist die Ausstoßvorrichtung 210 eine Einheit, die die Fasern 301 abgeben kann, die aus dem elektrisch geladenen Rohstoff 300 oder dem betreffenden Rohstoff 300 durch ein elektrostatischen Dehnphänomen hergestellt werden, während sie in einem Gasstrom fliegen. Dies umfasst die Ausgießvorrichtung 201, die elektrische Ladevorrichtung 202, das Blasrohr 206 und die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203.
  • Die Ausgießvorrichtung 201 ist eine Vorrichtung, die den Rohstoff 300 in den Raum ausgießt, und es ist eine Vorrichtung, die in der vorliegenden Ausführungsform den Rohstoff 300 durch eine Zentrifugalkraft in einem radialen Muster ausgießt. Die Ausgießvorrichtung 201 umfasst den Behälter 211, den axialen Körper 212 und den Motor 213.
  • Der Behälter 211 ist ein Behälter, der es ermöglicht, dass der Rohstoff 300 durch die Zentrifugalkraft, die durch Drehung um sich selbst erzeugt wird, in den Raum ausgegossen wird, wenn der Rohstoff 300 in das Innere des Behälters 211 eingespritzt wird. Es handelt sich um eine zylindrische Form, deren eines Ende geschlossen ist und die viele Ausgießöffnungen 216 an der Außenwand aufweist. Der Behälter 211 besteht aus einem elektrischen Leiter zum Anlegen einer elektrischen Ladung an den vorgehaltenen Rohstoff 300. Der Behälter 211 wird durch ein Lager gestützt (nicht dargestellt), das sich auf einer Stützkonstruktion (nicht dargestellt) befindet, wodurch es möglich ist, dass sich dieser dreht.
  • Genauer gesagt, ist es angebracht, dass ein Durchmesser des Behälters 211. irgendwo im Bereich zwischen 10 mm bis 300 mm gewählt wird. Wenn dieser zu groß ist, wird es schwierig werden, den Rohstoff 300 oder die Fasern 301 mit einem Gasstrom, der später erläutert wird, zu zentralisieren. Außerdem werden große Schwingungen erzeugt, wenn ein Gewicht aus dem Gleichgewicht gerät, selbst aufgrund von Faktoren wie eine etwas exzentrische Rotationsachse des Behälters 211. Dadurch wäre eine Struktur erforderlich, die starr den Behälter 211 stützt, um die betreffenden Schwingungen einzuschränken. Auf der anderen Seite, wenn er zu klein ist, wird es erforderlich, die Umdrehungen zu erhöhen, um den Rohstoff 300 durch eine Zentrifugalkraft abzugeben, was zu Problemen durch die Erzeugung zusätzlicher Lasten oder Schwingungen einer Antriebsquelle führen könnte. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass ein Durchmesser des Behälters 211 irgendwo im Bereich von 20 mm bis 100 mm gewählt wird.
  • Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass eine Form der Ausgießöffnung 216 ein Kreis ist, dessen Durchmesser vorzugsweise irgendwo im Bereich von 0,01 mm bis 3 mm gewählt wird, obwohl dies von der Dicke des Behälters 211 abhängig ist, da es schwierig wird, den Rohstoff 300 nach außerhalb des Behälters 211 auszugießen, wenn die Ausgießöffnung 216 zu klein ist. Wenn die Ausgießöffnung 216 zu groß ist, wird eine Menge des Rohstoffs 300, die aus einer der Ausgießöffnungen in einem bestimmten Zeitraum ausgegossen wird, zu groß (d. h. eine Linie, die vom abgegebenen Rohstoff 300 ausgebildet wird, wird zu dick), so dass es schwierig wird, die Fasern 301 mit einem gewünschten Durchmesser herzustellen.
  • Der Behälter 211 muss kein Element sein, das den Rohstoff 300 in den Raum durch eine Zentrifugalkraft seiner eigenen Rotation ausgießt, es kann sich auch um ein Element handeln, dass den Rohstoff 300 von der Ausgießöffnung 216 durch Anwenden von Druck auf den Rohstoff 300 ausgießt, während der Behälter 211 selbst still steht. Außerdem ist die Form des Behälters 211, der den Rohstoff 300 durch eine Zentrifugalkraft ausgießt, nicht auf eine zylindrische Form beschränkt, es kann sich um ein vieleckiges Rohr in einer Vieleckform oder bei seiner Querschnittfläche um eine konische Form handeln. Es kann eine beliebige Form annehmen, so lange der Rohstoff 300 aus der Ausgießöffnung 216 durch eine Zentrifugalkraft durch Drehungen der Ausgießöffnung 216 ausgegossen wird. Außerdem ist die Form der Ausgießöffnung 216 nicht auf eine kreisförmige Form beschränkt, es kann irgendeine andere Form, zum Beispiel eine vieleckige oder sternförmige Form sein.
  • Der axiale Körper 212 ist ein axialer Körper, der den Behälter 211 dreht und eine Triebkraft überträgt, um den Rohstoff 300 durch eine Zentrifugalkraft auszugießen. Es handelt sich um einen stabartigen Körper, der von einem Ende des Behälters 211 in das Innere des Behälters 211 eingeführt wird und bei dem ein Ende mit einem verschlossenen Teil des Behälters 211 verbunden ist. Das andere Ende ist außerdem mit einer Rotationsachse des Motors 213 verbunden.
  • Der Motor 213 ist eine Vorrichtung, die eine Rotationstriebkraft über den axialen Körper 212 auf den Behälter 211 überträgt, um den Rohstoff 300 mittels der Zentrifugalkraft aus dem Ausgießloch 216 auszugießen. Es ist vorzuziehen, dass die Anzahl der Umdrehungen für den Behälter 211 irgendwo im Bereich von wenigen U/min bis zu 10000 U/min gewählt wird, und zwar je nach dem Öffnungsdurchmesser des Ausgießlochs 216, der Viskosität des Rohstoffs 300 und der Art der polymeren Substanz innerhalb des Rohstoffs. Wie es in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, ist die Anzahl der Umdrehungen des Motors 213 gleich der Anzahl der Umdrehungen des Behälters 211, falls der Motor 213 direkt zusammen mit dem Behälter 211 betrieben wird.
  • Die elektrische Ladevorrichtung 202 ist eine Vorrichtung, die eine elektrische Ladung anlegt und den Rohstoff 300 elektrisch auflädt. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform umfasst die elektrische Ladevorrichtung 202 eine Ladeelektrode 221, eine Ladestromquelle 222 und eine Erdungsvorrichtung 223. Der Behälter 211 dient außerdem als Teil der elektrischen Ladevorrichtung 202.
  • Die Ladeelektrode 221 ist ein Element, das dem Behälter 211, der sich in der Nähe befindet und durch eine höhere oder niedrigere Spannung als eine Masse geerdet ist, eine elektrische Ladung induziert. Es handelt sich außerdem um ein kreisförmiges Element, das um die Spitze des Behälters 211 herum platziert wird. Liegt an der Ladeelektrode 221 eine positive Spannung an, wird dem Behälter 211 eine negative elektrische Ladung induziert. Liegt an der Ladeelektrode 221 eine negative Spannung an, wird dem Behälter 211 eine positive elektrische Ladung induziert. Darüber hinaus fungiert die Ladeelektrode 221 auch als Blasrohr 206, das einen Gasstrom von der Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 zu einer Mischvorrichtung 130 leitet.
  • Die Größe der Ladeelektrode 221 muss größer als der Durchmesser des Behälters 211 sein, und es ist angebracht, dass der Durchmesser irgendwo in einem Bereich von 200 mm bis 800 mm gewählt wird. Die Form der Ladeelektrode 221 ist nicht auf eine kreisförmige Form beschränkt, es kann ein Element als polygonaler Kreis in einer vieleckigen Form sein.
  • Die Ladestromquelle 222 ist eine Stromquelle, die eine hohe Spannung an die Ladeelektrode 221 anlegen kann. Es ist vorzuziehen, dass die Ladestromquelle 222 eine Gleichstromquelle ist. Wenn die Ladestromquelle 222 eine Gleichstromquelle ist, ist es außerdem angebracht, dass die Spannung, die die Ladestromquelle 222 an die Ladeelektrode 221 anlegt, irgendwo in einem Bereich von 10 kV bis 200 kV eingestellt wird. Wird eine negative Spannung an die Ladestromquelle 222 angelegt, wird die Polarität der zuvor genannten angelegten Spannung negativ. Besonders da die Intensität eines elektrischen Feldes zwischen dem Behälter 211 und der Ladeelektrode kritisch ist, ist es vorzuziehen, dass die angelegte Spannung und eine Anordnung der Ladeelektrode 221 entsprechend eingestellt werden, so dass die Intensität eines elektrischen Feldes mindestens bei 1 kV/cm liegt.
  • Die Erdungsvorrichtung 223 ist ein Element, das elektrisch mit dem Behälter 211 verbunden ist und den Behälter 211 auf einem Massepotenzial halten kann. Ein Ende der Erdungsvorrichtung 223 ist etwas, das als eine Bürste zur Aufrechterhaltung der elektrischen Verbindung dient, selbst wenn sich der Behälter 211 dreht, und das andere Ende ist mit einer Masse verbunden.
  • Wenn ein Induktionsverfahren für die elektrische Ladevorrichtung 202 verwendet wird, ist es, wie in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, möglich, eine elektrische Ladung an den Rohstoff 300 anzulegen, während der Behälter 211 auf dem Massenpotenzial gehalten wird. Wird der Behälter 211 auf dem Massepotenzial gehalten, besteht keine Notwendigkeit, die Elemente, wie zum Beispiel den axialen Körper 212 oder den Motor 213, die mit dem Behälter 211 verbunden sind, elektrisch zu isolieren, was vorzuziehen ist, da es ermöglicht, eine einfache Konstruktion als Ausgießvorrichtung 201 zu verwenden.
  • Darüber hinaus ist dies als elektrische Ladevorrichtung 202 zur Verbindung des Stroms zum Behälter 211, Beibehalten einer hohen Spannung des Behälters 211 und Anlegen einer elektrischen Ladung an den Rohstoff 300 durch Erden der Ladeelektrode 221 akzeptabel. Darüber hinaus ist es auch akzeptabel, den Behälter 211 mit einem Isoliermaterial auszubilden und die Elektrode innerhalb des Behälters 211 zu platzieren, wodurch direkt ein Kontakt mit dem im Behälter 211 gelagerten Rohstoff 300 hergestellt wird, und eine elektrische Ladung am Rohstoff 300 unter Verwendung der betreffenden Elektrode anzulegen.
  • Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 ist eine Vorrichtung, die einen Gasstrom erzeugt, der eine Flugrichtung des Rohstoffs 300, der vom Behälter 211 ausgegossen wird, in eine Richtung ändert, die von der Mischvorrichtung 130 vorgegeben wird. Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 ist auf der Rückseite des Motors 213 montiert und erzeugt einen Gasstrom, der in Richtung der Spitze des Behälters 211 vom Motor 213 aus verläuft. Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 kann eine Windkraft erzeugen, die die Richtung des zuvor erwähnten Rohstoffs 300 in eine axiale Richtung verändern kann, und zwar bevor der Rohstoff 300, der in einer radialen Richtung vom Behälter 211 ausgegossen wird, die Ladeelektrode 221 erreicht. In 7 ist der Gasstrom durch einen Pfeil gekennzeichnet. Im Falle der vorliegenden Erfindung dient als Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 ein Luftgebläse, das einen Axiallüfter umfasst, der eine Atmosphäre zwangsweise um die Ausstoßvorrichtung 210 bläst.
  • Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 kann aus einem anderen Luftgebläse wie zum Beispiel einem Sirocco-Lüfter bestehen. Darüber hinaus kann es etwas sein, das eine Richtung des Rohstoffs 300 ändert, der durch die Einleitung eines Hochdruckgases ausgegossen wird. Es kann auch etwas sein, das einen Gasstrom in das Innere der Mischvorrichtung durch die Vakuumvorrichtung 102 oder Ähnliches ändert. In diesem Fall verfügt die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 nicht über eine Vorrichtung, die einen Gasstrom proaktiv erzeugt, aber in der vorliegenden Erfindung ist es möglich, sich die bereits vorhandene Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 so vorzustellen, dass ein Gasstrom innerhalb der Mischvorrichtung 130 erzeugt wird. Unter der Bedingung, dass keine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 vorhanden ist, ist es zusätzlich möglich, sich eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms so vorzustellen, dass ein Gasstrom innerhalb des Blasrohrs 206 und der Mischvorrichtung 130 durch Absaugen mit der Vakuumvorrichtung 102 erzeugt wird.
  • Das Blasrohr 206 ist eine Leitungsröhre, die einen Gasstrom, der von der Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 erzeugt wurde, zu einem Bereich in der Nähe des Behälters 211 leitet. Der vom Blasrohr 206 geleitete Gasstrom kreuzt den Weg des Rohstoffs 300, der aus dem Behälter 211 ausgegossen wird, und ändert die Flugrichtung des Rohstoffs 300.
  • Zusätzlich umfasst die Ausstoßvorrichtung 210 die Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 und das Heizelement 205.
  • Die Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 hat die Funktion, einen Gasstrom zu steuern, um zu verhindern, dass der von der Vorrichtung zur Erzeugung des Gasstroms 203 erzeugte Gasstrom auf das Ausgießloch 216 trifft. Im Fall der vorliegenden Erfindung wird als Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 ein Luftkanal verwendet, um den Gasstrom in einen bestimmten Bereich zu leiten. Da der Gasstrom nicht direkt auf das Ausgießloch 216 trifft, ist es mit der Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 möglich, so praktisch machbar wie möglich zu verhindern, dass der Rohstoff 300, der aus dem Ausgießloch 216 austritt, zu schnell verdunstet und das Ausgießloch 216 blockiert, und zu gewährleisten, dass der Rohstoff 300 kontinuierlich auf stabile Weise eingespritzt wird. Die Vorrichtung zur Steuerung des Gasstroms 204 kann eine Windschutzwand sein, die auf der Ausgießöffnung 216 platziert wird und den Gasstrom daran hindert, einen Bereich in der Nähe der Ausgießöffnung 216 zu erreichen.
  • Das Heizelement 205 ist eine Wärmequelle, die ein Gas erwärmt, das einen durch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasstroms 203 erzeugten Gasstrom bildet. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform ist das Heizelement 205 ein kreisförmiges Heizelement, das sich an der Innenseite der Mischvorrichtung 130 befindet und das Gas, welches das Heizelement 205 passiert, erwärmen kann. Durch die Erwärmung des Gasstroms mit dem Heizelement 205 ist es möglich, die Verdunstung des Rohstoffs 300 zu bewirken, der in den Raum ausgegossen wird, und auf wirksame Weise Fasern herzustellen.
  • Wir verweisen nochmals auf 6.
  • Die Mischvorrichtung 130 ist ein Element, das die Fasern 301 (den Rohstoff 300), die von der Ausstoßvorrichtung 210 abgegeben werden, den elektrischen Leiter 303 (den dritten Rohstoff 305), der von der dritten Ausstoßvorrichtung 230 abgegeben wird, das mitgeführte Material 302 (den zweiten Rohstoff 304), das von der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 abgegeben wird, mit einem Gasstrom vermischt. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform ist die Mischvorrichtung 130 ein röhrenförmiges Element, das in einer Y-Form verbunden ist, so dass der elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302, die entsprechend an unterschiedlichen Orten erzeugt werden, an einem Ort zusammengeführt werden und der zusammengeführte elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 vermischt werden. Darüber hinaus handelt es sich um ein Element, dass ein abzweigendes Teil aufweist, das diese zusammengeführten elektrischen Leiter 303, das mitgeführte Material 302 und die Fasern 301 vermischt.
  • Die Sammelvorrichtung 110 ist eine Vorrichtung, die die Fasern 301, die von der Mischvorrichtung 130 abgegeben werden, den elektrischen Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 sammelt. sie umfasst das Substrat 101, die Transportvorrichtung 104 und eine Zuführrolle.
  • Das Substrat 101 ist ein Element, auf dem sich die Fasern 301, die durch ein elektrostatisches Dehnphänomen hergestellt werden und fliegen, der elektrischen Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 ablagern. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat 101 eine Folie mit vielen Löchern, die aus Kohlenstoff besteht, das Schichten auf einer dünnen, flexiblen und langen Bahn ausbildet. Dadurch ist es möglich, eine relativ zerbrechliche Kohlenstofffolie zur Verfügung zu stellen und die Kohlenstofffolie durch Aufrollen zu sammeln. Wird eine solche Kohlenstofffolie in die Brennstoffzelle integriert, fungiert sie als Gasdiffusionsschicht.
  • Das Substrat 101 kann eine Folie aus einem Protonen leitenden Polymer sein.
  • Die Transportvorrichtung 104 ist eine Vorrichtung, die das Substrat 101 transportieren kann. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, das lange Substrat 101 von einer Zuführrolle durch Aufrollen zu ziehen und das Substrat 101 zusammen mit den Fasern 301, dem elektrischen Leiter 303 und dem mitgeführten Material 302 zu transportieren, die sich in Vliesform ablagern. Die Transportvorrichtung 104 ist eine Vorrichtung, die die in einer Vliesform abgelagerten Fasern 301 zusammen mit dem Substrat 101 aufrollen kann.
  • Die Anziehvorrichtung 120 ist eine Vorrichtung zum Anziehen der Fasern 301, die im Raum fliegen und mit dem dritten Rohstoff 305 und dem Lösungsmittel auf ihrer Oberfläche kombiniert sind, an eine spezifische Stelle. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Anziehen der Fasern 301 und anderer Elemente, geschieht das Anziehen der Fasern 301 usw. zum Beispiel durch Absaugen eines Gasstroms und ein Verfahren zum Anziehen der Fasern 301, die elektrisch durch ein elektrisches Feld aufgeladen werden. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform wird eine Vorrichtung, die selektiv ein Verfahren zum Absaugen eines Gasstroms oder ein Verfahren, das mittels eines elektrischen Felds anzieht, ausführt, oder beide Verfahren gleichzeitig ausführen kann, als Anziehungsvorrichtung verwendet, wobei dies eine Vakuumvorrichtung 102, eine Anziehungselektrode 121 und eine Anziehungskraftquelle 122 umfasst.
  • Die Vakuumvorrichtung 102 ist eine Vorrichtung, die einen Gasstrom, der durch das Substrat 101 hindurchgeht, zwangsabsaugt. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Vakuumvorrichtung 102 eine Einheit zur Begrenzung des Bereichs 103 in einer Trichterform sowie ein Luftgebläse 105. Das Luftgebläse 105 ist ein Luftgebläse wie zum Beispiel ein Sirocco-Lüfter oder ein Axiallüfter, d. h. eine Vorrichtung, die einen Gasstrom erzeugen kann, der vom Substrat 101 zum Luftgebläse 105 verläuft.
  • Die Vakuumvorrichtung 102 ist außerdem eine Vorrichtung, die den Großteil des Gasstroms, der den Rohstoff 300, den dritten Rohstoff 305 und ein Lösungsmittel, das aus dem zweiten Rohstoff 304 verdunstet ist, miteinander verbindet, absaugen kann und den zuvor erwähnten Gasstrom zur Vorrichtung zur Rückgewinnung des Lösungsmittels 106, die mit der Vakuumvorrichtung 102 verbunden ist, transportiert.
  • Die Anziehungselektrode 121 ist eine Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, das die Fasern 301 und andere Elemente induziert. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform wird ein Metallnetz, durch das der Gasstrom passieren kann, verwendet.
  • Die Anziehungskraftquelle 122 ist eine Gleichstromquelle, die die Anziehungselektrode 121 auf einer bestimmten Spannung und mit einer bestimmten Polarität halten kann. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform ist die Anziehungskraftquelle 122 eine Gleichstromquelle, die eine Spannung und eine Polarität frei in einem Bereich von 0 V (im Installationszustand) bis 200 kV ändern kann.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Fasern unter Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung der Fasern 100 in einem oben genannten Aufbau und weiterhin zur Herstellung einer Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle erläutert.
  • Zuerst wird die Vorrichtung zur Erzeugung des Gasstroms 203, die auf der Ausstoßvorrichtung 210, der dritten Ausstoßvorrichtung 230 beziehungsweise der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 montiert ist, in Betrieb gesetzt. Dadurch wird ein Gasstrom im Inneren des Blasrohrs 206 und im Inneren der Mischvorrichtung 130 erzeugt. Andererseits wird der zuvor erwähnte Gasstrom von der Rückseite des Substrats 101 durch die Vakuumvorrichtung 102 abgesaugt.
  • Zusätzlich wird an der Anziehungselektrode 121 von der Anziehungskraftquelle 122 eine Spannung angelegt, um ein elektrisches Feld zum Anziehen der Fasern 301 und so weiter zu erzeugen.
  • Als Nächstes wird der Rohstoff 300 dem Behälter 211, der in die Ausstoßvorrichtung 210 integriert ist, zugeführt. Hinsichtlich des dritten Rohstoffs 305 wird in der gleichen Weise der Rohstoff 300 dem Behälter 211 zugeführt. Hinsichtlich des zweiten Rohstoffs 304 wird dieser in der gleichen Weise dem Behälter 211 zugeführt. Der Rohstoff 300. der dritte Rohstoff 305 und der zweite Rohstoff 304 werden entsprechend in einem separaten Tank aufbewahrt (nicht dargestellt) und vom anderen Endteil des Behälters 211 über den Zufuhrweg 217 dem Inneren des Behälters 211 zugeführt (siehe 7).
  • Gleichzeitig wird durch die elektrische Ladevorrichtung 202 eine elektrische Ladung am Rohstoff 300, der im Behälter 211 aufbewahrt wird, angelegt. Zusätzlich wird in der gleichen Weise eine elektrische Ladung am dritten Rohstoff 305 und dem zweiten Rohstoff 304 angelegt (ein elektrischer Ladevorgang, ein dritter elektrischer Ladevorgang und ein zweiter elektrischer Ladevorgang).
  • Hier sind eine Polarität der am Rohstoff 300 angelegten elektrischen Ladung und eine Polarität der am dritten Rohstoff 305 angelegten elektrischen Ladung entgegengesetzt zueinander. Außerdem ist ein Betrag der elektrischen Ladung (ein absoluter Wert), die am Rohstoff 300 angelegt ist, größer als der Betrag der elektrischen Ladung (ein absoluter Wert), der am dritten Rohstoff 305 angelegt wird. Andererseits sind die Polarität der elektrischen Ladung, die am dritten Rohstoff 305 angelegt wird, und die Polarität der elektrischen Ladung, die am zweiten Rohstoff angelegt wird, entgegengesetzt zueinander. Zusätzlich ist ein Betrag der elektrischen Ladung (ein absoluter Wert), die am Rohstoff 305 angelegt wird, größer als der Betrag der elektrischen Ladung (ein absoluter Wert), der am dritten Rohstoff 304 angelegt wird. Aus der obigen Erläuterung wird, selbst wenn der elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 mit einer zueinander entgegengesetzten Polarität verbunden werden, ein zweites mitgeführtes Material, das die elektrisch geladene Polarität eines elektrischen Leiters behält, ausgebildet, und die elektrisch geladene Polarität der Fasern 301 und die elektrisch geladene Polarität des zuvor erwähnten zweiten mitgeführten Materials sind entgegengesetzt zueinander.
  • Der Betrag und die Polarität der an dem Rohstoff 300, am dritten Rohstoff 305 und dem zweiten Rohstoff 304 angelegten elektrischen Ladung kann durch die Spannung und Polarität angepasst werden, die an der Ladeelektrode 221 anliegt.
  • Gleichzeitig werden der Rohstoff 300, der dritte Rohstoff 305, der zweite Rohstoff 304, die elektrisch geladen sind, durch die Ausgießöffnung 216 mittels einer Zentrifugalkraft durch das Drehen des Behälters 211 mit dem Motor 213 entsprechend ausgegossen (ein Ausgießvorgang, ein dritter Ausgießvorgang und ein zweiter Ausgießvorgang).
  • Der dritte Rohstoff 305 und der zweite Rohstoff 304 werden radial in einer axialen Richtung des Behälters 211 ausgegossen, ihre Flugrichtungen werden durch einen Gasstrom geändert. Der dritte Rohstoff 305 und der zweite Rohstoff 304 werden von der dritten Ausstoßvorrichtung 230 bzw. der zweiten Ausstoßvorrichtung 220 abgegeben, wobei sie durch eine elektrostatische Explosion in kleine Flüssigkeitstropfen geteilt werden. Außerdem wird der zuvor erwähnte Gasstrom durch das Heizelement 205 erwärmt, wodurch eine Verdunstung des Lösungsmittels durch das Anwenden von Wärme auf den dritten Rohstoff 305 und den zweiten Rohstoff 304 ermöglicht wird, während die Formationen des dritten Rohstoffs 305 bzw. des zweiten Rohstoffs 304 geleitet werden.
  • Nach der obigen Erläuterung sollen der dritte Rohstoff 305 und der zweite Rohstoff 304 im Inneren der Mischvorrichtung 130 vermischt werden (ein Mischvorgang). Da der elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 elektrisch mit einer zueinander entgegengesetzten Polarität geladen sind, wird eine Anziehungskraft erzeugt, die dazu führt, dass sie miteinander verbunden werden und ein zweites mitgeführtes Material ausbilden. Das betreffende zweite mitgeführte Material wird durch einen Gasstrom transportiert.
  • Andererseits wird eine Flugrichtung des Rohstoffs 300, der radial in eine axiale Richtung des Behälters 211 abgegeben wurde, durch einen Gasstrom geändert, und der Rohstoff 300 wird auf dem Gasstrom geleitet und durch das Blasrohr 206 zur Mischvorrichtung 130 transportiert (ein Transportvorgang). Aus dem Rohstoff 300 werden die Fasern 301 durch ein elektrostatisches Dehnphänomen hergestellt (ein Faserherstellungsvorgang) und von der Ausstoßvorrichtung 210 abgegeben. Darüber hinaus gelangt durch den zuvor erwähnten Gasstrom, der durch das Heizelement 205 erwärmt wurde, Wärme auf den Rohstoff 300, wodurch die Verdunstung des Lösungsmittels ermöglicht wird, wenn eine Formation des Rohstoffs 300 gelenkt wird.
  • Als Nächstes verbinden sich die Fasern 301, die aus der Ausstoßvorrichtung 210 abgegeben und durch ein elektrostatisches Dehnphänomen hergestellt wurden, und das zuvor erwähnte mitgeführte Material mit dem Gasstrom und werden durch die Mischvorrichtung 130 vermischt (ein Mischvorgang). Hier werden die Fasern 301 und das mitgeführte Material elektrisch mit einer einander entgegengesetzten Polarität geladen, es wird eine Anziehungskraft erzeugt, so dass sie auf dem Gasstrom in das Innere der Mischvorrichtung 130 transportiert, da das mitgeführte Material auf der Oberfläche der Fasern 301 haftet (ein Transportvorgang). In diesem Stadium sollen die Fasern 301 den dritten Rohstoff 305 und den zweiten Rohstoff 304 einschließlich des mitgeführten Materials 302 tragen.
  • Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, dass der dritte Rohstoff 305 verbleibt, ohne mitgeführt zu werden, oder dass der zweite Rohstoff einschließlich des mitgeführten Materials 302 verbleibt, diese werden aber ebenfalls mit den Fasern 301 im Inneren der Mischvorrichtung 130 vermischt und mit der Oberfläche der Fasern 301 verbunden.
  • Schließlich werden die Fasern 301, die den elektrischen Leiter 303 sowie das mitgeführte Material 302 tragen, durch die Anziehungsvorrichtung 120 auf dem Substrat 101 angezogen und auf dem Substrat 101 abgelagert (ein Ablagerungsvorgang). Da der elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302, die nicht mit den Fasern 301 im Raum verbunden sind, ebenfalls durch die Anziehungsvorrichtung 120 angezogen werden, gibt es zusätzlich den Fall, dass sie mit der Oberfläche der Fasern 301 verbunden werden, die zuvor abgelagert wurden.
  • Hier werden der Rohstoff 300, der zweite Rohstoff 304 und der dritte Rohstoff 305 erläutert.
  • Der Rohstoff 300 ist eine Flüssigkeit, die ein Protonen leitendes Polymer in einem Lösungsmittel löst oder dispergiert. Hinsichtlich eines Mischungsverhältnisses des Lösungsmittels und des Protonen leitenden Polymers ist es wünschenswert, dass eine Menge des Lösungsmittels irgendwo im Bereich von ca. 60% bis 98% liegt, obwohl es je nach Art des Lösungsmittels und Art der Protonen leitenden Polymers unterschiedlich ist.
  • Als Protonen leitendes Polymer, aus dem die Fasern 301 bestehen, kann als repräsentatives Beispiel ein Harz des Typs Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure gewählt werden. Ein Harz des Typs Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure ist wegen seiner hervorragenden chemischen und Wärmestabilität vorzuziehen. Beispiele für das betreffende Harz sind unter Anderem Nafion (eingetragenes Warenzeichen) der Firma DuPont Com. in den Vereinigten Staaten, Aciplex (eingetragenes Warenzeichen) der Firma Asahi Kasei Corporation Limited, Flemion (eingetragenes Warenzeichen) der Firma Asahi Glass Corporation Limited. Weitere Beispiele sind unter Anderem sulfoniertes Polyetherketon-Harz, sulfoniertes Polyethersulfon, sulfoniertes Polyphenylensulfid-Harz, sulfoniertes Polymid-Harz, sulfoniertes Polyamid-Harz, sulfoniertes Epoxidharz, sulfoniertes Polyolefin-Harz und so weiter. Darüber hinaus kann einer der oben genannten Typen oder eine Kombination mehrerer der oben genannten Typen gewählt werden. Außerdem sind die obigen Punkte nur Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten polymeren Substanzen beschränkt.
  • Als Lösungsmittel, das für den Rohstoff 300 verwendet wird, kommen flüchtige Mittel in Betracht, Beispiele sind unter Anderem Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Hexafluorisopropanol, Tetraethylenglykol, Methylenglykol, Dibenzylalkohol, 1,3-Dioxolan, 1,4-Dioxan, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Methyl-n-Hexylketon, Methyl-n-Propylketon, Diisopropylketon, Diisobutylketon, Aceton, Hexafluoraceton, Phenol, Ameisensäure, Methylformat, Ethylformat, Propylformat, Methylbenzoat, Ethylbenzoat, Propylbenzoat, Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, Dimethylphthalat, Diethylphthalat, Dipropylphthalat, Methylchlorid, Ethylchlorid, Methylenchlorid, Chloroform, o-Chlortoluen, p-Chlortoluen, Chloroform4
    • 4
    „Chloroform” is stated twice.
    , Kohlenstoff-Tetrachlorid, 1,1-Dichlorethan, 1,2-Dichlorethan, Trichlorethan, Dichlorpropan, Dibromethan, Dibrompropan, Methylbromid, Ethylbromid, Propylbromid, Essigsäure, Genzen, Toluen, Hexan, Cyclohexan, Cyclohexanon, Cyclopentan, o-Xylen, p-Xylen, m-Xylen, Acetonitril, Tetrahydrofuran, N,N-Dimethylformamid, Pyridin und Wasser. Darüber hinaus kann einer der oben genannten Typen oder eine Kombination mehrerer der oben genannten Typen gewählt werden. Darüber hinaus sind die obigen Punkte nur Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Typen von Lösungsmitteln beschränkt.
  • Der dritte Rohstoff nach der vorliegenden Ausführungsform ist eine Flüssigkeit, die den elektrischen Leiter 303 in einem Lösungsmittel löst oder dispergiert. Es kann darüber hinaus auch eine emulgierte Flüssigkeit unter Verwendung eines Moleküls sein, das eine Brücke zwischen dem elektrischen Leiter und dem Lösungsmittel bildet.
  • Der elektrische Leiter 303 ist ein Element zur Bewegung eines Elektrons in der Katalysatorschicht, er ist akzeptabel, so lange er elektronisch leitfähig ist. Genauer gesagt, können Beispiele unter anderem ein Metall, ein kohlenstoffhaltiges Teilchen wie zum Beispiel ein elektrisch leitfähiges Polymer, Kohlenstoffruß, Acetylenruß und ein elektrisch leitfähiges Polymer sein, das im Inneren einen Kohlenstoff enthält, wie zum Beispiel eine Kohlenstoff-Nanofaser.
  • Als Lösungsmittel, das für den dritten Rohstoff 305 verwendet wird, kommen flüchtige Mittel in Betracht, Beispiele sind unter Anderem Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Hexafluorisopropanol, Tetraethylenglykol, Triethylenglykol, Dibenzylalkohol, 1,3-Dioxolan, 1,4-Dioxan, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Methyl-n-Hexylketon, Methyl-n-Propylketon, Diisopropylketon, Diisobutylketon, Aceton, Hexafluoraceton, Phenol, Ameisensäure, Methylformat, Ethylformat, Propylformat, Methylbenzoat, Ethylbenzoat, Propylbenzoat, Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, Dimethylphthalat, Diethylphthalat, Dipropylphthalat, Methylchlorid, Ethylchlorid, Methylenchlorid, Chloroform, o-Chlortoluen, p-Chlortoluen, Chloroform, Kohlenstoff-Tetrachlorid, 1,1-Dichlorethan, 1,2-Dichlorethan, Trichlorethan, Dichlorpropan, Dibromethan, Dibrompropan, Methylbromid, Ethylbromid, Propylbromid, Essigsäure, Genzen, Toluen, Hexan, Cyclohexan, Cyclohexanon, Cyclopentan, o-Xylen, p-Xylen, m-Xylen, Acetonitril, Tetrahydrofuran, N,N-Dimethylformamid, Pyridin und Wasser. Darüber hinaus kann einer der oben genannten Typen oder eine Kombination mehrerer der oben genannten Typen gewählt werden. Darüber hinaus sind die obigen Punkte nur Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Typen von Lösungsmitteln beschränkt.
  • In einem Fall der vorliegenden Erfindung ist der zweite Rohstoff 304 eine Flüssigkeit, in der ein Teilchen des mitgeführten Materials 302 als Katalysatorsubstanz in einem Lösungsmittel gelöst oder dispergiert ist. Es kann außerdem eine emulgierte Flüssigkeit unter Verwendung eines Moleküls sein, das eine Brücke zwischen dem mitgeführten Material 302 und dem Lösungsmittel bildet.
  • Als mitgeführtes Material 302 können Materialien ohne spezifische Einschränkung verwendet werden, die denen gleich sind, die in den betreffenden technischen Bereichen herkömmlich als Katalysatorsubstanz eingesetzt werden. Beispiele sind unter Anderem Elemente der Platingruppe, wie zum Beispiel Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium, Osmium, sowie andere Metalle wie Gold, Silber, Eisen, Kobalt, Nickel, Chrom, Wolfram, Mangan, Vanadium, Blei, Kupfer, Kobalt5
    • 5
    „Cobalt” is stated twice.
    , Molybdän, Gallium, Aluminium, oder Metalllegierungen oder ein oxydatives Produkt, ein Doppeloxid davon und so weiter. Insbesondere Platin wird in vielen Fällen als Katalysatorsubstanz verwendet. Der Durchmesser eines Teilchens des mitgeführten Materials 302 ist im Allgemeinen 1 bis 30 nm. Der Durchmesser eines Teilchens einer Trägersubstanz ist vorzugsweise 0,5 bis 20 nm, da die Aktivität der Katalysatorsubstanz verringert wird, wenn es zu groß ist, und die Stabilität wird verringert, wenn es zu klein ist. Es ist vorzuziehen, dass der Durchmesser zwischen 1 und 5 nm liegt.
  • Als Lösungsmittel, das für den zweiten Rohstoff 304 verwendet wird, kommen flüchtige Mittel in Betracht, Beispiele sind unter Anderem Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Hexafluorisopropanol, Tetraethylenglykol, Triethylenglykol, Dibenzylalkohol, 1,3-Dioxolan, 1,4-Dioxan, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Methyl-n-Hexylketon, Methyl-n-Propylketon, Diisopropylketon, Diisobutylketon, Aceton, Hexafluoraceton, Phenol, Ameisensäure, Methylformat, Ethylformat, Propylformat, Methylbenzoat, Ethylbenzoat, Propylbenzoat, Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, Dimethylphthalat, Diethylphthalat, Dipropylphthalat, Methylchlorid, Ethylchlorid, Methylenchlorid, Chloroform, o-Chlortoluen, p-Chlortoluen, Chloroform, Kohlenstoff-Tetrachlorid, 1,1-Dichlorethan, 1,2-Dichlorethan, Trichlorethan, Dichlorpropan, Dibromethan, Dibrompropan, Methylbromid, Ethylbromid, Propylbromid, Essigsäure, Genzen, Toluen, Hexan, Cyclohexan, Cyclohexanon, Cyclopentan, o-Xylen, p-Xylen, m-Xylen, Acetonitril, Tetrahydrofuran, N,N-Dimethylformamid, Pyridin und Wasser. Darüber hinaus kann einer der oben genannten Typen oder eine Kombination mehrerer der oben genannten Typen gewählt werden. Darüber hinaus sind die obigen Punkte nur Beispiele, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Typen von Lösungsmitteln beschränkt.
  • Durch den oben genannten Aufbau der Vorrichtung und das Verfahren ist es möglich, die Katalysatorschicht herzustellen, die aus den Fasern 301 besteht, wobei der elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 nur auf deren Oberfläche mitgeführt werden. Demzufolge ist es möglich, die Erzeugung von elektrischen Leitern 303 und mitgeführtem Material 302 zu hemmen, die ihre Funktion nicht erfüllen können, weil dieser elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 in das Innere der Fasern 301 gemischt wurden, und somit die Leistungsfähigkeit als Katalysatorschicht zu verbessern. Da die Fasern 301 sich auf einer Kohlenstofffolie mit vielen Löchern ablagern, ist es nebenbei gesagt möglich, eine Katalysatorschicht herzustellen, die mit einer Gasdiffusionsschicht verbunden werden kann. Da die Fasern 301, die durch ein elektrostatisches Dehnphänomen hergestellt werden, mit dem elektrischen Leiter 303 und dem mitgeführten Material 302 in dispergierter Form durch ein elektrostatisches Dehnphänomen vermischt werden, werden sie des Weiteren gleichmäßig mit den Fasern 301 ohne Klumpenbildung im Raum vermischt, wodurch es möglich ist, eine Katalysatorschicht herzustellen, deren Leistungsfähigkeit insgesamt stabil ist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform werden der elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 im Inneren der Mischvorrichtung 130 vermischt. Wird in einem Fall die Menge der elektrischen Ladungen verringert, ist es möglich, eine elektrische Ladeeinheit wie zum Beispiel einen Ionisator zum elektrischen Wiederaufladen des elektrischen Leiters 303 und des mitgeführten Materials 302 zu verwenden, die vermischt werden, und zwar wie oben beschrieben mit einer Polarität entgegensetzt zu einer Polarität der elektrisch geladenen Fasern 301 und bevor diese mit den elektrisch geladenen Fasern 301 in der Mischvorrichtung 130 vermischt werden. So können sie mit den Fasern 301 in6
    • 6
    The original text is: „... mixed with the fibers 301 and the mix apparatus 130...”. Certainly it should be: ”in the mix apparatus 130”.
    der Mischvorrichtung 130 vermischt werden, nachdem sie elektrisch mit einer Polarität aufgeladen wurden, die der der elektrisch aufgeladenen Fasern 301 entgegengesetzt ist.
  • Als Nächstes wird ein Beispiel unter Bezugnahme auf die grafischen Darstellungen erläutert, bei dem die durch die Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung der Fasern nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Fasern auf eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle angewendet werden.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil einer Zelle schematisch darstellt, die eine Einheit einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bildet.
  • Wie in der gleichen Darstellung veranschaulicht wird, umfasst eine Zelle 400 einen Separator auf der Seite der Brennstoffelektrode 410, einen Separator auf der Seite der Sauerstoffelektrode 420, die Gasdiffusionsschicht 401, die Katalysatorschicht 402 und die Protonen leitende Polymermembran 403.
  • Der Separator auf der Seite der Brennstoffelektrode 410 und der Separator auf der Seite der Sauerstoffelektrode 420 sind plattenförmige Körper, die mit einer angrenzenden Zelle elektrisch verbunden sind und viele Strömungswege 413 und Strömungswege 423 aufweisen, durch die ein Brenngas und ein Oxidationsgas zirkulieren, die parallel über den gesamten Plattenkörper verlaufen. Auf einer Fläche, die gegenüber der Fläche liegt, wo der Strömungsweg 413 und der Strömungsweg 423 vorgesehen sind, befindet sich darüber hinaus ein Strömungsweg für das Zirkulieren einer Kühlflüssigkeit.
  • Die Gasdiffusionsschicht 401 und die Katalysatorschicht 402 erhält man, indem die Fasern, die durch die Vorrichtung zur Herstellung der Fasern und das Verfahren zur Herstellung der Fasern nach der obigen Ausführungsform gefertigt werden, in Schichten abgelagert werden. Die Gasdiffusionsschicht 401 ist das Substrat 101, und die Katalysatorschicht 402, ist die Schicht, in der die Fasern 301, die aus einem Protonen leitenden Polymer, das den elektrischen Leiter 303 trägt, und dem mitgeführten Material 302 an seiner Oberfläche bestehen, nach der obigen Ausführungsform in einem Vliesstoff abgelagert werden.
  • Die Protonen leitende Polymermembran 403 ist eine Membran aus Polymerharz, die ein Proton bewegen kann.
  • Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle besteht aus einer Vielzahl der oben genannten Zellen, die befestigt sind.
  • Da eine große Wahrscheinlichkeit besteht, dass der zugeführte Brennstoff (Wasserstoff) einen Kontakt zu einer Katalysatorsubstanz herstellt, wird aus dem oben Angeführten ersichtlich, dass die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die eine Katalysatorschicht aus den Fasern nach der vorliegenden Erfindung enthält, Wasserstoff in sehr wirksamer Weise in ein Proton und ein Elektron aufspalten kann. In ähnlicher Weise besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Proton, Sauerstoff und ein Elektron, die sich bewegen, in Kontakt zueinander gelangen, dadurch ist es möglich, dass sie wirksam miteinander reagieren und dass Wasser hergestellt werden kann. Demzufolge kann insgesamt die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle einschließlich einer Katalysatorschicht nach der vorliegenden Erfindung einen hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung erreichen. Darüber hinaus ist es möglich, die Menge der verwendeten Katalysatorsubstanz auf ein notwendiges Minimum zu halten und die Kosten zu reduzieren.
  • (Ausführungsform 4)
  • Als Nächstes wird eine weitere Ausführungsform hinsichtlich der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern schematisch in einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung darstellt. Übrigens ist es der Fall, dass die gleiche Kennnummer einem Element, einer Vorrichtung und so weiter zugewiesen wurde, die die gleiche Funktion wie die in der oben beschriebenen Ausführungsform 3 haben, deshalb wird auf deren Erläuterung hier verzichtet.
  • Wie in der gleiche Darstellung veranschaulicht wird, umfasst die Vorrichtung zur Herstellung von Fasern 100 eine Ausstoßvorrichtung 210, eine fünfte Ausstoßvorrichtung 255, eine vierte Ausstoßvorrichtung 240, die Mischvorrichtung 130 und die Anziehungsvorrichtung 120. Da die Ausstoßvorrichtung 210, die vierte Ausstoßvorrichtung 240, die Anziehungsvorrichtung 120, die Sammelvorrichtung 110 die gleichen sind wie in der Ausführungsform 1, wird auf deren Erläuterung hier verzichtet.
  • Die fünfte Ausstoßvorrichtung 255 umfasst eine fünfte Vorrichtung zur Abgabe, die ein zweites mitgeführtes Material 306, bei dem das mitgeführte Material 302 auf der Oberfläche des elektrischen Leiters 303 getragen wird, in den Raum ausgießt, und zwar unter Verwendung einer Ultraschallwelle oder einer Düse für zwei Flüssigkeiten, und eine fünfte elektrische Ladevorrichtung, die durch einen Ionisator das abgegebene zweite mitgeführte Material 306 elektrisch auflädt. Die fünfte Ausstoßvorrichtung 255 ist in Richtung der Mischvorrichtung 130 installiert, die das zweite mitgeführte Material 306, das im Inneren der Mischvorrichtung 130 elektrisch aufgeladen wurde, in trockener versprühen kann.
  • Der Ionisator eine Vorrichtung, die ein im Raum vorhandenes feines Partikel elektrisch aufladen kann. Genauer gesagt, handelt es sich unter anderem um ein beliebiges Verfahren wie zum Beispiel ein Koronaentladungsverfahren, ein Spannungsüberlagerungsverfahren, ein Wechselstromverfahren, ein gleichmäßiges Gleichstromverfahren, ein pulsierendes Gleichstromverfahren, ein Selbstentladungsverfahren, ein Verfahren mit weichen Röntgenstrahlen, ein Verfahren mit ultravioletten Strahlen, ein Strahlungsverfahren und so weiter.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Fasern unter Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung der Fasern 100 im obigen Aufbau erläutert, und es wird eine Ausführungsform, bei der die betreffenden Fasern. auf die Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle angewendet werden, erläutert.
  • Zuerst wird eine Gasdiffusionsschicht unter Verwendung der vierten Ausstoßvorrichtung 240 hergestellt.
  • Ein vierter Rohstoff 307 ist eine Flüssigkeit, in der ein elektrisch leitfähiges Polymer und ein Kohlenstoffpartikel in einem Lösungsmittel gelöst oder dispergiert sind.
  • In der gleichen Weise wie bei der in der obigen Ausführungsform beschriebenen Ausstoßvorrichtung 210 wird dann ein vierter Rohstoff 307 elektrisch aufgeladen, und zwar unter Verwendung der elektrischen Ladevorrichtung 202, und unter Verwendung der Ausgießvorrichtung 201 in den Raum ausgegossen. Aus dem Angeführten wird ersichtlich, dass elektrisch leitfähige Fasern 308, die aus dem elektrisch leitfähigen Polymer und einem Kohlenstoffpartikel bestehen, durch ein elektrostatisches Dehnphänomen hergestellt werden. Durch die nachfolgende Ablagerung der betreffenden Fasern wird eine vliesartige Kohlenstofffolie mit vielen Löchern hergestellt.
  • Dann wird die betreffende Kohlenstofffolie durch die Transportvorrichtung 104 mit geringer Geschwindigkeit transportiert.
  • Als Nächstes werden die Fasern 301 unter Verwendung der Ausstoßvorrichtung 210 in der gleichen Weise wie in Ausführungsform 1 hergestellt.
  • Gleichzeitig wird unter Verwendung der fünften Ausstoßvorrichtung 255 das zweite mitgeführte Material 306, das elektrisch mit einer Polarität geladen ist, die entgegengesetzt der Polarität der zuvor erwähnten Fasern 301 ist, in die Mischvorrichtung 130 eingebracht.
  • Aus dem Angeführten wird ersichtlich, dass das zweite mitgeführte Material 306 mit der Oberfläche der Fasern 301 kombiniert wird.
  • Als Letztes werden die Fasern 301, die das zweite mitgeführte Material 306 tragen, von der Anziehungsvorrichtung 120 angezogen und auf der vorab hergestellten Kohlenstofffolie abgelagert.
  • Nach der obigen Vorrichtung und dem obigen Verfahren ist es möglich, eine Gasdiffusionsschicht und eine Katalysatorschicht in einer Serie von Vorgängen herzustellen und die Effektivität der Produktion zu verbessern.
  • Zusätzlich wird in der obigen Ausführungsform das zweite mitgeführte Material 306 in einer trockenen Form versprüht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel ist es möglich, dass der elektrische Leiter 303 und das mitgeführte Material 302 getrennt in trockener Form versprüht werden, dass diese elektrisch mit einer einander entgegengesetzten Polarität aufgeladen werden, dass das zweite mitgeführte Material hergestellt wird, und diese dann mit den Fasern 301, die aus dem Protonen leitenden Polymer bestehen, vermischt werden.
  • Es ist auch möglich, die Gasdiffusionsschicht und die Katalysatorschicht getrennt herzustellen und sie aneinander zu befestigen.
  • Darüber hinaus können die Standorte und Kombinationen der Ausstoßvorrichtung 210, der dritten Ausstoßvorrichtung 230, der zweiten Ausstoßvorrichtung 220. der vierten Ausstoßvorrichtung 240 und der fünften Ausstoßvorrichtung 255 frei gewählt werden, so lange die Katalysatorschicht entsprechend hergestellt wird.
  • Außerdem ist die in den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung beschriebene Materialausstoßvorrichtung nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel ist es möglich, dass eine Rohstoff-Ausstoßvorrichtung als Rohstoff-Ausstoßvorrichtung einschließlich einer elektrischen Ladevorrichtung ausgeführt wird, die bereitgestellt wird, indem ein Düsenkopf als Ausgießeinheit mit vielen Ausgießöffnungen auf einer Wandfläche eines Lufttunnels platziert wird, dessen Querschnitt rechteckig ist, und ein elektrisches Feld erzeugt und das zuvor erwähnte Material elektrisch aufgeladen wird, indem sich eine elektrische Ladeelektrode auf einer Oberfläche in Richtung des Lufttunnels befindet und eine Potenzialdifferenz zwischen den zuvor erwähnten Ausgießöffnungen und der elektrischen Ladung erzeugt wird, und außerdem einschließlich einer Gasstromvorrichtung, die auf einer Seite eines offenen Endes des Lufttunnels vorgesehen ist. Die Ausstoßvorrichtung kann auch unter Verwendung einer Faserspinneinheit mit einem elektrischen Feld vorgesehen sein, die einen Rohstoff von der Spitze einer Düse ausstößt und ein elektrisches Feld anlegt.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung kann für die Herstellung von Fasern oder Vliesstoffen verwendet werden, die eine Funktion aufweisen, wie zum Beispiel als Fotokatalysator oder eine desodorierende Wirkung.
  • Außerdem kann sie für die Herstellung einer Brennstoffzelle verwendet werden.
  • Zusammenfassung
  • Ein mitgeführtes Material wird nur auf einer Oberfläche von Nanofasern mitgeführt. Dies umfasst einen Schritt zum Versprühen einer Rohstoffflüssigkeit, durch das eine Rohstoffflüssigkeit (300) in einen Raum versprüht wird, die ein Rohstoff der Nanofasern (301) ist, einen Schritt zum elektrischen Laden der Rohstoffflüssigkeit, bei dem eine elektrische Ladung an der Rohstoffflüssigkeit (300) angelegt und die Rohstoffflüssigkeit elektrisch aufgeladen wird, einen Schritt zur Herstellung der Nanofasern, bei dem die Nanofasern (301) dadurch hergestellt werden, dass man die elektrisch geladene und versprühte Rohstoffflüssigkeit (300) elektrostatisch explodieren lässt, einen Schritt zum elektrischen Aufladen des mitgeführten Materials, bei dem ein mitgeführtes Material (302), das auf den Nanofasern (301) mitgeführt wird, mit einer Polarität aufgeladen wird, die einer Polarität der elektrisch geladenen Nanofasern (301) entgegengesetzt ist, sowie einen Mischschritt, bei dem die hergestellten Nanofasern (301) und das elektrisch geladene, mitgeführte Material (302) in einem Raum vermischt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von Fasern, die umfasst: einen ersten Ausgießschritt zum Ausgießen eines ersten Rohstoffs als Material der Fasern in einen Raum; einen ersten elektrischen Ladeschritt zum Anlegen einer elektrischen Ladung an den ersten Rohstoff und zum elektrischen Aufladen des ersten Rohstoffs; einen Faserherstellungsschritt zur Herstellung der Fasern aus dem elektrisch aufgeladenen und ausgegossenen ersten Rohstoff, indem dieser erste Rohstoff gedehnt wird; einen zweiten elektrischen Ladeschritt zum elektrischen Aufladen eines zweiten Rohstoffs einschließlich eines mitgeführten Materials, das auf den Fasern mitgeführt wird, und zwar mit einer Polarität, die der Polarität der elektrisch aufgeladenen Fasern entgegengesetzt ist; und einen Mischschritt zum Vermischen der hergestellten Fasern und des elektrisch aufgeladenen mitgeführten Materials im Raum.
  2. Verfahren zur Herstellung der Fasern nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Transportschritt zum Transportieren der hergestellten Fasern mittels eines Gasstroms umfasst, wobei im Mischschritt die Fasern im Transportschritt und das mitgeführte Material vermischt werden.
  3. Verfahren zur Herstellung der Fasern nach Anspruch 2, das des Weiteren einen Sammelschritt umfasst, bei dem die Fasern, die das mitgeführte Material tragen, vom Gasstrom getrennt werden, sich die Fasern ablagern und gesammelt werden.
  4. Verfahren zur Herstellung der Fasern nach Anspruch 1, wobei der erste Rohstoff ein Protonen leitendes Polymer und ein flüchtiges Lösungsmittel umfasst, der zweite Rohstoff eine Katalysatorsubstanz als mitgeführtes Material umfasst, und im Faserherstellungsschritt die Fasern aus dem Protonen leitenden Polymer hergestellt werden, und das Verfahren zur Herstellung von Fasern des Weiteren umfasst: einen dritten elektrischen Ladeschritt zum Anlegen einer elektrischen Ladung an einen dritten Rohstoff, der einen elektrischen Leiter umfasst, und zum elektrischen Aufladen des dritten Rohstoffs; einen dritten Ausgießschritt zum Ausgießen des dritten Rohstoffs in einen Raum; einen Mischschritt zum Vermischen der Fasern, der Katalysatorsubstanz und des elektrischen Leiters im Raum; und einen Ablagerungsschritt zum Ablagern der Fasern, des elektrischen Leiters und der Katalysatorsubstanz auf einem Substrat.
  5. Verfahren zur Herstellung von Fasern nach Anspruch 4, wobei im zweiten elektrischen Ladeschritt und im dritten elektrischen Ladeschritt eine Polarität einer elektrischen Ladung, die an der Katalysatorsubstanz angelegt wird, und eine Polarität einer elektrischen Ladung, die an den elektrischen Leiter angelegt wird, unterschiedlich zueinander eingestellt sind; und im Mischschritt ein mitgeführtes Material, das eine Kombination aus dem elektrischen Leiter und der Katalysatorsubstanz umfasst, ausgebildet wird, indem die Katalysatorsubstanz und der elektrische Leiter vermischt werden; und die Fasern und das mitgeführte Material durch Mischen der Fasern und einer mitgeführten Substanz vereint werden.
  6. Verfahren zur Herstellung von Fasern nach Anspruch 5, wobei im ersten elektrischen Ladeschritt, im dritten elektrischen Ladeschritt und im zweiten elektrischen Ladeschritt ein Betrag an elektrischer Ladung und eine Polarität, die am ersten Rohstoff, dem zweiten Rohstoff und dem dritten Rohstoff anliegt, so eingestellt werden, dass das ausgebildete mitgeführte Material mit einer Polarität elektrisch aufgeladen wird, die entgegengesetzt zur Polarität einer elektrischen Ladung ist, die an den Fasern im Mischschritt anliegt.
  7. Verfahren zur Herstellung von Fasern nach Anspruch 4, das umfasst: einen vierten elektrischen Ladeschritt zum Anlegen einer elektrischen Ladung an einen vierten Rohstoff, der ein Protonen leitendes Polymer oder eine elektrischen Leiter und ein flüchtiges Lösungsmittel umfasst, und elektrisches Aufladen des vierten Rohstoffs; einen vierten Ausgießschritt zum Ausgießen des vierten Rohstoffs in einen Raum; und einen Substratherstellungsschritt zum Herstellen eines Substrats durch Ablagerung der Fasern, die aus einem Protonen leitenden Polymer oder einem elektrischen Leiter bestehen und durch Dehnen des vierten Rohstoffs hergestellt wurden.
  8. Vorrichtung zur Herstellung von Fasern, die umfasst: eine erste Ausgießvorrichtung, die zum Ausgießen eines ersten Rohstoffs als Material der Fasern in einen Raum ausgelegt ist; eine elektrische Ladevorrichtung, die zum Anlegen einer elektrischen Ladung an den ersten Rohstoff und zum elektrischen Aufladen des ersten Rohstoffs ausgelegt ist; eine erste Gasstromerzeugungsvorrichtung, die zum Erzeugen eines Gasstroms zum Transportieren der Fasern ausgelegt ist; eine zweite elektrischen Ladevorrichtung, die zum elektrischen Aufladen eines zweiten Rohstoffs ausgelegt ist, der ein mitgeführtes Material umfasst, das auf den Fasern mitgeführt wird, und zwar mit einer Polarität, die der Polarität der elektrisch aufgeladenen Fasern entgegengesetzt ist; und eine Mischvorrichtung, die zum Vermischen der hergestellten Fasern und des elektrisch aufgeladenen, mitgeführten Materials ausgelegt ist.
  9. Vorrichtung zur Herstellung von Fasern nach Anspruch 8, die des Weiteren umfasst: eine Sammelvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Fasern, die das mitgeführte Material tragen, vom Gasstrom zu trennen, die Fasern abzulagern und zu sammeln.
  10. Vorrichtung zur Herstellung von Fasern nach Anspruch 8, die des Weiteren umfasst: eine zweite Ausgießvorrichtung, die zum Ausgießen eines zweiten Rohstoffs in einen Raum ausgelegt ist; und eine zweite Gasstromerzeugungsvorrichtung, die zur Erzeugung eines Gasstroms zum Transportieren des mitgeführten Materials ausgelegt ist, und wobei die zweite elektrische Ladevorrichtung eine elektrische Ladung an den zweiten Rohstoff anlegt und den zweiten Rohstoff elektrisch auflädt.
  11. Vorrichtung zur Herstellung von Fasern nach Anspruch 8, wobei der erste Rohstoff ein Protonen leitendes Polymer und ein flüchtiges Lösungsmittel umfasst und der zweite Rohstoff eine Katalysatorsubstanz als mitgeführtes Material umfasst, und die Vorrichtung zur Herstellung von Fasern des Weiteren umfasst: eine dritte elektrische Ladevorrichtung, die zum Anlegen einer elektrischen Ladung an einen dritten Rohstoff ausgelegt ist, der einen elektrischen Leiter umfasst, und zum elektrischen Aufladen des dritten Rohstoffs; eine dritte Ausgießvorrichtung, die zum Ausgießen des dritten Rohstoffs in einen Raum ausgelegt ist; eine erste Gasstromerzeugungsvorrichtung, die zur Erzeugung eines Gasstroms ausgelegt ist, der den ersten Rohstoff, den elektrischen Leiter und die Katalysatorsubstanz transportiert; und eine Mischvorrichtung, die zum Mischen des Protonen leitenden Polymers, des elektrischen Leiters und der Katalysatorsubstanz ausgelegt ist.
  12. Verfahrung zur Herstellung einer Katalysatorschicht für eine Brennstoffzelle, das umfasst: einen ersten elektrischen Ladeschritt zum Anlegen einer elektrischen Ladung an einen ersten Rohstoff, der ein Protonen leitendes Polymer und ein flüchtiges Lösungsmittel umfasst, und zum elektrischen Aufladen des ersten Rohstoffs; einen ersten Ausgießschritt zum Ausgießen des ersten Rohstoffs in einen Raum; einen Faserherstellungsschritt zur Herstellung von Fasern, die aus dem Protonen leitenden Polymer bestehen, indem der erste Rohstoff gedehnt wird; einen fünften elektrischen Ladeschritt zum Anlegen einer elektrischen Ladung an einen fünften Rohstoff, der ein mitgeführtes Material umfasst, bei dem der elektrische Leiter und die Katalysatorsubstanz verbunden sind, und zum elektrischen Aufladen des fünften Rohstoffs; einen fünften Ausgießschritt zum Ausgießen des fünften Rohstoffs in einen Raum; einen Mischschritt zum Vermischen der Fasern und des mitgeführten Materials im Raum; und einen Ablagerungsschritt zum Ablagern der Fasern und des mitgeführten Materials auf einem Substrat.
  13. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die die Fasern umfasst, welche entweder durch das Verfahren zur Herstellung der Fasern nach Anspruch 4 oder durch das Verfahren zur Herstellung der Fasern nach Anspruch 12 auf zumindest einer Seite einer Brennstoffelektrode oder einer Sauerstoffelektrode hergestellt wurden.
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