纤维制造方法、纤维制造设备和质子交换膜燃料电池的制作方法

专利名称：纤维制造方法、纤维制造设备和质子交换膜燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用静电纺丝方法(静电拉伸现象)制造纤维的纤维制造设备，尤其 涉及能够向直径在纳米级的精细纤维(纳米纤维)添加各种类型的功能的纤维制造方法和 纤维制造设备。另外，本发明涉及用于制造构成催化剂物质层的纤维的纤维制造方法，该催化剂 物质层可用作质子交换膜燃料电池的燃料电极或氧电极。
背景技术：
传统上，已知静电纺丝(静电拉伸现象)方法是用于制造由聚合物质构成并且直 径在亚微米级别的丝状(纤维状)物质(纳米纤维)的方法。在电纺方法中，其中聚合物质或类似物散布或溶解在溶剂介质中的原料液体通过 喷嘴或类似物被喷射(喷出)到一空间中，同时原料液体通过施加电荷而带电，并且在该空 间中飞行的原料液体被静电爆发，以使得纳米纤维可被获得。更具体地讲，关于带电和喷射的原料液体，随着溶剂介质被从液体在该空间中飞 行的原料蒸发，原料液体的体积减小。另一方面，施加于原料液体的电荷保留在原料液体 中。结果，在该空间中飞行的原料液体的颗粒承受更高的电荷密度。另外，由于原料液体中 的溶剂介质保持持续地蒸发，原料液体的电荷密度进一步升高，并且聚合物溶液在产生在 原料液体中的反向作用的库伦力超过原料液体的表面张力的点经历聚合物溶液被爆发性 拉伸为丝的现象(静电拉伸现象)。由于这种静电拉伸现象在该空间中以指数速度依次发 生，由聚合物质构成的直径在亚微米级别的纤维(纳米纤维)被制造出来(举例而言，参看 专利文献1)。通过上述电纺方法制造的纤维被用作条带或无纺布的原料。另外，有人试图通过 使得纳米纤维承载功能性物质例如催化剂或吸附性物质来提高条带或无纺布的功能。举例而言，本发明的申请人递交过有关承载着附载材料(carried material)的纳 米纤维的制造方法的专利申请，这种纳米纤维是这样制成的，即通过电纺方法将功能性附 载材料预混合到原料液体中并且由所述原料液体制造纳米纤维。此外，最近几年燃料电池被越来越多地关注。其原因如下所述。具体地讲，燃料电 池并不像它的名字给人的印象那样，它不类似于对预充电能进行放电的电池，例如干电池 等一次电池或铅酸电池等二次电池。燃料电池更类似于发电装置，其在燃料例如氢和氧化 剂例如氧被连续供应的情况下使得我们能够获取电能。燃料电池与传统发电装置的不同之 处在于，其使用热机，并且其允许从化学能直接获取电能，而不需要借助于运动能量，这使 得其具有高发电效率，以及低噪音和低振动。因此，预期其将被用作便携式装置电源、家用 电源或是汽车、火车等的电源。在由燃料电池产生电能的方法中发生面的行为。简言之，在燃料电极的催化剂物 质层中，通过使用催化剂物质，氢被分离为电子和质子(氢离子)。分离的电子通过电导体 被供应至燃料电池的外侧。质子通过燃料电池中的质子传导性聚合物移动至氧电极。移动通过质子传导性聚合物的质子与氧电极的溶剂层中的氧起反应并且生成水，但由于在这一 点上需要有电子，因此传输至燃料电池外侧的电子被收集和提供以便用于所述反应。因此，电势差异被产生在具有过量电子的燃料电极与需要更多电子的氧电极之 间，从而电能可被产生。如前所述，为了使得氢在燃料电极催化剂物质层中被分离为电子和质子，并且使 得质子、氧和电子在氧电极的催化剂物质层中起反应而生成水，需要使氧与催化剂物质发 生接触，并且质子、氧和电子之间发生接触。另外，为了移动电子，需要使电导体接近于所述 催化剂物质。为了移动质子，需要使质子传导性聚合物接近于催化剂物质。此外，为了改进燃料电池的发电效率，需要有催化剂物质、电导体和质子传导性聚 合物共存的部位。在燃料电极的催化剂物质层中，需要有许多与氢发生接触的可能性高的 部位，并且在氧电极的催化剂物质层中，需要需要有许多与氧发生接触的可能性高的部位。传统上，下面的方法被提出，用于形成如前所述的催化剂物质层(参看专利文献 2)。简言之，承载催化剂物质的碳和质子传导性聚合物被放入溶剂介质并且制成液体形式。 所述液体被从被施加高电压的一个电极喷射至另一电极。如前所述，静电拉伸现象被产生， 并且由承载着催化剂物质和碳的质子传导性聚合物构成的纤维被制造出来。通过沉积所述 纤维，多孔催化剂物质层而被形成。[专利文献1]日本专利申请公开文献No.2005-330624[专利文献2]日本专利申请公开文献No.2007-214008

发明内容
[技术问题]然而，本发明的发明人通过对前述纤维制造方法进行进一步的研究，发现存在下 述情况，即基于构成纤维的树脂的类型或将被承载的附载材料的类型，有时难以制造具有 预期功能的纤维。随着发明人的深入研究，发现存在下述情况，即由于附载材料包含在纤维 中而使得附载材料不能发挥其功能，以及发现存在下述情况，即由于附载材料侵入纤维中 太多而导致纤维机械强度不足。另外，对于燃料电池，在前述方法中，催化剂物质质子传导性聚合物转变为纤维的 过程中嵌在质子传导性聚合物中，这使得有许多催化剂物质没有与氢或氧发生反应，并且 不没有被供应以用于发电必需的反应。同催化剂物质的用量相比，包含这种催化剂物质层 的燃料电池的发电效率不佳。[技术方案]本发明是考虑到上述问题而研制的，并且其一个目的是提供纤维制造方法和制造 设备，以防止纤维本身的机械强度降低，以及实现附载材料的全额功能。此外，考虑到上述问题，本发明的另一目的是提供一种燃料电池用催化剂物质层 制造方法和纤维制造设备，其使得能够高效承载暴露的催化剂物质的并且制造由质子传导 性聚合物构成的催化剂物质层，其中电导体接近于催化剂物质配置。为了达到上述目的，根据本发明的纤维制造方法是下述纤维制造方法，其包括第 一喷射步骤，其将作为纤维原材料的第一原料喷射到一空间中；第一充电步骤，其将电荷施 加至第一原料并且使得第一原料带电；纤维制造步骤，其通过将第一原料拉伸而制造出由带电且喷射的第一原料构成的纤维；第二充电步骤，其利用与带电纤维的极性相反的极性 对第二原料进行充电，所述第二原料包含将被纤维承载的附载材料；和混合步骤，其在该空 间中将所制造出的纤维和带电的附载材料混合。通过上述过程，所制造出的纤维和附载材料在规定的空间中被混合。另外，由于纤 维和附载材料被以彼此相反的极性充电，因此附载材料附着在纤维的表面上。因此，可以向 附载材料赋予新的功能，同时对纤维机械性能的负面影响受到限制。此外，由于附载材料只 存在于纤维的表面上，因此制造出纤维的可以有助于附载材料发挥其全额功能，而不会破 坏附载材料的性能。优选包括输送步骤，其利用气流输送所制造出的纤维，其中，在混合步骤中，在输 送步骤中被输送的纤维和附载材料被混合。这样，由于附载材料被与气流传输的处在散布形式的纤维混合，可以使得附载材 料在整个空间中被均勻地承载，并且对于纤维而言也是均勻的。因此，能够制造这样的纤 维，其允许附载材料以稳定的方式发挥功能。另外，可以包括收集步骤，其将承载附载材料的纤维从气流分离，并且沉积和收集 纤维。通过这种方式，能够高效地收集均勻地承载附载材料的纤维，并且供应所收集的 纤维以便用于制造无纺布或纺制纤维。此外，为了达到上述目的，根据本发明的纤维制造设备是这样的纤维制造设备，其 包括第一喷射装置，其将作为纤维原材料的第一原料喷射到一空间中；充电装置，其将电 荷施加至第一原料并且使得第一原料带电；第一气流发生装置，其产生用于输送纤维的气 流；第二充电装置，其利用与带电的纤维的极性相反的极性对包含将被纤维承载的附载材 料的第二原料进行充电；和混合装置，其将所制造出的纤维和带电的附载材料混合。通过上 述过程，所制造出的纤维和附载材料可在规定的空间内混合。另外，由于纤维和附载材料可 被以彼此相反的极性充电，因此附载材料可以附着在纤维的表面上。因此，可以赋予附载材 料新的功能，同时对纤维机械性能的负面影响受到限制。此外，由于附载材料只存在于纤维 的表面上，因此制造出纤维的可以有助于附载材料发挥其全额功能，而不会破坏附载材料 的性能。为了达到上述第二目的，在根据本发明的纤维制造方法中，第一原料包含质子传 导性聚合物和挥发性溶剂介质，第二原料包含作为附载材料的催化剂物质，并且，在纤维制 造步骤中，由质子传导性聚合物构成的纤维被制造出来，并且所述纤维制造方法还包括第 三充电步骤，其将电荷施加至包含电导体的第三原料并且使得第三原料带电；第三喷射步 骤，其将第三原料喷射到一空间中；混合步骤，其在该空间中混合纤维、催化剂物质和电导 体；和沉积步骤，其将纤维、电导体和催化剂物质沉积在衬底上。这样，由于催化剂和电导体附着并组合于由质子传导性聚合物构成的纤维的表 面，质子传导性聚合物中采用的催化剂的量可以尽可能地减少。另外，由于纤维、催化剂和 电导体在该空间中被组合，因此更容易获得三维结构，这可以增大催化剂在由质子传导性 聚合物构成的纤维的表面上暴露的面积。此外，由于电导体像催化剂那样与纤维的表面组合，因此可以形成质子传导性聚 合物、催化剂和电导体彼此接近安置的大量区域。另外，由于由质子传导性聚合物构成的纤
6维通过静电拉伸现象被制造出来，因此直径均为亚微米级的纤维被制造出来。此外，催化剂 物质层通过所述纤维的聚集而被形成，因此催化剂物质层成为多孔的，其允许大量的氢、氧 或类似物从中通过。因此，包括所述催化剂物质层的燃料电池可获得相对于喷出的催化剂量而言的高 发电效率。优选地，在第二充电步骤和第三充电步骤中，施加于催化剂物质的电荷的极性和 施加于电导体的电荷的极性被调节成彼此不同，并且在混合步骤中，由电导体和催化剂物 质的组合构成的附载材料通过混合催化剂物质和电导体而被形成，并且纤维和附载材料通 过混合纤维和附载材料而被组合。这样，能够确保比质子传导性聚合物的量小的催化剂与电导体组合以形成附载材 料，并且进一步在催化剂物质层中配设出质子传导性聚合物、催化剂和电导体彼此接近的 区域，以使所述附载材料和质子传导性聚合物组合。优选地，在第一充电步骤、第三充电步骤和第二充电步骤中，施加于第一原料、第 二原料和第三原料的电荷量和极性被调节，以便利用与在混合步骤中施加于纤维的电荷的 极性相反的极性对所形成的附载材料进行充电。通过上述过程，能够使得质子传导性聚合物与附载材料以高可能性组合，并且制 造出具有高性能的催化剂物质层。[有益效果]根据本发明，由于附载材料可以只被承载在已被制造出来或正被制造的纤维的表 面上，因此可以提供这样的纤维，其允许附载材料发挥全额功能，同时抑制纤维本身机械强 度的降低。另外，根据本发明，可以制造出具有互联的电池的多孔催化剂物质层，其允许氢、 氧或类似物容易从中通过，并且允许质子和氧以高效率发生反应。有关本申请的背景技术的进一步信息2008年3月12日递交的日本专利申请No. 2008-063190的公开内容和2008年8 月19日递交的日本专利申请No. 2008-211218，包括其说明书、附图和权利要求书在内，均 整体上以引用的方式并入本申请。


图1是示意性示出了根据本发明的实施方式中的一种纤维制造设备的横截面图。图2是示出了喷射装置和第二喷射装置的横截面图。图3是示出了喷射装置和第二喷射装置的透视图。图4是示意性示出了承载着附载材料的纤维的视图。图5是示意性示出了根据本发明的实施方式中的一种纤维制造设备的横截面图。图6是示意性示出了根据本发明的实施方式中的一种纤维制造设备的横截面图。图7是示出了喷射装置的横截面图。图8是示出了喷射装置的外观的透视图。图9是示意性示出了电池一部分的透视图，该部分为质子交换膜燃料电池中的一 个单元。
图10是示意性示出了根据本发明的另一实施方式中的一种纤维制造设备的横截 面图。[附图标记解释]100纤维制造设备
101衬底
102真空装置
103区域限制单元
104输送装置
105吹风机
106溶剂回收装置
107真空控制装置
110收集装置
111供给料卷
120吸引装置
121吸引电极
122吸引电源
123管道
130混合装置
131主圆筒体
132副圆筒体
201喷射装置
202充电装置
203气流发生装置
204气流控制装置
205加热器
206吹风管
210排放装置
211容器
212轴体
213马达
216喷出孔
217供应路径
220第二排放装置
221充电电极
222充电电源
223接地装置
230第三排放装置
232加速流发生单元
233气流供给入口0089]234加速风洞体0090]235阀0091]236加速器0092]240第四排放装置0093]251第二喷射装置0094]252第二充电装置0095]253第二气流发生装置0096]255第五排放装置0097]256第二吹风管0098]300原料0099]301纤维0100]302附载材料0101]303电导体0102]304第二原料0103]305第三原料0104]306第二附载材料0105]307第四原料0106]308导电纤维0107]400电池0108]401气体扩散层0109]402催化剂物质层0110]403质子传导性聚合物膜0111]410燃料电极侧间隔器0112]413流体流路0113]420氧电极侧间隔器
具体实施例方式接下来，参照附图解释根据本发明的纤维制造设备的实施方式。(实施方式1)图1是示意性示出了根据本发明的实施方式中的一种纤维制造设备的横截面图。如示于附图，纤维制造设备100是这样的装置，其将从排放装置210排放的纤维 301、从第二排放装置220排放的包含附载材料302的第二原料304或附载材料302在一空 间中混合，并且使得附载材料302被承载于纤维301的表面上。排放装置210包括喷射装 置201，充电装置202，吹风管206，和气流发生装置203。另一方面，第二排放装置220包括 第二喷射装置251，第二充电装置252，第二吹风管256，和第二气流发生装置253。另外，纤 维制造设备100包括混合装置130，加速器236，和收集装置110。排放装置210是这样的单元，其能够在带电原料300或相关的原料300飞行时将 通过静电拉伸现象制成的纤维301排放和导入气流中。排放装置210的细节将在后面解释。这里，用于制造纤维的原料被描述为原料300，并且所制造出的纤维被描述为纤维301。然而，在制造过程中，原料300随着被拉伸而转变为纤维301，这使得原料300和纤维 301之间的分界线变得模糊而不能明确区分。混合装置130是管状件，其将从排放装置210排放的纤维301 (原料300)和从第二 排放装置220排放的附载材料302 (第二原料304)与气流混合。混合装置130是管状件， 其连接成Y形，以使得分别产生在不同位置的纤维301和附载材料302被引导至在一个位 置会合，并且这些会合的纤维301和附载材料302被混合。混合装置130具有这样的结构， 其中两件具有小直径的副圆筒体132并排连接在具有大直径的主圆筒体131的边缘，并且 这两个副圆筒体132朝向相背的方向。在本实施方式中，圆筒形式的管件被用于主圆筒体131和副圆筒体132，但混合装 置130的形状可以是任意的，以使得具有矩形或类似形状横截面的管可被使用。另外，混合 装置130并不仅仅局限于连接成Y形的管状件。还可以是连接成T形的管状件，只要能将 纤维301和附载材料302引导成在一个位置会合即可。收集装置110是这样的装置，其收集表面上附着有附载材料302的纤维30，并且其 包括衬底101，输送装置104，真空装置102，真空控制装置107，和区域限制单元103。衬底101是这样的衬底，即通过静电拉伸现象而制造出来并且飞行的纤维301被 沉积在其上。衬底101是这样的衬底，其将利用气流被引导的纤维301从气流分离并收集， 并且其具有许多微细孔，以允许气流从中通过，但不允许纤维301从中通过。在本实施方式 中，衬底101是薄柔性的长片材型衬底，由可与纤维301分离的材料构成。更具体地讲，作为 衬底101的例子，可以将其显示为由芳纶纤维制成的长网。此外，优选地，可将特氟龙(注 册商标)涂层施加在衬底101的表面上，因为这样能够提高所沉积的纤维301从衬底101 剥离时的剥离性。另外，衬底101假定为卷绕成卷的形式，并且从供给料卷111供应。输送装置104将长衬底101随着从供给料卷111展开而抽出，并将其缓慢地移动 到接近于加速器236的导出口的区域，并且传输带有所沉积的纤维301的衬底101。输送装 置104是这样的装置，其能够将沉积了纤维301的无纺布与衬底101 —起卷收。真空装置102是这样的装置，其安置在与衬底101的沉积纤维301的一侧相反的 一侧，换言之，安置在与加速器236所在一侧相反的一侧，并且其迫使从排放装置210流动 通过加速器236的气流流经衬底101并且对其抽真空。在本实施方式中，风扇例如多叶片 式风扇或轴流式风扇被选择为真空装置102，并且产生从区域限制单元103流至管道123的 气流。另外，真空装置102以与管道123连通的状态安置，并将从加速器236供应并且与从 原料300蒸发的溶剂介质混合的气流的大部分抽空，并且通过管道123将其传输至溶剂回 收装置106。真空控制装置107是这样的装置，其电连接着真空装置102并且控制真空装置102 的抽吸量。在本实施方式中，吹风机被用作真空装置102，真空控制装置107通过控制所述 吹风机的转速而控制气体抽吸量。区域限制单元103是管件，其功能为限制真空装置102的抽吸区域，安置在与衬底 101收集纤维301的位置相反的一侧，并且在其两端打开且安置在衬底101和真空装置102 之间。优选地，区域限制单元103的形状对应于排放纤维301的端部的形状。在本实施方 式的情况下，由于加速器236的导出端开口部分的形状是矩形，因此对应于该形状的矩形 管被用作区域限制单元103。如果所述导出端部分具有圆形形状，则区域限制单元103可以
10是圆筒形的。加速器236是这样的装置，其增加与附载材料302混合并且在它们的表面上承载 着附载材料302的纤维301通过混合装置130的飞行速度，并且包括加速流发生单元232 和加速风洞体234。加速风洞体234是管状件，其连接至混合装置130的主圆筒体131，具有引导纤维 301从混合装置130排放至衬底101的功能，并且在其周壁包括气流供给入口 233，其能够 将加速流发生单元232产生的气流引导至加速风洞体234的内侧。加速风洞体234的连接 着混合装置130的部分构成为具有与混合装置130的导出侧端部面积相对应的面积，并且 加速风洞体234的导出侧端部的面积小于所述混合装置导出侧端部的面积。因此，总体上 加速风洞体234是漏斗形的，其形状能够压缩与气流一起引入加速风洞体234的纤维301。加速流发生单元232是这样的装置，其通过将高压气体引入加速风洞体234而产 生气流。在本实施方式中，该装置包括能够保存高压气体的罐(瓶)，和气体导出单元，该单 元具有阀235，用于调节罐中的高压气体的压力。由加速流发生单元232供应的气体可以仅仅是空气，但更优选具有安全气体，其 中氧含有率低于空气中的氧含有率。这样可以防止从原料300蒸发的溶剂介质爆炸。关于 安全气体，其中通过塑料膜(中空丝膜)将氧从空气去除到某种程度的低氧密度气体或是 过热水蒸气可以考虑。然而，本说明书并不排除使用仅包含氧的高纯度气体，并且还允许使 用以液体或气体形式充入罐中的高纯度氮，或从干冰供应的二氧化碳。另外，可以设有加热器，其加热从加速流发生单元232产生的气流。图2是示出了排放装置和第二排放装置的横截面图。图3是示出了排放装置和第二排放装置的透视图。如体现于这些图中，排放装置210包括喷射装置201，充电装置202，气流发生装置 203，和吹风管206。喷射装置201是这样的装置，其排放原料300到一空间中，并且在本实施方式中是 这样的装置，其利用离心力呈放射状(沿径向)排放原料300。喷射装置201包括容器211， 轴体212，和马达213。容器211是这样的容器，其随着原料300被喷射到容器211内部中允许通过自身 旋转产生的离心力将原料300喷射到该空间中，其为一端封闭的圆筒形的，并且在其周壁 具有许多喷出孔216。容器211由电导体形成，以将电荷施加至贮存的原料300。容器211 由安置在支撑结构(未示出)上的轴承(未示出)支撑着，使其能够旋转。更具体地讲，容器211的直径被选择为大致处在从IOmm至300mm的范围内是合适 的。这是由于如果它太长，则会变得难以使原料300或纤维301与气流集中。另一方面，如 果它太短，则必须增加转速来利用离心力喷射原料300，这可能会引起产生马达额外负荷或 振动的问题。此外，优选地，容器211的直径被选择为大致处在从20mm至IOOmm的范围内。 另外，优选地，喷出孔216的形状是圆形，并且适宜的是其直径被选择为大致处在从0. Olmm 至3mm的范围内。轴体212是这样的轴体，其旋转容器211并且利用离心力传输驱动力至喷射原料 300，并且是棒状体，其从容器211的另一端插入至容器211的内侧，并且其一端连接着容器 211的封闭部分。另外，轴体的另一端连接着马达213的旋转轴。
马达213是这样的装置，其通过轴体212施加旋转驱动力至容器211，用于利用离 心力从喷出孔216喷出原料300。优选地，容器211的转速被选择为大致处在从几rpm至 IOOOOrpm的范围内，取决于喷出孔216的开口直径、原料300的粘度和原料中聚合物质的 类型。如描述于本实施方式中，如果马达213直接操作容器211，马达213的转速等于容器 211的转速。充电装置202是这样的装置，其将电荷施加至原料300并且使得原料300充电。在 本实施方式的情况下，充电装置202包括充电电极221，充电电源222，和接地装置223。另 外，容器211用作充电装置202的一部分。充电电极221是这样的部件，其通过产生高于或低于地电势的电压而在接近其安 置并且接地的容器211上感应出电荷，并且还是围绕容器211的末端安置的圆环形件。另 外，充电电极221还用作吹风管206，其将气流从气流发生装置203引导至混合装置130的 副圆筒体132。充电电极221的尺寸需要大于容器211的直径，并且适宜的是，其直径被选择为大 致处在从200mm至800mm的范围内。充电电源222是这样的电源，其能够施加高电压至充电电极221。一般而言，优选 地，充电电源222是直流电源。特别地，如果为纤维301产生的充电极性没有什么影响，并 且如果利用为纤维301产生的电荷而将纤维301收集在该极性的电极上，优选采用直流电 源。如果是除了上述之外的情况，交流电源也可以采用。另外，如果充电电源222是直流电 源，优选地，充电电源222施加至充电电极221的电压设置为大致处在从IOKV至200KV的 范围内。特别地，由于容器211和充电电极之间的电场强度是至关重要的，优选地，所施加 的电压和充电电极221的布局被适宜地选择，以便获得电场强度为lKV/cm或以上。接地装置223是这样的部件，其电连接着容器211并且可以将容器211维持在地 电势级别。接地装置223的一端大致是这样的部件，其能够用作电刷以保持电连接，即使是 在容器211处在旋转状态时，并且其另一端被接地。如描述于本实施方式中，如果感应方法被用于充电装置202，可以在容器211被维 持在地电势的情况下将电荷施加至原料300。如果容器211被维持在处于地电势，则不需要 电隔离连接着容器211的各个部件例如轴体212或马达213，这是优选的，因为能够将简单 的结构用作喷射装置201。此外，可以接受的是利用充电装置202将电源连接至容器211，将容器211维持在 高电压，和将电荷施加至原料300。另外，还可以接受的是用绝缘材料形成容器211，和将电 极安置在容器211内，这可以实现与贮存在容器211内的原料300直接接触，和利用所述电 极将电荷施加至原料300。气流发生装置203是这样的装置，其产生气流以将从容器211喷射的原料300的 飞行方向改变为被引导通过混合装置130的方向。在本发明的情况下，气流发生装置203 安装在马达213的后侧，并且产生从马达213吹向容器211的末端的气流。气流发生装置 203可产生风动力，其可以在沿径向从容器211喷射的原料300到达充电电极221之前将所 述原料300的方向改变为轴向方向。在图2中，气流以箭头表示。在本发明的情况下，作为 气流发生装置203，可以是吹风机，包括轴流式风扇，其围绕排放装置210强制吹送大气。气流发生装置203可以由其它吹风机构成，例如多叶片式风扇。另外，其可以是某种通过引入高压气体改变原料300喷射方向的装置。或者，其还可以是某种通过真空装置 102、加速流发生单元232或类似物改变进入混合装置内部的气流的装置。在这种情况下， 纤维制造设备100不具有主动产生气流的装置，而是在本发明中，由于在混合装置130中产 生气流的事实，可以设想气流发生装置203已经存在了。此外，在没有气流发生装置203的 情况下，通过利用真空装置102抽真空而在混合装置130中产生了气流的事实，可以设想气 流发生装置203已经存在了。吹风管206是一种风洞体，其将由气流发生装置203产生的气流引导至接近于容 器211的区域。被吹风管206引导的气流与从容器211喷射的原料300交叉，并且改变原 料300的飞行方向。此外，排放装置210包括气流控制装置204和加热器205。气流控制装置204具有这样的功能，即控制气流以防止由气流发生装置203产生 的气流撞到喷出孔216。在本发明的情况下，作为气流控制装置204，通风筒被用于引导气 流吹入特定区域。利用气流控制装置204，由于气流不直接碰撞喷出孔216，可以尽可能可 行地防止从喷出孔216喷出的原料300快速蒸发并堵塞喷出孔216，并且允许原料300被以 稳定的方式连续喷射。气流控制装置204可以是防风壁，其安置在喷出孔216的出风路径 上并且防止气流到达接近于喷出孔216的区域。加热器205是加热源，其加热形成由气流发生装置203产生的气流的气体。在本 发明的情况下，加热器205是圆环形加热器，安置在吹风管206的内侧，并且可以加热流经 加热器205的气体。通过利用加热器205加热气流，可以促进喷入该空间中的原料300的 蒸发，并且以高效的方式制造纤维。接下来，第二排放装置220将被解释。由于第二排放装置220具有与所述排放装 置210相同的装置结构，因此它也将参照图2和图3被解释。不同的附图标记被赋予名称 不同的部件，并且在图中不同的附图标记被添加括号。相同的附图标记被赋予名称相同的 部件。以与喷射装置201相同的方式，第二喷射装置251包括容器211，轴体212，和马 达213。对于这些部件，如果将所述〃原料300〃看作〃第二原料304〃，将〃纤维301〃看 作"附载材料302"，则适用相同的解释，因此不再对它们重复解释。第二充电装置252是这样的装置，其将电荷施加至第二原料304并且具有被充电 的第二原料304。以与充电装置202相同的方式，第二充电装置252包括充电电极221，充 电电源222，和接地装置223。另外，容器211还用作第二充电装置252的一部分。以与吹风管206相同的方式，第二吹风管256是一种风洞体，其将由第二气流发生 装置253产生的气流引导至接近于容器211的区域。被第二吹风管256引导的气流与从容 器211喷射的包含附载材料302的第二原料304交叉，并且改变第二原料304的飞行方向。以与气流发生装置203相同的方式，第二气流发生装置253是这样的装置，其产生 气流用于将从容器211喷射的第二原料304的飞行方向改变为被引导通过混合装置130的 方向。第二气流发生装置253安装在马达213的背侧上，并且产生从马达213吹向容器211 的末端的气流。气流发生装置203可产生风动力，其能够在沿径向从容器211喷出的第二 原料304到达充电电极221之前将第二原料304改变为沿轴向方向喷射。在图2中，气流 以箭头表示。在本发明的情况下，作为第二气流发生装置253，可以是吹风机，包括轴流式风扇，其围绕第二排放装置220强制吹送大气。接下来，使用具有前述结构的纤维制造设备100制造纤维301的方法将被解释。首先，利用气流发生装置203和第二气流发生装置253，气流被产生在混合装置 130、吹风管206和第二吹风管256中。另一方面，利用真空装置102，前述气流被从衬底101 下面的下游侧抽空。接下来，原料300被供应到喷射装置201的容器211中。原料300被贮存在分离罐 (未示出)中，并且从容器211的另一端部通过供应路径217 (见图2)供应到容器211中。 另一方面，包含附载材料302的第二原料304被供应至第二喷射装置251的容器211。第二 原料304被贮存在分离罐(未示出)中，并且从容器211的另一端部通过供应路径217 (见 图2)供应到容器211中。接下来，在通过充电电源222(带电过程)将电荷施加于贮存在容器211内的原料 300上的情况下，容器211被马达213旋转以使得利用离心力将带电原料300从喷出孔216 喷射(喷射过程)。另一方面，在通过充电电源222(第二带电过程)将电荷供应至贮存在 容器211中的第二原料304的情况下，容器211被马达213旋转，以使得利用离心力将带电 第二原料304从喷出孔216喷射(第二喷射过程)。这里，供应至原料300的电荷极性和供应至包含附载材料302的第二原料304的 电荷极性彼此相反。沿容器211的径向辐射状喷射的原料300的飞行方向利用气流被改变，并且原料 300被夹带于气流并且被引导和传输通过混合装置130 (输送过程)。纤维301通过静电拉 伸现象(纤维制造过程)被从原料300制造出来并且从排放装置210喷射。此外，由加热 器205加热的前述气流引导原料300的飞行，并且通过施加热量至原料300而促进的蒸发 溶剂介质。另一方面，包含附载材料302的第二原料304沿容器211的径向辐射状喷射，并 且其飞行方向被气流改变。第二原料304从第二排放装置220喷射，并通过静电爆发现象 被分断为微液滴。此外，被加热器205加热的前述气流引导第二原料304的飞行，并且通过 施加热量至第二原料304而促进溶剂介质的蒸发。接下来，从排放装置210排放并且通过静电拉伸现象制造的纤维301，原料300，从 第二排放装置220排放并且通过静电爆发现象变为微液滴的附载材料302，以及第二原料 304，都与气流合流在一起，并且通过混合装置130被混合(混合过程)。接下来，由于纤维301和包含附载材料302的第二原料304利用彼此相反的极性 带电，吸引力被产生，这使得附载材料302附着在纤维301的表面上，从而随着附载材料302 附着在纤维301的表面上，它们在气流上被传输到混合装置130的内部(输送过程)。在这 一阶段，纤维301变为承载着附载材料302。随着承载着附载材料302并且移动通过加速器236内部的纤维301被高压气体喷 射流加速，因加速器236的内部越来越狭窄而被逐渐压缩，变为高密度状态，然后到达衬底 101。衬底101用作过滤器，因为气流被从其背侧(下游侧)由真空装置102抽空，衬底将 纤维301从气流分离，并且只沉积和收集纤维301 (收集过程)。其上沉积有纤维301的衬 底101通过输送装置104的卷收而以一定的移动速度移动，以使得沉积在衬底101上的纤 维301与衬底101 —起移动，同时它们形成无纺布并且被输送装置104卷收。构成纤维301的聚合物质的例子包括聚丙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚氧化乙烯，
14聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二酸丁二醇酯，聚邻苯二甲酸酯，聚对苯二甲酸间苯酯，聚 间苯二甲酸对苯酯，聚偏氟乙烯，聚偏二氟乙烯_六氟丙烯共聚物，聚氯乙烯，聚偏二氯乙 烯_丙烯酸酯共聚物，聚丙烯腈，聚丙烯腈_丙烯酸甲酯共聚物，聚碳酸酯，聚芳酯，聚酯碳 酸酯，尼龙，芳纶，聚己内酯，聚乳酸，聚乙醇酸，胶原，聚-3-羟基丁酸，聚乙酸乙烯酯，和多 肽。可以采用选自上述例子中的一种物质，也可以采用各种物质的组合。由于上述项目仅 仅是示例性的，因此本发明并不局限于上述聚合物质。原料300所用溶剂介质的例子包括甲醇，乙醇，1-丙醇，2-丙醇，六氟异丙醇，四 甘醇，三甘醇，二苯甲醇，1,3- 二氧戊烷，1,4- 二氧己烷，甲乙酮，甲基异丁酮，甲基正己基 酮，甲基正丙基酮，二异丙基酮，二异丁基酮，丙酮，六氟丙酮，苯酚，甲酸，甲酸甲酯，甲酸乙 酯，甲酸丙酯，苯甲酸甲酯，苯甲酸乙酯，苯甲酸丙酯，乙酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸丙酯，酞酸 二甲酯，酞酸二乙酯，酞酸二丙酯，氯甲烷，氯乙烷，二氯甲烷，三氯甲烷，邻氯甲苯，对氯甲 苯，三氯甲烷，四氯化碳，1，1- 二氯甲烷，1，2- 二氯甲烷，三氯乙烷，二氯丙烷，二溴乙烷，二 溴丙烧，溴甲烧，溴乙烧，溴丙烧，乙酸，苯，甲苯，己烧，环己烷，环己酮，环戊烧，邻二甲苯， 对二甲苯，间二甲苯，乙腈，四氢呋喃，N, N-二甲基甲酰胺，吡唳，和水。可以采用选自上述 例子中的一种物质，也可以采用各种物质的组合。由于上述项目仅仅是示例性的，因此本发 明并不局限于上述聚合物质。此外，可以向原料300中添加某些添加剂，例如集料(骨料)或增塑剂。所述添加 剂的例子包括氧化物，碳化物，氮化物，硼化物，硅化物，氟化物，硫化物，等等，但从例如耐 热性和加工性的角度看，优选使用氧化物。所述氧化物的例子包括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，和 Nb2Ogo 可以采用选自上述例子中的一种材 料，也可以采用各种材料的组合。由于上述项目仅仅是示例性的，因此本发明并不局限于上 述聚合物质。溶剂介质与高分子物质的混合比取决于溶剂介质和高分子物质的类型，但优选 地，溶剂介质的量被选择为大致处在从60%至98%的范围内。附载材料302并非特别局限于具有某种功能性的物质。举例而言，可以选取光敏 金属氧化物等等。举例而言，可以是氧化锌，氧化钛，以及诸如此类。光敏金属氧化物可被 光例如可见光激活(举例而言，氧化锌)或紫外线激活(TiO2),并且展现出催化功能。因此， 如描述于本发明，如果光敏金属氧化物的精细颗粒附着在纳米纤维的表面上，并且所述纳 米纤维被形成为无纺布，则能够使光以高效的方式到达精细颗粒，并且使得光敏金属氧化 物充分地展现效果。此外，作为附载材料302，可以选用能吸收气味成分的材料例如活性炭，可展现抗 菌功能或杀菌功能的材料例如银或铜，以及能够提供亲水性或疏水性的材料。根据上述设备结构和方法，可以制造仅在其表面承载附载材料302的纤维301。因 此，由于不会因附载材料302混合到纤维301中而导致纤维301的机械强度降低，并且如示 于图4，由于附载材料302仅承载于纤维301的表面上，因此附载材料302的功能可充分发 挥。此外，由于承载纤维301和附载材料302以彼此相反的极性带电，因此附载材料 302被牢固承载于纤维301的表面上。
另外，由于通过静电拉伸现象制造的纤维301与通过静电爆发形成微液滴的第二 原料304或分散状态的附载材料302混合，并且它们被均勻地混合，因此可以制造出总体上 性能稳定的纤维301。(实施方式2)接下来，根据本发明的另一实施方式将被解释。图5是示意性示出了根据本发明的实施方式的一种纤维制造设备的横截面图。相 同的附图标记被赋予具有与上述实施方式1中相同功能的部件、装置等。如示于该图，纤维制造设备100包括排放装置210，混合装置130，第二排放装置 220，加速器236，和收集装置110。由于排放装置210、加速器236和收集装置110与前面的 相同，因此不再对它们进行解释。在本实施方式中第二排放装置220包括第二排放装置，其利用超声波或双流体喷 嘴喷射包含附载材料302的第二原料304并将其排放到空间中，和第二充电装置，其使用离 子发生器利用与带电纤维301的极性相反的极性对喷射的附载材料302充电。第二排放装 置220安装在后面将被解释的混合装置130的侧面，并且能够将带电的附载材料302喷射 到混合装置130的内部。这里，离子发生器是这样的装置，其可以对存在于该空间中的精细颗粒充电。更具 体地讲，其可以采用任意方法之一，例如电晕放电方法，电压叠加方法，交流方法，定常直流 方法，脉冲直流方法，自排放方法，软X射线方法，紫外线方法，放射线方法等等。混合装置130是这样的部件，其将从排放装置210排放的纤维301和从第二排放 装置220喷射的第二原料304混合。在本发明的情况下，混合装置130是圆筒状管件，其将 排放装置210与加速器236直线连接，其还是导引管以将用于输送纤维301的气流从排放 装置210引导至加速器236。此外，混合装置130具有安装在其周壁的第二排放装置220。通过上述构造，在从排放装置210排放的纤维301被传输至加速器236时，从第二 排放装置220喷射的微小附载材料302被混合。这里，由于纤维301和附载材料302被以 彼此相反的极性充电，因此可以通过简单的方法制造在它们的表面上承载着附载材料302 的纤维301。在上述实施方式1中，通过将液体包括附载材料302分断为细微的形式，使得其可 被纤维301的表面承载。然而，本发明并不局限于此。举例而言，利用例如实施方式2中所 示的装置，作为第二原料的附载材料302的粉末(精细粉末)可在其处于固态物质形式时 被充电，并且散布在该空间中和与纤维301混合。(实施方式3)接下来，解释利用根据本发明的纤维制造设备来制造用作质子交换膜燃料电池用 催化剂物质层的纤维的方法和装置的实施方式(燃料电池的催化剂物质层的制造方法，燃 料电池的催化剂物质层的制造设备，质子交换膜燃料电池)。图6是示意性示出了根据本发明的实施方式的一种纤维制造设备的横截面图。如示于该图，纤维制造设备100是这样的装置，其在空间中混合从排放装置210排 放的纤维301、从第三排放装置230排放的包含电导体的第三原料305、从第二排放装置220 排放的包含附载材料302 (包括溶剂介质)的第二原料304，并且使得电导体303和附载材 料302被承载于纤维301的表面上，并且纤维制造设备是这样的装置，其可沉积所述纤维并且制造出催化剂物质层。纤维制造设备100包括排放装置210，第三排放装置230，第二排 放装置220，混合装置130，收集装置110，和吸引装置120。图7是示出了排放装置的横截面图。图8是示出了排放装置的外观的透视图。由于第三排放装置230和第二排放装置220具有与排放装置210相同的构造，因 此不再对它们进行解释。关于第三排放装置，"原料300〃在后面的描述中可以解读为" 第三原料305〃，‘‘纤维301〃可以解读为〃第三原料305〃，关于第二排放装置220，‘‘ 原料300〃可以解读为〃第二原料304〃，而〃纤维301〃可以解读为〃附载材料302〃。如示于这些图中，排放装置210是这样的单元，其可从带电原料300在所述原料 300飞行时通过静电拉伸现象制造出来的纤维301排放到气流上，并且其包括喷射装置 201，充电装置202，吹风管206，和气流发生装置203。喷射装置201是这样的装置，其将原料300喷入该空间，并且其在本实施方式中是 这样的装置，即其利用离心力将原料300以放射状(沿径向)喷出。喷射装置201包括容 器211，轴体212，和马达213。容器211是这样的容器，其在原料300被注入容器211内部时允许通过自身旋转 产生的离心力将原料300喷射到该空间中，它是一端封闭的圆筒形的，并且在其周壁具有 许多喷出孔216。容器211由电导体形成，以便将电荷施加至贮存的原料300。容器211由 安置在支撑结构(未示出)上的轴承(未示出)支撑着，这使得其可旋转。更具体地讲，适宜的是容器211的直径被选择为大致处在从10mm至300mm的范围 内。这是因为，如果它太长，则会变得难以将原料300或纤维301与气流集中，后面将被解 释。另外，如果重量变得失去平衡，哪怕仅仅是一点点，则由于一些因素，例如容器211的旋 转轴线是偏心的，则也会产生很大振动，因而要求采用刚性支撑容器211以限制所述振动 的结构。另一方面，如果它太短，则必须提高转速以便利用离心力排放原料300，这可能会引 起产生额外负荷或驱动源振动的问题。此外，优选地，容器211的直径被选择为大致处在从 20mm至100mm的范围内。此外，优选地，喷出孔216的形状是圆形，并且其直径优选选自大致在从0.01mm至 3mm的范围内，尽管直径取决于容器211的厚度。这是因为，如果喷出孔216太小，则会变 得难以将原料300喷射至容器211的外侧。还因为，如果喷出孔216太大，在某个时段内从 一个喷出孔喷射的原料300的量会太大(即所排放的原料300形成的一条线的厚度变得太 厚)，这会导致难以制造具有理想直径的纤维301。容器211并非必须是利用其自身旋转时的离心力将原料300喷入空间中的部件， 还可以是这样的部件，即在容器211本身保持静止的状态下通过挤压原料300而将原料300 从喷出孔216喷出。另外，利用离心力喷射原料300的容器211的形状并不局限于圆筒形， 而是可以是横截面为多边形形状的多边形管或圆锥形管。其可以具有任何形状，只要原料 300可通过喷出孔216的旋转利用离心力从喷出孔216喷射出来即可。另外，喷出孔216的 形状并不局限于圆形形状，而是还可以是其它形状，例如多边形形状或星形形状。轴体212是这样的轴体，其旋转容器211并且利用离心力传输驱动力至喷射原料 300，并且是棒状体，其从容器211的另一端插入至容器211的内侧，并且其一端连接着容器 211的封闭部分。另外，轴体的另一端连接着马达213的旋转轴。
马达213是这样的装置，其通过轴体212施加旋转驱动力至容器211以便利用离 心力从喷出孔216喷出原料300。优选地，容器211的转速被选择为大致处在从几rpm至 lOOOOrpm的范围内，取决于喷出孔216的开口直径、原料300的粘度和原料中聚合物质的 类型。如描述于本实施方式中，如果马达213直接操作容器211，马达213的转速等于容器 211的转速。充电装置202是这样的装置，其将电荷施加至原料300并且使得其带电。在本实 施方式的情况下，充电装置202包括充电电极221，充电电源222，和接地装置223。另外，容 器211用作充电装置202的一部分。充电电极221是这样的部件，其通过产生高于或低于地电势的电压而在接近其安 置并且接地的容器211上感应出电荷，并且还是围绕容器211的末端安置的圆环形件。如 果正电压被施加于充电电极221，则在容器211上感应出负电荷。如果负电压被施加于充电 电极221，则在容器211上感应出正电荷。另外，充电电极221还用作吹风管206，其将气流 从气流发生装置203引导至混合装置130。充电电极221的尺寸需要大于容器211的直径，并且适宜的是其直径被选择为大 致处在从200mm至800mm的范围内。充电电极221的形状并不局限于圆形形状，它还可以 是具有多边形形状的多边形环状部件。充电电源222是这样的电源，其能够施加高电压至充电电极221。优选地，充电电 源222是直流电源。另外，如果充电电源222是直流电源，适宜的是，充电电源222施加至 充电电极221的电压设置为大致处在从10KV至200KV的范围内。如果负电压被施加于充 电电源222，所施加至充电电极的电压的极性变为负。特别地，由于容器211和充电电极之 间的电场强度是至关重要的，因此优选地，所施加的电压和充电电极221的布局被适宜地 选择，以便获得电场强度为lKV/cm或以上。接地装置223是这样的部件，其电连接着容器211并且可以将容器211维持在地 电势级别。接地装置223的一端大致是这样的部件，其能够用作电刷以保持电连接，即使是 在容器211处在旋转状态时，并且其另一端被接地。如描述于本实施方式中，如果感应方法被用于充电装置202，可以在容器211被维 持在地电势的情况下将电荷施加至原料300。如果容器211被维持在处于地电势，不需要电 隔离连接着容器211的各个部件例如轴体212或马达213，这是优选的，因为能够将简单的 结构用作喷射装置201。此外，可以接受的是利用充电装置202将电源连接至容器211，将容器211维持在 高电压，和通过将充电电极221接地而将电荷施加至原料300。另外，还可以接受的是用绝 缘材料形成容器211，和将电极安置在容器211内，这可以实现与贮存在容器211内的原料 300直接接触，和利用所述电极将电荷施加至原料300。气流发生装置203是这样的装置，其产生气流以将从容器211喷射的原料300的 飞行方向改变为被引导通过混合装置130的方向。气流发生装置203安装在马达213的背 侧上，并且产生从马达213吹向容器211的末端的气流。气流发生装置203可产生风动力， 其可以在沿径向从容器211喷射的原料300到达充电电极221之前将所述原料300的方向 改变为轴向方向。在图7中，气流以箭头表示。在本发明的情况下，作为气流发生装置203， 可以是吹风机，包括轴流式风扇，其围绕排放装置210强制吹送大气。
气流发生装置203可以由其它吹风机构成，例如多叶片式风扇。另外，其可以是某 种通过引入高压气体改变原料300喷射方向的装置。或者，其还可以是某种通过真空装置 102或类似物改变进入混合装置内部的气流的装置。在这种情况下，气流发生装置203不 具有主动产生气流的装置，而是在本发明中，由于在混合装置130中产生气流的事实，可以 设想气流发生装置203已经存在了。此外，在没有气流发生装置203的情况下，由于在吹风 管206中产生了气流和混合装置130通过利用真空装置102抽真空的事实，可以设想气流 发生装置被认为已经存在了。吹风管206是导管，其将由气流发生装置203产生的气流引导至接近于容器211 的区域。被引导的气流吹风管206与从容器211喷射的原料300交叉，并且改变原料300 的飞行方向。此外，排放装置210包括气流控制装置204和加热器205。气流控制装置204具有这样的功能，即控制气流以防止由气流发生装置203产生 的气流撞到喷出孔216。在本发明的情况下，作为气流控制装置204，通风筒被用于引导气 流吹入特定区域。利用气流控制装置204，由于气流不直接碰撞喷出孔216，可以尽可能可 行地防止从喷出孔216喷出的原料300快速蒸发并堵塞喷出孔216，并且允许原料300被以 稳定的方式连续喷射。气流控制装置204可以是防风壁，其安置在喷出孔216的出风路径 上，并且防止气流到达接近于喷出孔216的区域。加热器205是加热源，其加热用于形成由气流发生装置203产生的气流的气体。在 本实施方式的情况下，加热器205是圆环形加热器，安置在混合装置130的内侧，并且可以 加热流经加热器205的气体。通过利用加热器205加热气流，可以促进喷入该空间中的原 料300蒸发，并且以高效的方式制造出纤维。下面返回到参看图6。混合装置130是这样的部件，其将从排放装置210排放的纤维301 (原料300)、从 第三排放装置230排放的电导体303 (第三原料305)、从第二排放装置220排放的附载材料 302(第二原料304)与气流混合。在本实施方式的情况下，混合装置130是管状件，其连接 为Y形，以使得分别产生在不同位置的电导体303和附载材料302被引导至在一个位置会 合，并且使得会合的电导体303和附载材料302被混合，另外，其还是具有使得这些会合的 电导体303、附载材料302和纤维301被混合的分支部的部件。收集装置110是这样的装置，其收集从混合装置130排放的纤维301、电导体303 和附载材料302，并且包括衬底101、输送装置104和供给料卷。衬底101是这样的部件，其中，通过静电拉伸现象被制造出来并且飞行的纤维301 以及电导体303和附载材料302被沉积在其上。在本实施方式的情况下，衬底101是由碳 制成的具有许多孔的片材，其在薄柔性的长片材型件上形成多层。通过上述过程，可以容易 地供应相对脆性的碳片材，并且通过卷收而收集碳片材。如果这样的碳片材被用在燃料电 池中，其将用作气体扩散层。衬底101可以是由质子传导性聚合物制成的片材。输送装置104是这样的装置，其可传输衬底101。在本实施方式的情况下，可以设 想，可从展开的供给料卷抽取长衬底101，并且将衬底101与沉积为无纺布形式的纤维301、 电导体303和附载材料302 —起传输。输送装置104是这样的装置，其可将沉积为无纺布形式的纤维301与衬底101 —起卷收。吸引装置120是这样的装置，其用于将在空间中飞行并且在其表面被组合有第三 原料305和溶剂介质的纤维301吸引到特定位置。关于吸引纤维301等的方法的例子包括 通过抽空气流吸引纤维301等的方法，和利用电场充电吸引纤维301的方法。在本实施方 式的情况下，能够选择性地执行抽空气流的方法或电场吸引的方法或是同时执行这两种方 法的装置可被用作吸引装置，其包括真空装置102、吸引电极121和吸引电源122。真空装置102是这样的装置，其强制抽空流动通过衬底101的气流。在本实施方 式中，真空装置102包括漏斗形的区域限制单元103和吹风机105。吹风机105诸如多叶片 式风扇或轴流式风扇的吹风机，它是这样的装置，其可产生从衬底101吹向吹风机105的气 流。另外，真空装置102是这样的装置，其可抽空原料300、第三原料305和从第二原料 304蒸发的溶剂介质组合成的气流的大部分，并将所述气流传输至连接着真空装置102的 溶剂回收装置106。吸引电极121是这样的电极，其产生吸引纤维301等的电场。在本实施方式的情 况下，可采用能够使得气流从中通过的金属网。吸引电源122是直流电源，其可将吸引电极121以特定的极性维持在特定的电压。 在本实施方式的情况下，吸引电源122是直流电源，其能够在从0V(在安装状态)至200KV 的范围内自由地改变电压和极性。接下来，将解释使用具有上述结构的纤维制造设备100制造纤维、并且进一步制 造燃料电池用催化剂物质层的方法。首先，分别安装在排放装置210、第三排放装置230和第二排放装置220上的气流 发生装置203被操作。通过如此，气流被产生在吹风管206的内侧和混合装置130的内侧。 另一方面，前述气流被真空装置102从衬底101背侧抽空。此外，通过吸引电源122，电压被施加于吸引电极121，以产生用于吸引纤维301以 及诸如此类的电场。接下来，原料300被供应至包括在排放装置210中的容器211。关于第三原料305， 也以与原料300相同的方式被供应至容器211。关于第二原料304，也以相同方式供应至容 器211。原料300、第三原料305和第二原料304分别贮存在分离罐(未示出)中，并且在 容器211内从容器211的另一端部通过供应路径217 (见图7)供应。与此同时，通过充电装置202，电荷被施加于贮存在容器211内的原料300。此外， 电荷也以相同方式施加至第三原料305和第二原料304 (带电过程，第三带电过程和第二带 电过程)。这里，施加于原料300的电荷极性和施加于第三原料305的电荷极性彼此相反。另 外，供应至原料300的电荷量(绝对值)大于供应至第三原料305的电荷量(绝对值)。另 一方面，施加于第三原料305的电荷极性和施加于第二原料304的电荷极性彼此相反。此 外，供应至原料305的电荷量(绝对值)大于供应至第三原料304的电荷量(绝对值)。从 前面的解释可知，即使是在具有彼此相反极性的电导体303和附载材料302被组合时，保持 着电导体的充电极性的第二附载材料也会形成，并且纤维301的带电极性和所述第二附载 材料的带电极性彼此相反。
赋予原料300、第三原料305和第二原料304的电荷量和极性可通过施加于充电电 极221的电压和极性来调节。已经带电的原料300、第三原料305、第二原料304，利用马达213旋转容器211时 形成的离心力分别同时从喷出孔216喷射处理(喷射过程，第三喷射过程和第二喷射过 程)。第三原料305和第二原料304沿容器211的径向呈辐射状喷射，并且它们的飞行 方向利用气流被改变。第三原料305和第二原料304分别从第三排放装置230和第二排放 装置220排放，并且通过静电爆发被分断为微液滴。另外，在第三原料305和第二原料304 的飞行分别被引导的情况下，前述气流由加热器205加热，以通过施加热量至第三原料305 和第二原料304促进溶剂介质的蒸发。从前面的解释可知，第三原料305和第二原料304将要在混合装置130的内部混 合(混合过程)。由于电导体303和附载材料302以彼此相反的极性带电，因此吸引力被产 生，这使得它们彼此组合以形成第二附载材料。所述第二附载材料被利用气流传输。另一方面，径向排放的原料300的飞行方向轴向方向被利用气流改变为容器211 的轴向方向，并且原料300被弓丨导到气流上和吹风管206传输至混合装置130 (输送过程)。 纤维301通过静电拉伸现象(纤维制造过程)被从原料300制造出来并且从排放装置210 排放。另外，在引导原料300的飞行的状况下，前述被加热器205加热的气流施加热量至原 料300并且促进溶剂介质的蒸发。接下来，从排放装置210排放并且通过静电拉伸现象制造的纤维301以及所述附 载材料与气流会合在一起，并且它们通过混合装置130被混合(混合过程)。这里，纤维301 和附载材料被以彼此相反的极性充电，吸引力被产生，以使得在附载材料附着在纤维301 的表面上的状况下将它们在气流上传输到混合装置130内(输送过程)。在这一阶段，纤维 301将承载第三原料305和包含附载材料302的第二原料304。此外，存在这种可能，即第三原料305残存下来而没有变成附载材料，或者包含附 载材料302的第二原料残存下来，但它们也在混合装置130内与纤维301混合，并且与纤维 301的表面相组合。最后，承载着电导体303和附载材料302的纤维301借助于吸引装置120附着在 衬底101上并且沉积在衬底101上(沉积过程)。此外，由于未在该空间中与纤维301组合 的电导体303和附载材料302也被吸引装置120吸引，因此存在这样的情况，即它们被与被 沉积之前的纤维301的表面组合。这里，原料300、第二原料304和第三原料305将被解释。原料300是液体，其中质子传导性聚合物溶解或散布在溶剂介质中。关于溶剂介 质和质子传导性聚合物的混合比，理想的是溶剂介质的量大致处在从大约60%至98%的 范围内，尽管取决于溶剂介质的类型和质子传导性聚合物的类型可以不同。关于构成纤维301的质子传导性聚合物，全氟碳磺酸型树脂可被选取为代表性例 子。从其优异的化学和热稳定性的角度看，全氟碳磺酸型树脂是优选的。所述树脂的例子 包括美国 DuPont 公司制造的 Nafion (注册商标)，Asahi Kasei Corporation Limited 制 造的 Aciplex (注册商标)，Asahi Glass Corporation Limited 制造的 Flemion (注册商 标)。其它例子还包括磺化聚醚酮树脂，磺化聚醚砜，磺化聚苯硫醚树脂，磺化聚酰亚胺树脂，磺化聚酰胺树脂，磺化环氧树脂，磺化聚烯烃树脂等等。另外，可以是从上述选择的一种 类型，也可以是上述多种类型的组合。此外，上述项目仅仅是示例性的，本发明并不局限于 上述聚合物质。作为用于原料300的溶剂介质，其可以是某种具有挥发性功能的物质，它的例子 可包括甲醇，乙醇，1-丙醇，2-丙醇，六氟异丙醇，四甘醇，三甘醇，二苯甲醇，1，3- 二氧戊 烷，1，4_ 二氧己烷，甲乙酮，甲基异丁酮，甲基正己基酮，甲基正丙基酮，二异丙基酮，二异 丁基酮，丙酮，六氟丙酮，苯酚，甲酸，甲酸甲酯，甲酸乙酯，甲酸丙酯，苯甲酸甲酯，苯甲酸乙 酯，苯甲酸丙酯，乙酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸丙酯，酞酸二甲酯，酞酸二乙酯，酞酸二丙酯，氯 甲烷，氯乙烷，二氯甲烷，三氯甲烷，邻氯甲苯，对氯甲苯，三氯甲烷，四氯化碳，1，1_ 二氯甲 烷，1，2- 二氯甲烷，三氯乙烷，二氯丙烷，二溴乙烷，二溴丙烷，溴甲烷，溴乙烷，溴丙烷，乙 酸，苯，甲苯，己烷，环己烷，环己酮，环戊烷，邻二甲苯，对二甲苯，间二甲苯，乙腈，四氢呋 喃，N, N-二甲基甲酰胺，吡啶和水。另外，可以是从上述选择的一种类型，也可以是上述多 种类型的组合。此外，上述项目仅仅是示例性的，本发明并不局限于上述类型的溶剂介质。根据本实施方式的第三原料305是液体，其中电导体303溶解或散布在溶剂介质 中。另外，其还可以是使用在电导体和溶剂介质之间建立桥接的分子的乳化液体。电导体303是用于在催化剂物质层中移动电子的部件，并且可以接受的是其尽可 能长，只要具有导电性即可。更具体地讲，它的例子可包括金属，含碳颗粒，例如导电聚合 物、炭黑、乙炔黑，和内含碳的导电聚合物，例如碳纳米纤维。作为用于第三原料305的溶剂介质，其可以是某种具有挥发性功能的物质，它的 例子可包括甲醇，乙醇，1-丙醇，2-丙醇，六氟异丙醇，四甘醇，三甘醇，二苯甲醇，1，3- 二氧 戊烷，1，4_ 二氧己烷，甲乙酮，甲基异丁酮，甲基正己基酮，甲基正丙基酮，二异丙基酮，二 异丁基酮，丙酮，六氟丙酮，苯酚，甲酸，甲酸甲酯，甲酸乙酯，甲酸丙酯，苯甲酸甲酯，苯甲酸 乙酯，苯甲酸丙酯，乙酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸丙酯，酞酸二甲酯，酞酸二乙酯，酞酸二丙酯， 氯甲烷，氯乙烷，二氯甲烷，三氯甲烷，邻氯甲苯，对氯甲苯，三氯甲烷，四氯化碳，1，1_ 二氯 甲烷，1，2- 二氯甲烷，三氯乙烷，二氯丙烷，二溴乙烷，二溴丙烷，溴甲烷，溴乙烷，溴丙烷， 乙酸，苯，甲苯，己烷，环己烷，环己酮，环戊烷，邻二甲苯，对二甲苯，间二甲苯，乙腈，四氢呋 喃，N, N-二甲基甲酰胺，吡啶和水。另外，可以是从上述选择的一种类型，也可以是上述多 种类型的组合。此外，上述项目仅仅是示例性的，本发明并不局限于上述类型的溶剂介质。在本发明的情况下，第二原料304是液体，其中作为催化剂物质的附载材料302的 颗粒溶解或散布在溶剂介质中。另外其还可以是使用在附载材料302和溶剂介质之间建立 桥接的分子的乳化液体。作为附载材料302，可以采用相关技术领域中的用作传统催化剂物质的同样材料， 没有任何专门的限制。其例子包括钼族元素例如钼，钯，铱，铑，钌，锇，和其它金属，例如金， 银，铁，钴，镍，铬，钨，锰，钒，铅，铜，钴，钼，镓，铝，或它们的金属合金或氧化物、二氧化物 等等。特别地，在许多情况下钼被用作催化剂物质。附载材料302的颗粒直径大致为1至 30nm。支持剂的颗粒直径优选为0. 5至20nm，因为如果它太长，则催化剂物质的活性降低， 而如果它太短，则稳定性降低。更优选地，在1至5nm较好。作为用于第二原料304的溶剂介质，其可以是某种具有挥发性功能的物质，它的 例子可包括甲醇，乙醇，1-丙醇，2-丙醇，六氟异丙醇，四甘醇，三甘醇，二苯甲醇，1，3- 二氧戊烷，1，4_ 二氧己烷，甲乙酮，甲基异丁酮，甲基正己基酮，甲基正丙基酮，二异丙基酮，二 异丁基酮，丙酮，六氟丙酮，苯酚，甲酸，甲酸甲酯，甲酸乙酯，甲酸丙酯，苯甲酸甲酯，苯甲酸 乙酯，苯甲酸丙酯，乙酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸丙酯，酞酸二甲酯，酞酸二乙酯，酞酸二丙酯， 氯甲烷，氯乙烷，二氯甲烷，三氯甲烷，邻氯甲苯，对氯甲苯，三氯甲烷，四氯化碳，1，1_ 二氯 甲烷，1，2- 二氯甲烷，三氯乙烷，二氯丙烷，二溴乙烷，二溴丙烷，溴甲烷，溴乙烷，溴丙烷， 乙酸，苯，甲苯，己烷，环己烷，环己酮，环戊烷，邻二甲苯，对二甲苯，间二甲苯，乙腈，四氢呋 喃，N, N-二甲基甲酰胺，吡啶和水。另外，可以是从上述选择的一种类型，也可以是上述多 种类型的组合。此外，上述项目仅仅是示例性的，本发明并不局限于上述类型的溶剂介质。通过上述设备结构和方法，可以制造出由纤维301构成的催化剂物质层，其中电 导体303和附载材料302被承载于其表面上。因此，可以限制电导体303和附载材料302 的生成，以防止由于电导体303和附载材料302被混合到纤维301的内部而导致它们不能 发挥全部功能，并且提高作为催化剂物质层的性能。此外，由于纤维301被沉积在具有许多 孔的碳片材上，因此可以制造出这样的催化剂物质层，其能够被连接到气体扩散层。此外， 由于通过静电拉伸现象制造的纤维301在通过静电拉伸现象的作用下以散布形式与电导 体303和附载材料302混合，这使得它们能与纤维301更均勻地混合，而不会再在空间中产 生集束，这使得能够制造总体上性能稳定的催化剂物质层。在本实施方式中，电导体303和附载材料302在混合装置130内被混合。在电荷量 降低的情况下，可以设置充电单元例如离子发生器，以便在如前所述混合的电导体303和 附载材料302在混合装置130中与带电纤维301混合之前利用与带电纤维301的极性相反 的极性使它们带电，以使得它们可以在利用与带电纤维301的极性相反的极性充电后在混 合装置130中与纤维301混合。接下来，将参照附图解释根据本发明的通过纤维制造设备和纤维制造方法应用于 质子交换膜燃料电池时的纤维制造例子。图9是示意性示出了电池的一部分的透视图，该电池是质子交换膜燃料电池中的
一根单元。如示于该图，电池400包括燃料电极侧间隔器410，氧电极侧间隔器420，气体扩散 层401，催化剂物质层402，和质子传导性聚合物膜403。燃料电极侧间隔器410和氧电极侧间隔器420为板状体，它们与相邻电池电连接， 并且具有许多条流体流路413和流体流路423，用于使在整个板状体上并行运行的燃料气 体和氧化气体循环。另外，在与设有流体流路413和流体流路423的表面相反的表面上，设 有使冷却用液体循环的流路。气体扩散层401和催化剂物质层402被这样制备出来，其中通过前述实施方式的 纤维制造设备和纤维制造方法制造出来的纤维被分层沉积。气体扩散层401为衬底101，而 催化剂物质层402是由在其表面承载着电导体303和附载材料302的质子传导性聚合物制 成的纤维301被以前述实施方式沉积在无纺布上而形成的。质子传导性聚合物膜403是可移动质子的聚合物树脂膜。质子交换膜燃料电池是由多个上述电池彼此叠加构成的。通过上面的描述可知，由于所供应的燃料(氢)与催化剂物质发生接触的可能性 很高，因此，包含由根据本发明的纤维构成的催化剂物质层的质子交换膜燃料电池可将氢以非常高效的方式分离为质子和电子。另外，以类似的方式，质子、氧和电子被移动而发生 彼此接触的可能性非常高，因此它们可以高效地起反应并且生成水。因此，包括根据本发明 的催化剂物质层的整个质子交换膜燃料电池可实现高发电效率。另外，可以保持必须的催 化剂物质用量在最低级别并且降低成本。(实施方式4)接下来，本发明的其它实施方式将被解释。图10是示意性示出了根据本发明的另一实施方式的一种纤维制造设备的横截面 图。顺便说一下，存在下述情况，即相同的附图标记被赋予具有与前述实施方式3中相同功 能的部件、装置等，因此不再对它们进行解释。如示于该图，纤维制造设备100包括排放装置210，第五排放装置255，第四排放 装置240，混合装置130，和吸引装置120。由于排放装置210、第四排放装置240、吸引装置 120、收集装置110与实施方式1中的相同，因此不再对它们进行解释。第五排放装置255包括第五排放装置，其利用超声波或双流体喷嘴将在电导体 303的表面上承载的附载材料302的第二附载材料306喷入空间中，和第五充电装置，其利 用离子发生器对排放的第二附载材料306进行充电。第五排放装置255朝向混合装置130 安装，能够将带电的第二附载材料306以干燥状态喷入混合装置130内。离子发生器是这样的装置，其可对存在于空间内的精细颗粒充电。更具体地讲，可 用的例子包括任意方法，例如电晕放电方法，电压叠加方法，交流方法，定常直流方法，脉冲 直流方法，自排放方法，软x射线方法，紫外线方法，放射线方法等等。接下来，使用具有上述结构的纤维制造设备100制造纤维的方法将被解释，并且 所述纤维被施加于燃料电池用催化剂物质层的实施方式将被解释。首先，气体扩散层利用第四排放装置240被制造。第四原料307是这样的液体，其中导电聚合物和碳颗粒被溶解或散布在溶剂介质中。然后，以与前述实施方式中描述的排放装置210相同的方式，第四原料307利用充 电装置202被充电，并利用喷射装置201被喷射到空间。通过上面的描述可知，由导电聚合 物和碳颗粒构成的导电纤维308通过静电拉伸现象被制造出来。然后，通过沉积所述纤维， 具有许多孔的无纺型碳片材被制造。然后，所述碳片材被输送装置104以低速传输。接下来，纤维301以与实施方式1相同的方式利用排放装置210被制造出来。与此同时，利用第五排放装置255，通过与所述纤维301的极性相反的极性充电的 第二附载材料306被注入混合装置130。通过上面的描述可知，第二附载材料306与纤维301的表面组合。最后，承载着第二附载材料306的纤维301被吸引装置120吸引并沉积在预先制 造的碳片材上。根据上述设备结构和方法，可以通过一系列过程制造出气体扩散层和催化剂物质 层，并且可以提高生产效率。此外，在上述实施方式中，第二附载材料306以干燥状态喷射。然而，本发明并不 局限于此。举例而言，电导体303和附载材料302也就可以分别以干燥状态喷射，使它们以彼此相反的极性被充电，制造出第二附载材料306，然后将它们与构成质子传导性聚合物的 纤维301混合。另外，可以分别制造出气体扩散层和催化剂物质层，再将它们彼此贴合。此外，排放装置210、第三排放装置230、第二排放装置220、第四排放装置240和第 五排放装置255的位置和组合方式可以自由选择，只要催化剂物质层能被适当地制造出来 即可。另外，根据本发明的实施方式中描述的，材料排放装置并不局限于此。举例而言， 还可以这样构造出原料排放装置，即原料排放装置包括充电装置，其中将喷嘴头安置成作 为在具有矩形横截面的风洞体的一个壁面上具有许多喷出孔的喷射单元，并且通过在朝向 风洞体的表面上设置充电电极并且在所述喷出孔和充电电极之间产生电势差异而产生电 场并且对所述材料进行充电；以及还包括气流发生装置，其设在风洞体的开口端的一侧。另 外，排放装置可以设置成利用电场纺纱单元从一个喷嘴的末端排放原料并且施予电场。[工业实用性]本发明可以用于制造纤维或无纺布，其具有光催化剂作用或脱臭作用等功能。
此外，其可以用于制造燃料电池。
权利要求
一种纤维制造方法，包括第一喷射步骤，其将作为纤维原材料的第一原料喷射到一空间中；第一充电步骤，其向第一原料施加电荷而使第一原料带电；纤维制造步骤，其将带电的被喷射的第一原料拉伸而利用所述第一原料制造出纤维；第二充电步骤，其利用与带电的纤维的极性相反的极性对第二原料进行充电，所述第二原料包含将被纤维承载的附载材料；以及混合步骤，其在该空间中将所制造出的纤维与带电的附载材料混合。
2.根据权利要求1的纤维制造方法，还包括 输送步骤，其利用气流输送所制造出的纤维，其中，在所述输送步骤中被输送的纤维与附载材料在所述混合步骤中混合。
3.根据权利要求2的纤维制造方法，还包括收集步骤，其将承载着附载材料的纤维从气流分离，并且沉积和收集纤维。
4.根据权利要求1的纤维制造方法，其中，第一原料包含质子传导性聚合物和挥发性溶剂介质， 第二原料包含作为附载材料的催化剂物质，以及在所述纤维制造步骤中，由质子传导性聚合物构成的纤维被制造出来，并且 所述纤维制造方法还包括第三充电步骤，其向包含电导体的第三原料施加电荷而使第三原料带电； 第三喷射步骤，其将第三原料喷射到空间中； 混合步骤，其在该空间中将纤维、催化剂物质和电导体混合；以及 沉积步骤，其将纤维、电导体和催化剂物质沉积在衬底上。
5.根据权利要求4的纤维制造方法，其中，在所述第二充电步骤和所述第三充电步骤中，施加于催化剂物质的电荷的极性 和施加于电导体的电荷的极性被调节成彼此不同，以及在所述混合步骤中，通过混合催化剂物质和电导体而形成由电导体和催化剂物质的组 合构成的附载材料，以及通过混合纤维和附载材料，纤维和附载材料被组合起来。
6.根据权利要求5的纤维制造方法，其中，在所述第一充电步骤、所述第三充电步骤和所述第二充电步骤中，施加于第一原 料、第二原料和第三原料的电荷量和极性被调节，以便利用与在所述混合步骤中施加于纤 维的电荷的极性相反的极性对所形成的附载材料进行充电。
7.根据权利要求4的纤维制造方法，还包括第四充电步骤，其向由质子传导性聚合物或电导体与挥发性溶剂介质构成的第四原料 施加电荷而使第四原料带电；第四喷射步骤，其将第四原料喷射到空间中；以及衬底制造步骤，其通过沉积由质子传导性聚合物或电导体构成的纤维而制造出衬底， 该纤维是通过将第四原料拉伸而制成的。
8.一种纤维制造设备，包括第一喷射装置，其被构造成将作为纤维原材料的第一原料喷射到一空间中；充电装置，其被构造成将电荷施加至第一原料而使第一原料带电； 第一气流发生装置，其被构造成产生用于输送纤维的气流；第二充电装置，其被构造成利用与带电的纤维的极性相反的极性对第二原料进行充 电，所述第二原料包含将被纤维承载的附载材料；以及混合装置，其被构造成将所制造出的纤维与带电的附载材料混合。
9.根据权利要求8的纤维制造设备，还包括收集装置，其被构造成将承载附载材料的纤维从气流分离，并且沉积和收集纤维。
10.根据权利要求8的纤维制造设备，还包括第二喷射装置，其被构造成将第二原料喷射到空间中；以及 第二气流发生装置，其被构造成产生用于输送附载材料的气流，以及 其中，第二充电装置将电荷施加至第二原料而使得第二原料带电。
11.根据权利要求8的纤维制造设备，其中，第一原料包含质子传导性聚合物和挥发性溶剂介质，以及 第二原料包含作为附载材料的催化剂物质，并且 纤维制造设备还包括第三充电装置，其被构造成将电荷施加至包含电导体的第三原料并而使第三原料带电；第三喷射装置，其被构造成将第三原料喷射到空间中；第一气流发生装置，其被构造成产生用于输送第一原料、电导体和催化剂物质的气流；以及混合装置，其被构造成混合质子传导性聚合物、电导体和催化剂物质。
12.一种燃料电池用催化剂物质层制造方法，包括第一充电步骤，其将电荷施加至包含质子传导性聚合物和挥发性溶剂介质的第一原料 而使第一原料带电；第一喷射步骤，其将第一原料喷射到一空间中；纤维制造步骤，其通过将第一原料拉伸而制造出由质子传导性聚合物构成的纤维； 第五充电步骤，其将电荷施加至包含由电导体和催化剂物质组合构成的附载材料的第 五原料而使第五原料带电；第五喷射步骤，其将第五原料喷射到空间中； 混合步骤，其在该空间中混合纤维和附载材料；以及 沉积步骤，其将纤维和附载材料沉积在衬底上。
13.一种质子交换膜燃料电池，其包括位于燃料电极和氧电极二者中的至少任意一个 上的利用根据权利要求4的纤维制造方法或根据权利要求12的纤维制造方法制成的纤维。
全文摘要
附载材料仅被纳米纤维的表面承载。本发明包括原料液体喷射步骤，用于将作为纳米纤维(301)原料的原料液体(300)喷射到一空间中，原料液体充电步骤，其向原料液体(300)施加电荷而使得原料液体带电，纳米纤维制造步骤，其通过使带电喷射原料液体(300)静电爆发而制造出纳米纤维(301)，附载材料充电步骤，其利用与带电纳米纤维(301)的极性相反的极性对纳米纤维(301)上承载的附载材料(302)进行充电，和混合步骤，其在空间中将所制造出的纳米纤维(301)与带电的附载材料(302)混合。
文档编号D01D5/00GK101960057SQ20098010717
公开日2011年1月26日 申请日期2009年3月9日 优先权日2008年3月12日
发明者住田宽人, 光岛隆敏, 富永善章, 石川和宜, 竹泽干夫, 高桥光弘, 黑川崇裕 申请人:松下电器产业株式会社