JP2003017076A

JP2003017076A - 炭素繊維構造体

Info

Publication number: JP2003017076A
Application number: JP2001194148A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimazaki; 賢司島崎; Shintaro Tanaka; 慎太郎田中
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-17

Abstract

(57)【要約】【課題】通電性とガス透過性に優れた高分子電解質型
燃料電池用の炭素繊維構造体を提供する。【解決手段】片面に溝を付けた高分子電解質型燃料電
池用の炭素繊維構造体であって、炭素繊維構造体の厚さ
（Ｔ₂）が０．１５〜０．８ｍｍ、目付が２０〜１００
ｇ／ｍ²、嵩密度が０．１５〜０．４５ｇ／ｃｍ³である
か、又は、前記物性に加えて、溝の断面形状が半円状、
Ｖ字状、又はコ字状であり、溝間隔（Ｌ）が０．５〜
１．５ｍｍであり、溝断面積（Ｓ₁）と全体の断面積
（Ｓ₂＝Ｌ×Ｔ₂）との比（Ｓ₁／Ｓ₂）が０．０４〜０．
１６であり、溝深さ（Ｔ₁）と炭素繊維構造体の厚さ
（Ｔ₂）との比（Ｔ₁／Ｔ₂）が０．０７〜０．３０であ
る炭素繊維構造体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池用電極材に用いる炭素繊維構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素材料は、その導電性、耐熱性、耐薬
品安定性に優れ、電極材等の通電材に広く用いられてい
る。炭素材料のうちでも炭素繊維は、形態が繊維である
ため、柔軟性、加工性、成形性に優れていることを特徴
としている。近年、この炭素繊維の特徴を活かした電極
材が開発され、応用されている。

【０００３】電極材など通電性を利用する用途には、特
に軽量、小型化の要望により、薄型のシート状物が望ま
れている。

【０００４】また、電気化学反応を利用する高分子電解
質型燃料電池の電極材は、通電性とガス透過性に優れて
いることが要望される。

【０００５】高分子電解質型燃料電池の単セルは下記の
構成より成っており、一層目：溝付きセパレータ二層目：炭素繊維電極材三層目：高分子電解質膜四層目：炭素繊維電極材五層目：溝付きセパレータ一層目及び五層目のセパレータは、一般的には、ガスを
拡散、通過させる為、幅１〜５ｍｍの溝が付与されてい
る。

【０００６】しかし、一層目及び五層目のセパレータに
おける溝の付与だけでは、ガスの拡散、通過性は不充分
という問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、上記問
題を解決すべく鋭意検討の結果、一層目及び五層目のセ
パレータのみならず、二層目の炭素繊維電極材のセパレ
ータ接触面、及び四層目のセパレータ接触面にセパレー
タの溝より低寸法の溝を形成することにより、ガスの拡
散、通過性を改善し、電池性能を向上させることを問題
解決の方針とした。

【０００８】以下、その方針につき詳述する。

【０００９】高分子電解質型燃料電池の作動時におい
て、水素ガスは、先ず一層目のセパレータの溝を通り、
次いで二層目の炭素繊維電極材を通る。

【００１０】この二層目の炭素繊維電極材において、水
素ガスは、炭素繊維電極材面内方向に拡散しながら厚さ
方向に移動し、三層目の高分子電解質膜との間にある触
媒層にてプロトン化する。更に、このプロトンは三層目
の高分子電解質膜を厚さ方向に移動する。

【００１１】ここで、一層目のセパレータに溝を付ける
ばかりでなく、二層目の炭素繊維電極材のセパレータと
の接触面（片面）にも溝を付けることにより、水素の通
過性を改善する。

【００１２】この一層目のセパレータと二層目の炭素繊
維電極材との接触面に対して、二層目の炭素繊維電極材
と三層目の高分子電解質膜との接触面は、高分子電解質
膜の損傷防止と密着性向上の為、平滑性が必要である。

【００１３】次いで、三層目の高分子電解質膜を通過し
たプロトンは、四層目の炭素繊維電極材との間にある触
媒層において酸素と反応し水となる。

【００１４】先に記述した二層目の炭素繊維電極材と三
層目の高分子電解質膜との接触面における理由と同様の
理由で、三層目の高分子電解質膜と四層目の炭素繊維電
極材との接触面は、平滑性が必要である。

【００１５】一方、四層目の炭素繊維電極材において
は、溝付きセパレータにおいては、反応により生成した
水を、五層目のセパレータ側に速やかに除去する必要が
ある。

【００１６】そこで、五層目のセパレータに溝を付ける
ばかりでなく、四層目の炭素繊維電極材のセパレータと
の接触面（片面）にも溝を付けることにより、水と酸素
の通過性を改善する。

【００１７】すなわち、本発明は、下記構成の単セル構
造での片面溝付き炭素繊維構造材を提供することによ
り、ガスの拡散、通過性を改善し、電池性能を向上させ
ることを、上記問題解決の方針とした。

【００１８】一層目：溝付きセパレータ二層目：炭素繊維電極材（セパレータ接触面側に溝を付
与。高分子電解質接触面側に触媒を付与。なお、触媒は
高分子電解質膜に付与する場合もある。）三層目：高分子電解質膜四層目：炭素繊維電極材（セパレータ接触面側に溝を付
与。高分子電解質接触面側に触媒を付与。なお、触媒は
高分子電解質膜に付与する場合もある。）五層目：溝付きセパレータ上記の反応について補足説明すると、以下のようにな
る。

【００１９】高分子電解質型燃料電池の作動時におい
て、水素ガスは、先ず一層目のセパレータの溝を通る。

【００２０】次いで、水素ガスは、炭素繊維電極材面内
方向に拡散しながら厚さ方向に移動し、三層目の高分子
電解質膜との間にある触媒層にてプロトン化する。更
に、このプロトンは三層目の高分子電解質膜を厚さ方向
に移動する。

【００２１】この場合、二層目の炭素繊維電極材の、一
層目のセパレータとの接触面は、その外表面積が大きい
ほど水素ガスの拡散性が良い。結果として、燃料ガスの
拡散性が電池性能に及ぼす高電流密度域においても、電
圧降下が少なく、高性能の燃料電池を得られることが期
待される。

【００２２】生成したプロトンは、三層目の高分子電解
質膜を厚さ方向に移動する。

【００２３】更に、三層目の高分子電解質膜を通過した
プロトンは四層目の炭素繊維電極材との間にある触媒層
において酸素と反応し水となる。三層目の高分子電解質
膜と四層目の炭素繊維電極材との接触面は、先に記述し
た内容と同様の理由で、炭素繊維電極材表面に溝を形成
することにより外表面積を増加させ、プロトンと反応す
る酸素の拡散性及び接触効率を向上させると共に生成さ
れる水を五層目のセパレータに速やかに除去させること
ができる。

【００２４】本発明者等は、上記高分子電解質型燃料電
池における二層目及び四層目の炭素繊維電極材用の炭素
繊維構造体、即ち高分子電解質型燃料電池用の炭素繊維
構造体として、（１）Ｃ／Ｃペーパー、（２）炭素繊維
フィラメント織物、（３）炭素繊維ヤーン織物、並び
に、（４）炭素繊維不織布などについて検討し、以下の
知見を得た。

【００２５】（１）Ｃ／ＣペーパーＣ／Ｃペーパーは、例えば炭素繊維チョップを抄紙して
炭素繊維紙を得、この炭素繊維紙に３０〜６０質量％の
樹脂を含浸させた後、圧縮処理し、次いで焼成を行うこ
とにより得られる。

【００２６】得られたＣ／Ｃペーパーは、ガス透過時、
圧力損失高く透過性が悪いという問題がある。

【００２７】また、Ｃ／Ｃペーパーは、硬く、脆く、柔
軟性がない為、連続的に微細な溝加工が難しく、しかも
コスト高という問題がある。

【００２８】（２）炭素繊維フィラメント織物炭素繊維フィラメント織物は、例えば炭素繊維フィラメ
ントを５００〜５００００本束ねた繊維束を製織するこ
とによって得られる。

【００２９】得られた炭素繊維フィラメント織物は、炭
素繊維フィラメントの向きが織物の面方向に揃っている
為、下記の炭素繊維ヤーン織物や炭素繊維不織布よりも
厚さ方向の電気伝導率が低い。また、厚さ方向のガス拡
散性が不均一である。

【００３０】（３）炭素繊維ヤーン織物炭素繊維ヤーン織物は、例えばポリアクリロニトリル系
酸化繊維ステープルを紡績して酸化繊維ヤーンにし、こ
れを製織して酸化繊維ヤーン織物にした後、焼成するこ
とにより得られる。

【００３１】得られた炭素繊維ヤーン織物は、Ｃ／Ｃペ
ーパーに比べると柔軟性がある。炭素繊維フィランメン
ト織物に比べると嵩高でであり、炭素繊維ヤーンには撚
りがかかっている為、厚さ方向への繊維配列度が高く、
厚さ方向のガス透過性及び通電性に優れている等の特徴
がある。

【００３２】しかし、炭素繊維ヤーン織物は、面方向に
均一な通電性を有する材料が得にくいという問題があ
る。

【００３３】（４）炭素繊維不織布炭素繊維不織布は、例えばポリアクリロニトリル系酸化
繊維ステープルを不織布加工して酸化繊維不織布にし、
これを焼成することにより得られる。

【００３４】酸化繊維不織布は、溝加工がし易い等の特
徴があり、このものを焼成して得られる炭素繊維不織布
は、柔軟性がある、低コストである等の特徴がある。

【００３５】ところで、高分子電解質型燃料電池用以外
の電極材としては、レドックスフロー電池電極材、又は
流通型電極槽用電極材等の液相系電極材が、以下の公報
に開示されている。

【００３６】（Ａ）特開平０８−２８７９２３号公報
「流通型電極槽用電極材」溝付き電極材：Ｓ₁／Ｓ₂＝０．０１以上、Ｔ₁／Ｔ₂＝
０．２０以上、溝の断面形状：半円状、Ｖ状、凹状、電極材の厚さ（Ｔ₁）＝１〜３ｍｍ、目付１００〜４０
０ｇ／ｍ²、なお、この溝付き電極材において、Ｓ₁は溝断面積、Ｓ₂
は全体の断面積、Ｔ₁は溝深さ、Ｔ₂は厚さである。

【００３７】（Ｂ）特開平１１−２７３６９１号公報
「溝付き電極材及びその製造方法」目付１００ｇ／ｍ²以上、嵩密度０．０５〜０．１５ｇ
／ｃｍ³ しかし、（Ａ）特開平０８−２８７９２３号公報の液流
通型電解槽用の電極材は、高分子電解質型燃料電池用の
電極材用には厚過ぎ、コンパクト化が難しく、且つＴ₁
／Ｔ₂が大きいため、電極材の強度が低く、撥水処理や
触媒処理等の後加工が難しいという問題がある。

【００３８】（Ｂ）特開平１１−２７３６９１号公報の
電極材は、嵩密度が低く、高分子電解質型燃料電池用に
は内部抵抗値が高く、性能が悪いという問題がある。

【００３９】以上のように、高分子電解質型燃料電池用
としてガスの通過に必要で、且つより薄く、低目付の微
細な溝を片面に有する素材は未だ開発されていない。

【００４０】本発明者等は、上記問題に対して更に検討
を重ねた結果、片面に溝を付けた高分子電解質型燃料電
池用の炭素繊維構造体であって、炭素繊維構造体の厚
さ、目付、及び嵩密度を適正にした炭素繊維構造体、更
に好ましくは、上記適正化に加えて、溝の断面形状、溝
間隔、溝断面積と炭素繊維構造体全体の断面積との比、
及び溝深さと炭素繊維構造体の厚さとの比を適正にした
炭素繊維構造体が、高分子電解質型燃料電池用電極材と
して通電性とガス拡散性に優れていることを知得し、本
発明を完成するに至った。

【００４１】従って、本発明の目的とするところは、上
述した問題点を解決した、より具体的には、通電性とガ
ス拡散性に優れた高分子電解質型燃料電池用電極材に用
いる炭素繊維構造体を提供することにある。

【００４２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明は、以下に記載するものである。

【００４３】〔１〕片面に溝を付けた高分子電解質型
燃料電池用の炭素繊維構造体であって、炭素繊維構造体
の厚さ（Ｔ₂）が０．１５〜０．８ｍｍ、目付が２０〜
１００ｇ／ｍ²、嵩密度が０．１５〜０．４５ｇ／ｃｍ³
である炭素繊維構造体。

【００４４】〔２〕溝の断面形状が半円状、Ｖ字状、
又はコ字状であり、溝間隔（Ｌ）が０．５〜１．５ｍｍ
であり、溝断面積（Ｓ₁）と全体の断面積（Ｓ₂＝Ｌ×Ｔ
₂）との比（Ｓ₁／Ｓ₂）が０．０４〜０．１６であり、
溝深さ（Ｔ₁）と炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）との比
（Ｔ₁／Ｔ₂）が０．０７〜０．３０である〔１〕に記載
の炭素繊維構造体。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。

【００４６】図１乃至４は、本発明の炭素繊維構造体の
一例を示す概略断面図である。図１は、溝の幅方向断面
形状が半円状である炭素繊維構造体を示す概略断面図で
ある。図２は、溝の幅方向断面形状がＶ字状である炭素
繊維構造体を示す概略断面図である。図３は、溝の幅方
向断面形状が開口部を上に向けたコ字状であって、溝頂
部の幅が溝底部の幅よりも長い炭素繊維構造体を示す概
略断面図である。図４は、溝の幅方向断面形状がコ字状
であって、溝頂部の幅と溝底部の幅とが同じである炭素
繊維構造体を示す概略断面図である。

【００４７】図１乃至４において、Ｌは溝間隔、Ｓ₁は
溝断面積、Ｔ₁は溝深さ、Ｔ₂は炭素繊維構造体の厚さを
示す。

【００４８】本発明の炭素繊維構造体は、片面に溝を付
けた高分子電解質型燃料電池用の炭素繊維構造体であっ
て、炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）が０．１５〜０．８
ｍｍ、目付が２０〜１００ｇ／ｍ²、嵩密度が０．１５
〜０．４５ｇ／ｃｍ³である。

【００４９】炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）が０．１５
ｍｍ未満の場合は、炭素繊維構造体の強度が低下し、加
工時切断、伸び発生し易くなる、加工性低下、並びに、
皺発生し易いなどの不具合を生ずるので好ましくない。

【００５０】炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）が０．８ｍ
ｍを超える場合は、電池のコンパクト化が難しくなるの
で好ましくない。

【００５１】炭素繊維構造体の目付が３０ｇ／ｍ²未満
の場合は、炭素繊維構造体の強度が低下し、皺が発生し
易くなるので好ましくない。

【００５２】炭素繊維構造体の目付が１００ｇ／ｍ²を
超える場合は、炭素繊維構造体の通電性が低下する、ガ
ス拡散性が低下するなどの不具合を生ずるので好ましく
ない。

【００５３】炭素繊維構造体の嵩密度が０．１５ｇ／ｃ
ｍ³未満の場合は、炭素繊維構造体の内部抵抗値が増大
し、通電性が低下するので好ましくない。

【００５４】炭素繊維構造体の嵩密度が０．４５ｇ／ｃ
ｍ³を超える場合は、炭素繊維構造体におけるガスの拡
散性が低下するので好ましくない。

【００５５】本発明の炭素繊維構造体の別の形態は、上
記の物性を有することに加えて、溝の断面形状が半円
状、Ｖ状、又はコ字状であることが好ましく、溝間隔
（Ｌ）が０．５〜１．５ｍｍであることが好ましく、溝
断面積（Ｓ₁）と全体の断面積（Ｓ₂）との比（Ｓ₁／
Ｓ₂）が０．０４〜０．１６であることが好ましく、
０．０４〜０．１５であることが更に好ましく、溝深さ
（Ｔ₁）と炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）との比（Ｔ₁／
Ｔ₂）が０．０７〜０．３０であることが好ましく、
０．０７〜０．２０であることが更に好ましい。

【００５６】なお、全体の断面積（Ｓ₂）とは、炭素繊
維構造体を溝の長手方向に垂直な平面で切断した場合の
断面において、溝断面積（Ｓ₁）も含む各溝間隔（Ｌ）
における炭素繊維構造体の断面積であって、溝間隔
（Ｌ）と炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）との積（Ｌ×
Ｔ₂）で示される。

【００５７】炭素繊維構造体における溝の断面形状は、
炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）、目付、及び嵩密度等の
物性が上記範囲内にあれば特に限定されるものではない
が、溝加工のし易さから、半円状、Ｖ状、又はコ字状の
ものが好ましい。

【００５８】炭素繊維構造体における溝間隔（Ｌ）は、
セパレータの溝寸法より小さくし、高分子電解質型燃料
電池スタックの組合せ時にセパレータの溝と炭素繊維構
造体の溝がかみ合わない寸法及び形状にしておく必要が
あり、且つ０．５〜１．５ｍｍとすることが好ましい。

【００５９】炭素繊維構造体における溝断面積（Ｓ₁）
と全体の断面積（Ｓ₂）との比（Ｓ₁／Ｓ₂）が０．０４
未満の場合は、ガスの流通性及び接触効率が低下するの
で好ましくない。

【００６０】炭素繊維構造体における溝断面積（Ｓ₁）
と全体の断面積（Ｓ₂）との比（Ｓ₁／Ｓ₂）が０．１６
を超える場合は、炭素繊維構造体をセパレータと接触さ
せ組み合わせる時に、１〜２ＭＰａの圧力をかけセット
する為、溝の形状が変形し易くなり、炭素繊維構造体の
強度が低下するので好ましくない。

【００６１】炭素繊維構造体における、溝深さ（Ｔ₁）
と厚さ（Ｔ₂）との比（Ｔ₁／Ｔ₂）が０．０５未満の場
合は、圧力損失が高くなり、ガスの拡散性が低下するの
で好ましくない。

【００６２】炭素繊維構造体における、溝深さ（Ｔ₁）
と厚さ（Ｔ₂）との比（Ｔ₁／Ｔ₂）が０．３０を超える
場合は、圧力損失は低くなるが、ガス拡散の均一性が低
下し、炭素繊維構造体の強度が低下するので好ましくな
い。

【００６３】溝の配列方向は、炭素繊維構造体からなる
電極材側端部と平行、斜め方向、ジグザグ方向等いずれ
でも良く、セパレータの溝と配列が一致しない方向に加
工、配置することが重要である。

【００６４】本発明の炭素繊維構造体は、その物性が上
記範囲内にあれば、その製造方法としては、特に限定さ
れるものではないが、溝加工のし易さ等から以下の
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示される製造方法が好まし
い。

【００６５】（ａ）ウォータージェット法により酸化繊
維の不織布加工と同時に、溝を形成した後、焼成する。

【００６６】（ｂ）酸化繊維不織布を溝付き治具により
圧縮加工し、溝を形成した後、焼成する。

【００６７】この製造方法において樹脂処理する場合
は、圧縮加工前に樹脂処理する方がより好ましい。

【００６８】（ｃ）酸化繊維不織布を焼成途中で圧縮加
工しながら連続的に溝加工して炭素化する。

【００６９】炭素繊維構造体の原料である酸化繊維は、
例えば、ポリアクリロニトリル系プリカーサーを空気中
で、初期酸化温度２２０〜２５０℃で１０〜６０分酸化
処理後、温度勾配０．２〜０．９℃／ｍｉｎで最高温度
２５０〜２８０℃まで酸化処理することにより得ること
ができる。

【００７０】酸化繊維の適正な比重は、１．３６〜１．
４４である。

【００７１】酸化繊維の比重が１．３６未満の場合は、
炭素化時に炭素繊維は強度が低下して劣化し、炭素繊維
微粉末が発生し易くなるので好ましくない。

【００７２】酸化繊維の比重が１．４４を超える場合
は、酸化繊維の強度及び伸度が低下し、炭素繊維構造体
への加工性が低下するので好ましくない。

【００７３】酸化繊維の適正な乾強度は０．９ｇ／ｄｔ
ｅｘ以上であり、適正な乾伸度は８％以上である。

【００７４】酸化繊維の乾強度が０．９ｇ／ｄｔｅｘよ
り低い場合は、紡績加工性が低下するので好ましくな
い。

【００７５】酸化繊維の乾伸度が８％より低い場合も、
紡績加工性が低下するので好ましくない。

【００７６】酸化繊維の適正な結節強度は０．４５ｇ／
ｄｔｅｘ以上であり、適正な結節伸度は５％以上であ
る。

【００７７】酸化繊維の結節強度が０．４５ｇ／ｄｔｅ
ｘより低い場合は、紡績加工性低下及び炭素繊維構造体
の強度低下などの不具合を生ずるので好ましくない。

【００７８】酸化繊維の結節伸度が５％より低い場合
も、紡績加工性低下及び炭素繊維構造体の強度低下など
の不具合を生ずるので好ましくない。

【００７９】上記酸化繊維は、例えば以下の方法によ
り、酸化繊維不織布に紡績加工される。

【００８０】酸化繊維を定長カット（２５〜１００ｍ
ｍ）した綿を、カード加工し、更に目付１０〜５０ｇ／
ｍ²のウェッブを作製し、重ね合わせた後、ウォーター
ジェット法により、連続的に水流によりパンチングして
酸化繊維不織布を得る。なお、溝加工をウォータージェ
ットの水流により不織布加工と同時に行ってもよい。

【００８１】得られる酸化繊維不織布は、厚さが０．５
〜２．０ｍｍ、嵩密度が０．１１〜０．２５ｇ／ｃ
ｍ³、目付が３０〜１８０ｇ／ｍ²であることが好まし
い。

【００８２】炭素繊維への溝の形成方法には下記の
（ａ）及び（ｂ）の様に、先ず酸化繊維不織布に溝を形
成させることが好ましいが、これらの方法に限定される
ものではない。

【００８３】（ａ）酸化繊維のウォータージェットによ
る不織布加工時に同時に、溝を形成させる方法酸化繊維
ステープルをカード加工し、ウヱッブを作製し、これを
所定の枚数重ね合わせた後、連続的にノズルからの高圧
水流を厚さ方向に通過させ、繊維を交絡させ不織布を作
製する（ウォータージェット方式）。この加工時におい
て、ノズル孔のサイズや水流の位置及び間隔を調整し連
続加工することにより溝を形成させる。

【００８４】（ｂ）酸化繊維不織布を金属製溝付き治具
により圧縮加工し、溝を形成させる方法ニードルパンチ
方式やウォータージェット方式で作製した溝無しの酸化
繊維不織布を樹脂処理後又は未処理のまま、温度１５０
〜５００℃、圧力０．５〜５０ＭＰａの条件下で、各サ
イズの溝を有する金属製治具により溝を付与する。

【００８５】

【実施例】本発明を以下の実施例及び比較例により詳述
する。

【００８６】以下の実施例及び比較例の条件により酸化
繊維不織布、炭素繊維構造体等を作製し、得られた酸化
繊維不織布、炭素繊維構造体等の諸物性値を、以下の方
法により測定した。

【００８７】比重：液置換法（ＪＩＳＲ７６０１、置換
液：エチルアルコール）により測定した。

【００８８】厚さ：直径３０ｍｍの円形圧板で２００ｇ
ｆの荷重（約２．７ｋＰａ）を負荷したときの厚さ。

【００８９】目付：１１０℃、１時間真空乾燥した後の
質量より算出した。

【００９０】嵩密度：上記厚さ、目付より算出した。

【００９１】繊維性能：乾強度、乾伸度、結節強度、結
節伸度はＪＩＳＬ１０１５により測定した。

【００９２】電池特性：炭素繊維構造体を５０ｍｍ角に
カットし、陽極側及び負極側の電極材として触媒を坦持
後、下記の構成で高分子電解質膜（デュポン社製：ナフ
ィオン１１７）と熱圧着により接合し、セパレータと組
み合わせ、温度８０℃の条件下、電流密度１．６Ａ／ｃ
ｍ²のときのセル電圧を測定した。

【００９３】一層目：溝付きセパレータ二層目：炭素繊維電極材（セパレータ接触面側に溝を付
与）：陽極側（触媒Ｐｔ−Ｒｕ：０．３ｍｇ／ｃ
ｍ²）三層目：高分子電解質膜四層目：炭素繊維電極材（セパレータ接触面側に溝を付
与）：負極側（触媒Ｐｔ：０．３ｍｇ／ｃｍ²）五層目：溝付きセパレータ水素：１０００ｍｌ／ｍｉｎ、酸素：１０００ｍｌ／ｍ
ｉｎ引張強度：幅５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ以上の炭素繊維
構造体を、炭素繊維構造体の長さ方向が溝の長手方向と
垂直になるように切り出し、チャック間距離１００ｍｍ
の治具に固定し、炭素繊維構造体の長さ方向に３０ｍｍ
／分で引っ張ったときの破断強度を１０ｍｍ幅に換算し
た値。

【００９４】実施例１〜３と比較例１〜２繊度２．３ｄｔｅｘ、比重１．３８、クリンプ数１１ヶ
／インチ、クリンプ率１２％、乾強度２．３ｇ／ｄｔｅ
ｘ、乾伸度２７％、結節強度０．９ｇ／ｄｔｅｘ、結節
伸度６％、平均カット長５１ｍｍのポリアクリロニトリ
ル系酸化繊維を不織布加工し、目付１５０ｇ／ｍ²、厚
さ０．８０ｍｍの中間不織布を得た。

【００９５】この不織布を用いて、温度２３０℃、圧力
５ＭＰａの条件下で、圧縮処理と同時に溝加工（圧縮＋
溝処理）し、溝形状コ字状の、溝深さ（Ｔ₁）、溝間隔
（Ｌ）及び溝断面積比率の異なる不織布成型体（酸化繊
維不織布）を作製した。更に、これらの不織布成型体を
窒素雰囲気下、１９００℃にて焼成して炭素繊維構造体
を作製し、これらの炭素繊維構造体について電池性能等
の物性を測定した。

【００９６】その結果を表１に示す。

【００９７】

【表１】

【００９８】表１に示すように、比較例２の炭素繊維構
造体は、溝断面積（Ｓ₁）と全体の断面積（Ｓ₂）との比
（Ｓ₁／Ｓ₂）が０．０４未満、溝深さ（Ｔ₁）と炭素繊
維構造体の厚さ（Ｔ₂）との比（Ｔ₁／Ｔ₂）が０．０７
未満であり、電池特性が低いことが解る。

【００９９】また、比較例１の炭素繊維構造体は、溝断
面積（Ｓ₁）と全体の断面積（Ｓ₂）との比（Ｓ₁／Ｓ₂）
が０．１６を超え、溝深さ（Ｔ₁）と炭素繊維構造体の
厚さ（Ｔ₂）との比（Ｔ₁／Ｔ₂）が０．３０を超えてお
り、電池特性が低いばかりでなく、引張り強度も低いこ
とが解る。

【０１００】比較例３繊度２．３ｄｔｅｘ、比重１．３８、クリンプ数１１ヶ
／インチ、クリンプ率１２％、乾強度２．３ｇ／ｄｔｅ
ｘ、乾伸度２７％、結節強度０．９ｇ／ｄｔｅｘ、結節
伸度６％、平均カット長５１ｍｍのポリアクリロニトリ
ル系酸化繊維を不織布加工し、目付１５０ｇ／ｍ²、厚
さ０．８０ｍｍの中間不織布を得た。

【０１０１】この不織布を用いて、温度２３０℃、圧力
５ＭＰａの条件下で圧縮処理（溝加工せず）し、不織布
成型体（酸化繊維不織布）を作製した。更に、この不織
布成型体を窒素雰囲気下、１９００℃にて焼成して炭素
繊維構造体を作製し、この炭素繊維構造体について電池
性能等の物性を測定した。

【０１０２】その結果を表２に示す。

【０１０３】

【表２】

【０１０４】表２に示すように、溝加工せずに作製した
炭素繊維構造体は、電池特性が低いことが解る。

【０１０５】

【発明の効果】本発明の炭素繊維構造体は、片面に溝を
付けた高分子電解質型燃料電池用の炭素繊維構造体であ
って、炭素繊維構造体の厚さ、目付、及び嵩密度を適正
にし、更に好ましくは、上記適正化に加えて、溝の断面
形状、溝間隔、溝断面積と炭素繊維構造体全体の断面積
との比、及び溝深さと炭素繊維構造体の厚さとの比を適
正にしているので、高分子電解質型燃料電池用電極材と
して通電性とガス拡散性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】溝の幅方向断面形状が半円状である炭素繊維構
造体を示す概略断面図である。

【図２】溝の幅方向断面形状がＶ字状である炭素繊維構
造体を示す概略断面図である。

【図３】溝の幅方向断面形状がコ字状であって、溝頂部
の幅が溝底部の幅よりも長い炭素繊維構造体を示す概略
断面図である。

【図４】溝の幅方向断面形状がコ字状であって、溝頂部
の幅と溝底部の幅とが同じである炭素繊維構造体を示す
概略断面図である。

【符号の説明】

Ｌ溝間隔Ｓ₁ 溝断面積Ｔ₁ 溝深さＴ₂ 炭素繊維構造体の厚さ

フロントページの続きＦターム(参考） 4L047 AA03 CA12 CA19 CB08 CB10 CC14 5H018 AA06 AS01 BB03 CC06 DD05 EE05 HH00 HH02 HH03 HH05 5H026 AA06 BB02 CC03 CX02 EE05 HH00 HH02 HH03 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】片面に溝を付けた高分子電解質型燃料電
池用の炭素繊維構造体であって、炭素繊維構造体の厚さ
（Ｔ₂）が０．１５〜０．８ｍｍ、目付が２０〜１００
ｇ／ｍ²、嵩密度が０．１５〜０．４５ｇ／ｃｍ³である
炭素繊維構造体。
【請求項２】溝の断面形状が半円状、Ｖ字状、又はコ
字状であり、溝間隔（Ｌ）が０．５〜１．５ｍｍであ
り、溝断面積（Ｓ₁）と全体の断面積（Ｓ₂＝Ｌ×Ｔ₂）
との比（Ｓ₁／Ｓ₂）が０．０４〜０．１６であり、溝深
さ（Ｔ₁）と炭素繊維構造体の厚さ（Ｔ₂）との比（Ｔ₁
／Ｔ₂）が０．０７〜０．３０である請求項１に記載の
炭素繊維構造体。