JP2005163208A - 炭素繊維紡績糸およびその織物 - Google Patents

Abstract

【課題】細く且つ高強度の炭素繊維紡績糸を得、これを製織することにより固体高分子型燃料電池のガス拡散（集電）体として好適な炭素繊維紡績糸織物を形成する。
【解決手段】Ｘ線回折法により求められる（００２）平均層面間隔が０．３４０〜０．３８０ｎｍ、密度勾配管法により求められる比重１．５５〜１．８０、元素分析により求められる水素原子と炭素原子の原子比（Ｈ／Ｃ）が０．１以下、繊維長１５０ｍｍ以上の炭素繊維を３〜３０重量％含有する炭素繊維束からなり、１０００ｍ当たりの重量（ｔｅｘ）が３０〜１５０ｇ、撚り数５０〜４００回／ｍ、引っ張り強度が０．１５Ｎ／ｔｅｘ以上であることを特徴とする炭素繊維紡績糸。
【選択図】 なし

Description

本発明は、炭素繊維紡績糸およびその織物に関し、より詳しくは細く且つ強度に優れた炭素繊維紡績糸、およびこれからなる固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散（集電）体としての使用に適した炭素繊維紡績糸織物に関する。

現在、炭素繊維としてポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）およびレーヨンを原料とするＰＡＮ系およびレーヨン系炭素繊維とピッチ類を原料とするピッチ系炭素繊維が製造されている。ＰＡＮ系炭素繊維は、おもに高強度タイプが多い。一方、ピッチ系炭素繊維には異方性炭素繊維と等方性炭素繊維があり、異方性炭素繊維は高い結晶完全性と六角網平面の繊維軸方向への高い配向構造を有するため、高い比弾性率や熱伝導度を有しておりスポーツレジャー用途や航空宇宙分野での利用がなされている。

他方、ピッチ系等方性炭素繊維は、原料が安価であり製造方法が大量生産に有利なため、比較的廉価であり、高い強度や高い弾性率を発現しないが、軽量、耐薬品性、耐熱性、摺動性および導電性等の特性から広く使用されている。

炭素繊維は、フィラメント、ヤーン、紡績糸、織物、チョップ、ミルド、マット、プリプレグなど多くの形態で使用され、用途により焼成温度や黒鉛化度も変えられる。中でも炭素繊維織物は、断熱材、摺動材、導電材の構成材料として利用されており、高分子材料などとの親和性が求められ、織物の厚みや空隙の制御が重要である。

近年、炭素繊維織物に関しては、固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散体（例えば特許文献１および２）など、電子材料用途への利用が提案されている。

固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散体の主たる機能は、触媒層への反応ガスの供給と集電である。したがって、ガス透過性や導電性が最大の必要特性であるが、それに加えて柔軟性や高い引っ張り強度などが要求される（特許文献１）。

導電性に関しては、２０００℃以上の高温で熱処理し、黒鉛化度を高めることにより高い導電性を得ることができる。

一方、ガス透過性は、織物の開孔率（空隙率）により決まるが、あまり粗い多孔体では触媒層とのコンタクトが不良で集電に問題を生ずる。炭素繊維織物を、ガス透過体に使用した場合、単糸が揃って高密度になりやすいフィラメント織物よりも紡績糸織物の方が好ましいことが開示されている（特許文献２）。触媒層へのガスの供給を考えると反応ガスが触媒層へ到達するにはガス拡散体の厚さ分だけ反応ガスが拡散する必要があり、ガス拡散層が厚すぎると性能を落とす原因となる。従ってガス拡散体としての炭素繊維織物の厚さを適切に制御する必要がある。

上記理由により、ガス拡散体としては、適切な厚さを有し且つ２０００℃以上の熱履歴を有する紡績糸織物が好ましいといえる。このような紡績糸織物を得るには、耐炎化繊維あるいは炭素質繊維の紡績糸から製織して織物とした後、これを２０００℃以上の温度で熱処理する方法と２０００℃以上で熱処理された紡績糸を製織し織物とする方法がある。繊維は熱処理により熱収縮を起こすため、炭素化が不十分な織物を熱処理すると熱収縮により繊維に歪みをきたすため好ましくない。

紡績糸としては、ＰＡＮ系の耐炎化繊維の紡績糸およびピッチ系の紡績糸が知られている。ＰＡＮ系の耐炎化繊維の紡績糸は、紡績糸径が比較的細く、強度があり製織が可能であるが、２０００℃で熱処理すると極端に強度が低下し、製織することが困難である。したがって、耐炎化繊維を製織したのち、２０００℃で熱処理する方法を使用しなければ、目的とする織物を得ることができない。しかしながら、熱処理による繊維の歪みおよび熱処理により紡績糸の強度低下をきたすことから、得られる織物の強度が低くなるという重要な欠点がある。このため、ガス拡散体として使用するためには、炭素繊維織物に粒状フッ素樹脂を含ませたり（特許文献１）、フッ素樹脂を含むカーボン層で裏打ちしたり（特許文献２［００２３］）する手段が採られているが、これら手段は必然的にガス拡散体の集電機能を低下させる難点がある。他方、２５ｍｍ以上、好ましくは５０〜７５ｍｍの繊維長を有するスライバー状の炭素繊維を紡績することにより強度の改善された炭素繊維紡績糸を得ることも提案されている（特許文献３）。しかしながら、このようにして得られる炭素繊維紡績糸の強度は０．０８〜０．０９Ｎ／ｔｅｘ程度であり、未だ満足すべきものではない。

一方、ピッチ系等方性炭素繊維は、短繊維で製造されるものが大部分であり、それを原料とし炭素化が進んだ紡績糸が市販されている。しかしながら市販されている紡績糸は比較的太いものが多く、それを製織して得られる織物では厚くなりすぎて、ガス拡散体としての性能が低下することとなる。
特開２００２−３５２８０７号公報 特開２００３−２８８９０６号公報 特開昭５３−８１７３５号公報

上記のような従来材料の問題点に鑑み、本発明は、炭素質乃至黒鉛質構造を有し、且つ細く、高い引っ張り強度を有する炭素繊維紡績糸、およびガス透過性に優れ、高い導電率を有し、機械的物性の優れた固体高分子電解質型燃料電池のためのガス拡散体として好適な炭素繊維織物を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記目的で研究をしている過程で、細く且つ高強度を有する炭素繊維紡績糸が得られ、これを製織することにより、適切な繊維厚みを有し、ガス透過性、導電性に優れ、且つ良好な機械的強度を有する固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散体として好適な炭素繊維紡績糸織物となることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の紡績糸は、Ｘ線回折法により求められる（００２）平均層面間隔が０．３４０〜０．３８０ｎｍ、密度勾配管法により求められる比重１．５５〜１．８０、元素分析により求められる水素原子と炭素原子の原子比（Ｈ／Ｃ）が０．１以下、繊維長１５０ｍｍ以上の炭素繊維を３〜３０重量％含有する炭素繊維束からなり、１０００ｍ当たりの重量（ｔｅｘ）が３０〜１５０ｇ、一次撚り数５０〜４００回／ｍ、引っ張り強度が０．１５Ｎ／ｔｅｘ以上であることを特徴とするものである。

本発明の炭素繊維紡績糸が、３０〜１５０ｔｅｘと細い一方で、０．１５Ｎ／ｔｅｘ以上と高い引張り強度を示す理由は、長炭素繊維を適度の割合で含む炭素繊維束に適度の紡績加工を行ったことにあると考えられる。

より詳しく説明すると、紡績糸は、短繊維に撚りを掛けて短い単繊維同士を絡み合わせることで短繊維同士をつなぎ合わせた長い糸束である。その引っ張り強度は、単繊維同士の絡み合い（接触）による摩擦力により維持されている。絡み合いが多ければ多いほど繊維同士の接触面積が増加し、摩擦が増えて強度が増加する。さらに、撚りが強いほど、繊維同士が強く押し付けられることになり、摩擦力が増加し、紡績糸としての引っ張り強度が向上する。また、使用される繊維長が長いほど繊維同士の繋ぎ合わせ点が減少するため、得られる紡績糸の強度が向上する。

本発明では、上記の観点から、紡績糸の製造において撚り数を５０〜４００回／ｍと適度に向上させ、且つ比較的長い繊維を原料として用いることにより、短繊維の範疇には属するが、従来採用されていた例えば約２５〜８０ｍｍ（特許文献１［００１４］）よりは相当に長い１５０ｍｍ以上の炭素繊維を３〜３０重量％と適度の割合で含む細い繊維束を紡績加工することにより、上記のように細く且つ高強度の炭素繊維紡績糸が得られたものと解される。

本発明の炭素繊維紡績糸織物は、上記のようにして得られた細く且つ高強度の炭素繊維紡績糸を製織して得られるものであり、固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散体に好適な形態を有するものである。

本発明の紡績糸を構成する炭素繊維のＸ線回折法により求められる（００２）平均層面間隔は、小さすぎると炭素繊維の弾性率が高く繊維同士の絡まり合いが困難になるので好ましくない。また、大きすぎるのは、炭素化度が低いことを意味し、導電率が低くなるので好ましくない。平均層面間隔は０．３４０〜０．３８０ｎｍが好ましく、０．３４０〜０．３７５ｎｍがさらに好ましい。

元素分析により求められる水素原子と炭素原子の原子比（Ｈ／Ｃ）は、炭素材料の炭素化度を示す良い指標となることが知られている。Ｈ／Ｃが大きいと熱処理温度が低いことを示唆し、導電率が低く、熱処理により熱収縮を生じるので好ましくない。好ましくは、０．１以下、さらに好ましくは０．０５以下、特に好ましくは０．０２以下である。

炭素繊維の比重は、Ｈ／Ｃ比とも関連しており、一般に密度勾配管法による測定値として１．５５〜１．８０、好ましくは１．５８〜１．６５の範囲内になる。小さすぎる場合、大きすぎる場合は、それぞれＨ／Ｃが高すぎる場合および低すぎる場合と同様な不都合がある。

紡績糸を構成する炭素繊維の繊維長は、長すぎると繊維束から紡績糸を製造する際、練条機で数本の繊維束を数倍に延伸（回転数の異なるローラー間を通すことにより繊維束を延伸する）して１本の繊維束として繊維の平行度をさらに向上させる工程で、ローラーの間隔よりも繊維長が長くなり糸切れを起こし工程に不具合を生じる。これに対し、繊維長が短いと得られる紡績糸の強度が低下する。そのため、紡績糸を構成する炭素繊維の繊維長として、１５０ｍｍ以上の炭素繊維を３〜３０重量％含有することが好ましく、更に好ましくは１５０ｍｍ以上の炭素繊維を５〜２０重量％含有することである。

１５０ｍｍ以下の炭素繊維は、梳綿機および練条機による処理工程で原料中の炭素繊維が適宜切断されて形成されるものであるが、一般に主として５０〜１５０ｍｍの範囲内の繊維長を有するものであり、これが適度の分布で７０〜９７重量％含まれることにより、１５０ｍｍ以上の炭素繊維のみを紡績加工する場合に起り得る紡績糸の太さむらが生じて、結果として織物の厚さむらおよび強度むらが生ずる問題を防止できる。

炭素繊維（フィラメント）は、一般に５〜２０μｍの範囲の平均径を有する。

上記のような炭素繊維束を紡績加工して得られる紡績糸の太さは、一般に１０００ｍ当たりの重量（ｇ）を示すｔｅｘという単位で表される。紡績糸が太いと薄い織物が得られないので好ましくない。細すぎると製織するに十分な強度が得られない、更に得られた織物の通気性が低下するので好ましくない。好ましくは３０〜１５０ｔｅｘ、更に好ましくは３０〜１００ｔｅｘ、特に好ましくは３０〜８０ｔｅｘである。

紡績糸の撚り数は、強度に大きな影響を及ぼす。撚り数が少ないと引っ張り強度が低下するので好ましくない。また、多すぎると繊維の破壊をもたらすので好ましくない。好ましくは５０〜４００回／ｍ、更に好ましくは１００〜２００回／ｍである。２本以上の紡績糸を撚糸機により合糸する場合、通常、例えば２本の場合、一次撚りに対して二次撚りとして、６０％±５％の撚り数の逆回転の撚りが掛けられる。また、３本の場合、一次撚りに対して二次撚りとして、５５％±５％の撚り数の逆回転の撚りが掛けられる。

上記の構成の結果として、本発明の紡績糸は、０．１５Ｎ／ｔｅｘ以上の引っ張り強度を有するものであり、好ましくは０．２Ｎ／ｔｅｘ以上である。

本発明の紡績糸は、例えば以下のような方法により製造される。

炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維および、ポリアクリロニトリルおよびレーヨンを原料とした炭素繊維のいずれも使用することができる。いずれにしても、本発明の紡績糸を構成する炭素繊維は、紡績加工前に炭素化されていることにより高引っ張り強度を有するものであるが、その黒鉛化度を調整するために追加の熱処理が必要に応じて行われる。ピッチ系炭素繊維には、異方性ピッチを原料とした炭素繊維と等方性ピッチを原料とした炭素繊維があるが、異方性ピッチを原料とした炭素繊維は熱処理により弾性率が高くなり、繊維同士の絡まり合いが不十分となるため、等方性ピッチを使用した炭素繊維を使用することが好ましい。熱処理は、紡績糸とする前の状態で行っても、紡績糸とした後に行っても良い。熱処理温度として好ましくは、７００℃〜３０００℃、更に好ましくは１５００℃〜２５００℃である。

炭素繊維の長さは、製造方法により異なり、長繊維の場合は短く裁断して使用することが出来るが、適度の長さを有する短繊維の場合そのまま利用しても、適宜裁断機により繊維長を制御してから使用しても良い。

上記の炭素繊維を使用して、以下の方法で紡績糸を製造することができる。

炭素繊維を裁断機により短く切断し１５０ｍｍ以上の長さを有する短繊維状としたのち、これから、梳綿機により繊維を引き揃えた炭素繊維束を得て、ついで練条機で、数本の炭素繊維束を組み合わせ（ダブリング）、数倍の長さに延伸（ドラフト）しながら１本の炭素繊維束として繊維の平行度をさらに向上させ細くし、精紡機ではこの炭素繊維束を更に延伸加撚して紡績糸を得ることができる。

またピッチ系短繊維の紡糸方法には、遠心力を利用してノズルから溶融ピッチを出す遠心法、溶融ピッチを高温高速の空気とともに吹き出すメルトブロー法、メルトブロー法の高温高速空気を渦巻状とし、その旋回流で延伸する渦流法、エアーサッカーノズルに繊維を吸引して延伸し、その出口以降で集綿するエアーサッカー法などがあるが、これらのいずれかの方法によって得られた炭素短繊維束および炭素繊維マットも使用することができる。

本発明の紡績糸は、片撚り糸とすることが、細い糸を得る上で有利であるが、３０〜１５０ｔｅｘの太さの範囲内で、必要に応じてもろ撚り糸とすることもできる。

上記、紡績糸を使用して製織することにより固体高分子電解質型燃料電池のガス拡散体として好適な紡績糸織物を得ることができる。以下に、固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散体として用いるに好適な紡績糸織物を説明する。

織物ＦＡＷ（Fiber Area Weight）が低いと触媒層との接触が低下し、集電能力が低下する。一方、ＦＡＷが高いと集電能力は向上するが、空隙が少なくなりガス透過性が低下する。したがって、織物のＦＡＷは５０ｇ／ｍ^２以上２００ｇ／ｍ^２未満が好ましく、さらに好ましくは１００ｇ／ｍ^２以上２００ｇ／ｍ^２未満である。

織物の厚みは、通気性や排水性の維持のためにはある程度の厚さが必要であるが、あまり厚すぎるとガスの拡散に時間がかかるため性能が低下する。したがって、織物の厚みは、０．２０〜０．６０ｍｍが好ましく、０．２０〜０．４０ｍｍがさらに好ましい。

ガス拡散体として用いる場合、織物は一般に、平織り、朱子織り、綾織り、バスケット織り等、いずれの織り方のものも使用することができるが、特に平織りが好ましい。この場合、本発明の紡績糸は、その強度を有効に生かせる経糸およぴ緯糸の少なくともいずれか一方として、３０重量％以上、好ましくは４０重量％以上、の割合で用いることもできる。体積抵抗率は、好ましくは２０〜１５００μΩ・ｍ、更に好ましくは５０〜７００μΩ・ｍ、特に好ましくは５０〜４００μΩ・ｍ

以下、実施例および比較例により、本発明をさらに具体的に説明する。以下の例を含めて、本明細書中に記載する物性値は、以下の方法により求めた値に基づく。

「Ｘ線回折法による（００２）平均層面間隔」
炭素繊維粉末をアルミニウム製試料セルに充填し、グラファイトモノクロメーターにより単色化したＣｕＫα線（波長λ＝０．１５４１８ｎｍ）を線源とし、Ｘ線回折図形を得る。（００２）回折線のピーク位置は、重心法（回折線の重心位置を求め、これに対応する２θ値でピーク位置を求める方法）により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の（１１１）回折線を用いて補正し、下記のＢｒａｇｇの公式よりｄ_００２を計算した。

［数１］
ｄ_００２＝λ／（２・ｓｉｎθ） （Ｂｒａｇｇの公式）
「密度勾配管法による比重」
（比重液の調整）
塩化亜鉛と１％塩酸の所定量をビーカーに量り取った後、混合した。これを５００ｍｌのメスシリンダーに移しかえ、２０±１．０℃の低温恒温水槽に浸し、２０±１．０℃に調整後、比重計を浮かべて比重を測定した。塩化亜鉛と１％塩酸の相対量を適宜変えて１０種類の比重液を調製した。

（試料の比重測定）
２０ｍｌのメスシリンダーに、前記１０種類の比重液を各々２ｍｌずつ、比重の高いものから静かに管壁を伝わらせながら注ぎ入れ、密度勾配管を作った。次いで、この密度勾配管を２０±１．０℃の低温恒温水槽に浸し、３０分経過後、乳鉢で摺り潰して目開き１５０μｍの標準ふるいを通過した炭素繊維試料約０．１ｇを少量のエタノールに分散させ、密度勾配管に静かに入れ、１２時間以上静置した。１２時間以上経過後、密度勾配管の中の試料の位置を読み取り、比重換算表より、試料の比重を求めた。

「水素／炭素（Ｈ／Ｃ）の原子比の測定」
ＣＨＮアナライザーによる元素分析により得られる試料中の水素及び炭素の重量割合から、水素／炭素の原子数の比として求めた。

「炭素単繊維の体積抵抗率」
炭素繊維試験方法ＪＩＳ Ｒ７６０１−１９８６の単繊維の試験に準拠して測定した。具体的には、試料から繊維長さ４〜５ｃｍのフィラメント糸を取り出し、適当な方法で開繊して、単繊維を１本ずつ抜き取り、同ＪＩＳの６．６．１（２．３）に規定する台紙を用い、短繊維を台紙の中央線に沿ってまっすぐに張った状態で、所定の長さになるように２ヶ所を導電塗料で固定した。同時に、銅線を試料繊維とともに導電塗料で固定し、リード線として使用した。試料繊維を台紙に貼り付けた状態で、長さ計を用いて導電塗料間の長さを０．１ｍｍまで測定し、試験長とした。また測微顕微鏡を用いて試料繊維の直径を読みとった。次いで試料繊維の抵抗を、抵抗測定器を用いて測定した。体積抵抗率は、下記の式より算出した。

［数２］
Ｓ_ｆ＝（π・Ｄ^２・Ｒ_ｆ）／（４・Ｌ）
ここに、Ｓ_ｆ：体積抵抗率（Ω・ｍ）、Ｒ_ｆ：試料繊維の抵抗（Ω）、Ｌ：試料繊維の長さ（ｍ）、Ｄ：試料繊維の直径（ｍ）
「紡績糸強度」
引張試験機（（株）オリエンテック製、「テンシロン万能試験機 １３１０型」）を用いて、紡績糸のつかみ間隔３００ｍｍとし、引っ張り速度２００ｍｍ／ｍｉｎで引っ張った時の破断強力をその紡績糸のｔｅｘ値で割って、紡績糸強度（Ｎ／ｔｅｘ）とした。

「繊維織物の厚さ測定」
炭素繊維クロス試験法、ＪＣＦＳ ００３−１９８２の方法１に準拠して測定した。具体的には、１００ｍｍ×１００ｍｍの試験片５個について、直進式ペーパーマイクロメーターＰＰＭ−２５型（（株）ミツトヨ製）を用いて、そのスピンドルを静かに回転させて測定面が試料面に平行に接触し、ラチェットが３回音をたてたときの目盛りを読み取った。測定値の平均値を小数点以下２桁まで求めた。

「炭素繊維織物の体積抵抗率」
縦約０．５ｍ×横約０．５ｍの織物試料と厚さ計（直進式ペーパーマイクロメーター「ＰＰＭ−２５型」（（株）ミツトヨ製））の加圧板が平行になるように手で支え、試料の４辺について中心方向に約０．１０ｍの内部の位置を各辺毎に２箇所（試料１枚当たり合計８箇所）ずつ厚さ計を使用して厚さを測定し、この値の平均値を求めた。次に試料から縦方向の試験片（縦方向の長さ：０．２２ｍ、横方向の長さ：０．２０ｍ）と横方向の試験片（横方向の長さ：０．２２ｍ、縦方向の長さ：０．２０ｍ）を各々１枚ずつ裁断した。裁断した試験片を銅板端子付き硬質型板の電極間に固定し、これを加圧機で４．９ＭＰａ加圧後、縦および横方向の試験片について抵抗測定器を用いて抵抗を測定した。炭素繊維織物の体積抵抗率は、下記の式より算出した。

［数３］
Ｔ＝Ａ・Ｂ／Ｃ
ここに、Ｔ：体積抵抗率（Ω・ｍ）、 Ａ：試験片の抵抗（Ω）、 Ｂ：試験片の断面積（ｍ^２）（＝試料の厚さ（ｍ）×試験片の1辺の寸法（０．２０ｍ））、Ｃ：試験片の抵抗測定時の電極端子間隔（０．２０ｍ）
（実施例１）
窒素雰囲気中、１０００℃で、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維（平均単繊維径＝約１４．５μｍ）を裁断機を用いて繊維長２００ｍｍに切断した。梳綿機により繊維を引き揃えて、１０ｇ／ｍの繊維束を得た。次いで第１練条機でこの１本の繊維束を５．１倍に延伸し、１．９６ｇ／ｍの繊維束を得た。更に第２練条機でこの繊維束を２本合わせて４．６倍に延伸し、１本の繊維束とし、また更に第３練条機でこの繊維束を２本合せて２．０倍に延伸し、１本の繊維束とした。この繊維束を精紡機を用いて、延伸１２倍、Ｚ（左）撚り数１３０回／ｍで紡糸し、７０ｔｅｘの紡績糸を得た。次いで撚糸機でこの紡績糸２本を合わせて、Ｓ（右）撚り数７８回／ｍで合糸し，１４０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ１５０ｇ／ｍ^２、厚み０．３０ｍｍの織物が得られた。

得られた紡績糸および織物の物性ないし特性値を、以下の実施例および比較例の結果とまとめて後記表１に示す。

（実施例２）
実施例１の精紡機を用いて、Ｚ（左）撚り数１３０回／ｍで紡糸したことに代えて、Ｚ（左）撚り数１８０回／ｍで紡糸し、撚糸機による合糸をしないこと以外は、実施例１と同様に行った。その結果、７０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ７０ｇ／ｍ^２、厚み０．１５ｍｍの織物が得られた。

（実施例３）
実施例２の窒素雰囲気中、１０００℃、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維を裁断機を用いて繊維長２００ｍｍに切断したことに代えて、繊維長１８０ｍｍに切断した以外、実施例２と同様に行った。その結果７０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いた場合、ＦＡＷ７０ｇ／ｍ^２、厚み０．１５ｍｍの平織りの織物が得られた。

（実施例４）
実施例２の繊維束を精紡機を用い、Ｚ（左）撚り数１８０回／ｍで紡糸したことに代えて、Ｚ（左）撚り数１００回／ｍで紡糸した以外は、実施例２と同様に行った。その結果７０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ７０ｇ／ｍ^２、厚み０．１５ｍｍの織物が得られた。

（実施例５）
実施例２の窒素雰囲気中、１０００℃、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維に代えて、窒素雰囲気中、１５００℃、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維を用いた以外は、実施例２と同様に行った。その結果、７０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ７０ｇ／ｍ^２、厚み０．１５ｍｍの織物が得られた。

（実施例６）
実施例２の窒素雰囲気中、１０００℃、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維に代えて、窒素雰囲気中、２０００℃、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維を用いた以外は、実施例２と同様に行った。その結果、７０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ７０ｇ／ｍ^２、厚み０．１５ｍｍの織物が得られた。

（実施例７）
窒素雰囲気中、２０００℃で１時間熱処理して得られたＰＡＮ系炭素繊維（平均繊維径＝約７〜８μｍ）を裁断機を用いて繊維長２００ｍｍに切断した後、梳綿機により繊維を引き揃えて、１０ｇ／ｍの繊維束を得た。次いで、第１練条機でこの１本の繊維束を５．１倍に延長し、１．９６ｇ／ｍの繊維束を得た。更に第２練条機でこの繊維束２本を合わせて３．２倍に延伸し、１本の繊維束とし、また更に第３練条機でこの繊維束を２本合せて２．０倍に延伸し、１本の繊維束とした。この繊維束を精紡機を用いて、延伸１２倍、撚数１８０回／ｍで紡糸し、１００ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ１００ｇ／ｍ^２、厚み０．１８ｍｍの織物が得られた。

（実施例８）
実施例２と同様にして、７０ｔｅｘの紡績糸を得た後、更にこの紡績糸を窒素雰囲気中、２０００℃で１時間熱処理した。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ７０ｇ／ｍ^２、厚み０．１５ｍｍの織物が得られた。

（比較例１）
実施例２において、窒素雰囲気中、１０００℃で１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維を裁断機を用いて繊維長２００ｍｍに切断したことに代えて、繊維長１４０ｍｍに切断した以外は、実施例２と同様に行った。その結果７０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることを試みた。しかし、糸切れが頻繁に起きて、織物を織るのが困難であった。

（比較例２）
実施例７において、窒素雰囲気中、２０００℃で１時間熱処理して得られたＰＡＮ系炭素繊維を、裁断機を用いて繊維長２００ｍｍに切断したことに代えて、繊維長１４０ｍｍに切断した以外、実施例７と同様に行った。その結果１００ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることを試みた。しかし、糸切れが頻繁に起きて、織物を織るのが困難であった。

（比較例３）
実施例１において、１０ｇ／ｍの繊維束を、精紡機を用い、延伸１２倍で紡糸したことに代えて、延伸１０．５倍で紡糸したこと、ならびに撚糸機で紡績糸２本を合わせてＳ（右）撚り数７８回／ｍで合糸したことに代えて紡績糸２本を合わせて、Ｓ（右）撚り数１１０回／ｍで合糸したこと以外は、実施例２と同様に行った。その結果、１６０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ２３０ｇ／ｍ^２、厚み０．４６ｍｍの織物が得られた。

（比較例４）
実施例２の窒素雰囲気中、１０００℃、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維に代えて、窒素雰囲気中、８００℃、１時間熱処理して得られた等方性ピッチ系炭素繊維を用いた以外は、実施例２と同様に行った。その結果、７０ｔｅｘの紡績糸を得た。

この紡績糸を用いて平織りすることにより、ＦＡＷ７０ｇ／ｍ^２、厚み０．１５ｍｍの織物が得られた。

上記実施例および比較例の結果を後記表１にまとめて示す。

次表１に示す結果からも理解される通り、本発明によれば従来よりも長い炭素繊維を適度の割合で含む細い炭素繊維束を、適度の撚り数で紡績加工することにより、細く且つ高強度の炭素繊維紡績糸が得られ、これを製織することにより固体高分子型燃料電池のガス拡散（集電）体として好適な炭素繊維紡績糸織物が得られる。

Claims (6)

1. Ｘ線回折法により求められる（００２）平均層面間隔が０．３４０〜０．３８０ｎｍ、密度勾配管法により求められる比重１．５５〜１．８０、元素分析により求められる水素原子と炭素原子の原子比（Ｈ／Ｃ）が０．１以下、繊維長１５０ｍｍ以上の炭素繊維を３〜３０重量％含有し、１０００ｍ当たりの重量（ｔｅｘ）が３０〜１５０ｇ、一次撚り数５０〜４００回／ｍ、引っ張り強度が０．１５Ｎ／ｔｅｘ以上であることを特徴とする炭素繊維紡績糸。
2. 炭素繊維が等方性ピッチ系炭素繊維であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維紡績糸。
3. 炭素繊維がＰＡＮ系炭素繊維またはレーヨン系炭素繊維のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維紡績糸。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維紡績糸を３０重量％以上含有することを特徴とする炭素繊維紡績糸織物。
5. 単位面積当たりの重さ（ＦＡＷ）が５０ｇ／ｍ^２以上２００ｇ／ｍ^２未満、厚さ０．２０〜０．６０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維紡績糸織物。
6. 体積抵抗率が２０〜１５００μΩ・ｍであることを特徴とする請求項４または５に記載の炭素繊維紡績糸織物。