JPH09231984A - リン酸型燃料電池の多孔質電極基板用炭素繊維 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた耐蝕性を発揮する信頼性の高いリン酸
型燃料電池の多孔質電極基板用炭素繊維を提供する。 【解決手段】 黒鉛六角網面層の平均格子面間隔ｄ₀₀₂
が０．３４５nm以下で、結晶子の大きさＬc(002)が５．
０nm以上の黒鉛結晶性状と、表面部のラマンピーク強度
比(I_1360cm ^-1/I₁₅₈₀ ^-1) が０．８以下で、２００℃リン
酸に対する濡れ指数が０．６以下の表面性状を具備する
リン酸型燃料電池の多孔質電極用炭素繊維。引張弾性率
が３００GPa 以上、嵩密度が１．８g/cm³ 以上、および
表面酸素量(O_1S/C_1S比) が０．０３以下である物性を備
えることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リン酸型燃料電池
の主要部材である電極基板、リザーバなどのカーボン多
孔質体に用いられる炭素繊維、とくに優れた耐蝕性によ
り高い信頼性を付与することができるリン酸型燃料電池
の多孔質電極基板用炭素繊維に関する。

【０００２】

【従来の技術】リン酸型燃料電池は、リン酸を保持した
電解質層の両側に白金触媒担持カーボンブラックを塗布
などにより電極触媒層を形成した多孔質電極基板を配置
して単位セルを構成し、各単位セルをセパレーター板を
介して所定のスタック構造に形成することにより組立て
られる。このうち、多孔質電極基板は電池性能の信頼性
に影響を与える重要な部材で、材質的に易ガス透過性、
耐熱性、耐蝕性、良導電性、良熱伝導性、易加工性など
の諸特性が要求される。

【０００３】一般に、多孔質電極基板は炭素繊維のチョ
ップに熱硬化性樹脂を配合して板状に成形したのち焼成
炭化する方法、あるいは炭素繊維の前駆体シートに熱硬
化性樹脂を含浸したのち焼成炭化する方法により製造さ
れているが、後者の方法は繊維源として炭素化前のプレ
カーサーを用いる関係で焼成炭化処理が１回で済むうえ
シート形成が容易となる利点があり、前者に比べて工業
的な有利性があるとされている。このため、後者の方法
については数多くの改良が試みられている。

【０００４】例えば強度や電気伝導性の向上を図る方法
として、ポリアクリロニトリル系繊維の織布または不織
布を張力下で不融化処理し、これに有機結合材を含浸し
たのち非酸化性雰囲気下で炭化する多孔質炭素板の製造
法（特開平２−51480 号公報）、特定量の人造有機繊
維、パルプおよび抄紙用バインダーを混合抄紙して得ら
れるシートに有機高分子溶液を含浸し、必要により不融
化処理を行ったのち、不活性雰囲気中で８００℃以上の
温度で加熱炭化する炭素繊維シートの製造法（特公平２
−58369 号公報) 、炭素化可能な有機高分子繊維を抄紙
後、熱硬化性樹脂を含浸し、積層圧着、炭素化して得ら
れる多孔質炭素の製造において、積層各含浸紙間に加熱
圧着時に炭素化可能で熱可塑的性質を有し、熱可塑性有
機高分子繊維を不融化する機能を有するフイルムを介在
させる多孔質炭素の製造法（特開平４−219370号公報)
等が提案されている。

【０００５】また、この種の方法で形成される炭素繊維
シートに不足する耐薬品性の改善を図る目的として、特
公平６−６７１号公報には、未焼成の炭素繊維製造用有
機繊維を６５重量％以上含む繊維集合体シートに、熱硬
化性樹脂溶液を含浸させたのち乾燥することによって、
上記有機繊維の表面をこの有機繊維に対して乾燥重量で
５重量％以上の量の熱硬化性樹脂で被覆する工程、上記
熱硬化性樹脂を熱硬化させて前駆体シートを作製する工
程、前駆体シートを酸素ガス含有雰囲気中で１５０〜３
５０℃の温度で５時間以上安定化処理する工程、および
安定化処理後の前駆体シートを不活性ガス雰囲気中で１
８００℃以上の温度で焼成する工程を含む高黒鉛化多孔
質炭素繊維シートの製造方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した特公平６−６
７１号公報の発明は、炭素繊維の耐蝕性が黒鉛化度に依
存することに着目されており、黒鉛化性の向上効果は有
機繊維表面に被覆され、不融化（安定化）に先立って硬
化した熱硬化性樹脂が安定化熱処理および焼成過程で炭
素繊維の収縮を抑制し、炭素繊維に緊張を与えたと同様
の機能を果たすためにもたらされると推測している。し
かしながら、有機繊維面に被覆した熱硬化性樹脂膜は繊
維の収縮に抗して緊張状態を保つほどの収縮抑止力はな
いため、耐蝕性を大きく改善するほどの黒鉛化性向上効
果を期待することはできない。したがって、塩素に対し
て良好な耐蝕性が付与されたとしても、リン酸中におけ
る電解酸化に対して十分な安定性を確保することはでき
ない。

【０００７】特にリン酸型燃料電池のセル構造の中に
は、局部的に高温になったり水素乃至空気の濃度分布の
相違等に基づいて他の部分に比較して電位あるいは温度
面で過酷な条件に曝される部位が存在することがあり、
この部位では他の部分よりも腐食の進行が促進される結
果、局部的な腐食現象が生じ易い。このような局部的な
腐食現象が起きると、ピンホール状の欠陥部が形成さ
れ、該欠陥部を通じてガスリークが発生する。セル間あ
るいはセル内のガスリークは、電池性能を大幅に低下さ
せ、結果的には全面腐食と同様に電池寿命を短縮させる
要因となる。

【０００８】加えて、電池部材の性能を総合的に考察し
た場合には、その熱伝導性および電気伝導性が重要な材
質特性となる。すなわち、電極基板等の熱伝導性が低い
と、発電中における電池内の冷却が十分に行われなくな
り、電池内部の温度が過度に上昇して同様にセルの劣化
を惹起する。また、電気伝導性が低いと電池の内部抵抗
が大きくなって発電効率が減退するほか、発熱の原因と
なって電池内部の温度を高めてセルの劣化を促進させ
る。なお、部材の低熱伝導性によるセルの高温化は冷却
板の設置枚数を増大することによって避けることも可能
であるが、この対応は電池の体積増加を招くため、コン
パクトな分散電源としての応用には大きな障害となる。

【０００９】本発明者らは、上記の実情に鑑み、リン酸
型燃料電池の電極基材となる炭素繊維の黒鉛結晶性状と
２００℃以上のリン酸中における電解腐食の耐力（耐蝕
性）との因果関係について詳細に検討を行った結果、電
極基材用炭素繊維の耐蝕性を向上させるためには単に黒
鉛化度を高めるのみではなく、電解質と接する炭素繊維
の表面性状が重要であることを確認した。すなわち、電
解質であるリン酸と接触し、電解が起きる表層部の黒鉛
化度が一定以上で、かつリン酸との濡れ性が一定値以下
の場合に優れた電気伝導性ならびに熱伝導性が確保さ
れ、ホットスポットのような部位を含めて高度な耐蝕性
能を発揮することを解明した。

【００１０】本発明は前記の知見に基づいて開発された
もので、その目的とする解決課題は、リン酸型燃料電池
に供して優れた熱伝導率および電気伝導性を保有し、セ
ル内部のホットスポットのような過酷な条件に曝される
部位においても十分実用に耐える耐蝕性能を発揮する高
信頼性の多孔質電極基板用炭素繊維を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１の本発明に係るリン酸型燃料電池の多孔質
電極基板用炭素繊維は、黒鉛六角網面層の平均格子面間
隔ｄ₀₀₂ が０．３４５nm以下で、結晶子の大きさＬc(00
2)が５．０nm以上の黒鉛結晶性状と、表面部のラマンピ
ーク強度比（Ｉ_1360cm ^-1／Ｉ_1580cm ^-1）が０．８以下
で、２００℃リン酸に対する濡れ指数が０．６以下の表
面性状とを具備することを構成上の特徴とする。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１の構成におい
て引張弾性率が３００GPa 以上、嵩密度が１．８g/cm³
以上、および表面酸素量（Ｏ_1S／Ｃ_1S比）が０．０３以
下であるリン酸型燃料電池の多孔質電極基板用炭素繊維
である。

【００１３】本発明において、炭素繊維の黒鉛六角網面
層の平均格子面間隔ｄ₀₀₂ は黒鉛結晶におけるＣ軸方向
の格子定数Ｃ₀ の１／２層間距離（Ｃ₀ ／２）の平均
値、また結晶子の大きさＬc(002)はｃ軸方向の積層厚さ
であり、いずれもＸ線回折の図形から算出した値として
示される。表面部のラマンピーク強度比（Ｉ_1360cm ^-1／
Ｉ_1580cm ^-1）は、炭素繊維表面部の黒鉛化度合を示す指
標となるもので、炭素繊維の表面を波長５１４５オング
ストロームのアルゴンイオンレーザーを用いてラマンス
ペクトル分析を行った際、１３６０±１００cm^-1バンド
域のスペクトル強度と１５８０±１００cm^-1バンド域の
スペクトル強度との比で表される値である。

【００１４】２００℃リン酸に対する濡れ指数とは、Wa
shburn法で測定される炭素繊維のリン酸に対する相対接
触角で示される指標で、具体的には炭素繊維を充填した
ガラス状カーボン製チューブの一端を２００℃に加熱さ
れたリン酸中に浸漬し、毛細現象で繊維束に浸透したリ
ン酸の重量変化速度を測定して下式(1) に基づいて相対
接触角を求める。

【００１５】

【００１６】(1)式において、ｄm ／ｄt はリン酸の浸
透上昇による重量増加速度、１／ｍはリン酸の浸透上昇
による重量増加量の逆数、ｒは毛細半径（水銀圧入法に
より測定した平均気孔径の1/2 ）、γはリン酸の表面張
力、ηはリン酸の粘度、ρはリン酸の密度、θは接触角
である。本発明で定義する２００℃リン酸に対する濡れ
指数は、上記 (2)式の（π² ρ² γ cosθ／４η）で示
され、この指数が大きくなるとリン酸に濡れ易いことを
意味する。

【００１７】また、表面酸素量（Ｏ_1S／Ｃ_1S比）は、炭
素繊維をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）で計測した値で示
される。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明に係るリン酸型燃料電池の
多孔質電極基板を構成する炭素繊維の種類には特に限定
はなく、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系
炭素繊維、ピッチ系炭素繊維のいずれも対象となる。し
かし、本発明においては、第１の要件として黒鉛六角網
面層の平均格子面間隔ｄ₀₀₂ が０．３４５nm以下で、結
晶子の大きさＬc(002)が５．０nm以上の高い黒鉛化度を
備える炭素繊維が選択される。この黒鉛六角網面層の平
均格子面間隔ｄ₀₀₂ および結晶子の大きさＬc(002)が前
記の数値を共に外れると耐蝕性の向上効果が得られず、
同時に熱伝導性および電気伝導性が低下する。また、前
記数値のいずれかが限定範囲を外れても耐蝕性の向上が
期待できなくなる。

【００１９】第２の性状的要件は、炭素繊維の表面部に
おけるラマンピーク強度比（Ｉ_{1360 cm} ^-1／Ｉ_1580cm ^-1）
が０．８以下に位置することである。一般に炭素質物を
ラマンスペクトル分析した際に現出するラマンバンドは
１３６０±１００cm^-1と１５８０±１００cm^-1の２本の
バンド域にピークを示すが、この相対強度比が材質の黒
鉛化度を示す指標となることが知られている。例えば、
黒鉛構造の発達した炭素質物では相対的に１３６０±１
００cm^-1バンドのスペクトル強度が低くなり、ラマンピ
ーク強度比（Ｉ_1360cm ^-1／Ｉ_1580cm ^-1）の値が小さくな
る。本発明で特定したラマンピーク強度比（Ｉ_1360cm ^-1
／Ｉ_1580cm ^-1）が０．８以下の領域は、相対的に炭素繊
維表面の黒鉛化度が高いことを示すもので、この比が
０．８を越える場合には表面黒鉛化度が不足して電気伝
導性および熱伝導性を高水準に維持することができなく
なる。

【００２０】前記の第２要件に加えて、２００℃リン酸
に対する炭素繊維の濡れ指数が０．６以下であることが
本発明の第３の性状要件となる。炭素繊維の熱濃リン酸
中における電解酸化による腐食は、経時的に表面官能基
の生成を伴いつつＣ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ
^- の反応を介して進行するものと考えられている。この
腐食反応は炭素繊維表面の結晶構造が乱れた部分から発
生するので、表面の黒鉛化度が低く、結晶構造の乱れ部
分が多い炭素繊維ほど多数のエッジ面から侵食され易
い。特に熱リン酸に対する炭素繊維の濡れ性が大きい場
合に、過酷な条件下での腐食反応は著しく進行すること
となる。しかしながら、表面の黒鉛化度が高く、かつ２
００℃リン酸に対する濡れ指数が０．６以下である炭素
繊維は、表層部の構造および物性が腐食反応を抑制する
ために効果的に機能し、過酷な条件下に熱濃リン酸と接
触しても長期間に亘り十分安定した耐蝕性を発揮する。
ところが、２００℃リン酸に対する濡れ指数が０．６を
上回ると炭素繊維の耐蝕性は大きく後退するようにな
る。

【００２１】本発明の炭素繊維は、上記の黒鉛結晶性状
および表面性状に加えて、引張弾性率が３００GPa 以
上、嵩密度が１．８g/cm³ 以上、および表面酸素量（Ｏ
_1S／Ｃ_1S比）が０．０３以下の物性を有することが好ま
しい。引張弾性率が３００GPa以上で、嵩密度が１．８g
/cm³ 以上の物性は、黒鉛結晶が発達し、乱れた構造が
少なくなる傾向を強めて耐蝕性の向上に寄与する。ま
た、表面酸素量（Ｏ_1S／Ｃ_1S比）が０．０３以下の場合
にはリン酸により腐食を受け易い反応部分、すなわち黒
鉛結晶のエッジ部分（構造乱れ部分）が少なくなって耐
蝕性が向上する。

【００２２】一般に、炭素繊維の横断面における結晶の
配列状態には、基本的にオニオン状（同心円形）、ラジ
アル状（放射状）、ランダム状（無秩序）あるいは、こ
れらが複合した構造が知られている。本発明の炭素繊維
はいずれの構造であってもよい。例えば、図１に示すよ
うな完全なオニオン構造、図２のような芯部がラジアル
状であっても表層部がオニオン状を呈する構造、図３の
ように芯部がランダム状であっても表層部がオニオン状
を呈する構造、図４に示すようなラジアル構造、図５お
よび図６に示すようなランダム構造が該当する。しか
し、ラジアル構造やランダム構造では、エッジ部分から
次第に腐食が進行して長期間に亘る安定した耐蝕性が発
揮されなくなることがあるため、図１に示したようなオ
ニオンあるいは図２〜３のようなオニオンスキン構造で
あることが好ましい。

【００２３】更に、本発明の炭素繊維は可及的に金属不
純物が少ないことが好ましい。金属不純物は酸化を促進
させて耐蝕性を低下させる要因となることから、灰分量
として数１００ppm 以下、好適には１００ppm 以下とす
る。また、原糸には炭素と結合した窒素が存在し、これ
がそのまま炭素繊維中に残留していると耐蝕性を損ねる
原因となる。しかし、この窒素成分は１８００℃以上の
温度で黒鉛化処理すれば、大部分を除去することが可能
である。

【００２４】上記の黒鉛結晶性状ならびに表面性状を備
えるリン酸型燃料電池の多孔質電極基板用炭素繊維は、
炭素化可能なプレカーサー繊維を緊張状態を保持しなが
ら不活性雰囲気中１０００℃以上の温度域で焼成・炭化
処理する炭化工程と、炭化工程で得られた炭化繊維を無
緊張下で不活性雰囲気中２０００℃以上の温度域で黒鉛
化処理する黒鉛化工程からなるプロセスにより製造する
ことができる。

【００２５】炭素化可能なプレカーサー繊維としては、
炭素繊維製造用の原糸として常用されているポリアクリ
ロニトリル系繊維、レーヨン系繊維またはピッチ系繊維
が用いられるが、ポリアクリロニトリル系繊維やレーヨ
ン系繊維をプレカーサー繊維とする場合には延伸下に紡
糸されたフィラメントが使用される。このように延伸紡
糸されたフィラメントは繊維表面の分子構造が軸方向に
配向しているため、後工程の炭化・黒鉛化工程で黒鉛結
晶の発達が円滑となり、オニオンスキン構造が形成し易
くなる。一方、ピッチ系繊維を用いる場合には、溶融紡
糸する際のノズル形状を工夫してメソフェーズピッチの
分子配向を揃えるように紡糸する。オニオン状の炭素繊
維を得るためのピッチ紡糸方法については、例えば特開
昭５９−１６８１２７号公報、特開昭６２−１８４１２
３号公報、特開昭６４−６１５１２号公報等に記載され
ている。

【００２６】プレカーサー繊維は、トウ形態で緊張状態
を保持しながら不活性雰囲気中で１０００℃以上の温度
域で炭化処理される。緊張状態の保持は、熱処理によっ
て繊維が収縮する以上の張力を掛ければ足り、このテン
ション操作により繊維が炭化される過程において黒鉛結
晶が配向しながら発達する。ついで、炭化後の繊維を不
活性雰囲気中２０００℃以上の温度で黒鉛化処理する。
黒鉛化段階で黒鉛結晶が発達し、同時に結晶子が配向す
るが、この段階で炭素繊維を緊張下で処理すると黒鉛結
晶の発達および結晶子の配列を一層効果的に進行させる
ことができる。

【００２７】このようにして製造された黒鉛組織の炭素
繊維は、適宜な長さに裁断して短繊維状にチョップし、
これを抄紙してシート化したのち熱硬化性樹脂を含浸す
るか、熱硬化性樹脂と共にシート状に成形したのち、不
活性雰囲気下で焼成炭化処理して多孔質電極基板を作製
する。なお、焼成炭化処理後の多孔質電極基板は必要に
応じて更に２０００℃以上の温度で黒鉛化処理を施すこ
ともできるが、この黒鉛化処理を施す場合には前記した
炭素繊維の製造過程での黒鉛化処理は不要となる。

【００２８】炭素繊維は黒鉛化度が高まるに従って化学
的安定性が向上することは知られているが、具体的な黒
鉛結晶性状やその他の物性がリン酸型燃料電池の電極基
板とした際にリン酸と反応して腐食される挙動について
はこれまで解明された例はない。本発明によれば、リン
酸型燃料電池の多孔質電極基板用として適用され、最も
腐食反応の影響を受ける骨格部の炭素繊維が備えている
特性として、黒鉛六角網面層の平均格子面間隔ｄ₀₀₂ が
０．３４５nm以下、結晶子の大きさＬc(002)が５．０nm
以上の黒鉛結晶性状を備え、更に表面部のラマンピーク
強度比（Ｉ_{1360 cm} ^-1／Ｉ_1580cm ^-1）が０．８以下で、２
００℃リン酸に対する濡れ指数が０．６以下の表面性状
とを同時に兼備することにより、熱伝導性ならびに電気
伝導性を共に高水準に維持しながら、電池内部のホット
スポットのような過酷な条件に曝される部位においても
実用上十分な耐蝕性を付与することが可能となる。

【００２９】さらに、引張弾性率が３００GPa 以上、嵩
密度が１．８g/cm³ 以上で表面酸素量（Ｏ_1S／Ｃ_1S比）
が０．０３以下の物性を与えることにより一層耐蝕性を
向上させることができる。したがって、本発明に係る炭
素繊維により製造されたリン酸型燃料電池の多孔質電極
基板は、実用時、高出力状態において４万時間を越える
発電に十分耐える高い信頼性と安定性を得ることができ
る。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比しなが
ら具体的に説明する。しかし、本発明の範囲はこれらの
例に限られるものではない。

【００３１】実施例１ 軟化点３０７℃、トルエン不溶分８５％、メソフェーズ
含有量９５％のピッチを、キャピラリー径０．１４mmの
紡糸機を用いて溶融紡糸（温度；392 ℃、圧力；0.3kg/
cm²)した。得られたピッチ繊維を空気中３００℃の温度
で不融化処理を施したのち、適度の張力を掛けながら窒
素気流中で１５００℃で焼成炭化し、さらにアルゴン雰
囲気下で無緊張状態により２３００℃の温度により黒鉛
化した。この炭素繊維の横断面を拡大観察したところ、
図４に示すラジアル構造になっていることが確認され
た。該炭素繊維の黒鉛結晶性状およびその他の物性を測
定するとともに、炭素繊維を２３０℃の熱濃リン酸中に
浸漬して１．２V/RHE の電位をかけ、１００００分後の
腐食による重量減少率を測定して耐蝕性を評価した。表
１に製造条件を、表２に炭素繊維の物性を、また表３に
評価結果をそれぞれ示した。

【００３２】実施例２ 実施例１の黒鉛化温度を２７００℃に高め、その他は実
施例１と同一条件により炭素繊維を製造した。この炭素
繊維につき実施例１と同様に各種測定を行い、表１に製
造条件を、表２および表３に各測定結果を併載した。

【００３３】実施例３ 軟化点２８０℃、トルエン不溶分９０％、メソフェーズ
含有量９５％のピッチを、キャピラリー径０．１６mmの
紡糸機を用いて溶融紡糸（温度；375 ℃、圧力；0.2kg/
cm²)した。得られたピッチ繊維を繊維が収縮しない程度
の緊張を掛けながら窒素気流中で１５００℃で焼成炭化
し、さらにアルゴン雰囲気下で無緊張状態により２７０
０℃の温度で黒鉛化した。この炭素繊維の横断面を拡大
観察したところ、図１に示すオニオン構造になっている
ことが確認された。得られた炭素繊維につき実施例１と
同様に各種測定を行い、表１に製造条件を、表２および
表３に各測定結果を併載した。

【００３４】実施例４ 延伸紡糸されたポリアクリロニトリル繊維をプレカーサ
ーとし、熱安定化処理を行ったのち、張力を掛けた状態
でアルゴンガス雰囲気下の環状炭化炉を通過させて１５
００℃の温度で焼成炭化処理を施した。ついで、炭化後
の繊維をアルゴンガス気流中２７００℃の温度で無緊張
下に黒鉛化処理した。得られた炭素繊維の横断面を拡大
観察したところ、図２に示すように炭素繊維の表層部が
オニオンスキン構造を呈していることが確認された。該
炭素繊維につき実施例１と同様に各種測定を行い、表１
に製造条件を、表２および表３に各測定結果を併載し
た。

【００３５】実施例５ 実施例４の黒鉛化温度を２１００℃に設定し、その他は
実施例４と同一条件により炭素繊維を製造した。得られ
た炭素繊維の横断面を拡大観察したところ、図２に示す
ように炭素繊維の表層部がオニオンスキン構造を呈して
いることが確認された。該炭素繊維につき実施例１と同
様に各種測定を行い、表１に製造条件を、表２および表
３に各測定結果を併載した。

【００３６】比較例１ 等方性構造のピッチ系炭素繊維〔呉羽化学工業（株）
製、C-199T〕を窒素雰囲気に保持された炉内に入れ、無
緊張下で２３００℃の温度により黒鉛化処理を行った。
この炭素繊維につき実施例１と同様に各種測定を行い、
表１に製造条件を、表２および表３に測定結果を併載し
た。

【００３７】比較例２ フェノール樹脂繊維〔群栄化学（株）製、カイノール繊
維KR0204〕を窒素雰囲気中で無緊張状態により２０００
℃の温度で焼成炭化して炭素繊維を製造した。この炭素
繊維につき実施例１と同様に各種測定を行い、表１に製
造条件を、表２および表３に測定結果を併載した。

【００３８】比較例３ 実施例２で製造した炭素繊維にオゾン酸化処理を施し、
表層部に極性官能基を生成させてリン酸に対する濡れ性
を向上させた。この炭素繊維につき実施例１と同様に各
種測定を行い、表１に製造条件を、表２および表３に測
定結果を併載した。

【００３９】比較例４ ポリアクリロニトリル繊維を緊張状態で炭化および黒鉛
化処理して製造された市販の高弾性炭素繊維〔東レ
（株）製、M50 〕を１０００℃の温度で熱処理し、表面
に存在するサイジング剤を除去した。該炭素繊維の表面
性状は、表層部に結晶子の乱れがあり、リン酸に対する
濡れ性が比較的良好であった。この炭素繊維につき実施
例１と同様に各種測定を行い、表１に製造条件を、表２
および表３に測定結果を併載した。

【００４０】比較例５ 石油ピッチ系炭素繊維で横断面がラジアル構造を呈する
炭素繊維〔日本グラファイトファイバー（株）製、XN-4
0 〕をアルゴンガス雰囲気中で２０００℃の温度により
黒鉛化処理した。ついで、６００℃の温度で空気酸化処
理した。この炭素繊維につき実施例１と同様に各種測定
を行い、表１に製造条件を、表２および表３に測定結果
を併載した。

【００４１】比較例６ ポリアクリルニトリル系炭素繊維〔東レ（株）製、T30
0〕を１８００℃で熱処理した。この炭素繊維につき実
施例１と同様に各種測定を行い、表１に製造条件を、表
２および表３に測定結果を併載した。

【００４２】

【表１】 〔表注〕(1) ＰＡＮはポリアクリロニトリルである。 (2) ＊熱処理温度（サイジング剤除去処理を含む）。

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】表１〜３を考察して明らかなとおり、実施
例による炭素繊維は本発明の要件を外れる比較例の炭素
繊維に比べて熱濃リン酸に対する耐蝕性が著しく高く
（腐食による重量減少率が低い）、かつ相対的に熱伝導
性および電気伝導性が高水準に維持されていることが判
る。

【００４６】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば特定の黒
鉛結晶性状ならびに表面性状を選択することにより、熱
伝導性や電気伝導性等を高水準に維持しながら、優れた
耐蝕性を発揮するリン酸型燃料電池の多孔質電極基板用
として好適な炭素繊維を提供することが可能となる。し
たがって、該炭素繊維を用いて作製された多孔質電極基
板を用いれば、炭素部材にとって過酷な高出力発電条件
下においても４万時間を越える操業に十分耐え得る信頼
性と安定性を確保することができる。また、熱および電
気に対して高水準の伝導性が確保されることから、電池
性能を格段に向上させることができるほか、スタックを
コンパクトに設計し得る利点ももたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】黒鉛結晶性状が、オニオン構造の炭素繊維横断
面を示した模式図である。

【図２】黒鉛結晶性状が、芯部がラジアル構造で表層部
がオニオン構造の炭素繊維横断面を示した模式図であ
る。

【図３】黒鉛結晶性状が、芯部がランダム構造で表層部
がオニオン構造の炭素繊維横断面を示した模式図であ
る。

【図４】黒鉛結晶性状が、ラジアル構造の炭素繊維横断
面を示した模式図である。

【図５】黒鉛結晶性状が、ランダム構造の炭素繊維横断
面を示した模式図である。

【図６】黒鉛結晶性状が、ランダム構造の炭素繊維横断
面を示した模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 義雄 東京都港区北青山一丁目２番３号 東海カ ーボン株式会社内 (72)発明者 佐藤 穎生 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町４番１号 東京電力株式会社エネルギー・環境研究所 内 (72)発明者 前田 真理子 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町４番１号 東京電力株式会社エネルギー・環境研究所 内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 黒鉛六角網面層の平均格子面間隔ｄ₀₀₂
   が０．３４５nm以下で、結晶子の大きさＬc(002)が５．
   ０nm以上の黒鉛結晶性状と、表面部のラマンピーク強度
   比（Ｉ_1360cm ^-1／Ｉ_1580cm ^-1）が０．８以下で、２００
   ℃リン酸に対する濡れ指数が０．６以下の表面性状とを
   具備することを特徴とするリン酸型燃料電池の多孔質電
   極基板用炭素繊維。
2. 【請求項２】 引張弾性率が３００GPa 以上、嵩密度が
   １．８g/cm³ 以上、および表面酸素量（Ｏ_1S／Ｃ_1S比）
   が０．０３以下である請求項１記載のリン酸型燃料電池
   の多孔質電極基板用炭素繊維。