(57)【要約】      （修正有）【課題】物質移動、伝熱に優れた性質を有する固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙を提供する。【解決手段】繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔１８とを複数有する炭素繊維紙１２であって、非貫通孔１８の深さが炭素繊維紙１２の厚みの２０〜８０％であり、単位面積当りの非貫通孔１８の数が１００〜１０００個／ｃｍ2であり、厚みが５０〜４００μｍである。炭素繊維紙１２が、繊維状炭素と非繊維状炭素を含み、炭素繊維紙中の繊維状炭素の割合が２０質量％以上であり、厚みが５０〜４００μｍであることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔とを複数有する炭素繊維紙であって、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％であり、単位面積当りの非貫通孔の数が１００〜１０００個／ｃｍ2であり、厚みが５０〜４００μｍである固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙。
【請求項２】
炭素繊維紙が、繊維状炭素と非繊維状炭素を含み、炭素繊維紙中の繊維状炭素の割合が２０質量％以上である請求項１に記載の炭素繊維紙。
【請求項３】
酸化繊維紙を、レーザー加工により開孔処理を施して一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる非貫通孔を複数有する酸化繊維紙を得、次いで前記酸化繊維紙を不活性雰囲気下、１３００〜２５００℃の温度で焼成することを特徴とする、繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔とを複数有する炭素繊維紙であって、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％であり、単位面積当りの非貫通孔の数が１００〜１０００個／ｃｍ2であり、厚みが５０〜４００μｍである固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙の製造方法。
【請求項４】
酸化繊維紙を、レーザー加工により開孔処理を施して一方の面から他方の面にわたる貫通孔を複数有する酸化繊維紙を得、前記開孔処理を施した酸化繊維紙と、開孔処理を施していない酸化繊維紙とを貼付けることにより一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる非貫通孔を複数有する貼付型酸化繊維紙を得、次いで前記貼付型酸化繊維紙を不活性雰囲気下、１３００〜２５００℃の温度で焼成することを特徴とする、繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔とを複数有する炭素繊維紙であって、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％であり、単位面積当りの非貫通孔の数が１００〜１０００個／ｃｍ2であり、厚みが５０〜４００μｍである固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維同士の間隙で形成される多数の微細な細孔と、前記細孔よりも大径で、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成された非貫通孔を複数有する固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維紙は、炭素繊維織物と比較すると厚みや孔径が小さく、炭素繊維不織布と比較すると通気性や厚みに斑が少なく、シート内における物質移動、伝熱に優れた性質を有する。この性質を利用し、炭素繊維紙は、高分子電解質型燃料電池用ガス拡散層電極基材、プリント配線板用基材などに用いられる。
【０００３】
しかし、ガス拡散層に炭素繊維紙の様な多孔質体を用いる場合、一方の高電流密度域及び高加湿条件下では、発電時に生成される水がガス拡散層に滞留することにより燃料ガスの供給が遮断され、発電が停止するという問題がある(フラッディング現象)。他方、低電流密度域及び低加湿条件下では、生成水量の減少により電解質膜が乾燥し、電池性能が低下する問題がある。
【０００４】
上記問題を解決するための方法として、繊維同士の間隙で形成される多数の微細な細孔に比較して開口径の大きな貫通孔又は貫通溝を、ガス拡散層又はガス拡散膜に形成する方法が提案されている(例えば、特許文献１〜４参照)。しかし、この方法では貫通孔又は貫通溝の存在により、機械的強度が低く、取扱性の面で不利となること、触媒層との接触抵抗が増大すること、更には、貫通孔部又は貫通溝部と、それ以外の部分とでガス透過性が異なり、特に低電流密度域では電解質膜の部分的な枯渇を生じさせるという問題がある。
【０００５】
上記問題を解決するための別の方法として、カーボンペーパー等よりなる基材上に黒鉛粒子よりなるガス拡散膜を形成し、その膜の表面から裏面に凹部を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献５参照)。しかし、この方法では黒鉛粒子よりなるガス拡散膜の通気性が悪く、特に高電流密度域ではフラッディング現象を充分に防ぐには問題がある。
【特許文献１】特開２００７−１０３２４１号公報  (特許請求の範囲)
【特許文献２】特開２００６−３３１７８６号公報  (特許請求の範囲)
【特許文献３】特開２００５−１０８８２０号公報  (特許請求の範囲)
【特許文献４】特開２００４−１５２５８４号公報  (特許請求の範囲)
【特許文献５】特開２００６−４７８７号公報  (特許請求の範囲)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的とするところは、上記問題を解決した炭素繊維紙及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
具体的には、高電流密度域及び高加湿条件から低電流密度域及び低加湿条件までの広範囲な電池反応において、水管理に優れ、電池反応を阻害することなく、更に、ガス拡散性が均一であり、触媒層との接触抵抗の増加を抑制した固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者が鋭意検討した結果、炭素繊維織物に対して比較的小さな細孔を有する炭素繊維紙の一方の面から他方の面に向かって、所定の深さで炭素繊維紙の細孔よりも大きな孔径の非貫通孔を複数有する炭素繊維紙が固体高分子電解質型ガス拡散層として最適であることを見出した。
【０００９】
すなわち、上記目的を達成する本発明は、以下に記載のものである。
【００１０】
［１］  繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔とを複数有する炭素繊維紙であって、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％であり、単位面積当りの非貫通孔の数が１００〜１０００個／ｃｍ2であり、厚みが５０〜４００μｍである固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙。
【００１１】
［２］  炭素繊維紙が、繊維状炭素と非繊維状炭素を含み、炭素繊維紙中の繊維状炭素の割合が２０質量％以上である［１］に記載の炭素繊維紙。
【００１２】
［３］  酸化繊維紙を、レーザー加工により開孔処理を施して一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる非貫通孔を複数有する酸化繊維紙を得、次いで前記酸化繊維紙を不活性雰囲気下、１３００〜２５００℃の温度で焼成することを特徴とする、繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔とを複数有する炭素繊維紙であって、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％であり、単位面積当りの非貫通孔の数が１００〜１０００個／ｃｍ2であり、厚みが５０〜４００μｍである固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙の製造方法。
【００１３】
［４］  酸化繊維紙を、レーザー加工により開孔処理を施して一方の面から他方の面にわたる貫通孔を複数有する酸化繊維紙を得、前記開孔処理を施した酸化繊維紙と、開孔処理を施していない酸化繊維紙とを貼付けることにより一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる非貫通孔を複数有する貼付型酸化繊維紙を得、次いで前記貼付型酸化繊維紙を不活性雰囲気下、１３００〜２５００℃の温度で焼成することを特徴とする、繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔とを複数有する炭素繊維紙であって、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％であり、単位面積当りの非貫通孔の数が１００〜１０００個／ｃｍ2であり、厚みが５０〜４００μｍである固体高分子電解質型燃料電池ガス拡散層用炭素繊維紙の製造方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の炭素繊維紙を、固体高分子電解質型燃料電池においてガス拡散層として用いる場合、ガス拡散層の凹状に開口された一方の面をセパレータ側に位置するように配置し、他方の面を触媒層側に位置するように配置することにより、高電流密度域及び高加湿条件から低電流密度域及び低加湿条件までの広範囲な電池反応条件下においてガス拡散層は優れた水管理能力を発揮する。
【００１５】
すなわち、一方の電池反応条件の高電流密度域及び高加湿条件下では、発生した水はガス拡散層内に形成された凹部より速やかに排出されフラッディングによる電池反応の低下を防止する。他方、低電流密度域及び低加湿条件の電池反応条件下では、貫通孔を有する炭素繊維紙をガス拡散層として用いる場合、貫通孔による供給ガスの局部的な集中による電解質膜の部分的な枯渇が起こるとともに、触媒層との接触抵抗も増大する。
【００１６】
これに対し、本発明の炭素繊維紙をガス拡散層として用いる場合、凹状に形成された孔は非貫通孔なので、低電流密度域及び低加湿条件の電池反応条件下であっても、電解質膜の部分的な枯渇を抑制することが出来るとともに、触媒層との接触抵抗の増大も抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の炭素繊維紙を固体高分子電解質型燃料電池に組込んだ一例を示す概念図であって、炭素繊維紙の一方の面から他方の面にわたる垂直な面に沿った断面図である。
【００１９】
図１に示すように、固体高分子電解質型燃料電池２は、電解質膜４、触媒層６、８からなる一対の電極、炭素繊維紙１０、１２からなる一対のガス拡散層、並びに、一対のセパレータ１４、１６を主要構成部材として、これらの部材で一つのセルが形成されている。
【００２０】
電解質膜４は、プロトン伝導性を持ち、その外側に、貴金属を含む触媒層６、８からなる一対の電極が配置され、その一方の触媒層６がアノードに、他方の触媒層８がカソードになる。触媒層６、８からなる電極のそれぞれの外側に、炭素繊維紙１０、１２からなる一対のガス拡散層が配置されている。
【００２１】
ガス拡散層１０は、燃料である水素ガスやメタノール等を透過、拡散させる。また、ガス拡散層１２は燃料が燃焼して生成した水を排水させ、且つ電極で発生した電子を集電、伝導する役割を果たす。更に、ガス拡散層１０、１２のそれぞれの外側に燃料や燃焼生成物等の流路(不図示)がガス拡散層１０、１２に接する面に設けられたセパレータ１４、１６が配置されている。
【００２２】
固体高分子電解質型燃料電池２において、触媒層６からなるアノードには水素が供給され、触媒によりプロトンが生成する。このプロトンは、電解質膜４を通り、触媒層８からなるカソードに達し、電子と結合し、水が生成する。電解質膜４のプロトンの伝導度は、膜４内の水分によって変化し、水分量が多いと伝導度は上がり、水分量が少ないと伝導度は下がる。
【００２３】
固体高分子電解質型燃料電池２において、水分の管理は極めて重要であり、触媒層８からなるカソードでの水の排水及び電解質膜４の保水を両立させることが必要である。
【００２４】
本発明の炭素繊維紙は、繊維同士の間隙で形成される平均孔径が１０〜２０μｍの細孔と、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍ、好ましくは９０〜２５０μｍの非貫通孔１８とを複数有する炭素繊維紙であって、非貫通孔１８の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％であるので、高分子電解質型燃料電池のカソード側のガス拡散層１２に用いる場合、触媒層８からなるカソードでの水の排水及び電解質膜４の保水を両立させることができる。
【００２５】
非貫通孔１８の深さが炭素繊維紙厚みの２０％未満の場合は、炭素繊維紙内における物質移動性が低下し、例えば炭素繊維紙を高分子電解質型燃料電池用ガス拡散層電極基材に用いる場合、反応生成水を非貫通孔からスムーズに排出できなくなり、反応生成水が燃料ガスの供給を遮断するフラッディングが発生し易くなるので好ましくない。
【００２６】
非貫通孔１８の深さが炭素繊維紙厚みの８０％を超える場合は、炭素繊維紙内における物質移動性に斑が発生し、炭素繊維紙を高分子電解質型燃料電池用ガス拡散層電極基材に用いる場合、均一なガスの供給が困難となり、局所的な電解質膜の枯渇を発生せしめ、燃料電池の発電性能の低下が生じ易くなるので好ましくない。更に、炭素繊維紙自体の強度が低下する。
【００２７】
単位面積当りの非貫通孔の数は１００〜１０００個／ｃｍ2が好ましく、３００〜５００個／ｃｍ2がより好ましい。
【００２８】
本発明の炭素繊維紙は、繊維状炭素と非繊維状炭素を含む。炭素繊維紙を高分子電解質型燃料電池用ガス拡散層電極基材に用いる場合、強度、導電性を高くするため、炭素繊維紙中の繊維状炭素の割合は２０質量％以上であることが好ましく、炭素繊維紙の厚みは５０〜４００μｍであることが好ましい。
【００２９】
繊維状炭素は、原料酸化繊維紙中の酸化繊維に由来するものであり、非繊維状炭素は、湿式抄紙で原料酸化繊維紙を得る際に酸化繊維に混合する有機高分子に由来するものである。即ち、後述の炭素化処理において、酸化繊維は繊維状炭素になり、有機高分子は非繊維状炭素になる。
【００３０】
本発明の炭素繊維紙の製造方法としては、例えば、原料酸化繊維紙を、レーザー加工により開孔処理を施して一方の面から他方の面にわたる非貫通孔を複数有する酸化繊維紙を得、次いで前記酸化繊維紙を不活性雰囲気下、１３００〜２５００℃の温度で焼成し炭素化することにより製造することが好ましい。
【００３１】
又は、酸化繊維紙を、レーザー加工により開孔処理を施して一方の面から他方の面にわたる貫通孔を複数有する酸化繊維紙を得、前記開孔処理を施した酸化繊維紙と、開孔処理を施していない酸化繊維紙とを貼付けた後、この貼付型酸化繊維紙を上記条件で炭素化する方法がある。
【００３２】
〔原料酸化繊維紙〕
本例の炭素繊維紙の製造用原料酸化繊維紙は、所定繊維長の酸化繊維と、有機高分子とを混合し、既存の湿式抄紙法にて得ることが出来る。酸化繊維としては、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系、ピッチ系、フェノール系、レーヨン系等の酸化繊維を用いることが出来るが、酸化繊維及び得られた炭素繊維の強度特性より、ＰＡＮ系酸化繊維が好ましい。有機高分子としては炭素化後の残炭率の高さから芳香族ポリアミド(アラミド)、フェノール樹脂、ポリイミド、ＰＡＮ等が好適であり、液状、パウダー状、ペレット状、短繊維状、パルプ状等の形態で利用できる。
【００３３】
〔熱圧縮処理〕
上述した原料酸化繊維紙には、均質化や高嵩密度化を目的に、１００〜３５０℃の温度下、圧力０．３０〜２０ＭＰａの条件で熱圧縮処理が施されることが好ましい。その原料酸化繊維紙の嵩密度は１．０〜０．２ｇ／ｃｍ3に制御される。
【００３４】
熱圧縮処理による均質化は、例えばカレンダー加工、プレス加工で行うことができる。
【００３５】
この熱圧縮処理の結果、酸化繊維同士は圧縮され、その圧縮により酸化繊維同士の間隙で形成される細孔径は制御される。
【００３６】
本発明においては、このようにして細孔径を制御した原料酸化繊維紙を用いて後述するレーザー加工を行う。
【００３７】
〔開孔処理〕
上記原料酸化繊維紙は、レーザー加工装置にて開孔処理を施して直径５４〜５４０μｍ、１００〜１００００個／ｃｍ2の非貫通孔を有する酸化繊維紙にする。レーザー加工装置の種類は、ＹＡＧ、ＣＯ2、半導体レーザーなどを利用することが出来る。
【００３８】
以上のように、酸化繊維紙のレーザー加工を行うことにより、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔を複数有すると共に、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％である酸化繊維紙を容易に得ることができる。
【００３９】
レーザー加工条件は、例えば従来公知の炭酸ガスレーザー等におけるレーザー照射条件を適宜採用できる。炭酸ガスレーザーでは、赤外線波長域にある９．３〜１０．６μｍの波長が一般的に使用され、エネルギーは４〜６０ｍＪが好適に使用される。
【００４０】
なお、前述のように酸化繊維紙に貫通孔を形成して多孔酸化繊維紙を得、これに無孔酸化繊維紙を貼合わせても良い。
【００４１】
〔炭素化処理〕
上記酸化繊維紙を、窒素等の不活性ガス雰囲気下、５００℃付近で予備焼成する工程を経由して１３００〜２５００℃で焼成して炭素化し、炭素繊維紙を得る。
【００４２】
なお、昇温下で炭素化する場合の昇温速度は２００℃／分以下が好ましい。
【００４３】
以上の製造方法で得られた炭素繊維紙は、一方の面から他方の面に向かって凹状に形成されてなる平均孔径が５０〜５００μｍの非貫通孔とを複数有すると共に、非貫通孔の深さが炭素繊維紙の厚みの２０〜８０％である。
【００４４】
また、この炭素繊維紙は、平均細孔径が１０〜２０μｍ、通気度が１００００ｍｌ／ｍｉｎ以上であり、その表面に膜状炭化物が形成されること無く、曲げ強さは１０ＭＰａ以上である。
【００４５】
更に、この炭素繊維紙は、厚さが５０〜４００μｍ、目付が２０〜１８０ｇ／ｍ2、嵩密度が０．２〜０．６ｇ／ｃｍ3である。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、操作条件の評価、各物性の測定は次の方法によった。
【００４７】
〔酸化繊維紙、炭素繊維紙の細孔径〕
パームポロメーター[ＰＭＩ(Ｐｏｒｏｕｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｉｎｃ．)社製：商品名ＣＦＰ−１１００ＡＥＸ]を用い、酸化繊維紙、炭素繊維紙の細孔分布を測定し、この細孔分布から体積平均細孔径を求めた。
【００４８】
〔酸化繊維紙、炭素繊維紙の非貫通孔〕
デジタルマイクロスコープ(ＫＥＹＥＮＣＥ社製：商品名ＶＨ−８０００Ｃ)を用い、酸化繊維紙、炭素繊維紙の非貫通孔について諸寸法を測定し、これらの測定値から、前述の算出方法により、平均非貫通孔径、非貫通孔密度、非貫通孔真円度、非貫通孔表裏直径比を求めた。
【００４９】
〔酸化繊維の比重〕
アルキメデス法(溶媒アセトン)により測定した。
【００５０】
〔酸化繊維紙、炭素繊維紙の厚さ〕
直径５ｍｍの円盤状圧板で荷重１．２Ｎを負荷したときの厚さを測定した。
【００５１】
〔酸化繊維紙、炭素繊維紙の目付〕
１００ｍｍ角のシートを１２０℃、１時間乾燥させた質量より、単位面積当たりの質量を算出した。
【００５２】
〔酸化繊維紙、炭素繊維紙の嵩密度〕
上記条件により測定した厚さ及び目付から算出した。
【００５３】
〔実施例１〕
酸化繊維としてポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系酸化繊維(平均繊維太さ２．２ｄｔｅｘ、平均繊維長５ｍｍ、比重１．４２)と、有機高分子としてアラミドファイブリッド(平均繊維長１．２ｍｍ)と、ＰＥＴ繊維(平均繊維太さ２．５ｄｔｅｘ、平均繊維長５ｍｍ)とを、配合比が６５／１５／２０質量％となるように混合し、湿式抄紙し、原料酸化繊維紙を得た。この原料酸化繊維紙を温度１２０℃、圧力０．５ＭＰａの条件下にて圧縮処理することにより、目付１４７ｇ／ｍ2、厚さ３２０μｍ、嵩密度０．４６ｇ／ｃｍ3、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径１７μｍの酸化繊維紙を得た。
【００５４】
この酸化繊維紙に、レーザー加工装置で開孔処理を施し、直径２２０μｍ、深さ２４０μｍ(酸化繊維紙の厚みの０．７５％)、３２０個／ｃｍ2の非貫通孔を有する酸化繊維紙を得た。続いて、この酸化繊維紙を窒素ガス雰囲気下にて５００℃で１０分間、２０００℃で１０分間焼成することにより、目付７５ｇ／ｍ2、厚さ２００μｍ、嵩密度０．３７５ｇ／ｃｍ3の炭素繊維紙が得られた。
【００５５】
〔実施例２〕
酸化繊維紙における非貫通孔の深さを８０μｍ(酸化繊維紙の厚みの２５％)としたこと以外は実施例１と同様にして炭素繊維紙を得たところ表１に示すように、炭素繊維紙は、非貫通孔の直径が２０２μｍ、非貫通孔の深さが５０μｍ(炭素繊維紙の厚みの２５％)、非貫通孔の表面密度が４００個／ｃｍ2、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径が１５μｍであった。
【００５６】
〔実施例３〕
目付７２ｇ／ｍ2、厚さ１６０μｍ、嵩密度０．４５ｇ／ｃｍ3、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径１７μｍの酸化繊維紙に、レーザー加工装置で開孔処理を施し、直径２２０μｍ、３２０個／ｃｍ2の貫通孔を有する多孔酸化繊維紙を得た。続いて、この多孔酸化繊維紙に、目付７２ｇ／ｍ2、厚さ１６０μｍ、嵩密度０．４５ｇ／ｃｍ3、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径１７μｍの無孔酸化繊維紙を張り合わせた酸化繊維紙(貼付型酸化繊維紙)を得た。この貼付型酸化繊維紙を実施例１と同様に炭素化焼成することにより、目付７５ｇ／ｍ2、厚さ２００μｍ、嵩密度０．３７５ｇ／ｃｍ3の炭素繊維紙が得られた。
【００５７】
得られた炭素繊維紙は、表１に示すように、非貫通孔の直径が２０２μｍ、非貫通孔の深さが１００μｍ(炭素繊維紙の厚みの５０％)、非貫通孔の表面密度が４００個／ｃｍ2、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径が１５μｍであった。
【００５８】
〔比較例１〕
酸化繊維紙に開孔処理を施さなかった以外は実施例１と同様にして炭素繊維紙を得たところ、炭素繊維紙は、直径５０μｍ以上の比較的大きな孔が無く、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径が１５μｍのものであった。
【００５９】
〔比較例２〕
酸化繊維紙における非貫通孔の深さを４０μｍ(酸化繊維紙の厚みの１２．５％)としたこと以外は実施例１と同様にして炭素繊維紙を得たところ表１に示すように、炭素繊維紙は、非貫通孔の直径が２０２μｍ、非貫通孔の深さが２５μｍ(炭素繊維紙の厚みの１２．５％)、非貫通孔の表面密度が４００個／ｃｍ2、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径が１５μｍであった。
【００６０】
〔比較例３〕
酸化繊維紙における非貫通孔の深さを２８０μｍ(酸化繊維紙の厚みの８７．５％)としたこと以外は実施例１と同様にして炭素繊維紙を得たところ表１に示すように、炭素繊維紙は、非貫通孔の直径が２０２μｍ、非貫通孔の深さが１７５μｍ(炭素繊維紙の厚みの８７．５％)、非貫通孔の表面密度が４００個／ｃｍ2、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径が１５μｍであった。
【００６１】
〔比較例４〕
酸化繊維紙の開孔処理において孔を貫通させた以外は実施例１と同様にして炭素繊維紙を得たところ表１に示すように、炭素繊維紙は、貫通孔の直径が２０２μｍ、貫通孔の深さが２０２μｍ(炭素繊維紙の厚みの１００％)、貫通孔の表面密度が４００個／ｃｍ2、繊維同士の間隙で形成される細孔の平均孔径が１５μｍであった。
【００６２】
【表１】
2009211928.tif 000003
【００６３】
〔評価例〕
実施例１〜３で得られた炭素繊維紙を用いて、固体高分子電解質型燃料電池用ガス拡散層電極基材を作製し、電極基材としての評価テストを、表２に示す高加湿条件下、低加湿条件下について行った。その結果、実施例１〜３で得られた炭素繊維紙の何れについても、図２〜３に示すように、高加湿条件下でも低加湿条件下でも、高い電流密度まで電圧の落ち込みが見られず、広い電流密度域で高い電池性能が維持できている。
【００６４】
比較例１〜２で得られた炭素繊維紙を用いて、同様の評価テストを行った結果、何れの炭素繊維紙についても、高加湿条件下において低い電流密度で電圧の落ち込みが見られ、電池性能は低いものであった。
反応生成水の排出が十分でなく、電極機材として満足のいく結果が得られなかった。
【００６５】
比較例３〜４で得られた炭素繊維紙を用いて、同様の評価テストを行った結果、何れの炭素繊維紙についても、低加湿条件下において低い電流密度で電圧の落ち込みが見られ、電池性能は低いものであった。
【００６６】
【表２】
2009211928.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の炭素繊維紙を固体高分子電解質型燃料電池に組込んだ一例を示す概念図であって、炭素繊維紙の一方の面から他方の面にわたる垂直な面に沿った断面図である。
【図２】実施例１〜３、比較例１〜４についての高加湿条件下における固体高分子電解質型燃料電池の電流密度に対する電圧の変化を示したグラフである。
【図３】実施例１〜３、比較例１〜４についての低加湿条件下における固体高分子電解質型燃料電池の電流密度に対する電圧の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
２    固体高分子電解質型燃料電池
４    電解質膜
６、８    触媒層
１０、１２    炭素繊維紙
１４、１６    セパレータ
１８    非貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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