JP2011026628A

JP2011026628A - 球状金属粉末を用いた導電性多孔体

Info

Publication number: JP2011026628A
Application number: JP2009170352A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Kariya; 哲朗仮屋; Masaru Yanagimoto; 勝柳本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-02-10
Also published as: WO2011010612A1

Abstract

【課題】導電性、熱伝導性、物質移動性、強度に優れ、電池、燃料電池、熱交換器、化学反応機器用等の部材に適した多孔体を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼、ニッケル基耐食合金からなるアトマイズ法によりなる導電性の球状金属粉末が、球状粉末同士の接点近傍で焼結により互いに金属結合され、かつ、金属結合された球状金属粉末に囲まれることで形成される空孔が、他の空孔と繋がった連結空孔となり、空孔率が２０〜６０％である導電性多孔体。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電性の球状金属粉末を用いた多孔構造体で連結空孔を有する多孔構造体に関するものである。

近年、地球環境に優しいエネルギー関連の技術開発において、各種電池、発電機、熱交換器等における反応の高効率化が必要とされており、これらに使用される多孔体部材に関しては、導電性、熱伝導性、物質移動性等の改善を図ることで反応の高効率化を狙う取り組みが行われている。

例えば特開２００４−３４６４１１号公報（特許文献１）が開示されているが、この特許文献１は、発泡金属多孔体を用いる手法を特徴としており、ガスアトマイズ法等によって得られる球状金属粉末を用いた焼結等で得られる本発明の多孔体とは大きく異なる。発泡金属は、（１）溶湯金属中に気体を吹き込み気泡の形成と同時に凝固する方法、または、（２）溶湯金属中に発泡剤を加え、発泡剤の分解による気体発生を利用した製造法のため、実際には気孔がセル壁に仕切られており、互いに分離独立した閉気孔型が基本の構造となるため内部の物質移動性が一般に劣る。

また、製造法の制御によって連結孔を得る場合には空孔率が大きなものとなり易いため、構造体としての強度に劣るため、部材として組み込まれる際の圧力等によって、実使用においては、空孔部分が圧縮変形され易く、十分な物質移動性が得られないという問題がある。さらに、圧延や圧縮等の２次的な作用によってセル壁に連通孔を開ける場合でも、完全な開気孔型とは異なるため、気体や液体等の物質移動性に劣るという問題がある。

また、特開平８−２２５８６６号公報（特許文献２）は、金属粉末と有機結着材とを主成分とするペーストやメッキ法等を用いた複雑な工程により得られるものを特徴としており、本発明とは大きく異なる。さらに、特開平８−２１３０２６号公報（特許文献３）は、金属微粒粉末と樹脂バインダー等を用いて混練、ペレット化、樹脂バインダーの溶融、紡糸、多孔体形成、脱媒、焼結という複雑な工程を経て得られるものであり、これも本発明とは大きく異なる。
特開２００４−３４６４１１号公報特開平８−２２５８６６号公報特開平８−２１３０２６号公報

上述した特許文献１に開示されているように、導電性金属多孔体の代表である発泡金属には、多くの課題がある。また、製造法の制御によって連結孔を得る場合には、空孔率が大きなものとなり易いため、構造体としての強度に劣るため、部材として組み込まれる際の圧力等によって、実使用においては、空孔部分が圧縮変形されて易く、十分な物質移動性が得られないという問題がある。さらに、圧延や圧縮等の２次的な作用によってセル壁に連通孔を開ける場合でも、完全な開気孔型とは異なるため、気体や液体等の物質移動性に劣るという問題がある。

上述した問題を解消するために発明者らは鋭意開発を進めた結果、導電性の球状金属粉末を用いた多孔構造体で連結空孔を有する多孔構造体により、電機伝導性、物質移動性、強度に優れ、反応の高効率化を高めることを可能とした電池、燃料電池、熱交換器、化学反応機器用等の部材としての球状金属粉末を用いた導電性多孔体を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
（１）導電性の球状金属粉末を用いた多孔体で連結空孔を有することを特徴とする導電性多孔体。

（２）前記（１）において、導電性の球状金属粉末が、各球同士の接点近傍で互いに金属結合で結合され、かつ、金属結合された球状金属粉末に囲まれることで形成される空孔が、他の空孔と繋がった連結空孔であることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。
（３）前記（１）または（２）において、導電性の球状金属粉末の製造にガスアトマイズ法を用いてなることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。

（４）前記（１）〜（３）のいずれか１項において、温度を含む焼結条件の制御によって、球同士の接点近傍のみで球状金属粉末が互いに金属結合することを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。
（５）前記（１）〜（４）のいずれか１項において、空孔率が２０〜６０％からなることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。

（６）前記（１）〜（５）のいずれか１項において、球状金属粉末が、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐食超合金、Ｎｉ−Ｃｕ系の耐食合金、高耐食合金からなることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体にある。

以上述べたように、導電性の球状金属粉末を用いた多孔構造体で連結空孔を有する多孔構造体により、電機伝導性、物質移動性、強度に優れ、反応の高効率化を高めることを可能とした電池、燃料電池、熱交換器、化学反応機器用等の部材を提供することが出来る極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、導電性の球状金属粉末を用いた多孔構造体で連結空孔を有する多孔構造体より構成されることにより、球形状金属粉末同士が、球の接点近傍のみで金属結合する場合、他の表面では互いに結合しないため、球同士で囲まれた空間が十分に残り連結空孔を十分に確保出来る。また、球自身の変形が少ない、金属拡散を主とした焼結条件に制御することによって、さらに十分な連結空孔を確保できる。これによって、気体や液体の物質移動性を高めることが可能である。また金属結合の効果によって、優れた導電性、熱伝導性が得られる。また最密充填構造に近い構造で、球同士が各接点で金属結合されるため、応力の均一分散性にも優れ、非常に高い強度が得られる。このような効果によって、導電性、熱伝導性、気体や液体の物質移動性、構造体としての強度に優れる導電性多孔体を得ることができる。

次に、本発明に係る構成の条件について述べる。
本発明の最大の特徴は、導電性の球状金属粉末である。ここで本発明のいう球状金属粉末の球状とは完全な球を意味するものでなく、溶融状態から固化する際に表面張力等の作用によって自然に得られる球状である。また、機械加工等によって類似の球状が得られればそれも適用可能でありこの限りではない。また、溶融状態からの粉末成形する際に、主たる球状金属粉末に、微小な金属粉末、また、扁平型の微小金属粉末等が結合付着しているものも含むものとし、これらは使用用途によっては多孔構造体と他部材との密着性を向上させる等の効果を有する場合もある。

次に、本発明に係る多孔構造体とは、例えば、アルミナ等の適切な素材と形状の冶具を用いることによって、厚さの薄いシート状、板状、棒状、円筒状、錘状、他の複雑な３次元構造等にも適用できる。また、球状金属粉末の製造にはガスアトマイズ法が適しているが、類似の形状が得られる手法であればこの限りではない。

また、最適な焼結温度の適用によって、球状金属粉末の球どうしの接点近傍に限った金属結合を行うことが可能となり、焼結後も十分な連結空孔を確保することが可能となる。この時の最適な焼結温度は、球状金属粉末の粒径によって変わり、基本的には、粒径の小さい球状金属粉末を用いる場合には、低めの温度を適用する必要が生じる。この温度が高すぎる場合には、球状金属粉末の焼結が進み過ぎて、連結空孔が得られなくなる。

焼結に関しては、応力をかけるプレス焼結を適用することも可能であるが、過度のプレス応力をかけた場合、連結空孔が十分に得られない場合があるので注意が必要である。また、焼結に関しては、真空焼結の他に、アルゴン等の不活性ガス中での焼結、大気焼結の適用も可能である。また、焼結後、必要に応じて、酸化膜の除去等を行うために、洗浄、酸洗等を行うことも可能である。さらに、用途に応じて、耐食コーティング、高伝導膜コーティング、撥水処理、疎水処理、新水性処理等を適用することも可能である。

本発明で得られる多孔体の空孔率が２０％未満の場合、気体や液体の十分な物質移動性が得られにくい場合がある、また空孔率が６０％を超えると構造体としての強度が不十分となる場合がある。従って、空孔率は２０％〜６０％程度が好ましいが、各用途で実際に求められる物質移動性や強度を十分に満足できる場合には、この限りではない。

また、各空孔の大きさは使用する球状金属粉末の粒径によって制御可能であり、用途によっては、この空孔の大きさが多孔構造体中の位置によって異なるものでも構わない。具体的には空孔の大きさが位置によって２段階に分かれるもの、または順に傾斜分布するもの等が考えられる。

さらに、球状金属粉末の化学成分は、要求される耐食性、耐酸化性、熱膨張特性、熱伝導性、電気伝導性等に応じて様々な選択が可能である。例えば、ステンレス鋼、Ｎｉ耐食超合金、Ｎｉ−Ｃｕ系耐食合金、高耐食合金等の適用が考えられる。

以下、本発明について図面による実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
本発明により得られた多孔構造体の実施の一例として構造体のＳＥＭ写真を示す。すなわち、図１は、本発明に係る多孔構造体のＳＥＭ写真である。この図１に示す条件等は使用の球状金属粉末としてはガスアトマイズ粉末で得られたＮｉ基耐食超合金であり、焼結温度は１１２０℃で焼成したものである。また、図２は、球状金属粉末同士を球の接点近傍のみで金属結合させた結合部の拡大ＳＥＭ写真である。この図２に示す条件等は使用の球状金属粉末としてはガスアトマイズ粉末で得られたＮｉ基耐食超合金であり、焼結温度は１１２０℃で焼成したものである。

上記した図１、２に示す通り、球状金属粉末の熱変形や応力変形を伴わない程度の条件下で、金属拡散に起因する金属結合によって、球同士の接点近傍部のみを結合することで、図１に示すように、連結した空孔部分を均一に有する多孔体構造を得ることが可能である。この十分に確保された連結空孔によって、気体や液体の物質移動性を大きく高めることが可能となる。さらに、構造体自身が金属結合からなるため、電気伝導性や、熱伝導性を高めることが可能となる。また、最密充填に近い形で充填された球状金属粉末同士が、球の接点で非常に安定した３次元構造のもとで金属結合するため、構造体としての優れた強度を保つことが可能となる。

（実施例２）
表１に本発明の多孔構造体製造における実施の一例とし、球状金属粉末の種類、平均粉末粒径、焼結温度、連結空孔に関する評価、空孔率を示す。なお、連結空孔に関する評価としては、十分なガス透過性を有するものを○とした。具体的には、径１５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ程度のシート状の多孔体を形成した後、多孔体の幅０．５ｍｍの側面をガラスシールし、内寸が同じ円筒状の容器に多孔体を設置して内壁との間にもシールを行った後、円筒の片側からシート状多孔体に対して一定量のガスを流し、同じガス流量が反対側で計測されたものを○とした。

表１に示すように、本発明で得られる多孔体は、焼結条件の制御等によって、焼結後も良好な物質移動性を示すことが分かる。

以上のように、本発明による導電性の球状金属粉末を用いた多孔構造体で連結空孔を有する多孔構造体より構成されることにより、気体や液体の物質移動性を高めることが可能であり、また金属結合の効果によって、優れた導電性、熱伝導性が得られる。また最密充填構造に近い構造で、球同士が各接点で金属結合されるため、応力の均一分散性にも優れ、非常に高い強度が得られる。このような効果によって、電機伝導性、物質移動性、強度に優れ、反応の高効率化を高めることを可能とした電池、燃料電池（セパレータ流路、拡散層、電極）、熱交換器、化学反応機器用等の部材に利用できるものである。

本発明に係る多孔構造体のＳＥＭ写真である。球状金属粉末同士を球の接点近傍のみで金属結合させた結合部の拡大ＳＥＭ写真である。

Claims

導電性の球状金属粉末を用いた多孔体で連結空孔を有することを特徴とする導電性多孔体。
請求項１において、導電性の球状金属粉末が、各球同士の接点近傍で互いに金属結合で結合され、かつ、金属結合された球状金属粉末に囲まれることで形成される空孔が、他の空孔と繋がった連結空孔であることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。
請求項１または２において、導電性の球状金属粉末の製造にガスアトマイズ法を用いてなることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。
請求項１〜３のいずれか１項において、温度を含む焼結条件の制御によって、球同士の接点近傍のみで球状金属粉末が互いに金属結合することを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。
請求項１〜４のいずれか１項において、空孔率が２０〜６０％からなることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。
請求項１〜５のいずれか１項において、球状金属粉末が、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐食超合金、Ｎｉ−Ｃｕ系の耐食合金、高耐食合金からなることを特徴とする球状金属粉末を用いた導電性多孔体。