WO2011010612A1

WO2011010612A1 - 球状金属粉末を用いた導電性多孔体およびその製造方法

Info

Publication number: WO2011010612A1
Application number: PCT/JP2010/062079
Authority: WO
Inventors: 哲朗仮屋; 勝柳本
Original assignee: 山陽特殊製鋼株式会社
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2011-01-27
Also published as: JP2011026628A

Abstract

　導電性の球状金属粉末を用いた多孔体からなり、連結空孔を有する、導電性多孔体が開示される。導電性の球状金属粉末を用いて連結空孔を有する多孔体を得ることにより、電気伝導性、物質移動性および強度に優れ、かつ、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多孔体を提供することができる。

Description

球状金属粉末を用いた導電性多孔体およびその製造方法

関連出願の相互参照

　この出願は、２００９年７月２１日に出願された日本国特許出願第２００９－１７０３５２号に基づく優先権を主張するものであり、その全体の開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。

　本発明は、導電性の球状金属粉末を用いた導電性多孔体およびその製造方法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いる。これらに使用される多孔体部材に関して、導電性、熱伝導性、物質移動性等の改善を図ることにより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）には、発泡金属多孔体を用いる手法が開示されている。また、特開平８－２２５８６６号公報（特許文献２）には、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多孔体が開示されている。さらに、特開平８－２１３０２６号公報（特許文献３）には、金属微粒粉末と樹脂バインダー等を用いて混練し、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多孔体が開示されている。

特開２００４－３４６４１１号公報特開平８－２２５８６６号公報特開平８－２１３０２６号公報

　特許文献１に開示されているような、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。一般に、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により製造される。このため、実際の発泡金属は、気孔がセル壁によって仕切られて互いに分離独立した閉気孔型が基本の構造となり、その結果、発泡金属内部の物質移動性が一般的に劣る。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く、構造体としての強度に劣る。このため、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。

　本発明者らは、今般、導電性の球状金属粉末を用いて連結空孔を有する多孔体を構成することにより、電気伝導性、物質移動性および強度に優れ、かつ、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多孔体を提供できるとの知見を得た。

　したがって、本発明の目的は、導電性の球状金属粉末を用いて連結空孔を有する多孔体を得ることにより、電気伝導性、物質移動性および強度に優れ、かつ、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多孔体を提供することにある。

　本発明の一態様によれば、導電性の球状金属粉末を用いた多孔体からなり、連結空孔を有する、導電性多孔体が提供される。

　本発明の別の態様によれば、
（ａ）ガスアトマイズ法により導電性の球状金属粉末を製造する工程と、
（ｂ）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、他の空孔と繋がって連結空孔を構成するような焼結温度で、前記球状金属粉末を焼結する工程と
を含んでなる、導電性多孔体の製造方法が提供される。

本発明による導電性多孔体の一例を撮影したＳＥＭ画像である。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一例を撮影した拡大ＳＥＭ画像である。

　本発明による導電性多孔体は、導電性の球状金属粉末を用いた多孔体からなり、連結空孔を有するものである。好ましくは、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、他の空孔と繋がって連結空孔を構成する。そして、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ができる。

　このような導電性多孔体にあっては、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ので、他の表面では互いに結合しない。このため、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することが出来る。また、球自身の変形が少ない、金属拡散を主目的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、優れた導電性および熱伝導性が得られる。さらに、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、および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。

　本発明の最大の特徴は、導電性の球状金属粉末にある。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。機械加工等によって類似の球状が得られるのであればそのようなものも球状金属粉末として使用可能であるが、これに限定されない。また、溶融状態から粉末成形する際に、微小な金属粉末や扁平型の微小金属粉末等が主たる球状金属粉末に結合付着したものも球状金属粉末として使用可能であり、これらは使用用途によっては多孔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。

　本発明による多孔体は、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、薄いシート状、板状、棒状、円筒状、錐状、他の複雑な３次元構造等に形状付与されるのが好ましい。

　本発明に用いる球状金属粉末の製造は、ガスアトマイズ法により行われるのが好ましいが、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、球状金属粉末の球同士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ことが望まれる。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。例えば、球状金属粉末の平均粉末粒径と最適な焼結温度との関係は概ね以下のとおりであるが、球状金属粉末の材質等にも依存するため、これに限定されるものではない。なお、ここにいう平均粉末粒径は、５０％の重量となる粒径である。

　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、親水性処理等を適用することも可能である。

　本発明による多孔体は２０～６０体積％の空孔率を有するのが好ましく、より好ましくは３５～５５体積％、さらに好ましくは４５～５５体積％である。これらの範囲内であると、気体や液体の十分な物質移動性と構造体としての強度のいずれにも優れる。ただし、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、上記範囲外であってもよい。

　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。

　本発明に用いる球状金属粉末としては、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材料が使用可能であり、そのような材料の好ましい例として、ステンレス鋼、Ｎｉ耐食超合金、Ｎｉ－Ｃｕ系耐食合金、高耐食合金等が挙げられる。ステンレス鋼の好ましい例としては、Ｆｅ－２６Ｃｒ、Ｆｅ－１８Ｃｒ－１２Ｎｉ、Ｆｅ－２５Ｃｒ－２０Ｎｉ（全て重量％、以下同様）等が挙げられる。Ｎｉ耐食超合金の好ましい例としては、Ｎｉ－１６Ｃｒ－１６Ｍｏ－５Ｆｅ－４Ｗ、Ｎｉ－２２Ｃｒ－９Ｍｏ－４Ｎｂ等が挙げられる。Ｎｉ－Ｃｕ系耐食合金の好ましい例としては、Ｎｉ－３０Ｃｕ等が挙げられる。高耐食合金の好ましい例としては、Ｔｉ合金等が挙げられる。

　以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

　例１
　本発明による多孔体を次のようにして作製した。まず、ガスアトマイズ法により、Ｎｉ基耐食超合金のガスアトマイズ粉末を得た。このガスアトマイズ粉末を球状金属粉末として用いて、１１２０℃の焼結温度で焼成を行った。こうして得られた本発明による多孔体をＳＥＭにより観察したところ、図１に示されるＳＥＭ画像を得た。また、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をＳＥＭにより拡大観察したところ、図２に示されるＳＥＭ画像を得た。

　図１および２に示される通り、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に示されるような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。

　例２
　表１に示される材質および平均粉末粒径の各種の球状金属粉末を用意した。これらの各種の球状金属粉末を表１に示される焼結温度で焼成して、本発明による多孔体を作製した。得られた多孔体について以下の評価を行った。

　評価１：連結空孔に関する評価
　多孔体における連結空孔の有無を、十分なガス透過性を有するか否かを確認することにより評価した。具体的には、直径１５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ程度の円形シート状の多孔体を形成した。その後、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。最後に、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た。供給側と同じガス流量が反対側で計測されたものを合格品として表１において“○”で示した。

　評価２：空孔率の測定
　多孔体の空孔率を以下の（１）および（２）のいずれかに従って測定した。
（１）多孔体断面（直径１５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの円形）中を占める粉末の面積率を算出した後、５つのサンプルの平均を算出して空孔率を求めた。
（２）水銀圧入法又は気体吸着法により直接空孔率を算出した。
　こうして測定された空孔率を表１に示す。

　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体で連結空孔を有する多孔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、優れた導電性および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、本発明による多孔体は、電気伝導性、物質移動性および強度に優れ、かつ、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、電極等）、熱交換器、化学反応機器用等の部材に利用可能である。

Claims

　導電性の球状金属粉末を用いた多孔体からなり、連結空孔を有する、導電性多孔体。
　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、他の空孔と繋がって前記連結空孔を構成する、請求項１に記載の導電性多孔体。
　導電性の球状金属粉末が、ガスアトマイズ法により製造されたものである、請求項１または２に記載の導電性多孔体。
　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されてなる、請求項１～３のいずれか一項に記載の導電性多孔体。
　２０～６０体積％の空孔率を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の導電性多孔体。
　球状金属粉末が、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐食超合金、Ｎｉ－Ｃｕ系耐食合金、および高耐食合金からなる群から選択される少なくともいずれか一種からなる、請求項１～５のいずれか一項に記載の導電性多孔体。
（ａ）ガスアトマイズ法により導電性の球状金属粉末を製造する工程と、
（ｂ）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、他の空孔と繋がって連結空孔を構成するような焼結温度で、前記球状金属粉末を焼結する工程と
を含んでなる、導電性多孔体の製造方法。
　球状金属粉末が、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐食超合金、Ｎｉ－Ｃｕ系耐食合金、および高耐食合金からなる群から選択される少なくともいずれか一種からなる、請求項７に記載の方法。