(57)【要約】  ガスを加速させる工程と、加速させた前記ガスにより金属粉末と樹脂粉末とを基材に噴霧して堆積させる堆積工程と、前記金属粉末と前記樹脂粉末の堆積物から前記樹脂粉末を除去する除去工程とを備えることを特徴とする金属多孔質体の製造方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを加速させる工程と、加速させた前記ガスにより金属粉末と樹脂粉末とを基材に噴霧して堆積させる堆積工程と、前記金属粉末と前記樹脂粉末の堆積物から前記樹脂粉末を除去する除去工程とを備えることを特徴とする金属多孔質体の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記除去工程は、前記樹脂粉末の分解温度以上前記金属粉末の融点未満で加熱する工程であることを特徴とする金属多孔質体の製造方法。
【請求項３】
請求項１において、前記除去工程は、前記樹脂粉末を脱脂する工程であることを特徴とする金属多孔質体の製造方法。
【請求項４】
請求項１において、前記堆積工程は、あらかじめ前記金属粉末と前記樹脂粉末とを混合しておくことを特徴とする金属多孔質体の製造方法。
【請求項５】
請求項１において、前記金属粉末に対する前記樹脂粉末の体積割合は２５〜５０％であることを特徴とする金属多孔質体の製造方法。
【請求項６】
請求項１において、前記金属粉末の粒子径が５〜５０μｍ、前記樹脂粉末の粒子径が１００μｍ〜３００μｍであることを特徴とする金属多孔質体の製造方法。
【請求項７】
請求項１の製造方法により形成されることを特徴とする金属多孔質体。
【請求項８】
複数の細孔を有する金属多孔質体において、前記複数の細孔は、複数の金属粉末が塑性変形すると共に固相結合することにより形成され、細孔径が２０μｍ未満にピークを持つ第一の細孔分布と、細孔径が２０μｍ以上にピークを持つ第二の細孔分布とを有することを特徴とする金属多孔質体。
【請求項９】
請求項８において、前記金属多孔質体の厚さが１ｍｍ以下で、気孔率が６０％以上であることを特徴とする金属多孔質体。
【請求項１０】
請求項８において、前記金属粉末がアルミニウムであることを特徴とする金属多孔質体。
【請求項１１】
請求項８において、前記金属粉末の粒子径が５〜５０μｍであることを特徴とする金属多孔質体。
【請求項１２】
請求項８の金属多孔質体を用いた気液分離器。
【請求項１３】
請求項８の金属多孔質体を用いた熱交換器。
【請求項１４】
請求項８の金属多孔質体を用いた燃料電池ガス拡散層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属多孔質体とその製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属多孔質体は、導電性、熱伝導性、物質拡散性を備え、また、表面積が大きいことから熱交換能力が高い。そのため、様々な用途、例えば燃料電池や熱交換器、気液分離器に利用できる。例えば固体高分子形燃料電池は、高効率、小型、高出力であることが望まれる。固体高分子形燃料電池のガス流路は、燃料ガスの電極触媒への拡散、電気化学反応により生成された水の除去、熱の移動、電荷の移動など様々な役割を担う。従来はカーボンや金属板のセパレータに流路溝を加工していたが、気液二相流環境下では生成水により流路が閉塞すると、閉塞部の下流にガスが供給されないなど流路形状が性能を左右する要因となっていた。そこで流路を連通細孔を有する金属多孔質体にすることで、一部の流路が閉塞しても、ランダムな連通細孔構造により下流域でもガス拡散性を促進することができる。【０００３】
金属多孔質体の製法としては、発泡法や焼結法が一般的に用いられる。例えば特許文献１には連続空孔を有する高気孔率のスポンジ状焼成金属層に、前記スポンジ状焼成金属層の気孔率よりも小さい気孔率を有する高強度の焼成金属緻密補強層を積層してなる高強度スポンジ状焼成金属複合板について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３５０００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の方法では厚さおよそ１ｍｍ以下の多孔質体を製造することが難しく、必要に応じて圧延などにより所望の厚さを得ていたことから、気孔が圧縮され多孔質体の面内方向のガス透過性が悪化することが考えられる。また、スラリー塗布法では、薄い多孔質体を成形することが可能であるが、金属粉末同士を固相結合させるためには、金属粉末が溶融する程度の温度、すなわち焼結の工程が必要であり、設備が大掛かりとなる。【０００６】
そこで、本発明は、薄い金属多孔質体を焼結させずに得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、請求項に記載された発明によって達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、薄い金属多孔質体を焼結させずに得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】金属多孔質体を形成するコールドスプレーシステムの概略図の例。
【図２】比較例の金属皮膜の断面図。
【図３】実施例の金属多孔質体の断面図。
【図４】実施例の金属多孔質体の細孔分布。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態の金属多孔質体は金属粉末と樹脂粉末との混合粉末から形成されるものである。所定の割合で混合された金属粉末と樹脂粉末を、所定の温度に加熱された高圧ガスとともに基材に噴射し堆積させた後、堆積物中の樹脂を除去する。金属粉末と樹脂粉末の粒径は、高圧ガスで噴射可能かつ、基材に堆積可能であれば、適宜調整できる。
【００１１】
以下、図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は金属多孔質体を形成するコールドスプレー装置の構成例を説明する図である。コールドスプレー装置１は高圧ガス供給源１０、高圧ガス供給源１０から供給されるガス圧力を調節するガス制御系１１、粉末を供給するフィーダ１２、ガスを加熱するガスヒータ１３、ガスを高速に加速するノズル１４から構成される。
【００１３】
高圧ガスには、ヘリウム、窒素、空気などを使用することができる。ガス圧力は０．５ＭＰａ以上で可能な限り高い方が高速のガスを得ることができる。ガス制御系１１でガス圧力を高めた後、一部のガスは金属粉末と樹脂粉末とを運ぶためのキャリアガスとしてフィーダ１２に分岐する。残りのガスは作動ガスとしてガスヒータ１３に送られ、金属粉末の融点以下の温度に加熱される。
【００１４】
加熱された作動ガスはノズル１４で高速に加速される。形状としては円筒ノズルを用いても、超音速流を得るためにラバルノズルを用いてもよい。理論的にはガス温度が高く、ガス圧力が高い方がガス音速を大きくできるが、設備上の制限や経済性の観点からも検討する必要がある。
【００１５】
金属粉末と樹脂粉末は、ノズル１４の先端と基材３との間に供給され、ノズル１４内で加速されたガスによって基材３に高速で吹き付けられ、堆積して多孔質体の原形２を形成する。金属粉末と樹脂粉末は、予めＶミキサー混合器等で混合しておいてもよいし、高速ガスに別々に供給してもよい。また、作動ガスの加速前に金属粉末と樹脂粉末を供給し、作動ガスと共に加速させてもよい。
【００１６】
金属粉末と樹脂粉末は噴霧途中で十分に撹拌され、基材３にはランダムに堆積する。堆積した多孔質体の原形２には金属粉末と樹脂粉末が混在している。樹脂粉末は基材３に衝突した際の熱により分解することがあるので、多孔質体の原型２には、樹脂粉末の一部が分解したことによる細孔が存在するが、完全に樹脂を除去して金属多孔質体を形成するために、樹脂の分解温度以上かつ、金属の融点未満の温度で熱処理または、薬品により樹脂を除去する。金属の融点以上で加熱すると、細孔が塞がってしまうので好ましくない。
【００１７】
金属粉末と樹脂粉末を付着堆積させるだけなので、多孔質体の原型２の厚さを自由に調節することができる。原型２から樹脂を除去する際も樹脂が分解するだけなので、発泡とは異なり、原型２と完成体である金属多孔質体の厚さが大きく異なることはない。また、例えば１ｍｍ以下のような所望の厚さの金属多孔質体を形成でき、従来のように金属多孔質体を薄く切断する必要がないので、折角形成した細孔がつぶれることもない。完成した金属多孔質体は、噴霧された金属粉末同士が衝突エネルギーによって塑性変形すると共に固相結合している。金属粉末が塑性変形するほどの大きなエネルギーが加わるので、従来のように焼結させなくても固相結合した十分な強度の金属多孔質体が得られる。
【００１８】
樹脂粉末が除去された部分が細孔となるので、使用する樹脂粉末の粒径に応じたサイズの細孔を作成することができる。複数種の粒径の樹脂粉末を用いることで、異なるサイズの細孔分布を有する金属多孔質体が得られる。また、金属粒子は焼結する場合と異なり、完全に溶融しないので、塑性変形した粉末間に一部隙間が生じる。この隙間と樹脂を除去した際に形成された細孔とがつながることで、細孔が連続した空間経路が形成された金属多孔質体が得られる。
【００１９】
金属の種類は特に問わない。樹脂粉末としては、熱分解性樹脂であればよく、分解温度が低いものが望ましい。コールドスプレーによる成膜は大気中でも行うことができる。
【００２０】
以下、本発明の実施例について述べる。
【実施例】
【００２１】
実施例では、金属粉末に平均粒径３０μｍ、アトマイズ粉の純アルミニウムを用い、樹脂粉末に平均粒径１００μｍのポリスチレンを用いた。表１に実施例Ｎｏ．１〜３と比較例Ｎｏ．４，５の試作条件を示す。金属粉末に対する樹脂粉末の混合割合は、体積割合で１５％、２５％、５０％の３種類であり、基材上に約１ｍｍの厚さとなるように噴霧した。【００２２】
【表１】
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【００２３】
コールドスプレー装置はＤＹＭＥＴ４０３を用いて、ガス圧力０．６ＭＰａの空気を温度２００℃に加熱してノズルに供給した。粉末はノズル入り口部分に供給した。多孔質体を成膜する際に用いる基材が粉末よりも柔らかい場合には粉末と基材とが結合し、密着してしまうことから、金属粉末よりも硬質な基材が望ましい。ここでは基材に炭素鋼を用い、ノズルと基材との間隔は約２０ｍｍとした。そして、成形後の多孔質体原形２を雰囲気温度３００℃で３０分加熱して樹脂粉末を除去した。【００２４】
Ｎｏ．１は樹脂の混合量を体積割合１５％で試作したものである。断面組織から求めた気孔率は約４０％であった。【００２５】
Ｎｏ．２は樹脂の混合量を体積割合２５％で試作したものである。断面組織から求めた気孔率は約６０％であった。図２は組織断面の一部を示す。金属粉末の粒子は噴射方向すなわち、堆積方向に扁平になっているものがある。堆積方向と直行する方向から見た断面組織において、粒子の最小径に対する最大径の比を測定したところ、約５０％が２以上であった。【００２６】
Ｎｏ．３は樹脂の混合量を体積割合５０％で試作したものである。断面組織から求めた気孔率は約８５％であった。【００２７】
Ｎｏ．４は樹脂粉末と金属粉末の混合粉末を厚さ約１ｍｍの楕円形に成形したのち焼成し、樹脂を除去して多孔質体の形成を試みた。しかしながら、焼成後の成形体はひび割れが複数形成され、楕円形を維持できなかった。これは、金属粉末同士が結合していないことにより、焼成時の樹脂の流動により形状が崩れてしまったと考えられ、単に金属粉末と樹脂粉末を混合して成形しただけでは多孔質体を形成することは困難であることがわかる。【００２８】
Ｎｏ．５は樹脂を混合せずに金属粉末のみでコールドスプレー装置により形成した条件である。図３にこの断面組織の一部を示す。この条件ではほとんどの金属粉末が噴射方向に扁平して堆積している。断面組織数か所において、画像処理により気孔率を求めたところ、気孔率は約４％の皮膜が形成された。このため、樹脂粉末を含まずにコールドスプレーをすることでは、高気孔率の多孔質体を形成することは困難であることがわかる。【００２９】
Ｎｏ．１〜３の試作結果より、樹脂の混合割合を増加させるに従い多孔質体の気孔率も増加し、樹脂の混合率を５０％とした条件で、気孔率最大８５％が得られた。気液二相流動環境において、気孔率が小さいと気液流動の圧力損失が高くなる。一方、導電性を必要とする場合には、気孔率が高いほど電気抵抗が高くなると考えられる。これらの点から、導電性が必要な金属多孔質体は気孔率がおよそ６０〜８５％であることが望ましい。これを実現するためには金属粉末に混合する樹脂の体積割合はおよそ２５〜５０％であることが望ましい。【００３０】
Ｎｏ．３で得られた多孔質体を水銀圧入法により細孔径分布を測定し、図４に示す細孔径に対するＬｏｇ微分細孔容積分布を得た。本実施例では、細孔径分布において２０μｍ未満にピークを持つ第一の細孔径群と、２０μｍ以上にピークを持つ第二の細孔径群とを有する多孔質体が得られた。２０μｍ未満にピークを持つ第一の細孔径群は、接している金属粉末同士で形成される隙間（小さい細孔）であり、２０μｍ以上にピークを持つ第二の細孔径群は混合した樹脂粉末が除去されることにより形成される隙間（大きい細孔）である。【００３１】
粒子径５〜５０μｍの金属粉末と、金属粉末の融点よりも分解温度が低く粒子径１００μｍ〜３００μｍの樹脂粉末を用いることで、細孔分布が上記のように異なる多孔質体を形成することができる。細孔の毛管圧力は細孔径に反比例することから、細孔径が小さい方が毛管圧力は大きくなる。気液二相流環境下で利用した場合、毛管圧力が大きくなる細孔径の小さい第一の細孔径群に液体が移動しやすくなる。このため、細孔径分布に一つのピークを持つ多孔質体に比べ、第二の細孔径群では気体がスムーズに流動することができる。【００３２】
上記のとおり、金属多孔質体は、高速のガス流により金属粉末と樹脂粉末を高速に加速し、基材に衝突させて多孔質体を形成するため、衝突エネルギーにより金属粉末同士は固相結合し、樹脂粉末を除去することで気孔率を高めると共に異なる細孔径の分布を持った金属多孔質体を形成することが可能である。導電性や熱伝導性が得られることから、熱交換器や燃料電池ガス拡散層、空気電池正極などに用いた場合、高効率化が期待できる。また、金属粉末同士が形成する相対的に小さな第一の細孔径群と、混入樹脂が形成する相対的に大きな第二の細孔径群といった大きさが異なる２種類の細孔群から構成されることから、毛管力の違いにより気液分離性能を備え、気液分離器や燃料電池の性能向上に効果がある。【００３３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上術した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３４】
１  コールドスプレー装置
２  多孔質体の原型
３  基材
４  金属粉末
５  細孔
１０  高圧ガス供給源
１１  ガス制御系
１２  粉末供給フィーダ
１３  ガスヒータ
１４  ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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