| 研究課題/領域番号 |
18K03846
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
大宮 正毅 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30302938)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | アクチュエータ / 高分子 / 水素吸蔵合金 / パラジウム / 薄膜 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，水素吸蔵合金であるパラジウムを電極とするイオン導電性高分子アクチュエータの創生と，その機械的・電気化学的特性を明らかにすることを目的としている．イオン導電性高分子アクチュエータは，電場を印可することにより，高分子電解質膜の内部に含有された陽イオンが水分子を伴って陰極側へ移動する．これにより電解質膜内部で体積膨張の偏りが生じ屈曲運動を示す．一方，パラジウムは水素吸蔵時に大きな体積膨張を示すため，水和陽イオンの移動とパラジウム電極金属の体積膨張を同時に利用することで，低電力，高出力なアクチュエータを創生することができる．しかし，パラジウムの水素吸蔵・放出に伴う電極金属の劣化，電極/電解質膜界面における機械的・電気的結合状態，水溶液中での電気化学反応など不明な点も多く，本研究では，水素吸蔵型イオン導電性ハイブリッドアクチュエータを製作し，その機械的・電気化学的特性評価を行うことを目的とした．
今年度は，アクチュエータを三層の片持ちはりでモデル化し，パラジウム電極の水素吸蔵に伴い発生する固有ひずみを用いて，片持ちはりに発生する曲げモーメントを導出した．そして，塩化ビニルおよび高分子電解質を基材とし，パラジウム薄膜を電極としたアクチュエータを製作し，種々の電圧を印可した際の試験片先端部の変位から，発生する曲げモーメントを推定した．さらに，アクチュエータに付与される電荷量と水の電気分解により発生する水素量を関連付け，付与した電荷量からアクチュエータの発生曲げモーメントを関連づける実験式を導出した．これによりアクチュエータに与える電荷量から発生力および変形量を見積もることが可能となった．また，発生する曲げモーメントを水素吸蔵起因によるものと，内部イオン移動に起因するものに分離し，発生曲げモーメントへの寄与率を求め，電極厚さや試験片長さによる影響を調査した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では，水素吸蔵合金であるパラジウムを電極とするイオン導電性高分子アクチュエータの創生と，その機械的・電気化学的特性を明らかにすることを目的としている．今年度は，アクチュエータを三層の片持ちはりでモデル化し，パラジウム電極の水素吸蔵に伴い発生する固有ひずみを用いて，片持ちはりに発生する曲げモーメントを導出した．そして，塩化ビニルおよび高分子電解質を基材とし，パラジウム薄膜を電極としたアクチュエータを製作し，種々の電圧を印可した際の試験片先端部の変位から，発生する曲げモーメントを推定した．さらに，アクチュエータに付与される電荷量と水の電気分解により発生する水素量を関連付け，付与した電荷量からアクチュエータの発生曲げモーメントを関連づける実験式を導出した．これより，アクチュエータの電流値から，水の電気分解を利用した水素吸蔵型アクチュエータの発生力および変形量を見積ることが可能となった．また，発生する曲げモーメントを水素吸蔵起因によるものと，内部イオン移動に起因するものに分離し，それぞれの発生曲げモーメントへの寄与率を求め，電極厚さや試験片長さによる影響を調査した．その結果，電極膜厚が薄いほどアクチュエータの変形量は大きくなり，水素吸蔵により発生する曲げモーメントが大きく影響していることがわかった．また，試験片長さによる寄与率への影響は少ないが，試験片長さが短いほうが，水素吸蔵起因の発生モーメントの寄与率が大きく，アクチュエータの電極厚さは薄く，長さは短いほうが効果的であることがわかった．
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| 今後の研究の推進方策 |
イオン導電性高分子アクチュエータの応答に影響を及ぼす因子として，化学的因子と機械的因子がある．今年度，三層片持ちはりを用いて力学モデルを構築し，水の電気分解により発生する水素量と変形特性を関連づけることができたので，今後は，駆動環境によりどのように変化するかを調査する予定である．さらに，電極金属自体の結晶構造と局所機械的強度の把握，電極金属における電気化学反応，結合界面における機械的・電気的特性の変化を明らかにしていく．これらは，長期間アクチュエータ機能を維持し信頼性を確保するためには必要な知見であり，重要な基礎データとなる．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
成果発表として予定していた学会が，中止あるいはオンライン開催となり，旅費を使うことがなかったため，残額が生じた．次年度も旅費としての使用は難しいと思われるため，オンラインでの学会参加費や試験片等の消耗品費として使用する予定である．
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