JP4704376B2 - POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE ACTUATOR AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は、電圧を印加することにより駆動する(湾曲又は変形する)高分子電解質膜アクチュエータ及びその作製方法に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane actuator that is driven (curved or deformed) by applying a voltage, and a manufacturing method thereof.
携帯電話機、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステムのディスプレイ等の小型電子機器にはユーザからの入力デバイスとして、タッチパネル式ディスプレイが用いられている。タッチパネル式ディスプレイは、指等により所定の部分を押圧することにより、機器に信号を入力することのできる入力デバイスを備えたディスプレイである。しかしながら、このタッチパネル式ディスプレイでは、操作者は、入力されたことの確認を入力と同時に発する音や表示画面中の色の変化により知る方法しかない。 A touch panel display is used as an input device from a user in a small electronic device such as a mobile phone, a digital camera, or a car navigation system display. The touch panel display is a display including an input device that can input a signal to an apparatus by pressing a predetermined portion with a finger or the like. However, in this touch panel type display, the operator can only know the confirmation of the input from the sound that is emitted simultaneously with the input or the color change in the display screen.
近年、運転中タッチパネル式ディスプレイを視認するすることのできないドライバや視覚障害者を含む操作者が、ディスプレイを視認することができなくても、アナログスイッチを押したときのように反力の感触を受けるあるいは到達度(達成感)を受けるために、種々のデバイスが提案されている。
このようなデバイスの1つとして利用可能なアクチュエータが提案されている(特許文献1)。特許文献1に記載される高分子アクチュエータは、イオン交換樹脂成形品とこのイオン交換樹脂成形品の表面に絶縁状態で金属電極を備えた構成であり、含水状態において、金属電極間に電位差をかけることで、イオン交換樹脂成形品に湾曲及び変形を生じさせるものである。
この高分子アクチュエータは、イオン交換樹脂成形品に、金属錯体水溶液中で吸着させ、吸着した金属錯体を還元することにより金属を析出させて、イオン交換樹脂成形品内部まで樹枝状の金属電極を形成することによって、金属電極を備えたイオン交換樹脂成形品を構成することができる。金属電極は、樹枝状の電極であるため電極面積が大きくなり、実用的な変位と応力を得ることができると、されている。
In recent years, drivers, drivers who are unable to see the touch panel display during driving, and operators including visually handicapped people can feel the reaction force as if they were pressing an analog switch, even if they were unable to see the display. Various devices have been proposed in order to receive or reach (achievement).
An actuator that can be used as one of such devices has been proposed (Patent Document 1). The polymer actuator described in Patent Document 1 has a configuration in which an ion exchange resin molded product and a metal electrode are provided in an insulating state on the surface of the ion exchange resin molded product, and a potential difference is applied between the metal electrodes in a water-containing state. Thus, the ion-exchange resin molded product is bent and deformed.
This polymer actuator is made to adsorb in an ion exchange resin molded product in a metal complex aqueous solution, and the adsorbed metal complex is reduced to deposit metal to form a dendritic metal electrode inside the ion exchange resin molded product. By doing so, an ion exchange resin molded product provided with a metal electrode can be constituted. Since the metal electrode is a dendritic electrode, the electrode area increases, and it is said that practical displacement and stress can be obtained.
ところが、上記高分子アクチュエータのイオン交換樹脂成形品に設けられる樹枝状の電極は、金属錯体を含む水溶液に浸漬することによって金属錯体を吸着させ、この後、還元剤を用いて金属を樹枝状に析出させて(メッキ処理をして)作製されるので、金属錯体の濃度やメッキ液の温度等の各種条件を制御して金属電極層を一定の厚さに形成することは難しい。金属電極層の厚さが不均一である場合、樹枝状の電極間の距離の短い部分に電界が集中して、又、イオン交換樹脂成形品の曲げ変形により対向する樹枝状の電極同士が接触してショートし、さらには過熱し、これらによる発火の危険が生じ、安全性が損なわれる、といった問題があった。このような問題は、樹枝状の電極を高密度にして金属電極層を大面積にするほど顕著となっている。 However, the dendritic electrode provided in the ion-exchange resin molded article of the polymer actuator adsorbs the metal complex by immersing it in an aqueous solution containing the metal complex, and then uses a reducing agent to form the metal into a dendritic shape. Since it is deposited (plated), it is difficult to control the various conditions such as the concentration of the metal complex and the temperature of the plating solution to form the metal electrode layer with a constant thickness. If the thickness of the metal electrode layer is not uniform, the electric field concentrates on the part where the distance between the dendritic electrodes is short, and the dendritic electrodes facing each other come into contact with each other due to bending deformation of the ion-exchange resin molded product. As a result, there is a problem that short-circuiting occurs, overheating, and there is a risk of ignition due to these, resulting in loss of safety. Such a problem becomes more prominent as the dendritic electrodes are denser and the metal electrode layer is larger.
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータにおいて、ショート及び過熱による発火の危険が生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータを提供するとともに、電極を形成するためのメッキ処理の調整が従来に比べて必要でないアクチュエータの作製方法を提供することを目的とする。 Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention provides a highly safe polymer electrolyte membrane actuator that is less likely to be ignited by a short circuit or overheating in a polymer electrolyte membrane actuator that is driven by applying a voltage. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing an actuator that does not require adjustment of a plating process for forming electrodes.
上記目的を達成するために、本発明は、電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、電解質溶液を含浸した高分子電解質膜により形成されるアクチュエータ層と、前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の異なる面に沿って対向するように設けられ、電圧が印加される一対の電極と、前記一対の電極間に設けられ、前記アクチュエータ層の領域を2領域に分割することで前記一対の電極を分離し、少なくとも多孔質膜を層として含むセパレート層と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides an actuator driven by applying a voltage, wherein the actuator layer is formed of a polymer electrolyte membrane impregnated with an electrolyte solution, and the actuator layer includes the actuator layer. A pair of electrodes provided so as to be opposed to each other along different surfaces of the actuator layer, and provided between the pair of electrodes, and by dividing the region of the actuator layer into two regions. There is provided a polymer electrolyte membrane actuator comprising an electrode and a separate layer including at least a porous membrane as a layer .
その際、前記セパレート層は、前記多孔質膜に高分子電解質膜を被覆した構成であることがより好ましい。又、前記多孔質膜は、軟化点が100℃以下の材料で構成されていることが好ましい。
前記セパレート層は、高分子電解質膜を層として含むことが好ましい。
At that time, before Symbol separation layer is more preferably in the porous membrane is a structure coated with the polymer electrolyte membrane. Moreover, it is preferable that the said porous membrane is comprised with the material whose softening point is 100 degrees C or less.
The separate layer preferably includes a polymer electrolyte membrane as a layer.
さらに、本発明は、電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータの作製方法であって、高分子電解質膜に金属イオンを吸着させる吸着工程と、吸着した前記金属イオンを還元する還元工程と、前記吸着工程及び前記還元工程により、金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜を作製し、この一対の高分子電解質膜の間に、この一対の高分子電解質膜を分離するために多孔質膜を含む膜材を挟んで接合する接合工程と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータの作製方法を提供する。 Furthermore, the present invention is a method for producing a polymer electrolyte membrane actuator driven by applying a voltage, the adsorption step of adsorbing metal ions on the polymer electrolyte membrane, and the reduction step of reducing the adsorbed metal ions In order to separate the pair of polymer electrolyte membranes between the pair of polymer electrolyte membranes, a pair of polymer electrolyte membranes in which metal ions have been reduced are prepared by the adsorption step and the reduction step. It provides a method of making a polymer electrolyte membrane actuator and having a bonding step of bonding across the film material comprising a quality film.
その際、前記吸着工程の前に、前記高分子電解質膜の片側の面に、前記吸着工程及び前記還元工程に用いる処理液の浸透を遮断する保護膜を設ける工程を有し、かつ、前記還元工程と前記接合工程の間に、前記高分子電解質膜から前記保護膜を除去する除去工程を有し、前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記一対の高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合することが好ましい。
あるいは、前記吸着工程の前に、前記高分子電解質膜の片側の面に、前記吸着工程及び前記還元工程に用いる処理液の浸透を遮断する保護膜を設ける工程を有し、かつ、前記還元工程と前記接合工程の間に、前記高分子電解質膜から前記保護膜を除去する除去工程を有し、前記吸着工程及び前記還元工程により作製される金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、一対の高分子電解質膜により保護膜を両側から挟んで予め一体化したものを、前記吸着工程及び前記還元工程により処理し、この後、前記除去工程により金属イオンの還元した一体化した一対の高分子電解質膜から前記保護膜を分離することにより得られたものであり、前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合することが好ましい。
又、前記金属イオンの還元した前記一対の高分子電解質膜は、それぞれの高分子電解質膜の両側の面を前記吸着工程及び前記還元工程の処理面として処理されたものであるのも同様に好ましい。
あるいは、前記吸着工程及び前記還元工程では、1つの高分子電解質膜に対して処理を行い、前記接合工程で用いる前記金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、前記吸着工程及び前記還元工程で処理された前記1つの高分子電解質膜を厚さ方向で2分割に切断することにより作製さるのも同様に好ましい。
At that time, prior to the adsorption step, there is a step of providing a protective film on one surface of the polymer electrolyte membrane to block the penetration of the treatment liquid used in the adsorption step and the reduction step, and the reduction A step of removing the protective film from the polymer electrolyte membrane between the step and the bonding step, wherein in the bonding step, each of the surfaces of the pair of polymer electrolyte membranes from which the protective film has been removed As a bonding surface, it is preferable to bond with the film material interposed therebetween.
Alternatively, prior to the adsorption step, a step of providing a protective film on one surface of the polymer electrolyte membrane to block the penetration of the treatment liquid used in the adsorption step and the reduction step, and the reduction step A pair of polymer electrolyte membranes reduced by metal ions produced by the adsorption step and the reduction step, including a removal step of removing the protective film from the polymer electrolyte membrane between the bonding step and A pair of polymer electrolyte membranes, which are previously integrated with a protective film sandwiched from both sides, are treated by the adsorption step and the reduction step, and then the metal ions are reduced by the removal step. The protective film is obtained by separating the protective film from the molecular electrolyte film, and in the bonding step, each of the surfaces of the polymer electrolyte film from which the protective film has been removed is used as a bonding surface. Preferably bonded across the.
Further, the pair of polymer electrolyte membranes reduced by the metal ions are preferably treated by using the surfaces on both sides of each polymer electrolyte membrane as the treatment surfaces of the adsorption step and the reduction step. .
Alternatively, in the adsorption step and the reduction step, one polymer electrolyte membrane is treated, and the pair of polymer electrolyte membranes reduced in the metal ions used in the joining step are the adsorption step and the reduction step. It is also preferable to produce the polymer electrolyte membrane treated in step 1 by cutting it into two parts in the thickness direction.
前記膜材は、前記金属イオンの還元した前記一対の高分子電解質膜と同じ種類の高分子電界質膜で多孔質膜を被覆したものであることが好ましい。 The membrane material is preferably a porous membrane coated with a polymer electrolyte membrane of the same type as the pair of polymer electrolyte membranes reduced by the metal ions.
本発明の高分子電解質膜アクチュエータは、アクチュエータ層の中に、アクチュエータ層の両側の異なる面に沿って設けられる一対の電極の間に少なくとも多孔質膜を層として含むセパレート層が設けられ、この一対の電極を分離するので、電極間の距離が一定に確保される。このため、電極間の距離の短い部分に電界が集中することがなく、アクチュエータ層が変形しても対向する電極同士が接触してショートし、このショートにより過熱することがない。これより、ショート及び電界の集中による過熱によって発火する危険の生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できる。
さらに、セパレート層の多孔質膜に、軟化点が100℃以下の材料を用いる場合、多孔質膜は、100℃を超えたとき溶け多孔質膜の孔を塞ぐので、イオンの移動を遮断して、アクチュエータとしての機能を停止する。このため、アクチュエータは100℃の高温状態に加熱されることはなく、過熱により発火する危険の生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できる。
In the polymer electrolyte membrane actuator of the present invention, a separate layer including at least a porous membrane as a layer is provided between a pair of electrodes provided along different surfaces on both sides of the actuator layer. Since the electrodes are separated, a constant distance between the electrodes is ensured. For this reason, the electric field does not concentrate on a portion where the distance between the electrodes is short, and even if the actuator layer is deformed, the opposing electrodes come into contact with each other and short-circuit, and the short-circuit does not cause overheating. As a result, a highly safe polymer electrolyte membrane actuator that is less likely to ignite due to short-circuiting or overheating due to electric field concentration can be realized.
Furthermore, when a material having a softening point of 100 ° C. or lower is used for the porous film of the separate layer, the porous film melts and closes the pores of the porous film when the temperature exceeds 100 ° C. The function as an actuator is stopped. Therefore, the actuator is not heated to a high temperature state of 100 ° C., and a highly safe polymer electrolyte membrane actuator that is unlikely to ignite due to overheating can be realized.
さらに、本発明の作製方法では、アクチュエータ層に電極を設けるとき、一対の高分子電解質膜に電極を設けた後、この一対の高分子電解質膜の間に多孔質膜を含む膜材を挟んで接合する。このため、1つの高分子電解質膜の両側からメッキ処理により電極を設ける従来の場合に比べて、電極間の距離が必要以上に接近し、かつ両側の電極同士が接続されて形成されることを懸念する必要が無くなる。したがって、従来に比べて、電極として高分子電解質膜中に形成される金属の析出の程度をコントロールする必要が小さくなる。 Furthermore, in the manufacturing method of the present invention, when an electrode is provided on the actuator layer, an electrode is provided on the pair of polymer electrolyte membranes, and then a membrane material including a porous membrane is sandwiched between the pair of polymer electrolyte membranes. Join. Therefore, compared to the conventional case where electrodes are provided by plating treatment from both sides of one polymer electrolyte membrane, the distance between the electrodes is closer than necessary, and the electrodes on both sides are connected to each other. No need to worry. Therefore, it is less necessary to control the degree of deposition of the metal formed in the polymer electrolyte membrane as an electrode compared with the conventional case.
図1(a)は、本発明の高分子電解質膜アクチュエータ(以降、アクチュエータという)の一実施形態を示す模式断面図である。
図1(a)に示すアクチュエータ10は、高分子電解質膜で形成されるアクチュエータ層12と、アクチュエータ層12の両側の異なる面に沿って設けられ、アクチュエータ層12の両側から電圧を印加する電極15,17と、アクチュエータ層12の領域を、電極15,17に沿って両側(図1(a)中の上側と下側)の2領域に分割するセパレート層18と、電極15,17に電圧を印加する電源20と、電圧の印加を制御するコントローラ22とを、有して構成される。
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a polymer electrolyte membrane actuator (hereinafter referred to as actuator) of the present invention.
An
アクチュエータ層12は、セパレート層18を挟むようにセパレート層18の両側の面に接合して設けられた高分子電解質膜14,16で構成されている。高分子電解質膜14,16は、イオン導電性の材料であれば限定されないが、特にイオン伝導率の点及び耐久性の点からイオン交換樹脂膜を好適に用いることができる。イオン交換樹脂膜は、特に限定されないが、例えば、陽イオン交換樹脂膜、陰イオン交換樹脂膜あるいは両イオン交換樹脂膜が用いられる。この中で、アクチュエータとしての動作の点から、陽イオン交換樹脂膜が好適に用いられる。陽イオン交換樹脂膜の場合、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、フッ素系樹脂等にスルホン酸基、カルボキシル基等の置換基を導入したものが用いられる。陽イオン交換樹脂膜として「ナフィオン」(登録商標、Du Pont社製商品名)や「フレミオン」(登録商標、旭硝子社製商品)が用いられる。又、ベンズイミダゾール骨格を有するイオン交換樹脂膜、あるいはスルホン化ポリエーテルスルホン系イオン交換樹脂膜、ポリアリールエーテル系イオン交換樹脂膜又はスルホン化ポリエーテルエーテルケトン系イオン交換樹脂膜、さらには、ポリイミド系イオン交換樹脂膜等も例示される。
The
電極15,17は、アクチュエータ層12の異なる面に沿って対向するように設けられ、アクチュエータ層12の高分子電解質膜中に、アクチュエータ層12の両側の面から内側に向かって樹枝状に設けられた金属とアクチュエータ層12の表面に形成されたメッキ膜19とからなる電極である。樹枝状の金属は、アクチュエータ層12の両側の面に沿って略一様の厚さで設けられている(図1(a)中のドット領域)。このため、電極15,17は、アクチュエータ層12の高分子電解質膜中に広い電極面積を有する。電極15,17は、イオン吸着を利用して金属イオンを吸着させた後、金属イオンを還元させて金属を析出させる、いわゆるメッキ処理により得られる。電極15,17は、例えば金、白金又はパラジウムで構成される。特に、柔軟性の点から、金を用いることが好ましい。電極15,17の作製方法は後述する。
The
セパレート層18は、電極15,17間に設けられ、アクチュエータ層12の領域を2領域に分割することで電極15,17を物理的に分離する層である。厚さは、1〜50μmである。アクチュエータ10は、アクチュエータ層12に含浸した電解質溶液中のカチオンが高分子電解質膜17の陰極に向かって移動し、この移動に伴って溶媒分子が移動することにより、陰極の側に溶媒が偏在化する。この偏在化した溶媒により、アクチュエータ層12に図1(c)に示すように曲げや変形が生じる。このような作用をさせるために、セパレート層18は、カチオン及び溶媒のみが移動可能であり、アニオンの移動を制限することが好ましい。又、アクチュエータ層12の曲げ変形に追従する柔軟性や屈曲性を有することも必要である。このとき、アクチュエータ10の動作速度を速くするために、セパレート層18は、高分子電解質で活性化した状態のカチオンの導電性を抑制しないものが好ましい。また、アクチュエータ10全体の厚さは、曲げ変形を効率よく行うために、薄いことが好ましく、したがって、セパレート層18も薄いことが好ましい。
The
このようなセパレート層18は、下記3つの形態が挙げられる。
(I)多孔質膜(又はメンブレン膜)で構成した形態、
(II)多孔質膜(又はメンブレン膜)18aの両側に、高分子電解質膜18b,18cを被覆した形態(図1(b)参照)、
(III)高分子電解質膜で構成した形態。
Such a
(I) a form composed of a porous membrane (or membrane membrane),
(II) A form in which
(III) A configuration composed of a polymer electrolyte membrane.
(I)多孔質膜(又はメンブレン膜)で構成した形態
この形態の多孔質膜(又はメンブレン膜)には、電気化学的に安定し、かつ電位窓の大きな材料が好適に用いられる。多孔質膜として、例えば、有機材料であれば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂フィルム、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)やPVDF(ポリフッ化ビニリデン)等のフッ素系樹脂フィルム等が挙げられ、さらには無機材料であれば、ガラス、酸化アルミニウム等が挙げられる。さらに、セパレート層18の表面は親水処理又は疎水処理を施してもよい。多孔質膜の場合、孔の形状は特に限定されないが、カチオンの導電性の点から、空孔率は高いことが好ましい。多孔質膜の形態は、多数の穴があいた膜でもよいし、不織布、織布の構造の膜でもよい。膜材は、アクチュエータ層12の曲げ変形を制限しないように柔軟性を有することが好ましい。
(I) Form comprised of porous membrane (or membrane membrane) A material that is electrochemically stable and has a large potential window is suitably used for the porous membrane (or membrane membrane) of this form. Examples of the porous film include organic resin materials such as polyolefin resin films such as polyethylene and polypropylene, and fluorine resin films such as PTFE (polytetrafluoroethylene) and PVDF (polyvinylidene fluoride). Examples of the inorganic material include glass and aluminum oxide. Furthermore, the surface of the
多孔質膜(又はメンブレン膜)は、一層で構成される他、多層の多孔質膜(又はメンブレン膜)で構成して異なる特性を持たせるようにしてもよい。例えば、機械的強度の高い多孔質膜の両側あるいは片側に柔軟性を有する多孔質膜を積層することで、電極15,17との分離とアクチュエータとしてのイオンの導電性を確保しつつ、機械的強度も確保することができる。
さらに、多孔質膜(又はメンブレン膜)に、アクチュエータ10がショート等により異常発熱し又高温状態となった場合、電極15,17間の導通を遮断するような機能を持たせることができる。例えば、所定の温度、例えば100℃に達した時、素材が溶融する又は軟化する多孔質膜を用いることにより、所定の温度で多孔質膜の孔が塞がり電極15,17間の導通を遮断することができ、異常発熱又は高温状態となったときの安全性を確保することができる。例えば、ポリエチレン等の軟化点が100度以下のものが好適に用いられる。
このようなセパレート層18は、高分子電解質膜14,16との接合面の密着性が良好に接合される。
The porous membrane (or membrane membrane) may be composed of a single layer or a multilayer porous membrane (or membrane membrane) so as to have different characteristics. For example, by laminating a porous film having flexibility on both sides or one side of a porous film having high mechanical strength, the mechanical separation of the
Further, the porous membrane (or membrane membrane) can be provided with a function of interrupting conduction between the
Such a
(II)多孔質膜(又はメンブレン膜)18aの両側に、高分子電解質膜18b,18cを被覆した形態(図1(b)参照)
この形態のセパレート層18の場合、図1(b)に示す高分子電解質膜18b,18cは、アクチュエータ層12の高分子電解質膜14,16と同じ材料の高分子電解質膜が密着性の点から好適に用いられる。この形態のセパレート層18は、上記多孔質膜(又はメンブレン膜)で構成された形態のセパレート層18に比べてアクチュエータ層12との密着性を向上させることができ、曲げ変形を繰り返し行うアクチュエータの耐久性が向上する。
さらに、多孔質膜に高分子電解質膜と同じ材料の高分子電解質膜を被覆した場合、多孔質膜の孔の内部に高分子電解質膜の材料の一部が侵入するので、多孔質膜18aの孔を塞ぎ、メッキ処理により析出した金属の粉が多孔質膜18a中に入り込むのを防ぐ。したがって、アクチュエータ層12の曲げ変形しても、金属の粉によってショートすることはなく、電極15,17間の分離を確実にできる。このため、アクチュエータ10の安全性を確保できる。一方、多孔質膜18aの孔を塞ぐ高分子電解質膜18b、18cは、電解質溶液中のカチオン、アニオンを透過するので、多孔質膜18aの孔の内部に高分子電解質膜18b、18cの材料が侵入してもアクチュエータの動作に不都合はない。
(II) A form in which
In the case of the
Furthermore, when the porous membrane is covered with a polymer electrolyte membrane made of the same material as the polymer electrolyte membrane, a part of the material of the polymer electrolyte membrane penetrates into the pores of the porous membrane. The hole is closed and the metal powder deposited by the plating process is prevented from entering the
(III)高分子電解質膜で構成した形態
この形態の高分子電解質膜は、アクチュエータ層12の高分子電解質膜14,16と同じ材料を用いる。この場合、セパレート層18に用いる高分子電解質膜に電極が形成されないように、後述するように、先にアクチュエータ層12の高分子電界質膜14,16にメッキ処理により電極15,17を設け、この後セパレート層18を挟んで接合する方法で作製される。この形態では、一層の構成のみならず、多層の高分子電解質膜を積層した構成であってもよい。
(III) Form Consists of Polymer Electrolyte Membrane The polymer electrolyte membrane of this embodiment uses the same material as the
電源20は、電極15,17間に所定の電位差を与えるために電圧を印加するもので、DC電源が用いられ、例えばコントローラ22を介して−2〜+2Vの電圧が電極15,17間に印加される。
コントローラ22は、図示されない外部装置からの制御信号に応じて電圧の印加を調整する部分である。
The
The controller 22 is a part that adjusts the application of voltage in accordance with a control signal from an external device (not shown).
このようなアクチュエータ10では、アクチュエータ層12に電解質溶液を含浸させて膨潤させることで、アクチュエータとして活性化される。電解質溶液は、電解塩が溶解して導電性を有するものであればよい。例えば、カチオンとしてリチウムイオンを好適に用いることができる。この他、カチオンとして、ジアルキルイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピペリジニウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリジニウムイオンからなる群から選択されるものも用いることができる。又、アニオンとして、AlCl4 −、BF4 −、ClO4 −、PF6 −、SbF6 −、Cl−、スルホニウムイミドアニオン、(CF3SO2)2N−、(C2F5SO2)2N−からなる群から選択されるものを用いることができる。溶媒として、水や、低揮発性の非水系溶媒、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチレングリコール、グリセリン、スルホラン、ブチロラクトン等の有機溶剤を用いることができる。特に、低揮発性の有機溶剤は、気中動作及び長期的な使用の点から好適である。電解質溶液として、室温でも液体として存在する塩であるイオン性液体、ゲル電解質を使用することもできる。
アクチュエータ10には、溶媒の揮発を防止するために、カバー層(図示されない)を設けることが好ましい。
In such an
The
次に、電極15,17の作製について説明する。
アクチュエータ層12に形成される樹枝状の金属からなる電極15,17は、アクチュエータ層12の高分子電解質膜に対して、金属イオンの吸着処理及び還元処理を行うことにより作製される。すなわち、メッキ処理が行われる。具体的には、(a)〜(e)の5工程を1回以上、例えば3〜5回繰り返すことにより作製される。
(a)洗浄工程
(b)膨潤工程
(c)金属イオンの吸着工程
(d)金属イオンの還元工程
(e)洗浄工程
各工程の一例を挙げると、(a)洗浄工程では、アクチュエータ層12の高分子電解質膜を沸騰純水中で1時間加熱して洗浄する。(b)膨潤工程では、メタノール中で1時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させる。(c)金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に12時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させる。(d)金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させる。(e)洗浄工程では、70℃の純水中に30分浸漬して洗浄する。
Next, production of the
The
(A) Cleaning step (b) Swelling step (c) Metal ion adsorption step (d) Metal ion reduction step (e) Cleaning step An example of each step is as follows. The polymer electrolyte membrane is cleaned by heating in boiling pure water for 1 hour. (B) In the swelling step, the polymer electrolyte membrane is swollen by immersing in methanol for 1 hour. (C) In the metal ion adsorption step, gold ions are adsorbed on the polymer electrolyte membrane by immersing in a gold phenanthroline complex solution as a plating solution for 12 hours. (D) In the metal ion reduction step, a sodium sulfite aqueous solution is permeated into the polymer electrolyte membrane adsorbed with gold ions to reduce the gold ions and deposit gold. (E) In the washing step, washing is performed by immersing in pure water at 70 ° C. for 30 minutes.
このような構成のアクチュエータ10は、電解質溶液を含浸し膨潤させて活性化した状態で電極15,17間に電位差を与えると、イオン交換により電解質溶液中に含まれる多数のプロトンが溶媒分子とともに陰極側に移動することで大きな体積変化を起こす。これにより、図1(c)に示すように曲げ変形が生じる。このとき、電極15,17は、セパレート層18で物理的に分離されるので、曲げ変形が生じても、従来のように樹枝状の電極が接触することはなく、又、電極間の距離も一定以下に接近しないので、電極15,17の厚さの不均一によるショート及びショートによる過熱によって発火する危険が生じない。したがって、電極の厚さを均一にするために、従来のようなメッキ処理の条件を正確にコントロールする必要は無くなる。
In the
次に、アクチュエータ10の作製方法について説明する。
アクチュエータ10の本発明に係る作製方法は、アクチュエータ層12のそれぞれの高分子電解質膜に電極15,17を設けた(メッキ処理をした)後、セパレート層18と一体化する方法である。なお、アクチュエータ10は、この他、セパレート層18をアクチュエータ層12で挟んで一体化した後、メッキ処理にて電極15,17を設ける方法により作製することもできる。以下、アクチュエータ層12のそれぞれの高分子電解質膜に電極15,17を設けた(メッキ処理をした)後、セパレート層18と一体化する方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
The manufacturing method of the
図2(a)〜(c)は、アクチュエータ10の作製方法を説明する図であり、3つの方法、すなわち方法1、方法2、方法3が挙げられている。いずれの方法についても、アクチュエータ層のメッキ処理後、セパレート層を接合する(一体化する)方法である。
方法1では、図2(a)に示されるように、電極の設けられていない高分子電解質膜14’,16’が用意される。この一対の高分子電解質膜14’,16’は、それぞれ上述した電極の作製方法(メッキ処理)で電極15,17が設けられる。
この後、セパレート層18となる膜材の両側から電極15,17の設けられた高分子電解質膜14,16がホットプレス又は接着等により接合されて高分子電解質膜14、セパレート層18となる膜材及び高分子電解質膜16が一体化される。
FIGS. 2A to 2C are diagrams for explaining a method of manufacturing the
In Method 1, as shown in FIG. 2A,
Thereafter, the
メッキ処理では、高分子電解質膜14’,16’の両側の面からメッキ処理を行う方法の他、図3に示すように、高分子電解質膜14’,16’の片側の面にメッキ液の浸透を遮断する保護膜30を設けた状態で片側の面からメッキ処理を行う、すなわち、片側メッキ処理を行うことができる。保護膜30は、メッキ処理後、剥離された後、剥離された面はセパレート層18との接合面としてセパレート層18となる膜材と接合され一体化される。保護膜30は、特に限定されないが、メッキ液や還元剤や膨潤工程で用いる液に対して耐性を有することが好ましく、又高分子電解質膜14,16から容易に剥離できることが好ましい。保護膜30として、例えばテフロン(登録商標)フィルムが好適に用いられる。保護膜30を用いてメッキ処理を行うことで、保護膜30を設けていない片側の面からメッキ処理が進行するので、この片側から樹枝状の金属の密度が他方の面に向かってなだらかに減少する電極を形成することができる。このため、高分子電解質膜14’,16’の両側の面に金属が偏在した電極の形成を防止することができる。
In the plating process, in addition to the method of performing the plating process from both sides of the polymer electrolyte membranes 14 'and 16', as shown in FIG. 3, the plating solution is applied to one side of the polymer electrolyte membranes 14 'and 16'. Plating can be performed from one surface with the
一方、保護膜30を用いることなく高分子電解質膜14’,16’の両側からメッキ処理をする場合、すなわち、両側メッキ処理の場合、メッキ処理後にセパレート層18となる膜材を接合するので、従来のようにメッキ速度等をコントロールする必要が小さく、メッキ処理を十分に行えばよく、作製が容易である。又、高分子電解質膜14’,16’の両側の面からメッキ処理を行うので、セパレート層18となる膜材と接合した側(電極下部側)まで、高密度にかつ広い面積で電極を形成することができる。これにより、アクチュエータの高速の応答と大変形が可能となる。従来の方法では、高分子電解質膜を両側からメッキ処理し、しかも、セパレート層のない構成であるので、電極間のショートを防止する点から、電極下部側、すなわち、高分子電解質膜の内部まで高密度に電極を形成することはできない。このため、広い電極面積を設けることができない。
On the other hand, when plating is performed from both sides of the
方法2では、図2(b)に示されるように、高分子電解質膜14,16の合計の厚さを有する高分子電解質膜に対して両側メッキ処理を十分に行い、この後、厚さが半分になるように厚さ方向で2分割に切断することで、一対の高分子電解質膜14,16が作製される。この後、セパレート層18となる膜材の両側から電極15,17の設けられた高分子電解質膜14,16がホットプレス又は接着等により接合されて高分子電解質膜14、セパレート層18となる膜材及び高分子電解質膜16が一体化される。メッキ処理では、高分子電解質膜の内部の中心部まで緻密にメッキすることにより、高分子電解質膜を2分割したときの片側の電極の下側まで、高密度の樹枝状の電極を得ることができる。高分子電解質膜14,16の内部に薄い金属層が部分的に形成されることがないので、通電時の抵抗が高くなることがない。このため、アクチュエータの印加電圧の上昇を抑えることができる。
In Method 2, as shown in FIG. 2 (b), both sides of the polymer electrolyte membrane having the total thickness of the
方法3では、図2(c)に示されるように、剥離可能な保護膜22を高分子電解質膜14’,16’で挟んで貼着して一体化し、この後、一体化された高分子電解質膜14’,16’の外側の面から片側メッキ処理により電極15,17が設けられる。保護膜22は剥離されて一対の高分子電解質膜14,16が得られる。この後、電極15,17の設けられた高分子電解質膜14,16が、保護膜30の剥離された面を接合面として、セパレート層18となる膜材の両側を挟むようにホットプレス又は接着等により接合されて一体化される。この片側メッキ処理では、同時に一対の電極の設けられた高分子電解質膜を作製することができるので、生産効率の点で有効である。
In Method 3, as shown in FIG. 2 (c), the peelable protective film 22 is sandwiched between the
このように、方法1〜3のいずれの場合についてもアクチュエータ層のメッキ処理後、セパレート層を接合する(一体化する)ので、メッキ処理のコントロールの必要性が低下する。したがって、大面積の電極を設けたアクチュエータを容易に作製することができる。また、電極間の距離をセパレート層で一定に保つので、電界の集中が無くなり、大面積のアクチュエータを作製した際に、動作ばらつきが小さくなる。 As described above, in any of the methods 1 to 3, since the separate layer is joined (integrated) after the actuator layer is plated, the necessity of controlling the plating process is reduced. Therefore, an actuator provided with a large-area electrode can be easily manufactured. Further, since the distance between the electrodes is kept constant by the separate layer, the concentration of the electric field is eliminated, and the operation variation is reduced when a large-area actuator is manufactured.
〔実施例〕
以下、アクチュエータ10を上記種々の方法を用いて作製して、アクチュエータとして機能するか否かを確認した。
アクチュエータ10の作製方法は下記表1に示す。
表1中の「ナフィオン」(登録商標)はDu Pont社製商品名、フッ素系陽イオン交換樹脂膜であり、パーフルオロスルホン酸/PTFEコポリマーの膜である。
又、表1中のPVDFはポリフッ化ビニリデン、PEはポリエチレンを意味する。
さらに、表1中の「ナフィオン」(登録商標)をキャストとは、「ナフィオン」(登録商標)の20%エタノール溶液をスラリーとして、キャスト法を用いて膜を形成したことを意味する。表1中の「ナフィオン」(登録商標)のエタノール溶液による接着とは、「ナフィオン」(登録商標)のエタノール溶液を接着剤として用いたことを意味する。表1中の「ホットプレス」は、150℃、250MPaの条件による接合である。
〔Example〕
Hereinafter, the
The manufacturing method of the
“Nafion” (registered trademark) in Table 1 is a trade name, a fluorinated cation exchange resin membrane manufactured by Du Pont, and a membrane of perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer.
In Table 1, PVDF means polyvinylidene fluoride and PE means polyethylene.
Furthermore, “cast Nafion” (registered trademark) in Table 1 means that a 20% ethanol solution of “Nafion” (registered trademark) was used as a slurry to form a film using a casting method. The adhesion of “Nafion” (registered trademark) with an ethanol solution in Table 1 means that an ethanol solution of “Nafion” (registered trademark) was used as an adhesive. “Hot press” in Table 1 is joining under conditions of 150 ° C. and 250 MPa.
No.1〜No.7は上述した方法、すなわち、アクチュエータ層12のそれぞれの高分子電解質膜に電極15,17を設けた後、セパレート層18と一体化する方法でアクチュエータ10を作製した実施例である。No.8は、従来のアクチュエータ、すなわち、セパレート層18の無い構成で作製された従来例である。
No. 1-No. 7 is an example in which the
No.1〜4は、「ナフィオン」(登録商標)/「ナフィオン」(登録商標)/PVDF/「ナフィオン」(登録商標)/「ナフィオン」(登録商標)の構成であり、このうち、セパレート層18は「ナフィオン」(登録商標)/PVDF/「ナフィオン」(登録商標)の層構成である。No.5は、「ナフィオン」(登録商標)/PVDF/「ナフィオン」(登録商標)の構成であり、No.6は、「ナフィオン」(登録商標)/PE/「ナフィオン」(登録商標)の構成である。No.7は、「ナフィオン」(登録商標)/「ナフィオン」(登録商標)/「ナフィオン」(登録商標)の構成である。
No.2では、両側メッキ処理を行ったが、このときの電極の形成を確認するために、断面を顕微鏡観察したところ、両側から成長した樹枝状の金属が延びて繋がっていることが確認された。このとき、1cm×1cmの正方形の膜の両側間の抵抗は、約1オームであった。
No. 1-4 are configurations of “Nafion” (registered trademark) / “Nafion” (registered trademark) / PVDF / “Nafion” (registered trademark) / “Nafion” (registered trademark). It is a layer structure of “Nafion” (registered trademark) / PVDF / “Nafion” (registered trademark). No. No. 5 is a configuration of “Nafion” (registered trademark) / PVDF / “Nafion” (registered trademark). Reference numeral 6 denotes a configuration of “Nafion” (registered trademark) / PE / “Nafion” (registered trademark). No. Reference numeral 7 denotes a configuration of “Nafion” (registered trademark) / “Nafion” (registered trademark) / “Nafion” (registered trademark).
No. In No. 2, both-side plating treatment was performed, and in order to confirm the formation of the electrode at this time, when a cross section was observed with a microscope, it was confirmed that the dendritic metal grown from both sides was extended and connected. At this time, the resistance between both sides of the 1 cm × 1 cm square film was about 1 ohm.
No.1〜8のアクチュエータのメッキ処理は、上述の(a)洗浄工程〜(e)洗浄工程を5回繰り返して、電極を形成した。このとき、(a)洗浄工程では、アクチュエータ層12の高分子電解質膜を沸騰純水中で1時間加熱して洗浄した。(b)膨潤工程では、メタノール中で1時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させた。(c)金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に12時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させた。(d)金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させた。(e)洗浄工程では、70℃の純水中に30分浸漬して洗浄した。
こうして作製されたアクチュエータのアクチュエータ層に過塩素酸リチウム溶液を浸透させイオン交換を行わせてアクチュエータを活性化させた。電極に−2〜+2Vの電位を与えて掃引することにより、アクチュエータを動作させた。
No. In the plating process of the actuators 1 to 8, the above-described (a) cleaning process to (e) cleaning process were repeated five times to form electrodes. At this time, in the (a) washing step, the polymer electrolyte membrane of the
The actuator layer of the actuator thus manufactured was infiltrated with a lithium perchlorate solution to perform ion exchange to activate the actuator. The actuator was operated by applying a potential of −2 to +2 V to the electrode and sweeping.
No.1のアクチュエータ(実施例)は、No.8のアクチュエータ(従来例)と比較して、アクチュエータがショートせず、円滑にかつ安定して作動することが確認できた。
No.2のアクチュエータ(実施例)は、ショートせず、円滑にかつ安定して作動し、しかも、No.1のアクチュエータと比較して、大きな変形、曲げが生じることが確認できた。
No.3のアクチュエータ(実施例)は、ショートせず、円滑にかつ安定して作動し、しかも、No.2のアクチュエータと比較して、さらにより大きな変形、曲げが生じることが確認できた。
No.4のアクチュエータ(実施例)は、No.1のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
No.5のアクチュエータ(実施例)も、No.1のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
No.6のアクチュエータ(実施例)のセパレート層18はPEからなる多孔質膜であり、軟化温度が100℃以下であることから、100℃の温度雰囲気で5分間放置させたところ、アクチュエータの電極間の抵抗は無限大となり、電極間が遮断されることが確認できた。さらに、No.1のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
No.7のアクチュエータ(実施例)は、No.1のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
以上より、No.1〜7は、いずれもショートせず滑らかな動作をするので、ショートによる発火の危険及びショートにより生ずる過熱による発火の危険が生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できることがわかった。
又、No.6では、100℃の温度雰囲気で、アクチュエータの電極間が遮断されるので、過熱による発火の危険が生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できることがわかった。
No. No. 1 actuator (Example) is No. 1. It was confirmed that the actuator did not short-circuit and operated smoothly and stably as compared with the actuator of No. 8 (conventional example).
No. No. 2 actuator (Example) operates smoothly and stably without short-circuiting. Compared to the actuator No. 1, it was confirmed that large deformation and bending occurred.
No. No. 3 actuator (Example) operates smoothly and stably without short-circuiting. As compared with the actuator of No. 2, it was confirmed that even greater deformation and bending occurred.
No. No. 4 actuator (Example) is No. 4. It was confirmed that the actuator operated smoothly without short-circuiting as with the actuator No. 1.
No. No. 5 actuator (example) is also No. It was confirmed that the actuator operated smoothly without short-circuiting as with the actuator No. 1.
No. The
No. No. 7 actuator (Example) is No. 7. It was confirmed that the actuator operated smoothly without short-circuiting as with the actuator No. 1.
From the above, no. 1 to 7 all operate smoothly without short-circuiting, and it has been found that a highly safe polymer electrolyte membrane actuator can be realized that is less likely to ignite due to short-circuit and overheat caused by short-circuit. .
No. In No. 6, since the electrodes of the actuator were cut off in a temperature atmosphere of 100 ° C., it was found that a highly safe polymer electrolyte membrane actuator that is unlikely to ignite due to overheating can be realized.
以上、本発明の高分子電解質膜アクチュエータ及びその作製方法について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 As described above, the polymer electrolyte membrane actuator and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course.
10 高分子電解質膜アクチュエータ
12 アクチュエータ層
14,16 高分子電解質膜
15,17 電極
18 セパレート層
18a 多孔質膜
18b,18c 高分子電解質膜
19 メッキ膜
20 電源
22 コントローラ
30 保護膜
DESCRIPTION OF
Claims (9)
電解質溶液を含浸した高分子電解質膜により形成されるアクチュエータ層と、
前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の異なる面に沿って対向するように設けられ、電圧が印加される一対の電極と、
前記一対の電極間に設けられ、前記アクチュエータ層の領域を2領域に分割することで前記一対の電極を分離し、少なくとも多孔質膜を層として含むセパレート層と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータ。 An actuator driven by applying a voltage,
An actuator layer formed by a polymer electrolyte membrane impregnated with an electrolyte solution;
A pair of electrodes provided in the actuator layer so as to face each other along different surfaces of the actuator layer, to which a voltage is applied,
A separation layer that is provided between the pair of electrodes and separates the pair of electrodes by dividing the region of the actuator layer into two regions and includes at least a porous film as a layer. Molecular electrolyte membrane actuator.
高分子電解質膜に金属イオンを吸着させる吸着工程と、
吸着した前記金属イオンを還元する還元工程と、
前記吸着工程及び前記還元工程により、金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜を作製し、この一対の高分子電解質膜の間に、この一対の高分子電解質膜を分離するために多孔質膜を含む膜材を挟んで接合する接合工程と、
を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。 A method for producing a polymer electrolyte membrane actuator that is driven by applying a voltage,
An adsorption process for adsorbing metal ions to the polymer electrolyte membrane;
A reduction step for reducing the adsorbed metal ions;
Wherein the adsorption step and the reduction step, to produce a pair of polymer electrolyte membrane the reduced metal ions, between the pair of the polymer electrolyte membrane, a porous membrane to separate the pair of the polymer electrolyte membrane A bonding step of bonding with a film material including
A method for producing a polymer electrolyte membrane actuator, comprising:
前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記一対の高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合する請求項4に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。 Before the adsorption step, the method includes a step of providing a protective film on one surface of the polymer electrolyte membrane to block the penetration of the treatment liquid used in the adsorption step and the reduction step, and the reduction step and the During the bonding step, it has a removal step of removing the protective film from the polymer electrolyte membrane,
5. The method for producing a polymer electrolyte membrane actuator according to claim 4 , wherein in the joining step, the surfaces of the pair of polymer electrolyte membranes from which the protective film has been removed are used as joining surfaces and the membrane material is sandwiched therebetween.
前記吸着工程及び前記還元工程により作製される金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、一対の高分子電解質膜により保護膜を両側から挟んで予め一体化したものを、前記吸着工程及び前記還元工程により処理し、この後、前記除去工程により金属イオンの還元した一体化した一対の高分子電解質膜から前記保護膜を分離することにより得られたものであり、
前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合する請求項4に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。 Before the adsorption step, the method includes a step of providing a protective film on one surface of the polymer electrolyte membrane to block the penetration of the treatment liquid used in the adsorption step and the reduction step, and the reduction step and the During the bonding step, it has a removal step of removing the protective film from the polymer electrolyte membrane,
The pair of polymer electrolyte membranes reduced by metal ions prepared by the adsorption step and the reduction step are integrated in advance by sandwiching a protective film from both sides by a pair of polymer electrolyte membranes. It was obtained by separating the protective membrane from a pair of integrated polymer electrolyte membranes treated with a reduction step and then reduced with metal ions by the removal step.
5. The method for producing a polymer electrolyte membrane actuator according to claim 4 , wherein in the joining step, each of the surfaces of the polymer electrolyte membrane from which the protective film has been removed is used as a joining surface and the membrane material is sandwiched therebetween.
前記接合工程で用いる前記金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、前記吸着工程及び前記還元工程で処理された前記1つの高分子電解質膜を厚さ方向で2分割に切断することにより作製されたものである請求項4に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。 In the adsorption step and the reduction step, one polymer electrolyte membrane is treated,
The pair of polymer electrolyte membranes reduced in the metal ions used in the joining step is prepared by cutting the one polymer electrolyte membrane treated in the adsorption step and the reduction step into two parts in the thickness direction. The method for producing a polymer electrolyte membrane actuator according to claim 4 .
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