＜参考資料＞
新エネルギー技術入門足立

日経エレクトロニクス

No.807号

シリコーンハンドブック

芳寛

伊藤

邦雄

ゴム工業便覧（新版）日本ゴム協会
株式会社スリーボンド研究所

開発部（岡山分室） 素材開発課

足立

守

金子

宏一

スリーボンド･テクニカルニュース
平成 15 年 １ 月 １ 日 発 行

60

燃料電池用シール剤「ThreeBond1152, ThreeBond1153」
写真２, TB1152のFIPG塗布例

はじめに
昨今の自動車産業界を取り巻く課題に、地球温暖化防止を目的とするCO 2 排出総量の削減、石油資源の枯渇に対する代替エネルギーの開発、都市の大気環境悪化への対応などがあり、石油代
替エネルギーの利用、省エネルギー・高効率化及び低公害化の自動車用原動機が要求されている。
燃料電池はエネルギー効率が高く、また環境に優しいことから、新しいエネルギー源として注目されている。特に固体高分子形燃料電池は、比較的低い温度で運転することができ、また電流密度が高いことから、小型化、高出力化を図ることができ、次世代自動車の新たな動力源と見なされている。
スリーボンドでは、固体高分子形燃料電池の高いポテンシャルが、次世代自動車の新たな動力源を実現するとの判断から、燃料である水素を確実にシールするための材料の研究、開発及びシール工法の確立を行ってきた。
本稿では燃料電池用シール剤「ThreeBond1152」、「ThreeBond1153」の性能と特性を中心に説明を行う（以下 "ThreeBond" を "TB" と略す）。

写真３, セパレーター（疑似）上へのTB1153のCIPG加工例

６，おわりに最近のマスコミ報道をみると、「固体高分子形燃料電池」を搭載した自動車は2003年にも限定的ではあるが販売されようとしている。またそのポテンシャ
ルの高さから、ノート・パソコン、携帯電話、PDAなどの携帯機器への搭載も検討され始め、テクノロ
ジーのブレイクスルーや開発競争が激化することが予想される。
スリーボンドは長年培ってきたシール技術と新素目材であるTB1152、TB1153を駆使し、難易度の高い

はじめに ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥１

水素のガスシール技術を確立し、燃料電池の普及に寄与していきたいと考える。

企編

画 株式会社
編集室
集 東京都渋谷区恵比寿1-18-15
電話

発

8

スリーボンドビル2F
03(5447)5333

行 株式会社 スリーボンド
東京都八王子市狭間町1456
電話 0426(61)1333㈹次４, 漏れの機構と各種ガスケット材比較‥‥４

１, 燃料電池の原理とその種類 ‥‥‥‥‥‥‥２

５, TB1152、TB1153の特性‥‥‥‥‥‥‥５

２, 燃料電池の構成 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥２

６, おわりに ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥８３, 燃料電池用シール剤の要求性能 ‥‥‥‥‥２

1

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

試料:TB1152 試験条件: 100℃ pH=1,H2SO 4水溶液

１，燃料電池(FC:Fuel Cell)の原理とその種類

5

引張強さ(MPa)

燃料電池(FC:Fuel Cell)とは、ガソリンや天然ガス等から改質して得られた水素(H2)を主燃料として、この水素(H2)が酸素(O2)と化学反応したときのエネルギーを電力として取り出す新しい発電システムである(図−1参照)。発電効率が30〜60%で、既存のガソリン・

4
3
2
1

エンジンやディーゼル・エンジンなどの内燃機関と比0

較して効率が高く、CO2などの排出物をほとんど排出

0

1000

2000

3000

試料:TB1152 試験条件: 100℃ pH=1,H2SO 4水溶液
1.00E- 14
8.00E- 15
6.00E- 15
4.00E- 15
2.00E- 15
0.00E+00

0

1000

2000

時間( h)

時間(h)しないため、環境にやさしい次世代の発電システムと図−７, 耐酸性（引張り強さ）

図−１, 燃料電池の原理

して注目を浴びている。

3000

図−11, 耐酸性（水素ガス透過係数）

現在開発が進められている燃料電池は、使用する電5能で、70〜100℃という比較的低温で作動できること

燃料極：H2→2H+＋2e空気極：1/2O2＋2H+＋2e-→H2O

から、自動車用電源、家庭用電源や可搬用電源として

全反応：H2＋1/2O2→ H2Oの中で「固体高分子形」燃料電池は、小型軽量化が可

開発競争が激化している。

引張強さ(MPa)

解質形、固体高分子形に分類される(表−1参照)。こ一般的に単セル当たりの電圧として0.7V程度の直２，燃料電池の構成によって数kW〜200kW級スタックの開発が精力的に「固体高分子形燃料電池」の構成は、両面に白金系行われている。

43210流電圧を得ることができ、100 枚程度貼り合せること

0

20

40

60

80

100

部より供給し、化学反応させることで起電力を得る。

る単セルを積み重ねた構造（スタック）をとる（図−特に燃料ガスとして用いられる水素(H2)は、分子量が2参照）。このスタックに外部より水素(H 2 )と酸素

小さく、無色、無臭の可燃性のガスであるため、僅か(O2)を供給し、水の電気分解反応と逆の反応を起こすな隙間からでも漏れやすく、また広い混合範囲で、小ことで、外部回路に電流を取り出す。これらの反応をさな火花でも着火することから、単セル間には高い

6.00E- 15
4.00E- 15
2.00E- 15
0.00E+00

0

20

40

4
3
2
1
0

0

1000

2000

3000

6 .0 0 E- 1 5
4 .0 0 E- 1 5
2 .0 0 E- 1 5
0 .0 0 E+0 01000

図−13, 耐熱性（水素ガス透過係数）

試料:TB1152 試験条件: - 30℃×2h⇔100℃×2h

試料:TB1152 試験条件: - 30℃×2h ⇔100℃×2h

Solid Oxide Fuel Cell

Polymer Electrolyte Fuel Cell

電解質膜
作動温度
燃料
発電効率
特徴
主な用途

リン酸水溶液200℃
改質水素(天然ガス等)
35〜45%
比較的低温で作動

Li-Na 系炭酸塩
650〜700℃
天然ガス、LP ガス
45〜60%
高発電効率

ジルコニア系セラミック

900〜1000℃
天然ガス、LP ガス
45〜65%
高発電効率

高分子膜
70〜100℃
30〜40%
低温作動、小型化可

コージェネレーション、
分散型電源

大規模火力発電代替、
コージェネレーション

中規模火力発電代替、
コージェネレーション

自動車用電源、家庭用ｺｰｼﾞｪﾈﾚｰｼｮﾝ、可搬用電源

純水素、改質水素

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

固体高分子形 (PEFC)

Molten Carbonate Fuel Cell

5
4
3
2
1
0

0

1000

2000

時間(h)
図−10, 耐冷熱性（引張り強さ）

2

2000

3000

時 間 ( h)

図−９, 耐熱性（引張り強さ）

引張強さ(MPa)

溶融炭酸塩形 (MCFC) 固体電解質形 (SOFC)

100

8 .0 0 E- 1 50

表−１, 燃料電池の種類
リン酸形 (PAFC)80

1 .0 0 E- 1 4

時間(h)Phosphonic Acid Fuel Cell

60

試料:TB1152 試験条件: 110℃×100%RH

5

引張強さ(MPa)

セパレーター、それぞれをシールするシール剤からな

8.00E- 15

図−12, 耐湿性（水素ガス透過係数）

試料:TB1152 試験条件: 100℃

３，燃料電池用シール剤の要求性能
燃料電池は反応ガスである水素(H2)と酸素(O2)を外

1.00E- 14時間(h)図−８, 耐湿性（引張り強さ）

Electrode Assembly)と、反応ガスの供給溝を形成した

試料:TB1152 試験条件: 110℃×100%RH

時間(h)

触媒を担持してある電解質膜を、燃料電極板と空気電極板でサンドイッチした複合体(MEA:Membrane and

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

試料:TB1152 試験条件: 110℃×100%RH

式で表すと以下のようになる。

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

解質の種類により、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電3000

1 .0 0 E- 1 4
8 .0 0 E- 1 5
6 .0 0 E- 1 5
4 .0 0 E- 1 5
2 .0 0 E- 1 5
0 .0 0 E+0 0

0

1000

2000

3000

時間(h)
図−14, 耐冷熱性（水素ガス透過係数）7

TB1152、TB1153は従来のシール剤として一般的な

ガスバリア性を持つシール剤が要求される。

TB1152シリコーン系シール剤と比較して、水素（H 2）ガスTB1153

透過度は20分の1、湿度透過度は100分の1程度で、非固体高分子形燃料電池は電解質にイオン伝導性の固体高分子膜（陽イオン交換膜）が用いられる。この膜はフッ素系の樹脂を主鎖に持ちプロトン（H + ）を付

常に優れたガスバリア性を有している。

加することのできるスルホン酸基（SO3-）を側鎖に持

また各環境下における耐性をみると、ダンベル物性による引張り強度は、耐酸性（図−7参照）、耐湿性（図つ構造になっている。（図−３参照）。

−8参照）、耐熱性（図−9参照）、耐冷熱性（図−10

写真１, TB1152、TB1153 シート硬化物

この固体高分子膜は水分を吸収して初めてスルホン

参照）のいずれにおいても、強度の低下は認められず、酸基間の連絡がとれてプロトン伝導性を示す性質があ

長期に渡り安定したゴム物性を保つことができる。同る。このため反応ガスを加湿してプロトン伝導性を維様に水素（H2）ガス透過性（図−11、12、13、14参照）

持する必要性があり、膜を保湿できる100℃前後で作も大きな変化がなく、ガスバリア性も高い信頼性を持っ水素ガス透過係数ている。

動される。またこの際セル内部は側鎖のスルホン酸基の影響を受け、強酸下（pH=1〜2）にさらされること

透湿度

になる。

最後にシール剤からの溶出イオンの測定結果を表−4に示す。結果としてイオン溶出（特に重金属系）はこれによりシール剤には、高分子膜を機能させるの確認されないことから、固体高分子形燃料電池の心臓に必要な水蒸気を外部に漏らさない低透湿性、さらに部である電解質膜の機能に対し、大きなダメージを与はそれら作動環境に対する、耐酸性、耐湿性および耐えることはないと判断される。

熱性を併せ持つことが必要となる。

各燃料電池メーカーのスタック開発状況や製造工程

図−６, 水素ガス透過係数、透湿度相対比較に対応できるように、TB1152はFIPG用、TB1153はCIPG用の設計を行った。両者の違いは、TB1153（CIPG

表−４, 溶出イオン測定結果用）はTB1152（FIPG）よりもシール剤の物理特性抽出条件：pH＝1,H2SO4水溶液,100℃×100h

を上げ、圧縮永久歪み特性を向上させることで、圧縮

イオン種
Mg
Al
Si
Cr
Mn
Fe
Ni

シール特性の改良を図った。それぞれの塗布イメージを示す（写真2、3参照）。

外観
粘度
比重
ｶﾞﾗｽ転移点
硬さ
引張り強さ
伸び率
体積固有抵抗H2 ｶﾞｽ透過係数
透湿度(40℃×95%RH)
25% 圧縮永久歪み(120℃×100h)6

表−３, TB1152、TB1153
TB1152単位(FI PG 用)
−
乳白色
828
Pa･s
−
0.93
− 67.2
℃
A
35
MPa
3.0
%
315
Ω･m
2.6×1014
7.2×10-15
mol･m/m2･s･Pa

判定確度
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND

一般特性
TB1153(CI PG 用)
グレー
1110
1.00
− 67.454
4.1
140
3.7×1014
9.6×10-15

イオン種 判定確度
Cu
ND
Zn
ND
Ag
ND
Cd
ND
Sn
ND
Hg
ND
Pb
ND
*ND: Not Detected

またシール剤からのイオン溶出（特に重金属系）も、

図−３, フッ素系イオン交換膜の構造
け少ないものが望まれる。

できるだけ少ないものが良いとされる。その理由とし燃料電池は単セルから直流電圧を得るため、セパレーて、シール剤からの溶出イオンは、前述した高分子膜

ター間に電気絶縁性が必要である。さらに自動車用、のスルホン酸基をアタックし、プロトン伝導性に悪影

可搬用燃料電池へのシール剤を考慮した場合、振動、響を及ぼす点、二つ目に溶出イオンは、水素酸化、酸衝撃等を吸収するためにゴム弾性体であることが望ま

素還元させる高分子膜上の白金系触媒を失活させる点

しい。

が挙げられる。いずれの場合も、単セルの起電力を低下させ、燃料電池システム全体の機能低下を招く恐れ

以上を総括し燃料電池用シール剤に要求される特性を要約する。

がある。従ってシール剤からの溶出イオンはできるだ

試験方法
3TS-201-01
3TS-210-03
3TS-213-02
3TS-501-04
3TS-215-01
3TS-320-01
3TS-320-01
3TS-401-01
JIS K 7126

g/m2/24h

3.5

0.21

JIS Z 0208

%

35

19

JIS K 6262

MEA

図−２, 燃料電池の構成
3表−２, 各ガスケット材比較

・高いガスバリア性・・・水素（H2）、酸素（O2）のガスシールのため。
・低透湿性・・・高分子膜が水蒸気飽和状態で機能し、セル内の保湿のため。
・耐酸性・・・高分子膜が水蒸気飽和状態で機能す

液状ガスケット
液状
ガスケット

固形ガスケット
固形ガスケット

FIPG(Formed I n Place Gasket)

CIPG(Cured I n Place Gasket)

両面密着

両面接着

片面密着/片面接着

高
高
高
必要
○
×

低
低
低
不必要
×
○

高
高
高
必要
○
○

シール方法

る際、セル内が強酸性条件になるため。
・耐湿性・・・高分子膜が機能する際、水蒸気飽和

シール剤寸法精度
フランジ面精度
面圧
圧縮永久歪み取り外し性
ライン化

環境になるため。
・耐熱性・・・高分子膜が機能する環境のため。
・低イオン溶出性・・・高分子膜のプロトン伝導性を損なわせないためと、高分子膜上の白金系触媒を被毒させないため。

図−４, 漏れの種類

・電気絶縁性・・・単セル間の電気的短絡を防ぐた
一方液状ガスケットは、液状であるため接合面の凹

イントになる。また、シール構造を小さくできることは、

TB1152、TB1153は両末端にアリル基を有するポリ・ゴム弾性体・・・振動・衝撃を吸収するため。

凸を充填する効果、接合面と密着する効果などにより結果として燃料電池の発電効率を上げることにつながり、

イソブチレン主鎖のテレケリックポリマーを主成分と・その他・・・冷却液に対する耐性、メタノール改質

シール性を発揮する。形態としてウェットタイプのシステム全体の小型化に寄与することができる。

し、触媒存在下、加熱によりSiH基含有硬化剤と付加やダイレクトメタノール形燃料電池（DMFC:Direct

FIPG ( Formed In Place Gasket ) とドライタイプのMethanol Fuel Cell）を想定した場合の耐メタノール

CIPG ( Cured In Place Gasket ) の二つがある。

め。

性。

（1）FIPG(Formed In Place Gasket)

また固形ガスケット（含むCIPG）は接合面の剛性と面圧への依存度が非常に大きいため、組み付け直後

重合・架橋してシール剤を形成する（図−5参照）。それぞれの性状および一般特性を表−3に示す。

からクリープが発生、シール面圧が低下する。特に熱ゴムにおいて、分子回転のしにくい、また分子間相

シール面（フランジ面）上へ塗布したガスケットのかかる部位や内圧が繰り返し変化するような部位で互作用が大きいほど分子運動が拘束されるためガス透４，漏れの機構と各種ガスケット材比較

材を未硬化の状態で両面から挟みつけたのち硬化さはそれが顕著に見られ、トルクダウン現象として漏れ過性が低くなるとされている。

JISによれば「ガスケットとは管または機器の接合

せ、ガスケットとして用いる。塗布時の形状追従性の最大因子となる。特に燃料電池においては、シール面にさし挿み、ボルトその他の方法で締め付けることがよいため、フランジ面精度はそれほど必要としなすべき単セルが、数十〜数百とスタック構造となって主骨格にC-C鎖を持ち、シリコーンのシロキサン鎖とにより、内部流体の漏れを防止する目的に使用する諸い。接着によりシールするため、シール性能の信頼いるため、シール部位の設計には十分な留意が必要で比較すると、分子間の距離が短く、自由体積が小さい物」とされており、漏れには次の3種類がある（図−4

性は高く、フランジ幅を狭く、厚さも薄くできる。

ある。

ため、柔軟でありながら、高いガスバリア性、低透湿参照）。

（2）CIPG(Cured In Place Gasket)①接面漏洩・
・・ガスケットとフランジ面の間から漏れること。
②浸透漏洩（層内漏洩）・・・ガスケットの中を通って漏れること。
③破壊漏洩（バースト漏洩）
・・・ガスケット自身が破壊されて漏れること。
またガスケット材は、固形ガスケットと液状ガスケッ
トの二つに大別することができる。
固形ガスケットのシールは、締め付け力によるガスケット自身の圧縮復元力で主に論じられ、ガスケット

未硬化のガスケット材をシール面に塗布し、加熱性を有することができる（写真1）。

５，TB1152、TB1153の特性

一般的な付加型シリコーン系シール剤とTB1152、硬化させガスケット材として用いる。部品上に直接スリーボンドでは、前述の2種の工法に対する燃料

TB1153のシート状（厚さ＝1mm）硬化物を用いた、ガスケット材を塗布、成型するので、通常の成型品

電池用シール剤に要求される特性を満たす材料を調査

水素（H 2）ガス透過試験（JIS K 7126）と透湿度実で用いる金型等を必要としない点が特徴である。しおよび研究し、TB1152、TB1153を開発した。

験 （ J I S Z 0 2 0 8 ） 結 果 の 相 対 比 較 を 図 − 6 に 示 す。

かしながらシール性能は、固形ガスケットと同様にCH 3形状、締め付け圧、圧縮永久歪みなどに依存する。
特に塗布された形状でそのまま硬化させるため、塗布ビート形状の精度がポイントになる。表−2に固CH 2 =CHCH 2

CH 2

圧縮永久歪みに関与するため接面漏洩が懸念される。

ると仮定した場合、シールする媒体に対し、ガスケッ

利点として、取り外し性が良いこと、またガスケット

ト材のバリア性が高ければ高いほど、そのシール幅、層を比較的厚めにできることから、防音、防振効果がシール厚みを狭く、または薄くとることが可能な点得られる点が挙げられる。

である。特に燃料電池のシール媒体は、水素（H2）、

C

CH 2CH=CH 2

+

H- Si

Cat.

CH 3

特徴の比較を示した。
ここで注目すべきは、シール性能が発揮されていΔHn

形ガスケットと液状ガスケット（FIPG、CIPG）ののヘタリが大きな問題となる。また接合面との密着も

4

TB1152、TB1153の主成分であるポリイソブチレンは、

CH 3
Si-CH2-CH 2-CH 2

CH 2

C

CH 2-CH 2-CH 2-Sin酸素（O 2 ）の極めて分子量が小さなものおよび湿CH 3度であり、シール剤を選定する上で非常に大きなポ

図−５, TB1152、TB1153

硬化機構5表−２, 各ガスケット材比較

・高いガスバリア性・・・水素（H2）、酸素（O2）のガスシールのため。
・低透湿性・・・高分子膜が水蒸気飽和状態で機能し、セル内の保湿のため。
・耐酸性・・・高分子膜が水蒸気飽和状態で機能す

液状ガスケット
液状
ガスケット

固形ガスケット
固形ガスケット

FIPG(Formed I n Place Gasket)

CIPG(Cured I n Place Gasket)

両面密着

両面接着

片面密着/片面接着

高
高
高
必要
○
×

低
低
低
不必要
×
○

高
高
高
必要
○
○

シール方法

る際、セル内が強酸性条件になるため。
・耐湿性・・・高分子膜が機能する際、水蒸気飽和

シール剤寸法精度
フランジ面精度
面圧
圧縮永久歪み取り外し性
ライン化

環境になるため。
・耐熱性・・・高分子膜が機能する環境のため。
・低イオン溶出性・・・高分子膜のプロトン伝導性を損なわせないためと、高分子膜上の白金系触媒を被毒させないため。

図−４, 漏れの種類

・電気絶縁性・・・単セル間の電気的短絡を防ぐた
一方液状ガスケットは、液状であるため接合面の凹

イントになる。また、シール構造を小さくできることは、

TB1152、TB1153は両末端にアリル基を有するポリ・ゴム弾性体・・・振動・衝撃を吸収するため。

凸を充填する効果、接合面と密着する効果などにより結果として燃料電池の発電効率を上げることにつながり、

イソブチレン主鎖のテレケリックポリマーを主成分と・その他・・・冷却液に対する耐性、メタノール改質

シール性を発揮する。形態としてウェットタイプのシステム全体の小型化に寄与することができる。

し、触媒存在下、加熱によりSiH基含有硬化剤と付加やダイレクトメタノール形燃料電池（DMFC:Direct

FIPG ( Formed In Place Gasket ) とドライタイプのMethanol Fuel Cell）を想定した場合の耐メタノール

CIPG ( Cured In Place Gasket ) の二つがある。

め。

性。

（1）FIPG(Formed In Place Gasket)

また固形ガスケット（含むCIPG）は接合面の剛性と面圧への依存度が非常に大きいため、組み付け直後

重合・架橋してシール剤を形成する（図−5参照）。それぞれの性状および一般特性を表−3に示す。

からクリープが発生、シール面圧が低下する。特に熱ゴムにおいて、分子回転のしにくい、また分子間相

シール面（フランジ面）上へ塗布したガスケットのかかる部位や内圧が繰り返し変化するような部位で互作用が大きいほど分子運動が拘束されるためガス透４，漏れの機構と各種ガスケット材比較

材を未硬化の状態で両面から挟みつけたのち硬化さはそれが顕著に見られ、トルクダウン現象として漏れ過性が低くなるとされている。

JISによれば「ガスケットとは管または機器の接合

せ、ガスケットとして用いる。塗布時の形状追従性の最大因子となる。特に燃料電池においては、シール面にさし挿み、ボルトその他の方法で締め付けることがよいため、フランジ面精度はそれほど必要としなすべき単セルが、数十〜数百とスタック構造となって主骨格にC-C鎖を持ち、シリコーンのシロキサン鎖とにより、内部流体の漏れを防止する目的に使用する諸い。接着によりシールするため、シール性能の信頼いるため、シール部位の設計には十分な留意が必要で比較すると、分子間の距離が短く、自由体積が小さい物」とされており、漏れには次の3種類がある（図−4

性は高く、フランジ幅を狭く、厚さも薄くできる。

ある。

ため、柔軟でありながら、高いガスバリア性、低透湿参照）。

（2）CIPG(Cured In Place Gasket)①接面漏洩・
・・ガスケットとフランジ面の間から漏れること。
②浸透漏洩（層内漏洩）・・・ガスケットの中を通って漏れること。
③破壊漏洩（バースト漏洩）
・・・ガスケット自身が破壊されて漏れること。
またガスケット材は、固形ガスケットと液状ガスケッ
トの二つに大別することができる。
固形ガスケットのシールは、締め付け力によるガスケット自身の圧縮復元力で主に論じられ、ガスケット

未硬化のガスケット材をシール面に塗布し、加熱性を有することができる（写真1）。

５，TB1152、TB1153の特性

一般的な付加型シリコーン系シール剤とTB1152、硬化させガスケット材として用いる。部品上に直接スリーボンドでは、前述の2種の工法に対する燃料

TB1153のシート状（厚さ＝1mm）硬化物を用いた、ガスケット材を塗布、成型するので、通常の成型品

電池用シール剤に要求される特性を満たす材料を調査

水素（H 2）ガス透過試験（JIS K 7126）と透湿度実で用いる金型等を必要としない点が特徴である。しおよび研究し、TB1152、TB1153を開発した。

験 （ J I S Z 0 2 0 8 ） 結 果 の 相 対 比 較 を 図 − 6 に 示 す。

かしながらシール性能は、固形ガスケットと同様にCH 3形状、締め付け圧、圧縮永久歪みなどに依存する。
特に塗布された形状でそのまま硬化させるため、塗布ビート形状の精度がポイントになる。表−2に固CH 2 =CHCH 2

CH 2

圧縮永久歪みに関与するため接面漏洩が懸念される。

ると仮定した場合、シールする媒体に対し、ガスケッ

利点として、取り外し性が良いこと、またガスケット

ト材のバリア性が高ければ高いほど、そのシール幅、層を比較的厚めにできることから、防音、防振効果がシール厚みを狭く、または薄くとることが可能な点得られる点が挙げられる。

である。特に燃料電池のシール媒体は、水素（H2）、

C

CH 2CH=CH 2

+

H- Si

Cat.

CH 3

特徴の比較を示した。
ここで注目すべきは、シール性能が発揮されていΔHn

形ガスケットと液状ガスケット（FIPG、CIPG）ののヘタリが大きな問題となる。また接合面との密着も

4

TB1152、TB1153の主成分であるポリイソブチレンは、

CH 3
Si-CH2-CH 2-CH 2

CH 2

C

CH 2-CH 2-CH 2-Sin酸素（O 2 ）の極めて分子量が小さなものおよび湿CH 3度であり、シール剤を選定する上で非常に大きなポ

図−５, TB1152、TB1153

硬化機構
5

TB1152、TB1153は従来のシール剤として一般的な

ガスバリア性を持つシール剤が要求される。

TB1152シリコーン系シール剤と比較して、水素（H 2）ガスTB1153

透過度は20分の1、湿度透過度は100分の1程度で、非固体高分子形燃料電池は電解質にイオン伝導性の固体高分子膜（陽イオン交換膜）が用いられる。この膜はフッ素系の樹脂を主鎖に持ちプロトン（H + ）を付

常に優れたガスバリア性を有している。

加することのできるスルホン酸基（SO3-）を側鎖に持

また各環境下における耐性をみると、ダンベル物性による引張り強度は、耐酸性（図−7参照）、耐湿性（図つ構造になっている。（図−３参照）。

−8参照）、耐熱性（図−9参照）、耐冷熱性（図−10

写真１, TB1152、TB1153 シート硬化物

この固体高分子膜は水分を吸収して初めてスルホン

参照）のいずれにおいても、強度の低下は認められず、酸基間の連絡がとれてプロトン伝導性を示す性質があ

長期に渡り安定したゴム物性を保つことができる。同る。このため反応ガスを加湿してプロトン伝導性を維様に水素（H2）ガス透過性（図−11、12、13、14参照）

持する必要性があり、膜を保湿できる100℃前後で作も大きな変化がなく、ガスバリア性も高い信頼性を持っ水素ガス透過係数ている。

動される。またこの際セル内部は側鎖のスルホン酸基の影響を受け、強酸下（pH=1〜2）にさらされること

透湿度

になる。

最後にシール剤からの溶出イオンの測定結果を表−4に示す。結果としてイオン溶出（特に重金属系）はこれによりシール剤には、高分子膜を機能させるの確認されないことから、固体高分子形燃料電池の心臓に必要な水蒸気を外部に漏らさない低透湿性、さらに部である電解質膜の機能に対し、大きなダメージを与はそれら作動環境に対する、耐酸性、耐湿性および耐えることはないと判断される。

熱性を併せ持つことが必要となる。

各燃料電池メーカーのスタック開発状況や製造工程

図−６, 水素ガス透過係数、透湿度相対比較に対応できるように、TB1152はFIPG用、TB1153はCIPG用の設計を行った。両者の違いは、TB1153（CIPG

表−４, 溶出イオン測定結果用）はTB1152（FIPG）よりもシール剤の物理特性抽出条件：pH＝1,H2SO4水溶液,100℃×100h

を上げ、圧縮永久歪み特性を向上させることで、圧縮

イオン種
Mg
Al
Si
Cr
Mn
Fe
Ni

シール特性の改良を図った。それぞれの塗布イメージを示す（写真2、3参照）。

外観
粘度
比重
ｶﾞﾗｽ転移点
硬さ
引張り強さ
伸び率
体積固有抵抗H2 ｶﾞｽ透過係数
透湿度(40℃×95%RH)
25% 圧縮永久歪み(120℃×100h)6

表−３, TB1152、TB1153
TB1152単位(FI PG 用)
−
乳白色
828
Pa･s
−
0.93
− 67.2
℃
A
35
MPa
3.0
%
315
Ω･m
2.6×1014
7.2×10-15
mol･m/m2･s･Pa

判定確度
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND

一般特性
TB1153(CI PG 用)
グレー
1110
1.00
− 67.454
4.1
140
3.7×1014
9.6×10-15

イオン種 判定確度
Cu
ND
Zn
ND
Ag
ND
Cd
ND
Sn
ND
Hg
ND
Pb
ND
*ND: Not Detected

またシール剤からのイオン溶出（特に重金属系）も、

図−３, フッ素系イオン交換膜の構造
け少ないものが望まれる。

できるだけ少ないものが良いとされる。その理由とし燃料電池は単セルから直流電圧を得るため、セパレーて、シール剤からの溶出イオンは、前述した高分子膜

ター間に電気絶縁性が必要である。さらに自動車用、のスルホン酸基をアタックし、プロトン伝導性に悪影

可搬用燃料電池へのシール剤を考慮した場合、振動、響を及ぼす点、二つ目に溶出イオンは、水素酸化、酸衝撃等を吸収するためにゴム弾性体であることが望ま

素還元させる高分子膜上の白金系触媒を失活させる点

しい。

が挙げられる。いずれの場合も、単セルの起電力を低下させ、燃料電池システム全体の機能低下を招く恐れ

以上を総括し燃料電池用シール剤に要求される特性を要約する。

がある。従ってシール剤からの溶出イオンはできるだ

試験方法
3TS-201-01
3TS-210-03
3TS-213-02
3TS-501-04
3TS-215-01
3TS-320-01
3TS-320-01
3TS-401-01
JIS K 7126

g/m2/24h

3.5

0.21

JIS Z 0208

%

35

19

JIS K 6262

MEA

図−２, 燃料電池の構成
3

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

試料:TB1152 試験条件: 100℃ pH=1,H2SO 4水溶液

１，燃料電池(FC:Fuel Cell)の原理とその種類

5

引張強さ(MPa)

燃料電池(FC:Fuel Cell)とは、ガソリンや天然ガス等から改質して得られた水素(H2)を主燃料として、この水素(H2)が酸素(O2)と化学反応したときのエネルギーを電力として取り出す新しい発電システムである(図−1参照)。発電効率が30〜60%で、既存のガソリン・

4
3
2
1

エンジンやディーゼル・エンジンなどの内燃機関と比0

較して効率が高く、CO2などの排出物をほとんど排出

0

1000

2000

3000

試料:TB1152 試験条件: 100℃ pH=1,H2SO 4水溶液
1.00E- 14
8.00E- 15
6.00E- 15
4.00E- 15
2.00E- 15
0.00E+00

0

1000

2000

時間( h)

時間(h)しないため、環境にやさしい次世代の発電システムと図−７, 耐酸性（引張り強さ）

図−１, 燃料電池の原理

して注目を浴びている。

3000

図−11, 耐酸性（水素ガス透過係数）

現在開発が進められている燃料電池は、使用する電5能で、70〜100℃という比較的低温で作動できること

燃料極：H2→2H+＋2e空気極：1/2O2＋2H+＋2e-→H2O

から、自動車用電源、家庭用電源や可搬用電源として

全反応：H2＋1/2O2→ H2Oの中で「固体高分子形」燃料電池は、小型軽量化が可

開発競争が激化している。

引張強さ(MPa)

解質形、固体高分子形に分類される(表−1参照)。こ一般的に単セル当たりの電圧として0.7V程度の直２，燃料電池の構成によって数kW〜200kW級スタックの開発が精力的に「固体高分子形燃料電池」の構成は、両面に白金系行われている。

43210流電圧を得ることができ、100 枚程度貼り合せること

0

20

40

60

80

100

部より供給し、化学反応させることで起電力を得る。

る単セルを積み重ねた構造（スタック）をとる（図−特に燃料ガスとして用いられる水素(H2)は、分子量が2参照）。このスタックに外部より水素(H 2 )と酸素

小さく、無色、無臭の可燃性のガスであるため、僅か(O2)を供給し、水の電気分解反応と逆の反応を起こすな隙間からでも漏れやすく、また広い混合範囲で、小ことで、外部回路に電流を取り出す。これらの反応をさな火花でも着火することから、単セル間には高い

6.00E- 15
4.00E- 15
2.00E- 15
0.00E+00

0

20

40

4
3
2
1
0

0

1000

2000

3000

6 .0 0 E- 1 5
4 .0 0 E- 1 5
2 .0 0 E- 1 5
0 .0 0 E+0 01000

図−13, 耐熱性（水素ガス透過係数）

試料:TB1152 試験条件: - 30℃×2h⇔100℃×2h

試料:TB1152 試験条件: - 30℃×2h ⇔100℃×2h

Solid Oxide Fuel Cell

Polymer Electrolyte Fuel Cell

電解質膜
作動温度
燃料
発電効率
特徴
主な用途

リン酸水溶液200℃
改質水素(天然ガス等)
35〜45%
比較的低温で作動

Li-Na 系炭酸塩
650〜700℃
天然ガス、LP ガス
45〜60%
高発電効率

ジルコニア系セラミック

900〜1000℃
天然ガス、LP ガス
45〜65%
高発電効率

高分子膜
70〜100℃
30〜40%
低温作動、小型化可

コージェネレーション、
分散型電源

大規模火力発電代替、
コージェネレーション

中規模火力発電代替、
コージェネレーション

自動車用電源、家庭用ｺｰｼﾞｪﾈﾚｰｼｮﾝ、可搬用電源

純水素、改質水素

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

固体高分子形 (PEFC)

Molten Carbonate Fuel Cell

5
4
3
2
1
0

0

1000

2000

時間(h)
図−10, 耐冷熱性（引張り強さ）

2

2000

3000

時 間 ( h)

図−９, 耐熱性（引張り強さ）

引張強さ(MPa)

溶融炭酸塩形 (MCFC) 固体電解質形 (SOFC)

100

8 .0 0 E- 1 50

表−１, 燃料電池の種類
リン酸形 (PAFC)80

1 .0 0 E- 1 4

時間(h)Phosphonic Acid Fuel Cell

60

試料:TB1152 試験条件: 110℃×100%RH

5

引張強さ(MPa)

セパレーター、それぞれをシールするシール剤からな

8.00E- 15

図−12, 耐湿性（水素ガス透過係数）

試料:TB1152 試験条件: 100℃

３，燃料電池用シール剤の要求性能
燃料電池は反応ガスである水素(H2)と酸素(O2)を外

1.00E- 14時間(h)図−８, 耐湿性（引張り強さ）

Electrode Assembly)と、反応ガスの供給溝を形成した

試料:TB1152 試験条件: 110℃×100%RH

時間(h)

触媒を担持してある電解質膜を、燃料電極板と空気電極板でサンドイッチした複合体(MEA:Membrane and

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

試料:TB1152 試験条件: 110℃×100%RH

式で表すと以下のようになる。

水素ｶﾞｽ透過係数(mol･m/m2･s･Pa)

解質の種類により、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電3000

1 .0 0 E- 1 4
8 .0 0 E- 1 5
6 .0 0 E- 1 5
4 .0 0 E- 1 5
2 .0 0 E- 1 5
0 .0 0 E+0 0

0

1000

2000

3000

時間(h)
図−14, 耐冷熱性（水素ガス透過係数）7＜参考資料＞
新エネルギー技術入門足立

日経エレクトロニクス

No.807号

シリコーンハンドブック

芳寛

伊藤

邦雄

ゴム工業便覧（新版）日本ゴム協会
株式会社スリーボンド研究所

開発部（岡山分室） 素材開発課

足立

守

金子

宏一

スリーボンド･テクニカルニュース
平成 15 年 １ 月 １ 日 発 行

60

燃料電池用シール剤「ThreeBond1152, ThreeBond1153」
写真２, TB1152のFIPG塗布例

はじめに
昨今の自動車産業界を取り巻く課題に、地球温暖化防止を目的とするCO 2 排出総量の削減、石油資源の枯渇に対する代替エネルギーの開発、都市の大気環境悪化への対応などがあり、石油代
替エネルギーの利用、省エネルギー・高効率化及び低公害化の自動車用原動機が要求されている。
燃料電池はエネルギー効率が高く、また環境に優しいことから、新しいエネルギー源として注目されている。特に固体高分子形燃料電池は、比較的低い温度で運転することができ、また電流密度が高いことから、小型化、高出力化を図ることができ、次世代自動車の新たな動力源と見なされている。
スリーボンドでは、固体高分子形燃料電池の高いポテンシャルが、次世代自動車の新たな動力源を実現するとの判断から、燃料である水素を確実にシールするための材料の研究、開発及びシール工法の確立を行ってきた。
本稿では燃料電池用シール剤「ThreeBond1152」、「ThreeBond1153」の性能と特性を中心に説明を行う（以下 "ThreeBond" を "TB" と略す）。

写真３, セパレーター（疑似）上へのTB1153のCIPG加工例

６，おわりに最近のマスコミ報道をみると、「固体高分子形燃料電池」を搭載した自動車は2003年にも限定的ではあるが販売されようとしている。またそのポテンシャ
ルの高さから、ノート・パソコン、携帯電話、PDAなどの携帯機器への搭載も検討され始め、テクノロ
ジーのブレイクスルーや開発競争が激化することが予想される。
スリーボンドは長年培ってきたシール技術と新素目材であるTB1152、TB1153を駆使し、難易度の高い

はじめに ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥１

水素のガスシール技術を確立し、燃料電池の普及に寄与していきたいと考える。

企編

画 株式会社
編集室
集 東京都渋谷区恵比寿1-18-15
電話

発

8

スリーボンドビル2F
03(5447)5333

行 株式会社 スリーボンド
東京都八王子市狭間町1456
電話 0426(61)1333㈹次４, 漏れの機構と各種ガスケット材比較‥‥４

１, 燃料電池の原理とその種類 ‥‥‥‥‥‥‥２

５, TB1152、TB1153の特性‥‥‥‥‥‥‥５

２, 燃料電池の構成 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥２

６, おわりに ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥８３, 燃料電池用シール剤の要求性能 ‥‥‥‥‥２

1