2024年1月1日発行

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燃料電池用紫外線硬化性ガスケットの成形技術
はじめに昨今の自動車業界では、カーボンニュートラル実現のため、化石燃料から代替エネルギーへの移行が加速しており、その中でも走行時に環境負荷物質を排出しない燃料電池は次世代自動車の新たな動力源として注目されています。燃料電池には水素ガスや冷却液などをシール可能なガスケットが不可欠であり、燃料電池の普及に向けた多用途展開や増産に伴い、ガスケットの成形工程には設計自由度や低コスト実現に向けた生産タクトの短縮が求められています。
従来のシール工法には、紫外線硬化性ガスケットを塗布・紫外線硬化後に組み付けるUV-CIPG工法（ UV-Cured-In-Place Gasket）があり、スリーボンド･テクニカルニュースNo.72で紹介しています。
しかしながら、この工法はガスケットの寸法安定性維持に高度な生産技術力が必要なことや、成形可能なガスケットの断面形状の種類が限られているという課題が存在しています。
本稿では、従来の工法的課題を解決する新しい成形技術である「光硬化モールド工法」と燃料電池用途の要求性能に適合した紫外線硬化性ガスケット「 ThreeBond 3178B」について紹介いたします。
燃料電池の普及に向けて、持続可能な自動車産業を築くためにも、この革新的な成形技術が大きな役割を果たすことが期待されます。
以下、ThreeBond を TB と略します目

次はじめに•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• １３．
紫外線硬化性ガスケットTB3178Bの紹介 • ••••5

１.FCEV（燃料電池自動車）の概要と要求される

４．
ガスケット形状による性能向上 •••••••••••••••••••7

ガスケット••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2

おわりに・• ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8

２．
FCEVに向けた成形手法の紹介••••••••••••••••••31

1.FCEVの概要と要求されるガスケット
1-1. FCEV（燃料電池自動車）とは

1-3. ガスケットへの要求性能
燃 料 電 池は酸 素と水 素の化 学 反 応で電 気を生 成

FCEV（Fuel Cell Electric Vehicle）は従来のエンする際、セルとセルの間には酸 素や水 素、冷 却 水がジンを搭 載した自動 車とは異なり、水 素と酸 素を燃 料流れます。冷却水は、発電時に生じる熱を下げる役割として発 電し、モーターを駆 動させて走 行する電 気自となります。特に水 素は分 子 量が小さく、僅かな隙 間動車の一種です。

からでも漏れやすい上に、無色・無臭の可燃性ガスで各 国で掲げている持 続 可 能な開 発目標（ SDGs）あるため、空 気中の酸 素と混 合すると、小さな火 花では、世 界中の課 題を解 決し、持 続 可 能な未 来を実 現も着 火する性 質を持っています。そのため、セル間のするための国際的な取り組みです。FCEVは、走行時ガスケットには高いバリア性が求められます。に排出されるのは水のみであり、CO2を排出しません。

さらに数 百 枚のセルを積 層するためにガスケットの脱 炭 素 化が実 現 可 能になることで気 候 変 動 や 環 境

寸 法 精 度、及び 発 電 時の熱による膨 張 収 縮に追 従問 題に対する取り組みに貢 献 出 来ると期 待されてい可能な高いシール特性も要求されます。

ます。

またセル・スタック内部で発生する化学反応や熱変化にも耐えられるように低温・高温・高圧条件下での1-2. FCEV の発電方式

安定したバリア性を保 持する耐 久性も必 要です。この燃料電池の発電方式は、水素と酸素、セル・スタッ

際、ガスケットは圧 縮されつつ高 温 環 境に晒されるたクを組み合わせた仕 組みによって動 作します。図－１

め、破 壊されることなく、反 発 力を維 持することも求めに示すような「セル・スタック」と呼ばれる数百枚のセられます。

ルから成るスタック構 造を持っております。セルは、電従来の技術は熱可塑性樹脂を用いており、ガスケッ

解 質 膜と電 極 板(陰 極・ 陽 極)の3 層 構 造になっておトをセルにインサート成 形する際、セルへの熱 影 響がり、水素と酸素の化学反応によって発電します。

大きいことや、加 熱 冷却の時間が必要であり、工 程 時間が長いことが課題でした。

拡大図

この課題解決に当たり、弊社は燃料電池の要求性能を満足しつつ、紫外線エネルギーにより瞬間的・常温・ 大 気 圧 下で硬 化する紫 外 線 硬 化 性ガスケットとその成形手法を開発いたしました。

ガスケットセパレーター

スタック
セル

電極板 陽極電解質膜
電極板 陰極セパレーター
図－１ セル・スタック構造22.FCEVに向けた成形手法の紹介

従 来の工 法ではセルへのガスケット成 形において2-1. 従来の成形手法と課題製造コストや品質、工程時間に課題がありました。

一 般 的に熱 可 塑 性 樹 脂をセルに成 形する際は金2-2. 新しい成形手法型を用いたインサート成形により、セルとガスケットを一体成形します。

従 来の工 法が抱える課 題 解 決のため、UV-CIPG

先にも述べた通り、弊 社は従 来、UV-CIPG工 法を工法の簡易性を備えつつ、インサート成形のようなガス提案していました。UV-CIPG工法は塗布機とディスペケット寸法精度を兼ね備えた「 光硬化モールド 工法」

ンサーから構 成されるシンプルな設 備を用いてシールを開発いたしました。

面に紫 外 線 硬 化 性シール剤を塗 布します。その後 紫外線を照射させることでガスケットを成形します。
表－１に2 つの工法比較を示します。

本 工 法では目的のガスケット形 状の溝が加 工された透明体の成形型を用いて目的のガスケットを成形します。図－２に光 硬 化モールド 工 法の概 要を説 明いたします。

表－１ 従来の工法比較
工 法

UV-CIPG工法

一般的なインサート成形工 法 イメ ー ジ 図寸法

設

備精コス度
トラン ニ ン グ コ スト量産性設 計 変 更 自 由 度
ガスケット形状の自由度△◎

型形状を正確に再現する為、精度が良い始終点の寸法管理が難しい◎

×

金型、射出機、熱源の設備が高額

設備構成が簡易的な為、安価◎×

熱エネルギーが高コスト

UV照射で瞬時に硬化する為低コスト△

環境変化により都度ロボット調整が必要○

型形状を再現する為、バラツキが少ない◎

×

試作金型からの再設計

塗布機の設定変更のみ

×◎

シール剤の液特性に依存

複雑形状も成形可

①塗布工程

②貼合工程

③硬化工程

④剥がし工程成形型の溝に紫外線硬化性ガスケットをディスペンス塗布します。

塗布した成形型とワークを貼り合わせます。

UV-LEDから紫外線を照射させ、ガスケットを硬化させます。

成形型とワークを引きはがすことでワークに目的形状のガスケットを成形させます。

図－２ 光硬化モールド工法の概要

3

2-3. 光硬化モールド工法の利点
図－３に示すような成形型を使用するため、ガスケッいため、均一な強度を保持したガスケットを成形することが可能です。

トは溝 形 状を正 確に再 現し、容 易に高い 寸 法 精 度を実現可能です。

③ ワークへの負荷低減

さらに他にも下記利点が挙げられます。

インサート成 形では工 程プロセス内において、加 熱冷 却を行うため、ワークへの熱 負 荷が発 生することは避けられません。また細 部まで樹 脂を流 すには射 出
圧力も高 圧になるため、金型とワーク間は強い型 締め付け力が必要になります。
一方光硬化モールド工法では塗布後の成形型とワークを貼り合わせするため、強い型締め付け力は必要とせずに、低負荷にて成形が可能です。
④ 工程条件の簡略化

図－３ 成形型① 工程能力の向上

インサート成形は、成形条件の設定が重要であり、溶解した樹脂や金型の温度、射出速度、圧力など複数のパラメータがあります。これらの条件設定は経験や流体

UV-CIPG工 法ではディスペンス塗 布された形 状が解析によって決まりますが、時間と労力がかかります。

ガスケットの形 状になります。塗 布 直 後のシール剤は流 路に樹 脂を効 率 的に流し込むためには、加 熱にシール剤が持 つ流 動 性やワークとの濡 れ 性により形よる樹 脂 粘 度の変 化や射 出中の温 度 変 化を計 算す

状が変 化しないように粘 性とチクソ性を高め、形 状 保る必要があります。また射 出 速度と圧力も温 度 変化に持 性を持たせることが必 要になります。また均 一な形

影 響を及 ぼすため、計 算 条 件が複 雑 化し、最 適な条状を成 形するためにはロボットを低 速（ 30mm/sec程件把握には時間がかかります。

度）で稼働させる必要があり、工程時間の短縮には限界がありました。

そして、成 形 型にも緻 密な設 計が求められます。樹脂を流 路 全 体に流 れ 込ませるためには流 入 口 及 び

対して光 硬 化モールド 工 法では溝に流 れ 込 みや

排 出口の設 置 場 所や個 数が重 要であるからです。経すいように紫外線硬化性ガスケットが低粘度・低チク

験や流体解析を基に設計や試作を重ねるため、時間ソ化しており、ロボットの高速化（ 150mm/sec程度）をやコストがかかります。

実現可能です。

また配向現象による成形物の残留応力を低減するにも、経験や高度な解析が必要になります。

② ガスケットへの負荷低減
熱 可 塑 性 樹 脂を用いるインサート成 形は、流 路に対して光 硬 化モールド 工 法は透 明 型の溝に塗 布

樹 脂が流 入した際に成 形 型の内 壁または、冷 却されするため、インサート成 形のような複 雑な流 体の流 れ固化した固 化層と溶融したままの樹脂との境 界でポリの計 算を省 略でき、成 形 型もシンプルな構 造で仕 上マー分 子が流 動 方 向 へ 伸 張される配 向 現 象が発 生げることが出 来ます。条 件 設 定はディスペンサーの吐します。また流 動 層と固 化 層との間でせん断 応 力が出量管理で完結します。

発生し、流れ方向と垂 直 方向で成 形物の引張り・曲げ強度が異なることもあります。

そして大 気 圧 下かつ常 温 環 境 下での成 形のため、貼 合や剥がし工 程においてセンサーを使 用した定 量

対して光 硬 化モールド 工 法は 紫 外 線 硬 化 性ガス的な条件を設 定 可 能であり、工 程 管 理がしやすくなりケットを紫 外 線エネルギーで瞬 時に硬 化させることにます。このように本 工 法は、工 程 条 件を簡 略 化するこ

より、流 動層と固 化層が生じず、配向現象が発生しなとができます。

4

3.紫外線硬化性ガスケットTB3178Bの紹介
3-1. 特長
TB3178Bは、ポリイソブチレンを主 成 分とした無 溶剤タイプの紫 外 線 硬 化 性ガスケットで、以 下のような

表－ 3

TB3178B, シリコーン樹脂のバリア性比較

試験項目

単位TB3178B

シリコーン樹脂

特長を有しています。

水素ガス
mol・m/(m2・s・Pa) 8.6×10-15 1.8×10-13
透過係数①紫 外 ～ 可 視 光 領 域（ 波 長：200 ～ 405 n m）の 光

透 湿 度照射により短時間で硬化します。
②水素ガス・湿気のバリア性が優れています。

g・mm/(m2・24h)

80.5545.8

水素ガス透過性 試験条件：23℃ , t=1.0mm
透湿度 試験条件：85℃× 85%RH, t=1.0mm③広 い温度範囲（- 40℃～ 120℃）にわたってゴム弾
3-4. ゴム弾性性を保ちます。
④圧 縮永久歪みが小さく、シール特性に優れています。
⑤耐薬品性が優れています。

TB3178Bの動的粘弾性（ DMA）を図－４、低温弾性回復（TR）特性を図－５に示します。
ガラス転 移 温 度が-43 ℃であるTB3178Bは-40 ℃

3-2. 性状・特性値

付 近の低 温 域においてもゴム弾 性を維 持 することがTB3178Bの性状・特性値を表－２に示します。

できます。

光 硬 化モールド 工 法に適 合させるため、塗 布 時に溝に流 れ 込みやすい粘度・ チクソ性（ 構 造 粘 性 比 ）に調整しています。

3-5. 圧縮永久歪み
TB3178Bの圧縮永久歪みを図－６に示します。
圧 縮 永 久 歪 みは、 耐 久 後 のガスケットの 歪 みを3-3. バリア性

評 価するものであり、歪みが大きくなると圧 縮 時の反TB3178Bのバリア性を表－３に示します。

発 力が低 下しシール特 性の維 持が困 難になります。

TB3178Bの 主 成 分であるポリイソブチレンは主 骨

TB3178Bは圧縮永久歪みが小さく、長期間シール特格にC-C鎖を持ち、シリコーンのシロキサン鎖と比 較す性の保持が可能です。

ると分 子 間の距 離が短く、自由 体 積が小さいため、柔軟でありながら水 素ガス・ 湿 気に対して優 れたバリア性を有しています。
表－２ TB3178B の性状・特性値
試験項目
単位
TB3178B
試験方法
備考
外観－
白色
3TS-2100-020
ー
粘度
Pa･s453TS-4200-001
25℃、せん断速度:1.0(s-1)
性 状
構 造 粘 性 比－
1.9
3TS-4200-001 25℃、せん断速度:10(s-1)/1.0(s-1)
比
重－1.003TS-2500-002
25℃、
液比重
硬さ－40
3TS-2B00-010
デュロメータA
引 張 強 さMPa
2.43TS-4190-0013号ダンベル
伸び率%3803TS-4190-001
3号ダンベル
厚 膜 硬 化 性mm
6.2
3TS-3160-001
Φ32mm
特性値
63TS-4730-001
1Hz、25℃
貯 蔵 弾 性 率Pa4.9×10
ガラス 転 移 温 度℃
-433TS-4730-001
1Hz、tanδピーク値
2-15
JIS K7126-1
23℃
水素ガス透過係数 mol･m/(m ･s･Pa) 8.6×10280.5
JIS K7129-2
85℃×85%RH
透湿度 g･mm/(m ･24h)※硬化条件：405nm LED、照度500mW/cm2、積算光量40kJ/m2

5

603-6. 耐薬品性

50

動 車などに搭 載されている固 体 高 分 子 型 燃 料 電 池

40

は作 動 温 度が70～120 ℃で、固 体 高 分 子 膜が有 するスルホン酸 基と作 動中に発 生する水 蒸 気が接 触す

硬さ (A)

TB3178Bの耐 薬 品性を図－７～10に示します。自ることで酸 性 環 境 下となるため、燃 料 電 池 用ガスケッ

302010トには耐 熱 性、耐 水 性、耐 冷 却 液 性、耐 酸 性が要 求0されます。

120℃環境
01000

TB3178Bはこれらの環 境 下においても長 期に渡り

E', E'' (Pa)

1.0E+08

4.060

3.550

3.0
2.5
2.0

1.0E+071.5

1.0E+06

1.0
1.0E+05-80

硬さ (A)

EʼEʼʼtanδtanδ (-)

1.0E+101.0E+0404080

120160

温度（℃）

30200.0200

純水95℃環境
0105020404060

3000

4000

302010100-80-60-40-200

温度（℃）

020

冷却液95℃環境
0100802000

時間 (h)

3000

4000

60120℃耐熱
耐水80℃

901000

図－９ 耐冷却液性（硬さ）

図－５ TB3178BのTR

507060硬さ (A)

圧縮永久歪み (%)

2000

時間 (h)

6080

5040302040302010100

1000

2000

時間 (h)

3000

図－６ TB3178Bの圧縮永久歪み

61000

図－８ 耐水性（硬さ）

硬さ (A)

収縮率 (%)

400

図－４ TB3178BのDMA

0

4000

100.5-403000

図－７ 耐熱性（硬さ）安定したゴム物性を保つことができます。

1.0E+092000

時間 (h)

4000

0H2SO4水溶液(pH=2)95℃環境
01000

図－102000

時間 (h)

3000

耐酸性（硬さ）

4000

4. ガスケット形状による性能向上

4-2. シール特性

UV-CIPG工法を用いて成形されるガスケットの断面形状は、ガスケットの液特性やワークとの濡れ性、ディス評価内容

・評価ガスケットの断面形状（ 図－12）・溝形状 正方形 65mm 四隅角部R10（ 図－13）

ペンサーの性能に依存します。
ガスケットの断面形状の変化により性能にバラツキが生じる可能性があります。
光 硬 化モールド工 法では安定したガスケット形状を成 形 可 能、かつ断 面 形状を最 適 化することで性 能の半円形状三角形状四角形状台形形状安定化及び向上が可能となりました。
そこで代 表 的な4つの断 面 形 状の低 圧 縮 時におけるシール特性を紹介します。
4-1. シール特性
・試

図－12 ガスケット断面形状(高さ1mm)

試験方法

料：TB3178B

・試 験 温 度：25℃；50%RH・被着体：A5052

・シ ー ル 面：A5052
・ガスケットの圧縮率：20%圧縮・硬 化 条 件：405nm LEDコンベア 40kJ/m2
・圧 力 媒 体：ドライエアー（ 最大：800kPa）
・昇 圧 条 件：50kPa/30sec

図－13・リ ー ク 判 定：1 秒間で15ml以上のエア漏れ
・デー

タ：n=3 実施の中央値を算出

評価用成形型

4-3. 結果
図－14に断 面 形 状 毎の20%圧 縮 時のシール特 性を示します。断 面 形 状によって2 倍の差が生じていますが、この差は圧 縮 時の反 発 力とシール界 面との接触 面 積の違いによるものです。通 常、圧 縮シールでは反 発 力が高いほどシール圧 力も高くなります。評 価
した断 面 形 状の結 果より、シール特 性には低 圧 縮 条

評価ガスケット締結後フランジ

図－11 シール特性用フランジ

件 下の反 発 力の増 加と、接 触 面 積を広げることが性
能 向 上に効 果 的であることが分かりました。
800

シール特性（kPa）

800
700

600

600500400425

400

300
200
1000

半円形状

三角形状
図－14四角形状

台形形状

20%圧縮時の断面形状毎のシール特性

7

おわりに
「 TB3178B」は燃料電池内部の過酷な環境に適合可能な特性を有しており、「光硬化モールド工法」はUVCIPG工法とインサート成形の特長を合わせもつ柔軟な工法のため、本技術は様々な用途展開の可能性があると考えられます。
スリーボンドは産業界の発展に貢献するため、従来技術に縛られず更なる商品開発、技術開発に注力して参ります。
<参考文献>
スリーボンド･テクニカルニュース No.72 (2009)１) 渡邉邦幸ほか，
２) プラスチック機械中期需要予測 日本産業機械工業会
３) プラスチック成形技術 シグマ出版

株式会社スリーボンド研究開発本部
開発一部

輸送開発一課

鈴木

省力機器部

省力開発課

角直
卓馬

●ThreeBond、スリーボンド、は株式会社スリーボンドの商標または登録商標です。

株式会社スリーボンド

8

東京都八王子市南大沢4-3-3
電話 042(670)5333 ㈹