1、序言
2020年12月，日本经济产业省发布了“2050年碳中和绿色增长战略”。该增长战略以可再生能源的引入为前提，其中“氢”被定位为“广泛利用的关键技术”。自20世纪70年代的“阳光计划”以来，社会对氢利用的关注时断时续，因而此次“氢”终于被定位为“关键技术”，反过来要避免对氢的过度关注。此外，在欧洲，为应对气候变化和新冠疫情，包括清洁氢能技术在内的“绿色复苏”成为欧盟委员会政策的支柱之一（European commission, 2020）。尽管未来可能面临一系列挑战，但氢能的利用和研究有望在全球范围内扩展。
在氢利用设备中，固体高分子燃料电池（PEFC）因其高输出密度和负荷变动应对特性而被认为是关键设备之一，并且已经开始作为汽车用和家用分布式电源普及（井田等，2020）。但是，该PEFC的催化剂主要使用贵金属，因此为了使其进一步普及，有必要减少催化剂的使用量并进一步提高发电效率。为此，亟需一种结构设计技术，将氧气平稳地输送到催化反应部位。但是，特别是在催化剂周围，液态水、氧气和质子等化学物质的传输与温度、电子传输以及反应分布彼此密切相关，因此为了优化催化剂层反应场的结构，有必要明确每种现象及其相互作用。
具体来说，催化剂层附近的液态水会阻碍反应气体的扩散传输，因此控制其分布十分重要，此前已经采取了PTFE防水涂层等措施（星野等，2018）。但是，如果存在温度分布，则饱和蒸气压会发生变化，这会影响冷凝和蒸发等相变现象，并最终对液态水的分布状态产生很大影响。特别是在典型的PEFC工作温度——90℃附近，5℃的温度变化就会改变20%以上的饱和蒸气压。此外，由于多孔部件中存在液态水，有效导热率发生变化，温度分布本身也发生变化。因此，获得PEFC中的局部温度信息极为重要。
然而，由于催化剂层本身的厚度约为10μm，其周围的微孔层（Micro Porous Layer: MPL）和高分子膜（Polymer electrolyte Membrane）的厚度也约为10μm，因此为了进行局部测量，传感器需要更薄。此外，由于燃料电池通常被施加约1MPa的紧固压力，因此需要能够承受该压力，并且，由于催化剂层和MPL柔且脆，因此需要一定的柔性以免破坏其结构（Otsuki et al., 2020）。由于目前没有满足这些要求的传感器，因此正在开发独创的微型传感器，并尝试在微观尺度上测量局部温度，本文将对此进行介绍。
2、微型温度传感器的制作方法及其评估
2.1 传感器结构及其制作方法
该传感器设想与X射线CT的液态水分布测量同时使用。由于需要旋转CT装置中的被测单电池，导致X射线CT的配线长度变长，因此采用了对配线电阻影响较小的热电偶。
图1为传感器制作过程的概要。金和镍被用作具有相对较大的热电动势的金属物质。电极的成膜使用PVD溅射，其厚度分别为100nm左右，通过光刻进行图案化。绝缘材料采用聚对二甲苯C，厚度分别为3μm左右。由于金属薄膜热电偶的两侧都需要绝缘层，因此制成的传感器厚度约为6μm。图2表示制成的微型传感器的外观。测量部的素线宽度约为30μm，为了防止传感器断路，将测量部以外的宽度拓宽至100μm左右。
