JP7221415B2 - 燃料電池アレイ、燃料電池検査方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質層を成膜プロセスによって形成する固体酸化物形燃料電池に関する。
本技術分野の背景技術として、特表２００９－５２８６６６号公報（特許文献１）、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ １９４（２００９）１１９－１２９（非特許文献１）がある。
非特許文献１は、薄膜成膜プロセスによって燃料電池膜のアノード層、固体電解質層、カソード層を形成するセル技術について記載している。固体電解質を薄膜化することにより、イオン伝導度を向上し発電効率を向上することができる。固体電解質のイオン伝導度は活性化型の温度依存性を示す。したがって、イオン伝導度は高温で大きく、低温では小さい。固体電解質の薄膜化により、低温でも充分大きなイオン伝導度が得られ、実用的な発電効率が実現できる。固体電解質層としては、例えばイットリアなどをドーピングしたジルコニアであるＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）が用いられることが多い。化学的安定性に優れていて、燃料電池の内部リーク電流の原因となる電子、ホールによる電流が少ないという長所があるためである。
薄膜成膜プロセスで固体電解質層を形成すると、固体電解質層を膜厚方向に移動する酸素イオンあるいはプロトンのイオン伝導に伴う抵抗が低下するので、燃料電池内部における電力損失が減少し、その結果として出力を向上することができる。しかし一方で、固体電解質膜厚が小さくなった結果、固体電解質層を介した上下電極間の電子伝導やホール伝導による内部リーク、あるいは極端な場合には上下電極間のショート不良が発生する確率が増加する。
上下電極間でショートが生じると、燃料電池の動作時に電力を外部に取り出して利用することができなくなる。したがって、上下電極間でショートが生じているセルを除去するか、あるいは配線から切り離すといった対策をした上で、セルを用いたモジュール作製を行わないと、モジュールの歩留りが極端に低下する。その結果、燃料電池モジュールのコストが増加する。
上下電極間でショートが生じているセルを除去するあるいは、配線から切り離すといった対策を施すためには、ショート不良が生じているセルの場所をアレイ内から特定する必要がある。
特許文献１は、モジュールを製造した後に、発電特性を評価し、並列セルアレイの出力電流や直列セルアレイの出力電圧をモニタリングし、通常の値と比較して低下している場合には不良と判定する技術が開示されている。
特表２００９－５２８６６６号公報
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ １９４（２００９）１１９－１２９
基板上の個々の燃料電池セルに対して個別に配線を施してそれぞれで検査を実施すれば不良セルの検出は可能であるが、基板上のセルの数だけ検査の回数が必要である上、製造した燃料電池セルを用いてモジュールを製造する際には、個々のセルどうしを配線でつなぎ直さなくてはならない。このため製造コストが増加する。コストを低減するためには、複数の燃料電池セルをあらかじめ互いに配線で接続した構造を製造し、なおかつショート不良セルを検出できることが必要である。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、基板上に薄膜成膜プロセスを用いて製造する燃料電池セルのなかからショート不良のセルを特定し対策することにより、燃料電池モジュールの不良を低減し、製造コストを低減することを目的とする。
本発明に係る燃料電池アレイにおいて、燃料電池セルは第１電極層と第２電極層との間に固体電解質層を備え、第１配線は前記第２電極層と接続され、第２配線は接続素子を介して前記第１電極層と接続され、前記接続素子は２つの電極間に導電層を挟むことによって形成されている。
本発明に係る燃料電池アレイによれば、基板上に薄膜成膜プロセスを用いて製造する燃料電池セルのなかからショート不良のセルを特定することができる。これにより、燃料電池モジュールの不良を低減し、製造コストを低減することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
薄膜化した固体電解質層を備える燃料電池セル１の一般的な構造を示す図である。 実施形態１に係る薄膜プロセス型ＳＯＦＣを用いた燃料電池モジュールの構成例を示す概略図である。 遮蔽板Ｐａｒｔｉｔｉｏｎを燃料電池Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ側から見た図である。 燃料電池セルを遮蔽板Ｐａｒｔｉｔｉｏｎの裏側から見た図である。 実施形態１に係る燃料電池セル１の構成例を示す概略図である。 燃料電池セル１を相互接続した例である。 複数の上部電極配線１２と複数の下部電極配線２２を交差させ、交点にＦｕｅｌ Ｃｅｌｌを配置したクロスポイント型のアレイ構成例である。 上部電極配線１２と下部電極配線２２の間に複数のセルが並列接続された例である。 実施形態１に係る燃料電池アレイの構成図である。 図８の等価回路図である。 燃料電池セル１の電流－電圧特性の例である。 燃料電池セル１の出力電圧の例である。 ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを上部電極配線１２から切り離した例を示している。 ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを下部電極配線２２から切り離した例を示している。 選択スイッチＳＳＷとしてスレショールドスイッチＴＳを用いた例である。 還元アニールによって金属酸化物ＭＯが低抵抗化した状態を示す図である。 還元アニール前後それぞれにおけるスレショールドスイッチＴＳの電流－電圧特性を示す。 選択スイッチＳＳＷとしてダイオードＤｉｏｄｅを用いた例である。 選択スイッチＳＳＷとして電界効果トランジスタＦＥＴを用いた例である。 選択スイッチＳＳＷとして、基板２内にダイオードＤｉｏｄｅを作成した例である。 選択スイッチＳＳＷとして、基板２内に電界効果型トランジスタＦＥＴを差作成した例である。 選択スイッチＳＳＷを上部電極配線１２と上部電極層１０の間に形成した例である。 図２０の等化回路図である。 下部電極層２０が基板２の裏面側に形成されている燃料電池セル１の構成例である。 下部電極層２０が基板２の裏面側に形成されている燃料電池セル１の別構成例である。 実施形態１の効果を説明する図である。 複数の上部電極配線１２と複数の下部電極配線２２を交差して並べ、各々の交点に燃料電池セル１を配置した燃料電池アレイを示している。 図２５の等価回路図である。 ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを上部電極配線１２から切り離した例を示している。 ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを下部電極配線２２から切り離した例を示している。 選択スイッチＳＳＷとして電界効果型トランジスタＦＥＴを用いた場合におけるショート不良を検査する方法を示す。 寄生抵抗による電圧降下が無視できない場合において誤検出を防ぐ手順を説明するフローチャートである。 選択スイッチＳＳＷとして電界効果型トランジスタＦＥＴを用いた場合における出力電圧を検査する方法を示す。 スレショールドスイッチＴＳの電流－電圧特性と、Ｖｐｒｏｂｅの印加電圧に対して電流ＩＪが流れる不良セルの負荷線を示す。 選択スイッチＳＳＷとしてスレショールドスイッチＴＳを用いた例である。 複数セルに対して同時にショート検査を実施する例である。 選択スイッチＳＳＷがない燃料電池アレイにおいてショート検査を実施する場合における電圧条件を示す。 選択スイッチＳＳＷとしてスレショールドスイッチＴＳを用いた場合において出力電圧を試験する方法を示す。 スレショールドスイッチＴＳの電流－電圧特性である。 還元アニール後の等化回路図である。 実施形態３に係る燃料電池システムの構成例である。
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、複数の類似の部材（部位）が存在する場合には、総称の符号に記号を追加し個別または特定の部位を示す場合がある。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
以下の実施の形態においては、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向を用いる。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交し、水平面を構成する方向であり、Ｚ方向は水平面に対して鉛直の方向である。
実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。
＜薄膜プロセス型燃料電池による発電効率の向上および動作温度の低温化＞
図１は、薄膜化した固体電解質層を備える燃料電池セル１の一般的な構造を示す図である。発電効率を上げて低温動作を実現するためには、燃料電池用膜電極接合体を構成する固体電解質層を薄膜化する必要があり、それには成膜プロセスで固体電解質層を形成する薄膜プロセス型燃料電池が最適である。アノード電極層、固体電解質層、カソード電極層を全て薄膜化すると、燃料電池用膜電極接合体の機械的強度が弱くなるが、図１のように基板支持によって補うことができる。基板には例えばシリコン、セラミック、ガラス、金属などを用いることができる。
シリコン基板２の上表面に絶縁膜３が形成されている。絶縁膜３は例えば、シリコン酸化膜、またはシリコン窒化膜で形成することができる。シリコン基板２の中央部には開口部５０が形成されている。シリコン基板２の上層に絶縁膜３を介して下部電極層２０が形成されている。下部電極層２０は例えば白金で形成することができる。燃料電池セル１が完成した状態においては、下部電極層２０を構成する金属は多孔質化されている。下部電極層２０に配線を接続するために下部電極層２０の一部の表面を露出させる。
下部電極層２０の上層には固体電解質層１００となるイットリアをドープしたジルコニア薄膜が形成されている。イットリアのドープ量は例えば３％、あるいは８％とすることができる。固体電解質層１００は開口部５０を完全に覆うように形成されている。固体電解質層１００の膜厚は、本実施形態１の技術を用いることにより、例えば１０００ｎｍ以下とすることができる。ＹＳＺは燃料電池セル１の内部リーク電流となる電子電流やホール電流が高温でも極めて少ないので、固体電解質層１００を１００ｎｍ以下に薄膜化することも可能である。
固体電解質層１００の上層に上部電極層１０が形成されている。上部電極層１０は例えば多孔質の白金で形成することができる。
以上のように、薄膜プロセス型の燃料電池セル１は、下層から下部電極層２０（白金）、固体電解質層１００（多結晶ＹＳＺ）、上部電極層１０（白金）で構成された膜電極接合体を備える。下部電極層２０側に例えば水素を含む燃料ガスを供給し、上部電極層１０側に例えば空気などの酸化ガスを供給する。供給する２種類のガスは互いに混合しないように、下部電極層２０側と上部電極層１０側の間はシールする。
＜実施の形態１：燃料電池の構成＞
図２は、本発明の実施形態１に係る薄膜プロセス型ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ ＯｘｉｄｅＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を用いた燃料電池モジュールの構成例を示す概略図である。モジュール内のガス流路は、燃料ガスの流路と酸素ガスを含む気体（例えば空気、以下同様）の流路に分離されている。燃料ガスの流路は、Ｆｕｅｌ ｉｎｔａｋｅ、Ｆｕｅｌ ｃｈａｍｂｅｒ、Ｆｕｅｌ ｅｘｈａｕｓｔを含む。空気の流路は、Ａｉｒ ｉｎｔａｋｅ、Ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ、Ａｉｒ ｅｘｈａｕｓｔを含む。燃料ガスと空気はモジュール内で混ざらないように図２の遮蔽板Ｐａｒｔｉｔｉｏｎで遮蔽されている。燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌのアノード電極とカソード電極からはＣｏｎｎｅｃｔｏｒによって配線が引き出されていて外部負荷Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄに接続される。燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌは基板２に複数個がアレイ状に形成されていて互いに配線で接続されている。
図３は、遮蔽板Ｐａｒｔｉｔｉｏｎを燃料電池Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ側から見た図である。燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌのアレイが形成された基板２は遮蔽板Ｐａｒｔｉｔｉｏｎ上に搭載されている。
図４は、燃料電池セルを遮蔽板Ｐａｒｔｉｔｉｏｎの裏側から見た図である。遮蔽板Ｐａｒｔｉｔｉｏｎには各々の燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌごとに穴Ｈｏｌｅが形成されていて、燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌに燃料ガスチャンバＦｕｅｌ Ｃｈａｍｂｅｒから燃料ガスが供給されるようになっている。
図５は、本実施形態１に係る燃料電池セル１の構成例を示す概略図である。燃料電池セル１は、図１～４に示す燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌの１つに対応する。図５に示す燃料電池セル１は、通常は複数個を接続して発電に用いる。基板２上に燃料電池セルアレイを作製した後、検査によって不良セルを特定することが低コスト化のためには必須である。燃料電池セルアレイを作製した基板２は、図２～４で示す燃料電池モジュールの組み立てに用いる。燃料電池モジュールが完成した後で、燃料電池モジュールを不良化させるＦｕｅｌ Ｃｅｌｌの不良が見つかると、燃料電池モジュール工程が無駄になるのでコストの増加が生じる。
図６は、燃料電池セル１を相互接続した例である。例えば下部電極配線２２と上部電極配線１２を図６のように互いに接続して発電させる。図６のように、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤと上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを各々の燃料電池セル１に設置し、各燃料電池セル１を検査することが考えられる。しかし配線で相互に並列接続された燃料電池アレイにおいて個々の燃料電池セル１のショート検査を実施すると、後述の図７に示すように検査対象セル以外のショート不良によって、検査対象セルをショート不良判定してしまう場合が生じる。
図７Ａは、複数の上部電極配線１２と複数の下部電極配線２２を交差させ、交点にＦｕｅｌ Ｃｅｌｌを配置したクロスポイント型のアレイ構成例である。Ｃｅｌｌ Ａのショート不良を検査するために、Ｃｅｌｌ Ａを発電させていない状態でＴＰＰＡＤとＢＰＰＡＤとの間に電圧を印加する。Ｃｅｌｌ Ａがショート不良でなければ、Ｃｅｌｌ Ａを介して電流は流れないはずである。しかしＣｅｌｌ Ａが実際はショート不良ではなかったとしても、Ｃｅｌｌ Ｂ、Ｃｅｌｌ Ｃ、Ｃｅｌｌ Ｄがともにショート不良の場合には、矢印で示すパスに沿って電流が流れ、さらにＴＰＰＡＤとＢＰＰＡＤとの間に接続したデバイスを介して電流が流れるので、Ｃｅｌｌ Ａを介して電流が流れたかのような状態となり、Ｃｅｌｌ Ａは不良判定される。
図７Ｂは、上部電極配線１２と下部電極配線２２の間に複数のセルが並列接続された例である。Ｃｅｌｌ Ａが実際はショート不良ではなかったとしてもＣｅｌｌ Ｂ、Ｃｅｌｌ Ｃ、Ｃｅｌｌ Ｄのどれかがショート不良の場合、例えばＣｅｌｌ Ｂがショート不良の場合には、矢印で示すパスに沿って電流が流れてしまうので、Ｃｅｌｌ Ａは不良判定される。
このようなＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ以外のセルを経由する電流のことをスニークカレントと呼ぶ。ショート不良率が非常に低い場合はこのようなスニークカレントによる誤判定の確率は低いが、ショート不良率が増加すると誤検出の確率が急激に増加し正しい判定が困難になる。
図８は、本実施形態１に係る燃料電池アレイの構成図である。スニークカレントを抑制するためには、図８のように選択スイッチＳＳＷを用いることができる。図８では選択スイッチＳＳＷを下部電極配線２２と下部電極層２０の間に形成しているが、後述するように上部電極配線１２と上部電極層１０の間に形成することもできる。選択スイッチＳＳＷは、燃料電池セル１ごとに設けられている。
図９は、図８の等価回路図である。選択スイッチＳＳＷをオフにした状態で上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間に電圧を印加することにより、選択した燃料電池セル１を検査することができる。例えば上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤに電圧を印加して下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤに流れる電流を測定することができる。
図１０は、燃料電池セル１の電流－電圧特性の例である。選択した燃料電池セル１の電流－電圧特性を取得することにより、ショート検査を実施することができる。図１０におけるＣｅｌｌ１が良品セル、Ｃｅｌｌ２が不良品セルである。燃料電池セル１に対して１つずつショート検査を実施する必要はなく、複数の燃料電池セル１の上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤに対して電圧を印加して電流を測定することにより、同時に複数の燃料電池セル１を検査することもできる。
図１１は、燃料電池セル１の出力電圧の例である。基板２のアノード電極側に水素を供給するとともにカソード電極側に空気を供給して温度を２００℃程度以上に昇温し、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間の出力電圧を、燃料電池セル１の出力電圧として測定する。例えば上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの電位を測定することができる。Ｃｅｌｌ１が不良品セル、Ｃｅｌｌ２が良品セルである。出力電圧の測定は燃料電池セル１を１つずつ検査する必要はなく、複数の燃料電池セル１の上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間の電圧を測定することにより、同時に複数の燃料電池セル１を検査することもできる。
これらの検査の際に、選択スイッチＳＳＷがオフ状態なので、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ以外のセルを介したスニークカレントは生じない。したがって、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを正確に検査できる。
図８と図９において、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤは上部電極配線１２と電気的に接続されているので、必ずしも燃料電池セル１ごとに形成する必要はない。上部電極層１０と電気的に接続されている場所であれば、上部電極配線１２のいずれかの場所や、検査対象の燃料電池セル１以外のセルの上部電極層１０であってもよい。一方、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤは燃料電池セル１ごとに形成されていることが重要である。他のセルとの間の接続を選択スイッチＳＳＷによって切り替えることにより、燃料電池セル１ごとに検査を実施することができる。
検査の結果、ショート不良や出力電圧不良が検出された燃料電池セル１がアレイ内に接続されていると、燃料電池セルアレイ全体の出力電力の低下の原因になる。燃料電池セル１が並列に接続されている場合には、不良が検出された燃料電池セル１をアレイから切り離すことによって対策できる。この場合、燃料電池セルアレイ内で発電に寄与する燃料電池セル１の個数が減少するので全体の出力が低下するが、不良品の燃料電池セル１が特定できていれば燃料電池モジュールを組み立てる際にモジュール内の良品セル数が許容される個数になるように調整することができる。
図１２Ａは、ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを上部電極配線１２から切り離した例を示している。図１２Ｂは、ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを下部電極配線２２から切り離した例を示している。切り離しには例えばレーザートリミングを用いることができる。
＜実施の形態１：選択スイッチの構成＞
選択スイッチＳＳＷとして用いることができるデバイスには複数の候補がある。例えばスレショールドスイッチＴＳ、ダイオードＤｉｏｄｅ、電界効果型トランジスタＦＥＴなどである。以下各デバイスの構成例を説明する。
図１３は、選択スイッチＳＳＷとしてスレショールドスイッチＴＳを用いた例である。スレショールドスイッチＴＳは薄膜の金属酸化物ＭＯを金属電極で挟んだ構造のデバイスである。金属電極２０と２２、および金属酸化物ＭＯに用いる材料は複数が考えられる。例えば、金属電極２０と２２には白金Ｐｔを用い、金属酸化物ＭＯには酸化白金ＰｔＯ２を用いることができる。金属層には白金の他に、金、パラジウム、イリジウム、銀、ニッケル、鉄、タングステン、などの金属を用いることができる。金属酸化物ＭＯには、酸化白金の他に酸化ニッケル、酸化チタン、酸化コバルトなどを用いることもできる。
金属酸化物ＭＯの候補としては、検査時には金属電極２０と２２との組み合わせでスレショールドスイッチＴＳとして動作するが、実使用前に実施するアニール処理によって金属酸化物ＭＯが金属化されて低抵抗のコンタクトになるものが好ましい。スレショールドスイッチＴＳは検査の際には必要だが、実使用時には寄生抵抗としてふるまい電力損失を生じさせるからである。金属酸化物ＭＯに酸化白金ＰｔＯ２、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化コバルトなどを用いると、５００℃程度の還元アニールで低抵抗化することができる。
図１４は、還元アニールによって金属酸化物ＭＯが低抵抗化した状態を示す図である。還元アニールにより、発電の際には不要となるスレショールドスイッチＴＳの影響を無くすことができる。金属酸化物ＭＯのうち少なくとも一部が還元して金属化することにより金属電極２０と２２との間を導通させることができれば、図１４と同等の状態となる。還元した金属酸化物ＭＯは、体積収縮によって多孔質金属層となる場合もある。したがって図１４における金属電極２０と２２の間の層は、（ａ）一部が還元して金属層になるとともに、残部が金属酸化物ＭＯとして残っているか、または、（ｂ）全体が還元して多孔質金属層となっている、ことになる。
還元アニールによって低抵抗化するスレショールドスイッチＴＳは、用いる金属酸化物ＭＯの材料によっては高温の酸化雰囲気に曝すと再び高抵抗化するものもある。例えば金属酸化物ＭＯに酸化白金ＰｔＯ２を用いる場合にはこのような高抵抗化は生じない。したがってスレショールドスイッチＴＳをカソード側に用いて発電の際に高温の空気に曝しても低抵抗のままである。この場合、カソード電極側にスレショールドスイッチＴＳを設置することもできるし、アノード側に設置することもできる。
一方、金属酸化物ＭＯに酸化ニッケル、酸化チタン、酸化コバルトなどを用いる場合には、高温の酸化雰囲気に曝すと再び高抵抗化する可能性がある。温度が低ければ問題はないが、燃料電池の実使用温度においてカソード側の雰囲気によって酸化する恐れがある場合には、これらの金属酸化物を用いたスレショールドスイッチＴＳはアノード側に設置することが望ましい。
図１５は、還元アニール前後それぞれにおけるスレショールドスイッチＴＳの電流－電圧特性を示す。アニール前は印加電圧に対して非線形な電流－電圧特性を示す。アニール後はほぼオーミックな低抵抗コンタクトとなる。
アニール前においては、印加電圧が小さいと電流がほとんど流れないのに対して、印加電圧がしきい電圧を超えると急激に電流が増加する。上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし、スレショールドスイッチＴＳの閾電圧以下の電位を下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤに印加して電流－電圧特性を取得することにより、燃料電池セル１のショート検査を実施できる。
アニール前において、基板２のアノード電極側に水素を供給するとともにカソード電極側に空気を供給して温度を２００℃程度以上に昇温し、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間の出力電圧を測定することにより、燃料電池セル１の出力電圧を判定できる。
図１６は、選択スイッチＳＳＷとしてダイオードＤｉｏｄｅを用いた例である。ダイオードＤｉｏｄｅは、Ｎ型半導体ＮＳとＰ型半導体ＰＳを下部電極層２０の上層に順に積層し、Ｐ型半導体の上層に下部電極配線２２を形成することによって作製できる。回路図上ではダイオードＤｉｏｄｅの順方向の向きは下部電極配線２２から下部電極層２０に向かう方向となる。Ｎ型半導体ＮＳとＰ型半導体ＰＳの成膜の順序を逆にするとダイオードＤｉｏｄｅの順方向は逆向きになる。ダイオードＤｉｏｄｅの順方向が、実使用時の燃料電池の発電の向きと同じになるようにダイオードＤｉｏｄｅを作製する。
上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤに電位を印加して電流－電圧特性を取得することにより、燃料電池セル１のショート検査を実施できる。検査の際にダイオードに順方向の電圧が印加されないように極性を考慮して下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤに電位を与える。
基板２のアノード電極側に水素を供給するとともにカソード電極側に空気を供給して温度を２００℃程度以上に昇温し、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの電位を測定することにより、出力電圧を判定できる。検査の際にダイオードに順方向の電圧が印加されないように、下部電極配線２２に出力電圧の最大値程度の電位を印加しておくとよい。燃料電池セル１の出力電圧が０Ｖであったとしても、ダイオードＤｉｏｄｅには逆バイアスが印加されるので、下部電極配線２２に印加した電位の影響を受けずに下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの電位を測定できる。
Ｎ型半導体ＮＳとＰ型半導体ＰＳの組み合わせとしては例えば、Ｎ型半導体ＮＳにりんをドープしたＮ型ポリシリコン、Ｐ型半導体ＰＳにボロンをドープしたＰ型ポリシリコンを用いることができる。Ｎ型半導体ＮＳに酸化チタン、Ｐ型半導体ＰＳに酸化ニッケルを用いることもできる。
実使用時のダイオードＤｉｏｄｅの寄生抵抗は小さくなることが望ましい。実使用時にはダイオードＤｉｏｄｅは不要なので図１４のスレショールドスイッチＴＳのようにアニールによる不可逆な変化によって低抵抗化させてもよい。この場合、Ｎ型半導体ＮＳとＰ型半導体ＰＳは、（ａ）一部が金属電極２０と２２の間を導通させる金属配線化するとともに残部が半導体層のまま残る、（ｂ）全体が金属電極２０と２２の間を導通させる多孔質金属配線となる、（ｃ）キャリアがＮ型半導体ＮＳとＰ型半導体ＰＳとの間で拡散することにより、金属電極２０と２２の間を導通させる、のいずれかとなる。
図１７は、選択スイッチＳＳＷとして電界効果トランジスタＦＥＴを用いた例である。電界効果トランジスタＦＥＴは、チャネル半導体層６０を下部電極層２０と下部電極配線２２の一部の上層に成膜し、その上にゲート絶縁膜ＧＯＸとゲートＧＡＴＥを形成することにより作製できる。チャネル半導体層６０としては例えば、低濃度のリンをドープしたＮ型ポリシリコン、低濃度のボロンをドープしたＰ型ポリシリコンなどを用いることができる。
電界効果トランジスタＦＥＴは、ゲートＧＡＴＥに０Ｖを印加した際にオン状態となるように作製するのが望ましい。これにより、実使用時にゲートに０Ｖを印加すると電界効果トランジスタＦＥＴをオン状態にして発電させることができる。
ゲートＧａｔｅにオフ電圧（Ｎ型ＦＥＴの場合には負電圧、Ｐ型ＦＥＴの場合には正電圧）を印加して電界効果トランジスタＦＥＴをオフ状態にした状態で、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤに電位を印加して電流－電圧特性を取得することにより、燃料電池セル１のショート検査を実施できる。
基板２のアノード電極側に水素を供給するとともにカソード電極側に空気を供給して温度を２００℃程度以上に昇温し、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを接地電位（０Ｖ）とし、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間の電位を測定することにより、出力電圧を判定できる。
実使用時の電界効果トランジスタＦＥＴの寄生抵抗は小さくなることが望ましい。実使用時には電界効果トランジスタＦＥＴは不要なので図１４のスレショールドスイッチＴＳのようにアニールによる不可逆な変化によってチャネル半導体層６０を低抵抗化させてもよい。この場合、チャネル半導体層６０は、（ａ）一部が金属電極２０と２２の間を導通させる金属配線化するとともに残部が半導体層のまま残る、（ｂ）全体が金属電極２０と２２の間を導通させる多孔質金属配線となる、のいずれかとなる。
図１８は、選択スイッチＳＳＷとして、基板２内にダイオードＤｉｏｄｅを作成した例である。ダイオードＤｉｏｄｅを基板２内に作製する際には、Ｎ型半導体ＮＳとＰ型半導体ＰＳの領域を基板２内に形成し、下部電極層２０と下部電極配線２２からコンタクトを形成する。基板２がＰ型半導体の場合には、図１８のようにＮ型半導体領域ＮＳの内部にＰ型半導体領域ＰＳが形成されるようにする。基板２がＮ型半導体の場合には、Ｐ型半導体領域ＰＳの内部にＮ型半導体領域ＮＳが形成されるようにする。
図１８の回路図では、ダイオードＤｉｏｄｅの順方向の向きは下部電極配線２２から下部電極層２０に向かう方向となる。Ｐ型半導体領域ＰＳが下部電極配線２２とコンタクトし、Ｎ型半導体領域ＮＳが下部電極層２０とコンタクトしているからである。Ｎ型半導体領域ＮＳが下部電極配線２２とコンタクトし、Ｐ型半導体領域ＰＳが下部電極層２０とコンタクトするように形成すると、ダイオードＤｉｏｄｅの順方向の向きは逆になる。ダイオードＤｉｏｄｅの順方向が、実使用時の燃料電池の発電の向きと同じになるようにダイオードＤｉｏｄｅを作製する。
上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間に電位差を印加して電流－電圧特性を取得することにより、燃料電池セル１のショート検査を実施できる。基板２のアノード電極側に水素を供給するとともにカソード電極側に空気を供給して温度を２００℃程度以上に昇温し、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＤの間の出力電圧を測定することにより、出力電圧を判定できる。
図１９は、選択スイッチＳＳＷとして、基板２内に電界効果型トランジスタＦＥＴを差作成した例である。電界効果型トランジスタＦＥＴを基板２内に作製する際には、２か所のＮ型半導体領域ＮＳを基板２内に形成し、ゲート絶縁膜ＧＯＸとなる絶縁膜３を基板２上に形成し、ゲート絶縁膜ＧＯＸ上にゲートＧＡＴＥを形成する。さらに２か所のＮ型半導体領域ＮＳに対してそれぞれ下部電極層２０からのコンタクトと下部電極配線２２からのコンタクトを形成する。２か所のＮ型の半導体領域ＮＳの代わりに、２か所のＰ型の半導体領域ＰＳを形成することもできる。Ｎ型の半導体領域ＮＳを形成するとＮ型のＦＥＴが作製され、Ｐ型の半導体領域ＰＳを形成するとＰ型のＦＥＴが作製される。
電界効果トランジスタＦＥＴはゲートＧＡＴＥに０Ｖを印加した際にオン状態となるように作製するのが望ましい。Ｎ型ＦＥＴの場合にはチャネル半導体層ＮＳの間の基板２の表面にＮ型のドーピングを施せばよい。Ｐ型ＦＥＴの場合にはチャネル半導体層ＰＳの間の基板２の表面にＰ型のドーピングを施せばよい。実使用時にゲートに０Ｖを印加することで電界効果トランジスタＦＥＴをオン状態にして燃料電池セル１を発電させることができる。
ゲートＧａｔｅにオフ電圧（Ｎ型ＦＥＴの場合には負電圧、Ｐ型ＦＥＴの場合には正電圧）を印加して電界効果トランジスタＦＥＴをオフ状態にした状態で、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間に電位差を印加して電流－電圧特性を取得することにより、燃料電池セル１のショート検査を実施できる。基板２のアノード電極側に水素を供給するとともにカソード電極側に空気を供給して温度を２００℃程度以上に昇温し、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間の出力電圧を測定することにより、出力電圧を判定できる。
図２０は、選択スイッチＳＳＷを上部電極配線１２と上部電極層１０の間に形成した例である。ここまでは選択スイッチＳＳＷを下部電極配線２２と下部電極層２０の間に形成する場合について説明したが、図２０のようにすることももちろん可能である。
図２１は、図２０の等化回路図である。図２０～図２１のような構成も、以上説明した本実施形態１の構成と同様の動作と効果を実現できる。
図２０と図２１において、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤは下部電極配線２２と電気的に接続されているので、必ずしも燃料電池セル１ごとに形成する必要はない。下部電極層２０と電気的に接続されている場所であれば、下部電極配線２２のいずれかの場所や、検査対象の燃料電池セル１以外のセルの下部電極層２０であってもよい。上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤは燃料電池セル１ごとに形成されていることが重要である。
図２２は、下部電極層２０が基板２の裏面側に形成されている燃料電池セル１の構成例である。図２２において、基板２上に形成された絶縁膜３の上に固体電解質層１００（ＹＳＺ）が形成され、その上に上部電極層１０が形成されている。さらに基板２に形成された開口部５０を介して基板２の裏面側から下部電極層２０が形成されている。
図２３は、下部電極層２０が基板２の裏面側に形成されている燃料電池セル１の別構成例である。図２３において、金属製の基板２上に下部電極層２０が形成され、その上に固体電解質層１００（ＹＳＺ）が形成され、さらにその上に上部電極層１０が形成されている。
図２２または図２３のような燃料電池セル１も、図２～図２１で説明したような燃料電池アレイを作製し、燃料電池モジュールの組み立てに用いることができる。
＜実施の形態１：効果＞
図２４は、本実施形態１の効果を説明する図である。発電性能を向上させるために固体電解質層１００を薄膜化すると、ショート不良やそれにともなう出力電圧不良の確率が増加する。これにより燃料電池アレイの中に不良品の燃料電池セル１が含まれる確率が増加する。不良セルの検査とその結果を用いた対策をしないと、燃料電池アレイの中の不良セルに起因する燃料電池モジュールの不良が多発しコストが増加する。発電性能を向上したにも関わらず、電力当りのモジュールコスト（Ｍｏｄｕｌｅ ｃｏｓｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ）が固体電解質層１００の薄膜化によって増加する。
本実施形態１の技術を用いることにより、固体電解質層１００の薄膜化によって不良セルの確率が増加したとしても、不良セルを切り離すことができる。これにより、モジュールに必要な燃料電池セル１の数が増すのでコスト自体は増加するが、固体電解質層１００の薄膜化によって出力電力が向上するので電力当たりのモジュールコスト（Ｍｏｄｕｌｅ ｃｏｓｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ）を低減することができる。このように、固体電解質層１００の薄膜化によるメリットを活かすために本実施形態１の技術は有効である。
＜実施の形態２＞
実施形態１では、燃料電池セルアレイ内の各燃料電池セル１に下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤと上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを設置した。電極パッドの位置はこれに限られるものではなく、複数の燃料電池セル１が接続される下部電極配線２２に下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤを１つ設置し、複数の燃料電池セル１が接続される上部電極配線１２に上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤを１つ設置してもよい。本発明の実施形態２では、その構成例を説明する。
図２５は、複数の上部電極配線１２と複数の下部電極配線２２を交差して並べ、各々の交点に燃料電池セル１を配置した燃料電池アレイを示している。下部電極配線２２と下部電極層２０の間に選択スイッチＳＳＷが配置されている。実施形態１とは異なり、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤは下部電極配線２２の端部に配置され、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤは上部電極配線１２の端部に配置されている。
図２６は、図２５の等価回路図である。Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌの選択スイッチＳＳＷをオン状態にし、選択しない燃料電池セル１の選択スイッチＳＳＷはオフ状態にし、下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤと上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤの間に電圧を印加することにより、燃料電池セル１のショート検査を実施できる。
Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌの選択スイッチＳＳＷをオン状態にし、選択しない燃料電池セル１の選択スイッチＳＳＷはオフ状態にし、基板２のアノード電極側に水素を供給するとともにカソード電極側に空気を供給して温度を２００℃程度以上に昇温し、上部電極プローブ電極パッドＴＰＰＡＤと下部電極プローブ電極パッドＢＰＰＡＤの間の出力電圧を測定することにより、燃料電池セル１の出力電圧を判定できる。
これらの検査の際に、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ以外の燃料電池セル１の選択スイッチＳＳＷがオフ状態なので、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ以外のセルを介したスニークカレントは生じない。したがって、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを正確に検査できる。
図２７Ａは、ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを上部電極配線１２から切り離した例を示している。図２７Ｂは、ショート不良（ＳｈｏｒｔＦａｉｌｕｒｅ）のセルを下部電極配線２２から切り離した例を示している。切り離しには例えばレーザートリミングを用いることができる。
＜実施の形態２：選択スイッチの構成＞
図２８は、選択スイッチＳＳＷとして電界効果型トランジスタＦＥＴを用いた場合におけるショート不良を検査する方法を示す。上部電極配線１２と下部電極配線２２のうち一方（図２８においては上部電極配線１２）に対してそれぞれ独立に給電し、電界効果型トランジスタＦＥＴのゲートＧＡＴＥを上部電極配線１２と直交する方向に並ぶ燃料電池セル１間で共通にすることができる。この場合、下部電極配線２２は独立していてもよいし、端部で結束して共通化してもよい。ゲートＧＡＴＥと、それぞれ独立に給電できる上部電極配線１２とが交差する位置において、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを選ぶことができる。図２８では、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ２、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ３が選択されている。
それぞれのセルの上部電極配線１２に電圧Ｖｐｒｏｂｅを印加し、下部電極配線２２にＶｇｒｏｕｎｄ（＝０Ｖ）を印加して電流を測定する。Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ２、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ３がショート不良ならばＩＪ以上の電流が流れ、良品ならばＩＪより小さい電流がそれぞれの上部電極配線１２に流れる。
燃料電池セルアレイ内で図２８のように複数のセルに対して同時にショート検査を実施する際には注意が必要である。上部電極配線１２と下部電極配線２２は、小さいが有限の寄生抵抗Ｒｐａｒａ１とＲｐａｒａ２をそれぞれもっているので、電流が流れると電圧降下が生じる。複数の選択セルＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを同時に計測する場合には、各Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌに流れる電流は共通の下部電極配線に流れ込む。その結果、例えばＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１の下部電極配線２２の電位は、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ２とＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ３に流れる電流によって変化する。すなわちＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１に印加される電圧が、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ２とＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ３に流れる電流によって変化する。このため、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１が本来はショート不良であったとしても、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ２、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ３に流れる電流が大きいと、寄生抵抗による電圧降下の影響でセルに印加される電圧がＶｐｒｏｂｅから大きく減少し、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１を流れるリーク電流が減少し、誤って良品と判定される場合がある。
図２９は、寄生抵抗による電圧降下が無視できない場合において誤検出を防ぐ手順を説明するフローチャートである。例えばリーク電流ＩＪ以上の電流が流れた不良セルが２以上ある場合には（Ｓ２９０１：ＹＥＳ）、該当するＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを不良判定した上で（Ｓ２９０２）、その上部電極配線１２の電位をＶｐｒｏｂｅから０Ｖに変更して残りのＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを測り直す（Ｓ２９０３）。不良セルが１以下になるまでＳ２９０２～Ｓ２９０３を繰り返す（Ｓ２９０４）。
図２８の構成においては、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１～３のうちいずれか一部のみが不良であり残りが良品として判定された場合であっても、上記電圧降下に起因して、良品判定されたセルが実際には不良である可能性がある。図２９のフローチャートによれば、Ｓ２９０３において不良セルを検査対象から１つずつ除外することを繰り返すことにより、良品判定されたセルをさらに検査する。これにより、寄生抵抗Ｒｐａｒａ１とＲｐａｒａ２による電圧降下の影響を低減することができる。リーク電流による寄生抵抗での電圧降下が無視できることがあらかじめ分かっている場合には、図２９のような手順は不要である。
図３０は、選択スイッチＳＳＷとして電界効果型トランジスタＦＥＴを用いた場合における出力電圧を検査する方法を示す。上部電極配線１２と下部電極配線２２のうち一方（図３０においては上部電極配線１２）を独立に給電できるようにし、ゲートＧＡＴＥを上部電極配線１２に直交する方向において共通にすることができる。このとき下部電極配線２２は独立して給電できるようにしてもよいし共通にしてもよい。下部電極配線にはＶｇｒｏｕｎｄ＝０Ｖを印加する。基板２のアノード側に水素を供給するとともにカソード側に空気を供給して２００℃程度に昇温する。上部電極配線１２の電位を測定することにより、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌの起電力による電位を測定する。この電位を判定電圧ＶＪと比較することにより、不良セルを判定する。
図３０ではＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ２、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ３が同時に測定されている。ショート検査の場合と異なり、出力電圧の測定では電流はほとんど流れないので、寄生抵抗Ｒｐａｒａ１とＲｐａｒａ２による電圧降下はほとんど影響しない。したがって複数のセルを同時に測定きる。
実施形態１と同様に、電界効果型トランジスタＦＥＴはゲートＧＡＴＥに０Ｖを印加したときにオン状態となるようにするのが好都合である。検査の際には選択セルＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ以外のゲートＧＡＴＥにオフ電圧を印加し、選択セルＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌのゲートには０Ｖを印加することにより、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを指定する。実使用時には全てのゲートにｇｒｏｕｎｄ電位（０Ｖ）を印加すると全てオン状態にすることができる。
図３１は、スレショールドスイッチＴＳの電流－電圧特性と、Ｖｐｒｏｂｅの印加電圧に対して電流ＩＪが流れる不良セルの負荷線を示す。選択スイッチＳＳＷとしてスレショールドスイッチＴＳを用いることもできる。この場合、ショート検査の際に流れる電流は、燃料電池セル１とスレショールドスイッチＴＳを直列に流れる。燃料電池セル１とスレショールドスイッチＴＳの直列接続の両端にＶｐｒｏｂｅを印加してもスレショールドスイッチＴＳが電流を止めてしまう。しかし両端に印加する電圧をＶｔｈ２＋Ｖｐｒｏｂｅとすることにより、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌが不良の場合にはＩＪ以上の電流が流れ、良品の場合にはＩＪより小さい電流が流れるようにできる。
図３２は、選択スイッチＳＳＷとしてスレショールドスイッチＴＳを用いた例である。検査のための電圧条件も併記する。Ｖｔｈ２＋Ｖｐｒｏｂｅを、Ｓｅｌｃｔｅｄ Ｃｅｌｌに接続された上部電極配線１２に印加し、Ｖｇｒｏｕｎｄ（＝０Ｖ）を、Ｓｅｌｃｔｅｄ Ｃｅｌｌに接続された下部電極配線２２に印加し、それ以外の上部電極配線１２と下部電極配線２２は浮遊状態にする。
Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌにおいては上部電極配線１２と下部電極配線２２の間にＶｔｈ２＋Ｖｐｒｏｂｅが印加される。Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌが不良ならばＩＪ以上の電流が流れ、良品ならばＩＪより小さい電流が流れる。Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ以外を迂回する電流パスもあるが、これらの経路は３個以上のセルを直列に経由する。これらの経路は３つ以上のスレショールドスイッチＴＳを流れる経路であり、２×｜Ｖｔｈ１｜＋Ｖｔｈ２より大きい電圧が印加されない限り流れる電流は非常に小さい。２×｜Ｖｔｈ１｜＋Ｖｔｈ２＞Ｖｔｈ２＋Ｖｐｒｏｂｅであれば、すなわち｜Ｖｔｈ１｜＞Ｖｐｒｏｂｅ／２であればＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ以外の燃料電池セル１がショート不良であってもスニークカレントはほとんど流れない。このように、Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌのショート検査をスニークカレントの影響を受けずに実施できる。
図３３は、複数セルに対して同時にショート検査を実施する例である。図３２は１つのＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌに対してショート検査を実施する方法を示したが、原理的には図３３に示す電圧条件により複数セルの同時検査が可能である。ただし、図２８～図２９で説明した電界効果トランジスタＦＥＴを選択スイッチＳＳＷとして用いる場合と同様に、寄生抵抗の影響による誤検出には注意が必要である。
寄生抵抗による電圧降下が無視できない場合に誤検出を防ぐには、図２９と同様のフローを用いる必要がある。例えばリーク電流がＩＪ以上の電流が流れた不良セルが複数ある場合には、該当するＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを不良判定した上で、その上部電極配線１２の電位をＶｔｈ＋ＶｐｒｏｂｅからＦｌｏａｔｉｎｇに変更して残りのＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを測り直す。複数の不良セルが検出されなくなるまでこれを繰り返すことによって寄生抵抗Ｒｐａｒａ１、Ｒｐａｒａ２による影響を低減することができる。リーク電流による寄生抵抗での電圧降下が無視できることがあらかじめ分かっている場合にはこのような注意は不要である。
図３４は、選択スイッチＳＳＷがない燃料電池アレイにおいてショート検査を実施する場合における電圧条件を示す。図３３のような複数の選択セルＳｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌを同時にショート検査する方法は、選択スイッチＳＳＷがない燃料電池アレイにおいても可能な場合もある。リーク電流による寄生抵抗Ｒｐａｒａでの電圧降下が無視できることがあらかじめ分かっている場合には、図３４の条件で複数セルの同時検査が可能であるが、電圧降下が無視できない場合には誤検知を防ぐことは極めて難しい。図２９と同様のフローを用いて、上部電極配線１２への印加電位を全て同じではなくすると、選択スイッチＳＳＷがないのでスニークカレントを抑制することができないからである。非常に少ない燃料電池セル１だけがショートしている場合など、寄生抵抗による電圧降下が無視できる場合には、図３４を用いることができる。
図３５は、選択スイッチＳＳＷとしてスレショールドスイッチＴＳを用いた場合において出力電圧を試験する方法を示す。上部電極層１０がカソード、下部電極層２０がアノードと仮定して説明する。上部電極配線１２を独立に給電できるようにし、上部電極配線１２と直交する方向の１列のアノード側に水素を供給して０Ｖに固定する（Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｃｅｌｌ１～３）。他のアノード配線はフローティング状態とする。アノード側に水素を供給する１列の燃料電池セル１以外のセルにはアノードとカソード両方に空気を供給し、温度を２００℃程度以上に昇温する。このようにするとアノード側に水素を供給した１列の燃料電池セル１だけ発電が起こる。上部電極配線１２の電位を標準抵抗Ｒｍと電圧計によって測定する。
図３６は、スレショールドスイッチＴＳの電流－電圧特性である。スレショールドスイッチＴＳのＶｔｈ２より小さい定電流領域の抵抗をＲ１とし、Ｖｔｈ２よりも大きい大電流領域の抵抗をＲ２とする。ＲｍをＲ１より十分小さく、Ｒ２より十分大きい値に選ぶと、Ｒｍに印加される電圧はＯＣＶがＶｔｈ２よりも大きい場合には図３６の負荷線で示すようにＯＣＶ－ＴＳ≒ＯＣＶ－Ｖｔｈ２となり、ＯＣＶがＶｔｈ２よりも小さい場合にはほとんど０Ｖとなる。スニークカレントの影響が無視できれば、抵抗Ｒｍに印加される電圧を計測することにより、正常な燃料電池セル１と不良の燃料電池セル１を判別できる。
燃料電池セル１の最大の開回路電圧ＯＣＶをＶ０とすると、この燃料電池セル１に接続された上部電極配線１２の電位はＶ０－Ｖｔｈ２である。隣接する燃料電池セル１が不良の場合は極端な場合はＯＣＶ＜Ｖｔｈ２となる。この場合は不良セルに接続された上部電極配線１２の電位は０Ｖとなる。
（Ｖ０－Ｖｔｈ２）＜ Ｖｔｈ１＋Ｖｔｈ２、すなわちＶ０＜ Ｖｔｈ１＋２×Ｖｔｈ２を満たせばスニークカレントを抑制できる。つまり、Ｖｔｈ２＜Ｖ０＜Ｖｔｈ１＋２Ｖｔｈ２となるようにＶｔｈ１とＶｔｈ２を設計すればよい。
下部電極層２０、下部電極配線２２、金属酸化物ＭＯに用いる材料は実施形態１と同様のものを用いることができる。金属酸化物ＭＯの候補としては、検査時には下部電極層２０と下部電極配線２２との組み合わせでスレショールドスイッチＴＳとして動作するが、実使用前のアニール処理によって金属酸化物ＭＯが金属化されて低抵抗のコンタクトになるものが好ましい。スレショールドスイッチＴＳは検査の際には必要だが、実使用時には寄生抵抗としてふるまい電力損失を生じさせるからである。金属酸化物ＭＯに酸化白金ＰｔＯ２、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化コバルトなどを用いると、５００℃程度の還元アニールで低抵抗化することができる。
図３７は、還元アニール後の等化回路図である。還元アニールによって金属酸化物ＭＯが低抵抗化すると、スレショールドスイッチＴＳは回路的には寄生抵抗Ｒｐａｒａ３となり、回路図は図３７のようになる。Ｒｐａｒａ３を十分に小さくできれば、発電の際には不要となるスレショールドスイッチＴＳの影響を無くすことができる。
本実施形態２の技術を用いることにより、実施形態１と同様に固体電解質層１００の薄膜化によって、電力当りのモジュールコスト（Ｍｏｄｕｌｅ ｃｏｓｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ）を低減することができる。
＜実施の形態３＞
図２とは異なり、燃料電池セル１の全体に対して、例えば水素を含む燃料ガスと空気などの酸素を含むガスの混合ガスを供給してもよい。この場合、下部電極層２０と上部電極層１０には同じ混合ガスが供給されるが、電極の形状が異なるので電位差が生じ発電する。下部電極層２０と上部電極層１０との間で電極材料を変えることにより、起電力を増大させることができる。
このような燃料電池をシングルチャンバ型燃料電池と呼ぶ。シングルチャンバ型燃料電池は、燃料ガスを含むガスの系統と、酸素などの酸化剤を含むガスの系統を分離してシールする必要がないので構造が簡単になりシステムコストを低減できるという長所がある。本発明の実施形態３では、燃料電池セル１を含む燃料電池システムを、シングルチャンバ型とした構成例を説明する。
図３８は、本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの構成例である。モジュール内に導入するガスは酸素と燃料ガスの混合ガスであり、混合ガスはＭｉｘ ｇａｓ ｉｎｔａｋｅ、Ｃｈａｍｂｅｒ、Ｅｘｈａｕｓｔに沿って流れる。燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌのアノード電極とカソード電極からはＣｏｎｎｅｃｔｏｒによって配線が引き出されていて外部の負荷Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄに接続される。燃料電池セルＦｕｅｌ Ｃｅｌｌは支持基板Ｂｏａｒｄ上に搭載されている。燃料電池セルは１つでもよいが一般には複数個が並べられる。図３８のＦｕｅｌ Ｃｅｌｌには実施形態１～２の燃料電池セル１を用いることができる。
本実施形態３のシングルチャンバ型セルの場合においても、実施形態１～２と同様に固体電解質層１００の薄膜化によって、電力当りのモジュールコスト（Ｍｏｄｕｌｅ ｃｏｓｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ）を低減することができる。
１ 燃料電池セル
２ 基板
３ 絶縁膜
１０ 上部電極層
２０ 下部電極層
１１ 集電配線
２１ 集電配線
１２ 上部電極配線
２２ 下部電極配線
１３ 電極パッド
２３ 電極パッド
１４ 上部電極プローブパッド
２４ 下部電極プローブパッド
６０ チャネル半導体層
９０ 絶縁膜
１００ 固体電解質層

Claims (14)

  1. 複数の燃料電池セルを備える燃料電池アレイであって、
    前記燃料電池セルは、
    第１電極層、
    固体電解質層、
    第２電極層、
    一端が前記第１電極層と接続された接続素子、
    を備え、
    前記燃料電池アレイはさらに、第１配線と第２配線を備え、
    前記第１配線は、各前記燃料電池セルの前記第２電極層と接続されており、
    前記第２配線は、各前記燃料電池セルの前記接続素子の他端と接続されており、
    前記接続素子は、２つの電極の間に導電層が挟まれた構造を有する
    ことを特徴とする燃料電池アレイ。
  2. 前記複数の燃料電池セルのうち少なくともいずれかは、前記第１配線または前記第２配線から切断されている
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池アレイ。
  3. 前記接続素子は、
    前記２つの電極が金属層によって構成されるとともに、前記導電層が金属酸化物によって構成されており、
    前記金属酸化物のうち少なくとも一部が、還元して金属化されていることにより、前記燃料電池セルと前記第２配線との間を常時導通させる配線として動作する
    ことによって構成されているか、
    または、
    前記接続素子は、
    前記２つの電極が金属層によって構成されるとともに、前記導電層が多孔質の金属層によって構成されることにより、前記燃料電池セルと前記第２配線との間を常時導通させる配線として動作する
    ことによって構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池アレイ。
  4. 前記接続素子は、
    Ｎ型半導体層とＰ型半導体層を積層した積層体を前記２つの電極がはさむことによって構成されており、
    前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層のうち少なくとも一部が、還元して金属化されていることにより、前記燃料電池セルと前記第２配線との間を常時導通させる配線として動作する
    ことによって構成されているか、
    または、
    前記接続素子は、
    前記２つの電極が金属層によって構成されるとともに、前記導電層が多孔質導電層によって構成されることにより、前記燃料電池セルと前記第２配線との間を常時導通させる配線として動作する
    ことによって構成されているか、
    または、
    前記接続素子は、
    Ｎ型半導体層とＰ型半導体層を積層した積層体を前記２つの電極がはさむことによって構成されており、
    前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層との間でキャリアが拡散することによって、前記燃料電池セルと前記第２配線との間を常時導通させる配線として動作する
    ことによって構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池アレイ。
  5. 前記接続素子は、前記導電層と電気的に接続したゲート電極を備え、
    前記接続素子は、
    前記２つの電極が金属層によって構成されるとともに、前記導電層が金属酸化物によって構成されており、
    前記導電層のうち少なくとも一部が、還元して金属化されていることにより、前記燃料電池セルと前記第２配線との間を常時導通させる配線として動作する
    ことによって構成されているか、
    または、
    前記接続素子は、
    前記２つの電極が金属層によって構成されるとともに、前記導電層が多孔質導電層によって構成されることにより、前記燃料電池セルと前記第２配線との間を常時導通させる配線として動作する
    ことによって構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池アレイ。
  6. 各前記燃料電池セルのうち少なくともいずれかは、前記第２電極層と電気的に導通した第１引出電極パッドを備え、
    または、
    前記燃料電池アレイはさらに、前記第１配線と電気的に導通した第１引出電極パッドを備える
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池アレイ。
  7. 各前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極層と電気的に導通した第２引出電極パッドを備える
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池アレイ。
  8. 前記第１配線と前記第２配線は、互いに交差する方向に延伸しており、
    前記燃料電池アレイは、前記第１配線が延伸する第１方向に沿って複数配置されるとともに、前記第２配線が延伸する第２方向に沿って複数配置されることにより、アレイ状に配置されている
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池アレイ。
  9. 前記接続素子は、電界効果型トランジスタとして構成されており、
    前記第２配線が延伸する方向に沿って配置されている各前記燃料電池セルが備える各前記電界効果型トランジスタのゲート端子は、互いに電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池アレイ。
  10. 複数の燃料電池セルを備える燃料電池アレイを検査する方法であって、
    前記燃料電池セルは、
    第１電極層、
    固体電解質層、
    第２電極層、
    一端が前記第１電極層と接続された接続素子、
    を備え、
    前記燃料電池アレイはさらに、第１配線と第２配線を備え、
    前記第１配線は、各前記燃料電池セルの前記第２電極層と接続されており、
    前記第２配線は、各前記燃料電池セルの前記接続素子の他端と接続されており、
    前記接続素子は、２つの電極の間に導電層が挟まれた構造を有し、
    前記方法は、
    前記接続素子をオフにした前記燃料電池セルに対して、前記第１電極層と前記第２電極層との間に電圧を印加して出力電流をモニタすることにより、前記電圧を印加した前記燃料電池セルがショート故障しているか否かを判定するステップ、
    または、
    前記接続素子をオフにした前記燃料電池セルを発電させて出力電圧をモニタすることにより、前記発電させた前記燃料電池セルが不良品であるか否かを判定するステップ、
    を有する
    ことを特徴とする燃料電池検査方法。
  11. 前記第１配線と前記第２配線は、互いに交差する方向に延伸しており、
    前記燃料電池アレイは、前記第１配線が延伸する第１方向に沿って複数配置されるとともに、前記第２配線が延伸する第２方向に沿って複数配置されることにより、アレイ状に配置されており、
    前記接続素子は、電界効果型トランジスタとして構成されており、
    前記第２配線が延伸する方向に沿って配置されている各前記燃料電池セルが備える各前記電界効果型トランジスタのゲート端子は、前記第２配線を介して互いに電気的に接続されており、
    前記燃料電池セルがショート故障しているか否かを判定するステップは、
    前記互いに電気的に接続されている各前記ゲート端子に対して前記電界効果型トランジスタをオンさせるオン電圧を印加するステップ、
    前記オン電圧を印加した各前記燃料電池セルの出力電流をモニタすることにより、前記オン電圧を印加した各前記燃料電池セルのうち少なくともいずれかがショート故障しているか否かを判定するステップ、
    前記オン電圧を印加した各前記燃料電池セルのうち一部のみがショート故障していると判定した場合は、その故障していると判定した前記燃料電池セルを除く前記燃料電池セルのうちいずれか１つについて前記第１電極層と前記第２電極層との間の電圧を０Ｖに変更して改めて前記出力電流をモニタすることを繰り返すことにより、ショート故障している前記燃料電池セルをさらに検出するステップ、
    を有する
    ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池検査方法。
  12. 前記第１配線と前記第２配線は、互いに交差する方向に延伸しており、
    前記燃料電池アレイは、前記第１配線が延伸する第１方向に沿って複数配置されるとともに、前記第２配線が延伸する第２方向に沿って複数配置されることにより、アレイ状に配置されており、
    前記接続素子は、電界効果型トランジスタとして構成されており、
    前記第２配線が延伸する方向に沿って配置されている各前記燃料電池セルが備える各前記電界効果型トランジスタのゲート端子は、前記第２配線を介して互いに電気的に接続されており、
    前記発電させた前記燃料電池セルが不良品であるか否かを判定するステップは、
    前記互いに電気的に接続されている各前記ゲート端子に対して前記電界効果型トランジスタをオンさせるオン電圧を印加するステップ、
    前記オン電圧を印加した各前記燃料電池セルを発電させて出力電圧をモニタすることにより、前記オン電圧を印加した各前記燃料電池セルが不良品であるか否かをまとめて判定するステップ、
    を有する
    ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池検査方法。
  13. 前記第１配線と前記第２配線は、互いに交差する方向に延伸しており、
    前記燃料電池アレイは、前記第１配線が延伸する第１方向に沿って複数配置されるとともに、前記第２配線が延伸する第２方向に沿って複数配置されることにより、アレイ状に配置されており、
    前記接続素子は、金属酸化物を２つの金属層が挟むことによってスレショールドスイッチとして構成されており、
    前記燃料電池セルがショート故障しているか否かを判定するステップは、
    検査対象とする前記燃料電池セルに対して、前記スレショールドスイッチの閾値電圧よりも大きい電圧を印加して出力電流をモニタすることにより、ショート故障しているか否かを判定するステップ、
    を有する
    ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池検査方法。
  14. 前記第１配線と前記第２配線は、互いに交差する方向に延伸しており、
    前記燃料電池アレイは、前記第１配線が延伸する第１方向に沿って複数配置されるとともに、前記第２配線が延伸する第２方向に沿って複数配置されることにより、アレイ状に配置されており、
    前記接続素子は、金属酸化物を２つの金属層が挟むことによってスレショールドスイッチとして構成されており、
    前記第２配線が延伸する方向に沿って配置されている各前記燃料電池セルが備える各前記接続素子の他端は、前記第２配線を介して互いに電気的に接続されており、
    前記発電させた前記燃料電池セルが不良品であるか否かを判定するステップは、
    前記接続素子が互いに電気的に接続されている各前記燃料電池セルを発電させて出力電圧をモニタすることにより、各前記燃料電池セルが不良品であるか否かをまとめて判定するステップ、
    を有する
    ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池検査方法。
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