JP5787114B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を蓄電池等の二次電池とともに車両に搭載した燃料電池車両が提案されている。かかる燃料電池車両には、燃料電池と電動モータとの間に設けられるインバータ、インバータをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する制御部、燃料電池や二次電池から供給される直流電圧をより大きい直流電圧に変換するためのコンバータ、等が搭載されるのが一般的である。

ところで、インバータやコンバータを備える電力変換装置においては、キャリア信号の周波数等に応じた電流がリアクトルに流れて共振が発生するという問題がある。このため、現在においては、コンバータのスイッチング周波数を２倍にして、リアクトルに流れる三相交流電流の周波数を２倍にすることにより、磁気騒音を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３３３６１５号公報

しかし、前記した特許文献１に記載された技術のように、コンバータのスイッチング周波数を（可聴域を超えるような）高い周波数に設定すると、スイッチング素子が高温となるという新たな問題が発生する。

特に近年においては、大電力用の多相コンバータの開発が進められており、このような多相コンバータを使用する場合にはスイッチング素子の温度が高温にならないような制御が必要となるが、具体的にどのような制御を適用すべきかについては未だ検討されていない。また、燃料電池車両には、燃料電池用のコンバータと、バッテリ用のコンバータと、の双方が設けられているが、これらコンバータの駆動周波数をインバータの駆動周波数と共振させないように設定する必要がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータを備える燃料電池システムにおいて、特に高負荷領域で発生するノイズを効果的に抑制し、静粛性を向上させることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池と負荷装置との間に設けられた燃料電池コンバータと、バッテリと、バッテリと負荷装置との間に設けられたバッテリコンバータと、を備える燃料電池システムであって、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、燃料電池コンバータの駆動周波数帯域と、バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように各駆動周波数帯域を設定する周波数設定手段を備えるものである。

かかる構成を採用すると、高負荷領域（負荷装置の負荷が所定の閾値を超えるような負荷領域）において、燃料電池コンバータの駆動周波数帯域と、バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、が重ならないようにすることができる。従って、高負荷領域において燃料電池コンバータとバッテリコンバータの駆動周波数帯域が重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、燃料コンバータの駆動周波数の中央値と、バッテリコンバータの駆動周波数の中央値と、を所定周波数（例えば約０．２ｋＨｚ）だけずらして設定する周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、高負荷領域において、燃料コンバータの駆動周波数の中央値と、バッテリコンバータの駆動周波数の中央値と、を所定周波数（例えば約０．２ｋＨｚ）だけずらすことにより、両駆動周波数が近付くことに起因する「うなり」の発生を抑制することができる。従って、ノイズをさらに効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータの駆動周波数帯域と、各種機器を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように各駆動周波数帯域を設定する周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、高負荷領域において、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータの駆動周波数帯域と、各種機器（例えばトラクションモータ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ、エアコンプレッサ等）を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないようにすることができる。従って、高負荷領域において燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータの駆動周波数帯域とインバータの駆動周波数帯域とが重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池コンバータに含まれるコンデンサ又はスイッチング素子の温度が所定の閾値を超える場合に、燃料電池コンバータの駆動周波数帯域の変更を行わない周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、燃料電池コンバータに含まれるコンデンサやスイッチング素子の温度が所定の閾値を超える場合には、燃料電池コンバータの駆動周波数帯域の変更を行わないようにすることができる。従って、燃料電池コンバータの駆動周波数帯域の変更に起因してコンデンサやスイッチング素子の温度がさらに上昇するという事態が発生することを回避することができるので、コンデンサやスイッチング素子を保護することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池コンバータとして、複数の駆動相を有する多相燃料電池コンバータを採用することができる。かかる場合において、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、多相燃料電池コンバータの各駆動相における駆動周波数帯域が互いに重ならないように各駆動相の駆動周波数帯域を設定する周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、高負荷領域において、複数の駆動相を有する燃料電池コンバータ（多相燃料電池コンバータ）の各駆動相における駆動周波数帯域が互いに重ならないようにすることができる。従って、高負荷領域において多相燃料電池コンバータの各駆動相の駆動周波数帯域が重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、多相燃料電池コンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに所定周波数（例えば０．２ｋＨｚ）だけずらして設定する周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、高負荷領域において、多相燃料電池コンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに所定周波数（例えば約０．２ｋＨｚ）だけずらすことにより、各駆動相の駆動周波数が近付くことに起因する「うなり」の発生を抑制することができる。従って、ノイズをさらに効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値以下である場合に、多相燃料電池コンバータの全駆動相を常時駆動させて各駆動相に流れる電流を低減させる駆動相制御手段を備えることができる。

かかる構成を採用すると、低負荷領域（負荷装置の負荷が所定の閾値以下となるような負荷領域）において、多相燃料電池コンバータの全駆動相を常時駆動させて各駆動相に流れる電流を低減させることができるので、多相燃料電池コンバータの各駆動相におけるリアクトルノイズを低減させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、バッテリコンバータとして、複数の駆動相を有する多相バッテリコンバータを採用することができる。かかる場合において、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、多相バッテリコンバータの各駆動相における駆動周波数帯域が互いに重ならないように各駆動相の駆動周波数帯域を設定する周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、高負荷領域において、複数の駆動相を有するバッテリコンバータ（多相バッテリコンバータ）の各駆動相における駆動周波数帯域が互いに重ならないようにすることができる。従って、高負荷領域において多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数帯域が重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに所定周波数（例えば０．２ｋＨｚ）だけずらして設定する周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、高負荷領域において、多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに所定周波数（例えば約０．２ｋＨｚ）だけずらすことにより、各駆動相の駆動周波数が近付くことに起因する「うなり」の発生を抑制することができる。従って、ノイズをさらに効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値以下である場合に、多相バッテリコンバータの全駆動相を常時駆動させて各駆動相に流れる電流を低減させる駆動相制御手段を備えることができる。

かかる構成を採用すると、低負荷領域（負荷装置の負荷が所定の閾値以下となるような負荷領域）において、多相バッテリコンバータの全駆動相を常時駆動させて各駆動相に流れる電流を低減させることができるので、多相バッテリコンバータの各駆動相におけるリアクトルノイズを低減させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値以下である場合に、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータの駆動周波数が可聴域を超えるように駆動周波数を設定する周波数設定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータのリアクトルノイズが、周辺ノイズ（例えばエアコンプレッサノイズやロードノイズ）を上回り易い低負荷領域（負荷装置の負荷が所定の閾値以下となるような負荷領域）において、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータの駆動周波数が可聴域を超えるようにすることができる。従って、低負荷領域において、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータに起因するノイズを効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に加えて負荷が所定の閾値以下である場合においても、燃料電池コンバータの駆動周波数帯域と、バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように各駆動周波数帯域を設定する周波数設定手段を採用することもできる。

かかる構成を採用すると、高負荷領域に加えて低負荷領域においても、燃料電池コンバータの駆動周波数帯域と、バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、が重ならないようにすることができる。従って、全負荷領域においてノイズを効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に加えて負荷が所定の閾値以下である場合においても、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータの駆動周波数帯域と、各種機器を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように各駆動周波数帯域を設定する周波数設定手段を採用してもよい。

かかる構成を採用すると、高負荷領域に加えて低負荷領域においても、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータの駆動周波数帯域と、各種機器（例えばトラクションモータ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ、エアコンプレッサ等）を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないようにすることができる。従って、全負荷領域においてノイズを効果的に抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池コンバータ及びバッテリコンバータを備える燃料電池システムにおいて、特に高負荷領域で発生するノイズを効果的に抑制し、静粛性を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムのコンバータの駆動周波数と振動騒音との関係を示すグラフである。 図１に示す燃料電池システムのＦＣコンバータの駆動周波数とコンデンサ温度との関係を示すグラフである。 図１に示す燃料電池システムのＦＣコンバータの駆動周波数とスイッチング素子温度との関係を示すグラフである。 図１に示す燃料電池システムの燃料電池の出力電流と振動騒音との関係を示すグラフである。 （Ａ）はリアクトル電流が連続領域にある場合のタイムチャートであり、（Ｂ）はリアクトル電流が不連続領域にある場合のタイムチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池車両に搭載された発電システムである。

燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２やバッテリ３で発生させた電力を、トラクションモータ用インバータ４を介してトラクションモータ４ａに供給することにより、トラクションモータ４ａを回転駆動するものである。燃料電池システム１は、燃料電池２とトラクションモータ用インバータ４との間に設けられたＦＣコンバータ１０、バッテリ３とトラクションモータ用インバータ４との間に設けられたバッテリコンバータ５、各種補機を制御するインバータ（水素ポンプ用インバータ６、冷却水循環ポンプ用インバータ７、エアコンプレッサ用インバータ８等）、システム全体を統合制御するコントローラ９等を備えている。

燃料電池２は、複数の単電池を直列に積層して構成した固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池２においては、アノード電極において以下の（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において以下の（２）式の還元反応が生じ、燃料電池２全体としては以下の（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ ・・・（３）

燃料電池２を構成する単電池は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。燃料電池２には、燃料ガスをアノード電極に供給する系統、酸化ガスをカソード電極に供給する系統、冷却液をセパレータ内に供給する系統が設けられており、コントローラ９からの制御信号に応じて燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されることにより、所望の電力を発生させることができるようになっている。

ＦＣコンバータ１０は、燃料電池２の出力電圧を制御する機能を果たす。本実施形態におけるＦＣコンバータ１０は、図１に示すように、Ｕ相コンバータ１１、Ｖ相コンバータ１２、Ｗ相コンバータ１３、Ｘ相コンバータ１４の４相を並列に接続した多相燃料電池コンバータである。ＦＣコンバータ１０は、トラクションモータ４ａ等の負荷装置の負荷（要求電力）に応じて、１相（例えばＵ相）のみを使用する１相駆動、２相（例えばＵ相とＶ相）を使用する２相駆動、３相（例えばＵ相とＶ相とＷ相）を使用する３相駆動、全ての駆動相を使用する４相駆動、といった駆動相の切替えを行うことができるようになっている。

ＦＣコンバータ１０は、燃料電池２の出力電圧を目標出力に応じた電圧となるように制御する。なお、ＦＣコンバータ１０の出力電圧や出力電流は、図示していない電圧センサ及び電流センサにより検出することができるようになっている。また、本実施形態においては、各駆動相のリアクトルに流れる電流（リアクトル電流）を検出するためのリアクトル電流センサが設けられている。

ＦＣコンバータ１０の各駆動相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）に用いられるスイッチング素子の種類としては、例えば、接合ショットキーダイオード、ｐ−ｉ−ｎ／ショットキー複合ダイオード、ＭＯＳ障壁ショットキーダイオード等のダイオード類、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）やダーリントンといった電流制御型トランジスタ、通常サイリスタやＧＴＯ（Gate Turn Off）サイリスタ等のサイリスタ類、ＭＯＳ電界効果（ＦＥＴ）トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）、注入促進型絶縁ゲートトランジスタ（ＩＥＧＴ）等の電圧制御型トランジスタ、等を挙げることができる。これらの中では、サイリスタ類及び電圧制御型トランジスタが好ましい。

バッテリ３は、トラクションモータ４ａに対して燃料電池２と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能するものである。バッテリ３としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池を採用することができる。

バッテリコンバータ５は、各インバータの入力電圧を制御する機能を果たすものであり、例えばＦＣコンバータ１０と同様の回路構成を有するものを採用することができる。バッテリコンバータ５としては、昇圧型のコンバータを採用してもよいが、これに代えて昇圧動作及び降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用してもよく、各インバータの入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。

トラクションモータ用インバータ４は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータを採用することができ、コントローラ９からの制御指令に従って、燃料電池２やバッテリ３から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ４ａの回転トルクを制御する。各種補機（水素ポンプ６ａ、冷却水循環ポンプ７ａ、エアコンプレッサ８ａ等）を制御するインバータ（水素ポンプ用インバータ６、冷却水循環ポンプ用インバータ７、エアコンプレッサ用インバータ８等）としてもＰＷＭインバータを採用することができる。

トラクションモータ４ａは、燃料電池車両の動力となる回転トルクを発生させるものであり、減速時には回生電力を発生させるようにも構成されている。トラクションモータ４ａの回転トルクは、減速装置４ｂによって所定の回転数に減速させられた上で、シャフト４ｃを介してタイヤ４ｄに伝達される。なお、本実施形態においては、燃料電池２から供給される電力を受けて作動する全ての機器を負荷装置と総称することとする。

コントローラ９は、燃料電池システム１を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有している。コントローラ９は、各種センサから供給される信号（例えば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池２の出力電流や出力電圧を表す信号等）の入力を受けて、負荷装置の負荷（要求電力）を算出する。

負荷装置の負荷は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、各種補機（水素ポンプ６ａ、冷却水循環ポンプ７ａ、エアコンプレッサ８ａ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配置される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。

そして、コントローラ９は、燃料電池２とバッテリ３との各々の出力電力の配分を決定し、発電指令値を算出する。コントローラ９は、燃料電池２及びバッテリ３に対する要求電力を算出すると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ１０及びバッテリコンバータ５の動作を制御する。

また、コントローラ９は、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える高負荷領域において、図２に示すように、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣと、バッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＢＡＴと、が重ならないように各駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣ及びＲ_ＢＡＴを設定する。すなわち、コントローラ９は、本発明における周波数設定手段として機能する。

なお、負荷の閾値は、燃料電池システム１の規模、仕様、使用環境等に応じて適宜設定することができる。また、負荷装置の負荷が所定の閾値を超えるか否かの判定は、実際の負荷（要求電力）を算出して行ってもよく、負荷に対応する出力電力や出力電流を算出して行ってもよい。本実施形態においては、図５に示すように、燃料電池２の出力電流が所定の閾値Ｉ_Ｃを超えた場合に、負荷装置の負荷が所定の閾値を超えたものとして、前述の駆動周波数制御を行うこととしている。

また、コントローラ９は、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える高負荷領域において、ＦＣコンバータ１０及びバッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣ及びＲ_ＢＡＴと、各種機器を制御するインバータ（トラクションモータ用インバータ４、水素ポンプ用インバータ６、冷却水循環ポンプ用インバータ７、エアコンプレッサ用インバータ８等）の駆動周波数帯域と、が重ならないように各駆動周波数帯域を設定する。

また、コントローラ９は、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える高負荷領域において、図２に示すように、ＦＣコンバータ１０の各駆動相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）における駆動周波数帯域Ｒ_Ｕ、Ｒ_Ｖ、Ｒ_Ｗ、Ｒ_Ｘが互いに重ならないように各駆動相の駆動周波数帯域を設定する。この際、コントローラ９は、ＦＣコンバータ１０の各駆動相の駆動周波数の中央値ｆ_Ｕ、ｆ_Ｖ、ｆ_Ｗ、ｆ_Ｘを、互いに所定周波数（約０．２ｋＨｚ）だけずらして設定する。

また、コントローラ９は、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える高負荷領域において、図２に示すように、ＦＣコンバータ１０の駆動相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）のうち最も駆動周波数の小さい駆動相（Ｕ相）を特定し、この駆動相の駆動周波数の中央値ｆ_Ｕと、バッテリコンバータ５の駆動周波数の中央値ｆ_ＢＡＴと、を所定周波数（約０．２ｋＨｚ）だけずらして設定する。

また、コントローラ９は、負荷装置の負荷が所定の閾値を超える高負荷領域においても、ＦＣコンバータ１０に含まれるコンデンサ又はスイッチング素子の温度が所定の閾値を超える場合には、前述した駆動周波数制御を行わないようにする。

ＦＣコンバータ１０の駆動周波数とコンデンサ温度との関係は図３に示すようなグラフで表され、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数とスイッチング素子温度との関係は図４に示すようなグラフで表される。コントローラ９は、高負荷領域において、コンデンサ温度が閾値Ｔ_Ｃを超えるか又はスイッチング素子温度が閾値Ｔ_Ｓを超える場合には、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣの変更を行わないようにする。

また、コントローラ９は、負荷装置の負荷が所定の閾値以下の低負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数が可聴域を超えるように、駆動周波数を設定する。例えば、コントローラ９は、低負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の各駆動相の駆動周波数を１５ｋＨｚ以上に設定する。本実施形態においては、図５に示すように、燃料電池２の出力電流が所定の閾値Ｉ_Ｃ以下である場合に、負荷装置の負荷が所定の閾値以下となったものとして、前述の駆動周波数制御を行うこととしている。

負荷装置の負荷が所定の閾値以下（例えば燃料電池２の出力電流が閾値Ｉ_Ｃ以下）の低負荷領域においては、図５において実線Ｃ_ＲＥで示されるＦＣコンバータ１０のリアクトルノイズが、図５において一点鎖線Ｃ_ＲＯで示されるロードノイズや、二点鎖線Ｃ_Ａ／Ｃで示されるエアコンプレッサノイズを上回ることとなるが、前述の駆動周波数制御により、ＦＣコンバータ１０に起因するノイズを効果的に抑制することができる。なお、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数を上昇させると、ＦＣコンバータ１０に含まれる半導体素子の温度が上昇するが、低負荷領域であれば、半導体素子の温度が許容温度に到達することは少ない。

また、コントローラ９は、負荷装置の負荷が所定の閾値以下の低負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の全駆動相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）を常時駆動させて、各駆動相に流れる電流を低減させるようにする。すなわち、コントローラ９は、本発明における駆動相制御手段として機能する。

一般的に、リップル電流が大きいリアクトル電流の連続領域においては、図６（Ａ）に示すようにリアクトルノイズが比較的大きくなり、リップル電流が小さいリアクトル電流の不連続領域においては、図６（Ｂ）に示すようにリアクトルノイズが比較的小さくなることが知られている。コントローラ９がＦＣコンバータ１０の全駆動相を常時駆動させることにより、各駆動相のリアクトル電流を低減させて、リアクトル電流を図６（Ａ）の連続領域から図６（Ｂ）の不連続領域に移行させ、これによりリアクトルノイズを低減させることができる。なお、本実施形態においては、図５に示すように、燃料電池２の出力電流がＩ_Ｎ以下となった場合にリアクトル電流が連続領域から不連続領域に移行することとしている。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、高負荷領域（負荷装置の負荷が所定の閾値を超えるような負荷領域）において、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣと、バッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＢＡＴと、が重ならないようにすることができる。従って、高負荷領域においてＦＣコンバータ１０とバッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣ及びＲ_ＢＡＴが重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、高負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の各駆動相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）における駆動周波数帯域Ｒ_Ｕ、Ｒ_Ｖ、Ｒ_Ｗ、Ｒ_Ｘが互いに重ならないようにすることができる。従って、高負荷領域においてＦＣコンバータ１０の各駆動相の駆動周波数帯域Ｒ_Ｕ、Ｒ_Ｖ、Ｒ_Ｗ、Ｒ_Ｘが重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、高負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の駆動相のうち最も駆動周波数の小さい駆動相（Ｕ相）の駆動周波数の中央値ｆ_Ｕと、バッテリコンバータ５の駆動周波数の中央値ｆ_ＢＡＴと、を所定周波数だけずらすことにより、両駆動周波数が近付くことに起因する「うなり」の発生を抑制するとともに、ＦＣコンバータ１０の各駆動相の駆動周波数の中央値ｆ_Ｕ、ｆ_Ｖ、ｆ_Ｗ、ｆ_Ｘを互いに所定周波数だけずらすことにより、各駆動相の駆動周波数が近付くことに起因する「うなり」の発生を抑制することができる。従って、ノイズをさらに効果的に抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、高負荷領域において、ＦＣコンバータ１０及びバッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣ及びＲ_ＢＡＴと、各種機器を制御するインバータ（トラクションモータ用インバータ４、水素ポンプ用インバータ６、冷却水循環ポンプ用インバータ７、エアコンプレッサ用インバータ８）の駆動周波数帯域と、が重ならないようにすることができる。従って、高負荷領域においてＦＣコンバータ１０及びバッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣ及びＲ_ＢＡＴとインバータの駆動周波数帯域とが重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、高負荷領域においても、ＦＣコンバータ１０に含まれるコンデンサやスイッチング素子の温度が所定の閾値を超える場合には、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣの変更を行わないようにすることができる。従って、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣの変更に起因してコンデンサやスイッチング素子の温度がさらに上昇するという事態が発生することを回避することができるので、コンデンサやスイッチング素子を保護することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、ＦＣコンバータ１０のリアクトルノイズが、周辺ノイズ（エアコンプレッサノイズやロードノイズ）を上回り易い低負荷領域（負荷装置の負荷が所定の閾値以下となるような負荷領域）において、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数が可聴域を超えるようにすることができる。従って、低負荷領域において、ＦＣコンバータ１０に起因するノイズを効果的に抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、低負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の全駆動相を常時駆動させて各駆動相に流れる電流を低減させることができるので、ＦＣコンバータ１０の各駆動相におけるリアクトルノイズを低減させることができる。

なお、以上の実施形態においては、複数の駆動相を有するＦＣコンバータ１０を備える燃料電池システム１に本発明を適用した例を示したが、単一の駆動相を有するＦＣコンバータを備える燃料電池システムにも同様に本発明を適用することができる。

また、以上の実施形態で採用したＦＣコンバータ１０と同様に、複数の駆動相を有する多相バッテリコンバータを採用することもできる。かかる場合においては、高負荷領域において多相バッテリコンバータの各駆動相における駆動周波数帯域が互いに重ならないように各駆動相の駆動周波数帯域を設定することができる。この際、多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに所定周波数（約０．２ｋＨｚ）だけずらして設定することもできる。このようにすると、高負荷領域において多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数帯域が重なることに起因して発生するノイズを効果的に抑制することができる。また、多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数が近付くことに起因する「うなり」の発生を抑制することができるので、ノイズをさらに効果的に抑制することができる。

また、以上の実施形態においては、低負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の全駆動相を常時駆動させることにより、各駆動相に流れる電流を低減させるようにした例を示したが、これと同様に、多相バッテリコンバータの全駆動相を常時駆動させることにより、各駆動相に流れる電流を低減させることもできる。このようにすると、多相バッテリコンバータの各駆動相におけるリアクトルノイズを低減させることができる。

また、以上の実施形態においては、低負荷領域において、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数が可聴域を超えるようにした例を示したが、これと同様に、バッテリコンバータ５の駆動周波数が可聴域を超えるようにすることもできる。このようにすると、バッテリコンバータ５に起因するノイズを効果的に抑制することができる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池２の出力電流が所定の閾値Ｉ_Ｃを超えた場合に、負荷装置の負荷が所定の閾値を超えたものとした例を示したが、負荷装置の負荷が所定の閾値を超えるか否かを判定する方法はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池車両の走行速度が所定の閾値を越えた場合に、負荷装置の負荷が所定の閾値を超えたものとすることもできる。

また、以上の実施形態においては、高負荷領域のみにおいて、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣと、バッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＢＡＴと、が重ならないようにした例を示したが、低負荷領域においても同様に、ＦＣコンバータ１０の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣと、バッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＢＡＴと、が重ならないようにすることができる。このようにすると、全負荷領域においてノイズを効果的に抑制することができる。

また、以上の実施形態においては、高負荷領域のみにおいて、ＦＣコンバータ１０及びバッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣ及びＲ_ＢＡＴと、各種機器を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないようにした例を示したが、低負荷領域においても同様に、ＦＣコンバータ１０及びバッテリコンバータ５の駆動周波数帯域Ｒ_ＦＣ及びＲ_ＢＡＴと、各種機器を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないようにすることができる。このようにすると、全負荷領域においてノイズを効果的に抑制することができる。

なお、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…バッテリ、４…トラクションモータ用インバータ、４ａ…トラクションモータ（負荷装置、各種機器）、５…バッテリコンバータ、６…水素ポンプ用インバータ、６ａ…水素ポンプ（負荷装置、各種機器）、７…冷却水循環ポンプ用インバータ、７ａ…冷却水循環ポンプ（負荷装置、各種機器）、８…エアコンプレッサ用インバータ、８ａ…エアコンプレッサ（負荷装置、各種機器）、９…コントローラ（周波数設定手段、駆動相制御手段）、１０…ＦＣコンバータ（多相燃料電池コンバータ）。

Claims (15)

1. 燃料電池と、前記燃料電池と負荷装置との間に設けられた燃料電池コンバータと、バッテリと、前記バッテリと前記負荷装置との間に設けられたバッテリコンバータと、を備える燃料電池システムであって、
   前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記燃料電池コンバータの駆動周波数帯域と、前記バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように前記各駆動周波数帯域を設定する周波数設定手段を備え、
   前記燃料電池コンバータは、複数の駆動相を有する多相燃料電池コンバータであり、
   前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記多相燃料電池コンバータの各駆動相における駆動周波数帯域が互いに重ならないように各駆動相の駆動周波数帯域を設定するものであり、
   前記負荷装置の負荷が所定の閾値以下である場合に、前記多相燃料電池コンバータの全駆動相を常時駆動させて各駆動相に流れる電流を低減させる駆動相制御手段をさらに備える、燃料電池システム。
2. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記燃料コンバータの駆動周波数の中央値と、前記バッテリコンバータの駆動周波数の中央値と、を所定周波数だけずらして設定するものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記燃料コンバータの駆動周波数の中央値と、前記バッテリコンバータの駆動周波数の中央値と、を約０．２ｋＨｚだけずらして設定するものである、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記燃料電池コンバータ及び前記バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、各種機器を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように前記各駆動周波数帯域を設定するものである、請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記周波数設定手段は、前記燃料電池コンバータに含まれるコンデンサ又はスイッチング素子の温度が所定の閾値を超える場合に、前記燃料電池コンバータの駆動周波数帯域の変更を行わないものである、請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記多相燃料電池コンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに所定周波数だけずらして設定するものである、請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記多相燃料電池コンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに約０．２ｋＨｚだけずらして設定するものである、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記バッテリコンバータは、複数の駆動相を有する多相バッテリコンバータであり、
   前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記多相バッテリコンバータの各駆動相における駆動周波数帯域が互いに重ならないように各駆動相の駆動周波数帯域を設定するものである、請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池。
9. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに所定周波数だけずらして設定するものである、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に、前記多相バッテリコンバータの各駆動相の駆動周波数の中央値を互いに約０．２ｋＨｚだけずらして設定するものである、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記負荷装置の負荷が所定の閾値以下である場合に、前記多相バッテリコンバータの全駆動相を常時駆動させて各駆動相に流れる電流を低減させる駆動相制御手段を備える、請求項８から１０の何れか一項に記載の燃料電池。
12. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値以下である場合に、前記燃料電池コンバータの駆動周波数が可聴域を超えるように前記駆動周波数を設定するものである、請求項１から１１の何れか一項に記載の燃料電池システム。
13. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値以下である場合に、前記バッテリコンバータの駆動周波数が可聴域を超えるように前記駆動周波数を設定するものである、請求項１から１２の何れか一項に記載の燃料電池システム。
14. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に加えて前記負荷が所定の閾値以下である場合においても、前記燃料電池コンバータの駆動周波数帯域と、前記バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように前記各駆動周波数帯域を設定するものである、請求項１から１１の何れか一項に記載の燃料電池システム。
15. 前記周波数設定手段は、前記負荷装置の負荷が所定の閾値を超える場合に加えて前記負荷が所定の閾値以下である場合においても、前記燃料電池コンバータ及び前記バッテリコンバータの駆動周波数帯域と、各種機器を制御するインバータの駆動周波数帯域と、が重ならないように前記各駆動周波数帯域を設定するものである、請求項１４に記載の燃料電池システム。

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