인산(PA) 손실, 재분배, 플러딩과 같은 문제는 고온 양성자 교환막 연료전지(HT-PEMFC)의 성능과 내구성을 심각하게 저해합니다. 기존의 양성자 전도성 첨가제나 소수성 PTFE는 부분적인 해결책에 불과하며, 높은 백금(Pt) 로딩과 제한적인 고온 작동성으로 인해 상용화에 어려움이 있었습니다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 세륨 수소 인산염(CeHP)이 통합된 다기능 매트릭스 활성 전극(MME)을 개발했습니다. 이 MME는 200°C 이상의 가혹한 고온 환경에서 인산 함유 전극 미세 환경을 안정화하고 전기화학적 경로를 보존합니다. 통합 매트릭스는 고온 양성자 전도, 라디칼 소거, 다공성 촉매층의 구조적 강화를 동시에 제공하여 고온에서의 성능 저하를 완화합니다.
최적화된 MME는 240°C에서 최고 전력 밀도를 38% 향상시키고, 전압 감소율을 62% 감소시켰습니다. 특히, 상용 HT-PEMFC 전극 대비 40% 수준의 낮은 백금 로딩(0.4 mg Pt cm-2 vs. 1.0 mg Pt cm-2)으로도 우수한 성능을 달성했습니다.
이러한 결과는 다기능 촉매층 매트릭스 엔지니어링이 가혹한 고온 조건에서 산성 도핑 고분자 전기화학 시스템의 내구성을 높이고 저백금 HT-PEMFC 작동을 가능하게 하는 효과적인 전략임을 입증합니다.
양성자 교환막 연료전지(PEMFC) 시스템은 전기차(EV) 및 DC 마이크로그리드 애플리케이션에 필요한 저전압, 고전류 DC 전력을 공급합니다. 하지만 과도한 전류 리플과 급격한 부하 변동은 연료전지 스택에 전기적·열적 스트레스를 가중시킬 수 있어, 안정적인 시스템 운영을 위해 컨버터 토폴로지와 제어 전략이 중요합니다.
본 연구는 PEMFC 기반 다상 인터리브드 부스트 컨버터를 위한 미분 평탄도 기반 비선형 제어 전략을 제안합니다. 이 제어 구조는 내부 루프 인덕터 전류 제어와 외부 루프 DC 버스 에너지 제어를 결합하여 안정적인 전압 제어, 균형 잡힌 상 전류 분배, 그리고 과도 작동 조건에서 연료전지 전류 리플 감소를 달성합니다.
2.5kW PEMFC 플랫폼과 dSPACE DS1202 MicroLabBox 실시간 컨트롤러를 사용하여 2상 인터리브드 부스트 컨버터 프로토타입을 구현하고 실험을 진행했습니다. 정상 상태 및 동적 부하 조건에서 DC 버스 전압 조절, 과도 응답, 전류 공유 능력, 부하 외란에 대한 강건성을 평가했습니다. 실험 결과, 제안된 비선형 제어기는 기존 PI 기반 제어 방식 대비 더 빠른 과도 전압 복구와 작은 DC 버스 전압 편차를 보였습니다.
또한, 인터리브드 컨버터 구조는 동적 작동 시 PEMFC 출력 단자의 입력 전류 리플을 효과적으로 감소시켰습니다. 이러한 결과는 제안된 제어 전략이 안정적인 DC 버스 조절과 빠른 동적 전력 제어가 요구되는 PEMFC 기반 EV 및 DC 마이크로그리드 애플리케이션에 적합함을 시사합니다. 특히, DC 버스 전압 복구 시간을 약 150ms에서 50ms로 단축하는 성능을 입증했습니다.
