- 온보드 일체형으로 소형․경량화, 주행거리 2배 이상 향상 기대 -

□ 한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 사공명)은 철도 모빌리티를 위한 액화수소 공급시스템 기술 개발에 성공하고, 액화수소를 추진에너지로 활용할 수 있는 하이브리드 추진시스템 시연회를 현대로템 등 철도산업계와 유관기관 관계자 30여명을 대상으로 6월 9일 충남 당진 소재 시험장에서 시행했다.

ㅇ 철도연은 액화수소 기반 수소 전기기관차의 핵심기술인 연료전지 병렬 제어기술, 전력제어 기반(DC-DC 하이브리드) 추진기술 및 온보드(일체형) 액화수소 저장․공급시스템 기술 등을 개발해 왔다.

□ 이번에 개발된 ‘온보드(일체형) 액화수소 저장․공급시스템(이하 개발 시스템)’은 단열 및 기화 성능을 극대화하고, 일체형 설계를 통해 차량 탑재를 위한 소형․경량화를 구현하였다.

ㅇ 개발 시스템은 극저온 액화수소를 장시간 안전하게 보관하기 위한 고단열 저장용기*와 효율적인 기화 및 압력제어를 통해 연료전지에 안정적으로 기체를 공급하는 기화시스템**으로 구성된다.
* 케블라(Kevlar) 소재를 활용한 열차단 구조 활용: 고성능 합성섬유로, 강철보다 강한 내구성을 가지면서도 가볍고 고온에서도 안정적임
** 고효율 판형 열교환기와 탱크 내부 자기가압 PBU 기술 적용을 통해 기존 관형 열교환기 대비 약 75% 수준의 부피 절감 및 기화시스템 소형·경량화 실현

ㅇ 액화수소 공급기술은 –253℃의 극저온 액화수소를 상온의 기체수소로 빠르게 변환하고, 12∼17bar 범위에서 압력을 제어해 연료전지에 공급하는 기술로, 철도·선박 등 대용량 모빌리티의 추진시스템 적용을 목표로 개발됐다.

ㅇ 개발 시스템은, 세계 최초로 100kW급 연료전지 4대를 병렬 제어하는 구조로 구성된다. 이와 함께, 300kW급 전압 안정화 장치(DC-DC 컨버터) 2기, 150kWh 배터리팩 2기, 온보드 일체형 액화수소 공급시스템, 600kW 부하장치 등으로 구성되어 있다. 향후 부하 변동 시험과 고장 대응 시험 등 다양한 성능 시험을 계속 수행할 예정이다.

□ 현재 국내에는 액화수소 활용을 위한 세부 법령이 아직 마련되지 않아 규제 샌드박스를 통한 실증이 필요한 상황이다.

ㅇ 철도연은 2021년 12월부터 규제 샌드박스 준비를 시작해 2023년 7월 정부 승인을 획득했으며, 이후 2단계 안전관리계획에 대해 산업통상자원부와 한국가스안전공사의 승인을 완료했다.

ㅇ 이에 따라 철도연은 공인 시험절차 및 안전관리계획 승인에 따라 액화수소 모빌리티용 핵심기술 성능을 검증하기 위해 액화수소 저장탱크부터 DC-DC 컨버터, 부하기까지의 조합시험을 추가 수행할 예정이다.

□ 이 연구는 국가과학기술연구회(이하 NST, 이사장 김영식) 산하 철도연의 기본사업으로 ‘온보드 액화수소 공급시스템 소형․경량화 기술 개발’을 통해 이루어졌다.

ㅇ 개발 시스템은 열차에 적용할 수 있으며, 수소트램에 적용하는 것 뿐만 아니라 노후 디젤열차의 액화수소 추진시스템 전환을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존 수소열차 1회 충전 최대 주행거리 600km를 2배 이상 향상할 수 있을 것으로 기대된다.

※ 관련 연구과제
- 과제명 : 온보드 액화수소 공급시스템 소형-경량화 기술 개발
(연구기간: 2025. 01. 01. ~ 2026. 12. 31.)
- 연구책임자 : 김길동 철도연 수석연구원

□ 연구책임자인 김길동 철도연 수석연구원은 “액화수소 기술은 기존의 기체수소와 비교할 때 저장, 수송에서 획기적인 개선을 가져올 뿐만 아니라, 철도 적용 시 빠른 충전과 장거리 운행에 강점이 있다”며, “향후 해당 분야 규제 개선과 함께 수소 전기트램 차량에 우선 적용해 운행 효율성을 검증하고, 실용화 연구를 지속 확대하겠다”고 밝혔다.

□ 사공명 철도연 원장은 “이 시스템을 통해 철도와 선박 등 대용량 연료를 사용하는 모빌리티 분야에서 액화수소 활용 가능성이 크게 확대될 것으로 기대한다”며, “탄소중립과 기후변화 대응을 위한 다양한 K-수소철도 기술 개발에 더욱 힘쓰겠다”고 말했다.


※ 참고 자료 : 온보드 액화수소 저장·공급 시스템 성과발표회 사진




※ 사진설명 : 온보드 액화수소 저장·공급 시스템 핵심기술을 설명하고 있는 사공명 철도연 원장(좌측 2번째)과 연구책임자 김길동 수석연구원(우측 3번째)


※ 사진설명 : 기체수소를 액체수소로 변환해주는 액화수소 생산기


※ 사진설명 : 온보드 액화수소 저장·공급 시스템


※ 사진설명 : 수소연료전지 시스템과 냉각시스템


※ 사진설명 : 액화수소 공급기술은 –253℃의 극저온 액화수소를 상온의 기체수소로 빠르게 변환하여 연료전지에 공급하는 기술이다.


※ 사진설명 : 철도연 김길동 수석연구원 액화수소 핵심기술개발 연구팀이 액화수소 저장탱크와 기화장치 질소테스트를 하고 있다.


※ 사진설명 : 철도연 김길동 수석연구원 액화수소 핵심기술개발 연구팀이 직류 전압을 변환하는 DC-DC 컨버터 및 배터리 팩 시스템 성능 검증실험을 하고 있다.