철도연, 액화수소 저장·공급 온보드 일체형 시스템 개발

소형·경량화…주행거리 2배 향상 기대

사공명 한국철도기술연구원장(왼쪽 두 번째)과 김길동 수석연구원(왼쪽 세 번째)이 온보드 액화수소 저장·공급 시스템 핵심기술을 설명하고 있다.ⓒ한국철도기술연구원

한국철도기술연구원이 철도차량에 탑재하는 액화수소 저장·공급 온보드 일체형 시스템을 개발했다. 온보드 일체형 시스템을 통해 주행거리가 2배 이상 향상될 것으로 기대한다.

철도연은 9일 충남 당진에서 현대로템 등 철도산업계와 유관기관 관계자 30여명을 대상으로 철도 모빌리티를 위한 액화수소 공급시스템 기술 개발, 액화수소 추진에너지 활용 등 하이브리드 추진시스템 시연회를 개최했다.

그간 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·공급시스템은 단열 및 기화 성능을 극대화하고 일체형 설계를 통해 차량 탑재를 위한 소형·경량화를 구현했다.

개발 시스템은 극저온 액화수소를 장시간 안전하게 보관하기 위한 고단열 저장용기와 효율적인 기화 및 압력제어를 통해 연료전지에 안정적으로 기체를 공급하는 기화시스템으로 구성된다.

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.

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 구성돼 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.

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

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.

연구는 국가과학기술연구회(NST) 산하 철도연의 기본사업으로 온보드 액화수소 공급시스템 소형·경량화 기술 개발을 통해 이뤄졌다.

개발 시스템은 열차에 적용할 수 있으며 수소트램에 적용하는 것 뿐만 아니라 노후 디젤열차의 액화수소 추진시스템 전환을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

또 기존 수소열차 1회 충전 최대 주행거리 600㎞를 2배 이상 향상할 수 있을 것으로 기대된다.

김길동 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.