[메가경제=문기환 기자] 한국철도기술연구원(이하 철도연)은 철도 모빌리티를 위한 액화수소 공급시스템 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.
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| ▲철도연 김길동 수석연구원 액화수소 핵심기술개발 연구팀이 직류 전압을 변환하는 DC-DC 컨버터 및 배터리 팩 시스템 성능 검증실험을 하고 있다. |
찰도연은 액화수소를 추진에너지로 활용할 수 있는 하이브리드 추진시스템 시연회를 현대로템 등 철도산업계와 유관기관 관계자 30여명을 대상으로 지난 9일 충남 당진 소재 시험장에서 시행했다.
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 구현했다.
개발 시스템은 극저온 액화수소를 장시간 안전하게 보관하기 위한 고단열 저장용기(케블라:Kevlar소재를 활용한 열차단 구조 활용)고성능 합성섬유로, 강철보다 강한 내구성을 가지면서도 가볍고 고온에서도 안정적임와 효율적인 기화 및 압력제어를 통해 연료전지에 안정적으로 기체를 공급하는 기화시스템으로 구성된다.
기화시스템은 고효율 판형 열교환기와 탱크 내부 자기가압 PBU 기술 적용을 통해 기존 관형 열교환기 대비 약 75% 수준의 부피 절감 및 기화시스템 소형·경량화를 실현했다.
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 구성돼있다. 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 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.
이 연구는 국가과학기술연구회(이하 NST) 산하 철도연의 기본사업으로 ‘온보드 액화수소 공급시스템 소형.경량화 기술 개발’을 통해 이뤄졌다.
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.
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.
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