주행거리 2배 이상 향상, 액화수소 열차를 현실로

설계된 액화수소 소형·경량화 공급시스템 3D 도면. [사진=철도연]

[이뉴스투데이 백연식 기자] 한국철도기술연구원(철도연)은 지속 가능한 친환경 철도 교통체계 구축을 위해 액화수소 철도 차량용 핵심기술로서 ‘온보드(일체형) 액화수소 공급시스템(개발 시스템)’을 개발했다고 25일 밝혔다.

액화수소는 기체수소를 –253℃의 극저온상태로 냉각해 액화된 수소로, 이를 연료전지에 안정적으로 공급하기 위해서는 기화, 압력 조절, 온도 제어 등 다단계 제어 기술이 필수적이다. 개발 초기에는 각 기능을 개별 모듈로 구성했으나 부피가 커서 열차에 탑재하기 어려웠다.

이번에 개발한 시스템은 압력, 유량, 온도 제어 등 다단계 제어 기술을 하나로 통합한 ‘컴팩트 제어 장치’가 적용돼 개별 모듈의 과거 방식 대비 부피를 10% 줄이고 무게도 5% 경량화했다. 기존 수소열차의 1회 충전 시 주행거리보다 2배 이상의 효율 향상이 가능해졌다.

개발 시스템은 95kW급 연료전지 4기(총 380kW)를 안정적으로 구동할 수 있도록 설계됐으며, 실제 철도차량 추진용으로 적용할 수 있는 수준에 도달했다.

수소 저장용기에는 열 차단 성능을 높이기 위해 케블라(Kevlar) 소재의 지지 구조를 적용해 극저온 조건에서도 효과적으로 단열할 수 있도록 설계됐다. 케블라(Kevlar) 소재는 고성능 합성섬유로 강철보다 5배 강한 내구성을 가지면서도 가볍고 내열성능이 높아 다양한 산업에서 활용된다.

수소를 기화시키는 장치에는 기존 사용되던 전기가열 방식과, 외부 대기열을 기화에 함께 활용하는 방식이 추가된 이중 열원 방식이 도입됐다. 이를 통해 기화 효율과 에너지 사용의 균형을 높였다.

이렇게 기화된 수소는 관을 통해 저장탱크로 다시 들어가 열교환을 통해 다른 액화수소를 기화시키는 데 사용되며 이때 형성된 압력을 활용해 연료전지에 필요한 17bar 수준의 압력을 유지·공급하는 자기가압(PBU, Pressure Build-Up) 시스템으로 구성됐다.

현재 모빌리티용 액화수소 펌프 및 압축기가 상용화돼 있지 않은 상황에서, 해당 장비 없이도 기능을 구현할 수 있는 방식을 채택했다. 이러한 점은 전체 시스템의 효율성과 안정성을 높이기 위한 핵심 기술이다.

이 연구는 국가과학기술연구회(NST) 산하 철도연의 기본사업으로 ‘온보드 액화수소 공급시스템 소형-경량화 기술 개발’을 통해 이뤄졌다. 액화수소는 기체수소와 달리 고압이 아닌 대기압에서 저장할 수 있어 안전하고 부피도 약 1/800 수준으로 줄어들어 수송에도 유리하여 철도 환경에서 활용도가 높은 기술이다.

철도연은 공동연구기관인 패리티와 함께 온보드 액화수소 공급시스템을 개발했으며 현재 인증시험을 진행 중이다.

개발된 온보드 액화수소 공급시스템은 열차에 즉시 적용이 가능하며 이를 통해 노후 디젤열차의 액화수소 추진시스템 전환을 앞당길 수 있을 전망이다.

연구책임자인 김길동 철도연 수석연구원은 “이번 핵심 기술 개발을 2026년까지 다양한 시험을 통해 성능을 검증할 계획”이라며 “해당 추진 시스템을 기존 수소 트램에 적용하여 액화수소 기반 실증 연구로 이어갈 계획”이라고 말했다.

사공명 철도연 원장은 “지속가능한 철도 환경을 만드는 기술 개발에 철도연이 앞장서겠다”며 “앞으로도 수소 기반 도시형 교통의 실현 가능성을 입증하고, 신에너지 전환 시대를 선도할 기술적 기반을 마련하겠다”고 전했다.