- 차량 탑재 액화수소 공급시스템의 소형·경량화 성공 -

□ 한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 사공명)은 지속 가능한 친환경 철도 교통체계 구축을 위해 액화수소 철도 차량용 핵심기술로서 ‘온보드(일체형) 액화수소 공급시스템(이하 개발 시스템)’을 개발했다.

ㅇ 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.

ㅇ 이번에 개발한 시스템은 압력, 유량, 온도 제어 등 다단계 제어 기술을 하나로 통합한 ‘컴팩트 제어 장치’가 적용되어 개별 모듈의 과거 방식 대비, 부피를 10% 줄이고 무게도 5% 경량화하였다. 이로 인하여 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.

ㅇ 수소 저장용기에는 열 차단 성능을 높이기 위해 케블라(Kevlar) 소재*의 지지 구조를 적용하여, 극저온 조건에서도 효과적으로 단열할 수 있도록 설계됐다.
*케블라(Kevlar) 소재: 고성능 합성섬유로, 강철보다 5배 강한 내구성을 가지면서도 가볍고 내열성능이 높아 다양한 산업에서 활용.

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

ㅇ 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.

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

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

ㅇ 액화수소는 기체수소와 달리 고압이 아닌 대기압에서 저장할 수 있어 안전하고, 부피도 약 1/800 수준으로 줄어들어 수송에도 유리하여 철도 환경에서 활용도가 높은 기술이다.

ㅇ 철도연은 공동연구기관인 ㈜패리티(대표이사 김사순)와 함께 온보드 액화수소 공급시스템을 개발하였으며, 현재 인증시험을 진행 중이다.

ㅇ 개발된 온보드 액화수소 공급시스템은 열차에 즉시 적용이 가능하며, 이를 통해 노후 디젤열차의 액화수소 추진시스템 전환을 앞당길 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 “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 밝혔다.

□ 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.


※참고: 온보드 액화수소 소형·경량화 공급 시스템 사진

<사진설명 : 설계된 액화수소 소형·경량화 공급시스템 3D 도면>

<사진설명 : 실물 액화수소 소형·경량화 공급시스템 시제품>