▲ 철도연이 개발한 액화수소 소형·경량화 공급시스템 시제품 실물

한국철도기술연구원(원장 사공명)이 액화수소를 안정적으로 공급하는 차세대 시스템을 개발, 열차 추진 효율을 크게 높이며 디젤 대체와 탄소중립 철도 실현의 발판을 마련했다.

한국철도기술연구원(이하 철도연)은 액화수소 철도 차량용 핵심기술인 ‘온보드(일체형) 액화수소 공급시스템’을 개발했다고 25일 밝혔다.

액화수소는 기체수소를 -253℃의 극저온 상태로 냉각해 만든 수소로, 기체 대비 부피가 약 1/800 수준으로 줄어든다. 대기압에서 저장할 수 있어 안전성이 높고, 수송 효율성도 뛰어나 철도 교통에 적합한 차세대 에너지원으로 꼽힌다.

다만 이를 연료전지에 안정적으로 공급하기 위해서는 기화, 압력 조절, 온도 제어 등 다단계 제어 기술이 필요하다. 개발 초기에는 이 기능들이 개별 모듈로 분리돼 있어 부피가 크고 열차 탑재에 제약이 있었다.

철도연이 이번에 개발한 시스템은 압력·유량·온도 제어 기술을 하나로 통합한 ‘컴팩트 제어 장치’를 적용했다. 그 결과, 개별 모듈 방식보다 부피는 10%, 무게는 5% 줄어들었으며, 1회 충전 주행거리를 기존 수소열차 대비 2배 이상 늘릴 수 있게 됐다.

또한 95kW급 연료전지 4기(총 380kW)를 안정적으로 구동할 수 있도록 설계돼 실제 철도차량 추진용으로 적용 가능한 수준에 도달했다.

수소 저장용기에는 고성능 합성섬유 케블라(Kevlar) 기반의 지지 구조를 적용해 극저온에서도 단열 성능을 확보했다. 케블라는 강철보다 5배 강한 내구성을 지니면서도 가볍고 내열성이 높아 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.

수소 기화 장치에는 기존 전기 가열 방식에 외부 대기열을 함께 활용하는 이중 열원 방식을 도입해 기화 효율과 에너지 사용의 균형을 높혔다.

이렇게 기화된 수소는 저장탱크로 다시 순환되어 열교환을 거치면서 또 다른 액화수소의 기화를 돕는다. 이 때 형성된 압력은 연료전지에 필요한 17bar 수준의 압력을 유지·공급하는 ‘자기가압(PBU, Pressure Build-Up)’ 방식으로 활용된다.

이는 모빌리티용 액화수소 펌프나 압축기가 상용화되지 않은 현재 상황에서 별도의 장비 없이 도 안정적인 공급이 가능해 핵심 기술로 평가된다.

이번 연구에는 공동연구기관 ㈜패리티(대표이사 김사순)가 참여했으며, 현재 인증시험이 진행 중이다. 개발된 시스템은 열차에 곧바로 적용할 수 있어 노후 디젤열차의 액화수소 추진 전환을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

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 전했다.

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 말했다.

한편, 이번 연구는 국가과학기술연구회(NST, 이사장 김영식) 산하 철도연의 기본사업으로 ‘온보드 액화수소 공급시스템 소형-경량화 기술 개발’을 통해 이뤄졌다.