사진. 한국철도기술연구원

한국철도기술연구원(이하 KRRI)은 철도 모빌리티용 액화수소 공급시스템 기술 개발에 성공하고, 액화수소를 추진에너지로 활용하는 하이브리드 추진시스템 시연회를 충남 당진 시험장에서 개최했다고 밝혔다. 이번 시연에는 현대로템(주)을 비롯한 철도산업계와 유관기관 관계자 30여 명이 참석해 개발 기술의 성능과 적용 가능성을 확인했다.

KRRI는 그동안 액화수소 기반 수소전기기관차 개발을 위해 연료전지 병렬 제어기술, DC-DC 하이브리드 추진기술, 온보드 액화수소 저장·공급시스템 등 핵심 기술을 연구해 왔다. 액화수소는 영하 253℃의 극저온 상태에서 저장되며 동일한 부피 기준으로 기체수소보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있다. 이러한 특성 때문에 철도와 선박 등 장거리·대용량 운송수단의 차세대 연료로 주목받고 있다.

이번에 개발된 시스템은 액화수소 저장과 공급 기능을 하나의 장치로 통합해 차량 탑재에 적합하도록 설계됐다. 이를 통해 철도차량 적용에 필요한 소형화와 경량화를 동시에 구현했다.

개발 시스템은 액화수소를 장시간 안전하게 저장할 수 있는 고단열 저장용기와 연료전지에 안정적으로 수소를 공급하는 기화시스템으로 구성된다.

저장용기에는 고성능 합성섬유인 케블라(Kevlar)를 활용한 열차단 구조가 적용됐다. 케블라는 강철보다 높은 내구성을 가지면서도 가볍고 고온 환경에서도 안정성을 유지하는 소재다.

기화시스템에는 고효율 판형 열교환기와 자기가압 PBU(Pressure Build Up) 기술이 적용됐다. 이를 통해 기존 관형 열교환기 대비 약 75% 수준의 부피 절감 효과를 달성했으며 시스템 전반의 소형·경량화를 실현했다.

또한 액화수소를 상온의 기체수소로 빠르게 전환하고, 12~17bar 범위에서 압력을 정밀하게 제어해 연료전지에 안정적으로 공급할 수 있도록 설계됐다.

특히 개발 시스템은 세계 최초로 100㎾급 연료전지 4대를 병렬 제어하는 구조를 채택했다. 여기에 300㎾급 DC-DC 컨버터 2기, 150㎾h 배터리팩 2기, 600㎾ 부하장치 등이 통합돼 실제 철도 추진환경을 모사할 수 있도록 구성됐다.

액화수소 기술 상용화에는 안전성 검증이 필수적이다. 현재 국내에는 액화수소 활용을 위한 세부 법령이 완전히 마련되지 않아 규제 샌드박스를 통한 실증이 진행되고 있다.

KRRI는 2021년 12월부터 규제 샌드박스 준비에 착수했으며 2023년 7월 정부 승인을 획득했다. 이후 산업통상부와 한국가스안전공사의 승인을 받아 2단계 안전관리계획까지 완료했다. 연구진은 앞으로 액화수소 저장탱크와 DC-DC 컨버터, 부하기 등을 연계한 조합시험을 추가 수행해 시스템의 성능과 안전성을 더욱 검증할 계획이다.

이번 기술은 수소트램뿐 아니라 기존 노후 디젤열차를 액화수소 기반 추진시스템으로 전환하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 현재 수소열차의 1회 충전 최대 주행거리인 약 600㎞를 2배 이상 늘릴 수 있을 것으로 전망된다.

KRRI는 이번 성과가 철도 분야를 넘어 선박과 대형 모빌리티 분야 액화수소 활용 확대에도 기여할 것으로 기대하고 있으며, 향후 친환경 철도 시스템 상용화를 위한 핵심 기반 기술로 발전시켜 나갈 계획이다.