건설기계부품연구원 특수환경동력연구그룹이 연료전지와 배터리 등 친환경 동력원의 내구성과 안전성 관련 기술 연구를 비롯해 열관리 기술 고도화를 통한 액화수소 및 우주건설기계 등 특화된 연구를 수행하며 눈길을 끌고 있다.
특수환경동력연구그룹은 기계공학, 자동차공학, 물리학을 전공한 우수한 인력들을 기반으로 건설기계용 동력시스템 설계 및 차량 적용 평가부터 시스템과 열유동 해석을 통한 열관리 시스템 설계, 효율과 내구성 향상을 위한 소재개발에 이르기까지 폭넓은 연구를 수행하며 건설기계의 미래 글로벌 시장경쟁력 확보에 기여하고 있다.
현재 건설기계의 가혹 운전조건에서의 연료전지의 열화와 수명, 전기건설기계 초급속 충전 열관리, 배터리 열폭주 제어·대응기술 등 현안 해결을 위한 기술 개발에 노력을 기울이고 있다.
특히, 우주를 비롯한 남극, 방산, 해저 등 극한환경에서의 특수동력원과 열관리 기술을 비롯해 친환경연료 극저온 액화 저장기술, 액화수소를 적용한 수소건설기계와 월면 건설기계 등 향후 시장 확장이 전망되는 건설기계 분야를 선도하기 위한 기술개발에 역량을 집중시키고 있다.
성능 내구성 안전성 기술 확보는 필수
고수명 연료전지 막전극접합체 개발 등
수소건설기계 등 미래 기술에도 큰 관심
현재 차량과 건설기계 분야에서 주목받고 있는 배터리와 연료전지 등 친환경 동력원의 보급 확산을 위해서는 성능은 물론 내구성과 안전성 기술 확보가 필수적이다.
이에 특수환경동력연구그룹에서는 건설기계가 운영되는 가혹 조건 속에서 작동하는 연료전지의 열화분석과 수명예측을 위한 다양한 연구와 프로젝트들을 수행하고 있다. 내구수명 향상을 위한 건설기계용 고수명 연료전지 막전극접합체(MEA) 개발에도 나서고 있다.
배터리 분야에서는 플러그인 하이브리드 텔레핸들러 차량에 대한 평가를 진행하며 동력시스템의 성능예측모델을 개발하는 한편, 전기식 건설기계용 급속 충전시스템 열관리를 위한 열해석, 가혹 운전조건인 전기건설·산업기계의 배터리 열폭주 안전 확보를 위한 열관리 및 화재 지연에 대한 기술 개발 연구도 진행하고 있다.
또한, 특수환경동력연구그룹에서는 이 같은 현안들에 대한 기술은 물론 미래 건설기계 관련 기술 개발에도 집중하고 있다.
현재 1회 충전 시 사용 시간 증가를 위한 액화수소 적용 수소건설기계와 함께 우주·남극·방산 등 특수·극한환경용 건설기계 등이 건설기계 분야의 미래 기술로 꼽히고 있으며, 이 같은 특수환경용 동력원 개발을 위해서는 극저온 환경에서의 열관리 기술과 내환경성 확보 기술이 선행돼야 하는 것으로 알려져 있다.
따라서 특수환경동력연구그룹에서는 그린연료의 극저온 액화 저장과 관련, 액화연료의 증발 손실 감소를 위한 단열기술 연구와 함께 건설기계용 액화연료 저장·공급시스템 설계 연구를 수행하고 있다.
극한환경 에너지시스템 개발 분야에서는 월면 얼음 채굴기와 같은 우주건설기계에 적용할 수 있는 원자력전지(RTG)와 연료전지 등의 동력시스템 및 열관리 시스템과 소재 기술 개발에 나서고 있고, 이외에 남극·방산·해저 등 특수환경 적용을 위한 동력원 기술 개발에도 앞장서고 있다.
핵심연구
지난 2022년부터 산업통상자원부의 지원 아래 주관기관인 ㈜두산퓨얼셀파워, 수요기업인 ㈜두산밥캣코리아 등과 함께 ‘건설 농기계용 스키드 로더급 50 kW급 수소 다중 동력 시스템 개발 및 실증’ 과제에 참여, 연료전지 성능시험과 열화분석을 통한 수명예측 모델 개발 연구를 수행하고 있다.
또한, 시스템 레이아웃 최적화 해석·설계, 시스템 내진동·내환경 평가와 개선안 도출, 운전모드 개발과 실차 평가, 형식승인 기준(안)과 규제특례 제반 사항 준비 등의 연구도 병행하고 있다.
특히, 차량 평가를 통해 스키드로더용 연료전지 운전모드를 도출하고, 이를 기반으로 기존에 연구가 부족했던 건설기계용 연료전지 성능시험과 열화분석을 통한 수명예측 연구를 진행하고 있다.
이번 연구결과는 SCI급 저널에 투고해 현재 리뷰가 진행 중이며, 지속적으로 심화연구를 수행하고 대상 건설기계 종류도 확장할 계획이다.
2021년부터는 산업부의 ‘사용 후 연료전지 기반구축’ 과제에 참여, 굴착기와 지게차 등 다양한 건설기계 종류별 연료전지 평가 프로토콜을 개발하는 한편, 열화분석과 수명예측을 진행, 사용 후 연료전지의 재사용 가능 여부 판단기준을 도출하는 연구를 진행하고 있다.
이 과제에서는 주관기관인 (재)전북테크노파크에서 구축한 ‘연료전지 재사용 평가센터’ 내에 구축 예정인 15kW급 건설기계용 스택 고정밀 평가장치를 도입, 사용 후 연료전지 스택 재사용 기술 상용화와 기업을 대상으로 시험평가와 인증 인프라 지원에 나설 예정이다.
산업부의 지원 아래 건품연이 총괄을 맡고 있는 ‘전기식 건설기계용 충전 인프라 및 기반기술개발’ 과제에서는 ‘건설기계용 200kW급 이동식 충전 시스템 개발’ 연구를 채비(주)와 함께 수행하고 있다.
현재 200kW급 이동형 충전 시스템의 열관리를 위한 해석 모델을 개발, 고도화하는 중이며, 향후 컨테이너 타입 충전시스템의 열관리 성능을 만족하는 설계안을 도출할 예정이다.
㈜HD현대인프라코어를 중심으로 진행 중인 산업부의 ‘친환경 저탄소 산업기계용 75hp급 순수전기 구동 가능한 Plug-In 하이브리드 파워트레인 기술개발’ 과제에서는 차량 평가와 실차 동력시스템 성능예측 모델 개발 연구를 진행하고 있다.
특히, 기존에 연구가 부족했던 건설기계 주행과 작업부까지 반영한 시스템 동력모델 구축 연구를 추진하고 있다.
중소벤처기업부 지원 아래 정우정공(주)을 주관기관으로 지난 2022년까지 진행된 ‘LNG 엔진형 자동차형 건설기계 실증사업’에서는 액화연료 실차 적용 시 발생하는 문제점과 이를 해결하기 위한 설계 고려사항들을 파악했다.
이 같은 성과를 기반으로 현재 건설기계에 액화수소 연료를 적용하기 위한 단열 및 시스템 설계 연구를 진행하고 있다.
한편, 특수환경동력연구그룹에서는 현재 수행 중인 연료전지와 배터리 관련, 열관리와 내구성, 안전성 등에 대한 연구를 기반으로 향후 극저온, 무산소 환경 등 특수환경에 적용할 수 있는 동력원과 열관리시스템 등에 대한 연구에 본격 나설 계획이다.
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수소 액화 저장기술 등 극한환경 특수동력원 개발 집중
건설기계부품연구원 이승현 특수환경동력연구그룹장은 “특수환경동력연구그룹은 에너지시스템의 안전과 열관리 기술 개발을 중심으로, 현재의 기술만으로는 아직 구현이 어려운 우주와 남극, 방산 등의 분야에 적용할 수 있는 특수·극한환경 동력시스템을 연구, 개발하는 그룹”이라고 소개했다.
이어 “현재 수소연료전지·배터리 열화분석과 수명예측, 전기와 수소 에너지시스템 열관리, 배터리 열폭주 제어와 소화기술에 대한 연구 개발에 집중하고 있다”며, “또한, 수소 액화 저장기술과 극한환경 특수동력원 및 열관리 관련 연구 등 미래기술 개발에도 역량을 집중시키고 있다”고 밝혔다.
최근 실차 평가와 다양한 데이터베이스 조사를 통해 건설기계 운전모드를 도출하고, 이를 기반으로 다양한 건설기계용 연료전지 평가 프로토콜을 선보이며 관련 연구의 기틀을 마련했다는 평가를 받고 있다.
수소연료전지 ‘성능평가’ 열화 원인 파악 수명예측 모델 구축 성공
이 그룹장은 “현재 개발된 프로토콜을 기반으로 건설기계 운전조건 하에서 수소연료전지에 대한 성능평가를 진행하는 한편, 시간의 흐름에 따른 성능 및 소재 측면에서의 열화 원인을 파악하고 수명예측 모델을 구축하는 데 성공했다”고 말했다.
이어 “향후 수소건설기계 개발품에 대한 실차 평가를 통해 건설기계용 연료전지 평가 프로토콜을 개선하고, 대상 차종도 확대해 나갈 계획”이라며, “이를 기반으로 건설기계용 고수명 연료전지 연구개발에 적극 나설 방침”이라고 강조했다.
이 같은 방침은 수소건설기계의 내구 신뢰성 확보와 시장 확대 기여를 목적으로 추진되고 있다.
그 일환으로 특수환경동력연구그룹만의 특화된 기술들을 기반으로 현재 진행 중인 친환경 수소연료전지와 배터리 관련 안전성과 내구성 확보를 위한 연구를 지속적으로 수행할 계획이다.
이 그룹장은 “또한, 열관리 기술의 고도화를 추진하고, 이를 통해 건설기계용 액화수소시스템 연구에 나설 예정이며, 향후 남극과 우주건설기계에 적용하기 위한 액화수소 관련 연구도 진행할 계획”이라고 밝혔다.
한편, 현재 특수·극한환경용 건설기계의 경우 시장성 확보 문제로 기업들에서는 향후 10년에서 20년 이상의 미래를 바라보고 본격적으로 기술 개발을 진행하기에는 현실적인 어려움이 있는 것으로 알려져 있다.
이어 “따라서 특수환경동력연구그룹에서는 국가 차원의 기술경쟁력 확보를 위해 열관리 기술을 중심으로 원자력전지, 액화수소연료전지 등 극한환경용 동력시스템 연구에 적극 나서겠다”고 강조했다.
