徐志瑋、周裕福、蔡麗端、康顧嚴 / 工研院材化所
2. 多模組燃料電池控制
前文提到在無人機的應用上，從監測二次電池放電或充電的功率來判斷無人機的負載需求，以決定電堆的啟動與關閉。這樣的控制方式在更高的負載功率，需要增加更多電堆並接供電的情形，或者在飛行過程中遇到逆風/順風、需要爬升/下降高度時也得用類似方法處理。藉由增加/減少並接供電的電堆來調節輸出功率時，切換過程也是需要由二次電池彌補/吸收燃料電池發電量不足/過多的電力。如果以單一電堆最適當的輸出功率為900W~1,300W左右為例來說，在同時開啟兩組電堆供電且在同樣的輸出電壓範圍下，將會輸出兩倍的功率約1,800W~2,600W，依此類推，當同時開啟三組電堆以上時，則有更多倍數的輸出功率。因此，在多電堆同時開啟的控制方式下，其輸出功率必須與無人機負載平衡，以確保端電壓必須符合無人機的工作電壓範圍。具體的方法是在無人機的飛行過程中，燃料電池的供電必須配合負載需求進行機動性的調整，其中增減電堆的切換過程則由二次電池調節功率，以控制輸出電壓在適當的範圍。
針對多模組燃料電池的控制方法，如圖六所示，是無人機起飛到降落過程動力需求可能面臨的增減變化，以及當無人機馬達負載增減的過程中，燃料電池啟動供電的電堆數量變化。其中，藍線顯示無人機馬達的負載功率需求的變化，而紅線顯示燃料電池電堆因應需求變化而啟動與關閉的過程中，輸出功率呈現階梯式的增加或減少。在黃色區域是當負載大於燃料電池輸出功率時，二次電池放電填補燃料電池輸出不足的功率；綠色區域則是燃料電池輸出功率大於負載功率時，其剩餘功率則回充至二次電池。上述經由監測二次電池的輸出/輸入功率來控制啟動或關閉部分並聯燃料電池堆的發電運作，使得並聯運作的燃料電池輸出電壓可控制在預期的較佳範圍。同時也因為控制燃料電池堆運作的輸出功率，可以讓二次電池的放電或充電功率控制在最適當的範圍。
圖六、典型的無人機在飛行任務過程中的可能電力需求變化，以及多模組燃料電池依據需求的供電輸出變化階梯圖
本文探討燃料電池以多模組電堆依據負載需求狀況，控制電堆並接數量調節輸出直接供應無人機的電力需求，以多模組功率達到無人機的功率需求。使用可並接的多模組電堆可以依據不同無人機設計的酬載應用、飛行場域海拔情境調整需要的電堆模組數量，具有更好的設計彈性與機動性。
燃料電池無人機技術發展與現況
由於燃料電池系統具有高能量密度的優勢，可大幅延長電動無人機的飛行時間，近年來國際間有許多公司投入相關技術的開發，並公開其燃料電池無人機的實際飛行成果，包括韓國Doosan Mobility Innovation與SK E&S、英國Intelligent Energy、新加坡Spectronik與HES Energy Systems、中國科比特與黑鯊智能科技等公司。上述公司所開發的燃料電池無人機多為最大起飛重量低於25公斤的多旋翼機種，長航時的飛行表現因酬載條件、測試方法不同，難以一概而論。
工研院材化所在經濟部技術處的支持下，長期投入燃料電池領域相關研究，建立膜電極組材料、輕量化電堆、混成電力設計與多模組燃料電池系統控制等多項技術，2019年底曾公開展示其燃料電池系統整合四軸四旋翼無人機(圖十)，酬載5公斤連續飛行130分鐘的研發成果。2020年材化所與田屋科技合作開發燃料電池直升機(圖十一)，最大起飛重量達30公斤。
圖十、工研院材化所之多旋翼燃料電池無人機與電堆(左圖)；圖十一、工研院材化所之燃料電池直升機(右圖)
由於2020年3月31日起，遙控無人機管理規則正式實施，起飛重量大於25公斤以上之無人機，須通過民航局之型式檢驗或特種實體檢驗始得飛行，因此開發過程中建立多項技術文件、平台測試與實飛驗證，取得國內首架燃料電池無人機之特種實體檢驗合格，確保燃料電池系統與無人機整合之穩定性。2020年9月，工研院材化所與田屋科技合作，以燃料電池無人機展開一系列跨海飛行測試，包括宜蘭烏石港至龜山島酬載1.6公斤來回飛行、澎湖馬公至望安島酬載1.6公斤以及6.6公斤，進行兩次來回飛行任務(圖十二)，並創下以10公斤高酬載連續飛行74.5分鐘之紀錄。2021年4月，為了瞭解燃料電池系統高海拔運作狀況以及無人機高山物資運補的可行性，材化所之燃料電池無人機於海拔3,000公尺高山進行多項測試，並通過民航局高山飛行之特種實體檢驗，以海拔2,180公尺的青葉農場為起飛地點，飛至11公里外海拔約3,200公尺的新達山屋(圖十三)，進行緊急藥物運送拋投測試，燃料電池無人機可於18分鐘內快速將物資投遞包運抵新達山屋，相較以往須以人力耗時約8小時的攀爬時間，高海拔山區之物資遞送凸顯了無人機之應用價值…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。