在全球氣候變遷與節能減碳趨勢中，為達成淨零排放或碳中和願景，各國均致力於發展潔淨能源技術。因應2050年淨零排放趨勢，氫氣為終極潔淨能源，目前各國都積極規劃氫氣應用、氫氣供給與基礎設施三大方向，後續氫氣應用的便利性指日可待。在無人機的應用發展中，鋰電池能量密度過低，續航力不足一直是市場拓展的極大阻礙。如何開發長續航力/輕量化的電力來源，成了無人機當前最重要的問題點。燃料電池以氫氣為燃料，系統具有極高能量密度之潛力，被視為無人機長航時動力的最佳選擇。
【內文精選】
技術原理及研究目的
燃料電池運作採用氫氣為發電之燃料來源，其工作原理示意圖如圖三所示。透過膜電極組的陽極端觸媒，將氫氣轉化成氫離子，形成之氫離子再透過質子交換膜傳遞至陰極端觸媒表面，與陰極端空氣中的氧氣反應生成水，其電子則透過外部迴路由陽極傳遞至陰極，完成電化學反應。
圖三、質子交換膜燃料電池示意圖
以無人機商業應用市場的需求，根據2022年4月Drone Industry Insights調查資料顯示，產業界最常應用無人機於測繪(34%)、巡檢(25%)與拍攝(10%)，此三類應用的酬載重量多低於2~3公斤，但需要較長的任務飛行時間。目前無人機使用的高放電率鋰電池能量密度僅為150~200 Wh/kg，無法滿足商用無人機長距離、長滯空及高酬載的飛行需求；而燃料電池技術可發揮無人機長時間飛行的優勢，將為無人機帶來更多的應用市場與附加價值。
工研院材化所燃料電池無人機具有長航時優勢，並通過民航局特種實體檢驗，飛行範圍可涵蓋台灣大部分區域，能夠進行巡檢、物流、山區救援、緊急醫療物資運送等任務。若以單程可飛行時間來估算，氫燃料電池無人機單程4小時可飛行區域幾乎已可以涵蓋整個台灣的區域。
工研院開發長航時燃料電池無人機技術
1. 突破重點
工研院材化所氫燃料電池無人機對系統控制進行許多技術上的提升及改善，在逐步優化參數後，進行實際測試驗證，繼而陸續挑戰且達成長航時的目標。相關技術突破重點包括：
① 系統機構(機身減重20%)：
整機體機身主結構及關鍵組件(氫氣瓶/燃料電池模組/BOP元件)固定結構，在結構強度/材質特性進行輕量化修改設計。
② 燃料電池電堆(電堆能量密度達1.05 kW/kg)：
材化所自行開發與製作之輕量化直接氣冷式電堆(使用免加濕膜電極組)，單一模組功率達1,400 W，能量密度達1.05 kW/kg。
③ 控制電路板(多模組電堆控制)：
建立燃料電池混成電力控制技術，以多模組控制技術，可依無人機實際需求調控燃料電池功率，電力轉換率達99%。
④ 輕量化高壓儲氫罐(>350 bar，儲氫量>9 wt%)：
使用Type III碳纖纏繞+鋁內膽高壓氫氣瓶，儲氫量可大幅提升，使氣瓶輕量化、可高壓充氫、氣瓶具有高安全品質(產品經疲勞、爆破測試)。
2. 實體審查與驗證
在工研院材化所開發之氫燃料電池無人機中，30公斤級燃料電池無人機為全球首架通過民航單位特種實體檢驗之燃料電池無人機，共通過民航局單位的三種實體審查，包含：
①燃料電池無人機特種實體審查(最大起飛重量30公斤)。
②燃料電池無人機高山飛行特種實體審查(飛行高度>3,000公尺。
③燃料電池無人機長距離飛行特種實體審查(傳輸距離>60公里)。
材化所氫燃料電池無人機(30公斤級)，陸續配合計畫及各任務需求，已完成下列驗證，並持續與各夥伴配合進行更多可能的應用範圍推廣驗證，累積持續飛行距離估計已超過1,000公里。
①烏石港至龜山島酬載1.6公斤來回飛行(23公里)。
②澎湖馬公至望安島酬載1.6公斤來回飛行(34公里)。
③澎湖馬公至望安島酬載6.6公斤來回飛行(34公里)。
④武陵四秀新達山屋高山緊急醫療物資投遞飛行(海拔3,200公尺)。
⑤台南至澎湖東吉嶼快篩試劑跨海投遞飛行(88公里)。
圖七、氫燃料電池無人機(30公斤級)高山飛行/跨海飛行/特種實體審查
而輕量型氫燃料電池無人機(25公斤級)，近期也配合計畫及任務需求，再次完成額外酬載5公斤持續飛行181分鐘的最佳紀錄，示意說明如圖八所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》451期，更多資料請見下方附檔。