氫能燃料電池於高空通訊平台的應用

 

刊登日期:2024/10/5
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康顧嚴、何靜芳、徐志瑋、周裕福、蔡麗端 / 工研院材化所;陳譽明 / 財團法人電信技術中心
 
高空通訊平台是非地面通訊網路中的重要技術,能夠提供廣泛覆蓋的無線通訊服務;但電力供應問題是高空通訊平台面臨的主要挑戰之一,隨著任務時間的延長,鋰電池電量不足的問題成為限制平台發展的瓶頸。本文透過燃料電池整合自主移動飛船的實際測試,驗證燃料電池系統滿足高空通訊平台電力需求的能力,顯示此技術在高空平台應用的巨大潛力,有希望成為未來的電源解決方案。
 
【內文精選】
高空通訊平台與電力供應方式
高空通訊平台的運作高度直接影響其訊號覆蓋面積。平流層高空平台雖具備廣泛覆蓋和穩定通訊的優勢,但其運營成本相對較高,因此在尋求更具成本效益的替代方案時,近地繫留氣球和自主移動飛船成為了理想的發展方向。這兩種空中平台具備較低的建設與維護成本,能夠迅速部署和調整位置,滿足不同地區的通訊需求。其中自主移動飛船可移動位置具備高度機動性,非常適合高空通訊平台需求。自主移動飛船若需要移動或抗風飛行,其電力來源常以鋰電池供應,但目前使用於飛船之鋰電池能量密度通常低於200 Wh/kg,難以支持飛船長時間飛行運作,因此目前無人自主移動飛船的飛行時間通常低於1小時,嚴重限制了高空通訊平台的運作時間,成為技術發展一大瓶頸。 
 
自主移動飛船的電力消耗分成酬載通訊設備電力與飛船槳葉電力兩部分。其中飛船槳葉電力消耗的動態變化幅度相當大,主要取決於飛船姿態、移動需求、風向與風力之綜合影響。當飛船靜止於無風狀態或順風移動時,其耗電量甚低,但於強風中自主移動時,耗電量將產生大幅變化,因此其最大耗電量與基本耗電量的差值,可能高達基本耗電量的5倍以上。為了提高飛船機動性,必須酬載充足的自主電源。其中,太陽能發電的功率密度過低,且易受天候環境影響,無法滿足飛船自主飛行所需電力要求;而內燃機雖可提供足夠電力,但內燃機的震動、廢氣、噪音與保養問題,除了對環境不友善之外,也增添其使用的複雜性,另外內燃機運作的高溫亦可能對飛船運作安全構成威脅。
 
燃料電池於高空平台整合測試
工研院材料與化工研究所團隊多年來投入輕量型燃料電池技術的開發工作,在膜電極組材料、輕量高功率電堆、高效率混成技術與多模組電堆控制方法上,均取得相當卓越的技術成果。目前所開發的免加濕膜電極組與輕量化金屬雙極板電堆之功率密度高達1,200 W/kg以上,搭配燃料電池與鋰電池的高效率混成電力架構以及多電堆模組控制技術,整體發電效率高達50%以上。為了建構燃料電池系統供給自主移動飛船電力之相關技術,以國立陽明交通大學長度15公尺之飛船進行實際飛行電力測試,確認該飛船耗電模式、飛行參數、酬載重量、酬載機構設計及通訊設備耗電量等項目。飛船於空中懸停時,由於有浮力相助,整體耗電量相當低,但是在改變姿態、移動位置或是克服風力影響時,其耗電量攀升甚鉅,燃料電池系統必須滿足飛船各種情況的電力需求,耗電量模擬測試之結果請參考圖六。
 
圖六、無人飛船耗電量測試
圖六、無人飛船耗電量測試
 
材化所針對無人飛船 ( Unmanned Airships)開發符合其用電模式之混成電力架構,主要是由燃料電池提供無人飛船航行時所需之主要飛行電力,再由小型鋰電池補足於飛行過程或降落時,短時間內的大電力需求。燃料電池能夠以高效率的方式將氫氣化學能轉換成飛船飛行所需之電能,但受燃料電池電化學反應特性所致,大電流輸出時存在一定程度的轉換時間與電壓降,所以須考量燃料電池輸出端與直流電源轉換器的搭配,以符合飛船於高空中不斷變化的電力需求。燃料電池系統中的鋰電池如前面所述,可用來提供瞬時的電能來源,當飛船滯空電力需求低時,燃料電池輸出之電力亦可透過電源轉換器回充至鋰電池。
 
飛船酬載之通訊設備所需電力亦由燃料電池系統供應,電源配置架構如圖七所示,燃料電池電力輸出供應馬達旋轉、鋰電池充電以及酬載之通訊設備所需電力,透過3組直流電源轉換器,分別轉出5 V、24 V與48 V電源,在無人飛船飛行時不受鋰電池電壓影響,可正常運作提供通訊設備穩定電力---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖七 無人飛船電源配置架構圖
圖七 無人飛船電源配置架構圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》454期,更多資料請見下方附檔。

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