〈工業技術與資訊〉燃料電池助無人機搶攻商用領域

在家等宅配上門或到便利商店取貨都已經是日常生活常態，隔日到貨或者是 6 小時內快速到貨，更是各家物流商力拼的服務重點，但若有一天，購買的商品是由無人機「空降」到家門口呢？

大多數民眾對於無人機應用的印象，尚停留在短時空拍的消費型無人機上，但根據各大市調機構指出，全球無人機市場在 2022 年後可望突破 100 億美元；到了 2025 年，商業無人機服務收入預計將達到每年 87 億美元。因此國際知名企業公司，如 Google、Amazon、Intel、Uber、Facebook 等，無不爭先投入開發無人機之未來應用，尤以電子商務普及化為大宗，主打便捷與環保物流的無人機需求，使 Amazon、UPS 與 DHL 等快遞服務商盼望將「無人機交付」的想法付諸實踐。

實現商用無人機的最後一哩路

工研院材料與化工研究所組長蔡麗端指出，無人機可應用的領域廣泛，以農噴植保為例，雖然酬載重量大，但噴藥的時間不長，並不難辦到；又如巡檢監視的飛行時間可能稍長，因不需要酬載大重量，也相對容易，「評估各種商用模式後，用無人機做物流遞送仍是最大的技術挑戰。」

根據 Amazon 的報告指出，85% 的貨物大約在 5 磅（約 2.27 公斤）左右，飛行距離則需要來回約 10 到 50 公里，才有機會實現無人機交付的任務。「也就是說，要達到飛行距離 10 至 50 公里、酬載大於 10 公斤，是無人機進攻商用物流市場的最後一哩路，而研發團隊首先面臨的挑戰，便是維持無人機的長航時間，」蔡麗端說。

對無人機而言，要飛得快、飛得高，跟功率有關；要飛得久，則與能量有關。以過去應用於多旋翼無人機的鋰電池來說，飛行時間僅有 15 到 30 分鐘，大大限制了無人機應用領域的擴展，「如果為了延長飛行時間，倍數增加無人機的鋰電池又會超過負重，」蔡麗端說明，為解決飛行時間和酬載重量難兼顧的問題，團隊想到「燃料電池」或許可以一試。

兼顧續行及負重　擴展飛行疆域

所謂的燃料電池，是指將能量密度較高的氫氣轉化成電能，期間不需充電，而是添加燃料給它，就能產生電力，它不只具備高能量密度，還可透過儲氫罐交換快速補充電力，更因為氫燃燒後不會產生二氧化碳，只會產出電、水和熱，是相當環保的發電方式，成為無人機商業應用的關鍵技術指標。

「為了提升無人機的航時，我們將燃料電池電堆模組做到高功率並輕量化，提升 50% 的功率密度，」蔡麗端解釋，研發團隊運用輕量化的高壓儲氫罐、馬達鏤空和骨架輕量化等方式，減輕機身約 20% 的重量，透過優化混成電力控制，將電壓轉換效率提升至 95%（一般最多約為 85 到 90%）。

氫氣提供燃料電池高能量的電力來源，滿足長航時的需求，這套由工研院一手開發的「燃料電池混成動力系統」，最終測試發現燃料電池系統能量密度可達 486Wh／kg，是一般鋰電池的 3 倍，成功在百家爭鳴的無人機市場中，創造出差異化優勢。

2020 年 1 月，工研院的長航時無人機成功酬載重達 5 公斤（總起飛重量 30.77 公斤），滯空飛行時間達 130 分鐘，創下了全球無人機航時新紀錄。「過去最佳的紀錄是酬載 5 公斤，滯空 70 分鐘；而工研院的燃料電池無人機卻能以時速 36 公里，飛行 70 至 80 公里，完全可以滿足商業物流所需！」蔡麗端興奮地說。

過去，無人機產業由飛行控制領導技術，現在仰賴 AI 應用拓展市場，未來則將由長航時電源，持續為相關產業加值，尤其臺灣無人機管理機制已於今年 3 月 31 日正式上路，亟需開創消費型無人機以外的商用無人機創新營運模式，帶來更多跨域新商機，期待這台燃料電池無人機能為臺灣燃料電池產業推波助瀾，助國內無人機產業在市場上展翅高飛。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 339 期 2020 年 4 月號，未經授權不得轉載。