燃料電池發威,無人機續航130分鐘破紀錄

04 / 06 . 2020
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去年12月25日,在洋溢的耶誕氣息下,一台酬載5公斤的無人機,在高雄楠梓上空悄然起飛,滯空飛行長達130分鐘,打破先前同樣酬載重量,由英國保持的國際最佳紀錄70分鐘,創下台灣無人機新里程。讓無人機達到如此長航時的關鍵,正是工研院研發的燃料電池技術。

發展火熱的無人機,是近年科技圈的關注焦點之一。根據調研公司Gartner調查,全球無人機市場在2022年後可望突破100億美元,這塊全球大餅,除了休閒娛樂的消費性無人機外,據Tractica預測,商用無人機將在明後年超越消費用途。造成商用無人機崛起的關鍵,是電商的蓬勃發展,和減少物流碳排放的環保需求。也因此,包含AMAZON、UPS與DHL等國際巨頭,都大力投入無人機物流的發展。

「但飛行時間不足,卻嚴重限制商用無人機應用的進展,」工研院材料與化工研究所組長蔡麗端說,其中關鍵便是「電池」。她以目前的鋰電池為例,其能量密度有限是無人機飛行時間不長的主因。

能量密度是指,在一定的空間或質量物質中,儲存能量的大小。舉例來說,目前鋰電池能量密度約在150-180Wh/kg,無人機酬載後飛行時間僅約15-30分鐘,如果要達到長時間飛行效果,要搭載的鋰電池數量愈多,但電池重量愈重,愈限制了無人機飛行的時間。例如正在研發飛行計程車的Uber,其電池主管Celina Mikolajczak認為,電動飛行器的電池能量密度須達到400Wh/kg,若換算成鋰電池模組需要1千公斤,這幾乎是不可能的任務。

輕量化、高功率,多管齊下優化燃料電池

在經濟部技術處科技專案支持下,工研院投入能量密度極高的「燃料電池」,解決無人機困境。燃料電池是將燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置,最常見的燃料為氫氣,由於反應後只會產生純水,不僅完全無污染,被視為潔淨能源的未來;當電力耗盡後也只要添加燃料即可,解決傳統電池充電耗時的問題。

這次由工研院開發的「混成動力系統」,以燃料電池擔任主動力,並以少量鋰電池作為輔助。燃料電池的關鍵技術之一是「電堆」,也就是將氫氣轉換成電的裝置,蔡麗端比喻:「燃料電池是發電機,電堆就像引擎,氫氣則是汽油。」等於是讓無人機自帶小型發電機飛上天,突破鋰電池能量密度不足的限制。

然而,要讓燃料電池無人機飛上天,工研院團隊得克服三道關卡,第一個是機身瘦身,第二個是電堆要又輕功率又高,第三個是要有極佳的電力轉換效率。

「無人機最辛苦的地方,就是要扛著自己在天上飛,越重就越耗電。」在不影響結構強度下,團隊把部分實體改為鏤空,最後成功讓機身減重20%,「常常為了100克,就斤斤計較了半天,即使是一顆小小的螺絲,能夠減重也能讓我們高興老半天,」蔡麗端笑著說。

不只機身結構瘦身,電堆也要輕量化、高功率。因此工研院讓電堆採用輕量化的金屬流道板,並針對燃料電池的心臟「膜電極組」進行優化,提升50%的發電效率。此外,由於目前無人機電堆仍未有國際標準規格,工研院先將電堆以模組的方式標準化,目前一個電堆能提供1kw以上的功率,未來只要估算無人機的耗電量,就能直接組好電堆模組,像堆積木一樣,不需每台都從頭打造,也能加快未來燃料電池進軍無人機產業的速度。

最後,團隊用自主研發的電位控制方法,取代原先的電源操控系統,相比一般系統電壓轉換效率約在85-90%,工研院成功將效率提升至95%。也就是讓燃料電池所發的電在提供給無人機動力使用的過程中,耗損降到最低。

率先投入遞送緊急醫療物資

透過各種方式不斷優化,最終這套混成動力系統的能量密度達到486Wh/kg,是目前鋰電池的三倍。以去年突破紀錄的130分鐘來說,無人機起飛總重約30公斤,將可飛行70-80公里,對於實現運輸的最後一哩非常有幫助。

蔡麗端表示,預計將無人機率先應用在緊急醫療及遞送物資上。今年三月要試飛新竹五峰到竹東,未來可解決全台共52個鄉鎮沒有健保藥局的問題。第三季則將挑戰澎湖馬公到望安共計22公里,目前兩地一天只有一艘船班,航行時間要一小時,但無人機飛行卻只需36分鐘,可望解決海上緊急物資遞送問題。明年則預計挑戰馬公到七美共42公里,除了運送醫療物資,對海巡也非常有幫助。如果澎湖海域模式成功的話,未來也可擴展至東南亞的海島國家。

「我們的任務就是推動台灣的燃料電池,加值國內的無人機產業。」蔡麗端指出,台灣的無人機專法在三月底上路,未來將出現更多商業應用,面對產業趨勢,台灣若能掌握長航時關鍵,就能在未來百家爭鳴的無人機市場中,搶得先機。

「小字典—酬載」
飛行物體在空中飛行時所負荷之重量,除了維持運作之基本系統外,其餘荷重稱為酬載。