燃料電池發威，無人機續航 130 分鐘破紀錄

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。