氫能源交通，新勢力崛起
全球衝刺綠能減碳物流車、巴士等產業投入相關應用 供應鏈逐漸成形
2022年俄烏戰爭與美中角力，導致國際供應鏈混亂，先進國家仰賴的低碳天然氣價格飆升，促使全球加速布局新型態的淨零能源。由再生能源發電系統電解產生的「綠氫」是潔淨且高效的綠色能源，重新受到更多國家及資本的關注。
沙烏地阿拉伯已投資84億美元建立全球最大的綠氫生產工廠，預計2026年可日產600噸綠氫，年減碳500萬噸，並由美國Air Products取得30年出口承購權，國際供應鏈體系已漸生成茁壯。
若從公路運輸車輛減碳角度切入，載具電動化已是國際先進國家重要共識，尤其電池成本近十年下降近90%，電動乘用車銷售量也高速成長。但商用客貨車的電動化進程相對緩慢，主因鋰電池的重量排擠有效載重，影響商用車可行駛距離及可載運重量限制。
氫作為能源，其能量密度高達143兆焦耳／公斤，是鋰電池的130倍，擁有比鋰電池更高的單位重量能量密度轉換效率。1公斤鋰電池可儲存的電量僅能使電動車行駛1至2公里；但氫燃料電池車輛所用氫氣可行駛100公里。全球氫能電動商用車銷售占比從2022年的25%，到2023年成長至46%。其中氫能電動無人機、氫能電動物流車、氫能電動巴士等產業應用快速發展。
經濟部產業技術司依循政府2050淨零排放12項關鍵戰略之「氫能」、「運具電動化及無碳化」主題目標，選擇具挑戰性及潛力的氫能電動載具進行技術開發與產業化推動，協助台灣交通運具產業供應鏈，建構可持續發展的前瞻淨零交通生態系。
氫能電動物流車是指以氫燃料電池為動力來源的電動物流車。由於具有零排放、低噪音、續航能力長、充能迅速、不懼低溫環境運行等優勢，不僅有效降低物流運輸業的碳排放，還克服純電池電動物流車，因電池重量大而帶來的負載限制，提升商務應用的可行性。
目前氫能電動物流車已在歐美、日本、南韓等地商業化應用。如美國沃爾瑪2012年就採用氫能電動叉車，2023年車隊規模已達9,500輛，其他採用廠商還包含亞馬遜、家得寶（HomeDepot）等大型零售通路商。
港阜運輸上，2022年德國漢堡港和物流創新夥伴聯盟開始測試港口物流所需的氫能動力設備，包含曳引車、叉車和天車等。聯盟成員包括港口裝卸設備、重型卡車、加氫站、氫能源供應商、物流基礎設施、工程顧問和認證服務等廠商。
大眾運輸方面，2022年北京冬奧運使用千輛氫能電動車與30座加氫站服務各賽區間的運輸，燃料加注時間只要20分鐘，並能在零下30℃的環境行駛超過300公里。
工研院與國內商用車大廠合作，協助將國內廠商及經濟部科專研發的小功率燃料電池技術換代升級，開發大功率燃料電池動力系統、儲氫系統及三電系統，進行車輛載具的實際測試驗證，打造國產氫能電動載具平台，可望協助國內產業供應鏈切入交通部2024年推動的「氫燃料電池大客車試辦運行計畫」。
國際能源總署估計，2030年全球僅氫能電動重型卡車年需求量達40萬輛，在主要廠商官宣產量提升計畫合計達七倍後，推估產能缺口尚有50%。這將是繼電動乘用車後，最耀眼的新能源電動車商機之一。交通部也在今年3月推動「交通部氫燃料電池大客車試辦運行計畫申請者資格及補助審查作業要點」，並建置基礎設施，優化產業環境並扶持國產化產業鏈。
與傳統電動無人機相比，氫能電動無人機具有更長的續航、載重能力，以及飛行時間。目前鋰電池的能量密度僅能達到150～200Wh／kg，燃料電池技術可望將此數值提升三倍，可滿足未來長航時的商業應用需求，這類無人機可廣泛應用於物流運輸、空中偵察和應急救援等領域。
工研院在技術司補助下，致力於燃料電池材料與系統的研發，擁有製作免加濕膜電極組、輕量化電堆等關鍵材料的能力，並進行系統結構整合、運作邏輯開發與混成電力架構設計，成功整合燃料電池與無人機系統。2019年以來已達成載重5公斤連續飛行130分鐘的紀錄；2020年通過民航局特種實體檢驗，最大起飛重量達30公斤，並完成宜蘭烏石港至龜山島、澎湖馬公至望安島的跨海飛行測試；2021年完成高海拔3,200公尺緊急藥物運送拋投測試。
國際氫能電動無人機產業正處於起步階段，根據研究機構QYResearch指出，2030年全球氫燃料電池無人機市場規模將超過1,200億美元。在國機國造與軍事無人機應用等趨勢下，前景看好。
（作者是洪于展；經濟部產業技術司技術基磐研究與知識服務計畫成員）
運具電動化 效率再提升
運具電動化已成為推動淨零轉型的國際趨勢，然而，鋰電池電動車相比傳統燃油車，存在續航力短、充電時間長、因電池重量重導致載重能力減弱，以及充電過程可能影響電網穩定性等問題，如果在交通工具中結合氫能技術，將能有效解決這些問題。
政府在2022年3月發布淨零排放路徑，將氫能列為重點規畫項目之一，並應用於發電、產業應用及載具等面向。氫氣的能量密度約為天然氣的2.5倍，且能在短短5到10分鐘內快速補充能源，這些特點使氫能成為鋰電池電動車里程焦慮的有效解方。與純電動車不同，氫能車除了鋰電池外，還包含燃料電池，透過結合氫氣與空氣的化學反應來產生電力，再與鋰電池結合來驅動電動馬達，從而推動車輛行駛。
為了彌補國內氫能移動載具系統的技術缺口，經濟部產業技術司投入科技專案，致力幫助國內車輛產業建立關鍵的氫燃料電池系統（FCS），並實現氫能與鋰電池三電（電機／電控／電池）系統的整合。初期以3.5噸氫能電動貨卡作為驗證平台，後期將開發適用於大客車的百瓩高功率、高電壓氫能動力模組系統（包括燃料電池和電堆設計技術），並發展氫能動力三電整合技術，建立氫能移動載具零組件與次系統的平台驗證。
在產業技術司補助下，工研院進行動力型FCS氫能移動載具驗證平台開發與整合，利用自主研發的3.5噸電動貨卡動力底盤，作為30kW FCS的技術驗證平台，進行系統整合與控制驗證。透過此平台，工研院驗證車載氫能的關鍵模組，建立氫能動力三電系統技術能量，進而推動國內自主FCS關鍵零組件的發展。
工研院還研發混合電力控制器（HCU），將鋰電池與FCS進行最佳電力調配，發展比純電動車更長續航里程的高功率氫能潔淨動力系統。為了確保系統的可靠性和安全性，將由模型在環測試（MiL，Model-in-the-LooP）／軟體在環測試（SiL, Software-in-the-Loop）／硬體在環測試（HiL, Hardware-in-the-Loop）、FCS穩態效率測試，以及透過底盤動力計行車型態下，進行整車動態混合電力控制、發展HCU控制邏輯，以及系統控制調校驗證等技術。
因應不同的車輛運行情境，採用不同混合電力運行模式。模式一：鋰電池充電模式，應用情境在於低負載時，FCS可同時供應負載電力及對鋰電池充電；模式二：鋰電池放電模式，當鋰電池在高電量或是FCS在低氫氣存量時，此時控制策略轉由鋰電池供電；模式三：最佳化電力分配比例模式，當高負載時透過調整鋰電池與FCS的輸出比例，來達到最佳的動力輸出效益；模式四：煞車回充模式，當車輛處於煞車或滑行狀態時，馬達可對鋰電池進行電量回充。
工研院已透過HCU連結商購燃料電池與鋰電池，進行DC／DC轉換器控制功率輸出測試驗證，以及啟停控制與供電至鋰電池效率測試，確保模組系統能正常運作，並於工研院院內道路進行低速試運行測試。目前亦進行第二代商購氫能動力系統研發，導入擁有低成本及高功率密度之金屬堆FCS，搭配示範場域逐步進行運行驗證，促使車載FCS由商購到自主開發，提升關鍵組件自主化比例。未來工研院將把這些科技專案的研發成果擴展至大客車等級的百瓩高功率、高電壓氫能動力模組系統，並將其應用於國道客運和重型商用車，以提升應用效益。
（作者是饒達仁；經濟部產業技術司氫能移動載具之燃料電池動力系統開發計畫主持人）
燃料電池無人機 飛向淨零
近年來，無人機相關產業持續快速成長，根據美國市場調查公司Market.us的數據顯示，2023年全球無人機市場規模達到345億美元，預計到2030年將增至796億美元，2032年更將突破1,011億美元。
無人機市場看似蓬勃發展，但電力不足成為發展的一大障礙。無人機的飛行時間與動力系統的重量密切相關，飛行時間愈長需要的能量愈多，也代表無人機因電池載重增加，耗電量快速遞增，因此，增加無人機鋰電池的數量並不一定能延長飛行時間。
目前無人機的主要能量來源包括鋰電池、繫留、太陽能、內燃機與燃料電池技術，其中，高充放電率的鋰電池被廣泛應用於電動無人機，實際可用的能量密度約為150至200Wh／kg，能提供的飛行時間非常有限。
一般來說，多旋翼無人機的飛行時間約為20至40分鐘，增加酬載後飛行時間將顯著縮短，若無人機的飛行任務侷限於極小範圍內，則可以使用繫留方式，通過電線將地面發電機的電力傳送至空中無人機，這是一種實現長時間定點飛行的折衷方案。而太陽能由於功率密度過低且需要大量日照面積，其應用的無人機機型、酬載重量與應用環境條件受到很大限制。
目前能提供無人機長時間飛行的技術主要有內燃機和燃料電池，內燃機發展歷史悠久，但是震動、廢氣與噪音問題卻限制無人機的應用。此外，內燃機在多旋翼機型的應用，還需要將產生的動力轉化為電力來驅動各個馬達，這也增加維護和操作的難度，相比之下，燃料電池是一種能將燃料中的化學能直接轉化為電能的裝置，只要不斷提供燃料，電力就可以持續輸出。
根據材料、燃料、操作溫度和系統結構的不同，燃料電池可以分為多種類型，質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）使用氫氣作為燃料，能夠快速啟動，具有優異的發電效率且操作溫度低，與內燃機相較，整個發電過程既潔淨又安靜，且沒有震動產生，唯一的排放物是水，是無人機應用的最佳選擇。
透過經濟部產業技術司科技專案的補助，工研院已經開發出適合無人機使用之免加濕型膜電極組材料與輕量高功率金屬電堆，可免除傳統燃料電池系統中的加濕器、空氣壓縮機等元件，大幅減少系統重量與體積，並發展出高效率的混成電力方法與多模組電堆控制技術，成功整合於多旋翼與單旋翼無人機，可達到同重量鋰電池的三倍飛行時間。
工研院匯集國內無人機廠商，開發多款燃料電池長航時無人機，全機自製率高達九成以上，創下四旋翼機酬載5公斤飛行130分鐘、雙軸直升機酬載10公斤飛行126分鐘，以及單旋翼直升機酬載5公斤飛行181分鐘等多項領先國際之長航時紀錄，也率先通過民航局燃料電池無人機特種實體檢驗，近幾年來更完成宜蘭烏石港至龜山島、澎湖馬公至望安、臺南北門至澎湖東吉嶼的多次跨海長距離來回飛行，並成功挑戰海拔3,200公尺新達山屋之高山緊急物資遞送飛行，成果相當豐碩。
國際無人機市場競爭激烈，目前已有多家廠商和研究機構投入燃料電池無人機技術開發，台灣憑藉完整技術與專利布局，有機會通過自主化長航時技術創造差異化利基產品，推動無人機產業鏈發展，爭取國際市場的有利地位。
（作者是蔡麗端、康顧嚴；經濟部產業技術司長航時無人機複合電力關鍵技術研究計畫之主持人與成員）
本文同步刊登於2024/10/20經濟日報A11產業追蹤