文／工研院

發展火熱的無人機，是近年科技圈的關注焦點之一，除了休閒娛樂的消費性無人機外，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，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，其中關鍵便是「電池」。以目前的鋰電池為例，因能量密度有限造成無人機飛行時間不長是主因。

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至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。

多管齊下 優化電池

因此工研院投入能量密度極高的「燃料電池」，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，比喻為「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，工研院團隊克服了三道關卡，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，愈重就愈耗電。在不影響結構強度下，工研院把部分實體改為鏤空，最後成功讓機身減重20％，因此常常為了100克，就斤斤計較了半天，即使是一顆小小的螺絲，能夠減重也能讓他們高興老半天。

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，工研院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。

醫療物資 率先遞送

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3倍。以2019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至80公里，對於實現運輸的最後一里非常有幫助。

2020年燃料電池直升機已通過民航局特種實體檢驗，最大起飛重量達30公斤，並完成一系列跨海飛行測試，包括宜蘭烏石港至龜山島來回飛行、澎湖馬公至望安島來回飛行任務。2021年完成海拔3200公尺的緊急藥物運送拋投測試，同時為滿足高載重長航時物流應用需求，也開發雙軸燃料電池無人機，完成酬載10公斤，長時滯空達126分鐘巡航飛行，加值國內的無人機產業，讓台灣的無人機未來可出現更多商業應用。