產業追蹤／燃料電池無人機 飛向淨零

燃料電池電堆與燃料電池無人機。工研院／提供

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，但電力不足成爲發展的一大障礙。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爲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爲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爲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爲電能的裝置，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，燃料電池可以分爲多種類型，質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）使用氫氣作爲燃料，能夠快速啓動，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溼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溼器、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。

工研院彙集國內無人機廠商，開發多款燃料電池長航時無人機，全機自制率高達九成以上，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，併成功挑戰海拔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，臺灣憑藉完整技術與專利佈局，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劃之主持人與成員）