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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

339期2020年04月號

出版日期:2020/04/15

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燃料電池助無人機搶攻商用領域

撰文/楊雅筑

工研院的長航時無人機成功酬載重達5公斤(總起飛重量30.77公斤),滯空飛行時間達130分鐘,創下了全球無人機航時新紀。
工研院的長航時無人機成功酬載重達5公斤(總起飛重量30.77公斤),滯空飛行時間達130分鐘,創下了全球無人機航時新紀。

在家等宅配上門或到便利商店取貨都已經是日常生活常態,隔日到貨或者是6小時內快速到貨,更是各家物流商力拼的服務重點,但若有一天,購買的商品是由無人機「空降」到家門口呢?

大多數民眾對於無人機應用的印象,尚停留在短時空拍的消費型無人機上,但根據各大市調機構指出,全球無人機市場在2022年後可望突破100億美元;到了2025年,商業無人機服務收入預計將達到每年87億美元。因此國際知名企業公司,如Google、Amazon、Intel、Uber、Facebook等,無不爭先投入開發無人機之未來應用,尤以電子商務普及化為大宗,主打便捷與環保物流的無人機需求,使Amazon、UPS與DHL等快遞服務商盼望將「無人機交付」的想法付諸實踐。

實現商用無人機的最後一哩路

工研院材料與化工研究所組長蔡麗端指出,無人機可應用的領域廣泛,以農噴植保為例,雖然酬載重量大,但噴藥的時間不長,並不難辦到;又如巡檢監視的飛行時間可能稍長,因不需要酬載大重量,也相對容易,「評估各種商用模式後,用無人機做物流遞送仍是最大的技術挑戰。」

根據Amazon的報告指出,85%的貨物大約在5磅(約2.27公斤)左右,飛行距離則需要來回約10到50公里,才有機會實現無人機交付的任務。「也就是說,要達到飛行距離10至50公里、酬載大於10公斤,是無人機進攻商用物流市場的最後一哩路,而研發團隊首先面臨的挑戰,便是維持無人機的長航時間,」蔡麗端說。

對無人機而言,要飛得快、飛得高,跟功率有關;要飛得久,則與能量有關。以過去應用於多旋翼無人機的鋰電池來說,飛行時間僅有15到30分鐘,大大限制了無人機應用領域的擴展,「如果為了延長飛行時間,倍數增加無人機的鋰電池又會超過負重,」蔡麗端說明,為解決飛行時間和酬載重量難兼顧的問題,團隊想到「燃料電池」或許可以一試。

兼顧續行及負重 擴展飛行疆域

所謂的燃料電池,是指將能量密度較高的氫氣轉化成電能,期間不需充電,而是添加燃料給它,就能產生電力,它不只具備高能量密度,還可透過儲氫罐交換快速補充電力,更因為氫燃燒後不會產生二氧化碳,只會產出電、水和熱,是相當環保的發電方式,成為無人機商業應用的關鍵技術指標。

「為了提升無人機的航時,我們將燃料電池電堆模組做到高功率並輕量化,提升50%的功率密度,」蔡麗端解釋,研發團隊運用輕量化的高壓儲氫罐、馬達鏤空和骨架輕量化等方式,減輕機身約20%的重量,透過優化混成電力控制,將電壓轉換效率提升至95%(一般最多約為85到90%)。

氫氣提供燃料電池高能量的電力來源,滿足長航時的需求,這套由工研院一手開發的「燃料電池混成動力系統」,最終測試發現燃料電池系統能量密度可達486Wh/kg,是一般鋰電池的3倍,成功在百家爭鳴的無人機市場中,創造出差異化優勢。

2020年1月,工研院的長航時無人機成功酬載重達5公斤(總起飛重量30.77公斤),滯空飛行時間達130分鐘,創下了全球無人機航時新紀錄。「過去最佳的紀錄是酬載5公斤,滯空70分鐘;而工研院的燃料電池無人機卻能以時速36公里,飛行70至80公里,完全可以滿足商業物流所需!」蔡麗端興奮地說。

過去,無人機產業由飛行控制領導技術,現在仰賴AI應用拓展市場,未來則將由長航時電源,持續為相關產業加值,尤其臺灣無人機管理機制已於今年3月31日正式上路,亟需開創消費型無人機以外的商用無人機創新營運模式,帶來更多跨域新商機,期待這台燃料電池無人機能為臺灣燃料電池產業推波助瀾,助國內無人機產業在市場上展翅高飛。

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