科技之翼／燃料電池無人機引領飛航新格局

【撰文／賴宛靖】

近年來無人機發展如火如荼，逐漸成為人類的空中助手，不僅能執行過去需要直升機才能完成的高難度任務，還具備高效率與成本效益的優勢。在這波技術浪潮中，工研院以燃料電池技術為核心動力，為無人機應用開啟嶄新的篇章，展現出未來多元應用的無限可能。

隨著科技迅速發展，無人機已成為現代社會的重要工具，從娛樂展演、農業監測到救援任務，應用範圍廣泛。然而，續航力一直是無人機發展的瓶頸，傳統鋰電池無人機通常僅能維持20至40分鐘的飛行時間，難以滿足長時間或高負載任務的需求。

為了突破這一限制，工研院投入燃料電池（Fuel Cell）技術的研發，透過高能量密度與環保特性，大幅延長無人機飛行時間，並提升載重能力，開拓無人機應用的新藍圖。

燃料電池「氫」力親為

燃料電池是一種將燃料中的化學能直接轉化為電能的裝置，通常以氫氣為燃料，其核心組件膜電極組（Membrane Electrode Assembly；MEA），由陽極、陰極和電解質膜構成，當氫氣（H2）在陽極被氧化後，會釋放出電子和質子，電子通過外部電路形成電流，質子則穿過電解質膜到達陰極，與氧氣和電子結合生成水，整個過程僅排放水，無汙染隱憂。

相比傳統鋰電池，燃料電池具有高能量密度的優勢，可提供高於鋰電池數倍的能量，讓無人機飛得更久、更遠。此外，燃料電池只需定期補充氫氣便可持續運行，如同在無人機內部放了一座小型發電機，突破了現有的鋰電池續航限制，並兼具高效率、低噪音和環保等特性。

工研院材料與化工研究所組長蔡麗端表示，工研院積極投入燃料電池無人機的研發，透過材料科學和電化學技術，大幅提升MEA的性能，並進一步成功開發出高效率的混成電力系統。該系統以氫燃料電池作為主要動力，輔以小型鋰電池，提升整體電能效率。「混成電力系統的設計對於技術的要求很高，像是氫燃料電池與鋰電池之間的能量分配便是一大技術難點」蔡麗端指出，為此，工研院開發出高效率的能量管理系統，確保兩種電源能「無縫接軌」。

工研院整合金屬雙極板，打造高功率、輕量化的燃料電池電堆，提升50%以上的重量功率密度，換言之，在相同重量下，電堆能輸出更多電力，這也是延長無人機飛行時間的關鍵所在。目前工研院研發之30公斤級氫燃料電池無人機已通過民航局單位的3種實體審查，包含最大起飛重量30公斤、飛行高度超過3,000公尺、飛行傳輸距離超過60公里等，為全球首架通過民航單位特種實體檢驗之氫燃料電池無人機；而25公斤級輕量型氫燃料電池無人機，更完成額外酬載5公斤、持續飛行181分鐘的傲人紀錄，卓越的續航力與穩定性讓人驚豔。

此外，燃料電池無人機也已成功完成多項跨海來回、高山飛行任務，蔡麗端舉例，如從宜蘭烏石港至龜山島來回23公里、澎湖馬公至望安島來回34公里；於武陵四秀新達山屋進行高山緊急醫療物資投遞飛行，飛行高度達海拔3,200公尺；從臺南飛行至澎湖東吉嶼，跨海88公里進行快篩試劑投遞等任務。這些都顯示了燃料電池無人機可以克服難以預測的海象環境和長滯空挑戰；根據實驗數據統計，燃料電池無人機續航時間高於傳統鋰電池無人機達3倍以上。

燃料電池以氫氣為燃料，產物僅為水，實現了無汙染、無碳排放的綠色能源目標，也符合全球追求淨零排放的願景，在全球氣候變遷與能源轉型的趨勢下，燃料電池技術應用於無人機，更能推動綠色能源產業的發展。

成功驗證高山與跨海應用

燃料電池無人機不僅能跨海，還能攀登高峰！「前陣子我們成功讓燃料電池無人機飛抵海拔3,200公尺的新達山屋，完成高山緊急醫療物資運送與拋投測試。」蔡麗端指出，此次任務突破了氫燃料電池在低氧環境下的飛行限制，展現出燃料電池無人機在惡劣環境中的穩定性能與操作靈活性。這項成就不僅凸顯其在高山運補和跨海物流上的潛力，更為未來多元應用場景奠定基礎，無論是救災救難、緊急醫療物資運送，還是遠洋漁群探索與橋梁檢測，燃料電池無人機皆能勝任使命、執行任務。

為進一步推動燃料電池無人機的產業化應用，工研院攜手國內多家企業，成立「燃料電池與無人機整合聯盟」，專注於燃料電池材料研發、系統整合、數據通訊以及無人機應用的推廣，旨在構建完整的產業鏈，提升臺灣無人機產業的技術競爭力，為國內無人機產業注入新活力。未來，聯盟將持續推動燃料電池與無人機技術的共同發展，打造臺灣燃料電池無人機在全球的領先地位。