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燃料電池技術於無人機的應用

刊登日期：2020/07/01

摘要

電動無人機飛行時間過短，一直是無人機在應用市場拓展的極大阻礙。因鋰電池能量密度過低，在長時間飛行常使用內燃機作為飛行時的動力，但內燃機產生動力的過程中會產生廢氣、震動、噪音與保養修護困難等議題，未來的進步空間有限。反而言之，質子交換膜燃料電池系統的操作溫度低、啟動時間短，並且單位重量之功率密度與能量密度均能符合無人機長時間飛行的應用條件，被視為長航時無人機極佳的電力來源。

Abstract

The flight endurance time of electric drones is insufficient, which represents a great challenge for expansion in application market. Because lithium battery energy density is too low, as such long-endurance flight can only use internal combustion engine power. However, the internal combustion engine power has some problems such as exhaust gas, vibration, noise and difficult maintenance. The proton exchange membrane fuel cell system has a low operating temperature and a short start-up time, and the power density and energy density can all meet the application requirements of drones. Therefore it can be adopted as an excellent power source for long-endurance drones.

前言
近年來無人機市場成長快速，在許多產業如精準農業、地形測繪、執法消防、物流遞送等領域，均可見到無人機進行實際應用或是投入測試驗證階段。根據市調機構Tractica預測2025年商業應用無人機服務市場將達到每年87億美元[1]，是商用無人機硬體銷售的2倍以上。但在市場看似一片榮景的同時，仰賴鋰電池為電力來源的電動無人機卻受限於電池能量密度不足，無法滿足商用無人機長航時的飛行需求。無人機的可飛行時間與動力系統的能量密度有關，愈長的飛行時間則會需要愈多的能量，隨著所需能量愈多，動力系統的重量也將持續增加，同時也代表著無人機耗電量將以非線性的方式快速遞增。能量、重量與耗電量彼此息息相關，因而大幅增加無人機在鋰電池的佩掛數量，但其實並不表示飛行時間可以不斷延長。如圖1為不同種類能量來源的能量密度圖，圖中橫座標表示重量能量密度，縱座標為體積能量密度。由於重量影響無人機耗電量甚鉅，因此重量能量密度為影響飛行時間最重要之指標，在中間區域紅色位置為目前無人機常用的Li-Po電池，最右端高能量密度區域為化石燃料與氫氣燃料。目前無人機的長時間飛行僅能以選擇使用化石燃料的內燃機動力，而震動、廢氣、噪音與保養困難等這些存在內燃機已久的缺點，也對無人機在應用市場的拓展產生負面影響。燃料電池以氫氣為燃料，系統具有極高能量密度之潛力，有機會成為無人機長航時動力的新選擇。

圖1 不同種類能量來源的能量密度圖[2]

燃料電池技術簡介
燃料電池是一種將燃料的化學能，透過氧化還原反應轉換成電能的裝置，因此燃料電池雖然名為電池，但實為發電系統而並非是儲存電能的裝置。燃料電池種類繁多，可分為鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC）、質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)與固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)等數種。各種燃料電池系統的操作溫度、操作方式、電解質材料、燃料種類、啟動時間、觸媒種類、發電效率及適合應用場域均不盡相同，其中質子交換膜燃料電池系統因操作溫度低、啟動時間短，並且單位重量之功率密度與能量密度均能符合無人機的應用條件，被視為長航時無人機極佳的電力來源。圖2為質子交換膜燃料電池示意圖，陽極反應式為H2 → 2 H+ + 2 e-，陰極反應式為½ O2 + 2 H+ + 2 e-. → H2O，膜電極組(Membrane Electrode Assembly, MEA)為每一個電池單元的發電核心，膜電極組兩側為陽極觸媒層與陰極觸媒層，氫氣燃料在陽極觸媒層區域進行氧化反應，電子分離傳至外部通路，質子則穿越質子交換膜至陰極觸媒層處，再與外界空氣中的氧氣進行還原反應。質子交換膜燃料電池的效率可高達50%以上，整個反應過程僅產生電力、熱量與水，系統運作時無震動、無廢氣僅有風扇運轉聲音，是屬於對環境非常友善的發電系統。
目前質子交換膜燃料電池的技術被廣泛地應用於備用電力、家庭用燃料電池系統與車用燃料電池系統。在車用燃料電池系統方面，為了符合世界各國愈來愈嚴格的環保法規，降低內燃機引擎對環境的汙染，大部分車廠均已長時間投入燃料電池車的開發。其中TOYOTA是最早推出量產的車型，於2014年12月15日首先於日本發售燃料電池車「Mirai」，並預計將於今年底推出第二代燃料電池車款，而HONDA則在 2016年推出量產型燃料電池車Clarity Fuel Cell，韓國Hyundai則於2018年推出燃料電池車款Nexo。