科研案例

近年來，無人機應用市場成長迅速，許多應用場域均可見到相關測試飛行驗證或實際應用。根據德國市場研究公司Drone Industry Insights的報告顯示，無人機應用市場在2026年將達到307億美元。然而，儘管市場大幅成長，依賴鋰電池作為電力來源的電動無人機卻因電池能量密度不足，無法滿足商業用途的飛行時間需求。

目前無人機飛行的能量來源包括鋰電池、繫留、太陽能、內燃機與燃料電池技術。高充放電率的鋰電池是無人機最常見的供電方式，但因能量密度有限，一般多旋翼無人機的飛行時間約為20至40分鐘，增加酬載後飛行時間將明顯縮短。以高酬載農業噴灑應用的無人機為例，實際飛行時間約僅10至15分鐘左右。使用繫留方式透過電線將地面發電機的電力傳送至空中無人機，也是一種長時間定點飛行的折衷應用方式，但飛行任務僅限於極小範圍內。太陽能供電則因功率密度過低且需要大量日照面積，可使用的無人機機型與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僅有內燃機與氫氣燃料電池。內燃機存在噪音、廢氣、震動、高溫與保養等缺點，且若應用於多旋翼無人機，必須透過發電機轉換成電力才能輸出至各馬達。燃料電池則是一種將氫氣燃料的化學能透過電化學反應直接轉換成電能的裝置，使用時無廢氣、無震動且噪音小，系統只會產生少量水氣，是一種極為環保的發電裝置。

在科技專案的支持下，工研院材化所已開發出免加濕型膜電極組材料與輕量高功率金屬電堆，免除傳統燃料電池系統中的加濕器、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上，達到同重量鋰電池的三倍飛行時間。

工研院材化所研發的燃料電池長航時無人機創下多項飛行紀錄，包括：多旋翼機酬載5公斤飛行130分鐘、單軸直升機酬載5公斤飛行181分鐘，以及雙軸直升機酬載10公斤飛行126分鐘等世界級長航時紀錄。成功執行宜蘭頭城至龜山島、澎湖馬公至望安、台南北門至澎湖東吉嶼（來回共88公里）的多次跨海來回飛行，並成功挑戰海拔3200公尺新達山屋的高山緊急物資遞送飛行，成果相當豐碩。

根據市調公司Markets and Markets的研究報告，預計2020至2030年間，無人機服務市場中長距離、長滯空及高酬載應用的成長將最為顯著。工研院材化所致力於燃料電池無人機技術的開發，持續推動長距離、高酬載及高海拔場域的相關技術研究，成功建立無人機長航時技術的亮點成果，為臺灣在快速成長的無人機市場中增添競爭力。
 

▲ 燃料電池電堆與無人機。工研院材化所／提供