氢能源交通：新势力崛起

氢能源交通：新势力崛起

随着全球对绿色能源和减碳的关注日益增加，氢能源作为清洁高效的能源形式，正在交通领域展现出巨大的发展潜力。从物流车、巴士到无人机，氢能源技术正逐步改变传统交通工具的面貌。本文将为您详细介绍氢能源在交通领域的应用现状及未来前景。

氢能源交通：新势力崛起

2022年俄乌战争与中美角力导致国际供应链混乱，低碳天然气价格飙升，促使全球加速布局新型态的净零能源。由再生能源发的电系统电解产生的“绿氢”是洁净且高效的绿色能源，重新受到更多国家及资本的关。

沙特阿拉伯已投资84亿美元建立全球最大的绿氢生产工厂，预计2026年可日产600吨绿氢，年减碳500万吨，并由美国Air Products取得30年出口承购权，国际供应链体系已渐生成茁壮。

若从公路运输车辆减碳角度切入，载具电动化已是国际先进国家重要共识，尤其电池成本近十年下降近90%，电动车销售量也高速成长。但商用客车的电动化进程相对缓慢，主因锂电池的重量排挤有效载重，影响商用车可行驶距离及可载运重量限制。

氢作为能源，其能量密度高达143兆焦耳/公斤，是锂电池的130倍，拥有比锂电池更高的单位重量能量密度转换效率。1公斤锂电池可储存的电量仅能使电动车行驶1至2公里；但氢燃料电池车辆所用氢气可行驶100公里。全球氢能电动车销售占比从2022年的25%，到2023年成长至46%。其中氢能电动无人机、氢能电动物流车、氢能电动巴士等产业应用快速发展。

经济部产业技术司依循政府2050净零排放12项关键战略之“氢能”、“运具电动化及无碳化”主题目标，选择具挑战性及潜力的氢能电动车进行技术开发与产业化推动，协助台湾交通运具产业供应链，建构可持续发展的前瞻净零交通生态系统。

氢能电动物流车是指以氢燃料电池为动力来源的电动车。由于具有零排放、低噪音、续航能力长、充能迅速、不惧低温环境运行等优势，不仅有效降低物流运输业的碳排放，还克服纯电池电动车因电池重量大而带来的负载限制，提升商务应用的可行性。

目前氢能电动物流车已在欧美、日本、韩国等地商业化应用。如美国沃尔玛2012年就采用氢能电动叉车，2023年车队规模已达到9,500辆，其他采用厂商还包含亚马逊、家得宝（HomeDepot）等大型零售通路商。

港口运输上，2022年德国汉堡港和物流创新伙伴联盟开始测试港口物流所需的氢动力设备，包含曳引车、叉车和天车等。联盟成员包括港口装卸设备、重型卡车、加氢站、氢能源供应商、物流基础设施、工程顾问和认证服务等厂商。

大众运输方面，2022年北京冬奥会使用千辆氢能电动车与30座加氢站服务各赛区间的运输，燃料加注时间只要20分钟，并能在零下30℃的环境行驶超过300公里。

工研院与国内商用车大厂合作，协助将国内厂商及经济部科专研发的小功率燃料电池技术换代升级，开发大功率燃料电池动力系统、储氢系统及三电系统，进行车辆载具的实际测试验证，打造国产氢能电动车平台，可望协助国内产业供应链切入交通部2024年推动的“氢燃料电池大客车试办运行计划”。

国际能源署估计，2030年全球仅氢能重型卡车年需求量达40万辆，在主要厂商官宣产量提升计划合计达七倍后，推估产能缺口尚有50%。这将是继电动车后，最耀眼的新能源电动车商机之一。交通部也在今年3月推动“交通部氢燃料电池大客车试办运行计划申请者资格及补助审查作业要点”，并建置基础设施，优化产业环境并扶持国产化产业链。

与传统电动无人机相比，氢能电动无人机具有更长的续航、载重能力，以及飞行时间。目前锂电池的能量密度仅能达到150～200Wh/kg，燃料电池技术可望将此数值提升三倍，可满足未来长航时的商业应用需求，这类无人机可广泛应用于物流运输、空中侦察和应急救援等领域的应用。

工研院在技术司补助下，致力于燃料电池材料与系统的研发，拥有制作免加湿膜电极组、轻量化电堆等关键材料的能力，并进行系统结构整合、运作逻辑开发与混成电力架构设计，成功整合燃料电池与无人机系统。2019年以来已达成载重5公斤连续飞行130分钟的纪录；2020年通过民航局特种实体检验，最大起飞重量达30公斤，并完成宜兰乌石港至龟山岛、澎湖马公至望安岛的跨海飞行测试；2021年完成高海拔3,200米紧急药物运送抛投测试。

国际氢能无人机产业正处于起步阶段，根据研究机构QYResearch指出，2030年全球氢燃料电池无人机市场规模将超过1,200亿美元。在国机国造与军事无人机应用等趋势下，前景看好。

运具电动化 效率再提升

运具电动化已成推动净零转型的国际趋势，然而，锂电池电动车相比传统燃油车，存在续航力短、充电时间长、因电池重量重导致载重能力减弱，以及充电过程可能影响电网稳定性等问。如果在交通工具中结合氢能技术，将能有效解决这些问。

政府在2022年3月发布净零排放路径，将氢能列为重点项目之一，并应用于发电、产业应用及载具等面向。氢气的能量密度约是天然气的2.5倍，且能在短短5到10分钟内快速补充能源，这些特点使氢能成为锂电池电动车里程焦虑的有效解方。与纯电动车不同，氢能车除了锂电池外，还包含燃料电池，透过结合氢气与空气的化学反应来产生电力，再与锂电池结合来驱动电动马达，从而推动车辆行驶。

为了弥补国内氢能移动载具系统的技缺口，经济部产业技术司投入科技专案，致力于帮助国内车厂建立关键的氢燃料电池系统（FCS），并实现氢能与锂电池三电（电机/电控/电池）系统的整合。初期以3.5吨氢能电动货车作为验证平台，后期将开发适用于大客车的百千瓦高功率、高电压氢能动力模组系统（包括燃料电池和电堆设计技），并发展氢能动力三电整合技，建立氢能移动载具零组件与次系统的平台验证。

3.5吨货车30kW燃料电池技术验证平台。工研院提供

在产业技术司补助下，工研院进行动力型FCS氢能移动载具验证平台开发与整合，利用自主研发的3.5吨电动车动力底盘，作为30kW FCS的技术验证平台，进行系统整合与控制验证。透过此平台，工研院验证车载氢能的关键模组，建立氢能动力三电系统技能量，进而推动国内自主FCS关键零组件的发展。

工研院还研发混合电力控制器（HCU），将锂电池与FCS进行最佳电力调配，发展比纯电动车更长续航里程的高功率氢能洁净动力系统。为了确保系统的可靠性和安全性，将由模型在环测试（MiL，Model-in-the-Loop）/软件在环测试（SiL, Software-in-the-Loop）/硬件在环测试（HiL, Hardware-in-the-Loop）、FCS稳态效率测试，以及透过底盘动力计行车形态下，进行整车动态混合电力控制、发展HCU控制逻辑，以及系统控制调校验证等技。

因应不同的车辆运行情境，采用不同混合电力运行模式。模式一：锂电池充电模式，应用情境在于低负载时，FCS可同时供应负载电力及对锂电池充电；模式二：锂电池放电模式，当锂电池在高电量或是FCS在低氢气存量时，此时控制策略转由锂电池供；模式三：最佳化电力分配比例模式，当高负载时透过调整锂电池与FCS的输出比例，来达到最佳的动力输出效益；模式四：刹车回充模式，当车辆处于刹车或滑行状态时，马达可对锂电池进行电量回充。

工研院已透过HCU链接商购燃料电池与锂电池，进行DC/DC转换器控制功率输出测试验证，以及启停控制与供锂电池效率测试，确保模组系统能正常运行，并于工研院院内道路进行低速试运行测试。目前亦进行第二代商购氢能动力系统研发，导入拥有低成本及高功率密度之金属堆FCS，搭配示范场域逐步进行运行验证，促使车载FCS由商购到自主开发，提升关键组件自主化比例。未来工研院将把这些科技专案的研发成果扩展至大客车等级的百千瓦高功率、高电压氢能动力模组系统，并将其应用于国道客运和重型商用车，以提升应用效益。

燃料电池无人机 飞向净零

近年来，无人机相关产业持续快速成长，根据美国市场调查公司Market.us的数据，2023年全球无人机市场规模达到345亿美元，预计到2030年将增至796亿美元，2032年更将突破1,011亿美元。

无人机市场看似蓬勃发展，但电力不足成为发展的一大障碍。无人机的飞行时间与动力系统的重量密切相关，飞行时间越长需要的能量越多，也代表无人机因电池载重增加，耗电量快速递增，因此，增加无人机锂电池的数量并不一定能延长飞行时间。

目前无人机的主要能量来源包括锂电池、系留、太阳能、内燃机与燃料电池技术，其中，高充放电率的锂电池被广泛应用于电动无人机，实际可用的能量密度约为150至200Wh/kg，能提供的飞行时间非常有限。

一般而言，多旋翼无人机的飞行时间约为20至40分钟，增加负载后飞行时间将显著缩短，若无人机的飞行任务局限于极小范围内，则可以使用系留方式，通过电线将地面发电机的电力传送至空中无人机，这是一种实现长时间定点飞行的折衷方案。而太阳能由于功率密度过低且需要大量日照面积，其应用的无人机机型、负载重量与应用环境条件受到很大限制。

目前能提供无人机长时间飞行的技术主要有内燃机和燃料电池，内燃机发展历史悠久，但是震动、废气与噪音问题却限制无人机的应用。此外，内燃机在多旋翼机型的应用，还需要将产生的动力转化为电力来驱动各个马达，这也增加维护和操作的难度，相比之下，燃料电池是一种能将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，只要不断提供燃料，电力就可以持续输出。

根据材料、燃料、操作温度和系统结构的不同，燃料电池可以分为多种类型，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）使用氢气作为燃料，能够快速启动，具有优异的发电效率且操作温度低，与内燃机相较，整个发电过程既洁净又安静，且没有震动产生，唯一的排放物是水，是无人机应用的最佳选择。

透过经济部产业技术司科技专案的补助，工研院已经开发出适合无人机使用之免加湿型膜电极组材料与轻量高功率金属电堆，可免除传统燃料电池系统中的加湿器、空气压缩机等元件，大幅减少系统重量与体积，并发展出高效率的混成电力方法与多模组电堆控制技，成功整合于多旋翼与单旋翼无人机，可达到同重量锂电池的三倍飞行时间。

燃料电池电堆与燃料电池无人机。工研院提供

工研院汇集国内无人机厂商，开发多款燃料电池长航时无人机，全机自制率达九成以上，创下单旋翼直升机负载5公斤飞行130分钟、双轴直升机负载10公斤飞行126分钟，以及单旋翼直升机负载5公斤飞行181分钟等多项目前国际领先之长航时纪录，也率先通过民航局燃料电池无人机特种实体检验，近几来更完成宜兰乌石港至龟山岛、澎湖马公至望安、台南北门至澎湖东吉屿的多次跨海长距离来回飞行，并成功挑战海拔3,200米新达山屋之高山紧急物资递送飞行，成果相当丰硕。

燃料电池混成动力长航时无人机。工研院提供

国际无人机市场竞争激烈，目前已有多家厂商和研究机构投入燃料电池无人机技术开发，台湾凭借完整技与专利布局，有机会通过自主化长航时技创造差异化利基产品，推动无人机产业链发展，争取国际市场的有利地位。