新的氫能技術可能標志著無人機的商業突破，為具有更大范圍和負載能力的移動機器人開發鋪平道路。Doosan Mobility Innovation （DMI） 宣布已成功使用氫動力無人機在偏遠地區提供人道主義援助。兩小時的飛行時間（比大多數電池供電的無人機長），氫無人機在美屬維爾京群島之間運送口罩和應急物資，并將醫療物資運送到位于濟州島的韓國最高峰漢拿山山頂。

DMI 在與磷酸燃料電池 （PAFC） 和質子交換膜燃料電池 （PEMFC）（也稱為聚合物電解質膜 （PEM） 燃料電池）相關的材料和系統方面積累了多年的知識。PEMFC 發電并以與消耗電力的電解相反的原理運行。憑借這一經驗，斗山正在開發用于無人機的 PEMFC 移動電源組。

在接受 EE Times 采訪時，Doosan Mobility Innovation 的銷售代表 Jiwon-Yeo 強調了氫動力遠程無人機的使用如何還可以對大面積區域進行商業監控，例如韓國最大的太陽能發電廠 Haenam 。 “使用電池供電的無人機執行相同的任務時，需要更換六次以上的電池。由于氫燃料電池的能量密度高，比傳統電池高 3~4 倍，因此氫燃料電池是一種更高效、更有效的能源，”Jiwon-Yeo 說。

氫能解決方案的開發包括從材料工程到優化無人機動力系統的一系列技術。這些遠程燃料電池無人機一次充電能夠飛行長達兩個小時，甚至可以在一次飛行中覆蓋大型場地，而不必使用多個電池和多個發射點。無人機還在人員安全和事故預防方面提供優勢，因為空中掃描消除了爬過現場結構的需要。

圖 1：太陽能電池板檢查示例（來源：斗山 Mobility Innovation）

氫燃料電池技術科學

氫是地球上最輕的元素。當氫氣與大氣中的空氣結合時，就會形成水，使氫氣成為一種無污染的氣體。世界范圍內減少顆粒物、核能危險和溫室氣體的努力也增加了使用可再生能源的需求。因此，氫正在成為最有前途的替代能源。

燃料電池是一種不使用熱循環將燃料的化學能轉化為電能和熱能的裝置。氫 （H2） 燃料電池由氫和氧產生電能和熱水。

該過程與電解正好相反：將水（H2O）分解成H2和O時，需要提供電流，相反的過程產生電流和水。

如圖 2 所示，無人機由電池堆中使用氫氣和氧氣產生的電力提供動力。

正如 Jiwon-Yeo 指出的那樣，該電池堆由幾個電池組成，這些電池由聚合物電解質膜 （PEM） 和兩個電極組成，它們通過氫反應和氧反應產生離子和電子。氫氣在用于電池之前首先在高壓下進行壓縮，從而確保了較長的供應周期。“DMI 提供了一個完整的氫氣系統，將裝滿的氫氣瓶運送到客戶現場。用戶只需要更換氫氣瓶，這大約需要一分鐘，”Jiwon-Yeo 說。她補充說：“我們的儲罐不僅通過了獲得氫氣罐認證所需的測試，還通過了與無人機飛行最相似的各種安全測試。”

帶有聚合物膜的電池具有高電導率，可在 70 至 100°C 的溫度下工作。它們主要用于牽引和小規模發電/熱電聯產（1 - 250 kW）。燃燒電池具有很高的電效率，其值范圍為 40% 到 60%，具體取決于所使用的溫度。系統的模塊化使得增加裝機功率成為可能。電池可以串聯排列形成“堆疊”，可以組裝成模塊以獲得所需的發電量。

“最大的挑戰之一是缺乏氫基礎設施。我們認為無人機等氫燃料電池移動性的增加將刺激市場。通過當地的合作伙伴關系，我們在韓國、中國和美國完成了氫供應鏈。我們正在與當地天然氣公司合作，為我們的氫氣瓶充電，該瓶已通過 DOT、TPED 和 KGS 標志認證，”Jiwon-Yeo 說。

圖 2：燃料電池如何發電（來源：DMI）

圖 3：能量密度比較：氫燃料電池與鋰電（來源：DMI）

氫氣增加了無人機的飛行時間

一個 48V 系統通過實施配電網絡 （PDN） 來處理類似于系留無人機的氫電池供電無人機的電源管理。在電源系統設計中，由于對設計選擇有重大影響的幾個因素，PDN 是最關鍵的元素之一。這些因素在技術驅動之前是市場驅動的。PCB設計中電源的優化是一個系統范圍的問題。

PDN 旨在為源自大容量電源的系統內的各種負載提供特定級別的電壓和電流。隨著系統電源需求的增加，傳統 PDN 面臨著提供足夠性能的巨大壓力。基于新標準（如 48V）的 PDN 正在多個應用中出現。

DMI 使用的 2.6 kW DP30 電源系統有兩個主要組，分別為無人機旋翼和兩個堆棧的控制器供電。由于 DP30 電源的輸出電壓范圍寬且可變，從 40 到 74V，輸出功率單元在 48V、12A 的電機和 12V、8A 的控制電路和風扇下運行。該結構由 Vicor PRM? 降壓-升壓穩壓器和 ZVS 降壓穩壓器提供支持。

“寬范圍的燃料電池電壓和與傳統鋰聚合物電池的混合連接是我們電源管理系統的關鍵配置。通過這樣做，它允許鋰電池在需要時由燃料電池自動充電，或者在無人機運行時燃料電池需要額外電力時放電。熱管理對氫燃料電池很重要，我們有一個內部冷卻風扇來調節熱量，”Jiwon-Yeo 說

DMI 計劃根據功率容量使其產品線多樣化。Jiwon-Yeo指出，該公司很快將開發各種容量的產品，從明年應該發布的1.5kW氫燃料電池電源組到10kW電源組，并將為每個電源組推出匹配的無人機。

增加的飛行時間，加上快速加油，為使用無人機進行海上平臺檢查、搜索和救援行動、高質量航空攝影、精準農業、交付等的公司開辟了廣泛的新業務可能性。

谷歌、亞馬遜和阿里巴巴正在試驗使用無人機推出送貨服務的計劃。如果燃料電池驅動的無人機取得成功，樂觀主義者表示，它們可以在全球范圍內建立一個低碳運輸系統，遏制空氣污染和排放，并取代公路運輸。這些飛機的建立必須遵守空中交通規則，這些規則需要修改并適應新的移動場景。確實，在無數嗡嗡作響的機器人穿越大都市的摩天大樓之前，必須保證安全。