水電解

水電解の効率向上に不可欠な電解液中の気泡分布計測において，ライトフィールドカメラを用いた新しい3次元計測手法を提案しました ．従来のステレオ撮影法は電極や隔膜の遮蔽により適用が困難でしたが，本手法はマイクロレンズアレイを活用することで一方向からの撮影のみで3次元情報を取得可能です ．軸対称ノズルを用いた検証実験の結果，一方向撮影によって気泡の3次元的な位置情報を精度良く抽出できることを実証しました ．本計測技術は，複雑な構造を持つ水電解セル内部の現象解明を促進する有力なツールとなります．

We proposed a novel 3D measurement method for bubble distribution in electrolytes using a light field camera, which is essential for improving water electrolysis efficiency ．While conventional stereo photography is difficult to apply due to shielding by electrodes and membranes, our method enables 3D information acquisition from a single direction by utilizing a microlens array ．Experimental verification using an axisymmetric nozzle demonstrated that 3D bubble positions can be accurately extracted from single-directional captures ．This measurement technology serves as a powerful tool for elucidating internal phenomena within structurally complex electrolysis cells．

IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, Vol. 19, No. 7, pp. 1100-1104, 2024

https://doi.org/10.1002/tee.24028

磁場印加型アルカリ水電解において，磁場の印加方向（電極に対し垂直・平行）が電解性能および気泡挙動に及ぼす影響を実験的に明らかにしました ．電極に垂直な磁場を印加した場合，ローレンツ力による電解液の攪拌と気泡の脱離促進により，高電流密度域で顕著な過電圧抑制効果が得られることを示しました ．一方，電極に平行な磁場を印加した場合，低電流密度域では過電圧が抑制されるものの，高電流密度域では気泡が電解液中に滞留し，逆に電圧が増加する現象を解明しました ．

We experimentally elucidated the influence of magnetic field directions (vertical and parallel to the electrode) on electrolysis performance and bubble behavior in alkaline water electrolysis ．Under a vertical magnetic field, significant overpotential suppression was achieved at high current densities due to enhanced bubble detachment and electrolyte mixing induced by Lorentz forces ．In contrast, while suppression was observed at low current densities under a parallel magnetic field, bubbles became trapped in the electrolyte at high current densities, leading to an increase in cell voltage ．These findings provide essential guidelines for the optimal design of high-efficiency water electrolysis systems utilizing magnetic fields ．

電気学会論文誌B，Vol.142, No.3, pp.199-204, 2022

https://doi.org/10.1541/ieejpes.142.199

アルカリ水電解の高効率化に向け，ミクロスケールの気泡挙動がイオン輸送および過電圧に与える影響を3次元連成解析により解明しました ．上昇する気泡が誘起する流動がアノードへのイオン輸送を促進し，セル過電圧を抑制することを明らかにしました ．さらに，気泡の微細化によってこの抑制効果が強化されることを見出しました ．これは，小径気泡ほど電極近傍を上昇し，対流によるイオン輸送をより強力に活性化することに起因します ．

To improve the efficiency of alkaline water electrolysis, we elucidated the effects of microscale bubble dynamics on ion transport and overpotential using 3D coupling simulations ．The results demonstrate that flow induced by rising bubbles enhances ion transport to the anode and suppresses cell overpotential ．Furthermore, we found that bubble atomization enhances this suppression effect ．This is because smaller bubbles rise closer to the electrode surface, more effectively activating convective ion transport.

International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 46, Issue 70, pp. 35088-35101, 2021

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.08.101

磁場を印加したアルカリ水電解における気泡同士の相互作用と，それが過電圧に与える影響を大規模MHD連成解析により明らかにしました ．磁場の印加が気泡の合体を促進し，磁束密度の増加に伴い気泡径が増大することを見出しました ．この気泡合体による電極遮蔽効果の低減と，ローレンツ力が誘起する強力な電解液攪拌によるアノード近傍の濃度回復により，セル過電圧が効果的に抑制されるメカニズムを解明しました ．複数の気泡が存在する実環境に近い条件下で，磁場による効率向上の有効性を実証しました ．

We elucidated bubble-bubble interactions and their impact on overpotential in alkaline water electrolysis under magnetic fields using large-scale MHD coupling simulations ．The results reveal that magnetic fields promote bubble coalescence, leading to increased bubble size with higher magnetic flux density ．We clarified the mechanism by which cell overpotential is suppressed through reduced shielding effects from coalescence and enhanced electrolyte mixing induced by Lorentz forces, which recovers KOH concentration near the anode ．The effectiveness of magnetic fields for efficiency improvement was demonstrated under conditions containing multiple bubbles, mimicking real electrolyzers ．

Electrical Engineering in Japan, Vol. 214, No. 4, e23349, 2021

https://doi.org/10.1002/eej.23349

アルカリ水電解の効率向上に向け，気泡同士の相互作用がイオン輸送と過電圧に与える影響を大規模数値解析により明らかにしました ．GPUスパコンを活用し，マイクロスケールの気液二相流と電気化学現象を精密に連成させています ．解析の結果，過電圧を最小化する「最適な気泡分散度」が存在することを突き止めました ．最適な分散状態では，気泡間の反発によって電極の遮蔽が緩和されるとともに，強力な攪拌効果が生じて濃度過電圧が抑制されます ．

To improve the efficiency of alkaline water electrolysis, we elucidated the influence of bubble-bubble interactions on ion transport and overpotential through large-scale numerical simulations ．Using GPU supercomputing, we coupled microscale two-phase flow with electrochemical phenomena ．Our results revealed an "optimum dispersibility" of bubbles that minimizes cell overpotential ．In this optimal state, bubble-bubble interactions reduce the shielding effect on the electrode surface and enhance mixing flow, thereby suppressing concentration overpotential

ECS Transactions, Vol. 98, No. 9, pp. 641-650, 2020

https://doi.org/10.1149/09809.0641ecst

磁場印加によるアルカリ水電解の過電圧抑制メカニズムを，3次元数値解析により明らかにしました ．電極に対し垂直・平行いずれの磁場印加においても，誘起された電解液の攪拌が過電圧を低減することを実証しました ．垂直磁場では，気泡を迂回する電流が生成するローレンツ力によって渦と二次流れが生じます ．一方，平行磁場ではMHDポンプ効果による流動が気泡周囲に不均一な剪断力を生み，高磁束密度域まで効率的に過電圧を抑制します ．これらの抑制効果の発生には気泡の存在が不可欠であることを解明しました ．

We clarified the mechanism of overvoltage suppression in alkaline water electrolysis under magnetic fields through 3D numerical simulations ．The results demonstrate that magnetic fields applied both vertically and parallel to the electrode reduce overpotential via induced electrolyte mixing ．In the vertical case, Lorentz forces from current bypassing the bubbles generate vortices and secondary flows ．In the parallel case, the MHD pump effect generates flow that creates non-uniform shear forces around bubbles, effectively suppressing overpotential even at high magnetic flux densities ．We elucidated that the presence of bubbles is essential for these suppression effects ．

IEEJ Transactions on Power and Energy, Vol.140, No.7, pp.617-622, 2020

https://doi.org/10.1541/ieejpes.140.617

アルカリ水電解のエネルギー効率向上を目指し，酸素気泡がイオン輸送に与える影響を3次元数値解析により明らかにしました ．気泡上昇に伴い電極近傍に生成される渦が電解液を攪拌し，アノード付近の濃度低下を緩和します ．これにより，溶液抵抗および活性化過電圧が抑制されるメカニズムを解明しました ．特に高電流密度において，気泡による攪拌効果が遮蔽効果を上回り，セル性能を向上させることを示しました ．

We clarified the impact of oxygen bubbles on ion transport in alkaline water electrolysis using 3D numerical simulations to improve energy efficiency ．The vortices generated by rising bubbles mix the electrolyte and mitigate concentration depletion near the anode ．We elucidated the mechanism by which this mixing suppresses electrolyte and activation overpotentials ．Notably, at high current densities, the results demonstrate that the mixing effect outweighs the shielding effect, enhancing cell performance ．

Transactions of the JSME (in Japanese), Vol.86, No.883, 2020

https://doi.org/10.1299/transjsme.19-00354

電解水生成装置は，水道水と電力から酸性水およびアルカリ性水を生成でき，医療・食品分野などでの活用が期待されています．本研究では，電解水生成装置の陽極槽を対象に，流体・電気化学・電磁気が連成した二次元数値解析を実施し，装置内部で生じるイオン輸送現象を明らかにしました．その結果，重炭酸イオンの中和反応がpH分布や導電率分布を大きく左右し，陽極表面の電流密度分布にも強い影響を及ぼすことを示しました．本成果は，電解水生成装置の長寿命化，小型化，高性能化に向けた設計高度化に資するものです．

Electrolyzed water generators can produce acidic and alkaline water from tap water and electric power, and are expected to be applied in medical and food-related fields. In this study, we carried out a two-dimensional numerical simulation of the anode cell by coupling fluid dynamics, electrochemistry, and electromagnetics, and clarified the ion transport phenomena inside the device. The results showed that the neutralization reaction of bicarbonate ions strongly affects the pH and electrical conductivity distributions, and also has a significant influence on the current density distribution on the anode surface. These findings provide useful insights for the advanced design of electrolyzed water generators with improved durability, compactness, and performance.

Transactions of the JSME (in Japanese), Vol. 86, No. 892, 2020

https://doi.org/10.1299/transjsme.20-00183