(57)【要約】  人工光合成モジュールは水素発生電極の複数の第１の電極部は隙間をあけて並んで配置されており、酸素発生電極の複数の各第２の電極部が、隔膜に対して水素発生電極側から見た場合、それぞれ水素発生電極の第１の電極部の隙間に配置されている。水素発生電極の少なくとも１つの第１の電極部の第１の光触媒層もしくは酸素発生電極の少なくとも１つの第２の電極部の第２の光触媒層が電解水溶液の流れ方向に対して傾斜しているか、または水素発生電極の少なくとも１つの第１の電極部の第１の光触媒層の表面もしくは酸素発生電極の少なくとも１つの第２の電極部の第２の光触媒層の表面に突出部が設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基材と第１の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第１の電極部を持つ水素発生電極と、
第２の基材と第２の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第２の電極部を持つ酸素発生電極と、
前記水素発生電極と前記酸素発生電極との間に設けられた隔膜とを有し、前記水素発生電極と前記酸素発生電極とが電気的に接続された人工光合成モジュールであって、
前記酸素発生電極が前記隔膜を挟んで前記水素発生電極とは反対側に存在し、
前記水素発生電極の複数の前記第１の電極部は隙間をあけて並んで配置されており、前記酸素発生電極の複数の前記各第２の電極部が、前記隔膜に対して水素発生電極側から見た場合、それぞれ前記水素発生電極の前記第１の電極部の前記隙間に配置されており、
前記水素発生電極の少なくとも１つの前記第１の電極部の前記第１の光触媒層もしくは前記酸素発生電極の少なくとも１つの前記第２の電極部の前記第２の光触媒層が電解水溶液の流れ方向に対して傾斜しているか、または前記水素発生電極の少なくとも１つの前記第１の電極部の前記第１の光触媒層の表面もしくは前記酸素発生電極の少なくとも１つの前記第２の電極部の前記第２の光触媒層の表面に突出部が設けられていることを特徴とする人工光合成モジュール。
【請求項２】
前記水素発生電極と前記酸素発生電極のうち、少なくとも１つの電極部の光触媒層の前記電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が、５°以上４５°以下である請求項１に記載の人工光合成モジュール。
【請求項３】
前記水素発生電極または前記酸素発生電極の、全ての電極部のうち、５０％以上の電極部の前記光触媒層が、前記電解水溶液の流れ方向に対して傾斜している、請求項１または２に記載の人工光合成モジュール。
【請求項４】
前記第１の電極部および前記第２の電極部の、前記電解水溶液の流れ方向の辺の長さを前記電極部の幅とするとき、前記電極部の幅が１０μｍ〜１０ｍｍである、請求項１または２に記載の人工光合成モジュール。
【請求項５】
前記突出部は、前記突出部が設けられた前記表面からの高さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満である請求項１に記載の人工光合成モジュール。
【請求項６】
前記突出部は、前記電解水溶液の流れ方向に対して周期的に前記表面からの高さが変わる周期構造を有し、前記周期構造の前記電解水溶液の流れ方向に対するピッチは、１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満である請求項１または５に記載の人工光合成モジュール。
【請求項７】
前記突出部は、前記電解水溶液の流れ方向に対して平行な面を有する請求項１、５および６のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項８】
前記突出部は、前記電解水溶液の流れ方向に対して傾斜した斜面を有し、前記斜面の前記電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が５°以上４５°以下である請求項１、５、６および７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項９】
第１の基材と第１の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第１の電極部を持つ水素発生電極と、
第２の基材と第２の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第２の電極部を持つ酸素発生電極と、
前記水素発生電極と前記酸素発生電極との間に設けられた隔膜とを有し、前記水素発生電極と前記酸素発生電極とが電気的に接続された人工光合成モジュールであって、
前記酸素発生電極が前記隔膜を挟んで前記水素発生電極とは反対側に存在し、
前記水素発生電極の複数の前記第１の電極部は隙間をあけて並んで配置されており、前記酸素発生電極の複数の前記各第２の電極部が、前記隔膜に対して水素発生電極側から見た場合、それぞれ前記水素発生電極の前記第１の電極部の前記隙間に配置されており、
前記水素発生電極の少なくとも１つの前記第１の電極部の前記第１の光触媒層もしくは前記酸素発生電極の少なくとも１つの前記第２の電極部の前記第２の光触媒層が前記隔膜に対して傾斜しているか、または前記水素発生電極の少なくとも１つの前記第１の電極部の前記第１の光触媒層の表面もしくは前記酸素発生電極の少なくとも１つの前記第２の電極部の前記第２の光触媒層の表面に突出部が設けられていることを特徴とする人工光合成モジュール。
【請求項１０】
前記水素発生電極と前記酸素発生電極のうち、少なくとも１つの電極部の光触媒層の前記隔膜に対する傾斜角度が、５°以上４５°以下である請求項９に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１１】
前記水素発生電極または前記酸素発生電極の、全ての電極部のうち、５０％以上の電極部の前記光触媒層が、前記隔膜に対して傾斜している、請求項９または１０に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１２】
前記第１の電極部および前記第２の電極部の、電解水溶液の流れ方向の辺の長さを前記電極部の幅とするとき、前記電極部の幅が１０μｍ〜１０ｍｍである、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１３】
前記突出部は、前記突出部が設けられた前記表面からの高さが０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である請求項９に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１４】
前記突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して周期的に前記表面からの高さが変わる周期構造を有し、前記周期構造の前記電解水溶液の流れ方向に対するピッチは、１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満である請求項９または１３に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１５】
前記突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して平行な面を有する請求項９、１３および１４のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１６】
前記突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して傾斜した斜面を有し、前記斜面の前記電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が５°以上４５°以下である請求項９、１３、１４および１５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１７】
光により電解水溶液を分解して酸素を発生させる、酸素発生電極と、前記光により前記電解水溶液を分解して水素を発生させる、水素発生電極とを具備し、
前記酸素発生電極は、平板の第１の基板と、前記第１の基板の上に設けられた第１の導電層と、前記第１の導電層の上に設けられた第１の光触媒層とを有し、
前記水素発生電極は、平板の第２の基板と、前記第２の基板の上に設けられた第２の導電層と、前記第２の導電層の上に設けられた第２の光触媒層とを有する、人工光合成モジュールであって、
前記酸素発生電極の前記第１の光触媒層の第１表面、および前記水素発生電極の前記第２の光触媒層の第２表面のうち、少なくとも一方の表面の少なくとも一部が前記電解水溶液の流れ方向に対して傾斜しているか、または少なくとも一方の表面に導電層の導電層表面に対して突出する突出部が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする人工光合成モジュール。
【請求項１８】
前記突出部は、前記電解水溶液の流れ方向に対して複数設けられている請求項１７に記載の人工光合成モジュール。
【請求項１９】
前記突出部は、前記突出部が設けられた前記表面からの高さが０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である請求項１７または１８に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２０】
前記突出部は、前記電解水溶液の流れ方向に対して周期的に前記表面からの高さが変わる周期構造を有し、前記周期構造の前記電解水溶液の流れ方向に対するピッチは、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２１】
前記突出部は、前記電解水溶液の流れ方向に対して平行な面を有する請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２２】
前記突出部は、前記電解水溶液の流れ方向に対して傾斜した斜面を有し、前記斜面の前記電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が５°以上４５°以下である請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２３】
前記突出部が設けられた前記表面の面積に対して５０％以上の範囲に、前記突出部が設けられている請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２４】
前記酸素発生電極の前記第１の光触媒層の第１表面、および前記水素発生電極の前記第２の光触媒層の第２表面のうち、少なくとも一方の表面の全面が前記電解水溶液の流れ方向に対して傾斜している請求項１７に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２５】
前記酸素発生電極の前記第１の光触媒層の第１表面、および前記水素発生電極の前記第２の光触媒層の第２表面のうち、少なくとも一方の表面の全面が前記電解水溶液の流れ方向に対して傾斜しており、前記電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が、５°以上４５°以下である請求項１７または２４に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２６】
前記酸素発生電極と前記水素発生電極が、前記光の進行方向に沿って直列に配置されている請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【請求項２７】
前記光が前記酸素発生電極側から入射され、かつ、前記酸素発生電極が有する前記第１の基板が透明である請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光により電解水溶液を水素と酸素に分解する人工光合成モジュールに関し、特に、電解水溶液が流れる方向に対して電極部の光触媒層が傾斜した電極を有する人工光合成モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、化石燃料を用いて発電した電気により、水を電気分解して水素を発生させる水素発生装置が提案されている。一方、現在の地球規模による環境破壊、および恒久的なエネルギー問題等の観点から、化石燃料および化石資源に頼らないための、クリーンなエネルギーが求められている。
人工光合成は、植物の光合成に学び、化石資源に頼らずに、無尽蔵になる太陽光と水と炭酸ガスによりエネルギーおよび資源を得る方法として注目を浴びている。
従来、再生可能なエネルギーである太陽光エネルギーを利用する形態の１つとして、電解水溶液を分解して酸素と水素を製造する装置が提案されている。【０００３】
例えば、特許文献１には、レドックス媒体の還元体を酸化してレドックス媒体の酸化体に変化させる電極を、光触媒とレドックス媒体の酸化体を含む光触媒反応槽の水溶液中に設置し、発生するレドックス媒体の還元体を電解することにより酸化してレドックス媒体の酸化体に変化させる水から酸素および水素を製造する方法が記載されている。レドックス媒体の還元体を酸化してレドックス媒体の酸化体に変化させる電極として櫛形電極が挙げられている。【０００４】
特許文献２の二酸化炭素還元装置は、受光面および裏面を有する光電変換層と、電解液槽と、電解液槽中に電解液を挟んで設けられた第１および第２電解用電極と、電解液槽中に二酸化炭素を供給するＣＯ２供給部とを備え、光電変換層と第１および第２電解用電極とは、光電変換層の光起電力が第１および第２電解用電極に出力されるように接続され、第１電解用電極は、二酸化炭素還元用触媒を有し、第２電解用電極は、酸素生成用触媒を有し、第１および第２電解用電極は、第１および第２電解用電極の間を気泡が移動可能に設けられている。また、第１および第２電解用電極は、それぞれ幹部と幹部から延びる複数の支部とを有する櫛形構造を有し、第１電解用電極の支部は、第２電解用電極の２つの支部の間に配置され、第２電解用電極の支部は、第１電解用電極の２つの支部の間に配置されている。【０００５】
これら以外に、電解水溶液を分解して酸素と水素を製造する装置として、特許文献３には水酸素ガス発生電極が提案されている。特許文献３の水酸素ガス発生電極は、互いに離間して平行に並ぶ複数の陽極板から成る陽電極群と、複数の陽極板にそれぞれ対面する複数の陰極板から成る陰電極群とを備え、陽電極群と陰電極群との間に、水を導入する間隙を確保したものである。陽極板を略Ｕ字形に折り返して一対の陽極片を形成し、陰極板を略Ｕ字形に折り返して一対の陰極片を形成し、一対の陽極片と一対の陰極片とを、それぞれの間に互い違いに差し込んでいる。特許文献３では、陽電極群と陰電極群とに各々電源を接続し、これら陽電極群と陰電極群とにそれぞれ正負の電荷を付与することで、間隙に導入した水が電気分解される。【０００６】
特許文献４には、導電基板および導電基板上に配置された光半導体層を含む第１電極と、第１電極の導電基板側の面に対向して配置され、導電基板と電気的に接続された第２電極と、光半導体層の表面および第２電極の表面と接触する、水を含む電解液と、第１電極、第２電極および電解液を収容する容器と、容器内部へ水を供給するための供給口と、光半導体層の表面側の第１領域における電解液と、第１電極に対して第１領域と反対側の第２領域における電解液との間で、イオンを移動可能とするイオン通過部とを備える光電気化学セルが記載されている。光電気化学セルは、光半導体層に光が照射されることによって、電解液中の水を分解して水素を発生させる。
特許文献５には、イオン透過膜の両表面に膜状の電解水生成用電極が形成された膜−電極構造体を有する電解槽が記載されている。特許文献５では、陰極側と陽極側とに純水を供給し、電解水生成用電極間に電圧を印加することで、陰極側から水素を発生させ、陽極側からは酸素を発生させて、電解を行っている。
また、特許文献５には、電解水生成用電極がメッシュ状または櫛形状であることが記載されている。電解水生成用電極を櫛形状とする場合、相互に重なり合わない位置に設けるようにしてもよいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２５６３７８号公報
【特許文献２】特開２０１３−２５３２６９号公報
【特許文献３】特開２００５−１７１３８３号公報
【特許文献４】国際公開第２０１０／１４０３５３号
【特許文献５】特開２００６−２１３９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、特許文献１では、櫛形電極を用いているが、一方の電極だけであり、かつ対極との距離が遠いため、電気分解の効率が悪いという問題点がある。
特許文献２では、櫛形構造の電極が示されているが、光電変換層の裏面側に第１および第２電解用電極が設けられており、電極に光が照射される構成ではない。また、特許文献３では、水の電気分解に電源が必要であると共に、陽電極群と陰電極群は、表面が平坦であり、電解液が流れる方向に平行に表面が配置されている。このため、水が表面に滞留して電気分解の効率が悪くなるという問題点がある。【０００９】
特許文献４の第１電極および第２電極は、表面が平坦であり、電解液が流れる方向に平行に表面が配置されている。このため、電解液が表面に滞留して電気分解の効率が悪くなるという問題点がある。
また、特許文献５では、電解水生成用電極をメッシュ状または櫛形状としているが、供給する純水の流れに対する電解水生成用電極の形態について何ら考慮されていない。このため、供給される純水が電解水生成用電極で滞留して電解の効率が悪くなるという問題点がある。また、特許文献５では、電解水生成用電極間に電圧を印加するための電源が必要であるという問題点がある。【００１０】
本発明の目的は、前述の従来技術に基づく問題点を解消し、エネルギー変換効率が優れた人工光合成モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１の基材と第１の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第１の電極部を持つ水素発生電極と、第２の基材と第２の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第２の電極部を持つ酸素発生電極と、水素発生電極と酸素発生電極との間に設けられた隔膜とを有し、水素発生電極と酸素発生電極とが電気的に接続された人工光合成モジュールであって、酸素発生電極が隔膜を挟んで水素発生電極とは反対側に存在し、水素発生電極の複数の第１の電極部は隙間をあけて並んで配置されており、酸素発生電極の複数の各第２の電極部が、隔膜に対して水素発生電極側から見た場合、それぞれ水素発生電極の第１の電極部の隙間に配置されており、水素発生電極の少なくとも１つの第１の電極部の第１の光触媒層もしくは酸素発生電極の少なくとも１つの第２の電極部の第２の光触媒層が電解水溶液の流れ方向に対して傾斜しているか、または水素発生電極の少なくとも１つの第１の電極部の第１の光触媒層の表面もしくは酸素発生電極の少なくとも１つの第２の電極部の第２の光触媒層の表面に突出部が設けられていることを特徴とする人工光合成モジュールを提供するものである。【００１２】
また、水素発生電極と酸素発生電極のうち、少なくとも１つの電極部の光触媒層の電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が、５°以上４５°以下であることが好ましい。
また、水素発生電極または酸素発生電極の、全ての電極部のうち、５０％以上の電極部の光触媒層が、電解水溶液の流れ方向に対して傾斜していることが好ましい。
また、第１の電極部および第２の電極部の、電解水溶液の流れ方向の辺の長さを電極部の幅とするとき、電極部の幅が１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。【００１３】
突出部は、突出部が設けられた表面からの高さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であることが好ましい。
また、突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有し、周期構造の電解水溶液の流れ方向に対するピッチは、１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満であることが好ましい。
突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して平行な面を有することが好ましい。
突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して傾斜した斜面を有し、斜面の電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が５°以上４５°以下であることが好ましい。【００１４】
また、本発明の第２の態様は、第１の基材と第１の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第１の電極部を持つ水素発生電極と、第２の基材と第２の光触媒層を含み、電気的に接続された複数の第２の電極部を持つ酸素発生電極と、水素発生電極と酸素発生電極との間に設けられた隔膜とを有し、水素発生電極と酸素発生電極とが電気的に接続された人工光合成モジュールであって、酸素発生電極が隔膜を挟んで水素発生電極とは反対側に存在し、水素発生電極の複数の第１の電極部は隙間をあけて並んで配置されており、酸素発生電極の複数の各第２の電極部が、隔膜に対して水素発生電極側から見た場合、それぞれ水素発生電極の第１の電極部の隙間に配置されており、水素発生電極の少なくとも１つの第１の電極部の第１の光触媒層もしくは酸素発生電極の少なくとも１つの第２の電極部の第２の光触媒層が隔膜に対して傾斜しているか、または水素発生電極の少なくとも１つの第１の電極部の第１の光触媒層の表面もしくは酸素発生電極の少なくとも１つの第２の電極部の第２の光触媒層の表面に突出部が設けられていることを特徴とする人工光合成モジュールを提供するものである。【００１５】
また、水素発生電極と酸素発生電極のうち、少なくとも１つの電極部の光触媒層の隔膜に対する傾斜角度が、５°以上４５°以下であることが好ましい。
また、水素発生電極または酸素発生電極の、全ての電極部のうち、５０％以上の電極部の光触媒層が、隔膜に対して傾斜していることが好ましい。
また、第１の電極部および第２の電極部の、電解水溶液の流れ方向の辺の長さを電極部の幅とするとき、電極部の幅が１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。【００１６】
突出部は、突出部が設けられた表面からの高さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であることが好ましい。
また、突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有し、周期構造の電解水溶液の流れ方向に対するピッチは、１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満であることが好ましい。
突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して平行な面を有することが好ましい。
突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して傾斜した斜面を有し、斜面の電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が５°以上４５°以下であることが好ましい。【００１７】
本発明の第３の態様は、光により電解水溶液を分解して酸素を発生させる、酸素発生電極と、光により電解水溶液を分解して水素を発生させる、水素発生電極とを具備し、酸素発生電極は、平板の第１の基板と、第１の基板の上に設けられた第１の導電層と、第１の導電層の上に設けられた第１の光触媒層とを有し、水素発生電極は、平板の第２の基板と、第２の基板の上に設けられた第２の導電層と、第２の導電層の上に設けられた第２の光触媒層とを有する、人工光合成モジュールであって、酸素発生電極の第１の光触媒層の第１表面、および水素発生電極の第２の光触媒層の第２表面のうち、少なくとも一方の表面の少なくとも一部が電解水溶液の流れ方向に対して傾斜しているか、または少なくとも一方の表面に導電層の導電層表面に対して突出する突出部が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする人工光合成モジュールを提供するものである。【００１８】
突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して複数設けられていることが好ましい。
突出部は、突出部が設けられた表面からの高さが０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有し、周期構造の電解水溶液の流れ方向に対するピッチは、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。
突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して平行な面を有することが好ましい。
また、突出部は、電解水溶液の流れ方向に対して傾斜した斜面を有し、斜面の電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が５°以上４５°以下であることが好ましい。
突出部が設けられた表面の面積に対して５０％以上の範囲に、突出部が設けられていることが好ましい。【００１９】
酸素発生電極の第１の光触媒層の第１表面、および水素発生電極の第２の光触媒層の第２表面のうち、少なくとも一方の表面の全面が電解水溶液の流れ方向に対して傾斜していることが好ましい。
酸素発生電極の第１の光触媒層の第１表面、および水素発生電極の第２の光触媒層の第２表面のうち、少なくとも一方の表面の全面が電解水溶液の流れ方向に対して傾斜しており、電解水溶液の流れ方向に対する傾斜角度が、５°以上４５°以下であることが好ましい。
酸素発生電極と水素発生電極が、光の進行方向に沿って直列に配置されていることが好ましい。
光が酸素発生電極側から入射され、かつ、酸素発生電極が有する第１の基板が透明であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、エネルギー変換効率が優れた人工光合成モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する水電解システムを示す模式的平面図である。
【図２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例を示す模式的側断面図である。
【図３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例の電極構成を示す模式的平面図である。
【図４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの水素発生電極の構成の一例を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの酸素発生電極の構成の一例を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの水素発生電極の構成の他の例を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの酸素発生電極の構成の他の例を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例を示す模式的側断面図である。
【図９】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第３の例を示す模式的側断面図である。
【図１０】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第１の例を示す模式的側面図である。
【図１１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第２の例を示す模式的側面図である。
【図１２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第３の例を示す模式的側面図である。
【図１３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例を示す模式的側断面図である。
【図１４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第１の例を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第２の例を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第３の例を示す模式的斜視図である。
【図１８】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第４の例を示す模式的斜視図である。
【図１９】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第５の例を示す模式的斜視図である。
【図２０】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第６の例を示す模式的斜視図である。
【図２１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第７の例を示す模式的斜視図である。
【図２２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例を示す模式的側断面図である。
【図２３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例の電極構成を示す模式的平面図である。
【図２４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例の電極構成を示す模式的斜視図である。
【図２５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例を示す模式的側断面図である。
【図２６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例の電極構成を示す模式的斜視図である。
【図２７】傾斜角度を説明するための模式図である。
【図２８】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例の電極構成の他の例を示す模式的側面図である。
【図２９】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第１の例を示す模式図である。
【図３０】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第２の例を示す模式図である。
【図３１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第３の例を示す模式的斜視図である。
【図３２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第４の例を示す模式的斜視図である。
【図３３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第５の例を示す模式的斜視図である。
【図３４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第６の例を示す模式的斜視図である。
【図３５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第８の例を示す模式的側断面図である。
【図３６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第８の例の他の例を示す模式的側断面図である。
【図３７】比較例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールの電極構成を示す模式的断面図である。
【図３８】実施例Ｎｏ．１０、実施例Ｎｏ．１１および比較例Ｎｏ．1０の電解電圧の変化を示すグラフである。
【図３９】電解水溶液を流れ方向を変えた際の電解電圧の変化を示すグラフである。
【図４０】突出部のピッチを変えた際の電解電圧の変化を示すグラフである。
【図４１】突出部の形状およびピッチを変えた際の電解電圧の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の人工光合成モジュールを詳細に説明する。
なお、以下において数値範囲を示す「〜」とは両側に記載された数値を含む。例えば、εが数値ε１〜数値ε２とは、εの範囲は数値ε１と数値ε２を含む範囲であり、数学記号で示せばε１≦ε≦ε２である。
「４５°」、「平行」、「垂直」および「直交」等の角度は、特に記載がなければ、厳密な角度に対して技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含む。また、「同一」とは、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含む。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する水電解システムを示す模式的平面図である。
図１に示すように、水電解システム１０（以下、単にシステム１０という。）は、例えば、複数の人工光合成モジュール１２を有する。人工光合成モジュール１２は、方向Ｗの延在しており、かつ方向Ｗと直交する方向Ｍに並べて配置されている。なお、システム１０において、人工光合成モジュール１２の数は特に限定されるものではなく、少なくとも１つあればよい。
【００２４】
人工光合成モジュール１２は、光を受光して水を水素と酸素に分解し、水素ガスと酸素ガスを生成するものである。人工光合成モジュール１２については後に詳細に説明する。
なお、水は電解水溶液ＡＱも含む。ここで、電解水溶液ＡＱとは、例えば、Ｈ２Ｏを主成分とする液体であり、蒸留水であってもよく、水を溶媒とし溶質を含む水溶液であってもよい。水の場合、例えば、電解質を含む水溶液である電解液であってもよく、冷却塔等で用いられる冷却水であってもよい。電解液の場合、例えば、電解質を含む水溶液であり、例えば、強アルカリ（ＫＯＨ（水酸化カリウム））、Ｈ２ＳＯ４を含む電解液、または硫酸ナトリウム電解液等である。
【００２５】
システム１０は、人工光合成モジュール１２に電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４と、人工光合成モジュール１２から排出される電解水溶液ＡＱを回収する回収部１８とを有する。
供給部１４には、ポンプ等の公知の水の供給装置が利用可能であり、回収部１８にはタンク等の公知の水の回収装置が利用可能である。
供給部１４は供給管１６を介して人工光合成モジュール１２に接続されており、回収部１８は回収管２０を介して人工光合成モジュール１２に接続されている。回収部１８で回収された電解水溶液ＡＱを供給部１４に循環させて、電解水溶液ＡＱを再利用してもよい。
電解水溶液ＡＱの供給方法については、電解水溶液ＡＱを隔膜３４の表面に対して平行に流し、電解水溶液ＡＱの流れを電極表面の上で層流にする。この場合、さらにハニカム整流板を設けてもよい。電解水溶液ＡＱの流れは、乱流を含まない。後述する電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡ（図２参照）の流れも乱流は含まない。
【００２６】
さらに、システム１０は、人工光合成モジュール１２で生成された水素ガスを回収する水素ガス回収部２２と、人工光合成モジュール１２で生成された酸素ガスを回収する酸素ガス回収部２６とを有する。
【００２７】
水素ガス回収部２２は水素用管２４を介して人工光合成モジュール１２に接続され、酸素ガス回収部２６は酸素用管２８を介して人工光合成モジュール１２に接続されている。
水素ガス回収部２２は、水素ガスを回収することができれば、その構成は、特に限定されるものではなく、例えば、吸着法および隔膜法等を用いた装置を利用することができる。
酸素ガス回収部２６は、酸素ガスを回収することができれば、その構成は、特に限定されるものではなく、例えば、吸着法を用いた装置を利用することができる。
【００２８】
なお、システム１０では、人工光合成モジュール１２を水平面に対して平行に設置しても、水平面に対して、予め設定した角度傾けて設置してもよい。水平面に対して傾けて設置することにより、電解水溶液ＡＱが回収管２０側に移動しやすくなり、水素ガスおよび酸素ガスの生成の効率を高くすることができる。水素ガスおよび酸素ガスも、供給管１６側に移動しやすくなり、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く回収することができる。
水素ガス回収部２２および酸素ガス回収部２６を供給部１４の供給管１６側に設けたが、これに限定されるものではなく、回収部１８の回収管２０側に設けてもよい。
【００２９】
次に、システム１０を構成する人工光合成モジュール１２について詳細に説明する。
図２は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例を示す模式的側断面図であり、図３は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例の電極構成を示す模式的平面図であり、図４は人工光合成モジュールの水素発生電極の構成の一例を示す模式的断面図であり、図５は人工光合成モジュールの酸素発生電極の構成の一例を示す模式的断面図である。
【００３０】
図２に示すように、人工光合成モジュール１２は、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とを有する。水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは容器３６内に収納されており、水素発生電極３０と酸素発生電極３２との間に隔膜３４が配置されている。入射光Ｌ側から水素発生電極３０、隔膜３４、および酸素発生電極３２の順で積層され、隔膜３４の表面側に水素発生電極３０が配置され、隔膜３４の裏面側に酸素発生電極３２が配置されている。酸素発生電極３２が隔膜３４を挟んで水素発生電極３０とは反対側に存在している。隔膜３４は、例えば、容器３６内に方向Ｗと平行な方向に伸びた状態で平面状に配置されている。
この場合、水素発生電極３０と酸素発生電極３２は同一平面に対して垂直な方向において異なる位置に配置されており、隔膜３４に対して水素発生電極３０側から見た場合、酸素発生電極３２の複数の各第２の電極部３３ａがそれぞれ水素発生電極３０の後述の第１の電極部３１ａの第１の隙間３１ｂに配置されている。
【００３１】
図３に示すように、水素発生電極３０は、例えば、平板で構成されており、長方形状の第１の電極部３１ａと長方形状の第１の隙間３１ｂと、複数の第１の電極部３１ａが接続される基部３１ｃとを有し、第１の電極部３１ａと第１の隙間３１ｂとが方向Ｄに交互に配置されている。複数の第１の電極部３１ａは基部３１ｃと一体であり、複数の第１の電極部３１ａはそれぞれ電気的に接続されている。
酸素発生電極３２は、例えば、平板で構成されており、長方形状の第２の電極部３３ａと長方形状の第２の隙間３３ｂと、複数の第２の電極部３３ａが接続される基部３３ｃを有し、第２の電極部３３ａと第２の隙間３３ｂとが方向Ｄに交互に配置されている。複数の第２の電極部３３ａは基部３３ｃと一体であり、複数の第２の電極部３３ａはそれぞれ電気的に接続されている。
方向Ｄは、第１の電極部３１ａの配置方向であり、第２の電極部３３ａの配置方向である。なお、方向Ｄは上述の方向Ｗと平行な方向である。
【００３２】
水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは並べて配置されており、第１の電極部３１ａが第２の隙間３３ｂに配置され、第２の電極部３３ａが第１の隙間３１ｂに配置されている。図３に示すように水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは、いずれも櫛歯状の電極であり、第１の電極部３１ａと第２の電極部３３ａが櫛歯電極の櫛歯に相当する。水素発生電極３０と酸素発生電極３２は、いずれも櫛形電極と呼ばれるものである。
第２の隙間３３ｂと第１の電極部３１ａとの間には方向Ｄにおいて第１の電極部３１ａの両側に隙間が生じるが、隙間は両側とも同じであってもよく、異なっていてもよい。また、第１の隙間３１ｂと第２の電極部３３ａとの間には方向Ｄにおいて第２の電極部３３ａの両側に隙間が生じるが、この場合でも、隙間は両側とも同じであってもよく、異なっていてもよい。
【００３３】
なお、酸素発生電極３２の表面および水素発生電極３０の表面は、それぞれ高さが０．１ｍｍ以上の凹凸を含ないものである。凹凸の高さが０．１ｍｍ以上の場合、後述の突出部８０に該当し、水素発生電極３０の表面および酸素発生電極３２の表面ではない。凹凸の高さが０．１ｍｍ未満であれば、光触媒粒子表面の凹凸および光触媒層表面の凹凸等があっても、それらを無視し、酸素発生電極３２の表面および水素発生電極３０の表面とする。高さが０．１ｍｍとは、表面からの高さが０．１ｍｍのことであり、後述の高さｈが０．１ｍｍであるこという。
【００３４】
人工光合成モジュール１２では、電解水溶液ＡＱを、例えば、方向Ｄと平行な方向、すなわち、第１の電極部３１ａおよび第２の電極部３３ａを横切るように流すが、このように第１の電極部３１ａおよび第２の電極部３３ａを横切るように流す方向のことを、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡという。電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡは、方向Ｄと平行な方向である。図２では電解水溶液ＡＱは供給管１６から回収管２０に向けて流される。
【００３５】
水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは、例えば、配線３５により電気的に接続されている。水素発生電極３０は、後に詳細に説明するように、表面３１ｄに入射光Ｌが照射されると電位が発生するものである。これにより、入射光Ｌの照射により水素発生電極３０で発生した電流が酸素発生電極３２に流れ、水素発生電極３０と酸素発生電極３２で電解水溶液ＡＱを水素と酸素に電気分解し、水素ガスと酸素ガスを得ることができる。
【００３６】
水素発生電極３０の第１の電極部３１ａは、例えば、図４に示すように、第１の基材３１ｅの表面に第１の光触媒層３１ｆが設けられている。第１の光触媒層３１ｆは、水素生成用の光触媒で構成されている。第１の光触媒層３１ｆの表面が第１の電極部３１ａの表面３１ｄとなる。なお、第１の光触媒層３１ｆの表面に、水素生成用の助触媒（図示せず）を設けてもよい。この場合、水素生成用の助触媒の表面が第１の電極部３１ａの表面３１ｄとなる。
酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａは、例えば、図５に示すように、第２の基材３３ｅの表面に第２の光触媒層３３ｆが設けられている。第２の光触媒層３３ｆは、酸素生成用の光触媒で構成されている。第２の光触媒層３３ｆの表面が第２の電極部３２ａの表面３３ｄとなる。なお、第２の光触媒層３３ｆの表面に、酸素生成用の助触媒（図示せず）を設けてもよい。この場合、酸素生成用の助触媒の表面が第２の電極部３３ａの表面３３ｄとなる。
第１の基材３１ｅおよび第２の基材３３ｅ、ならびに第１の光触媒層３１ｆおよび第２の光触媒層３３ｆについては、後に詳細に説明する。
【００３７】
図２に示すように水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの第１の光触媒層３１ｆは電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜している。また、第１の光触媒層３１ｆは、隔膜３４に対しても傾斜している。
酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの第２の光触媒層３３ｆは電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜している。また、第２の光触媒層３３ｆは、隔膜３４に対しても傾斜している。水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの第１の光触媒層３１ｆと酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの第２の光触媒層３３ｆは同じ向きに傾斜している。
酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａは、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの第１の隙間３１ｂに配置されている。これにより、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａと酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａに入射光Ｌが照射される。このとき、図２では、電解水溶液ＡＱが流れ方向ＦＡに供給されるが、電解水溶液ＡＱの流れは層流であり、乱流ではない。
【００３８】
第１の電極部３１ａの傾斜角度θと第２の電極部３３ａの傾斜角度θは同じ角度である。
第１の電極部３１ａと第２の電極部３３ａを電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾けることで、第１の電極部３１ａ付近および第２の電極部３３ａ付近で、層流の電解水溶液ＡＱの流れが乱されて乱流となり、第１の電極部３１ａの表面３１ｄ、第２の電極部３３ａの表面３３ｄに電解水溶液ＡＱが滞留し、両方の電極部が傾いていない平坦な構成に比して電解電流が高くなり、優れたエネルギー変換効率が得られる。ここで、電解電流とは、同じ光強度の光を当てたときの電流値のことである。
【００３９】
傾斜角度θは、水素発生電極３０では、第１の光触媒層３１ｆの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する傾斜角度のことであり、第１の光触媒層３１ｆの隔膜３４に対する傾斜角度のことである。この場合、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する傾斜角度と隔膜３４に対する傾斜角度とは同じ角度であるため、いずれも傾斜角度θである。
上述のように、隔膜３４は方向Ｗと平行な方向に伸びた状態で配置されているとしている。図４に示す水素発生電極３０では、第１の光触媒層３１ｆの表面に図示しない水素生成用の助触媒が設けられている。助触媒が第１の電極部３１ａの表面３１ｄである。しかしながら、助触媒は０．５ｎｍ〜１μｍ程度の大きさであり、実質的に第１の光触媒層３１ｆの表面が第１の電極部３１ａの表面３１ｄである。このため、傾斜角度θは第１の電極部３１ａの表面３１ｄと水平線Ｂとのなす角度とする。
【００４０】
酸素発生電極３２では、傾斜角度θは、第２の光触媒層３３ｆの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する傾斜角度のことであり、第２の光触媒層３３ｆの隔膜３４に対する傾斜角度のことである。この場合、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する傾斜角度と隔膜３４に対する傾斜角度とは同じ角度であるため、いずれも傾斜角度θである。
図５に示す酸素発生電極３２では、第２の光触媒層３３ｆの表面に図示しない酸素生成用の助触媒が設けられている。助触媒が第２の電極部３３ａの表面３３ｄである。しかしながら、助触媒は０．５ｎｍ〜１μｍ程度の大きさであり、実質的に第２の光触媒層３３ｆの表面が第２の電極部３３ａの表面３３ｄである。このため、傾斜角度θは第２の電極部３３ａの表面３３ｄと水平線Ｂとのなす角度とする。水平線Ｂは、方向Ｗ、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡおよび方向Ｄと平行な線である。
【００４１】
傾斜角度θは５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度θが５°以上４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
傾斜角度θが大きいと、電解水溶液ＡＱの流れ抵抗が大きくなって、流速が小さくなる。電解水溶液ＡＱの流速を上げると電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４のポンプ等の消費エネルギーが大きくなり、供給部１４の消費エネルギーが嵩む。嵩んだ分がエネルギーの損失になり、電解水溶液ＡＱの流速を上げると損失が大きくなる。このため、人工光合成モジュール１２の総合的なエネルギー変換効率が落ちる。
なお、電解水溶液ＡＱの流速に関しては、速ければ速いほどよいが、電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４のポンプ等の消費エネルギーが大きくなる。この場合でも、消費エネルギーによる損失が大きくなるため、人工光合成モジュール１２の総合的なエネルギー変換効率が落ちる。
【００４２】
水素発生電極３０の傾斜角度θは、水素発生電極３０の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｂをひき、この水平線Ｂと水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの表面３１ｄとのなす角度を求める。
また、酸素発生電極３２の傾斜角度θは、酸素発生電極３２の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｂをひき、この水平線Ｂと酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの表面３１ｄとのなす角度を求める。
【００４３】
なお、第１の電極部３１ａの傾斜角度θと第２の電極部３３ａの傾斜角度θは同じ角度としたが、これに限定されるものではなく、第１の電極部３１ａの傾斜角度θと第２の電極部３３ａの傾斜角度θは違う角度でもよい。
また、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａおよび酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａのうち、いずれか一方が、傾斜角度θが０°、すなわち、傾いていない状態でもよい。少なくとも一方の電極部が傾くことで、両方の電極部が傾いていない平坦な構成に比して、電解電流が高くなり、優れたエネルギー変換効率を得ることができる。
【００４４】
また、水素発生電極３０の少なくとも１つの第１の電極部３１ａの第１の光触媒層３１ｆ、または酸素発生電極３２の少なくとも１つの第２の電極部３３ａの第２の光触媒層３３ｆが隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜していればよい。この場合、傾斜した第１の光触媒層３１ｆおよび第２の光触媒層３３ｆのうち、少なくとも１つが上述の５°以上４５°以下の傾斜角度θを満たすことが好ましい。
傾斜している光触媒層が多い程、電解水溶液ＡＱの滞留の効果が得られる。電解水溶液ＡＱの滞留の十分な効果を得るためには、水素発生電極３０または酸素発生電極３２の、全ての電極部のうち、５０％以上の電極部の光触媒層が、電解水溶液の流れ方向ＦＡ、および隔膜３４に対して傾斜していることが好ましく、全ての電極部の光触媒層が傾斜していることが更に好ましい。なお、例えば、水素発生電極３０および酸素発生電極３２のうち、一方の電極の全ての電極部の光触媒層が傾斜していれば５０％以上の電極部の光触媒層が傾斜することになる。
【００４５】
容器３６は、隔膜３４で水素発生電極３０がある空間３６ａと、酸素発生電極３２がある空間３６ｂに区画される。
容器３６は、人工光合成モジュール１２の外殻を構成するものであり、電解水溶液ＡＱが漏れることなく内部に保持することができ、かつ外部からの光を内部に透過させて水素発生電極３０と酸素発生電極３２に光を照射することができれば、その構成は特に限定されるものではない。
容器３６の一方の端には、各空間３６ａ、３６ｂそれぞれに供給管１６が接続されている。また、一方の端には水素用管２４が空間３６ａに接続され、酸素用管２８が空間３６ｂに接続されている。他方の端に回収管２０が接続されている。
【００４６】
人工光合成モジュール１２では、隔膜３４で空間３６ａと空間３６ｂに区画することで、水素と酸素とを別々に回収することができる。これにより、水素と酸素の分離工程および分離膜が不要となり、水素と酸素の回収を容易にできる。
なお、水素発生電極３０は、酸素発生電極３２よりも上方に配置することが好ましい。これにより、空間３６ａの上方に水素が移動し、水素の回収をより一層容易にすることができる。
加えて、水素発生電極３０を酸素発生電極３２よりも下方に配置した場合、発生した水素が上方の隔膜３４を透過して酸素発生電極３２側に移行してしまうが、水素発生電極３０を酸素発生電極３２よりも上方に配置することで、これを防止することができる。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２は配置位置が近い方が高い電解電流が得られるため好ましい。しかし、水素発生電極３０と酸素発生電極３２が隔膜３４に対して密着すると、発生した水素の気泡および酸素の気泡が除去されにくくなる。このため、水素発生電極３０と酸素発生電極３２は気泡が移動できる程度に隔膜３４と接することが好ましい。
【００４７】
隔膜３４には、発生した水素イオンは透過するが、気泡となった水素ガス、および酸素ガスは透過しないイオン透過膜を用いる。イオン透過膜には、例えば、ディポン社製ナフィオン（登録商標）、およびＡＧＣエンジニアリング社製セレミオン（登録商標）等が用いられる。
【００４８】
図３に示すように、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａと第１の隙間３１ｂ、および酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａと第２の隙間３３ｂとは、いずれも長方形状であるが、これに限定されるものではない。例えば、長方形以外の矩形であってもよく、三角形であってもよい。
【００４９】
また、第１の電極部３１ａが第２の隙間３３ｂに配置され、第２の電極部３３ａが第１の隙間３１ｂに配置されているが、これに限定されるものではなく、配置されていなくてもよい。水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは並べて配置され、並べた方向において水素発生電極３０の第１の隙間３１ｂに酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａが対向し、第１の電極部３１ａが第２の隙間３３ｂに対向していれば、水素発生電極３０と酸素発生電極３２の配置形態は、特に限定されるものではない。
第１の電極部３１ａが第２の隙間３３ｂに配置され、第２の電極部３３ａが第１の隙間３１ｂに配置されている方が、電極全体の設置面積を小さくすることができるため好ましい。
【００５０】
水素発生電極３０の第１の電極部３１ａおよび酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの辺の長さを電極部の幅とするとき、電極部の幅は１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
この場合、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの幅ｔ１は、水素発生電極３０を方向Ｄに垂直な方向から見た場合における第１の電極部３１ａの辺の長さである。酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの幅ｔ３は、酸素発生電極３２を方向Ｄに垂直な方向から見た場合における第２の電極部３３ａの辺の長さである。第１の電極部３１ａの幅ｔ１および第２の電極部３３ａの幅ｔ３は、それぞれ１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００５１】
また、第１の電極部３１ａの厚さｄ１（図４参照）、第２の電極部３３ａの厚さｄ２（図５参照）はいずれも１ｍｍ以下であることが好ましい。
第１の電極部３１ａの厚さｄ１は、第１の基材３１ｅの裏面から最上層の表面迄の距離のことであり、図４では第１の光触媒層３１ｆの表面の図示しない水素生成用の助触媒の表面迄の長さである。
第２の電極部３３ａの厚さｄ２は、第２の基材３３ｅの裏面から最上層の表面迄の距離のことであり、図５では第２の光触媒層３３ｆの表面の図示しない酸素生成用の助触媒の表面迄の長さである。
第１の電極部３１ａの幅ｔ１および第２の電極部３３ａの幅ｔ３が上述の範囲であれば、エネルギー変換効率をより高くすることができる。また、第１の電極部３１ａの厚さｄ１、第２の電極部３３ａの厚さｄ２が、上述の範囲であれば、エネルギー変換効率をより高くすることができる。
【００５２】
第１の電極部３１ａの幅ｔ１、および第２の電極部３３ａの幅ｔ３、ならびに第１の電極部３１ａの厚さｄ１、および第２の電極部３３ａの厚さｄ２については、以下のようにして得ることができる。
第１の電極部３１ａの幅ｔ１、および第２の電極部３３ａの幅ｔ３については、水素発生電極３０側から、方向Ｄに垂直な方向の水素発生電極３０と酸素発生電極３２のデジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で第１の電極部３１ａの幅ｔ１、および第２の電極部３３ａの幅ｔ３に相当する部分に線をひく。この線の長さを求めることで、第１の電極部３１ａの幅ｔ１、および第２の電極部３３ａの幅ｔ３を得る。
第１の電極部３１ａの厚さｄ１、および第２の電極部３３ａの厚さｄ２については、水素発生電極３０と酸素発生電極３２のデジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で第１の電極部３１ａの厚さｄ１、および第２の電極部３３ａの厚さｄ２に相当する部分に線をひく。この線の長さを求めることで、第１の電極部３１ａの厚さｄ１、および第２の電極部３３ａの厚さｄ２を得る。
【００５３】
水素発生電極３０では、少なくとも第１の電極部３１ａの第１の光触媒層３１ｆが上述の傾斜角度θを有するものであればよく、基部３１ｃは傾斜していなくてもよい。
酸素発生電極３２でも、少なくとも第２の電極部３３ａの第２の光触媒層３３ｆが上述の傾斜角度θを有するものであればよく、基部３３ｃは傾斜していなくてもよい。
水素発生効率と酸素発生効率とは同じではないため、水素発生電極３０と酸素発生電極３２との面積は同じとは限らない。得ようとする水素および酸素の量に応じて、水素発生電極３０と酸素発生電極３２の面積を変えることが好ましい。本発明では、酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの幅ｔ３は、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの幅ｔ１よりも広いことが好ましい。これにより、発生する水素と酸素の量を略等量にすることができる。
【００５４】
以下、第１の基材３１ｅおよび第２の基材３３ｅ、ならびに第１の光触媒層３１ｆおよび第２の光触媒層３３ｆについて説明する。
【００５５】
＜基材＞
第１の基材３１ｅおよび第２の基材３３ｅは、光触媒層を支持するものであり、公知の材料を使用でき、例えば、金属、カーボン（グラファイト）等の非金属、または導電性酸化物等の導電材料により形成された基材を用いることが好ましい。なかでも、良好な加工性を有することから、金属基材を用いることが特に好ましい。金属基材としては、良好な電気伝導性を示す原子の単体、または合金を用いることができる。原子の単体とは、具体的には、Ａｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ等を挙げることができる。合金とは、具体的には、炭素鋼、チタン合金等を挙げることができるが、電気化学的に安定なものであれば、例示した材料に限定されるものではない。
基材の形状は特に制限されず、例えば、パンチングメタル状、メッシュ状、格子状、または貫通した細孔を持つ多孔体であってもよい。
また、基材は、複数の層が積層した積層体（例えば、ガラス基板と金属層との積層体）であってもよい。
【００５６】
＜光触媒層＞
第１の光触媒層３１ｆおよび第２の光触媒層３３ｆは、上述の基材上に配置される層であり、可視光を吸収する層である。
なかでも、オンセットポテンシャルがより良好、光電流密度がより高い、または連続照射による耐久性がより優れる点（以後、単に「本発明の効果がより優れる点」とも称する）で、金属元素としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｎ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ，Ｃｒ、またはＳｎが好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、またはＷがより好ましい。
また、光半導体としては、上述の金属元素を含む酸化物、窒化物、酸窒化物、（オキシ）カルコゲナイド等が挙げられる。
なお、可視光を吸収するとは、可視光領域（４５０〜８００ｎｍ）の光を吸収することを意図する。
また、光触媒層中には、通常、光半導体が主成分として含まれる。主成分とは、光触媒層全質量に対して、光半導体が８０質量％以上であることを意図し、９０質量％以上が好ましい。上限は特に制限されないが、１００質量％である。
【００５７】
光半導体の具体例としては、例えば、Ｂｉ２ＷＯ６，ＢｉＶＯ４，ＢｉＹＷＯ６，Ｉｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）３，ＩｎＴａＯ４，ＩｎＴａＯ４：Ｎｉ（「光半導体：Ｍ」は、光半導体にＭをドープしていることを示す。以下同様。），ＴｉＯ２：Ｎｉ，ＴｉＯ２：Ｒｕ，ＴｉＯ２Ｒｈ，ＴｉＯ２：Ｎｉ／Ｔａ（「光半導体：Ｍ１／Ｍ２」は、光半導体にＭ１とＭ２を共ドープしていることを示す。以下同様。），ＴｉＯ２：Ｎｉ／Ｎｂ，ＴｉＯ２：Ｃｒ／Ｓｂ，ＴｉＯ２：Ｎｉ／Ｓｂ，ＴｉＯ２：Ｓｂ／Ｃｕ，ＴｉＯ２：Ｒｈ／Ｓｂ，ＴｉＯ２：Ｒｈ／Ｔａ，ＴｉＯ２：Ｒｈ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｎｉ／Ｔａ，ＳｒＴｉＯ３：Ｎｉ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｓｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｔａ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｗ，ＳｒＴｉＯ３：Ｍｎ，ＳｒＴｉＯ３：Ｒｕ，ＳｒＴｉＯ３：Ｒｈ，ＳｒＴｉＯ３：Ｒｈ／Ｓｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｉｒ，ＣａＴｉＯ３：Ｒｈ，Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７：Ｃｒ，Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７：Ｃｒ／Ｓｂ，Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７：Ｆｅ，ＰｂＭｏＯ４：Ｃｒ，ＲｂＰｂ２Ｎｂ３Ｏ１０，ＨＰｂ２Ｎｂ３Ｏ１０，ＰｂＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９，ＢｉＶＯ４，ＢｉＣｕ２ＶＯ６，ＢｉＳｎ２ＶＯ６，ＳｎＮｂ２Ｏ６，ＡｇＮｂＯ３，ＡｇＶＯ３，ＡｇＬｉ１／３Ｔｉ２／３Ｏ２，ＡｇＬｉ１／３Ｓｎ２／３Ｏ２，ＷＯ３、ＢａＢｉ１−ｘＩｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＧｅｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｉｘＯ３等の酸化物、ＬａＴｉＯ２Ｎ，Ｃａ０．２５Ｌａ０．７５ＴｉＯ２．２５Ｎ０．７５，ＴａＯＮ，ＣａＮｂＯ２Ｎ，ＢａＮｂＯ２Ｎ，ＣａＴａＯ２Ｎ，ＳｒＴａＯ２Ｎ，ＢａＴａＯ２Ｎ，ＬａＴａＯ２Ｎ，Ｙ２Ｔａ２Ｏ５Ｎ２，（Ｇａ１−ｘＺｎｘ）（Ｎ１−ｘＯｘ），（Ｚｎ１＋ｘＧｅ）（Ｎ２Ｏｘ）（ｘは、０−１の数値を表す），ＴｉＮｘＯｙＦｚ等の酸窒化物、ＮｂＮ、Ｔａ３Ｎ５等の窒化物、ＣｄＳ等の硫化物、ＣｄＳｅ等のセレン化物、Ｌｎ２Ｔｉ２Ｓ２Ｏ５（Ｌｎ：Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，およびＥｒ）、Ｌａ，Ｉｎを含むオキシサルファイド化合物（Chemistry  Letters、2007,36,854−855）を含むことができるが、ここに例示した材料に限定されるものではない。
【００５８】
なかでも、光半導体としては、ＢａＢｉ１−ｘＩｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＧｅｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｉｘＯ３、ＮｂＮ、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＴａＯＮ、ＢｉＶＯ4、Ｔａ3Ｎ5、ペロブスカイト構造を持つＡＢ（Ｏ,Ｎ）3｛Ａ＝Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｌａ，Ｙ、Ｂ＝Ｔａ，Ｎｂ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｔｉ｝、または上述のペロブスカイト構造を持つＡＢ（Ｏ,Ｎ）3を主成分として含む固溶体、またはＴａＯＮ、ＢｉＶＯ4、Ｔａ3Ｎ5、またはペロブスカイト構造を持つＡＢ（Ｏ,Ｎ）3を主成分として含むドープ体や、（オキシ）カルコゲナイト系触媒、具体的にはＣｕ（Ｉｎ,Ｓｅ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓ，Ｓｅ）2、ＣｕＩｎＳ2、Ｃｕ2ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ)4が好ましい。
【００５９】
光触媒層に含まれる光半導体の形状は特に制限されず、柱状、粒子状等が挙げられる。
光半導体が粒子状の場合、その一次粒子の粒径は、特に限定されるものではないが、通常、０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上であり、通常、５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１０μｍ以下である。
上述の粒径は平均粒径であり、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）またはＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）にて観察された任意の１００個の光半導体の粒径（直径）を測定し、それらを算術平均したものである。なお、粒子形状が真円状でない場合は、長径を測定する。
光半導体が柱状である場合、基材表面の法線方向に沿って延びる柱状の光半導体であることが好ましい。柱状の光半導体の直径は、特に限定されるものではないが、通常、２５ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以上であり、通常、２０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１０μｍ以下である。
上述の直径は平均直径であり、ＴＥＭ（装置名：株式会社  日立ハイテクノロジーズ  Ｈ−８１００）またはＳＥＭ（装置名：株式会社  日立ハイテクノロジーズ  ＳＵ−８０２０型ＳＥＭ）にて観察された任意の１００個の柱状光半導体の直径を測定し、それらを算術平均したものである。
【００６０】
上述の光半導体には、必要に応じて、助触媒が担持されていてもよい。助触媒としては、第２〜１４族の金属、この金属の金属間化合物、合金、またはこれらの酸化物、複合酸化物、窒化物、酸窒化物、硫化物、酸硫化物、あるいは、これらの混合物のいずれかを用いることが好ましい。ここで、「金属間化合物」とは、２種以上の金属元素から形成される化合物であり、金属間化合物を構成する成分原子比は必ずしも化学量論比でなく、広い組成範囲をもつものをいう。「これらの酸化物、複合酸化物、窒化物、酸窒化物、硫化物、酸硫化物」とは、第２〜１４族の金属、この金属の金属間化合物、または合金の酸化物、複合酸化物、窒化物、酸窒化物、硫化物、酸硫化物をいう。「これらの混合物」とは、以上例示した化合物のいずれか二種類以上の混合物をいう。
【００６１】
助触媒としては、好ましくは、Ｔｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，またはＰｔの金属、これらの酸化物または複合酸化物であり、より好ましくは、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒの金属、これらの酸化物または複合酸化物であり、さらに好ましくは、Ｉｒ，ＭｎＯ，ＭｎＯ２，Ｍｎ２Ｏ３，Ｍｎ３Ｏ４，ＣｏＯ，Ｃｏ３Ｏ４，ＮｉＣｏ２Ｏ４，ＲｕＯ２，Ｒｈ２Ｏ３，ＩｒＯ２である。
【００６２】
助触媒の担持量は、特に限定されないが、光半導体を基準（１００質量％）として、０．０１〜１０質量％が好ましく、０．０１〜７質量％がより好ましく、０．０５〜５質量％がさらに好ましい。
【００６３】
光触媒層の厚みは特に制限されないが、水分解用光電極の水分解効率がより優れる点で、０．０１〜３．０μｍが好ましく、０．１〜２．０μｍがより好ましい。
上述の光触媒層の形成方法は特に制限されず、公知の方法（例えば、粒子状の光半導体を基材上に堆積させる方法）を採用できる。より具体的には、Ｃｈｅｍ. Ｓｃｉ., ２０１３, ４, １１２０−１１２４に記載の転写法、およびＡｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２０１３，２５，１２５−１３１に記載の方法が挙げられる。
なお、基材と光触媒層との間には、必要に応じて他の層（例えば、接着剤層）が含まれていてもよい。
【００６４】
水素発生電極３０と酸素発生電極３２は、スクリーン印刷法、インクジェット法またはフォトエッチング法を用いて形成することできる。薄い場合には気相成膜、またはパターン印刷で形成してもよい、厚い場合は、導電性金属による電極基材を機械加工してその上に光触媒および助触媒を担持する。水素発生電極３０と酸素発生電極３２に光触媒および助触媒を担持する方法としては、例えば、めっき、真空蒸着法、真空スパッタ法、粒子転写法、光電着法、電気泳動法、およびキャスト法等がある。電気泳動法では、水素発生電極３０と酸素発生電極３２を人工光合成モジュール１２に組み込んだ状態で、水素発生電極３０と酸素発生電極３２に電圧をかけて触媒を担持することができる。このため、水素発生電極３０と酸素発生電極３２としては櫛歯構造が優れている。
【００６５】
水素発生電極３０と酸素発生電極３２の構成は、上述のものに限定されるものではなく、以下に示す構成であってもよい。
次に、水素発生電極３０の構成の他の例について詳細に説明する。
図６は、本発明の実施形態の人工光合成モジュールの水素発生電極の構成の他の例を示す模式的断面図である。
水素発生電極３０は、図４に示す構成に限定されるものではなく、図６に示す構成でもよい。図６に示す水素発生電極３０は、絶縁基板４０上に形成されるものであり、導電層４２と、第１の光触媒層４４と、機能層４６とを有する。水素発生の際には、水素発生電極３０を電解水溶液ＡＱに接して水素を発生させる。水素発生電極３０の絶縁基板４０が第１の基材３１ｅに相当する。
【００６６】
絶縁基板４０は、水素発生電極３０を支持するものであり、電気絶縁性を有するもので構成される。絶縁基板４０は、特に限定されるものではないが、例えば、ソーダライムガラス基板（以下、ＳＬＧ基板という）またはセラミックス基板を用いることができる。また、絶縁基板４０には、金属基板上に絶縁層が形成されたものを用いることができる。ここで、金属基板としては、Ａｌ基板またはＳＵＳ（Steel Use Stainless）基板等の金属基板、またはＡｌと、例えば、ＳＵＳ等の他の金属との複合材料からなる複合Ａｌ基板等の複合金属基板が利用可能である。なお、複合金属基板も金属基板の一種であり、金属基板および複合金属基板をまとめて、単に金属基板ともいう。さらには、絶縁基板４０としては、Ａｌ基板等の表面を陽極酸化して形成された絶縁層を有する絶縁膜付金属基板を用いることもできる。絶縁基板４０は、フレキシブルなものであっても、そうでなくてもよい。なお、上述のもの以外に、絶縁基板４０として、例えば、高歪点ガラスおよび無アルカリガラス等のガラス板、またはポリイミド材を用いることもできる。
【００６７】
絶縁基板４０の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、２０〜２００００μｍ程度あればよく、１００〜１００００μｍが好ましく、１０００〜５０００μｍがより好ましい。なお、ｐ型半導体層５０に、ＣＩＧＳ（Copper indium gallium (di)selenide）化合物半導体を含むものを用いる場合には、絶縁基板４０側に、アルカリイオン（例えば、ナトリウム（Ｎａ）イオン：Ｎａ＋）を供給するものがあると、光電変換効率が向上するので、絶縁基板４０の表面４０ａにアルカリイオンを供給するアルカリ供給層を設けておくことが好ましい。なお、ＳＬＧ基板の場合には、アルカリ供給層は不要である。
【００６８】
図６に示す水素発生電極３０では、機能層４６の表面４６ａに助触媒４８が形成されている。助触媒４８は、例えば、点在するように、島状に形成してもよい。
水素生成用の助触媒４８は、上述の例示した助触媒等のなかでも、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｎ等により構成される単体、およびそれらを組み合わせた合金、ならびにその酸化物、例えば、ＮｉＯｘおよびＲｕＯ２を用いることが好ましい。また、助触媒４８のサイズは、特に限定されるものではなく、０．５ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。
なお、助触媒４８の形成方法は、特に限定されるものではなく、塗布焼成法、光電着法、スパッタ法、含浸法等により形成することができる。
助触媒４８は、機能層４６の表面４６ａに設けることが好ましいが、十分な水素ガスの生成が可能である場合には、設けなくてもよい。
【００６９】
導電層４２は、第１の光触媒層４４に電圧を印加するものである。導電層４２は、導電を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば、Ｍｏ、ＣｒおよびＷ等の金属、またはこれらを組み合わせたものにより構成される。この導電層４２は、単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。この中で、導電層４２は、Ｍｏで構成することが好ましい。導電層４２の膜厚は、一般的に、その厚みが８００ｎｍ程度であるが、導電層４２は厚みが４００ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。
【００７０】
第１の光触媒層４４は電位を発生するものである。第１の光触媒層４４は、ｐ型半導体層５０とｎ型半導体層５２とを有し、ｐ型半導体層５０は、ｎ型半導体層５２との界面でｐｎ接合を形成する。
第１の光触媒層４４では、機能層４６およびｎ型半導体層５２を透過して到達した光を吸収して、ｐ側に正孔を、ｎ側に電子を生じさせる層である。ｐ型半導体層５０は、光電変換機能を有する。ｐ型半導体層５０では、ｐｎ接合で生じた正孔をｐ型半導体層５０から導電層４２側に移動させ、ｐｎ接合で生じた電子をｎ型半導体層５２から機能層４６側に移動させる。ｐ型半導体層５０の膜厚は、好ましくは０．５〜３．０μｍであり、１．０〜２．０μｍが特に好ましい。
【００７１】
ｐ型半導体層５０は、例えば、カルコパイライト結晶構造を有するＣＩＧＳ化合物半導体またはＣｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣＺＴＳ（Copper zinc tin sulfide）化合物半導体で構成されるのが好ましい。ＣＩＧＳ化合物半導体層は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）のみならず、ＣｕＩｎＳｅ２（ＣＩＳ）、ＣｕＧａＳｅ２（ＣＧＳ）等で構成してもよい。
なお、ＣＩＧＳ層の形成方法としては、１）多源蒸着法、２）セレン化法、３）スパッタ法、４）ハイブリッドスパッタ法、および５）メカノケミカルプロセス法等が知られている。
その他のＣＩＧＳ層の形成方法としては、スクリーン印刷法、近接昇華法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、およびスプレー法（ウェット成膜法）等が挙げられる。例えば、スクリーン印刷法（ウェット成膜法）またはスプレー法（ウェット成膜法）等で、１１族元素、１３族元素、および１６族元素を含む微粒子膜を基板上に形成し、熱分解処理（この際、１６族元素雰囲気での熱分解処理でもよい）を実施する等により、所望の組成の結晶を得ることができる（特開平９−７４０６５号公報、特開平９−７４２１３号公報等）。
【００７２】
ｎ型半導体層５２は、上述のようにｐ型半導体層５０との界面でｐｎ接合を形成するものである。また、ｎ型半導体層５２は、機能層４６に入射した光をｐ型半導体層５０に到達させるため、光が透過するものである。
ｎ型半導体層５２は、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ，Ｚｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＺｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＳｎＳ，Ｓｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＳｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＩｎＳ，Ｉｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＩｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）等の、Ｃｄ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｉｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素を含む金属硫化物を含むもので形成される。ｎ型半導体層５２の膜厚は、１０ｎｍ〜２μｍが好ましく、１５〜２００ｎｍがより好ましい。ｎ型半導体層５２の形成には、例えば、化学浴析出法により形成される。
なお、ｎ型半導体層５２と機能層４６との間には、例えば、窓層を設けてもよい。この窓層は、例えば、厚み１０ｎｍ程度のＺｎＯ層で構成される。
【００７３】
第１の光触媒層４４については、無機半導体からなるｐｎ接合を形成でき、水の光分解反応を生じさせ、水素を発生させることができれば、その構成は特に限定されるものではない。
例えば、太陽電池を構成する太陽電池セルに用いられる光電変換素子が好ましく用いられる。このような光電変換素子としては、上述のＣＩＧＳ化合物半導体またはＣｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣＺＴＳ化合物半導体を用いたもの以外に、薄膜シリコン系薄膜型光電変換素子、ＣｄＴｅ系薄膜型光電変換素子、色素増感系薄膜型光電変換素子、または有機系薄膜型光電変換素子を用いることができる。
【００７４】
機能層４６は、第１の光触媒層４４内部への水分侵入を防ぎ、第１の光触媒層４４内部での気泡形成を抑制するものである。機能層４６には、透明性、耐水性、遮水性および導電性が要求される。機能層４６により、水素発生電極３０の耐久性が向上する。
機能層４６は、水分子からイオン化した水素イオン（プロトン）Ｈ＋に電子を供給して水素分子、すなわち、水素ガスを発生させる（２Ｈ＋＋２ｅ−  ―＞Ｈ２）ものであり、その表面４６ａは、水素ガス生成面として機能する。したがって、機能層４６は、水素ガスの発生領域を構成する。
【００７５】
機能層４６は、例えば、金属または導電性酸化物（過電圧が０．５Ｖ以下）もしくはその複合物であることが好ましい。より具体的には、機能層４６は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、およびＩｎ等がドープされたＺｎＯ、またはＩＭＯ（Ｍｏが添加されたＩｎ２Ｏ３）等の透明導電膜を用いることができる。機能層４６は単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。また、機能層４６の厚さは、特に限定されるものではなく、好ましくは、１０〜１０００ｎｍであり、５０〜５００ｎｍがより好ましい。
なお、機能層４６の形成方法は、特に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法、スパッタ法およびＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の気相成膜法または塗布法により形成することができる。機能層４６は必ずしも必要ない。
【００７６】
次に、酸素発生電極３２の構成の他の例について説明する。
図７は、本発明の実施形態の人工光合成モジュールの酸素発生電極の構成の他の例を示す模式的断面図である。
酸素発生電極３２は、図５に示す構成に限定されるものではなく、図７に示す構成でもよい。図７に示す酸素発生電極３２は、絶縁基板４０上に導電層４２が形成されたものであり、この導電層４２の表面４２ａに第２の光触媒層４５が形成され、この第２の光触媒層４５の表面４５ａに酸素生成用の助触媒５４が形成されている。この場合、助触媒５４は、例えば、点在するように島状に形成してもよい。酸素発生電極３２の絶縁基板４０が第２の基材３３ｅに相当する。
酸素発生電極３２の第２の光触媒層４５は、例えば、ＢｉＶＯ４、ＳｎＮｂ２Ｏ６、Ｔａ３Ｎ５、ＬａＴｉＯ２Ｎ等で構成されることが好ましい。
酸素生成用の助触媒５４は、上述の例示した助触媒等のなかでも、例えば、ＩｒＯ２、ＣｏＯｘ等を用いることが好ましい。また、酸素生成用の助触媒５４のサイズは、特に限定されるものではなく、０．５ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。なお、酸素生成用の助触媒５４の形成方法は、特に限定されるものではなく、塗布焼成法、浸漬法、含浸法、スパッタ法および蒸着法等により形成することができる。なお、十分な酸素ガスの生成が可能である場合には、助触媒５４は形成しなくてもよい。
【００７７】
また、上述のように第１の電極部３１ａの厚さｄ１（図６参照）、第２の電極部３３ａの厚さｄ２（図７参照）はいずれも１ｍｍ以下であることが好ましい。
図６では、第１の電極部３１ａの厚さｄ１は、絶縁基板４０の裏面４０ｂから水素生成用の助触媒４８の表面迄の長さのことである。図７では、第２の電極部３３ａの厚さｄ２は、絶縁基板４０の裏面４０ｂから酸素生成用の助触媒５４の表面迄の長さのことである。
【００７８】
次に、人工光合成モジュール１２の電極構成の他の例について説明する。
人工光合成モジュール１２の電極構成は、図２および図３に示すものに限定されるものではなく、図８および図９に示す構成でもよい。
ここで、図８は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例を示す模式的側断面図であり、図９は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第３の例を示す模式的側断面図である。なお、図８に示す人工光合成モジュール１２ａ、図９に示す人工光合成モジュール１２ｂにおいて、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００７９】
図８に示す人工光合成モジュール１２ａは、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２に比して、酸素発生電極６０の構成が異なり、それ以外の構成は、図２に示す人工光合成モジュール１２と同じである。
酸素発生電極６０は、櫛歯状の電極であり、第２の電極部６１ａの第２の光触媒層６１ｆの傾く向きが、図２に示す酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの第２の光触媒層３３ｆと方向Ｄにおいて逆であり、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して第２の電極部６１ａの裏面６１ｅが向いている。水素発生電極３０の第１の電極部３１ａと酸素発生電極６０の第２の電極部６１ａとは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して互いに異なる向きに傾斜している。なお、酸素発生電極６０は、向きが異なる以外は酸素発生電極３２と同じ構成である。第２の光触媒層６１ｆの表面には図示しない酸素生成用の助触媒が設けられている。酸素発生電極６０では、実質的に第２の光触媒層６１ｆの表面が第２の電極部６１ａの表面６１ｄである。
【００８０】
第２の電極部６１ａの傾斜角度θ１は、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの傾斜角度θと同じ角度である。しかしながら、上述の図２に示す水素発生電極３０と酸素発生電極３２と同様に、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの傾斜角度θと酸素発生電極６０の第２の電極部６１ａの傾斜角度θ１は異なっていてもよい。
傾斜角度θ１は、傾斜角度θと同じく第２の光触媒層６１ｆの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する傾斜角度、および隔膜３４に対する傾斜角度のことであり、水平線Ｂと第２の電極部６１ａの表面６１ｄとのなす角度のことである。傾斜角度θ１は、上述の傾斜角度θと同様に求められる。
傾斜角度θ１は、傾斜角度θと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度θ１の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度θ１が５°以上４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
また、図８では、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａおよび酸素発生電極６０の第２の電極部６１ａのうち、いずれか一方が、傾いていない状態でもよい。すなわち、いずれか一方を、例えば、平板電極で構成してもよい。少なくとも一方の電極部を傾けることで、両方の電極部が傾いていない平坦な構成に比して、電解電流が高くなり、優れたエネルギー変換効率を得ることができる。
【００８１】
図９に示す人工光合成モジュール１２ｂは、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２に比して、水素発生電極６２の構成が異なり、水素発生電極６２の第１の電極部６３ａの傾く向きが異なり、それ以外の構成は、図２に示す人工光合成モジュール１２と同じである。
水素発生電極６２は、櫛歯状の電極であり、第１の電極部６３ａの傾く向きが、図２に示す水素発生電極３０の第１の電極部３１ａとは逆であり、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して第１の電極部６３ａの裏面６３ｅが向いている。水素発生電極６２の第１の電極部６３ａと酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａとは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して互いに異なる向きに傾斜している。
【００８２】
第１の電極部６３ａの傾斜角度θ２は、水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの傾斜角度θと同じ角度である。しかしながら、上述の図２に示す水素発生電極３０と酸素発生電極３２と同様に、水素発生電極６２の第１の電極部６３ａの傾斜角度θ２と酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの傾斜角度θは異なっていてもよい。
傾斜角度θ２は、傾斜角度θと同じく、第１の光触媒層６３ｆの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する傾斜角度、および隔膜３４に対する傾斜角度のことであり、水平線Ｂと第１の電極部６３ａの表面６３ｄとのなす角度のことである。また、傾斜角度θ２は、上述の傾斜角度θと同様に求められるものである。
傾斜角度θ２は、傾斜角度θと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度θ２の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度θ２が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
また、図９では、水素発生電極６２の第１の電極部６３ａおよび酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａのうち、いずれか一方が、傾いていない状態でもよい。すなわち、いずれか一方を、例えば、平板電極で構成してもよい。少なくとも一方の電極部を傾けることで、両方の電極部が傾いていない平坦な構成に比して、電解電流が高くなり、優れたエネルギー変換効率を得ることができる。
【００８３】
図８の構成では、水素発生電極３０の少なくとも１つの第１の電極部３１ａの第１の光触媒層３１ｆ、または酸素発生電極６０の少なくとも１つの第２の電極部６１ａの第２の光触媒層６１ｆが隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜していればよい。
図８の構成でも、水素発生電極３０および酸素発生電極６０の、全ての電極部のうち、５０％以上の電極部の光触媒層が、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡ、隔膜３４に対して傾斜していることが好ましい。例えば、水素発生電極３０および酸素発生電極６０のうち、一方の電極の全ての電極部の光触媒層が傾斜していれば、５０％以上の電極部の光触媒層が傾斜することになる。
【００８４】
また、図９の構成では、水素発生電極６２の少なくとも１つの第１の電極部６３ａの第１の光触媒層６３ｆ、または酸素発生電極３２の少なくとも１つの第２の電極部３３ａの第２の光触媒層３３ｆが隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜していればよい。
図９の構成でも、水素発生電極６２および酸素発生電極３２の、全ての電極部のうち、５０％以上の電極部の光触媒層が、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡ、隔膜３４に対して傾斜していることが好ましい。例えば、水素発生電極６２および酸素発生電極３２のうち、一方の電極の全ての電極部の光触媒層が傾斜していれば、５０％以上の電極部の光触媒層が傾斜することになる。
【００８５】
図２に示すように水素発生電極３０の第１の電極部３１ａと、酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａは、平板状にしたが、これに限定されるものではなく、断面形状が多角形状でも、曲面を有するものであってもよい。
ここで、図１０は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第１の例を示す模式的側面図であり、図１１は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第２の例を示す模式的側面図であり、図１２は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第３の例を示す模式的側面図である。
なお、図１０〜図１２において、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００８６】
図１０に示す水素発生電極６４と酸素発生電極６６は、図２に示す人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０と、酸素発生電極３２に対応するものである。
水素発生電極６４は、櫛歯状の電極であり、図２に示す水素発生電極３０に比して、第１の電極部６５ａの構成が直角三角柱状である点以外は図２に示す水素発生電極３０と同じである。
酸素発生電極６６は、櫛歯状の電極であり、図２に示す酸素発生電極３２に比して、第２の電極部６７ａの構成が直角三角柱状である点以外は図２に示す酸素発生電極３２と同じである。
水素発生電極６４は、第１の光触媒層６５ｆを備え、第１の光触媒層６５ｆの表面には図示しない水素生成用の助触媒が設けられている。水素発生電極６４では、実質的に第１の光触媒層６５ｆの表面が第１の電極部６５ａの表面６５ｄである。酸素発生電極６６は、第２の光触媒層６７ｆを備え、第２の光触媒層６７ｆの表面には図示しない酸素生成用の助触媒が設けられている。酸素発生電極６６では、実質的に第２の光触媒層６７ｆの表面が第２の電極部６７の表面６７ｄである。
【００８７】
水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの第１の光触媒層６５ｆおよび酸素発生電極３２の第２の電極部６７の第２の光触媒層６７ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θで傾いている。水素発生電極６４の傾斜角度θとは、底辺６５ｇと表面６５ｄとのなす角度のことである。
酸素発生電極３２の傾斜角度θとは、底辺６７ｇと表面６７ｄとのなす角度のことである。底辺６５ｇと底辺６７ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
【００８８】
図１１に示す水素発生電極６４と酸素発生電極６８は、図８に示す人工光合成モジュール１２ａの水素発生電極６４と、酸素発生電極６０に対応するものである。
水素発生電極６４は、櫛歯状の電極であり、図８に示す水素発生電極３０に比して、第１の電極部６５ａの構成が直角三角柱状である点以外は図８に示す水素発生電極３０と同じである。
酸素発生電極６８は、櫛歯状の電極であり、図８に示す酸素発生電極６０に比して、第２の電極部６９ａの構成が直角三角柱状である点以外は図８に示す酸素発生電極６０と同じである。
酸素発生電極６８は、第２の光触媒層６９ｆを備え、第２の光触媒層６９ｆの表面には図示しない酸素生成用の助触媒が設けられている。酸素発生電極６８では、実質的に第２の光触媒層６９ｆの表面が第２の電極部６９の表面６９ｄである。
水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの第１の光触媒層６５ｆと酸素発生電極６８の第２の電極部６９ａの第２の光触媒層６９ｆの向きは方向Ｄにおいて逆である。
【００８９】
水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの第１の光触媒層６５ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θで傾いている。水素発生電極６４の傾斜角度θとは、底辺６５ｇと表面６５ｄとのなす角度のことである。底辺６５ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
酸素発生電極６８の第２の電極部６９の第２の光触媒層６９ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θ１で傾いている。第２の電極部６９の第２の光触媒層６９ｆは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、方向Ｄにおいて逆向きに配置されている。
酸素発生電極６８の傾斜角度θ１とは、底辺６９ｇと表面６９ｄとのなす角度のことである。底辺６９ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
【００９０】
第２の電極部６９ａの傾斜角度θ１は、水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの傾斜角度θと同じ角度である。しかしながら、上述の図２に示す水素発生電極６４と酸素発生電極３２と同様に、水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの傾斜角度θと酸素発生電極６８の第２の電極部６９ａの傾斜角度θ１は異なっていてもよい。
【００９１】
図１２に示す水素発生電極６４と酸素発生電極６８は、図９に示す人工光合成モジュール１２ａの水素発生電極６４と、酸素発生電極６０に対応するものである。
水素発生電極７０は、櫛歯状の電極であり、図９に示す水素発生電極６２に比して、第１の電極部７１ａの構成が直角三角柱状である点以外は図９に示す水素発生電極６２と同じである。
酸素発生電極６６は、櫛歯状の電極であり、図９に示す酸素発生電極３２に比して、第２の電極部６７ａの構成が直角三角柱状である点以外は図９に示す酸素発生電極３２と同じである。
水素発生電極７０は、第１の光触媒層７１ｆを備え、第１の光触媒層７１ｆの表面には図示しない水素生成用の助触媒が設けられている。水素発生電極７０では、実質的に第１の光触媒層７１ｆの表面が第１の電極部７１ａの表面７１ｄである。
水素発生電極７０の第１の電極部７１ａの表面７１ｄと酸素発生電極６６の第２の電極部６７ａの表面６７ｄの向きは方向Ｄにおいて逆である。
【００９２】
水素発生電極７０の第１の電極部７１ａの第１の光触媒層７１ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θ２で傾いている。第１の電極部７１ａの第１の光触媒層７１ｆは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、方向Ｄにおいて逆向きに配置されている。水素発生電極７０の傾斜角度θ２とは、底辺７１ｇと表面７１ｄとのなす角度のことである。底辺７１ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
酸素発生電極６６の第２の電極部６７ａの第２の光触媒層６７ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θで傾いている。酸素発生電極６６の傾斜角度θとは、上述のように底辺６７ｇと表面６７ｄとのなす角度のことである。底辺６７ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
【００９３】
第１の電極部７１ａの第１の光触媒層７１ｆの傾斜角度θ２は、水素発生電極６２の第１の電極部６３ａの傾斜角度θと同じ角度である。しかしながら、上述の図２に示す水素発生電極３０と酸素発生電極３２と同様に、水素発生電極７０の第１の電極部７１ａの傾斜角度θ２と酸素発生電極６６の第２の電極部６６ａの傾斜角度θは異なっていてもよい。
【００９４】
図１０〜図１２において、第１の電極部の幅ｔ１および第２の電極部の幅ｔ２は、それぞれ表面の長さのことである。また、第１の電極部および第２の電極部は、直角三角柱状であるため、第１の電極部の厚さｄ１および第２の電極部の厚さｄ２は、直角三角形の高さに相当する。
図１０〜図１２では、水素発生電極の第１の電極部および酸素発生電極の第２の電極部のうち、いずれか一方が、傾いていない状態でもよい。すなわち、いずれか一方を、例えば、平板電極で構成してもよい。少なくとも一方の電極部を傾けることで、両方の電極部が傾いていない平坦な構成に比して、電解電流が高くなり、優れたエネルギー変換効率を得ることができる。
なお、図１０〜図１２では、水素発生電極の少なくとも１つの第１の電極部の第１の光触媒層、または酸素発生電極の少なくとも１つの第２の電極部の第２の光触媒層が隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜していればよい。
【００９５】
上述の図１０〜図１２に示す構成以外にも、以下に示す構成のものがある。
図１３は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例を示す模式的側断面図である。図１４は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成を示す模式図であり、図１５は人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第１の例を示す模式図であり、図１６は人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第２の例を示す模式図であり、図１７は人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第３の例を示す模式的斜視図であり、図１８は人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第４の例を示す模式的斜視図であり、図１９は人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第５の例を示す模式的斜視図であり、図２０は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第６の例を示す模式的斜視図であり、図２１は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第７の例を示す模式的斜視図である。
【００９６】
なお、図１３に示す人工光合成モジュール１２ｃにおいて、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
また、図１４〜図２１において、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
水素発生電極７２は、第１の光触媒層７３ｆを備え、第１の電極部７３の表面７３ｄは第１の光触媒層７３ｆの表面である。酸素発生電極７４は、第２の光触媒層７５ｆを備え、第２の電極部７５の表面７５ｄは第２の光触媒層７５ｆの表面である。
【００９７】
図１３に示す人工光合成モジュール１２ｃは、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２に比して、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２に比して、水素発生電極７２および酸素発生電極７４の構成が異なり、それ以外の構成は、図２に示す人工光合成モジュール１２と同じである。
水素発生電極７２は、櫛歯状の電極であるが、平板で構成されるのではなく、第１の電極部７３ａの入射光Ｌ側が二等辺三角柱状である。水素発生電極７２の第１の電極部７３ａは、表面７３ｄが平坦ではなく、例えば、二等辺三角柱状に突出しており、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して凸状の電極部である。すなわち、第１の光触媒層７３ｆの表面が凸状である。
二等辺三角柱の斜面７６ａが、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０の表面３１ｄに相当する。
傾斜角度α１は、傾斜角度θと同様に、水平線Ｂと斜面７６ａとのなす角度のことである。
【００９８】
図１４に示す二等辺三角柱の斜面７６ａの傾斜角度α１は、水素発生電極３０の第１の光触媒層３１ｆの傾斜角度θに相当する。傾斜角度α１は、傾斜角度θと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度α１の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度α１が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
【００９９】
酸素発生電極７４は、櫛歯状の電極であるが、平板で構成されるのではなく、第２の電極部７５ａの入射光Ｌ側が、二等辺三角柱状である。酸素発生電極７４の第２の電極部７５ａは、表面７５ｄが平坦ではなく、例えば、二等辺三角柱状に突出しており、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して凸状の電極部である。すなわち、第２の光触媒層７５ｆの表面が凸状である。
二等辺三角柱の斜面７６ａが、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２の酸素発生電極３２の表面３３ｄに相当する。
二等辺三角柱の斜面７６ａの傾斜角度α１は、水素発生電極３０の表面３３ｄの傾斜角度θに相当する。傾斜角度α１は、傾斜角度θと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度α１の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度α１が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１００】
水素発生電極７２と酸素発生電極７４においては、第１の電極部７３ａの幅をｔ１、第２の電極部７５ａの幅をｔ３とするとき、第１の電極部７３ａの幅ｔ１、第２の電極部７５ａの幅ｔ３は１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
また、第１の電極部７３ａの厚さｄ１、第２の電極部７５ａの厚さｄ２は、いずれも１ｍｍ以下であることが好ましい。
なお、第１の電極部７３ａの幅ｔ１は、上述の第１の電極部３１ａの幅ｔ１と同じ規定であるため、その詳細な説明は省略する。第２の電極部７５ａの幅ｔ３は、上述の第２の電極部３３ａの幅ｔ２と同じ規定であるため、その詳細な説明は省略する。
【０１０１】
図１４に示す水素発生電極７２の第１の電極部７３ａと酸素発生電極７４の第２の電極部７５ａでは、斜面７６ａの傾斜角度α１が同じであるが、これに限定されるものではない。図１５および図１６に示すように、傾斜角度α２の斜面７６ｂと、角度が異なる傾斜角度α３の斜面７６ｃを組み合わせたものでもよい。なお、図１４では斜面７６ａが第１の光触媒層７３ｆに相当し、第２の光触媒層７５ｆに相当する。図１５および図１６では斜面７６ｂ、７６ｃが第１の光触媒層７３ｆに相当し、第２の光触媒層７５ｆに相当する。
傾斜角度α２、α３は、傾斜角度θと同じ規定であり、傾斜角度α２、α３は水平線Ｂと斜面７６ａとのなす角度のことである。
傾斜角度α２、α３は、傾斜角度θと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度α２、α３の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度α２、α３が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１０２】
図１７に示すように、水素発生電極７２の第１の光触媒層７３ｆの表面および酸素発生電極７４の第２の光触媒層７５ｆの表面を、凸状の曲面７７としてもよい。曲面７７が図２に示す人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの表面３１ｄおよび酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの表面３３ｄに相当する。
また、図１８に示すように、水素発生電極７２の第１の光触媒層７３ｆおよび酸素発生電極７４の第２の光触媒層７５ｆを多角柱７８で構成し、３以上の面を有するものとしてもよい。この場合、多角柱７８は、２つの斜面７８ａと平面７８ｂで構成され、斜面７８ａが図２に示す人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの表面３１ｄおよび酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの表面３３ｄに相当する。
傾斜角度α４は傾斜角度θと同様に、水平線Ｂと斜面７８ａとのなす角度のことである。
【０１０３】
さらには、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して凹状であってもよく、図１９に示すように、水素発生電極７２の第１の光触媒層７３ｆの表面および酸素発生電極７４の第２の光触媒層７５ｆの表面を凹面７９としてもよい。凹面７９が図２に示す人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの表面３１ｄおよび酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの表面３３ｄに相当する。
【０１０４】
水素発生電極７２の少なくとも１つの第１の電極部７３ａの第１の光触媒層７３ｆの表面もしくは酸素発生電極７４の少なくとも１つの第２の電極部７５ａの第２の光触媒層７５ｆの表面に突出部が設けられている構成でもよい。以下、突出部について説明する。
突出部は、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有するものでもよい。
図２０に示す突出部８０は、凸部８２と凹部８４が電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して繰り返し設けられており、矩形状の凹凸構造を有する。凸部８２は表面８２ａが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して平行な面である。凹部８４は表面８４ａが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して平行な面である。図２０では凸部８２の表面８２ａを含む外表面および凹部８４の表面８４ａが第１の光触媒層７３ｆ、および第２の光触媒層７５ｆに相当する。
【０１０５】
突出部８０では、流れ方向ＦＡの上流側に凸部８２を配置したが、これに限定されるものではなく、凸部８２と凹部８４を入れ換えて凹部８４を流れ方向ＦＡの上流側に配置してもよい。
突出部８０における凸部８２と凹部８４の数は、少なくとも１つずつあればよく、凸部８２の数と凹部８４の数は同じであっても違っていてもよい。また、凸部８２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部８４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、同じであっても違っていてもよい。凸部８２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部８４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する突出部８０のピッチのことであり、長さＰｏおよび長さＰｃは少なくとも一方が１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満であることが好ましい。
凸部８２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部８４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃのうち少なくとも一方が１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満であれば、高い電解電流を得ることができる。
また、突出部８０の凹部８４の表面８４ａからの高さｈは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であることが好ましい。凹凸の高さ、すなわち、高さｈが０．１ｍｍ以上のものが突出部８０である。上述の高さｈとは、凹部８４の表面８４ａから凸部８２の表面８２ａ迄の距離である。高さｈが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１０６】
突出部８０の凸部８２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部８４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃ、ならびに上述の高さｈの測定方法について説明する。まず、突出部８０の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込む、モニタに表示し、モニタ上で長さＰｏおよび長さＰｃ、ならびに上述の高さｈに該当する箇所の線をひき、それぞれの線の長さを求める。これにより、長さＰｏおよび長さＰｃ、ならびに上述の高さｈを得ることができる。
【０１０７】
また、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有するものとしては、図２１に示す突出部９０でもよい。
突出部９０は、凸部９２と凹部９４が電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して繰り返し設けられている。凸部９２は電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜した斜面９２ａを有する。凹部９４は表面９４ａが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して平行な面である。図２１では凸部９２の斜面９２ａと面９４ｄおよび凹部９４の表面９４ａが第１の光触媒層７３ｆ、および第２の光触媒層７５ｆに相当する。面９４ｄは、凹部９４の表面９４ａに対して垂直な面であるが、これに限定されるものではなく、垂直ではなくてもよい。
突出部９０では、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜した斜面９２ａとしたが、これに限定されるものではなく、凸部９２の垂直な面９４ｄを流れ方向ＦＡに向けて配置してもよい。
【０１０８】
突出部９０における凸部９２と凹部９４の数は、少なくとも１つずつあればよく、凸部９２の数と凹部９４の数は同じであっても違っていてもよい。また、凸部９２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部９４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、同じであっても違っていてもよい。凸部９２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部９４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対するピッチのことであり、長さＰｏおよび長さＰｃは少なくとも一方が１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満であることが好ましい。
凸部９２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部９４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃのうち、少なくとも一方が１．０ｍｍ以上１０ｍｍ未満であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１０９】
突出部９０の凹部９４の表面９４ａからの高さｈは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であることが好ましい。凹凸の高さ、すなわち、高さｈが０．１ｍｍ以上のものが突出部９０である。上述の高さｈとは、凹部９４の表面９４ａから凸部９２の斜面９２ａの辺９２ｃ迄の距離である。高さｈが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であれば、高い電解電流を得ることができる。
また、斜面９２ａの傾斜角度α５は、傾斜角度θと同じ規定であり、傾斜角度α５は水平線Ｂと斜面９２ａとのなす角度のことである。傾斜角度α５は、傾斜角度θと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度α５の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度α５が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１１０】
なお、突出部９０の凸部９２の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部９４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃ、ならびに上述の高さｈの測定方法は、上述の突出部８０の長さＰｏおよび長さＰｃ、ならびに上述の高さｈと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
また、上述の図１４〜図１９に示す各電極構成のものを、それぞれ電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに沿って複数並べて配置し、上述の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造としてもよい。
上述の図１３〜図２１に示す各電極構成のものを、それぞれ電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜させた構成としてもよい。
【０１１１】
図１３において、第１の電極部７３ａの幅ｔ１および第２の電極部７５ａの幅ｔ２は、それぞれ上述の第１の電極部３１ａの幅ｔ１および第２の電極部３３ａの幅ｔ２と同じ規定であり、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡにおける長さである。また、第１の電極部７３ａの厚さｄ１および第２の電極部７５ａの厚さｄ２は、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡと直交する方向における最大長さのことである。
【０１１２】
なお、上述の全ての第１の電極部および第２の電極部において、電解水溶液ＡＱと接する第１の電極部の表面および第２の電極部の表面は、ミクロ表面形状としては、平坦なものより、表面に複数の突起がある等の表面が粗いものが好ましい。表面が粗いことにより、表面での電解水溶液ＡＱの流れが乱れ、高い電解電流を得ることができ、優れたエネルギー変換効率を得ることができる。なお、第１の電極部の表面および第２の電極部の表面は上述の突出部８０、９０を含むものではなく、上述の第１の電極部の表面および第２の電極部の表面が粗いとは、凹凸があっても、凹凸の高さが０．１ｍｍ未満である。形状の凹凸と、粗さの凹凸の境界については、凹凸の高さを０．１ｍｍとする。
また、エッジ等の角部は曲面に比して電解水溶液ＡＱの流れを乱す効果が大きく、高い電解電流を得やすいため、上述の全ての第１の電極部および第２の電極部は、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して角部があることが好ましい。
【０１１３】
次に、人工光合成モジュールの第５の例について詳細に説明する。
図２２は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例を示す模式的側断面図であり、図２３は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例の電極構成を示す模式的平面図であり、図２４は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例の電極構成を示す模式的斜視図である。
なお、図２２に示す人工光合成モジュール１２０において、図２に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１１４】
図２２に示すように、人工光合成モジュール１２０は、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２とを有する。容器３６は、例えば、水平面上に配置されている。
水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２とは容器３６内に収納されており、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２が、入射光Ｌの進行方向Ｄｉに沿って直列に配置されている。水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２との間に隔膜３４が配置されている。隔膜３４は、例えば、容器３６内に方向Ｗと平行な方向に伸びた状態で平面状に配置されている。入射光Ｌ側から水素発生電極１３０、隔膜３４、および酸素発生電極１３２の順で配置される。入射光Ｌの進行方向Ｄｉは、容器３６の表面３６ｃに対して垂直な方向である。
水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２の間の間隔Ｗｄは、狭い方が効率が高くなり狭い方が好ましく、具体的には間隔Ｗｄは１ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましい。
図２３に示すように、水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２は、いずれも平面状の電極であり、表面構造はあるものが、いわゆるベタ電極と呼ばれるものである。水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２は、略同じ大きさである。入射光Ｌの入射側から見た場合、酸素発生電極１３２と水素発生電極１３０とは重なる。
【０１１５】
なお、酸素発生電極１３２の表面および水素発生電極１３０の表面は、それぞれ高さが０．１ｍｍ以上の凹凸を含ないものである。凹凸の高さが０．１ｍｍ以上の場合、後述の突出部１３８に該当し、水素発生電極１３０の表面および酸素発生電極１３２の表面ではない。凹凸の高さが０．１ｍｍ未満であれば、光触媒粒子表面の凹凸および光触媒層表面の凹凸等があっても、それらを無視し、酸素発生電極１３２の表面および水素発生電極１３０の表面とする。高さが０．１ｍｍとは、表面からの高さが０．１ｍｍのことであり、後述の高さｈｔが０．１ｍｍであるこという。
【０１１６】
水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２は、例えば、導電層の導電層表面に対して突出する突出部が少なくとも１つ設けられるものである。突出部は、電解水溶液ＡＱの後述する流れ方向ＦＡに対して複数設けられている構成でもよい。突出部は、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有するものでもよい。
図２２および図２３に示すように、水素発生電極１３０では、例えば、突出部１３８である凸部１３１ａと、凹部１３１ｂが方向Ｄに対して交互に配置されている。また、酸素発生電極１３２では、例えば、突出部１３８である凸部１３３ａと、凹部１３３ｂが方向Ｄに対して交互に配置されている。方向Ｄは、凸部１３１ａと凹部１３１ｂの配置方向であり、凸部１３３ａと凹部１３３ｂの配置方向である。なお、方向Ｄは上述の方向Ｗと平行な方向である。
【０１１７】
水素発生電極１３０の凸部１３１ａと凹部１３１ｂ、および酸素発生電極１３２の凸部１３３ａと凹部１３３ｂは、例えば、以下のように形成することができる。
まず始めに、チタンまたはニッケルの電極基材の表面に凹凸溝を切削等の機械加工により形成し、電極基材に凹凸を形成する。その後、その凹凸上に光触媒層をスパッタ、蒸着、めっきと焼結の組合せ、またはコーティングにより形成する。これにより、凸部１３１ａと凹部１３１ｂを有する水素発生電極１３０、および凸部１３３ａと凹部１３３ｂを有する酸素発生電極１３２の光触媒電極を得る。なお、電極基材の表面に、断面が凸部の厚さとなるチタンまたはニッケルの薄板を溶着、または凸部の厚さを有する棒材を溶接する等で取り付けて凸部を形成し、電極基材に凹凸を形成してもよい。
【０１１８】
水素発生電極１３０では、図２４に示すように、凸部１３１ａと凹部１３１ｂが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して繰り返し設けられており、矩形状の凹凸構造を有する。凸部１３１ａは表面１３１ｃが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して平行な面である。凹部１３１ｂは表面１３１ｄが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して平行な面である。凸部１３１ａの表面１３１ｃを含む外表面および凹部１３１ｂの表面１３１ｄが第１の光触媒層１３１ｆに相当する。凹部１３１ｂの表面１３１ｄが、突出部１３８が設けられた表面であり、酸素発生電極の第１の光触媒層の第１表面、および水素発生電極の第２の光触媒層の第２表面に相当する。
水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２は同じ構造であるため、その詳細な説明は省略する。酸素発生電極１３２では、凸部１３３ａの表面１３３ｃを含む外表面および凹部１３３ｂの表面１３３ｄが第２の光触媒層１３３ｆに相当する。凹部１３３ｂの表面１３３ｄが、突出部１３８が設けられた表面である。
流れ方向ＦＡの上流側に凸部１３１ａを配置したが、これに限定されるものではなく、凸部１３１ａと凹部１３１ｂを入れ換えて凹部１３１ｂを流れ方向ＦＡの上流側に配置してもよい。
【０１１９】
突出部１３８における凸部１３１ａと凹部１３１ｂの数は、少なくとも１つずつあればよく、凸部１３１ａの数と凹部１３１ｂの数は同じであっても違っていてもよい。また、凸部１３１ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部１３１ｂの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、同じであっても違っていてもよい。凸部１３１ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏは電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対する突出部１３８のピッチのことであり、長さＰｏは１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。
凸部１３１ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏが１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
凹部１３１ｂの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、特に限定されるものではないが、長さＰｏと同じであってもよく、例えば、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下でもよい。
【０１２０】
また、突出部１３８の凹部１３１ｂの表面１３１ｄからの高さｈｔは０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。凹凸の高さ、すなわち、高さｈｔが０．１ｍｍ以上のものが突出部１３８である。上述の高さｈｔとは、凹部１３１ｂの表面１３１ｄから凸部１３１ａの表面１３１ｃ迄の距離である。高さｈｔが０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１２１】
突出部１３８の凸部１３１ａ、１３３ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部８４の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃ、ならびに上述の高さｈｔの測定方法について説明する。まず、突出部１３８の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込む、モニタに表示し、モニタ上で長さＰｏおよび長さＰｃ、ならびに上述の高さｈｔに該当する箇所の線をひき、それぞれの線の長さを求める。これにより、長さＰｏおよび長さＰｃ、ならびに上述の高さｈｔを得ることができる。
なお、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２では、長さＰｏおよび長さＰｃならびに上述の高さｈｔは同じでも、違っていてもよい。
【０１２２】
突出部１３８の凸部１３１ａおよび凸部１３３ａは、突出部１３８が設けられた表面の面積に対して５０％以上の範囲に設けられていることが好ましい。例えば、図２３では、水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２の長さＷｃの半分以上であることが好ましい。この場合、凸部１３１ａ、１３３ａの長さＰｏの合計が、長さＷｃの半分以上であることが好ましい。このため、凸部１３１ａ、１３３ａの合計数を、凹部１３１ｂ、１３３ｂの合計数よりも多くすることによって、突出部１３８が設けられた表面の面積に対して５０％以上の範囲にすることができる。
【０１２３】
人工光合成モジュール１２０では、電解水溶液ＡＱを、例えば、方向Ｄと平行な方向に流す。電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡは、方向Ｄと平行な方向である。電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡは、凸部１３１ａ、１３３ａと凹部１３１ｂ、１３３ｂを横切る方向である。図２２では電解水溶液ＡＱは供給管１６から回収管２０に向けて流される。
【０１２４】
水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２とは、例えば、配線（図示せず）により電気的に接続されている。なお、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２とは、電気的に接続されていれば、接続形態は、特に限定されるものではなく、配線（図示せず）に限定されるものではない。また、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２とは、電気的に接続されていればよく、接続の仕方は特に限定されるものではない。
【０１２５】
水素発生電極１３０は、例えば、図２４に示すように、平板の第１の基材１３１ｅの上に第１の光触媒層１３１ｆが設けられている。第１の光触媒層１３１ｆは、水素生成用の光触媒で構成されている。第１の光触媒層１３１ｆの表面が水素発生電極１３０の凸部１３１ａの表面１３１ｃおよび凹部１３１ｂの表面１３１ｄとなる。なお、第１の光触媒層１３１ｆの上に、水素生成用の助触媒（図示せず）を設けてもよい。この場合、水素生成用の助触媒の表面が水素発生電極１３０の凸部１３１ａの表面１３１ｃおよび凹部１３１ｂの表面１３１ｄとなる。
酸素発生電極１３２は、例えば、平板の第２の基材１３３ｅの上に第２の光触媒層１３３ｆが設けられている。第２の光触媒層１３３ｆは、酸素生成用の光触媒で構成されている。第２の光触媒層１３３ｆの表面が酸素発生電極１３２の凸部１３３ａの表面１３３ｃおよび凹部１３３ｂの表面１３３ｄとなる。なお、第２の光触媒層１３３ｆの上に、酸素生成用の助触媒（図示せず）を設けてもよい。この場合、酸素生成用の助触媒の表面が酸素発生電極１３２の凸部１３３ａの表面１３３ｃおよび凹部１３３ｂの表面１３３ｄとなる。
第１の基材１３１ｅは上述の図４に示す第１の基材３１ｅと同じ構成であり、第２の基材１３３ｅは上述の図５に示す第２の基材３３ｅと同じ構成である。第１の光触媒層１３１ｆは上述の図４に示す第１の光触媒層３１ｆと同じ構成であり、第２の光触媒層１３３ｆは上述の図５に示す第２の光触媒層３３ｆと同じ構成である。
【０１２６】
容器３６は、隔膜３４で水素発生電極１３０がある空間３６ａと、酸素発生電極１３２がある空間３６ｂに区画される。
容器３６は、人工光合成モジュール１２０の外殻を構成するものであり、電解水溶液ＡＱが漏れることなく内部に保持することができ、かつ外部からの光を内部に透過させて水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２に光を照射することができれば、その構成は特に限定されるものではない。
【０１２７】
人工光合成モジュール１２０では、隔膜３４で空間３６ａと空間３６ｂに区画することで、水素と酸素とを別々に回収することができる。これにより、水素と酸素の分離工程および分離膜が不要となり、水素と酸素の回収を容易にできる。
なお、水素発生電極１３０は、酸素発生電極１３２よりも上方に配置することが好ましい。これにより、空間３６ａの上方に水素が移動し、水素の回収をより一層容易にすることができる。
加えて、水素発生電極１３０を酸素発生電極１３２よりも下方に配置した場合、発生した水素が上方の隔膜３４を透過して酸素発生電極１３２側に移行してしまうが、水素発生電極１３０を酸素発生電極１３２よりも上方に配置することで、これを防止することができる。
水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２は配置位置が近い方が高い電解電流が得られるため好ましい。しかし、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２が隔膜３４に対して密着すると、発生した水素の気泡および酸素の気泡が除去されにくくなる。このため、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２は気泡が移動できる程度に隔膜３４と接することが好ましい。
【０１２８】
人工光合成モジュール１２０では、隔膜３４には、発生した水素イオンは透過するが、気泡となった水素ガス、および酸素ガスは透過しないイオン透過膜を用いる。イオン透過膜には、例えば、ディポン社製ナフィオン（登録商標）、およびＡＧＣエンジニアリング社製セレミオン（登録商標）等が用いられる。
【０１２９】
また、水素発生電極１３０の厚さｄ１（図４参照）、酸素発生電極１３２の厚さｄ２（図５参照）はいずれも５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
水素発生電極１３０の厚さｄ１は、第１の基材１３１ｅの裏面から最上層の表面迄の距離のことであり、図４の第１の基材３１ｅに相当する第１の光触媒層１３１ｆの表面の図示しない水素生成用の助触媒の表面迄の長さである。厚さｄ１は、第１の基材１３１ｅの裏面から突出部１３８の最高点までの高さである。
酸素発生電極１３２の厚さｄ２は、第２の基材１３３ｅの裏面から最上層の表面迄の距離のことであり、図５に示す第２の光触媒層３３ｆに相当する第２の光触媒層１３３ｆの表面の図示しない酸素生成用の助触媒の表面迄の長さである。厚さｄ２は、第２の基材１３３ｅの裏面から突出部１３８の最高点までの高さである。
水素発生電極１３０の厚さｄ１、酸素発生電極１３２の厚さｄ２が、上述の範囲であれば、エネルギー変換効率をより高くすることができる。
【０１３０】
水素発生電極１３０の厚さｄ１および酸素発生電極１３２の厚さｄ２については、以下のようにして得ることができる。
水素発生電極１３０の厚さｄ１、および酸素発生電極１３２の厚さｄ２については、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２のデジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水素発生電極１３０の厚さｄ１、および酸素発生電極１３２の厚さｄ２に相当する部分に線をひく。この線の長さを求めることで、水素発生電極１３０の厚さｄ１、および酸素発生電極１３２の厚さｄ２を得る。
【０１３１】
水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２の構成は、特に限定されるものではない。
水素発生電極１３０としては、上述の水素発生電極３０と同じく図４に示す構成とすることもできる。水素発生電極１３０は、図４に示す構成に限定されるものではなく、上述の図６に示す構成でもよい。図６に示す水素発生電極３０の説明は上述のとおりであり、省略する。
また、第１の基材１３１ｅは水素発生電極の平板の第２の基板であり、第２の基材１３３ｅは酸素発生電極の第１の基板である。第１の光触媒層１３１ｆは水素発生電極の第２の光触媒層であり、第２の光触媒層１３３ｆは酸素発生電極の第１の光触媒層である。
なお、水素発生電極１３０が図４に示す構成で、酸素発生電極１３２が図５に示す構成の場合、酸素発生電極１３２は、水素発生電極１３０に入射光Ｌを入射させるために、入射光Ｌが透過可能なものである。入射光Ｌを水素発生電極１３０に照射させるためには、入射光Ｌが酸素発生電極１３２を透過する必要があり、第２の基材１３３ｅは透明である。水素発生電極１３０は、第１の基材１３１ｅが透明である必要がない。
【０１３２】
酸素発生電極１３２としては、上述の酸素発生電極３２と同じく図５に示す構成とすることもできる。酸素発生電極１３２は、図５に示す構成に限定されるものではなく、上述の図７に示す構成でもよい。図７に示す酸素発生電極３２の説明は上述のとおりであり、省略する。
【０１３３】
また、上述のように水素発生電極１３０の厚さｄ１（図６参照）、酸素発生電極１３２の厚さｄ２（図７参照）はいずれも１ｍｍ以下であることが好ましい。
水素発生電極１３０の厚さｄ１（図６参照）は、絶縁基板４０（図６参照）の裏面４０ｂ（図６参照）から水素生成用の助触媒４８（図６参照）の表面迄の長さのことである。酸素発生電極１３２の厚さｄ２（図７参照）は、絶縁基板４０（図７参照）の裏面４０ｂ（図７参照）から酸素生成用の助触媒５４（図７参照）の表面迄の長さのことである。
水素発生電極１３０が上述の図６に示す構成で、酸素発生電極１３２が上述の図７に示す構成の場合、酸素発生電極１３２側から入射光Ｌが入射されたとき、酸素発生電極１３２は、水素発生電極１３０に入射光Ｌを入射させるために、入射光Ｌが透過可能なものである。入射光Ｌを水素発生電極１３０に照射させるためには、入射光Ｌが酸素発生電極１３２を透過する必要があり、酸素発生電極１３２の絶縁基板４０（図７参照）は透明である。水素発生電極１３０は、絶縁基板４０（図６参照）が透明である必要がない。一方、水素発生電極１３０側から入射光Ｌが入射されたとき、水素発生電極１３０は酸素発生電極１３２に入射光Ｌを入射させるために、入射光Ｌが透過可能なものである。この場合、水素発生電極１３０の絶縁基板４０（図６参照）が透明であり、酸素発生電極１３２の絶縁基板４０（図７参照）は透明である必要がない。
酸素発生電極１３２の絶縁基板４０（図７参照）は酸素発生電極の第１の基板であり、酸素発生電極１３２の導電層４２（図７参照）は酸素発生電極の第１の導電層である。
【０１３４】
図２２に示す人工光合成モジュール１２０では、入射光Ｌは、酸素発生電極１３２側から入射され、酸素発生電極１３２は第２の光触媒層４５（図７参照）が、入射光Ｌの入射側の反対側に設けられている。第２の光触媒層４５（図７参照）を入射光Ｌの入射側の反対側に設けることで、入射光Ｌが絶縁基板４０（図７参照）を通して裏面から入射されるため、第２の光触媒層４５（図７参照）による減衰効果を抑えることができる。水素発生電極１３０は、入射光Ｌの入射側に助触媒４８（図６参照）が設けられている。
【０１３５】
人工光合成モジュール１２０では、供給管１６を介して容器３６の空間３６ａ内に電解水溶液ＡＱを供給し、供給管１６を介して容器３６の空間３６ｂ内に電解水溶液ＡＱを供給し、入射光Ｌを容器３６の表面３６ｃ側から入射させることで、酸素発生電極１３２から助触媒５４で酸素が発生し、酸素発生電極１３２を透過した光により、水素発生電極１３０からは助触媒４８で水素が発生する。そして、酸素を含む電解水溶液ＡＱが回収管２０から排出され、排出された酸素を含む電解水溶液ＡＱから酸素が回収される。水素を含む電解水溶液ＡＱが回収管２０から排出され、排出された水素を含む電解水溶液ＡＱから水素が回収される。このとき、電解水溶液ＡＱが流れ方向ＦＡに供給されるが、電解水溶液ＡＱの流れは層流であり、乱流ではない。水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２で電解水溶液ＡＱの流れが乱されて乱流となる。
【０１３６】
人工光合成モジュール１２０では、酸素発生電極１３２と水素発生電極１３０が、入射光Ｌの進行方向Ｄｉに沿って直列に配置されており、最初に入射光Ｌが入射された酸素発生電極１３２において、電解水溶液ＡＱの水が分解されて酸素が発生する。水素発生電極１３０では、酸素発生電極１３２を透過した入射光Ｌが照射され、電解水溶液ＡＱの水が分解されて水素が発生する。人工光合成モジュール１２０では、このようにして酸素と水素を得ることができる。しかも、人工光合成モジュール１２０では、入射光Ｌを酸素発生電極１３２と水素発生電極１３０で利用することで、入射光Ｌの利用効率が高くでき、反応効率が高い。すなわち、水分解を示す電流密度を高くすることができる。
また、人工光合成モジュール１２０では、酸素発生電極１３２および水素発生電極１３０の設置面積を増大させることなく、反応効率を高くすることができる。
【０１３７】
水素発生電極１３０の第１の光触媒層４４（図６参照）の吸収端は、例えば、６００〜１３００ｎｍ程度である。酸素発生電極１３２の第２の光触媒層４５（図７参照）の吸収端は、例えば、５００〜８００ｎｍ程度である。
ここで、吸収端とは、連続吸収スペクトルにおいて波長がこれ以上長くなると吸収率が急激に減少するようになる部分またはその端のことであり、吸収端の単位はｎｍである。
酸素発生電極１３２の第２の光触媒層４５（図７参照）の吸収端をλ１とし、水素発生電極１３０の第１の光触媒層４４（図６参照）の吸収端をλ２とするとき、λ１＜λ２、かつλ２−λ１≧１００ｎｍであることが好ましい。これにより、入射光Ｌが太陽光である場合、先に酸素発生電極１３２の第２の光触媒層４５（図７参照）に特定波長の光が吸収されての酸素の発生に利用されても、入射光Ｌが水素発生電極１３０の第１の光触媒層４４（図６参照）に吸収されて水素の発生に利用することができ、水素発生電極１３０では必要なキャリア生成量が得られる。これにより、入射光Ｌの利用効率をより高めることができる。
【０１３８】
図２２に示す人工光合成モジュール１２０では、水素発生電極１３０と酸素発生電極１３２のいずれか一方を、図２３に示す突出部１３８を有する構成とし、残りの他方の水素発生電極１３０または酸素発生電極１３２を突出部１３８がない、いわゆるベタ電極の構成としてもよい。この構成でも、上述の人工光合成モジュール１２０と同様の効果を得ることができる。
【０１３９】
次に、人工光合成モジュール１２０の電極構成の他の例について説明する。
人工光合成モジュール１２０の電極構成は、図２２〜図２４に示すものに限定されるものではなく、図２５および図２６に示す構成でもよい。
ここで、図２５は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例を示す模式的側断面図であり、図２６は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例の電極構成を示す模式的斜視図である。なお、図２５に示す人工光合成モジュール１２０ならびに図２６に示す水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２において、図２２に示す人工光合成モジュール１２０ならびに図２３および図２４に示す水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１４０】
図２５に示す人工光合成モジュール１２０は、図２２に示す人工光合成モジュール１２０ならびに図２３および図２４に示す水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２に比して、水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２の構成が異なる。
水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２は同じ構造であるため、水素発生電極１６０を代表して説明し、酸素発生電極１６２の詳細な説明は省略する。
電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有するものとしては、図２５および図２６に示すように凸部１６１ａと凹部１６１ｂが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して繰り返し設けられる構成でもよい。
【０１４１】
水素発生電極１６０の突出部１３８ａは、例えば、三角柱状の凸部１６１ａで構成され、凸部１６１ａは電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜した斜面１６１ｃと、斜面１６１ｃに連続して接続された面１６１ｆを有する。凹部１６１ｂは表面１６１ｄが電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して平行な面である。面１６１ｆは表面１６１ｄに対して垂直である。
図２６では凸部１６１ａの斜面１６１ｃと面１６１ｆおよび凹部１６１ｂの表面１６１ｄが水素発生電極１６０の第１の光触媒層１３１ｆに相当する。凸部１６１ａの斜面１６１ｃと面１６１ｆおよび凹部１６１ｂの表面１６１ｄは酸素発生電極１６２の第２の光触媒層１３３ｆにも相当する。
面１６１ｆは、凹部１６１ｂの表面１６１ｄに対して垂直な面であるが、これに限定されるものではなく、垂直ではなくてもよい。
突出部１３８ａでは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜した斜面１６１ｃとしたが、これに限定されるものではなく、凸部１６１ａの垂直な面１６１ｆを流れ方向ＦＡに向けて配置してもよい。
【０１４２】
水素発生電極１６０の凸部１６１ａと凹部１６１ｂ、および酸素発生電極１６２の凸部１６３ａと凹部１６３ｂは、例えば、以下のように形成することができる。
まず始めに、チタンまたはニッケルの電極基材の表面に断面が３角形の凹凸溝を切削等の機械加工により形成し、電極基材に断面が３角形の凹凸を形成する。その後、その凹凸上に光触媒層をスパッタ、蒸着、めっきと焼結の組合せ、またはコーティングにより形成する。これにより、凸部１６１ａと凹部１６１ｂを有する水素発生電極１６０、および凸部１６３ａと凹部１６３ｂを有する酸素発生電極１６２の光触媒電極を得る。なお、チタンまたはニッケルの平板状の電極基材の表面に、断面が３角形のチタンまたはニッケルの棒材を溶接する等で取り付けて断面が３角形の凸部を形成し、電極基材に断面が３角形の凹凸を形成してもよい。
【０１４３】
突出部１３８ａにおける凸部１６１ａと凹部１６１ｂの数は、上述の突出部１３８と同様に、少なくとも１つずつあればよく、凸部１６１ａの数と凹部１６１ｂの数は同じであっても違っていてもよい。また、凸部１６１ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部１６１ｂの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、同じであっても違っていてもよい。凸部１６１ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部１６１ｂの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対するピッチのことであり、長さＰｏおよび長さＰｃは少なくとも一方が１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。
凸部１６１ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部１６１ｂの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃのうち、少なくとも一方が１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１４４】
突出部１３８ａの凹部１６１ｂの表面１６１ｄからの高さｈｔは０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。凹凸の高さ、すなわち、高さｈｔが０．１ｍｍ以上のものが突出部１３８ａである。上述の高さｈｔとは、凹部１６１ｂの表面１６１ｄから凸部１６１ａの斜面１６１ｃの辺１６１ｅ迄の距離である。高さｈｔが０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
また、斜面１６１ｃの傾斜角度γは、図２７に示すように、水平線Ｂと斜面１６１ｃとのなす角度のことである。斜面１６１ｃの表面は、第１の光触媒層１３１ｆの表面である。また、水素生成用の助触媒が設けられていれば、水素生成用の助触媒の表面が斜面１６１ｃの表面となる。
【０１４５】
傾斜角度γが大きいと、電解水溶液ＡＱの流れ抵抗が大きくなって、流速が小さくなる。電解水溶液ＡＱの流速を上げると電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４（図１参照）のポンプ等の消費エネルギーが大きくなり、供給部１４（図１参照）の消費エネルギーが嵩む。嵩んだ分がエネルギーの損失になり、電解水溶液ＡＱの流速を上げると損失が大きくなる。このため、人工光合成モジュール１２０の総合的なエネルギー変換効率が落ちる。
そこで、傾斜角度γは５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度γの下限値は、例えば、５°である。傾斜角度γが４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
また、突出部１３８ａの凸部１６１ａは、上述の突出部１３８と同様に、突出部１３８ａが設けられた表面の面積に対して５０％以上の範囲に設けられていることが好ましい。
なお、電解水溶液ＡＱの流速に関しては、速ければ速いほどよいが、電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４（図１参照）のポンプ等の消費エネルギーが大きくなる。この場合でも、消費エネルギーによる損失が大きくなるため、人工光合成モジュール１２０の総合的なエネルギー変換効率が落ちる。
【０１４６】
水素発生電極１６０の傾斜角度γは、水素発生電極１６０の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｂをひき、この水平線Ｂと水素発生電極１６０の斜面１６１ｃの表面とのなす角度を求める。
また、酸素発生電極１６２の傾斜角度γは、酸素発生電極１６２の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｂをひき、この水平線Ｂと酸素発生電極１６２の斜面１６３ｃの表面とのなす角度を求める。
【０１４７】
なお、突出部１３８ａの凸部１６１ａの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏおよび凹部１６１ｂの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｃ、ならびに上述の高さｈｔの測定方法は、上述の突出部１３８の長さＰｏおよび長さＰｃ、ならびに上述の高さｈｔと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、水素発生電極１６０と酸素発生電極１６２では、長さＰｏおよび長さＰｃならびに上述の高さｈｔは同じでも、違っていてもよい。
【０１４８】
図２５に示す人工光合成モジュール１２０では、水素発生電極１６０と酸素発生電極１６２のいずれか一方を、図２６に示す突出部１３８ａを有する構成とし、残りの他方の水素発生電極１６０または酸素発生電極１６２を突出部１３８ａがない、いわゆるベタ電極の構成としてもよい。この構成でも、上述の人工光合成モジュール１２０と同様の効果を得ることができる。
【０１４９】
また、図２８に示す水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２のように、斜面１６１ｃを有する凸部１６１ａが、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して連続して配置されて、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造を有するものとしてもよい。この場合、凸部１６１ａが突出部１３８ｂとなる。
なお、図２８に示す突出部１３８ｂの凸部１６１ａと、図２５および図２６に示す突出部１３８ａの凸部１６１ａとは同じ構成である。
この場合でも、水素発生電極１６０と酸素発生電極１６２のいずれか一方を、図２８に示す突出部１３８ｂを有する構成とし、残りの他方の水素発生電極１６０または酸素発生電極１６２を突出部１３８ｂがない、いわゆるベタ電極の構成としてもよい。この構成でも、上述の人工光合成モジュール１２０と同様の効果を得ることができる。
また、図２６に示す突出部１３８ａおよび図２８に示す突出部１３８ｂはいずれも電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜角度γが９０°以下であるが、これに限定されるのではない。傾斜角度γは９０°よりも大きくてもよく、この場合、斜面１６１ｃ、１６３ｃは電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して逆らって傾斜する。
【０１５０】
水素発生電極および酸素発生電極の突出部の構成としては、以下に示す構成でもよい。
図２９は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第１の例を示す模式図であり、図３０は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第２の例を示す模式図であり、図３１は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第３の例を示す模式的斜視図であり、図３２は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第４の例を示す模式的斜視図であり、図３３は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第５の例を示す模式的斜視図であり、図３４は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第６の例を示す模式的斜視図である。
【０１５１】
なお、図２９〜図３４において、図２５に示す人工光合成モジュール１２０ならびに図２６に示す水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
水素発生電極１７２は第１の光触媒層１７３ｆを備え、水素発生電極１７２の表面１７３ｄは第１の光触媒層１７３ｆの表面である。酸素発生電極１７４は第２の光触媒層１７５ｆを備え、酸素発生電極１７４の表面１７５ｄは第２の光触媒層１７５ｆの表面である。
【０１５２】
図２９に示すように突出部１７１は、二等辺三角柱状である。水素発生電極１７２は、表面１７３ｄが平坦ではなく、例えば、二等辺三角柱状に突出しており、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して凸状である。すなわち、第１の光触媒層１７３ｆの表面が凸状である。突出部１７１では斜面１７６ａが水素発生電極１７２の第１の光触媒層１７３ｆに相当する。また、斜面１７６ａは酸素発生電極１７４の第２の光触媒層１７５ｆに相当する。
傾斜角度β１は、傾斜角度γと同様に、水平線Ｂと斜面１７６ａとのなす角度のことである。
図２９に示す二等辺三角柱の斜面１７６ａの傾斜角度β１は、図２５および図２６に示す水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２の傾斜角度γに相当する。傾斜角度β１は、傾斜角度γと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度β１の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度β１が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
突出部１７１の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏは、上述のように１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。
高さｈｔは、斜面１７６ａの最下部を通る水平線Ｂから２つの斜面１７６ａが交わる辺までの距離であり、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１５３】
図２９に示す突出部１７１では斜面１７６ａの傾斜角度β１が同じであるが、これに限定されるものではない。図３０に示す突出部１７１ａおよび図３１に示す突出部１７１ｂに示すように、傾斜角度β２の斜面１７６ｂと、角度が異なる傾斜角度β３の斜面１７６ｃを組み合わせたものでもよい。図３０に示す突出部１７１ａおよび図３１に示す突出部１７１ｂでは斜面１７６ｂ、１７６ｃが第１の光触媒層１７３ｆに相当し、第２の光触媒層１７５ｆに相当する。
傾斜角度β２、β３は、傾斜角度γと同じ規定であり、傾斜角度β２、β３は水平線Ｂと斜面１７６ａとのなす角度のことである。
【０１５４】
傾斜角度β２、β３は、図２５および図２６に示す水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２の傾斜角度γに相当する。傾斜角度β２、β３は、傾斜角度γと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度β２、β３の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度β２、β３が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
図３０に示す突出部１７１ａおよび図３１に示す突出部１７１ｂの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏは、上述のように１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。
図３０に示す突出部１７１ａおよび図３１に示す突出部１７１ｂの高さｈｔは、斜面１７６ｂ、１７６ｃの最下部を通る水平線Ｂから斜面１７６ｂと斜面１７６ｃが交わる辺までの距離であり、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１５５】
図３２に示す突出部１７１ｃのように、水素発生電極１７２の第１の光触媒層１７３ｆの表面および酸素発生電極１７４の第２の光触媒層１７５ｆの表面を、凸状の曲面１７７としてもよい。
突出部１７１ｃの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏは、上述のように１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。突出部１７１ｃの高さｈｔは、曲面１７７の最下部を通る水平線Ｂから曲面１７７の最高点までの距離であり、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１５６】
また、図３３に示す突出部１７１ｄのように、水素発生電極１７２の第１の光触媒層１７３ｆおよび酸素発生電極１７４の第２の光触媒層１７５ｆを多角柱１７８で構成し、３以上の面を有するものとしてもよい。この場合、多角柱１７８は、２つの斜面１７８ａと平面１７８ｂで構成される。傾斜角度β４は傾斜角度γと同様に、水平線Ｂと斜面１７８ａとのなす角度のことである。
突出部１７１ｄの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏは、上述のように１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。突出部１７１ｄの高さｈｔは、斜面１７８ａの最下部を通る水平線Ｂから平面１７８ｂまでの距離であり、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
傾斜角度β４は、図２５および図２６に示す水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２の傾斜角度γに相当する。傾斜角度β４は、傾斜角度γと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度β４の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度β４が４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
【０１５７】
さらには、図３４に示す突出部１７１ｅのように、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して凹状であってもよく、水素発生電極１７２の第１の光触媒層１７３ｆの表面および酸素発生電極１７４の第２の光触媒層１７５ｆの表面を凹面１７９としてもよい。
突出部１７１ｅの電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏは、上述のように１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。高さｈｔは、凹面１７９の最下部を通る水平線Ｂから凹面１７９の端の最高点までの距離であり、０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１５８】
上述の図２９〜図３４に示す各突出部１７１、１７１ａ〜１７１ｅを、それぞれ電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに沿って、表面が平面の凹部と交互に繰り返し並べて配置して、上述の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造とし、水素発生電極および酸素発生電極のうち、少なくとも一方を構成としてもよい。
また、上述の図２９〜図３４に示す各突出部１７１、１７１ａ〜１７１ｅを、それぞれ電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに沿って複数連続して配置して、上述の電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して周期的に表面からの高さが変わる周期構造とし、水素発生電極および酸素発生電極のうち、少なくとも一方を構成としてもよい。
【０１５９】
上述の図２９〜図３４に示す各突出部１７１、１７１ａ〜１７１ｅでは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡの長さＰｏは、上述のように１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であれば高い電解電流を得ることができる。高さｈｔについても、上述のように０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であれば、高い電解電流を得ることができる。凹凸の高さ、すなわち、高さｈｔが０．１ｍｍ以上のものが突出部１７１、１７１ａ〜１７１ｅである。
さらには、上述の図２９〜図３４に示す各突出部１７１、１７１ａ〜１７１ｅを有する水素発生電極および酸素発生電極を、それぞれ電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜させた構成としてもよい。この場合、傾斜角度は、５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下であり、下限値は、例えば、５°である。
【０１６０】
なお、突出部の構成として、電解水溶液ＡＱと接する表面は、ミクロ表面形状としては、平坦なものより、表面に複数の突起がある等の表面が粗いものが好ましい。表面が粗いことにより、表面での電解水溶液ＡＱの流れが乱れ、高い電解電流を得ることができ、優れたエネルギー変換効率を得ることができる。なお、上述の表面が粗いものとは、凹凸があっても、凹凸の高さが０．１ｍｍ未満である。形状の凹凸と、粗さの凹凸の境界については、凹凸の高さを０．１ｍｍとする。
また、エッジ等の角部は曲面に比して電解水溶液ＡＱの流れを乱す効果が大きく、高い電解電流を得やすいため、上述の全ての突出部は、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して角部があることが好ましい。
【０１６１】
図３５は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第８の例を示す模式的側断面図であり、図３６は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第８の例の他の例を示す模式的側断面図である。
図３５に示す人工光合成モジュールおよび図３６に示す人工光合成モジュールにおいて、図２２に示す人工光合成モジュール１２０ならびに図２３に示す水素発生電極１３０および酸素発生電極１３２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【０１６２】
図３５に示す人工光合成モジュール１２０は、図２２に示す人工光合成モジュール１２０に比して、水素発生電極１８０の表面１８０ａの全面が電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜しており、流れ方向ＦＡに沿って第１の基材１３１ｅの厚さが厚くなっている。水素発生電極１８０は斜面１８０ｂを有し、水素発生電極１８０の表面１８０ａで１つの斜面１８０ｂを構成する。また、酸素発生電極１８２の表面１８２ａの全面が電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾斜しており、流れ方向ＦＡに沿って第２の基材１３３ｅの厚さが厚くなっている。酸素発生電極１８２の表面１８２ａは斜面１８２ｂを有し、酸素発生電極１８２の表面１８２ａで１つの斜面１８２ｂを構成する。
水素発生電極１８０および酸素発生電極１８２の傾斜角度βは、水平線Ｈに対する角度である。水素発生電極１８０の傾斜角度βは、表面１８０ａと水平線Ｈとのなす角度である。水素発生電極１８０の表面１８０ａは第１の光触媒層１３１ｆの表面である。酸素発生電極１８２の傾斜角度βは、表面１８２ａと水平線Ｈとのなす角度である。酸素発生電極１８２の表面１８２ａは第２の光触媒層１３３ｆの表面である。
【０１６３】
ここで、水素発生電極１８０の表面１８０ａの全面とは、水素発生電極１８０の表面１８０ａ全体のことである。水素発生電極１８０の表面１８０ａの総面積を１００とすれば、表面１８０ａの全面とは面積１００である。
また、酸素発生電極１８２の表面１８２ａの全面とは、酸素発生電極１８２の表面１８２ａ全体のことである。酸素発生電極１８２の表面１８２ａの総面積を１００とすれば、表面１８２ａの全面とは面積１００である。
【０１６４】
水素発生電極１８０と酸素発生電極１８２を電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して傾けることで、層流の電解水溶液ＡＱの流れが乱されて乱流となり、水素発生電極１８０の表面１８０ａ、および酸素発生電極１３２の表面１８２ａに電解水溶液ＡＱが滞留し、両方の電極部が傾いていない平坦な構成に比して電解電流が高くなり、優れたエネルギー変換効率が得られる。ここで、電解電流とは、同じ光強度の光を当てたときの電流値のことである。
【０１６５】
図３５に示す人工光合成モジュール１２０では、水素発生電極１８０の傾斜角度βと酸素発生電極１８２の傾斜角度βとは同じでも違っていてもよい。
また、水素発生電極１８０および酸素発生電極１８２のうち、いずれか一方が、傾斜角度βが０°、すなわち、傾いていない状態でもよい。少なくとも一方の電極部が傾くことで、両方の電極部が傾いていない平坦な構成に比して、電解電流が高くなり、優れたエネルギー変換効率を得ることができる。
【０１６６】
水素発生電極１８０および酸素発生電極１８２の傾斜角度βは、図２５および図２６に示す水素発生電極１６０および酸素発生電極１６２の傾斜角度γに相当する。傾斜角度βは、傾斜角度γと同様に５°以上４５°以下であることが好ましく、より好ましくは、上限値は３０°以下である。傾斜角度β２、β３の下限値は、例えば、５°である。傾斜角度β２、β３が５°以上４５°以下であれば、高い電解電流を得ることができる。
傾斜角度βが大きいと、電解水溶液ＡＱの流れ抵抗が大きくなって、流速が小さくなる。電解水溶液ＡＱの流速を上げると電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４（図１参照）のポンプ等の消費エネルギーが大きくなり、供給部１４の消費エネルギーが嵩む。嵩んだ分がエネルギーの損失になり、電解水溶液ＡＱの流速を上げると損失が大きくなる。このため、人工光合成モジュール１２０の総合的なエネルギー変換効率が落ちる。
なお、電解水溶液ＡＱの流速に関しては、速ければ速いほどよいが、電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４（図１参照）のポンプ等の消費エネルギーが大きくなる。この場合でも、消費エネルギーによる損失が大きくなるため、人工光合成モジュール１２０の総合的なエネルギー変換効率が落ちる。
【０１６７】
水素発生電極１８０の傾斜角度βは、水素発生電極１８０の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｈをひき、水平線Ｈと水素発生電極１８０の表面１８０ａとのなす角度を求める。
酸素発生電極１８２の傾斜角度βは、酸素発生電極１８２の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｈをひき、水平線Ｈと酸素発生電極１３２の表面１８２ａとのなす角度を求める。
【０１６８】
図３６に示す人工光合成モジュール１２０は、図３５に示す人工光合成モジュール１２０とは、水素発生電極１８０と酸素発生電極１８２の傾斜の向きが反対である。水素発生電極１８０が電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに沿って第１の基材１３１ｅの厚さが薄くなっている。また、酸素発生電極１８２が電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに沿って第２の基材１３３ｅの厚さが薄くなっている。
図３６に示す人工光合成モジュール１２０における水素発生電極１８０および酸素発生電極１８２の傾斜角度βは、図３５に示す人工光合成モジュール１２０と同じであるため、その詳細な説明は省略する。
図３６に示す人工光合成モジュール１２０の構成でも、上述の図３５に示す人工光合成モジュール１２０と同様の効果を得ることができる。
図３６に示す人工光合成モジュール１２０でも、水素発生電極１８０の傾斜角度βと酸素発生電極１８２の傾斜角度βとは同じでも違っていてもよい。
【０１６９】
図３５に示す人工光合成モジュール１２０と図３６に示す人工光合成モジュール１２０では、傾斜の向きが異なるが、水素発生電極１８０と酸素発生電極１８２のいずれか一方を、図２６に示す向きで傾斜させた構成とし、残りの他方の水素発生電極１８０または酸素発生電極１８２を図３６に示す向きで傾斜させた構成としてもよい。この構成でも、上述の図３５に示す人工光合成モジュール１２０と同様の効果を得ることができる。
【０１７０】
なお、水素発生効率と酸素発生効率とは同じではないため、水素発生電極と酸素発生電極との面積は同じとは限らない。得ようとする水素および酸素の量に応じて、水素発生電極と酸素発生電極の面積を変えることが好ましい。
本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の人工光合成モジュールについて詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
【実施例１】
【０１７１】
以下、本発明の人工光合成モジュールの効果について詳細に説明する。
本実施例においては、本発明の電極構成の効果を確認するために、以下に示す実施例Ｎｏ．１〜７、および比較例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールを作製した。
本実施例では、実施例Ｎｏ．１〜７、および比較例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールに、電解水溶液ＡＱを供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極の電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となるようにポテンションスタットで制御した。制御開始から電解電圧の変化を測定し、１０分後の電解電圧（Ｖ）を得た。そして、１０分後の電解電圧（Ｖ）を人工光合成モジュールの電解電圧の代表値とした。その結果を下記表１に示す。ポテンションスタットには、北斗電工社製  ＨＺ−７０００を用いた。
なお、「１０分後の電解電圧」は「エネルギー変換効率」を評価するパラメータである。上述のように、電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となるように、ある一定量の電解電流を流すための電解電圧が小さいほど、エネルギー変換効率が良いことを示す。【０１７２】
以下、実施例Ｎｏ．１〜７、および比較例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールについて説明する。
実施例Ｎｏ．１〜７、および比較例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールは、いずれも電解水溶液入口部と電解水溶液出口部が設けられた容器内に水素発生電極と酸素発生電極が配置されている。電解水溶液ＡＱの供給方法については、電解水溶液ＡＱを水素発生電極表面と酸素発生電極表面に対して平行に流し、さらにハニカム整流板を設けて電解水溶液ＡＱの流れが水素発生電極表面の上と酸素発生電極表面の上で層流になるようにした。電解水溶液ＡＱには０．５Ｍ  Ｎａ２ＳＯ４  ｐＨ６．５の電解液を用いた。
また、電解水溶液ＡＱの液厚は５ｍｍとした。電解水溶液ＡＱの液厚とは、水素発生電極では、容器３６（図２参照）の水素発生電極３０がある空間３６ａ（図２参照）の方向Ｗと直交する方向における長さのことである。また、酸素発生電極では、容器３６の酸素発生電極３２がある空間３６ｂの方向Ｗと直交する方向における長さのことである。【０１７３】
（実施例Ｎｏ．１）
実施例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールでは、水素発生電極と酸素発生電極は櫛形電極である。水素発生電極と酸素発生電極には、チタン製基材の表面に、厚さ１μｍの白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））を用いた。
水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ、全体が平板状の状態で、電極寸法が３２ｍｍ×１２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍであり、櫛歯は幅３ｍｍ×長さ３２ｍｍ×枚数１５枚であり、櫛歯と櫛歯の間の幅は５ｍｍである。全体が平板状の状態で、水素発生電極と酸素発生電極の互いの櫛歯を入り込ませた状態で、水素発生電極と酸素発生電極の隙間間隔は、櫛歯の配列方向で１．０ｍｍである。
水素発生電極と酸素発生電極の間に水素発生電極を隔膜の上側に配置し、酸素発生電極を隔膜の下側に配置した。
実施例Ｎｏ．１では、水素発生電極と酸素発生電極の櫛歯の部分を傾斜させ、櫛歯の傾斜角度θ（図２参照）を１０°とした。
実施例Ｎｏ．１では、電解水溶液ＡＱを図２に示す方向Ｄに、流速０．５リットル／分で流した。【０１７４】
（実施例Ｎｏ．２）
実施例Ｎｏ．２の人工光合成モジュールは、実施例Ｎｏ．１に比して、電解水溶液ＡＱの流速が１．０リットル／分である点以外は、実施例Ｎｏ．１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。
（実施例Ｎｏ．３）
実施例Ｎｏ．３の人工光合成モジュールは、実施例Ｎｏ．１に比して、電解水溶液ＡＱの流速が２．０リットル／分である点以外は、実施例Ｎｏ．１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。【０１７５】
（実施例Ｎｏ．４）
実施例Ｎｏ．４の人工光合成モジュールは、実施例Ｎｏ．１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の櫛歯の傾斜角度が３０°である点以外は、実施例Ｎｏ．１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。
（実施例Ｎｏ．５）
実施例Ｎｏ．５の人工光合成モジュールは、実施例Ｎｏ．１に比して、電解水溶液ＡＱの流速が１．０リットル／分であり、水素発生電極と酸素発生電極の櫛歯の傾斜角度が３０°である点以外は、実施例Ｎｏ．１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。【０１７６】
（実施例Ｎｏ．６）
実施例Ｎｏ．６の人工光合成モジュールは、実施例Ｎｏ．１に比して、電解水溶液ＡＱの流速が２．０リットル／分であり、水素発生電極と酸素発生電極の櫛歯の傾斜角度が３０°である点以外は、実施例Ｎｏ．１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。
（実施例Ｎｏ．７）
実施例Ｎｏ．７の人工光合成モジュールは、実施例Ｎｏ．１に比して、電解水溶液ＡＱの流速が４．０リットル／分であり、水素発生電極と酸素発生電極の櫛歯の傾斜角度が３０°である点以外は、実施例Ｎｏ．１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。【０１７７】
（比較例Ｎｏ．１）
比較例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールは、図３７に示す構成を有し、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向に対して水素発生電極と酸素発生電極が傾斜しておらず、両方の電極部が傾いていない平坦な構成である点以外は、実施例Ｎｏ．１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。
下記表１では、水素発生電極と酸素発生電極が傾斜していない比較例Ｎｏ．１の傾斜角度を「０°」と表記した。【０１７８】
なお、図３７に示す人工光合成モジュール１００の構成において、図２に示す構成と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
比較例Ｎｏ．１の図３７に示す人工光合成モジュール１００では、入射光Ｌ側から水素発生電極１０２、隔膜３４および酸素発生電極１０４の順で配置されている。水素発生電極１０２は櫛形電極であり、第１の基材１０３ａ上に第１の光触媒層１０３ｂが形成されている。第１の基材１０３ａは、チタン製であり、第１の光触媒層１０３ｂは厚さ１μｍの白金めっき層である。水素発生電極１０２は第１の光触媒層１０３ｂを入射光Ｌに向けて配置されている。酸素発生電極１０４は櫛形電極であり、第２の基材１０５ａ上に第２の光触媒層１０５ｂが形成されている。第２の基材１０５ａは、チタン製であり、第２の光触媒層１０５ｂは厚さ１μｍの白金めっき層である。酸素発生電極１０４は第２の光触媒層１０５ｂを入射光Ｌに向けて配置されている。
水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４は同じ大きさであり、電極寸法が３２ｍｍ×１２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍであり、櫛歯は幅３ｍｍ×長さ３２ｍｍ×枚数１５枚であり、櫛歯と櫛歯の間の幅は５ｍｍである。水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４の互いの櫛歯を入り込ませた状態で、水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４の隙間間隔は、櫛歯の配列方向で１．０ｍｍである。【０１７９】
【表１】
2017094484.tif 000003
【０１８０】
表１に示すように、実施例Ｎｏ．１〜７は、比較例Ｎｏ．１に比して電解電圧が小さく、エネルギー変換効率が良かった。
傾斜角度が１０°の実施例Ｎｏ．１と傾斜角度が３０°の実施例Ｎｏ．４は流速が同じであるが、実施例Ｎｏ．１の方が電解電圧が小さかった。また、傾斜角度が１０°の実施例Ｎｏ．２と傾斜角度が３０°の実施例Ｎｏ．５は流速が同じであるが、実施例Ｎｏ．２の方が電解電圧が小さかった。傾斜角度が１０°の実施例Ｎｏ．３と傾斜角度が３０°の実施例Ｎｏ．６は流速が同じであるが、実施例Ｎｏ．３の方が電解電圧が小さかった。このように、傾斜角度は１０°の方が傾斜角度が３０°よりもエネルギー変換効率が良かった。
【実施例２】
【０１８１】
第２実施例においては、本発明の電極構成の効果を確認するために、以下に示す実施例Ｎｏ．１０、実施例Ｎｏ．１１および比較例Ｎｏ．1０の人工光合成モジュールを作製した。
本実施例では、実施例Ｎｏ．１０、実施例Ｎｏ．１１および比較例Ｎｏ．1０の人工光合成モジュールに、電解水溶液ＡＱを供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極の電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となるようにポテンションスタットで制御した。制御開始から電解電圧の変化を測定し、１０分後の電解電圧（Ｖ）を得た。その結果を図３８に示す。ポテンションスタットには、北斗電工社製  ＨＺ−７０００を用いた。
なお、「１０分後の電解電圧」は「エネルギー変換効率」を評価するパラメータである。上述のように、電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となるように、ある一定量の電解電流を流すための電解電圧が小さいほど、エネルギー変換効率が良いことを示す。【０１８２】
以下、実施例Ｎｏ．１０、実施例Ｎｏ．１１および比較例Ｎｏ．1０の人工光合成モジュールについて説明する。実施例Ｎｏ．１０、実施例Ｎｏ．１１および比較例Ｎｏ．1０の人工光合成モジュールは、いずれも電解水溶液入口部と電解水溶液出口部が設けられた容器内に水素発生電極と酸素発生電極が配置されている。水素発生電極と酸素発生電極の間には隔膜を配置した。水素発生電極表面と酸素発生電極表面の距離、すなわち、間隔Ｗｄを４ｍｍとした。容器は４５°傾斜させて配置した。
電解水溶液ＡＱの供給方法については、電解水溶液ＡＱを水素発生電極表面と酸素発生電極表面に対して平行に流し、さらにハニカム整流板を設けて電解水溶液ＡＱの流れが水素発生電極表面の上と酸素発生電極表面の上で層流になるようにした。電解水溶液ＡＱには０．５Ｍ  Ｎａ２ＳＯ４  ｐＨ６．５の電解液を用いた。【０１８３】
（実施例Ｎｏ．１０）
実施例Ｎｏ．１０の人工光合成モジュールでは、水素発生電極と酸素発生電極は平板で、ベタ電極と呼ばれるものである。水素発生電極と酸素発生電極には、電極寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍの平坦なチタン製基材の表面に、厚さ１μｍの白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））を用いた。
水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ凸部が四角形状の凹凸構造とし、凹凸のピッチを４ｍｍ、凸部の高さｈｔ（図２４参照）を２ｍｍとした。実施例Ｎｏ．１０では凸部の長さＰｏ（図２３参照）と凹部の長さＰｃ（図２３参照）がそれぞれ２ｍｍであった。
実施例Ｎｏ．１０では、電解水溶液ＡＱを図２２に示す方向Ｄに、流速１．０リットル／分で流した。【０１８４】
（実施例Ｎｏ．１１）
実施例Ｎｏ．１１の人工光合成モジュールは、実施例Ｎｏ．１０に比して、水素発生電極と酸素発生電極の凹凸のピッチを２ｍｍとし、凸部の長さＰｏ（図２３参照）と凹部の長さＰｃ（図２３参照）をそれぞれ１ｍｍとした点以外は、実施例Ｎｏ．１０と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。【０１８５】
（比較例Ｎｏ．1０）
比較例Ｎｏ．1０の人工光合成モジュールは、電解水溶液ＡＱの流れ方向に対して水素発生電極と酸素発生電極が傾斜していない平坦な構成である点以外は、実施例Ｎｏ．１０と同じ構成とした。このため、その詳細な説明は省略する。比較例Ｎｏ．1０の水素発生電極と酸素発生電極はベタ電極と呼ばれる構成である。
比較例Ｎｏ．1０では、水素発生電極と酸素発生電極に、電極寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍの平坦なチタン製基材の表面に、厚さ１μｍの白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））を用いた。【０１８６】
図３８の符号１９０は実施例Ｎｏ．１０を示し、符号１９１は実施例Ｎｏ．１１を示し、符号１９２は比較例Ｎｏ．1０を示す。図３８の電解電圧は予め定められた電圧値で規格化したものである。図３８に示すように、実施例Ｎｏ．１０および実施例Ｎｏ．１１は、比較例Ｎｏ．1０に比して電解電圧が小さく、エネルギー変換効率が良かった。
【実施例３】
【０１８７】
第３実施例は、電解水溶液の流れ方向が異なる実施例Ｎｏ．１２〜実施例Ｎｏ．１４の人工光合成モジュールについて、電解水溶液ＡＱを供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極の電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となるようにポテンションスタットで制御した。制御開始から電解電圧の変化を測定し、１０分後の電解電圧（Ｖ）を得た。その結果を図３９に示す。ポテンションスタットには、北斗電工社製  ＨＺ−７０００を用いた。
以下、実施例Ｎｏ．１２〜実施例Ｎｏ．１４の人工光合成モジュールについて説明する。
実施例Ｎｏ．１２〜実施例Ｎｏ．１４の人工光合成モジュールは、いずれも電解水溶液入口部と電解水溶液出口部が設けられた容器内に水素発生電極と酸素発生電極が配置されている。水素発生電極と酸素発生電極の間には隔膜を配置した。水素発生電極表面と酸素発生電極表面の距離、すなわち、間隔Ｗｄを４ｍｍとした。容器は４５°傾斜させて配置した。【０１８８】
（実施例Ｎｏ．１２）
実施例Ｎｏ．１２の人工光合成モジュールでは、水素発生電極と酸素発生電極は平板で、ベタ電極と呼ばれるものである。水素発生電極と酸素発生電極には、電極寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍの平坦なチタン製基材の表面に、厚さ１μｍの白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））を用いた。
水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ凸部が四角形状の凹凸構造とし、凹凸のピッチを１０ｍｍ、凸部の高さｈｔ（図２４参照）を０．５ｍｍとした。実施例Ｎｏ．１２では凸部の長さＰｏ（図２３参照）と凹部の長さＰｃ（図２３参照）がそれぞれ１０ｍｍであった。
実施例Ｎｏ．１２では、凹凸の配置方向に対して直交する方向と、凹凸の配置方向に対して平行な方向の２方から、電解水溶液ＡＱを合計で流速１．３９リットル／分で流した。【０１８９】
（実施例Ｎｏ．１３）
実施例Ｎｏ．１３の人工光合成モジュールは、電解水溶液の流れ方向が凹凸の配置方向と直交する方向であり、かつ電解水溶液ＡＱを流速１．３９リットル／分で流した点以外は、実施例Ｎｏ．１２と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。
（実施例Ｎｏ．１４）
実施例Ｎｏ．１４の人工光合成モジュールは、電解水溶液の流れ方向が凹凸の配置方向と平行な方向であり、かつ電解水溶液ＡＱを流速１．３９リットル／分で流した点以外は、実施例Ｎｏ．１２と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。【０１９０】
図３９において、符号１９３は実施例Ｎｏ．１２を示し、符号１９４は実施例Ｎｏ．１３を示し、符号１９５は実施例Ｎｏ．１４を示す。図３９の電解電圧は予め定められた電圧値で規格化したものである。図３９に示すように、電解水溶液の流れ方向により電解電圧が異なり、電解水溶液の流れ方向が凹凸の配置方向と平行な方向である場合に、電解電圧が小さく、エネルギー変換効率が良かった。
【実施例４】
【０１９１】
第４実施例は、ピッチが異なる実施例Ｎｏ．１５〜実施例Ｎｏ．１８の人工光合成モジュールについて、電解水溶液ＡＱを供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極の電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となるようにポテンションスタットで制御した。制御開始から電解電圧の変化を測定し、１０分後の電解電圧（Ｖ）を得た。その結果を図４０に示す。ポテンションスタットには、北斗電工社製  ＨＺ−７０００を用いた。
以下、実施例Ｎｏ．１５〜実施例Ｎｏ．１８の人工光合成モジュールについて説明する。
実施例Ｎｏ．１５〜実施例Ｎｏ．１８の人工光合成モジュールは、いずれも電解水溶液入口部と電解水溶液出口部が設けられた容器内に水素発生電極と酸素発生電極が配置されている。水素発生電極と酸素発生電極の間には隔膜を配置した。水素発生電極表面と酸素発生電極表面の距離、すなわち、間隔Ｗｄを４ｍｍとした。容器は４５°傾斜させて配置した。【０１９２】
（実施例Ｎｏ．１５）
実施例Ｎｏ．１５の人工光合成モジュールは、水素発生電極と酸素発生電極は平板で、ベタ電極と呼ばれるものである。水素発生電極と酸素発生電極には、電極寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍの平坦なチタン製基材の表面に、厚さ１μｍの白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））を用いた。
水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ凸部が四角形状の凹凸構造とし、凹凸のピッチを１０ｍｍ、凸部の高さｈｔ（図２４参照）を０．５ｍｍとした。実施例Ｎｏ．１５では凸部の長さＰｏ（図２３参照）と凹部の長さＰｃ（図２３参照）がそれぞれ１０ｍｍであった。
実施例Ｎｏ．１５では、凹凸の配置方向と平行な方向から電解水溶液ＡＱを流速１．３９リットル／分で流した。【０１９３】
（実施例Ｎｏ．１６）
実施例Ｎｏ．１６の人工光合成モジュールは、凹凸のピッチを５ｍｍ、凸部の高さｈｔ（図２４参照）を０．５ｍｍとした点以外は、実施例Ｎｏ．１５と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。実施例Ｎｏ．１６では凸部の長さＰｏ（図２３参照）と凹部の長さＰｃ（図２３参照）がそれぞれ５ｍｍであった。
（実施例Ｎｏ．１７）
実施例Ｎｏ．１７の人工光合成モジュールは、凹凸のピッチを３ｍｍ、凸部の高さｈｔ（図２４参照）を０．５ｍｍとした点以外は、実施例Ｎｏ．１５と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。実施例Ｎｏ．１７では凸部の長さＰｏ（図２３参照）と凹部の長さＰｃ（図２３参照）がそれぞれ３ｍｍであった。
（実施例Ｎｏ．１８）
実施例Ｎｏ．１８の人工光合成モジュールは、凹凸のピッチを２ｍｍ、凸部の高さｈｔ（図２４参照）を０．５ｍｍとした点以外は、実施例Ｎｏ．１５と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。実施例Ｎｏ．１８では凸部の長さＰｏ（図２３参照）と凹部の長さＰｃ（図２３参照）がそれぞれ５ｍｍであった。【０１９４】
図４０において、符号１９６は実施例Ｎｏ．１５を示し、符号１９７は実施例Ｎｏ．１６を示し、符号１９８は実施例Ｎｏ．１７を示し、符号１９９は実施例Ｎｏ．１８を示す。図４０の電解電圧は予め定められた電圧値で規格化したものである。図４０に示すように、ピッチが小さい方が電解電圧が小さく、エネルギー変換効率が良かった。
【実施例５】
【０１９５】
第５実施例は、突出部の形状が異なる実施例Ｎｏ．２０〜実施例Ｎｏ．２３の人工光合成モジュールについて、電解水溶液ＡＱを供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極の電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となるようにポテンションスタットで制御した。制御開始から電解電圧の変化を測定し、１０分後の電解電圧（Ｖ）を得た。その結果を図４１に示す。ポテンションスタットには、北斗電工社製  ＨＺ−７０００を用いた。
以下、実施例Ｎｏ．２０〜実施例Ｎｏ．２３の人工光合成モジュールについて説明する。
実施例Ｎｏ．２０〜実施例Ｎｏ．２３の人工光合成モジュールは、いずれも電解水溶液入口部と電解水溶液出口部が設けられた容器内に水素発生電極と酸素発生電極が配置されている。水素発生電極と酸素発生電極の間には隔膜を配置した。水素発生電極表面と酸素発生電極表面の距離、すなわち、間隔Ｗｄを４ｍｍとした。容器は４５°傾斜させて配置した。【０１９６】
（実施例Ｎｏ．２０）
実施例Ｎｏ．２０の人工光合成モジュールは、水素発生電極と酸素発生電極は平板で、ベタ電極と呼ばれるものである。水素発生電極と酸素発生電極には、電極寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍの平坦なチタン製基材の表面に、厚さ１μｍの白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））を用いた。
水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ直角三角形の凹凸構造とし、凸部を直角三角形状としてピッチを２ｍｍ、直角三角形の高さｈｔ（図２６参照）を２ｍｍとした。実施例Ｎｏ．２０では凸部の長さＰｏ（図２６参照）と凹部の長さＰｃ（図２６参照）がそれぞれ２ｍｍであった。
実施例Ｎｏ．２０では、凸部の垂直な面を流れ方向に設けて配置し、凹凸の配置方向と平行な方向から電解水溶液ＡＱを流速２．２リットル／分で流した。【０１９７】
（実施例Ｎｏ．２１）
実施例Ｎｏ．２１の人工光合成モジュールは、凸部が四角形状の凹凸構造とし、凸部を四角形状としてピッチを２ｍｍ、高さｈｔ（図２４参照）を２ｍｍとした点以外は、実施例Ｎｏ．２０と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。実施例Ｎｏ．２１では凸部の長さＰｏ（図２４参照）と凹部の長さＰｃ（図２４参照）がそれぞれ２ｍｍであった。
（実施例Ｎｏ．２２）
実施例Ｎｏ．２２の人工光合成モジュールは、角度４５°の直角二等辺三角形状の凹凸構造とし、凸部を直角二等辺三角形状としてピッチを２ｍｍ、高さｈｔ（図２６参照）を２ｍｍとし、凸部の斜面を流れ方向に設けて配置した点以外は、実施例Ｎｏ．２０と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。実施例Ｎｏ．２２では凸部の長さＰｏ（図２６参照）と凹部の長さＰｃ（図２６参照）がそれぞれ２ｍｍであった。
（実施例Ｎｏ．２３）
実施例Ｎｏ．２３の人工光合成モジュールは、四角の凹凸構造とし、凸部を四角形状としてピッチを２ｍｍ、高さｈｔ（図２４参照）を０．２５ｍｍとした点以外は、実施例Ｎｏ．２０と同じとした。このため、その詳細な説明は省略する。実施例Ｎｏ．２３では凸部の長さＰｏ（図２４参照）と凹部の長さＰｃ（図２４参照）がそれぞれ２ｍｍであった。【０１９８】
図４１において、符号２００は実施例Ｎｏ．２０を示し、符号２０１は実施例Ｎｏ．２１を示し、符号２０２は実施例Ｎｏ．２２を示し、符号２０３は実施例Ｎｏ．２３を示す。図４１の電解電圧は予め定められた電圧値で規格化したものである。図４１に示すように、高さｈｔが同じであれば、傾斜角度が９０°よりも４５°の方が電解電圧が小さく、エネルギー変換効率が良かった。また、高さｈｔが低い方が電解電圧が小さく、エネルギー変換効率が良かった。
【符号の説明】
【０１９９】
１０  水電解システム、システム
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１００、１２０  人工光合成モジュール
１４、１６  供給部
１８、２０  回収部
２２  水素ガス回収部
２４  水素用管
２６  酸素ガス回収部
２８  酸素用管
３０、６２、６４、７０、１０２、１３０  水素発生電極
３１ａ、６３ａ、６５ａ、７１ａ、７３、７３ａ  第１の電極部
３１ｂ  第１の隙間
３１ｃ  基部
３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、４０ａ、４２ａ、４５ａ、４６ａ、６１ｄ、６３ｄ、６５ｄ、６７ｄ、６９ｄ、７１ｄ、７３ｄ、７５ｄ、８２ａ、８４ａ、９４ａ  表面
３１ｅ、１０３ａ、１３１ｅ  第１の基材
３１ｆ、４４、６３ｆ、６５ｆ、７１ｆ、７３ｆ、１０３ｂ、１７３ｆ  第１の光触媒層
３２、６０、６６、６８、１０４、１３２  酸素発生電極
３２ａ、３３ａ、６１ａ、６６ａ、６７、６７ａ、６９、６９ａ、７５、７５ａ、１０５ａ  第２の電極部
３３ｂ  第２の隙間
３３ｃ  基部
３３ｅ、１０５ａ、１３３ｅ  第２の基材
３３ｆ、４５、６１ｆ、６７ｆ、６９ｆ、７５ｆ、１０５ｂ、１３３ｆ、１７５ｆ  第２の光触媒層
３４  隔膜
３５  配線
３６  容器
３６ａ、３６ｂ  空間
４０  絶縁基板
４０ｂ、６１ｅ、６３ｅ  裏面
４２  導電層
４６  機能層
４８、５４  助触媒
５０  ｐ型半導体層
５２  ｎ型半導体層
６５ｇ  底辺
６６  酸素発生電極
６７ｆ  第２の光触媒層
６７ｇ  底辺
６９ｇ  底辺
７１ｇ  底辺
７２  水素発生電極
７３ｆ、１３１ｆ  第１の光触媒層
７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７８ａ、９２ａ  斜面
７７  曲面
７８  多角柱
７８ｂ  平面
７９  凹面
８０、９０  突出部
８２、９２  凸部
８４、９４  凹部
９２ｃ  辺
９４ｄ  面
１３１ａ、１３３ａ、１６１ａ、１６３ａ  凸部
１３１ｂ、１３３ｂ、１６１ｂ、１６３ｂ  凹部
１３１ｃ、１３１ｄ、１３３ｃ、１３３ｄ、１６１ｄ、１７３ｄ、１７５ｄ、１８０ａ、１８２ａ  表面
１３８、１３８ａ、１３８ｂ  突出部
１６０、１７２、１８０  水素発生電極
１６１ｃ、１６３ｃ  斜面
１６１ｅ  辺
１６１ｆ  面
１６２、１７４、１８２  酸素発生電極
１７１、１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃ、１７１ｄ、１７１ｅ  突出部
１６１ｃ、１６３ｃ、１７６ａ、１７６ｂ、１７６ｃ、１７８ａ、１８０ｂ、１８２ｂ  斜面
１７７  曲面
１７８  多角柱
１７８ｂ  平面
１７９  凹面
ＡＱ  電解水溶液
Ｂ  水平線
Ｄ  方向
Ｄｉ  進行方向
ＦＡ  方向
Ｌ  入射光
Ｍ  方向
Ｗ  方向
ｄ  厚み
ｈ、ｈｔ  高さ
ｔ１、ｔ２、ｔ３  幅
α１、α２、α３、α４、α５  傾斜角度
β、β１、β２、β３、β４  傾斜角度
θ、θ１、θ２  傾斜角度
【図１】
2017094484.tif 000004
【図２】
2017094484.tif 000005
【図３】
2017094484.tif 000006
【図４】
2017094484.tif 000007
【図５】
2017094484.tif 000008
【図６】
2017094484.tif 000009
【図７】
2017094484.tif 000010
【図８】
2017094484.tif 000011
【図９】
2017094484.tif 000012
【図１０】
2017094484.tif 000013
【図１１】
2017094484.tif 000014
【図１２】
2017094484.tif 000015
【図１３】
2017094484.tif 000016
【図１４】
2017094484.tif 000017
【図１５】
2017094484.tif 000018
【図１６】
2017094484.tif 000019
【図１７】
2017094484.tif 000020
【図１８】
2017094484.tif 000021
【図１９】
2017094484.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
2017094484.tif 000024
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
2017094484.tif 000039
【図３７】
2017094484.tif 000040
【図３８】
2017094484.tif 000041
【図３９】
2017094484.tif 000042
【図４０】
2017094484.tif 000043
【図４１】
2017094484.tif 000044
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月2日(2018.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する水電解システムを示す模式的平面図である。
【図２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例を示す模式的側断面図である。
【図３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例の電極構成を示す模式的平面図である。
【図４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの水素発生電極の構成の一例を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの酸素発生電極の構成の一例を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの水素発生電極の構成の他の例を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの酸素発生電極の構成の他の例を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例を示す模式的側断面図である。
【図９】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第３の例を示す模式的側断面図である。
【図１０】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第１の例を示す模式的側面図である。
【図１１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第２の例を示す模式的側面図である。
【図１２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第３の例を示す模式的側面図である。
【図１３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例を示す模式的側断面図である。
【図１４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第１の例を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第２の例を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第３の例を示す模式的斜視図である。
【図１８】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第４の例を示す模式的斜視図である。
【図１９】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第５の例を示す模式的斜視図である。
【図２０】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第６の例を示す模式的斜視図である。
【図２１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第４の例の電極構成の第７の例を示す模式的斜視図である。
【図２２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例を示す模式的側断面図である。
【図２３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例の電極構成を示す模式的平面図である。
【図２４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第５の例の電極構成を示す模式的斜視図である。
【図２５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例を示す模式的側断面図である。
【図２６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例の電極構成を示す模式的斜視図である。
【図２７】傾斜角度を説明するための模式図である。
【図２８】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第６の例の電極構成の他の例を示す模式的側面図である。
【図２９】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第１の例を示す模式図である。
【図３０】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第２の例を示す模式図である。
【図３１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第３の例を示す模式的斜視図である。
【図３２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第４の例を示す模式的斜視図である。
【図３３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第５の例を示す模式的斜視図である。
【図３４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第７の例の電極構成の第６の例を示す模式的斜視図である。
【図３５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第８の例を示す模式的側断面図である。
【図３６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第８の例の他の例を示す模式的側断面図である。
【図３７】比較例Ｎｏ．１の人工光合成モジュールの電極構成を示す模式的断面図である。
【図３８】実施例Ｎｏ．１０、実施例Ｎｏ．１１および比較例Ｎｏ．1０の電解電圧の変化を示すグラフである。
【図３９】電解水溶液を流れ方向の変えた際の電解電圧の変化を示すグラフである。
【図４０】突出部のピッチを変えた際の電解電圧の変化を示すグラフである。
【図４１】突出部の形状およびピッチを変えた際の電解電圧の変化を示すグラフである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
水素発生電極３０の傾斜角度θは、水素発生電極３０の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｂをひき、この水平線Ｂと水素発生電極３０の第１の電極部３１ａの表面３１ｄとのなす角度を求める。
また、酸素発生電極３２の傾斜角度θは、酸素発生電極３２の側面方向から、デジタル画像を取得し、デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、モニタに表示し、モニタ上で水平線Ｂをひき、この水平線Ｂと酸素発生電極３２の第２の電極部３３ａの表面３３ｄとのなす角度を求める。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
光半導体の具体例としては、例えば、Ｂｉ２ＷＯ６，ＢｉＶＯ４，ＢｉＹＷＯ６，Ｉｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）３，ＩｎＴａＯ４，ＩｎＴａＯ４：Ｎｉ（「光半導体：Ｍ」は、光半導体にＭをドープしていることを示す。以下同様。），ＴｉＯ２：Ｎｉ，ＴｉＯ２：Ｒｕ，ＴｉＯ２Ｒｈ，ＴｉＯ２：Ｎｉ／Ｔａ（「光半導体：Ｍ１／Ｍ２」は、光半導体にＭ１とＭ２を共ドープしていることを示す。以下同様。），ＴｉＯ２：Ｎｉ／Ｎｂ，ＴｉＯ２：Ｃｒ／Ｓｂ，ＴｉＯ２：Ｎｉ／Ｓｂ，ＴｉＯ２：Ｓｂ／Ｃｕ，ＴｉＯ２：Ｒｈ／Ｓｂ，ＴｉＯ２：Ｒｈ／Ｔａ，ＴｉＯ２：Ｒｈ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｎｉ／Ｔａ，ＳｒＴｉＯ３：Ｎｉ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｓｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｔａ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｃｒ／Ｗ，ＳｒＴｉＯ３：Ｍｎ，ＳｒＴｉＯ３：Ｒｕ，ＳｒＴｉＯ３：Ｒｈ，ＳｒＴｉＯ３：Ｒｈ／Ｓｂ，ＳｒＴｉＯ３：Ｉｒ，ＣａＴｉＯ３：Ｒｈ，Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７：Ｃｒ，Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７：Ｃｒ／Ｓｂ，Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７：Ｆｅ，ＰｂＭｏＯ４：Ｃｒ，ＲｂＰｂ２Ｎｂ３Ｏ１０，ＨＰｂ２Ｎｂ３Ｏ１０，ＰｂＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９，ＢｉＶＯ４，ＢｉＣｕ２ＶＯ６，ＢｉＳｎ２ＶＯ６，ＳｎＮｂ２Ｏ６，ＡｇＮｂＯ３，ＡｇＶＯ３，ＡｇＬｉ１／３Ｔｉ２／３Ｏ２，ＡｇＬｉ１／３Ｓｎ２／３Ｏ２，ＷＯ３、ＢａＢｉ１−ｘＩｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＧｅｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｉｘＯ３等の酸化物、ＬａＴｉＯ２Ｎ，Ｃａ０．２５Ｌａ０．７５ＴｉＯ２．２５Ｎ０．７５，ＴａＯＮ，ＣａＮｂＯ２Ｎ，ＢａＮｂＯ２Ｎ，ＣａＴａＯ２Ｎ，ＳｒＴａＯ２Ｎ，ＢａＴａＯ２Ｎ，ＬａＴａＯ２Ｎ，Ｙ２Ｔａ２Ｏ５Ｎ２，（Ｇａ１−ｘＺｎｘ）（Ｎ１−ｘＯｘ），（Ｚｎ１＋ｘＧｅ）（Ｎ２Ｏｘ）（ｘは、０−１の数値を表す），ＴｉＮｘＯｙＦｚ等の酸窒化物、ＮｂＮ、Ｔａ３Ｎ５等の窒化物、ＣｄＳ等の硫化物、ＣｄＳｅ等のセレン化物、Ｌｎ２Ｔｉ２Ｓ２Ｏ５（Ｌｎ：Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，およびＥｒ）、Ｌａ，Ｉｎを含むオキシサルファイド化合物（Chemistry  Letters、2007,36,854−855）を含むことができるが、ここに例示した材料に限定されるものではない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
図１０に示す水素発生電極６４と酸素発生電極６６は、図２に示す人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０と、酸素発生電極３２に対応するものである。
水素発生電極６４は、櫛歯状の電極であり、図２に示す水素発生電極３０に比して、第１の電極部６５ａの構成が直角三角柱状である点以外は図２に示す水素発生電極３０と同じである。
酸素発生電極６６は、櫛歯状の電極であり、図２に示す酸素発生電極３２に比して、第２の電極部６７ａの構成が直角三角柱状である点以外は図２に示す酸素発生電極３２と同じである。
水素発生電極６４は、第１の光触媒層６５ｆを備え、第１の光触媒層６５ｆの表面には図示しない水素生成用の助触媒が設けられている。水素発生電極６４では、実質的に第１の光触媒層６５ｆの表面が第１の電極部６５ａの表面６５ｄである。酸素発生電極６６は、第２の光触媒層６７ｆを備え、第２の光触媒層６７ｆの表面には図示しない酸素生成用の助触媒が設けられている。酸素発生電極６６では、実質的に第２の光触媒層６７ｆの表面が第２の電極部６７ａの表面６７ｄである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの第１の光触媒層６５ｆおよび酸素発生電極３２の第２の電極部６７ａの第２の光触媒層６７ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θで傾いている。水素発生電極６４の傾斜角度θとは、底辺６５ｇと表面６５ｄとのなす角度のことである。
酸素発生電極３２の傾斜角度θとは、底辺６７ｇと表面６７ｄとのなす角度のことである。底辺６５ｇと底辺６７ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
図１１に示す水素発生電極６４と酸素発生電極６８は、図８に示す人工光合成モジュール１２ａの水素発生電極６４と、酸素発生電極６０に対応するものである。
水素発生電極６４は、櫛歯状の電極であり、図８に示す水素発生電極３０に比して、第１の電極部６５ａの構成が直角三角柱状である点以外は図８に示す水素発生電極３０と同じである。
酸素発生電極６８は、櫛歯状の電極であり、図８に示す酸素発生電極６０に比して、第２の電極部６９ａの構成が直角三角柱状である点以外は図８に示す酸素発生電極６０と同じである。
酸素発生電極６８は、第２の光触媒層６９ｆを備え、第２の光触媒層６９ｆの表面には図示しない酸素生成用の助触媒が設けられている。酸素発生電極６８では、実質的に第２の光触媒層６９ｆの表面が第２の電極部６９ａの表面６９ｄである。
水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの第１の光触媒層６５ｆと酸素発生電極６８の第２の電極部６９ａの第２の光触媒層６９ｆの向きは方向Ｄにおいて逆である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
水素発生電極６４の第１の電極部６５ａの第１の光触媒層６５ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θで傾いている。水素発生電極６４の傾斜角度θとは、底辺６５ｇと表面６５ｄとのなす角度のことである。底辺６５ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
酸素発生電極６８の第２の電極部６９ａの第２の光触媒層６９ｆが、隔膜３４および電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、傾斜角度θ１で傾いている。第２の電極部６９の第２の光触媒層６９ｆは、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して、方向Ｄにおいて逆向きに配置されている。
酸素発生電極６８の傾斜角度θ１とは、底辺６９ｇと表面６９ｄとのなす角度のことである。底辺６９ｇが上述の水平線Ｂに相当する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
図１２に示す水素発生電極７０と酸素発生電極６６は、図９に示す人工光合成モジュール１２ａの水素発生電極６４と、酸素発生電極６０に対応するものである。
水素発生電極７０は、櫛歯状の電極であり、図９に示す水素発生電極６２に比して、第１の電極部７１ａの構成が直角三角柱状である点以外は図９に示す水素発生電極６２と同じである。
酸素発生電極６６は、櫛歯状の電極であり、図９に示す酸素発生電極３２に比して、第２の電極部６７ａの構成が直角三角柱状である点以外は図９に示す酸素発生電極３２と同じである。
水素発生電極７０は、第１の光触媒層７１ｆを備え、第１の光触媒層７１ｆの表面には図示しない水素生成用の助触媒が設けられている。水素発生電極７０では、実質的に第１の光触媒層７１ｆの表面が第１の電極部７１ａの表面７１ｄである。
水素発生電極７０の第１の電極部７１ａの表面７１ｄと酸素発生電極６６の第２の電極部６７ａの表面６７ｄの向きは方向Ｄにおいて逆である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
なお、図１３に示す人工光合成モジュール１２ｃにおいて、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
また、図１４〜図２１において、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
水素発生電極７２は、第１の光触媒層７３ｆを備え、第１の電極部７３の表面７３ｄは第１の光触媒層７３ｆの表面である。酸素発生電極７４は、第２の光触媒層７５ｆを備え、第２の電極部７５ａの表面７５ｄは第２の光触媒層７５ｆの表面である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９７】
図１３に示す人工光合成モジュール１２ｃは、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２に比して、水素発生電極７２および酸素発生電極７４の構成が異なり、それ以外の構成は、図２に示す人工光合成モジュール１２と同じである。
水素発生電極７２は、櫛歯状の電極であるが、平板で構成されるのではなく、第１の電極部７３ａの入射光Ｌ側が二等辺三角柱状である。水素発生電極７２の第１の電極部７３ａは、表面７３ｄが平坦ではなく、例えば、二等辺三角柱状に突出しており、電解水溶液ＡＱの流れ方向ＦＡに対して凸状の電極部である。すなわち、第１の光触媒層７３ｆの表面が凸状である。
二等辺三角柱の斜面７６ａが、図２および図３に示す人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０の表面３１ｄに相当する。
傾斜角度α１は、傾斜角度θと同様に、水平線Ｂと斜面７６ａとのなす角度のことである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５３】
図２９に示す突出部１７１では斜面１７６ａの傾斜角度β１が同じであるが、これに限定されるものではない。図３０に示す突出部１７１ａおよび図３１に示す突出部１７１ｂに示すように、傾斜角度β２の斜面１７６ｂと、角度が異なる傾斜角度β３の斜面１７６ｃを組み合わせたものでもよい。図３０に示す突出部１７１ａおよび図３１に示す突出部１７１ｂでは斜面１７６ｂ、１７６ｃが第１の光触媒層１７３ｆに相当し、第２の光触媒層１７５ｆに相当する。
傾斜角度β２、β３は、傾斜角度γと同じ規定であり、傾斜角度β２、β３は水平線Ｂと斜面１７６ｂ、１７６ｃとのなす角度のことである。
【国際調査報告】
2017094484.tif 000045
2017094484.tif 000046