(57)【要約】  効率が高い人工光合成モジュール用電極及び人工光合成モジュール用電極を有する人工光合成モジュールを提供する。人工光合成モジュール用電極は光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、第１の電極と接続された第１の導電部材と、光により原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、第２の電極と接続された第２の導電部材とを有する。第１の電極は第１の導電部材に接続した複数の第１の電極部を第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されている。第２の電極は第２の導電部材に接続した複数の第２の電極部を第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に第１の方向に間をあけて配置されている。第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て第１の電極部と第２の電極部は交互に配置されている。第１の電極部と第２の電極部の電極間隔が５μｍ超１ｍｍ未満である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、前記第１の電極と接続された第１の導電部材と、前記光により前記原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、前記第２の電極と接続された第２の導電部材と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、
前記第１の電極は、前記第１の導電部材に接続した複数の第１の電極部を第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、
前記第２の電極は、前記第２の導電部材に接続した複数の第２の電極部を前記第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、前記第１の方向に間をあけて配置されており、
前記第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の電極部と前記第２の電極部は交互に配置されており、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との電極間隔が、５μｍ超１ｍｍ未満であり、
前記第１の平面と前記第２の平面とは前記第２の方向に離間しており、前記第１の電極部と前記第２の電極部とが前記第１の方向において少なくとも一部を重ねて配置され、
前記電極間隔は前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極。
【請求項２】
光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、前記第１の電極と接続された第１の電極基材部と、前記光により前記原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、前記第２の電極と接続された第２の電極基材部と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、
前記第１の電極は、前記第１の電極基材部に接続した複数の第１の電極部が第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の電極基材部とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極基材部に接続した複数の第２の電極部が前記第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、前記第１の方向に間をあけて配置されており、前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の電極基材部と構成される第２の凹部を含み、
前記第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の電極部と前記第２の電極部は交互に配置されて、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでおり、
前記第１の平面と前記第２の平面とは前記第２の方向に離間しており、前記第１の電極部と前記第２の電極部とが前記第１の方向において少なくとも一部を重ねて配置され、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との電極間隔が、前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離であり、５μｍ超１ｍｍ未満であり、
前記電極間隔が、前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離の平均値であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極。
【請求項３】
前記電極間隔が、５μｍ超５００μｍ以下である請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項４】
前記電極間隔が、１０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項５】
前記電極間隔が、２０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項６】
前記電極間隔が、１０μｍ以上２００μｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項７】
前記第１の電極部及び前記第２の電極部のうち、前記光の入射側に配置された前記第１の電極部又は前記第２の電極部は前記光を透過するものである請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項８】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、又は、前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材とで構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第２の方向から見た場合、前記第１の凹部又は前記第２の凹部に他方の電極部が入り込んでいる請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２導電部材と構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第１の平面と前記第２の平面とに対して垂直な第２の方向から見た場合、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでいる請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１０】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材と構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第２の方向から見た場合、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでおり、
前記電極間隔が、前記第１の電極部と前記第２の導電部材との間隔、前記第２の電極部と前記第１の導電部材との間隔及び隣接する前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離の平均値である請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１１】
前記第１の方向と前記第２の方向のいずれにも垂直な方向を第３の方向とし、前記第１の電極の前記第１の電極部及び前記第２の電極の前記第２の電極部の前記第３の方向に垂直な断面は、矩形型、三角形、凸型、半円形又は、丸型である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１２】
前記第１の電極は、第１の基板と、前記第１の基板上に設けられた第１の導電層と、前記第１の導電層上に設けられた第１の光触媒層と、前記第１の光触媒層の少なくとも一部に担持された第１の助触媒とを有し、
前記第２の電極は、第２の基板と、前記第２の基板上に設けられた第２の導電層と、前記第２の導電層上に設けられた第２の光触媒層と、前記第２の光触媒層の少なくとも一部に担持された第２の助触媒とを有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１３】
前記第１の電極及び前記第２の電極のうち、少なくとも一方は、ｐｎ接合を有する請求項１２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１４】
前記原料流体が、電気伝導度２００ｍＳ／ｃｍ以下の電解液である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１５】
さらに、前記電極間隔とは異なる、１０μｍ以上のスペースを有する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１６】
前記第１の方向の長さ１ｍｍ当たり、前記第１の電極部と前記第２の電極部の対が１個以上５０個未満含まれる請求項１〜１５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１７】
前記第１の流体は気体又は液体であり、前記第２の流体は気体又は液体である請求項１〜１６のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１８】
前記原料流体が水であり、前記第１の流体が酸素であり、前記第２の流体が水素である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極を有する人工光合成モジュール。
【請求項２０】
（削除）
【請求項２１】
（削除）
【請求項２２】
（削除）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料流体を、光エネルギーを利用して分解して、原料流体とは別の物質を得る人工光合成モジュール用電極及び人工光合成モジュール用電極を有する人工光合成モジュールに関し、特に、光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、光により原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極との電極間隔を規定した人工光合成モジュール用電極及び人工光合成モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光触媒を用い、再生可能なエネルギーである太陽光エネルギーを利用して水を分解し、水素ガス、及び酸素ガス等の気体を得ることがなされている。
例えば、特許文献１には、水を含む電解液から酸素ガス及び水素ガスを生成するガス生成装置が記載されている。特許文献１のガス生成装置は、電解液から酸素ガスを生成するアノード電極と、電解液で生成された水素イオン及び電子から水素ガスを生成するカソード電極と、アノード電極及びカソード電極の少なくとも一方に設けられていて、可視光を利用する光触媒反応により、電解液から酸素ガスを生成する第１光触媒及び水素ガスを生成する第２光触媒を含む光触媒含有層と、アノード電極又はカソード電極の少なくとも一方に設けられ、電解液を通過させず、かつ生成された酸素ガス又は水素ガスを通過させる複数の貫通孔と、貫通孔を通過した酸素ガス又は水素ガスを収容するガス収容部とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８８６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、特許文献１は、生成された酸素ガス又は水素ガスを通過させる複数の貫通孔を有するものであり、支持体基板の耐久性が悪く、さらに電極の利用効率が悪く、酸素ガス及び水素ガスを生成する効率も悪い。
また、特許文献１では、貫通孔の周縁部にリング状の光触媒含有層を設け、貫通孔間の距離を０．１μｍ以上としている。このような構成において、酸素ガス及び水素ガスを連続して発生させる場合、塩析等が起こり、ガス発生効率が低下することを確認している。【０００５】
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、効率が高い人工光合成モジュール用電極及び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】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明は、光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、第１の電極と接続された第１の導電部材と、光により原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、第２の電極と接続された第２の導電部材と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、第１の電極は、第１の導電部材に接続した複数の第１の電極部を第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、第２の電極は、第２の導電部材に接続した複数の第２の電極部を第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、第１の方向に間をあけて配置されており、第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、第１の電極部と第２の電極部は交互に配置されており、第１の電極部と第２の電極部との電極間隔が、５μｍ超１ｍｍ未満であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極を提供するものである。【０００７】
また、本発明は、光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、第１の電極と接続された第１の電極基材部と、光により原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、第２の電極と接続された第２の電極基材部と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、第１の電極は、第１の電極基材部に接続した複数の第１の電極部が第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、第１の電極は、第１の電極部と第１の電極基材部とで構成される第１の凹部を含み、第２の電極は、第２の電極基材部に接続した複数の第２の電極部が第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、第１の方向に間をあけて配置されており、第２の電極は、第２の電極部と第２の電極基材部と構成される第２の凹部を含み、第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、第１の電極部と第２の電極部は交互に配置されて、第１の凹部に第２の電極部が入り込み、第２の凹部に第１の電極部が入り込んでおり、第１の電極部と第２の電極部との電極間隔が、５μｍ超１ｍｍ未満であり、電極間隔が、第１の電極部と第２の電極基材部との間隔、第２の電極部と第１の電極基材部との間隔及び隣接する第１の電極部と第２の電極部との距離の平均値であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極を提供するものである。【０００８】
電極間隔が、５μｍ超５００μｍ以下であることが好ましく、電極間隔が、１０μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましく、電極間隔が、２０μｍ以上５００μｍ以下であることがさらに好ましく、電極間隔が、１０μｍ以上２００μｍ以下であることがよりさらに好ましい。
例えば、第１の平面と第２の平面とは同一平面上にあり、電極間隔は隣接する第１の電極部と第２の電極部との第１の方向における距離である。
例えば、第１の平面と第２の平面とは第２の方向に離間しており、第１の電極部と第２の電極部は第１の方向において離間して配置され、電極間隔は、第１の方向と第２の方向のいずれにも垂直な方向を第３の方向とし、第３の方向に垂直な断面における隣接する第１の電極部と第２の電極部との距離である。【０００９】
例えば、第１の平面と第２の平面とは第２の方向に離間しており、第１の電極部と第２の電極部とが第１の方向において少なくとも一部を重ねて配置され、電極間隔は第２の方向における第１の電極部と第２の電極部との距離である。【００１０】
第１の電極部及び第２の電極部のうち、光の入射側に配置された第１の電極部又は第２の電極部は光を透過するものであることが好ましい。
第１の電極は、第１の電極部と第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、又は、第２の電極は、第２の電極部と第２の導電部材とで構成される第２の凹部を含んでおり、第２の方向から見た場合、第１の凹部又は第２の凹部に他方の電極部が入り込んでいることが好ましい。【００１１】
第１の電極は、第１の電極部と第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、第２の電極は、第２の電極部と第２の導電部材と構成される第２の凹部を含んでおり、第２の方向から見た場合、第１の凹部に第２の電極部が入り込み、第２の凹部に第１の電極部が入り込んでおり、電極間隔が、第１の電極部と第２の導電部材との間隔、第２の電極部と第１の導電部材との間隔及び隣接する第１の電極部と第２の電極部との距離の平均値であることが好ましい。
第１の方向と第２の方向のいずれにも垂直な方向を第３の方向とし、第１の電極の第１の電極部及び第２の電極の第２の電極部の第３の方向に垂直な断面は、矩形型、三角形、凸型、半円形又は、丸型であることが好ましい。【００１２】
第１の電極は、第１の基板と、第１の基板上に設けられた第１の導電層と、第１の導電層上に設けられた第１の光触媒層と、第１の光触媒層の少なくとも一部に担持された第１の助触媒とを有し、第２の電極は、第２の基板と、第２の基板上に設けられた第２の導電層と、第２の導電層上に設けられた第２の光触媒層と、第２の光触媒層の少なくとも一部に担持された第２の助触媒とを有することが好ましい。
第１の電極及び第２の電極のうち、少なくとも一方は、ｐｎ接合を有することが好ましい。
原料流体が、電気伝導度２００ｍＳ／ｃｍ以下の電解液であることが好ましい。
さらに、電極間隔とは異なる、１０μｍ以上のスペースを有することが好ましい。
第１の方向の長さ１ｍｍ当り、第１の電極部と第２の電極部の対が１個以上５０個未満含まれることが好ましい。
第１の流体は気体又は液体であり、第２の流体は気体又は液体であることが好ましい。
原料流体が水であり、第１の流体が酸素であり、第２の流体が水素であることが好ましい。
また、上述の人工光合成モジュール用電極を有する人工光合成モジュールを提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、効率が高い人工光合成モジュール用電極及び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】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第１の例を示す模式的平面図である。
【図３】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第２の例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第２の例を示す模式的平面図である。
【図５】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の変形例を示す模式的平面図である。
【図６】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第３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電極配置構成の第３の例を示す模式的平面図である。
【図８】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構造の一例を示す模式的断面図である。
【図９】本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成の第１の例を示す模式的斜視図である。
【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２の例を示す模式的斜視図である。
【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３の例を示す模式的斜視図である。
【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４の例を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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用電極及び人工光合成モジュールを詳細に説明する。
なお、以下に説明する図は、本発明を説明するための例示的なものであり、以下に示す図に本発明が限定されるものではない。
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α〜数値βとは、εの範囲は数値αと数値βを含む範囲であり、数学記号で示せばα≦ε≦βである。
「具体的な数値で表された角度」、「平行」、「垂直」及び「直交」等の角度は、特に記載がなければ、該当する技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含む。
「同一」及び「全部」等は該当する技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含む。
透明とは、特に記載がなければ、光透過率が波長３８０〜７８０ｎｍの領域において、少なくとも６０％以上のことであり、好ましくは８０％以上であり、より好ましくは８５％以上、さらにより好ましくは９０％以上のことである。
光透過率は、ＪＩＳ（日本工業規格）  Ｒ  ３１０６−１９９８に規定される「板ガラス類の透過率・反射率・放射率・日射熱取得率の試験方法」を用いて測定されるものである。
【００１６】
本発明の人工光合成モジュール電極は、分解対象となる原料流体を、光エネルギーを利用して分解して、原料流体とは別の物質を得る電極であり、光により原料流体を分解して第１の流体と第２の流体を得る電極である。
人工光合成モジュール用電極は、光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、第１の電極と接続された第１の導電部材と、光により原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、第２の電極と接続された第２の導電部材とを有する。
人工光合成モジュールは、上述の人工光合成モジュール電極を有するものであり、光エネルギーを利用して原料流体を分解し、別の物質を得る装置である。
なお、第１の流体と第２の流体は、それぞれ流体であれば、特に限定されるものではなく、気体又は液体である。なお、上述の別の物質とは、原料流体を酸化又は還元して得らえる物質のことである。
以下、人工光合成モジュール用電極及び人工光合成モジュールについて説明する。
【００１７】
原料流体が水であり、第１の流体が酸素であり、第２の流体が水素である場合を例にして、人工光合成モジュールの第１の例について説明する。
図１は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例を示す模式的断面図であり、図２は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第１の例を示す模式的平面図である。図１は図２の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬを示す。
図１に示す人工光合成モジュール１０は、光Ｌにより、原料流体である水ＡＱを分解して、第１の流体である酸素を気体として発生させる等して得る、第１の電極の一例である酸素発生電極２０と、光Ｌにより水ＡＱを分解して、第２の流体である水素を気体として発生させる等して得る、第２の電極の一例である水素発生電極３０とを有する。酸素発生電極２０と水素発生電極３０とにより、人工光合成モジュール１０に用いられる人工光合成モジュール用電極３８が構成される。
【００１８】
人工光合成モジュール１０は、容器１２を有する。容器１２は、例えば、水平面Ｂ上に配置されている。
容器１２の側面１２ｄに、容器１２の内部１２ａに水ＡＱを供給するための供給管１４が設けられている。方向Ｊにおいて側面１２ｄに対向する側面１２ｅに、容器１２の内部１２ａの水ＡＱを外部に排出する排出管１６が設けられている。人工光合成モジュール１０では水ＡＱが流れるが方向Ｊである。
容器１２には排気管１３が設けられている。排気管１３は、容器１２の内部１２ａで発生した酸素及び水素を容器１２の外部に取り出すものである。
排出管１６は、酸素発生電極２０で発生した酸素、及び水素発生電極３０で発生した水素を含む水ＡＱを容器１２の外部に取り出す役割もある。排水された水ＡＱから酸素発生電極２０で発生した酸素、及び水素発生電極３０で発生した水素を回収してもよい。排気管１３及び排出管１６のうち、少なくとも排気管１３に酸素及び水素を回収する回収部（図示せず）に接続する構成でもよい。
また、人工光合成モジュール１０においては、回収部（図示せず）に加え、回収部を経た水ＡＱを再度、供給管１４を介して容器１２の内部１２ａに供給する供給部（図示せず）を有する構成でもよい。この場合、人工光合成モジュール１０では、水ＡＱが循環されて使用される。
【００１９】
酸素発生電極２０は、第１の平面２１上に、第１の方向Ｄ１に間２３をあけて配置された複数の平板状の酸素電極部２２を有する。図２に示すように、複数の平板状の酸素電極部２２は、それぞれ平面視長方形状であり、酸素電極部２２同士、長い辺を平行に揃えて、第１の方向Ｄ１に沿って間２３をあけて配置されている。また、酸素電極部２２はそれぞれ第１の導電部材２５により電気的に接続されている。
酸素電極部２２の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬにおける断面形状は矩形型である。矩形型には長方形及び正方形が含まれる。酸素電極部２２が第１の電極部である。
水素発生電極３０は、第２の平面３１上に、第１の方向Ｄ１に間３３をあけて配置された、複数の平板状の水素電極部３２を有する。図２に示すように、複数の平板状の水素電極部３２は、それぞれ平面視長方形状であり、水素電極部３２同士、長い辺を平行に揃え、かつ酸素電極部２２とも長い辺を平行に揃えて、第１の方向Ｄ１に沿って間２３をあけて配置されている。また、水素電極部３２はそれぞれ第２の導電部材３５により電気的に接続されている。第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬにおける水素電極部３２の断面形状は矩形型である。この場合も、矩形型には長方形及び正方形が含まれる。水素電極部３２が第２の電極部である。
【００２０】
酸素発生電極２０と水素発生電極３０を、第１の平面２１と第２の平面３１とに対して垂直な第２の方向Ｄ２から見た場合、酸素電極部２２と水素電極部３２は交互に配置されている。すなわち、酸素発生電極２０の間２３に、水素発生電極３０の水素電極部３２が配置され、水素発生電極３０の間３３に、酸素発生電極２０の酸素電極部２２が配置されている。
酸素発生電極２０及び水素発生電極３０は、基板１７の表面１７ａ上に設けられている。この場合、第１の平面２１と第２の平面３１とはいずれも基板１７の表面１７ａとなる。酸素発生電極２０と水素発生電極３０とは同一面上に配置されている。なお、第１の平面２１は酸素発生電極２０が設けられる仮想的な面であるが物体表面等の実体的な面も含む。第２の平面３１は水素発生電極３０が設けられる仮想的な面であるが物体表面等の実体的な面も含む。
基板１７は容器１２の内部１２ａの底面１２ｃに設けられている。基板１７の表面１７ａは水平面Ｂに平行である。
ここで、第３の方向Ｄ３は、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２のいずれにも垂直な方向のことである。
【００２１】
酸素発生電極２０の酸素電極部２２と水素発生電極３０の水素電極部３２との電極間隔δが５μｍ超１ｍｍ未満である。電極間隔δは、５μｍ超５００μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ超２００μｍ以下である。
電極間隔δが５μｍ超１ｍｍ未満であれば、ｐＨ（水素イオン指数）グラジエントを抑制し、電解電圧を低減でき、塩析及び逆反応を抑制することができる。これにより、酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の効率を高くすることができる。
ここで、効率とは、酸素発生電極２０及び水素発生電極３０から得られる、水素の生成効率及び酸素の生成効率のことである。
【００２２】
また、第１の方向Ｄ１の長さ１ｍｍ当り、酸素電極部２２と水素電極部３２の対３９が１個以上５０個未満含まれることが好ましい。
電極間隔δが重要であるが、例えば、電極幅が電極間隔δの１０倍であった場合、酸素発生電極２０と水素発生電極３０とのうち、一方の電極の中央部分に対向する他方の電極は、パラメータＱだけ、離れた位置と対応する距離離れることになるため、酸素電極部２２と水素電極部３２の対３９は、１個以上５０個未満／ｍｍ含まれることが好ましい。
例えば、電極間隔δが５μｍであり、電極幅が５μｍである場合、２０μｍ毎に、一方の電極、隙間、他方の電極および隙間の順で配置されることなる。この場合、１ｍｍ当り、５０個程度の酸素電極部２２と水素電極部３２の対３９が存在することになる。
上述のパラメータＱは、パラメータＱ＝（電極間隔δ）＋（一方の電極の電極幅）／２＋（他方の電極の電極幅）／２である。
上述の電極幅とは、第１の方向Ｄ１における電極の長さのことである。
【００２３】
なお、電解電圧が小さいほど、水ＡＱの電気分解の効率が高いことを意味する。
塩析とは、電解液中に溶けている塩がある場合、電界集中により酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の少なくとも一方に析出してしまうことである。塩析がおこると、酸素発生又は水素発生に利用される電極部の有効面積が減少してしまう。塩析は繰り返し使用する際、耐久性の指標となるものである。
逆反応は、Ｈ２とＯ２が反応して、Ｈ２Ｏ（水）に戻る反応のことである。逆反応がおこると、水素の生成量及び酸素の生成量が低下し、効率が悪くなる。
【００２４】
図１に示す人工光合成モジュール１０において、電極間隔δは、隣接する酸素電極部２２と水素電極部３２との第１の方向Ｄ１における距離のことである。しかしながら、酸素電極部２２と水素電極部３２との電極間隔δに相当する隙間は第３の方向Ｄ３に沿って均一であるとは限らない。このため、電極間隔δは、上述の隙間の長さの平均値とする。上述の隙間の長さの平均値は、例えば、隙間の長さの２０点の平均値である。
電極間隔δは、以下のようにして得ることができる。
まず、酸素電極部２２と水素電極部３２について、図２に示す状態の第２の方向Ｄ２から見た場合のデジタル画像を取得する。デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、コンピュータにて酸素電極部２２の輪郭と、水素電極部３２の輪郭とを抽出する。抽出した酸素電極部２２の輪郭と、水素電極部３２の輪郭とに対して、第３の方向Ｄ３に沿って酸素電極部２２と水素電極部３２との電極間隔δに相当する隙間の長さを求める。次に、上述の隙間の長さの平均値を求めて、電極間隔δを得る。上述の隙間の長さの平均値は、例えば、隙間の長さの２０点の平均値である。
【００２５】
容器１２は、内部１２ａに水ＡＱを保持することができ、かつ光Ｌを内部１２ａにある酸素発生電極２０及び水素発生電極３０に照射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く、例えば、アクリル樹脂で構成される。容器１２は、少なくとも光Ｌの入射側の面１２ｂが透明の規定を満たすことが好ましい。
基板１７は、酸素発生電極２０と水素発生電極３０を支持するものである。基板１７は酸素発生電極２０と水素発生電極３０を支持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、ガラスで構成される。また、基板１７を設けることなく、容器１２の底面１２ｃに酸素発生電極２０と水素発生電極３０を設ける構成としてもよい。
【００２６】
水ＡＱには、蒸留水、及び冷却塔等で用いられる冷却水が含まれる。また、水ＡＱには電解水溶液も含まれる。ここで、電解水溶液とは、Ｈ２Ｏを主成分とする液体であり、水を溶媒とし溶質を含む水溶液であってもよく、例えば、強アルカリ（ＫＯＨ（水酸化カリウム））、Ｈ２ＳＯ４を含む電解液、又は硫酸ナトリウム電解液、リン酸カリウム緩衝液等である。電解水溶液としては、ｐＨ７に調整したリン酸カリウム電解液が好ましい。
また、水ＡＱには、例えば、電気伝導度２００ｍＳ／ｃｍ（ミリジーメンスパーセンチメートル）以下の電解液を用いることができ。水ＡＱとして用いる電解液の電気伝導度は、好ましくは１００ｍＳ／ｃｍ以下であり、より好ましくは２０ｍＳ／ｃｍ以下である。電気伝導度が２００ｍＳ／ｃｍ以下であれば、電極間隔δが小さくても水の電気分解を抑制する効果が大きく、また、塩の析出の抑制が可能であり、安全面でも優れる。なお、電気伝導度の下限値は、例えば、純水の電気伝導度の値であり、温度２５℃で１μＳ／ｃｍである。
電気伝導度は、株式会社堀場製作所製  ポータブル型 電気伝導率計  ES-71（商品名）を用いて測定することができる。また、電気伝導度は温度２０℃における値である。
【００２７】
次に、人工光合成モジュールの第２の例について説明する。人工光合成モジュールの第２の例は、上述の人工光合成モジュールの第１の例と同様に、原料流体が水であり、第１の流体が酸素であり、第２の流体が水素である。
図３は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第２の例を示す模式的断面図であり、図４は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第２の例を示す模式的平面図である。図３は図４の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬを示す。
なお、図３及び図４に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の電極配置構成において、図１に示す人工光合成モジュール１０、並びに図２に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０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。
【００２８】
人工光合成モジュールの第２の例は、図３及び図４に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０を有する以外は、上述の人工光合成モジュール１０と同じ構成である。
図３に示すように、酸素発生電極２０の第１の平面２１と水素発生電極３０の第２の平面３１とは第２の方向Ｄ２に離間しており、酸素発生電極２０と水素発生電極３０とが第２の方向Ｄ２に離間して配置されている。なお、酸素発生電極２０と水素発生電極３０とが第２の方向Ｄ２に離間して配置する方法は、特に限定されるものではない。光Ｌの入射側に配置されるものは、例えば、透明基板に形成して配置してもよい。
酸素発生電極２０と水素発生電極３０とを離間して配置することにより、酸素発生電極２０と水素発生電極３０との電極間隔δを、人工光合成モジュール１０の電極間隔δに比して広くすることができる。これにより、電界集中が抑制され、塩析をさらに抑制することができるため、上述の人工光合成モジュール１０に比して、電極部の有効面積の減少をさらに抑制できる。上述のように、電極間隔δを広くすることができることにより、塩析をさらに抑制することに加えて、逆反応を阻害することができる。
また、酸素発生電極２０と水素発生電極３０とを離間して配置することにより、人工光合成モジュール１０に比して、酸素電極部２２の第１の方向Ｄ１の長さと、水素電極部３２の第１の方向Ｄ１の長さとを長くすることもでき、電極部の有効面積を大きくできる。
【００２９】
なお、図３及び図４に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の電極配置構成において、電極間隔δは、図３に示すように隣接する酸素発生電極２０の酸素電極部２２の端部２２ｃと水素発生電極３０の水素電極部３２の端部３２ｃとの最短長さである。上述最短長さは後述の線分Ｓｇの長さのことである。
図３及び図４に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の電極配置構成において、上述の最短長さは、第３の方向Ｄ３から見た場合の、酸素発生電極２０と水素発生電極３０のデジタル画像を取得する。デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、コンピュータにて酸素電極部２２の輪郭と、水素電極部３２の輪郭とを抽出する。抽出した酸素電極部２２の輪郭から端部２２ｃと、水素電極部３２の輪郭から端部３２ｃとを得る。次に、酸素電極部２２の端部２２ｃと水素電極部３２の端部３２ｃとの距離が最短となる線分Ｓｇを得る。この線分Ｓｇの長さを求めることにより、電極間隔δを得る。
【００３０】
図３及び図４に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の電極配置構成においても、電極間隔δが５μｍ超１ｍｍ未満であり、５μｍ超５００μｍ以下が好ましく、より好ましくは、５μｍ超２００μｍ以下である。電極間隔δが５μｍ超１ｍｍ未満であれば、ｐＨグラジエントを抑制し、電解電圧を低減でき、塩析及び逆反応を抑制することができ、高い効率を得ることができる。
なお、図３及び図４に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の電極配置構成では、上述の人工光合成モジュール１０に比して、発生した酸素及び水素の通り抜けが良好であり、かつ酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の面積を有効に利用できる。このように、酸素発生又は水素発生に利用される電極部の有効面積を多くすることができる。
上述の線分Ｓｇは、線分Ｓｇの傾斜角度θにより長さが変わる。傾斜角をθとした場合、上述の人工光合成モジュール１０に比して、１／ｃｏｓθ分だけ面積を有効に利用することができる。このため、傾斜角度θが４５°の場合、１／√２分だけ、酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の面積を有効に利用できる。傾斜角度θは４５°〜９０°であることが好ましい。傾斜角度θが４５°〜９０°であると、発生した酸素及び水素の通り抜けが良好であり、かつ酸素発生電極２０及び水素発生電極３０の面積を有効に利用できる。傾斜角度θは、線分Ｓｇと、第１の平面２１とのなす角度のことである。上述のように線分Ｓｇを求める際に、線分Ｓｇを第１の平面２１迄伸ばすことにより傾斜角度θを得ることができる。
【００３１】
図２に示す酸素発生電極２０及び図４に示す酸素発生電極２０は、いずれも酸素電極部２２同士が第１の導電部材２５により電気的に接続されている。しかし、図５に示す酸素発生電極２０ａのように、くし型構造でもよい。
図５に示す酸素発生電極２０ａは、さらに第１の方向Ｄ１に伸びた、平板状の酸素電極基材部２６を有する。複数の酸素電極部２２の各端部に、第１の方向Ｄ１に伸びた酸素電極基材部２６が接続されている。酸素電極基材部２６は酸素電極部２２と同じく平板状であり、酸素電極部２２と酸素電極基材部２６とは一体である。酸素電極部２２と酸素電極基材部２６とで第１の凹部２７が構成される。
なお、酸素電極基材部２６は、酸素電極部２２と同じ構成であっても、異なる構成でもよい。酸素電極基材部２６が酸素電極部２２と異なる構成の場合、例えば、酸素電極基材部２６は、第１の導電部材２５と同様に集電電極として利用することができる。酸素電極基材部２６は第１の電極基材部である。
【００３２】
図２に示す水素発生電極３０及び図４に示す水素発生電極３０は、いずれも水素電極部３２同士が第２の導電部材３５により電気的に接続されている。しかし、図５に示す水素発生電極３０ａのように、くし型構造でもよい。
図５に示す水素発生電極３０ａは、さらに第１の方向Ｄ１に伸びた、平板状の水素電極基材部３６を有する。複数の水素電極部３２の各端部に、第１の方向Ｄ１に伸びた水素電極基材部３６が接続されている。水素電極基材部３６は水素電極部３２と同じく平板状であり、水素電極部３２と水素電極基材部３６とは一体である。水素電極部３２と水素電極基材部３６とで第２の凹部３７が構成される。
なお、水素電極基材部３６は、水素電極部３２と同じ構成であっても、異なる構成でもよい。水素電極基材部３６が水素電極部３２と異なる構成の場合、例えば、水素電極基材部３６は、第２の導電部材３５と同様に集電電極として利用することができる。水素電極基材部３６は第２の電極基材部である。
【００３３】
図５に示す酸素発生電極２０ａと水素発生電極３０ａでは、第２の方向Ｄ２（図１参照）から見た場合、酸素発生電極２０の第１の凹部２７に水素電極部３２が入り込み、水素発生電極３の第２の凹部３７に酸素電極部２２が入り込んでいる。
図５に示すように酸素発生電極２０ａと水素発生電極３０ａをくし型構造とすることにより、スクリーン印刷等の簡易プロセスで精密に、酸素発生電極２０ａと水素発生電極３０ａを作製することができる。
なお、図５に示すくし型構造の場合、上述の電極間隔δは、酸素電極部２２と水素電極基材部３６との間隔δ１、水素電極部３２と第１の導電部材との間隔δ２及び隣接する酸素電極部２２と水素電極部３２との距離δ３の平均値である。
上述の間隔δ１、間隔δ２及び距離δ３は、例えば、それぞれ２０点の測定点の平均値でもよい。
【００３４】
酸素電極部２２と水素電極基材部３６との間隔δ１、水素電極部３２と第１の導電部材との間隔δ２及び隣接する酸素電極部２２と水素電極部３２との距離δ３は、上述の電極間隔δを求める際と同じく、図５に示す酸素発生電極２０ａと水素発生電極３０ａについて、図２に示す状態の第２の方向Ｄ２から見た場合のデジタル画像を取得する。デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、コンピュータにて酸素電極部２２の輪郭と、水素電極部３２の輪郭とを抽出する。抽出した酸素電極部２２の輪郭と、水素電極部３２の輪郭とに基づいて、上述の間隔δ１、間隔δ２及び距離δ３を求め、さらに間隔δ１、間隔δ２及び距離δ３の平均値を求めて電極間隔δを得る。
【００３５】
図５では、酸素発生電極２０ａ及び水素発生電極３０ａのいずれもが、くし型構造であったが、これに限定されるものではなく、酸素発生電極２０ａ及び水素発生電極３０ａのうち、少なくとも一方の電極がくし型構造であってもよい。このとき、第２の方向Ｄ２から見た場合、第１の凹部に水素電極部３２が入り込むか、又は第２の凹部に酸素電極部２２が入り込む電極配置構成となる。
【００３６】
次に、人工光合成モジュールの第３の例について説明する。人工光合成モジュールの第３の例は、上述の人工光合成モジュールの第１の例と同様に、原料流体が水であり、第１の流体が酸素であり、第２の流体が水素である。
図６は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第３の例を示す模式的断面図であり、図７は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極配置構成の第３の例を示す模式的平面図である。図６は図７の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬを示す。
なお、図６及び図７に示す酸素発生電極２０ｂ及び水素発生電極３０ｂの電極配置構成において、図１に示す人工光合成モジュール１０、並びに図２に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０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。
【００３７】
人工光合成モジュールの第３の例は、図６及び図７に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０を有する以外は、上述の人工光合成モジュール１０と同じ構成である。
図６に示す酸素発生電極２０ｂは、酸素電極部２２が図１に示す酸素発生電極２０の酸素電極部２２に比して、第１の方向Ｄ１における長さが長く、電極幅が広いものである。水素発生電極３０ｂは、水素電極部３２が図１に示す水素発生電極３０の水素電極部３２に比して、第１の方向Ｄ１における長さが長く、電極幅が広いものである。
【００３８】
酸素電極部２２は第１の方向Ｄ１に沿って間２３をあけて配置されている。水素電極部３２は第１の方向Ｄ１に間３３をあけて配置されている。上述の間２３及び間３３は、いずれも電極間隔δとは異なるスペースである。上述の間２３及び間３３は、いずれも第１の方向Ｄ１における長さγが１０μｍ以上であることが好ましい。上述の間２３及び間３３を設けることにより、発生した酸素及び水素の抜けが良好となる。これにより、発生した酸素及び水素が気泡の形態での滞留を抑制でき、気泡により光Ｌが遮られることが抑制される。このため、発生した酸素及び水素の反応効率に与える影響を小さくすることができる。
【００３９】
図６に示すように、酸素発生電極２０ｂの第１の平面２１と水素発生電極３０ｂの第２の平面３１とは第２の方向Ｄ２に離間しており、酸素発生電極２０ｂと水素発生電極３０ｂとが第２の方向Ｄ２に離間して配置されている。
さらに、酸素発生電極２０ｂと水素発生電極３０ｂとが第１の方向Ｄ１において少なくとも一部を重ねて配置されている。
酸素発生電極２０ｂ及び水素発生電極３０ｂのうち、光の入射側に配置された酸素発生電極２０ｂ又は水素発生電極３０ｂは光を透過するものである。図６及び図７に示すように、水素発生電極３０ｂの上方に酸素発生電極２０ｂが配置されており、酸素発生電極２０ｂが光を透過する。
なお、酸素発生電極２０の上方に水素発生電極３０ｂを配置する構成としてもよく、この場合、水素発生電極３０ｂは光を透過する構成とする。
【００４０】
ここで、光を透過するとは、光透過率が、波長３８０〜７８０ｎｍの領域において、６０％以上のことである。上述の光透過率は分光光度計により測定される。分光光度計としては、例えば、紫外可視分光光度計である日本分光株式会社製V-770（品名）が用いられる。
なお、透過率をＴ％とするとき、Ｔ＝（Σλ(測定物質+基板)／Σλ(基板)）×１００％で表される。上述の測定物質はガラス基板で、基板リファレンスは空気である。積分の範囲は波長３８０〜７８０ｎｍの光のうち、光触媒層の受光波長までとする。なお、透過率の測定にはＪＩＳ（日本工業規格）  Ｒ  ３１０６−１９９８を参考にすることができる。
【００４１】
図６及び図７に示す電極幅が広い酸素電極部２２を有する酸素発生電極２０ｂと、電極幅が広い水素電極部３２を有する水素発生電極３０ｂとを用いることにより、上述の人工光合成モジュールの第１の例、及び人工光合成モジュールの第２の例に比して、酸素発生及び水素発生に利用される電極部の有効面積を多くすることができる。これにより、人工光合成モジュールの大きさが同じであれば、人工光合成モジュールの第３の例では、上述の人工光合成モジュールの第１の例及び人工光合成モジュールの第２の例に比して、酸素の発生及び水素の発生の効率を高くすることができる。
【００４２】
図６及び図７に示す酸素発生電極２０ｂ及び水素発生電極３０ｂの電極配置構成では、第２の方向Ｄ２における酸素発生電極２０ｂと水素発生電極３０ｂとの離間距離の平均値が電極間隔δである。
図６及び図７に示す酸素発生電極２０ｂ及び水素発生電極３０ｂの電極配置構成においても、電極間隔δが５μｍ超１ｍｍ未満であり、５μｍ超５００μｍ以下が好ましく、より好ましくは、５μｍ超２００μｍ以下である。電極間隔δが５μｍ超１ｍｍ未満であれば、ｐＨグラジエントを抑制し、電解電圧を低減でき、塩析及び逆反応を抑制することができ、酸素発生電極２０ｂ及び水素発生電極３０ｂの効率を高くすることができる。
【００４３】
電極間隔δについては、上述の電極間隔δと同じく、第３の方向Ｄ３から見た場合の、酸素発生電極２０ｂと水素発生電極３０ｂのデジタル画像を取得する。デジタル画像をパーソナルコンピュータに取り見込み、コンピュータにて酸素電極部２２の輪郭と、水素電極部３２の輪郭とを抽出する。抽出した酸素電極部２２の輪郭と、水素電極部３２の輪郭とに対して、第１の方向Ｄ１に沿って、酸素電極部２２と水素電極部３２との電極間隔δに相当する離間距離を求める。次に、上述の離間距離の平均値を求めて、電極間隔δを得る。
【００４４】
なお、上述の人工光合成モジュールの第１の例〜人工光合成モジュールの第３の例において、容器１２（図１参照）は、水平面Ｂ（図１参照）に対して特定の角度傾けて配置してもよい。これにより、例えば、気体として発生した酸素及び水素を回収しやすくなる。また、発生した酸素を酸素発生電極２０から速やかに移動させ、発生した水素を水素発生電極３０から速やかに移動させることができる。これにより、発生した酸素及び水素が気泡の形態での滞留を抑制でき、気泡により光Ｌが遮られることが抑制される。このため、発生した酸素及び水素の反応効率に与える影響を小さくすることができる。
上述の容器１２（図１参照）を水平面Ｂ（図１参照）に対して特定の角度傾けて配置することによる効果は、酸素及び水素に限定されるものではなく、被処理流体を光により分解して気体が発生する場合には同様の効果を得ることができる。
【００４５】
以下、第１の電極の一例である酸素発生電極及び第２の電極の一例である水素発生電極について詳細に説明する。
図８は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構造の一例を示す模式的断面図である。なお、酸素発生電極及び水素発生電極は、同じ構成であるため、図８の１図で示す。酸素発生電極２０及び水素発生電極３０は、いずれも以下に示す構成以外の層があってもよく、例えば、コンタクト層又は保護層等を有する構成でもよい。
【００４６】
＜電極構造＞
酸素発生電極２０は、図８に示すように、第１の基板４０と、第１の基板４０上に設けられた第１の導電層４２と、第１の導電層４２上に設けられた第１の光触媒層４４と、第１の光触媒層４４の少なくとも一部に担持された第１の助触媒４６とを有する。酸素電極部２２の構成は、上述の図８の酸素発生電極２０の構成と同じである。酸素発生電極２０の配置は、水素発生電極３０との配置形態等により、適宜決定されるものであり、特に限定されるものではない。酸素発生電極２０は、例えば、第１の助触媒４６側から光Ｌ（図１参照）が入射される配置でもよく、第１の基板４０側から光Ｌ（図１参照）が入射される配置でもよい。
第１の助触媒４６は第１の光触媒層４４の表面４４ａに設けられている。第１の助触媒４６は、例えば、複数の助触媒粒子４７で構成されている。酸素発生電極２０では、ｐｎ接合を有する構成とすることも好ましい。酸素発生電極２０の各構成については後に詳細に説明する。
【００４７】
水素発生電極３０は、図８に示すように、第２の基板５０と、第２の基板５０上に設けられた第２の導電層５２と、第２の導電層５２上に設けられた第２の光触媒層５４と、第２の光触媒層５４の少なくとも一部に担持された第２の助触媒５６とを有する。水素電極部３２の構成は、上述の図８の水素発生電極３０の構成と同じである。水素発生電極３０の配置は、酸素発生電極２０との配置形態等により、適宜決定されるものであり、特に限定されるものではない。水素発生電極３０は、例えば、第２の助触媒５６側から光Ｌ（図１参照）が入射される配置でもよく、第２の基板５０側から光Ｌ（図１参照）が入射される配置でもよい。
第２の助触媒５６は第２の光触媒層５４の表面５４ａに設けられている。第２の助触媒５６は、例えば、複数の助触媒粒子５７で構成されている。
水素発生電極３０では、光Ｌを吸収した際に生成するキャリアが発生し、水ＡＱを分解して水素が発生する。水素発生電極３０では、第２の光触媒層５４の表面５４ａにｎ型伝導性を持つ材料を積層させｐｎ接合を有する構成とすることも好ましい。水素発生電極３０の各構成については後に詳細に説明する。
酸素発生電極２０及び水素発生電極３０のうち、両方がｐｎ接合を有する構成であってよく、少なくとも一方がｐｎ接合を有する構成であってもよい。
【００４８】
なお、上述の図６に示す構成では、光Ｌが入射する側の酸素発生電極２０では、第１の助触媒４６が光Ｌの入射方向の反対側に配置される構成とする。これにより、酸素発生電極２０への光Ｌの入射光量の低下が抑制される。酸素発生電極２０では、第１の光触媒層４４側から光Ｌが入射される。水素発生電極３０では、第２の助触媒５６から光Ｌが入射され、第２の光触媒層５４へと到達する。このため、図６に示す構成では、酸素発生電極２０の第１の基板４０及び第１の導電層４２は光透過性を有する必要があるが、水素発生電極３０では第２の導電層５２及び第２の基板５０は光を透過する必要がない。
【００４９】
＜酸素発生電極＞
酸素発生電極２０に適した第１の基板、第１の導電層、第１の光触媒層及び第１の助触媒について説明する。
【００５０】
＜酸素発生電極の第１の基板＞
第１の基板には、例えば、高歪点ガラス及び無アルカリガラス等のガラス板、又はポリイミド材が用いられる。
＜酸素発生電極の第１の導電層＞
第１の導電層４２は、光触媒層及び被覆層を支持するものであり、公知の導電層を使用でき、例えば、金属、カーボン（グラファイト）等の非金属、又は、導電性酸化物等の導電材料により形成された導電層を用いることが好ましい。第１の導電層４２を透明なものとする場合、透明な導電性酸化物により形成する。上述の透明な導電性酸化物には、例えば、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＩＭＯ（ＭｏがドープされたＩｎ２Ｏ３）、又はＡｌ、Ｂ、ＧａもしくはＩｎ等がドープされたＺｎＯ等を用いることが好ましい。なお、第１の導電層４２における透明とは、上述の透明と同じである。
【００５１】
＜酸素発生電極の第１の光触媒層＞
第１の光触媒層４４を構成する光半導体としては、公知の光触媒を使用でき、少なくとも１種の金属元素を含む光半導体である。
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、又は連続照射による耐久性がより優れる点で、金属元素としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｎ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ，Ｃｒ、又はＳｎが好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、又は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、硫化物、及びセレン化物等が挙げられる。
また、第１の光触媒層中には、通常、光半導体が主成分として含まれる。主成分とは、第２の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。上限は特に限定されるものではないが、１００質量％である。
【００５２】
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、及び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）、及びＴｉＮｘＯｙＦｚ等の酸窒化物、ＮｂＮ，及び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，及びＥｒ）、並びに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。
【００５３】
なかでも、光半導体としては、ＢａＢｉ１−ｘＩｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｎｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＧｅｘＯ３、ＢａＺｒ１−ｘＳｉｘＯ３、ＮｂＮ、ＴｉＯ２、ＷＯ３、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｝、又は、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、又はＴａＯＮ、ＢｉＶＯ４、Ｔａ３Ｎ５、又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を用いることができる。
【００５４】
第１の光触媒層に含まれる光半導体の形状は特に限定されるものではなく、膜状、柱状、及び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、１０μｍ以下が好ましく、より好ましくは２μｍ以下である。
上述の粒径は平均粒径であり、透過型電子顕微鏡又は走査型電子顕微鏡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、第１の導電層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、０．０２５μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０５μｍ以上であり、通常、１０μｍ以下が好ましく、より好ましくは２μｍ以下である。
上述の直径は平均直径であり、透過型電子顕微鏡（装置名：株式会社  日立ハイテクノロジーズ  Ｈ−８１００）又は走査型電子顕微鏡（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。
【００５５】
第１の光触媒層の厚みは特に限定されるものではないが、酸化物又は窒化物の場合には、３００ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。なお、第１の光触媒層の最適な厚みについては光Ｌの浸入長又は励起されたキャリアの拡散長によって決まる。
ここで、第１の光触媒層の材料として良く用いられるＢｉＶＯ４をはじめとして、多くの光触媒層の材料は吸収できる波長の光を全て活用できるほどの厚みでは反応効率が最大ではない。厚みが厚い場合にはキャリア寿命及び移動度の問題により膜面から遠い場所で発生したキャリアを膜面まで失活させることなく輸送することが難しい。そのため膜厚を厚くしても、期待されるほどの電流を取り出すことができない。
また、粒子系でよく用いられる粒子転写電極では粒子径が大きいほど電極膜は租になり、厚み、すなわち、粒径が増すほど膜密度は下がることになり、期待されるほどの電流を取り出すことが難しい。第１の光触媒層の厚みが３００ｎｍ以上２μｍ以下であれば、電流を取り出すことができる。
第１の光触媒層の厚みは、電極の断面状態の走査型電子顕微鏡像を取得して、取得した画像から求めることができる。
【００５６】
上述の第１の光触媒層の形成方法は特に限定されるものではないが、公知の方法（例えば、粒子状の光半導体を基板上に堆積させる方法）を採用できる。形成方法として、具体的には、電子ビーム蒸着法、スパッタ法及びＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の気相成膜法、Ｃｈｅｍ. Ｓｃｉ., ２０１３, ４, １１２０−１１２４に記載の転写法、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２０１３，２５，１２５−１３１に記載の方法が挙げられる。
なお、第１の基板と第１の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。
【００５７】
＜酸素発生電極の第１の助触媒＞
第１の助触媒としては、貴金属及び遷移金属酸化物が用いられる。第１の助触媒は、真空蒸着法、スパッタ法、及び電着法等を用いて担持される。第１の助触媒が、例えば、１〜５ｎｍ程度の設定膜厚で形成されると、膜として形成されず島状になる。
第１の助触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｎ、又はＦｅ等により構成される単体、及びそれらを組み合わせた合金、並びにその酸化物及び水酸化物、例えば、ＦｅＯｘ、ＣｏＯ等のＣｏＯｘ、ＮｉＯｘ、ＲｕＯ２並びにＣｏＯＯＨ、ＦｅＯＯＨ、ＮｉＯＯＨ及びＲｕＯＯＨ等を用いることができる。
【００５８】
次に、水素発生電極３０の第２の基板５０、第２の導電層５２、第２の光触媒層５４及び第２の助触媒５６について説明する。
【００５９】
＜水素発生電極の第２の基板＞
図８に示す水素発生電極３０の第２の基板５０は、第２の光触媒層５４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。第２の基板５０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又はセラミックス基板を用いることができる。また、第２の基板５０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基板又はＳＵＳ（Steel Use Stainless）基板等の金属基板、又は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、金属基板及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、第２の基板５０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。第２の基板５０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、第２の基板５０として、例えば、高歪点ガラス及び無アルカリガラス等のガラス板、又はポリイミド材を用いることもできる。
【００６０】
第２の基板５０の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、２０〜２０００μｍ程度あればよく、１００〜１０００μｍが好ましく、１００〜５００μｍがより好ましい。なお、第２の光触媒層５４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、第２の基板５０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、第２の基板５０の表面５０ａ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、第２の基板５０の構成元素にアルカリ金属を含む場合には、アルカリ供給層は不要である。
【００６１】
＜水素発生電極の第２の導電層＞
第２の導電層５２は、第２の光触媒層５４で発生したキャリアを捕集し輸送するものである。第２の導電層５２は、導電性を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば、Ｍｏ、Ｃｒ及びＷ等の金属、又はこれらを組み合わせたものにより構成される。第２の導電層５２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、第２の導電層５２は、Ｍｏで構成することが好ましい。第２の導電層５２は厚みが２００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００６２】
＜水素発生電極の第２の光触媒層＞
第２の光触媒層５４は、光吸収によりキャリアを生成するものであり、その導電帯下端が水を分解し水素を生成する電位（Ｈ２／Ｈ＋）よりも碑側にあるものである。第２の光触媒層５４は正孔を生成し、第２の導電層５２に輸送するｐ型伝導性を持つものであるが、第２の光触媒層５４の表面５４ａにｎ型伝導性を持つ材料を積層させｐｎ接合を形成することも好ましい。第２の光触媒層５４の厚みは、好ましくは５００〜３０００ｎｍである。
【００６３】
ｐ型伝導性を持つものを構成する光半導体は少なくとも１種の金属元素を含む光半導体である。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、又は連続照射による耐久性がより優れる点で、金属元素としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｎ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ，Ｃｒ又はＳｎが好ましく、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｎ，Ｃｕ、Ｚｒ、又はＳｎ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、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、カルコパイライト結晶構造を有するＣＩＧＳ化合物半導体、又はＣｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣＺＴＳ化合物半導体で構成されるのが好ましい。
カルコパイライト結晶構造を有するＣＩＧＳ化合物半導体、又はＣｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣＺＴＳ化合物半導体で構成されるのが特に好ましい。
ＣIＧＳ化合物半導体層は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）のみならず、ＣｕＩｎＳｅ２（ＣＩＳ）、又はＣｕＧａＳｅ２（ＣＧＳ）等で構成してもよい。さらにＣＩＧＳ化合物半導体層は、Ｓｅの全部又は一部をＳで置換したもので構成してもよい。
【００６４】
なお、ＣＩＧＳ化合物半導体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、及び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化合物半導体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、及びスプレー法（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）又はスプレー法（ウェット成膜法）等で、１１族元素、１３族元素、及び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）。以下、ＣＩＧＳ化合物半導体層のことを単にＣＩＧＳ層ともいう。
【００６５】
上述のようにｎ型伝導性を持つ材料を第２の光触媒層５４の表面５４ａに積層した場合、ｐｎ接合が形成される。
ｎ型伝導性を持つ材料は、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ，Ｚｎ（Ｓ，Ｏ）、及び／又はＺｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＳｎＳ，Ｓｎ（Ｓ，Ｏ）、及び／又はＳｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＩｎＳ，Ｉｎ（Ｓ，Ｏ）、及び／又はＩｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）等の、Ｃｄ，Ｚｎ，Ｓｎ，及び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型伝導性を持つ材料の層の膜厚は、２０〜１００ｎｍが好ましい。ｎ型伝導性を持つ材料の層は、例えば、ＣＢＤ（Chemical Bath Deposition）法により形成される。
【００６６】
第２の光触媒層５４については、無機半導体からなり、水の光分解反応を生じさせ、水素を気体として発生させる等、水素を得ることができれば、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、又は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、又は有機系薄膜型光電変換素子を用いることができる。
【００６７】
＜水素発生電極の第２の助触媒＞
第２の助触媒５６としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｎ及びＲｕＯ２を用いることが好ましい。
【００６８】
第２の光触媒層５４と第２の助触媒５６との間に透明導電層（図示せず）を設けてもよい。透明導電層は、第２の光触媒層５４と第２の助触媒５６とを電気的に接続する機能が必要であり、透明導電層には、透明性、耐水性、及び遮水性も要求され、透明導電層により水素発生電極３０の耐久性が向上する。
【００６９】
透明導電層は、例えば、金属又は導電性酸化物（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。透明導電層は、第２の光触媒層５４の吸収波長に合わせて適宜選択されるものである。透明導電層には、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、又はＩｎ等がドープされたＺｎＯ、又はＩＭＯ（ＭｏがドープされたＩｎ２Ｏ３）等の透明導電膜を用いることができる。透明導電層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、透明導電層の厚さは、特に限定されるものではなく、好ましくは、３０〜５００ｎｍである。
なお、透明導電層の形成方法は、特に限定されるものではないが、真空成膜法が好ましく、電子ビーム蒸着法、スパッタ法及びＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の気相成膜法により形成することができる。
【００７０】
また、透明導電層にかえて第２の助触媒５６の表面に、第２の助触媒５６を保護する保護膜を設けるようにしてもよい。
保護膜は、第２の助触媒５６の吸収波長に合わせたもので構成される。保護膜には、例えば、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２及びＧａ２Ｏ３等の酸化物が用いられる。保護膜は絶縁体の場合、例えば、厚みが５〜５０ｎｍであり、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法等の成膜法が選択される。保護膜が導電性の場合には、例えば、厚みが５〜５００ｎｍであり、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法及びＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）に加えスパッタ法等で形成することもできる。保護膜は、導電体の場合の方が、絶縁性の場合に比して厚くすることができる。
【００７１】
図６に示すように、酸素発生電極２０と水素発生電極３０を重ねる電極配置構成の場合、酸素発生電極２０の第１の光触媒層４４の吸収端を、例えば、５００〜８００ｎｍ程度とし、水素発生電極３０の第２の光触媒層５４の吸収端を、例えば、６００〜１３００ｎｍ程度とする。
ここで、酸素発生電極２０の第１の光触媒層４４の吸収端をλ１とし、水素発生電極３０の第２の光触媒層５４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、光Ｌが太陽光である場合、先に酸素発生電極２０の第１の光触媒層４４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、光Ｌが水素発生電極３０の第２の光触媒層５４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３０では必要なキャリア生成量が得られる。これにより、光Ｌの利用効率をより高めることができる。
【００７２】
＜電極断面構成＞
酸素発生電極２０の酸素電極部２２及び水素発生電極３０の水素電極部３２の第３の方向Ｄ３に垂直な断面は、例えば、矩形型、三角形、凸型、半円形、又は丸型である。図１及び図２に示す酸素電極部２２及び水素電極部３２の断面形状は矩形型である。
【００７３】
図９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の例を示す模式的斜視図であり、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２の例を示す模式的斜視図であり、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３の例を示す模式的斜視図であり、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４の例を示す模式的斜視図である。
なお、図９〜図１２に示す酸素発生電極２０の酸素電極部２２及び水素発生電極３０の水素電極部３２において、図２に示す酸素発生電極２０及び水素発生電極３０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。
図９〜図１２は、酸素発生電極２０の酸素電極部２２及び水素発生電極３０の水素電極部３２の断面形状を説明するためのものであり、詳細な構成の図示は省略している。
図９〜図１２の端面が、酸素発生電極２０の酸素電極部２２及び水素発生電極３０の水素電極部３２の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬ（図２参照）における断面形状を示す。
【００７４】
酸素電極部２２及び水素電極部３２の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬ（図２参照）における断面形状は、矩形型以外に、図９に示すように三角形でもよい。図９に示す角度α１は、水平線Ｂ１と斜面６０ａとのなす角度のことである。
図９に示す斜面６０ａの角度α１は、断面形状が三角形であれば、特に限定されるものではない。また、２つの斜面６０ａの角度α１は、同じであってもよく、異なっていてもよい。
また、酸素電極部２２及び水素電極部３２の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬ（図２参照）における断面形状は、図１０に示すように凸型でもよい。図１０に示す構成は凸状の曲面６２を有する。これ以外に、断面形状としては、半円形でもよく、丸型でもよい。丸型には、円及び楕円が含まれる。
さらには、酸素電極部２２及び水素電極部３２の第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬ（図２参照）における断面形状は、図１１に示すように、多角形でもよい。図１１に示す構成は２つの斜面６４ａと、水平線Ｂ１に対して平行な面６４ｂとで構成されている。斜面６４ａの角度α２は、水平線Ｂ１と斜面６４ａとのなす角度のことである。なお、２つの斜面６４ａの角度α２は、同じであってもよく、異なっていてもよい。
酸素電極部２２及び水素電極部３２第３の方向Ｄ３に垂直な断面ＰＬ（図２参照）における断面形状は、図１２に示すように凹状でもよい。図１２に示す構成は凹面６６を有する。
【００７５】
＜電極平面構成＞
酸素発生電極２０の酸素電極部２２及び水素発生電極３０の水素電極部３２の第２の方向Ｄ２の形状は、例えば、長方形であるが、これに限定されるものではなく、正方形でも、三角形等の多角形でもよい。酸素電極部２２及び水素電極部３２の第２の方向Ｄ２の形状としては、直線で囲まれた領域を有する平面形状であれば、その形状は特に限定されるものではなく、長辺がのこぎり波形等の折線で構成された長方形状でもよい。また、酸素電極部２２及び水素発生電極３０の水素電極部３２の第２の方向Ｄ２の形状としては、直線と曲線とで囲まれた領域を有する平面形状でもよい。この場合、例えば、長辺が波形等の曲線で構成された長方形状でもよい。
なお、酸素電極部２２と水素電極部３２とについては、電極の配置及び作製の容易さから、酸素電極部２２と水素電極部３２とは合同な形状であることが好ましいが、酸素電極部２２同士、又は水素電極部３２同士が合同な形状であってもよい。また、酸素電極部２２と水素電極部３２とが相似形状であってもよい。
【００７６】
なお、上述の人工光合成モジュールでは、光触媒を用いて、水ＡＱの分解に必要な起電力を入射される光Ｌにより得ているが、これに限定されるものではない。例えば、入射される光Ｌにより上述の起電力を得るのではなく、電源等により人工光合成モジュールの外部から起電力が供給される構成でもよい。これに以外に、外部からの起電力としては、例えば、太陽電池又は風力発電等により得られたものでもよい。外部から起電力が供給される構成の場合、水ＡＱが収納される容器１２と、電源等は一体であってもよいが、配線等を用いて離間して配置することもできる。
【００７７】
上述の人工光合成モジュール用電極及び人工光合成モジュールでは、水ＡＱを分解して酸素及び水素を気体として発生させることを例にして説明したが、これに限定されるものではなく、メタン等を発生させることができる。
分解する対象である原料流体は、水ＡＱ以外の液体、及び気体とすることができ、分解する対象である原料流体は、水ＡＱに限定されない。また、人工光合成モジュール用電極及び人工光合成モジュールでは、発生させる第１の流体及び第２の流体についても、酸素及び水素に限定されるものではなく、電極の構成を調整することにより、原料流体から液体又は気体を得ることができる。例えば、硫酸から過硫酸を得ることができる。水から過酸化水素を得ることができ、食塩から次亜塩素酸塩を得ることができ、ヨウ素酸塩から過ヨウ素酸塩を得ることができ、三価セリウムから四価セリウムを得ることができる。
【００７８】
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用電極及び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、種々の改良又は変更をしてもよいのはもちろんである。
【実施例】
【００７９】
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、使用量、物質量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
本実施例では、実施例１〜実施例７と、比較例１〜比較例６の電極を作製し、電解電圧と耐久性及び逆反応率を評価した。
実施例１〜実施例７と、比較例１〜比較例６の電極の構成は、図１及び図２に示す構成、図５に示す構成又は平行平板を重ねた構成とし、電解水溶液を第１の方向Ｄ１と平行な方向Ｊに供給した。なお、電極は白金で構成した。【００８０】
電解電圧は、電解水溶液を供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極に変換効率１０％となるように電流値をポテンションスタットを用いて制御して電圧を測定した。
なお、電解電圧とは、水（電解水溶液）の電気分解に要する陽極及び陰極（水素発生電極、酸素発生電極）の全電位から水の理論的電解電圧を引いた電圧のことである。電解電圧が小さいほど、水の電気分解の効率が高いことを意味する。変換効率１０％相当の電流とは、電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となる電流のことである。【００８１】
以下、評価に使用した電解液、及びポテンショスタットを示す。
電解液：１Ｍ  Ｈ３ＢＯ３＋ＫＯＨ  ｐＨ９．５
ポテンショスタット：北斗電工株式会社製  ＨＺ−５０００【００８２】
耐久性は、電解水溶液を供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極にエネルギー変換効率２０％相当の電流値を３０分間流し、電圧値の増大を記録する。これを繰り返し、電圧値の増加が３０％以上となるまでの回数を求めた。
なお、擬似太陽光の光源、電解液、及びポテンショスタットは、上述の電解電圧と同じものを用いた。
下記表１の耐久性の欄において「＞５０」は、５０回行っても電圧値の増加が３０％未満であったものを示す。【００８３】
逆反応率は、発生した水素を回収し、回収した水素の量をガスクロマトグラフィーを用いて求めた。理論的に得られる水素の量を１００として、回収した水素の量の割合を求め、この割合を逆反応率とした。逆反応率は、値が小さい方が逆反応が少ないことを意味しており、値が小さい方が効率が高いことを示す。下記表１では、逆反応率はパーセントで示す。
ガスクロマトグラフィーには、ジーエルサイエンス株式会社製Agilent 490 マイクロＧＣを用いた。【００８４】
（実施例１）
実施例１は、図１及び図２に示す構成とし、水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ、ガラス基板上に形成されたチタン膜を、フォトリソグラフィ法を用いて、下記電極部の寸法、かつ電極間隔となるパターン形成した。その後、チタン膜の表面に白金膜を形成した。水素発生電極と酸素発生電極は、チタン膜の表面に白金膜が形成された電極である。
電極部の寸法を２０ｍｍ×２０μｍ×厚さ１００ｎｍとし、水素発生電極と酸素発生電極の互いに入り込ませた状態とした。水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を１０μｍとした。【００８５】
（実施例２）
実施例２は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を２０μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。
（実施例３）
実施例３は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を１００μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。【００８６】
（実施例４）
実施例４は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を２００μｍとした点以外は、それ以外は実施例１と同じとした。
（実施例５）
実施例５は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を５００μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。
（実施例６）
実施例６は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を８００μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。【００８７】
（実施例７）
実施例７は、実施例１に比して、図３及び図４に示す構成として、水素発生電極と酸素発生電極とを上下に離間した点、及び水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を２００μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。【００８８】
（比較例１）
比較例１は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を２μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。
（比較例２）
比較例２は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を３μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。
（比較例３）
比較例３は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を５μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。
（比較例４）
比較例４は、実施例１に比して、水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を１０００μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。
（比較例５）
比較例５は、実施例１に比して、電極構成を平行平板とした点、及び水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を５００μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。
（比較例６）
比較例６は、実施例１に比して、電極構成を平行平板とした点、及び水素発生電極と酸素発生電極の電極間隔を８００μｍとした点以外は、実施例１と同じとした。【００８９】
【表１】
2018198861.tif 000003
【００９０】
表１に示すように、実施例１〜実施例７は、電極配置によらず、電解電圧が小さく、かつ逆反応率が小さく、効率が良かった。さらには、実施例１〜実施例７は耐久性も良好であった。
一方、比較例１〜比較例６において、電極間隔が狭い比較例１〜比較例３は逆反応率が高く、効率が悪かった。また、比較例１〜比較例３は耐久性も良くなかった。
比較例４は電極間隔が広く電解電圧が高く、効率が悪かった。比較例５及び比較例６は電極構成が平行平板であり、電解電圧が高く、効率が悪かった。
なお、ＢｉＶＯ４とＣＩＧＳとの電極材料の組合せについて、上述の実施例１〜実施例７と同様の構成で水分解効率を測定したところ、同じ電極間距離と水分解効率に対し同じ傾向を確認した。水分解効率はガスクロマトグラフィーによるガス発生量から見積もった。
さらには、電解液（１Ｍ  Ｈ３ＢＯ３＋ＫＯＨ  ｐＨ９．５）に更に０．５ＭのＮａＣｌを添加し、次亜塩素酸を得る環境下でも上述の実施例１〜実施例７と同じ電極を用いて電解電圧と耐久性及び逆反応率を評価したところ、電極間隔、電極配置および電極形状について、上述の実施例１〜実施例７と同様の傾向を示したことを確認した。
【符号の説明】
【００９１】
１０  人工光合成モジュール
１２  容器
１２ａ  内部
１２ｂ  面
１２ｄ、１２ｅ  側面
１３  排気管
１４  供給管
１６  排出管
１７  基板
１７ａ  表面
２０、２０ａ、２０ｂ  酸素発生電極
２１  第１の平面
２２  酸素電極部
２２ｃ、３２ｃ  端部
２３、３３  間
２５  第１の導電部材
２６  酸素電極基材部
２７  第１の凹部
３０、３０ａ、３０ｂ  水素発生電極
３１  第２の平面
３２  水素電極部
３５  第２の導電部材
３６  水素電極基材部
３７  第２の凹部
３８  人工光合成モジュール用電極
３９  対
４０  第１の基板
４２  第１の導電層
４４  第１の光触媒層
４４ａ、５０ａ、５４ａ  表面
４６  第１の助触媒
４７  助触媒粒子
５０  第２の基板
５２  第２の導電層
５４  第２の光触媒層
５６  第２の助触媒
５７  助触媒粒子
６０ａ、６４ａ  斜面
６２  曲面
６４ｂ  面
６６  凹面
ＡＱ  水
Ｂ  水平面
Ｂ１  水平線
Ｄ１  第１の方向
Ｄ２  第２の方向
Ｄ３  第３の方向
Ｊ  方向
Ｌ  光
α１  角度
α２  角度
δ  電極間隔
δ１  間隔
δ２  間隔
δ３  距離
γ  長さ
【図１】
2018198861.tif 000004
【図２】
2018198861.tif 000005
【図３】
2018198861.tif 000006
【図４】
2018198861.tif 000007
【図５】
2018198861.tif 000008
【図６】
2018198861.tif 000009
【図７】
2018198861.tif 000010
【図８】
2018198861.tif 000011
【図９】
2018198861.tif 000012
【図１０】
2018198861.tif 000013
【図１１】
2018198861.tif 000014
【図１２】
2018198861.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月5日(2018.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、前記第１の電極と接続された第１の導電部材と、前記光により前記原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、前記第２の電極と接続された第２の導電部材と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、
前記第１の電極は、前記第１の導電部材に接続した複数の第１の電極部を第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、
前記第２の電極は、前記第２の導電部材に接続した複数の第２の電極部を前記第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、前記第１の方向に間をあけて配置されており、
前記第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の電極部と前記第２の電極部は交互に配置されており、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との電極間隔が、５μｍ超１ｍｍ未満であり、
前記第１の平面と前記第２の平面とは前記第２の方向に離間しており、
前記第１の電極部と前記第２の電極部とが前記第１の方向において少なくとも一部を重ねて配置され、
前記電極間隔は前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極。
【請求項２】
光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、前記第１の電極と接続された第１の電極基材部と、前記光により前記原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、前記第２の電極と接続された第２の電極基材部と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、
前記第１の電極は、前記第１の電極基材部に接続した複数の第１の電極部が第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の電極基材部とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極基材部に接続した複数の第２の電極部が前記第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、前記第１の方向に間をあけて配置されており、前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の電極基材部と構成される第２の凹部を含み、
前記第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の電極部と前記第２の電極部は交互に配置されて、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでおり、
前記第１の平面と前記第２の平面とは前記第２の方向に離間しており、
前記第１の電極部と前記第２の電極部とが前記第１の方向において少なくとも一部を重ねて配置され、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との電極間隔が、前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離であり、５μｍ超１ｍｍ未満であり、
前記電極間隔が、前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離の平均値であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極。
【請求項３】
前記電極間隔が、５μｍ超５００μｍ以下である請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項４】
前記電極間隔が、１０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項５】
前記電極間隔が、２０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項６】
前記電極間隔が、１０μｍ以上２００μｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項７】
前記第１の電極部及び前記第２の電極部のうち、前記光の入射側に配置された前記第１の電極部又は前記第２の電極部は前記光を透過するものである請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項８】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、又は、前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材とで構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第２の方向から見た場合、前記第１の凹部又は前記第２の凹部に他方の電極部が入り込んでいる請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材と構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第１の平面と前記第２の平面とに対して垂直な第２の方向から見た場合、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでいる請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１０】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材と構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第２の方向から見た場合、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでおり、
前記電極間隔が、前記第１の電極部と前記第２の導電部材との間隔、前記第２の電極部と前記第１の導電部材との間隔及び隣接する前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離の平均値である請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１１】
前記第１の方向と前記第２の方向のいずれにも垂直な方向を第３の方向とし、前記第１の電極の前記第１の電極部及び前記第２の電極の前記第２の電極部の前記第３の方向に垂直な断面は、矩形型、三角形、凸型、半円形又は、丸型である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１２】
前記第１の電極は、第１の基板と、前記第１の基板上に設けられた第１の導電層と、前記第１の導電層上に設けられた第１の光触媒層と、前記第１の光触媒層の少なくとも一部に担持された第１の助触媒とを有し、
前記第２の電極は、第２の基板と、前記第２の基板上に設けられた第２の導電層と、前記第２の導電層上に設けられた第２の光触媒層と、前記第２の光触媒層の少なくとも一部に担持された第２の助触媒とを有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１３】
前記第１の電極及び前記第２の電極のうち、少なくとも一方は、ｐｎ接合を有する請求項１２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１４】
前記原料流体が、電気伝導度２００ｍＳ／ｃｍ以下の電解液である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１５】
さらに、前記電極間隔とは異なる、１０μｍ以上のスペースを有する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１６】
前記第１の方向の長さ１ｍｍ当り、前記第１の電極部と前記第２の電極部の対が１個以上５０個未満含まれる請求項１〜１５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１７】
前記第１の流体は気体又は液体であり、前記第２の流体は気体又は液体である請求項１〜１６のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１８】
前記原料流体が水であり、前記第１の流体が酸素であり、前記第２の流体が水素である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極を有する人工光合成モジュール。
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月11日(2019.10.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、前記第１の電極と接続された第１の導電部材と、前記光により前記原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、前記第２の電極と接続された第２の導電部材と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、
前記第１の電極は、前記第１の導電部材に接続した複数の第１の電極部を第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、
前記第２の電極は、前記第２の導電部材に接続した複数の第２の電極部を前記第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、前記第１の方向に間をあけて配置されており、
前記第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の電極部と前記第２の電極部は交互に配置されており、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との電極間隔が、５μｍ超１ｍｍ未満であり、
前記第１の平面と前記第２の平面とは前記第２の方向に離間しており、
前記第１の電極部と前記第２の電極部とが前記第１の方向において少なくとも一部を重ねて配置され、
前記電極間隔は前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極。
【請求項２】
光により原料流体を分解して第１の流体を得る第１の電極と、前記第１の電極と接続された第１の電極基材部と、前記光により前記原料流体を分解して第２の流体を得る第２の電極と、前記第２の電極と接続された第２の電極基材部と、を有する人工光合成モジュール用電極であって、
前記第１の電極は、前記第１の電極基材部に接続した複数の第１の電極部が第１の平面上に第１の方向に間をあけて配置されており、前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の電極基材部とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極基材部に接続した複数の第２の電極部が前記第１の平面と平行又は同一の第２の平面上に、前記第１の方向に間をあけて配置されており、前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の電極基材部と構成される第２の凹部を含み、
前記第１の平面に対して垂直な第２の方向から見て、前記第１の電極部と前記第２の電極部は交互に配置されて、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでおり、
前記第１の平面と前記第２の平面とは前記第２の方向に離間しており、前記第１の電極部と前記第２の電極部とが前記第１の方向において少なくとも一部を重ねて配置され、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との電極間隔が、前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離であり、５μｍ超１ｍｍ未満であり、
前記電極間隔が、前記第２の方向における前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離の平均値であることを特徴とする人工光合成モジュール用電極。
【請求項３】
前記電極間隔が、５μｍ超５００μｍ以下である請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項４】
前記電極間隔が、１０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項５】
前記電極間隔が、２０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項６】
前記電極間隔が、１０μｍ以上２００μｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項７】
前記第１の電極部及び前記第２の電極部のうち、前記光の入射側に配置された前記第１の電極部又は前記第２の電極部は前記光を透過するものである請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項８】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、又は、前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材とで構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第２の方向から見た場合、前記第１の凹部又は前記第２の凹部に他方の電極部が入り込んでいる請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材と構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第１の平面と前記第２の平面とに対して垂直な第２の方向から見た場合、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでいる請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１０】
前記第１の電極は、前記第１の電極部と前記第１の導電部材とで構成される第１の凹部を含み、
前記第２の電極は、前記第２の電極部と前記第２の導電部材と構成される第２の凹部を含んでおり、
前記第２の方向から見た場合、前記第１の凹部に前記第２の電極部が入り込み、前記第２の凹部に前記第１の電極部が入り込んでおり、
前記電極間隔が、前記第１の電極部と前記第２の導電部材との間隔、前記第２の電極部と前記第１の導電部材との間隔及び隣接する前記第１の電極部と前記第２の電極部との距離の平均値である請求項１、及び３〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１１】
前記第１の方向と前記第２の方向のいずれにも垂直な方向を第３の方向とし、前記第１の電極の前記第１の電極部及び前記第２の電極の前記第２の電極部の前記第３の方向に垂直な断面は、矩形型、三角形、凸型、半円形又は、丸型である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１２】
前記第１の電極は、第１の基板と、前記第１の基板上に設けられた第１の導電層と、前記第１の導電層上に設けられた第１の光触媒層と、前記第１の光触媒層の少なくとも一部に担持された第１の助触媒とを有し、
前記第２の電極は、第２の基板と、前記第２の基板上に設けられた第２の導電層と、前記第２の導電層上に設けられた第２の光触媒層と、前記第２の光触媒層の少なくとも一部に担持された第２の助触媒とを有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１３】
前記第１の電極及び前記第２の電極のうち、少なくとも一方は、ｐｎ接合を有する請求項１２に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１４】
前記原料流体が、電気伝導度２００ｍＳ／ｃｍ以下の電解液である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１５】
さらに、前記電極間隔とは異なる、１０μｍ以上のスペースを有する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１６】
前記第１の方向の長さ１ｍｍ当り、前記第１の電極部と前記第２の電極部の対が１個以上５０個未満含まれる請求項１〜１５のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１７】
前記第１の流体は気体又は液体であり、前記第２の流体は気体又は液体である請求項１〜１６のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１８】
前記原料流体が水であり、前記第１の流体が酸素であり、前記第２の流体が水素である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール用電極を有する人工光合成モジュール。
【国際調査報告】
2018198861.tif 000016
2018198861.tif 000017
2018198861.tif 000018
2018198861.tif 000019