CN109415824B - 人工光合作用模块及人工光合作用装置 - Google Patents

人工光合作用模块及人工光合作用装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能量转换效率优异的人工光合作用模块及人工光合作用装置。人工光合作用模块具有：第1电极，通过光分解原料流体而获得第1流体；及第2电极，通过光分解原料流体而获得第2流体；及隔膜，设置于第1电极与第2电极之间，该人工光合作用模块中，隔膜由具有贯穿孔的膜构成，且经1分钟浸渍于温度为25℃的纯水中，在浸渍于纯水中的状态下，波长为380nm～780nm的波长区域的透光率为60％以上，隔膜的贯穿孔的平均孔径超过0.1μm且小于50μm。人工光合作用装置具有上述人工光合作用模块。

Description

人工光合作用模块及人工光合作用装置
技术领域
本发明涉及一种具有通过光分解原料流体而获得第1流体的第1电极、及通过光分解原料流体而获得第2流体的第2电极的人工光合作用模块及人工光合作用装置，尤其涉及一种在第1电极与第2电极之间配置有由多孔膜构成且在浸渍于水中的状态下是透明的隔膜的人工光合作用模块及人工光合作用装置。
背景技术
当前，使用光催化剂，利用作为可再生能源的太阳能分解水，以获得氢气及氧气等气体。
例如，在专利文献1中记载有一种氢及氧的制造装置，其具备：包含可见光响应性光催化剂、氧化还原介质及对电极的氢生成电池；具有半导体电极的氧生成电池；及导通对电极与半导体电极的机构。在专利文献1中，氢生成电池和氧生成电池通过离子交换膜而连通。作为离子交换膜，例示了Nafion(注册商标)。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-089336号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
专利文献1的氢及氧的制造装置中，无需在电极设置贯穿孔，而导通氢生成电池和氧生成电池，并在其之间插入离子交换膜。在该情况下，在氧生成电池中产生的离子在电解液中的迁移量增加，因此能量转换效率下降。
并且，如专利文献1所示，在将Narion(注册商标)用于离子交换膜的情况下，离子迁移效率下降，过电压上升。并且，关于Nafion(注册商标)，传导质子及离子，而且为高分子电解质，由于不是多孔，因此无法使电解液移动。因此，Nafion(注册商标)中，质子及离子无法与电解液一同无电阻地迁移，并产生迁移电阻。由此，能量转换效率下降。
并且，在为了抑制上述迁移电阻而在电极上设置贯穿孔的情况下，若贯穿孔大，则所产生的氧与氢混合，对于所产生的氧和氢，高纯度下的回收变得困难。由此，氧及氢的生成效率也下降。
本发明的目的在于解决基于前述以往技术的问题，且提供一种能量转换效率优异的人工光合作用模块及人工光合作用装置。
用于解决技术课题的手段
为了实现上述目的，本发明提供一种人工光合作用模块，其具有：第1电极，通过光对原料流体进行分解而获得第1流体；第2电极，通过光对原料流体进行分解而获得第2流体；及隔膜，设置于第1电极与第2电极之间，该人工光合作用模块的特征在于，隔膜由具有贯穿孔的膜构成，且使隔膜浸渍于温度为25℃的纯水中1分钟，在浸渍于纯水中的状态下，波长为380nm～780nm的波长区域的透光率为60％以上，隔膜的贯穿孔的平均孔径超过0.1μm且小于50μm。
优选隔膜由具有亲水性表面的多孔膜构成。
优选为，第1电极具有：第1基板；第1导电层，设置于第1基板上；第1光催化剂层，设置于第1导电层上；及第1助催化剂，承载于第1光催化剂层的至少一部分，第2电极具有：第2基板；第2导电层，设置于第2基板上；第2光催化剂层，设置于第2导电层上；及第2助催化剂，承载于第2光催化剂层的至少一部分，第1电极、隔膜及第2电极沿光的行进方向串联配置。
优选为，光从第1电极侧射入，且第1电极所具有的第1基板是透明的。
并且，优选为，第1电极和第2电极具有多个贯穿孔，隔膜配置并夹持于第1电极与第2电极之间。
优选为，第1流体为气体或液体，第2流体为气体或液体。
优选为，原料流体为水，第1流体为氧，第2流体为氢。
本发明提供一种人工光合作用装置，其具有：人工光合作用模块，分解原料流体而获得流体；罐，储存原料流体；供给管，连接于罐和人工光合作用模块，且将原料流体供给至人工光合作用模块；排出管，连接于罐和人工光合作用模块，且从人工光合作用模块回收原料流体；泵，使原料流体经由供给管和排出管而在罐与人工光合作用模块之间进行循环；及气体回收部，回收由人工光合作用模块获得的流体，该人工光合作用装置的特征在于，配置有多个人工光合作用模块，该人工光合作用模块具备第1电极、第2电极及隔膜，该第1电极通过光对原料流体进行分解而获得第1流体，并且具有：第1基板；第1导电层，设置于第1基板上；第1光催化剂层，设置于第1导电层上；及第1助催化剂，承载于第1光催化剂层的至少一部分，该第2电极通过光对原料流体进行分解而获得第2流体，并且具有：第2基板；第2导电层，设置于第2基板上；第2光催化剂层，设置于第2导电层上；及第2助催化剂，承载于第2光催化剂层的至少一部分，该隔膜设置于第1电极与第2电极之间，第1电极与第2电极经由导线而彼此电连接，隔膜由具有贯穿孔的膜构成，且使隔膜浸渍于温度为25℃的纯水中1分钟，在浸渍于纯水中的状态下，波长为380nm～780nm的波长区域的透光率为60％以上，隔膜的贯穿孔的平均孔径超过0.1μm且小于50μm。
优选为，人工光合作用模块具有由隔膜划分且设置有第1电极的第1分区及设置有第2电极的第2分区，供给管将原料流体供给至第1分区及第2分区，排出管回收第1分区及第2分区的原料流体，储存原料流体的罐中，将人工光合作用模块的第1分区的原料流体及第2分区的原料流体混合并进行储存，混合并储存于罐中的原料流体通过泵并经由供给管被供给至第1分区及第2分区。
优选为，第1流体为气体或液体，第2流体为气体或液体。
优选为，原料流体为水，第1流体为氧，第2流体为氢。
发明效果
根据本发明，能够使能量转换效率优异。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第1例的示意性剖视图。
图2是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第1例的示意性俯视图。
图3是表示氧产生电极的一例的示意性剖视图。
图4是表示氢产生电极的一例的示意性剖视图。
图5是表示隔膜的示意性立体图。
图6是表示透射率的例的曲线图。
图7是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第2例的示意性剖视图。
图8是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第3例的示意性剖视图。
图9是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第4例的示意性剖视图。
图10是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第5例的示意性剖视图。
图11是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第5例的电极结构的示意性俯视图。
图12是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第1例的示意图。
图13是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第2例的示意图。
图14是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第3例的示意图。
图15是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第4例的示意图。
具体实施方式
以下，根据附图中所示的优选实施方式，对本发明的人工光合作用模块及人工光合作用装置进行详细说明。
另外，所谓以下表示数值范围的“～”，包含记载于两侧的数值。例如，所谓ε为数值α1～数值β1，是指ε的范围为包含数值α1和数值β1的范围，若用数学符号表示，则为α1≤ε≤β1。
关于包含“平行”及“垂直”的角度，只要无特别说明，则包含技术领域中通常被容许的误差范围。
关于本发明的人工光合作用模块，利用光能量分解成为分解对象的原料流体，而获得与原料流体不同的物质，通过光分解原料流体而获得第1流体和第2流体。
人工光合作用模块具有通过光分解原料流体而获得第1流体的第1电极、及通过光分解原料流体而获得第2流体的第2电极。
另外，若第1流体和第2流体分别为流体，则并无特别限定，为气体或液体。另外，所谓上述不同的物质，是指将原料流体氧化或还原而获得的物质。
以下，对人工光合作用模块及人工光合作用装置进行说明。
将原料流体为水、第1流体为氧、第2流体为氢的情况作为例子，对人工光合作用模块进行说明。
图1是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第1例的示意性剖视图，图2是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第1例的示意性俯视图。图3是表示氧产生电极的一例的示意性剖视图，图4是表示氢产生电极的一例的示意性剖视图。图5是表示隔膜的示意性立体图。
图1中所示的人工光合作用模块10通过例如通过光L分解作为原料流体的水AQ以产生作为第1流体的氧和作为第2流体的氢等而获得。人工光合作用模块10例如具有氧产生电极12、氢产生电极14及设置于氧产生电极12与氢产生电极14之间的隔膜16。人工光合作用模块10为具有氧产生电极12和氢产生电极14的2个电极水解模块，例如在氧产生电极12和氢产生电极14浸渍于水AQ中的状态下利用于水AQ的分解。
人工光合作用模块10具有氧产生电极12、氢产生电极14及容纳隔膜16的容器20。容器20例如配置于水平面B上。
氧产生电极12在浸渍于水AQ中的状态下分解水AQ而产生氧气，例如，如图2所示，整体为平板状。
氢产生电极14在浸渍于水AQ中的状态下分解水AQ而产生氢气，例如，如图2所示，整体为平板状。
如图1所示，容器20具有一面被释放的框体22和覆盖框体22的释放部分的透明部件24。通过隔膜16，容器20内部被划分为透明部件24侧的第1分区23a和底表面22b侧的第2分区23b。光L例如为太阳光，且从透明部件24侧射入。关于透明部件24，还优选满足后述透明的规定。
氧产生电极12和氢产生电极14例如通过导线18而电连接。并且，关于氧产生电极12和氢产生电极14，沿光L的行进方向Di串联地在容器20内隔着隔膜16依次配置有氧产生电极12和氢产生电极14。图1中，氧产生电极12和氢产生电极14隔开间隙而彼此平行地重叠配置。
氧产生电极12与氢产生电极14的间隙Wd优选为1mm～20mm，间隙越小，则能量转换效率越良好。另外，氧产生电极12与氢产生电极14的间隙Wd为氧产生电极12的第1光催化剂层34的表面34a与氢产生电极14的第2光催化剂层44的表面44a之间的距离。
在第1分区23a配置有氧产生电极12，且在第1分区23a内产生氧气。在第2分区23b中，第2基板40与底表面22b接触，且配置有氢产生电极14，在第2分区23b内产生氢气。
另外，光L从透明部件24侧射入到容器20，即光L从氧产生电极12侧射入。上述光L的行进方向Di为与透明部件24的表面24a垂直的方向。
第1分区23a中，在第1壁面22c设置有供给管26a，在与第1壁面22c对置的第2壁面22d设置有排出管28a。第2分区23b中，在第1壁面22c设置有供给管26b，在与第1壁面22c对置的第2壁面22d设置有排出管28b。水AQ从供给管26a和供给管26b供给至容器20内以使容器20内装满水AQ，水AQ沿方向D流动，从排出管28a排出包含氧的水AQ，并回收氧。从排出管28b排出包含氢的水AQ，并回收氢。在该情况下，水AQ的流动方向FA为方向D。
方向D为从第1壁面22c朝向第2壁面22d的方向。另外，框体22例如由在使用氢产生电极14及氧产生电极12时不发生短路等的程度的电绝缘性材料构成。框体22例如由丙烯酸树脂构成。优选容器20满足后述第1基板30中的透明的规定。
在水AQ中包含蒸馏水及用于冷却塔等的冷却水。并且，在水AQ中还包含电解水溶液。在此，所谓电解水溶液，是将H2O作为主要成分的液体，可以是将水作为溶剂且包含溶解物的水溶液，例如是强碱(KOH(氢氧化钾))、包含H2SO4的电解液或硫酸钠电解液、磷酸钾缓冲液等。作为电解水溶液，优选调节成pH(氢离子指数)9.5的H3BO3。
另外，在人工光合作用模块10中还可以设置用于供给水AQ的供给部(未图示)及回收从人工光合作用模块10排出的水AQ的回收部(未图示)。
对于供给部，能够利用泵等公知的水的供给装置，对于回收部，能够利用罐等公知的水的回收装置。
供给部经由供给管26a、26b与人工光合作用模块10连接，回收部经由排出管28a、28b与人工光合作用模块10连接，还能够使由回收部回收的水AQ在供给部中进行循环，而再利用水AQ。
并且，使水AQ与隔膜16的表面16a(参考图5)及背面16b(参考图5)平行地流动，以使水AQ的流动在电极表面上形成层流。在该情况下，还可以设置蜂窝整流板。水AQ的流动不包括乱流，在水AQ的流动方向FA的流动中也不包括乱流。
以下，对人工光合作用模块10的各部进行说明。
如图1及图3所示，氧产生电极12具有第1基板30、设置于第1基板30上即表面30a上的第1导电层32、设置于第1导电层32上即表面32a上的第1光催化剂层34及承载于第1光催化剂层34的至少一部分的第1助催化剂36。氧产生电极12为第1电极。
第1助催化剂36例如由多个助催化剂粒子37构成。由此，可抑制对第1光催化剂层34的表面34a的光L的入射光量下降。氧产生电极12中，第1助催化剂36与第1光催化剂层34接触，或隔着正孔能够移动的层而存在，需要与水AQ接触。
第1光催化剂层34的吸收端例如为400nm～800nm左右。
在此，所谓吸收端，是指若在连续吸收光谱中波长比其长则吸收率急剧下降的部分或其端部，吸收端的单位为nm。氧产生电极12的整体的厚度优选为2mm左右。
关于氧产生电极12，为了使光L射入到氢产生电极14，能够透射光L。为了使光L照射到氢产生电极14，需要光L透射氧产生电极12，第1基板30是透明的。氢产生电极14中，后述第2基板40(参考图4)不需要是透明的。
在第1基板30中，所谓透明，是指第1基板30的透光率在380nm～780nm的波长区域中最低为60％。上述透光率通过分光光度计来进行测量。作为分光光度计，例如，可使用紫外可见分光光度计即JASCO Corporation制造的V-770(商品名称)。
另外，将透光率设为T％时，由T＝(∑λ(测量物质+基板)/∑λ(基板))×100％表示。上述测量物质是玻璃基板，基板参考试料是空气。关于积分的范围，设为波长为380nm～780nm的光中，达到光催化剂层的光接收波长。另外，在透光率的测量中能够参考JIS(日本工业标准)R 3106-1998。
如图1及图4所示，氢产生电极14具有第2基板40、设置于第2基板40上即表面40a上的第2导电层42、设置于第2导电层42上即表面42a上的第2光催化剂层44及承载于第2光催化剂层44的至少一部分的第2助催化剂46。氢产生电极14为第2电极。氢产生电极14的第2光催化剂层44的吸收端例如为600nm～1300nm左右。
第2助催化剂46设置于第2光催化剂层44的表面44a上。第2助催化剂46例如由多个助催化剂粒子47构成。由此，可抑制对第2光催化剂层44的表面44a的光L的入射光量下降。
氢产生电极14中，产生在吸收光L时生成的载流子，并分解水AQ而产生氢气。氢产生电极14中，还优选在第2光催化剂层44的表面44a层叠具有n型导电性的材料并形成pn接合。对于氢产生电极14的各结构，将在后面进行详细说明。
如图1所示，人工光合作用模块10中，光L从氧产生电极12侧射入，氧产生电极12中，第1光催化剂层34设置于与光L的入射侧相反的一侧。通过将第1光催化剂层34设置于与光L的入射侧相反的一侧，光L通过第1基板30而从背面射入，因此能够抑制基于第1光催化剂层34的衰减效果。氢产生电极14中，在光L的入射侧设置有第2光催化剂层44。
隔膜16由具有贯穿孔17(参考图5)的膜构成，且经1分钟浸渍于温度为25℃的纯水中，在浸渍于纯水中的状态下，波长为380nm～780nm的波长区域的透光率为60％以上。即，关于隔膜16，在波长为380nm～780nm的波长区域中，透光率最低为60％。隔膜16中，将如上所述，在波长为380nm～780nm的波长区域中透光率为60％以上的情况称为是透明的。
另外，所谓隔膜16浸渍于纯水中的状态，是指整个隔膜16在纯水中，且在隔膜16的表面16a上和背面16b上存在纯水的状态。
对于隔膜16的透光率的测量，可使用透射率测量装置(NIPPON DENSHOKUINDUSTRIES CO.，LTD.制造的SH7000)。经1分钟将隔膜16浸渍于纯水中之后，在浸渍于纯水中的状态下，测量隔膜16的透光率。关于透光率，通过积分球对在波长为380nm～780nm的波长区域中透射的所有光进行积分并作为透射光量来计算。
如图5所示，隔膜16具有多个贯穿孔17。各贯穿孔17例如从表面16a贯穿到背面16b。若贯穿孔17从表面16a贯穿到背面16b，则不特别限定于垂直于表面16a而贯穿。在隔膜16为2维网状结构的情况下，网状的开口部为贯穿孔17。在隔膜16为3维网格结构的情况下，网格为贯穿孔17。在隔膜16由纤维构成的情况下，由纤维彼此的间隙形成的孔也包含于贯穿孔17。
如上所述，在氧产生电极12中产生氧气，在氢产生电极14中产生氢气。所产生的氧气及所产生的氢气均溶解于水AQ中，但是所产生的氧气及所产生的氢气多，无法完全溶解于水AQ中时，氧气及氢气有时在水AQ中以气体的状态存在。将不溶解于水AQ中的氧气在水AQ中成为集合体的情况称为氧气的气泡。将不溶解于水AQ中的氢气在水AQ中成为集合体的情况称为氢气的气泡。
氧气的气泡及氢气的气泡的直径均为10μm以上且1mm以下左右。还将氧气的气泡及氢气的气泡统一简称为气泡。关于气泡的直径，若气泡为球体则为直径，若不是球体则为相当于球体的直径的等效直径。
氧气的气泡及氢气的气泡均滞留于氧产生电极12的第1光催化剂层34的表面及氢产生电极14的第2光催化剂层44的表面上，直至成为恒定大小，因此在水AQ中不存在直径小的气泡即小尺寸的气泡。
并且，直径大的气泡即大尺寸的气泡虽然从氧产生电极12的第1光催化剂层34的表面及氢产生电极14的第2光催化剂层44的表面离去，但是在隔膜16为亲水性的情况下，不附着于隔膜16，而是通过水AQ的流动而从容器20内输送到外部。
氧气的气泡的直径及氢气的气泡的直径能够以如下方式进行测量。
使用数码显微镜对包括氧产生电极12的第1光催化剂层34的表面及氢产生电极14的第2光催化剂层44的表面的容器20内进行拍摄，获得放大拍摄而得的容器20内的撮像图像。在撮像图像内确认气泡。
例如，对于数码显微镜，使用KEYENCE CORPORATION.制造的VHX-5000，确认气泡时，能够使用VHX-5000用户用图像分析软件(KEYENCE CORPORATION.制造)。
通过预先设定用于求出平均气泡直径的气泡的数量，求出氧气的气泡的气泡直径及氢气的气泡的气泡直径，由此能够获得平均气泡直径。
对于隔膜16，虽然可使水AQ通过，但是无法使氧气的气泡和氢气的气泡通过。因此，优选隔膜16具有孔径小于氧气的气泡50的平均气泡直径及氢气的气泡52的平均气泡直径的贯穿孔17。
具体而言，如图5所示，将氧气的气泡50及氢气的气泡52的平均气泡直径设为Db，且将贯穿孔17的孔径设为Dh时，为Dh＜Db。在该情况下，水AQ通过隔膜16的贯穿孔17，因此虽然溶解于水AQ中的氧气及氢气通过贯穿孔17，但是可抑制氧气的气泡50及氢气的气泡52通过贯穿孔17。
隔膜16的贯穿孔17的平均孔径超过0.1μm且小于50μm，优选为超过1μm且小于50μm。若贯穿孔17的平均孔径超过0.1μm且小于50μm，则水AQ通过贯穿孔17，作为结果，虽然溶解于水AQ中的氧气及氢气通过隔膜16，但是可抑制氧气的气泡50及氢气的气泡52的通过。另外，即使溶解于水AQ中的氧气和氢气移动，由于水AQ中的氧气及氢气的溶解量少，因此氧气和氢气的混合量少于所产生的氧气和氢气。由此，从第1分区23a可回收氧气，且从第2分区23b可回收氢气。
需要通过的质子及离子的尺寸远远小于孔径，隔膜16中，与Nafion(注册商标)不同，且不会由质子及离子的通过而产生电阻。因此，关于隔膜16，在孔径大时，能够增加膜厚，因此耐久性优异，从而优选。
并且，如Nafion(注册商标)那样的高分子电解质中，通过在该高分子之间含有的水分子只传导电解时需要的质子及离子。
另一方面，隔膜16中，虽然恒定尺寸的气泡无法通过，但是具有水AQ本身能够自由地往来的大孔，相较于Nafion(注册商标)，在膜内含有大量的水分子，质子及离子的传导率高，能够将电解电压抑制为较低。
并且，以往要求所产生的氢的纯度为高纯度，因此无法考虑隔膜16本身，该隔膜16本身由于使水AQ本身自由地往来而氢的纯度有可能下降。
隔膜16的贯穿孔17的平均孔径使用以下所示的显微镜观察法来求出。
关于显微镜观察法，对于隔膜16的表面16a，使用电子显微镜以100倍～10000倍左右的倍率进行观察。作为观察的结果，对以从大到小的顺序选择的最低20个贯穿孔17进行拍摄，相对于显现在拍摄而获得的图像上的不规则的贯穿孔17，绘制如内切于该贯穿孔17的圆，并将所内切的圆的直径作为该贯穿孔17的孔径。
计算最低20个贯穿孔17的孔径分布的标准偏差σ，并求出覆盖3σ的大小。将覆盖3σ的大小设为隔膜16的贯穿孔17的平均孔径。
对于隔膜16的贯穿孔17的平均孔径的测量，作为分析软件，能够使用NIPPONSTEEL&SUMIKIN TECHNOLOGY Co.，Ltd.制造的“粒子分析Ver.3.5”。“粒子分析Ver.3.5”的最小直径相当于上述内切的圆的直径。
并且，作为隔膜16的贯穿孔17的平均孔径，可以是目录值。
隔膜16的透光率具有隔膜16的厚度依赖性。因此，优选将隔膜16设为波长为380nm～780nm的波长区域的透光率最低成为60％的厚度d。厚度d优选为0.01mm～0.5mm，厚度d的上限值更优选为0.2mm。
隔膜16的厚度d是指隔膜16的表面16a与背面16b之间的距离。
隔膜16优选由具有亲水性表面的多孔膜构成。即，优选隔膜16的表面16a及背面16b为亲水性面的多孔膜。隔膜16的表面16a和背面16b分别为与氧气的气泡50或氢气的气泡52接触的面。
亲水性表面可以是隔膜16本身的性质，也可以对隔膜16实施亲水性处理而设为亲水性表面。对于隔膜16，例如可使用PTFE(聚四氟乙烯)。虽然PTFE通常具有拒水性，但是例如通过实施浸渍于醇中等的亲水性处理，与水的接触角变小，且显示亲水性。
并且，作为对隔膜16的亲水性处理，具有含浸PVA(聚乙烯醇)树脂而交联的方法，该方法中，能够提高亲水化处理的耐久性。作为亲水性处理，除此之外，还能够使用W02014/021167号中所示的方法。
所谓亲水性表面，是指由与水的接触角规定的表面。亲水性和疏水性根据后述[亲水性与疏水性的测量和判定]来确定。
通过设为具有亲水性表面的隔膜16，水AQ变得容易浸入到隔膜16中，并且贯穿孔17不会被氧气的气泡50或氢气的气泡52堵塞。由此，水AQ变得容易通过隔膜16的贯穿孔17，作为结果，水AQ中的质子及离子变得容易通过，能量转换效率提高。并且，通过设为具有亲水性表面的隔膜16，氧气的气泡50或氢气的气泡52在隔膜16的表面16a及背面16b被排斥，氧气的气泡50及氢气的气泡52难以通过贯穿孔17。由此，可抑制氧气和氢气的混合，能够回收氧气及氢气。
氧气的气泡50及氢气的气泡52难以通过贯穿孔17的同时，氧气的气泡50及氢气的气泡52难以附着于隔膜16的表面16a及背面16b，因此氧气的气泡50及氢气的气泡52与水AQ的流动一起被迅速地排出。而且，通过氧气的气泡50及氢气的气泡52不附着于隔膜16，可确保隔膜16的有效面积，因此能量转换效率提高。并且，在氧气的气泡50及氢气的气泡52附着于隔膜16的情况下，有可能降低光L的利用效率，但是该情况也得到抑制，能量转换效率提高。
包括能够利用于隔膜16的情况，将透射率的例子示于图6。图6中，符号80表示厚度为0.1mm的Nafion(注册商标)膜。符号82表示多孔的纤维素膜。符号84表示孔径为0.1μm的亲水性PTFE(聚对苯二甲酸乙二酯)膜，符号86表示孔径为1.0μm的亲水性PTFE(聚对苯二甲酸乙二酯)膜，符号88表示孔径为10μm的亲水性PTFE(聚对苯二甲酸乙二酯)膜。符号89是孔径为10μm的亲水性PTFE膜，但是为在空气中测量的透射率。除符号89以外的符号80、82、84、86、88为将膜浸渍于温度为25℃的纯水中1分钟的状态下的透光率。
以往，用于隔膜的Nafion(注册商标)不是多孔膜。符号82中所示的多孔的纤维素膜的耐光性低。因此，作为隔膜16，例如优选使用图6所示的符号84、86、88的亲水性PTFE(聚对苯二甲酸乙二酯)膜。另外，关于亲水性PTFE膜，在空气中呈白色，如符号89所示，透射率低。
图1中所示的人工光合作用模块10中，如上所述，由多孔膜构成隔膜16，且在浸渍于纯水中的状态下是透明的。经由供给管26a将水AQ供给至容器20的第1分区23a内，且经由供给管26b将水AQ供给至容器20的第2分区23b内，通过使光L从透明部件24侧射入，从氧产生电极12在第1光催化剂层34产生氧气，透射了氧产生电极12的光透射隔膜16，并通过该透射光，在氢产生电极14中在第2光催化剂层44产生氢气。并且，从排出管28a排出包含氧气的水AQ，并从所排出的包含氧气的水AQ回收氧气。从排出管28b排出包含氢气的水AQ，并从所排出的包含氢气的水AQ回收氢气。在该情况下，如上所述，由多孔膜构成隔膜16，由此与离子交换膜不同且水AQ通过。由此，溶解于水AQ中的氧气及氢气通过贯穿孔17，但是氧气的气泡50及氢气的气泡52难以通过贯穿孔17，如上所述，电解效率即能量转换效率提高。
另外，由于溶解有氧气的水AQ和溶解有氢气的水AQ通过隔膜16，因此氢气移动到氧产生电极12侧，且氧气移动到氢产生电极侧，但是如上所述，溶解于水AQ中的氧气量及氢气量少，因此在第1分区23a内可抑制氧气和氢气的混合，且在第2分区23b内可抑制氢气和氧气的混合。
人工光合作用模块10中，氧产生电极12和氢产生电极14沿光L的行进方向Di串联配置，通过在氧产生电极12和氢产生电极14利用光L，能够提高光L的利用效率，能量转换效率高。即，能够提高表示水解的电流密度。
并且，人工光合作用模块10中，无需增加氧产生电极12及氢产生电极14的设置面积，而能够提高能量转换效率。
人工光合作用模块10中，如上所述，氧产生电极12的第1光催化剂层34的吸收端例如为500nm～800nm左右，氢产生电极14的第2光催化剂层44的吸收端例如为600nm～1300nm左右。
在此，将氧产生电极12的第1光催化剂层34的吸收端设为λ1，且将氢产生电极14的第2光催化剂层44的吸收端设为λ2时，优选为λ1＜λ2且λ2-λ1≥100nm。由此，在光L为太阳光的情况下，即使先使氧产生电极12的第1光催化剂层34吸收特定波长的光并利用于氧的产生，也能够使氢产生电极14的第2光催化剂层44吸收光L而利用于氢的产生，在氢产生电极14中可获得所需的载流子生成量。由此，能够进一步提高光L的利用效率。
另外，若氢产生电极14与氧产生电极12被电连接，则连接形态并无特别限定，不限定于导线18。并且，氢产生电极14与氧产生电极12可以被电连接，连接方式并无特别限定。
并且，关于人工光合作用模块10，图1中在水平面B上配置了容器20，但是如图7所示，可以相对于水平面B倾斜预先确定的角度φ而配置。在该情况下，与供给管26a及供给管26b相比，排出管28a及排出管28b变高，容易回收所产生的氧气及氢气。并且，能够使所产生的氧气从氧产生电极12迅速移动，且能够使所产生的氢气从氢产生电极14迅速移动。由此，能够抑制所产生的氧气的气泡及氢气的气泡的滞留，可抑制光L被所产生的氧气的气泡及氢气的气泡遮挡。因此，能够减少所产生的氧气及氢气对反应效率的影响。人工光合作用模块10中，倾斜角度并无特别限定，通过向与纬度对应的太阳光入射方向倾斜，而能够有效地利用太阳光。
如图7所示，在相对于水平面B倾斜角度φ的情况下，光L不垂直于透明部件24的表面24a而射入，但是氧产生电极12中，第1光催化剂层34设置于与光L的入射侧和第1基板30相反的一侧。图7中所示的倾斜了角度φ的人工光合作用模块10中，光L的行进方向Di也设为与图1相同。
以下，对作为第1电极的一例的氧产生电极12及作为第2电极的一例的氢产生电极14进行说明。
首先，对适用于氧产生电极12的光催化剂层及助催化剂进行说明。
<氧产生电极的光催化剂层>
作为构成光催化剂层的光半导体，能够使用公知的光催化剂，且为包含至少1种金属元素的光半导体。
其中，从起始电势更良好，光电流密度更高，或基于连续照射的耐久性更优异的观点考虑，作为金属元素，优选Ti、V、Nb、Ta、W、Mo、Zr、Ga、In、Zn，Cu、Ag、Cd，Cr或Sn，更优选Ti、V、Nb、Ta或W。
并且，作为光半导体，可举出包含上述金属元素的氧化物、氮化物、氮氧化物、硫化物及硒化物等。
并且，在光催化剂层中，通常包含光半导体来作为主要成分。所谓主要成分，是指相对于第2光催化剂层总质量，光半导体为80质量％以上，优选为90质量％以上。上限并无特别限定，为100质量％。
作为光半导体的具体例，例如能够包含Bi2WO6，BiVO4，BiYWO6，In2O3(ZnO)3，InTaO4，InTaO4：Ni(“光半导体：M”表示在光半导体中掺杂有M。以下相同。)，TiO2：Ni，TiO2：Ru，TiO2Rh，TiO2：Ni/Ta(“光半导体：M1/M2”表示在光半导体中共掺杂有M1和M2。以下相同。)，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，LasTi2O7：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BaZr1-xSixO3等氧化物、LaTiO2N，Ca0.25La0.75TiO2.25N0.75，TaON，CaNbO2N，BaNbO2N，CaTaO2N，SrTaO2N，BaTaO2N，LaTaO2N，Y2Ta2O5N2，(Ga1-xZnx)(N1-xOx)，(Zn1+xGe)(N2Ox)(x表示0～1的数值)及TiNxOyFz等氮氧化物、NbN及Ta3N5等氮化物、CdS等硫化物、CdSe等硒化物、Ln2Ti2S2O5(Ln：Pr，Nd，Sm，Gd，Tb，Dy，Ho及Er)、以及包含La，In的硫氧化物(Chemistry Letters，2007，36，854-855)，但是不限定于在此例示的材料。
其中，作为光半导体，能够使用包含作为主要成分的BaBi1-xInxO3、BaZr1-xSnxO3、BaZr1-xGexO3、BaZr1-xSixO3、NbN、TiO2、WO3、TaON、BiVO4、Ta3N5、具有钙钛矿结构的AB(O，N)3{A＝Li，Na，K，Rb，Cs，Mg，Ca，Sr，Ba，La，Y、B＝Ta，Nb，Sc，Y，La，Ti}、或具有上述钙钛矿结构的AR(O，N)3的固溶体、或者包含作为主要成分的TaON、BiVO4、Ta3N5或具有钙钛矿结构的AB(O，N)3的掺杂体。
光催化剂层中所包含的光半导体的形状，并无特别限定，可举出膜状、柱状及粒子状等。
在光半导体为粒子状的情况下，其一次粒子的粒径并无特别限定，但是通常优选为0.01μm以上，更优选为0.1μm以上，通常优选为10μm以下，更优选为2μm以下。
上述粒径为平均粒径，且通过测量通过透射型电子显微镜或扫描型电子显微镜观察到的任意100个光半导体的粒径(直径)，并将它们进行算术平均而得。另外，在粒子形状不是正网形状的情况下，测量长径。
在光半导体为柱状的情况下，优选沿导电层表面的法线方向延伸的柱状光半导体。柱状的光半导体的直径，并无特别限定，但是通常优选为0.025μm以上，更优选为0.05μm以上，通常优选为10μm以下，更优选为2μm以下。
上述直径为平均直径，且通过测量通过透射型电子显微镜(装置名称：Hit achiHigh-Technologies Corporation.H-8100)或扫描型电子显微镜(装置名称：HitachiHigh-Technologies Corporation.SU-8020型SEM)观察到的任意100个柱状光半导体的直径，并将它们进行算数平均而得。
光催化剂层的厚度并无特别限定，但是在氧化物或氮化物的情况下，优选为300nm以上且2μm以下。另外，关于光催化剂层的最佳的厚度，由光L的侵入长度或被激励的载流子的扩散长度确定。
在此，以通常用作光催化剂层的材料的BiVO4为代表，大部分的光催化剂层的材料为能够活用能够吸收的所有波长的光的程度的厚度时，反应效率不是最大的。在厚度较厚的情况下，因载流子寿命及迁移率的问题，难以将在远离膜面的部位产生的载流子不失活至膜面而进行传输。因此，即使增加膜厚，也无法提取所期待程度的电流。
并且，在通常用于粒子系统中的粒子转印电极中，粒径越大，则电极膜越粗糙，膜密度随着厚度即粒径增加而下降，无法提取所期待程度的电流。若光催化剂层的厚度为300nm以上且2μm以下，能够提取电流。
关于光催化剂层的厚度，能够通过获取光催化剂电极的截面状态的扫描型电子显微镜像并根据所获取的图像求出。
上述光催化剂层的形成方法并无特别限定，但是能够采用公知的方法(例如，使粒子状的光半导体沉积于基板上的方法)。作为形成方法，具体而言，可举出电子束蒸镀法、溅射法及CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法等气相沉积法、Chem.Sci.，2013，4，1120-1124中所记载的转印法、Adv.Mater.，2013，25，125-131中所记载的方法。
另外，在基板与光催化剂层之间，可以根据需要包含其他层、例如粘合剂层。
<氧产生电极的助催化剂>
作为助催化剂，可使用贵金属及过渡金属氧化物。助催化剂可使用真空蒸镀法、溅射法及电沉积法等来承载。若助催化剂例如以1nm～5nm左右的设定膜厚形成，则不会形成为膜而成为岛状。
作为第1助催化剂36，例如能够使用由Pt、Pd、Ni、Au、Ag、Ru、Cu、Co、Rh、Ir、Mn或Fe等构成的单体、及将它们组合而得的合金、以及其氧化物、例如FeOx、CoO等CoOx、NiOx及RuO2等。
接着，对氢产生电极14的第2导电层42、第2光催化剂层44及第2助催化剂46进行说明。
图4中所示的氢产生电极14的第2基板40支撑第2光催化剂层44，且由具有电绝缘性的材料构成。对于第2基板40，并无特别限定，但是例如能够使用钠钙玻璃基板或陶瓷基板。并且，对于第2基板40，能够使用在金属基板上形成有绝缘层的基板。在此，作为金属基板，能够利用A1基板或SUS(Steel Use Stainless)基板等金属基板、或包含A1与例如SUS等其他金属的复合材料的复合A1基板等复合金属基板。另外，复合金属基板也是金属基板的一种，且还将金属基板及复合金属基板统一简称为金属基板。而且，作为第2基板40，还能够使用具有将A1基板等的表面进行阳极氧化而形成的绝缘层的带绝缘膜的金属基板。第2基板40可以是柔性的，也可以不是柔性的。另外，除上述以外，作为第2基板40，例如还能够使用高应变点玻璃及无碱玻璃等玻璃板、或聚酰亚胺材料。
关于第2基板40的厚度，并无特别限定，例如为20μm～2000μm左右即可，优选为100μm～1000μm，更优选为100μm～500μm。另外，在将包含CIGS(Copper indium gallium(di)selenide)化合物半导体的光催化剂层用作第2光催化剂层44的情况下，若在第2基板40侧具有供给碱离子(例如，钠(Na)离子：Na+)的供给层，则光电转换效率得到提高，因此优选在第2基板40的表面40a预先设置供给碱离子的碱供给层。另外，在第2基板40的构成元素中包含碱金属的情况下，无需碱供给层。
<氢产生电极的导电层>
第2导电层42收集在第2光催化剂层44中产生的载流子并进行传输。关于第2导电层42，若具有导电性，则并无特别限定，但是例如由Mo、Cr及W等金属、或它们的组合构成。该第2导电层42可以是单层结构，也可以是双层结构等层叠结构。其中，优选第2导电层42由Mo构成。第2导电层42的厚度优选为200nm～1000nm。
<氢产生电极的光催化剂层>
第2光催化剂层44通过光吸收生成载流子，且其导电带下端位于比分解水而产生氢的电位(H2/H+)更靠内侧。第2光催化剂层44具有生成正孔并传输至第2导电层42的p型导电性，但是也优选在第2光催化剂层44的表面44a层叠具有n型导电性的材料并形成pn接合。第2光催化剂层44的厚度优选为50Onm～3000nm。
构成具有p型导电性的光催化剂层的光半导体为包含至少1种金属元素的光半导体。其中，从起始电势更良好，光电流密度更高，或基于连续照射的耐久性更优异的观点考虑，作为金属元素，优选Ti、V、Nb、Ta、W、Mo、Zr、Ga、In、Zn，Cu、Ag、Cd，Cr或Sn，更优选Ga、In、Zn，Cu、Zr或Sn。
并且，作为光半导体，可举出包含上述金属元素的氧化物、氮化物、氮氧化物、(氧)硫族化物等，优选由GaAs、GaInP、AlGaInP、CdTe、CuInGaSe、具有黄铜矿晶体结构的CIGS化合物半导体、或Cu2ZnSnS4等的CZTS化合物半导体构成。
尤其优选由具有黄铜矿晶体结构的CIGS化合物半导体或Cu2ZnSnS4等CZTS化合物半导体构成。
CIGS化合物半导体层不仅可以由Cu(In，Ga)Se2(CIGS)构成，还可以由CuInSe2(CIS)或CuGaSe2(CGS)等构成。而且，CIGS化合物半导体层还可以由用S取代全部或一部分Se而得的化合物构成。
另外，作为CIGS化合物半导体层的形成方法，已知有1)多源蒸镀法、2)硒化法、3)溅射法、4)混合溅射法及5)机械化学工艺法等。
作为其他CIGS化合物半导体层的形成方法，可举出网版印刷法、接近升华法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：金属有机气相沉积)法及喷涂法(湿式成膜法)等。例如，通过网版印刷法(湿式成膜法)或喷涂法(湿式成膜法)等，将包含11族元素、13族元素及16族元素的微粒膜形成于基板上，通过实施热解处理(此时，可以是16族元素气氛下的热解处理)等，能够获得所期望的组成的晶体(日本特开平9-074065号公报、日本特开平9-074213号公报等)。以下，还将CIGS化合物半导体层简称为CIGS层。
如上所述，在将具有n型导电性的材料层叠于第2光催化剂层44的表面44a上的情况下，形成pn接合。
具有n型导电性的材料，例如由包含CdS、ZnS，Zn(S，O)和/或Zn(S，O，OH)、SnS，Sn(S，O)和/或Sn(S，O，OH)、InS，In(S，O)和/或In(S，O，OH)等含有选自包含Cd，Zn，Sn及In的组中的至少1种金属元素的金属硫化物的化合物形成。具有n型导电性的材料的层的膜厚优选为20nm～100nm。具有n型导电性的材料的层，例如通过CBD(Chemical Bath Deposition)法形成。
关于第2光催化剂层44，包含无机半导体，产生水的光分解反应，只要能够产生氢气等而获得氢气，则其结构并无特别限定。
例如，优选使用构成太阳能电池的太阳能电池单元中所使用的光电转换元件。作为这种光电转换元件，除了使用上述CIGS化合物半导体、或Cu2ZnSnS4等CZTS化合物半导体以外，还能够使用薄膜硅系薄膜型光电转换元件、CdTe系薄膜型光电转换元件、色素敏化系薄膜型光电转换元件、或有机系薄膜型光电转换元件。
<氢产生电极的助催化剂>
作为第2助催化剂46，例如优选使用Pt、Pd、Ni、Ag、Ru、Cu、Co、Rh、Ir、Mn及RuO2。
可以在第2光催化剂层44与第2助催化剂46之间设置透明导电层(未图示)。透明导电层需要电连接第2光催化剂层44和第2助催化剂46的功能，对于透明导电层，还要求透明性、耐水性及防水性，通过透明导电层，氢产生电极14的耐久性得到提高。
透明导电层例如优选金属或导电性氧化物(过电压为0.5V以下)或者其复合物。透明导电层可根据第2光催化剂层44的吸收波长适当选择。对于透明导电层，能够使用ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)、FTO(掺氟氧化錫)、掺杂有Al、B、Ga或In等的ZnO、或IMO(掺杂有Mo的In2O3)等的透明导电膜。透明导电层可以是单层结构，也可以是双层结构等层叠结构。并且，透明导电层的厚度，并无特别限定，优选为30nm～500nm。
另外，透明导电层的形成方法，并无特别限定，但是优选真空成膜法，能够通过电子束蒸镀法、溅射法及CVD(Chemical Vapor Deposition)法等气相沉积法形成。
并且，可以在第2助催化剂46的表面上设置保护第2助催化剂46的保护膜，来代替透明导电层。
保护膜由与第2助催化剂46的吸收波长对应的化合物构成。对于保护膜，例如使用TiO2、ZrO2及Ga2O3等氧化物。在保护膜为绝缘体的情况下，例如厚度为5nm～50nm，可选择ALD(Atomic Layer Deposition：原子层沉积)法等成膜法。在保护膜为导电性的情况下，例如厚度为5nm～500nm，除了ALD(Atomi c Layer Deposition)法及CVD(Chemical VaporDeposition)，还能够通过溅射法等形成。关于保护膜，能够相较于绝缘性的情况，将导电体的情况设为较厚。
关于氧产生电极12及氢产生电极14，整体均为平板状，但是并不限定于此，可以是具有在电极的厚度方向上贯穿的贯穿孔的结构。在具有贯穿孔的情况下，氧产生电极12及氢产生电极14均不限定于在电极的厚度方向上贯穿的贯穿孔，电极结构可以是网状的电极。在该情况下，氧产生电极12中，可以是电极整体为网状的电极，例如，第1基板30可以由网状或具有多个贯穿孔的片材体构成。氢产生电极14中，电极整体也可以是网状的电极，第2基板40也可以由网状或具有多个贯穿孔的片材体构成。
图8是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第3例的示意性剖视图。图9是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第4例的示意性剖视图。
图8及图9中，对于与图1中所示的人工光合作用模块相同的结构物附加相同符号，并省略其详细说明。人工光合作用模块的第3例及第4例中，与上述人工光合作用模块的第1例同样地，原料流体为水、第1流体为氧、第2流体为氢。
关于图8中所示的人工光合作用模块60，与图1中所示的人工光合作用模块10相比，除了氧产生电极12和氢产生电极14的结构不同以外，为相同结构。
图8中所示的人工光合作用模块60中，关于氧产生电极12和氢产生电极14，显示截面形状，但是氧产生电极12的结构和氢产生电极14的结构与图1中所示的人工光合作用模块10相同。
人工光合作用模块60中，氧产生电极12及氢产生电极14至少设置有1个相对于隔膜16突出的突出部。
突出部可以是在水AQ的流动方向FA上设置有多个的结构。突出部也可以具有自表面的高度沿水AQ的流动方向FA周期性发生变化的周期结构。
氧产生电极12中，例如，在方向D上交替配置有作为突出部62的凸部62a与凹部62b。并且，氢产生电极14中，例如，在方向D上交替配置有作为突出部64的凸部64a和凹部64b。
氧产生电极12的凸部62a和凹部62b例如能够通过切割等机械加工在第1基板30的表面形成凹凸槽。氢产生电极14的凸部64a和凹部64b也与氧产生电极12同样地，能够如上所述那样通过切割等机械加工形成于第2基板40的表面。
氧产生电极12中，如图8所示，在水AQ的流动方向FA上重复设置有凸部62a和凹部62b，且具有矩形凹凸结构。凸部62a的表面62c为与水AQ的流动方向FA平行的面。凹部62b的表面62d为与水AQ的流动方向FA平行的面。
氢产生电极14中，如图8所示，在水AQ的流动方向FA上重复设置有凸部64a和凹部64b，且具有矩形凹凸结构。凸部64a的表面64c为与水AQ的流动方向FA平行的面。凹部64b的表面64d为与水AQ的流动方向FA平行的面。
在流动方向FA的上游侧配置了凸部62a，但是并不限定于此，也可以互换凸部62a和凹部62b而在流动方向FA的上游侧配置凹部62b。
突出部62中的凸部62a和凹部62b的数量可以是各至少1个，凸部62a的数量和凹部62b的数量可以相同，也可以不同。并且，凸部62a的水AQ的流动方向FA的长度及凹部62b的水AQ的流动方向FA的长度可以相同，也可以不同。凸部62a的水AQ的流动方向FA的长度，是指突出部62在水AQ的流动方向FA上的间距，优选为1.0mm以上且20mm以下。
若凸部62a的水AQ的流动方向FA的长度为1.0mm以上且20mm以下，则能够获得高电解电流。
凹部62b的水AQ的流动方向FA的长度，并无特别限定，但是可以与凸部62a的水AQ的流动方向FA的长度相同，例如可以是1.0mm以上且20mm以下。
并且，突出部62自凹部62b的表面62d的高度优选为0.1mm以上且5.0mm以下。凹凸的高度即高度h为0.1mm以上的部分是突出部62。所谓上述高度，是指凹部62b的表面62d至凸部62a的表面62c的距离。若高度为0.1mm以上且5.0mm以下，则能够获得高电解电流。
氧产生电极12与氢产生电极14之间的间隔Wd窄时，效率提高，因此优选，间隔Wd优选为1mm～20mm。间隔Wd是指氧产生电极12的凸部62a的表面62c与氢产生电极14的凸部64a的表面64c之间的距离。
对凸部62a、64a的水AQ的流动方向FA的长度及凹部62b、64b的水AQ的流动方向FA的长度、以及上述高度的测量方法进行说明。首先，从突出部64的侧面方向获取数字图像，并将数字图像读入到个人计算机中，显示在显示器上，并在显示器上绘制与上述长度以及上述高度对应的部位的线，并求出各线的长度。由此，能够获得上述长度及上述高度。
另外，氧产生电极12和氢产生电极14中，上述长度及上述高度可以相同，也可以不同。
优选突出部62的凸部62a及突出部64的凸部64a设置在相对于设置有突出部62、64的表面的面积为50％以上的范围内。例如，优选氧产生电极12及氢产生电极14的整体长度的一半以上。
在该情况下，优选凸部62a、64a的总长度为长度Wc的一半以上。因此，通过使凸部62a、64a的总数多于凹部62b、64b的总数，能够设置在相对于设置有突出部62、64的表面的面积为50％以上的范围内。
人工光合作用模块60中，在使水AQ沿与方向D平行的方向流动的情况下，水AQ的流动方向FA为与方向D平行的方向，且为横穿凸部62a、64a和凹部62b、64b的方向。
人工光合作用模块60中，通过如上所述那样将氧产生电极12和氢产生电极14设为矩形凹凸结构，在水AQ的流动中产生乱流，可获得附着于隔膜16上的氧气的气泡及氢气的气泡剥离的效果，可抑制光L的利用效率下降。由此，电解电压下降，能量转换效率提高。
并且，如图9中所示的人工光合作用模块60那样，氧产生电极12的突出部62和氢产生电极14的突出部64中，可以设为沿水AQ的流动方向FA连续配置有表面62c、64c均为斜面的凸部62a、64a，且具有自表面的高度沿水AQ的流动方向FA周期性发生变化的周期结构。在该情况下，也与上述矩形凹凸结构同样地，在水AQ的流动中产生乱流，可获得附着于隔膜16上的氧气的气泡及氢气的气泡剥离的效果，可抑制光L的利用效率下降。由此，电解电压下降，能量转换效率提高。
斜面的倾斜角度相对于水AQ的流动方向FA为90°以下，但是并不限定于此。倾斜角度可以大于90°，在该情况下，斜面朝向与水AQ的流动方向FA相反的方向倾斜。
若斜面的倾斜角度大，则水AQ的流动电阻变大，且流速减小。若提高水AQ的流速，则用于供给水AQ的消耗能量增加，若提高水AQ的流速，则能量损耗增加。因此，人工光合作用模块60的综合性能量转换效率下降。
因此，倾斜角度优选为5°以上且45°以下，更优选上限值为30°以下。倾斜角度的下限值例如为5°。若倾斜角度为45°以下，则能够获得高电解电流。
氧产生电极12与氢产生电极14之间的间隔Wd窄时，效率提高，因此优选，间隔Wd优选为1mm～20mm。间隔Wd是指氧产生电极12的凸部62a的表面62c的最突出端62e与氢产生电极14的凸部64a的表面64c的最突出端64e之间的距离。
关于氧产生电极12和氢产生电极14的倾斜角度，从氧产生电极12和氢产生电极14的侧面方向获取数字图像，并将数字图像读入到个人计算机中，显示在显示器上，并在显示器上绘制水平线，求出该水平线与氧产生电极12和氢产生电极14的斜面的表面所呈的角度。
另外，氧产生电极12和氢产生电极14中，突出部62、64的大小可以相同，也可以不同。可以将氧产生电极12和氢产生电极14中的任一个设为没有突出部的所谓的固体电极的结构。
氧产生电极12和氢产生电极14中的至少一个中，可以是整个表面相对于水AQ的流动方向FA倾斜以使厚度变厚的结构。在该情况下，氧产生电极12和氢产生电极14的倾斜角度可以相同，也可以不同。
相反地，氧产生电极12和氢产生电极14中的至少一个中，可以是整个表面相对于水AQ的流动方向FA倾斜以使厚度变薄的结构。在该情况下，氧产生电极12和氢产生电极14的倾斜角度可以相同，也可以不同。在上述任一情况下，倾斜角度均优选为5°以上且45°以下。
另外，图1及图7中所示的人工光合作用模块10、图8及图9中所示的人工光合作用模块60中，均从光L的入射侧依次配置了氧产生电极12和氢产生电极14，但是并不限定于该结构，也可以依次配置氢产生电极14、氧产生电极12。
另外，氧产生电极12和氢产生电极14可以是图10及图11中所示的梳齿结构。
在此，图10是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第5例的示意性剖视图，图11是表示本发明的实施方式的人工光合作用模块的第5例的电极结构的示意性俯视图。
图10及图11中，对于与图1中所示的人工光合作用模块相同的结构物附加相同符号，并省略其详细说明。另外，图11中，省略了隔膜16的图示。
关于图10中所示的人工光合作用模块70，与图1中所示的人工光合作用模块10相比，除了氧产生电极12和氢产生电极14的结构不同以外，为相同结构。
图10中所示的人工光合作用模块70的氧产生电极12及氢产生电极14为梳齿电极，除此之外，包含层结构，且为与人工光合作用模块10的氧产生电极12及氢产生电极14相同的结构。在该情况下，氧产生电极12的第1光催化剂层34(参考图3)设置于光L的入射侧。氢产生电极14的第2光催化剂层44(参考图4)也设置于光L的入射侧。
如图11所示，氧产生电极12例如由平板构成，且具有长方形的第1电极部72a、长方形的第1间隙72b及连接有多个第1电极部72a的基部72c，在方向D上交替配置有第1电极部72a和第1间隙72b。多个第1电极部72a与基部72c成为一体，多个第1电极部72a各自电连接。
氢产生电极14例如由平板构成，且具有长方形的第2电极部74a、长方形的第2间隙74b及连接有多个第2电极部74a的基部74c，在方向D上交替配置有第2电极部74a和第2间隙74b。多个第2电极部74a与基部74c成为一体，多个第2电极部74a各自电连接。
第1电极部72a的配置方向和第2电极部74a的配置方向与方向D平行。
如图11所示，氧产生电极12和氢产生电极14均为梳齿状电极，第1电极部72a和第2电极部74a相当于梳齿电极的梳齿。氧产生电极12和氢产生电极14均称为梳状电极。
关于氧产生电极12和氢产生电极14，在从光L的入射侧观察的情况下，第1电极部72a配置于第2间隙74b，且第2电极部74a配置于第1间隙72b。在该情况下，可以在第2间隙74b与第1电极部72a之间在方向D上具有间隙。
人工光合作用模块70中，水AQ的流动方向FA为与方向D平行的方向，水AQ以横穿第1电极部72a及第2电极部74a的方式流动。
并且，人工光合作用模块70中，也从光L的入射侧依次配置有氧产生电极12和氢产生电极14，但是并不限定于该结构，可以从光L的入射侧依次配置氢产生电极14、氧产生电极12。因此，有时氧产生电极12配置于隔膜16的与光L的入射侧相反的一侧。在此，氧产生电极12的吸收端例如为400nm～800nm左右。因此，优选隔膜16的透射率在400nm波长附近的紫外线区域中也高。
设为梳齿电极结构的人工光合作用模块70中，氧产生电极12的第1电极部72a和氢产生电极14的第2电极部74a可以分别相对于水AQ的流动方向FA倾斜。在该情况下，倾斜角度优选为5°以上且45°以下，更优选上限值为30°以下。若倾斜角度为5°以上且45°以下，则能够获得高电解电流。
另外，关于氧产生电极12的第1电极部72a和氢产生电极14的第2电极部74a，若倾斜角度大，则水AQ的流动电阻变大，且流速减小。若提高水AQ的流速，则用于供给水AQ的消耗能量增加，若提高水AQ的流速，则能量损耗增加。因此，人工光合作用模块70的综合性能量转换效率下降。
另外，第1电极部72a的倾斜角度与第2电极部74a的倾斜角度可以是相同的角度，也可以是不同的角度。关于氧产生电极12的第1电极部72a及氢产生电极14的第2电极部74a的倾斜方向，可以相对于流动方向FA倾斜，也可以向与流动方向FA相反的一侧倾斜。
并且，氧产生电极12的第1电极部72a及氢产生电极14的第2电极部74a中的任一个的倾斜角度可以是0°，即可以是不倾斜的状态。与两个电极部均不倾斜的平坦的结构相比，通过至少一个电极部倾斜，电解电流变高，能够获得优异的能量转换效率。
关于倾斜角度，能够通过与上述图9中所示的人工光合作用模块60的倾斜角度相同的方法进行测量，因此省略详细说明。
梳齿电极可以由多边形面、曲面或平面与曲面的组合构成，而不是由平板构成。在该情况下，氧产生电极和氢产生电极中的至少一个也可以由上述多边形面、曲面或平面与曲面的组合构成，而不是由平面构成。
并且，氧产生电极12和氢产生电极14除了梳齿电极结构以外，还可以是水平放置的形态。所谓水平放置的形态，例如，是平板状的氧产生电极12和平板状的氢产生电极14在同一面上隔着隔膜16并排配置的形态。
上述人工光合作用模块中，将分解水AQ而产生氧及氢的情况作为例子进行了说明，但是并不限定于此，能够产生甲烷等。
作为分解对象的原料流体能够设为除水AQ以外的液体及气体，作为分解对象的原料流体并不限定于水AQ。并且，人工光合作用模块用电极及人工光合作用模块中，关于所产生的第1流体及第2流体，并不限定于氧及氢，能够通过调整电极的结构，从原料流体获得液体或气体。例如，能够从硫酸获得过硫酸。能够从水获得过氧化氢，能够从食盐获得次氯酸盐，能够从碘酸盐获得过碘酸盐，能够从三价铈获得四价铈。
上述人工光合作用模块10能够利用于人工光合作用装置。人工光合作用装置中，将原料流体为水、第1流体为氧、第2流体为氢的情况作为例子进行说明。
图12是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第1例的示意图。
图12中所示的人工光合作用装置100例如具有：人工光合作用模块10，分解作为原料流体的水而获得气体等流体；罐102，储存水；供给管26a、26b，与罐102和人工光合作用模块10连接，且将水供给至人工光合作用模块10；排出管28a、28b，与罐102和人工光合作用模块连接，且从人工光合作用模块回收水；泵104，使水经由供给管26a、26b和排出管28a、28b而在罐102与人工光合作用模块10之间进行循环；及气体回收部105，回收由人工光合作用模块10产生的产生气体等所获得的流体。
人工光合作用装置100中，人工光合作用模块10在使方向D与方向W平行的状态下配置，且沿与方向W正交的方向M并排配置有多个。人工光合作用模块10的结构与图1中所示的结构相同，因此省略其详细说明。若人工光合作用模块10的数量为多个，则并无特别限定，至少为2个即可。
关于罐102，如上所述，储存作为原料流体的水，例如，储存供给至人工光合作用模块10的水，还存储从人工光合作用模块10经由排出管28a、28b排出的水等原料流体。关于罐102，只要能够储存水等原料流体，则并无特别限定。
泵104经由配管103与罐102连接，且将储存于罐102中的水等原料流体供给至人工光合作用模块10。泵104还将从人工光合作用模块10排出到罐102中并被储存的水等原料流体供给至人工光合作用模块10。如此，泵104使水等原料流体经由供给管26a、26b和排出管28a、28b而在罐102与人工光合作用模块10之间进行循环。泵104只要能够使水等原料流体在罐102与人工光合作用模块10之间进行循环，则并无特别限定，可根据所循环的水等原料流体的量及配管长度等适当选择。
气体回收部105例如具有：氧气回收部106，回收由人工光合作用模块10生成等所获得的氧气；及氢气回收部108，回收由人工光合作用模块10生成等所获得的氢气。
氧气回收部106经由氧气用管107连接于人工光合作用模块10。关于氧气回收部106，只要能够回收氧气等所获得的气体或液体的流体，则其结构并无特别限定，例如能够利用使用了吸附法的装置。
氢气回收部108经由氢气用管109连接于人工光合作用模块10。关于氢气回收部108，只要能够回收氢气等所获得的气体或液体的流体，则其结构并无特别限定，例如能够利用使用了吸附法及隔膜法等的装置。
人工光合作用装置100中，可以使人工光合作用模块10相对于方向W倾斜。在该情况下，成为图7中所示的人工光合作用模块10的形态。通过使人工光合作用模块10倾斜，水容易向罐102侧移动，能够提高氧气及氢气的生成效率，而且所产生的氧气容易向氧气用管107侧移动，且氢气容易向氢气用管109侧移动，能够有效地回收氧气及氢气。人工光合作用模块10并不限定于图1中所示的人工光合作用模块，能够使用图8中所示的人工光合作用模块60、图9中所示的人工光合作用模块60及图10中所示的人工光合作用模块70。
另外，将氢气回收部108及氧气回收部106设置于泵104侧，但是并不限定于此，也可以设置于罐102侧。
人工光合作用装置100中，若使用恒电位仪，对人工光合作用模块10的氧产生电极12和氢产生电极14供给恒定电流，则从氧产生电极12产生氧，且从氢产生电极产生氢。氧和氢以气体的形式积存于人工光合作用模块10的上部，将氧回收到氧气回收部106，且将氢回收到氢气回收部108。
图13是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第2例的示意图，图14是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第3例的示意图，图15是表示本发明的实施方式的人工光合作用装置的第4例的示意图。图13～图15中，对于与图1中所示的人工光合作用模块10及图12中所示的人工光合作用装置100相同的结构物附加相同符号，并省略其详细说明。
与图12中所示的人工光合作用装置100相比，图13中所示的人工光合作用装置100a中，在第1分区23a设置有氧气用管107，且氧气回收部106连接于氧气用管107。在第2分区23b设置有氢气用管109，且氢气回收部108连接于氢气用管109。排出管28a连接于第1罐102a，且排出管28b连接于第2罐102b。
第1罐102a与第1分区23a通过供给管26a而连接。在供给管26a中设置有泵104。通过泵104，将储存于第1罐102a中的水AQ供给至第1分区23a。
第2罐102b与第2分区23b通过供给管26b而连接。在供给管26b中设置有泵104。通过泵104，将储存于第2罐102b中的水AQ供给至第2分区23b。人工光合作用模块10中，沿方向D供给水AQ。并且，关于人工光合作用模块10，在容器20内的氧气用管107及氢气用管109侧设置有隔壁19，而不是隔膜16。隔壁19为不渗透气体的结构，可抑制在容器20内产生的氢与氧的混合。另外，人工光合作用装置100a中，人工光合作用模块10相对于水平面B倾斜45°而配置。
人工光合作用装置100a中，若使用恒电位仪，对人工光合作用模块10的氧产生电极12和氢产生电极14供给恒定电流，则从氧产生电极12产生氧，且从氢产生电极产生氢。氧和氢以气体的形式积存于人工光合作用模块10的上部，可利用隔壁19抑制氢与氧的混合，将氧回收到氧气回收部106，且将氢回收到氢气回收部108。
与图12中所示的人工光合作用装置100相比，图14中所示的人工光合作用装置100b中，在第1分区23a设置有氧气用管107，且氧气回收部106连接于氧气用管107。在第2分区23b设置有氢气用管109，且氢气回收部108连接于氢气用管109。排出管28a和排出管28b连接于罐102。图14中所示的人工光合作用装置100b中，罐102为1个。
罐102与第1分区23a通过供给管26a而连接。在供给管26a设置有泵104。通过泵104，将储存于罐102中的水AQ供给至第1分区23a。
罐102与第2分区23b通过供给管26b而连接。在供给管26b设置有泵104。通过泵104，将储存于罐102中的水AQ供给至第2分区23b。罐102为1个，且将来自第1分区23a的水AQ及来自第2分区23b的水AQ混合并储存于罐102中。由此，通过泵104供给的水AQ的pH接近于最初供给的水AQ的pH。第1分区23a和第2分区23b中的水AQ的pH之差随着时间经过而产生偏差，因水AQ的pH偏差必然发生电解电压上升即转换效率下降低，但是通过将罐102设为1个，可抑制水AQ的pH偏差，进而能够获得抑制电解电压随时间上升的效果。
人工光合作用模块10中，沿方向D供给水AQ。并且，关于人工光合作用模块10，在容器20内的氧气用管107及氢气用管109侧设置有隔壁19，而不是隔膜16。隔壁19为不渗透气体的结构，且可抑制在容器20内产生的氢与氧的混合。另外，人工光合作用装置100b中，人工光合作用模块10相对于水平面B倾斜45°而配置。
人工光合作用装置100b中，若使用恒电位仪，将恒定电流供给至人工光合作用模块10的氧产生电极12和氢产生电极14，则从氧产生电极12产生氧，且从氢产生电极产生氢。氧和氢以气体的形式积存于人工光合作用模块10的上部，可利用隔壁19抑制氢与氧的混合，将氧回收到氧气回收部106，且将氢回收到氢气回收部108。
与图12中所示的人工光合作用装置100相比，图15中所示的人工光合作用装置100c中，在第1分区23a设置有氧气用管107，且氧气回收部106连接于氧气用管107。在第2分区23b设置有氢气用管109，且氢气回收部108连接于氢气用管109。排出管28a连接于第1罐102a，且排出管28b连接于第2罐102b。
第1罐102a与第1分区23a通过供给管26a而连接。在供给管26a设置有泵104。通过泵104，将储存于第1罐102a中的水AQ供给至第1分区23a。
第2罐102b与第2分区23b通过供给管26b而连接。在供给管26b设置有泵104。通过泵104，将储存于第2罐102b中的水AQ供给至第2分区23b。人工光合作用模块10中，沿方向D供给水AQ。并且，关于人工光合作用模块10，在容器20内的氧气用管107及氢气用管109侧设置有隔壁19，而不是隔膜16。隔壁19为不渗透气体的结构，可抑制在容器20内产生的氢与氧的混合。另外，人工光合作用装置100c中，人工光合作用模块10相对于水平面B倾斜45°而配置。
人工光合作用装置100c中，若使用恒电位仪，对人工光合作用模块10的氧产生电极12和氢产生电极14供给恒定电流，则从氧产生电极12产生氧，且从氢产生电极产生氢。氧和氢以气体的形式积存于人工光合作用模块10的上部，可利用隔壁19抑制氢与氧的混合，将氧回收到氧气回收部106，且将氢回收到氢气回收部108。
人工光合作用装置100c中，也如上述人工光合作用装置100b那样，可以是只有1个罐102的结构。如上所述，通过将罐102设为1个，可抑制所回收的水AQ的pH偏差，进而能够获得抑制电解电压随时间上升的效果。
在氧产生电极12设置有贯穿孔12a，且在氢产生电极14设置有贯穿孔14a。隔膜16配置并夹持于氢产生电极14与氧产生电极12之间。
所产生的气泡通过贯穿孔12a、14a逃逸到电极的相反的一侧，并流过各电极的背面。由此，能够抑制气泡夹持于隔膜16与电极之间，并妨碍水AQ的流动、通过隔膜16的离子的流动而电解电压上升。并且，通过抑制气泡被夹持，能够进一步缩小电极间隔，因此能够降低电解电压即提高转换效率。并且，太阳光从氧产生电极的贯穿孔渗透到氢产生电极，因此氧产生电极无需是透明的，无需使用高电阻的ITO(Indium Tin Oxide)膜等高电阻的透明电极膜，进而能够降低电解电压。
上述人工光合作用装置100a、100b、100c中，将倾斜角度设为45°，但是并不限定于此，通过向与纬度对应的太阳光入射方向倾斜，能够有效地利用太阳光。
并且，上述人工光合作用装置100、100a、100b、100c中，将渗透隔膜16，并从第2分区23b移动到第1分区23a的氢的浓度设为氢渗透浓度。从第2分区23b移动到第1分区23a的氢相对于氧被视作杂质，因此理想的是，氢渗透浓度为0％，但是作为上限，为4％以下。为了在后工序中提高氧纯度，若考虑氧的生成效率，则优选在实用上将氢渗透浓度抑制在2％以下，若为2％以下，则可抑制氧的生成效率下降。
并且，将渗透隔膜16，并从第1分区23a移动到第2分区23b的氧的浓度设为氧渗透浓度。从第1分区23a移动到第2分区23b的氧相对于氢被视作杂质，因此理想的是，氧渗透浓度为0％，但是作为上限，为4％以下。为了在后工序中提高氢纯度，若考虑氢的生成效率，则优选在实用上将氧渗透浓度抑制在2％以下，若为2％以下，则可抑制氢的生成效率下降。由此，在氧与氢的混合少时，能够减少用于获得高纯度的氧及氢的能量，从而能够提高氧及氢的生成效率。
本发明基本上以如上方式构成。以上，对本发明的人工光合作用模块及人工光合作用装置进行了详细说明，但是本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然可以进行各种改良或变更。
[实施例1]
以下，举出实施例对本发明的特征进行进一步具体的说明。关于以下实施例中所示的材料、试剂、使用量、物质量、比例、处理内容、处理步骤等，只要不脱离本发明的主旨，则能够适当进行变更。因此，本发明的范围不因以下所示的具体例而作限定性解释。
第1实施例中，为了确认本发明的效果，制作了以下所示的实施例1、比较例1及参考例1的人工光合作用模块。
第1实施例中，一边对实施例1、比较例1及参考例1的人工光合作用模块供给电解水溶液，一边用恒电位仪进行控制，以使相当于转换效率10％的电流值成为恒定，从控制开始测量10分钟的电解电压的变化，并求出了10分钟之后的电解电压。将其结果示于表1。对于恒电位仪，使用了HOKUTO DENKO CORPOR ATION制造的HZ-7000。
另外，10分钟之后的电解电压为评价能量转换效率的参数。表示用于使上述相当于转换效率10％的恒定量的电解电流流动的电解电压越小，能量转换效率越良好。
并且，关于实施例1、比较例1及参考例1的人工光合作用模块，测量了氢渗透浓度及氧渗透浓度。另外，以如下方式测量了氢渗透浓度及氧渗透浓度。
[氢渗透浓度的测量方法]
首先，将人工光合作用模块的氧产生侧的分区的气体回收口与气相色谱仪(Agilent制造的Micro GC490(商品名称))进行连接，并用氮替换了人工光合作用模块内的空气。通过气相色谱仪确认到除氮以外的氧及氢为测量限度以下之后，使电流在人工光合作用模块中流动，以使相当于转换效率10％的电流值成为恒定，并产生了氢及氧。通过气相色谱仪从氧产生侧的第1分区检测从氧产生电极产生的氧并从氢产生侧的第2分区检测通过隔膜而渗透到氧产生侧的第1分区的氢。将如上所述那样通过的氢和起初产生的氧的量加在一起而得的浓度设为100％时的所渗透的氢的浓度设为氢渗透浓度。
[氧渗透浓度的测量方法]
首先，将人工光合作用模块的氢产生侧的分区的气体回收口与气相色谱仪(Agilent制造的Micro GC490(商品名称))进行连接，并用氮替换了人工光合作用模块内的空气。通过气相色谱仪确认到除氮以外的氧及氢为测量限度以下之后，使电流在人工光合作用模块中流动，以使相当于转换效率10％的电流值成为恒定，并产生了氢及氧。通过气相色谱仪从氢产生侧的第2分区检测从氢产生电极产生的氢并从氧产生侧的第1分区检测通过隔膜而渗透到氢产生侧的第2分区的氧。将如上所述那样通过的氧和起初产生的氢的量加在一起而得的浓度设为100％时的所渗透的氧的浓度设为氧渗透浓度。
并且，测量了使用了实施例1及比较例1的隔膜的透光率。参考例1没有使用隔膜。透光率以如下方式进行了测量。
[透光率的测量]
在隔膜的透光率的测量中，作为透射率测量装置，使用了通常使用的NIPP ONDENSHOKU INDUSTRIES CO.，LTD.制造的SH7000。隔膜的透光率的测量中，经1分钟将隔膜浸渍于纯水中之后，在将隔膜浸渍于纯水中的状态下，设置于透射率测量装置并测量了透光率。透射率测量装置中，通过积分球对在波长为380nm～780nm的波长区域中透射的所有光进行积分并作为透射光量，计算了透光率。
[亲水性与疏水性的测量和判定]
对于亲水性与疏水性的测量，使用了用于测量接触角的2θ法。首先，将超纯水、5微升的液滴滴加于隔膜表面上，通过显微镜(KEYENCE CORPORATION.制造的VHS-5000)从侧面拍摄液滴和隔膜的图像之后，从液滴与隔膜的触点至液滴顶点绘制线，并将该线与隔膜表面之间的角度扩大2倍而得的角度设为接触角。
将液滴因亲水性渗透隔膜，并无法测量接触角的情况判定为亲水性。将液滴不会渗透隔膜，而以液滴状态残留于隔膜上的情况判定为疏水性。另外，液滴残留时的接触角均为90°以上。
另外，隔膜的厚度及平均孔径利用了所使用的隔膜的目录值。
以下，对实施例1、比较例1及参考例1的人工光合作用模块进行说明。实施例1、比较例1及参考例1的人工光合作用模块均在设置有电解水溶液入口部和电解水溶液出口部的容器内配置有氢产生电极和氧产生电极。在氢产生电极与氧产生电极之间配置了隔膜。将氢产生电极表面与氧产生电极表面之间的距离即间隔设为4mm。容器以倾斜45°的方式配置。
关于电解水溶液的供给方法，使电解水溶液平行于氢产生电极表面和氧产生电极表面而流动，而且，设置蜂窝整流板而使电解水溶液的流动在氢产生电极表面上和氧产生电极表面上形成层流。对于电解水溶液，使用了0.5M Na2SO4+Pi(磷酸缓冲液)pH6.5的电解液。
(实施例1)
实施例1的人工光合作用模块中，氢产生电极和氧产生电极为平板，且称为固体电极。对于氢产生电极和氧产生电极，使用了对电极尺寸为100mm×100mm的平坦的由钛制成的基材的表面实施了厚度为1μm的铂镀覆处理的电极(EXCELOAD EA：Japan Carlit Co.，Ltd.))。
实施例1中，将PTFE膜(ADVANTEC H100A(商品名称)(膜厚为35μm(0.035mm)、平均孔径为1.0μm))用于隔膜。实施例1的隔膜为亲水性，膜质为膜片。
另外，实施例1中，使电解水溶液以1.0升/分钟的流速沿图1所示的方向D流动。
(比较例1)
比较例1的人工光合作用模块中，将特氟龙(注册商标)纤维增强Nafion(注册商标)膜(sigma-aldrich Nafion(注册商标)324(商品名称)(膜厚为152μm(0.152mm)、平均孔径小于0.001μm、纤维增强网(fiber-reinforc ed mesh)))用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。比较例1的隔膜为亲水性，膜质为膜片。因此，省略其详细说明。比较例1的氢产生电极和氧产生电极为称作固体电极的结构。
(参考例1)
参考例1的人工光合作用模块中，不使用隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。因此，省略其详细说明。参考例1的氢产生电极和氧产生电极为称作固体电极的结构。参考例1中，由于没有隔膜而导致所产生的氧与氢混合，因此未测量氢渗透浓度及氧渗透浓度。在下述表1的“氢渗透浓度”及“氧渗透浓度”一栏中记载为“混合”。
[表1]
如表1所示，与比较例1相比，实施例1中，电解电压小，且能量转换效率良好。另外，参考例中，导致所产生的氢与氧混合，需要将氧与氢分离，转换效率差。实施例1的电解电压与参考例1大致相同。
[实施例2]
第2实施例中，制作了以下所示的实施例2～实施例5及比较例2～比较例4的人工光合作用模块。使用各人工光合作用模块构成了图13中所示的结构的人工光合作用装置。
第2实施例中，对于实施例2～实施例5及比较例2～比较例4的人工光合作用模块，测量了10分钟之后的电解电压以及氢渗透浓度及氧渗透浓度。将其结果示于下述表2。另外，在10分钟之后的电解电压、以及氢渗透浓度及氧渗透浓度的测量中，将1M Na2SO4的电解液用于电解水溶液，并使电解水溶液沿图13所示的方向D流动，且电解水溶液的流量为4.2cm/秒钟，除此之外，与上述第1实施例相同，因此省略详细说明。
将实施例2～实施例5及比较例2～比较例4的透光率、亲疏水性以及隔膜的厚度及平均孔径示于下述表2。另外，关于透光率的测量、亲水性与疏水性的测量和判定、及隔膜的厚度及平均孔径，与上述第1实施例相同，因此省略详细说明。
以下，对实施例2～实施例5及比较例2～比较例4进行说明。
(实施例2)
与上述实施例1相比，实施例2中，将PTFE膜(Millipore Omnipore1.0(商品名称)(膜厚为85μm(0.085mm)、平均孔径为1.0μm))用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。实施例2的隔膜为亲水性，膜质为膜片。
(实施例3)
与上述实施例1相比，实施例3中，将PTFE膜(Millipore Omnipore10(商品名称)(膜厚为85μm(0.085mm)、平均孔径为10.0μm))用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。实施例3的隔膜为亲水性，膜质为膜片。
(实施例4)
与上述实施例1相比，实施例4中，将PTFE膜(Millipore OmniporeO.1(商品名称)(膜厚为30μm(0.030mm)、平均孔径为0.1μm))用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。实施例4的隔膜为亲水性，膜质为膜片。
(实施例5)
与上述实施例1相比，实施例5中，将PTFE膜(TOBUTSU TECHNO Corpora tion.FP-100-100(商品名称)(膜厚为100μm(0.100mm)、平均孔径为3.2μm))用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。关于实施例5的隔膜，对疏水性进行亲水化处理，膜质为多孔。亲水化处理中使用了WO2014/021167号中所示的方法。
(比较例2)
与上述实施例1相比，比较例2中，将PET膜(YUASA Co.，Ltd.MF-250BN(商品名称)(膜厚为170μm(0.170mm)、平均孔径为2.5μm))用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。关于比较例2的隔膜，对疏水性进行亲水化处理，膜质为无纺纸。亲水化处理中使用了WO2014/021167号中所示的方法。
(比较例3)
与上述实施例1相比，比较例3中，将PET膜(Sefar AG PET51-HD(商品名称)(膜厚为60μm(0.060mm)、平均孔径小于50.0μm)用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。关于比较例3的隔膜，对疏水性进行亲水化处理，膜质为网状。亲水化处理中使用了WO2014/021167号中所示的方法。下述表2中所示的氧渗透浓度一栏的“＞4.0”表示氧渗透浓度超过4.0％。
(比较例4)
与上述实施例1相比，比较例4中，将纤维素膜(FUTAMURA CHEMICAL CO.，LTD.玻璃纸(商品名称)(膜厚为22μm(0.022mm)、平均孔径小于0.1μm))用于隔膜，除此之外，设为与实施例1相同的结构。比较例4的隔膜为亲水性，膜质为膜片。
[表2]
如表2所示，实施例2～实施例4中，厚度和平均孔径不同，除此之外，为相同的结构。从实施例2～实施例4，至少确认到平均孔径为0.1μm～10.0μm、膜厚为35μm～85μm以下时为实用上的电解电压。并且，关于实施例2～实施例4，确认到通过隔膜贯穿到相反侧的氧的氧渗透浓度及氢的氢渗透浓度在后工序中提高纯度时实用上为2％以下。
实施例5中，虽然进行了亲水化处理，但是能够将透光率设为90％以上，而且将电解电压设为3.0V以下，且能够将氢渗透率设为2％以下。
比较例2中，透光率低且10分钟之后的电解电压高，转换效率差。
比较例3中，平均孔径大，氢渗透浓度高且为3.29％，并且氧渗透浓度也高且超过4.0％，作为实用性能不合适。比较例4中，10分钟之后的电解电压高，转换效率差。
[实施例3]
第3实施例中，对使电解液各自循环的分离循环方式、将电解液集中回收到1个罐中并使其循环的混合循环方式的效果进行了分析。
实施例6使用了图13中所示的结构的人工光合作用装置，实施例7使用了图14中所示的结构的人工光合作用装置。
关于实施例6及实施例7，在10分钟之后、20分钟之后、60分钟之后、120分钟之后测量了电解电压。将其结果示于下述表3。
关于电解电压的测量方法，将1M Na2SO4的电解液用于电解水溶液，并使电解水溶液沿图13及图14中所示的方向D流动，且电解水溶液的流量为4.2cm/秒，除此之外，与上述第1实施例相同，因此省略其详细说明。
以下，对实施例6及实施例7进行说明。
(实施例6)
与实施例1相比，实施例6中，通过氧产生电极和氢产生电极使电解液各自循环，除此之外，设为与实施例1相同的结构。
(实施例7)
与实施例1相比，实施例7中，通过氧产生电极和氢产生电极将电解液集中回收到1个罐中并使其循环，除此之外，设为与实施例1相同的结构。
[表3]
如表3所示，实施例6的分离循环方式和实施例7的混合循环方式中，若经过60分钟以上，则实施例7的混合循环方式可将电解电压保持为较低，即实施例7可将转换效率保持为较高。在使用隔膜的情况下，通过隔膜分隔氧产生电极与氢产生电极，因此随着时间经过，产生各分区的电解水溶液的pH偏差。由此，不可避免地发生电解电压的上升即转换效率下降。然而，实施例7的混合循环方式中，可循环利用回收到1个罐中的电解水溶液，因此消除罐内的电解水溶液的pH偏差且抑制电解电压的经时上升的效果优异。
[实施例4]
第4实施例中，对由氧产生电极和氢产生电极的结构的不同产生的效果进行了分析。
关于称作固体电极的平板电极结构的实施例8和网状电极结构的实施例9，测量了10分钟之后的电解电压。将其结果示于下述表4。
关于电解电压的测量方法，将1M Na2SO4的电解液用于电解水溶液，并使电解水溶液沿图15中所示的方向D流动，且电解水溶液的流量为4.2cm/秒，除此之外，与上述第1实施例相同，因此省略其详细说明。
以下，对实施例8及实施例9进行说明。
(实施例8)
实施例8为与实施例1相同的结构。实施例8中使用了图13中所示的结构的人工光合作用装置。
(实施例9)
与实施例1相比，实施例9中，将氧产生电极及氢产生电极设为以80条/英寸的密度编织直径为0.08mm的铂线而得的网状电极结构，除此之外，设为与实施例1相同的结构。实施例9中使用了图15中所示的结构的人工光合作用装置。
[表4]
如表4所示，网状电极结构的实施例9能够保持与实施例8相等的电解电压，能够保持高转换效率。
实施例9中，所产生的气泡通过氧产生电极及氢产生电极的贯穿孔逃逸到相反的一侧的电极，并流过电极的背面。由此，可抑制气泡夹持于隔膜与电极之间，并妨碍电解液的流动、及通过隔膜的离子的流动而电解电压上升。并且，通过抑制气泡被夹持，能够进一步缩小电极间隔，因此能够降低电解电压即提高转换效率。并且，太阳光从氧产生电极的贯穿孔渗透到氢产生电极，因此氧产生电极无需是透明的，无需使用高电阻的ITO(IndiumTin Oxide)等透明电极膜，进而能够降低电解电压。
符号说明
10、60、70-人工光合作用模块，12-氧产生电极，12a、14a-贯穿孔，14-氢产生电极，16-隔膜，16a、24a、34a、40a、42a、44a-表面，16b-背面，17-贯穿孔，18-导线，20-容器，22b-底表面，22c-第1壁面，22d-第2壁面，23a-第1分区，23b-第2分区，24-透明部件，26a、26b-供给管，28a、28b-排出管，30-第1基板，32-第1导电层，34-第1光催化剂层，36-第1助催化剂，37-助催化剂粒子，40-第2基板，42-第2导电层，44-第2光催化剂层，46-第2助催化剂，47-助催化剂粒子，50、51、52-气泡，62、64-突出部，62a、64a-凸部，62b、64b-凹部，62c、62d、64c、64d-表面，62e、64e-最突出端，72a-第1电极部，72b-第1间隙，72c、74c-基部，74a-第2电极部，74b-第2间隙，80-厚度为0.1mm的Nafion(注册商标)膜，82-多孔的纤维素膜，84-孔径为0.1μm的亲水性PTFE(聚对苯二甲酸乙二酯)膜，86-孔径为1.0μm的亲水性PTFE(聚对苯二甲酸乙二酯)膜，88-孔径为10μm的亲水性PTFE(聚对苯二甲酸乙二酯)膜，100、100a、100b、100c-人工光合作用装置，102、102a、102b-罐，103-配管，104-泵，105-气体回收部，106-氧气回收部，107-氧气用管，108-氢气回收部，109-氢气用管，AQ-水，B-水平面，D-方向，Db-平均气泡直径，Dh-孔径，Di-行进方向，Dp-孔径，FA-方向，L-光，Lq-液体，W-方向，d-厚度，h-高度，φ-角度。

Claims (11)

1.一种人工光合作用模块，其具有：
第1电极，通过光对原料流体进行分解而获得第1流体；
第2电极，通过所述光对所述原料流体进行分解而获得第2流体；及
隔膜，设置于所述第1电极与所述第2电极之间，
该人工光合作用模块的特征在于，
所述隔膜由具有贯穿孔的膜构成，且使所述隔膜浸渍于温度为25℃的纯水中1分钟，在浸渍于所述纯水中的状态下，波长为380nm～780nm的波长区域的透光率为60％以上，
所述隔膜的所述贯穿孔的平均孔径超过0.1μm且小于50μm。
2.根据权利要求1所述的人工光合作用模块，其中，
所述隔膜由具有亲水性表面的多孔膜构成。
3.根据权利要求1所述的人工光合作用模块，其中，
所述第1电极具有：第1基板；第1导电层，设置于所述第1基板上；第1光催化剂层，设置于所述第1导电层上；及第1助催化剂，承载于所述第1光催化剂层的至少一部分，
所述第2电极具有：第2基板；第2导电层，设置于所述第2基板上；第2光催化剂层，设置于所述第2导电层上；及第2助催化剂，承载于所述第2光催化剂层的至少一部分，
所述第1电极、所述隔膜及所述第2电极沿所述光的行进方向串联配置。
4.根据权利要求3所述的人工光合作用模块，其中，
所述光从所述第1电极侧射入，且所述第1电极所具有的所述第1基板是透明的。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的人工光合作用模块，其中，
所述第1电极和所述第2电极具有多个贯穿孔，
所述隔膜被配置并夹持于所述第1电极与所述第2电极之间。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的人工光合作用模块，其中，
所述第1流体为气体或液体，所述第2流体为气体或液体。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的人工光合作用模块，其中，
所述原料流体为水，所述第1流体为氧，所述第2流体为氢。
8.一种人工光合作用装置，其具有：
人工光合作用模块，分解原料流体而获得流体；
罐，储存所述原料流体；
供给管，连接于所述罐和所述人工光合作用模块，且将所述原料流体供给至所述人工光合作用模块；
排出管，连接于所述罐和所述人工光合作用模块，且从所述人工光合作用模块回收所述原料流体；
泵，使所述原料流体经由所述供给管和所述排出管而在所述罐与所述人工光合作用模块之间进行循环；及
气体回收部，回收由所述人工光合作用模块获得的流体，
该人工光合作用装置的特征在于，
配置有多个所述人工光合作用模块，所述人工光合作用模块具备第1电极、第2电极及隔膜，
该第1电极通过光对所述原料流体进行分解而获得第1流体，并且具有：第1基板；第1导电层，设置于所述第1基板上；第1光催化剂层，设置于所述第1导电层上；及第1助催化剂，承载于所述第1光催化剂层的至少一部分，
该第2电极通过所述光对所述原料流体进行分解而获得第2流体，并且具有：第2基板；第2导电层，设置于所述第2基板上；第2光催化剂层，设置于所述第2导电层上；及第2助催化剂，承载于所述第2光催化剂层的至少一部分，
该隔膜设置于所述第1电极与所述第2电极之间，
所述第1电极与所述第2电极经由导线而彼此电连接，
所述隔膜由具有贯穿孔的膜构成，且使所述隔膜浸渍于温度为25℃的纯水中1分钟，在浸渍于所述纯水中的状态下，波长为380nm～780nm的波长区域的透光率为60％以上，所述隔膜的所述贯穿孔的平均孔径超过0.1μm且小于50μm。
9.根据权利要求8中所述的人工光合作用装置，其中，
所述人工光合作用模块具有由所述隔膜划分且设置有所述第1电极的第1分区及设置有所述第2电极的第2分区，
所述供给管将所述原料流体供给至所述第1分区及所述第2分区，
所述排出管回收所述第1分区及所述第2分区的所述原料流体，
储存所述原料流体的罐中，将所述人工光合作用模块的所述第1分区的所述原料流体及所述第2分区的所述原料流体混合并进行储存，
混合并储存于所述罐中的所述原料流体通过所述泵并经由所述供给管将所述原料流体供给至所述第1分区及所述第2分区。
10.根据权利要求8或9中所述的人工光合作用装置，其中，
所述第1流体为气体，所述第2流体为气体。
11.根据权利要求8或9所述的人工光合作用装置，其中，
所述原料流体为水，所述第1流体为氧，所述第2流体为氢。
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