JP2020012134A

JP2020012134A - 人工光合成モジュール

Info

Publication number: JP2020012134A
Application number: JP2018133463A
Authority: JP
Inventors: 弘長手; Hiroshi Nagate
Original assignee: Fujifilm Corp; Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process
Current assignee: Fujifilm Corp; Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-23

Abstract

【課題】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。【解決手段】人工光合成モジュールは光により水を分解して酸素を発生させる、酸素発生電極と、光により水を分解して水素を発生させる、水素発生電極とを有する。人工光合成モジュールは酸素発生電極及び水素発生電極は、設置面に対して傾斜して配置され、酸素発生電極及び水素発生電極のうち、少なくとも一方の電極は複数の一方の溝と複数の他方の溝とが交差した交差溝群を有し、一方の溝と他方の溝との交差角度が８０°〜１００°である。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光等の光により、水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、発生した水素の気泡と酸素の気泡を制御する構造を備える人工光合成モジュールに関する。

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、及び恒久的なエネルギー問題等の観点から、化石燃料及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及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。

例えば、特許文献１には、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が記載されている。
特許文献１では、酸素発生電極の第１の光触媒層の第１表面、及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、又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。

国際公開第２０１７／０９４４８４号

人工光合成モジュールを高エネルギー変換効率で稼働させるためには、電解水溶液を流すことが必要である。人工光合成モジュールの電解水溶液を流すのに必要なエネルギーをより小さくするには、電解水溶液の抵抗を小さくする必要がある。特許文献１は、電解水溶液をポンプにより流す構成であるが、電解水溶液の抵抗を考慮していない。
また、電解水溶液をポンプにより流さないことによっても、人工光合成モジュールを稼働させるのに必要なエネルギーをより小さくすることができる。しかしながら、特許文献１の人工光合成モジュールは、電解水溶液をポンプにより流すことを前提にしており、電解水溶液をポンプにより流さないものには対応できない。
このように、特許文献１は、人工光合成モジュールを稼働させるのに必要なエネルギーをより小さくするケースには適していない。

本発明の目的は、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。

上述の目的を達成するために、本発明は、光により水を分解して酸素を発生させる、酸素発生電極と、光により水を分解して水素を発生させる、水素発生電極と、を有する、人工光合成モジュールであって、酸素発生電極及び水素発生電極は、設置面に対して傾斜して配置され、酸素発生電極及び水素発生電極のうち、少なくとも一方の電極は、複数の一方の溝と複数の他方の溝とが交差した交差溝群を有し、一方の溝と他方の溝との交差角度が８０°〜１００°である、人工光合成モジュールを提供するものである。
酸素発生電極及び水素発生電極の両方の電極が、交差溝群を有することが好ましい。

酸素発生電極と、水素発生電極とが対向して配置されており、酸素発生電極と、水素発生電極との間に、隔膜が配置されていることが好ましい。
酸素発生電極と、水素発生電極とは、同一面に配置されていることが好ましい。
酸素発生電極は、互いに電気的に接続された複数の第１の電極部を有し、第１の電極部は交差溝群を有し、水素発生電極は、互いに電気的に接続された複数の第２の電極部を有し、第２の電極部は交差溝群を有しており、酸素発生電極の複数の各第１の電極部は第１の隙間をあけて並んで配置され、水素発生電極の複数の各第２の電極部は第２の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第１の電極部が、それぞれ水素発生電極の第２の電極部の第２の隙間に配置され、水素発生電極の複数の第２の電極部が、それぞれ酸素発生電極の第１の電極部の第１の隙間に配置されていることが好ましい。
溝は、幅が０．１〜１０．０ｍｍであることが好ましく、溝は、幅が０．５〜２．０ｍｍであることがより好ましい。
複数の溝同士が交差した交差溝群では、一方の溝が、水が流れる方向に対して±４５°傾斜していることが好ましい。

酸素発生電極は、交差溝群と第１の陸部とを有し、水素発生電極は、交差溝群と第２の陸部とを有し、第１の陸部及び第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域を有することが好ましい。
酸素発生電極は、交差溝群と第１の陸部とを有し、水素発生電極は、交差溝群と第２の陸部とを有し、第１の陸部及び第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域と疎水性の領域とを有することが好ましい。
第１の陸部及び第２の陸部は、疎水性の領域の割合が１０％以下であることが好ましい。

酸素発生電極は、交差溝群と第１の陸部とを有し、水素発生電極は、交差溝群と第２の陸部とを有し、酸素発生電極と水素発生電極とは、対向し、かつ第１の陸部と第２の陸部とを位置を合せて配置されていることが好ましい。
第１の陸部及び第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域を有することが好ましい。
第１の陸部及び第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域と疎水性の領域とを有することが好ましい。
第１の陸部及び第２の陸部は、疎水性の領域の割合が１０％以下であることが好ましい。

隔膜は、メッシュ状又は多孔質状であることが好ましい。隔膜の表面は、親水性であることが好ましい。
交差溝群の溝は、断面形状が、曲線で構成された形状、円弧と直線で構成された形状、三角形又は矩形であることが好ましい。

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。

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。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第１の例を示す模式的平面図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の第１の例を示す模式的斜視図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の配置の一例を示す模式的斜視図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の配置の他の例を示す模式図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の第２の例を示す模式図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の第３の例を示す模式図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の形状の一例を示す模式的斜視図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の形状の他の例を示す模式的斜視図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の形状の他の例を示す模式的斜視図である。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。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。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。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。隔膜を示す模式的斜視図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例を示す模式的断面図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例の電極の配置の第１の例を示す模式的斜視図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例の電極の配置の第２の例を示す模式的斜視図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第３の例を示す模式的断面図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第３の例の電極の配置の第１の例を示す模式的断面図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する人工光合成装置の第１の例を示す模式図である。本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する人工光合成装置の第２の例を示す模式図である。実施例１の実験用モジュールを示す模式的断面図である。実施例４−１〜実施例４−３の電極の構成を模式的斜視図である。実施例５−１〜実施例５−３の実験用モジュールを示す模式的断面図である。実施例６−１〜実施例６−３の電極の構成を模式図である。実施例７−１の電極の構成を模式図である。実施例７−４の電極の構成を模式図である。比較例２の電極の構成を模式的斜視図である。

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_１が数値α_１〜数値β_１とは、ε_１の範囲は数値α_１と数値β_１を含む範囲であり、数学記号で示せばα_１≦ε_１≦β_１である。
「具体的な数値で表された角度」、「水平」、「平行」、及び「垂直」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。
また、「同一」とは、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。また、「全部」、「いずれも」又は「全面」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。

（人工光合成モジュールの第１の例）
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第１の例を示す模式的平面図である。
図１に示す人工光合成モジュール１０は、光Ｌにより水ＡＱを分解して酸素及び水素を発生させるものであり、酸素発生電極１２と、水素発生電極１４とを有し、酸素発生電極１２と水素発生電極１４の間に設けられた隔膜１６を有する。人工光合成モジュール１０は、酸素発生電極１２と水素発生電極１４を有する２電極水分解モジュールであり、例えば、酸素発生電極１２と水素発生電極１４は水ＡＱに浸漬された状態で水ＡＱの分解に利用される。

人工光合成モジュール１０は、酸素発生電極１２、水素発生電極１４及び隔膜１６を収納する容器２０を有する。容器２０は、例えば、設置面Ｂ上に対して予め定められた角度φ傾けて配置されている。酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、光Ｌに向けるために、例えば、容器２０内に収納された状態で設置面Ｂに対して予め定められた角度φ、傾斜して配置されている。
酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、設置面Ｂに対して傾斜して配置されていれば、容器２０内に収納され、容器２０と一体に傾斜していることに限定されるものではなく、容器２０内で酸素発生電極１２及び水素発生電極１４が設置面Ｂに対して傾斜している構成でもよい。
設置面Ｂは、傾きの基準となる面であり、例えば、水平面である。水平面は、重力の方向に直角な平面である。なお、設置面Ｂは、水平面に限定されるものではなく、重力に対して垂直な方向と、表面の接線が平行な地面であってもよい。
酸素発生電極１２は、水ＡＱに浸漬された状態で水ＡＱを分解して酸素を発生させるものであり、例えば、図２に示すように全体が平板状である。
水素発生電極１４は、水ＡＱに浸漬された状態で水ＡＱを分解して水素を発生させるものであり、例えば、図２に示すように全体が平板状である。

図１に示すように容器２０は、一面が解放された筐体２２と、筐体２２の解放部分を覆う透明部材２４を有する。隔膜１６により、容器２０内は、透明部材２４側の第１の区画２３ａと、底面２２ｂ側の第２の区画２３ｂに区画される。光Ｌは、例えば、太陽光であり、透明部材２４側から入射される。透明部材２４についても、後述の透明の規定を満たすことが好ましい。
酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは、例えば、導線１８により電気的に接続されている。かつ酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは、光Ｌの進行方向Ｄｉに沿って直列に容器２０内で隔膜１６を挟んで、酸素発生電極１２と水素発生電極１４の順に配置されている。図１では、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とが、隙間をあけて互いに平行にして重ねて配置されている。

酸素発生電極１２と水素発生電極１４との隙間Ｗｄは、隙間は小さい方がエネルギー変換効率が高くなるため、間隔Ｗｄは小さいことが好ましい。後述のように酸素発生電極１２と水素発生電極１４とで隔膜１６を挟む構成とすることもでき、間隔Ｗｄを１ｍｍ以下にすることができるが、間隔Ｗｄは１０ｍｍ以下であれば特に限定されるものではない。なお、酸素発生電極１２と水素発生電極１４の隙間Ｗｄは、酸素発生電極１２の表面と、水素発生電極１４の表面の距離である。

第１の区画２３ａに酸素発生電極１２が配置されており、第１の区画２３ａ内で酸素が発生される。第２の区画２３ｂに第２の基板４０が底面２２ｂに接して、水素発生電極１４が配置されており、第２の区画２３ｂ内に水素が発生される。
なお、光Ｌは容器２０に対して透明部材２４側から、すなわち、光Ｌは酸素発生電極１２側から入射される。上述の光Ｌの進行方向Ｄｉは透明部材２４の表面２４ａに垂直な方向である。

第１の区画２３ａでは、第１の壁面２２ｃに供給管２６ａが設けられ、第１の壁面２２ｃと対向する第２の壁面２２ｄに排出管２８ａが設けられている。第２の区画２３ｂでは、第１の壁面２２ｃに供給管２６ｂが設けられ、第１の壁面２２ｃと対向する第２の壁面２２ｄに排出管２８ｂが設けられている。供給管２６ａと供給管２６ｂから水ＡＱが容器２０内に供給されて容器２０内が水ＡＱで満たされる。なお、２つの供給管２６ａと供給管２６ｂに限定されるものではなく、まとめて１つの供給管としてもよい。
排出管２８ａから酸素を多く含む気体が排出され、酸素が回収される。排出管２８ｂから水素を多く含む気体が排出され、水素が回収される。酸素を多く含む気体は、例えば、気泡の形態であり、水素を多く含む気体は、例えば、気泡の形態であり、気泡の浮力と、容器２０を傾斜して配置したことにより、搬送方向Ｆ_Ｄの搬送流が生じ、気泡が排出管２８ａ、２８ｂに移動する。
搬送方向Ｆ_Ｄは、方向Ｄと同じ方向であり、方向Ｄは第１の壁面２２ｃから第２の壁面２２ｄに向かう方向である。水ＡＱは方向Ｄと平行な方向に流れ、方向Ｄは水ＡＱが流れる方向でもある。
水ＡＱが流れる方向とは、水を循環させる場合、循環水が流れる方向である。また、水ＡＱが流れる方向は、気泡で重力上方向に水流が生じる場合、気泡で生じる流れの最大の方向であり、電極表面等で生じる細かい乱流等を含まない。
なお、筐体２２は、例えば、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４を使用した際に、短絡等が発生しない程度の電気絶縁性材料で構成される。筐体２２は、例えば、アクリル樹脂で構成される。容器２０は、後述の第１の基板３０における透明の規定を満たすことが好ましい。

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には電解水溶液及び電解液も含まれる。ここで、電解水溶液とは、Ｈ_２Ｏ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い。電解水溶液としては、硫酸ナトリウムとリン酸水素ナトリウムとの混合液をｐＨ（水素イオン指数）６．８に調整したものが好ましい。

図１に示すように、容器２０を角度φ傾斜して配置した場合、供給管２６ａ及び供給管２６ｂに比して、排出管２８ａ及び排出管２８ｂが高くなり、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１２から速やかに移動させ、発生した水素を水素発生電極１４から速やかに移動させることができる。これにより、発生した酸素の気泡及び水素の気泡の滞留を抑でき、発生した酸素の気泡及び水素の気泡により光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。
なお、容器２０は、設置面Ｂ上に配置してもよい。しかしながら、角度φ傾けて配置した方が発生した気泡を移動させることができるため、容器２０は角度φ傾けて配置することが好ましい。

以下、人工光合成モジュール１０の各部について説明する。
＜電極構成＞
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の第１の例を示す模式的斜視図である。
人工光合成モジュール１０は、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４のうち、少なくとも一方の電極は、複数の一方の溝と複数の他方の溝とが交差した交差溝群を有し、一方の溝と他方の溝との交差角度が８０°〜１００°であればよい。図１に示す人工光合成モジュール１０では、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４の両方の電極が、複数の一方の溝と複数の他方の溝とが交差した交差溝群を有し、一方の溝と他方の溝との交差角度が８０°〜１００°の構成である。交差溝群を構成する溝は、連続した溝に限定されるものではなく、分断されている箇所があるような不連続な溝であってもよい。分断されている箇所は、例えば、後述する陸部で構成される。交差群を構成する溝は連続している方が、人工光合成モジュールにおいて高いエネルギー変換効率が得られるため好ましい。
酸素発生電極１２及び水素発生電極１４の電極の構成としては、例えば、図３に示すように、四角錐状の突起１５が複数配置された構成である。
突起１５は、複数の一方の溝と複数の他方の溝とが交差した交差溝群１５ｃにより形成されたものであり、８０°〜１００°の交差角度で交差した複数の第１の溝１５ａと複数の第２の溝１５ｂとにより形成される。
なお、複数の溝の配置ピッチ、すなわち、第１の溝１５ａと複数の第２の溝１５ｂの配置ピッチは、特に限定されるものではなく、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ〜２．０ｍｍである。複数の第１の溝１５ａの配置ピッチと複数の第２の溝１５ｂの配置ピッチとは同じでも違っていてもよい。

気泡の大きさを約０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲で任意に制御するには、溝の幅を気泡の大きさと同じサイズにする必要があり、その幅の溝の配置ピッチとしては、溝の幅以上、溝の幅の５倍以下の密度で配置することが好ましい。溝の配置ピッチに関し、水素発生電極では、１．０ｍｍ以下であることが好ましく、酸素発生電極では、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

第１の溝１５ａの深さｈｔ、及び第２の溝１５ｂの深さｈｔは、例えば、深さ／幅で表されるアスペクト比により適宜決定されるものである。アスペクト比は、例えば、０．２〜２．０であることが好ましく、０．５〜１．５であることがより好ましい。

なお、突起１５の大きさにより形成される気泡の大きさが変わるため、気泡の大きさを制御することができる。突起１５が大きい場合、すなわち、溝の配置ピッチが長い場合、形成される気泡が大きくなり、逆に溝の配置ピッチが小さい場合、形成される気泡が小さくなる。
このため、気泡の大きさを制御し、気泡を大きくすることによって隔膜を透過する溶存ガス量を下げて、発生する水素と酸素とを容易に分離して取り出すことができ、しかも純度が高い酸素と水素とを得ることができる。発生する水素と酸素との分離には、例えば、気泡が通過できないメッシュサイズのメッシュ状、又は気泡が通過できないサイズの孔を有する多孔質状の隔膜１６を用いる。

図３に示す第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂは、いずれも断面形状が三角形であり、三角形の頂点が溝の底に位置する形態である。このため、第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂは、いずれも側面が斜面で構成される。
突起１５の先端部が溝以外の部分であり、陸部である。電極の陸部は、電極の最表面に該当する部位である。陸部について、酸素発生電極１２では第１の陸部１２ａといい、水素発生電極１４では第２の陸部１４ａという。
なお、陸部、すなわち、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａは、突起１５の形状により規定されるものであり、突起１５の先端に限定されるものではなく、平面状であってもよい。また、溝と陸部との比率は特に限定されるものではないが、陸部の比率の方が多くてもよい。

第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂは、いずれも水ＡＱと接する側の方が幅が広い等、開放された構成であることが好ましい。第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂは、いずれも断面形状が三角形であり、水ＡＱと接する側の方が幅が広くなっているが、これに限定されるものではない。断面形状は、曲線で構成された形状、円弧と直線で構成された形状、又は矩形であってもよい。上述の三角形は、特に限定されるものではなく、二等辺三角形でも、非対象の三角形でもよい。
なお、溝の断面形状は、気泡がある程度成長した後に離脱させるために逆三角形であることが好ましい。
溝の断面形状が逆三角形の場合、溝の底部の角度が直角より大きいと開放性が増して、気泡が十分に成長する前に離脱してしまい、小さい気泡となる傾向にある。溝の底部の角度が直角より小さいと気泡が離脱せずに溝に詰まってしまう傾向にある。酸素発生電極１２と水素発生電極１４とで、気泡の大きさの差をつける場合には、例えば、水素発生電極１４では、溝の断面形状が逆三角形の場合、溝の底部の角度を直角より大きくして、小さい気泡を得ることができる。

なお、溝の断面形状は以下のようにして得る。まず、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）又は３次元レーザースキャニング顕微鏡等を用いて電極の断面を観察して、溝の画像を取得する。次に、コンピュータに得られた溝の画像を取り込み、画像解析により、溝の画像において溝に該当する領域を抽出して、溝に該当する領域から輪郭抽出により外形を抽出して溝の断面形状を得る。
なお、第１の溝１５ａの側面及び第２の溝１５ｂの側面は、溝の形状によらず、粗面又は微小な凹凸状であることが好ましい。これにより、第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂに気泡が発生しやすくなる。上述のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）又は３次元レーザースキャニング顕微鏡等を用いて第１の溝１５ａの側面及び第２の溝１５ｂの側面を観察することにより、粗面又は微小な凹凸状を特定することができる。
粗面又は微小な凹凸状は、例えば、ウェットエッチング、又はサンドブラスト等により形成することができる。

また、陸部、すなわち、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａのうち、少なくとも一方は、親水性の領域を有することが好ましい。このため、親水性の領域は、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａの両方にあってもよく、第１の陸部１２ａにだけあってもよく、第２の陸部１４ａにだけあってもよい。親水性の領域を有する場合、他の領域は、疎水性であってもよく、親水性と疎水性の中間の性質の状態でもよい。
また、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａのうち、少なくとも一方は、親水性の領域と疎水性の領域とを有することが好ましい。このため、親水性の領域と疎水性の領域とは、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａの両方にあってもよく、第１の陸部１２ａにだけあってもよく、第２の陸部１４ａにだけあってもよい。親水性の領域と疎水性の領域とを有する場合でも、親水性と疎水性の中間の性質の状態の領域を有してもよい。

上述のように陸部を親水性にすることにより気泡が離れやすくなる。上述のように陸部を疎水性にすることにより気泡が離れにくくなる。第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａにおいて親水性の領域がある場合、溝部分は疎水性であることがより好ましい。これにより、発生した気泡が溝から離れにくくなり、気泡が大きく成長し、溝部分から離れる際には、速やかに離れる。
酸素発生電極１２及び水素発生電極１４では、上述のように第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａのうち、少なくとも一方について、親水性の領域と疎水性の領域とを有し、全体的に親水性であり、部分的に疎水性である構成とすることにより、親水性の領域では、光触媒層からの気体発生を促し変換能率が向上し、かつ気泡が離れやすくなり流動性がよくなる。部分的に疎水性にすることにより、親水性の領域から流動してきた気泡が、疎水性の領域に付着し、合体して成長する。
陸部の親水性の領域は、例えば、電極を親水性の材質で構成することにより実現することができる。
陸部の疎水性の領域は、例えば、シリコーン樹脂、又はフッ素系樹脂を設けることにより実現することができる。陸部の疎水性の領域は、離散して配置されることが好ましことから、シリコーン樹脂及びフッ素系樹脂は、例えば、インクジェット法、転写法、スプレイ法、又はスクリーン印刷法等に用いて設けることが好ましい。

上述のように第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａは、親水性の領域と疎水性の領域とを有する場合、疎水性の領域の割合が１０％以下であることが好ましく、より好ましくは１％以下であり、さらに好ましくは０．１％以下である。第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａにおいて、疎水性の領域の割合は小さい程好ましい。
陸部の親水性の領域は、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４について、それぞれ水ＡＱとの接触角を求めることにより特定される。接触角はθ／２法で測定される。接触角が０°〜１０°未満であれば親水性である。
陸部の疎水性の領域は、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４について、それぞれ水ＡＱとの接触角を求めることにより特定される。接触角はθ／２法で測定される。接触角が９０°以上であれば疎水性である。
疎水性の領域の割合は、インクジェット法で疎水性の領域を形成した場合、打滴の面積から求めることができる。インクジェット法以外の場合、マスク又は版におけるパターンから測定することにより、疎水性の領域の割合を求めることができる。
なお、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａは、親水性と疎水性との中間状態があってもよい。中間状態とは、接触角はθ／２法で測定される接触角が１０°以上９０°未満である。

例えば、図３に示す構成の酸素発生電極１２及び水素発生電極１４について、第１の溝１５ａを、配置方向Ｄｇ１を方向Ｄと平行にして配置した場合、第１の溝１５ａが縦溝になり、第２の溝１５ｂが横溝になる。
図３に示す構成の酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、例えば、第１の溝１５ａが、水が流れる方向Ｄと平行な方向に配置されている。すなわち、第１の溝１５ａの配置方向Ｄｇ１が水が流れる方向Ｄと平行である。第２の溝１５ｂが、水が流れる方向Ｄと直交して、すなわち、９０°傾斜している。すなわち、第２の溝１５ｂの配置方向Ｄｇ２が、水が流れる方向Ｄに対して９０°傾斜している。
酸素発生電極１２及び水素発生電極１４で光Ｌによる水ＡＱの分解が開始されると突起１５で気泡が発生し成長する。ある程度の大きさに気泡が成長すると、突起から離脱して溝の斜面に沿うように移動する。気泡が移動する時に他に気泡と合体することが多い。第１の溝１５ａに移動したものは浮力によって、第１の溝１５ａに沿って移動する。第１の溝１５ａを移動する気泡が多くなると、気泡の搬送流が発生し、水ＡＱ自体の流れとなり加速して気泡と水ＡＱの高速移動バイパスとなる。
一方、第２の溝１５ｂに移動したものは、第２の溝１５ｂの隙間に留まり、気泡が合体して更に大きくなる。第２の溝１５ｂは第１の溝１５ａの搬送流に対して淀みとなるので、気泡は安定して成長する。溝の幅より大きくなると第１の溝１５ａの流れに触れて、気泡は第２の溝１５ｂから離脱して浮力、又は第１の溝１５ａの搬送流により流れる。すなわち、第２の溝１５ｂで成長する気泡は、略第２の溝１５ｂの幅の大きさで離脱していく。このことから、第２の溝１５ｂの幅を調整することにより、気泡の大きさを変えることができる。
また、突起１５を親水化することにより、突起１５で発生した気泡は突起１５に留まれずに速やかに離脱して、溝を移動することにより、上述の気泡の成長と気泡の移動の一連のプロセスを加速する効果が生じる。

なお、第１の溝１５ａの幅ｄ１、及び第２の溝１５ｂの幅ｄ２は、０．１〜１０．０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．０ｍｍである。
上述の第１の溝１５ａの幅ｄ１、及び第２の溝１５ｂの幅ｄ２は、例えば、図３に示すように、溝の断面形状が三角形の場合、底辺部分の幅であり、すなわち、第１の陸部１２ａの先端の中心位置と、第１の陸部１２ａの先端の中心位置との距離のことである。

なお、上述の気泡の成長と移動の一連のプロセスは、電極が傾いているとき、すなわち、電極に沿って気泡が位置するときに効果がある。このため、容器２０が設置面Ｂ上に置かれている等の、電極が傾いていない場合には、気泡が離脱する効果が少ない。逆に、容器２０が角度φ傾いているときは、すなわち、電極が傾いているときには、溝に沿うように気泡が移動するので気泡が離脱する効果が高い。
このようにして、発生した酸素の気泡５０又は水素の気泡５２を速やかに排出することができ、発生した酸素の気泡及び水素の気泡により光Ｌが遮られることにより生じる光電解効率の低下を抑制することができる。また、発生した酸素の気泡又は水素の気泡の排出に、水ＡＱを循環させる等の強制力が必ずしも必要ではなく、人工光合成モジュール１０全体を動作させるに要するエネルギーを減らすことができ、人工光合成モジュール１０のランニングコストを下げることができる。気泡を移動させるために水ＡＱを循環させる場合でも、気泡が離脱する効果が高く、気泡による流れが生じるため、消費するエネルギーを少なくできる。

＜電極の配置＞
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の配置の一例を示す模式的斜視図であり、図５は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の配置の他の例を示す模式図である。
人工光合成モジュール１０では、例えば、図４に示すように、酸素発生電極１２と水素発生電極１４との間に隔膜１６を配置する。このとき、酸素発生電極１２の突起１５と、水素発生電極１４の突起１５とを対向させて配置する。
酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは対向し、かつ第１の陸部１２ａと第２の陸部１４ａとを、位置を合せて配置されていることが好ましい。これにより、酸素発生電極１２と水素発生電極１４の隙間Ｗｄを小さくすることができ、エネルギー変換効率を高くすることができる。
なお、酸素発生電極１２の突起１５の大きさ及び配置位置と、水素発生電極１４の突起１５の大きさ及び配置位置とが同じであれば、酸素発生電極１２の第１の陸部１２ａと水素発生電極１４の第２の陸部１４ａとを、位置を一致させて対向して配置することができる。この場合、エネルギー変換効率をより高くすることができる。
上述の第１の陸部１２ａと第２の陸部１４ａとを、位置を合せて配置とは、ずれ量が１．０ｍｍ以下であることである。ずれ量は、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とが対向する方向と直交する方向における、最も近い第１の陸部１２ａと第２の陸部１４ａとの距離である。第１の陸部１２ａと第２の陸部１４ａとの距離とは、第１の陸部１２ａの先端の中心位置と、第２の陸部１４ａの先端の中心位置との距離のことである。

電極の配置構成としては、例えば、図５に示すように、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とで隔膜１６を挟む構成でもよい。この場合、交差溝群で形成された突起１５により隔膜１６が挟まれる。
酸素発生電極１２と水素発生電極１４とで隔膜１６を挟む構成とすることにより、隙間Ｗｄを１ｍｍ以下と小さくでき、かつ隔膜１６を固定する部材等が不要になる。隙間Ｗｄが１ｍｍ以下と小さくても交差溝群の溝を気泡が移動する。このように、酸素発生電極１２と水素発生電極１４との突起１５同士で隔膜１６を挟むまで近づけることにより、気泡の通り道の確保と、隔膜１６の保持との両立を図ることができる。
人工光合成モジュール１０では、酸素発生電極１２と水素発生電極１４との隙間Ｗｄを小さくできるため、電解効率、すなわち、エネルギー変換効率を高くすることができる。
また、上述のように隔膜１６を固定する部材等が不要になることにより、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４の面積を大きくした場合に隔膜１６を安定して固定することができ、人工光合成モジュール１０の装置コストを下げることができる。更には、人工光合成モジュール１０の酸素及び水素を安定して発生させることができ、装置の動作安定性が高くできる。

＜電極構成＞
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の第２の例を示す模式図であり、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の第３の例を示す模式図である。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の形状の一例を示す模式的斜視図であり、図９は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極の形状の他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の形状の他の例を示す模式的斜視図である。
酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、第１の溝１５ａと第２の溝１５ｂとの交差角度が８０°〜１００°で配置されるものであれば、上述の図３に示す四角錐状の突起１５の構成に限定されるものではなく、図６に示す菱形の突起１５でもよく、図７に示す正方形の突起１５でもよい。これ以外に長方形でもよい。菱形の突起１５、正方形の突起１５及び長方形の突起は、いずれも図８に示す四角柱で構成される。
また、突起１５の形状は四角錐以外に、図９に示すように四角錐台でもよく、図１０に示すように半球状でもよい。図９に示す四角錐台の場合、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａは、いずれも平面になる。図８に示す四角柱の場合、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａは、いずれも平面になる。また、図１０に示す半球状の場合、第１の陸部１２ａ及び第２の陸部１４ａは、いずれも曲面になる。

図６に示す構成の酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、例えば、第１の溝１５ａが、水が流れる方向に対して４５°傾斜している。すなわち、第１の溝１５ａの配置方向Ｄｇ１が、水が流れる方向Ｄに対して４５°傾斜している。第２の溝１５ｂが、水が流れる方向に対して４５°傾斜している。すなわち、第２の溝１５ｂの配置方向Ｄｇ２が、水が流れる方向Ｄに対して４５°傾斜している。第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂのうち、少なくとも一方が、水が流れる方向に対して±４５°傾斜していることが好ましい。図６に示す構成の場合、第１の溝１５ａの配置方向Ｄｇ１は、突起１５の縁に沿った方向である。第２の溝１５ｂの配置方向Ｄｇ２は、突起１５の縁に沿った方向である。水が流れる方向に対して溝が±４５°傾斜する構成では、気泡が溝幅のサイズに成長した後に、気泡が離脱するため好ましく、気泡の成長と気泡の離脱の両立を図ることができ、これにより、エネルギー変換効率を高くすることができる。
図７に示す構成の酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、例えば、第１の溝１５ａが、水が流れる方向と平行な方向に配置されている。第２の溝１５ｂが、水が流れる方向と直交して、すなわち、９０°傾斜している。

酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、例えば、シェービング加工又は切削加工により形成することができる。
より具体的には、例えば、溝断面形状に成形したバイトを用い、基板にシェービング加工を施し第１の溝１５ａを形成する。そして、交差溝の交差角に応じて基板を回転させて、基板にシェービング加工を施し第２の溝１５ｂを形成する。また、先端を溝断面形状に成形したダイヤモンドディスクカッターを用いて切削加工を施して、第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂを形成することができる。

＜電極構造＞
図１１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一例を示す模式的断面図であり、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１３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り、図１４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。

酸素発生電極１２は、図１１に示すように第１の基材３１の表面全面に第１の光触媒層３１ａが設けられている。第１の光触媒層３１ａは、酸素生成用の光触媒で構成されている。第１の基材３１の先端が第１の陸部１２ａになる。なお、第１の光触媒層３１ａの表面に、酸素生成用の助触媒（図示せず）を設けてもよい。酸素発生電極１２は、第１の光触媒層３１ａが、第１の基材３１のうち、溝に設けられることなく第１の陸部１２ａに相当する領域にだけ設けられた構成でもよい。
水素発生電極１４は、図１２に示すように第２の基材３３の表面全面に第２の光触媒層３３ａが設けられている。第２の光触媒層３３ａは、水素生成用の光触媒で構成されている。第２の基材３３の先端が第２の陸部１４ａになる。なお、第２の光触媒層３３ａの表面に、水素生成用の助触媒（図示せず）を設けてもよい。水素発生電極１４は、第２の光触媒層３３ａが、第２の基材３３のうち、溝に設けられることなく第２の陸部１４ａに相当する領域にだけ設けられた構成でもよい。

酸素発生電極１２は、図１１に示す構成に限定されるものではなく、図１３に示す構成でもよい。なお、図１３は酸素発生電極１２の層構成を示すものであるため、電極の形状は省略している。
図１３に示す酸素発生電極１２は、第１の基板３０と、第１の基板３０上、すなわち、表面３０ａに設けられた第１の導電層３２と、第１の導電層３２上、すなわち、表面３２ａに設けられた第１の光触媒層３４と、第１の光触媒層３４の少なくとも一部に担持された第１の助触媒３６とを有する。
第１の助触媒３６は、例えば、複数の助触媒粒子３７で構成されている。これにより、第１の光触媒層３４の表面３４ａへの光Ｌの入射光量の低下が抑制される。酸素発生電極１２では、第１の助触媒３６は第１の光触媒層３４に接しているか、又は正孔が移動できる層を介在して存在し、水ＡＱと接していることが必要である。
第１の光触媒層３４の吸収端は、例えば、４００ｎｍ〜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又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１２は、全体の厚みが２ｍｍ程度であることが好ましい。

酸素発生電極１２は、水素発生電極１４に光Ｌを入射させるために、光Ｌが透過可能なものである。光Ｌを水素発生電極１４に照射させるためには、光Ｌが酸素発生電極１２を透過する必要があり、第１の基板３０は透明である。水素発生電極１４は、後述する第２の基板４０（図１４参照）が透明である必要がない。
第１の基板３０において透明とは、第１の基板３０の光透過率が、波長３８０ｎｍ〜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３８０ｎｍ〜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）Ｒ３１０６−１９９８を参考にすることができる。

水素発生電極１４は、図１２に示す構成に限定されるものではなく、図１４に示す構成でもよい。なお、図１４は水素発生電極１４の層構成を示すものであるため、電極の形状は省略している。
図１４に示す水素発生電極１４は、第２の基板４０と、第２の基板４０上、すなわち、表面４０ａに設けられた第２の導電層４２と、第２の導電層４２上、すなわち、表面４２ａに設けられた第２の光触媒層４４と、第２の光触媒層４４の少なくとも一部に担持された第２の助触媒４６とを有する。水素発生電極１４の第２の光触媒層４４の吸収端は、例えば、６００ｎｍ〜１３００ｎｍ程度である。

第２の助触媒４６は第２の光触媒層４４の表面４４ａに設けられている。第２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。これにより、第２の光触媒層４４の表面４４ａへの光Ｌの入射光量の低下が抑制される。
水素発生電極１４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１４では、第２の光触媒層４４の表面４４ａ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。水素発生電極１４の各構成については後に詳細に説明する。

＜隔膜の構成＞
隔膜１６は、特に限定されるものではないが、酸素及び水素が気泡の形態で発生するものを分けるためにメッシュ状又は多孔質状であることが好ましい。隔膜１６には、例えば、図１５に示す構成の隔膜１６を用いることができる。図１５は隔膜を示す模式的斜視図である。
隔膜１６は、貫通孔１７を有する膜で構成され、かつ、温度１０℃〜８０℃の水に浸漬された状態において、波長２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長域の光透過率が６０％以上である。
図１５に示すように隔膜１６は、複数の貫通孔１７がある。各貫通孔１７は、例えば、表面１６ａから裏面１６ｂに貫通するものである。貫通孔１７は、表面１６ａから裏面１６ｂを貫通していれば、表面１６ａに対して垂直に貫通するものに、特に限定されるものではない。隔膜１６が２次元メッシュ構造の場合、例えば、メッシュの開口部が貫通孔１７である。隔膜１６が３次元網目構造の場合、網目が貫通孔１７である。隔膜１６が繊維で構成されている場合、繊維同士の隙間により形成される穴も貫通孔１７に含まれる。
隔膜１６が水ＡＱに浸漬された状態とは、隔膜１６の全体が水の内部にあり、隔膜１６の表面１６ａ上と裏面１６ｂ上に水が存在している状態のことである。

上述のように酸素発生電極１２では酸素が発生し、水素発生電極１４では水素が発生する。発生した酸素及び発生した水素は、いずれも水ＡＱ内に溶存するが、発生した酸素及び発生した水素が多く、水ＡＱに溶存しきれない場合には、酸素及び水素が水ＡＱ内で気体の状態で存在することがある。水ＡＱ内に溶存しない酸素が水ＡＱ内で集合体となったものを酸素の気泡という。水ＡＱ内に溶存しない水素が水ＡＱ内で集合体となったものを水素の気泡という。
酸素の気泡及び水素の気泡は、いずれも径が１０μｍ以上１ｍｍ以下程度である。酸素の気泡及び水素の気泡のことを、まとめて、単に気泡ともいう。気泡の径は、気泡が球であれば直径であり、球でなければ球の直径に相当する相当径である。

酸素の気泡及び水素の気泡は、いずれも一定の大きさになるまでは、酸素発生電極１２の第１の光触媒層３４の表面及び水素発生電極１４の第２の光触媒層４４の表面に留まる。
また、径が大きい気泡、すなわち、大きいサイズの気泡は、浮力により酸素発生電極１２の表面及び水素発生電極１４の表面から脱離するが、隔膜１６が親水性の場合、隔膜１６には付着せず、浮力等により容器２０内から外部に運ばれる。このため、気泡の付着を抑制する場合には、隔膜１６の表面１６ａ及び裏面１６ｂは、親水性であることが好ましい。
さらには、隔膜１６が親水性の場合、水ＡＱが容易に透過できる。かつ、気泡界面の表面エネルギーの関係で、気泡が弾かれるため、隔膜１６の貫通孔１７の孔径より大きい気泡は絶対に通過できず、貫通孔１７の孔径より小さい気泡は、隔膜１６に引っかからずに通過できる。

酸素の気泡の径及び水素の気泡の径は、以下のようにして測定することができる。
容器２０内を、酸素発生電極１２の表面及び水素発生電極１４の表面を含めて、デジタルマイクロスコープを用いて撮像し、拡大して撮像された、容器２０内の撮像画像を得る。撮像画像内で気泡を確認する。
例えば、デジタルマイクロスコープには、キーエンス社製ＶＨＸ−５０００を用い、気泡の確認には、ＶＨＸ−５０００ユーザー用画像解析ソフト（キーエンス社製）を用いることができる。
平均気泡径を求めるための気泡の数を予め設定しておくことにより、酸素の気泡の気泡径及び水素の気泡の気泡径を求めることで、平均気泡径を得ることができる。

隔膜１６は、水ＡＱを通過させるが、酸素の気泡と水素の気泡を通過させるものではない。このため、隔膜１６は、酸素の気泡５０の平均気泡径及び水素の気泡５２の平均気泡径よりも小さい孔径の貫通孔１７を有することが好ましい。
具体的には、図１５に示すように、酸素の気泡５０及び水素の気泡５２の平均気泡径をＤｂとし、貫通孔１７の孔径をＤｈとするとき、Ｄｈ＜Ｄｂである。この場合、隔膜１６の貫通孔１７を水ＡＱは通過するので、水ＡＱに溶存した酸素及び水素は貫通孔１７を通過することになるが、酸素の気泡５０及び水素の気泡５２が貫通孔１７を通過することは抑制される。

隔膜１６の貫通孔１７の平均孔径は０．１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、更に好ましくは０．１μｍ〜１０μｍである。貫通孔１７の平均孔径が０．１μｍ〜１００μｍであれば、水ＡＱは貫通孔１７を通過し、結果として水ＡＱに溶存した酸素及び水素が隔膜１６を通過するが、酸素の気泡５０及び水素の気泡５２の通過は抑制される。なお、水ＡＱに溶存した酸素と水素が移動しても、水ＡＱ内の酸素及び水素の溶存量は少ないため、酸素と水素が混合する量は、発生する酸素と水素に比して少ない。これにより、第１の区画２３ａから酸素が回収され、第２の区画２３ｂから水素が回収される。

通過が必要なプロトン及びイオンのサイズは孔径に比較して遥かに小さいものであり、隔膜１６では、イオン透過膜の一種であるナフィオン（登録商標）とは異なり、プロトン及びイオンの通過により抵抗は生じない。このため、隔膜１６については、孔径が大きい方が膜厚を厚くできるため、耐久性に優れ好ましい。
また、ナフィオン（登録商標）のような高分子電解質では、電解に必要なプロトン及びイオンのみを、その高分子間に含有する水分子によって伝導する。
一方、隔膜１６では、一定サイズの気泡は通さないが、水ＡＱ自体は自由に行き来できる大きな孔を有するので、ナフィオン（登録商標）に比較して膜内に多くの水分子を含有し、プロトン及びイオンの伝導度は高く、電解電圧を低く抑えることができる。
また、従来は発生する水素は、純度が高純度であることが求められていたため、水ＡＱ自体が自由に行き来することで、水素の純度が下がる虞がある隔膜１６自体、着想することができない。

隔膜１６の貫通孔１７の平均孔径は、以下に示す顕微鏡観察法を用いて求める。
顕微鏡観察法は、隔膜１６の表面１６ａについて、電子顕微鏡を用いて倍率１００倍〜１００００倍程度で観察する。観察の結果、大きいと思われる、最低２０個の貫通孔１７について撮像し、撮像して得られた画像に現れる不定形の貫通孔１７に対して、その貫通孔１７に内接する様な円を描き、内接する円の直径をその貫通孔１７の孔径とする。
最低２０個の貫通孔１７の孔径分布の標準偏差σを計算し、３σをカバーする大きさを求める。３σをカバーする大きさを、隔膜１６の貫通孔１７の平均孔径とする。
隔膜１６の貫通孔１７の平均孔径の測定には、解析ソフトとして、日鉄住金テクノロジー社製の「粒子解析 Ver.3.5」を用いることができる。「粒子解析 Ver.3.5」の最小径が、上述の内接する円の直径に相当する。

隔膜１６の光透過率は、隔膜１６の厚み依存性がある。このため、隔膜１６は、波長２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長域の光透過率が６０％以上となる厚みｄとすることが好ましい。厚みｄは、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。
隔膜１６の厚みｄは、隔膜１６の表面１６ａと裏面１６ｂとの距離のことである。

隔膜１６は親水性を有することが好ましい。隔膜１６の表面１６ａ及び裏面１６ｂが親水性であることが好ましい。隔膜１６の表面１６ａと裏面１６ｂは、それぞれ酸素の気泡５０又は水素の気泡５２と接する面である。
例えば、隔膜１６の表面１６ａと裏面１６ｂに親水性処理を施した親水性面とすることができる。なお、隔膜１６自体の性質が親水性であってもよい。
隔膜１６には、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が用いられる。ＰＴＦＥは、通常、撥水性を有するが、例えば、アルコールに浸す等の親水性処理を施すことにより、水に対する接触角が小さくなり、親水性を示すものとなる。隔膜１６には、例えば、親水性ＰＴＦＥメンブレンフィルターが用いられる。
また、隔膜１６への親水性処理としては、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）樹脂を含浸させて架橋させる方法があり、この方法では、親水化処理の耐久性を向上させることができる。
親水性とは、水に対する接触角で規定されるものである。接触角は、酸素の気泡５０又は水素の気泡５２を弾く角度であることが好ましい。

少なくとも表面１６ａ及び裏面１６ｂが親水性を有する隔膜１６とすることで、隔膜１６に水ＡＱが浸み込みやすくなり、酸素の気泡５０又は水素の気泡５２により貫通孔１７が塞がれなくなる。これにより、隔膜１６の貫通孔１７を水ＡＱが通過しやすくなり、結果として水ＡＱ中のプロトン及びイオンが通過しやすくなり、エネルギー変換効率が上がる。また、親水性を有する隔膜１６とすることで、酸素の気泡５０又は水素の気泡５２が隔膜１６の表面１６ａ及び裏面１６ｂで弾かれ、酸素の気泡５０及び水素の気泡５２が貫通孔１７を通過しにくくなる。これにより、酸素と水素の混合が抑制され、酸素及び水素を回収することができる。
酸素の気泡５０及び水素の気泡５２が貫通孔１７を通過しにくくなると同時に、隔膜１６の表面１６ａ及び裏面１６ｂに酸素の気泡５０及び水素の気泡５２が付着しにくくなるので、酸素の気泡５０及び水素の気泡５２が速やかに水ＡＱの流れと共に排出される。更には酸素の気泡５０及び水素の気泡５２が隔膜１６に付着しないことにより、隔膜１６の有効面積が確保されるため、エネルギー変換効率が上がる。また、隔膜１６に酸素の気泡５０及び水素の気泡５２が付着した場合、光Ｌの利用効率を下げる虞があるが、このことも抑制され、エネルギー変換効率が上がる。
また、人工光合成モジュール１０では、隔膜１６を用いて、水素を多く含む気体と、酸素を多く含む気体とを容易に分離して取り出すことができ、後工程の水素ガス精製工程及び酸素ガス精製工程の消費エネルギー及び設備の負荷を軽減でき、しかも純度が高い酸素と水素とを得ることができる。

（人工光合成モジュールの第２の例）
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。
図１６は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例を示す模式的断面図である。図１７は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例の電極の配置の第１の例を示す模式的斜視図であり、図１８は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第２の例の電極の配置の第２の例を示す模式的斜視図である。
なお、図１６〜図１８において、図１〜図３に示す人工光合成モジュール１０、並びに酸素発生電極１２及び水素発生電極１４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１６に示す第２の例の人工光合成モジュール１０ａは、図１に示す人工光合成モジュール１０に比して、酸素発生電極１２と水素発生電極１４との配置構成が異なり、それ以外の構成は図１に示す人工光合成モジュール１０と同じである。

人工光合成モジュール１０ａでは、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは同一面に配置されている。図１６では酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは容器２０の底面２２ｂに設けられている。
同一面とは、１つの平面のことであり、具体的には、上述の容器２０の底面２２ｂのように１つ面のことである。
なお、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは同一面に配置されていることに限定されるものではなく、例えば、上述の容器２０の底面２２ｂに垂直な方向において、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とを異なる位置に配置してもよい。すなわち、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とを、上述の容器２０の底面２２ｂに垂直な方向において離間して設けてもよい。

例えば、図１７に示す酸素発生電極１２と水素発生電極１４は、いずれも図３に示す構成と同じ構成であり、四角錐の突起１５を有する。また、酸素発生電極１２と水素発生電極１４は突起１５の大きさ及び配置位置も同じである。
図１６に示すように酸素発生電極１２と水素発生電極１４の上に隔膜１６が配置されており、隔膜１６により、酸素発生電極１２で発生した酸素と、水素発生電極１４で発生した水素とが分離される。排出管２８ａから水素を多く含む気体が排出され、水素が回収される。排出管２８ｂから酸素を多く含む気体が排出され、酸素が回収される。隔膜１６は、例えば、図１５に示す複数の貫通孔１７がある構成である。

人工光合成モジュール１０ａは、図１に示す人工光合成モジュール１０と同じく、発生した酸素の気泡５０（図３参照）又は水素の気泡５２（図３参照）を速やかに排出することができ、発生した酸素の気泡５０（図３参照）及び水素の気泡５２（図３参照）により光Ｌが遮られることにより生じる光電解効率の低下を抑制することができる。また、発生した酸素の気泡５０（図３参照）又は水素の気泡５２（図３参照）の排出に、水ＡＱを循環させる等の強制力が必ずしも必要ではなく、人工光合成モジュール１０ａ全体を動作させるに要するエネルギーを減らすことができ、人工光合成モジュール１０ａのランニングコストを下げることができる。気泡を移動させるために水ＡＱを循環させる場合でも、上述のように気泡が離脱する効果が高く、気泡による流れが生じるため、消費するエネルギーを少なくできる。

酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは、突起１５の大きさ及び配置が異なっていてもよい。すなわち、酸素発生電極１２の溝のピッチと、水素発生電極の溝のピッチとが異なる構成でもよい。例えば、図１８に示すように、酸素発生電極１２の突起１５の方が、水素発生電極１４の突起１５よりも大きい。すなわち、酸素発生電極１２の溝のピッチは、水素発生電極１４の溝のピッチよりも長い構成でもよい。突起１５は第１の溝１５ａと第２の溝１５ｂとにより形成されるが、第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂのうち、少なくとも一方の配置ピッチを長くすることにより、突起１５が大きくなる。突起１５が大きい場合、すなわち、配置ピッチが長い場合、形成される気泡が大きくなり、逆に配置ピッチが小さい場合、形成される気泡が小さくなる。このため、突起１５の大きさ、すなわち、溝のピッチを変えることにより、気泡の大きさを変えることができる。このため、例えば、水素の気泡を小さくし、酸素の気泡を大きくすることにより、図１５に示す構成の隔膜１６を用いて、水素を多く含む気体と、酸素を多く含む気体とを容易に分離して取り出すことができ、後工程の水素ガス精製工程及び酸素ガス精製工程の消費エネルギー及び設備の負荷を軽減し、しかも純度が高い酸素と水素とを得ることができる。
このことから、隔膜１６の機能としては、水素の気泡は通過して、酸素の気泡は通過しないことが好ましく、貫通孔１７の平均孔径は１０μｍ〜２０００μｍであることが好ましく、更に好ましくは１０μｍ〜５００μｍである。
なお、人工光合成モジュール１０ａでも酸素発生電極１２及び水素発生電極１４のうち、少なくとも一方の電極が、複数の溝が８０°〜１００°の交差角度で交差した交差溝群を有するものであればよい。

（人工光合成モジュールの第３の例）
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。
図１９は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第３の例を示す模式的断面図であり、図２０は本発明の実施形態の人工光合成モジュールの第３の例の電極の配置の第１の例を示す模式的断面図である。
なお、図１９及び図２０において、図１〜図３に示す人工光合成モジュール１０、並びに酸素発生電極１２及び水素発生電極１４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１９に示す第３の例の人工光合成モジュール１０ｂは、図１に示す人工光合成モジュール１０に比して、酸素発生電極１２と水素発生電極１４との構成、及び酸素発生電極１２と水素発生電極１４との配置構成が異なり、それ以外の構成は図１に示す人工光合成モジュール１０と同じである。

人工光合成モジュール１０ｂは、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とが同一面に配置されている。図１９では酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは容器２０の底面２２ｂに設けられている。また、図１９に示すように酸素発生電極１２と水素発生電極１４の上に、間隔をあけて隔膜１６が配置されている。図１９に示す人工光合成モジュール１０ｂでは、隔膜１６により、酸素発生電極１２で発生した酸素と、水素発生電極１４で発生した水素とが分離される。排出管２８ａから水素を多く含む気体が排出され、水素が回収される。排出管２８ｂから酸素を多く含む気体が排出され、酸素が回収される。
隔膜１６に対して酸素発生電極１２側から見た場合、水素発生電極１４の複数の各第２の電極部６１ａがそれぞれ酸素発生電極１２の後述の第１の電極部６０ａの第１の隙間６０ｂに配置されている。また、酸素発生電極１２の第１の電極部６０ａと水素発生電極１４の第２の電極部６１ａとは、隙間６３を設けて配置されている。

図２０に示すように、酸素発生電極１２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６０ａと長方形状の第１の隙間６０ｂと、複数の第１の電極部６０ａが接続される基部６０ｃを有する。第１の電極部６０ａと第１の隙間６０ｂとが方向Ｄに交互に配置されており、複数の各第１の電極部６０ａは第１の隙間６０ｂをあけて並んで配置されている。
複数の第１の電極部６０ａは基部６０ｃと一体であり、複数の第１の電極部６０ａはそれぞれ互いに電気的に接続されている。第１の電極部６０ａは交差溝群を有し、さらに第１の陸部（図示せず）を有する。

水素発生電極１４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６１ａと長方形状の第２の隙間６１ｂと、複数の第２の電極部６１ａが接続される基部６１ｃとを有する。第２の電極部６１ａと第２の隙間６１ｂとが方向Ｄに交互に配置されており、複数の各第２の電極部６１ａは第１の隙間６０ｂをあけて並んで配置されている。
複数の第２の電極部６１ａは基部６１ｃと一体であり、複数の第２の電極部６１ａはそれぞれ互いに電気的に接続されている。第２の電極部６１ａは交差溝群を有し、さらに第２の陸部（図示せず）を有する。
第１の電極部６０ａの配置方向と第２の電極部６１ａの配置方向とは、例えば、方向Ｄに一致されている。

酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは並べて配置されており、酸素発生電極１２の複数の第２の電極部６１ａが、それぞれ水素発生電極１４の第１の隙間６０ｂに配置されており、水素発生電極１４の第２の電極部６１ａが、それぞれ酸素発生電極１２の第１の隙間６０ｂに配置されている。
酸素発生電極１２と水素発生電極１４とは、図２０に示すようにいずれも櫛歯状の電極であり、第１の電極部６０ａと第２の電極部６１ａが櫛歯電極の櫛歯に相当する。酸素発生電極１２と水素発生電極１４は、いずれも櫛形電極と呼ばれるものである。
第１の隙間６０ｂと第１の電極部６０ａとの間には、方向Ｄと直交する方向Ｍにおいて第１の電極部６０ａの両側に隙間６３が生じるが、隙間６３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６０ｂと第２の電極部６１ａとの間には方向Ｍにおいて第２の電極部６１ａの両側に隙間６３が生じるが、この場合でも、隙間６３は両側とも同じであってもよく、異なっていてもよい。

酸素発生電極１２の第１の電極部６０ａの幅ｔ_１は、酸素発生電極１２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６０ａの辺の長さである。水素発生電極１４の第２の電極部６１ａの幅ｔ_２は、水素発生電極１４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６１ａの辺の長さである。第１の電極部６０ａの幅ｔ_１及び第２の電極部６１ａの幅ｔ_２は、それぞれ１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
第１の電極部６０ａの厚さ（図示せず）及び第２の電極部６１ａの厚さ（図示せず）は、いずれも１ｍｍ以下であることが好ましい。

第１の電極部６０ａの幅ｔ_１及び第２の電極部６１ａの幅ｔ_２、並びに第１の電極部６０ａの厚さ及び第２の電極部６１ａの厚さについては、以下のようにして得ることができる。
第１の電極部６０ａの幅ｔ_１及び第２の電極部６１ａの幅ｔ_２については、酸素発生電極１２側から、方向Ｄに垂直な方向の酸素発生電極１２と水素発生電極１４と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６０ａの幅ｔ_１及び第２の電極部６１ａの幅ｔ_２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２の電極部６１ａの幅ｔ_２を得る。
第１の電極部６０ａの厚さ及び第２の電極部６１ａの厚さについては、酸素発生電極１２と水素発生電極１４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６０ａの厚さ及び第２の電極部６１ａの厚さ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６０ａの厚さ及び第２の電極部６１ａの厚さを得る。

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、酸素発生電極１２と水素発生電極１４との面積は同じとは限らない。得ようとする水素及び酸素の量に応じて、酸素発生電極１２と水素発生電極１４の面積を変えることが好ましい。酸素発生電極１２の第１の電極部６０ａの幅ｔ_１は、水素発生電極１４の第２の電極部６１ａの幅ｔ_２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。

人工光合成モジュール１０ｂは、図１に示す人工光合成モジュール１０と同じく、発生した酸素の気泡５０（図３参照）又は水素の気泡５２（図３参照）を速やかに排出することができ、発生した酸素の気泡５０（図３参照）及び水素の気泡５２（図３参照）により光Ｌが遮られることにより生じる光電解効率の低下を抑制することができる。また、発生した酸素の気泡５０（図３参照）又は水素の気泡５２（図３参照）の排出に、水ＡＱを循環させる等の強制力が必ずしも必要ではなく、人工光合成モジュール１０ｂ全体を動作させるに要するエネルギーを減らすことができ、人工光合成モジュール１０ｂのランニングコストを下げることができる。気泡を移動させるために水ＡＱを循環させる場合でも、消費するエネルギーを少なくできる。

人工光合成モジュール１０ｂは、上述の人工光合成モジュール１０ａと同じく隔膜１６を酸素発生電極１２と水素発生電極１４の上方に設けている。この場合、上述の人工光合成モジュール１０ａと同じく、突起１５の大きさ、すなわち、溝のピッチを変えることにより、水素の気泡を小さくし、酸素の気泡を大きくして、図１５に示す構成の隔膜１６を用いて、水素を多く含む気体と、酸素を多く含む気体とを容易に分離して取り出すことができ、後工程の水素ガス精製工程及び酸素ガス精製工程の消費エネルギー及び設備の負荷を軽減し、しかも純度が高い酸素と水素とを得ることができる。
なお、人工光合成モジュール１０ｂでも酸素発生電極１２及び水素発生電極１４のうち、少なくとも一方の電極が、複数の一方の溝と複数の他方の溝とが交差した交差溝群を有し、一方の溝と他方の溝との交差角度が８０°〜１００°であればよい。
なお、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、図２０に示す構成に限定されるものではなく、水が流れる方向Ｄに対して９０°回転させて配置してもよい。

（人工光合成装置）
人工光合成モジュール１０、１０ａ、１０ｂでは、水ＡＱを供給するための供給部（図示せず）と、人工光合成モジュール１０、１０ａ、１０ｂから排出される水ＡＱを回収する回収部（図示せず）とを設けてもよく、人工光合成装置としてもよい。
供給部には、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。
供給部は供給管２６ａ、２６ｂを介して人工光合成モジュール１０、１０ａ、１０ｂに接続し、回収部は排出管２８ａ、２８ｂを介して人工光合成モジュール１０、１０ａ、１０ｂに接続して、回収部で回収された水ＡＱを供給部に循環させて、水ＡＱを再利用することもできる。
また、水ＡＱを隔膜１６の表面１６ａ（図１５参照）及び裏面１６ｂ（図１５参照）に対して平行に流す。この場合、更にハニカム整流板を設けてもよい。以下、人工光合成装置についてより具体的に説明する。

図２１は本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する人工光合成装置の第１の例を示す模式図であり、図２２は本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する人工光合成装置の第２の例を示す模式図である。
なお、図２１及び図２２において、図１〜図３に示す人工光合成モジュール１０、並びに酸素発生電極１２及び水素発生電極１４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２１に示す人工光合成装置１００ａは、人工光合成モジュール１０を有するものであり、第１の区画２３ａに酸素用管１０７が設けられ、酸素用管１０７に酸素回収部１０６が接続されている。第２の区画２３ｂに水素用管１０９が設けられ、水素用管１０９に水素回収部１０８が接続されている。排出管２８ａが第１のタンク１０２ａに接続され、排出管２８ｂが第２のタンク１０２ｂに接続されている。

第１のタンク１０２ａと第１の区画２３ａとが供給管２６ａにより接続されている。供給管２６ａには、ポンプ１０４が設けられている。ポンプ１０４により、第１のタンク１０２ａに貯蔵された水ＡＱが第１の区画２３ａに供給される。
第２のタンク１０２ｂと第２の区画２３ｂとが供給管２６ｂにより接続されている。供給管２６ｂには、ポンプ１０４が設けられている。ポンプ１０４により、第２のタンク１０２ｂに貯蔵された水ＡＱが第２の区画２３ｂに供給される。人工光合成モジュール１０では水ＡＱは、方向Ｄに供給される。また、人工光合成モジュール１０は、容器２０内は酸素用管１０７及び水素用管１０９側では、隔膜１６ではなく隔壁１９が設けられている。隔壁１９は気体を透過させない構成であり、容器２０内で発生した水素と酸素との混合が抑制される。なお、人工光合成装置１００ａでは人工光合成モジュール１０は、設置面Ｂに対して４５°傾けて配置されている。

人工光合成装置１００ａでは、ポテンショスタットを用いて、人工光合成モジュール１０の酸素発生電極１２と水素発生電極１４に一定の電流を供給すると、酸素発生電極１２から酸素が、水素発生電極から水素が発生する。人工光合成モジュール１０の上部に酸素と水素が気体として溜まり、隔壁１９で水素と酸素との混合が抑制され、酸素が酸素回収部１０６に回収され、水素が水素回収部１０８に回収される。

図２２に示す人工光合成装置１００ｂは、人工光合成モジュール１０を有するものであり、第１の区画２３ａに酸素用管１０７が設けられ、酸素用管１０７に酸素回収部１０６が接続されている。第２の区画２３ｂに水素用管１０９が設けられ、水素用管１０９に水素回収部１０８が接続される。排出管２８ａと排出管２８ｂとはタンク１０２に接続されている。図２２に示す人工光合成装置１００ｂはタンク１０２が１つである。

タンク１０２と第１の区画２３ａとが供給管２６ａにより接続されている。供給管２６ａには、ポンプ１０４が設けられている。ポンプ１０４により、タンク１０２に貯蔵された水ＡＱが第１の区画２３ａに供給される。
タンク１０２と第２の区画２３ｂとが供給管２６ｂにより接続されている。供給管２６ｂには、ポンプ１０４が設けられている。ポンプ１０４により、タンク１０２に貯蔵された水ＡＱが第２の区画２３ｂに供給される。タンク１０２が１つであり、タンク１０２には第１の区画２３ａからの水ＡＱと、第２の区画２３ｂからの水ＡＱとが混合されて貯蔵される。これにより、ポンプ１０４で供給する水ＡＱのｐＨが、最初に供給される水ＡＱのｐＨに近くなる。第１の区画２３ａと第２の区画２３ｂでの水ＡＱのｐＨの差が時間が経るにあたり偏りが発生し、水ＡＱのｐＨの偏りが電解電圧の上昇、すなわち、変換効率低下が必然的に発生するが、タンク１０２を１つすることにより、水ＡＱのｐＨの偏りが抑制され、更に電解電圧の経時上昇を抑制する効果を得ることができる。

人工光合成モジュール１０では水ＡＱは、方向Ｄに供給される。また、人工光合成モジュール１０は、容器２０内は酸素用管１０７及び水素用管１０９側では、隔膜１６ではなく隔壁１９が設けられている。隔壁１９は気体を透過させない構成であり、容器２０内で発生した水素と酸素との混合が抑制される。なお、人工光合成装置１００ｂでは人工光合成モジュール１０は、設置面Ｂに対して４５°傾けて配置されている。
人工光合成装置１００ｂでは、ポテンショスタットを用いて、人工光合成モジュール１０の酸素発生電極１２と水素発生電極１４に一定の電流を供給すると、酸素発生電極１２から酸素が、水素発生電極から水素が発生する。人工光合成モジュール１０の上部に酸素と水素が気体として溜まり、隔壁１９で水素と酸素との混合が抑制され、酸素が酸素回収部１０６に回収され、水素が水素回収部１０８に回収される。
なお、人工光合成装置では、図１に示す人工光合成モジュール１０に限定されるものではなく、人工光合成モジュールとしては、図１６に示す人工光合成モジュール１０ａ、及び図１９に示す人工光合成モジュール１０ｂのいずれでもよい。

（酸素発生電極、水素発生電極）
以下、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４の構成についてより具体的に説明する。
まず、酸素発生電極１２に適した光触媒層及び助触媒について説明する。

＜酸素発生電極の光触媒層＞
光触媒層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、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。

光半導体の具体例としては、例えば、Ｂｉ_２ＷＯ_６，ＢｉＶＯ_４，ＢｉＹＷＯ_６，Ｉｎ_２Ｏ_３（ＺｎＯ）_３，ＩｎＴａＯ_４，ＩｎＴａＯ_４：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。），ＴｉＯ_２：Ｎｉ，ＴｉＯ_２：Ｒｕ，ＴｉＯ_２Ｒｈ，ＴｉＯ_２：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。），ＴｉＯ_２：Ｎｉ／Ｎｂ，ＴｉＯ_２：Ｃｒ／Ｓｂ，ＴｉＯ_２：Ｎｉ／Ｓｂ，ＴｉＯ_２：Ｓｂ／Ｃｕ，ＴｉＯ_２：Ｒｈ／Ｓｂ，ＴｉＯ_２：Ｒｈ／Ｔａ，ＴｉＯ_２：Ｒｈ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｎｉ／Ｔａ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｎｉ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｃｒ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｃｒ／Ｓｂ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｃｒ／Ｔａ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｃｒ／Ｎｂ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｃｒ／Ｗ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｍｎ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｒｕ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｒｈ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｒｈ／Ｓｂ，ＳｒＴｉＯ_３：Ｉｒ，ＣａＴｉＯ_３：Ｒｈ，Ｌａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７：Ｃｒ，Ｌａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７：Ｃｒ／Ｓｂ，Ｌａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７：Ｆｅ，ＰｂＭｏＯ_４：Ｃｒ，ＲｂＰｂ_２Ｎｂ_３Ｏ_１０，ＨＰｂ_２Ｎｂ_３Ｏ_１０，ＰｂＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９，ＢｉＶＯ_４，ＢｉＣｕ_２ＶＯ_６，ＢｉＳｎ_２ＶＯ_６，ＳｎＮｂ_２Ｏ_６，ＡｇＮｂＯ_３，ＡｇＶＯ_３，ＡｇＬｉ_１／３Ｔｉ_２／３Ｏ_２，ＡｇＬｉ_１／３Ｓｎ_２／３Ｏ_２，ＷＯ_３、ＢａＢｉ_１−ｘＩｎｘＯ_３、ＢａＺｒ_１−ｘＳｎ_ｘＯ_３、ＢａＺｒ_１−ｘＧｅ_ｘＯ_３、及びＢａＺｒ_１−ｘＳｉ_ｘＯ_３等の酸化物、ＬａＴｉＯ_２Ｎ，Ｃａ_０．２５Ｌａ_０．７５ＴｉＯ_２．２５Ｎ_０．７５，ＴａＯＮ，ＣａＮｂＯ_２Ｎ，ＢａＮｂＯ_２Ｎ，ＣａＴａＯ_２Ｎ，ＳｒＴａＯ_２Ｎ，ＢａＴａＯ_２Ｎ，ＬａＴａＯ_２Ｎ，Ｙ_２Ｔａ_２Ｏ_５Ｎ_２，（Ｇａ_１−ｘＺｎ_ｘ）（Ｎ_１−ｘＯ_ｘ），（Ｚｎ_１＋ｘＧｅ）（Ｎ_２Ｏ_ｘ）（ｘは、０−１の数値を表す），及びＴｉＮ_ｘＯ_ｙＦ_ｚ等の酸窒化物、ＮｂＮ，及びＴａ_３Ｎ_５等の窒化物、ＣｄＳ等の硫化物、ＣｄＳｅ等のセレン化物、Ｌｎ_２Ｔｉ_２Ｓ_２Ｏ_５（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。

なかでも、光半導体としては、ＢａＢｉ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_３、ＢａＺｒ_１−ｘＳｎ_ｘＯ_３、ＢａＺｒ_１−ｘＧｅ_ｘＯ_３、ＢａＺｒ_１−ｘＳｉ_ｘＯ_３、ＮｂＮ、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、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。

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、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。

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、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、光触媒層の材料として良く用いられるＢｉＶＯ_４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できない。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。
光触媒層の厚みは、光触媒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。

上述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、基板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。

＜酸素発生電極の助触媒＞
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。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。助触媒が、例えば、１ｎｍ〜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３６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、例えば、ＦｅＯｘ、ＣｏＯ等のＣｏＯｘ、ＮｉＯｘ及びＲｕＯ_２を用いることができる。

次に、水素発生電極１４の第２の導電層４２、第２の光触媒層４４及び第２の助触媒４６について説明する。

図１４に示す水素発生電極１４の第２の基板４０は、第２の光触媒層４４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。更には、第２の基板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。第２の基板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、第２の基板４０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。

第２の基板４０の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、２０μｍ〜２０００μｍ程度あればよく、１００μｍ〜１０００μｍが好ましく、１００μｍ〜５００μｍがより好ましい。なお、第２の光触媒層４４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、第２の基板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、第２の基板４０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。

＜水素発生電極の導電層＞
第２の導電層４２は、第２の光触媒層４４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４２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。この第２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、第２の導電層４２は、Ｍｏで構成することが好ましい。第２の導電層４２は厚みが２００ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。

＜水素発生電極の光触媒層＞
第２の光触媒層４４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（Ｈ_２／Ｈ^＋）よりも碑側にあるものである。第２の光触媒層４４は正孔を生成し、第２の導電層４２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４４の表面４４ａ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４４の厚みは、好ましくは５００ｎｍ〜３０００ｎｍである。

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Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４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Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４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）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳ）のみならず、ＣｕＩｎＳｅ_２（ＣＩＳ）、又はＣｕＧａＳｅ_２（ＣＧＳ）等で構成してもよい。更に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。

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、及びスプレイ法（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）又はスプレイ法（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。

上述のようにｎ型伝導性を持つ材料を第２の光触媒層４４の表面４４ａ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、２０ｎｍ〜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。

第２の光触媒層４４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、又はＣｕ_２ＺｎＳｎＳ_４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。
＜水素発生電極の助触媒＞
第２の助触媒４６としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｎ及びＲｕＯ_２を用いることが好ましい。

第２の光触媒層４４と第２の助触媒４６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４４と第２の助触媒４６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１４の耐久性が向上する。

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４４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Ｉｎ_２Ｏ_３）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、３０ｎｍ〜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。

また、透明導電層にかえて第２の助触媒４６の表面に、第２の助触媒４６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４６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、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２及びＧａ_２Ｏ_３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５ｎｍ〜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５ｎｍ〜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。

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、種々の改良又は変更をしてもよいのはもちろんである。

以下に実施例を挙げて本発明の特徴を更に具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、物質量とその割合、及び、操作等は本発明の趣旨から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の実施例に限定されるものではない。

第１実施例では、本発明の効果を確認するために、電極表面形状のみを変えた条件で、エネルギー変換効率相当の一定電流を流して、その電解電圧の変化を比較した。具体的には、以下に示す実施例１、実施例２−１〜２−３、実施例３−１及び実施例３−２、実施例４−１〜４−３、実施例５−１〜５−３並びに比較例１、比較例２及び比較例３の人工光合成モジュールを用い、エネルギー変換効率相当の一定電流を流して電解電圧を測定した。以下、実施例１、実施例２−１〜２−３、実施例３−１及び実施例３−２、実施例４−１〜４−３、実施例５−１〜５−３並びに比較例１、比較例２及び比較例３について説明する。

（実施例１）
図２３は、実施例１の実験用モジュールを示す模式的断面図である。図２３に示す実験用モジュール１１０において、図２１に示す人工光合成モジュールを有する人工光合成装置の第１の例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。
実験用モジュール１１０の内部には、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とが離間して配置されており、酸素発生電極１２と水素発生電極１４との間に、電解液１１２が満たされている。電解液１１２には、硫酸ナトリウム＋リン酸水素ナトリウム、ｐＨ６．８調整したものを使用した。
隔膜１６は満たされた電解液１１２を隔てて、酸素発生電極１２と水素発生電極１４の間に配置されている。酸素発生電極１２と水素発生電極１４との隙間は、それぞれ２．０ｍｍとした。

実施例１では、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４の大きさを５０ｍｍ×５０ｍｍとし、厚さを１．０ｍｍとした。電極の基材にはチタンを使用し、電解液１１２との接触面に、光触媒を想定した、厚さ１．０μｍの白金を焼結メッキ（日本カーリット（株）製、エクセロードＥＡ）処理により形成した。

酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、いずれも図３に示す構成とし、溝の高さを１ｍｍ、底辺を２ｍｍ、先端角度を９０°とし、ピッチを２ｍｍとした。
酸素発生電極１２及び水素発生電極１４は、加工溝断面形状に成形した超硬切削バイトを用いてフライス盤にて、チタン板表面をピッチ分ずらしながらシェービング加工して溝を加工し、一方向溝加工後、任意の角度分チタン板を回転させて直交溝及び交差溝の加工を行った。
隔膜１６は、厚さ３０μｍ、孔径１．０μｍの親水性ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレンフィルター（アドバンテスト（株）製、Ｈ１００Ａ）を使用した。
実験用モジュール１１０を太陽光Ｌｓに向けるため、実験用モジュール１１０を水平面である設置面Ｂに対して４５°傾斜させて配置した。

本実施例では、酸素発生電極１２と水素発生電極１４の間にポテンショスタット（北斗電機（株）製、ＨＺ−５０００）を用いて、シミュレーション的に、任意の変換効率時に流れるファラデー電流を設定し、その時の電圧を測定するクロノポテンショメトリー（ＣＰ）測定で、水素及び酸素を発生させた時の電解電圧で評価した。
ポテンショスタットで、ＣＰ測定を開始すると、その電流に応じた水素及び酸素が発生し気泡となって、隔膜により分離され、混じることなく上方に移動し、実験用モジュール１１０の上方部に一時溜まり、そこから、それぞれ水素を含む気体、及び酸素を含む気体を回収する。
実験用モジュール１１０は、エネルギーの消費を抑えるため電解液１１２の循環を行わず、気泡の上昇搬送流のみで電解液１１２を混合置換させるため、電解液１１２の循環装置を設けていない。

（比較例１）
比較例１は、実施例１に比して、電極表面形状のみが異なり、それ以外は実施例１と同じとした。比較例１は、溝がない表面が平面状のフラット電極を用いた。比較例１でも実施例１と同じくエネルギー変換効率相当の一定電流を流して、その電解電圧の変化を測定した。
（比較例２）
比較例２は、実施例１に比して、電極形状のみが異なり、それ以外は実施例１と同じとした。比較例２は、図２９に示す電極を用いた。比較例２でも実施例１と同じくエネルギー変換効率相当の一定電流を流して、その電解電圧の変化を測定した。
図２９は比較例２の電極の構成を示す模式的斜視図である。比較例２の電極１２０は一方向溝電極である。溝断面は二等辺三角形であり、高さを１ｍｍ、底辺を２ｍｍ、先端角度を９０°とし、ピッチを２ｍｍとした。比較例２では、一方向溝が伸びる方向を方向Ｄと平行にして配置した。なお、図２９に示す数値は各部の寸法であり、単位はｍｍである。

（実施例２−１）
実施例２−１は、実施例１に比して、水素発生電極及び酸素発生電極の溝のピッチが異なり、それ以外の構成は、実施例１と同じとした。実施例２−１は、溝のピッチを１．５ｍｍとした。
（実施例２−２）
実施例２−２は、実施例１に比して、水素発生電極及び酸素発生電極の溝のピッチが異なり、それ以外の構成は、実施例１と同じとした。実施例２−２は、溝のピッチを１．０ｍｍとした。
（実施例２−３）
実施例２−３は、実施例１に比して、水素発生電極及び酸素発生電極の溝のピッチが異なり、それ以外の構成は、実施例１と同じとした。実施例２−３は、溝のピッチを０．５ｍｍとした。

（実施例３−１）
実施例３−１は、実施例２−２に比して、電解液の流れ方向を４５°に変えた点以外は、実施例２−２と同じとした。実施例３−１は、水が流れる方向に対して±４５°傾斜したものである。
（実施例３−２）
実施例３−２は、実施例２−２に比して、電解液の流れ方向を３０°に変えた点以外は、実施例２−２と同じとした。実施例３−２は、水が流れる方向に対して±３０°傾斜したものである。

（実施例４−１）
実施例４−１は、実施例１に比して、水素発生電極及び酸素発生電極の構成が異なり、それ以外の構成は、実施例１と同じとした。図２４は実施例４−１〜実施例４−３の電極の構成を示す模式的斜視図である。図２４において、図３に示す人工光合成モジュールの電極の第１の例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。
実施例４−１は、図２４に示す電極を用い、溝幅が０．９ｍｍ、陸部一辺が０．１ｍｍのピッチ１．０ｍｍの直交溝電極である。実施例４−１は、実施例１と同じく電極の基材にチタンを使用し、電解液との接触面には光触媒を想定した、厚さ１．０μｍの白金を焼結メッキ（日本カーリット（株）製、エクセロードＥＡ）処理により形成した。
さらに、実施例４−１では、水素発生電極及び酸素発生電極の全表面を、不純物汚れを超音波洗浄等で洗浄して取ることにより親水化した。
また、実施例４−１では、水素発生電極の陸部と、酸素発生電極の陸部とを対向させて隔膜を挟んで固定した。
（実施例４−２）
実施例４−２は、実施例４−１に比して、陸部にフッ素樹脂コーティング（ファインケミカルジャパン（株）製、ＦＣ−１０３、２００℃２０分乾燥）を施した点が異なり、それ以外の構成は、実施例４−１と同じとした。
（実施例４−３）
実施例４−３は、実施例４−１に比して、水素発生電極及び酸素発生電極の全表面を疎水化した点が異なり、それ以外の構成は、実施例４−１と同じとした。実施例４−３の疎水化は、実施例４−１の親水化処理する前の状態である。

（実施例５−１）
実施例５−１は、実施例１に比して、図２５に示す実験用モジュールを用いた点、水素発生電極及び酸素発生電極の大きさ、及び水素発生電極及び酸素発生電極の溝のピッチが１．５ｍｍである点が異なり、それ以外の構成は、実施例１と同じとした。
実施例５−１では、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４の大きさを１５ｍｍ×１００ｍｍとし、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４を電極間隔１．０ｍｍで配置した。酸素発生電極１２では、電極の基材にはチタンを使用し、電解液１１２との接触面に、光触媒を想定した、厚さ１．０μｍの二酸化イリジウム（日本カーリット（株）製、エクセロードＢ、膜厚１．０μｍ）を形成した。
水素発生電極１４では、電極の基材にはチタンを使用し、電解液１１２との接触面に、光触媒を想定した、厚さ１．０μｍの白金を焼結メッキ（日本カーリット（株）製、エクセロードＥＡ）処理により形成した。
なお、図２５は実施例５−１〜実施例５−３の実験用モジュールを示す模式的断面図である。図２５に示す実験用モジュール１１１において、図２３に示す実験用モジュール１１０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２５に示す実験用モジュール１１１は、図２３に示す実験用モジュール１１０に比して、水素発生電極１４と酸素発生電極１２とが同一平面上に配置された点、及び水素と酸素の回収が逆である点が異なり、それ以外の構成は図２３に示す実験用モジュール１１０と同じである。

（実施例５−２）
実施例５−２は、実施例５−１に比して、水素発生電極及び酸素発生電極の溝のピッチが異なり、それ以外の構成は、実施例５−１と同じとした。実施例５−２は、溝のピッチを１．０ｍｍとした。
（実施例５−３）
実施例５−３は、実施例５−１に比して、水素発生電極及び酸素発生電極の溝のピッチが異なり、それ以外の構成は、実施例５−１と同じとした。実施例５−３は、溝のピッチを０．５ｍｍとした。

（比較例３）
比較例３は、実施例５−１に比して、電極表面形状のみが異なり、それ以外は実施例１と同じとした。比較例３は、溝がない表面が平面状のフラット電極を用いた。
なお、実施例５−１〜実施例５−３及び比較例３は、実施例１と同じく、エネルギー変換効率相当の一定電流を流して電解電圧を測定した。しかし、下記表１に示すように効率１０％相当時の電解電圧は測定していない。このため、実施例５−１〜実施例５−３及び比較例３では、下記表１に示す効率１０％相当時の欄に「−」と記した。

実施例１は、比較例１及び比較例２に比して、効率１０％相当時の電解電圧が低くなっており、高いエネルギー変換効率が得られた。
実施例１、及び実施例２−１〜実施例２−３の比較から、溝のピッチによりエネルギー変換効率が変わり、溝のピッチが１．０ｍｍの実施例２−２が高いエネルギー変換効率が得られた。
実施例３−１と実施例３−２と実施例２−２との比較から水が流れる方向に対して±４５°傾斜している方が効率１０％相当時の電界電圧が低くなっており、高いエネルギー変換効率を得られた。
実施例４−１は実施例４−３に対して、さらに電解電圧が低く、高いエネルギー変換効率を得られた。また、実施例４−２は、実施例４−１に比較して更に電解電圧が低く、高いエネルギー変換効率を得られた。
また、実施例４−１〜実施例４−３は、水素発生電極の陸部と、酸素発生電極の陸部を対向させて、隔膜を挟んで固定することにより、隔膜がバタついて発生気泡の流れを妨げることなく、気泡がスムーズに排出されるため、気体の回収効率を高め、電解液の循環により電解電圧を低減するという効果もあった。

実施例５−１〜実施例５−３は、比較例３に比して、効率５％相当時の電解電圧が低くなっており、高いエネルギー変換効率が得られた。
また、実施例５−１〜実施例５−３は、酸素発生電極１２と水素発生電極１４とが離間して対向して配置された実施例１、実施例２−１〜２−３、実施例３−１及び実施例３−２、実施例４−１〜４−３に比して、電解電圧が低く、高いエネルギー変換効率が得られた。

第２実施例では、隔膜の効果を実施例６−１〜実施例６−３、並びに実施例７−１〜実施例７−４を用いて確認した。
実施例６−１〜実施例６−３、並びに実施例７−１〜実施例７−４では、図２５に示す実験用モジュールを用いる。
図２６は実施例６−１〜実施例６−３の電極の構成を模式図である。図２６に示す実施例６−１〜実施例６−３の電極において、図１７に示す人工光合成モジュールの第２の例の電極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。なお、図２６では、酸素発生電極１２及び水素発生電極１４上の隔膜１６の図示を省略しているが、隔膜１６は酸素発生電極１２及び水素発生電極１４上にも配置されている。

図２６に示すように水素発生電極１４が右に配置され、酸素発生電極１２が左に配置されている。それぞれの電極の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍ×２．０ｍｍ（厚み）であり、両極間のスペースは１．０ｍｍとした。水素発生電極１４の水素発生表面には０．５ｍｍピッチの直交溝を加工し、酸素発生電極１２の酸素発生表面には２．０ｍｍピッチの直交溝を加工した。
酸素発生電極１２と水素発生電極１４の両電極の上方４．０ｍｍの位置に、隔膜１６として親水性メッシュを配置した。隔膜１６には、ステンレス製平織メッシュを使用した。
平面上に配置された両電極から発生する気泡は０．５ｍｍピッチ直交溝が形成されている水素発生電極１４から発生する水素気泡は細かく、メッシュ状の隔膜１６を通過して上方の電解液層を通り上方から水素を含む気体が回収される。２．０ｍｍピッチ直交溝が形成されている酸素発生電極１２から発生する酸素気泡は大きく成長するため、メッシュを通過することができず、下層の電解液層を通り下方から酸素ガスが回収される。
水素発生電極と酸素発生電極との間に変換効率１０％相当の電流密度８．１３ｍＡ・ｃｍ^−２の電流を印加し、水素及び酸素を発生させ、気泡の大きさで選択透過するメッシュの孔径を変えた時の、上方から回収されたガスの水素濃度及び酸素濃度の比率を表２に示す。

以下、水素濃度及び酸素濃度の比率の測定方法について説明する。
まず、モジュール内の空気（酸素、窒素）をアルゴンガスでパージした後に、電極間に変換効率１０％相当の定電流を流して、水素及び酸素を発生させて、水素用管１０９から出てきた、残アルゴン、水素及び酸素の混合ガスを、マイクロガスクロマトグラフィー（Ａｇｉｌｅｎｔ製、４９０ＭｉｃｒｏＧＣ）を用いて測定し、混合ガス中の水素及び酸素の体積濃度を求めた。水素の体積濃度及び酸素の体積濃度の比率を、上述の水素濃度及び酸素濃度の比率とした。

（実施例６−１）
実施例６−１は、隔膜１６のメッシュ孔径を１０７０μｍとした。
（実施例６−２）
実施例６−２は、隔膜１６のメッシュ孔径を４３５μｍとした。
（実施例６−３）
実施例６−３は、隔膜１６のメッシュ孔径を２５μｍとした。
なお、実施例６−１〜実施例６−３のメッシュ孔径はカタログ仕様値である。
実施例６−１のカタログ仕様値は、＃２０で線径０．２ｍｍ、開口が１．０７ｍｍである。実施例６−２のカタログ仕様値は、＃４０で線径０．２ｍｍ、開口が０．４３５ｍｍである。実施例６−３のカタログ仕様値は、＃５００で線径０．０２５ｍｍ、開口が０．０２５８ｍｍである。
また、上述の＃２０は２０本／インチで１．２７ｍｍピッチのことである。＃４０は４０本／インチで０．６３５ｍｍピッチのことである。＃５００は５００本／インチで０．０５０８ｍｍピッチのことである。

（実施例７−１）
図２７は実施例７−１の電極の構成を模式図である。図２７に示す実施例７−１の電極において、図２６に示す実施例６−１〜実施例６−３の電極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。なお、図２７では酸素発生電極１２及び水素発生電極１４上の隔膜１６の図示を省略しているが、隔膜１６は酸素発生電極１２及び水素発生電極１４上にも配置されている。
実施例７−１は、実施例６−１に比して、図２７に示すように水素発生電極と酸素発生電極とが、櫛歯状に配置された点が異なり、それ以外は、実施例６−１と同じとした。
実施例７−１では、酸素発生電極１２と水素発生電極１４は、それぞれの電極の櫛歯の幅は４ｍｍ、長さは４０ｍｍであり、根本で電気的に接続されている。両極間のスペースは１．０ｍｍである。水素発生電極は白金（日本カーリット（株）製、エクセロードＥＡ、膜厚１．０μｍ）処理が施され、酸素発生電極は二酸化イリジウム（日本カーリット（株）製、エクセロードＢ、膜厚１．０μｍ）処理が施されている。水素発生電極と酸素発生電極の両電極の上方２．０ｍｍの位置に、隔膜１６として親水性メッシュを配置した。
実施例７−１は、隔膜１６のメッシュ孔径を１０７０μｍとした。

（実施例７−２）
実施例７−２は、実施例７−１に比して、隔膜１６のメッシュ孔径を４３５μｍとしたものである。
（実施例７−３）
実施例７−３は、実施例７−１に比して、隔膜１６のメッシュ孔径を２５μｍとしたものである。
なお、実施例７−１〜実施例７−３のメッシュ孔径はカタログ仕様値であり、上述の実施例６−１〜実施例６−３と同じであるため、その詳細な説明は省略する。

（実施例７−４）
実施例７−４は、実施例７−１に比して、櫛歯状電極の配置が図２８に示すように図２７に対して９０°回転させた点が異なり、それ以外の構成は、実施例７−１と同じとした。
図２８は実施例７−４の電極の構成を模式図である。図２８に示す実施例７−４の電極において、図２７に示す実施例７−１の電極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２８では酸素発生電極１２及び水素発生電極１４上の隔膜１６の図示を省略しているが、隔膜１６は酸素発生電極１２及び水素発生電極１４上にも配置されている。

表２に示すように、隔膜のメッシュの孔径が大き過ぎると酸素の気泡まで通過してしまい、隔膜のメッシュの孔径が小さすぎると両方の気泡を通さないことが分かる。隔膜のメッシュの孔径が４３５μｍ以上（実施例６−１及び実施例６−２並びに実施例７−１及び実施例７−２）であると水素を多く含む気体が回収されており、隔膜のメッシュの孔径と気泡の大きさを最適化することにより、更に比率を上げた水素の回収が可能である。すなわち、水素発生電極の表面凹凸を細かくして気泡サイズを小さくする、又は溶存水素濃度を上げる。酸素発生電極の表面溝ピッチを０．５ｍｍから２．０ｍｍで最適化することにより大きく揃ったサイズの気泡を発生させて、隔膜のメッシュを通過しないようにすることができる。
なお、実施例７−４は、水素発生電極と酸素発生電極とが気泡上昇方向と直交するため、電解液攪拌効果により電解電圧が実施例７−１より下がる効果がある。

１０、１０ａ、１０ｂ人工光合成モジュール
１２酸素発生電極
１２ａ第１の陸部
１４水素発生電極
１４ａ第２の陸部
１５突起
１５ａ第１の溝
１５ｂ第２の溝
１５ｃ交差溝群
１６隔膜
１６ａ表面
１６ｂ裏面
１７貫通孔
１８導線
１９隔壁
２０容器
２２筐体
２２ｂ底面
２２ｃ第１の壁面
２２ｄ第２の壁面
２３ａ第１の区画
２３ｂ第２の区画
２４透明部材
２４ａ表面
２６ａ、２６ｂ供給管
２８ａ、２８ｂ排出管
３０第１の基板
３０ａ、３２ａ、３４ａ表面
３１第１の基材
３１ａ第１の光触媒層
３２第１の導電層
３３第２の基材
３３ａ第２の光触媒層
３４第１の光触媒層
３６第１の助触媒
３７助触媒粒子
４０第２の基板
４０ａ、４２ａ、４４ａ表面
４２第２の導電層
４４第２の光触媒層
４６第２の助触媒
４７助触媒粒子
５０、５２気泡
６０ａ第１の電極部
６０ｂ第１の隙間
６０ｃ、６１ｃ基部
６１ａ第２の電極部
６１ｂ第２の隙間
６３隙間
１００ａ、１００ｂ人工光合成装置
１０２タンク
１０２ａ第１のタンク
１０２ｂ第２のタンク
１０４ポンプ
１０６酸素回収部
１０７酸素用管
１０８水素回収部
１０９水素用管
１１０、１１１実験用モジュール
１１２電解液
１２０電極
ＡＱ水
Ｂ設置面
Ｄ方向
Ｄｇ１、Ｄｇ２配置方向
Ｄ_ｉ進行方向
Ｆ_Ｄ搬送方向
Ｌ光
Ｌｓ太陽光
Ｍ方向
Ｗｄ隙間
ｄ厚み
φ 角度

Claims

光により水を分解して酸素を発生させる、酸素発生電極と、前記光により前記水を分解して水素を発生させる、水素発生電極と、を有する、人工光合成モジュールであって、
前記酸素発生電極及び前記水素発生電極は、設置面に対して傾斜して配置され、
前記酸素発生電極及び前記水素発生電極のうち、少なくとも一方の電極は、複数の一方の溝と複数の他方の溝とが交差した交差溝群を有し、前記一方の溝と前記他方の溝との交差角度が８０°〜１００°である、人工光合成モジュール。
前記酸素発生電極及び前記水素発生電極の両方の電極が、前記交差溝群を有する、請求項１に記載の人工光合成モジュール。
前記酸素発生電極と、前記水素発生電極とが対向して配置されており、
前記酸素発生電極と、前記水素発生電極との間に、隔膜が配置されている、請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール。
前記酸素発生電極と、前記水素発生電極とは、同一面に配置されている、請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール。
前記酸素発生電極は、互いに電気的に接続された複数の第１の電極部を有し、前記第１の電極部は前記交差溝群を有し、
前記水素発生電極は、互いに電気的に接続された複数の第２の電極部を有し、前記第２の電極部は前記交差溝群を有しており、
前記酸素発生電極の複数の前記各第１の電極部は第１の隙間をあけて並んで配置され、前記水素発生電極の複数の前記各第２の電極部は第２の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第１の電極部が、それぞれ前記水素発生電極の前記第２の電極部の前記第２の隙間に配置され、前記水素発生電極の複数の前記第２の電極部が、それぞれ前記酸素発生電極の前記第１の電極部の前記第１の隙間に配置されている、請求項１又は２に記載の人工光合成モジュール。
前記溝は、幅が０．１〜１０．０ｍｍ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。
前記溝は、幅が０．５〜２．０ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
前記複数の溝同士が交差した前記交差溝群では、前記一方の溝が、前記水が流れる方向に対して±４５°傾斜している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
前記酸素発生電極は、前記交差溝群と第１の陸部とを有し、
前記水素発生電極は、前記交差溝群と第２の陸部とを有し、
前記第１の陸部及び前記第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
前記酸素発生電極は、前記交差溝群と第１の陸部とを有し、
前記水素発生電極は、前記交差溝群と第２の陸部とを有し、
前記第１の陸部及び前記第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域と疎水性の領域とを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
前記第１の陸部及び前記第２の陸部は、前記疎水性の領域の割合が１０％以下である、請求項１０に記載の人工光合成モジュール。
前記酸素発生電極は、前記交差溝群と第１の陸部とを有し、
前記水素発生電極は、前記交差溝群と第２の陸部とを有し、
前記酸素発生電極と前記水素発生電極とは、対向し、かつ前記第１の陸部と前記第２の陸部とを位置を合せて配置されている、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。
前記第１の陸部及び前記第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域を有する、請求項１２に記載の人工光合成モジュール。
前記第１の陸部及び前記第２の陸部のうち、少なくとも一方は、親水性の領域と疎水性の領域とを有する、請求項１２に記載の人工光合成モジュール。
前記第１の陸部及び前記第２の陸部は、前記疎水性の領域の割合が１０％以下である、請求項１４に記載の人工光合成モジュール。
前記隔膜は、メッシュ状又は多孔質状である、請求項３に記載の人工光合成モジュール。
前記隔膜の表面は、親水性である、請求項３又は１６に記載の人工光合成モジュール。
前記交差溝群の前記溝は、断面形状が、曲線で構成された形状、円弧と直線で構成された形状、三角形又は矩形である、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。