JPWO2016052002A1 - 人工光合成モジュール - Google Patents

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Abstract

人工光合成モジュールは、光による電解水溶液の水素と酸素に分解に用いられるものである。人工光合成モジュールは、第１の凸部と第１の凹部とが交互に配置された水素発生電極と、第２の凸部と第２の凹部とが交互に配置された酸素発生電極とを有する。水素発生電極と酸素発生電極は電解水溶液と接するものであり、水素発生電極および酸素発生電極のうち、少なくとも一方の電極が導電層と導電層上に設けられた光触媒層とを備える。水素発生電極と酸素発生電極とは並べて配置され、並べた方向において水素発生電極の第１の凹部に酸素発生電極の第２の凸部が対向し、第１の凸部が第２の凹部に対向している。

Description

本発明は、光により電解水溶液を水素と酸素に分解する人工光合成モジュールに関し、特に、凹部と凸部が交互に形成された電極を有す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、および恒久的なエネルギー問題等の観点から、化石燃料および化石資源に頼らないための、クリーンなエネルギーが求められている。
人工光合成は、植物の光合成に学び、化石資源に頼らずに、無尽蔵になる太陽光と水と炭酸ガスによりエネルギーおよび資源を得る方法として注目を浴びている。
従来、再生可能なエネルギーである太陽光エネルギーを利用する形態の１つとして、電解水溶液を分解して酸素と水素を製造する装置が提案されている。
例えば、特許文献１には、導線などによって導通された多室セルの水素生成用セルに色素増感光触媒等の可視光応答性光触媒とレドックス媒体の溶液を含み、一方の酸素生成用セルには半導体薄膜電極を電解質溶液中に浸し、半導体薄膜電極から水素生成室の対極へ単に導線をつなぐ構造とすることで、外部バイアスの印加なしに光照射のみで水を水素と酸素に分解可能な水素および酸素の製造装置が記載されている。
また、特許文献２には、レドックス媒体の還元体を酸化してレドックス媒体の酸化体に変化させる電極を、光触媒とレドックス媒体の酸化体を含む光触媒反応槽の水溶液中に設置し、発生するレドックス媒体の還元体を電解することにより酸化してレドックス媒体の酸化体に変化させる水から酸素および水素を製造する方法が記載されている。レドックス媒体の還元体を酸化してレドックス媒体の酸化体に変化させる電極として櫛形電極が挙げられている。
特許文献３の二酸化炭素還元装置は、受光面および裏面を有する光電変換層と、電解液槽と、電解液槽中に電解液を挟んで設けられた第１および第２電解用電極と、電解液槽中に二酸化炭素を供給するＣＯ２供給部とを備え、光電変換層と第１および第２電解用電極とは、光電変換層の光起電力が第１および第２電解用電極に出力されるように接続され、第１電解用電極は、二酸化炭素還元用触媒を有し、第２電解用電極は、酸素生成用触媒を有し、第１および第２電解用電極は、第１および第２電解用電極の間を気泡が移動可能に設けられている。また、第１および第２電解用電極は、それぞれ幹部と幹部から延びる複数の支部とを有する櫛形構造を有し、第１電解用電極の支部は、第２電解用電極の２つの支部の間に配置され、第２電解用電極の支部は、第１電解用電極の２つの支部の間に配置されている。
これら以外に、電解水溶液を分解して酸素と水素を製造する装置として、特許文献４には水酸素ガス発生電極が提案されている。特許文献４の水酸素ガス発生電極は、互いに離間して平行に並ぶ複数の陽極板から成る陽電極群と、複数の陽極板にそれぞれ対面する複数の陰極板から成る陰電極群とを備え、陽電極群と陰電極群との間に、水を導入する間隙を確保したものである。陽極板を略Ｕ字形に折り返して一対の陽極片を形成し、陰極板を略Ｕ字形に折り返して一対の陰極片を形成し、一対の陽極片と一対の陰極片とを、それぞれの間に互い違いに差し込んでいる。特許文献４では、陽電極群と陰電極群とに各々電源を接続し、これら陽電極群と陰電極群とにそれぞれ正負の電荷を付与することで、間隙に導入した水が電気分解される。
特許第４４０６６８９号公報 特開２００４−２５６３７８号公報 特開２０１３−２５３２６９号公報 特開２００５−１７１３８３号公報
上述のように、特許文献１では、水素生成用セルと酸素生成用セルのうち、一方のセルにしか光が当たらないため、水からの水素と酸素を得る効率が悪いという問題点がある。また、特許文献２では、櫛形電極を用いているが、一方の電極だけであり、かつ対極との距離が遠いため、電気分解の効率が悪いという問題点がある。
特許文献３では、櫛形構造の電極が示されているが、光電変換層の裏面側に第１および第２電解用電極が設けられており、電極に光が照射される構成ではない。また、特許文献４では、水の電気分解に電源が必要であるという問題点がある。
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、電気分解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。
上記目的を達成するために、光による電解水溶液の水素と酸素に分解に用いられる人工光合成モジュールであって、第１の凸部と第１の凹部とが交互に配置された水素発生電極と、第２の凸部と第２の凹部とが交互に配置された酸素発生電極とを有し、水素発生電極と酸素発生電極は電解水溶液と接するものであり、水素発生電極および酸素発生電極のうち、少なくとも一方の電極が導電層と導電層上に設けられた光触媒層とを備え、水素発生電極と酸素発生電極とは並べて配置され、並べた方向において水素発生電極の第１の凹部に酸素発生電極の第２の凸部が対向し、第１の凸部が第２の凹部に対向していることを特徴とする人工光合成モジュールを提供するものである。
水素発生電極と酸素発生電極とは、水素発生電極の第１の凹部に酸素発生電極の第２の凸部が入り込み、第１の凸部が第２の凹部に入り込んでいることが好ましい。
水素発生電極と酸素発生電極の間にイオン伝導層が配置されていることが好ましい。
例えば、水素発生電極と酸素発生電極は、同一平面上に配置されている。また、例えば、水素発生電極と酸素発生電極は、同一平面に対して垂直な方向において異なる位置に配置されている。この場合、水素発生電極は酸素発生電極よりも上方に設けられていてもよい。
また、水素発生電極はイオン伝導層の表面に、酸素発生電極はイオン伝導層の裏面に形成されていることが好ましい。
例えば、第１の凸部および第１の凹部の形状、ならびに第２の凸部および第２の凹部の形状は、三角形または矩形である。
また、酸素発生電極の第２の凸部の幅は、水素発生電極の第１の凸部の幅よりも広いことが好ましい。
例えば、第１の凸部の幅および第２の凸部の幅は１０μｍ〜３ｍｍであり、第１の凹部の幅および第２の凹部の幅は１２μｍ〜５ｍｍである。
また、水素発生電極と酸素発生電極は、スクリーン印刷法、インクジェット法またはフォトエッチング法を用いて形成することができる。光触媒層は、表面に助触媒が設けられていることが好ましい。
本発明によれば、電気分解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を有する水の電気分解システム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構成を示す模式的平面図である。 （ａ）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を示す側面図であり、（ｂ）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他の例を示す側面図である。 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他の電極構成を示す側面図である。 （ａ）は、短冊形電極を示す平面図であり、（ｂ）は、正方形電極を示す平面図である。 人工光合成モジュールの電極構成の違いの効果を示すグラフである。 人工光合成モジュールの電極の大きさの違いの効果を示すグラフである。 人工光合成モジュールのイオン伝導層の効果を示すグラフである。
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。本発明は、以下に説明する人工光合成モジュールの実施形態に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。
図１は、本発明の実施形態の人工光合成モジュールを有する水の電気分解システムを示す模式的平面図である。
図１に示すように、水の電気分解システム１０（以下、単にシステム１０という。）は、例えば、複数の人工光合成モジュール１２を有する。人工光合成モジュール１２は、方向Ｗの延在しており、かつ方向Ｗと直交する方向Ｍに並べて配置されている。なお、システム１０において、人工光合成モジュール１２の数は特に限定されるものではなく、少なくとも１つあればよい。
人工光合成モジュール１２は、光を受光して、後述する電解水溶液ＡＱを水素と酸素に分解し、水素ガスと酸素ガスを生成するものである。人工光合成モジュール１２については後に詳細に説明する。
ここで、電解水溶液ＡＱとは、例えば、Ｈ２Ｏを主成分とする液体であり、蒸留水であってもよく、水を溶媒とし溶質を含む水溶液であってもよい。水の場合、例えば、電解質を含む水溶液である電解液であってもよく、冷却塔等で用いられる冷却水であってもよい。電解液の場合、例えば、電解質を含む水溶液であり、例えば、強アルカリ（ＫＯＨ（水酸化カリウム））、ポリマー電解質（ナフィオン（登録商標））、０．１ＭのＨ２ＳＯ４を含む電解液、または０．１Ｍ硫酸ナトリウム電解液、０．１Ｍリン酸カリウム緩衝液等である。
システム１０は、人工光合成モジュール１２に電解水溶液ＡＱを供給するための供給部１４と、人工光合成モジュール１２から排出される電解水溶液ＡＱを回収する回収部１８とを有する。
供給部１４および回収部１８は、ポンプ等の公知の水の供給装置が利用可能であり、タンク等の公知の水の回収装置が利用可能である。
供給部１４は供給管１６を介して人工光合成モジュール１２に接続されており、回収部１８は回収管２０を介して人工光合成モジュール１２に接続されている。回収部１８で回収された電解水溶液ＡＱを供給部１４に循環させて、電解水溶液ＡＱを再利用してもよい。
電解水溶液ＡＱの供給方法については、特に限定されるものではなく、電解水溶液ＡＱを電極表面に平行に流し、電解水溶液ＡＱの流れを電極表面の上で層流になるようにしてもよい。この場合、さらにハニカム整流板を設けてもよい。また、電極表面で電解水溶液ＡＱが渦巻くように供給してもよい。この場合、例えば、整流板等を設けることなく、電解水溶液ＡＱを電極表面に向かって供給する。
さらに、システム１０は、人工光合成モジュール１２で生成された水素ガスを回収する水素ガス回収部２２と、人工光合成モジュール１２で生成された酸素ガスを回収する酸素ガス回収部２６とを有する。
水素ガス回収部２２は水素用管２４を介して人工光合成モジュール１２に接続され、酸素ガス回収部２６は酸素用管２８を介して人工光合成モジュール１２に接続されている。
水素ガス回収部２２は、水素ガスを回収することができれば、その構成は、特に限定されるものではなく、例えば、吸着法および隔膜法等を用いた装置を利用することができる。
酸素ガス回収部２６は、酸素ガスを回収することができれば、その構成は、特に限定されるものではなく、例えば、吸着法を用いた装置を利用することができる。
なお、システム１０は、方向Ｗに対して、所定の角度傾けてもよい。これにより、電解水溶液ＡＱが回収管２０側に移動しやすくなり、水素ガスおよび酸素ガスの生成の効率を高くすることができる。水素ガスおよび酸素ガスも、供給管１６側に移動しやすくなり、水素ガスおよび酸素ガスを効率良く回収することができる。
水素ガス回収部２２および酸素ガス回収部２６を供給部１４の供給管１６側に設けたが、これに限定されるものではなく、回収部１８の回収管２０側に設けてもよい。
次に、システム１０を構成する人工光合成モジュール１２について詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態の人工光合成モジュールの電極構成を示す模式的平面図であり、図３（ａ）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を示す側面図であり、（ｂ）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他の例を示す側面図である。
図２に示すように、人工光合成モジュール１２は、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とを有する。水素発生電極３０は、長方形状の第１の凸部３１ａと長方形状の第１の凹部３１ｂとを有し、第１の凸部３１ａと第１の凹部３１ｂとが方向Ｄに交互に配置されている。酸素発生電極３２は、長方形状の第２の凸部３３ａと長方形状の第２の凹部３３ｂとを有し、第２の凸部３３ａと第２の凹部３３ｂとが方向Ｄに交互に配置されている。方向Ｄは、上述の方向Ｗと平行な方向である。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは並べて配置されており、第１の凸部３１ａが第２の凹部３３ｂに入り込み、第２の凸部３３ａが第１の凹部３１ｂに入り込んでいる。図２に示す水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは、第１の凸部３１ａと第２の凸部３３ａがくし歯に相当する、くし形電極またはくし歯電解と呼ばれるものである。
第２の凹部３３ｂと第１の凸部３１ａとの間には方向Ｄにおいて第１の凸部３１ａの両側に隙間が生じるが、隙間は両側とも同じであってもよく、異なっていてもよい。また、第１の凹部３１ｂと第２の凸部３３ａとの間には方向Ｄにおいて第２の凸部３３ａの両側に隙間が生じるが、この場合でも、隙間は両側とも同じであってもよく、異なっていてもよい。
人工光合成モジュール１２では、電解水溶液ＡＱを、例えば、方向Ｄと平行な方向、すなわち、第１の凸部３１ａおよび第２の凸部３３ａを横切るように流すが、これに限定されるものではない。例えば、電解水溶液ＡＱを、方向Ｄと直交する方向、すなわち、第１の凸部３１ａおよび第２の凸部３３ａが延在する方向に流してもよい。
なお、電解水溶液ＡＱを第１の凸部３１ａおよび第２の凸部３３ａを横切るように流すことをクロスフローという。電解水溶液ＡＱを第１の凸部３１ａおよび第２の凸部３３ａが延在する方向に流すことをパラレルフローという。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは、例えば、配線３５で短絡されている。水素発生電極３０は、後に詳細に説明するように光の照射により電力が発生するものである。これにより、光の照射により水素発生電極３０で発生した電流が酸素発生電極３２に流れ、水素発生電極３０と酸素発生電極３２で電解水溶液ＡＱを電気分解し、水素と酸素を得ることができる。
第１の凸部３１ａと第１の凹部３１ｂ、および第２の凸部３３ａと第２の凹部３３ｂとは、いずれも長方形状であるが、これに限定されるものではない。例えば、長方形以外の矩形であってもよく、三角形であってもよい。
また、第１の凸部３１ａが第２の凹部３３ｂに入り込み、第２の凸部３３ａが第１の凹部３１ｂに入り込んでいるが、これに限定されるものではなく、入り込んでいなくてもよい。水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは並べて配置され、並べた方向において水素発生電極３０の第１の凹部３１ｂに酸素発生電極３２の第２の凸部３３ａが対向し、第１の凸部３１ａが第２の凹部３３ｂに対向していれば、水素発生電極３０と酸素発生電極３２の配置形態は、特に限定されるものではない。
第１の凸部３１ａが第２の凹部３３ｂに入り込み、第２の凸部３３ａが第１の凹部３１ｂに入り込んでいる方が、電極全体の設置面積を小さくすることができるため好ましい。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２においては、第１の凸部３１ａを幅ｔ１、第２の凸部３３ａを幅ｔ３とするとき、幅ｔ１、幅ｔ３は１０μｍ〜３ｍｍであることが好ましい。第１の凹部３１ｂを幅ｔ２とし、第２の凹部３３ｂを幅ｔ４とするとき、幅ｔ２、幅ｔ４は１２μｍ〜５ｍｍであることが好ましい。
第２の凹部３３ｂと第１の凸部３１ａとの隙間間隔および第１の凹部３１ｂと第２の凸部３３ａとの隙間間隔を、いずれもｔ５とするとき、隙間間隔ｔ５は１μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。隙間間隔ｔ５は、（幅ｔ４−幅ｔ１）／２、（幅ｔ２−幅ｔ３）／２で表される。
第１の凸部３１ａの幅ｔ１および第２の凸部３３ａの幅ｔ３、ならびに第１の凹部３１ｂの幅ｔ２および第２の凹部３３ｂの幅ｔ４が上述の範囲であれば、電気分解の効率をより高くすることができる。
なお、第１の凸部３１ａの幅ｔ１および第２の凸部３３ａの幅ｔ３のことをくし歯の幅ともいう。
水素発生効率と酸素発生効率とは同じではないため、水素発生電極３０と酸素発生電極３２との面積は同じとは限らない。得ようとする水素および酸素の量に応じて、水素発生電極３０と酸素発生電極３２の面積を変える必要がある。本発明では、酸素発生電極３２の第２の凸部３３ａの幅ｔ３は、水素発生電極３０の第１の凸部３１ａの幅ｔ１よりも広いことが好ましい。これにより、発生する水素と酸素の量を略等量にすることができる。
人工光合成モジュール１２では、図３（ａ）に示すように、容器３６内に水素発生電極３０と酸素発生電極３２とが収納されており、水素発生電極３０と酸素発生電極３２との間にイオン伝導層３４が配置されている。この場合、水素発生電極３０と酸素発生電極３２は同一平面に対して垂直な方向において異なる位置に配置されており、並べた方向において水素発生電極３０の第１の凹部３１ｂに酸素発生電極３２の第２の凸部３３ａが対向し、第１の凸部３１ａが第２の凹部３３ｂに対向している。
また、例えば、イオン伝導層３４の表面に水素発生電極３０が形成され、イオン伝導層３４の裏面に酸素発生電極３２が形成された構成でもよい。
容器３６は、イオン伝導層３４で水素発生電極３０がある空間３６ａと、酸素発生電極３２がある空間３６ｂに区画される。
容器３６は、人工光合成モジュール１２の外殻を構成するものであり、電解水溶液ＡＱが漏れることなく内部に保持することができ、かつ外部からの光を内部に透過させて水素発生電極３０と酸素発生電極３２に光を照射することができれば、その構成は特に限定されるものではない。
容器３６には、一方の端に、各空間３６ａ、３６ｂに供給管１６が接続されている。また、一方の端には水素用管２４が空間３６ａに接続され、酸素用管２８が空間３６ｂに接続されている。他方の端に回収管２０が接続されている。
人工光合成モジュール１２では、イオン伝導層３４で空間３６ａと空間３６ｂに区画することで、水素と酸素とを別々に回収することができる。これにより、水素と酸素の分離工程および分離膜が不要となり、水素と酸素の回収を容易にできる。また、水素と酸素とを別々に回収することができるため、水素爆発の危険性がなく安全性が高く、しかも爆発対策の設備および工程が不要であり、設備コストも低減できる。
なお、水素発生電極３０は、酸素発生電極３２よりも上方に配置することが好ましい。これにより、空間３６ａの上方に水素が移動し、水素の回収をより一層容易にすることができる。
加えて、水素発生電極３０を酸素発生電極３２よりも下方に配置した場合、発生した水素が上方のイオン伝導層３４を透過して酸素発生電極３２側に移行してしまうが、水素発生電極３０を酸素発生電極３２よりも上方に配置することで、これを防止することができる。
イオン伝導層３４は、水素が透過するものであり、例えば、プロトン輸送膜が用いられ、具体的にはナフィオン（登録商標）が用いられる。これ以外にも、イオン伝導層３４には、例えば、メンブレンフィルター、多孔質プラスティック、多孔質ガラス、および不織紙等を用いることができる。
例えば、イオン伝導層３４は、電解水溶液ＡＱに濡れると透明になるものであり、外部からの光を酸素発生電極３０に照射させる。電解水溶液ＡＱに濡れると透明になるイオン伝導層３４として、メルク社製のメンブレンフィルターがある。
イオン伝導層３４の配置は、水素発生電極３０と酸素発生電極３２との間に配置するものに限定されるものではない。例えば、図３（ｂ）に示すように、水素発生電極３０と酸素発生電極３２と間を縫うように配置してもよい。この場合でも、水素発生電極３０は、酸素発生電極３２よりも上方に配置することが好ましい。
なお、イオン伝導層３４は設けなくてもよい。この場合、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは同一平面上に配置してもよく、同一平面に対して垂直な方向において異なる位置に配置してもよい。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２は、スクリーン印刷法、インクジェット法またはフォトエッチング法を用いて形成することできる。薄い場合には気相成膜、またはパターン印刷で形成してもよい、厚い場合は、導電性金属による電極基材を機械加工してその上に光触媒および助触媒を担持する。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２において、基材には、例えば、チタンが用いられる。しかし、これに限定されるものではなく、電気抵抗の低い導電性金属を用いることができる。この電気抵抗の低い導電性金属とは、例えば、ニオブ、ジルコニウム、タンタル、ニッケル、モリブデンおよびステンレス等である。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２に光触媒および助触媒を担持する方法としては、例えば、めっき、真空蒸着法、真空スパッタ法、粒子転写法、光電着法、電気泳動法、およびキャスト法等がある。電気泳動法では、水素発生電極３０と酸素発生電極３２を人工光合成モジュール１２に組み込んだ状態で、水素発生電極３０と酸素発生電極３２に電圧をかけて触媒を担持することができる。このため、水素発生電極３０と酸素発生電極３２としては、くし歯構造が好ましい。
水素発生電極３０と酸素発生電極３２の構成は、上述のものに限定されるものではなく、以下に示す構成であってもよい。
次に、水素発生電極３０の構成について詳細に説明する。
図４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を示す模式的断面図である。
水素発生電極３０は、絶縁基板４０上に形成されるものであり、導電層４２と、光触媒層４４と、機能層４６とを有する。水素発生の際には、水素発生電極３０を電解水溶液ＡＱに接して水素を発生させる。
絶縁基板４０は、水素発生電極３０を支持するものであり、電気絶縁性を有するもので構成される。絶縁基板４０は、特に限定されるものではないが、例えば、ソーダライムガラス基板（以下、ＳＬＧ基板という）またはセラミックス基板を用いることができる。また、絶縁基板４０には、金属基板上に絶縁層が形成されたものを用いることができる。ここで、金属基板としては、Ａｌ基板またはＳＵＳ（Steel Use Stainless）基板等の金属基板、またはＡｌと、例えば、ＳＵＳ等の他の金属との複合材料からなる複合Ａｌ基板等の複合金属基板が利用可能である。なお、複合金属基板も金属基板の一種であり、金属基板および複合金属基板をまとめて、単に金属基板ともいう。さらには、絶縁基板４０としては、Ａｌ基板等の表面を陽極酸化して形成された絶縁層を有する絶縁膜付金属基板を用いることもできる。絶縁基板４０は、フレキシブルなものであっても、そうでなくてもよい。なお、上述のもの以外に、絶縁基板４０として、例えば、高歪点ガラスおよび無アルカリガラス等のガラス板、またはポリイミド材を用いることもできる。
絶縁基板４０の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、２０〜２００００μｍ程度あればよく、１００〜１００００μｍが好ましく、１０００〜５０００μｍがより好ましい。なお、ｐ型半導体層５０に、ＣＩＧＳ（Copper indium gallium (di)selenide）化合物半導体を含むものを用いる場合には、絶縁基板４０側に、アルカリイオン（例えば、ナトリウム（Ｎａ）イオン：Ｎａ＋）を供給するものがあると、光電変換効率が向上するので、絶縁基板４０の表面４２ａにアルカリイオンを供給するアルカリ供給層を設けておくことが好ましい。なお、ＳＬＧ基板の場合には、アルカリ供給層は不要である。
図４に示す水素発生電極３０では、機能層４６の表面４６ａに助触媒４８が形成されている。助触媒４８は、例えば、点在するように、島状に形成してもよい。
助触媒４８は、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｎ等により構成される単体、およびそれらを組み合わせた合金、ならびにその酸化物、例えば、ＮｉＯｘおよびＲｕＯ２で形成することができる。また、助触媒４８のサイズは、特に限定されるものではなく、０．５ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。
なお、助触媒４８の形成方法は、特に限定されるものではなく、塗布焼成法、光電着法、スパッタ法、含浸法等により形成することができる。
助触媒４８は、機能層４６の表面４６ａに設けることが好ましいが、十分な水素ガスの生成が可能である場合には、設けなくてもよい。
導電層４２は、光触媒層４４に電圧を印加するものである。導電層４２は、導電を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば、Ｍｏ、ＣｒおよびＷ等の金属、またはこれらを組み合わせたものにより構成される。この導電層４２は、単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。この中で、導電層４２は、Ｍｏで構成することが好ましい。導電層４２の膜厚は、一般的に、その厚みが８００ｎｍ程度であるが、導電層４２は厚みが４００ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。
光触媒層４４は、起電力を発生するものである。光触媒層４４は、ｐ型半導体層５０とｎ型半導体層５２とを有し、ｐ型半導体層５０は、ｎ型半導体層５２との界面でｐｎ接合を形成する。
光触媒層４４では、機能層４６およびｎ型半導体層５２を透過して到達した光を吸収して、ｐ側に正孔を、ｎ側に電子を生じさせる層である。ｐ型半導体層５０は、光電変換機能を有する。ｐ型半導体層５０では、ｐｎ接合で生じた正孔をｐ型半導体層５０から導電層４２側に移動させ、ｐｎ接合で生じた電子をｎ型半導体層５２から機能層４６側に移動させる。ｐ型半導体層５０の膜厚は、好ましくは０．５〜３．０μｍであり、１．０〜２．０μｍが特に好ましい。
ｐ型半導体層５０は、例えば、カルコパイライト結晶構造を有するＣＩＧＳ化合物半導体またはＣｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣＺＴＳ（Copper zinc tin sulfide）化合物半導体で構成されるのが好ましい。ＣＩＧＳ化合物半導体層は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）のみならず、ＣｕＩｎＳｅ２（ＣＩＳ）、ＣｕＧａＳｅ２（ＣＧＳ）等で構成してもよい。
なお、ＣＩＧＳ層の形成方法としては、１）多源蒸着法、２）セレン化法、３）スパッタ法、４）ハイブリッドスパッタ法、および５）メカノケミカルプロセス法等が知られている。
その他のＣＩＧＳ層の形成方法としては、スクリーン印刷法、近接昇華法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、およびスプレー法（ウェット成膜法）等が挙げられる。例えば、スクリーン印刷法（ウェット成膜法）またはスプレー法（ウェット成膜法）等で、１１族元素、１３族元素、および１６族元素を含む微粒子膜を基板上に形成し、熱分解処理（この際、１６族元素雰囲気での熱分解処理でもよい）を実施する等により、所望の組成の結晶を得ることができる（特開平９−７４０６５号公報、特開平９−７４２１３号公報等）。
ｎ型半導体層５２は、上述のようにｐ型半導体層５０との界面でｐｎ接合を形成するものである。また、ｎ型半導体層５２は、機能層４６に入射した光をｐ型半導体層５０に到達させるため、光が透過するものである。
ｎ型半導体層５２は、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ，Ｚｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＺｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＳｎＳ，Ｓｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＳｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）、ＩｎＳ，Ｉｎ（Ｓ，Ｏ）、および／またはＩｎ（Ｓ，Ｏ，ＯＨ）等の、Ｃｄ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｉｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素を含む金属硫化物を含むもので形成される。ｎ型半導体層５２の膜厚は、１０ｎｍ〜２μｍが好ましく、１５〜２００ｎｍがより好ましい。ｎ型半導体層５２の形成には、例えば、化学浴析出法により形成される。
なお、ｎ型半導体層５２と機能層４６との間には、例えば、窓層を設けてもよい。この窓層は、例えば、厚み１０ｎｍ程度のＺｎＯ層で構成される。
光触媒層４４については、無機半導体からなるｐｎ接合を形成でき、水の光分解反応を生じさせ、水素を発生させることができれば、その構成は特に限定されるものではない。
例えば、太陽電池を構成する太陽電池セルに用いられる光電変換素子が好ましく用いられる。このような光電変換素子としては、上述のＣＩＧＳ化合物半導体またはＣｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣＺＴＳ化合物半導体を用いたもの以外に、薄膜シリコン系薄膜型光電変換素子、ＣｄＴｅ系薄膜型光電変換素子、色素増感系薄膜型光電変換素子、または有機系薄膜型光電変換素子を用いることができる。
機能層４６は、光触媒層４４内部への水分侵入を防ぎ、光触媒層４４内部での気泡形成を抑制するものである。機能層４６には、透明性、耐水性、遮水性および導電性が要求される。機能層４６により、水素発生電極３０の耐久性が向上する。
機能層４６は、水分子からイオン化した水素イオン（プロトン）Ｈ＋に電子を供給して水素分子、すなわち、水素ガスを発生させる（２Ｈ＋＋２ｅ− ―＞Ｈ２）ものであり、その表面４６ａは、水素ガス生成面として機能する。したがって、機能層４６は、水素ガスの発生領域を構成する。
機能層４６は、例えば、金属または導電性酸化物（過電圧が０．５Ｖ以下）もしくはその複合物であることが好ましい。より具体的には、機能層４６は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、およびＩｎ等がドープされたＺｎＯ、またはＩＭＯ（Ｍｏが添加されたＩｎ２Ｏ３）等の透明導電膜を用いることができる。機能層４６は単層構造でもよいし、２層構造等の積層構造でもよい。また、機能層４６の厚さは、特に限定されるものではなく、好ましくは、１０〜１０００ｎｍであり、５０〜５００ｎｍがより好ましい。
なお、機能層４６の形成方法は、特に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法、スパッタ法およびＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の気相成膜法または塗布法により形成することができる。機能層４６は必ずしも必要ない。
次に、酸素発生電極３２の構成について説明する。
図５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を示す模式的断面図である。
酸素発生電極３２は、絶縁基板４０上に導電層４２が形成されたものであり、この導電層４２の表面４２ａに、酸素生成用の助触媒５４を形成されている。この場合、助触媒５４は、例えば、点在するように島状に形成してもよい。
酸素生成用の助触媒５４は、例えば、ＩｒＯ２、ＣｏＯｘ等により構成される。また、酸素生成用の助触媒５４のサイズは、特に限定されるものではなく、０．５ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。なお、酸素生成用の助触媒５４の形成方法は、特に限定されるものではなく、塗布焼成法、浸漬法、含浸法、スパッタ法および蒸着法等により形成することができる。なお、十分な酸素ガスの生成が可能である場合には、助触媒５４は形成しなくてもよい。
上述の説明では、水素発生電極３０が光触媒を有する構成としたが、これに限定されるものではなく、酸素発生電極３２が、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有し、ｐｎ接合を形成する光触媒を有する構成でもよい。
なお、人工光合成モジュール１２の電極構成は、図３（ａ）に示すものに限定されるものではなく、図６に示す構成でもよい。
ここで、図６は、本発明の実施形態の人工光合成モジュールの他の電極構成を示す側面図である。なお、図６に示す人工光合成モジュール１２ａにおいて、図３（ａ）に示す人工光合成モジュール１２と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図６に示す人工光合成モジュール１２ａは、図３（ａ）に示す人工光合成モジュール１２に比して、容器３６内にイオン伝導層３４を設けることなく、底面３７に水素発生電極３０と酸素発生電極３２を図２に示すように配置した点が異なる。また、供給管１６および回収管２０を容器３６に対して１つずつ設けた点が異なる。それ以外の構成は、図３（ａ）に示す人工光合成モジュール１２と同様の構成であるため、その詳細な説明を詳細な説明は省略する。
図６に示す人工光合成モジュール１２ａでは、供給管１６および回収管２０を空間３６ａ、３６ｂ（図３（ａ）参照）毎に設ける必要がなく、容器３６に対して１つずつ設ければよいため、構成を簡素化できる。しかしながら、水素と酸素が同じ空間内で発生するため、水素と酸素の分離工程、および分離膜が必要になり、回収が煩雑になる。
また、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは図６に示す底面３７のような同一平面に設置せず、例えば、底面３７に垂直な方向において、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とを離間して配置してもよい。この場合でも、水素発生電極３０を酸素発生電極３２よりも上に配置することが好ましい。
人工光合成モジュール１２では、水素発生電極３０と酸素発生電極３２を並べて配置することにより、水素発生電極３０と酸素発生電極３２の両方に光を照射することができ、電気分解効率を高くすることができる。また、水素発生電極３０と酸素発生電極３２を、凹部と凸部を設ける構成とすることで、電解水溶液ＡＱと接する面積を大きくすることができる。さらには、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは並べて配置し、第１の凸部３１ａを第２の凹部３３ｂに入り込ませ、第２の凸部３３ａを第１の凹部３１ｂに入り込ませることで、電解水溶液ＡＱと接する面積を維持したまま、電極全体の設置面積を小さくすることができる。
また、人工光合成モジュール１２では、水素発生電極３０と酸素発生電極３２を設けるだけの構成であるため、構成を簡素化することができる。これにより、製造工程を簡素化でき、製造コストも低減することができる。
なお、水素発生電極３０と酸素発生電極３２は、同じ大きさでもよく、大きさが違っていてもよい。また、対称であっても非対称でもよい。水素発生電極３０と酸素発生電極３２の大きさについては電気分解効率に応じて適宜決定されるものである。
また、水素発生電極３０上に発生した水素、および酸素発生電極３２上に発生した酸素により電解水溶液ＡＱ中に泡が生じる。この泡は水素発生電極３０および酸素発生電極３２への光の照射を妨げ、電気分解効率を低減させることにもなる。このため、発生した泡は速やかに取り除かれることが好ましい。このため、電解水溶液ＡＱを供給する流量は、発生した泡を取り除くことができる流量であることが好ましい。
人工光合成モジュール１２の水素発生電極３０および酸素発生電極３２においては、必要に応じて、図示はしないが、弱酸性溶液および弱アルカリ性溶液に不溶であり、かつ光透過性、遮水性および絶縁性を兼ね備える保護膜を適宜設けることが好ましい。保護膜は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３等により構成することができる。保護膜の厚さは、特に限定されるものではなく、１００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
なお、保護膜の形成方法は、特に限定されるものではなく、ＲＦ（Radio Frequency）スパッタ法、ＤＣ（Direct Current）リアクティブスパッタ法およびＭＯＣＶＤ法等により形成することができる。
また、保護膜は、例えば、絶縁性エポキシ樹脂、絶縁性シリコーン樹脂、絶縁性フッ素樹脂等により構成できる。この場合、保護膜の厚さは、特に限定されるものではなく、２〜１０００μｍが好ましい。
本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の人工光合成モジュールについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
以下、本発明の人工光合成モジュールの効果について詳細に説明する。
第１実施例においては、本発明の電極構成の効果を確認するために、以下に示す実施例１、実施例２、比較例１〜比較例４の人工光合成モジュールを作製した。
実施例１、実施例２、比較例１〜比較例４の人工光合成モジュールに、電解水溶液ＡＱを供給しながら、水素発生電極と酸素発生電極に変換効率１０％相当の電流を流した時の到達過電圧（Ｖ）を過電圧として測定した。その結果を図８に示す。
ここで、図８は、人工光合成モジュールの電極構成の違いの効果を示すグラフである。
なお、水素発生電極と酸素発生電極への電流の供給にはポテンションスタット（北斗電工社製 ＨＺ−７０００）を用いた。
なお、過電圧とは、水（電解水溶液）の電気分解に要する陽極および陰極（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。図８に示す結果において、過電圧が小さいほど、電解水溶液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。
電解水溶液ＡＱには０．１Ｍ Ｎａ２ＳＯ４ ｐＨ９．５の電解液を用いた。電解水溶液ＡＱの液厚５ｍｍとし、電解水溶液ＡＱの流量は０リットル／ｍｉｎ〜２．０リットル／ｍｉｎの間で０．５リットル／ｍｉｎ刻みで変えた。なお、電解水溶液ＡＱの流量が０リットル／ｍｉｎとは、電解水溶液ＡＱを電解槽に溜めた状態のことである。
以下、実施例１、実施例２、比較例１〜比較例４の人工光合成モジュールについて説明する。なお、人工光合成モジュールは、いずれも電解水溶液入口部と電解水溶液出口部が設けられた容器内に、水素発生電極と酸素発生電極が配置されている。以下、特に断りがない限り、電解水溶液ＡＱの供給方法については、電解水溶液入口部と電解水溶液出口部を電極表面に平行に入射し、出射するように向けて、さらにハニカム整流板をつけて電解水溶液ＡＱの流れを電極表面の上で層流になるようにした。
（実施例１）
実施例１の人工光合成モジュールは、図２に示す水素発生電極と酸素発生電極を備えるくし形電極を有する。水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ電極寸法が３２ｍｍ×１２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍであり、くし歯については、幅３ｍｍ×長さ３２ｍｍ×枚数１５枚であり、くし歯の間の幅は５ｍｍである。水素発生電極と酸素発生電極の互いのくし歯を入り込ませた状態で、水素発生電極と酸素発生電極の隙間間隔は１．０ｍｍである。水素発生電極と酸素発生電極は、チタン製基材の表面に白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））である。なお、イオン伝送層は設けていない。
実施例１では、電解水溶液ＡＱを図２に示す方向Ｄに流した。すなわち、クロスフローである。
（実施例２）
実施例２の人工光合成モジュールは、実施例１に比して、電解水溶液ＡＱを図２に示す方向Ｄと直交する方向に流した点以外は、実施例１と同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。実施例２は、パラレルフローである。
（比較例１）
比較例１の人工光合成モジュールは、図７（ａ）に示す短冊形電極１００を有する。短冊形電極１００は、短冊状の水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４を有する。水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４は、電極寸法が幅１５ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ１．０ｍｍであり、電極の隙間は１．０ｍｍである。短冊形電極１００の水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４は、チタン製基材の表面に白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））である。なお、イオン伝送層は設けていない。
比較例１では、電解水溶液ＡＱを、水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４の長さ方向に対して横断するように流した。比較例１は、クロスフローである。
（比較例２）
比較例２の人工光合成モジュールは、比較例１に比して、電解水溶液ＡＱを水素発生電極１０２と酸素発生電極１０４の長さ方向に流した点以外は、比較例１と同じ構成であるため、その詳細な説明は省略する。比較例２は、パラレルフローである。
（比較例３）
比較例３の人工光合成モジュールは、図７（ｂ）に示す正方形電極１１０を有する。正方形電極１１０は、正方形状の水素発生電極１１２と酸素発生電極１１４を有する。水素発生電極１１２と酸素発生電極１１４は、電極寸法が、５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍであり、電極の隙間は１．０ｍｍである。正方形電極１１０の水素発生電極１１２と酸素発生電極１１４は、チタン製基材の表面に白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））である。なお、イオン伝送層は設けていない。
（比較例４）
比較例４は、電解水溶液が乱流になるように供給される点以外は、比較例３と同じ構成であるため、その詳細な説明は省略する。
電解水溶液が乱流になるように供給されるとは、電解水溶液入口部と電解水溶液出口部を電極表面に垂直にぶつけるように配置し、整流板もなく、人工光合成モジュールの容器内で電解水溶液ＡＱが渦巻くようにアンコントロールな流れにしたもののことをいう。
図８に示すように、くし形電極構造の実施例１、２は過電圧が小さく、Ｐｔ電極を対向配置した場合の電解電圧（符号Ｒｆ参照）に近い値を得ることができた。方向Ｄに対して直交する方向に電解水溶液ＡＱの流す比較例２の方が、方向Ｄに流す比較例１に比して過電圧が小さい。
一方、比較例１〜４は、いずれも過電圧が高い。短冊電極の比較例１、２よりも正方形電極の比較例３、４の方が過電圧が高い。
第２実施例では、人工光合成モジュールの電極の大きさの違い効果について説明する。
図９は、人工光合成モジュールの電極の大きさの違いの効果を示すグラフである。
第２実施例においては、第１実施例の実施例１、比較例１、２と、後述する実施例３とを用いて、電極の大きさの違いの効果を調べた。具体的には、本実施では、実施例１、３および比較例１、２の人工光合成モジュールに対して、１０分間、電流密度８．１３ｍＡ／ｃｍ２で電流を流した時の到達過電圧を測定した。その結果を図９に示す。
なお、本実施例では、到達過電圧の測定方法は上述の第１実施例と同じであり、電解水溶液ＡＱは第１実施例と同じものを用い、電解水溶液ＡＱの供給量および供給方法も第１実施形態と同じであるため、その詳細な説明は省略する。以下、実施例３について説明する。
（実施例３）
実施例３の人工光合成モジュールは、図２に示すくし形電極を有し、くし形電極は水素発生電極と酸素発生電極を備える。くし形電極は２０ｍｍ×１２ｍｍの大きさのガラス基板上にチタン膜を形成し、フォトリソグラフィ法を用いてくし形状にパターン形成し、その後、くし形状の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（ビー・エー・エス（株））が形成された電極である。水素発生電極と酸素発生電極のくし歯については、幅０．０１ｍｍ（１０μｍ）×長さ２．０ｍｍ×枚数６５枚であり、くし歯の間の幅は０．０２ｍｍ（２０μｍ）である。水素発生電極と酸素発生電極の互いのくし歯を入り込ませた状態で、水素発生電極と酸素発生電極の隙間間隔は０．００５ｍｍ（５μｍ）である。なお、両電極間にはイオン伝道膜は配置していない。実施例３は、クロスフローである。
図９に示すように、くし歯の幅が３ｍｍの実施例１が最も過電圧が小さく、次はくし歯の幅が０．０１ｍｍ（１０μｍ）の実施例３である。幅が１５ｍｍの短冊形電極の比較例１、２は、いずれも過電圧が実施例１、２よりも大きかった。
第３実施例では、人工光合成モジュールのイオン伝送層の効果について説明する。
図１０は、人工光合成モジュールのイオン伝導層の効果を示すグラフである。
第３実施例においては、第１実施例の実施例１と、後述する実施例４とを用いて、イオン伝導層の効果について調べた。具体的には、本実施例では、実施例１、実施例４の人工光合成モジュールに対して、電解水溶液を供給しながら、変換効率１０％相当の電流、すなわち、電流密度が８．１３ｍＡ／ｃｍ２となる電流を流した時の電解電圧（Ｖ）を測定した。その結果を図１０に示す。
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および陰極（水素発生電極、酸素発生電極）の全電位のことである。
本実施例では、電解電圧の測定方法は上述の第１実施例の到達過電圧の測定方法と同じであり、電解水溶液ＡＱは第１実施例と同じものを用い、電解水溶液ＡＱの供給量および供給方法も第１実施形態と同じであるため、その詳細な説明は省略する。以下、実施例４について説明する。
（実施例４）
実施例４の人工光合成モジュールは、図２に示すくし形電極を有し、くし形電極は水素発生電極と酸素発生電極を備える。水素発生電極と酸素発生電極は、それぞれ電極寸法が３２ｍｍ×１２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍであり、くし歯の幅は３ｍｍ×長さ３２ｍｍ×１５枚であり、くし歯の間の幅は５ｍｍである。水素発生電極と酸素発生電極の互いのくし歯を入り込ませた状態で、水素発生電極と酸素発生電極の隙間間隔は１．０ｍｍである。水素発生電極と酸素発生電極は、チタン製基材の表面に白金めっき処理が施された電極（エクセロードＥＡ：日本カーリット（株））である。なお、水素発生電極と酸素発生電極の間にイオン伝導層としてナフィオン（登録商標）膜を配置した。水素発生電極をイオン伝道層の上側に配置し、酸素発生電極をイオン伝道層の下側に配置している。なお、実施例４はクロスフローである。
図１０に示すように、イオン伝導層がない実施例１の方が、イオン伝導層がある実施例４よりも電解電圧が低い。これは、イオン伝導層が抵抗となり、電解電圧が高くなるためである。
１０ 水の電気分解システム（システム）
１２ 人工光合成モジュール
１４ 供給部
１６ 供給管
１８ 回収部
２０ 回収管
２２ 水素ガス回収部
２４ 水素用管
２６ 酸素ガス回収部
２８ 酸素用管
３０ 水素発生電極
３１ａ 第１の凸部
３１ｂ 第１の凹部
３２ 酸素発生電極
３３ａ 第２の凸部
３３ｂ 第２の凹部
３４ イオン伝導層
３６ 容器
４０ 絶縁基板
４２ 導電層
４４ 光触媒層
４６ 機能層
４８、５４ 助触媒
イオン伝導層３４は、水素が透過するものであり、例えば、プロトン輸送膜が用いられ、具体的にはナフィオン（登録商標）が用いられる。これ以外にも、イオン伝導層３４には、例えば、メンブレンフィルター、多孔質プラスティック、多孔質ガラス、および不織紙等を用いることができる。
例えば、イオン伝導層３４は、電解水溶液ＡＱに濡れると透明になるものであり、外部からの光を酸素発生電極３２に照射させる。電解水溶液ＡＱに濡れると透明になるイオン伝導層３４として、メルク社製のメンブレンフィルターがある。
イオン伝導層３４の配置は、水素発生電極３０と酸素発生電極３２との間に配置するものに限定されるものではない。例えば、図３（ｂ）に示すように、水素発生電極３０と酸素発生電極３２と間を縫うように配置してもよい。この場合でも、水素発生電極３０は、酸素発生電極３２よりも上方に配置することが好ましい。
なお、イオン伝導層３４は設けなくてもよい。この場合、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは同一平面上に配置してもよく、同一平面に対して垂直な方向において異なる位置に配置してもよい。
図６に示す人工光合成モジュール１２ａは、図３（ａ）に示す人工光合成モジュール１２に比して、容器３６内にイオン伝導層３４を設けることなく、底面３７に水素発生電極３０と酸素発生電極３２を図２に示すように配置した点が異なる。また、供給管１６および回収管２０を容器３６に対して１つずつ設けた点が異なる。それ以外の構成は、図３（ａ）に示す人工光合成モジュール１２と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
図６に示す人工光合成モジュール１２ａでは、供給管１６および回収管２０を空間３６ａ、３６ｂ（図３（ａ）参照）毎に設ける必要がなく、容器３６に対して１つずつ設ければよいため、構成を簡素化できる。しかしながら、水素と酸素が同じ空間内で発生するため、水素と酸素の分離工程、および分離膜が必要になり、回収が煩雑になる。
また、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とは図６に示す底面３７のような同一平面に設置せず、例えば、底面３７に垂直な方向において、水素発生電極３０と酸素発生電極３２とを離間して配置してもよい。この場合でも、水素発生電極３０を酸素発生電極３２よりも上に配置することが好ましい。

Claims (12)

  1. 光による電解水溶液の水素と酸素に分解に用いられる人工光合成モジュールであって、
    第１の凸部と第１の凹部とが交互に配置された水素発生電極と、第２の凸部と第２の凹部とが交互に配置された酸素発生電極とを有し、
    前記水素発生電極と前記酸素発生電極は前記電解水溶液と接するものであり、
    前記水素発生電極および前記酸素発生電極のうち、少なくとも一方の電極が導電層と前記導電層上に設けられた光触媒層とを備え、
    前記水素発生電極と前記酸素発生電極とは並べて配置され、並べた方向において前記水素発生電極の第１の凹部に前記酸素発生電極の第２の凸部が対向し、前記第１の凸部が前記第２の凹部に対向していることを特徴とする人工光合成モジュール。
  2. 前記水素発生電極と前記酸素発生電極とは、前記水素発生電極の第１の凹部に前記酸素発生電極の第２の凸部が入り込み、前記第１の凸部が前記第２の凹部に入り込んでいる請求項１に記載の人工光合成モジュール。
  3. 前記水素発生電極と前記酸素発生電極の間にイオン伝導層が配置されている請求項１または２に記載の人工光合成モジュール。
  4. 前記水素発生電極と前記酸素発生電極は、同一平面上に配置されている請求項１または２に記載の人工光合成モジュール。
  5. 前記水素発生電極と前記酸素発生電極は、同一平面に対して垂直な方向において異なる位置に配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
  6. 前記水素発生電極は前記酸素発生電極よりも上方に設けられている請求項５に記載の人工光合成モジュール。
  7. 前記水素発生電極は前記イオン伝導層の表面に、前記酸素発生電極は前記イオン伝導層の裏面に形成されている請求項３に記載の人工光合成モジュール。
  8. 前記第１の凸部および前記第１の凹部の形状、ならびに前記第２の凸部および前記第２の凹部の形状は、三角形または矩形である請求項１〜７のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
  9. 前記酸素発生電極の前記第２の凸部の幅は、前記水素発生電極の前記第１の凸部の幅よりも広い請求項８に記載の人工光合成モジュール。
  10. 前記第１の凸部の幅および前記第２の凸部の幅は１０μｍ〜３ｍｍであり、前記第１の凹部の幅および前記第２の凹部の幅は１２μｍ〜５ｍｍである請求項８または９に記載の人工光合成モジュール。
  11. 前記水素発生電極と前記酸素発生電極は、スクリーン印刷法、インクジェット法またはフォトエッチング法を用いて形成されたものである請求項１〜１０のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
  12. 前記光触媒層は、表面に助触媒が設けられている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の人工光合成モジュール。
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