TWI473913B - 氣體生產裝置及氣體生產方法 - Google Patents

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TWI473913B
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Mitsuru Sadamoto
Hiroko Wachi
Hiroshi Maekawa
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Description

氣體生產裝置及氣體生產方法
本發明是有關於一種使用有光觸媒的氣體(gas)生產裝置及氣體生產方法。
於化石燃料(fossil fuel)有可能枯竭，且呼籲環境保護的重要性的過程中，氫作為有希望的主要能源(energy)而受到期待。其中，使用光觸媒且藉由太陽光來直接產生氫的技術作為環境方面的影響極小的技術而受到期待。
例如，於專利文獻1中揭示有使用光觸媒來產生氫的裝置及方法。該文獻的特徵在於：將光觸媒層承載於積層體的電氣導電層的表面，且將鉑及/或過渡金屬氧化物配設於背面。
又，專利文獻2所揭示的電解裝置具有如下的構造，即，相對於設置於上方的陽極(anode)電極，於下方設置有陰極(cathode)電極。該電解裝置並無將氫與氯予以分離的功能，該該電解裝置的構成為於陰極電極的下表面側設置有凹部，利用該凹部來捕獲產生的氫。
圖1是先前的具有包括光觸媒電極的構造且藉由照射光來進行水電解的一般的裝置圖。作為此種裝置，於非專利文獻1中揭示有如下的裝置，該裝置利用通電用電線(wire)，將浸泡於電解液貯器中的電解液且由離子(ion)交換膜的鹽橋(salt bridge)隔開的n型氧化鈦(TiO2 )電極與鉑(Pt)電極予以連接。將比410 nm更短的短波長的光照射至TiO2 的表面之後，光電流於電線中流動，於TiO2 的表面產生氧，且於Pt的表面產生氫。氧成為氧氣的氣泡，且被氧氣收容部收集。氫成為氫氣的氣泡，且被氫氣收容部收集。該光觸媒的反應式將e- 與h+ 分別作為由光激發所產生的電子與電洞，且由以下的式101～式103來表示。式103為式101與式102的和。
2h+ +H2 O→(1/2)O2 +2H+ (TiO2 上)　(式101)
2e- +2H+ →H2 (Pt上)　(式102)
H2 O2hv →H2 +(1/2)O2 　(式103)
關於專利文獻3及非專利文獻2，於後文中加以敍述。
[先行技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2006-256901號公報
[專利文獻2]日本專利特開2007-51318號公報
[專利文獻3]國際專利公開2007/049559號小冊子
[非專利文獻]
[非專利文獻1]A.Fujishima,K.Honda Nature,vol.238,P37-38(1972)
[非專利文獻2]「水分解光觸媒技術」佐藤真理著，荒川裕則監修，CMC出版，第2章「藉由紫外光響應性一段光觸媒來實現水分解」，p11
此處，專利文獻1所揭示的裝置使用質子(proton)傳導性的昂貴的納菲膜(Nafion film)來將光觸媒層所產生的質子輸送至積層體的背面，存在產生氫的成本變高的問題。
又，專利文獻2所揭示的電解裝置存在如下的問題：於光觸媒層中產生的氫離子的移動距離長，效率不佳，並且由於該移動距離而導致電流損失變大。
此外，對於上述公知文獻所揭示的裝置而言，光觸媒的氣體產生過程的本質上所固有的以下的問題尚未被解決。亦即，當光觸媒的激發光照射至光觸媒表面時產生電子與電洞，與光觸媒接觸的水分子被電洞氧化，從而產生氧分子與氫離子(質子)。於光觸媒表面，氧分子彼此彙集並成長為氣泡，不久該氣泡脫離光觸媒表面。又，同時於光觸媒表面產生的氫離子(質子)溶入至水中並逐步朝陰極電極移動，但當該氫離子與殘存的氧分子彙集時，會發生再次恢復為水的逆反應。
例如，當進行如下的實驗時，即，當於玻璃光槽(glass cell)中，使承載有鉑的氧化鈦粉末分散於含有水的電解水中，照射紫外光並對氫產生量進行測定時，已確認根據紫外光的照射方向的不同，氫氣的產生量會大不相同。又，已知：如圖2(a)所示，若自下方，將光7(紫外光)照射至作為光觸媒的鉑承載氧化鈦粉體42所分散的電解液12，則氫氣33的產生量少，但相反地如圖2(b)所示，若自電解液12的表面側照射光7，則氫氣33的產生量增加。作為光觸媒42，例示了使氧化鈦粉體40承載著鉑微粒子41的光觸媒。原因在於：如圖3所示，照射光7之後形成於承載鉑上的氫氣33的氣泡，與形成於鉑承載光觸媒42上的氧氣23的氣泡在鉑上彙集，藉此，會產生恢復為水的逆反應。
因此，必須儘早地將由光觸媒分解的水分子所產生的氧分子與氫離子予以分離。例如，於非專利文獻2中提出有如下的技術：如圖4所示，使將光觸媒42的表面予以覆蓋的液膜層的厚度，比藉由光7的照射而形成的氣泡(氧氣23及氫氣33)的尺寸(size)更小。藉此，由於氫與氧的彙集而恢復為水的逆反應被阻止，從而可迅速地進行光觸媒反應。
然而，如上所述的方法於產業利用上，在進行水分解時浸泡於水中的電極方面，極難以設法使將電極予以覆蓋的液膜比氣泡的尺寸更薄。因此，為了進行更迅速的光觸媒反應，必須以某種方法來儘早地自光觸媒表面除去產生的氧氣。然而，目前如上所述的方法尚未公開。
又，陽極電極若未被光照射則不作動，因此，若用以進行電氣分解的陰極電極設置於與光觸媒層相對向的位置，則陰極電極會妨礙照射光。因此，如專利文獻2所示，必須將陰極電極設置於陽極電極的設置有光觸媒層的面的背面側。因此，結果導致隨著質子的移動損失而使電流密度減小。
又，當氧或氫等的氣泡附著於電極時，該氣泡的附著面會妨礙與電解液的接觸，因此，至少於附著面上不會產生水的電解反應。此導致實質性的電極面積減少，從而使產生氣體量減少。
於專利文獻3中揭示了如下的內容：使用微反應器(micro reactor)來對1 wt%的硫酸水溶液進行電氣分解，對氣泡的產生進行確認。而且，由於水的電氣分解而於水中產生的氣泡經由氣液界面，迅速地移動至氣體流路，確認了氣液分離。
然而，過去並未嘗試以上述形式來利用氣液界面，從而完全阻止光觸媒所產生的氫與氧的逆向反應。
本發明是鑒於如上所述的內容而成的發明，提供一種藉由光照射的光觸媒作用來效果良好地產生所需的氣體的技術。
(1)根據本發明，提供一種氣體生產裝置，由含有水的電解液來產生氧氣及/或氫氣，其包括：陽極電極，包括光觸媒含有層，該光觸媒含有層含有藉由光觸媒反應而自上述電解液產生氧氣的光觸媒；陰極電極，藉由上述光觸媒含有層中的光觸媒反應而自上述電解液中產生的氫離子及電子產生氫氣；多個貫通孔，設置於上述陽極電極或上述陰極電極的至少一個電極，不使上述電解液通過而使產生的上述氧氣或上述氫氣通過；以及氣體收容部，將通過上述貫通孔的上述氧氣或上述氫氣予以收容。
根據上述發明，經由貫通孔，自該電極的相反面側將陽極電極所產生的氧氣或陰極電極所產生的氫氣予以回收。因此，不會產生因氧與氫彙集而引起的恢復為水分子的逆反應，可有效果地對電解液進行分解。
(2)於本發明中，上述光觸媒含有層亦可為包含多個空孔的多孔質材料，且上述光觸媒露出至上述空孔。
(3)於本發明中，上述空孔亦可露出至上述貫通孔的內壁面。
(4)於本發明中，露出至上述貫通孔的內壁面的上述空孔亦可與其他空孔彼此連通著。
(5)於本發明中，多個上述貫通孔亦可規則地設置於上述陽極電極或上述陰極電極。
(6)於本發明中，相鄰接的上述貫通孔的重心之間的距離亦可為0.1 μm以上且為800 μm以下。
(7)於本發明中，全部的上述貫通孔與相鄰接的其他上述貫通孔的重心之間的距離亦可為0.1 μm以上且為800 μm以下。
(8)於本發明中，上述重心之間的距離亦可為上述貫通孔的開口直徑的1.5倍以上且為5倍以下。
(9)於本發明中，相鄰接的上述貫通孔的接近邊緣之間的距離亦可為0.1 μm以上且為400 μm以下。
(10)於本發明中，上述光觸媒含有層的層厚亦可為0.25 μm以上且為100 μm以下。
(11)於本發明中，亦可更包括受光窗，該受光窗使上述光觸媒的激發光透過，並且將該激發光照射至上述光觸媒含有層。
(12)於本發明中，上述陽極電極亦可包括對上述光觸媒含有層進行支持的基材，上述基材由使上述激發光透過的材料構成。
(13)於本發明中，上述受光窗亦可隔著上述基材而配置於上述光觸媒含有層的相反側，透過上述受光窗的上述激發光進一步透過上述基材，接著照射至上述光觸媒含有層。
(14)於本發明中，上述陰極電極亦可由使上述激發光透過的材料構成，且上述受光窗與上述陰極電極相對向地配置，透過上述受光窗的上述激發光進一步透過上述陰極電極，接著照射至上述光觸媒含有層。
(15)於本發明中，上述陰極電極與上述陽極電極的上述光觸媒含有層亦可彼此相對向地配置著。
(16)於本發明中，亦可於與設置於上述陰極電極的上述貫通孔相對向的位置，形成有上述陽極電極的上述光觸媒含有層。
(17)於本發明中，上述陰極電極亦可包含因接收上述光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，於與設置於上述陽極電極的上述貫通孔相對向的位置，形成有上述陰極電極的上述助觸媒含有層。
(18)於本發明中，設置於上述陰極電極或上述陽極電極的上述貫通孔亦可為狹縫形狀。
(19)於本發明中，上述陰極電極及上述陽極電極亦可均包括狹縫形狀的貫通孔，且以上述陰極電極與上述陽極電極相對向地配置的狀態，上述狹縫形狀的貫通孔彼此錯開。
(20)於本發明中，由隔開規定的間隔而彼此平行地配置的上述陰極電極及上述陽極電極所構成的電極對，亦可具有可朝與面垂直的方向彎曲或撓曲的可撓性。
(21)於本發明中，上述陰極電極亦可包含因接收上述光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，於上述陽極電極的上述光觸媒含有層與上述陰極電極的上述助觸媒含有層之間，設置有包含導電性的材料且可使上述電解液透過的電子移動層。
(22)於本發明中，上述陰極電極與上述陽極電極亦可支持於共用的基材且橫向排列地配置著。
(23)於本發明中，多個上述陰極電極與多個上述陽極電極亦可彼此相鄰接地配置著。
(24)於本發明中，亦可包括：第一貫通孔，設置於上述陽極電極，不使上述電解液通過而使上述氧氣通過；以及第二貫通孔，設置於上述陰極電極，不使上述電解液通過而使上述氫氣通過。
(25)於本發明中，亦可包括：第一上述氣體收容部，設置於上述第一貫通孔的開口且收容上述氧氣；以及第二上述氣體收容部，設置於上述第二貫通孔的開口且收容上述氫氣。
(26)於本發明中，上述陰極電極亦可包含因接收上述光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，上述光觸媒含有層配置於上述第一貫通孔的附近，上述助觸媒含有層配置於上述第二貫通孔的附近。
(27)於本發明中，上述光觸媒含有層亦可呈環(ring)狀地設置於上述第一貫通孔的開口部的周緣部，上述助觸媒含有層呈環狀地設置於上述第二貫通孔的開口部的周緣部。
(28)於本發明中，上述陰極電極與上述陽極電極亦可經由電氣絕緣性的材料而橫向排列且相鄰接地設置，上述陰極電極與上述陽極電極的鄰接間隔為0.01 μm以上。
(29)於本發明中，亦可包括受光窗，該受光窗使上述光觸媒的激發光透過，並且將該激發光照射至上述光觸媒含有層，上述受光窗配置於與上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層均相對向的位置，透過上述受光窗的上述激發光照射至上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層。
(30)於本發明中，上述陽極電極及上述陰極電極亦可分別由使上述光觸媒的激發光透過的材料構成，使上述激發光透過並且將該激發光照射至上述光觸媒含有層的受光窗與上述陽極電極及上述陰極電極相對向，且配置於上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層的相反側，透過上述受光窗的上述激發光進一步透過上述陽極電極及上述陰極電極，接著照射至上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層。
(31)於本發明中，上述光觸媒含有層或上述助觸媒含有層中的至少一個層亦可相對於上述基材而傾斜地配置著。
(32)於本發明中，上述光觸媒含有層或上述助觸媒含有層亦可包括自上述基材突出的凸面部。
(33)於本發明中，上述凸面部亦可呈包括彼此相對向的一對立面的箱狀。
(34)於本發明中，上述氣體收容部亦可形成於上述凸面部的內部。
(35)於本發明中，亦可對上述貫通孔的內壁面實施有疏水化處理。
(36)於本發明中，上述光觸媒含有層及上述陰極電極亦可相對於上述電解液而言為親液性。
(37)於本發明中，上述陽極電極或上述陰極電極中的設置有上述氣體收容部的背面側亦可相對於上述電解液而言為疏液性。
(38)於本發明中，亦可更包括：蓄積有上述電解液且使上述陽極電極及上述陰極電極浸漬於上述電解液的電解液槽；將上述電解液供給至上述電解液槽的電解液供給管；以及自上述電解液槽將用於觸媒反應的上述電解液予以排出的電解液排出管。
(39)於本發明中，上述光觸媒含有層中所含的光觸媒亦可為選自包含氧化鈦、氧化釩、氧化鎳、氧化鋅、氧化鉀、氧化鋯、氧化鈮、氧化鉬、氧化鉭、氧化鎢、氧化鎵、氧化鍺、氧化銦、氧化錫、氧化銻、氧化鉛及氧化鉍等的氧化物、以及這些物質的氮化物、硫化物的群中的至少一種物質。
(40)於本發明中，上述助觸媒含有層中所含的助觸媒亦可為選自包含鉑、鎳、釕(ruthenium)、氧化鎳及氧化釕的群中的至少一種物質。
(41)於本發明中，亦可更包括照射上述激發光的光源。
(42)又，根據本發明，提供一種氣體生產方法，由含有水的電解液來產生氧氣及/或氫氣，其包括如下的步驟：使包括光觸媒含有層的陽極電極及陰極電極與上述電解液接觸，上述光觸媒含有層含有藉由光觸媒反應而自上述電解液產生氧氣的光觸媒，上述陰極電極自藉由上述光觸媒含有層中的光觸媒反應而產生的上述電解液中的氫離子與電子來產生氫氣；將光觸媒的激發光照射至上述光觸媒含有層；以及經由設置於上述陽極電極或上述陰極電極的多個貫通孔，將上述陽極電極所產生的上述氧氣或上述陰極電極所產生的上述氫氣中的至少一種氣體予以捕獲。
(43)於本發明中，上述光觸媒含有層亦可為包含使上述光觸媒露出的多個空孔的多孔質材料，上述光觸媒含有層經由上述貫通孔來將上述空孔的內部所產生的上述氧氣或上述氫氣予以捕獲。
(44)於本發明中，亦可經由露出至上述貫通孔的內壁面的其他上述空孔，經上述貫通孔來將上述空孔的內部所產生的上述氧氣或上述氫氣予以捕獲。
(45)於本發明中，上述陽極電極亦可包括對上述光觸媒含有層進行支持的基材，上述基材由使上述激發光透過的材料構成，將透過上述基材的上述激發光照射至上述光觸媒含有層。
(46)於本發明中，上述陰極電極亦可由使上述激發光透過的材料構成，將透過上述陰極電極的上述激發光照射至上述光觸媒含有層。
(47)於本發明中，上述陰極電極亦可包含因接收上述激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，將上述陽極電極或上述陰極電極所反射的上述激發光照射至其他上述陽極電極的上述光觸媒含有層或上述陰極電極的上述助觸媒含有層。
(48)於本發明中，上述陰極電極亦可包含因接收上述激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，將通過設置於上述陽極電極或上述陰極電極的上述貫通孔的上述激發光照射至其他上述陰極電極的上述助觸媒含有層或上述陽極電極的上述光觸媒含有層。
根據本發明，可提供一種氣體生產裝置及氣體生產方法，該氣體生產裝置可藉由使用太陽光等的光觸媒分解來效果良好地產生氫氣、氧氣、以及這些氣體的混成氣體等。而且，無需將昂貴的材料用作本發明中所使用的電極，因此，可使氣體生產裝置或該氣體的製造成本減少。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下，使用圖式來對本發明的實施形態進行說明。再者，於全部的圖式中，對相同的構成要素附上相同的符號，並適當地省略說明。
本實施形態的氣體生產裝置是自含有水的電解液產生氧氣及/或氫氣的裝置。本實施形態的氣體生產裝置包括陽極電極、陰極電極、多個貫通孔、以及氣體收容部。
陽極電極(光觸媒承載電極)包括光觸媒含有層，該光觸媒含有層含有藉由光觸媒反應而自電解液產生氧氣的光觸媒。陰極電極藉由光觸媒含有層中的光觸媒反應而自電解液中產生的氫離子及電子產生氫氣。貫通孔(第一貫通孔及/或第二貫通孔)設置於陽極電極或陰極電極中的至少一個電極，該貫通孔不使電解液通過，而使所產生的氧氣或氫氣通過。接著，氣體收容部(第一氣體收容部及/或第二氣體收容部)將通過貫通孔的氧氣或氫氣予以收容。
圖5(a)～圖5(d)是表示本實施形態的氣體生產裝置100的基本概念的模式圖。氣體生產裝置100包括陽極電極2與陰極電極3。陽極電極2包括基材25、與積層地設置於該基材25的其中一個主面的光觸媒含有層27。該光觸媒含有層27包含藉由光觸媒反應來自電解液槽10中的電解液12產生氧氣的光觸媒。
陰極電極3於電解液12中，由氫離子與電子來產生氫氣，該氫離子與電子於光觸媒含有層27中，由光7引發的光觸媒反應所產生。
陽極電極2及陰極電極3中的至少一個電極包括多個貫通孔(第一貫通孔111及/或第二貫通孔113)。該貫通孔不使電解液12通過，而選擇性地使氣體(氧氣或氫氣)通過至背面側，該氣體是藉由將激發光照射至光觸媒而於電極的表面側產生的氣體。
本實施形態的陰極電極3包括藉由接收光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層43。光觸媒含有層27配置於第一貫通孔111的附近，助觸媒含有層43配置於第二貫通孔113的附近。
氣體生產裝置100包括圍繞開口形成有貫通孔的背面的氣體收容部(第一氣體收容部21及/或第二氣體收容部31)。
亦即，氣體生產裝置100包括：第一貫通孔(第一貫通孔111)，設置於陽極電極2，且不使電解液12通過而使氧氣通過；以及第二貫通孔(第二貫通孔113)，設置於陰極電極3，且不使電解液12通過而使氫氣通過。
而且，氣體生產裝置100包括：第一氣體收容部21，設置於第一貫通孔111的開口且收容氧氣；以及第二氣體收容部31，設置於第二貫通孔113的開口且收容氫氣。
又，氣體生產裝置100更包括受光窗，該受光窗使光觸媒的激發光透過，並且將該激發光照射至光觸媒含有層。
使用圖5(a)來詳細地進行說明。該圖5(a)為氣體生產裝置100的側視圖。
光7(紫外光或可見光)通過受光窗4及電解液槽10而照射至光觸媒含有層27，藉此來產生光觸媒反應，於電解液中形成氧與質子。此處，形成的質子直至到達助觸媒含有層43的表面才會變化為氫。
當自該質子變化為氫時亦需要電子，但關於該電子的供給途徑(route)，存在若干方法，其代表性的例子將後述於圖10(a)、圖10(b)中。質子於電解液中遊動，藉此，自光觸媒含有層27到達助觸媒含有層43。因此，該質子的遊動距離較佳為短距離。然而，圖5(a)所示的重要之處在於：光觸媒含有層27及助觸媒含有層43所產生的氧與氫彼此並不相遇，換言之，於氧與氫因彙集而發生恢復為水的逆向反應之前，藉由以氣液分離為目的之貫通孔111、113來將氫與氧予以分離，使氫與氧失去彙集的機會，藉此來效果良好地捕獲氫氣。再者，任選是否將光7照射至包括助觸媒含有層43的陰極電極3。
圖5(a)所示的受光窗4相對於基材25，配置於與光觸媒含有層27相同側。換言之，光7不透過基材25而照射至光觸媒含有層27。因此，基材25可使用透光性的材料或不透光性的材料中的任一種材料。於該圖5(a)中例示有不透光性的基材29。
圖5(b)與圖5(a)大致相同，但光7的照射方向相反。陽極電極2包括對光觸媒含有層27進行支持的基材25。該基材25由使激發光7透過的透光性的材料(透光性基材28)構成。又，構成第一氣體收容部21的材料亦具有透光性。
又，設置於助觸媒含有層43與受光窗4之間的第二氣體收容部31亦同樣地包含透光性的材料。
藉此，通過受光窗4的激發光7經由第一氣體收容部21或第二氣體收容部31而入射至基材25(透光性基材28)，然後經由基材25而到達光觸媒含有層27或助觸媒含有層43，對蓄積於電解液槽10的電解液12產生電解作用。
圖5(c)為圖5(a)所示的包括光觸媒含有層27的陽極電極2單獨的光觸媒單元(陽極單元)。例如，將形成將陽極電極2安裝於該光觸媒單元且將鉑板代用作陰極電極的構造，該構造與後述的圖15所示的構造相同。
又，圖5(d)為圖5(a)所示的包括助觸媒含有層43的陰極電極3單獨的助觸媒單元(陰極單元)。例如，可形成將陰極電極3安裝於該助觸媒單元的構造，該構造與後述的圖17所示的構造相同。
此處，對作用於與電解液12接觸的貫通孔的楊-拉普拉斯壓力(Young-Laplace pressure)進行說明。
圖6(a)是對楊-拉普拉斯方程式進行說明的圖，且是與貫通孔111中的氣體相及電解液12的氣液界面52的形成機制相關的說明。圖6(b)表示貫通孔111的開口部51為矩形的形狀的情形，圖6(c)表示貫通孔111的開口部51為大致圓形的情形。
楊-拉普拉斯方程式是按照以下的式(1)的方式來定義。
ΔP(=P1-P2)≦-4γcosθ/W=Δp　(1)
於上述式(1)中，Δp表示楊-拉普拉斯壓力，γ表示電解液12的表面張力，θ表示電解液12與貫通孔111(或貫通孔113)的壁面的接觸角，W表示貫通孔111的開口部51的直徑。P1與P2分別為液相側壓力與氣相側壓力。
如圖6(a)所示，以接觸角θ來發生接觸的電解液12朝貫通孔111的深度方向擴散時所需的力為-γcosθ。此處，如圖6(b)所示，於貫通孔111的開口部51為W×W的矩形的形狀的情形時，表面張力施加於與電解液12接觸的面。亦即，此時將電解液12壓入至貫通孔111時所需的力為-4Wγcosθ。將該力除以貫通孔111的面積(W2 )而換算為壓力之後，楊-拉普拉斯方程式如上式(1)所示。
同樣地如圖6(c)所示，於貫通孔111的開口部51為直徑W的圓形狀的情形時，將電解液12朝貫通孔111的深度方向予以壓入時所需的力為-πWγcosθ。將該力除以貫通孔111的面積(π‧W2 /4)而換算為壓力之後，於該情形時，楊-拉普拉斯方程式亦如上式(1)所示。
再者，當如狹縫狀的貫通孔般，一邊L遠比另一邊W更長時(L>>W)，楊-拉普拉斯壓力Δp可藉由與式(1)類似的以下的式(2)來表示。
Δp=-2γcosθ/W　(2)
此處，於將貫通孔設為狹縫狀的情形時，該貫通孔的開口寬度(相當於W)為1000 μm以下，較佳為500 μm以下，更佳為100 μm以下，最佳為50 μm以下。貫通孔的開口寬度只要可使產生的氣體通過，則越小越好。如式(1)所示，若寬度W小，則楊-拉普拉斯壓力有變得更大的傾向，由於楊-拉普拉斯壓力變得更大，因此，對電解液12的侵入進行抑制的力變得更強。
當將以水為主成分的電解液的表面張力設為70[mN/m]，且將電解液12與貫通孔111的內壁面的接觸角設為110°時，相對於假定的開口寬度W的楊-拉普拉斯壓力Δp的大小表示如下。
W=1000 μm時的Δp=96 Pa=0.9 cm-水柱
W=500 μm時的Δp=193 Pa=1.9 cm-水柱
W=100 μm時的Δp=957 Pa=9.6 cm-水柱
W=50 μm時的Δp=1914 Pa=19.2 cm-水柱
於沿著鉛垂方向設置陽極電極2的縱型的氣體生產裝置100的情形時，上述結果表示可擴張的陽極電極2的開口寬度W的極限。另一方面，於沿著水平方向設置陽極電極2的橫型的氣體生產裝置100的情形時，上述結果表示自設置於陰極電極3的上方的陽極電極2的上表面至電解液面為止的限制高度。使貫通孔111的開口寬度W變得更小，藉此，可實現陽極電極2的設計的自由度與操作穩定性的提高。
圖7是對形成有貫通孔111、113的狀況進行觀察時所見的平面圖，該圖7表示貫通孔的孔徑與間距(pitch)的關係。此處，所謂貫通孔的間距，是指相鄰接的孔的中心(重心)彼此的距離。
於本實施形態中，多個貫通孔111、113規則地配置於陽極電極2或陰極電極3。於圖7所揭示的內容中，將貫通孔配置為千鳥格子狀，記載有孔徑的貫通孔、與該貫通孔相鄰接的橫向的貫通孔、及位於傾斜60°的位置的貫通孔之間的間距為相同距離。再者，代替千鳥格子狀，亦可將貫通孔111、113配置為正方格子狀或斜方格子狀。
相鄰接的貫通孔111、113的重心之間的距離較佳為0.1 μm以上且為800 μm以下。由於包括與相鄰接的其他貫通孔之間的距離處於上述範圍的貫通孔111、113，因此，能夠以高產率來將光觸媒反應所產生的氣體(氧氣或氫氣)予以捕獲。
而且，於本實施形態的氣體生產裝置100中，全部的貫通孔111、113與相鄰接的其他貫通孔之間的重心之間的距離較佳為0.1 μm以上且為800 μm以下。藉此，無論陽極電極2或陰極電極3的部位如何，氣體的產率均良好。
相鄰接的貫通孔111、113彼此的重心之間的距離較佳為貫通孔111、113的開口直徑的1.5倍以上且為5倍以下。如下所述，由於產生的電洞及電子的移動距離較佳為儘可能短，因此，若孔間距間隔處於上述範圍，則會效率良好地產生氣體。
又，貫通孔111、113的開口直徑較佳為300 μm以下，更佳為100 μm以下。如上所述，若孔徑小，則可藉由楊-拉普拉斯壓力來更容易地阻止電解液的洩漏，因此，若孔徑處於上述範圍，則可不使電解液通過而選擇性地僅使氣體通過。
因此，藉由滿足全部的上述條件(孔徑、孔間距間隔)，可於觸媒層(光觸媒含有層27、助觸媒含有層43)的表面效率良好地產生氣體，而且產生氣體經由貫通孔111、113而效率良好地移動至背面側。亦即，由於產生氣體不會附著於觸媒層表面且不會抑制後續的氣體產生，因此，可自電解液效率良好地產生所需的氣體，而且產生氣體的分離回收性亦優異。
圖8(a)是對由光觸媒含有層27及助觸媒含有層43、以及各自的貫通孔(第一貫通孔111與第二貫通孔113)的構造所產生的特徵進行說明的模式圖。圖8(b)是圖8(a)的放大圖。
光觸媒含有層27(助觸媒含有層43)為包含多個空孔的多孔質材料，光觸媒(助觸媒)露出至空孔。光觸媒含有層27及助觸媒含有層43實質上僅包含光觸媒及助觸媒。
光觸媒含有層27(助觸媒含有層43)的空孔露出且存在於貫通孔111、113的內壁面。亦即，於陽極電極2及陰極電極3的貫通孔111、113的內壁面，形成有包含光觸媒或助觸媒的多個空孔的開口。
又，露出至貫通孔111、113的內壁面的光觸媒含有層27(助觸媒含有層43)的空孔與其他空孔彼此連通著。換言之，光觸媒含有層27、助觸媒含有層43包含連續氣泡類型(type)的多孔質材料。藉此，於沿著厚度方向含浸於光觸媒含有層27(助觸媒含有層43)的電解液12中產生的氣體，經由空孔而到達接近的貫通孔111、113。由於楊-拉普拉斯壓力以下的電解液12不會侵入至貫通孔111、113，因此，貫通孔111、113的開口附近成為電解液12與氣體的氣液界面。因此，於光觸媒含有層27(助觸媒含有層43)的內部產生的氣體到達貫通孔111、113，藉此，自電解液12脫離且成為氣泡，該氣泡於陽極電極2(陰極電極3)的相反面側被捕獲。
亦即，於圖8(a)、圖8(b)的點(point)X所示的位置，在滲入有電解液12的光觸媒含有層27中，或者在處於與電解液12接觸的狀態的光觸媒含有層27中，藉由光照射而產生光激發反應，從而產生電子與電洞，接著如上述(式101)所示，產生氧分子與質子。氧分子集合之後才會形成氣泡，但於產生初期的階段，分子處於溶解於電解液的狀態。於點X處產生的氧分子藉由擴散而於光觸媒含有層27中及電解液12中漂遊，但不久到達貫通孔111與電解液12所形成的氣液界面52，進入至氣體，從而成為構成氧氣的分子。如此，氧分子作為氧氣而逐步被捕獲。
另一方面，質子於存在電子之後才可變化為氫分子。為了使質子變化為氫分子，除了需要存在電子之外，如上述(式102)所示，亦需要存在助觸媒。因此，質子於光觸媒含有層27中擴散，且溶出至電解液12之後，到達助觸媒含有層43才可成為氫分子。
然而，若光觸媒含有層27中無貫通孔111，則對於形成於光觸媒含有層27中的氧分子而言，藉由與質子相同的擴散所引起的運動而未能夠實現氣泡化的氧分子到達助觸媒含有層43，於此處，該氧分子藉由恢復為水的逆向反應而與質子一併消失。
因此，如本實施形態般，由於貫通孔111所形成的氣液界面52存在於光觸媒含有層27的附近，故而產生的氧分子溶入至電解液12，藉由擴散而到達貫通孔所形成的氣液界面，藉此，可使該氧分子氣體化，或者可於產生的氧分子成為氧氣泡之後進行分離回收。因此，可阻止恢復為水的逆向反應，結果，使氫的捕獲效果提高。
又，藉由形成於助觸媒含有層43的貫通孔113，促進利用氣液界面來對氫進行分離捕獲。藉此，可與氧的分離捕獲的過程(process)同樣地使氫的捕獲效果提高。
較佳為，氣液界面52與氧分子及質子的產生點、或氫分子的產生點的距離近，該氣液界面由形成於光觸媒含有層27及助觸媒含有層43的貫通孔111、113所形成。以下，將該距離稱為界面-反應點距離。該界面-反應點距離是使氣液分離的過程有效所必需的距離。以貫通孔的直徑及間距不同的系統來進行反覆實驗之後，已知界面-反應點距離較佳為400 μm以內。
因此，相鄰接的貫通孔111、113的接近邊緣之間的距離較佳為0.1 μm以上且為400 μm以下。藉此，即便當最遠離貫通孔111、113的位置成為質子的產生點時，即，即便當貫通孔111、113彼此的中間位置成為質子的產生點時，亦可將界面-反應點距離設為400 μm以下。
又，相鄰接的貫通孔111、113的重心之間的距離更佳為100 μm以下。使相鄰接的貫通孔彼此的距離處於上述範圍，藉此，可良好地減小界面-反應點距離。
此處，較佳為對貫通孔111、113的內壁面實施疏水化處理。
同樣地，較佳為陽極電極2或陰極電極3中的設置有氣體收容部21、31的背面側相對於電解液12而言為疏液性。
藉此，電解液12對於貫通孔111、113的侵入受到抑制，貫通孔111、113的內部的大致整體成為氣相，氣液界面52形成於貫通孔111、113的開口附近。因此，於陽極電極2或陰極電極3的內部及表面附近產生的氣體均到達貫通孔111、113，藉此，立即氣體(氣相)化並被捕獲。
較佳為光觸媒含有層27及陰極電極3相對於電解液12而言為親液性。藉此，電解液12與光觸媒含有層27及陰極電極3(助觸媒含有層43)良好地接觸而進行光觸媒反應。
此處，對本實施形態的氣體生產方法(以下，有時稱為本方法)進行說明。
本方法為自含有水的電解液產生氧氣及/或氫氣的方法。
本方法包括液體接觸步驟、照射步驟、以及捕獲步驟。
於液體接觸步驟中，使包括光觸媒含有層27的陽極電極2及陰極電極3與電解液接觸，該光觸媒含有層27含有藉由光觸媒反應而自電解液產生氧氣的光觸媒，上述陰極電極3自光觸媒含有層27中的光觸媒反應所產生的電解液中的氫離子與電子產生氫氣。
於照射步驟中，將光觸媒的激發光照射至光觸媒含有層27。
此外，於捕獲步驟中，經由設置於陽極電極2或陰極電極3的多個貫通孔111、113，來將該陽極電極2所產生的氧氣或陰極電極3所產生的氫氣中的至少一種氣體予以捕獲。
如上所述，光觸媒含有層27為包含使光觸媒露出的多個空孔的多孔質材料，該光觸媒含有層27經由貫通孔111、113來將空孔的內部所產生的氧氣或氫氣予以捕獲。
接著，經由露出至貫通孔111、113的內壁面的其他空孔，自貫通孔來將空孔的內部所產生的氧氣或氫氣予以捕獲。
圖9(a)～圖9(d)是表示相對向地設置有陽極電極2與陰極電極3的對向配置型的氣體生產裝置的基本構成的模式圖。陰極電極3與陽極電極2的光觸媒含有層27彼此相對向地配置著。
圖9(a)是立體圖，圖9(b)是側視剖面圖。這些圖表示自光觸媒含有層27的背面照射光7的情形。光7通過受光窗4、第一氣體收容部21、以及透光性基材28而照射至光觸媒含有層27。
另一方面，圖9(c)、圖9(d)同樣是表示對向配置型的氣體生產裝置的基本構成的圖。這些圖分別為立體圖及側視剖面圖。光7的照射方向與圖9(a)、圖9(b)的情形相反，自助觸媒含有層43的背面照射出光7。
上述陰極電極3由使激發光7透過的材料構成。而且，受光窗4與陰極電極3相對向地配置，透過受光窗4的激發光7進一步透過陰極電極3而照射至光觸媒含有層27。於該情形時，助觸媒含有層43必須為透光性，該助觸媒含有層43的層厚較佳為10 nm以上且為200 nm以下，更佳為30 nm以上且為150 nm以下。又，構成陰極電極3的基材亦較佳為透光性，可使用透光性基材28。
圖9(a)、圖9(b)所示的受光窗4隔著透光性基材28而配置於光觸媒含有層27的相反側。透過受光窗4的激發光進一步透過透光性基材28而照射至光觸媒含有層27。
圖9(a)～圖9(d)所示的對向配置型的氣體生產裝置的優點在於：構造簡單，而且可儘可能地使陽極電極2與陰極電極3之間的距離減小。藉此，質子的移動距離減小，從而氫的捕獲效果提高。
陽極電極2包括對光觸媒含有層27進行支持的基材(透光性基材28)。該透光性基材28由使激發光7透過的材料構成。而且，於圖9(a)、圖9(b)所示的照射步驟中，將透過透光性基材28的激發光7照射至光觸媒含有層27。
陰極電極3由使激發光7透過的材料構成。而且，於圖9(c)、圖9(d)所示的照射步驟中，將透過陰極電極3的激發光7照射至光觸媒含有層27。
圖10(a)、圖10(b)是表示於光觸媒含有層27中產生的質子及電子的移動的說明圖。具體而言，圖10(a)表示由通過陰極電極3與陽極電極2的外部的導線202來將該陰極電極3與陽極電極2予以結合的狀態。可效果良好地將於光觸媒含有層27(氧化鈦層19)中產生的電子8(e- )經由導線202而輸送至陰極電極3。質子34(H+ )於電解液12內移動，接著到達陰極電極3的助觸媒含有層43。以同樣方式產生的氧氣23穿過陽極電極2而被捕獲，氫氣33穿過陰極電極3而被捕獲。
再者，對光觸媒反應的機制進行研究之後，發現不一定需要此種通過外部的導線202。例如，亦可使如圖10(b)所示的多孔質鈦(titanium)206般的導電性及物質輸送性(擴散性)良好的構造的材料介於陽極電極2與陰極電極3之間。藉此，可不對氫氣及氧氣的產生造成影響而將電子輸送至陰極電極3，該電子是藉由光7的照射而由陽極電極2產生的電子。
亦即，陰極電極3包括藉由接收光觸媒的激發光7而產生氫氣的助觸媒含有層43，並且於陽極電極2的光觸媒含有層27與陰極電極3的助觸媒含有層43之間，設置有包含導電性的材料且可使電解液透過的電子移動層(多孔質鈦206)。
＜光觸媒單元＞
圖11(a)、圖11(b)是表示本實施形態的光觸媒單元(陽極單元)1的構成的模式圖。圖11(a)是光觸媒單元1的側視剖面圖，圖11(b)是光觸媒單元1的正面圖。光觸媒單元1是如下的構件，其包括陽極電極2，且藉由與助觸媒單元(陰極單元)一併使用而構成氣體生產裝置100。
如圖11(a)、圖11(b)所示，光觸媒單元1包括藉由通電用金屬框201而固定於光觸媒單元1的陽極電極2、受光窗4、收容氧氣的第一氣體收容部21、氧氣排出管101、惰性氣體供給管102、以及通電用電線202。陽極電極2安裝於電極固持器(holder)120。
陽極電極2包括基材25、及形成於基材25的其中一個面的光觸媒含有層27。又，雖於下文中敍述，但亦可於基材25上形成透明導電膜24。包括光觸媒含有層27的光觸媒承載面20位於陽極電極2中的自受光窗4接收光的面的背面側。形成於與電解液接觸的面的光觸媒含有層27相對於電解液而言為親液性。電解液含有水，光觸媒含有層27較佳為親水性。
於本實施形態中，作為構成陽極電極2的基材25的形狀，可列舉薄片(sheet)狀、基板狀、以及薄膜狀等。
基材25亦可使用透光性基材28，該透光性基材28對於將光觸媒含有層27中所含的觸媒予以激發的激發光而言透明。藉此，光觸媒可發揮氣體產生功能。自受光窗4入射的激發光透過陽極電極2，接著自背面側照射至光觸媒承載面20的光觸媒含有層27，從而發揮光觸媒功能。
亦可使用玻璃等的鹼(alkali)玻璃來作為透光性基材25，但若相對於紫外線必須具有透明性，則較佳為石英板。除了石英之外，亦可使用氟化鎂(magnesium fluoride)或氟化鈣(calcium fluoride)等的陶瓷(ceramics)材料。又，亦可使用塑膠薄膜(plastic film)，但較佳為相對於紫外線亦具有透明性的材料。若為塑膠薄膜，則易於形成多個微細的孔，且可實現氣體生產裝置及產生氣體的低成本化。又，可使用聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate)等的聚酯(polyester)系樹脂薄膜、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚甲基戊烯(polymethylpentene)、環狀聚烯烴共聚物(cyclic polyolefin copolymer)等的聚烯烴樹脂薄膜、甲基丙烯酸(methacrylate)樹脂薄膜、聚碳酸酯(polycarbonate)樹脂薄膜、聚苯乙烯(polystyrene)樹脂薄膜、醋酸纖維素(cellulose acetate)樹脂薄膜、透明性聚醯亞胺(polyimide)樹脂薄膜、透明性氟樹脂薄膜、聚矽氧(silicone)樹脂薄膜、以及一部分的生物降解聚合物(biodegradable polymer)等來作為透明的塑膠薄膜。
再者，於本實施形態中，例示了積層有基材25與光觸媒含有層27的陽極電極2，但本發明不限於此。亦可僅由光觸媒含有層27來構成陽極電極2，基材25的使用為任意。再者，當將本實施形態的氣體生產裝置100搭載於地面或設置台(未圖示)時，亦可將用以載置陽極電極2(光觸媒含有層27)或其他構件的基材(基台)用作底座。
又，基材25較佳為具有導電性，但一般而言，該基材25具有絕緣性。於該情形時，如後述的圖12(c)所示，亦可藉由於基材25與光觸媒含有層27之間形成透明導電膜24，來使基材25的表面具有導電性。
於本實施形態中，根據自受光窗4照射出激發光的例子來進行說明，該受光窗4設置於與光觸媒承載面20的背面相對向的位置。再者，當自光觸媒承載面20側直接照射激發光時，基材25無需對於激發光而言透明。於該情形時，用於陽極電極2的基材25可由金屬基板或石墨板等構成。又，於將網孔(mesh)狀或簾狀的材料用於陽極電極2的情形時，亦可使用金屬製或石墨製的纖維(fiber)等。包含這些材料的基材25具有導電性，因此，無需設置透明導電膜24。
再者，當陽極電極2的基材25對於激發光而言不透明時，較佳為，由相對於激發光而言透明的材料來形成與陽極電極2相對向的陰極電極3，從而可將激發光照射至光觸媒含有層27。
透明導電膜24可由銦錫氧化鐵(ITO)、氧化錫(SnO2 )、以及氧化鋅(ZnO)等形成。該透明導電膜24可藉由真空蒸鍍、化學氣相蒸鍍、離子電鍍(ion plating)、濺鍍(sputtering)、以及溶膠-凝膠塗佈(Sol-Gel coating)等的方法來形成。
光觸媒含有層27中所含的光觸媒可使用選自包含氧化鈦、氧化釩、氧化鎳、氧化鋅、氧化鎵、氧化鋯、氧化鈮、氧化鉬、氧化鉭、氧化鎢、氧化鍺、氧化銦、氧化錫、氧化銻、氧化鉛及氧化鉍等的氧化物、以及這些物質的氮化物、硫化物的群中的至少一種以上的物質，而且可使用上述物質的氮化物或硫化物。又，這些物質中，表現出高光觸媒活性與優異的穩定性的氧化鈦及其衍生物較佳。
又，亦可使用二元化合物等。例如，ArTiO3 、AgNdO3 或AgNbO3 、Ga2 O3 -In2 O3 混合化合物、AgTaO3 、AgNbO3 、AgInZS等的銀系化合物、In2 O3 -ZnO系化合物、或如BiVO4 的化合物等亦較佳。
又，亦可將其他的元素摻雜(doping)至包含上述氧化物、氮化物、以及硫化物的化合物中。作為摻雜的材料，可列舉鉻(chrome)、錳(manganese)、鐵、鈷(cobalt)、鎳、鋅、鎵、鍺、矽、硒(selenium)、鉬、鈀(palladium)、銀、鎘(cadmium)、銦、錫、銻、碲(tellurium)、以及鎢等。
用作光觸媒的氧化鈦一般為銳鈦礦(anatase)型的氧化鈦。然而，氧化鈦對於紫外線有效，但對於可見光卻無光觸媒效果。最近，對於可見光亦可發揮光觸媒功能的觸媒的開發正在進行。作為代表性的可見光型光觸媒，承載有氧化鈰的氧化鈦、或鉭酸鈉複合氧化物、鉍氧化物系、以及摻雜有銠(rhodium)的鍶(strontium)系氧化鈦等的研究已進行，亦可使用這些光觸媒。
作為包含上述光觸媒的光觸媒含有層27的形成方法，可列舉離子電鍍法、化學蒸鍍法、真空蒸鍍法、以及濺鍍法等。
又，當光觸媒溶解於不會腐蝕薄片基板的溶劑時，可較佳地採用旋塗(spin coat)法、網版(screen)印刷法、以及噴霧(spray)法等的形成方法。形成上述光觸媒含有層27之後，這些光觸媒為非晶(amorphous)狀態，因此，光激發所產生的電子、電洞於到達反應表面之前被缺陷或障礙(disorder)所捕捉，無法實現觸媒功能。因此，為了使結晶化進行而進行加熱處理。加熱溫度較佳為200℃～700℃的範圍。又，使用經結晶化的光觸媒，藉由進行用以將所含的作為觸媒分散溶液的樹脂組成物(黏合劑(binder))予以除去的加熱處理，可對無需加熱處理或加熱處理的溫度不足200℃的光觸媒進行處理。
此外，亦可使用澆鑄(casting)法作為光觸媒含有層27的形成方法，該澆鑄法是使分散光觸媒的觸媒分散溶液流入至模具，對該模具進行加熱煅燒或溶劑處理，從而將觸媒分散溶液予以除去。具體而言，將樹脂組成物(黏合劑)用作觸媒分散溶液且對其進行加熱煅燒，藉此，可製造實質上僅包含光觸媒的多孔質材料。使用與貫通孔相對應的部位突出的光觸媒含有層27的反轉模具來作為流入有觸媒分散溶液的模具。助觸媒含有層43的製造亦相同。
光觸媒含有層27的層厚較佳為0.01 μm以上且為100 μm以下，1 μm以上且為10 μm以下的範圍則更佳。為了使光激發所產生的電洞或電子與電解液效果良好地發生反應，必須使光觸媒的微粒子與電解液的接觸面積變大。因此，不僅於表面上而且於膜的深度方向上，距離越長，則與微粒子接觸的機會越多。當層厚過小時，觸媒活性有時會降低，另一方面，當層厚過大時，電極膜有時會剝離，存在電解中斷的可能性。
氧氣排出管101與第一氣體收容部21連通，可將回收至該第一氣體收容部21內的氧氣予以排出。通電用電線202連接於通電用金屬框201，可將光觸媒含有層27所產生的電子經由通電用電線202而供給至陰極電極(於同圖中未圖示)。
圖11(b)是光觸媒電解單元1的正面圖。於圖11(b)中，進行電解的光觸媒承載面20側為正面，激發光所照射的面為背面。如圖11(b)所示，光觸媒單元1包括氧氣排出管101與惰性氣體供給管102，這些管與第一氣體收容部21連通著。將氮氣等的惰性氣體自惰性氣體供給管102供給至氣體收容部21，藉此，亦可促進氧氣的回收。
圖12(a)～圖12(c)是表示包括選擇性地使氧氣通過的多個貫通孔111的陽極電極2的一例的模式圖。再者，於圖12(a)～圖12(c)中，基材25亦可由對於激發光而言透明的材料構成。
圖12(a)是陽極電極2的正面圖，圖12(b)是陽極電極2的側視剖面圖。此外，圖12(c)是將陽極電極2的中心部分予以放大的圖。放大部分為正方形的虛線所包圍的部分。陽極電極2具有依序積層有基材25、透明導電膜24、以及光觸媒含有層27的構造。
陽極電極2安裝於電極固持器120，該電極固持器120為用以將陽極電極2固定於光觸媒單元1的支持件。再者，於圖11(a)、圖11(b)及圖12(a)～圖12(c)以外的圖式中，省略電極固持器120的記載。於陽極電極2上形成有多個貫通孔111。於滿足楊-拉普拉斯方程式的範圍，可自由地設計貫通孔111的形狀。又，陽極電極2本身除了為包括多個貫通孔111的多孔構造之外，亦可為網孔狀的構造或簾狀的構造。亦即，陽極電極2形成有貫通孔即可，該貫通孔不使電解液12通過而選擇性地使產生的氧氣通過至背面側。
圖13是表示形成於陽極電極2的孔加工部的一例的平面圖。於本實施形態中，將貫通孔111的孔徑設為100 μm，將孔的間距間隔(重心之間的距離)設為150 μm。可適當地決定該孔徑及間距間隔，但如上所述，若孔徑小，則可基於楊-拉普拉斯壓力來進一步抑制電解液的洩漏。
作為於基材25上形成貫通孔111的方法，可使用鑽孔(drill)加工、雷射(laser)加工、以及噴砂(sand blast)加工等。再者，可於形成貫通孔111之後形成透明導電膜24及光觸媒含有層27，亦可於將透明導電膜24及光觸媒含有層27形成於基材25之後穿設貫通孔111。
較佳為貫通孔111的內壁面相對於電解液而言為疏液性。而且，較佳亦為陽極電極2的光觸媒承載面20的背面相對於電解液而言為疏液性。藉此，可更有效果地抑制電解液對於貫通孔111內的侵入。較佳為電解液含有水作為主成分，且貫通孔111的內壁面與陽極電極2的背面為疏水性。
作為將貫通孔111的內壁面予以疏水化的方法，除了預先使用疏水性的基板的方法之外，可使用塗佈疏水性的塗佈劑(coating agent)的方法。例如，可使用CYTOP(旭硝子製)等的鐵氟龍(teflon)製樹脂塗佈劑等。又，亦可藉由使用有氟系的氣體的電漿(plasma)處理來實現疏水化。
使陽極電極2的光觸媒含有層27與電解液12接觸，接著使透過受光窗4的光觸媒的激發光進一步透過基材25而照射至光觸媒含有層27，藉此，利用光觸媒含有層27中的光觸媒反應來產生氧氣。再者，於貫通孔111中的與基材25的厚度部分相對應的內壁面未承載有光觸媒，不於該部位產生氧氣。基於楊-拉普拉斯方程式來形成貫通孔111，電解液對於貫通孔111的深度方向上的侵入受到抑制。於貫通孔111的開口部形成有電解液面與氣體相的邊界面即氣液界面。該氣液界面52由於上述楊-拉普拉斯壓力而形成。再者，於貫通孔111的內壁面為疏水性的情形時，可更有效果地抑制電解液對於貫通孔111內的侵入。
＜助觸媒單元(陰極單元)＞
圖14(a)、圖14(b)是助觸媒單元(氫氣產生用電解單元)6的模式圖。圖14(a)是助觸媒單元的側視剖面圖。圖14(b)是助觸媒單元的正面圖。
圖14(a)、圖14(b)所示的助觸媒單元6包括：藉由通電用金屬框201而固定於助觸媒單元6的陰極電極3、受光窗4、收容氫氣的氣體收容部31、氫氣排出管103、以及通電用電線202。而且，陰極電極3包括形成於基材25上的助觸媒含有層43。助觸媒含有層43中所含的助觸媒較佳為選自包含鉑、鎳、釕、氧化鎳及氧化釕的群中至少一種物質。
陰極電極3由透光性基材28(參照圖9(a)～圖9(d))構成，藉此，來自受光窗4的激發光會透過該陰極電極3，自受光窗4觀察，當陽極電極2設置於陰極電極3的背面時，可將激發光照射至光觸媒含有層27。
於使光自陽極電極2側照射至陰極電極3的情形時，助觸媒單元6不一定需要受光窗4，而且陰極電極3亦可相對於激發光而言不透明。於該情形時，陰極電極3可由鉑、鎳等構成。
陰極電極3的基材25具有薄片狀、基板狀、以及薄膜狀等的形狀，且設置有與圖12(c)、圖13所示的貫通孔相同的貫通孔。亦可將如下的基材25用作陰極電極3，該基材25包括網孔狀、簾狀等的隔著貫通孔而離散地配置的多個電極部分。陰極電極3中的貫通孔(第二貫通孔)不使電解液通過，而選擇性地使陰極電極3的與陽極電極2相對向的面所產生的氫氣通過至背面側。
通電用電線202連接於通電用金屬框201。於陰極電極3表面，藉由經由通電用電線202而供給至陰極電極3的電子、與光觸媒反應所產生的電解液中的氫離子來產生氫氣。將助觸媒單元6的通電用電線202與光觸媒單元1(參照圖11(a)、圖11(b))的通電用電線202予以電性連接，藉此，可將光觸媒含有層27所產生的電子供給至陰極電極3，從而連續地產生氣體。如圖14(a)所示，通電用電線202與通電用金屬框201形成電性連接，該通電用電線202可經過惰性氣體供給管102來供給來自陽極電極2的電子。
圖14(b)是助觸媒單元6的正面圖。於圖14(b)中，進行電解的面為正面，激發光所照射的面為背面。如圖14(b)所示，氫氣產生用電解單元6包括氫氣排出管103與惰性氣體供給管102，這些管與第二氣體收容部31連通著。將氮氣等的惰性氣體自惰性氣體供給管102供給至第二氣體收容部31，藉此，亦可促進氧氣的回收。
以下，使用圖式來對使用有上述光觸媒單元及/或上述助觸媒單元的氣體生產裝置的實施形態進行說明。
[第1實施形態]
本實施形態的氣體生產裝置100使用了將陰極電極3配置於圖11(a)、圖11(b)所示的光觸媒單元1的裝置。現更詳細地進行說明，圖15是將圖11(a)、圖11(b)所示的光觸媒單元1安裝於電解液槽10內的氣體生產裝置100的側視剖面圖，圖16是氣體生產裝置100的正面圖。本實施形態的氣體生產裝置100是將具有陽極電極2的光觸媒單元1安裝於電解液槽10內，該電解液槽10具有鉑電極作為固定於支持棒的陰極電極3。
藉由蓋構件11來將電解液槽10予以密閉，使得氫氣不會洩漏。光觸媒單元1的氧氣排出管101及惰性氣體供給管102貫通於蓋構件11，藉此，光觸媒單元1受到固定。惰性氣體供給管102於蓋構件11的上表面設置有通電用電線插入口203。通電用電線202經由通電用電線插入口203而通入至惰性氣體供給管102內。而且，通電用電線202經由支持棒301內而與陰極電極3形成電性連接。
支持棒301貫通於蓋構件11。陰極電極3固定於支持棒301，該陰極電極3與陽極電極2的光觸媒承載面20相對向。於蓋構件11中設置有將惰性氣體供給至電解液槽10內的空間的惰性氣體供給管102與氫氣排出管103。
經由受光窗4，自陽極電極2的光觸媒承載面20的背面側照射觸媒的激發光。於本實施形態中，電解液槽10本身亦由對於激發光而言透明的材料構成。激發光透過電解液槽10及基材25，照射至基材25上的光觸媒含有層27。接著，於與電解液12接觸的光觸媒含有層27的表面產生氧氣與氫離子。氧氣經由陽極電極2的貫通孔而自光觸媒承載面20朝背面側移動並蓄積於氣體收容部21，經由氧氣排出管101來回收該氧氣(參照圖11(a)、圖11(b))。
另一方面，於光觸媒含有層27產生氫離子之後，該氫離子溶入至電解液12，接著到達陰極電極3。又，光觸媒含有層27所產生的電子經由通電用電線202而同樣地到達陰極電極3。於該陰極電極3的表面，由電子與氫離子來產生氫氣。產生的氫氣藉由浮力而脫離陰極電極3，接著經由氫氣排出管103而被回收。
於本實施形態中，電解液12含有水作為主成分，且可使用包含鹽酸、硫酸、硝酸、乙酸、及草酸等的弱酸水溶液；過氧化鈉、過氧化鉀、碳酸鈉、及碳酸鉀等的弱鹼性水溶液；甲醇(methanol)或乙醇(ethanol)、丙醇(propanol)等的醇(alcohol)類的水溶液；以及丙烯酸(acrylic acid)、鄰苯二甲酸(phthalic acid)等的羧酸(carboxylic acid)類等的水溶液。
[第2實施形態]
本實施形態的氣體生產裝置100使用了如下的裝置，該裝置使用圖14(a)、圖14(b)所示的助觸媒單元6且插入有陽極電極2。圖17是將圖14(a)、圖14(b)所示的助觸媒單元6安裝於電解液槽10內的氣體生產裝置100的側視剖面圖。於本實施形態的氣體生產裝置100中，具有陰極電極3的光觸媒單元1安裝於具有陽極電極2的電解液槽10內。
與第1實施形態不同地，於陰極電極3上形成有第二貫通孔，於陽極電極2上未形成有貫通孔。氫氣產生用電解單元6的氫氣排出管103及惰性氣體供給管102貫通於蓋構件11，藉此，氫氣產生用電解單元6受到固定。惰性氣體供給管102於蓋構件11的上表面設置有通電用電線插入口。通電用電線202經由通電用電線插入口而通入至惰性氣體供給管102內。而且，通電用電線202經由支持棒301內而與陽極電極2形成電性連接(未圖示)。
支持棒301貫通於蓋構件11。陽極電極2固定於支持棒301，陽極電極2的光觸媒承載面20配置為與陰極電極3相對向。於蓋構件11中設置有將惰性氣體供給至電解液槽10內的空間的惰性氣體供給管102與氧氣排出管101。
觸媒的激發光透過受光窗4及陰極電極3而照射至陽極電極2的光觸媒含有層27。於本實施形態中，電解液槽10本身亦由對於激發光而言透明的材料構成。於本實施形態中，可由對於激發光而言不透明的材料來構成陽極電極2。而且，於與電解液12接觸的光觸媒含有層27的表面產生氧氣與氫離子。光觸媒含有層27所產生的氧氣藉由浮力而脫離陽極電極2，接著經由氧氣排出管101而被回收。
另一方面，於光觸媒含有層27產生氫離子之後，該氫離子溶入至電解液12，接著到達陰極電極3。又，光觸媒含有層27所產生的電子經由通電用電線202而同樣地到達陰極電極3。於陰極電極3的表面，由電子與氫離子來產生氫氣。產生的氫氣經由陰極電極3的第二貫通孔而自氣體產生面朝背面側移動並蓄積於氣體收容部31，經由氫氣排出管103來回收該氫氣。
[第3實施形態]
使用圖11(a)、圖11(b)所示的光觸媒單元1、與圖14(a)、圖14(b)所示的助觸媒單元6來構成本實施形態的氣體生產裝置100。
圖18是本實施形態的氣體生產裝置的側視剖面圖，圖19是自陰極電極3側所見的正面圖，圖20是俯視圖。
如圖18所示，光觸媒單元1與助觸媒單元6的構成為隔著電極間的間隔件(spacer)61，且平行地設置。由於電極間的間隔件，陽極電極2的光觸媒承載面20與陰極電極3相對向地設置著。藉由陽極電極2與陰極電極3來形成空間(電極間隙部)，該電極間隙部處於充滿著電解液12的狀態。
如圖19的正面圖所示，於氣體生產裝置100的一邊配置有電解液供給細管133與電解液供給管131，可將電解液自外部供給至上述空間。而且，於氣體生產裝置100的另一邊配置有電解液排出細管134與電解液排出管132，可於上述空間(電極間隙部)中，將用於光觸媒反應的電解液12排出至外部。亦即，陽極電極2與陰極電極3所形成的電極間隙部構成電解液流路的一部分。
換言之，氣體生產裝置100更包括：蓄積有電解液12且使陽極電極2及陰極電極3與該電解液12接觸的電解液蓄積部(電極間隙部)、將電解液12供給至該電解液蓄積部的電解液供給管131、以及自電解液蓄積部將用於觸媒反應的電解液12予以排出的電解液排出管132。
經由受光窗4，自陽極電極2的光觸媒承載面20的背面側照射觸媒的激發光。該激發光進一步透過基材25，照射至基材25上的光觸媒含有層27。接著，於與電解液12接觸的光觸媒含有層27的表面產生氧氣與氫離子。氧氣經由陽極電極2的貫通孔而自光觸媒承載面20朝背面側移動並蓄積於第一氣體收容部21，經由氧氣排出管101來回收該氧氣。
另一方面，於光觸媒含有層27產生氫離子之後，該氫離子溶入至電解液12，接著到達陰極電極3。又，如圖20所示，光觸媒含有層27所產生的電子經由通電用電線202而同樣地到達陰極電極3。於陰極電極3的表面，由電子與氫離子來產生氫氣。產生的氫氣經由陰極電極3的第二貫通孔而自氣體產生面朝背面側移動並蓄積於第二氣體收容部31，經由氫氣排出管103來回收該氫氣。
如此，陽極電極2所產生的氧氣、與陰極電極3所產生的氫氣彼此並不混合而分別蓄積於第一氣體收容部21與第二氣體收容部31。藉此，可將陽極電極2與陰極電極3的間隔配置得接近於先前的電極構造所未能夠實現的間隔。
又，如下所述，藉由不依賴於重力的表面張力來使氧氣、氫氣移動，因此，可不在意上下左右的配置而自由地進行電極配置。例如，亦可以上下相向的方式來水平地配置陽極電極2與陰極電極3。
圖21與圖18同樣地連結有兩個電解單元，但光的照射與圖17相反，自陰極電極3側的受光窗4來照射光。於該情形時，陰極電極3對於激發光而言透明，所照射的光照射至陽極電極2的光觸媒含有層27。於該情形時，亦與圖18所示的氣體生產裝置100同樣地，氧氣與氫氣蓄積於各自的氣體收容部之後，藉由各自的氣體排出管而排出至外部。
於圖18所示的氣體生產裝置100中，可由對於激發光而言不透明的構件來構成陰極電極3，於圖21所示的氣體生產裝置100中，可由對於激發光而言不透明的構件來構成陽極電極2。於本實施形態中，根據效果良好地照射激發光的觀點，亦較佳為由對於激發光而言透明的構件來構成陽極電極2及陰極電極3。
[第4實施形態](太陽光對應氣體生產裝置)
本實施形態的氣體生產裝置100為如下的氣體生產裝置100(太陽光對應氣體生產裝置)，將陽極電極2平行地配置於水平地配置的陰極電極3的上方，且以與太陽光等的自上方向照射的激發光大致成直角的方式來設置陽極電極2。本實施形態的氣體生產裝置100包括水平地設置的陽極電極2、以及平行地設置於該陽極電極2的下方的陰極電極3。
圖22是本實施形態的太陽光對應的氣體生產裝置100的俯視圖，圖23是側視剖面圖，圖24是仰視圖。
如圖23所示，於陰極電極3的上方，以與該陰極電極3平行的方式而配置有陽極電極2。陽極電極2的光觸媒承載面20與陰極電極3相對向。如圖22、圖23所示，於陽極電極2的上方配置有受光窗4，從而成為可大面積地將太陽光等接收至陽極電極2的構造。
可將電解液12填充於陽極電極2與陰極電極3之間的空間。電解液12自電解液供給管131供給至電解液槽10，接著經由電解液供給細管133而供給至電極間的空間。然後，用於光觸媒反應的電解液12經由電解液排出細管134而移動至電解液槽10，藉由電解液排出管132來將該電解液12放出至外部。如此，可藉由電解液12的供給與太陽光的照射來持續地產生氫與氧。
於陽極電極2的上方，以圍繞光觸媒承載面20的背面的方式而配置有第一氣體收容部21。於陽極電極2上形成有第一貫通孔111，氧氣經由第一貫通孔111而自光觸媒承載面20朝背面側移動並蓄積於第一氣體收容部21。接著，經由氧氣排出管101來回收上述氧氣。
另一方面，於陰極電極3的下方配置有第二氣體收容部31。於陰極電極3上形成有第二貫通孔，氫氣經由第二貫通孔而自氣體產生面朝背面側移動並蓄積於第二氣體收容部31。接著，經由氫氣排出管103來回收上述氫氣。
再者，可改變斜度來使用上述太陽光對應氣體生產裝置。然而，必須將供給側配置得較高，以使電解液自供給側流向排出側。
可將鉑電極用作陰極電極3，但亦可使用其他碳電極、以及藉由對鉑薄膜進行濺鍍等而形成的薄膜電極。圖24是自下表面對太陽光對應氣體生產裝置進行觀察所見的圖。
[第5實施形態]
圖25所示的第5實施形態是與第4實施形態相反地，將陰極電極3設置於陽極電極2上時的對應於太陽光的氣體生產裝置100的側視剖面圖。本實施形態的氣體生產裝置100包括水平地設置的陰極電極3、以及平行地設置於該陰極電極3的下方的陽極電極2。
太陽光自設置於上方的受光窗4透過陰極電極3而入射至陽極電極2的光觸媒含有層27。陽極電極2的光觸媒含有層27朝上地配置著。處於電解液12填充於相互的電極之間的狀態。
於陰極電極3的上方配置有第二氣體收容部31。於陰極電極3上形成有第二貫通孔，氫氣經由第二貫通孔而自氣體產生面朝背面側移動並蓄積於第二氣體收容部31。接著，經由氫氣排出管103來回收該氫氣。
另一方面，於陽極電極2的下方，以圍繞光觸媒承載面20的背面的方式而配置有第一氣體收容部21。於陽極電極2上形成有第一貫通孔111，氧氣經由第一貫通孔111而自光觸媒承載面20朝背面側移動並蓄積於第一氣體收容部21。接著，經由氧氣排出管101來回收該氧氣。
[第6實施形態](陽極陰極一體型電極)
圖26(a)、圖26(b)是第6實施形態的陽極陰極一體型電極50的立體圖。
於本實施形態的陽極陰極一體型電極50中，陰極電極3與陽極電極2支持於共用的基材25且橫向排列地配置著。
此處，所謂陽極電極2與陰極電極3橫向排列，是指位於平面方向上彼此錯開的位置，兩個電極不一定必須位於完全相同的平面內。
多個陰極電極3與多個陽極電極2彼此相鄰接地配置著。
本實施形態的陰極電極3及陽極電極2分別呈帶狀。於陽極電極2上分別形成有多個第一貫通孔111，且於陰極電極3上分別形成有多個第二貫通孔113。第一貫通孔111與第二貫通孔113規則地配置為千鳥格子狀等。
帶狀的陽極電極2及陰極電極3可如圖26(a)般，逐行地分別具有貫通孔(第一貫通孔111、第二貫通孔113)，或亦可如圖26(b)般，多行地分別具有貫通孔。
又，較佳為第一貫通孔111及第二貫通孔113的內壁面相對於電解液而言為疏水性。而且，包含陽極電極2的光觸媒含有層27及陰極電極3的助觸媒含有層43的受光面的背面較佳為疏水性。藉此，可有效果地抑制電解液經由第一貫通孔111及第二貫通孔113朝背面側的移動。
[第7實施形態](陽極陰極一體型電極)
本實施形態的陽極陰極一體型電極50如圖27的概略俯視圖所示，光觸媒含有層27沿著第一貫通孔111的周緣部而形成為環狀。形成為環狀的光觸媒含有層27的寬度為1 μm以上。
亦即，本實施形態的光觸媒含有層27(光觸媒承載面20)呈環狀地設置於第一貫通孔111的開口部的周緣部。又，助觸媒含有層43呈環狀地設置於第二貫通孔113的開口部的周緣部。
又，助觸媒含有層43沿著第二貫通孔113的周緣部而形成於環狀。形成於環狀的助觸媒含有層43的寬度為1 μm以上。然而，光觸媒含有層27與助觸媒含有層43於基材25的厚度範圍內，並未形成於貫通孔111、113的內壁。光觸媒含有層27的寬度為1 μm以上，助觸媒含有層43的寬度為1 μm以上，因此，氣體產生性優異。
亦即，藉由環狀的光觸媒含有層27來構成陽極電極2，藉由環狀的助觸媒含有層43來構成陰極電極3。而且，陰極電極3與陽極電極2經由電氣絕緣性的材料(基材25)而橫向排列且相鄰接地設置，陰極電極3與陽極電極2的鄰接間隔為0.01 μm以上。
參照圖28來對光觸媒含有層27及助觸媒含有層43中的氣體產生、及產生氣體的收集方法進行說明。首先，對光觸媒含有層27中的氧氣的產生及收集方法進行說明。再者，圖28是圖27中所示的虛線處的剖面圖。
光觸媒含有層27接收自受光窗4照射的激發光之後，於與電解液12(此處，將水表示為H2 O)接觸的光觸媒含有層27上，藉由光激發來產生電子e- 與電洞h+ 。
兩個電洞h+ 將H2 O予以氧化，產生兩個H+ (質子)與二分之一個O2 (氧分子)(已作為背景技術加以說明的式101)。該O2 保持氣體狀態而立即通過第一貫通孔111並朝背面側移動。由於上述楊-拉普拉斯壓力而形成氣液界面52，水不會侵入至第一貫通孔111內部(參照上式(2))。
另一方面，光觸媒含有層27所產生的兩個H+ 於水中擴散，該兩個H+ 與兩個電子e- 於助觸媒含有層43上發生反應，從而產生一個H2 (氫分子)(【先前技術】中的式102)。該H2 保持氣體狀態而立即通過第二貫通孔113並朝背面側移動。由於上述楊-拉普拉斯壓力而形成氣液界面52，水不會侵入至第二貫通孔113內部(參照上式(2))。
使氧通過的第一貫通孔111與使氫通過的第二貫通孔113於空間上隔開，氧與氫恢復為水的逆反應的概率非常小。於產生氫的助觸媒上會發生氫與氧因逆反應而恢復為水的情況，因此，以助觸媒上不存在氧為條件，藉此，可抑制恢復為水的逆反應。
於本實施形態的陽極陰極一體型電極50中，光觸媒含有層27設置於第一貫通孔111的開口部的周緣部，助觸媒含有層43設置於第二貫通孔113的開口部的周緣部。因此，對於本實施形態的氣體生產裝置而言，氧氣及氫氣的生產效果提高，並且這些氣體的分離性優異。
於本實施形態中，於第一貫通孔111的內壁未承載有光觸媒，內壁不產生氧氣。而且，由於第一貫通孔111的內壁為疏水性，因此，電解液14無法侵入，從而於第一貫通孔111的開口部形成電解液12面與氣體相的面即氣液界面52。該氣液界面52的形成機制為依據上述楊-拉普拉斯壓力的機制。
因此，光觸媒含有層27所產生的氧分子溶入至電解液12，藉由擴散而到達氣液界面52，或成長為氣泡，同時與氣液界面52接觸，接著藉由消泡現象而被第一貫通孔111內部的氣體相吸收。結果持續地產生如下的現象，即，於產生氧氣的同時，該氧氣被吸入至第一貫通孔111，接著朝背面側移動。氣體生產裝置100所產生的氧氣自設置於該氣體生產裝置100的背面的第1氣體收容部經由氧氣排出管101而被送出。如此，可經由氧氣排出管101(參照後述的圖30(a)及圖30(b))來回收氧氣。
接著，對助觸媒含有層43中的氫氣的產生及收集方法進行說明。
光觸媒含有層27接收來自受光窗4的激發光之後，該光觸媒含有層27藉由光觸媒反應來產生H+ 與電子e- 。接著，於助觸媒含有層43中，由電解液中的H+ 與電子e- 來產生氫氣。於本實施形態中，於第二貫通孔113的內壁並未承載有助觸媒，內壁不產生氫氣。而且，由於第二貫通孔113的內壁為疏水性，因此，電解液12無法侵入，於貫通孔的開口部形成電解液14面與氣體相的面即氣液界面52(參照圖28)。該氣液界面52的形成機制為依據上述楊-拉普拉斯壓力的機制。
因此，助觸媒含有層43所產生的氫氣成長為氣泡，同時與氣液界面52接觸，接著藉由消泡現象而被第二貫通孔113內部的氣體相吸收。結果持續地產生如下的現象，即，於產生氫氣的同時，該氫氣被吸入至第二貫通孔113，接著朝背面側移動。如此，可自設置於氣體生產裝置100的背面的第2氣體收容部，經由氫氣排出管103(參照圖30(b))而將該氣體生產裝置100所產生的氫氣予以回收。
[第8實施形態](陽極陰極一體型電極)
參照圖29來對本實施形態的氣體生產裝置進行說明。再者，於本實施形態中，省略了將氣體生產裝置安裝於光觸媒單元的例子，但可用於本說明書所揭示的任一個光觸媒單元。
本實施形態的氣體生產裝置100如圖29的概略俯視圖所示，於包含光觸媒含有層27的區域中開口形成有多個第一貫通孔111。另一方面，助觸媒含有層43沿著第二貫通孔113的周緣部而形成為環狀。助觸媒含有層43可積層於光觸媒含有層27上，根據對氧與氫發生反應而恢復為水的逆反應進行抑制的觀點，亦可僅助觸媒含有層43沿著第二貫通孔113的周緣部而形成為環狀。
再者，光觸媒含有層27與助觸媒含有層43並未形成於貫通孔的內壁，內壁不產生氧氣及氫氣。而且，由於第二貫通孔113的內壁為疏水性，因此，可對電解液14的侵入進行抑制。
[第9實施形態](包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置)
圖30(a)、圖30(b)是表示本實施形態的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100的構成的模式圖，圖30(a)是包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100的側視剖面圖。圖30(b)是自進行電解的面側(接收光的面側)所見的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100的正面圖。
圖30(a)及圖30(b)所示的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100包括：與包括觸媒含有層81(光觸媒含有層27及助觸媒含有層43)的氣體生產裝置100的光觸媒承載面20相對向地設置的受光窗4、設置於氣體生產裝置100的光觸媒承載面20的背面側的第一氣體收容部、以及設置於氣體生產裝置100的光觸媒承載面20的背面側的第二氣體收容部。於本實施形態中，包括圍繞光觸媒承載面20的電解液槽10。
亦即，本實施形態的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100包括受光窗4，該受光窗4使光觸媒的激發光透過，並且將該激發光照射至光觸媒含有層27。而且，受光窗4配置於與光觸媒含有層27及助觸媒含有層43均相對向的位置，透過受光窗4的激發光照射至光觸媒含有層27及助觸媒含有層43。
又，亦可針對受光窗4而另外設置照射出光觸媒含有層27中所含的光觸媒的激發光的照射光源。可使用高壓水銀燈或氙燈(xenon lamp)等作為照射光源。可使用波長為250 nm以上的光作為光觸媒的激發光。
氣體生產裝置100於基材25的其中一個面設置有觸媒層。氣體生產裝置100安裝於電極固持器120，且固定於光觸媒單元1。受光窗4由可使激發光透過的材料構成，具體而言，可使用玻璃等的無機材料、聚醯亞胺樹脂、丙烯酸樹脂、聚乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚烯烴樹脂、以及環氧(epoxy)樹脂等的高分子材料等。
於本實施形態中，表示了由受光窗4來構成電解液收容部12的側壁的一部分的例子，但亦可於受光窗4與氣體生產裝置100之間，另外設置可使激發光透過且構成電解液槽10的側壁的間隔壁。
光觸媒單元1包括底壁26，且構成圍繞氣體生產裝置100的光觸媒承載面20的背面側的氣體收容部41。氣體收容部30由間隔壁所劃分，且設置有第一氣體收容部21(未圖示)與第二氣體收容部31(未圖示)。
電解液供給管131及電解液排出管132連接於電解液槽10，可藉由未圖示的循環泵(pump)等來使電解液循環。於圖30(a)中，於電解液槽10中填充有電解液12。
圖31以透視圖來立體地表示圖30(a)、圖30(b)所示的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100的內部構造。經由受光窗4而侵入的光7照射至圖29所示的陽極陰極一體型電極，將氧氣與氫氣收集至背後的氣體收容部30。圖30(a)、圖30(b)表示氣體收容部30交替地並排配置有第一氣體收容部21與第二氣體收容部31的情形。氧氣、氫氣收容至各個收容部，可利用氧氣排出管101與氫氣排出管103來將上述氧氣與氫氣排出至外部。
於本實施形態中，電解液12含有水作為主成分，且可使用包含鹽酸、硫酸、硝酸、乙酸、及草酸等的弱酸水溶液；過氧化鈉、過氧化鉀、碳酸鈉、及碳酸鉀等的弱鹼性水溶液；甲醇或乙醇、丙醇等的醇類的水溶液；以及丙烯酸、鄰苯二甲酸等的羧酸類等的水溶液。
第一氣體收容部與氣體生產裝置100的第一貫通孔連通。光觸媒含有層27所產生的氧氣經由第一貫通孔而移動並收容於第一氣體收容部。氧氣排出管101連接於第一氣體收容部，可經由氧氣排出管101來回收氧氣。
第二氣體收容部與氣體生產裝置100的第二貫通孔連通。助觸媒含有層43所產生的氫氣經由第二貫通孔而移動並收容於第二氣體收容部。氫氣排出管103連接於第二氣體收容部，可經由氫氣排出管103來回收氫氣。
於本實施形態中，設置有氧氣排出管101與氫氣排出管103，但亦可併用上述排出管。又，可根據需要而將氮氣或氬氣等的惰性氣體(inert gas)自氧氣排出管101及氫氣排出管103導入，從而可容易地排出產生氣體。
於本實施形態中，與陽極電極2及陰極電極3的光觸媒承載面20(光觸媒含有層27、助觸媒含有層43)相對向地設置受光窗4，但本發明不限於此。亦可由激發光7的透射性材料來構成安裝有陽極電極2及陰極電極3的基材5，且自陽極電極2及陰極電極3的背面照射激發光7。
亦即，亦可由使激發光7透過的材料來分別構成陽極電極2及陰極電極3，且將使激發光7透過並且使該激發光7照射至光觸媒含有層27的受光窗4，與陽極電極2及陰極電極3相對向地配置於光觸媒承載面20的相反側。而且，亦可使透過受光窗4的激發光7進一步透過陽極電極2及陰極電極3而照射至光觸媒含有層27及助觸媒含有層43。
[第10實施形態](包括陽極陰極一體型電極的太陽光對應氣體生產裝置)
本實施形態的氣體生產裝置100如圖32(a)的光觸媒單元1的概略俯視圖所示，於包含光觸媒含有層27的區域開口形成有多個第一貫通孔111，於包含助觸媒含有層43的區域開口形成有多個第二貫通孔113。圖32(b)表示了表示第一貫通孔111及第二貫通孔113的位置關係的光觸媒單元1的短邊側的側視剖面圖，圖32(c)表示長邊側的側視剖面圖。
如圖32(a)～圖32(c)所示，於氣體生產裝置100的背面側設置有氧氣排出管101與氫氣排出管103。而且，於設置於氣體生產裝置100的光觸媒承載面20側的電解液收容部12中設置有電解液供給管131、電解液排出管132。
如圖32(b)、圖32(c)所示，氣體生產裝置100固定於由光照射側的透明玻璃板(受光窗)71、側壁板72、以及底板73所包圍且受到支持的光觸媒單元框體內部。於氣體生產裝置100的背面側設置有第一氣體收容部21與第二氣體收容部31。圖32(b)所示的第一氣體收容部21連通，經由第一貫通孔111而收容於第一氣體收容部21內的氧氣通過氧氣排出管101排出至外部。同樣地，第二氣體收容部31連通，經由第二貫通孔113而收容於第二氣體收容部31內的氫氣通過氫氣排出管103排出至外部。
電解液自電解液供給管131供給至電解液槽12內，接著通過氣體生產裝置100與玻璃板71之間，自電解液排出管132排出。
圖32(d)的光觸媒單元與圖32(c)不同，電解液供給管131與電解液排出管132連接於循環泵，從而可使電解液收容部12內的電解液循環。
首先，將新的電解液保管於未圖示的蓄積槽，通過打開的保給水閥門(valve)137，藉由電解液泵135來將上述電解液輸送至電解液過濾(filter)槽136，將異物等予以除去。
接著，若電解液過濾槽136的液面達到固定值為止，則藉由該壓力來將上述電解液經由電解液供給管131而輸送至電解液收容部12內部。於氣體生產裝置100上完成了反應的電解液被朝電解液排出管132輸送並返回至泵135。空的電解液過濾槽136的液面達到固定值之後，再次重複上述週期(cycle)。
電解液被消耗之後，通過閥門137來排出電解液，接著再次供給新的電解液。
再者，於圖32(b)、圖32(c)、以及圖32(d)中，氧氣排出管101及氫氣排出管103的連接位置不同，但可根據裝置的構成來適當地變更上述連接位置。
[第11實施形態]
本實施形態的氣體生產裝置100與第10實施形態的氣體生產裝置100相比較，僅第一氣體收容部21及第二氣體收容部31的配置不同，因此，僅對不同點進行說明。
圖33(a)是對於本實施形態的光觸媒單元1而言，以與氣體生產裝置100的面平行的方式來將氣體生產裝置100予以切斷時的概略俯視圖，且其表示氫氣與氧氣的流路的位置關係。圖33(b)是表示第一貫通孔111及第二貫通孔113的位置關係的光觸媒單元1的短邊側的側視剖面圖。圖34是表示氫氣與氧氣的流路的位置關係的圖33(a)、圖33(b)所示的氣體生產裝置100的透視俯視圖。
於氣體生產裝置100的背面側，第一氣體收容部21呈梳齒狀地設置於第一貫通孔111的下方，第二氣體收容部31呈梳齒狀地設置於第二貫通孔113的下方。第一氣體收容部21與第二氣體收容部31彼此交織地配置著。第一氣體收容部21與全部的第一貫通孔111連通。第一氣體收容部21連接於氧氣排出管101，從而可回收氧氣。第二氣體收容部31與全部的第二貫通孔113連通。第二氣體收容部31連接於氫氣排出管103，從而可回收氫氣。
<包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置的製造方法>
接著，對包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100的製作方法進行說明。
首先，於基材5上設置貫通孔。加工方法可使用如下的方法，該方法可於基材的一個面上週期性地形成均一的孔形狀。例如較佳以利用旋轉鑽孔的切削或蝕刻(etching)法等來形成上述孔形狀。
貫通孔的開口部的形狀並無特別規定，但為了使電子、質子自周圍的孔起，無論自何方向均可等向性地彼此移動，貫通孔的開口部的形狀較佳為圓形。較佳為，該貫通孔的開口部的直徑為300 μm以下，開口部的間距間隔為直徑的1.5倍以上且為5倍以下。
對於助觸媒的要求是於該助觸媒的表面，質子與電子效果良好地結合而產生氫，且不易引起恢復為水的逆反應。
陰極電極3所具有的助觸媒含有層43中所含的助觸媒較佳為選自包含鉑、鎳、釕、氧化鎳及氧化釕的群中的至少一種物質。包含這些助觸媒的助觸媒含有層43較佳為以1 μm以上的寬度而形成於第二貫通孔113的周圍。
對於助觸媒含有層43的形成方法而言，例如將正(positive)型光阻劑(photoresist)塗佈於薄片的整個面，使設置有直徑比孔直徑大1 μm以上的圓形開口的光罩(photo mask)與助觸媒電極的位置相一致並加以固定。接著，以使光阻劑感光的波長的光來進行曝光，藉此，僅第二貫通孔113周圍的光阻劑變得可溶，於顯影時將該光阻劑予以除去。
接著，與光觸媒含有層27同樣地，以離子電鍍法、化學蒸鍍法、真空蒸鍍法、濺鍍法、旋塗法、網版印刷法、噴霧法、以及澆鑄法等來使助觸媒含有層43成膜，將最後殘留的光阻劑與附著於光阻劑部分的助觸媒一併予以剝離，藉此，可選擇性地將助觸媒含有層43予以圖案化(patterning)。
又，即便使用濺鍍膜用的光罩來進行濺鍍，亦可實現同樣的圖案化。該助觸媒含有層43的膜厚較佳處於20 nm～200 nm的範圍，使得於實現圖案化時，該助觸媒含有層43不會因光阻劑剝離時的應力而被剝離。又，亦可自外部將電壓施加至光觸媒含有層27與助觸媒含有層43之間以促進電解。
接著，對貫通孔的內壁與基材25背面的疏水化的方法進行敍述。
作為用以對固體表面的分散性或潤濕性、接著性、以及吸附性等的界面化學性質進行控制的代表性的表面修飾方法，可列舉(1)偶合劑(coupling agent)修飾法、(2)高分子的接枝(graft)共聚法、(3)膠囊(capsule)化法、以及(4)溶膠-凝膠法等。
於偶合劑修飾法中，矽烷(silane)系或鈦系偶合劑被廣泛使用，這些偶合劑的分子的末端與固體表面的羥基發生化學反應，藉此，形成另一端朝向表面側的配向單分子膜，利用該性質，可根據目的來將各種官能基導入至固體表面。尤其，六甲基二矽氮烷(Hexamethyldisilazane，HMDS)可較佳地將樹脂表面予以疏水化。
高分子的接枝修飾法是藉由固體表面的官能基與單體(monomer)的化學反應來使高分子於固體表面成長的方法。有時亦利用由偶合劑所導入的官能基來對高分子進行接枝，或利用電解聚合反應或機械化學(mechanochemical)反應、放射線、以及電漿來引發聚合反應。
膠囊化法是以高分子膜來包覆固體粒子的方法，一般而言，與接枝聚合化法相比較，該膠囊化法的特徵在於形成更厚的膜，且無需於膜與固體表面之間形成化學鍵結。
於溶膠-凝膠法中，以烷氧化物(alkoxide)為原料，藉由無機玻璃來包覆固體表面。
[第12實施形態](山脊型氣體生產裝置)
圖35(a)、圖35(b)是本實施形態的氣體生產裝置100的側視圖。圖36(a)、圖36(b)是該氣體生產裝置100的平面圖。
光觸媒含有層(陽極電極2)或助觸媒含有層(陰極電極3)中的至少一個層相對於基材而傾斜地配置著。
而且，光觸媒含有層(陽極電極2)或助觸媒含有層(陰極電極3)包括自基材突出的凸面部。
本實施形態的氣體生產裝置100呈立體配置型(山脊型)，即，交替地配置陽極電極2及陰極電極3，並且各個電極彼此產生角度，且陽極電極2與陰極電極3配置為於相向的位置處摺疊。
又，於本實施形態的氣體生產裝置100中，氣體收容部21、31設置於各個電極。藉此，可有效果地將經由受光窗4而入射的光7予以捕捉，並且可效果良好地對產生的氧與氫進行分離回收。
圖35(a)、圖35(b)是自側面對本實施形態的氣體生產裝置100的剖面構造進行觀察所見的圖，圖36(a)、圖36(b)為了表示陽極電極2及陰極電極3的配置，僅表示了電極部分的上表面的配置。又，圖35(b)及圖36(b)是將各圖(a)的虛線所包圍的部分予以放大來進行圖示的圖。
陽極電極2及陰極電極3以分別包圍氣體收容部21、31的方式而形成山脊，於各個電極上配置有電解液12。於陽極電極2及陰極電極3上分別形成有貫通孔111、113。對貫通孔111、113的內壁實施斥水化(疏液化)處理，電解液不會滲入並洩漏至貫通孔111、113。可自陽極電極2起，將氧氣經由貫通孔111並通過氣體收容部21而予以抽出。另一方面，可自陰極電極3起，將氫氣經由貫通孔113並通過氣體收容部31而予以抽出。
陽極電極2是以兩個為一組而形成一個山脊。陽極電極2與相鄰接的同樣以兩個為一組而形成一個山脊的陰極電極3傾斜地配置著。陽極電極2與陰極電極3相對向。圖35(b)表示該情況。陽極電極2與陰極電極3隔著電解液12而傾斜且相對向。此於兩個意義上有助於促進氧及氫的產生。第一個意義是陽極電極2與陰極電極3的距離變近，藉此，可使陰極電極3所產生的質子的移動距離減小。因此，質子的捕獲效果提高。第二個意義是對入射而來的光進行反射，藉此來將該光照射至相對向的電極，接著進行反射，由此，可有效地利用入射光。圖37表示對上述光進行反射的情況。如上所述的構造尤其對於聚光類型的情形有效，可最大限度地有效利用入射光。又，於聚光型的情形時，存在電極被加熱的問題，但由於總是浸泡於電解液中，因此，亦有易於抑制溫度上升的特徵。
亦即，陰極電極3包括藉由接收激發光7而產生氫氣的助觸媒含有層43。而且，於本方法的照射步驟中，將陽極電極2或陰極電極3所反射的激發光7照射至其他陽極電極2的光觸媒含有層27或陰極電極3的助觸媒含有層43。
圖38所示的構成為電解液位於下方，且於上側捕獲產生的氧或氫氣。於該情形時，陽極電極2與陰極電極3亦為採用傾斜的配置且相對向的構成。然而，雖未圖示，但由於陽極電極2所具有的光觸媒含有層及陰極電極所具有的助觸媒層分別朝下，故而光必須通過基材而照射至光觸媒含有層，因此，重要條件在於至少構成陰極電極3的基材為透光性。
陽極電極2的光觸媒含有層的面、與陰極電極3的具有助觸媒含有層的面所成的角度，較佳以大於0°且不足180°的角度來配置。當兩者所成的角度為0°時，意味著以彼此平行地相向的形態來配置陽極電極2與陰極電極3。同樣地，當兩者所成的角度為180°時，意味著陽極電極2與陰極電極3構成平面。再者，於本實施形態中，陽極電極2的光觸媒含有層與陰極電極3的助觸媒含有層所成的更佳的角度為大於20°且不足90°。
[第13實施形態](弓(arch)型氣體生產裝置)圖39是本實施形態的氣體生產裝置100的側視圖。圖40是該氣體生產裝置100的平面圖。
本實施形態的光觸媒含有層(陽極電極2)與助觸媒含有層(陰極電極3)包括自基材突出的凸面部，且呈立體配置型(弓型)。
上述凸面部呈包括彼此相對向的一對立面的箱狀。而且，氣體收容部21、31形成於該凸面部的內部。
本實施形態的弓型氣體生產裝置100是陽極電極2及陰極電極3分別具有弓形狀，且可謂為圖35(a)、圖35(b)至圖38所示的山脊型氣體生產裝置的構成的變形的氣體生產裝置。本實施形態的構造更緻密。如圖39所示，包括貫通孔111的陽極電極2具有一片已打開的矩形的構造。打開的一片與氣體收容部21連通，且於矩形中構成氣體收容部21的一部分。電解液12配置於具有弓形狀的陽極電極2的上部。已對貫通孔111的內壁面實施有疏水化處理。因此，位於上部的電解液12不會洩漏至氣體收容部21。又，陰極電極3亦同樣具有弓形狀，且具有與陽極電極2相同的箱狀構造。圖40是自上方對陽極電極2及陰極電極3的配置進行觀察所見的圖。
陽極電極2及陰極電極3具有彼此相鄰接的箱狀(矩形)構造，因此，存在相對向的面與朝向相同方向的面。然而，藉由使弓形狀的高度方向的高度變高，可使相對向的面變大，且陽極-陰極之間的距離相對地變短。因此，本實施形態的弓型氣體生產裝置100有如下的大優點，即，可使陽極電極2所產生的質子的移動距離變短。
此外，本實施形態的弓型氣體生產裝置100對於光的封閉效果優異。入射至各個電極所構成的弓形的垛口的光被弓形側面反射，接著再次照射至相對向的面。陰極電極3所具有的助觸媒含有層43無需吸收光而僅對光進行反射即可，因此，可使反射光再次照射至陽極電極所具有的光觸媒含有層27(於圖39中未圖示)。又，於構成陽極電極2的基材(未圖示)為透光性的情形時，光同樣亦可自背側通過電解液12而入射至存在於背側的陽極電極2的光觸媒含有層27，從而可有效地利用光。
圖41的構成為電解液位於下方，且於上側捕獲產生的氧或氫氣。
[第14實施形態](狹縫(slit)型氣體生產裝置)
圖42(a)～圖42(c)的各圖是本實施形態的氣體生產裝置100的說明圖。本實施形態的氣體生產裝置100為狹縫型氣體生產裝置，於陽極電極2上形成有縱向比橫向更長的貫通狹縫115，該貫通狹縫115具有氣液分離功能。
亦即，本實施形態的設置於陰極電極3或陽極電極2的貫通孔(貫通狹縫115、117)為狹縫形狀。
陰極電極3及陽極電極2均包括狹縫形狀的貫通孔(貫通狹縫117、115)。而且，以陰極電極3與陽極電極2相對向地配置的狀態，狹縫形狀的貫通孔彼此錯開。
本實施形態的狹縫型氣體生產裝置100藉由貫通狹縫115、117來更有效果地將光觸媒功能所產生的氣體(氧)予以捕獲。如圖42(b)所示，光7經由氣體收集部21而入射至具有透光性基材28的陽極電極2。藉此，藉由自光觸媒含有層27的背面入射的光7來於電解液12中產生氧與質子。產生的氧經由第一貫通狹縫115而回收至氣體收集部21。另一方面，產生的質子於電解液12中遊動並到達助觸媒含有層43，成為氫氣之後，接著經由形成於基材29的第二貫通狹縫117而被氣體收容部31捕獲。圖42(a)是圖42(b)的左側面，且表示自光觸媒含有層27側所見的光照射面。又，圖42(c)是圖42(b)的右側面，且表示自助觸媒含有層43側所見的光照射背面。
亦即，本實施形態的陰極電極3包括藉由接收激發光7而產生氫氣的助觸媒含有層43。而且，於本方法的照射步驟中，將通過設置於陽極電極2或陰極電極3的貫通孔(貫通狹縫115、117)的激發光7照射至其他陰極電極3的助觸媒含有層43或陽極電極2的光觸媒含有層27。
藉此，光7的一部分照射至光觸媒含有層27，其他部分通過貫通狹縫115而被助觸媒含有層43反射，再次照射至光觸媒含有層27的與電解液接觸的面。如此，光7被有效利用。
圖43(a)、圖43(b)是圖42(a)～圖42(c)所示的氣體生產裝置的立體圖。圖43(a)保持了圖42(a)～圖42(c)所示的構造，自陽極電極2(光觸媒含有層27)側照射光7。另一方面，圖43(b)相反地自陰極電極3(助觸媒含有層43)側照射上述光7。於同圖的情形時，穿過貫通狹縫117的光照射至光觸媒含有層27，藉此來發揮產生氧與氫的光觸媒功能。
亦即，本實施形態的氣體生產裝置100在與設置於陰極電極3的貫通孔(貫通狹縫117)相對向的位置，形成有陽極電極2的光觸媒含有層27。陰極電極3包括藉由接收光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層43。而且，在與設置於陽極電極2的貫通孔(貫通狹縫115)相對向的位置，形成有陰極電極3的助觸媒含有層43。
[第15實施形態](可撓(flexible)型氣體生產裝置)
圖44是本實施形態的氣體生產裝置100的側視圖。本實施形態的氣體生產裝置100是形成為圓弧狀且具有可撓性的可撓型氣體生產裝置。
可撓型氣體生產裝置100包括電極對，該電極對由隔開規定的間隔而彼此平行地配置的陰極電極3及陽極電極2所構成。而且，該電極對具有可朝與面垂直的方向彎曲或撓曲的可撓性。
可撓型氣體生產裝置100的陽極電極2配置於圓弧的外周側，陰極電極3配置於內周側。原因在於：將氧放出至外周側，使應捕獲的氫集中於內周側，於內周側設置有用以捕獲氫的氣體收容部31。然而，當使外周側具有捕獲氫的功能時，亦可將陽極電極2配置於圓弧的內周側，將陰極電極3配置於外周側。
圖45是將圖44所示的氣體生產裝置的虛線所包圍的一部分予以放大的圖。陽極電極2為如下的構造：該陽極電極2由透光性基材28與光觸媒含有層27形成，對由助觸媒含有層43與不透光性基材29形成的陰極電極3所夾著的電解液即水進行光分解而產生氧與氫。產生的氧經由第一貫通孔111而放出至外部，但同樣產生的氫通過第二貫通孔113而被氣體收容部31捕獲。
圖46是表示本實施形態的可撓型氣體生產裝置100的使用狀態的圖。圖47是本實施形態的可撓型氣體生產裝置100的立體圖。於圖46中表示如下的情況，即，將氣體生產裝置100配置於室外，以利用太陽光來產生氫氣。以儘可能垂直地被照射著太陽光的方式，傾斜地配置可撓型氣體生產裝置100。該裝置包括電解液的蓄水槽138、將水送出的循環泵135、以及用以使水維持潔淨度的過濾槽136。
本實施形態的氣體生產裝置可利用於燃料電池、或成為燃料電池的原料的氫的製造裝置等。
以上，參照圖式來對本發明的實施形態進行了敍述，但上述為本發明的例示，亦可採用上述以外的各種構成。
例如，本實施形態的氣體生產裝置不僅可配置並使用陽極電極2與陰極電極3的一組電極對，而且亦可並聯地配置並使用多組電極對。而且，若陽極電極2、陰極電極3均對於照射光而言透明，則亦可串聯地配置並使用該陽極電極2、陰極電極3。
又，於本實施形態中，亦可另外設置照射激發光的光源。亦即，氣體生產裝置100亦可更包括照射激發光的光源。
又，於本實施形態中，表示了如下的例子，即，平行地配置相同尺寸的陽極電極2與陰極電極3，且光觸媒承載面20與陰極電極3的氣體產生面相對向，但可將陽極電極2及陰極電極3的尺寸予以變更，且設置多個陰極電極3，亦可與陽極電極2垂直地配置多個陰極電極3。再者，於該情形時，不於陰極電極3形成第二貫通孔。
本實施形態的氣體生產裝置對氧氣與氫氣進行分離回收，但亦可構成為回收混成氣體。又，本實施形態的氣體生產裝置回收氧氣與氫氣中的任一種氣體，但亦可構成為僅回收其中一種產生氣體。
(產生氣體的定量方法)
以第9實施形態所示的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置100(參照圖30(a)、圖30(b)及圖31)為例，可以如下的方式來對產生的氣體的產生量進行測定。再者，使用如圖48所示的簡易地構成的氣體生產裝置來進行說明。
如圖48所示，氣體生產裝置設置有氣體收集單元(氣相側氣袋(gas bag)307、液相側氣袋308)與光源310。較佳採用高壓水銀燈或氙燈作為光源310。氣相側氣袋307、液相側氣袋308只要為將氧、氫等的無機氣體予以阻斷的氣體阻障(barrier)性高的材質即可，但較佳採用鋁袋。
光觸媒單元兼具有對本實施形態的氣體生產裝置100進行固定、支持及收集氧氣與氫氣的功能，將該光觸媒單元浸泡於放入有電解液12的燒杯(beaker)309中，氣體生產裝置100的光觸媒承載面20的表面與電解液12接觸。
於基材25上設置有貫通孔(第一貫通孔111、第二貫通孔113)。第一貫通孔111、第二貫通孔113藉由上述拉普拉斯壓力來抑制電解液12朝基材25背面側的侵入。氣體生產裝置100的觸媒含有層81接收來自光源310的激發光而產生的氧氣、氫氣的大部分，經由第一貫通孔111、第二貫通孔113而聚集至背面側的氣體收容部30，接著通過氣相側單元內排出口303以及氣相側排出管305，收集並蓄積於氣相側氣袋307。
另一方面，未通過第一貫通孔111、第二貫通孔113的氣體於液相側成長為氣泡，通過液相側單元內排出口304以及液相側排出管306，收集並蓄積於液相側氣袋308。
對於上述氣體生產裝置100，自光源310照射紫外(Ultra Violet，UV)光固定時間。將氣相側氣袋307、液相側氣袋308自氣體生產裝置100拆下並連接於氣體層析儀(Gas Chromatography)，對產生氣體的滯留時間(retention time)與峰值(peak)面積進行測定。再者，為了進行校正，預先對純氫與純氧各自的滯留時間與峰值面積進行測定。
例如於將氫產生量予以定量化的情形時，若將因光分解而產生的氫的濃度設為X，將峰值面積設為A，則純氫(100%的濃度)的峰值面積為Ap，X=100＊A/Ap。
若將容器的體積設為V0 ，則產生的氫的體積V為V=V0 ＊X。因此，該產生的氫的氣體產生量(分子數)可由氣體的狀態方程式：P＊V=n＊R＊T(P：壓力，V：體積，n：分子數，R：氣體常數，T：絕對溫度)求出。
【實例】
以下，藉由實例來具體地對本發明進行說明，但本發明完全不限定於這些實例。
(實例1)
實例1是使無貫通孔且包括光觸媒含有層的陽極電極、與包括貫通孔且包括助觸媒層的陰極電極相對向地配置的實例。
準備聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為透光性基材28，將該透光性基材28的外形切割為2 cm×2 cm的正方形，上述聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜以濺鍍法而形成有作為透明導電膜的ITO(銦錫氧化物)膜且厚度為50 μm。
於上述薄膜片的內側的1 cm×1 cm的正方形的區域，以厚度達到20 μm的方式，藉由噴霧法來塗佈銳鈦礦型光觸媒氧化鈦塗佈用漿料(paste)(Peccell Technologies公司製造)，從而形成光觸媒含有層27。接著，以140℃來使塗佈形成的光觸媒含有層乾燥1小時，使殘存有機物或溶媒蒸發。如此，形成具有光觸媒承載面20的光觸媒陽極電極。接著，藉由使用有四氟化碳氣體的真空電漿處理，來對包含光觸媒的陽極電極2的背面進行斥水處理，從而完成未形成有貫通孔的陽極電極2。
接著，對於聚醯亞胺薄膜，以NC加工機來於1 cm×1 cm的區域中形成孔開口徑為100 μm、孔間距為300 μm的貫通孔，形成多孔薄膜之後，以10 nm的厚度來濺鍍鉑，然後將外形切割為2 cm×2 cm的正方形，從而完成陰極電極3。
使用已完成的陰極電極3來製作如圖14(a)、圖14(b)所示的助觸媒單元6。使用丙烯酸作為基本的材料。然而，無需對材料進行限定，只要對於電解液而言無溶解性，則可使用所有的材料。而且，使用石英作為受光窗。使用鈦線作為通電用電線202，且使用鈦作為通電用金屬框。
以與包括貫通孔的陰極電極相對向的方式，將之前已製作的未形成有貫通孔的陽極電極2安裝至上述助觸媒單元6，從而完成圖17所示的氣體生產裝置100。
將無貫通孔的陽極電極2與包括貫通孔的陰極電極3的對向間隔設定為0.5 mm。自電解液供給管131供給電解液12，該電解液12為使30 g的碳酸鈉溶解於100 cc的蒸餾水而成的電解液。再者，於安裝之後，使氬氣流入至氬氣供給管102，充分地將第一氣體收容部21及第二氣體收容部31的內部予以密封，將系統內的多餘的氣體驅除之後進行使用。
接著，藉由高壓水銀燈而自受光窗來照射紫外線。光的照射強度為10 mW/cm2 ，進行1小時的照射，以0.17 cc/min的抽吸速度來將產生的氫氣自氫氣排出管103採集至10 cc的氣密式注射器(gas tight syringe)，以氣體層析儀(島津製作所製造，型號GC-8A)來對氫濃度進行分析，該氫濃度為980 ppm。
若將上述氫濃度換算為每單位時間的氫產生量，則達到0.44 μmol/hr，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量相當於112 μmol/g/hr。
同樣地，使用氣體層析儀來對氧氣排出管101中所含的氣體進行分析，已確認含有氧。
(實例2)
與實例1同樣地，實例2是使無貫通孔的陽極電極、與包括貫通孔的陰極電極相對向地配置的實例。
於陰極電極3的製法中，使用化學蝕刻法來形成設置有孔徑為30 μm、孔間距為50 μm的貫通孔的陰極電極3。與實例1同樣地，製作如圖14(a)、圖14(b)所示的助觸媒單元6，並同樣地以與實例1相同的方式來形成無貫通孔的陽極電極2，從而完成圖17所示的氣體生產裝置100。使用此種相對向地配置有無貫通孔的陽極電極、與包括貫通孔的陰極電極的氣體生產裝置100來對氫氣進行測定，氫濃度為1436 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為164 μmol/g/hr。
(實例3)
與實例1及實例2同樣地，實例3是使無貫通孔的陽極電極、與包括貫通孔的陰極電極相對向地配置的實例。
於陰極電極3的製法中，使用雷射加工法來形成設置有孔徑為10 μm、孔間距為40 μm的貫通孔的陰極電極3。與實例1同樣地，製作如圖14(a)、圖14(b)所示的助觸媒單元6，並同樣地以與實例1相同的方式來形成無貫通孔的陽極電極2，從而完成圖17所示的氣體生產裝置100。使用此種相對向地配置有無貫通孔的陽極電極、與包括貫通孔的陰極電極的氣體生產裝置100，以與實例1及實例2相同的方式來對氫氣進行測定，氫濃度為1310 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為150 μmol/g/hr。
(實例4)
實例4是使包括貫通孔的陽極電極、與同樣地包括貫通孔的陰極電極相對向地配置的實例。
於包含光觸媒的陽極電極2的製法中，對於附帶ITO的PET薄膜，使用NC加工機來於1 cm×1 cm的區域中形成孔徑為80 μm、孔間距為160 μm的貫通孔之後，將外形切割為2 cm×2 cm的正方形，形成多孔薄膜之後，考慮一面自下側噴射氮氣，一面自上方對氧化鈦漿料進行噴霧塗佈，藉此，使孔不會被氧化鈦掩埋，從而形成光觸媒塗佈層。將塗佈厚度調整為約20 μm。
關於陰極電極3，與實例2同樣地形成孔徑為30 μm、孔間距為50 μm的多孔薄膜。
同樣地將紫外線照射1小時，對氫氣進行測定，氫濃度為212 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為24 μmol/g/hr。
(實例5)
實例5是如下的構成的實例，即，使包括貫通孔的陽極電極、與同樣地包括貫通孔的陰極電極相對向地配置，且代替導線而將電子輸送材料配置於電極之間。
拆除通電用電線202，作為該通電用電線202的代替功能，將作為電子輸送材料的金屬多孔質鈦(OSAKA Titanium Technologies製造的多孔質鈦，型號：Tiporous-45)插入至陽極電極2與陰極電極3之間，除此以外，與實例4同樣地對氫氣進行測定，氫濃度為359 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為41 μmol/g/hr。
(實例6)
實例6是使包括貫通孔的陽極電極、與同樣地包括貫通孔的陰極電極相對向地配置，且使陽極電極的形狀發生變化的實例。
於陽極電極2的製法中，利用雷射加工法來形成設置有孔徑為30 μm、孔間距為60 μm的貫通孔的多孔薄膜，除此以外，與實例4同樣地對氫氣進行測定，氫濃度為2226 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為255 μmol/g/hr。
(實例7)
實例7是使包括貫通孔的陽極電極、與同樣地包括貫通孔的陰極電極相對向地配置，且使陽極電極的形狀發生變化的實例。
於陽極電極2的製法中，利用雷射加工法來形成設置有孔徑為10 μm、孔間距為40 μm的貫通孔的多孔薄膜，除此以外，與實例4同樣地對氫氣進行測定，氫濃度為1303 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為149 μmol/g/hr。
(實例8)
實例8是使用有陽極陰極一體型電極的實例。
將聚醯亞胺(宇部興產製造，型號UPILEX，厚度為0.5 mm)的薄膜薄片作為基材25，切出邊長為15.4 mm的正方形的試驗片，對於該試驗片，利用NC加工機(FANUC製造，型號Series 21i-MB)以200 μm的間距來貫通形成100 μm的直徑的孔，製作包括第一貫通孔111及第二貫通孔113的基材。使用濺鍍裝置(Shibaura Mechatronics製造，型號CFS-4ES)，以250 nm的厚度來將二氧化鈦濺鍍至基材的其中一個表面，形成光觸媒含有層27。以一比一的流量比例來將氬氣與氧氣用作濺鍍氣體。
濺鍍條件如下：將薄片加熱至300℃，利用射頻(Radio Frequency，RF)電源，以300 W的濺鍍功率(power)、2.0 Pa(1.5×10-2 Torr)的氣體壓力來進行濺鍍。以X射線繞射法來對該二氧化鈦膜試料進行分析，於2θ=25.4°時檢測出銳鈦礦單結晶的(101)面的繞射峰值，已確認該二氧化鈦的濺鍍膜為銳鈦礦結晶形。
接著，以3500 rpm的旋轉數來對波長436 nm用g線正型光阻劑(JSR製造，型號PFR9005D18G)進行旋塗，並以90℃來預加熱10分鐘，從而形成光阻膜。利用以橫方向間距為200 μm、縱方向間距為346.4 μm(橫間距×)的間隔而設置有多個直徑為180 μm的圓形開口的光罩來覆蓋基材，並利用光罩對準曝光機(mask aligner)(共和理研製造，型號K-400PS100)來使薄片的孔與光罩的圓形開口的中心重合，以曝光用的UV-可見光源(USHIO電機製造，型號UIV-5100)進行10秒曝光。以110℃來將上述基材加熱10分鐘，使光阻膜中的單體穩定化之後，以氫氧化四甲基銨2.4%水溶液來浸泡1分鐘，接著以離子交換水進行20秒水洗，從而進行顯影。至此成為如下的狀態，即，僅於對UV-可見光源感光的直徑為180 μm的圓形開口部處，光阻劑溶解於顯影液而被除去，該圓形開口部露出。
接著，以室溫來使上述基材自然乾燥30分鐘之後，藉由濺鍍裝置(SHIMADZU EMIT公司製造，型號HSM-521)以50 nm的厚度來濺鍍鉑。使用氬氣作為濺鍍氣體。濺鍍條件如下：利用直流(Direct Current，DC)電源，以600 V的電壓、0.4 A的電流，並以0.074 Pa(5.6×10-4 Torr)的氣體壓力來進行濺鍍。
然後，利用丙酮(acetone)來將剩餘的光阻劑與鉑予以剝離，藉此，於包含二氧化鈦的光觸媒含有層27上，僅180 μm的圓形開口部形成為包含鉑濺鍍膜的助觸媒含有層43。
接著，選擇性地對第一貫通孔111及第二貫通孔113的內壁與背面進行疏水化處理。首先，作為預處理，利用濺鍍裝置(Shibaura Mechatronics製造，型號CFS-4ES)以10 nm的厚度來將SiO2 濺鍍至薄片背面側。使用氬氣作為濺鍍氣體。濺鍍條件如下：利用RF電源，以200 W的濺鍍功率、1.0 Pa(7.5×10-3 Torr)的氣體壓力來進行濺鍍。接著，將薄片封入至已形成為六甲基二矽氮烷的蒸氣環境的密閉容器中，進行約10小時的氣相反應。對基材背面的水接觸角進行測定，於處理之前，該水接觸角為60度，於處理之後，該水接觸角變為100度，確認已疏水化，從而完成陽極陰極一體型電極。
接著，將上述陽極陰極一體型電極裝入至如圖48所示的氣體生產裝置100，將作為氣體捕獲用線路(line)的矽管(silicon tube)(內徑為2.0 mm，長度為15 cm)連接至設置於陽極電極2的背面側的氣體收容部30，於該氣體收容部30的上方，將上述矽管連接於作為氣相側氣袋307的填充有氬氣的氣體收集用的鋁袋(GL Sciences製造，型號AAK-1，容量為500 ml)。將該氣體生產裝置100浸泡於放入有已調整為兩個當量濃度的硫酸水溶液(電解液14)的燒杯309中，並配置為與作為光源310的UV光源(USHIO電機製造，UI-501C型號)隔開1 cm的距離，接著照射約7小時。該照射面上的光強度為70 mW/cm2 。將該收集有氣體的鋁袋自氣體生產裝置100拆下，並連接於安裝有無機氣體分析用管柱(column)(信和化工製造，型號：SHINCARBON ST)的氣體層析儀(島津製作所製造，型號GC-8AIT)的氣體採樣器(gas sampler)，以烘箱(oven)、檢測器溫度為50℃以及電流為70 mA的分析條件來對產生氣體的滯留時間與峰值面積進行測定，滯留時間為4.2分鐘時檢測出氫峰值，氫濃度為880 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為101 μmol/g/hr。
(實例9)
實例9是使用有陽極陰極一體型電極的實例。
於陽極陰極一體型電極的製造方法中，以膜厚達到20 μm的方式，藉由網版印刷法來使Peccell Technologies公司(股)製造的二氧化鈦漿料形成膜，以140℃來使塗佈形成的光觸媒含有層乾燥1小時，使殘存有機物或溶媒蒸發，從而形成多孔質膜，除此以外，以與實例8相同的條件來對氫的氣體產生量進行測定，氫濃度為3040 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為348 μmol/g/hr。
(比較例1)
使用圖1所示的先前型的光觸媒電解裝置來進行實驗。將相當於0.1 N的硫酸作為電解質加入至自來水中，進行紫外線照射量為1600 mW/cm2 的照射實驗，已確認：包括光觸媒含有層27的陽極電極2及包括助觸媒含有層43的陰極電極3附著有極少的氣泡。然而，由於產生的氣泡極少，因此，未使用氧氣偵測管、氫氣偵測管來進行確認。接著，替換為1 N的稀硫酸液來進行實驗，但僅可確認於氣泡附著於各個電極之後，時常會脫離電極，未能夠確認明確的氣體的產生。此外，使用自來水來進行實驗之後，完全未能夠確認氣泡的產生。
(比較例2)
比較例2是使用有無貫通孔的陽極陰極一體型電極的比較例。
於陽極陰極一體型電極的製造方法中，不將貫通孔設置於光觸媒電極或助觸媒電極中的任一個電極上，且將氣體收集口設置於接液面側，除此以外，以與實例8相同的條件來對氫的氣體產生量進行測定，氫濃度為30 ppm，每單位重量的氧化鈦光觸媒的氫產生量為3 μmol/g/hr。又，氣泡大量地附著於電極表面。
上述實例1～實例9及比較例1～比較例2的結果表示於下表1中。
本申請案主張以2009年9月9日提出申請的日本專利申請特願2009-207777及2009年9月16日提出申請的日本專利申請特願2009-214484作為基礎的優先權，並將該兩個申請案的全部內容併入本申請案。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1．．．光觸媒單元
2．．．陽極電極
3．．．陰極電極
4．．．受光窗
5、25、29．．．基材
6．．．助觸媒單元
7．．．光
8．．．電子
10．．．電解液槽
11．．．蓋構件
12、14．．．電解液
19．．．氧化鈦層
20．．．光觸媒承載面
21．．．第一氣體收容部
23．．．氧氣
24．．．透明導電膜
27．．．光觸媒含有層
28．．．透光性基材
30．．．氣體收容部
31．．．第二氣體收容部
33．．．氫氣
34．．．質子
40．．．氧化鈦粉體
41．．．鉑微粒子
42．．．光觸媒
43．．．助觸媒含有層
50．．．陽極陰極一體型電極
51．．．開口部
52．．．氣液界面
61．．．電極間的間隔件
71．．．透明玻璃板
72．．．側壁板
73．．．底板
81．．．觸媒含有層
100．．．氣體生產裝置
101．．．氧氣排出管
102．．．惰性氣體供給管
103．．．氫氣排出管
111．．．第一貫通孔
113．．．第二貫通孔
115、117．．．貫通狹縫
120．．．電極固持器
131．．．電解液供給管
132．．．電解液排出管
133．．．電解液供給細管
134．．．電解液排出細管
135．．．電解液泵
136．．．電解液過濾槽
137．．．閥門
138．．．蓄水槽
201．．．通電用金屬框
202．．．通電用電線
203．．．通電用電線插入口
206．．．多孔質鈦
301．．．支持棒
303．．．氣相側單元內排出口
305．．．氣相側排出管
306．．．液相側排出管
307．．．氣相側氣袋
308．．．液相側氣袋
309．．．燒杯
310．．．光源
e- ．．．電子
h+ ．．．電洞
H+ ．．．質子
H2 ．．．氫分子
H2 O．．．水
O2 ．．．氧分子
Pt．．．鉑
TiO2 ．．．氧化鈦
W．．．開口寬度
X．．．點
θ．．．接觸角
γ．．．表面張力
圖1是先前的藉由將光照射至陽極電極來進行水電解的一般的裝置圖的模式圖。
圖2(a)、圖2(b)是表示將紫外線光照射至電解液時的狀態的說明圖。
圖3是表示氫氣的氣泡與氧氣的氣泡彙集的狀態的說明圖。
圖4是表示以液膜層來覆蓋光觸媒表面的狀態的說明圖。
圖5(a)～圖5(d)是表示本實施形態的氣體生產裝置的基本概念的模式圖。
圖6(a)～圖6(c)是對楊-拉普拉斯方程式進行說明的圖。
圖7是表示形成於陽極電極的孔加工部的例子的平面圖。
圖8(a)是對光觸媒含有層及助觸媒層、與各自的貫通孔的構造所產生的特徵進行說明的模式圖，圖8(b)是放大圖。記號X表示氧分子的產生部位，箭頭表示產生部位X至貫通孔為止的最短距離，即，表示界面-反應點距離。
圖9(a)～圖9(d)是表示對向配置型的氣體生產裝置的基本構成的模式圖。
圖10(a)、圖10(b)是表示對向配置型的氣體生產裝置中的質子與電子的移動的說明圖。圖10(a)表示電子經由導線而自陽極電極朝陰極電極移動的情況。圖10(b)表示電子經由設置於陽極電極與陰極電極間的網孔狀的導電材料而自陽極電極朝陰極電極移動的情況。
圖11(a)是光觸媒單元(陽極單元)的側視剖面圖，圖11(b)是正面圖。
圖12(a)是陽極電極本身的正面圖，圖12(b)是側視剖面圖，圖12(c)是圖12(b)的放大圖。
圖13是表示形成於陽極電極的孔加工部的一例的平面圖。
圖14(a)是助觸媒單元(陰極單元)的側視剖面圖，圖14(b)是正面圖。
圖15是第1實施形態的氣體生產裝置的側視剖面圖。
圖16是圖15所示的第1實施形態的氣體生產裝置的正面圖。
圖17是第2實施形態的氣體生產裝置的側視剖面圖。
圖18是第3實施形態的氣體生產裝置的側視剖面圖。
圖19是圖18所示的第3實施形態的氣體生產裝置的正面圖。
圖20是圖18、圖19所示的第3實施形態的氣體生產裝置的俯視圖。
圖21是將第3實施形態的氣體生產裝置中的光的照射方向設為陰極電極側的例子。
圖22是第4實施形態的太陽光對應氣體生產裝置的俯視圖。
圖23是第4實施形態的太陽光對應氣體生產裝置的側視剖面圖，且其表示自上表面照射著光的情況。
圖24是第4實施形態的太陽光對應氣體生產裝置的仰視圖。
圖25是第5實施形態的太陽光對應氣體生產裝置的側視剖面圖，且其表示自上表面照射著光的情況。
圖26(a)、圖26(b)是第6實施形態的陽極陰極一體型電極的立體圖。
圖27是表示光觸媒含有層與助觸媒含有層的位置關係的一例的第7實施形態的陽極陰極一體型電極的概略正面圖。
圖28是圖27所示的陽極陰極一體型電極的剖面圖，且其圖示了氫與氧的產生及分離的情況。
圖29是表示光觸媒含有層與助觸媒含有層的位置關係的一例的第8實施形態的陽極陰極一體型電極的概略正面圖。
圖30(a)是第9實施形態的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置的側視剖面圖，圖30(b)是圖30(a)的正面圖。
圖31是第9實施形態的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置的透視立體圖。
圖32(a)是第10實施形態的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置的俯視圖，圖32(b)是短邊側的側視剖面圖，圖32(c)是長邊側的側視剖面圖，圖32(d)是連接有循環泵的氣體生產裝置的側視剖面圖。
圖33(a)是對於第11實施形態中所使用的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置而言，沿著水平方向將氣體生產裝置予以切斷的俯視圖，圖33(b)是自側面對氫與氧的氣體的流路進行觀察所見的剖面圖。
圖34是圖33(a)～圖33(b)所示的氣體生產裝置100的透視俯視圖，且表示了氫氣與氧氣的流路的位置關係。
圖35(a)是第12實施形態的山脊型氣體生產裝置的側視圖，圖35(b)是放大圖。
圖36(a)是第12實施形態的山脊型氣體生產裝置的平面圖，圖36(b)是放大圖。
圖37是表示於第12實施形態的山脊型氣體生產裝置中使光反射的情況的圖。
圖38是表示於第12實施形態的山脊型氣體生產裝置中使電解液位於下方的狀態的圖。
圖39是第13實施形態的弓型氣體生產裝置的側視圖。
圖40是第13實施形態的弓型氣體生產裝置的平面圖。
圖41是表示於第13實施形態的弓型氣體生產裝置中使電解液位於下方的狀態的圖。
圖42(a)～圖42(c)是第14實施形態的狹縫型氣體生產裝置的說明圖。
圖43(a)、圖43(b)是第14實施形態的狹縫型氣體生產裝置的立體圖。
圖44第15實施形態的可撓型氣體生產裝置的側視圖。
圖45是圖44的放大圖。
圖46是表示第15實施形態的可撓型氣體生產裝置的使用狀態的圖。
圖47是第15實施形態的可撓型氣體生產裝置的立體圖。
圖48是使用第9實施形態的包括陽極陰極一體型電極的氣體生產裝置來產生氣體的產生實驗的說明圖。
1．．．光觸媒單元
2．．．陽極電極
3．．．陰極電極
4．．．受光窗
10．．．電解液槽
11．．．蓋構件
12．．．電解液
21．．．第一氣體收容部
101．．．氧氣排出管
102．．．惰性氣體供給管
103．．．氫氣排出管
202．．．通電用電線
301．．．支持棒

Claims (48)

  1. 一種氣體生產裝置，由含有水的電解液來產生氧氣及/或氫氣，其包括：陽極電極，包括光觸媒含有層，該光觸媒含有層含有藉由光觸媒反應而自上述電解液產生氧氣的光觸媒；陰極電極，藉由上述光觸媒含有層中的光觸媒反應而自上述電解液中產生的氫離子及電子產生氫氣；多個貫通孔，設置於上述陽極電極或上述陰極電極的至少一個電極，不使上述電解液通過而使產生的上述氧氣或上述氫氣通過；以及氣體收容部，將通過上述貫通孔的上述氧氣或上述氫氣予以收容。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氣體生產裝置，其中上述光觸媒含有層為包含多個空孔的多孔質材料，且上述光觸媒露出至上述空孔。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的氣體生產裝置，其中上述空孔露出至上述貫通孔的內壁面。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的氣體生產裝置，其中露出至上述貫通孔的內壁面的上述空孔與其他空孔彼此連通著。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中多個上述貫通孔規則地設置於上述陽極電極或上述陰極電極。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的氣體生產裝置，其中相鄰接的上述貫通孔的重心之間的距離為0.1 μm以上且為800 μm以下。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的氣體生產裝置，其中全部的上述貫通孔與相鄰接的其他上述貫通孔的重心之間的距離為0.1 μm以上且為800 μm以下。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的氣體生產裝置，其中上述重心之間的距離為上述貫通孔的開口直徑的1.5倍以上且為5倍以下。
  9. 如申請專利範圍第5項所述的氣體生產裝置，其中相鄰接的上述貫通孔的接近邊緣之間的距離為0.1 μm以上且為400 μm以下。
  10. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中上述光觸媒含有層的層厚為0.25 μm以上且為100 μm以下。
  11. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，更包括受光窗，該受光窗使上述光觸媒的激發光透過，並且將該激發光照射至上述光觸媒含有層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的氣體生產裝置，其中上述陽極電極包括對上述光觸媒含有層進行支持的基材，上述基材由使上述激發光透過的材料構成。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的氣體生產裝置，其中上述受光窗隔著上述基材而配置於上述光觸媒含有層的相反側，透過上述受光窗的上述激發光進一步透過上述基材，接著照射至上述光觸媒含有層。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極由使上述激發光透過的材料構成，且上述受光窗與上述陰極電極相對向地配置，透過上述受光窗的上述激發光進一步透過上述陰極電極，接著照射至上述光觸媒含有層。
  15. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極與上述陽極電極的上述光觸媒含有層彼此相對向地配置著。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的氣體生產裝置，其中於與設置於上述陰極電極的上述貫通孔相對向的位置，形成有上述陽極電極的上述光觸媒含有層。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極包含因接收上述光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，於與設置於上述陽極電極的上述貫通孔相對向的位置，形成有上述陰極電極的上述助觸媒含有層。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的氣體生產裝置，其中設置於上述陰極電極或上述陽極電極的上述貫通孔為狹縫形狀。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極及上述陽極電極均包括狹縫形狀的貫通孔，且以上述陰極電極與上述陽極電極相對向地配置的狀態，上述狹縫形狀的貫通孔彼此錯開。
  20. 如申請專利範圍第15項所述的氣體生產裝置，其中由隔開規定的間隔而彼此平行地配置的上述陰極電極及上述陽極電極所構成的電極對，具有可朝與面垂直的方向彎曲或撓曲的可撓性。
  21. 如申請專利範圍第15項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極包含因接收上述光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，於上述陽極電極的上述光觸媒含有層與上述陰極電極的上述助觸媒含有層之間，設置有包含導電性的材料且可使上述電解液透過的電子移動層。
  22. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極與上述陽極電極支持於共用的基材且橫向排列地配置著。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的氣體生產裝置，其中多個上述陰極電極與多個上述陽極電極彼此相鄰接地配置著。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的氣體生產裝置，包括：第一貫通孔，設置於上述陽極電極，不使上述電解液通過而使上述氧氣通過；以及第二貫通孔，設置於上述陰極電極，不使上述電解液通過而使上述氫氣通過。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的氣體生產裝置，包括：第一上述氣體收容部，設置於上述第一貫通孔的開口且收容上述氧氣；以及第二上述氣體收容部，設置於上述第二貫通孔的開口且收容上述氫氣。
  26. 如申請專利範圍第24項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極包含因接收上述光觸媒的激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，上述光觸媒含有層配置於上述第一貫通孔的附近，上述助觸媒含有層配置於上述第二貫通孔的附近。
  27. 如申請專利範圍第26項所述的氣體生產裝置，其中上述光觸媒含有層呈環狀地設置於上述第一貫通孔的開口部的周緣部，上述助觸媒含有層呈環狀地設置於上述第二貫通孔的開口部的周緣部。
  28. 如申請專利範圍第26項所述的氣體生產裝置，其中上述陰極電極與上述陽極電極經由電氣絕緣性的材料而橫向排列且相鄰接地設置，上述陰極電極與上述陽極電極的鄰接間隔為0.01 μm以上。
  29. 如申請專利範圍第26項所述的氣體生產裝置，更包括受光窗，該受光窗使上述光觸媒的激發光透過，並且將該激發光照射至上述光觸媒含有層，上述受光窗配置於與上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層均相對向的位置，透過上述受光窗的上述激發光照射至上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層。
  30. 如申請專利範圍第26項所述的氣體生產裝置，其中上述陽極電極及上述陰極電極分別由使上述光觸媒的激發光透過的材料構成，使上述激發光透過並且將該激發光照射至上述光觸媒含有層的受光窗與上述陽極電極及上述陰極電極相對向，且配置於上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層的相反側，透過上述受光窗的上述激發光進一步透過上述陽極電極及上述陰極電極，接著照射至上述光觸媒含有層及上述助觸媒含有層。
  31. 如申請專利範圍第26項所述的氣體生產裝置，其中上述光觸媒含有層或上述助觸媒含有層中的至少一個層相對於上述基材而傾斜地配置著。
  32. 如申請專利範圍第31項所述的氣體生產裝置，其中上述光觸媒含有層或上述助觸媒含有層包括自上述基材突出的凸面部。
  33. 如申請專利範圍第32項所述的氣體生產裝置，其中上述凸面部呈包括彼此相對向的一對立面的箱狀。
  34. 如申請專利範圍第32項所述的氣體生產裝置，其中上述氣體收容部形成於上述凸面部的內部。
  35. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中對上述貫通孔的內壁面實施有疏水化處理。
  36. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中上述光觸媒含有層及上述陰極電極相對於上述電解液而言為親液性。
  37. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中上述陽極電極或上述陰極電極中的設置有上述氣體收容部的背面側相對於上述電解液而言為疏液性。
  38. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，更包括：蓄積有上述電解液且使上述陽極電極及上述陰極電極與上述電解液接觸的電解液蓄積部；將上述電解液供給至上述電解液蓄積部的電解液供給管；以及自上述電解液蓄積部將用於觸媒反應的上述電解液予以排出的電解液排出管。
  39. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，其中上述光觸媒含有層中所含的光觸媒為選自包含氧化鈦、氧化釩、氧化鎳、氧化鋅、氧化鉀、氧化鋯、氧化鈮、氧化鉬、氧化鉭、氧化鎢、氧化鎵、氧化鍺、氧化銦、氧化錫、氧化銻、氧化鉛及氧化鉍等的氧化物、以及這些物質的氮化物、硫化物的群中的至少一種物質。
  40. 如申請專利範圍第17項所述的氣體生產裝置，其中上述助觸媒含有層中所含的助觸媒為選自包含鉑、鎳、釕、氧化鎳及氧化釕的群中的至少一種物質。
  41. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的氣體生產裝置，更包括照射上述激發光的光源。
  42. 一種氣體生產方法，由含有水的電解液來產生氧氣及/或氫氣，其包括如下的步驟：使包括光觸媒含有層的陽極電極及陰極電極與上述電解液接觸，上述光觸媒含有層含有藉由光觸媒反應而自上述電解液產生氧氣的光觸媒，上述陰極電極自藉由上述光觸媒含有層中的光觸媒反應而產生的上述電解液中的氫離子與電子來產生氫氣；將光觸媒的激發光照射至上述光觸媒含有層；以及經由設置於上述陽極電極或上述陰極電極的多個貫通孔，將上述陽極電極所產生的上述氧氣或上述陰極電極所產生的上述氫氣中的至少一種氣體予以捕獲。
  43. 如申請專利範圍第42項所述的氣體生產方法，其中上述光觸媒含有層為包含使上述光觸媒露出的多個空孔的多孔質材料，上述光觸媒含有層經由上述貫通孔來將上述空孔的內部所產生的上述氧氣或上述氫氣予以捕獲。
  44. 如申請專利範圍第43項所述的氣體生產方法，其中經由露出至上述貫通孔的內壁面的其他上述空孔，自上述貫通孔來將上述空孔的內部所產生的上述氧氣或上述氫氣予以捕獲。
  45. 如申請專利範圍第42項至第44項中任一項所述的氣體生產方法，其中上述陽極電極包括對上述光觸媒含有層進行支持的基材，上述基材由使上述激發光透過的材料構成，將透過上述基材的上述激發光照射至上述光觸媒含有層。
  46. 如申請專利範圍第42項至第44項中任一項所述的氣體生產方法，其中上述陰極電極由使上述激發光透過的材料構成，將透過上述陰極電極的上述激發光照射至上述光觸媒含有層。
  47. 如申請專利範圍第42項至第44項中任一項所述的氣體生產方法，其中上述陰極電極包含因接收上述激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，將上述陽極電極或上述陰極電極所反射的上述激發光照射至其他上述陽極電極的上述光觸媒含有層或上述陰極電極的上述助觸媒含有層。
  48. 如申請專利範圍第42項至第44項中任一項所述的氣體生產方法，其中上述陰極電極包含因接收上述激發光而產生氫氣的助觸媒含有層，將通過設置於上述陽極電極或上述陰極電極的上述貫通孔的上述激發光照射至其他上述陰極電極的上述助觸媒含有層或上述陽極電極的上述光觸媒含有層。
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