水分解装置的制作方法

本发明涉及一种水分解装置。

背景技术：

以往已知一种利用电或光的能量而分解水等液体来制造气体的技术。尤其，从减少二氧化碳排放及能量的清洁化的观点考虑，利用太阳能并通过光催化剂而分解水来制造氢及氧的技术备受关注。

作为这种制造氢及氧的水分解装置，在专利文献1中公开了一种水分解反应装置，其具有浸渍在电解质水溶液中的光催化剂电极及对电极，且电解质水溶液通过隔膜(离子交换膜)而被分为光催化剂电极侧和对电极侧(0023段、图9)。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-144804号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

近年来，要求制造更有效的气体，具体而言，要求能够降低分解水时的电解电压，并且从阳极产生的气体与从阴极产生的气体的分类性优异的水分解装置。

本发明人等对使用如专利文献1所记载的装置实施了水的分解的结果，发现电解电压变高，或者气体的分离性不够充分。

因此，本发明的课题在于提供一种电解电压低，且气体的分离性优异的水分解装置。

用于解决技术课题的手段

本发明人等对上述课题进行深入研究的结果，发现如下并完成了本发明，即若将含水率为规定值以上的高分子膜配置于阳极与阴极之间，则电解电压低且气体的分离性优异。

即，本发明人等发现通过以下构成能够解决上述课题。

[1]

一种水分解装置，其从阳极及阴极产生气体，该水分解装置具有：

槽，用于装满电解水溶液；

上述阳极及上述阴极，配置在上述槽内；及

高分子膜，为了将装满于上述槽内的上述电解水溶液以上述阳极侧和上述阴极侧进行划分而配置在上述阳极与上述阴极之间且能够使离子透过，

上述阳极及上述阴极均与上述高分子膜隔开规定距离而设置，

上述高分子膜的含水率为40％以上。

[2]

根据[1]所述的水分解装置，其中，上述水分解装置为对上述阳极及上述阴极照射光而从上述阳极及上述阴极产生气体的装置。

[3]

根据[1]或[2]所述的水分解装置，其中，上述高分子膜的含水率为60％以上。

[4]

根据[1]至[3]中任一项所述的水分解装置，其中，上述高分子膜通过使用含有成为上述高分子膜的主成分的来源的成分和除了成为上述主成分的来源的成分以外的单体及聚合物中的至少一种的高分子膜形成用组合物而得到，

上述单体及上述聚合物的含量的合计相对于上述高分子膜形成用组合物的总质量为15质量％以下。

[5]

根据[1]至[4]中任一项所述的水分解装置，其中，上述高分子膜由支承体支承。

[6]

根据[1]至[5]中任一项所述的水分解装置，其中，相对于上述阳极或上述阴极与上述电解水溶液接触的部分的面积，上述高分子膜与上述电解水溶液接触的部分的面积的比例为0.5以上。

[7]

根据[1]至[6]中任一项所述的水分解装置，其中，上述高分子膜是无孔的。

[8]

根据[1]至[7]中任一项所述的水分解装置，其中，上述高分子膜的主成分的聚合物具有亲水性基团。

[9]

根据[1]至[8]中任一项所述的水分解装置，其中，上述水分解装置为对上述阳极及阴极照射光而从上述阳极及上述阴极产生气体的装置，

上述阳极、上述高分子膜及上述阴极沿照射的上述光的行进方向串联配置，

上述高分子膜在沿上述光的行进方向串联的方向上的透光率在波长300～800nm的范围内为80％以上。

[10]

根据[9]所述的水分解装置，其中，上述阳极与上述阴极的上述光的吸收端波长不同，并且

上述阴极的上述光的吸收端波长比上述阳极的上述光的吸收端波长长。

[11]

根据[1]至[10]中任一项所述的水分解装置，其中，上述阳极及上述阴极中的至少一个具有光催化剂层，

上述光催化剂层含有选自包括bivo4、ta3n5、batao2n及cigs化合物半导体的组中的至少一种材料。

[12]

根据[1]至[11]中任一项所述的水分解装置，其中，从上述阳极产生的气体为氧，且从上述阴极产生的气体为氢。

发明效果

如以下所示，根据本发明能够提供一种电解电压低且气体的分离性优异的水分解装置。

附图说明

图1为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置1的侧视图。

图2为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置100的侧视图。

图3为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置200的侧视图。

图4为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置300的电极结构的侧视图。

图5为示意性地表示本发明的装置的一实施方式的装置400的电极结构的侧视图。

具体实施方式

以下，对本发明的装置进行说明。

另外，本发明中用“～”表示的数值范围表示将记载于“～”的前后的数值作为下限值及上限值而包含的范围。

并且，本发明中，(甲基)丙烯酸是指丙烯酸及甲基丙烯酸这两者，且(甲基)丙烯酸酯是指丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯这两者。

本发明的装置为从阳极及阴极产生气体的水分解装置(以下，还称为“装置”)，该水分解装置具有：槽，用于装满电解水溶液；上述阳极及上述阴极，配置在上述槽内；及高分子膜，为了将装满于上述槽内的上述电解水溶液以上述阳极侧和上述阴极侧进行划分而配置在上述阳极与上述阴极之间且能够使离子透过，上述阳极及上述阴极均与上述高分子膜隔开规定距离(预先设定的距离)而设置，上述高分子膜的含水率为40％以上。

本发明的装置的电解电压低且气体的分离性也优异。其理由的详细内容虽不明确，但推测大致基于如下理由。

含水率高的高分子膜对水的亲和性高，因此不易阻碍电解液中所含有的离子透过。其结果，推测离子交换速度得以提高，且分解水时的装置的电解电压变低。

并且，含水率高的高分子膜为所谓的凝胶状态，因此几乎不具有如使从各电极产生并溶入到电解液中的气体(气泡)通过的尺寸的孔。因此，推测从各电极产生的气体彼此不易混合而气体的分离性得以提高。

以下，关于本发明的装置，参考图面对每一实施方式进行详细说明。

[第1实施方式]

图1为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置1的侧视图，本说明书中还将图1所示的装置1称为第1实施方式。装置1为通过光l的照射而从阳极10及阴极20产生气体的装置。具体而言，当后述电解液s以水为主成分时，通过光l而水分解而从阳极10产生氧，且从阴极20产生氢。

如图1所示，装置1具有装满有电解液s的槽40、配置在槽40内的阳极10及阴极20及位于阳极10与阴极20之间且配置在槽40内的高分子膜30。阳极10、高分子膜30及阴极20沿光l的行进方向依次串联配置。

＜槽＞

如图1所示，槽40的一表面的至少一部分由透明部件46构成，以能够向槽40内照射光l。

槽40内通过高分子膜30而被划分为位于透明部件46侧且配置有阳极10的阳极室42和位于与透明部件46对置的表面侧且配置有阴极20的阴极室44。

作为构成槽40的材料的具体例，优选耐腐蚀性(尤其，耐碱性)优异的材料，可举出聚(甲基)丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、玻璃。

作为构成透明部件46的材料的具体例，可举出聚(甲基)丙烯酸酯、玻璃。

本发明中“透明”是指波长380nm～780nm的区域下的透光率为60％以上。透光率通过分光光度计进行测定。作为分光光度计，例如使用紫外可见分光光度计即jascocorporation制v-770(产品名)。

(电解液)

如图1所示，槽40内装满有电解液s，且阳极10、阴极20及高分子膜30各自的至少一部分浸渍在电解液s中。

电解液s为将电解质溶解于液体而成的溶液。作为液体，优选水。作为电解质的具体例，可举出硫酸、硫酸钠、氢氧化钾、磷酸钾及硼酸。

电解液s的ph优选为6～11，更优选为6～9。若电解液s的ph在上述范围内，则具有能够安全处理的优点。另外，电解液s的ph能够使用公知的ph计进行测定。

电解液s中的电解质的浓度并无特别限定，但优选将电解液s的ph调整为上述范围内。

＜阳极＞

阳极10在阳极室42内且与高分子膜30隔开规定距离而配置。即，阳极10设置在从高分子膜30隔开的位置，且在阳极10与高分子膜30之间存在电解液s。在此，规定距离是指阳极10与高分子膜30不接触程度的距离，例如能够设为1～100mm。

阳极10具有第1基板12、配置在第1基板12上的第1导电层14及配置在第1导电层14上的第1光催化剂层16。阳极10以从光l照射的一侧依次成为第1基板12、第1导电层14及第1光催化剂层16的方式而配置在槽40(阳极室42)内。

在图1的例子中，阳极10为平板状，但并不限定于此。阳极10可以为冲孔金属状、网状、格栅状或为具有贯穿的细孔的多孔体。

阳极10通过导线50而与阴极20电连接。图1中示出了阳极10与阴极20通过导线50而连接的例子，但只要电连接，则连接方式并无特别限定。

阳极10的厚度优选为0.1～5mm，更优选为0.5～2mm。

阳极10的光的吸收端波长优选为500～800nm。

在此，光的吸收端波长是指在连续吸收光谱上波长比其长则光吸收率急剧减少的部分或其边缘，且光的吸收端波长单位为nm。

(第1基板)

第1基板12为支承第1导电层14及第1光催化剂层16的层。

第1基板12优选为了使光l入射到阴极20而呈透明。另外，“透明”的定义如上所述。

作为构成第1基板12的材料的具体例，可举出聚(甲基)丙烯酸酯、玻璃、金属、陶瓷。

第1基板12的厚度优选为0.1～5mm，更优选为0.5～2mm。

(第1导电层)

阳极10具有第1导电层14，由此通过相对于阳极10的光l的入射而产生的电子经由导线50向阴极20的第2导电层24(在后面进行叙述)移动。

第1导电层14优选为了使光l入射到阴极20而呈透明。另外，“透明”的定义如上所述。

作为构成第1导电层14的材料的具体例，可举出ito(氧化铟锡)、氧化锌系透明导电材料(al：zno,in：zno,ga：zno等)。另外，al：zno等“金属原子：金属氧化物”这一标记是指，将构成金属氧化物的金属(al：zno的情况下为zn)的一部分取代为金属原子(al：zno的情况下为al)。

第1导电层14的厚度优选为50nm～1μm，更优选为100～500nm。

(第1光催化剂层)

若光l照射到阳极10，则在第1光催化剂层16产生的电子移动到第1导电层14。另一方面，在第1光催化剂层16中产生的孔(空穴)与水反应而从阳极10产生气体(水的分解反应的情况下为氧)。

第1光催化剂层16的厚度优选为100nm～10μm，更优选为300nm～2μm。

作为构成第1光催化剂层16的材料的具体例，能够含有bi2wo6,bivo4、biywo6、in2o3(zno)3、intao4、intao4：ni(“化合物：m”表示光半导体中掺杂有m。以下相同。)、tio2：ni、tio2：ru、tio2rh、tio2：ni/ta(“化合物：m1/m2”表示光半导体中同时掺杂有m1与m2。以下相同。)、tio2：ni/nb、tio2：cr/sb、tio2：ni/sb、tio2：sb/cu、tio2：rh/sb、tio2：rh/ta、tio2：rh/nb、srtio3：ni/ta、srtio3：ni/nb、srtio3：cr、srtio3：cr/sb、srtio3：cr/ta、srtio3：cr/nb、srtio3：cr/w、srtio3：mn、srtio3：ru、srtio3：rh、srtio3：rh/sb、srtio3：ir、catio3：rh、la2ti2o7：cr、la2ti2o7：cr/sb、la2ti2o7：fe、pbmoo4：cr、rbpb2nb3o10、hpb2nb3o10、pbbi2nb2o9、bivo4、bicu2vo6、bisn2vo6、snnb2o6、agnbo3、agvo3、agli1/3ti2/3o2、agli1/3sn2/3o2、wo3、babi1-xinxo3、bazr1-xsnxo3、bazr1-xgexo3及bazr1-xsixo3等氧化物、latio2n、ca0.25la0.75tio2.25n0.75、taon、canbo2n、banbo2n、catao2n、srtao2n、batao2n、latao2n、y2ta2o5n2、(ga1-xznx)(n1-xox)、(zn1+xge)(n2ox)(x表示0～1的数值)及tinxoyfz等氧氮化物、nbn及ta3n5等氮化物、cds等硫化物、cdse等硒化物、ln2ti2s2o5(ln：pr、nd、sm、gd、tb、dy、ho及er)、以及含有la、in的氧硫化物(chemistryletters、2007,36,854-855)，但并不限定于在此所例示的材料。

这些中，从光学吸收波长及量子效率的观点考虑，第1光催化剂层16优选含有选自包括bivo4、ta3n5及batao2n的组中的至少一种材料。

第1光催化剂层16可以在其表面载有助催化剂。若载有助催化剂，则起始电势或光电流密度良好。

作为助催化剂的具体例，可举出由pt、pd、ni、au、ag、ru、cu、co、rh、ir、mn或fe等构成的单体及组合该等而成的合金、以及其氧化物(例如，氧化钌、氧化铱、钴铁复合氧化物、氧化铑、镍铁复合氧化物、氧化铂)。

＜阴极＞

阴极20在阴极室44内且与高分子膜30隔开规定距离而配置。即，阴极20设置在从高分子膜30隔开的位置，且在阴极20与高分子膜30之间存在电解液s。在此，规定距离是指阳极20与高分子膜30不接触程度的距离，例如能够设为1～100mm。

阴极20具有第2基板22、配置在第2基板22上的第2导电层24及配置在第2导电层24上的第2光催化剂层26。阴极20以从照射光l的一侧(即，高分子膜30侧)依次成为第2光催化剂层26、第2导电层24及第2基板22的方式配置在槽40(阴极室44)内。

在图1的例子中，阴极20为平板状，但并不限定于此。阴极20可以为冲孔金属状、网状、格栅状或为具有贯穿的细孔的多孔体。

阴极20的厚度优选为0.1～5mm，更优选为0.5～2mm。

阴极20的光的吸收端波长优选为700～1300nm。

在此，阳极10与阴极20的光的吸收端波长不同，优选阴极20的光的吸收端波长比阳极10的光的吸收端波长长。由此，容易在阴极吸收透射配置在前表面的阳极的光，从而能够提高每单位面积的光利用效率。

(第2基板)

第2基板22为支承第2导电层24及第2光催化剂层26的层。

第2基板22可以呈透明，也可以不呈透明。作为构成第2基板22的材料的具体例，可举出聚(甲基)丙烯酸酯、玻璃、金属、陶瓷。

第2基板22的厚度优选为0.1～5mm，更优选为0.5～2mm。

(第2导电层)

通过相对于阴极20(第2光催化剂层26)的光l的入射而产生的孔聚集在第2导电层24。其结果，聚集在第2导电层24中的孔与从阳极10的第1导电层14传输的电子会再结合，因此能够抑制孔及电子的滞留。

第2导电层24只要具有导电性，则构成其的材料并无特别限定，例如可举出mo、cr及w等金属及该等的合金。

第2导电层24的厚度优选为100nm～2μm，更优选为200nm～1μm。

(第2光催化剂层)

若光l照射到阴极20，则在第2光催化剂层26产生的孔移动到第2导电层24。另一方面，在第2光催化剂层26中产生的电子与水反应而从阴极20产生气体(水的分解反应的情况下为氢)。

第2光催化剂层26的厚度优选为100nm～10μm，更优选为500nm～5μm。

作为构成第2光催化剂层26的材料，可举出含有选自包括ti、v、nb、ta、w、mo、zr、ga、in、zn,cu、ag、cd、cr及sn的组中的至少一种金属原子的氧化物、氮化物、氧氮化物以及(氧)硫属化物等，优选gaas、gainp、algainp、cdte、cuingase、cigs化合物半导体(以cu、in、ga及se为主原料的化合物半导体)或czts化合物半导体(例如，cu2znsns4)，更优选具有黄铜矿晶体结构的cigs化合物半导体或cu2znsns4等czts化合物半导体，尤其优选具有黄铜矿晶体结构的cigs化合物半导体。

第2光催化剂层26可以在其表面载有助催化剂。若载有助催化剂，则水分解效率更良好。

作为助催化剂的具体例，可举出pt、pd、ni、ag、ru、cu、co、rh、ir、mn及氧化钌。

＜高分子膜＞

关于高分子膜30，电解液s中含有的离子能够自由出入阳极室42及阴极室44，但为了防止在阳极10中产生的气体与在阴极20中产生的气体混合而配置在阳极10与阴极20之间。

高分子膜30的含水率为40％以上，优选为50％以上，更优选为60％以上，尤其优选为70％以上。高分子膜30的含水率的上限值优选为90％以下，更优选为85％以下。若高分子膜30的含水率为40％以上，则如上所述，可得到电解电压低且气体的分离性也优异的装置。并且，若高分子膜30的含水率为90％以下，则高分子膜的强度优异。

在此，高分子膜30的含水率为根据将高分子膜30在纯水(25℃)中浸渍了24小时的质量(浸渍后的高分子膜30的质量)及在真空下且在室温(25℃)下将浸渍后的高分子膜30干燥了24小时之后的质量(干燥后的高分子膜30的质量)通过以下式计算出的值。

高分子膜30的含水率(％)＝100×[{(浸渍后的高分子膜30的质量)-(干燥后的高分子膜30的质量)}/(浸渍后的高分子膜30的质量)]

高分子膜30优选是无孔的。由此，在各电极中产生的气体(气泡)不易透射高分子膜30，因此装置1的气体的分离性得以提高。

在此，“无孔质”是指，使用扫描型电子显微镜(sem)而得且对将高分子膜30的表面放大5万倍而成的图像进行观察时，无法发现孔的状态。另外，扫描型电子显微镜使用了依照hitachihigh-technologiescorporation制su8020(产品名)的装置。

高分子膜30优选为高分子凝胶。本发明中高分子凝胶为将水注入三维网结构内的化合物。若高分子膜30为高分子凝胶，则高分子膜30的含水率变高。

高分子膜30的透光率在波长300～800nm的范围内优选为80％以上，更优选为85％以上，尤其优选为90％以上。由此，光l容易透射高分子膜30而到达阴极20，因此阴极20中的电解液s的分解效率变高。

高分子膜30的透光率的测定中使用紫外可见近红分光光度计(jascocorporation制、产品名“v-670”)。具体而言，在高分子膜30的与照射面相反一侧的表面安装白板而进行测定。关于透光率，通过积分球对在波长300～800nm的波长区域内透射的所有的光进行积分而作为透过光量来计算。并且，高分子膜30的透光率是指，沿光l的行进方向向串联的方向(图1中的表示光l的箭头方向。具体而言，是指相对于高分子膜30的表面垂直入射的光的透射率。)入射的光的透射率。

另外，高分子膜30的透光率的测定使用将高分子膜30在纯水(25℃)中浸渍了24小时而得的溶胀状态的高分子膜30来进行。

阳极10或阴极20和电解液s接触的部分的面积与高分子膜30和电解液s接触的部分的面积的比例优选为0.5以上，更优选为0.6以上，尤其优选为0.7以上。并且，上述比例的上限值优选为0.9以下，更优选为0.8以下。

若上述比例为0.5以上，则能够减少透射高分子膜30的每单位面积的离子的量，因此透射高分子膜30的离子的透射速度变高的结果，电解液s的分解效率得以提高。

高分子膜30例如通过使用含有成为高分子膜30的主成分的来源的成分和除了成为主成分的来源的成分以外的单体及聚合物中的至少一种的高分子膜形成用组合物而得到。

作为高分子膜30的制造方法的一例，可举出在将高分子膜形成用组合物涂布于任意基材上而形成高分子膜30之后，从基材剥离高分子膜30的方法。另外，当高分子膜形成用组合物中包含单体时，通过使其聚合而可得到高分子膜30。

成为高分子膜30的主成分的来源的成分(以下，还称为“主成分单体”。)为通过聚合而形成高分子膜30的主骨架的成分。

作为主成分单体，可举出单官能单体。作为单官能单体，优选具有亲水性基团的单官能单体(亲水性单官能单体)。

作为亲水性基团，例如可举出酰胺基、羟基、聚亚烷基氧基、磺酸基、磷酸基、氨基、羧基及该等的盐等。其中，优选酰胺基、羟基、聚亚烷基氧基等非离子性亲水性基团。

亲水性单官能单体具有1个聚合性基团。聚合性基团的种类并无特别限制，可举出自由基聚合性基团及阳离子聚合性基团等。更具体而言，可举出(甲基)丙烯酰基、乙烯基、烯丙基、环氧基及氧杂环丁烷基等。

主成分单体可以单独使用1种也可以组合使用2种以上。

作为主成分单体的具体例，可举出(甲基)丙烯酸及其盐(例如，碱金属盐及胺盐)、衣康酸及其盐(例如，碱金属盐及胺酸盐)、烯丙基胺及其卤化氢酸盐、3-乙烯基丙酸及其盐(例如，碱金属盐及胺盐)、乙烯基磺酸及其盐(例如，碱金属盐及胺盐)、乙烯基苯乙烯磺酸及其盐(例如，碱金属盐及胺盐)、2-磺基乙烯(甲基)丙烯酸酯及其盐(例如，碱金属盐及胺盐)、3-磺基丙烯(甲基)丙烯酸酯及其盐(例如，碱金属盐及胺盐)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸及其盐(碱金属盐及胺盐)、酸式磷酸氧聚氧乙二醇单(甲基)丙烯酸酯、烯丙基胺及其卤化氢酸盐、以及2-三甲基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯及其卤化氢酸盐等具有酰胺基、羟基、聚亚烷基氧基、磺酸基、磷酸基、氨基、羧基或该等的盐等亲水性基团的化合物。

并且，还能够使用2-羟乙基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺、n-单羟甲基(甲基)丙烯酰胺、n-二羟甲基(甲基)丙烯酰胺、n-乙烯基吡咯烷酮、n-乙烯基乙酰胺、烯丙基胺及其卤化氢酸盐、聚氧乙二醇单(甲基)丙烯酸酯、分子中具有氨基酸骨架的单体(例如，n-甲基丙烯酰基氧乙基氨基甲酸、门冬氨酸)、以及分子中具有糖骨架的单体(例如，甘氧基乙基甲基丙烯酸酯)等。

作为除了高分子膜形成用组合物中可含有的主成分单体以外的单体(以下，还称为“其他单体”。)，可举出具有2个以上的聚合性基团的多官能单体(所谓的交联剂)。若高分子膜形成用组合物含有多官能单体，则容易得到具有三维网结构的高分子膜30，因此容易调整高分子膜30的含水率。

其他单体可以具有上述亲水性基团。

其他单体可以单独使用1种也可以同时使用2种以上。

当高分子膜形成用组合物含有其他单体时，其他单体相对于主成分单体及其他单体的合计质量的含有比例优选为0.05质量％以上，更优选为0.1质量％以上。上限并无特别限制，从容易调整含水率的方面考虑，优选为10质量％以下，更优选为5质量％以下。

作为其他单体的具体例，可举出n,n-亚甲基双丙烯酰胺、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、国际公开第2013/011273号及国际公开第2014/050992号中所记载的亲水性多官能单体等。

作为高分子膜形成用组合物中可含有的聚合物，优选具有亲水性基团的聚合物。亲水性基团的定义如上所述。

作为聚合物的具体例，可举出聚-n-乙烯基吡咯烷酮、改性聚乙烯醇、聚-n-乙烯基乙酰胺、聚丙烯酰胺、聚乙二醇等合成聚合物、琼脂糖、葡甘露聚糖、卡拉胶、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、软骨素硫酸、海藻酸等多糖类及其衍生物、以及明胶等聚氨基酸等。

聚合物可以单独使用1种也可以同时使用2种以上。

当高分子膜形成用组合物含有聚合物时，聚合物相对于主成分单体及聚合物的合计质量的含有比例优选为0.01质量％以上，更优选为0.1质量％以上。上限并无特别限制，从容易调整含水率的方面考虑，优选为15质量％以下，更优选为10质量％以下，更优选为5质量％以下。

高分子膜形成用组合物中，其他单体及聚合物的含量的合计相对于高分子膜形成用组合物的总质量(该情况下，是指总固体成分量。)优选为40质量％以下，更优选为30质量％以下，进一步优选为25质量％以下，更进一步优选为20质量％以下，尤其优选为15质量％以下，最优选为10质量％以下。并且，下限优选为2质量％以上，更优选为3质量％以上，进一步优选为5质量％以上。

若上述含量为2质量％以上，则能够提高高分子膜30的含水率，因此能够进一步抑制电解电压的上升。并且，若上述含量为40质量％以下，则所得到的高分子膜的溶胀少，且高分子膜容易自立，因此具有高分子膜的处理容易的优点。

另外，其他单体及聚合物的含量的合计是指，当仅含有一方时为仅一方的含量。

高分子膜形成用组合物的总固体成分量是指，高分子膜形成用组合物中所含有的除了溶剂以外的成分的合计质量。

高分子膜形成用组合物优选含有溶剂。作为溶剂，优选水。

溶剂的含量相对于高分子膜形成用组合物的总质量优选为40～99质量％，更优选为70～90质量％。

高分子膜形成用组合物可以含有除了上述以外的其他成分。作为其他成分，可举出聚合引发剂及聚合促进剂等，并能够使用公知的化合物。

高分子膜30优选为含有作为主成分的聚合物和水的凝胶膜。其中，“成为主成分的聚合物”是指，构成高分子膜30的总固体成分中含量最多的聚合物。尤其，当高分子膜30通过使用上述高分子膜形成用组合物而形成时，“成为主成分的聚合物”是指使上述高分子膜形成用组合物中所含有的“成为主成分的来源的成分(主成分单体)”聚合而得的聚合物。

从高分子膜30容易保持水的方面考虑，优选作为主成分的聚合物具有上述亲水性基团。

高分子膜30中，水的含量相对于高分子膜30的总质量优选为40～90质量％，更优选为60～80质量％。

高分子膜30中，作为主成分的聚合物的含量相对于高分子膜30的总固体成分量优选为60～99质量％，更优选为80～99质量％。

高分子膜30优选进一步含有高分子膜形成用组合物中所含有的以上述其他单体为来源的成分(即，其他单体所反应的状态)及高分子膜形成用组合物中所含有的上述聚合物(即，除了作为主成分的聚合物以外的聚合物)中的至少一者。

作为高分子膜30，还能够使用已知形成高强度的水凝胶的滑环材料(k.itoetal.,adv.mater.,13,485(2001).)、纳米复合凝胶(k.haraguchi,etal.,advmater.,14,1120(2002).)、双网络凝胶(gong,j.,etal,adv.mater.15,1155(2003).)、tetra-peg凝胶(t.sakaietal.,macromolecules,41,14,5379(2008))、混合凝胶(z.suo,etal,nature,489,133(2012).)等。

关于高分子膜30，为了提高强度而其两端由支承体32支承。作为构成支承体32的材料，并无特别限定，例如可举出树脂、金属。

图1的例子中例示了由支承体32保持高分子膜30的两端的一部分的方式，但并不限定于此。具体而言，支承体可以形成在高分子膜30的整个面上。该情况下，支承体可以与高分子膜30层叠，也可以存在于高分子膜30中。从进一步提高高分子膜30的机械强度的观点考虑，支承体优选存在于高分子膜30中。

作为层叠高分子膜30与支承体的方法，例如可举出将使高分子膜形成用组合物的膜完全固化之前的膜或完全固化而成的高分子膜30载置于支承体上的方法。并且，作为将支承体导入到高分子膜30中的方法，例如可举出将上述高分子膜形成用组合物涂布或含浸在支承体之后进行固化反应的方法。

当支承体形成于高分子膜的整个面上时，支承体优选为多孔膜(以下，还称为“多孔支承体”。)。作为多孔支承体，例如可举出合成织布、合成无纺布、海绵状薄膜及具有微细贯穿孔的薄膜等。作为形成多孔支承体的材料，例如可举出聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯等)、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚酯、聚酰胺及该等的共聚物、以及聚砜、聚醚砜、聚苯砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚胺酯(polyethermide)、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、乙酸纤维素、聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯、聚三氟氯乙烯及该等的共聚物。

当在多孔支承体涂布或含浸高分子膜形成用组合物时，多孔支承体优选由不吸收高分子膜形成用组合物的固化中使用的能量射线的照射波长的材料构成。作为这种材料的具体例，可举出聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯。

并且，当高分子膜形成用组合物含有通过热聚而形成高分子膜30的成分时，多孔支承体优选由热稳定性高的材料构成。作为这种材料的具体例，可举出聚碳酸酯。

多孔支承体可以为已实施电晕处理、臭氧处理、硫酸处理、硅烷偶联剂处理等亲水化处理的支承体。即，支承体优选具有亲水性。

当使用多孔支承体时，高分子膜形成用组合物优选为能够浸透多孔支承体的性质。例如，当多孔支承体具有亲水性，且高分子膜形成用组合物中所含有的成分具有亲水性基团时，高分子膜形成用组合物容易浸透多孔支承体。

从光的透射性的观点考虑，多孔支承体的空孔率优选为50％以上，更优选为70％以上。并且，空孔率的上限值优选为90％以下。

多孔支承体的空孔率能够作为每单位面积所占的空孔的面积的比率(％)通过用光学显微镜放大多孔支承体的表面而得的图像来求出。另外，当空孔为μm尺寸时，还能够使用扫描型电子显微镜。

多孔支承体的厚度优选为10～500μm，更优选为25～200μm。

当高分子膜30完全不具有离子交换基或具有离子交换基时，离子交换容量优选为6meq/g以下，更优选为3meq/g以下。若离子交换容量为6meq/g以下，则电解液中所含有的离子的移动很难被离子交换基阻碍，因此能够进一步抑制电解电压的上升。

另外，高分子膜30的离子交换容量通过后述实施例栏中所记载的方法而计算。

＜其他结构＞

从与阳极室42连接的第1配管62回收在阳极10中产生的气体。从与阴极室44连接的第2配管64回收在阴极20中产生的气体。

图1中虽未图示，但与后述图3相同，槽40中可以连接有用于供给电解液s的供给管及泵等。

在图1中例示了槽40的一表面的一部分由透明部件46构成的例子，但也可以是槽40的一表面整体由透明部件构成，也可以是槽40的除了透明部件46以外的表面由透明部件构成。

在图1的例子中示出了受光面为第1基板12的情况，但也可以配置阳极10以使第1光催化剂层16成为受光面。该情况下，以从照射光l的一侧依次成为第1光催化剂层16、第1导电层14、第1基板12的方式配置在槽40(阳极室42)内即可。

在图1中示出了阳极10及阴极20不与槽40的内壁面相接的情况，但并不限定于此，与后述图3相同，可以是阳极10及阴极20中的至少一种与槽40的内壁面相接而配置。

在图1中示出了阳极10及阴极20均为具有光催化剂层的光催化剂电极的情况，但并不限定于此，也可以是阳极10或阴极20中仅一者为光催化剂电极。

在图1中示出了装置1中仅通过光l的照射而从阳极10及阴极20产生气体的例子，但并不限定于此，也可以是与光的照射同时利用通过与阳极10及阴极20连接的电源进行的电压的施加而从阳极10及阴极20产生气体。

在图1的例子中，装置1中的槽40设置在水平面上，但与后述图3相同，也可以相对于水平面设置预先设定的角度来设置。

在图1中示出了槽40内装满有电解液s的例子，但并不限定于此，只要在驱动装置1时用电解液s装满槽40内即可。

[第2实施方式]

图2为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置100的侧视图，在本说明书中还将图2所示的装置100称为第2实施方式。

图2的装置100中不照射光l，通过经由导线150而与阳极110及阴极120连接的电源152对电极施加电压，且电分解电解液s而从各电极产生气体，主要在该方面与图1的装置1不同。

与图1的装置1相比，图2的装置100需要电源152，但具有能够简化阳极110、阴极120及槽140的结构的优点。

在以下的装置100的说明中，关于与图1相同的结构有时标注与图1相同的符号并省略其说明。并且，即使为符号不同的部件，关于具有与图1相同的结构的部分有时省略其说明。

如图2所示，装置100具有装满有电解液s的槽140、配置在槽40内的阳极110及阴极120及位于阳极110与阴极120之间且配置在槽40内的高分子膜30。阳极110及阴极120经由高分子膜30而配置在相对置的位置上。

槽140内通过高分子膜30而被划分为配置有阳极110的阳极室142和配置有阴极120的阴极室144。

作为构成槽140的材料的具体例，可举出金属、树脂及玻璃，从耐腐蚀性更优异的方面考虑，优选为树脂或玻璃。

若阳极110及阴极120分别具有导电性，则构成该等的材料并无特别限定，例如可举出pt、ir、au、ru、ni、fe、co等金属及该等的合金。

阳极110及阴极120经由导线150而与电源152连接。作为电源152，只要为能够对装置100施加电压而从阳极110及阴极120产生气体的装置，则并无特别限定。

导线150与图1的导线50相同。

图2中虽未图示，但与后述图3相同，槽140中可以连接有用于供给电解液s的供给管及泵等。

在图2中示出了阳极110及阴极120不与槽140的内壁面相接的情况，但并不限定于此，与后述图3相同，可以是阳极110及阴极120中的至少一种与槽140的内壁面相接而配置。

在图2的例子中，装置100中的槽140设置在水平面上，但与后述图3相同，也可以相对于水平面设置预先设定的角度来设置。

[第3实施方式]

图3为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置200的侧视图，在本说明书中还将图3所示的装置200称为第3实施方式。

图3的装置200具有罐102a、罐102b、供给管170a、供给管170b、排出管180a、排出管180b、泵104及气相色谱质谱仪190，除此以外，其结构大致与上述图2的装置100相同。

图3的装置200具有气相色谱质谱仪190，因此能够使用于在各电极中产生的气体的组成分析中。

在图3的装置200中，对与图2的装置100相同的部件标注相同的符号并省略其说明，而主要对与图2的装置100不同的部分进行说明。

在图3的装置200中，储藏在罐102a中的电解液s通过泵104经由供给管170a而供给于阳极室142内。供给到阳极室142内的电解液s经由排出管180a而返回到罐102a。同样地，储藏在罐102b中的电解液s通过泵104经由供给管170b而供给于阴极室144内。供给到阴极室144内的电解液s经由排出管180b而返回到罐102b。

另外，在图3的例子中示出了将罐102a与罐102b分开设置的情况，但并不限定于此，罐102a及罐102b也可以由1个罐构成。

在图3的装置200中，槽240被配置成相对于水平面b倾斜成角度φ。角度φ优选为30～90度，更优选为45～60度。若将槽240倾斜成角度φ而配置，则具有能够增加每单位面积的入射太阳光量的优点。

阳极210及阴极220分别与槽240的内壁面相接而配置，而并不与由支承体32支承的高分子膜30相接。

从阳极210产生的气体(例如，氧)与从阴极220产生的气体(例如，氢)经由第1配管62及第2配管64而通过气相色谱质谱仪190进行组成分析。

气相色谱质谱仪190中能够使用公知的装置(例如，agilenttechnologies的产品名“490microgc”)。

在图3中例示了使用气相色谱质谱仪190进行从各电极产生的气体的组成分析的例子，但并不限定于此。例如，装置200不具有气相色谱质谱仪190且与图1及图2相同而可以为从第1配管62及第2配管64回收在各电极中产生的气体的装置。

[第4实施方式]

图4为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置300的电极结构的侧视图，在本说明书中还将图4所示的装置300称为第4实施方式。

在图4的装置300中，阳极310、高分子膜30及阴极320沿与光l的行进方向串联的方向排列，主要在该方面与图1的装置1不同。

图4中，关于与图1相同的结构标注与图1相同的符号并省略其说明。并且，即使为符号不同的部件，对于具有与图1相同的结构的部分省略其说明。并且，关于图1中所示出的其他结构，有时也能够在图4的装置300中采用，并省略其说明及图示。

阳极310具有第1基板312、配置在第1基板上的第1导电层314及配置在第2导电层314上的第1光催化剂层316。阳极310以从照射光l的一侧以第1光催化剂层316、第2导电层314及第1基板312的顺序配置在槽340(阳极室342)内。

阴极320具有第2基板322、配置在第2基板322上的第2导电层324及配置在第2导电层324上的第2光催化剂层326。阴极320以从照射光l的一侧以第2光催化剂层326、第2导电层324及第2基板322的顺序配置在槽340(阴极室344)内。

并且，虽未图示，但槽340的上表面(光照射面)的至少一部分由透明部件构成以能够对槽340内照射光l。

在图4的例子中示出了受光面为第1光催化剂层316及第2光催化剂层326的情况，但也可以配置阳极310以使第1基板312及第2基板322成为受光面。该情况下，以从照射光l的一侧以第1基板312、第1导电层314及第1光催化剂层316的顺序在槽340(阳极室342)内配置阳极310即可。同样地，以从照射光l的一侧以第2基板322、第2导电层324及第2光催化剂层326的顺序在槽340(阴极室344)内配置阴极320即可。

在图4的例子中示出了通过光l的照射而从各电极产生气体的情况，但与第2实施方式相同，也可以是不照射光l而对各电极施加电压来从各电极产生气体的情况。

[第5实施方式]

图5为示意性地表示本发明的装置的一实施方式即装置400的电极结构的侧视图，在本说明书中还将图5所示的装置400称为第5实施方式。

图5的装置400中，阳极410与阴极420在相对于相同的平面垂直的方向上不同的位置配置有多个，主要在该方面与图1的装置1不同。

图5中，关于与图1相同的结构标注与图1相同的符号并省略其说明。并且，即使为符号不同的部件，对于具有与图1相同的结构的部分省略其说明。并且，关于图1中所示出的其他结构，也能够在图5的装置400中采用，并省略其说明及图示。

阳极410及阴极420分别与图1的阳极10及阴极20相同，可以具有基板、导电层及光催化剂层。并且，阳极410及阴极420中的光照射面能够形成为与图1的阳极10及阴极20相同。

另外，在图5的例子中示出了通过光l的照射而从各电极产生气体的情况，但与第2实施方式相同，也可以是不照射光l而对各电极施加电压来从各电极产生气体的情况。

实施例

以下，利用实施例对本发明进行详细说明。但是，本发明并不限定于此。

[高分子膜的制造]

将以成为表1的组成的方式将各成分进行混合而得到的高分子膜形成用组合物倒入模框中，并在60℃下静置1小时而使单体聚合。如此得到了膜厚1mm的高分子膜1～18。高分子膜1～18均为凝胶状。

并且，作为高分子膜19，准备了nafion(注册商标)117(dupont公司制，膜厚0.2mm、在侧链具有磺酸的含氟聚合物)。

表1中的高分子膜形成用组合物中所含有的成分如下。另外，表1中在“单官能单体”的“种类”的项目中，括号内所示的数值表示所使用的单官能单体的质量比。

(单官能单体)

·丙烯酰胺

·hema(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)

(聚合物)

·pvp(聚乙烯基吡咯烷酮)

·pva(japanvam&povalco.,ltd.制，改性聚乙烯醇(亲水性poval))

(多官能单体)

·多官能单体1(n,n-亚甲基双丙烯酰胺)

·多官能单体2(三乙二醇二甲基丙烯酸酯)

(其他成分)

·聚合引发剂1(过二硫酸铵)

·temed(四甲基乙二胺，聚合促进剂)

·水(纯水)

[高分子膜的物性]

＜含水率＞

各高分子膜的含水率根据将高分子膜在纯水(25℃)中浸渍了24小时的质量(浸渍后的高分子膜的质量)及在真空下且在室温(25℃)下将浸渍后的高分子膜干燥了24小时之后的质量(干燥后的高分子膜的质量)，按照上述式进行了测定。将结果示于表1。

＜操作性＞

将各高分子膜在纯水(25℃)中浸渍24小时之后，将具有5mmφ直径的圆柱压入各高分子膜中而对各高分子膜断裂的力进行了测定。

将断裂中所需要的力为500g以上的情况设为“a”，将100g以上且小于500g的情况设为“b”，将小于100g的情况设为“c”而进行了评价。另外，断裂中所需要的力越大则高分子膜的操作性越优异。将结果示于表1。

＜透光率＞

将各高分子膜在纯水(25℃)中浸渍24小时之后，对溶胀状态的高分子膜的波长300～800nm的波长区域下的透光率进行了测定。具体而言，在高分子膜的与照射面相反的一侧的表面安装白板，且通过紫外可见近红分光光度计(jascocorporation制，产品名“v-670”)并使用积分球进行了测定。

将波长300～800nm的范围内的透射率为80％以上的情况设为“a”，并将小于80％的情况设为“b”而进行了评价。将结果示于表1。

另外，当透射率为80％以上时，在肉眼观察中也呈透明。另一方面，当透射率小于80％时，关于在肉眼观察中发现白浊的高分子膜，在表中与评价结果一起记载为“白浊”。

＜高分子膜的表面状态＞

使用扫描型电子显微镜(产品名“su8020”，hitachihigh-technologiescorporation制)对将高分子膜1～18的表面放大5万倍而成的图像进行了观察的结果，在任意高分子膜中均未发现孔，可知是无孔的。

＜高分子膜的离子交换容量＞

各高分子膜的离子交换容量如下进行了计算。

首先，将各高分子膜在纯水(25℃)浸渍24小时之后，在室温(25℃)下将溶胀状态的高分子膜在10质量％的hno3水溶液中浸渍24小时而将高分子膜完全形成为酸型(h⁺型)。接着，将形成为酸型的高分子膜在纯水(25℃)中浸渍24小时而清洗之后，将清洗后的高分子膜在2m的nacl水溶液20ml中浸渍24小时以上而形成为碱型(na⁺型)，将所取代的h⁺在1m的naoh水溶液中进行中和滴定而求出了离子交换基量。指示剂中使用了酚酞溶液。

然后，通过以下式计算出各高分子膜的离子交换容量[meq/g]。将结果示于表1。另外，明确了表1的实施例1～12的高分子膜不具有离子交换基，且离子交换容量为0。因此，在实施例1～12中未实施离子交换容量的测定(另外，在表1中记载为“-”。)

高分子膜的离子交换容量[meq/g]＝(所滴加的naoh水溶液的浓度[mmol/cm³])×(所滴加的naoh水溶液的体积[cm³])/(高分子膜的干燥质量[g])

[电解电压的上升值的测定]

作为依照上述图2的结构的装置，准备了h型电化电池。作为h型电化电池的阳极及阴极分别配置了pt线电极。并且，在阳极与阴极之间配置有高分子膜1～19以防止与阴极及阳极相接。而且，对配置有阳极的阳极室及配置有阴极的阴极室填充相同组成的电解液(硼酸缓冲液)，并将阳极、阴极及高分子膜浸渍在电解液中。

接着，通过与阳极及阴极连接的电源对高分子膜施加8ma/cm²的电流，并测定了此时的电压(以下，还称为“设置有高分子膜时的电压”。)。

然后，计算设置有高分子膜时的电压与未设置高分子膜的状态下的电压之差[(设置有高分子膜时的电压)-(未设置高分子膜的状态下的电压)]，并将该值作为电解电压的上升值。

将评价结果示于表1。

[表1]

如表1所示，示出了若使用含水率为40％以上的高分子膜c实施例1～18)，则与使用了含水率小于40％的高分子膜的情况进行比较(比较例1)，电解电压的上升小。

[针对阴极室中的氧混入浓度的测定]

关于针对阴极室中的氧混入浓度，通过上述图3的装置200进行了测定。

具体而言，在图3的装置200中，阳极210及阴极220中使用了pt线电极，高分子膜30中使用了上述高分子膜1～19，且电解液s中使用了硼酸缓冲剂(k3bo3+koh：ph9.0)。

并且，阳极210及阴极220与电解液s接触的部分的面积与高分子膜30与电解液s接触的部分的面积的比例为1。

使用与阳极210及阴极220连接的电源(未图示)来驱动如此准备的图3的装置200，并进行电解液s的分解而从各电极产生了气体。而且，通过气相色谱质谱仪190对阴极室144中的气体中所含有的氧浓度进行了测定。

在实施例2、实施例8、实施例17及比较例1中，从阴极室144产生的气体中的氧浓度依次为0.4质量％、0.4质量％、0.3质量％及0.6质量％。并且，关于实施例1、3～7、9～16、18，从阴极室144产生的气体中的氧浓度均小于0.6质量％。

如此，示出了若使用含水率为40％以上的高分子膜(实施例1～18)，与使用了含水率小于40％的高分子膜的情况相比(比较例1)，气体的分离性优异。

符号说明

1、100、200、300、400-装置，10、110、210、310、410-阳极，12、312-第1基板，14、314-第1导电层，16、316-第1光催化剂层，20、120、220、320、420-阴极，22、322-第2基板，24、324-第2导电层，26、326-第2光催化剂层，30-高分子膜，32-支承体，40、140、240、340-槽，42、142、342-阳极室，44、144、344-阴极室，46-透明部件，50、150-导线，62-第1配管，64-第2配管，102a、102b-罐，104-泵，152-电源，170a、170b-供给管，180a、180b-排出管，190-气相色谱质谱仪，s-电解液，l-光，b-水平面，φ-角度。