JP5857194B2

JP5857194B2 - 光化学反応装置用集光装置

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Publication number: JP5857194B2
Application number: JP2015511842A
Authority: JP
Inventors: 龍太郎二口; 正樹山本; 由佳山田; 聡史四橋
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: US20150182937A1; WO2015019553A1; JPWO2015019553A1

Description

本発明は、太陽光を利用して光化学反応を行う光化学反応装置の光化学反応装置用集光装置に関する。

従来、特許文献１には、請求項７に、太陽電池の温度を安定化させる装置において、フレネルレンズを昇降させることにより集光度を調節することが開示されている。すなわち、太陽を追尾しつつ集光度を調節することが開示されており、例えば、正午頃では集光度を落とし、午前９時以前では集光度を増加させることが開示されている（段落００１６参照）。

特開２００１−１８９４７０号公報

しかしながら、前記構造を、太陽電池ではなく、光化学反応装置に適用した場合、光化学反応装置内で適切に光化学反応を起こすことができないという問題があった。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決する、光化学反応装置用集光装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の１つの態様によれば、光化学反応装置の電極に太陽光を集光させるレンズと、
前記レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動装置と、
前記光化学反応装置の前記電極にて起こる光化学反応に関する情報を取得する光化学反応情報取得部と、
前記光化学反応情報取得部で取得された前記光化学反応に関する情報を基に、前記電極での異常化学反応の有無を検出する異常化学反応検出部と、
前記異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときに前記レンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するように制御するレンズ位置制御部とを備える光化学反応装置用集光装置を提供する。

これらの概括的かつ特定の態様の一部は、システム、方法、コンピュータプログラム並びにシステム、方法及びコンピュータプログラムの任意の組み合わせにより実現してもよい。

本発明の前記態様によれば、異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときにレンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するようにレンズ位置制御部で制御することにより、光化学反応装置内で適切に光化学反応を起こすことができる。

本発明の第１実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置の概略説明図本発明の第１実施形態の変形例にかかる光化学反応装置用集光装置の概略説明図光化学反応装置用集光装置の詳細なブロック図光化学反応装置用集光装置の一部を示す説明図第１実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置で使用可能な光化学反応装置の一例としての二酸化炭素を還元するための装置の説明図図４の二酸化炭素を還元するための装置の金属配線が形成されていない対極を示す説明図図４の装置の複数の直線状の金属配線が形成されている対極を示す説明図図４の装置のメッシュの形状を有する複数の直線状の金属配線が形成されている対極を示す説明図図４の装置の対極の１つの具体的な例としてのアノード電極（光化学電極）の拡大断面図図４の装置の対極の別の具体的な例としてのアノード電極（光化学電極）の拡大断面図図５Ｄの対極のさらに別の例のアノード電極（光化学電極）の拡大断面図図５Ｅの対極のさらに別の例のアノード電極（光化学電極）の拡大断面図本発明の第１実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置による光化学反応装置用集光方法を説明するためのフローチャート本発明の第２実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置の詳細なブロック図本発明の第２実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置でのスポットがランダムに移動する状態を説明するための説明図本発明の第２実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置の追尾機構の正面図本発明の第２実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置の追尾機構の側面図本発明の第２実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置による光化学反応装置用集光方法を説明するためのフローチャート本発明の第３実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置の詳細なブロック図本発明の第３実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置による光化学反応装置用集光方法を説明するためのフローチャート

（本開示に至った知見）
特許文献１に記載されている構造を、太陽電池ではなく、光化学反応装置に適用した場合、次のような課題が生じ得る。つまり、レンズを移動させて太陽光を光化学反応装置のアノード電極に集光させるとき、集光度を一定にするように調節することはできるが、電極に対する太陽光の強度が強すぎる場合に集光度を低下させることができない。例えば、曇りから晴れに天候が変化し、電極に対する太陽光の強度が強すぎる場合には、アノード電極において発生した電子のすべてがカソード電極に流れず、アノード電極に過剰な電子が溜まることになる。すると、アノード電極自体で異常な化学反応を起こしてしまい、電極が溶け出すといった問題が生じ得る。

従って、本開示の目的は、前記問題を解決することにあって、光化学反応装置の電極に対する太陽光の強度が強すぎて発生する異常化学反応を低減させることができる、光化学反応装置用集光装置を提供することにある。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、光化学反応装置の電極に太陽光を集光させるレンズと、
前記レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動装置と、
前記光化学反応装置の前記電極にて起こる光化学反応に関する情報を取得する光化学反応情報取得部と、
前記光化学反応情報取得部で取得された前記光化学反応に関する情報を基に、前記電極での異常化学反応の有無を検出する異常化学反応検出部と、
前記異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときに前記レンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するように制御するレンズ位置制御部とを備える光化学反応装置用集光装置を提供する。

前記第１態様によれば、異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときにレンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するようにレンズ位置制御部で制御することにより、光化学反応装置内で適切に光化学反応を起こすことができる。具体的には、光化学反応装置の電極に対する太陽光の強度が強すぎて発生する異常化学反応を低減させることができる。

本発明の第２態様によれば、前記化学反応情報取得部は、前記電極に集光された前記太陽光を撮像して、撮像された前記太陽光の画像の情報を前記光化学反応に関する情報として取得する撮像装置であり、
前記異常化学反応検出部は、
前記撮像装置で撮像された画像の情報を基に、前記太陽光の光強度分布を検出する光強度分布検出部と、
前記光強度分布検出部で検出された前記光強度分布のピーク強度がピーク強度用閾値を超えたか否かを判定する判定部とを備え、
前記光強度分布の前記ピーク強度が前記ピーク強度用閾値を超えたと前記判定部で判定した場合に、前記異常化学反応が検出されたと判定し、前記光強度分布の前記ピーク強度が弱くなるように、前記レンズ位置制御部で前記レンズを移動させるように制御する、第１態様に記載の光化学反応装置用集光装置を提供する。

前記第２態様によれば、前記化学反応情報取得部として撮像装置を使用するようにしているので、太陽光の照射具合を直接読み取ることができ、前記異常化学反応の発生を事前に予測可能となって、判定部への情報伝達の迅速化を図ることができる。

本発明の第３態様によれば、前記化学反応取得部は、前記電極で発生する電流値を測定して、測定された前記電流値を前記光化学反応に関する情報として取得する電流計であり、
前記異常化学反応検出部は、
前記電流計で測定された前記電流値が電流値用閾値を超えたか否かを判定する判定部を備え、
前記電流値が前記電流値用閾値を超えたと前記判定部で判定した場合に、前記異常化学反応が検出されたと判定し、前記光強度分布の前記電流値が小さくなるように、前記レンズ位置制御部で前記レンズを移動させるように制御する、第１態様に記載の光化学反応装置用集光装置を提供する。

前記第３態様によれば、前記化学反応情報取得部として電流計を使用するようにしているので、前記異常化学反応状態を直接的に把握することができ、判定部への情報伝達を確
実に行うことができる。

本発明の第４態様によれば、前記異常化学反応検出部は、さらに、
前記撮像装置で撮像された画像の情報を基に、前記太陽光の前記電極でのスポットサイズを算出するスポットサイズ算出部とを備え、
前記光強度分布の前記ピーク強度が前記ピーク強度用閾値を超えたと前記判定部で判定した場合に、前記異常化学反応が検出されたと判定し、前記光強度分布の前記ピーク強度が弱くなるように、前記レンズ位置制御部で前記レンズを移動させて、前記太陽光の前記電極でのスポットサイズが前記算出されたスポットサイズよりも大きくなるように制御する、第２態様に記載の光化学反応装置用集光装置を提供する。

前記第４態様によれば、前記異常化学反応検出部はスポットサイズ算出部をさらに備えるので、ピーク強度とスポットサイズの関係より、適切なピーク強度を得るスポットサイズを算出し、スポットサイズとレンズ位置の関係から、適切なレンズ移動距離を直ちに算出することが可能となって、正常な化学反応を得るレンズ位置を常に保持しておくことが可能となる。

本発明の第５態様によれば、前記光化学反応装置と前記レンズと前記レンズ移動装置とを支持し、太陽の位置に合わせて仰角及び方位角を移動させる追尾機構と、
前記光化学反応装置と前記レンズと前記レンズ移動装置とを前記太陽の位置に合わせるように前記追尾機構の仰角及び方位角を移動させるように、前記追尾機構を動作制御する追尾機構制御部と、
前記光化学反応装置の前記電極の有効反応領域内において前記太陽の前記太陽光の前記電極でのスポットが移動するように前記追尾機構の仰角及び方位角を移動させるように、前記追尾機構制御部を介して前記追尾機構を動作制御するスポット位置制御部とをさらに備える、第１〜４のいずれか１つの態様に記載の光化学反応装置用集光装置を提供する。

前記第５態様によれば、電極の有効反応領域内の同一位置に太陽光のスポットが常に配置されるのではなく、時間的に移動させることにより、電極の有効反応領域内の特定の位置でのみ化学反応が発生するのではなく、有効反応領域内で均等に化学反応が発生することにより、電極の長寿命化を図ることができる。

本発明の第６態様によれば、前記スポット位置制御部による前記太陽の前記太陽光の前記電極での前記スポットの移動は、前記電極の有効反応領域内においてランダムに又はスパイラル状に前記スポットが移動する第５態様に記載の光化学反応装置用集光装置を提供する。

前記第６態様によれば、電極の有効反応領域内の同一位置に太陽光のスポットが常に配置されるのではなく、時間的に移動させることにより、電極の有効反応領域内の特定の位置でのみ化学反応が発生するのではなく、有効反応領域内で均等に化学反応が発生することにより、電極の長寿命化を図ることができる。

本発明の第７態様によれば、光化学反応装置の電極に太陽光を集光させるレンズと、
前記レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動装置と、
前記光化学反応装置の前記電極にて起こる光化学反応に関する情報を取得する光化学反応情報取得部とを備える光化学反応装置用集光装置の動作を制御する制御プログラムであって、
コンピュータに、
前記光化学反応情報取得部で取得された前記光化学反応に関する情報を基に、前記電極での異常化学反応の有無を検出する異常化学反応検出部と、
前記異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときに前記レンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するように制御するレンズ位置制御部と、
として機能させるための光化学反応装置用集光装置用制御プログラムを提供する。

前記第７態様によれば、異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときにレンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するようにレンズ位置制御部で制御することにより、光化学反応装置内で適切に光化学反応を起こすことができる。具体的には、光化学反応装置の電極に対する太陽光の強度が強すぎて発生する異常化学反応を低減させることができる。

以下、図面を参照して本発明における第１実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置は、図１Ａ〜図３に示すように、レンズ１０と、レンズ移動装置２５と、光化学反応情報取得部と、化学反応異常検出部２０と、レンズ位置制御部２２とを少なくとも備えて構成する。

フレネルレンズなどの集光レンズ１０は、太陽光９０を、後述する光化学反応装置９１の電極１０４に対して集光する。

レンズ移動装置２５は、集光レンズ１０を光軸方向Ｚに進退移動させる。レンズ移動装置２５は、連結部１１ａを有するレンズホルダ１１と、ネジ軸１２と、モータ１３と、エンコーダ１５とを備える。

集光レンズ１０はレンズホルダ１１で保持されている。レンズホルダ１１は、一端にナット状に加工された連結部１１ａを有しており、連結部１１ａが、レンズ１０の光軸方向Ｚに平行な軸方向を有するネジ軸１２にネジ込まれている。ネジ軸１２は、モータ１３の回転軸にカップリング１４を介して連結されており、モータ１３の回転軸の正逆回転駆動により、ネジ軸１２は正逆回転される。ネジ軸１２が正逆回転されると、ネジ軸１２に対してレンズホルダ１１の連結部１１ａがネジ軸１２の軸方向すなわちレンズ光軸方向Ｚに進退移動し、レンズ１０がレンズ光軸方向Ｚに進退移動する。モータ１３の回転軸には、エンコーダ１５が連結されており、エンコーダ１５でモータ１３の回転軸の回転角度を検出して、エンコーダ信号として、後述するレンズ位置制御部２２に出力する。

光化学反応情報取得部は、光化学反応装置９１の電極１０４にて起こる光化学反応に関する情報を取得するものであり、一例としては撮像装置である。また、この撮像装置の具体的な一例としては、カメラ１６である。カメラ１６は、光化学反応装置９１の電極１０４の透過光９２の画像を撮像して、画像データを取得して、化学反応異常検出部２０に出力する。

化学反応異常検出部２０は、一例として、光強度分布検出部１７と、スポットサイズ算出部１８と、判定部１９とで構成されている。

光強度分布検出部１７は、カメラ１６で撮像した画像データが入力され、画像データを基に、光強度分布のピーク強度（最大光強度）を光強度測定値Ｉ_ｍｅｓとして求める。具体的には、光強度分布検出部１７は、電極１０４の透過光９２をカメラ１６で観測することで検出する。光強度分布検出部１７で検出された光強度分布の情報は、スポットサイズ算出部１８に出力される。光強度分布の観測例を図２の８０のグラフで示す。グラフ８０の横軸は透過光９２のスポットの位置であり、縦軸は光強度であり、最も高い高さがピーク強度（最大光強度）すなわち光強度測定値Ｉ_ｍｅｓである。

スポットサイズ算出部１８は、光強度分布検出部１７で検出された光強度分布の情報を基に、電極１０４の透過光９２の外径すなわちスポットサイズを算出して、算出結果を判定部１９に出力する。スポットの観測例を図２の８１の円で示す。円８１の直径がスポットサイズである。

判定部１９は、光強度分布検出部１７で検出された光強度分布のピーク強度がピーク強度用閾値を越えていないかどうかを判定する。もし、検出された光強度分布のピーク強度がピーク強度用閾値を越えていると判定部１９で判定された場合には、その判定結果をレンズ位置制御部２２に出力する。

レンズ位置制御部２２は、光強度分布のピーク強度が弱くなるように、スポットサイズ算出部１８で算出されたスポットサイズよりも大きなスポットサイズとなるレンズ１０の位置を算出する。ここで、レンズ移動量と光強度とスポットサイズとの関係を表すグラフ又はテーブルを予め作成して記憶部２１に記憶させておき、レンズ位置制御部２２で記憶部２１のグラフ又はテーブルを参照することにより、光強度分布のピーク強度が弱くなるレンズ１０の位置を目標値として算出する。一方、レンズ位置制御部２２は、スポットサイズ算出部１８で算出されたスポットサイズとネジ軸１２のネジピッチとエンコーダ１５の分解能及び回転角度の情報とから、測定時のレンズ１０の位置を算出する。よって、測定時のレンズ１０の位置と目標値として算出されたレンズ１０の位置との差、すなわち、レンズ移動量をレンズ位置制御部２２で求めて、レンズ位置制御部２２からモータ１３にモータ駆動信号として出力して、モータ１３を駆動制御する。この結果、モータ１３によりネジ軸１２が回転されて、レンズ１０が、目標値としてのレンズ１０の位置まで光軸方向Ｚに移動し、光強度分布のピーク強度が弱くなり、電極１０４での異常化学反応が低減される。

光化学反応装置用集光装置９３を使用可能な光化学反応装置９１は、一例として、二酸化炭素を還元するための装置が例示される。

図４は、第１実施形態にかかる光化学反応装置９１の一例としての二酸化炭素を還元するための装置を示す。当該装置は、陰極室１０２、陽極室１０５、及び、固体電解質膜１０６を具備する。

陰極室１０２は、作用極１０１を具備する。

作用極１０１は、第１電解液１０７に接している。具体的には、作用極１０１は第１電解液１０７に浸漬されている。

作用極１０１の材料の例は、銅、金、銀、カドミウム、インジウム、錫、鉛、又は、これらの合金である。作用極１０１の材料の好適な例は銅である。蟻酸の量を増やすためには、作用極１０１の材料の一例としてはインジウムである。作用極１０１の材料の他の例は、二酸化炭素を還元可能な金属化合物である。当該材料が第１電解液１０７に接する限り、作用極１０１の一部のみが第１電解液１０７に浸漬され得る。

陽極室１０５は対極（陽極側の電極）１０４を具備する。

対極１０４は、第２電解液１０８に接している。具体的には、対極１０４は第２電解液１０８に浸漬されている。

対極１０４は、図５Ａに示されるように、窒化物半導体から形成される窒化物半導体領
域（有効反応領域）３０２を表面に具備する。当該窒化物半導体は、好ましくは窒化ガリウム又は窒化アルミニウムガリウムである。図５Ａでは、対極１０４の表面の一部に正方形の窒化物半導体領域３０２が形成されている。しかし、対極１０４の全ての表面に窒化物半導体領域３０２が形成され得る。窒化物半導体領域３０２の形状は正方形に限定されない。

図５Ｂ及び図５Ｃに示されるように、一例として、窒化物半導体領域３０２に金属配線３０３が設けられる。金属配線３０３は、一例として、窒化物半導体領域３０２に接する。窒化物半導体領域３０２には、レンズ１０を介して太陽光９０が照射される。太陽光９０は金属配線３０３にも照射される。

図５Ｂに示されるように、複数の金属配線３０３が設けられ得る。各金属配線３０３は線状である。そして、当該複数の金属配線３０３は互いに平行である。

図５Ｃに示されるように、メッシュの形状を有する複数の金属配線３０３が設けられ得る。金属配線３０３の形状は特に限定されない。

金属配線３０３は、一例として、窒化物半導体とオーミック接合とを形成し得る。金属配線３０３の材料の一例は、チタンである。具体的には、金属配線３０３は、チタン配線、チタン／ニッケル積層配線、チタン／アルミニウム積層配線、チタン／金積層配線、又はチタン／銀積層配線である。金属配線３０３の材料の好適な例は、チタン／ニッケル積層配線である。

当該窒化物半導体が第２電解液１０８に接する限り、対極１０４の一部のみが第２電解液１０８に浸漬され得る。

対極１０４の一例について、説明する。

図５Ｄは、対極１０４の一例としてのアノード電極（光化学電極）１０４Ａの基本構造を示す。アノード電極１０４Ａは、太陽光が照射される面側から順に、窒化物半導体材料で構成される第１半導体層２１１と、導電性基材２１５と、ｐｎ接合構造を有する第２半導体層２１２とが積層された構造を有する。また、アノード電極１０４Ａは、前記構造に加え、導電性基材２１５と第２半導体層２１２とを電気的に接続する電極部２１６と、端子電極部２１７とを有する。

第１半導体層２１１は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０≦ｘ≦０．２５、以下、「ＡｌＧａＮ層」とも記す。）２１３、及びｎ型ＧａＮ層（以下、「ｎ−ＧａＮ層」とも記す。）２１４から構成される。

第２半導体層２１２は、ｐｎ接合構造を有するものであり、第１半導体層２１１のｎ−ＧａＮ層２１４側とｐ型半導体層を介して電気的に接続される。

アノード電極１０４Ａの作製方法は限定されないが、一般的に下記の方法１と方法２とがある。

方法１は、まず、ベースとなる導電性基材２１５の一方の面に、ｎ−ＧａＮ層２１４、ＡｌＧａＮ層２１３の順に第１半導体層２１１を形成する。次に、導電性基材２１５の他方の面に、電極部２１６を介して、ｐｎ接合構造を有する第２半導体層２１２を形成する。なお、第２半導体層２１２のｐ型半導体層は、電極部２１６側となるよう形成される。その後、第２半導体層２１２のｎ型半導体層に、端子電極部２１７を付加する。これによ
り、アノード電極１０４Ａを作製できる。

また、方法２は、まず、ベースとなる導電性基材２１５の一方の面に、ｎ−ＧａＮ層２１４、ＡｌＧａＮ層２１３の順に第１半導体層２１１を形成する。次に、別途作製したｐｎ接合構造を有する第２半導体層２１２からなる構造体を、電極部２１６を介して導電性基材２１５の他方の面に電気的に接続する。その後、第２半導体層２１２のｎ型半導体層に、端子電極部２１７を付加する。これにより、アノード電極１０４Ａを作製できる。なお、方法２により作製されたアノード電極１０４Ａおいて、電極部２１６は、導電性基材２１５の他方の面及び第２半導体層２１２のｐ型半導体層の表面の一部に設けられる。

端子電極部２１７は、アノード電極１０４Ａの接続端子であり、導線を介してカソード電極に接続される。その際、アノード電極１０４Ａとカソード電極とは、ポテンショスタット等の外部電源を介することなく、電気的に接続される。

なお、アノード電極１０４Ａを構成する窒化物半導体からなる第１半導体層２１１は、薄膜として形成することが一般的であり、導電性基材２１５上へ窒化物半導体の薄膜を形成することが可能な方法であれば、特に限定されない。例えば、有機金属気相エピタキシー法などが挙げられる。

導電性基材２１５は、第２半導体層２１２にも光を照射させる必要があることを考慮し、透光性を有するものである。導電性基材２１５の材料として、例えば、低抵抗な単結晶窒化ガリウム（ＧａＮ）基材、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）基材、炭化シリコン（ＳｉＣ）基材、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）基材等が挙げられる。

また、電極部２１６は、薄膜状の金属層であり、例えば、真空蒸着法により作製される。なお、導電性基材２１５と第２半導体層２１２とが損失無く電気的に接続可能な場合は、電極部２１６を省略し、直接、導電性基材２１５と第２半導体層２１２とを接続してもよい。

図５Ｅは、図５Ｄの電極部２１６の代わりに、透明導電層２１９を介して、第１半導体層２１１と第２半導体層２１２とを接合した、対極１０４の別の例としてのアノード電極１０４Ｂを示す断面図である。アノード電極の構成は、第１半導体層２１１と第２半導体層２１２とが電気的に接続され、かつ第２半導体層２１２に第１半導体層２１１の透過光が照射される構成であれば、接続部の構成は限定されない。

さらに、アノード電極１０４Ａ及び１０４Ｂの酸素生成効率及び耐久性を高めるために、図５Ｆのアノード電極１０４Ｃ及び図５Ｇのアノード電極１０４Ｄとして示されるように、複数の酸化ニッケル微粒子２１８が、ＡｌＧａＮ層２１３の表面に分散され得る。

陰極室１０２の内部には、第１電解液１０７が保持される。陽極室１０５の内部には、第２電解液１０８が保持される。

第１電解液１０７の例は、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、硫酸カリウム水溶液、又は、リン酸カリウム水溶液である。第１電解液１０７の好適な例は、炭酸水素カリウム水溶液である。第１電解液１０７は、一例として、二酸化炭素が第１電解液１０７に溶解した状態において弱酸性である。

第２電解液１０８の例は、水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化カリウム水溶液である。第２電解液１０８の好適な例は、水酸化ナトリウム水溶液である。第２電解液１０８は、一例として強塩基性である。

第１電解液１０７の溶質と第２電解液１０８の溶質は同一であってもよいが、異なっていてもよい。

第１電解液１０７は二酸化炭素を含有する。二酸化炭素の濃度は特に限定されない。

第１電解液１０７を第２電解液１０８から分離するために、固体電解質膜１０６は陰極室１０２及び陽極室１０５の間に挟まれている。すなわち、本装置では、第１電解液１０７及び第２電解液１０８は混ざらない。

固体電解質膜１０６は、プロトンのみが通過し、かつ、他の物質が通過できない限り、特に限定されない。固体電解質膜１０６の例は、ナフィオン（登録商標）である。

作用極１０１は作用極端子１１０を具備する。対極１０４は対極端子１１１を具備する。

作用極端子１１０及び対極端子１１１は、導線１１２により電気的に接続されている。すなわち、作用極１０１は導線１１２を介して対極１０４に電気的に接続されている。図５Ｂ及び図５Ｃに示されるように、金属配線３０３は、対極端子１１１に電気的に接続されている。本装置では、作用極１０１及び対極１０４の間には、電源が電気的に挟まれていない。電源の例は、電池及びポテンシオスタットである。

（二酸化炭素の還元方法）
次に、上述された装置を用いて、二酸化炭素を還元する方法を説明する。

二酸化炭素還元装置は、室温かつ大気圧下に置かれ得る。

図４に示されるように、レンズ１０を介して、対極１０２に太陽光９０が照射される。対極１０２の少なくとも一部に太陽光９０が照射される。対極１０２の全てに太陽光９０が照射され得るようにしてもよい。太陽光９０は、作用極１０１には照射されない。

金属配線３０３は、窒化物半導体領域３０２の表面に設けられ得る。すなわち、太陽光９０は金属配線３０３及び窒化物半導体領域３０２に照射される。さらに、金属配線３０３は、一例として、絶縁性材料（図示せず）で被覆されている。

図４に示されるように、本装置は、一例として、上端が外気と連通する管１０９を具備する。一例として、当該管１０９を通って第１電解液１０７に二酸化炭素が外気から供給されながら、第１電解液１０７に含有される二酸化炭素が還元される。管１０９の下端は、第１電解液１０７に浸漬されている。別の例としては、二酸化炭素の還元を開始する前に、管１０９を通って二酸化炭素を供給することによって、充分な量の二酸化炭素を第１電解液１０７に溶解することも可能である。

作用極１０１が、銅、金、銀、カドミウム、インジウム、錫、又は、鉛のような金属を具備する場合、第１電解液１０７に含有される二酸化炭素は還元されて、一酸化炭素又は蟻酸を生成することができる。

次に、光化学反応装置用集光装置９３を使用して行う光化学反応装置用集光方法について、図６のフローチャートを基に説明する。

まず、ステップＳ１において、光化学反応装置９１の電極１０４における光強度分布のピーク強度の設定値Ｉ_ｏｐｔｍを決めて、入力装置２３などから設定値Ｉ_ｏｐｔｍをピーク強度用閾値として記憶部２０に記憶させる。この設定値Ｉ_ｏｐｔｍは、後のステップにおいて判定部１９でピーク強度用閾値としても使用する。設定値Ｉ_ｏｐｔｍとしては、光化学反応装置９１の電極１０４が異常に化学反応して溶け出すような異常化学反応が発生する最大限度の光強度Ｉ_ｍａｘ（例えば、５Ｗ／ｃｍ^２）を設定してもよい。又は、設定値Ｉ_ｏｐｔｍは、平均的な太陽光の強度Ｉ_ａｖｅとして、例えば、１Ｗ／ｃｍ^２のような値を設定してもよい。また、設定値Ｉ_ｏｐｔｍとしては、最大限度の光強度Ｉ_ｍａｘそのものの値を設定するのではなく、若干の許容範囲を設けるため、最大限度の光強度Ｉ_ｍａｘから許容範囲の数値だけ小さな値を設定してもよい。

次いで、ステップＳ２において、記憶部２０に記憶させた設定値Ｉ_ｏｐｔｍに基づいてレンズ位置制御部２２でモータ１３を駆動して、レンズ１０を光軸方向Ｚに移動させるとともに、光化学反応装置９１の電極１０４における光強度分布のピーク強度の光強度測定値Ｉ_ｍｅｓを測定する。光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍになる位置まで、レンズ位置制御部２２でモータ１３を駆動して、レンズ１０を光軸方向Ｚに移動させる。光強度分布のピーク強度の光強度測定値Ｉ_ｍｅｓは、光強度分布検出部１７により光強度分布を検出し、その高さを光強度測定値Ｉ_ｍｅｓとする。

次いで、ステップＳ３において、光化学反応装置９１の電極１０４における光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍになったのち、所定時間後、再び、光強度分布のピーク強度をカメラ１６で測定して、光強度分布検出部１７で光強度測定値Ｉ_ｍｅｓを求めて、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓを判定部１９へ出力する。

このとき、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓの測定は、まず、カメラ１６で、光化学反応装置９１の電極１０４の透過光９２を撮像して観測し、撮像画像を光強度分布検出部１７に出力する。次いで、光強度分布検出部１７では、撮像画像を基に光強度分布のピーク強度を光強度測定値Ｉ_ｍｅｓとして求め、求められた光強度分布の情報をスポットサイズ算出部１８へ出力する。次いで、スポットサイズ算出部１８では、光強度分布の情報を基に、スポットサイズ（透過光９２の直径）を求める。スポットサイズ算出部１８で求められたスポットサイズと、光強度分布検出部１７で求められた光強度分布のピーク強度である光強度測定値Ｉ_ｍｅｓとの情報を、スポットサイズ算出部１８から判定部１９へ出力する。

次いで、ステップＳ４において、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍ以下であるか否かを判定部１９で判定する。

ステップＳ４において光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍ以下であると判定部１９で判定する場合、ステップＳ５に進む。すなわち、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍ以下であると判定部１９で判定する場合、光強度不足であり、人工光合成の効率が低下しているので、光強度を上げるようにレンズ１０を移動させる必要がある。よって、ステップＳ５に進み、光強度を上げる方向に、言い換えれば、スポットサイズが小さくなる方向にレンズ１０を移動させるためのレンズ移動量をレンズ位置制御部２２で算出する。具体的には、レンズ位置制御部２２が光強度測定値Ｉ_ｍｅｓと設定値Ｉ_ｏｐｔｍとの差を求め、その差を基に、レンズ位置制御部２２が記憶部２１を参照して、レンズ移動量を算出する。その後、ステップＳ６に進む。

このとき、レンズ移動量は、以下のようにして、レンズ位置制御部２２で算出する。

まず、レンズ位置と光強度とスポットサイズとの関係を表すグラフ又はテーブルを予め作成して記憶部２１に記憶させておく。光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍ以下で
あると判定部１９で判定する場合（例えば、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍ以下でかつ両者の差が誤差範囲よりも大きいと判定部１９で判定する場合）、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓと設定値Ｉ_ｏｐｔｍとに基づき、レンズ位置制御部２２が光強度測定値Ｉ_ｍｅｓと設定値Ｉ_ｏｐｔｍとの差を求める。次いで、その差と、スポットサイズ算出部１８で求められた測定時のスポットサイズと、測定時のレンズ１０の位置とを基に、レンズ位置制御部２２が、記憶部２１を参照して、レンズ移動量を決定する。すなわち、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓと設定値Ｉ_ｏｐｔｍとの差から、測定時のスポットサイズをどこまで大きくするかを算出し、算出したスポットサイズに対応するレンズ１０の位置を求め、算出した位置と測定時のレンズ１０の位置との差がレンズ移動量である。なお、レンズ位置制御部２２は、スポットサイズ算出部１８で算出されたスポットサイズとネジ軸１２のネジピッチとエンコーダ１５の分解能及び回転角度の情報とから、測定時のレンズ１０の位置を算出する。

一方、ステップＳ４において光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍを越えると判定部１９で判定する場合、ステップＳ８に進む。すなわち、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍを越えると判定部１９で判定する場合、光強度が過大であり、先に説明したように光化学反応装置９１の電極１０４に損傷が発生する可能性があるので、光強度を下げるようにレンズ１０を移動させる必要がある。よって、ステップＳ８に進み、光強度を下げる方向に、言い換えれば、スポット径が大きくなる方向にレンズ１０を移動させるためのレンズ移動量をレンズ位置制御部２２で算出する。具体的には、レンズ位置制御部２２が光強度測定値Ｉ_ｍｅｓと設定値Ｉ_ｏｐｔｍとの差を求め、その差を基に、レンズ位置制御部２２が記憶部２１を参照して、レンズ移動量を算出する。その後、ステップＳ６に進む。

次いで、ステップＳ６において、レンズ位置制御部２２では、算出したレンズ移動量に基づき、モータ１３を駆動して、レンズ１０をレンズ移動量だけ移動させる。その後、ステップＳ７に進む。

次いで、ステップＳ７において、レンズ１０をレンズ移動量だけ移動させたのち、所定時間後、再び、光強度をカメラ１６で測定して、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓを求めて、判定部１９へ出力する。その後、ステップＳ４に戻る。

ここで、レンズ１０を頻繁に移動させるのを避ける場合には、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍ以下であっても、所定の許容範囲内であると判定部１９で判定する場合、レンズ１０は移動させずに、そのままの位置で維持するようにしてもよい。そして、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓが設定値Ｉ_ｏｐｔｍ以下であり、かつ、所定の許容範囲外であると判定部１９で判定する場合のみ、光強度不足として、先のレンズ移動動作を行うようにしてもよい。

前記第１実施形態によれば、異常化学反応検出部２０で異常化学反応が検出されたときにレンズ１０を移動させて、異常化学反応の発生を低減するようにレンズ位置制御部２２で制御することにより、光化学反応装置９１の電極１０４に対する太陽光９０の強度が強すぎて発生する異常化学反応を低減させることができる。

なお、第１実施形態では、化学反応情報の取得のために、化学反応情報取得部の一例としてのカメラ１６を用いてその画像データを取得して、取得した画像データを、図２に示す化学反応異常検出部２０に出力している。しかしながら、これに限られるものではなく、化学反応情報の取得には、カメラ１６による画像データの代わりに、作用極端子１１０と対極端子１１１の間に電流計を化学反応情報取得部の別の例として挿入し、この電流値Ａ_ｍｅｓを化学反応情報として化学反応異常検出部２０に出力する構成としてもよい。

即ち、電流値Ａ_ｍｅｓを化学反応異常検出部２０内の判定部１９に直接入力する構成とする。そして、電流値Ａ_ｍｅｓが電流値用閾値を越えたと判定部１９で判定する場合、レンズ１０を電極１０４から遠ざける方向に移動させ、レンズ１０による集光を緩めるようにすれば、化学反応は異常状態を脱出して正常状態に復帰させることができ、その時点でレンズ移動を停止させればよく、化学反応は正常状態を維持することができる。

なお、上述した電流計を挿入する構成の代わりに、作用極端子１１０と対極端子１１１間の電位を測定するための電位計を化学反応情報取得部のさらに別の例として構成しても、同様の効果が得られる。

なお、第１実施形態では、電極１０４の透過光９２を撮像装置としてのカメラ１６で観測する構成が、カメラ１６を光の入射側、即ちレンズ１０が配置される側に設置して、透過光ではなく、電極１０４の反射散乱光を観測することも有効である。この場合、散乱光の強度と光が散乱する範囲、即ち散乱領域が同時に観測されることになり、散乱光の強度の定義をＩ_ｍｅｓとし、散乱領域を前述したスポットサイズに置き換えて処理すればよい。

この場合のカメラ１６を設置する位置は、図１Ｂに示すように、アーム１６ａを介してカメラ１６をレンズ１０が配置される側に向けるような箇所である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置について説明する。図７Ａに示すように、第２実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置が第１実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置と異なる点は、太陽軌道計算部４０と、太陽光追尾機構４２と、追尾機構制御部４１と、スポット位置制御部４３とを備えていることである。

太陽軌道計算部４０は、公知のように太陽の軌道を計算して、計算結果として、仰角位置情報と方位角位置情報を追尾機構制御部４１に出力する。

ここで、太陽を追尾する構成としては、たとえば、太陽追尾装置が太陽光を検出するセンサを備え、このセンサが検出する太陽光の強さに基づいて、太陽を追尾する構成が知られている。すなわち、センサが検出する太陽光が最も強くなる方角に太陽が位置するものとみなし、レンズ１０の光軸方向Ｚを当該方角に向けるという構成である。このほかにも、日付と時刻とに基づいて、太陽の方角（方位角と仰角）を算出し、算出した方角に、レンズ１０の光軸方向Ｚを向けるという構成も知られている。さらに、これら二つの構成を組み合わせた構成も知られている。これらの太陽を追尾する構成により求められた仰角位置情報と方位角位置情報を太陽軌道計算部４０から追尾機構制御部４１に出力する。

追尾機構制御部４１は、太陽軌道計算部４０から出力される仰角位置情報と方位角位置情報とを基に、追尾機構４２を駆動制御する。

追尾機構４２は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、方位角用モータ５１と、方位角用ウォームギヤ５２と、方位角用ロータリエンコーダ５３と、方位角用旋回機構５９と、仰角用モータ５５と、仰角用ウォームギヤ５６と、仰角用ロータリエンコーダ５７と仰角用旋回機構６０とを備えて構成する。第１実施形態の光化学反応装置用集光装置は、方位角用旋回機構５９の上部に支持されている（図１Ａ参照）。

追尾機構制御部４１の制御の下に方位角用モータ５１が正逆回転駆動される。方位角用モータ５１の正逆回転駆動により方位角用ウォームギヤ５２を正逆回転させ、方位角用ウ
ォームギヤ５２に螺合した方位角用旋回機構５９が方位角用中心軸５４周りに正逆回転する。方位角用モータ５１の正逆回転は、方位角用ロータリエンコーダ５３により検出されて、追尾機構制御部４１に出力される。

また、追尾機構制御部４１の制御の下に仰角用モータ５５が正逆回転駆動される。仰角用モータ５５の正逆回転駆動により仰角用ウォームギヤ５６を正逆回転させ、仰角用ウォームギヤ５６に螺合した仰角用旋回機構６０が仰角用中心軸５８周りに正逆回転する。仰角用モータ５５の正逆回転は、仰角用ロータリエンコーダ５７により検出されて、追尾機構制御部４１に出力される。

スポット位置制御部４３は、光化学反応装置９１の電極１０４の有効反応領域３０２内において（有効反応領域３０２内からはみ出ない範囲で）太陽の透過光９２のスポットが移動するように追尾機構４２の仰角の位置情報及び方位角の位置情報を算出して、算出結果を追尾機構制御部４１に出力する。追尾機構制御部４１は、スポット位置制御部４３から入力された仰角の位置情報及び方位角の位置情報に基づき、追尾機構４２を動作制御して、透過光９２のスポットを移動させる。スポット位置制御部４３による太陽の透過光９２のスポットの移動は、電極１０４の有効反応領域３０２内においてランダムに（図７Ｂ参照）又はスパイラル状に又は円周上を移動するように、スポットが移動する。ただし、図７Ｂでは、黒丸印は、透過光９２のスポットの配置可能な位置であり、電極１０４の有効反応領域３０２内で同時にすべての黒丸印に透過光９２が配置されるのではなく、いずれか１つの黒丸印にのみ透過光９２が配置されることを意味している。スパイラル状にスポットが移動するとは、透過光９２のスポットが例えば電極１０４の有効反応領域３０２の中心位置から渦巻を描くように外周に向けて旋回しながら移動する状態を意味する。このように、同一位置に透過光９２のスポットが常に配置されるのではなく、時間的に移動させることにより、電極１０４の有効反応領域３０２内の特定の位置でのみ化学反応が発生するのではなく、有効反応領域３０２内で均等に化学反応が発生することにより、電極１０４の長寿命化を図ることができる。

スポット位置制御部４３において、光化学反応装置９１の電極１０４の有効反応領域３０２内で太陽の透過光９２のスポットが移動させるタイミングとしては、常時（警告信号の有無とは無関係に、例えば、一日間隔など所定時間間隔で）移動させる場合に限らず、例えば、第１実施形態の判定部１９で、検出された光強度分布のピーク強度がピーク強度用閾値を越えていると判定された場合に、判定部１９から警告信号をスポット位置制御部４３に出力し、判定部１９から警告信号がスポット位置制御部４３に入力されると、スポットを移動させるようにしてもよい。

このような、警告信号に基づくスポット位置制御について、以下に説明する。

すなわち、図９に示すように、ステップＳ４で検出された光強度分布のピーク強度がピーク強度用閾値を越えていると判定されてステップＳ８に進んだ後、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、判定部１９からスポット位置制御部４３に警告信号を出力する。その後、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６を第１実施形態と同様に行ったのち、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、判定部１９からスポット位置制御部４３に警告信号が入力されておれば、前記したスポット位置制御を行う。具体的には、スポット位置制御部４３で、光化学反応装置９１の電極１０４の有効反応領域３０２内において、太陽の透過光９２のス
ポットがランダムに又はスパイラル状に又は円周上を移動するように追尾機構４２の仰角の位置情報及び方位角の位置情報を算出して、算出結果を追尾機構制御部４１に出力する。追尾機構制御部４１は、スポット位置制御部４３から入力された仰角の位置情報及び方位角の位置情報に基づき、追尾機構４２を動作制御して、透過光９２のスポットをランダムに又はスパイラル状に又は円周上を移動させる。その後、ステップＳ７に進む。

この第２実施形態によれば、電極１０４の有効反応領域３０２内の同一位置に透過光９２のスポットが常に配置されるのではなく、時間的に移動させることにより、電極１０４の有効反応領域３０２内の特定の位置でのみ化学反応が発生するのではなく、有効反応領域３０２内で均等に化学反応が発生することにより、電極１０４の長寿命化を図ることができる。

なお、第２実施形態では、化学反応状態の検出にカメラ１６を用いてその画像データを取得することにより、図７Ａに示す化学反応異常検出部２０に出力していたが、化学反応状態の検出にはカメラ１６による画像データの代わりに、作用極端子１１０と対極端子１１１の間に電流計を挿入し、この電流値Ａ_ｍｅｓを化学反応異常検出部２０に出力する構成としてもよい。

即ち、電流値Ａ_ｍｅｓを化学反応異常検出部２０内の判定部１９に直接入力する構成とする。この場合、電流値Ａ_ｍｅｓが閾値を越えたタイミングで警告信号が判定部１９からスポット位置制御部４３に出力されることとなる。

なお、上述した電流計を挿入する構成の代わりに、作用極端子１１０と対極端子１１１間の電位を測定するための電位計を構成しても同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図１０は本発明の第３実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置の詳細なブロック図であり、図１１は、本発明の第３実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置による光化学反応装置用集光方法を説明するためのフローチャートである。第３実施形態にかかる光化学反応装置用集光装置は、第１実施形態の光化学反応装置用集光装置９３Ｃの化学反応異常検出部２０Ｃにおいて、スポットサイズ算出部を省略して、光強度分布検出部１７で検出した光強度分布のピーク強度（最大光強度）である光強度測定値Ｉ_ｍｅｓがピーク強度用閾値Ｉ_ＴＨＲ以下であるかを判定部１９で判定するものである（ステップＳ４Ａ参照）。

よって、図１１のフローチャートにおいて、ステップＳ１〜ステップＳ３は第１実施形態と同様の動作を行ったのち、ステップＳ４Ａに進む。

ステップＳ４Ａにおいては、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓがピーク強度用閾値Ｉ_ＴＨＲ以下であると判定部１９で判定する場合、ステップＳ５に進む。すなわち、光強度測定値Ｉ_ｍｅｓがピーク強度用閾値Ｉ_ＴＨＲ以下であると判定部１９で判定する場合、光強度不足であり、人工光合成の効率が低下しているので、光強度を上げるようにレンズ１０を移動させる必要がある。よって、ステップＳ５に進み、光強度を上げる方向に、言い換えれば、スポットサイズが小さくなる方向にレンズ１０を移動させるためのレンズ移動量をレンズ位置制御部２２で算出する。具体的には、レンズ位置制御部２２が光強度測定値Ｉ_ｍｅｓとピーク強度用閾値Ｉ_ＴＨＲとの差を求め、その差を基に、レンズ位置制御部２２が記憶部２１を参照して、レンズ移動量を算出する。その後、ステップＳ６に進む。

一方、ステップＳ４Ａにおいて光強度測定値Ｉ_ｍｅｓがピーク強度用閾値Ｉ_ＴＨＲを越えると判定部１９で判定する場合、ステップＳ８に進む。すなわち、光強度測定値Ｉ_ｍｅ
_ｓがピーク強度用閾値Ｉ_ＴＨＲを越えると判定部１９で判定する場合、光強度が過大であり、先に説明したように光化学反応装置９１の電極１０４に損傷が発生する可能性があるので、光強度を下げるようにレンズ１０を移動させる必要がある。よって、ステップＳ８に進み、光強度を下げる方向に、言い換えれば、スポット径が大きくなる方向にレンズ１０を移動させるためのレンズ移動量をレンズ位置制御部２２で算出する。具体的には、レンズ位置制御部２２が光強度測定値Ｉ_ｍｅｓとピーク強度用閾値Ｉ_ＴＨＲとの差を求め、その差を基に、レンズ位置制御部２２が記憶部２１を参照して、レンズ移動量を算出する。その後、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６などの他のステップの動作は、第１実施形態と同様である。

この第３実施形態によれば、スポットサイズ算出部を省略することができて、構造的によりコンパクトなものとなる。

なお、本発明を第１〜第３実施形態及び変形例に基づいて説明してきたが、本発明は、前記の第１〜第２実施形態及び変形例に限定されないのはもちろんである。以下のような場合も本発明に含まれる。

前記各部の一部又は全部は、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクユニット、ディスプレイユニット、キーボード、マウスなどから構成されるコンピュータシステムである。前記ＲＡＭ又はハードディスクユニットには、コンピュータプログラムが記憶されている。前記マイクロプロセッサが、前記コンピュータプログラムにしたがって動作することにより、各部は、その機能を達成する。ここでコンピュータプログラムは、所定の機能を達成するために、コンピュータに対する指令を示す命令コードが複数個組み合わされて構成されたものである。

例えば、ハードディスク又は半導体メモリ等の記録媒体に記録されたソフトウェア・プログラムをＣＰＵ等のプログラム実行部が読み出して実行することによって、各構成要素が実現され得る。なお、前記実施形態又は変形例における集光装置の一部を構成する要素の一部又は全部を実現するソフトウェアは、以下のようなプログラムである。つまり、このプログラムは、コンピュータに、
前記光化学反応情報取得部で取得された前記光化学反応に関する情報を基に、前記電極での異常化学反応の有無を検出する異常化学反応検出部と、
前記異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときに前記レンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するように制御するレンズ位置制御部と、
として機能させるための制御プログラムである。

また、このプログラムは、サーバなどからダウンロードされることによって実行されてもよく、所定の記録媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭなどの光ディスク、磁気ディスク、又は、半導体メモリなど）に記録されたプログラムが読み出されることによって実行されてもよい。

また、このプログラムを実行するコンピュータは、単数であってもよく、複数であってもよい。すなわち、集中処理を行ってもよく、あるいは分散処理を行ってもよい。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる光化学反応装置用集光装置は、異常化学反応検出部で異常化学反応が検
出されたときにレンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するようにレンズ位置制御部で制御することにより、光化学反応装置内で適切に光化学反応を起こすことができ、太陽光を利用して光化学反応を行う光化学反応装置の光化学反応装置用集光装置等として有用である。

１０レンズ
１１レンズホルダ
１１ａ連結部
１２ネジ軸
１３モータ
１４カップリング
１５エンコーダ
１６カメラ
１７光強度分布検出部
１８スポットサイズ算出部
１９判定部
２０，２０Ｃ化学反応異常検出部
２１記憶部
２２レンズ位置制御部
２３入力装置
２５レンズ移動装置
４０太陽軌道計算部
４１追尾機構制御部
４２追尾機構
４３スポット位置制御部
５１方位角用モータ
５２方位角用ウォームギヤ
５３方位角用ロータリエンコーダ
５４方位角用中心軸
５５仰角用モータ
５６仰角用ウォームギヤ
５７仰角用ロータリエンコーダ
５８仰角中心軸
５９方位角用旋回機構
６０仰角用旋回機構
８０光強度分布の観測例
８１スポットの観測例
９０太陽光
９１光化学反応装置
９２透過光
９３，９３Ｃ光化学反応装置用集光装置
１０１作用極
１０２陰極室
１０４電極
１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄアノード電極
１０５陽極室
１０６固体電解質膜
１０７第１電解液
１０８第２電解液
１０９管
１１０作用極端子
１１１対極端子
１１２導線
２１１第１半導体層
２１２第２半導体層
２１３ＡｌＧａＮ層
２１４ｎ型ＧａＮ層
２１５導電性基材
２１６電極部
２１７端子電極部
３０２窒化物半導体領域
３０３金属配線

Claims

光化学反応装置の電極に太陽光を集光させるレンズと、
前記レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動装置と、
前記光化学反応装置の前記電極にて起こる光化学反応に関する情報を取得する光化学反応情報取得部と、
前記光化学反応情報取得部で取得された前記光化学反応に関する情報を基に、前記電極での異常化学反応の有無を検出する異常化学反応検出部と、
前記異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときに前記レンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するように制御するレンズ位置制御部とを備える光化学反応装置用集光装置。
前記光化学反応情報取得部は、前記電極に集光された前記太陽光を撮像して、撮像された前記太陽光の画像の情報を前記光化学反応に関する情報として取得する撮像装置であり、
前記異常化学反応検出部は、
前記撮像装置で撮像された画像の情報を基に、前記太陽光の光強度分布を検出する光強度分布検出部と、
前記光強度分布検出部で検出された前記光強度分布のピーク強度がピーク強度用閾値を超えたか否かを判定する判定部とを備え、
前記光強度分布の前記ピーク強度が前記ピーク強度用閾値を超えたと前記判定部で判定した場合に、前記異常化学反応が検出されたと判定し、前記光強度分布の前記ピーク強度が弱くなるように、前記レンズ位置制御部で前記レンズを移動させるように制御する、請求項１に記載の光化学反応装置用集光装置。
前記光化学反応情報取得部は、前記電極で発生する電流値を測定して、測定された前記電流値を前記光化学反応に関する情報として取得する電流計であり、
前記異常化学反応検出部は、
前記電流計で測定された前記電流値が電流値用閾値を超えたか否かを判定する判定部を備え、
前記電流値が前記電流値用閾値を超えたと前記判定部で判定した場合に、前記異常化学反応が検出されたと判定し、前記電流値が小さくなるように、前記レンズ位置制御部で前記レンズを移動させるように制御する、請求項１に記載の光化学反応装置用集光装置。
前記異常化学反応検出部は、さらに、
前記撮像装置で撮像された画像の情報を基に、前記太陽光の前記電極でのスポットサイズを算出するスポットサイズ算出部とを備え、
前記光強度分布の前記ピーク強度が前記ピーク強度用閾値を超えたと前記判定部で判定した場合に、前記異常化学反応が検出されたと判定し、前記光強度分布の前記ピーク強度が弱くなるように、前記レンズ位置制御部で前記レンズを移動させて、前記太陽光の前記電極でのスポットサイズが前記算出されたスポットサイズよりも大きくなるように制御する、請求項２に記載の光化学反応装置用集光装置。
前記光化学反応装置と前記レンズと前記レンズ移動装置とを支持し、太陽の位置に合わせて仰角及び方位角を移動させる追尾機構と、
前記光化学反応装置と前記レンズと前記レンズ移動装置とを前記太陽の位置に合わせるように前記追尾機構の仰角及び方位角を移動させるように、前記追尾機構を動作制御する追尾機構制御部と、
前記光化学反応装置の前記電極の有効反応領域内において前記太陽の前記太陽光の前記電極でのスポットが移動するように前記追尾機構の仰角及び方位角を移動させるように、
前記追尾機構制御部を介して前記追尾機構を動作制御するスポット位置制御部とをさらに備える、請求項１〜４のいずれか１つに記載の光化学反応装置用集光装置。
前記スポット位置制御部による前記太陽の前記太陽光の前記電極での前記スポットの移動は、前記電極の有効反応領域内においてランダムに又はスパイラル状に前記スポットが移動する請求項５に記載の光化学反応装置用集光装置。
光化学反応装置の電極に太陽光を集光させるレンズと、
前記レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動装置と、
前記光化学反応装置の前記電極にて起こる光化学反応に関する情報を取得する光化学反応情報取得部とを備える光化学反応装置用集光装置の動作を制御する制御プログラムであって、
コンピュータに、
前記光化学反応情報取得部で取得された前記光化学反応に関する情報を基に、前記電極での異常化学反応の有無を検出する異常化学反応検出部と、
前記異常化学反応検出部で異常化学反応が検出されたときに前記レンズを移動させて、異常化学反応の発生を低減するように制御するレンズ位置制御部と、
として機能させるための光化学反応装置用集光装置用制御プログラム。