(57)【要約】【課題】簡易な構成としつつ、エネルギー変換効率を向上し得る還元装置、還元方法およびエネルギー生成・貯蔵システムを提案する。【解決手段】還元装置2では、光子のエネルギーをアップコンバージョンした第二次高調波L4による光励起により金属材料16に還元反応を起こさせることができるので、従来のような大掛かりな加熱装置が不要となり、その分、装置全体を簡素な構成とし得る。また、還元装置2では、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光L3を生成し、当該レーザ光L3の光子のエネルギーをアップコンバージョンした第二次高調波L4を金属材料16に照射できることから、金属材料16の還元反応に寄与していない長い波長域の光も金属材料16の還元反応に寄与させることができ、その分、エネルギー変換効率を向上し得る。【選択図】図１
2017213536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料または水でなる反応体の酸化反応後の反応生成体を還元する還元装置において、
光が照射されると、前記光のうち、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光を生成するレーザ発振器と、
光の入射方向に沿って周期的に分極反転した構造を有し、前記レーザ発振器から入射された前記レーザ光を波長変換して、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域の高次高調波を生成する非線形光学素子と、
容器内部に前記反応生成体を収容し、前記非線形光学素子から出射された前記高次高調波が前記反応生成体に照射される反応容器と
を備えることを特徴とする還元装置。
【請求項２】
前記レーザ発振器には太陽光が入射される
ことを特徴とする請求項１に記載の還元装置。
【請求項３】
前記非線形光学素子は、前記反応容器に覗き窓として設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の還元装置。
【請求項４】
酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料または水でなる反応体の酸化反応後の反応生成体を還元する還元方法において、
レーザ発振器に光が照射され、前記レーザ発振器によって、前記光のうち、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光が吸収されることにより単一波長のレーザ光が生成されるレーザ光生成ステップと、
光の入射方向に沿って周期的に分極反転した構造を有する非線形光学素子に前記レーザ発振器から前記レーザ光が入射され、前記非線形光学素子によって前記レーザ光が波長変換されることにより、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域の高次高調波が生成される波長変換ステップと、
反応容器の容器内部に収容された前記反応生成体に、前記非線形光学素子から出射された前記高次高調波を照射し、前記反応生成体に還元反応を起こさせる還元反応ステップと
を備えることを特徴とする還元方法。
【請求項５】
酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な反応体を備えたエネルギー生成・貯蔵システムにおいて、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の還元装置と、
所望するタイミングで前記還元装置の反応容器内に酸素を供給する酸素供給制御部と
を備えることを特徴とするエネルギー生成・貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元装置、還元方法およびエネルギー生成・貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能な燃料を用いるエネルギーサイクルとして、マグネシウムをエネルギー貯蔵媒体として利用し、当該マグネシウムを酸化させることによりマグネシウムに貯蔵されたエネルギーを取り出すことが考えられている。そして、反応生成体である酸化マグネシウムは、還元反応を起こさせることにより、再びマグネシウムに戻すことができるため、エネルギーの貯蔵や、エネルギーの輸送媒体となることが期待されている。
【０００３】
酸化マグネシウム等のように酸化還元反応サイクルによってエネルギーの生成・貯蔵が可能な金属酸化物の還元方法としては、例えば、特許文献１（特開2011-255291号公報）に示すように、金属酸化物を加熱し、熱による金属酸化物の還元を行うことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2011-255291号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属酸化物を加熱することにより当該金属酸化物を還元する従来の装置では、例えばエネルギー貯蔵に有望な金属種とされるマグネシウムの場合、酸化マグネシウムを還元させるために酸化マグネシウムを4000［℃］まで加熱する必要がある。そのため、従来の装置では、酸化マグネシウムを高温まで加熱させる大掛かりな加熱装置が必要となり、その分、装置全体の構成が複雑化してしまうという問題があった。  
【０００６】
また、このような従来の装置では、酸化マグネシウムを加熱する際、酸化マグネシウムが高温に加熱されるだけでなく、加熱によって装置全体も発熱（温度上昇）することから、大部分の熱エネルギーが無駄に失われてしまい、エネルギー変換効率が低くなるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、簡易な構成としつつ、エネルギー変換効率を向上し得る還元装置、還元方法およびエネルギー生成・貯蔵システムを提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するため本発明による還元装置は、酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料または水でなる反応体の酸化反応後の反応生成体を還元する還元装置において、光が照射されると、前記光のうち、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光を生成するレーザ発振器と、光の入射方向に沿って周期的に分極反転した構造を有し、前記レーザ発振器から入射された前記レーザ光を波長変換して、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域の高次高調波を生成する非線形光学素子と、容器内部に前記反応生成体を収容し、前記非線形光学素子から出射された前記高次高調波が前記反応生成体に照射される反応容器とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の還元方法は、酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料または水でなる反応体の酸化反応後の反応生成体を還元する還元方法において、レーザ発振器に光が照射され、前記レーザ発振器によって、前記光のうち、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光が吸収されることにより単一波長のレーザ光が生成されるレーザ光生成ステップと、光の入射方向に沿って周期的に分極反転した構造を有する非線形光学素子に前記レーザ発振器から前記レーザ光が入射され、前記非線形光学素子によって前記レーザ光が波長変換されることにより、前記反応生成体に還元反応を起こさせる波長域の高次高調波が生成される波長変換ステップと、反応容器の容器内部に収容された前記反応生成体に、前記非線形光学素子から出射された前記高次高調波を照射し、前記反応生成体に還元反応を起こさせる還元反応ステップとを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のエネルギー生成・貯蔵システムは、酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な反応体を備えたエネルギー生成・貯蔵システムにおいて、上記の還元装置と、所望するタイミングで前記還元装置の反応容器内に酸素を供給する酸素供給制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光子のエネルギーをアップコンバージョンした高次高調波による光励起により反応生成体に還元反応を起こさせることができるので、従来のような大掛かりな加熱装置が不要となり、その分、装置全体を簡素な構成とし得る。また、本発明では、反応生成体に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光を生成し、当該レーザ光の光子のエネルギーをアップコンバージョンした高次高調波を反応生成体に照射できることから、反応生成体の還元反応に寄与していない長い波長域の光も反応生成体の還元反応に寄与させることができ、その分、エネルギー変換効率を向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるエネルギー生成・貯蔵システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】太陽光エネルギーの利用率の説明に供するグラフである。
【図３】スペーサ治具の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
【００１４】
（１）エネルギー生成・貯蔵システムの構成
図１は、本発明によるエネルギー生成・貯蔵システム1を示し、このエネルギー生成・貯蔵システム1は、還元装置2を備えており、当該還元装置2に設けられた反応容器10の容器内部に酸素を供給可能な酸素供給制御部3が設けられている。還元装置2は、非線形光学素子6と、太陽光L1を非線形光学素子6に導く光学系4と、酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料16を容器内部に収容した反応容器10とを備えている。
【００１５】
この実施の形態の場合、エネルギー生成・貯蔵システム1は、金属材料16として、例えばマグネシウムを用いることができ、マグネシウムを酸化させることによりエネルギーを生成し、金属材料16の反応生成体である酸化マグネシウムを、太陽光を利用して還元することにより、再びエネルギーが貯蔵されたマグネシウムの状態とし、エネルギーの生成と貯蔵とを繰り返し行えるようになされている。
【００１６】
マグネシウムの反応生成体である酸化マグネシウムは、従来法の水素を用いたプラズマ還元を行う場合、反応を起こすのに必要な最小エネルギーの目安となる反応エンタルピーが360[kJ/mol]となる。これは光子のエネルギーとして3.7[eV]に相当し、光の波長としては330[nm]にあたる。すなわち、太陽光のうち、この還元反応に寄与する波長域は330[nm]以下と言える。この実施の形態の場合、エネルギー生成・貯蔵システム1は、光学系4および非線形光学素子6によって、金属材料16の還元反応に寄与する波長域（330[nm]以下の波長域）の光を太陽光から生成し、これを金属材料16に照射するように設計されている。また、この実施の形態においては、水素を容器内部に供給する水素供給制御部（図示せず）が反応容器10に設けられており、水素雰囲気下で330[nm]以下の波長域の光を金属材料16に照射することにより当該金属材料16に還元反応を起こさせ得る。
【００１７】
実際上、光学系4は、太陽光L1を集光レンズ4aにより集光し、これをレーザ発振器4bに出射する。レーザ発振器4bは、例えば太陽光励起レーザ発振器であり、集光レンズ4aで集光された太陽光L2を受光すると、太陽光L2のうち、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光L3を生成し、これを非線形光学素子6に出射する。なお、ここでは、光学系として、集光レンズ4aおよびレーザ発振器4bを設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これら集光レンズ4aおよびレーザ発振器4bに加えてプリズム等その他の光学素子を設けた構成でなる光学系としてもよい。
【００１８】
この実施の形態の場合、レーザ発振器4bは、太陽光L2を受光することにより、太陽光L2に含まれる、例えば660[nm]までの波長域の光全てを吸収し、当該660[nm]の単一波長でなるレーザ光L3を生成し得る。ここで、レーザ発振器4bで生成するレーザ光L3の波長は、金属材料16の還元反応に寄与する波長と、後述する非線形光学素子6で生成される高次高調波の波長とを基に決まる。ここでは、上述したように、酸化マグネシウムの還元反応に寄与する波長域が330[nm]以下であり、かつ、後述する非線形光学素子6で入射光の1/2波長の第二次高調波が生成されることから、レーザ発振器4bにより生成されるレーザ光L3の波長は、酸化マグネシウムに還元反応を起こさせる波長域よりも長い660[nm]としている。
【００１９】
ここで、太陽光L2には、図２に示すように、380[nm]未満の紫外線の他、380[nm]〜780[nm]の可視光線、780[nm]を超える近赤外線等の広範囲の波長の光が含まれている。酸化マグネシウムの還元反応に寄与する330[nm]以下の波長の光の割合は約0.4％（光子数としては0.1％）に過ぎない。レーザ発振器4bは、太陽光のうち、660[nm]までの波長域全てを吸収して単一波長のレーザ光L3を生成していることから、図２に示したように、太陽光のうち、660［nm］までの波長域全てがレーザ光L3の生成に寄与していると言え、太陽光のうち、約42%のエネルギー（25%の光子）を利用してレーザ光L3を生成していることになる。
【００２０】
レーザ発振器4bは、所定波長までの波長全てを吸収してレーザ光L3を生成していることから、太陽光L2に含まれる特定の単一波長のみからレーザ光を生成する場合よりも、放射エネルギー（光子のエネルギー×光子数）が大きい単一波長（660[nm]）のレーザ光L3を生成し得る。
【００２１】
レーザ発振器4bは、レーザ媒質として、例えば、ルビー結晶等が用いられており、これにより660[nm]までの波長域の光全てを吸収して単一波長（660[nm]）のレーザ光L3を生成し得る。
【００２２】
レーザ発振器4bからレーザ光L3が照射される非線形光学素子6は、例えば、PPLN（periodically poled lithium niobate：周期的分極反転ニオブ酸リチウム）、BBO結晶（barium borate：ホウ酸バリウム）、KTP結晶（potassium titanyl phosphate：チタン酸リン酸カリウム）等の非線形光学材料から形成されており、光の入射方向と直交する方向に分極方向がある分極層7aと、当該分極層7aの分極方向が180度反転した分極反転層7bとが、光の入射方向に沿って交互に配置され、周期的に分極反転した構造を有する。非線形光学素子6は、レーザ光L3が入射されると、レーザ光L3の波長を下げ、光子のアップコンバージョンにより光子のエネルギーが大きい第二次高調波L4（高次高調波）を生成し、これを反応容器10内の金属材料16に向けて照射する。すなわち、非線形光学素子6は、波長660［nm］のレーザ光L3を、光子のエネルギーが大きい波長330［nm］の第二次高調波L4に変換し、これを反応容器10内の金属材料16に照射する。
【００２３】
また、非線形光学素子6は、所定の波長域までの光全てを吸収して生成された、放射エネルギーが大きい単一波長のレーザ光L3を受光し、当該レーザ光L3から第二次高調波L4を生成していることから、レーザ光L3の放射エネルギーに対応して、第二次高調波L4の放射エネルギーも大きくなり、この点で太陽光の変換効率が高い第二次高調波L4を生成し得る。
【００２４】
反応容器10には、密閉された容器内部に載置台13が設けられており、酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料16を収容した、るつぼ等の収容部14が、載置台13上に設けられている。反応容器10は、気密性を保ち光が透過可能な石英ガラス等でなる覗き窓11を所定位置に備えており、非線形光学素子6から出射した第二次高調波L4が覗き窓11を透過して、密閉された容器内部の金属材料16に照射され得る。
【００２５】
この実施の形態の場合、反応容器10は、酸素供給制御部3および水素供給制御部（図示せず）に接続された供給管18aと、容器内部の気体を排気する排気管18bと、を壁部に備えている。反応容器10には、金属材料16に還元反応を起こさせる際、水素供給制御部から供給管18aを介して容器内部に水素が供給され、容器内部を水素雰囲気下とし、非線形光学素子6から出射した第二次高調波L4が覗き窓11から金属材料16に照射され得る。金属材料16の反応生成体である金属酸化物としての酸化マグネシウムは、水素を用いたとき、還元反応に寄与する波長域が330[nm]以下であるため、当該波長域の第二次高調波L4が照射されることで光励起による還元反応が起き、再びマグネシウムとなりエネルギーを貯蔵した状態となり得る。
【００２６】
反応容器10は、金属材料16の還元反応が終了すると、容器内部への水素の供給が停止されて密閉状態が維持され、容器内部が真空状態となったり、或いは、供給管18aから窒素等の非酸化性気体が供給されたりすることで、金属材料16の酸化反応が抑制され、金属材料16にエネルギーが貯蔵された状態を維持させ得る。その後、金属材料16に貯蔵されたエネルギーを生成する際には、使用者により酸素供給制御部3が操作されることにより、酸素供給制御部3から反応容器10内に酸素が供給され、金属材料16に酸化反応を起こさせ得る。金属材料16からエネルギーを生成する際には、覗き窓11を遮蔽板（図示せず）により遮蔽し、金属材料16への第二次高調波L4の照射を防止してもよい。
【００２７】
エネルギー生成・貯蔵システム1は、ペルチェ素子のような熱電素子を反応容器10に設けてもよく、この場合、金属材料16の酸化反応による発熱を熱電素子によって電力に変換できる。また、エネルギー生成・貯蔵システム1は、液体や気体等の伝熱媒体が流れる配管を反応容器10の外壁に沿って設け、金属材料16の酸化反応による発熱により伝熱媒体を加熱し、加熱した伝熱媒体を利用してタービンを回転等させるようにしてもよい。
【００２８】
（２）作用および効果
以上の構成において、還元装置2では、太陽光L2が照射されることにより、当該太陽光L2に含まれる光のうち、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光L3を生成するレーザ発振器4bと、レーザ光L3を波長変換して金属材料16に還元反応を起こさせる波長域の第二次高調波L4を生成する非線形光学素子6とを設け、反応容器10内の金属材料16に当該第二次高調波L4を照射するようにした。
【００２９】
従って、還元装置2では、光子のエネルギーをアップコンバージョンした第二次高調波L4による光励起により金属材料16に還元反応を起こさせることができるので、従来のような大掛かりな加熱装置が不要となり、その分、装置全体を簡素な構成とし得る。また、還元装置2では、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光L3を生成し、当該レーザ光L3の光子のエネルギーをアップコンバージョンした第二次高調波L4を金属材料16に照射できることから、金属材料16の還元反応に寄与していない長い波長域の光も金属材料16の還元反応に寄与させることができ、その分、エネルギー変換効率を向上し得る。
【００３０】
（３）他の実施の形態
（３−１）第三次高調波を利用した還元装置
なお、上述した実施の形態においては、高次高調波として第二次高調波L4を金属材料16に照射する還元装置2について述べたが、本発明はこれに限らず、高次高調波として第三次高調波を金属材料に照射する還元装置としてもよい。例えば上述した還元装置2と同様に、水素を用いて酸化マグネシウムに還元反応を起こさせるときには、レーザ発振器4bにおいて太陽光L2に含まれる光のうち所定波長（990[nm]）までの光を吸収して単一波長（990[nm]）のレーザ光L3を生成する。このようなレーザ発振器4bとしては、レーザ媒質としてYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶等を用いた固体レーザを適用できる。
【００３１】
また、非線形光学素子6は、レーザ光L3を1/3波長に波長変換して、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域（330[nm]）の第三次高調波を生成し、これを反応容器10内の金属材料16に照射する。このように、第三次高調波を生成する非線形光学素子6としては、LN結晶（lithium niobate：ニオブ酸リチウム）等を非線形光学材料として使用した、周期的分極反転構造を有する非線形光学素子を適用できる。
【００３２】
レーザ発振器4bでは、太陽光のうち、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い990[nm]までの波長全てを吸収して単一波長（990[nm]）のレーザ光L3を生成していることから、図２に示したように、太陽光のうち、990［nm］までの波長域全てがレーザ光L3の生成に寄与していると言え、太陽光のうち、約73%のエネルギー（54%の光子）を利用してレーザ光L3を生成したことになる。
【００３３】
この還元装置では、上述した実施の形態と同様に装置全体を簡素な構成とし得る他、一段と長い波長域の光までを吸収して単一波長のレーザ光L3を生成し、当該レーザ光L3の光子のエネルギーをアップコンバージョンした第二次高調波L4を金属材料16に照射できる。よって、この還元装置では、一段と長い波長の光も金属材料16の還元に寄与させることができ、その分、エネルギー変換効率を一段と向上し得る。
【００３４】
（３−２）水素を用いないで金属材料に還元反応を起こさせる還元装置
上述した実施の形態においては、反応容器10内に水素を供給して水素雰囲気下で酸化マグネシウムを還元する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、反応容器10内に水素を供給せずに酸化マグネシウムを還元するようにしてもよい。水素を用いずに酸化マグネシウムを還元する場合には、反応エタルピーが600[kJ/mol]であり、これは光子のエネルギーとして6.2[eV]に相当し、光の波長としては200[nm]にあたる。すなわち、太陽光のうち、この還元反応に寄与する波長域は200[nm]以下と言える。
【００３５】
オゾン層等の上空での吸収により、太陽光のうち200[nm]以下の波長成分の光は皆無であると言えるが、本発明では、このような場合でも、光学系4および非線形光学素子6により200[nm]以下の波長域の高次高調波を生成するように設計することで、酸化マグネシウムを還元させることができる。
【００３６】
レーザ発振器4bでは、太陽光L2に含まれる光のうち、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長（400[nm]）までの光全てを吸収して単一波長（400[nm]）のレーザ光L3を生成する。このようなレーザ発振器4bとしては、レーザ媒質としてGaN（窒化ガリウム）等を用いた光励起型半導体レーザを適用でき、これにより400[nm]の波長域までの光全てを吸収して400[nm]のレーザ光L3を生成し得る。
【００３７】
非線形光学素子6は、レーザ光L3が入射されると、レーザ光L3の波長を下げ、光子のアップコンバージョンにより光子のエネルギーが大きい第二次高調波L4（高次高調波）を生成し、これを反応容器10内の金属材料16に向けて照射する。すなわち、非線形光学素子6は、波長400［nm］のレーザ光L3を、光子のエネルギーが大きい波長200［nm］の第二次高調波L4に変換し、これを反応容器10内の金属材料16に照射する。
【００３８】
レーザ発振器4bでは、太陽光のうち、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い400[nm]までの波長全てを吸収して単一波長（400[nm]）のレーザ光L3を生成していることから、太陽光のうち、400［nm］までの波長域全てがレーザ光L3の生成に寄与していると言え、太陽光のうち、約5%のエネルギー（2%の光子）を利用してレーザ光L3を生成したことになる。
【００３９】
この還元装置でも、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光全てを吸収して生成されたレーザ光L3から、光子のエネルギーをアップコンバージョンした第二次高調波L4を生成し、これを金属材料16に照射したことにより、上述した実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００４０】
また、他の実施の形態としては、水素を用いずに第三次高調波を金属材料16に照射するようにしてもよい。例えば水素を用いずに酸化マグネシウムに還元反応を起こさせるときには、レーザ発振器4bにおいて太陽光L2に含まれる光のうち所定波長（600[nm]）までの光を吸収して特定波長（600[nm]）のレーザ光L3を生成する。このようなレーザ発振器4bとしては、レーザ媒質としてルビー結晶等を用いた固体レーザを適用できる。
【００４１】
レーザ発振器4bでは、太陽光のうち、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域よりも長い600[nm]までの波長全てを吸収して単一波長（600[nm]）のレーザ光L3を生成していることから、太陽光のうち、600［nm］までの波長域全てがレーザ光L3の生成に寄与していると言え、太陽光のうち、約34%のエネルギー（19%の光子）を利用してレーザ光L3を生成したことになる。非線形光学素子6は、このようなレーザ光L3を1/3波長に波長変換して、金属材料16に還元反応を起こさせる波長域（200[nm]）の第三次高調波を生成し、これを反応容器10内の金属材料16に照射する。
【００４２】
この還元装置では、上述した実施の形態と同様に装置全体を簡素な構成とし得る他、一段と長い波長域の光までを吸収して単一波長のレーザ光L3を生成し、当該レーザ光L3の光子のエネルギーをアップコンバージョンした第三次高調波を金属材料16に照射できる。よって、この還元装置では、一段と長い波長の光も金属材料16の還元反応に寄与させることができ、その分、エネルギー変換効率を一段と向上し得る。
【００４３】
（３−３）反応体について
上述した実施の形態においては、反応体として、例えばマグネシウムでなる金属材料16を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、マンガン等の金属材料を反応体として適用してもよく、また、水を反応体として適用してもよい。この場合、反応生成体の還元反応に寄与する波長域よりも長い所定波長までの光を、レーザ発振器4bで吸収して単一波長のレーザ光を生成し、当該レーザ光の光子のエネルギーをアップコンバージョンした高次高調波を非線形光学素子6で生成して、これを反応生成体に照射する。
【００４４】
例えば反応体として水を利用する場合、例えば二酸化チタン等の光触媒を利用して水に還元反応を起こさせることになり、その際、反応エンタルピーが242［kJ/mol］であり、これは光子のエネルギーとして2.5［eV］に相当し、光の波長として490［nm］にあたる。この場合、水の還元反応に寄与する490[nm]以下の波長の光の割合は約17％（光子数としては8％）に過ぎない。
【００４５】
この実施の形態の場合、エネルギー生成・貯蔵システム1は、光学系4および非線形光学素子6によって、水の還元反応に寄与する波長域（490[nm]以下の波長域）の光を太陽光から生成し、これを水および光触媒に照射するように設計される。この場合、レーザ発振器4bは、太陽光のうち、980[nm]までの波長域全てを吸収して単一波長（980[nm]）のレーザ光L3を生成することから、太陽光のうち、980［nm］までの波長域全てがレーザ光L3の生成に寄与していると言え、太陽光のうち、約73%のエネルギー（53%の光子）を利用してレーザ光L3を生成していることになる。このようなレーザ発振器4bとしては、レーザ媒質としてYAG結晶等を用いた固体レーザを適用でき、これにより980[nm]の波長域までの光全てを吸収して980[nm]のレーザ光L3を生成し得る。
【００４６】
非線形光学素子6は、レーザ光L3が入射されると、レーザ光L3の波長を下げ、光子のアップコンバージョンにより光子のエネルギーが大きい第二次高調波L4（高次高調波）を生成し、これを反応容器10内の水や光触媒に向けて照射する。すなわち、非線形光学素子6は、波長980［nm］のレーザ光L3を、光子のエネルギーが大きい波長490［nm］の第二次高調波L4に変換する。反応容器10は、光触媒が設けられた収容部14内に水を収容しており、非線形光学素子6から出射された第二次高調波L4を、光触媒および水に照射させ得る。これにより、この還元装置でも、光子のエネルギーをアップコンバージョンした第二次高調波L4による光励起により水に還元反応を起こさせることができ、上述した実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００４７】
また、他の実施の形態としては、高次高調波として第三次高調波を水に照射するようにしてもよい。この場合、レーザ発振器4bは、太陽光L2に含まれる光のうち、水の還元反応に寄与する波長域より長い所定波長（1470[nm]）までの光を吸収して単一波長（1470[nm]）のレーザ光L3を生成する。このようなレーザ発振器4bとしては、レーザ媒質としてKCl（塩化カリウム）、NaCl（塩化ナトリウム）、LiF（フッ化リチウム）結晶等を用いたカラーセンターレーザや、InGaAsP（インジウム・ガリウム・ヒ素・リン）等を用いた光励起型半導体レーザを適用できる。レーザ発振器4bは、太陽光のうち、1470[nm]までの波長域全てを吸収して単一波長（1470[nm]）のレーザ光L3を生成することから、太陽光のうち、1470［nm］までの波長域全てがレーザ光L3の生成に寄与していると言え、太陽光のうち、約89%のエネルギー（76%の光子）を利用してレーザ光L3を生成していることになる。
【００４８】
非線形光学素子6は、このようなレーザ光L3を1/3波長に波長変換して、水に還元反応を起こさせる波長域（490[nm]）の第三次高調波を生成し、これを反応容器10内の水に照射する。以上より、この還元装置では、上述した実施の形態と同様に装置全体を簡素な構成とし得る他、一段と長い波長域の光までを吸収して単一波長のレーザ光L3を生成し、当該レーザ光L3の光子のエネルギーをアップコンバージョンした第三次高調波を水に照射できる。よって、この還元装置では、一段と長い波長の光も水の還元反応に寄与させることができ、その分、エネルギー変換効率を一段と向上し得る。
【００４９】
（３−４）その他
なお、上述した実施の形態においては、レーザ発振器に照射される光として、太陽光L2を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、光を発する発光装置から照射される人工的な光であってもよい。
【００５０】
また、上述した実施の形態においては、反応容器10の覗き窓11とは別に非線形光学素子6を設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、反応容器10の覗き窓として非線形光学素子6を設けるようにしてよい。この場合、反応容器10には、天板に非線形光学素子6が設置されるとともに、容器外部のレーザ発振器4bと、容器内部の反応体（例えば金属材料16）とを結ぶ仮想線上に非線形光学素子6が配置されている。
【００５１】
反応容器10に覗き窓として設けられた非線形光学素子6は、容器外部のレーザ発振器4bと、容器内部の反応生成体（反応体）とを結ぶ仮想線方向と直交する方向に分極方向がある分極層7aと、当該分極層7aの分極方向が180度反転した分極反転層7bとが、当該仮想線方向に沿って交互に配置され、周期的に分極反転した構造を有する。このような還元装置では、反応容器10内の気密性を保ちつつ非線形光学素子6からの高次高調波を容器内部の反応生成体に照射可能とする覗き窓として非線形光学素子6を設け、非線形光学素子6を反応容器10と一体的な構成としたことにより、非線形光学素子6とは別に覗き窓11を有しない分、装置全体の構成を簡素化し得る。
【００５２】
反応容器10に覗き窓として非線形光学素子6を設ける場合には、非線形光学素子6の周縁に沿って弾性部材を設け、弾性部材を介在させて非線形光学素子6を、反応容器10の開口部にはめ込む構成とすることが望ましい。これにより、非線形光学素子6は、反応容器10内の密封性を維持しつつ、弾性部材の柔軟性により、反応容器10の外内の圧力差に耐え得る機械的強度を実現し得る。
【００５３】
また、その他の実施の形態としては、図３に示すように、覗き窓11上にスペーサ治具20を設け、当該スペーサ治具20上に非線形光学素子6を設けるようにしてもよい。このようなスペーサ治具20は、例えば、金属等でなる棒状部材により構成されており、棒状部材で枠状に形成した基台枠が、覗き窓11上に配置されている。スペーサ治具20は、基台枠の４隅から棒状部材でなる脚部が上方にそれぞれ延び、棒状部材で枠状に形成した支持枠が、脚部先端に形成されている。スペーサ治具20は、支持枠上に非線形光学素子6が設置された構成を有し、非線形光学素子6から出射した高次高調波が、脚部に囲まれた中空部20a内を通過して覗き窓11に照射し得るよううに構成されている。
【００５４】
ところで、覗き窓11と非線形光学素子6とを直接接着させた場合には、非線形光学素子6と覗き窓11との屈折率の違いから、これらの接合界面で光の反射が生じ、光エネルギーの損失が生じる恐れがある。これに対して、この実施の形態では、非線形光学素子6および覗き窓11間にスペーサ治具20を設け、非線形光学素子6と覗き窓11との間にスペーサ治具20の中空部20aを形成したことで、非線形光学素子6および覗き窓11間に接合界面た形成されず外気が存在した状態とし得る。これにより、スペーサ治具20は、非線形光学素子6および覗き窓11の接合界面による光の反射を抑止し得、光エネルギーの損失を防止できる。
【００５５】
また、ここでは、スペーサ治具20に中空部20aを設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、スペーサ治具20の中空部20a内に屈折変化部材を設けるようにしてもよい。この屈折率変化部材は、非線形光学素子6から覗き窓11に向かって、緩やかに屈折率が変化した複数の屈折率層が積層された構成を有する。各屈折率層は、不純物の濃度変化により屈折率が変化されている。これにより、屈折率変化部材は、非線形光学素子6から覗き窓11に高次高調波が照射される際に、非線形光学素子6から覗き窓11にに向けて緩やかに屈折率が変化していることから、光の反射を一段と抑止し得、光エネルギーの損失を防止できる。
【００５６】
また、非線形光学素子6と覗き窓11との間には、反射コーティング層を設けるようにしてもよい。例えば、反射コーティング層は、例えばフッ化マグネシウム（MgF2）層と、硫化亜鉛（ZnS）層とが交互に積層させた構成を有することで、非線形光学素子6からの高次高調波の反射を抑制し得る。
【符号の説明】
【００５７】
1  エネルギー生成・貯蔵システム
2  還元装置
4b  レーザ発振器
6  非線形光学素子
10  反応容器
16  金属材料（反応体）
【図１】
2017213536.tif 000003
【図２】
2017213536.tif 000004
【図３】
2017213536.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年4月14日(2017.4.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料でなる反応体の酸化反応後の反応生成体を還元する還元装置において、
太陽光が照射されると、前記太陽光のうち、前記反応生成体に光励起による還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光を吸収して単一波長のレーザ光を生成するレーザ発振器と、
前記太陽光の入射方向に沿って周期的に分極反転した構造を有し、前記レーザ発振器から入射された前記レーザ光を波長変換して、前記反応生成体に光励起による還元反応を起こさせる波長域の高次高調波を生成する非線形光学素子と、
容器内部に前記反応生成体を収容し、前記非線形光学素子から出射された前記高次高調波が前記反応生成体に照射される反応容器と
を備えることを特徴とする還元装置。
【請求項２】
前記非線形光学素子は、前記反応容器に覗き窓として設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の還元装置。
【請求項３】
酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な金属材料でなる反応体の酸化反応後の反応生成体を還元する還元方法において、
レーザ発振器に太陽光が照射され、前記レーザ発振器によって、前記太陽光のうち、前記反応生成体に光励起による還元反応を起こさせる波長域よりも長い所定波長までの光が吸収されることにより単一波長のレーザ光が生成されるレーザ光生成ステップと、
前記太陽光の入射方向に沿って周期的に分極反転した構造を有する非線形光学素子に前記レーザ発振器から前記レーザ光が入射され、前記非線形光学素子によって前記レーザ光が波長変換されることにより、前記反応生成体に光励起による還元反応を起こさせる波長域の高次高調波が生成される波長変換ステップと、
反応容器の容器内部に収容された前記反応生成体に、前記非線形光学素子から出射された前記高次高調波を照射し、前記反応生成体に光励起による還元反応を起こさせる還元反応ステップと
を備えることを特徴とする還元方法。
【請求項４】
酸化還元反応によりエネルギーが生成および貯蔵可能な反応体を備えたエネルギー生成・貯蔵システムにおいて、
請求項１または２に記載の還元装置と、
所望するタイミングで前記還元装置の前記反応容器内に酸素を供給する酸素供給制御部と
を備えることを特徴とするエネルギー生成・貯蔵システム。
【請求項５】
前記還元装置の前記反応容器に熱電素子が設けられている
ことを特徴とする請求項４に記載のエネルギー生成・貯蔵システム。