(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度が経時的に上下する熱源と、
電気分極可能なマトリクス、および、前記マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなり、前記熱源の温度変化により電気分極する第１デバイスと、
前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと
を備え、
前記熱源は、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が順次実施され、排気工程において温度上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において温度下降する内燃機関の排気ガス管である
ことを特徴とする、発電システム。
【請求項２】
前記分散材料が、２００〜５００℃において、還元状態にあることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車エンジンなどの内燃機関や、ボイラー、空調設備などの熱交換器、発電機、モータなどの電動機関、照明などの発光装置などの各種エネルギー利用装置では、例えば、排熱、光などとして、多くの熱エネルギーが放出および損失されている。
【０００３】
近年、省エネルギー化の観点から、放出される熱エネルギーを回収し、エネルギー源として再利用することが要求されており、このような方法として、焦電素子を用いた熱電変換発電が、知られている。
【０００４】
具体的には、例えば、複数の焦電素子のそれぞれの温度を上昇させる加熱源と、それら焦電素子のそれぞれの温度を低下させる冷却源と、加熱源および冷却源、および／または、焦電素子を移動させる移動手段とを備える発電装置を用い、加熱源および冷却源により焦電素子の温度を周期的に上昇および下降させることによって、焦電素子から直流電力または交流電力を取り出す方法が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３３２２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、このような発電方法としては、より一層優れた効率で発電することが要求されている。
【０００７】
本発明の目的は、より優れた効率で発電することのできる発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の発電システムは、温度が経時的に上下する熱源と、電気分極可能なマトリクス、および、前記マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなり、前記熱源の温度変化により電気分極する第１デバイスと、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスとを備えることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の発電システムでは、前記分散材料が、２００〜５００℃において、還元状態にあることが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の発電システムによれば、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる第１デバイスを用いるので、第１デバイスとして単に電気分極可能なデバイスを用いる場合に比べて、優れた効率で発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す第１デバイスの一実施形態を示す概略構成図である。
【図３】図３は、図１に示す第１デバイスの他の実施形態を示す概略構成図である。
【図４】図４は、本発明の発電システムが車載された一実施形態を示す概略構成図である。
【図５】図５は、図４に示す発電システムの要部拡大図である。
【図６】図６は、実施例１における発電電圧と温度変化との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例２における発電電圧と温度変化との関係を示すグラフである。
【図８】図７は、比較例１における発電電圧と温度変化との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【００１３】
図１において、発電システム１は、温度が経時的に上下する熱源２と、熱源２の温度変化により電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４とを備えている。
【００１４】
熱源２としては、温度が経時的に上下する熱源であれば、特に制限されないが、例えば、内燃機関、発光装置などの各種エネルギー利用装置が挙げられる。
【００１５】
内燃機関は、例えば、車両などの動力を出力する装置であって、例えば、単気筒型または多気筒型が採用されるとともに、その各気筒において、多サイクル方式（例えば、２サイクル方式、４サイクル方式、６サイクル方式など）が採用される。
【００１６】
このような内燃機関では、各気筒において、ピストンの昇降運動が繰り返されており、これにより、例えば、４サイクル方式では、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施され、燃料が燃焼され、動力が出力されている。
【００１７】
このような内燃機関において、排気工程では、高温の排気ガスが、排気ガス管を介して排気される。このとき、排気ガス管は、排気ガスの熱エネルギーを授受し、温度上昇する。
【００１８】
一方、その他の工程（排気工程を除く工程）では、排気ガス管中の排気ガス量が低減されるため、排気ガス管の授受する熱エネルギーが低減され、その結果、排気ガス管の温度が低下する。
【００１９】
このように、内燃機関の温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。
【００２０】
とりわけ、上記の各工程は、ピストンサイクルに応じて、周期的に順次繰り返されるため、内燃機関における各気筒の排気ガス管は、上記の各工程の繰り返しの周期に伴って、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【００２１】
発光装置は、点灯（発光）時には、例えば、赤外線、可視光などの光の熱エネルギーにより温度上昇し、一方、消灯時には温度低下する。そのため、発光装置は、経時的に、点灯（発光）および消灯することにより、その温度が経時的に上下する。
【００２２】
とりわけ、例えば、発光装置が、経時的に照明の点灯および消灯が断続的に繰り返される発光装置（明滅（点滅）式の発光装置）である場合には、その発光装置は、点灯（発光）時における光の熱エネルギーにより、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【００２３】
また、熱源２としては、さらに、例えば、複数の熱源を備え、それら複数の熱源間の切り替えにより、温度変化を生じることもできる。
【００２４】
より具体的には、例えば、熱源として、低温熱源（冷却材など）と、その低温熱源より温度の高い高温熱源（例えば、加熱材など）との２つの熱源を用意し、経時的に、それら低温熱源および高温熱源を、交互に切り替えて用いる形態が挙げられる。
【００２５】
これにより、熱源としての温度を、経時的に上下させることができ、とりわけ、低温熱源および高温熱源の切り替えを、周期的に繰り返すことにより、周期的に温度変化させることができる。
【００２６】
切り替え可能な複数の熱源を備える熱源２としては、特に制限されないが、例えば、燃焼用低温空気供給系、蓄熱式熱交換器、高温ガス排気系、および、供給／排気切替弁を備えた高温空気燃焼炉（例えば、再公表９６−５４７４号公報に記載される高温気体発生装置）、例えば、高温熱源、低温熱源および水素吸蔵合金を用いた海水交換装置（水素吸蔵合金アクチュエータ式海水交換装置）などが挙げられる。
【００２７】
これら熱源２としては、上記熱源を単独使用または２種類以上併用することができる。
【００２８】
熱源２として、好ましくは、経時により周期的に温度変化する熱源が挙げられる。
【００２９】
また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。
【００３０】
第１デバイス３は、熱源２の温度変化に応じて電気分極するデバイスである。
【００３１】
ここでいう電気分極とは、結晶の歪みにともなう正負イオンの変位により誘電分極し電位差が生じる現象、例えばピエゾ効果、および／または、温度変化により誘電率が変化し電位差が生じる現象、例えば焦電効果、および／または、温度変化や温度勾配などにより電荷に偏りが発生し電位差が生まれる現象、例えばゼーベック効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。
【００３２】
このような第１デバイス３として、より具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極するデバイス、焦電効果により電気分極するデバイス、ゼーベック効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。
【００３３】
ピエゾ効果は、応力または歪みが加えられたときに、その応力または歪みの大きさに応じて電気分極する効果（現象）である。
【００３４】
このようなピエゾ効果により電気分極する第１デバイス３としては、特に制限されず、例えば、薄膜型、バルク型などの、公知のピエゾ素子（圧電素子）を用いることができる。
【００３５】
第１デバイス３としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、体積膨張が抑制された状態において、熱源２に対して、近接、または、後述する電極を介して接触するように、配置される。固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。
【００３６】
そして、このような場合には、ピエゾ素子は、熱源２の経時的な温度変化により、加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。
【００３７】
このとき、ピエゾ素子は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ素子は、固定部材に押圧され、ピエゾ効果（圧電効果）、または、キュリー点付近での相変態により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、熱電変換素子から電力が取り出される。
【００３８】
また、このようなピエゾ素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定（すなわち、体積一定）になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００３９】
そのため、上記したように熱源２が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、ピエゾ素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００４０】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００４１】
焦電効果は、例えば、絶縁体（誘電体）などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて絶縁体が電気分極する効果（現象）であって、第１効果および第２効果を含んでいる。
【００４２】
第１効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により自発分極し、絶縁体の表面に、電荷を生じる効果とされている。
【００４３】
また、第２効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により結晶構造に圧力変形が生じ、結晶構造に加えられる応力または歪みにより、圧電分極を生じる効果（ピエゾ効果、圧電効果）とされている。
【００４４】
このような焦電効果により電気分極するデバイスとしては、詳しくは後述するが、公知の焦電素子材料をマトリクス材料として得られる複合素子（以下、焦電系複合素子）を用いることができる。
【００４５】
第１デバイス３として焦電系複合素子（後述）が用いられる場合には、焦電系複合素子（後述）は、例えば、熱源２に対して、近接、または、後述する電極を介して接触するように、配置される。
【００４６】
このような場合において、焦電系複合素子（後述）は、熱源２の経時的な温度変化により、加熱または冷却され、その焦電効果（第１効果および第２効果を含む）により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、焦電系複合素子（後述）から電力が取り出される。
【００４７】
また、このような焦電系複合素子（後述）は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００４８】
そのため、上記したように熱源２が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、焦電系複合素子（後述）が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電系複合素子（後述）の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００４９】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００５０】
ゼーベック効果は、例えば、金属または半導体の両端に温度差を生じさせると、その温度差に応じて、金属または半導体に起電力が生じる効果（現象）である。
【００５１】
このようなゼーベック効果により電気分極するデバイスとしては、詳しくは後述するが、公知の熱電変換素子材料をマトリクス材料として得られる複合素子（以下、熱電変換系複合素子）を用いることができる。
【００５２】
第１デバイス３として熱電変換系複合素子（後述）が用いられる場合には、熱電変換系複合素子（後述）は、例えば、その一方側端部が、熱源２に対して、近接、または、後述する電極を介して接触するとともに、他方側端部が熱源２から離間するように配置される。
【００５３】
このような場合において、熱電変換系複合素子（後述）は、その一方側端部のみが、熱源２の経時的な温度変化により、加熱または冷却され、その熱電変換系複合素子（後述）の両端（一方側端部および他方側端部の間）に、温度差が生じる。このとき、ゼーベック効果により、熱電変換系複合素子（後述）に起電力が生じる。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、熱電変換系複合素子（後述）から電力が取り出される。
【００５４】
また、このような熱電変換系複合素子（後述）は、その両端における温度差が大きい場合には、起電力が高くなり、高電力を取り出すことができ、一方、温度差が小さい場合には、起電力が小さくなり、取り出される電力が低下する。
【００５５】
そのため、上記したように熱源２が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、熱電変換系複合素子（後述）の一方側端部の温度が、周期的に繰り返し上下するため、それに応じて、起電力の大きさの度合いが、周期的に上下する。
【００５６】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００５７】
これら第１デバイス３は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【００５８】
図２は、図１に示す第１デバイスの一実施形態を示す概略構成図である。
【００５９】
上記の第１デバイス３は、図２に示すように、例えば、積層配置して用いることもできる。
【００６０】
このような場合には、複数の第１デバイス３（好ましくは、焦電系複合素子（後述））の間に、後述する第２デバイス４（例えば、電極、導線など）を介在させ、これにより、各第１デバイス３を、電気分極時において電気的に直列となるように接続する。
【００６１】
そして、このようにして得られる第１デバイス３の積層体を、図１に示すように、熱源２に接触または近接するように配置し、積層される各第１デバイス３を、同時に加熱または冷却する。
【００６２】
これにより、複数の第１デバイス３を同時に電気分極させ、それらを電気的に直列接続することができ、その結果、第１デバイス３を単独で（単層として）用いる場合に比べ、大きな電力を取り出すことができる。
【００６３】
図３は、図１に示す第１デバイスの他の実施形態を示す概略構成図である。
【００６４】
上記の第１デバイス３は、図３に示すように、例えば、同一面状に整列配置して用いることもできる。
【００６５】
このような場合には、複数の第１デバイス３の間を、後述する第２デバイス４（例えば、電極、導線など）により、電気分極時において電気的に直列となるように接続する。
【００６６】
そして、このようにして整列配置された複数の第１デバイス３を、図１に示すように、熱源２に接触または近接するように配置し、整列配置される各第１デバイス３を、同時に加熱または冷却する。
【００６７】
これにより、複数の第１デバイス３を同時に電気分極させ、それらを電気的に直列接続することができ、その結果、第１デバイス３を単独で用いる場合に比べ、大きな電力を取り出すことができる。
【００６８】
なお、このとき、例えば、第１デバイス３が焦電系複合素子（後述）である場合や、ｐ型半導体からなる熱電変換系複合素子（後述）、または、ｎ型半導体からなる熱電変換系複合素子（後述）のみを使用する場合などには、各第１デバイス３は、熱源２に接触または近接する一方側が、いずれも正極または負極となり、熱源２から離間する他方側が、いずれも負極または正極となるように電気分極する（図３（ａ）参照）。
【００６９】
そのため、このような場合には、第１デバイス３の熱源２に接触または近接する側と、他の第１デバイス３の熱源２から離間する側とが、電気的に接続される。
【００７０】
一方、例えば、第１デバイス３として、ｐ型半導体からなる熱電変換系複合素子（後述）、および、ｎ型半導体からなる熱電変換系複合素子（後述）を用い、それらを交互に配置する場合などには、ｐ型半導体からなる熱電変換系複合素子（後述）と、ｎ型半導体からなる熱電変換系複合素子（後述）とが逆方向に電気分極するため、各第１デバイス３の熱源２に接触または近接する一方側において、正極および負極が交互に整列配置される。
【００７１】
そのため、このような場合には、第１デバイス３の熱源２に接触または近接する側と、他の第１デバイス３の熱源２に接触または近接する側とが電気的に接続され、また、第１デバイス３の熱源２から離間する側と、他の第１デバイス３の熱源２から離間する側とが、電気的に接続される（図３（ｂ）参照）。
【００７２】
図１において、第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる。
【００７３】
このような第２デバイス４は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極（例えば、銅電極、銀電極など）、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第１デバイス３に電気的に接続されている。
【００７４】
そして、図１に示す発電システム１では、その第２デバイス４が、昇圧器５、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）６およびバッテリー７に、順次、電気的に接続されている。
【００７５】
このような発電システム１により、発電するには、例えば、まず、熱源２の温度を経時的に上下、好ましくは、周期的に温度変化させ、その温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、好ましくは、周期的に電気分極させる。その後、第２デバイス４を介することにより、電力を、第１デバイス３の周期的な電気分極に応じて周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出す。
【００７６】
このような熱電システム１において、熱源２の温度は、高温状態における温度が、例えば、５００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、２００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。
【００７７】
また、それら高温状態と低温状態との繰り返し周期は、例えば、１０〜４００サイクル／秒、好ましくは、３０〜１００サイクル／秒である。
【００７８】
そして、このようにして発電システム１により取り出された電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧する。昇圧器５としては、交流電圧を、例えば、コイル、コンデンサなどを用いた簡易な構成により、優れた効率で昇圧できる昇圧器が、用いられる。
【００７９】
次いで、昇圧器５において昇圧された電力を、交流／直流変換器６において直流電圧に変換した後、バッテリー７に蓄電する。
【００８０】
このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出し、ＤＣ−ＤＣコンバーターで変換する場合に比べて、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
【００８１】
また、熱源２が、周期的に温度変化する熱源であれば、電力を、周期的に変動する波形として取り出すことができ、その結果、より優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
【００８２】
図４は、本発明の発電システムが車載された一実施形態を示す概略構成図である。
【００８３】
図４において、自動車１０は、内燃機関１１、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５を備えている。
【００８４】
内燃機関１１は、エンジン１６、および、エキゾーストマニホールド１７を備えている。
【００８５】
エンジン１６は、４気筒型４サイクル方式のエンジンであって、各気筒に、エキゾーストマニホールド１７の分岐管１８（後述）の上流側端部が接続されている。
【００８６】
エキゾーストマニホールド１７は、エンジン１６の各気筒から排出される排気ガスを収束するために設けられる排気多岐管であって、エンジン１６の各気筒に接続される複数（４つ）の分岐管１８（これらを区別する必要がある場合には、図４の上側から順に、分岐管１８ａ、分岐管１８ｂ、分岐管１８ｃおよび分岐管１８ｄと称する。）と、それら分岐管１８の下流側において、各分岐管１８を１つに統合する集気管１９とを備えている。
【００８７】
このようなエキゾーストマニホールド１７では、分岐部１８の上流側端部が、それぞれ、エンジン１６の各気筒に接続されるとともに、分岐管１８の下流側端部と集気管１９の上流側端部とが接続されている。また、集気管１９の下流側端部は、触媒搭載部１２の上流側端部に接続されている。
【００８８】
触媒搭載部１２は、例えば、触媒担体およびその担体上にコーティングされる触媒を備えており、内燃機関１１から排出される排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの有害成分を浄化するために、内燃機関１１（エキゾーストマニホールド１７）の下流側端部に接続されている。
【００８９】
エキゾーストパイプ１３は、触媒搭載部１２において浄化された排気ガスをマフラー１４に案内するために設けられており、上流側端部が触媒搭載部１２に接続されるとともに、下流側端部がマフラー１４に接続されている。
【００９０】
マフラー１４は、エンジン１６（とりわけ、爆発工程）において生じる騒音を、静音化すために設けられており、その上流側端部がエキゾーストパイプ１３の下流側端部に接続されている。また、マフラー１４の下流側端部は、排出パイプ１５の上流側端部に接続されている。
【００９１】
排出パイプ１５は、エンジン１６から排出され、エキゾーストマニホールド１７、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３およびマフラー１４を順次通過し、浄化および静音化された排気ガスを、外気に放出するために設けられており、その上流側端部がマフラー１４の下流側端部に接続されるとともに、その下流側端部が、外気に開放されている。
【００９２】
そして、この自動車１０は、図４において点線で示すように、発電システム１を搭載している。
【００９３】
図５は、図４に示す発電システムの要部拡大図である。
【００９４】
図５において、発電システム１は、上記したように、熱源２、第１デバイス３および第２デバイス４を備えている。
【００９５】
この発電システム１では、熱源２として、内燃機関１１におけるエキゾーストマニホールド１７の分岐管１８が用いられており、その分岐管１８の周囲に、第１デバイス３が配置されている。
【００９６】
第１デバイス３は、電気分極可能なマトリクス、および、そのマトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる複合素子であって、マトリクス中に、分散材料が分散されることにより、形成される。
【００９７】
このような複合素子は、例えば、マトリクスを形成するためのマトリクス材料の粉末と、分散材料の粉末とを混合し、分散材料をマトリクス材料中に分散させることにより、それらの混合物として得ることができる。
【００９８】
マトリクス材料としては、例えば、公知の焦電素子材料（例えば、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ３、ＢａＮｄ２Ｔｉ５Ｏ１４、ＢａＳｍ２Ｔｉ４Ｏ１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）など）、公知の熱電変換素子材料（例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電変換素子（例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３／Ｓｂ２Ｔｅ３など））、ＰｂＴｅ、ＡｇＳｂＴｅ２／ＧｅＴｅ、ＮａＣｏ２Ｏ４、ＣａＣｏＯ３、ＳｒＴｉＯ３／ＳｒＴｉＯ３：Ｎｂ、ＳｉＧｅ、β−ＦｅＳｉ２、Ｂａ８Ｓｉ４６、Ｍｇ２Ｓｉ、ＭｎＳｉ１．７３、ＺｎＳｂ、Ｚｎ４Ｓｂ３、ＣｅＦｅ３ＣｏＳｂ１２、ＬａＦｅ３ＣｏＳｂ１２、ＳｒＴｉＯ３／ＳｒＴｉＯ３：Ｎｂ／ＳｒＴｉＯ３、Ｓｉナノワイヤー・アレイ、ＮａＣｏ２Ｏ４、（Ｃｅ１−ｘＬａｘ）Ｎｉ２、（Ｃｅ１−ｘＬａｘ）Ｉｎ３、ＣｅＩｎＣｕ２、ＮａＶ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ５など）、公知のピエゾ素子材料（例えば、水晶（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ４Ｈ４Ｏ６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電気石（トルマリン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など）が挙げられる。
【００９９】
これらマトリクス材料は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【０１００】
なお、マトリックス材料として、焦電素子材料を用いれば、焦電効果により電気分極する複合素子（焦電系複合素子）が得られ、また、熱電変換素子材料を用いれば、ゼーベック効果により電気分極する複合素子（熱電変換系複合素子）が得られ、さらに、ピエゾ素子材料を用いれば、ピエゾ効果により電気分極する複合素子（ピエゾ系複合素子）が得られる。
【０１０１】
これらマトリックス材料の平均粒子径（測定法：走査型電子顕微鏡）は、例えば、０．１〜１００μｍ、好ましくは、０．５〜１０μｍである。
【０１０２】
これは、マトリックス材料の粒径が上記範囲未満になると、結晶粒界の分率が高まるために誘電率の温度依存性が大きくなり、利用できる温度域が狭まるためであり、また、逆にマトリックス材料の粒径が上記範囲を超過すると、マトリックス材料の破壊源寸法が大きくなるために材料の強度が低下するためである。
【０１０３】
また、マトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量は、例えば、０．０１〜１０Ｊ／ｇ・Ｋ、好ましくは、０．１〜５Ｊ／ｇ・Ｋである。
【０１０４】
これは、マトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量が低すぎると、熱源からの熱で直ちに材料全体の温度が上昇してしまい、材料と電極などとの界面での熱応力が著しく高くなり、電極が剥離する可能性があり、一方、熱容量が高すぎると、外部からの熱変化に対して材料内部の温度変化が鈍くなるために、本発明で目的とする温度変化を利用した発電が困難になるからである。
【０１０５】
分散材料としては、マトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量より低い比熱容量を有していれば、特に制限されないが、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）などの貴金属単体、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）などの遷移金属単体、および、それらの酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ジケトン金属錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。
【０１０６】
これら分散材料は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【０１０７】
分散材料として、好ましくは、２００〜１０００℃、より好ましくは、２００〜５００℃において還元状態にある分散材料が挙げられる。そのような分散材料として、具体的には、例えば、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）などの、例えば、酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ジケトン金属錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。
【０１０８】
このような分散材料を用いれば、マトリックスの焼結時（後述）にこれら分散材料が還元により分解されるため、微細な分散相を構成することができる。
【０１０９】
これら分散材料の平均粒子径（測定法：走査型電子顕微鏡）は、例えば、０．００２〜１０ｎｍ、好ましくは、０．０１〜３ｎｍである。
【０１１０】
これは、分散相が小さくなりすぎると、マトリックスの焼結（後述）を阻害してしまい、分散相が大きくなりすぎると、マトリックスと分離しやすくなり、複合化による電気伝導性、熱伝導性、機械的特性の効果が減少するためである。
【０１１１】
また、分散材料の比熱容量は、複合素子内の温度を外部から与えられた熱源に連動して変化させる観点から、上記したマトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量より低く、具体的には、例えば、０．０１〜１０Ｊ／ｇ・Ｋ、好ましくは、０．１〜５Ｊ／ｇ・Ｋである。
【０１１２】
マトリクス材料と分散材料との混合割合は、マトリクス材料１００質量部に対して、分散材料が、例えば、０．０１〜５０質量部、好ましくは、０．１〜４０質量部である。
【０１１３】
そして、この方法では、マトリクス材料と分散材料とを、例えば、乾式混合、湿式混合などの公知の混合方法により混合し、必要により、金型などを用いて成形（例えば、プレス成形）することにより、マトリクス中に分散材料が分散された複合素子を得ることができる。
【０１１４】
また、この方法では、必要により、複合素子を焼結することができる。
【０１１５】
焼結条件としては、例えば、不活性ガス雰囲気下において、加熱温度が、例えば、５００〜１８００℃、好ましくは、８００〜１５００℃であり、加熱時間が、例えば、０．１〜２４時間、好ましくは、０．５〜４時間である。なお、これらの条件は、複合素子の密度が最も向上するように、試料の体積や形状によって、適宜最適化される。
【０１１６】
そして、このような第１デバイス３、詳しくは、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる第１デバイス３を用いれば、第１デバイス３として単に電気分極可能なデバイスを用いる場合に比べて、優れた効率で発電することができる。
【０１１７】
また、第１デバイス３が、焦電系複合素子および／またはピエゾ系複合素子（絶縁体（誘電体））である場合には、その比誘電率は、例えば、１以上、好ましくは、１００以上、より好ましくは、２０００以上である。
【０１１８】
このような発電システム１では、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、第１デバイス３の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。
【０１１９】
なお、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））は、熱源２の温度変化によって電気分極するが、その電気分極は、電子分極、イオン分極および配向分極のいずれでもよい。
【０１２０】
例えば、配向分極によって分極が発現する材料（例えば、液晶材料など）では、その分子構造を変化させることにより、発電効率の向上を図ることができるものと期待されている。
【０１２１】
第１デバイス３が、熱電変換系複合素子である場合には、その性能は、例えば、下記式（１）により示される。
【０１２２】
ＺＴ＝Ｓ２σＴ／κ          （１）
（式中、Ｚは、性能指数を示し、Ｔは、絶対温度を示し、Ｓは、ゼーベック係数を示し、σは、電気伝導率を示し、κは、熱伝導率を示す。）
このような第１デバイス３（熱電変換系複合素子）において、そのＺＴ値（無次元性能指数）は、例えば、０．３以上である。
【０１２３】
ＺＴ値（無次元性能指数）が上記下限未満である場合には、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。
【０１２４】
また、通常、熱電変換系複合素子は、材料内部の温度差で発電するため、熱伝導率が低いほど、エネルギー変換効率が高くなるが、この発電システム１では、第１デバイス３（熱電変換系複合素子）両端の温度差が必要なく、そのため、第１デバイス３（熱電変換系複合素子）の熱伝導率は、特に制限されない。
【０１２５】
第２デバイス４は、第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極、および、それら電極に接続される導線を備えている。なお、第１デバイス３の一方側面に配置される電極および導線は、第１デバイス３と分岐管１８（熱源２）との間に介在するように配置されており、第１デバイス３の他方側面に配置される電極および導線は、分岐管１８（熱源２）に接触することなく、露出されている。
【０１２６】
また、発電システム１は、図４に示すように、昇圧器５、交流／直流変換器６およびバッテリー７に、順次、電気的に接続されている。
【０１２７】
そして、このような自動車１０では、エンジン１６の駆動により、各気筒において、ピストンの昇降運動が繰り返され、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が順次実施される。
【０１２８】
より具体的には、例えば、分岐管１８ａに接続される気筒、および、分岐管１８ｃに接続される気筒の２つの気筒において、ピストンが連動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が、同位相で実施される。これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、高温の排気ガスが、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの内部を排気工程において通過する。
【０１２９】
このとき、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの温度は、排気工程において上昇し、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）において下降するので、ピストンサイクルに応じて、経時的に上下し、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【０１３０】
一方、それら２つの気筒とはタイミングを異にして、分岐管１８ｂに接続される気筒、および、分岐管１８ｄに接続される気筒の２つの気筒において、ピストンが連動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が、同位相で実施される。これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃとは異なるタイミングにおいて、高温の排気ガスが、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの内部を排気工程において通過する。
【０１３１】
このとき、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの温度は、排気工程において上昇し、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）において下降するので、ピストンサイクルに応じて、経時的に上下し、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【０１３２】
この周期的な温度変化は、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの周期的な温度変化とは、周期が同じである一方、位相が異なる。
【０１３３】
そして、この発電システム１では、各分岐管１８（熱源２）に、第１デバイス３が配置されている。
【０１３４】
そのため、各分岐管１８（熱源２）の経時的な温度変化により、第１デバイス３を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、その素子（例えば、ピエゾ系複合素子、焦電系複合素子、熱電変換系複合素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果など）により、電気分極させることができる。
【０１３５】
そのため、この発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１３６】
また、この発電システム１では、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの温度と、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの温度とが、同じ周期、かつ、異なる位相で周期的に変化するため、電力を、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、連続的に取り出すことができる。
【０１３７】
そして、排気ガスは、各分岐管１８を通過した後、集気管１９に供給され、集気された後、触媒搭載部１２に供給され、その触媒搭載部１２に備えられる触媒により浄化される。その後、排気ガスは、エキゾーストパイプ１３に供給され、マフラー１４において静音化された後、排出パイプ１５を介して、外気に排出される。
【０１３８】
このとき、各分岐管１８内を通過する排気ガスは、集気管１９において集気されるので、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５を順次通過する排気ガスは、その温度が、平滑化されている。
【０１３９】
そのため、温度が平滑化されたこのような排気ガスを通過させる集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５の温度は、通常、経時的に上下することなく、ほぼ一定である。
【０１４０】
そのため、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４または排出パイプ１５を熱源２として用い、その周囲に、上記した第１デバイス３を、第２デバイス４を介して配置する場合には、第１デバイス３から取り出される電力は、その電圧が小さく、また、一定（直流電圧）である。
【０１４１】
そのため、このような方法では、得られる電力を、簡易な構成で効率良く昇圧することができず、蓄電効率に劣るという不具合がある。
【０１４２】
一方、上記したように、内燃機関１１（分岐管１８）を熱源２として採用する発電システム１では、その熱源２の経時的な温度変化により、第１デバイス３を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、そのデバイス（例えば、ピエゾ系複合素子、焦電系複合素子、熱電変換系複合素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果など）により、周期的に電気分極させることができる。
【０１４３】
そのため、この発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１４４】
その後、この方法では、例えば、図４において点線で示すように、上記により得られた電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧し、次いで、昇圧された電力を、交流／直流変換器６において直流電圧に変換した後、バッテリー７に蓄電する。バッテリー７に蓄電された電力は、自動車１０や、自動車１０に搭載される各種電気部品の動力などとして、適宜、用いることができる。
【０１４５】
そして、このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出し、ＤＣ−ＤＣコンバーターで変換する場合に比べて、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
【０１４６】
とりわけ、このような発電システム１によれば、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる第１デバイス３を用いるので、第１デバイス３として単に電気分極可能なデバイスを用いる場合に比べて、優れた効率で発電することができる。
【０１４７】
なお、詳しくは図示しないが、第１デバイス３は、その素子の種類や、必要および用途に応じて、図２に示すように、積層配置して用いることができ、さらには、図３に示すように、同一面状に整列配置して用いることもできる。
【０１４８】
第１デバイス３を、積層配置および／または同一面状に整列配置して用いれば、複数の第１デバイス３を同時に電気分極させるとともに、それらを電気的に直列接続することができ、その結果、第１デバイス３を単独で用いる場合に比べ、大きな電力を取り出すことができる。
【０１４９】
なお、上記した説明では、分岐管１８の周囲（外側壁）に、第１デバイス３を配置したが、温度変化を平均化することなく第１デバイス３に伝達させるため、分岐管１８の内部（例えば、内側壁）に第１デバイス３を配置することが好ましい。
【実施例】
【０１５０】
以下において、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
【０１５１】
実施例１
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、平均粒子径（走査型電子顕微鏡による測定）０．５μｍ）の粉末５０ｇと、酸化白金（ＰｔＯ２、平均粒子径（走査型電子顕微鏡による測定）２ｎｍ）の粉末１２ｇとを秤量し、それらを、ボールミルを用いて混合した。
【０１５２】
次いで、得られた混合粉末を、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１．２ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰａで圧力成形した後、１４００℃で２時間焼結し、複合素子を得た。
【０１５３】
次いで、得られた複合素子の表面および裏面に、銀ペーストを２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．１ｍｍの大きさとなるように塗布し、銀電極を形成した。
【０１５４】
次いで、得られた複合素子および銀電極を、常圧焼結炉によって４００℃で２時間熱処理し、サンプルを得た。
【０１５５】
その後、２０ｍｍ×２０ｍｍのアルミテープを用いて、２つの導線（リード線）の一方側を各銀電極上に貼着させるとともに、他方側をデジタルマルチメータに接続した。
【０１５６】
熱源としてヒートガンを用い、その噴射口を複合素子に向けるとともに、噴射口が複合素子から５ｃｍ離間するように、ヒートガンおよび複合素子を、それぞれ配置した。
【０１５７】
ヒートガンから熱風を噴き出し、経時的にヒートガンのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、ヒートガンおよび熱風の温度を経時的に上下させ、この温度変化により、複合素子の温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧（電力）を取り出した。
【０１５８】
なお、複合素子の温度を赤外線放射温度計により測定し、その温度が、２７０℃〜３８０℃となるように、熱風温度を調整した。
【０１５９】
そして、複合素子から取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。発電電圧と温度変化との関係を、図６に示す。
【０１６０】
実施例２
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、平均粒子径（走査型電子顕微鏡による測定）０．５μｍ）の粉末４０ｇと、と、酸化銅（ＣｕＯ、平均粒子径（走査型電子顕微鏡による測定）１．５ｎｍ）の粉末７．８ｇとを混合した以外は、実施例１と同様にして、複合素子の温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧（電力）を取り出した。
【０１６１】
そして、複合素子から取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。発電電圧と温度変化との関係を、図７に示す。
【０１６２】
比較例１
酸化白金の粉末を混合しなかった以外は、実施例１と同様にして、素子の温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧（電力）を取り出した。
【０１６３】
そして、素子から取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。発電電圧と温度変化との関係を、図８に示す。
（考察）
実施例１の複合素子による発電電圧の変位（ΔＶ）は、約１．３Ｖであり（図６参照）、また、実施例２の複合素子による発電電圧の変位（ΔＶ）は、約２．０Ｖである（図７参照）。
【０１６４】
これらに対して、比較例１の素子による発電電圧の変位（ΔＶ）は、各実施例における変位（ΔＶ）よりも低い約１．０Ｖである（図８参照）。
【０１６５】
これにより、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる複合素子を用いれば、単に電気分極可能な素子を用いる場合に比べて、優れた効率で発電できることが確認された。
【符号の説明】
【０１６６】
１      発電システム
２      熱源
３      第１デバイス
４      第２デバイス
５      昇圧器
６      交流／直流変換器
７      バッテリー
【図１】
0005855876.tif 000002
【図２】
0005855876.tif 000003
【図３】
0005855876.tif 000004
【図４】
0005855876.tif 000005
【図５】
0005855876.tif 000006
【図６】
0005855876.tif 000007
【図７】
0005855876.tif 000008
【図８】
0005855876.tif 000009