本實用新型涉及高分子材料加工設備技術領域，具體涉及一種熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置。

背景技術：

碳納米管（CNT），自1991年在高分辨率電鏡下發現以來，便引起了全世界的廣泛關注和極大的研究興趣。作為一種新型的納米材料，由于其獨特的幾何結構與電子能帶結構帶來了諸多優異的性能如強度高、比表面大、熱傳導率高、載流子遷移率高等，這些優異的性能使得碳納米管在眾多領域存在著巨大的應用前景和潛力。碳納米管薄膜是實現碳納米管廣泛應用的一種重要的宏觀形態，是由大量碳納米管互相纏繞連接形成的厚度介于幾納米至微米毫米尺度幾十納米的宏觀薄膜材料，可應用于電子、能源、智能傳感、復合材料、航空航天等重要領域。

碳納米管薄膜的制備過程是將含有碳源原料、催化劑和促進劑的反應物以及載氣分別注入反應室，在高溫下（一般為1100-1600℃）反應生成碳納米管聚集體，然后進入收集室，碳納米管聚集體層層纏繞在收集裝置的表面而形成一定厚度的碳納米管薄膜。其中，溫度是影響碳納米管薄膜性能的主要因素。現有技術中，反應室的加熱主要是采用電阻絲加熱器或電磁感應加熱器，其缺陷是：1）均完全依靠外接電源供電，功率大、電能消耗大，成本高；2）電阻絲加熱達到預定溫度耗時較長、效率較低、受熱不均勻且使用壽命短、易損壞。由此，現有的加熱裝置均完全依靠電能實現加熱，難以實現節能改造；另一方面，按照固有的思維，目前碳納米管薄膜的生產設備只能完全依靠外接電源供電，這些造成整臺設備的電能消耗非常巨大，并不能實現真正意義上的節能和環保，特別是由于外接電源必須在固定場地使用，因此，傳統的碳納米管薄膜生產設備的可移動便捷性大大受限。此外，反應過程中需要通入一定流量的載氣作為反應的保護氣體，載氣一般為氫氣或氮氣，因此需要使用氮氣罐或氫氣瓶作為氣源，不僅成本較高，而且氮氣罐或氫氣瓶的運輸上存在安全隱患。

隨著新能源技術的發展，采用甲醇和水重整制氫的技術漸漸得到發展，其能減少化工生產中的能耗和降低成本，并有望替代電能消耗特別在的電解水制氫工藝。中國發明專利201310340475.0（申請人：上海合既得動氫機器有限公司）公開了一種甲醇水制氫系統，甲醇與水蒸氣在重整器的重整室內，在350-570℃溫度下、1-5MPa的壓力條件下，在催化劑的作用下，發生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統。反應方程如下：(1)CH3OH→CO+2H2；(2)H2O+CO →CO2+H2；(3)CH 3OH+H2O→CO2+3H2，重整反應生成的H2和CO2，再經過分離室的鈀膜分離器將H2和CO2分離，得到高純氫氣。中國發明申請201410622203.4（申請人：上海合既得動氫機器有限公司），公開了一種基于甲醇水制氫系統的發電機及其發電方法，該發電機采用燃料電池作為發電設備，上述甲醇水制氫系統得到的高純氫氣輸送至該燃料電池，氫氣與空氣中的氧氣發生電化學反應從而產生電能。在上述甲醇水制氫及發電系統中，甲醇與水蒸氣的重整制氫反應的過程中，由于重整器內需要維持350-570℃溫度，甲醇水重整反應生成的H2和CO2，經過鈀膜分離器分離出氫氣后，剩下的CO2以及未反應的水汽從系統中排出，這些排出的余氣具有非常高的熱量，其溫度通常在300-600℃之間，如果直接排放出去，將嚴重浪費了大量的熱能，使甲醇水原料利用率較低。

因此，如何利用甲醇水制氫發電技術的特點，并將其應用到傳統的碳納米管薄膜生產設備以實現在高能耗、完全依賴外接電源、使用受場地限制等方面的改進，將是突破固有思維的新的研究方向。

技術實現要素：

針對現有技術存在上述技術問題，本實用新型的目的在于提供一種熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置，其利用甲醇水重整制氫及發電過程中產生的氫氣、熱能和電能實現了碳納米管薄膜制備裝置的熱、電、載氣三聯供以及智能化調控，不僅節能環保，而且不依賴傳統外接電源，成為便捷可移動式設備。

為實現上述目的，本實用新型提供以下技術方案：

提供熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置，包括用于合成碳納米管聚集體的反應室以及與所述反應室連通的收集室，所述收集室內設置有紡軸、電機、設置于所述紡軸上的收集裝置以及與所述紡軸配合的施壓裝置，碳納米管聚集體被纏繞于所述收集裝置而形成碳納米管薄膜；所述反應室設置有反應物進口和載氣進口，所述反應室設置有電加熱裝置，所述可移動式碳納米管薄膜制備裝置還包括甲醇水制氫發電系統，所述甲醇水制氫發電系統包括甲醇水儲存容器、輸送泵、重整器、燃料電池和控制裝置，所述重整器包括重整室、分離室以及為重整室加熱的電加熱器，甲醇水原料經輸送泵輸送至重整器，甲醇和水在重整器內發生甲醇和水的重整制氫反應，制得以二氧化碳和氫氣為主的混合氣體，該混合氣體經分離室分離出氫氣和高溫余氣，該氫氣輸送至燃料電池產生電能，一部分電能為甲醇水制氫發電系統的輸送泵和電加熱器供電，一部分電能為碳納米管薄膜制備裝置的其他用電設備供電；所述控制裝置包括控制主板、供電裝置及電力輸出端口，所述控制主板控制甲醇水制氫發電系統工作，所述供電裝置為甲醇水重整制氫發電系統啟動過程中自身供電，所述電力輸出端口用于向外輸出電力；

所述可移動式碳納米管薄膜制備裝置設置有用于加熱所述反應室的高溫氣體回路，所述高溫氣體回路中設置有高溫氣體收集裝置，所述高溫氣體收集裝置中的高溫氣體來自所述分離室分離出的高溫余氣，所述高溫余氣的溫度為300~600℃；所述反應室設置有溫度傳感器，所述溫度傳感器與所述控制裝置電連接；

所述可移動式碳納米管薄膜制備裝置還包括氫氣收集裝置，所述分離室分離出的氫氣一部分進入所述氫氣收集裝置，所述氫氣收集裝置通過氫氣輸送管路與所述反應室的載氣進口連通。

其中，所述收集裝置為纏繞在所述紡軸上的輥筒或者履帶，所述輥筒或者履帶均為聚四氟乙烯材料加工成型的。

其中，所述施壓裝置活動連接于所述收集室以使所述施壓裝置與所述收集裝置之間的壓力可調節。

其中，所述施壓裝置包括滾輪和機械臂，所述滾輪通過所述機械臂與所述收集室連接。

其中，所述收集室還設置有用于驅動所述紡軸沿軸向移動的氣缸，所述氣缸與所述電力輸出端電連接。

其中，所述分離室與所述高溫氣體收集裝置之間的連接管路上設置有換向閥，在碳納米管薄膜制備裝置煉膠過程中，分離室分離出的高溫余氣經換向閥進入高溫氣體收集裝置；在碳納米管薄膜制備裝置冷卻過程中，分離室分離出的高溫余氣經換向閥排向外界。

其中，所述電加熱裝置包括電加熱膜，所述電加熱膜設置于所述反應室的側壁。

其中，所述氫氣輸送管路設置有控制閥和壓力傳感器，所述控制閥和壓力傳感器分別與所述控制裝置電連接。

其中，所述供電裝置為可充電電池。

其中，所述甲醇水儲存容器和所述重整器之間輸送管路上設置有換熱器，低溫的甲醇和水原料與分離室分離出的高溫氫氣進行熱交換。

本實用新型的有益效果：

與現有技術的碳納米管薄膜制備裝置相比，本實用新型具有以下優點：

（1）本實用新型的熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置，其一、利用甲醇水重整制氫及發電過程中產生的300~600℃的高溫余氣經高溫氣體收集裝置收集后作為高品質熱源，通過高溫氣體回路為反應室預加熱，高溫余氣經高溫氣體回路的循環而形成熱量均勻穩定的熱源且熱量分布均勻；然后再通過電加熱裝置進行補償加熱，滿足反應室所需的溫度，由此大大降低了電能能耗，節能減排效果顯著；其二、在甲醇水重整制氫啟動過程中，不需要外接電源供電，通過自身的供電裝置即可為系統自身供電，等燃料電池工作產生電能后，再為自身系統供電以及為碳納米管薄膜制備裝置的所有用電設備供電，由此完全改變了傳統碳納米管薄膜制備裝置依靠外接電源的供電方式，實現了不受限制的在任何場地使用，使碳納米管薄膜制備裝置成為便捷式可移動設備；其三、甲醇水重整制氫過程中分離出的氫氣一部分進入燃料電池用于發電，另一部分氫氣可以直接通入反應室作為載氣使用，因此不再需要額外的載氣源，不僅降低原料成本而且解決了載氣源的運輸安全性。因此，本實用新型突破了固有思維，充分利用甲醇水重整制氫及發電過程中產生氫氣、高品質熱能以及電能，并將其與傳統碳納米管薄膜生產設備相結合，實現了熱、電、載氣三聯供，并可根據反應室加熱所需的溫度、電機等用電設備的功率以及甲醇水重整制氫發電系統中所需的甲醇用量、產生的熱能和電能進行能量恒算，通過碳納米管薄膜制備裝置的智能化控制以實現能源的高效利用，從而提供了一種全新的節能、可移動式的創新思路，其具有廣闊的產業化應用前景；

（2）本實用新型的甲醇水重整制氫發電系統輸出的電能為直流電，因此碳納米管薄膜制備裝置中使用的電機均可采用直流電機，其相比交流電機不需要大功率啟動，無功率損耗；

（3）本實用新型在節能和環保上具有重大突破，一方面，本實用新型的原料為甲醇和水的混合液，原料成本低廉（1kg甲醇的成本約為2元），排放的水及少量二氧化碳對環境無污染；另一方面從能耗成本上看，目前工業用電的成本是1度電約為1元，1度電所需的熱量相當于860 kcal；然而本實用新型的甲醇水制氫發電系統，1kg甲醇的發電量約為2度電，即所需的熱量為2*860 kcal=1720 kcal，而甲醇產生的熱量相當于5kcal，還剩余3380 kcal的熱量，也就是說，本實用新型的甲醇水制氫發電過程中除了產生的2度電可以提供給碳納米管薄膜制備裝置的用電設備外，還會產生3380 kcal的高品質的熱能（溫度高達300~600℃）這部分熱能又能補償作為反應室加熱所需的熱源使用，按照熱電聯供的方式折算下來，產生1度電的發電成本只需要約0.4元，這還不包括系統產生的氫氣直接作為載氣源所省去的成本，所以相比目前的工業用電成本，本實用新型節省了高達一半以上的成本和能耗，這在工業和環保上具有非常重大的意義。

附圖說明

圖1為本實用新型的熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置的結構示意圖。

附圖標記：

反應室1、收集室2、紡軸21、電機22、氣缸23、施壓裝置24、滾輪241、機械臂242、電加熱裝置3、高溫氣體回路4；

甲醇水制氫發電系統5、甲醇水儲存容器51、輸送泵52、重整器53、重整室531、電加熱器532、分離室533、燃料電池54、換熱器55、控制裝置56；

高溫氣體收集裝置6、氫氣收集裝置7、換向閥8、控制閥9。

具體實施方式

以下結合具體實施例及附圖對本實用新型進行詳細說明。

熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置，如圖1所示，包括用于合成碳納米管聚集體的反應室1以及與反應室1連通的收集室2，收集室2內設置有紡軸21、電機22、設置于紡軸21上的收集裝置以及與紡軸21配合的施壓裝置24，碳納米管聚集體被纏繞于收集裝置而形成碳納米管薄膜；反應室1設置有反應物進口和載氣進口，反應室1設置有電加熱裝置3。工作時，將含有碳源原料、催化劑和促進劑的反應物以及載氣分別注入反應室1，在高溫下（一般為1100-1600℃）反應生成碳納米管聚集體，然后進入收集室2，電機22驅動紡軸21轉動以使碳納米管聚集體層層纏繞在收集裝置的表面而形成一定厚度的碳納米管薄膜。（這部分工作原理與現有技術的碳納米管薄膜生產設備相同）。

本實用新型的熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置與現有技術的碳納米管薄膜制備裝置的不同之處在于：

熱電載氣三聯供的可移動式碳納米管薄膜制備裝置還包括甲醇水制氫發電系統5和氫氣收集裝置7，其中：氫氣收集裝置7通過氫氣輸送管路與反應室1的載氣進口連通。甲醇水制氫發電系統5包括甲醇水儲存容器51、輸送泵52、重整器53、燃料電池54和控制裝置56，重整器53包括重整室531、分離室533以及為重整室531加熱的電加熱器532，該系統制氫和發電的工作原理是：甲醇和水的混合原料經輸送泵52輸送至重整器53，電加熱器532為重整器53提供所需的熱量，使甲醇和水在重整室531內在催化劑作用下重整反應，制得以二氧化碳和氫氣為主的混合氣體，該混合氣體經分離室533分離出氫氣和高溫余氣，其中氫氣經過換熱器55與低溫的甲醇水換熱后，甲醇水蒸發氣化進入重整器53，高溫的氫氣經過降溫后，一部分氫氣輸送至燃料電池54用于產生電能，另一部分氫氣直接輸送至反應室1作為載氣使用。而燃料電池產生的一部分電能為甲醇水制氫發電系統5的輸送泵52和電加熱器532供電，一部分電能為碳納米管薄膜制備裝置的所有用電設備供電。上述甲醇水制氫發電系統5不斷循環地產生氫氣、高溫余氣和輸出電能，從而實現碳納米管薄膜制備裝置的熱、電、載氣三聯供及其智能化調控。具體如下：

（1）供電：

控制裝置56包括控制主板、供電裝置及電力輸出端口，其中：控制主板控制甲醇水制氫發電系統5工作，供電裝置可以是可充電電池，在甲醇水重整制氫發電系統的啟動過程中，可充電電池為自身供電（主要是為電加熱器532供電，以向重整器53內提供重整制氫反應所需的熱量），從而快速啟動重整器53，使甲醇和水重整反應制氫。電力輸出端口用于向外輸出電力。在上述甲醇水重整制氫啟動過程中，不需要外接電源供電，通過自身的供電裝置即可為系統自身供電，等燃料電池54工作產生電能后，再為自身系統供電以及為碳納米管薄膜制備裝置的所有用電設備（如電機22、電加熱裝置3）供電，從而完全改變了傳統碳納米管薄膜制備裝置依靠外接電源的供電方式，能夠不受限制在任何場地使用，使碳納米管薄膜制備裝置成為便捷可移動式的設備。

（2）供載氣：

經分離室533分離出氫氣，一部分收集至氫氣收集裝置7，并通過氫氣輸送管路輸送至反應室1作為載氣使用，從而省去了現有技術的載氣源（氮氣罐或氫氣瓶），不僅降低原料成本而且解決了載氣源的運輸安全性。氫氣輸送管路設置有控制閥9和壓力傳感器，控制閥9和壓力傳感器分別與控制裝置電連接，從而可實現對輸送至反應室1載氣的流量的智能化控制。

（3）供熱：

可移動式碳納米管薄膜制備裝置設置有用于加熱反應室1的高溫氣體回路4，高溫氣體回路4中設置有高溫氣體收集裝置6，高溫氣體收集裝置6中的高溫氣體來自分離室533分離出的高溫余氣。由于高溫余氣的溫度達到300~600℃，這部分高品質熱能通過高溫氣體回路4為反應室1先進行預加熱，然后再通過電加熱裝置3進行補償加熱，以滿足反應室1所需的溫度。這樣不僅充分利用了甲醇水重整制氫及發電過程中產生的余熱，提高甲醇水原料的利用率，而且不再單純依靠傳統的電加熱裝置3加熱，由此大大降低了設備的電能能耗，節能減排效果顯著。具體的，電加熱裝置3與電力輸出端電連接（即電加熱裝置3也由燃料電池54輸出的電能供電，不需要外接電源）。電加熱裝置3采用電加熱膜，該電加熱膜設置于反應室1的側壁。電加熱膜優選碳化硅材質的電加熱膜，由于電加熱膜具有耐高溫、節能、傳熱速度快的優點，便于精確控制溫度。反應室1設置有溫度傳感器，溫度傳感器、電加熱膜均與控制裝置電連接。例如，反應室1加熱所需的溫度為1200℃，工作時，先利用甲醇水重整制氫過程中自身產生的高品質熱能通過高溫氣體回路4給反應室1熱，當溫度達到500℃的基礎溫度時，再啟動電加熱膜繼續給反應室1加熱至1200℃，進而實現對溫度的精確控制。因此，本實用新型的碳納米管薄膜制備裝置對機反應室1的溫度控制也能夠實現智能化的熱電聯控。

本實施例中，分離室533與高溫氣體收集裝置6之間的連接管路上設置有換向閥8，當反應室1加熱時，分離室533分離出的高溫余氣經換向閥8進入高溫氣體收集裝置6，進而通過高溫氣體回路4對反應室1加熱。當反應室1停止加熱時，分離室533分離出的高溫余氣經換向閥8排向外界。

以上工作即可實現可移動式碳納米管薄膜制備裝置智能化的熱、電、載氣三聯控。

本實施例中，收集裝置為纏繞在紡軸21上的輥筒或者履帶，輥筒或者履帶均為聚四氟乙烯材料加工成型的，其作用是以降低碳納米管薄膜與傳送帶3或輥輪6表面之間的范德華作用力。輥筒或者履帶可以采用其他具有同等作用的材料加工成型。

施壓裝置24活動連接于收集室2以使施壓裝置24與收集裝置之間的壓力可調節。具體的，施壓裝置24包括滾輪241和機械臂242，滾輪241通過機械臂242與收集室2連接。在紡軸21旋轉的同時，施壓裝置24通過上下移動來調節與收集裝置的間距，對纏繞在收集裝置上的碳納米管薄膜進行碾壓從而可以控制生成的碳納米管薄膜的密度。

收集室2還設置有用于驅動紡軸21沿軸向移動的氣缸23，氣缸23與電力輸出端電連接，即氣缸23也由燃料電池54輸出的電能供電，不需要外接電源。通過氣缸23驅動紡軸21沿軸向的移動距離，可以得到具有特定寬度的碳納米管薄膜。

與現有技術相比，本實用新型突破了固有思維，充分利用甲醇水重整制氫發電過程中產生的熱能和電能，并將其與傳統碳納米管薄膜制備裝置相結合，通過智能化的熱、電、載氣三聯控以實現能源的高效利用。為此，本實用新型提供了一種全新的節能、可移動式的創新思路，其具有廣闊的產業化應用前景。

最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對本實用新型保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的實質和范圍。