本实用新型涉及高分子材料加工设备技术领域，具体涉及一种热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置。
背景技术：
碳纳米管（CNT），自1991年在高分辨率电镜下发现以来，便引起了全世界的广泛关注和极大的研究兴趣。作为一种新型的纳米材料，由于其独特的几何结构与电子能带结构带来了诸多优异的性能如强度高、比表面大、热传导率高、载流子迁移率高等，这些优异的性能使得碳纳米管在众多领域存在着巨大的应用前景和潜力。碳纳米管薄膜是实现碳纳米管广泛应用的一种重要的宏观形态，是由大量碳纳米管互相缠绕连接形成的厚度介于几纳米至微米毫米尺度几十纳米的宏观薄膜材料，可应用于电子、能源、智能传感、复合材料、航空航天等重要领域。
碳纳米管薄膜的制备过程是将含有碳源原料、催化剂和促进剂的反应物以及载气分别注入反应室，在高温下（一般为1100-1600℃）反应生成碳纳米管聚集体，然后进入收集室，碳纳米管聚集体层层缠绕在收集装置的表面而形成一定厚度的碳纳米管薄膜。其中，温度是影响碳纳米管薄膜性能的主要因素。现有技术中，反应室的加热主要是采用电阻丝加热器或电磁感应加热器，其缺陷是：1）均完全依靠外接电源供电，功率大、电能消耗大，成本高；2）电阻丝加热达到预定温度耗时较长、效率较低、受热不均匀且使用寿命短、易损坏。由此，现有的加热装置均完全依靠电能实现加热，难以实现节能改造；另一方面，按照固有的思维，目前碳纳米管薄膜的生产设备只能完全依靠外接电源供电，这些造成整台设备的电能消耗非常巨大，并不能实现真正意义上的节能和环保，特别是由于外接电源必须在固定场地使用，因此，传统的碳纳米管薄膜生产设备的可移动便捷性大大受限。此外，反应过程中需要通入一定流量的载气作为反应的保护气体，载气一般为氢气或氮气，因此需要使用氮气罐或氢气瓶作为气源，不仅成本较高，而且氮气罐或氢气瓶的运输上存在安全隐患。
随着新能源技术的发展，采用甲醇和水重整制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别在的电解水制氢工艺。中国发明专利201310340475.0（申请人：上海合既得动氢机器有限公司）公开了一种甲醇水制氢系统，甲醇与水蒸气在重整器的重整室内，在350-570℃温度下、1-5MPa的压力条件下，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：(1)CH3OH→CO+2H2；(2)H2O+CO →CO2+H2；(3)CH 3OH+H2O→CO2+3H2，重整反应生成的H2和CO2，再经过分离室的钯膜分离器将H2和CO2分离，得到高纯氢气。中国发明申请201410622203.4（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），公开了一种基于甲醇水制氢系统的发电机及其发电方法，该发电机采用燃料电池作为发电设备，上述甲醇水制氢系统得到的高纯氢气输送至该燃料电池，氢气与空气中的氧气发生电化学反应从而产生电能。在上述甲醇水制氢及发电系统中，甲醇与水蒸气的重整制氢反应的过程中，由于重整器内需要维持350-570℃温度，甲醇水重整反应生成的H2和CO2，经过钯膜分离器分离出氢气后，剩下的CO2以及未反应的水汽从系统中排出，这些排出的余气具有非常高的热量，其温度通常在300-600℃之间，如果直接排放出去，将严重浪费了大量的热能，使甲醇水原料利用率较低。
因此，如何利用甲醇水制氢发电技术的特点，并将其应用到传统的碳纳米管薄膜生产设备以实现在高能耗、完全依赖外接电源、使用受场地限制等方面的改进，将是突破固有思维的新的研究方向。
技术实现要素：
针对现有技术存在上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置，其利用甲醇水重整制氢及发电过程中产生的氢气、热能和电能实现了碳纳米管薄膜制备装置的热、电、载气三联供以及智能化调控，不仅节能环保，而且不依赖传统外接电源，成为便捷可移动式设备。
为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
提供热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置，包括用于合成碳纳米管聚集体的反应室以及与所述反应室连通的收集室，所述收集室内设置有纺轴、电机、设置于所述纺轴上的收集装置以及与所述纺轴配合的施压装置，碳纳米管聚集体被缠绕于所述收集装置而形成碳纳米管薄膜；所述反应室设置有反应物进口和载气进口，所述反应室设置有电加热装置，所述可移动式碳纳米管薄膜制备装置还包括甲醇水制氢发电系统，所述甲醇水制氢发电系统包括甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池和控制装置，所述重整器包括重整室、分离室以及为重整室加热的电加热器，甲醇水原料经输送泵输送至重整器，甲醇和水在重整器内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，该混合气体经分离室分离出氢气和高温余气，该氢气输送至燃料电池产生电能，一部分电能为甲醇水制氢发电系统的输送泵和电加热器供电，一部分电能为碳纳米管薄膜制备装置的其他用电设备供电；所述控制装置包括控制主板、供电装置及电力输出端口，所述控制主板控制甲醇水制氢发电系统工作，所述供电装置为甲醇水重整制氢发电系统启动过程中自身供电，所述电力输出端口用于向外输出电力；
所述可移动式碳纳米管薄膜制备装置设置有用于加热所述反应室的高温气体回路，所述高温气体回路中设置有高温气体收集装置，所述高温气体收集装置中的高温气体来自所述分离室分离出的高温余气，所述高温余气的温度为300~600℃；所述反应室设置有温度传感器，所述温度传感器与所述控制装置电连接；
所述可移动式碳纳米管薄膜制备装置还包括氢气收集装置，所述分离室分离出的氢气一部分进入所述氢气收集装置，所述氢气收集装置通过氢气输送管路与所述反应室的载气进口连通。
其中，所述收集装置为缠绕在所述纺轴上的辊筒或者履带，所述辊筒或者履带均为聚四氟乙烯材料加工成型的。
其中，所述施压装置活动连接于所述收集室以使所述施压装置与所述收集装置之间的压力可调节。
其中，所述施压装置包括滚轮和机械臂，所述滚轮通过所述机械臂与所述收集室连接。
其中，所述收集室还设置有用于驱动所述纺轴沿轴向移动的气缸，所述气缸与所述电力输出端电连接。
其中，所述分离室与所述高温气体收集装置之间的连接管路上设置有换向阀，在碳纳米管薄膜制备装置炼胶过程中，分离室分离出的高温余气经换向阀进入高温气体收集装置；在碳纳米管薄膜制备装置冷却过程中，分离室分离出的高温余气经换向阀排向外界。
其中，所述电加热装置包括电加热膜，所述电加热膜设置于所述反应室的侧壁。
其中，所述氢气输送管路设置有控制阀和压力传感器，所述控制阀和压力传感器分别与所述控制装置电连接。
其中，所述供电装置为可充电电池。
其中，所述甲醇水储存容器和所述重整器之间输送管路上设置有换热器，低温的甲醇和水原料与分离室分离出的高温氢气进行热交换。
本实用新型的有益效果：
与现有技术的碳纳米管薄膜制备装置相比，本实用新型具有以下优点：
（1）本实用新型的热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置，其一、利用甲醇水重整制氢及发电过程中产生的300~600℃的高温余气经高温气体收集装置收集后作为高品质热源，通过高温气体回路为反应室预加热，高温余气经高温气体回路的循环而形成热量均匀稳定的热源且热量分布均匀；然后再通过电加热装置进行补偿加热，满足反应室所需的温度，由此大大降低了电能能耗，节能减排效果显著；其二、在甲醇水重整制氢启动过程中，不需要外接电源供电，通过自身的供电装置即可为系统自身供电，等燃料电池工作产生电能后，再为自身系统供电以及为碳纳米管薄膜制备装置的所有用电设备供电，由此完全改变了传统碳纳米管薄膜制备装置依靠外接电源的供电方式，实现了不受限制的在任何场地使用，使碳纳米管薄膜制备装置成为便捷式可移动设备；其三、甲醇水重整制氢过程中分离出的氢气一部分进入燃料电池用于发电，另一部分氢气可以直接通入反应室作为载气使用，因此不再需要额外的载气源，不仅降低原料成本而且解决了载气源的运输安全性。因此，本实用新型突破了固有思维，充分利用甲醇水重整制氢及发电过程中产生氢气、高品质热能以及电能，并将其与传统碳纳米管薄膜生产设备相结合，实现了热、电、载气三联供，并可根据反应室加热所需的温度、电机等用电设备的功率以及甲醇水重整制氢发电系统中所需的甲醇用量、产生的热能和电能进行能量恒算，通过碳纳米管薄膜制备装置的智能化控制以实现能源的高效利用，从而提供了一种全新的节能、可移动式的创新思路，其具有广阔的产业化应用前景；
（2）本实用新型的甲醇水重整制氢发电系统输出的电能为直流电，因此碳纳米管薄膜制备装置中使用的电机均可采用直流电机，其相比交流电机不需要大功率启动，无功率损耗；
（3）本实用新型在节能和环保上具有重大突破，一方面，本实用新型的原料为甲醇和水的混合液，原料成本低廉（1kg甲醇的成本约为2元），排放的水及少量二氧化碳对环境无污染；另一方面从能耗成本上看，目前工业用电的成本是1度电约为1元，1度电所需的热量相当于860 kcal；然而本实用新型的甲醇水制氢发电系统，1kg甲醇的发电量约为2度电，即所需的热量为2*860 kcal=1720 kcal，而甲醇产生的热量相当于5kcal，还剩余3380 kcal的热量，也就是说，本实用新型的甲醇水制氢发电过程中除了产生的2度电可以提供给碳纳米管薄膜制备装置的用电设备外，还会产生3380 kcal的高品质的热能（温度高达300~600℃）这部分热能又能补偿作为反应室加热所需的热源使用，按照热电联供的方式折算下来，产生1度电的发电成本只需要约0.4元，这还不包括系统产生的氢气直接作为载气源所省去的成本，所以相比目前的工业用电成本，本实用新型节省了高达一半以上的成本和能耗，这在工业和环保上具有非常重大的意义。
附图说明
图1为本实用新型的热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置的结构示意图。
附图标记：
反应室1、收集室2、纺轴21、电机22、气缸23、施压装置24、滚轮241、机械臂242、电加热装置3、高温气体回路4；
甲醇水制氢发电系统5、甲醇水储存容器51、输送泵52、重整器53、重整室531、电加热器532、分离室533、燃料电池54、换热器55、控制装置56；
高温气体收集装置6、氢气收集装置7、换向阀8、控制阀9。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本实用新型进行详细说明。
热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置，如图1所示，包括用于合成碳纳米管聚集体的反应室1以及与反应室1连通的收集室2，收集室2内设置有纺轴21、电机22、设置于纺轴21上的收集装置以及与纺轴21配合的施压装置24，碳纳米管聚集体被缠绕于收集装置而形成碳纳米管薄膜；反应室1设置有反应物进口和载气进口，反应室1设置有电加热装置3。工作时，将含有碳源原料、催化剂和促进剂的反应物以及载气分别注入反应室1，在高温下（一般为1100-1600℃）反应生成碳纳米管聚集体，然后进入收集室2，电机22驱动纺轴21转动以使碳纳米管聚集体层层缠绕在收集装置的表面而形成一定厚度的碳纳米管薄膜。（这部分工作原理与现有技术的碳纳米管薄膜生产设备相同）。
本实用新型的热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置与现有技术的碳纳米管薄膜制备装置的不同之处在于：
热电载气三联供的可移动式碳纳米管薄膜制备装置还包括甲醇水制氢发电系统5和氢气收集装置7，其中：氢气收集装置7通过氢气输送管路与反应室1的载气进口连通。甲醇水制氢发电系统5包括甲醇水储存容器51、输送泵52、重整器53、燃料电池54和控制装置56，重整器53包括重整室531、分离室533以及为重整室531加热的电加热器532，该系统制氢和发电的工作原理是：甲醇和水的混合原料经输送泵52输送至重整器53，电加热器532为重整器53提供所需的热量，使甲醇和水在重整室531内在催化剂作用下重整反应，制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，该混合气体经分离室533分离出氢气和高温余气，其中氢气经过换热器55与低温的甲醇水换热后，甲醇水蒸发气化进入重整器53，高温的氢气经过降温后，一部分氢气输送至燃料电池54用于产生电能，另一部分氢气直接输送至反应室1作为载气使用。而燃料电池产生的一部分电能为甲醇水制氢发电系统5的输送泵52和电加热器532供电，一部分电能为碳纳米管薄膜制备装置的所有用电设备供电。上述甲醇水制氢发电系统5不断循环地产生氢气、高温余气和输出电能，从而实现碳纳米管薄膜制备装置的热、电、载气三联供及其智能化调控。具体如下：
（1）供电：
控制装置56包括控制主板、供电装置及电力输出端口，其中：控制主板控制甲醇水制氢发电系统5工作，供电装置可以是可充电电池，在甲醇水重整制氢发电系统的启动过程中，可充电电池为自身供电（主要是为电加热器532供电，以向重整器53内提供重整制氢反应所需的热量），从而快速启动重整器53，使甲醇和水重整反应制氢。电力输出端口用于向外输出电力。在上述甲醇水重整制氢启动过程中，不需要外接电源供电，通过自身的供电装置即可为系统自身供电，等燃料电池54工作产生电能后，再为自身系统供电以及为碳纳米管薄膜制备装置的所有用电设备（如电机22、电加热装置3）供电，从而完全改变了传统碳纳米管薄膜制备装置依靠外接电源的供电方式，能够不受限制在任何场地使用，使碳纳米管薄膜制备装置成为便捷可移动式的设备。
（2）供载气：
经分离室533分离出氢气，一部分收集至氢气收集装置7，并通过氢气输送管路输送至反应室1作为载气使用，从而省去了现有技术的载气源（氮气罐或氢气瓶），不仅降低原料成本而且解决了载气源的运输安全性。氢气输送管路设置有控制阀9和压力传感器，控制阀9和压力传感器分别与控制装置电连接，从而可实现对输送至反应室1载气的流量的智能化控制。
（3）供热：
可移动式碳纳米管薄膜制备装置设置有用于加热反应室1的高温气体回路4，高温气体回路4中设置有高温气体收集装置6，高温气体收集装置6中的高温气体来自分离室533分离出的高温余气。由于高温余气的温度达到300~600℃，这部分高品质热能通过高温气体回路4为反应室1先进行预加热，然后再通过电加热装置3进行补偿加热，以满足反应室1所需的温度。这样不仅充分利用了甲醇水重整制氢及发电过程中产生的余热，提高甲醇水原料的利用率，而且不再单纯依靠传统的电加热装置3加热，由此大大降低了设备的电能能耗，节能减排效果显著。具体的，电加热装置3与电力输出端电连接（即电加热装置3也由燃料电池54输出的电能供电，不需要外接电源）。电加热装置3采用电加热膜，该电加热膜设置于反应室1的侧壁。电加热膜优选碳化硅材质的电加热膜，由于电加热膜具有耐高温、节能、传热速度快的优点，便于精确控制温度。反应室1设置有温度传感器，温度传感器、电加热膜均与控制装置电连接。例如，反应室1加热所需的温度为1200℃，工作时，先利用甲醇水重整制氢过程中自身产生的高品质热能通过高温气体回路4给反应室1热，当温度达到500℃的基础温度时，再启动电加热膜继续给反应室1加热至1200℃，进而实现对温度的精确控制。因此，本实用新型的碳纳米管薄膜制备装置对机反应室1的温度控制也能够实现智能化的热电联控。
本实施例中，分离室533与高温气体收集装置6之间的连接管路上设置有换向阀8，当反应室1加热时，分离室533分离出的高温余气经换向阀8进入高温气体收集装置6，进而通过高温气体回路4对反应室1加热。当反应室1停止加热时，分离室533分离出的高温余气经换向阀8排向外界。
以上工作即可实现可移动式碳纳米管薄膜制备装置智能化的热、电、载气三联控。
本实施例中，收集装置为缠绕在纺轴21上的辊筒或者履带，辊筒或者履带均为聚四氟乙烯材料加工成型的，其作用是以降低碳纳米管薄膜与传送带3或辊轮6表面之间的范德华作用力。辊筒或者履带可以采用其他具有同等作用的材料加工成型。
施压装置24活动连接于收集室2以使施压装置24与收集装置之间的压力可调节。具体的，施压装置24包括滚轮241和机械臂242，滚轮241通过机械臂242与收集室2连接。在纺轴21旋转的同时，施压装置24通过上下移动来调节与收集装置的间距，对缠绕在收集装置上的碳纳米管薄膜进行碾压从而可以控制生成的碳纳米管薄膜的密度。
收集室2还设置有用于驱动纺轴21沿轴向移动的气缸23，气缸23与电力输出端电连接，即气缸23也由燃料电池54输出的电能供电，不需要外接电源。通过气缸23驱动纺轴21沿轴向的移动距离，可以得到具有特定宽度的碳纳米管薄膜。
与现有技术相比，本实用新型突破了固有思维，充分利用甲醇水重整制氢发电过程中产生的热能和电能，并将其与传统碳纳米管薄膜制备装置相结合，通过智能化的热、电、载气三联控以实现能源的高效利用。为此，本实用新型提供了一种全新的节能、可移动式的创新思路，其具有广阔的产业化应用前景。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。