本发明涉及电解水制氢，具体地涉及一种膜电极及其构成的质子交换膜水电解槽。
背景技术：
1、氢能是一种清洁、高效、可再生能源，采用氢能代替化石能源，被视为是解决目前全球面临的能源短缺和环境污染问题的有效途径。电解水是制备高纯度氢气最为有效的技术之一，尤其是结合可再生能源发电技术，不仅能够有效消纳“弃电”、经济性好，而且实了更加清洁的制氢途径，具有广阔的应用前景。固相聚合物电解质电解槽因具有体积小、结构紧凑、耐压能力强、工作电流大和制氢纯度高等优势，成为了新一代的电解水制氢装置。膜电极是电解槽的核心，由质子交换膜和其两侧的阴极和阳极催化剂涂覆层组成。水解过程中，水在膜电极中阳极催化剂涂覆层侧生成氧气和氢离子，氢离子通过质子交换膜在阴极催化剂涂覆层还原生成氢气，因此，膜电极是影响电解槽的水解效率的关键性因素。
2、目前spe电解槽面临着催化剂层和质子交换膜的结合性较差造成电阻升高以及膜电极的活性不佳，耐久性弱等问题，制约了spe电解槽的规模化发展。针对膜电极的制备方法进行改良，对膜电极进行良好的活化处理，使膜电极利于构建良好质子，电子，水和气的物质传输通道，从而大大降低欧姆阻抗和物质传输阻抗，这对于制备高性能，长耐久的spe电解槽有着极其关键的推动作用。然而，目前如何研究合适的spe电解槽用膜电极的制备和活化值得重视。
技术实现思路
1、鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种质子交换膜水电解槽，通过采用可以得到铝合金反模板使质子交换膜具备类似狗尾草叶条纹结构的表面，配合多巴胺进行表面处理，可以提高催化剂层和质子交换膜之间的粘合力，有效降低电解槽的膜电阻，提高耐久性和活性。
2、为了实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种质子交换膜水电解槽，包括膜电极，所述膜电极包括表面仿生化的质子交换膜及其两侧的阳极催化剂层、阴极催化剂层。
3、可选的，所述膜电极的制备方法包括如下步骤：(1)制备表面仿生化的质子交换膜，用盐酸多巴胺溶液对表面仿生化的质子交换膜的表面进行处理；(2)将阳极催化剂和全氟磺酸树脂溶液混合形成阳极催化剂浆料；将阴极催化剂和全氟磺酸树脂溶液混合形成阴极催化剂浆料；(3)在质子交换膜的阴极侧喷涂步骤(2)所述的阴极催化剂浆料，干燥后得到阴极催化剂层；在质子交换膜的阳极侧喷涂步骤(2)所述的阳极催化剂浆料，干燥后得到阳极催化剂层，最终得到电解水膜电极。
4、可选的，所述用盐酸多巴胺溶液对表面仿生化的质子交换膜的表面进行处理，具体步骤为：喷涂浓度2mg/ml盐酸多巴胺溶液至表面仿生化的质子交换膜的表面，100-110℃干燥2-4h，得到改性的表面仿生化的质子交换膜。
5、可选的，阳极催化剂为氧化铱，ruo2，ir单质、ru单质和ru-ir合金中的一种或组合。
6、可选的，阴极催化剂为pt/c或铂黑中的一种。
7、可选的，阳极催化剂浆料的浓度25-40wt％；阴极催化剂浆料的浓度为28-46wt％。
8、可选的，阴极催化剂层的厚度为50-100μm；阳极催化剂层的厚度为50-100μm。
9、可选的，所述表面仿生化的质子交换膜的制备方法包括以下步骤：(1)利用电火花精密加工技术在铝合金基体上加工出仿生狗尾草叶的条纹结构得到铝合金模板，用聚二甲基硅氧烷胶液浇注、除泡，固化后得到硅胶反模板；(2)配置质量浓度为30-40％的末端带-so3na的全氟磺酸树脂溶液，加入改性增强材料，搅拌均匀，高压釜中通入惰性气体后维持压力范围1.5-2mpa和温度120-150℃，保温2-10h，然后自然冷却，得到改性增强材料掺杂的全氟磺酸树脂溶液；改性增强材料与末端带-so3na的全氟磺酸树脂水溶液的重量体积比为15-20g/l；所述全氟磺酸树脂溶液的溶剂由水和乙醇组成，质量比20:30；(3)将步骤(2)所述的全氟磺酸树脂溶液涂覆于步骤(1)所述的铝合金反模板表面，加热温度100-120℃,干燥1-2h，自然冷却后离型分离，得到表面仿生化的质子交换膜，厚度为50-100μm。
10、可选的，所述改性增强材料为四丁基铵和多巴胺插层改性的蒙脱石或四丁基铵和多巴胺插层改性的二维层状功能化mxene纳米片。
11、可选的，还包括绝缘板、导流片、外部电源以及供水装置；膜电极的阳极侧由里到外依次阳极气体扩散层、阳极导流片和阴极绝缘板，膜电极的阴极侧由里到外依次阴极气体扩散层、阴极导流片和阴极绝缘板；所述外部电源的正负极分别连接阳极导流片和阴极导流片；所述供水装置为电解槽阳极侧通入去离子水；所述阳极气体扩散层为钛网，阴极气体扩散层为碳纸。
12、为了实现上述目的，在第二方面，本发明提供了一种质子交换膜水电解槽的电极活化方法，包括如下步骤：
13、(1)向电解槽阳极侧中通入90℃流速为200ml/min的去离子水；
14、(2)向电解槽施加负载，首先在恒流模式下，运行5个工作步骤，电流密度从0增大至5a/cm2，分别为2a/cm2电流密度下运行15min；3a/cm2电流密度下运行15min；4a/cm2电流密度下运行20min；5a/cm2电流密度下运行30min；3.6a/cm2电流密度下运行30min；
15、(3)接着在恒压模式下运行3个工作步骤，电压从2v降至1.6v，分别为2v电压下运行10min；1.8v电压下运行10min；1.6v电压下运行10min；
16、(4)最后切换恒流模式，1.5a/cm2电流密度下运行30min；
17、(5)活化步骤完成后再去负载搁置10min左右进行性能测试。
18、本发明的有益效果如下：
19、(1)本发明通过制备表面具备类似狗尾草叶条纹结构的质子交换膜，再经过多巴胺的处理，发现可以提高催化剂浆料在其表面的浸润率，干燥后的催化剂层具备较好的结合力，有效降低膜电阻，提高耐久性和活性。
20、(2)本发明的活化方法针对上述膜电极构成的质子交换膜水电解槽，能够较大程度构建质子，电子，水和气的传输通道，降低欧姆阻抗和物质传输阻抗，使质子交换膜水电解槽能够发挥出最优的性能。
1.一种质子交换膜水电解槽，其特征在于，包括膜电极，所述膜电极包括表面仿生化的质子交换膜及其两侧的阳极催化剂层、阴极催化剂层。
2.如权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述膜电极的制备方法，包括如下步骤：
3.如权利要求2所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述用盐酸多巴胺溶液对表面仿生化的质子交换膜的表面进行处理，具体步骤为：喷涂浓度2mg/ml盐酸多巴胺溶液至表面仿生化的质子交换膜的表面，100-110℃干燥2-4h，得到改性的表面仿生化的质子交换膜。
4.如权利要求2所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，阳极催化剂为氧化铱，ruo2，ir单质、ru单质和ru-ir合金中的一种或组合。
5.如权利要求2所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，阴极催化剂为pt/c或铂黑中的一种。
6.如权利要求2所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，阳极催化剂浆料的浓度25-40wt％；阴极催化剂浆料的浓度为28-46wt％。
7.如权利要求2所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，阴极催化剂层的厚度为50-100μm；阳极催化剂层的厚度为50-100μm。
8.如权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述表面仿生化的质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，所述改性增强材料为四丁基铵和多巴胺插层改性的蒙脱石或四丁基铵和多巴胺插层改性的二维层状功能化mxene纳米片。
10.如权利要求1所述的质子交换膜水电解槽，其特征在于，还包括绝缘板、导流片、外部电源以及供水装置；膜电极的阳极侧由里到外依次阳极气体扩散层、阳极导流片和阴极绝缘板，膜电极的阴极侧由里到外依次阴极气体扩散层、阴极导流片和阴极绝缘板；所述外部电源的正负极分别连接阳极导流片和阴极导流片；所述供水装置为电解槽阳极侧通入去离子水；所述阳极气体扩散层为钛网，阴极气体扩散层为碳纸。