COMSOL电化学流场仿真优化 原创

关键词：COMSOL；电化学；流场仿真；H2O2；反应器

一、研究背景与问题

天然气中的H2S不仅有毒，还会腐蚀管道、毒化催化剂。传统Claus工艺只能把H2S烧成低值硫磺，碳排高、附加值低。本文提出电化学深度氧化思路：用阴极原位生成的过氧化氢，把H2S一步氧化为硫酸盐（K2SO4）。要让这套流式反应器跑得稳、跑得省，关键在于弄清电极界面附近的过氧化氢浓度分布，这正是COMSOL仿真要解决的问题。

二、COMSOL电化学-流体耦合模型

论文用COMSOL Multiphysics耦合电化学与流体流动模块，建立二维轴对称模型，几何尺寸匹配实验装置（电极宽20mm、流道高1.5mm），入口电解液流速0.5至10 mL/min为充分发展层流，全域初始H2O2浓度设为零。

补充材料给出了更完整的二维模型：顶部与底部设为开放边界以模拟电解液流动，左侧边界是气体扩散层与催化层组成的界面（负责O2消耗与H2O2生成），右侧采用对称几何模拟受限孔结构。控制方程同时考虑扩散与对流两项，直接求解电极界面附近的H2O2浓度场。

三、COMSOL仿真揭示H2O2浓度分布

COMSOL结果图给出了流场反应器中间腔的H2O2二维浓度分布：在10 mL/min流速下，电流从50 mA升至400 mA，电极表面附近的高浓度区明显扩大；在200 mA固定时，流速从0.5升至10 mL/min，高浓度区被逐渐冲薄并向下游延伸。

距电极表面的浓度剖面进一步表明：界面处H2O2浓度远高于本体溶液，且电流越高、流速越低，这一优势越显著。这正是大电流下仍保持高选择性的微观根因——反应被牢牢限制在电极界面。

四、实验验证与工程放大

先用H-cell双室装置（膜分隔、三电极）验证2e氧还原产H2O2的本征速率，为COMSOL参数标定提供可靠基准。

放大到100 cm²流式反应器：在3 A、流速100 mL/min下实现H2Scap转化87%、K2SO4选择性73%；进一步在5 A、流速300 mL/min下将H2S从10万ppm降至15ppm以下、选择性72%、连续稳定运行100 h。COMSOL揭示的界面高浓度机制，解释了这一放大稳定性。

五、我们提供的服务

① 电化学反应器（燃料电池、电解槽、液流电池）COMSOL多物理场建模，耦合电化学与流场； ② 流场、浓度场、电流密度分布仿真，定位电极界面传质瓶颈； ③ 二维/三维轴对称与全三维模型搭建及网格无关性验证； ④ 反应器结构参数（流道高、电极宽、流速）的仿真优化比选； ⑤ 放大设计与LCA、TEA工程经济性仿真咨询。 如需针对具体电化学系统开展COMSOL仿真，欢迎与我们联系。

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