Fuel electrode degradation study for solid oxide electrolysis

Unachukwu, Ifeanyichukwu Daniel; Mechler, Anna Katharina; Eichel, Rüdiger-A.

doi:HT031280659

Fuel electrode degradation study for solid oxide electrolysis

Unachukwu, Ifeanyichukwu Daniel^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ifeanyichukwu Daniel Unachukwu, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor)^RWTH* ; Mechler, Anna Katharina (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-04-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06190
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1014636/files/1014636.pdf

Einrichtungen

Projekte

iNEW2.0 - Verbundvorhaben iNEW2.0: Im Zentrum des Inkubators Nachhaltige Elektrochemische Wertschöpfungsketten (iNEW 2.0) steht die Erforschung und Entwicklung neuartiger und leistungsfähiger Elektrolyse-verfahren zur Anwendung in nachhaltigen Power-to-X (P2X) Wertschöpfungsketten. (BMBF-03SF0627A) (BMBF-03SF0627A)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Umwandlung von elektrischer Energie in einen chemischen Energieträger in Form von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Synthesegas kann mit hoher Effizienz durch den Einsatz der Festoxid-Elektrolyse-Technologie erreicht werden. Degradationsprobleme, insbesondere der Brennstoffelektrode, stellen jedoch eine Herausforderung dar, die es zu lösen gilt. In dieser Arbeit werden daher die elektrochemische Leistung und das Degradationsverhalten von drei verschiedenen Brennstoffelektroden untersucht: Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC), Nickel-GDC und Nickel mit Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (Ni-YSZ) bei drei verschiedenen Elektrolysemodi: Dampf-, CO2- und Co-Elektrolyse. Das Material der jeweiligen Brennstoffelektrode wurde auf einem 8YSZ-Elektrolytträgeraufgebracht. Eine GDC Barriereschicht trennt die Luftelektrode aus Lanthan Strontium Kobalt Ferrit (LSCF) von dem Elektrolyten. . Die Zellkonfiguration stellt sich wie folgt dar: Brennstoffelektrode//8YSZ//GDC//LSCF. Die Leistung und die elektrochemischen Prozesse wurden durch Gleich- und Wechselstrommessungen in den verschiedenen Elektrolysemodi im Temperaturbereich von 750-900 °C untersucht. Die Analyse der Distrubtion of relaxation times (DRT) und die nonlinear least square method. (NLLS) wurden eingesetzt, um die frequenzabhängigen Elektrodenprozesse zu separieren. Die Analyse zeigt, dass die Reaktionen an der GDC-Brennstoffelektrode von niederfrequenten Austauschprozessen an ihrer Oberfläche dominiert werden, die von den doppelten Phasengrenzflächen (DPB) ausgehen, während die Ni-GDC-Elektroden von sub-surface Prozessen mittlerer Frequenz dominiert werden. Bei den Ni-YSZ-Elektroden werden die zugrundeliegenden Prozesse von mittel-/hochfrequenten Prozessen dominiert, die hauptsächlich von den Dreiphasengrenzflächen (TPB) ausgehen. Was die Leistung betrifft, so wiesen die Ni-GDC-Einzelzellen die höchste Stromdichte in allen drei Elektrolysemodi auf, während GDC und Ni-YSZ in den verschiedenen Elektrolysemodi ähnliche Stromdichten zeigten. Bei der Degradationsanalyse zeigte Ni-YSZ die höchste Degradationsrate in der Dampfelektrolyse, gefolgt von Ni-GDC, während GDC die geringste Degradation aufwies. Bei der CO2-Elektrolyse hingegen zeigten die GDC-Elektroden die höchste Degradationsrate, während Ni-YSZ eine Degradationsrate aufwies, die etwas höher war als die von Ni-GDC. Die Analyse nach dem Test zeigt, dass die Vergröberung der GDC-Partikel und der Verlust der GDC-Perkolation der Hauptfaktor für die Degradationsraten in den GDC- und Ni-GDC-Einzelzellen war. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die GDC-Migration und die Bedeckung der Ni-Partikel ebenfalls zu dem Leistungsverlust in den Ni-GDC-Zellen beitragen. Bei dem Ni-haltigen Cermet aus Ni-YSZ und Ni-GDC tragen die Ni-Migration und -Agglomeration weiterhin wesentlich zur Degradation bei. Es wurde beobachtet, dass die Degradationsprozesse durch eine Erhöhung des Dampfpartialgehalts begünstigt werden.

The conversion of electrical energy into a chemical energy carrier in the form of hydrogen, carbon monoxide and synthesis gas can be achieved with high efficiency by using the solid oxide electrolysis technology. However, long term degradation issues, especially of the fuel electrode remain a challenge that must be resolved. This thesis therefore investigates the electrochemical performance and degradation behaviour of three different fuel electrodes: gadolinium doped ceria (GDC), Nickel-GDC and Nickel with yttria-stabilized zirconia (Ni-YSZ) under three different electrolysis modes: steam, CO2 and co electrolysis. The fuel electrode material was fabricated on an 8YSZ electrolyte support while the air electrode is made of lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) with a GDC barrier layer sandwich between the electrolyte and the LSCF. Thus, the cell configuration is represented as Fuel electrode//8YSZ//GDC//LSCF. Their performance and electrochemical processes were investigated by direct and alternating current measurements in the different electrolysis modes in the 750-900 °C temperature range. Distribution of relaxation times (DRT) analysis and non-linear least square method were employed to resolve frequency-dependent electrode processes. The analysis reveals that the GDC fuel electrode is dominated by low-frequency surface exchange processes originating from the double phase boundary sites (DPB), while the Ni-GDC electrodes are dominated by sub-surface mid-frequency processes. For the Ni-YSZ, the underlying processes are dominated by mid/high-frequency processes, mostly from the triple-phase boundary sites (TPB). With regard to the performance, the Ni-GDC single cells exhibited the highest current density across the three electrolysis modes while the GDC and Ni-YSZ showed similar current density in the different electrolysis modes. In the degradation analysis, Ni-YSZ exhibited the highest degradation rate in steam electrolysis followed by Ni-GDC while the GDC showed the least degradation. On the other hand, during CO2 electrolysis, the GDC electrodes showed the highest degradation rate, while Ni-YSZ exhibited a degradation rate slightly higher than those of Ni-GDC. The post-test analysis reveals that GDC particle coarsening and loss of GDC percolation was the major contributor to the degradation rates in the GDC and Ni-GDC single cells. Furthermore, GDC migration and covering of the Ni particles were also seen to contribute to the degradation rates in the Ni-GDC cells. For the Ni-containing cermet of Ni-YSZ and Ni-GDC, Ni migration and agglomeration remain significant contributors to the degradation rate. The degradation processes were observed to be facilitated by an increase in steam partial content.

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