Development of an oxygen ion conducting solid oxide electrolysis cell based on gadolinium-doped cerium oxide as fuel electrode and electrolyte material

Ramler, Denise Josefine; Menzler, Norbert Heribert; Spatschek, Robert

doi:45293

Development of an oxygen ion conducting solid oxide electrolysis cell based on gadolinium-doped cerium oxide as fuel electrode and electrolyte material

Ramler, Denise Josefine^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeDenise Josefine Ramler

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/energy & environment ; 689

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Druckausgabe 2026. - Onlineausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Menzler, Norbert Heribert (Thesis advisor)^RWTH* ; Spatschek, Robert (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01314
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1027246/files/1027246.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der weltweite Übergang zu CO2-neutralen Energiesystemen erfordert einen erheblichen Ausbau der Wasserstofftechnologien, wobei Festoxid-Elektrolysezellen (SOECs) einen hocheffizienten Weg zur Wasserstofferzeugung durch Hochtemperatur-Elektrolyse bieten. Trotz ihrer überlegenen Effizienz sind SOECs jedoch technologisch noch weniger ausgereift als Niedertemperatur-Alternativen wie alkalische oder Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure. Die Weiterentwicklung von SOECs erfordert daher Innovationen sowohl im Zelldesign als auch in den Fertigungsstrategien, um eine hohe Leistung, mechanische Stabilität und Kosteneffizienz zu erreichen. Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung und Untersuchung von vollständig siebgedruckten, brennstoffelektrodengestützten Festoxidzellen mit einer ko-gesinterten dreischichtigen Elektrolytarchitektur. Die Arbeit wurde im Rahmen des ElChFest-Projekts durchgeführt, dessen Ziel es ist, das elektrochemisch-mechanische Verhalten von gadoliniumdotierten Ceroxid-basierten Festoxidzellen zu modellieren und die Rissbildungsphänomene im Elektrolyten während des Betriebs zu verstehen. Ein wichtiges Ziel war die Herstellung mechanisch robuster und elektrochemisch effizienter Zellen durch Optimierung des Zusammenspiels zwischen Pulvereigenschaften, Pastenformulierung, Sinterverhalten und endgültiger Mikrostruktur. Besonderes Augenmerk wurde auf die während der Herstellung induzierten Restspannungen gelegt. Die Fertigungsstrategie konzentrierte sich auf den Siebdruck als skalierbares und kostengünstiges Beschichtungsverfahren. Das Projekt umfasste den Übergang von zuvor gesputterten Barriereschichten zu siebgedruckten Alternativen. Es wurde eine umfassende Studie zur Pulververarbeitung (einschließlich Vorkalzinierung und Mahlung) durchgeführt, um das Sinterverhalten anzupassen und das gemeinsame Sintern der Mehrschichtzelle zu ermöglichen. Die rheologische Charakterisierung von Siebdruckpasten ergab starke Korrelationen zwischen der Druckqualität und Parametern wie Dämpfungsfaktor, Fließgrenze und Asymmetrie der Partikelverteilung. Diese Ergebnisse unterstrichen die entscheidende Rolle der Pastenrheologie für die Herstellung fehlerfreier und reproduzierbarer Keramikschichten. Das Sinterverhalten von gadoliniumdotiertem Ceroxid (GDC) und yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) wurde sowohl an Presstabletten als auch an siebgedruckten Schichten untersucht. Gadoliniumdotiertes Ceroxid zeigte einen früheren Sinterbeginn und eine höhere Schrumpfung als yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid. Während Ko-Dotierung und Vorkalzinierung die Sinterkinetik wirksam modifizierten, erforderte die Übertragung dieser Ergebnisse auf gedruckte Schichten aufgrund der durch den Träger verursachten mechanischen Einschränkungen weitere Anpassungen. Ko-Sinterversuche zeigten, dass das Schrumpfungsverhalten des Substrats einen signifikanten Einfluss auf die Verdichtung des Elektrolyten hatte. Vorkalzinierte NiO-8YSZ-Substrate verhinderten häufig eine hinreichende Verdichtung, was zu einer erhöhten Porosität und Verformung der Zellen führte. Die Entwicklung des dreischichtigen Elektrolyten brachte zusätzliche mikrostrukturelle Herausforderungen mit sich. Bei Verwendung des Siebdruckverfahrens wurde an den GDC/YSZ-Grenzflächen eine durch Interdiffusion und Kirkendall-Effekte verursachte Grenzflächenporosität beobachtet. Diese Porosität trat bei Zellen mit gesputterten Barriereschichten nicht auf. Folglich wurde die Optimierung der Sintertemperatur zu einem Kompromiss zwischen der Erzielung einer ausreichenden Verdichtung und der Unterdrückung der durch Interdiffusion verursachten Degradation. Die elektrochemische Charakterisierung bestätigte, dass Zellen mit Ni-GDC-Brennstoffelektroden herkömmliche Ni-YSZ-Zellen in Bezug auf die Stabilität übertrafen, was die Wahl von dotiertem Ceroxid bestätigte. Während die beste elektrochemische Leistung in Zellen mit gesputterten Barriereschichten erzielt wurde, zeigten die vollständig im Siebdruckverfahren hergestellten Zellen wettbewerbsfähige Anfangsstromdichten und flächenspezifische Widerstände, die mit dem Referenzdesign vom Typ III aus Jülich vergleichbar waren. Diese Ergebnisse unterstreichen die Eignung des Siebdrucks für die Herstellung von hochleistungsfähigen Festoxid-Elektrolysezellen (SOECs), vorausgesetzt, dass den Grenzflächen und den Sinterbedingungen besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass vollständig im Siebdruckverfahren hergestellte, brennstoffelektrodengestützte SOECs mit dreischichtigen Elektrolyten mit hoher Qualität und Leistung hergestellt werden können, jedoch streng kontrollierte Verarbeitungsbedingungen erfordern. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit kompatibler Sinterverhalten, einer verbesserten Kontrolle der Pastenrheologie und eines für das Ko-Sintern maßgeschneiderten Substratdesigns. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Entwicklung neuartiger, schrumpfungsangepasster Substrate konzentrieren, um die Sintertemperaturen ohne Beeinträchtigung der Verdichtung zu senken. Weitere Forschungen zur Langzeitstabilität unter realistischen Elektrolysebedingungen, zum reversiblen Betrieb und zu unterschiedlichen Dampfkonzentrationen sind ebenfalls unerlässlich, um einen breiteren Einsatz dieser Technologie in der Wasserstofferzeugung und Energieumwandlung zu ermöglichen.

The global transition toward CO2-neutral energy systems requires a significant expansion of hydrogen technologies, with solid oxide electrolysis cells (SOECs) offering a highly efficient route for hydrogen production via high-temperature electrolysis. However, despite their superior efficiency, SOECs remain technologically less mature than low-temperature alternatives such as alkaline or proton exchange membrane electrolyzers. Advancing SOEC development therefore demands innovation in both cell design and manufacturing strategies to achieve high performance, mechanical stability, and cost-efficiency. This dissertation focuses on the development and investigation of fully screen-printed, fuel electrode-supported solid oxide cells featuring a co-sintered tri-layer electrolyte architecture. The work was conducted within the framework of the ElChFest project, which aims to model the electro-chemo-mechanical behavior of gadolinium-doped ceria based solid oxide cells and understand crack formation phenomena in the electrolyte during operation. A key objective was to fabricate mechanically robust and electrochemically efficient cells by optimizing the interplay between powder properties, paste formulation, sintering behavior, and final microstructure. Particular attention was paid to residual stresses induced during manufacturing. The fabrication strategy centered around screen printing as a scalable and cost-effective deposition method. The project included the transition of previously sputtered barrier layers to screen-printed alternatives. A comprehensive study of powder processing (encompassing pre-calcination and milling) was carried out to tailor the sintering behavior and enable co-sintering of the multi-layer cell. Rheological characterization of screen-printing pastes revealed strong correlations between print quality and parameters such as damping factor, yield point, and particle distribution asymmetry. These findings highlighted the critical role of paste rheology in achieving defect-free and reproducible ceramic layers. The sintering behavior of gadolinium-doped ceria (GDC) and yttria-stabilized zirconia (YSZ) powders was evaluated using both bulk pellets and screen-printed layers. Gadolinium-doped ceria exhibited an earlier onset of sintering and higher shrinkage than yttria-stabilized zirconia. While co-doping and pre-calcination effectively modified sintering kinetics, translating these findings to printed layers required further adaptation due to the mechanical constraints induced by the support. Co-sintering trials showed that substrate shrinkage behavior had a significant influence on electrolyte densification. Pre-calcined NiO-8YSZ substrates often inhibited proper densification, leading to increased porosity and cell warping. The development of the tri-layer electrolyte revealed additional microstructural challenges. Interfacial porosity driven by interdiffusion and Kirkendall effects was observed at the GDC/YSZ interfaces, when screen printing was used. This porosity was not present in cells with sputtered barrier layers. Consequently, optimizing the sintering temperature became a balancing act between achieving sufficient densification and suppressing interdiffusion-related degradation. Electrochemical characterization confirmed that cells with Ni-GDC fuel electrodes outperformed conventional Ni-YSZ cells in terms of stability, validating the choice of doped ceria. While the best electrochemical performance was achieved in cells with sputtered barrier layers, the fully screen-printed cells showed competitive initial current densities and area-specific resistances comparable to the state-of-the-art Jülich Type III reference design. These results underscore the viability of screen printing for fabricating high-performance SOECs, provided that careful attention is paid to interfacial engineering and sintering conditions. In summary, this work demonstrates that fully screen-printed, fuel electrode-supported SOECs with tri-layer electrolytes can be fabricated with high quality and performance but require tightly controlled processing conditions. The findings emphasize the need for compatible sintering behaviors, advanced paste rheology control, and substrate design tailored for co-sintering. Future work should focus on developing novel, shrinkage-matched substrates to reduce sintering temperatures without compromising densification. Additional research into long-term stability under realistic electrolysis conditions, reversible operation, and varying steam concentrations is also essential to enable the broader deployment of this technology in hydrogen production and energy conversion.

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