The utilization of seawater and wastewater in solid oxide electrolysis cells

Uecker, Jan; Singheiser, Lorenz; Simon, Ulrich; Eichel, Rüdiger-A.

doi:45353

The utilization of seawater and wastewater in solid oxide electrolysis cells = Die Verwendung von Meerwasser und Abwasser in Hochtemperatur Festoxid Elektrolysezellen

Uecker, Jan^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Uecker, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-03-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-04002
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1033154/files/1033154.pdf

Einrichtungen

Projekte

PRELUDE - Verbundvorhaben PRELUDE: Prozess- und Meerwasser-Elektrolyse für eine umweltverträgliche Grüne Wasserstoffwirtschaft in Deutschland (BMBF-03SF0650A) (BMBF-03SF0650A)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
electrochemical analysis (frei) ; salt water electrolysis (frei) ; seawater electrolysis (frei) ; solid oxide electrolysis (frei) ; technical and economic analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Verwendung von Meer- und Abwasser stellt eine Möglichkeit dar, den Druck auf Frischwasserressourcen für Hochtemperaturelektrolyse die zeichnet Wasserstoffherstellung sich zu verringern. Die durch erhöhte Effizienzen bei den Operationstemperaturen von 700 bis 900 °C aus. In dieser Arbeit werden kommerzielle Festoxidzellen auf Ihre Komptabilität mit salzhaltigem Wasser untersucht. Dabei werden die Leistung und die Stabilität betrachtet. Zudem wird eine Lösung auf Systemebene für die Verwendung in Hochtemperaturelektrolyseanlagen diskutiert. Aus den Vergleichsmessungen mit ultrapurem Wasser konnte gezeigt werden, dass das Degradationsverhalten der Zellen im Betrieb stark von den Batches der Zellen abhängt, wobei Vergiftungen mit Silizium in den Ausgangsmaterialien kritisch zu sehen sind. Die Verwendung von Meerwasser zeigte keinen Einfluss auf die initiale Leistung der Zellen. Allerdings wurde eine erhöhte Degradationsrate über 1000 Stunden Betriebszeit aufgrund von Verlusten in der Ni-YSZ Brenngaselektrode durch Siliziumvergiftungen beobachtet. Der Transport von Salz und dessen Ablagerung auf der Zelle wurde bestätigt. Interessanterweise wurden herkömmliche Degradationsmechanismen durch die Verwendung von Meerwasser unterdrückt, was auf eine Stabilisierung der Mikrostruktur in der Ni-YSZ Brenngaselektrode zurückgeführt wurde. In einem Test mit erhöhter Natriumchloridkonzentration wurde ebenfalls kein Einfluss auf die anfängliche Leistung beobachtet. Allerdings wurde eine erhöhte Degradationsrate in einem Langzeitversuch über 1000 Stunden beobachtet, welche auf Verluste in der Ni-YSZ Brenngaselektrode zurückzuführen ist. Es wurde eine Natriumcarbonatspezies auf der Elektrode mithilfe von SEM-EDX gefunden. Auf Basis der Erkenntnisse wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, in dem gasförmige Salzsäure gebildet wird, welche für die erhöhte Degradation verantwortlich ist. Im letzten Schritt wurde eine technische und ökonomische Analyse durchgeführt, bei der die Verwendung eines Fallfilmverdampfers gekoppelt mit einem Hochtemperaturelektrolysesystems für die Meerwasserverwendung evaluiert wurde. Dies wurde mit einem System basierend auf einer Umkehrosmose und einem konventionellen Verdampfer verglichen. Es wurde gezeigt, dass ein ökonomischer Vorteil durch die simultane Verdampfung und Aufreinigung von Meerwasser wahrscheinlich ist. Allerdings besteht ein erhöhtes technische Risiko. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Meerwasser und Abwassernutzung in der Hochtemperaturelektrolyse zukünftiges Potential bieten, allerdings kann der Transport von Salzen oder anderen Verunreinigen problematisch für das System sein. In dieser Arbeit wurde speziell herausgestellt, dass Silizium (in Meerwasser) oder Natriumchlorid problematisch für die Zellstabilität sind und vorher herausgefiltert werden müssen.

The utilization of seawater and wastewater is one way of reducing the pressure on freshwater sources for the production of hydrogen. High temperature electrolysis is an interesting approach due to the increased efficiencies at operating temperatures of 700 – 900 °C. In this work, commercially available solid oxide cells were analyzed for operation with saline containing water. The electrochemical performance and long term stability were evaluated, and a novel system level concept for seawater utilization in high temperature electrodes was assessed. For pure water operation, acting as reference, degradation behavior strongly depended on cell production conditions, with silicon contamination from starting materials identified as a critical factor. Thus, long term stability testing with saline water utilization should be only compared against benchmark pure water operation from the same cell production batch. The use of seawater showed no influence on the initial performance and activation energies of the cells. However, an increased degradation rate over 1000 hours of operation was observed due to polarization losses in the Ni-YSZ fuel electrode. This was correlated to silica poisoning detected by post test characterization. Additionally, the transport of salt was confirmed by deposits found on the surface of the Ni-YSZ fuel electrode. Interestingly, conventional degradation mechanisms were suppressed by seawater usage, which was attributed to a stabilization of the microstructure in the Ni-YSZ fuel gas electrode. Electrochemical measurements with saturated sodium chloride solution revealed no negative effect on the initial performance and activation energies. However, an increased degradation rate was observed, which can be attributed to polarization losses in the Ni-YSZ fuel electrode. A sodium carbonate species was detected by post test characterization on the fuel electrode surface. The findings suggested a mechanism in which gaseous hydrochloric acid is formed, contributing to accelerated Ni agglomeration in the electrode and leading to increased degradation. In the final step, the use of a falling film evaporator coupled with a high temperature electrolysis system for seawater utilization was evaluated through technical and economic analysis. This was compared with a system based on a reverse seawater osmosis unit and a conventional evaporator. It was shown that the simultaneous evaporation and purification of seawater is likely to provide an economic advantage. However, there is an increased technical risk. It was shown that seawater and wastewater utilization in high temperature electrolysis offer future potential, but the transport of salt or other impurities can be problematic for the system. In this work, it was specifically emphasized that silicon, e.g. in seawater or sodium chloride, is problematic for cell stability and must be filtered out beforehand.

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