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Cerium Silicate Formation in Solid Oxide Electrolysis Cells: Effects on Durability and Mitigation Strategies

Riegraf, Matthias und Surrey, Alexander und Sata, Noriko und Costa, Rémi (2025) Cerium Silicate Formation in Solid Oxide Electrolysis Cells: Effects on Durability and Mitigation Strategies. Chemical Engineering Journal. Elsevier. doi: 10.1016/j.cej.2025.164654. ISSN 1385-8947.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Kurzfassung

High-temperature solid oxide electrolysis (SOEL) exhibits superior electrical efficiencies compared to low-temperature electrolysis technologies and possess the unique ability to produce syngas via simultaneous co-electrolysis of steam and carbon dioxide. However, impurity-induced degradation can significantly reduce their lifetime and the requirements for feed gas quality remain unclear. This study presents the first systematic investigation of silicate formation in state-of-the-art Ni/Gadolinium-doped ceria (CGO) fuel electrodes and its severe degradation impact, an issue addressed in multiple German research projects by DLR and Sunfire. Through microstructural and crystallographic analyses, the formation of the cerium silicate phase Ce4.67(SiO4)3O predominantly at the electrolyte|electrode interface is established. A progressive macroscopic color change along the channel is demonstrated to be a reliable indicator for cerium silicate formation. Water quality is identified as a critical factor for minimizing degradation rates. At 860°C, degradation rates of 10.4-14.8 mΩ cm2/kh were observed in single cells operated in co-electrolysis with ultrapure water containing <1 ppb silica, while reverse osmosis water with >40 ppb silica led to a 3-5x acceleration in degradation. The results reveal a highly detrimental solid oxide electrolysis cell (SOEC) degradation mechanism and underscore the necessity of stringent feed water purity to ensure stable long-term stability and commercial viability.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/214608/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Cerium Silicate Formation in Solid Oxide Electrolysis Cells: Effects on Durability and Mitigation Strategies
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Riegraf, MatthiasMatthias.Riegraf (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Surrey, AlexanderNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sata, NorikoNoriko.Sata (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3103-2051NICHT SPEZIFIZIERT
Costa, Rémiremi.costa (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3534-1935NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2025
Erschienen in:Chemical Engineering Journal
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1016/j.cej.2025.164654
Verlag:Elsevier
ISSN:1385-8947
Status:veröffentlicht
Stichwörter:SOEC
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Riegraf, Matthias
Hinterlegt am:12 Jun 2025 17:01
Letzte Änderung:13 Jun 2025 12:05

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