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22 2 Grundlagen
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Herstellung von Substrat und Anode
Das Substrat kann im uniaxialen Pressverfahren in der Zusammensetzung 36Vol.-% Nickel
und 64Vol.-% 8YSZ oder durch Foliengießen in der Zusammensetzung 40Vol.-% Nickel und
60Vol.-% 8YSZ hergestellt werden [6,67,68]. Bei Ersterem wird ein über das Coat-Mix ® -
Verfahren [37,69,70] mit Binder (thermoplastisches Phenolformaldehydharz) beschichtetes
NiO/YSZ-Pulver bei einer Temperatur von 120°C und einem Druck von ca. 1MPa verpresst.
Im Coat-Mix ® -Verfahren wird der Binder bei ca. 60°C in Ethanol gelöst und die Pulvermischung
in diese Lösung eingerührt. Die entstehende Suspension wird abgekühlt und ihr wird
angesäuertes Wasser zugegeben. Da das Harz in Wasser nicht löslich ist, fällt dieses aus und
umhüllt die Pulverkörner. Eine anschließende Wärmebehandlung entfernt Lösungsmittelreste,
die flüssige Phase wird durch Dekantieren entfernt und schließlich wird das umhüllte Pulver
über einen Vakuumtrockenprozess getrocknet. Beim Warmpressen wird der Binder zunächst
weich und verbindet die Pulver-Partikel, bevor dessen Aushärtung beginnt, wobei sich Wasser
vom Phenolformaldehyd abspaltet. Anschließend findet ein Sinterprozess statt, bei dem
auch der Binder ausgebrannt wird. Durch den Binderausbrand wird im hergestellten Bauteil
ein hoher Anteil durchgehender Porosität erzeugt. Die entstehenden Substrate können in verschiedenen
Dicken hergestellt werden. Je nach Anwendung sind sie in der Regel 1000 oder
1500μm dick.
Beim Foliengießen wird ein Schlicker unter Nutzung eines sogenannten Doctor-Blade-Messers
vergossen [37,71-73]. Der Schlicker enthält neben den NiO- und YSZ-Ausgangspulvern
ein organisches Bindemittel, ein Lösungsmittel sowie weitere Additive. Dabei handelt es sich
im Wesentlichen um Plastifizierer, Entschäumer, Dispergierer und rheologische Additive
[68,74,75]. Um sowohl eine durchgehende Porosität als auch eine durchgehende Feststoffphase
einzustellen, können verschiedene Wege beschritten werden. In der Vergangenheit wurde
dabei am Forschungszentrum Jülich auf den Zusatz von Phenolformaldehydharz oder Graphit,
die beim Ausbrennen Porenstrukturen hinterlassen, oder von Grobkornmischungen zur
Behinderung der Verdichtung beim Sintern gesetzt [37,76,77]. Neuerdings wird als Porenformer
Reisstärke, ein häufig verwendeter Porenformer in Foliengießschlickern, eingesetzt [78].
Sie wird ebenfalls beim Sinterprozess verbrannt. Nach der Herstellung wird der Schlicker zunächst
entlüftet und schließlich vergossen. So entsteht nach der Trocknung eine gut handhabbare
Folie, aus der die gewünschten Geometrie gestanzt und ggf. mehrere Lagen laminiert
werden können. Auch hier folgt ein abschließender Sinterprozess [72,79]. Mittels Foliengießen
lassen sich Substrate im sub-Millimeter Bereich herstellen.
Die Anode wird mittels Vakuum-Schlicker-Guss (VSG) [80] oder Siebdruck [37,81] auf das
Substrat aufgebracht. Beim VSG wird das poröse Substrat in eine abgedichtete Form eingespannt
und durch eine Pumpe an der Unterseite ein Unterdruck erzeugt. Auf die Oberseite des
Substrats wird eine Suspension gegossen, deren Pulvermischung eine feinere Partikelgrößenverteilung
hat, als die Pulvermischung zur Herstellung des Substrats, jedoch nahezu das gleiche
Mischungsverhältnis aus NiO und YSZ. Die flüssige Phase wird durch das Substrat hindurch
gesaugt, während der Feststoffanteil als Schicht auf der Oberfläche zurückbleibt. Für
den Siebdruck wird eine Bindemittellösung aus 6% Ethylcellulose in Terpineol hergestellt, in
der die Pulvermischung mittels 3-Walzwerk dispergiert wird. Die so hergestellte Paste wird
verdruckt und bei 60°C getrocknet. Auf beide Verfahren folgt jeweils eine Sinterung, bei der
auch die Entbinderung stattfindet. Die Dicke der Anode nach der Sinterung beträgt nur ca.