DE102006060806A1

DE102006060806A1 - Wabenkörper

Info

Publication number: DE102006060806A1
Application number: DE102006060806A
Authority: DE
Inventors: Olaf Helmer; Martin Dr. Paulus
Original assignee: Sued Chemie AG
Current assignee: Sued Chemie AG
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper (10; 50), der insbesondere Katalysatorträger, mit mindestens einer Welllage (15; 55) und mit mindestens einer Glattlage (20; 60). Um einen metallischen Wabenkörper bereitzustellen, an dem unter Einsatz von verhältnismäßig wenig Bindemitteln ein poröses Trägermaterial zumindest bereichsweise sehr fest anhaften kann, wird vorgeschlagen, dass die Welllage (15; 55) und/oder die Glattlage (20; 60) eine Lage aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper, insbesondere einen Katalysatorträger, mit mindestens einer Welllage und mit mindestens einer Glattlage.
Im Bereich der Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren eingesetzte Wabenkörper beispielsweise sind aus keramischen oder metallischen Materialien gebildet. Die Wabenkörper sind dabei in der Regel mit einem hochoberflächigen porösen Trägermaterial beschichtet, beispielsweise einem Metalloxid, das mittels einer Washcoatdispersion auf den Wabenkörper aufgebracht ist.
Keramische Wabenkörper lassen sich im Allgemeinen verhältnismäßig einfach mit einem hochoberflächigen porösen Trägermaterial mittels einer Washcoatdispersion beschichten, da keramische Wabenkörper eine verhältnismäßig hohe Oberflächenrauigkeit aufweisen und so der Washcoat und damit das poröse Trägermaterial fest an der keramischen Oberfläche anhaften können.
Im Stand der Technik bekannte metallische Wabenkörper sind häufig aus Metallblechen oder Metallfolien gebildet. Dabei werden die Wabenkörper beispielsweise durch abwechselnde Anordnung von Lagen strukturierter Bleche bzw. Folien hergestellt. Vorzugsweise bestehen diese Anordnungen dabei aus einer Lage eines glatten Blechs im Wechsel mit einem gewellten Blech, wobei die Wellung beispielsweise sinusförmig, trapezförmig, omegaförmig oder zickzackförmig ausgebildet sein kann. Entsprechende metallische Wabenkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung werden beispielsweise in der EP 0 049 489 A1 oder der DE 28 56 030 A1 beschrieben.
Im Bereich der Katalysatorträger haben metallische Wabenkörper den Vorteil, dass sie sich schneller erwärmen und damit in der Regel Katalysatoren auf der Basis von metallischen Substraten ein besseres Ansprechverhalten bei Kaltstartbedingungen zeigen.
Darüber hinaus zeichnen sich metallische Monolithe gegenüber keramischen Wabenkörpern durch eine erhöhte Stabilität sowie durch eine bessere Formbarkeit aus. Metallische Wabenkörper sind allerdings wesentlich schwerer zu beschichten, weshalb wesentlich mehr Bindemittel eingesetzt werden muss, um eine ausreichende Haftung des porösen Trägermaterials an der Metalloberfläche zu bewerkstelligen. Der hohe Bindemittelanteil kann sich jedoch nachteilig auf die Aktivität eines entsprechenden Katalysators auswirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen metallischen Wabenkörper bereitzustellen, an dem unter Einsatz von verhältnismäßig wenig Bindemitteln ein poröses Trägermaterial zumindest bereichsweise sehr fest anhaften kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Wabenkörper der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, dass die Welllage und/oder die Glattlage eine Lage aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial umfasst.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass an einem Wabenkörper mit mindestens einer Welllage und mit mindestens einer Glattlage, wobei die Welllage und/oder die Glattlage eine Lage aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial umfasst, ein poröses Trägermaterial in den Bereichen des metallischen offenporigen Schaummaterials auch unter Einsatz von verhältnismäßig geringen Anteilen an Bindemitteln sehr fest an dem Wabenkörper anhaftet.
Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die Oberflächen des metallischen offenporigen Schaummaterials des erfindungsgemäßen Wabenkörpers beim Durchleiten eines Gases zu einer erhöhten Turbulenz desselben führen. Dadurch wird eine Erhöhung des Stofftransports zur katalytisch aktiven Beschichtung gewährleistet, wenn der erfindungsgemäße Wabenkörper mit einer katalytisch aktiven Beschichtung beladen ist.
Ferner hat der erfindungsgemäße Wabenkörper den Vorteil, dass er in den Bereichen des metallischen offenporigen Schaummaterials durchlässig für Gaskomponenten ist, wodurch eine Durchmischung von Fluiden von benachbarten, durch das Schaummaterial getrennten Kanälen erfolgen kann.
Für den Fall, dass der erfindungsgemäße Wabenkörper mit einem porösen Trägermaterial sowie einer katalytisch aktiven Komponente beladen ist, hat sich gezeigt, dass beim Durchleiten eines Abgases durch den Wabenkörper eine geringere mechanische Belastung auf die Washcoatbeschichtung wirkt, insbesondere auf den in den Metallschaum eingelagerten Washcoat. Daraus resultiert eine bessere mechanische Langzeitstabilität des beschichteten Wabenkörpers. Darüber hinaus ist aufgrund der geringeren mechanischen Belastung ein geringerer Bindemittelanteil in der Washcoatbeschichtung erforderlich, woraus eine höhere Aktivität eines entsprechenden Katalysators resultiert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff „metallisches offenporiges Schaummaterial" ein Schaummaterial aus einem beliebigen Metall oder aus einer beliebigen Legierung verstanden werden, dass gegebenenfalls auch noch Zuschlagsstoffe enthalten kann, das eine Vielzahl von Poren aufweist, die miteinander leitungsverbunden sind, so dass beispielsweise durch das Schaummaterial ein Gas hindurchgeleitet werden kann.
Metallische offenporige Schaummaterialien haben durch die Poren und Hohlräume bedingt eine sehr geringe Dichte, weisen jedoch eine beträchtliche Steifigkeit und Festigkeit auf. Die Herstellung von Metallschäumen erfolgt beispielsweise mittels eines Metallpulvers und eines Metallhydrids. Beide Pulver werden in der Regel miteinander vermischt und dann durch Heißpressen oder Strangpressen zu einem Formmaterial verdichtet. Das Formmaterial wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Metalle erhitzt. Dabei setzt das Metallhydrid Wasserstoffgas frei und schäumt das Gemenge auf.
Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten, Metallschäume herzustellen, beispielsweise durch Einblasen von Gas in eine Metallschmelze, die zuvor durch Zugabe fester Bestandteile schäumbar gemacht wurde. Für Aluminiumlegierungen beispielsweise werden zur Stabilisierung 10 bis 20 Vol.-% Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid zugegeben. Darüber hinaus lassen sich offenporige metallische Schaumstrukturen mit einem Porendurchmesser von 10 ppi bis circa 50 ppi durch spezielle Feingusstechniken herstellen.
Gemäß einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Wabenkörpers kann es vorgesehen sein, dass die Welllage eine Lage aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial umfasst, aber nicht die Glattlage. Dadurch kann ein Fluidaustausch zwischen den benachbarten Kanälen des Wabenkörpers erreicht werden, welche durch die Welllage voneinander räumlich getrennt sind.
Gemäß einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers kann es vorgesehen sein, dass die Glattlage eine Lage aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial umfasst, nicht aber die Welllage. Dadurch kann ein Fluidaustausch zwischen benachbarten Kanälen des erfindungsgemäßen Wabenkörpers erreicht werden, die durch die Glattlage voneinander räumlich getrennt sind. Ein Fluidaustausch zwischen benachbarten, durch die Welllage voneinander getrennten Kanälen kann so unterbunden werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten, alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers umfasst sowohl die Welllage als auch die Glattlage eine Lage aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial. Dadurch kann ein Fluidaustausch zwischen einem Kanal und all seinen benachbarten Kanälen bewerkstelligt werden.
Entsprechend einer weiter bevorzugten Ausführungsform besteht sowohl die Welllage als auch die Glattlage des Wabenkörpers aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers ist vorgesehen, dass der Wabenkörper ein geschichteter, ein gestapelter oder ein gewickelter Wabenkörper ist.
Metallische offenporige Schaummaterialien zeichnen sich in der Regel durch eine verhältnismäßig hohe Steifigkeit sowie Festigkeit aus. Dabei ist die Steifigkeit sowie die Festigkeit insbesondere auch von der Dicke der offenporigen Metallschaumlage abhängig. Werden in den erfindungsgemäßen Wabenkörper offenporige Metallschaumlagen mit einer geringen Dicke verbaut, welche den in Wabenkörpern auftretenden mechanischen Belastungen nicht über gewünschte Standzeiten hinweg widerstehen können, kann es vorgesehen sein, dass die Welllage bzw. die Glattlage eine Einlage umfasst, welche beispielsweise die Steifigkeit der entsprechenden offenporigen Metallschaumlage verbessert, beispielsweise durch Anlage des Metallschaummaterials an der Einlage. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers ist daher vorgesehen, dass die Welllage und/oder die Glattlage eine Einlage umfasst.
Die Einlage ist bevorzugt aus einem Blech, beispielsweise einem Blech aus Metall, oder einem Netz, wie beispielsweise einem Maschennetz aus Metalldraht, gebildet.
Entsprechend einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers kann es vorgesehen sein, dass die Einlage mit Lochungen oder mit Schlitzen versehen ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Einlage nicht den Austausch von Medium zwischen benachbarten Kanälen durch die Metallschaumlage beeinträchtigt.
Darüber hinaus kann es gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers vorgesehen sein, dass die Glattlage und/oder die Welllage mit Lochungen versehen ist. Dadurch wird ein intensiver Stoffaustausch zwischen benachbarten Kanälen des erfindungsgemäßen Wabenkörpers gewährleistet.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers weist die Lage aus metallischem offenporigem Schaummaterial eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 5 mm auf, vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 3 mm und besonders bevorzugt eine Dicke von 1 bis 2 mm. Die Dicke der offenporigen Metallschaumlage bestimmt sich dabei nach dem jeweiligen Anwendungszweck des Wabenkörpers, wobei je dicker die Metallschaumlage ist, desto geringer ist der Austausch von Medien zwischen benachbarten Kanälen des Wabenkörpers.
Ferner kann es bevorzugt sein, wenn der Wabenkörper ein Gehäuse umfasst. Dadurch wird die mechanische Stabilität des Wabenkörpers erhöht. Dabei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Konstruktion aus Well- und Glattlage mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Die feste Verbindung kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Bereiche der Konstruktion, die mit dem Gehäuse in Kontakt kommen, mit demselben verlötet oder verschweißt sind. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Kontaktbereiche nur teilweise oder anders gesagt bereichsweise miteinander verlötet bzw. verschweißt werden. Die bereichsweise Verbindung hat den Vorteil, dass der Wabenkörper weniger starr ist und auftretende mechanische Spannungen besser ausgleichen kann.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers besteht die Welllage und/oder die Glattlage aus einer Lage eines metallischen offenporigen Schaummaterials.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers als Katalysatorträger bei der Herstellung von Katalysatoren, insbesondere von Katalysatoren für den Einsatz in der Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines metallischen offenporigen Schaummaterials bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers.
Die nachstehende Beschreibung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 Querschnitt eines geschichteten Wabenkörpers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 Querschnitt eines spiralig gewickelten Wabenkörpers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In der 1 ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegter erfindungsgemäßer Wabenkörper gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der geschichtete Wabenkörper 10 enthält eine Vielzahl von abwechselnd aufeinanderfolgenden Glatt- und Welllagen 20/15, die aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial gebildet sind. Die Glattlagen 20 und die Welllagen 15 sind in den Bereichen, in denen sie miteinander in Kontakt kommen, bereichsweise verlötet.
Die geschichtete Konstruktion aus Welllagen 15 und Glattlagen 20 ist in einem rechteckigen Gehäuse 30 untergebracht. Die Bereiche der Welllagen 15 und der Glattlagen 20, die mit dem Gehäuse 30 in Kontakt kommen, sind mit demselben verlötet. Dadurch wird eine ausreichende Stabilität des Wabenkörpers gewährleistet.
In der 2 ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 50 belegter Wabenkörper gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der spiralig gewickelte Wabenkörper 50 besteht aus einer Welllage 55 und einer Glattlage 60, die jeweils aus einem offenporigen metallischen Schaummaterial gebildet sind, sowie einem Mantelrohr 70 als Gehäuse. Um eine ausreichende Stabilität des Wabenkörpers 50 zu gewährleisten, sind die Welllage 55 und die Glattlage 60 in den Bereichen, in denen sie miteinander in Kontakt kommen, miteinander verlötet.
Zur Fixierung der Konstruktion aus Welllage 55 und Glattlage 60 in dem Mantelrohr 70 sind die Bereiche der Welllage 55, welche die Mantelinnenfläche des Mantelrohrs 70 kontaktieren, mit dieser verlötet.

Claims

Wabenkörper, insbesondere Katalysatorträger, mit mindestens einer Welllage und mit mindestens einer Glattlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Welllage (15; 55) und/oder die Glattlage (20; 60) eine Lage aus einem metallischen offenporigen Schaummaterial umfasst.
Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (10; 50) ein geschichteter, ein gestapelter oder ein gewickelter Wabenkörper ist.
Wabenkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welllage (15; 55) und/oder die Glattlage (20; 60) eine Einlage umfasst.
Wabenkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage aus einem Blech oder einem Netz gebildet ist.
Wabenkörper nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage mit Lochungen oder Schlitzen versehen ist.
Wabenkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glattlage (20; 60) und/oder die Welllage (15; 55) mit Lochungen versehen ist.
Wabenkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage aus metallischem offenporigem Schaummaterial eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm aufweist, vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 3 mm und bevorzugt eine Dicke von 1 bis 2 mm.
Wabenkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (10; 50) ein Gehäuse (30; 70) umfasst.
Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welllage (15; 55) und/oder die Glattlage (20; 60) aus einer Lage eines metallischen offenporigen Schaummaterials besteht.
Verwendung eines Wabenkörpers (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Katalysatorträger bei der Herstellung von Katalysatoren, insbesondere von Katalysatoren für den Einsatz in der Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren.
Verwendung eines metallischen offenporigen Schaummaterials bei der Herstellung eines Wabenkörpers (10; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.