DE202009004082U1

DE202009004082U1 - Wabenkörper mit Metallschaum

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Publication number: DE202009004082U1
Application number: DE202009004082U
Authority: DE
Original assignee: Sued Chemie AG
Current assignee: Sued Chemie AG
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2019-03-24

Abstract

Wabenkörper (101) umfassend einen Metallschaum (102).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper umfassend einen Metallschaum sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Wabenkörpers als Katalysatorträger.
Im Stand der Technik sind Wabenkörper sowie deren Einsatz als Katalysatorträger bekannt, die aus Keramik (beispielsweise Cordierit) oder Metall (beispielsweise einer FeCr-Legierung) bestehen. Keramische Wabenkörper werden dabei aus einer keramischen Masse extrudiert, wobei die Extrusion so durchgeführt wird, dass bevorzugt geradlinige axial verlaufende Kanäle entstehen. Metallische Wabenkörper werden in der Regel durch das Aufwickeln von Metallfolien hergestellt, wobei eine gewellte und eine glatte Folie zusammen aufgewickelt werden. Auch hier entstehen geradlinige axial verlaufende Kanäle. Die DE 37 43 723 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorträgers, bei dem mehrere gewellte oder gewellte und glatte Metalllagen übereinander gelegt werden, die dann ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum spiralförmig oder evolventenförmig gewickelt und anschließend in einem hülsenförmigen Mantel befestigt werden. Diese grundlegende Form, d. h. Kombination aus gewellten und ebenen Metalllagen, ist in einer Vielzahl von Veröffentlichungen verwirklicht.
Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Wabenkörper ist es, dass sie – aufgrund von ausschließlich geradlinig axial verlaufenden Kanälen – es der Strömung sehr schnell nach Eintritt in die Wabe ermöglichen, von turbulent zu laminar zu wechseln, was zu einer Erniedrigung des Stofftransports zu der katalytischen Beschichtung führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu den aus dem Stand der Technik bekannten Cordierit- und Metallwabenkörpern zu finden, die ebenfalls als Katalysatorträger eingesetzt werden können und die die gleichen bzw. verbesserte Eigenschaften als die aus dem Stand der Technik bekannten Wabenkörper aufweist.
Überraschend wurde vorliegend gefunden, dass Wabenkörper, die einen Metallschaum umfassen, die erfindungsgemäße Aufgabe lösen.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher in einem ersten Aspekt Wabenkörper umfassend einen Metallschaum. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Metallschaumbahnen, die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Wabenkörper verwendet werden, eine Wandstärke von 0,5 bis 20 mm, bevorzugter 1 bis 10 mm und am meisten bevorzugt von 2 bis 5 mm aufweisen.
Der Begriff „Metallschaum" wie er vorliegend verwendet wird, bezeichnet ein Schaummaterial aus einem beliebigen Metall oder aus einer beliebigen Legierung von Metallen, die ggf. weitere Zuschlagstoffe wie Carbide, etc. enthalten können (siehe nachstehende Beschreibung). Die Metallschäume weisen eine Vielzahl von Poren auf, die untereinander verbunden sind, so dass ein Gas durch das Schaummaterial hindurchgeleitet werden kann.
Besonders bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Wabenkörper einen Metallschaum, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Schäumen aus reinem Metall wie Eisen, Chrom, Nickel, Kupfer oder Aluminium; Schäumen aus einer Legierung wie einer Eisenlegierung, einer Kupferlegierung, einer Chromlegierung, einer Aluminiumlegierung oder einer Nickellegierung. Ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugter Metallschaum ist ein Schaum enthaltend Nickel oder ein Schaum enthaltend eine Nickel-enthaltende Legierung.
Die Porosität des Nickel-enthaltenden Metallschaums liegt bevorzugt im Bereich von 400 μm bis 1500 μm, besonders bevorzugt von 450 μm bis 1200 μm und am meisten bevorzugt von 580 μm bis 800 μm.
Es kann jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Metallschaum eingesetzt werden, der/das dem Fachmann als für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet bekannt ist.
Durch die Verwendung eines Metallschaums anstelle von glatten Metallblechen oder anderen aus dem Stand der Technik bekannten Trägermaterialien wird überdies die Haftung der aktiven Beschichtung auf dem Metall verbessert. Im Vergleich zur Beschichtung glatter Metallbleche bleiben bei Beschichtung von Metallschäumen andere Beschichtungsmengen auf dem Metall zurück. Das Massenverhältnis wird gebildet aus dem Quotienten der Masse des Trägers und der Masse der katalytisch aktiven Beschichtung nach Trocknung und Kalzinierung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die mittlere Porengröße der Metallschaumlagen 450–2500 μm, bevorzugt 800–1200 μm. Diese Angaben beziehen sich auf den unbeschichteten metallischen Träger. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dichte der Metallschaumlagen 0,1–0,9 g/cm³. Metallschäume mit diesen Porendimensionen und mit dieser Dichte haben sich bei der Beschichtung mit den katalytisch aktiven Materialien, d. h. mit dem Washcoat, als besonders vorteilhaft erwiesen, insofern als dass die Beschichtung auf der strukturierten Oberfläche besonders gut haftet.
Der für den erfindungsgemäßen Wabenkörper verwendete Metallschaum kann zudem gemäß jedem Verfahren hergestellt werden, wie es dem Fachmann als für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet bekannt ist. Geeignete Verfahren sind beispielsweise eine galvanische Metallisierung auf den Oberflächen eines solchen offenporigen organischen Strukturelements. Alternativ kann eine Abscheidung von Metallen auf der Oberfläche aus der Gasphase vollzogen werden. Weiter alternativ hierzu kann eine solche Metallschicht aber auch gemäß dem sogenannten „Schwarzwalder Verfahren" hergestellt werden. Dabei wird auf die Oberflächen der organischen Strukturelemente eine ein Metallpulver enthaltende Suspension/Dispersion aufgebracht und nachfolgend ein so vorbereitetes beschichtetes Strukturelement einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der, wie bereits angesprochen, die organischen Komponenten ausgetrieben und eine Sinterung durchgeführt wird. Ein weiteres geeignetes Verfahren ist auch das in der DE 10 2004 014076 beschriebene.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Schaum um einen offenporigen Schaum.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkörpers ist der für den erfindungsgemäßen Wabenkörper eingesetzte Metallschaum mit einer Prägung versehen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem eingesetzten Metallschaum um eine Metallschaumbahn, die auf der Ober- und/oder Unterseite mit einer Prägung versehen ist. Eine Prägung kann beispielsweise in Form von geradlinigen axial verlaufenden Kanälen erfolgen, aber auch in Form von Wellen, Kreisen, konzentrischen Ringen, Quadraten, Dreiecken, Punkten oder Rauten erfolgen, wobei eine Prägung in Form von Rauten besonders bevorzugt ist. Eine Prägung in Form von Rauten besitzt den besonderen Vorteil, dass der Gas- oder Fluidstrom gezwungen wird, die Rauten zu umströmen bzw. zum Teil auch zu durchströmen, wobei es zu starken Verwirbelungen kommt, was den Stofftransport zur katalytisch aktiven Beschichtung erhöht. Grundsätzlich kann jedoch eine Prägung in jeder Form erfolgen, die dem Fachmann als für den erfindungsgemäßen Zweck geeignet bekannt ist. Des Weiteren können unterschiedliche Lagen auch unterschiedliche Prägungen aufweisen.
Bei der Bezeichnung „Prägung" kann es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung einerseits um eine Einprägung in die Metallschaumbahn oder aber auch um eine Ausprägung handeln. Ebenfalls ist es möglich, dass der Metallschaum nicht in Form einer Prägung strukturiert ist, sondern die Struktur in Form von Rauten, Wellen, geradlinig axial verlaufenden Kanälen oder Ähnlichem (wie vorstehend beschrieben) separat auf die Metallschaumbahn aufgebracht wurde. Sofern die Struktur separat auf die Metallschaumbahn aufgebracht wurde, ist es möglich, dass die Strukturen entweder ebenfalls aus einem Metallschaum bestehen, der mit dem der Metallschaumbahn, auf den die Struktur aufgebracht wird, identisch oder verschieden ist. Es ist aber auch möglich, dass die Strukturen aus einem Material bestehen, bei dem es sich nicht um einen Metallschaum handelt.
Die Höhe der Prägung liegt dabei bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 8 mm, bevorzugter 0,3 bis 5 mm und am meisten bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 4 mm.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Wabenkörper mindestens zwei Lagen aus einem Metallschaum, wobei eine Lage eine Prägung aufweist und mindestens eine zweite Lage, die frei von einer Prägung ist. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die nicht geprägte Lage perforiert ist. Hierdurch wird es dem durchgeleiteten Gasstrom oder Fluid ermöglicht, von einem Kanal in den anderen zu wechseln und die Turbulenz erhöht.
Der Wabenkörper kann beispielsweise durch ein Verfahren hergestellt werden, das die folgenden Schritte umfasst

a) das Bereitstellen einer Metallschaumbahn;
b) das Versehen mindestens einer Oberfläche der Metallschaumbahn mit einer Prägung;
c) das Aufwickeln der geprägten Metallschaumbahn oder des Stapelns mindestens zweier Lagen der geprägten Metallschaumbahn aufeinander.

Das Aufwickeln der geprägten Metallschaumbahn erfolgt bevorzugt zu einem Wabenkörper mit rundem Querschnitt. Alternativ kann der Wabenkörper auch dadurch erhalten werden, dass mehrere, d. h. mindestens zwei Lagen des geprägten Metallschaums aufeinander gestapelt werden. Dabei entsteht ein Formkörper mit einer Wabenquerschnittstruktur.
Das Verfahren umfasst bevorzugt ferner den Schritt des Beschichtens der Metallschaumlage mit einer Washcoat-Suspension und/oder den Schritt des Imprägnierens der Metallschaumlage(n) mit einem oder mehreren Edelmetallen. Es ist dabei möglich, die Metallschaumlagen bereits vor oder auch direkt nach dem Prägen der Struktur zu beschichten. Der Washcoat wird beim Beschichten in die Metallschaumwände eingelagert. Hierdurch wird die Washcoat-Haftung so gut, dass die Formgebung auch nach dem Beschichten erfolgen kann. Die Beschichtung erfolgt bevorzugt mit dem in den DE 102005054946.2 und DE 102005054945.4 beschriebenen Verfahren (EnviCoater). Dieses Verfahren erlaubt es, Metallschaumbahnen in sehr großer Stückzahl schnell und einfach zu beschichten.
Das Verfahren umfasst ferner gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform den Schritt des Kombinierens der geprägten Metallschaumbahn mit einer nicht geprägten Metallschaumbahn. Beispielsweise ist es möglich, dass eine geprägte und eine nicht geprägte Metallschaumbahn aufeinander gelegt werden und diese sodann gemeinsam zu einer Wabenstruktur mit rundem Querschnitt aufgerollt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass eine geprägte und eine nicht geprägte Metallschaumbahn jeweils abwechselnd aufeinander gestapelt werden, so dass ein Körper entsteht, der aus einer Vielzahl (mindestens zwei) abwechselnd geschichteter, geprägter und nicht geprägter Metallschaumbahnen aufgebaut ist, entsteht und der eine wabenförmige Querschnittsstruktur besitzt. Die nicht geprägte Metallschaumbahn ist dabei bevorzugt perforiert. Die Perforation erfolgt bevorzugt durch eine Stanzung, wobei es besonders bevorzugt ist, dass der durch die Stanzung überstehende Metallschaum in den Kanal hineinragt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Wabenköpers wie vorstehend beschrieben als Katalysatorträger. Für die Herstellung von Wabenkörpern aus strukturiert geprägtem Metallschaum durch Aufwickeln eignen sich nur relativ weiche Metallschäume wie z. B. Nickelschaum. Diese Schäume sind allerdings bei Anwesenheit von Sauerstoff nicht hoch-temperaturstabil, so dass sie sich bevorzugt für den Einsatz bei Niedertemperaturanwendungen bzw. Anwendungen in reduktivem Milieu wie z. B. beim Fuel Processing (Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff) für Brennstoffzellen eigen.
Auf die Wabenkörper wird dafür wie vorstehend schon geschildert, eine für den jeweiligen Einsatz geeignete katalytische Beschichtung mittels eines sogenannten Washcoats aufgebracht.
Für Hochtemperaturanwendungen wie z. B. die katalytische Abgasreinigung, insbesondere im automobilen und industriellen Bereich, muss auf temperaturbeständige Metallschäume zurückgegriffen werden. Diese Schäume lassen sich allerdings wegen ihrer relativ großen Brüchigkeit schlecht wickeln. Für Hochtemperaturanwendungen empfiehlt es sich daher, einen Wabenkörper durch Stapeln aufzubauen. So können beliebig strukturierte Metallschäume aufeinander gestapelt werden oder, wie bereits vorstehend beschrieben, abwechselnd geprägte und ungeprägte Metallschäume, wobei die ungeprägten perforiert oder nicht perforiert sein können, gestapelt werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es wird dabei darauf hingewiesen, dass es sich bei den Figuren lediglich um besonders bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung handelt, die keinerlei einschränkenden Charakter besitzen, sondern nur zu veranschaulichenden Zwecken herangezogen werden sollen.
Es versteht sich weiter, dass wie vorstehend geschildert, das Material des Metallschaums unter den bevorzugten Materialien frei wählbar ist und die Figuren nur die Möglichkeit der geometrischen Anordnung verdeutlichen sollen.
1: zeigt einen erfindungsgemäßen gerollten Wabenkörper aus einer Lage geprägten Metallschaums im Querschnitt.
2: zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen aus gestapelten geprägten Metallschaumlagen bestehenden Wabenkörper im Querschnitt.
3: zeigt einen erfindungsgemäßen gerollten Wabenkörper mit einer geprägten und einer ungeprägten Lage eines Metallschaums im Querschnitt.
4: zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen aus gestapelten Lagen bestehenden Wabenkörper, bei dem abwechselnd eine Lage aus geprägtem und eine Lage aus ungeprägtem Metallschaum besteht.
5: zeigt die Draufsicht auf einen Metallschaum mit geprägten geradlinigen Kanälen.
6: zeigt die Draufsicht auf einen Metallschaum mit einer geprägten Rautenstruktur.
1 zeigt einen gerollten Wabenkörper 101 der aus einer Lage 102 geprägten Metallschaums besteht. Der Wabenkörper 101 ist im Querschnitt gezeigt. Durch die Prägungen sind erhöhte Strukturen 103 auf einer Oberfläche der Metalllage aus Metallschaum 102 entstanden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass auf beiden Seiten Prägungen bzw. erhöhten Strukturen 103 ausgebildet sind. Der Metallschaum ist im vorliegenden Fall ein typischer Nickelschaum. Alternativ dazu ist wie schon vorstehend beschrieben natürlich auch ein Eisen-Silizium-Nickelschaum oder ein Eisen-Siliziumschaum oder auch die anderen vorgenannten Materialkombinationen denkbar. Die Höhe der Prägung 103 beträgt im vorliegenden Fall 0,3 mm.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen aus gestapelten geprägten Metallschaumlagen 202 bestehenden Wabenkörper 201 im Querschnitt. Die einzelnen Metallschaumlagen 202 weisen ebenfalls Prägungen 203 auf, die eine Höhe von 0,3 bis 0,4 mm aufweisen. Die einzelnen Lagen 202 sind voneinander im Abstand A beabstandet, der ca. 0,1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 6 mm beträgt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gerollten Wabenkörpers 301, der aus zwei Lagen 302 und 304 aufgebaut ist. Die Lage 302 ist eine geprägte Lage mit den vorerwähnten geometrischen Parametern, die Lage 304 besteht aus einer ungeprägten Lage eines Metallschaums. Der erfindungsgemäße Wabenkörper 301 ist in 3 im Querschnitt gezeigt. Das Material der Lagen 302 und 304 kann gleich oder verschieden sein. Das Material ist das gleiche wie unter 1 beschrieben.
In 4 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen, aus gestapelten Lagen 402, 404 bestehenden Wabenkörper 401, bei dem abwechselnd eine Lage 402 aus mit Prägungen 403 versehenen Metallschaum und die Lagen 404 aus ungeprägtem Metallschaum bestehen. Die Abstände zwischen den Lagen 402 und 404 betragen 0,2 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 4 mm. Die Materialien der Metallschäume können dabei gleich oder verschieden sein und sind aus den schon vorstehend beschriebenen Materialien gefertigt.
5 zeigt eine Draufsicht auf einen Metallschaum mit geprägten geradlinigen Kanälen 502. Die Dicke des Metallschaums beträgt ca. 3 mm und das Material kann eines der vorstehend beschriebenen Materialien sein. Die Tiefe der Kanäle beträgt dabei zwischen 0,1 bis 8 mm, bevorzugt 0,5 bis 3 mm.
In 6 ist die Draufsicht auf einen Metallschaum 601 mit einer geprägten Rautenstruktur 602 gezeigt. Die Vertiefungen 602 bilden dabei rautenförmige Strukturen 603 aus, die verglichen mit dem Niveau der Kanäle 602 ca. 0,2 bis 4 mm Niveauunterschied haben. Die Dicke des Metallschaums beträgt ca. 3 bis 4 mm und das Material ist eines der vorstehend erwähnten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3743723 [0002]
- DE 102004014076 [0013]
- DE 102005054946 [0021]
- DE 102005054945 [0021]

Claims

Wabenkörper (101) umfassend einen Metallschaum (102).
Wabenkörper (101) gemäß Anspruch 1, umfassend einen Metallschaum (102), wobei der Metallschaum ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Schäumen aus reinem Metall wie Eisen, Chrom, Nickel, Kupfer oder Aluminium; Schäumen aus einer Legierung wie einer Eisen-Legierung, einer Kupfer-Legierung, einer Chrom-Legierung, einer Aluminium-Legierung oder einer Nickel-Legierung; oder einer Kombination aus einem oder mehr der vorgenannten Schäume mit Carbiden und/oder einem oder mehreren einzelnen Metallen, wie Eisen, Kupfer, Nickel, Aluminium, Kobalt, Niob, Silizium, Titan, Chrom, Magnesium, Vanadium und Zinn.
Wabenkörper (101) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallschaum (102) auf mindestens einer Oberfläche eine Prägung (103) aufweist.
Wabenkörper gemäß Anspruch 3, wobei die Prägung (103) die Form von Wellen, Rauten, geradlinigen oder geradlinigaxial-verlaufenden Kanälen aufweist.
Wabenkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens zwei Lagen (302, 304) aus einem Metallschaum, wobei eine Lage (302) eine Prägung aufweist und mindestens eine zweite Lage (304) frei von einer Prägung ist.
Wabenkörper gemäß Anspruch 5, wobei die nicht-geprägte Lage (304) perforiert ist.
Verwendung des Wabenkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als Katalysatorträger.