WO2008101727A1 - Katalysatorträgerkörper - Google Patents

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WO2008101727A1
WO2008101727A1 PCT/EP2008/001443 EP2008001443W WO2008101727A1 WO 2008101727 A1 WO2008101727 A1 WO 2008101727A1 EP 2008001443 W EP2008001443 W EP 2008001443W WO 2008101727 A1 WO2008101727 A1 WO 2008101727A1
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metal foam
layers
corrugated
foam layers
catalyst
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PCT/EP2008/001443
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Inventor
Stefan Ebener
Stefan FRÖHLICH
Original Assignee
Alantum Europe Gmbh
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Publication date
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    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a catalyst carrier body comprising a honeycomb body and a housing, wherein the honeycomb body consists of at least three superimposed metal layers, which are each wound with their end faces in a common center to spirally superimposed layers and fixed in the sleeve of the housing, and wherein the metal layers consist of a metal foam.
  • the honeycomb bodies used hitherto consist of ceramic or metallic materials, which are usually coated with high-surface-area porous catalytically active metal oxides, which by means of a so-called “washcoat” (a slurry or dispersion of metal oxides, usually in powder form in a liquid) the honeycomb body was applied.
  • washcoat a slurry or dispersion of metal oxides, usually in powder form in a liquid
  • the catalytically active layer often also contains at least one catalytic active metal, for example platinum, palladium, rhodium, nickel, vanadium, tungsten, etc.
  • catalyst is understood as meaning both so-called diesel oxidation catalysts (DOC), H catalysts and also SCR (Selective Catalytic Reduction) catalysts and also three-way catalysts.
  • DOC diesel oxidation catalysts
  • H catalysts H catalysts
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • the catalyst carrier body is exposed to high thermal and dynamic loads.
  • the catalyst carrier bodies are usually designed in the form of a so-called honeycomb body in order to provide a relatively large surface area for the carrier layer.
  • these honeycomb bodies have a plurality of fluid, i. especially for a gas, through-flow channels or openings.
  • ceramic, extruded and metallic honeycomb bodies are known, which are typically introduced into a housing, which in turn can be integrated directly into the exhaust gas line or can also be used in front of a diesel particle filter.
  • the known ceramic honeycomb bodies can be relatively easily coated with a high-surface-area porous carrier material by means of a washcoat, since ceramic honeycomb bodies have a relatively high surface roughness. sen and the washcoat and thus the porous carrier material can adhere firmly to the ceramic surface.
  • metallic honeycomb body are often made of metal sheets or metal foils.
  • the honeycomb bodies are produced by alternating arrangement of layer structures or sheets or foils. These can be arranged alternately to each other and then bent S-shaped and / or U-shaped.
  • Further metallic honeycomb bodies are known, for example, from DE 10 2005034033. Still further metallic honeycomb bodies and processes for their preparation are described in EP 049 489 A1 or in DE 2856030, the disclosure content of which is incorporated herein by reference in its entirety.
  • Catalyst support body (hereinafter also "support body”, “honeycomb body” or simply called “monolith” called) of metal have the advantage that they - compared to ceramic support bodies - heat or heat more quickly and thus usually based on metallic catalysts Carrier bodies have a better response under so-called KaIt start conditions.
  • metallic monoliths have an increased mechanical stability as well as a better formability compared to the ceramic honeycomb bodies.
  • a disadvantage of the metallic honeycomb bodies or monoliths is their smooth surface, so that they, compared with ceramic honeycomb bodies are much harder to coat, so that generally more binder must be used to achieve sufficient adhesion of the porous support material to the metal surface.
  • a catalyst carrier body having a longitudinal axis comprising a honeycomb body and a housing, wherein the honeycomb body consists of at least three metal layers arranged one above the other, each of which is wound with its end sides from a common center to spirally superimposed layers and in the sleeve of Housing are fixed, wherein the metal layers consist of a metal foam, and wherein between two partially planar metal foam layers designed as a corrugated metal foam layer is disposed, wherein the corrugated casing is connected at its outer side to connecting portions with the partially planar Metallschaumlagen.
  • Metallic foams as used in the present case are disclosed, for example, in DE 10 2004 014076, to which reference is also hereby made in full. It understands that any other suitable metal foam can also be used for it.
  • metal foam as used herein means a foam material of any metal, or any alloy of metals, which may optionally contain other additives such as carbides, etc., and having a plurality of pores, which among themselves are connected so that, for example, a gas can be passed through the foam material.
  • the foams can either consist of pure metal or of an alloy, preferably of iron-chromium-nickel alloys or of iron-chromium-nickel-aluminum alloys, for a good relationship between the parameters of strength, brittleness and flexibility cause.
  • an alloy preferably of iron-chromium-nickel alloys or of iron-chromium-nickel-aluminum alloys, for a good relationship between the parameters of strength, brittleness and flexibility cause.
  • other alloys known to those skilled in the art may also be used,
  • metal foams are done, for example, by metal powder is mixed with a metal hydride, which are then compressed by hot pressing or extrusion to a starting material. The starting material is then heated to a temperature above the melting point of the metal, hydrogen being liberated from the hydride and the mixture being foamed. Further possibilities are disclosed in the aforementioned patent application. In addition, for example, gas can be blown into a molten metal, which was previously made foamable by adding solid constituents. For aluminum alloys, 10 to 20% by volume of silicon carbide or alumina is typically added for stabilization. A further production of metal foams from a metal alloy is carried out by a powder metallurgy process.
  • Metal foams typically have a high surface area and a corresponding pore distribution. These metal foams are often referred to as open-cell metal foams.
  • the use of such porous metal foams in particular allows a reduction in weight of up to 80% of the catalyst carrier body compared with catalyst carrier bodies made of solid sheet metal or of metal and, because of the high porosity, provides a larger flow-through surface for exhaust gases.
  • the metal foams have good mechanical strength, which can absorb energy even at low stress levels.
  • the open-pored metal foams typically have faster heating rates than the prior art metallic catalyst support bodies, as disclosed, for example, in DE 10 2005 034033.
  • the metal foams have pore densities in the range of 110 ppi to 45 ppi (pores per inch) used in the present invention.
  • the pores of the foam structures can ideally be described as pentagonal dodecahedra whose edges form the webs of the lattice structure.
  • the ratio of large to small diameter of a pentagonal dodecahedron is theoretically 1.6.
  • the large diameter varies from about 4 mm (10 ppi) to about 1 mm (45 ppi) and the small diameter from about 1.5 mm (10 ppi) to 0.5 mm (45 ppi).
  • the pressure loss in the flow through the metal foam is proportional to the flow rate and the flow rate at lower flow speeds.
  • the pressure loss at 10 ppi is about 0.5 bar per cm and 30 ppi about 0.2 bar per cm, which also gives a sufficiently long residence time for the catalytic reaction, which in the with a catalytically active coating provided open-pore metal foam is performed.
  • the catalyst support of the present invention has the advantage of being permeable to the metal foam layers for gas components, allowing good mixing of fluids from adjacent channels separated by the foam material. It has also been shown that when passing an exhaust gas through the catalyst support body according to the invention, which is coated with a catalytically active component, a lower mechanical stress on the washcoat coating acts, in particular on the embedded in the metal foam washcoat. This results in a better mechanical long-term stability of the coated honeycomb body. Due to the low mechanical stress, it is also advantageous to have a lower binder content in the washcoat composition, resulting in a higher activity of the catalyst.
  • the metallic open-cell foam materials have an extremely low density due to the pores and voids, but have considerable rigidity and strength.
  • partially planar here means that only certain regions of the foam have to be planar, but in other regions also a corrugation may be present, for example, by means of the attachment segments, for example by brazing, at the planar sections of the upper and lower enclosures attached lower metal foam layers.
  • the ratio of the corrugation length to corrugation height of the corrugated sheath is 0.1: 1 to 1: 0.1, so that the channel structure through which a fluid is to be passed is optimized for the respective conditions and specific requirements will require, such as gas flow, type of gas or fluid.
  • Typical size ranges for the corrugation length are in the range of 1.5 to 4 mm and for the corrugation height of 0.5 to 2 mm.
  • the corrugated sheath has three-dimensional microstructures, which are, for example, paddable or hook-shaped, which cause even more reinforcing turbulences in the fluid being carried out, so that mixing and better catalysis on the catalytic washcoat are coated Catalyst carrier body can be achieved.
  • the metallic material of the two region-wise planar metal foam layers and the metal foam layer formed as a corrugated layer may be the same or different from one another. So that means that e.g. However, the metallic material of the planar planar, the corrugated comprehensive metal foam layers is equal but different from that of the corrugated sheath. Likewise, of course, each individual metal foam layer may consist of a different metallic material.
  • connection surfaces continue to have a large extent in the direction of the longitudinal axis, whereby the length available for bending the corrugated sheath length is shortened, resulting in faster destruction of the corrugated sheath under operating conditions.
  • a remedy is provided according to the invention.
  • the connecting sections may not be so small in their total area that they can no longer hold the corrugated casing under dynamic load, but according to the invention, a reduction of up to 80% of the connecting sections is made possible compared with the prior art.
  • These areas have a length of less than 4, more preferably less than 2 mm.
  • the mean pore size of the metal foam is more than 450 ⁇ m-1200 ⁇ m, preferably 800 ⁇ m-1200 ⁇ m.
  • the partially planar layers on continuous perforations so that a better fluid exchange between see adjacent channels of the catalyst support body according to the invention is achieved.
  • only the corrugated body has perforations, and in still other preferred embodiments, all the layers have continuous perforations, so that a particularly good fluid exchange between the separate channels is ensured, so that the catalytic reaction proceeds faster.
  • the corrugated layer has a thickness of 2 to 10 mm, very particularly preferably 4 to 6 mm, so that a guaran- Compromise between thickness and mechanical strength or rigidity is achieved.
  • the corrugated sheath can additionally comprise an insert which improves the rigidity of the corresponding open-cell metal foam, for example by attaching the metal foam to the Inlay.
  • the insert is preferably formed of a very thin sheet or a mesh, such as a mesh of metal wire, which ensures the necessary rigidity and strength, even with thin open-pore metal foam layers.
  • the insert will also have continuous perforations, so that the exchange of flowing medium between adjacent channels is not affected by the metal foam layer.
  • the metal foam layers have an average density of 1000 to
  • the open porosity of the metal foam layers is 80 to 100%.
  • the specific surface area is 5 to 14 mm 2 and the thermal conductivity is in the range of 0.5 to 0.3 W / m * K, so that the heating rates are particularly low and the catalyst also cools down quickly after use.
  • the at least three-layer structure of the catalyst support body according to the invention by the three different metal foam layers also allows a variation of the applied catalytic coatings.
  • each metal foam layer may have a different catalytic coating or, in yet another preferred embodiment, to have the two catalytic layers coated on the planar metal foam layers and on the corrugated layer partially planar metal foam layers have the same catalytic coating and the Welllage a different catalytic coating. In this way, a large number of potential fields of application can be tapped or the function of normally two different catalysts in a single catalyst support body can be realized.
  • Figure 1 a detailed view of a corrugated sheath
  • Figure 2 a cross section of a spirally wound honeycomb body
  • Figure 3 schematic cross sections through different shaped metal foam layers
  • FIG. 1 shows a catalyst support body 100 according to the invention, wherein the housing is not shown.
  • the honeycomb body consists of three metal layers 105, 106, 107 arranged one above the other, wherein between the two metal foam layers 105, 106, which are completely planar in this case, the metal foam layer formed as corrugated sheath 107 is arranged.
  • the three layers are spirally wound with their end faces each starting from the common center about the longitudinal axis 103 and secured in the sleeve of the housing, not shown.
  • the corrugated sheath 200 has a shell thickness 201, as well as a corrugation height 202 and a corrugation length 203.
  • the shell thickness 201 is preferably in the range of 1,000 ⁇ m to 2,000 ⁇ m.
  • the explicit configuration of the corrugated structure is always to be carried out with regard to the expected thermal and dynamic loads of the catalyst carrier body to the exhaust system. For example, well lengths of 1.5 to 4 mm and well heights of 0.5 to 2 mm have proven to be advantageous.
  • FIG. 3 shows three different geometric design options for the partially planar metal foam layers 301 and 302 and the corrugated layer 303.
  • the metal foam layers 301 and 302 are completely planar, whereas in FIG. 3b they are partially planar and have regions or notches or waves.
  • the corrugated layer 303 can either be sinusoidal as shown in FIG. 3a or also have planar regions in regions, as shown in FIGS. 3b and 3c.
  • the metallic material for the foams in a specific embodiment is an iron-nickel-chromium-aluminum alloy having a density of 1000 to 1300 g / cm 2 and of 0.3 to 0.9 g / cm 2, respectively.
  • the alloy is composed of the following constituents: 50% nickel, 22% iron, 22% chromium, 6% aluminum and a carbon content of less than 0.1% (by weight). It will be understood that other alloys and compositions will find use depending on the field of application.
  • the thickness of the individual layers is preferably in the range between 0.1 to 5 mm.
  • metal foam layers used in the present invention are an open porosity of 80 to 100%, more preferably 90 to 95%.
  • the specific surface area in contact with the gas flowing through is between 7 to 15 mm 2 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysatorträgerkörper (100) mit einer Längsachse (103) umfassend einen Wabenkörper (101) und ein Gehäuse (102), wobei der Wabenkörper (101) aus mindestens drei übereinander angeordneten Metalllagen (104) besteht, die mit ihren Stirnseiten jeweils ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum zu spiralförmig übereinanderliegenden Lagen gewickelt und in der Hülse des Gehäuses (102) befestigt sind, wobei die Metalllagen aus Metallschaumlagen bestehen, und wobei zwischen zwei planaren Metallschaumlagen (105, 106) eine als Wellmantel (107) ausgebildete Metallschaumlage angeordnet ist, wobei der Wellmantel (107) an seinen Außenseiten an Anbindungsabschnitten (108) mit den planaren Metallschaumlagen (105, 106) verbunden ist.

Description

Katalysatorträgerkörper
Die vorliegende Erfindung betrifft Katalysatorträgerkörper umfassend einen Wabenkörper und ein Gehäuse, wobei der Wabenkör- per aus mindestens drei übereinander angeordnete Metalllagen besteht, die mit ihren Stirnseiten jeweils ausgehend in einem gemeinsamen Zentrum zu spiralförmig übereinanderliegenden Lagen gewickelt und in der Hülse des Gehäuse befestigt sind, und wobei die Metalllagen aus einem Metallschaum bestehen.
Das wichtigste Einsatzgebiet von derartigen Katalysatorträgerkörpern liegt derzeit in der Reinigung von Abgasen von Dieseloder Ottomotoren in der Kraftfahrzeugtechnologie.
Typischerweise bestehen die bislang eingesetzten Wabenkörper aus keramischen oder metallischen Materialien, die in der Regel mit hochoberflächigen porösen katalytisch aktiven Metalloxiden beschichtet sind, die mittels eines sogenannten „Wash- coats" (einer Aufschlämmung oder Dispersion der Metalloxide, zumeist in Pulverform in einer Flüssigkeit) auf den Wabenkörper aufgebracht wurde .
Die katalytisch aktive Schicht enthält je nach Anwendungsgebiet auch oft noch mindestens ein katalytisches aktives Me- tall, wie beispielsweise aus Platin, Palladium, Rhodium, Nickel, Vanadium, Wolfram etc. Unter Katalysator werden vorliegend sowohl sogenannte Diesel- oxidationskatalysatoren (DOC) , H-Katalysatoren wie auch SCR (Selective Katalytische Reduktion) Katalysatoren als auch Drei-Wege-Katalysatoren verstanden. Wenn das Abgas mit dem ka- talytisch aktiven Material in Kontakt kommt, erfolgt eine Reduzierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide (NOx) etc.
In einer derartigen mobilen Abgasanlage ist der Katalysatorträgerkörper hohen thermischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt .
Die Katalysatorträgerkörper sind üblicherweise in Form eines sogenannten Wabenkörpers ausgebildet, um eine relativ große Oberfläche für die Trägerschicht bereitzustellen.
Dabei weisen diese Wabenkörper eine Vielzahl von für ein Fluid, d.h. insbesondere für ein Gas, durchströmbare Kanäle oder Öffnungen auf.
Bekannt sind beispielsweise keramische, extrudierte und metallische Wabenkörper, die typischerweise in ein Gehäuse eingebracht werden, was wiederum direkt in die Abgasleitung integ- riert werden kann bzw. auch vor einem Dieselpartikelfilter eingesetzt werden kann.
Die bekannten keramischen Wabenkörper lassen sich verhältnismäßig einfach mit einem hochoberflächigen porösen Trägermate- rial mittels eines Washcoats beschichten, da keramische Wabenkörper eine verhältnismäßig hohe Oberflächenrauhigkeit aufwei- sen und der Washcoat und damit das poröse Trägermaterial fest an der keramischen Oberfläche anhaften kann.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 217 259 Al bekannte metallische Wabenkörper werden häufig aus Metallblechen oder Metallfolien hergestellt. Dabei werden die Wabenkörper durch abwechselnde Anordnung von Lagenstrukturen oder Blechen oder Folien hergestellt. Diese können abwechselnd zueinander angeordnet sein und anschließend S-förmig und/oder U-förmig gebogen werden. Hier sei insbesondere auf die DE 3743723 verwiesen, wo derartige metallische Wabenkörper im Detail beschrieben sind. Weitere metallische Wabenkörper sind beispielsweise aus der DE 10 2005034033 bekannt. Noch weitere metallische Wabenkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der EP 049 489 Al oder in der DE 2856030 beschrieben auf deren Offenbarungsgehalt hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
Katalysatorträgerkörper (im nachstehenden auch „Tragkörper", „Wabenkörper" oder vereinfacht „Monolith" genannt) aus Metall haben den Vorteil, dass sie sich - verglichen mit keramischen Trägerkörpern - schneller erwärmen bzw. aufheizen und damit in der Regel Katalysatoren auf der Basis von metallischen Trägerkörpern ein besseres Ansprechverhalten unter sogenannten KaIt- Startbedingungen aufweisen.
Außerdem weisen metallische Monolithe gegenüber den keramischen Wabenkörpern eine erhöhte mechanische Stabilität sowie eine bessere Formbarkeit auf.
Nachteilig an den metallischen Wabenkörpern bzw. Monolithen sind ihre glatte Oberfläche, so dass sie, verglichen mit kera- mischen Wabenkörpern, wesentlich schwerer zu beschichten sind, so dass im Allgemeinen mehr Bindemittel eingesetzt werden muss, um eine ausreichende Haftung des porösen Trägermaterials an der Metalloberfläche zu erzielen.
Hohe Bindemittelanteile können sich jedoch nachteilig auf die Aktivität eines Katalysators auswirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, einen metal- lischen Katalysatorträgerkörper bereitzustellen, an dem unter Einsatz von verhältnismäßig wenig Bindemittel ein poröses Trägermaterial bereichweise fest anhaften kann und der gleichzeitig eine verglichen mit herkömmlichen metallischen Trägerkörpern eine vergrößerte Oberfläche aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Katalysatorträgerkörper mit einer Längsache umfassend einen Wabenkörper und ein Gehäuse, wobei der Wabenkörper aus mindestens drei übereinander angeordneten Metalllagen besteht, die mit ihren Stirnseiten je- weils ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum zu spiralförmig übereinanderliegenden Lagen gewickelt und in der Hülse des Gehäuses befestigt sind, wobei die Metalllagen aus einem aus Metallschaum bestehen, und wobei zwischen zwei bereichsweise planaren Metallschaumlagen eine als Wellmantel ausgebildete Metallschaumlage angeordnet ist, wobei der Wellmantel an seiner Außenseite an Anbindungsabschnitten mit den bereichsweise planaren Metallschaumlagen verbunden ist.
Metallische Schäume wie sie vorliegend verwendet werden, sind beispielsweise in der DE 10 2004 014076 offenbart, auf die hier ebenfalls vollumfänglich Bezug genommen wird. Es versteht sich, dass jeder andere geeignete Metallschaum ebenfalls dafür verwendet werden kann.
Der Begriff "Metallschaum" wie er vorliegend verwendet wird, bedeutet also ein Schaummaterial aus einem beliebigen Metall, oder aus einer beliebigen Legierung von Metallen, das gegebenenfalls noch weitere Zuschlagsstoffe wie Carbide etc. enthalten kann, und das eine Vielzahl von Poren aufweist, die untereinander verbunden sind, so dass beispielsweise durch das Schaummaterial ein Gas hindurchgeleitet werden kann.
Die Schäume können wie schon gesagt entweder aus reinem Metall bestehen oder aus einer Legierung, vorzugsweise aus Eisen- Chrom-Nickel-Legierungen bzw. aus Eisen-Chrom-Nickel- Aluminium-Legierungen, um ein gutes Verhältnis zwischen den Parametern Festigkeit, Sprödigkeit und Biegsamkeit hervorzurufen. Natürlich können ebenfalls andere, dem Fachmann an sich bekannte Legierungen, eingesetzt werden,
Die Herstellung derartiger Metallschäume geschieht beispielsweise, indem Metallpulver mit einem Metallhydrid vermischt wird, die dann durch Heißpressen oder Strangpressen zu einem Vormaterial verdichtet werden. Das Vormaterial wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls er- hitzt, wobei von dem Hydrid Wasserstoff freigesetzt wird und das Gemenge aufschäumt. Weitere Möglichkeiten sind in der vorher erwähnten Patentanmeldung offenbart. Außerdem kann beispielsweise Gas in eine Metallschmelze eingeblasen werden, die zuvor durch Zugabe fester Bestandteile schäumbar gemacht wur- de. Bei Aluminiumlegierungen wird typischerweise zur Stabilisierung 10 bis 20 Vol.-% Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid zugegeben . Eine weitere Herstellung von Metallschäumen aus einer Metalllegierung erfolgt durch ein pulvermetallurgisches Verfahren. Dabei werden Bahnen, bestehend aus reinem Metallschaum wie beispielsweise aus Nickel, Eisen, Kupfer, etc., der durch galvanische Abscheidung an organischen Schaumstrukturen erzeugt wird mit einem Metallpulver bestehend aus den gewünschten Legierungsanteilen beschichtet. Anschließend wird durch eine Sinterung nahe dem Schmelzpunkt eine homogene Legierung er- zeugt, wobei die Struktur des zuvor eingesetzten Metallschaums beibehalten wird. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 014076 beschrieben.
Metallschäume weisen typischerweise eine hohe Oberfläche auf, sowie eine entsprechende Porenverteilung. Diese Metallschäume werden oft auch offenporige Metallschäume bezeichnet. Die Verwendung derartiger poröser Metallschäume ermöglicht insbesondere eine Gewichtsverringerung um bis zu 80% des Katalysatorträgerkörpers verglichen mit aus Vollblech bzw. aus Metall hergestellten Katalysatorträgerkörpern und stellt aufgrund der hohen Porosität eine größere durchströmbare Oberfläche für Abgase bereit. Darüber hinaus weisen die Metallschäume eine gute mechanische Festigkeit auf, die Energie auch auf niedrigem Spannungsniveau absorbieren kann. Außerdem weisen die offenpo- rigen Metallschäume typischerweise schnellere Aufheizraten auf als die metallischen Katalysatorträgerkörper des Standes der Technik, wie sie beispielsweise in der DE 10 2005 034033 offenbart sind.
Typischerweise weisen die Metallschäume die in der vorliegenden Erfindung Verwendung finden Porendichten auf, die im Bereich von 110 ppi bis 45 ppi (Poren per Inch) liegen. Die Poren der Schaumstrukturen können idealisiert als Pentagondodekaeder beschrieben werden, deren Kanten die Stege der Gitterstruktur bilden. Das Verhältnis von großem zum kleinen Durchmesser eines Pentagondodekaeders betragt theoretisch 1,6. Für die Gitterstruktur der offenporigen Metallschaume variiert der große Durchmesser von ca. 4 mm (10 ppi) bis ca. 1 mm (45 ppi) und der kleine Durchmesser von ca. 1,5 mm (10 ppi) bis 0, 5 mm (45 ppi) .
Der Druckverlust bei der Durchstromung des Metallschaums ist bei niedrigeren Stromungsgeschwindigkeiten proportional zur Stromungsgeschwindigkeit und der durchströmten Lange. Bei einer Stromungsgeschwindigkeit von I m je Sekunde betragt der Druckverlust bei 10 ppi ca. 0,5 bar je cm und 30 ppi ca. 0,2 bar je cm, was ebenfalls eine ausreichend lange Verweil- zeit für die katalytische Reaktion, die in dem mit einer kata- lytisch aktiven Beschichtung versehenen offenporigen Metallschaum durchgeführt wird.
Die Verwendung von derartigen Metallschaumlagen ermöglicht vorteilhafterweise das Entstehen eine erhöhten Turbulenz des durchgeleiteten Gases, so dass der Stofftransport zur kataly- tisch aktiven Beschichtung erhöht wird, wenn der erfindungsge- maße Wabenkorper in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird.
Außerdem weist der erfindungsgemaße Katalysatortrager den Vorteil auf, dass er in den Bereichen mit dem Metallschaumlagen für Gaskomponenten durchlassig ist, wodurch eine gute Durchmischung von Fluiden von benachbarten, durch das Schaummaterial getrennten Kanälen erfolgen kann. Es hat sich weiter gezeigt, dass beim Durchleiten eines Abgases durch den erfindungsgemäßen Katalysatorträgerkörper, der mit einer katalytisch aktiven Komponente beschichtet ist, eine geringere mechanische Belastung auf die Washcoat Beschichtung einwirkt, insbesondere auf den in dem Metallschaum eingelagerten Washcoat. Daraus resultiert eine bessere mechanische Langzeitstabilität des beschichteten Wabenkörpers. Weiter vorteilhaft ist aufgrund der geringen mechanischen Belastung ein ge- ringerer Bindemittelanteil in der Washcoatzusammensetzung, woraus sich eine höhere Aktivität des Katalysators ergibt.
Die metallischen offenporigen Schaummaterialien haben bedingt durch die Poren und Hohlräume eine äußerst geringe Dichte, weisen jedoch eine beträchtliche Steifigkeit und Festigkeit auf .
Der Begriff „bereichsweise planar" bedeutet vorliegend, dass nur bestimmte Bereich des Schaumes planar ausgebildet sein müssen, in anderen Bereichen jedoch auch beispielsweise eine Wellung vorliegen kann. Typischerweise ist die Welllage mittels der Anbindungsabschnitte beispielsweise durch Löten an den planaren Abschnitten der sie einschließenden oberen und unteren Metallschaumlagen befestigt.
In erfindungsgemäßen Weiterbildungen des Katalysatorträgerkörpers beträgt das Verhältnis von der Welllänge zu Wellhöhe des Wellmantels 0,1 : 1 bis 1 : 0,1, so dass die Kanalstruktur durch die ein Fluid hindurchgeleitet werden soll, auf die je- weiligen Bedingungen und spezifischen Anforderungen hin optimiert wird, wie beispielsweise Gasfluss, Art des Gases bzw. des Fluids erfordern. Typische Größenbereiche für die Welllänge liegen in dem Bereich von 1,5 bis 4 mm und für die Wellhöhe von 0,5 bis 2 mm.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der Wellmantel dreidimensionale Mikrostrukturen auf, die beispielsweise paddeiförmig oder häkchenförmig ausgebildet sind, die noch weitere verstärkende Turbulenzen in dem durchgeführten Fluid hervorrufen, so dass eine Vermischung und eine bessere Katalyse an dem mit einem katalytischen Wash- coat beschichteten Katalysatorträgerkörper erzielt werden kann.
Je nach Anwendungsbereich kann das metallische Material der beiden bereichsweise planaren Metallschaumlagen und der als Wellmantel ausgebildete Metallschaumlage gleich, oder verschieden voneinander sein. Das heißt also, dass z.B. das metallische Material der bereichsweise planaren, den Wellmantel umfassenden Metallschaumlagen gleich ist aber von dem des Wellmantels verschieden ist. Ebenso kann natürlich jede einzelne Metallschaumlage aus einem anderen metallischen Material bestehen .
Das Problem der Anbindung der Welllagen an die beiden planaren Metallschaumlagen wird meist mit großzügig bemessenen Lotstreifen bewerkstelligt, die viel größere Anbindungsflachen hervorrufen als für die mechanisch sichere Haltung des Wellkörpers erforderlich sind.
Diese Anbindungsflachen haben weiter eine große Ausdehnung in Richtung der Längsachse, wodurch die zum Biegen des Wellmantels zur Verfügung stehende Länge verkürzt wird, was zur schnelleren Zerstörung des Wellmantels unter Betriebsbedingungen führt. Durch die enge Begrenzung der axialen Ausdehnung der Anbindungsabschnitte und die Befestigung an den bevorzugt kleindimensionierten planaren Bereichen wird erfindungsgemäß Abhilfe geschaffen. Allerdings dürfen die Anbindungsabschnitte in ihrer Gesamtfläche nicht so klein sein, dass sie den Wellmantel unter dynamischen Belastung nicht mehr sicher halten können, doch wird erfindungsgemäß eine Verkleinerung bis zu 80 % der Anbindungsabschnitte verglichen mit dem Stand der Technik ermöglicht. Diese Bereiche weisen eine Länge von weniger als 4 noch bevorzugter von weniger als 2 mm auf.
Weiter ist bevorzugt, dass die mittlere Porengröße des Metallschaums mehr als 450 μm-1.200 μm, bevorzugt 800 μm-1.200 μm liegt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die bereichsweise planaren Lagen durchgehende Perforationen auf, so dass ein besserer Fluidaustausch zwi- sehen benachbarten Kanälen des erfindungsgemäßen Katalysatorträgerkörpers erreicht wird.
In weiter bevorzugten Ausführungsformen weist nur der Wellkörper Perforierungen auf, und in noch weiteren bevorzugten Aus- führungsformen sämtliche Lagen durchgehende Perforierungen aufweisen, so dass ein besonders guter Fluidaustausch zwischen den voneinander getrennten Kanäle gewährleistet ist, so dass auch die katalytische Reaktion schneller verläuft.
Typischerweise weist die Welllage eine Dicke von 2 bis 10 mm aus, ganz besonders bevorzugt von 4 bis 6 mm, so dass ein gu- ter Kompromiss zwischen Dicke und mechanischer Festigkeit bzw. Steifigkeit erzielt wird.
Falls die Welllage eine Dicke von weniger als 4 mm, bevorzugt 2 mm aufweist, kann in weiteren Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Wellmantel zusätzlich eine Einlage umfassen kann, die die Steifigkeit des entsprechenden offenporigen Metallschaums verbessert, beispielweise durch Anbringen des Metallschaums an der Einlage. Die Einlage ist da- bei bevorzugt aus einem sehr dünnen Blech oder einem Netz, wie beispielsweise einem Maschennetz aus Metalldraht gebildet, die die nötige Steifigkeit und Festigkeit auch bei dünnen offenporigen Metallschaumlagen gewährleistet. Natürlich gilt entsprechendes ebenfalls für die planaren Metallschaumlagen, die den Wellmantel umschließen.
Im Falle von Blechen als Einlage wird die Einlage ebenfalls durchgehende Perforierungen aufweisen, damit der Austausch von durchströmendem Medium zwischen benachbarten Kanälen durch die Metallschaumlage nicht beeinträchtigt wird.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die Metallschaumlagen eine mittlere Dichte von 1000 bis
1400 g/cm2 auf, so dass eine besonders hohe Oberfläche, die für die katalytische Reaktion zur Verfügung steht, gewährleistet ist. Die offene Porosität der Metallschaumlagen beträgt 80 bis 100 %.
Die spezifische Oberfläche beträgt 5 bis 14 mm2 und die thermi- sehe Leitfähigkeit liegt im Bereich von 0,5 bis 0,3 W/m*K, so dass die Aufheizraten besonders gering sind und sich der Katalysator auch schnell wieder nach Gebrauch abkühlt. Der mindestens dreilagige Aufbau des erfindungsgemäßen Katalysatorträgerkörpers durch die drei unterschiedlichen Metallschaumlagen ermöglicht auch eine Variation der aufzubringenden katalytischen Beschichtungen .
Dabei kann in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass auf jeder Metallschaumlage, d.h. auf den bereichsweise planaren Metallschaumlagen sowie auf der Wellla- ge die gleiche katalytische Beschichtung aufgebracht wird, andererseits ist es jedoch in weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ebenso möglich, dass jede Metallschaumlage eine verschiedene katalytische Beschichtung aufweist oder in noch einer weitere bevorzugten Ausführungsform, dass die zwei bereichsweise planaren Metallschaumlagen die gleiche katalytische Beschichtung aufweisen und die Welllage eine davon verschiedene katalytische Beschichtung. Damit kann eine Vielzahl von potentiellen Anwendungsgebieten erschlossen werden bzw. auch die Funktion von normalerweise zwei unterschiedli- chen Katalysatoren in einem einzigen Katalysatortragkörper verwirklicht werden.
Die Erfindung ist weiter anhand der nachstehenden Abbildungen und der nachfolgenden Beschreibung erläutert, ohne dass diese als einschränkend verstanden werden sollen.
Es zeigen:
Abbildung 1: eine Detailansicht eines Wellmantels,
Abbildung 2: einen Querschnitt eines spiralig gewickelten Wabenkörpers, Abbildung 3: schematische Querschnitte durch verschieden geformte Metallschaumlagen
Abbildung 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Katalysatorträgerkörper 100, wobei das Gehäuse nicht dargestellt ist. Der Wabenkörper besteht dabei aus drei übereinander angeordneten Me- talllagen 105, 106, 107, wobei zwischen den zwei in diesem Fall vollständig planaren Metallschaumlagen 105, 106 die als Wellmantel 107 ausgebildete Metallschaumlage angeordnet ist.
Die drei Lagen sind mit ihren Stirnseiten jeweils ausgehend von dem gemeinsamen Zentrum um die Längsachse 103 spiralförmig gewickelt und in der Hülse des nicht dargestellten Gehäuses befestigt.
Abbildung 2 zeigt schematisch und perspektivisch eine Ausgestaltung eines Wellmantels 200. Der Wellmantel 200 hat eine Manteldicke 201, sowie eine Wellhöhe 202 und eine Welllän- ge 203. Die Manteldicke 201 liegt bevorzugt im Bereich von 1.000 μm bis 2.000 μm. Die explizite Ausgestaltung der Wellstruktur ist stets im Hinblick auf die zu erwartenden thermischen und dynamischen Belastungen des Katalysatorträgerkörpers zum Abgassystem auszuführen. Dabei haben sich beispielsweise Welllängen von 1,5 bis 4 mm sowie Wellhöhen von 0,5 bis 2 mm als vorteilhaft erwiesen.
Abbildung 3 zeigt drei verschiedene geometrische Ausgestaltungsmöglichkeiten für die bereichsweise planaren Metall- schaumlagen 301 und 302 sowie der Welllage 303. In Abbildung 3a und 3c sind die Metallschaumlagen 301 und 302 vollständig planar, während sie in Abbildung 3b bereichsweise planar sind und bereichsweise Einkerbungen bzw. Wellen aufweisen.
Die Welllage 303 kann entweder wie in Abbildung 3a sinusförmig ausgebildet sein oder ebenfalls bereichsweise planare Bereiche aufweisen, wie in Abbildung 3b und 3c gezeigt.
Das metallische Material für die Schäume ist in einem speziellen Ausführungsbeispiel eine Eisen-Nickel-Chrom-Aluminium- Legierung, die eine Dichte von 1000 bis 1300 g/cm2 bzw. von 0,3 bis 0,9 g/cm^ aufweist. Die Legierung ist aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt: sind 50 % Nickel, 22 % Eisen, 22 % Chrom, 6 % Aluminium und ein Kohlenstoffgehalt von geringer als 0,1 % (Angaben in Gewichtsprozent). Es versteht sich, dass auch andere Legierungen und Zusammensetzungen je nach Anwendungsgebiet Verwendung finden.
Die Dicke der einzelnen Lagen liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 bis 5 mm.
Weitere typische physikalische Parameter der erfindungsgemäß verwendeten Metallschaumlagen sind eine offene Porosität von 80 bis 100 %, noch bevorzugter von 90 bis 95 %.
Die spezifische Oberfläche, die in Kontakt mit dem durchströmenden Gas ist, beträgt zwischen 7 bis 15 mm2.

Claims

Patentansprüche
1. Katalysatorträgerkörper (100) mit einer Längsache (103) umfassend einen Wabenkörper (101) und ein Gehäuse (102), wobei der Wabenkörper (101) aus mindestens drei übereinander angeordneten Metalllagen (104) besteht, die mit ihren Stirnseiten jeweils ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum zu spiralförmig übereinanderliegenden Lagen gewickelt und in der Hülse des Gehäuses (102) befestigt sind, wobei die Metalllagen aus einem aus Metallschaum bestehen, und wobei zwischen zwei bereichsweise planaren Metallschaumlagen (105, 106) eine als Wellmantel (107) ausgebildete Metallschaumlage angeordnet ist, wobei der Wellmantel (107) an seiner Außenseite an Anbindungsabschnitten (108) mit den planaren Metallschaumlagen (105, 106) verbunden ist.
2. Katalysatorträger (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Welllänge (110) zu WeIl- höhe (111) im Bereich von 0,1 : 1 bis 1 : 0,1 liegt.
3. Katalysatorträgerkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welllänge 1,5 bis 4 mm und die Wellhöhe 0,5 bis 2 mm beträgt.
4. Katalysatorträgerkörper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Wellmantel (107) dreidimensionale Mikrostrukturen angeordnet sind.
5. Katalysatorträgerkörper (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der planeren Metallschaumlagen (105, 106) und des Wellmantels (107) gleich ist.
6. Katalysatorträgerkörper (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der pla- naren Metallschaumlagen (105, 106) von denjenigen des Wellmantels (107) verschieden ist.
7. Katalysatorträgerkörper (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material jeder einzelnen planaren Metallschaumlage (105, 106) und des Wellmantels (107) voneinander verschieden ist.
8. Katalysatorträgerkörper (100) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere
Porengröße der Metallschaumlagen 450-1.200 μm, bevorzugt 800-1.200 μm, beträgt.
9. Katalysatorträgerkörper (100) nach Anspruch 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die planaren Metallschaumlagen (105,
106) durchgehende Perforationen aufweisen.
10. Katalysatorträgerkörper (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur der Wellmantel (107) durchgehende Perforationen aufweist.
11. Katalysatorträgerkörper (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die planaren Metallschaumlagen (105, 106) als auch der Wellmantel (107) durchgehende Perforationen aufweist.
12. Katalysatorträgerkörper (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellmantel (107) eine Dicke von 2 bis 10 mm aufweist.
13. Katalysatorträgerkörper (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Metallschaumlagen (105, 106) und des Wellmantels (107) im Bereich von 1000 bis 1400 g/cm2 beträgt.
14. Katalysatorträgerkörper (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumlagen (105, 106) und der Wellmantel (107) eine offene Porosität von 80 bis 100 % aufweisen.
15. Katalysatorträgerkörper (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die planaren Schaumlagen (105, 106) und der Wellmantel (107) eine spezifische Oberfläche von 5 bis 14 mm2 aufweisen.
16. Katalysatorträgerkörper (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die planaren Metallschaumlagen (105, 106) und der Wellmantel (107) eine thermische Leitfähigkeit von 0,15 bis 0,3 W/m*K aufweisen.
17. Katalysatorträger (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumlagen (105,
106, 107) mit der gleichen Katalysatorschicht versehen sind.
18. Katalysatorträger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschaumlagen (105, 106, 107) mit voneinander verschiedenen Katalysatorschich- ten versehen sind.
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