DE19547599A1 - Monolithischer Katalysator für die Abgasreinigung - Google Patents
Monolithischer Katalysator für die AbgasreinigungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen monolithischen
Katalysator für die Abgasreinigung, der eine katalytisch
aktive Beschichtung auf einem inerten, gasdurchlässigen
Tragkörper enthält. Der Tragkörper weist eine Stirnfläche
sowohl für die Abgaseintritts- als auch für die Abgas
austrittsseite auf.
Für die Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren werden
überwiegend monolithische Katalysatoren eingesetzt, welche
eine katalytisch aktive Beschichtung auf einem inerten,
gasdurchlässigen Tragkörper enthalten. Die Tragkörper sind
zumeist in Form von Wabenkörpern ausgebildet, die von
parallelen Strömungskanälen für die Abgase durchzogen sind.
Je nach Anwendungsfall kann die Dichte der Strömungskanäle
für die Abgase über den Querschnitt der Tragkörper,
gemeinhin auch als Zelldichte bezeichnet, zwischen 5 und
200 Zellen/cm² betragen.
Die Tragkörper werden entweder aus hochtemperatur
beständigen Keramikmaterialien oder Stahllegierungen
gefertigt. Typische keramische Tragkörper für die
Autoabgaskatalyse weisen eine Zelldichte von 62 Zellen/cm²
auf. Die Wanddicke der Strömungskanäle beträgt in diesem
Fall etwa 0,16 mm. Im Falle von Tragkörpern aus Metall
beträgt die Wanddicke bei derselben Zelldichte zwischen 30
und 100 µm. Diese Tragkörper dienen als strukturelle
Verstärker für die katalytisch aktive Beschichtung und
haben die Aufgabe, eine möglichst hohe geometrische
Oberfläche pro Volumeneinheit für die Beschichtung zur
Verfügung zu stellen.
Um den keramischen Tragkörpern eine ausreichende
mechanische Stabilität zu verleihen, werden sie meist bei
Temperaturen knapp unterhalb des Schmelzpunktes, der von
dem jeweils verwendeten Material abhängig ist, gesintert.
Dabei vermindert sich die spezifische Oberfläche des
keramischen Materials auf weniger als 10, häufig sogar auf
weniger als 2 m²/g. Eine gewisse Porosität bleibt aber in
der Regel erhalten und ist in vielen Fällen sogar
ausdrücklich erwünscht.
Die katalytisch aktive Beschichtung besteht zumeist aus
einer oxidischen Trägerschicht für die katalytisch aktiven
Komponenten. Als katalytisch aktive Komponenten eignen sich
für die Abgasreinigung die Metalle der Platingruppe wie
Platin, Palladium, Rhodium und/oder Iridium sowie je nach
Anwendungsfall auch Unedelmetalle wie Kupfer, Nickel
und/oder Eisen in Form geeigneter Verbindungen wie deren
Oxide oder auch dotierten, ternären Oxide. Gegebenenfalls
werden auch sogenannte Promotoren eingesetzt, die zwar
selbst keine katalytische Aktivität aufweisen, jedoch die
Fähigkeit besitzen, die katalytische Aktivität der aktiven
Komponenten zu beeinflussen.
Damit die beschriebenen Komponenten auf der Trägerschicht
in möglichst feinteiliger katalytisch aktiver Form
abgeschieden werden können, muß die Trägerschicht eine hohe
spezifische Oberfläche aufweisen. Als Materialien für die
oxidische Trägerschicht dienen daher feinteilige, hoch
oberflächige Metalloxide, wie z. B. γ-Aluminiumoxid, Titan
oxid, Siliziumoxid, Zeolithe, Zirkonoxid und Ceroxid sowie
Mischungen dieser Materialien.
Als hochoberflächig werden im Rahmen dieser Erfindung
Materialien bezeichnet, die eine spezifische Oberfläche von
größer als 10 m²/g aufweisen. Bevorzugt werden solche
Materialien eingesetzt, die eine spezifische Oberfläche von
größer als 100 m²/g besitzen.
Zum Aufbringen der Trägerschicht auf die Wandungen der
Strömungskanäle der Tragkörper wird üblicherweise eine
wäßrige Beschichtungsdispersion der Trägermaterialien
angesetzt. Die Beschichtung der Tragkörper kann in
einfacher Weise durch Eintauchen der Tragkörper in diese
Beschichtungsdispersion oder durch Einsaugen oder Einpumpen
der Beschichtungsdispersion in die Strömungskanäle der
Tragkörper erfolgen. Nach Befreien der Strömungskanäle der
Tragkörper von überschüssiger Beschichtungsdispersion wird
die Beschichtung bei erhöhten Temperaturen getrocknet und
anschließend bei Temperaturen zwischen 300 und 1000°C
calciniert. Falls erforderlich, kann die Beschichtung auf
den Tragkörper in mehreren Lagen aufgebracht werden. Die
katalytisch aktiven Komponenten werden entweder schon der
Beschichtungsdispersion selbst zugegeben, oder erst nach
erfolgter Beschichtung der Tragkörper durch Imprägnierung
auf der hochoberflächigen Beschichtung abgeschieden.
Die so hergestellte katalytisch aktive Beschichtung muß
zwei widerstreitende Forderungen erfüllen. Zum einen soll
sie eine hohe Porosität und hohe spezifische Oberfläche
aufweisen, um einen hohen Stoffumsatz zu ermöglichen,
andererseits soll sie eine gute Haftfestigkeit auf den
Wandungen der Strömungskanäle aufweisen und genügend
abriebfest gegenüber dem zu reinigenden Abgasstrom und
eventuell darin enthaltenen Feststoffpartikeln sein. Diese
Forderungen sind mit den bekannten Beschichtungssystemen
nur unzureichend zu erfüllen. Dies ist auch der Grund,
weshalb komplett aus katalytischem Material mit hoher Ober
fläche und Porosität bestehende Formkörper, sogenannte
Vollkatalysatoren, nur unter speziellen Bedingungen, zum
Beispiel bei niedriger Gasgeschwindigkeit, und für
spezielle Anwendungen, eingesetzt werden können. Für die
Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren kommen
Katalysatoren, die vollständig aus katalytischem Material
hergestellt sind, nicht in Frage.
Die bei Vollkatalysatoren zu beobachtenden Erosionen des
katalytisch aktiven Materials treten aber auch bei den oben
beschriebenen Beschichtungskatalysatoren auf. Am
Abgaseintritt, bevorzugt im Zentrum des Abgasstromes, wird
bei langer Betriebsdauer oft das Beschichtungsmaterial
durch heftige Gaspulsationen oder Feststoffpartikel
abgetragen. Dabei ist der Abrieb besonders stark an den
Anströmkanten der Strömungskanäle und kann in ungünstigen
Fällen zu flächenartigen Ablösungen der Beschichtung
führen. Solche flächenhaften Ablösungen treten auf, wenn
die Beschichtung an den Anströmkanten der Wandungen
abgetragen wurde und damit die auf beiden Seiten der
Kanalwandungen vorliegende Beschichtung nicht mehr an den
Anströmkanten miteinander verbunden ist. Die Erosion der
Beschichtung verschlechtert die katalytische Aktivität und
es kann darüber hinaus zu unerwünschten Emissionen des
Beschichtungsmaterial aus dem Abgastrakt in die Umwelt
kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen
monolithischen Katalysator anzugeben, der eine wesentlich
verbesserte Abriebfestigkeit der Beschichtung an den
Anströmkanten der Strömungskanäle des monolithischen
Katalysators aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen monolithischen Katalysator
für die Abgasreinigung gelöst, der eine katalytisch aktive
Beschichtung auf einem inerten, gasdurchlässigen Trag
körper, welcher zwei Stirnflächen für den Eintritt- und
Austritt des Abgases aufweist, wobei die katalytisch aktive
Beschichtung mindestens ein hochoberflächiges Träger
material sowie katalytisch aktive Komponenten und
gegebenenfalls Promotoren enthält. Der Katalysator ist
dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive
Beschichtung zumindest auf der Eintrittsseite des Abgases
von der Stirnfläche ausgehend bis in eine Tiefe, welche bis
zum zwanzigfachen des Zellquerschnittes beträgt, durch Auf-
oder Einbringen eines oder mehrerer anorganischer Stoffe
gegen Abrieb verstärkt ist.
Bevorzugt werden im Rahmen dieser Erfindung die schon
eingangs beschriebenen Wabenkörper mit parallelen, geraden
Kanälen als monolithische Tragkörper verwendet. Daneben
kann jedoch auch die Beschichtung auf monolithischen
Tragkörpern mit den Gasstrom umlenkenden beziehungsweise
durchmischenden Kanälen oder mit Gasfilterfunktion, wie zum
Beispiel Schaumkeramiken oder Wandflußfiltern,
erfindungsgemäß gegen Abrieb an der Gaseintrittsseite
verstärkt werden.
Die Verstärkung der Beschichtung erfolgt entweder durch
Tränken beziehungsweise Imprägnieren des Anströmbereiches
mit geeigneten Verstärkungsmaterialien oder durch Abdecken
der katalytisch aktiven Beschichtung im Anströmbereich mit
einer zusätzlichen abriebfesten Beschichtung.
Geeignete Stoffe zur Verstärkung der Beschichtung in den
Anströmbereichen sind zum Beispiel anorganische Binder wie
Aluminiumoxidsol, Kieselsol und keramische Kleber oder auch
metallische Stoffe. Weiterhin können es auch spezielle
Beschichtungen mit deutlich reduzierter Porosität, d. h.
höherer Festigkeit sein, die am Abgaseintritt das poröse
Material abdecken. Ebenfalls möglich sind Glasuren, Fritten
oder Emails, die entweder bei Fertigstellung des
Katalysators aufgeschmolzen werden oder erst bei Betrieb
des Katalysators aufschmelzen. Die Wahl des anorganischen
Stoffes richtet sich nach der katalytischen Beschichtung,
die gegen Abrieb geschützt werden soll, denn es gilt,
schädliche Auswirkungen auf die katalytische Aktivität der
porösen Katalysatorbeschichtung zu vermeiden.
Die Verstärkung der Beschichtung erfolgt auf der Eintritts
seite des Abgases bis in eine Tiefe, welche bis zum
zwanzigfachen des Zellquerschnittes betragen kann. Die
Länge der verstärkten Zone richtet sich nach den
anwendungsspezifischen Voraussetzungen wie nach der
Geschwindigkeit und Art beziehungsweise Natur des
Feststoffanteils des Gases. Bei Katalysatoren für
Benzinmotoren liegt die optimale Länge der verstärkten Zone
im Bereich zwischen dem 2- bis 7-fachen des
Zellquerschnitts. Bei Dieselmotoren liegt dieser Bereich
wegen des höheren Partikelanteils im Abgas zwischen dem 5-
bis 10-fachen des Zellquerschnitts. Eine Vergrößerung der
verstärkten Zone über den zwanzigfachen Zellquerschnitt
hinaus führt zu befriedigenden Ergebnissen, ist in der
Regel aber nachteilig für die katalytische Aktivität des
Katalysators, da die katalytischen Komponenten in der
verstärkten Zone wegen der verfestigten Trägerschicht nicht
ihre volle katalytische Aktivität entfalten können.
Die zusätzliche Beschichtung beziehungsweise Imprägnierung
der Gaseintrittsseite wird üblicherweise am fertigen
Katalysator, d. h. mit oxidischer Trägerschicht und
katalytisch aktivem Metall belegten monolithischen
Tragkörper, vorgenommen. Hierzu wird der Katalysator
beispielsweise in eine Lösung oder Dispersion bis zur
gewünschten Tiefe eingetaucht. Alternativ dazu kann eine
Lösung oder Dispersion auch aufgesprüht werden. In dieser
Lösung beziehungsweise Dispersion können erforderlichen
falls, zum Beispiel zur Anhebung der katalytischen
Aktivität oder zur Erzielung spezieller katalytischer
Effekte ein oder mehrere katalytisch aktive Metalle oder
Metallverbindungen eingearbeitet sein. Auch thermische
Spritzen wie Plasmaspritzen stellt ein geeignetes
Beschichtungsverfahren dar. Gegebenenfalls kann sich an den
Tauch- beziehungsweise Sprühvorgang ein Nachblasen mit
Druckluft oder ein Nachsaugen anschließen, um eine unnötige
und nachteilige Zellverengung zu vermeiden, welche den
Abgasgegendruck, beziehungsweise Druckverlust, des
Katalysators im Betrieb erhöhen würde.
Bei monolithischen Katalysatoren, die durch Konfektionieren
beschichteter Metallfolie, zum Beispiel durch spiraliges
Aufwickeln glatter und gewellter Folienbänder, hergestellt
werden, kann das Verstärkungsmaterial auch unmittelbar nach
der Beschichtung der Folienbänder mit Katalysatormaterial
oder dessen Vorstufen an der Kante der Folienbänder, die
nach der Konfektionierung dem Abgasstrom zugewandt sein
soll, aufgebracht werden.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird
zunächst nur die oxidische Trägerschicht (in der Technik
auch als Washcoat bezeichnet) auf dem Träger erzeugt,
nachfolgend die abgaseintrittseitige Beschichtungs
verstärkung vorgenommen und abschließend mindestens ein
katalytisch aktiver und/oder als Promotor wirkender Stoff
zum Beispiel durch Imprägnieren aufgebracht.
Selbstverständlich kann bei vorstehender Ausgestaltung sich
ein Teil der katalytisch aktiven Stoffe bereits in der
oxidischen Schicht befinden und der andere Teil
abschließend nach Aufbringen des Abriebschutzes aufgebracht
werden.
Sofern die oxidische Trägerschicht in mehreren Schichten
aufgebracht wird, kann nach jedem oder auch erst nach dem
abschließenden Beschichtungsschritt die Stirnflächen
verstärkung erfolgen. Weniger empfehlenswert ist es, nur
die untere(n) Schicht(en) zu verfestigen, die oberste aber
unverfestigt zu lassen. Es bestünde dann nämlich - wenn es
sich dabei nicht um eine Deckschicht mit insgesamt hoher
Abriebfestigkeit handelt - die Gefahr, daß die oberste
Schicht im Gasstrom abgetragen würde.
Da monolithische Körper oft nicht hinsichtlich der
Abgasdurchströmungsrichtung gekennzeichnet werden und der
nachfolgende Einbau in Konverter meist ohne Festlegung der
Durchflußrichtung erfolgt, kann es sich als notwendig
erweisen, beide Stirnseiten des monolithischen Katalysators
mit einer Beschichtungsverfestigung auszustatten.
Monolithische Katalysatoren mit Stirnflächenverfestiger
eignen sich bevorzugt für die Abgasnachbehandlung von
Verbrennungsmotoren, bei denen bekanntlich hohe Gas
pulsationen auftreten und wo auch mechanischer Abrieb zum
Beispiel durch Eisenoxidpartikel aus dem Abgaskrümmer
auftreten kann.
Claims (9)
1. Monolithischer Katalysator für die Abgasreinigung
enthaltend eine katalytisch aktive Beschichtung auf
einem inerten, gasdurchlässigen Tragkörper, welcher
zwei Stirnflächen für den Ein- und Austritt des Abgases
aufweist, wobei die katalytisch aktive Beschichtung
mindestens ein hochoberflächiges Trägermaterial sowie
katalytisch aktive Komponenten und gegebenenfalls
Promotoren enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß die katalytisch aktive Beschichtung zumindest auf
der Eintrittsseite des Abgases von der Stirnfläche
ausgehend bis in eine Tiefe, welche bis zum zwanzig
fachen des Zellquerschnittes beträgt, durch Auf- oder
Einbringen eines oder mehrerer anorganischer Stoffe
gegen Abrieb verstärkt ist.
2. Monolithischer Katalysator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der anorganische Stoff ein Sol, ein keramischer
Kleber, eine Glasur, eine Fritte oder ein Email ist.
3. Monolithischer Katalysator nach den Ansprüchen 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkung an beiden Stirnflächen vorliegt.
4. Monolithischer Katalysator für die Abgasreinigung
enthaltend eine katalytisch aktive Beschichtung auf
einem inerten, gasdurchlässigen Tragkörper, welcher
zwei Stirnflächen für den Ein- und Austritt des Abgases
aufweist, wobei die katalytisch aktive Beschichtung
mindestens ein hochoberflächiges Trägermaterial sowie
katalytisch aktive Komponenten und gegebenenfalls
Promotoren enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tragkörper wie üblich mit der katalytisch
aktiven Beschichtung versehen wird und abschließend die
Beschichtung an der Abgase in- und gegebenenfalls an der
Abgasaustrittsseite durch Auf- oder Einbringen eines
oder mehrerer anorganischer Stoffe gegen Abrieb
verstärkt wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines monolithischen
Katalysators für die Abgasreinigung enthaltend eine
katalytisch aktive Beschichtung auf einem inerten,
gasdurchlässigen Tragkörper, welcher zwei Stirnflächen
für den Ein- und Austritt des Abgases aufweist, wobei
die katalytisch aktive Beschichtung mindestens ein
hochoberflächiges Trägermaterial sowie katalytisch
aktive Komponenten und gegebenenfalls Promotoren
enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tragkörper mit den bekannten Techniken zunächst
nur mit der oxidischen Trägerschicht versehen wird,
welche anschließend an der Abgasein- und gegebenenfalls
an der Abgasaustrittsseite durch Auf- oder Einbringen
eines oder mehrerer anorganischer Stoffe gegen Abrieb
verstärkt wird, bevor abschließend mindestens ein
katalytisch aktiver und/oder als Promotor wirkender
Stoff durch Imprägnieren eingebracht wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators nach den
Ansprüchen 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei mehrstufiger Aufbringung der Katalysatorschicht
zumindest eine, vorzugsweise die letzte Katalysator
schicht mit der Verstärkung versehen wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators nach den
Ansprüchen 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die anorganischen Stoffe eine katalytische,
und/oder als Promotor wirkende Komponente enthalten.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der anorganische Stoff ein Sol, eine Glasur, eine
Fritte oder ein Email ist.
9. Verwendung des monolithischen Katalysators zur Abgas
nachbehandlung von Verbrennungsmotoren.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19547599A DE19547599C2 (de) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | Monolithischer Katalysator für die Abgasreinigung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19547599A DE19547599C2 (de) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | Monolithischer Katalysator für die Abgasreinigung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19547599A1 true DE19547599A1 (de) | 1997-06-26 |
DE19547599C2 DE19547599C2 (de) | 1999-02-25 |
Family
ID=7780669
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19547599A Revoked DE19547599C2 (de) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | Monolithischer Katalysator für die Abgasreinigung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19547599C2 (de) |
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1995
- 1995-12-20 DE DE19547599A patent/DE19547599C2/de not_active Revoked
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Also Published As
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