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DE19530142A1 - Catalyst structure serving vehicles with high levels of hydrocarbon emission - Google Patents

Catalyst structure serving vehicles with high levels of hydrocarbon emission

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Publication number
DE19530142A1
DE19530142A1 DE19530142A DE19530142A DE19530142A1 DE 19530142 A1 DE19530142 A1 DE 19530142A1 DE 19530142 A DE19530142 A DE 19530142A DE 19530142 A DE19530142 A DE 19530142A DE 19530142 A1 DE19530142 A1 DE 19530142A1
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DE
Germany
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catalyst according
metal foil
catalyst
casing
active material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19530142A
Other languages
German (de)
Inventor
Alfred Reck
Uwe Siepmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
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Priority to IN959CA1996 priority patent/IN187850B/en
Priority to TW088209156U priority patent/TW377757U/en
Priority to KR10-1998-0701118A priority patent/KR100417441B1/en
Priority to BR9610032A priority patent/BR9610032A/en
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Priority to EP96927698A priority patent/EP0845074B1/en
Priority to CN96196303A priority patent/CN1077646C/en
Priority to DE59601567T priority patent/DE59601567D1/en
Priority to AU67428/96A priority patent/AU6742896A/en
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Priority to MYPI96003316A priority patent/MY119901A/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

This catalyst serves vehicles powered by internal combustion engines. It is particularly suitable for exhaust gases containing a large proportion of hydrocarbons. Its tubular casing (1) contains an arrangement of metal sheets, at least partially coated with a catalytically-active material. In this novel arrangement, the sheets are placed close to the internal surface (3) of the casing. This leaves most of the cross sectional area of the casing free of catalyst-coated metal sheet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, insbesondere zum katalytischen Reinigen von Abgas mit großen Anteilen von Kohlenwasserstoffen.The present invention relates to a catalytic converter for vehicles Internal combustion engines, in particular for the catalytic cleaning of Exhaust gas with large proportions of hydrocarbons.

Im Zuge der weltweit immer strenger werdenden Anforderungen an die Abgasreinigung von Kraftfahrzeugen sind zahlreiche Ausführungsformen für Katalysatoren entwickelt worden. Eine Art von Katalysatoren weist zumindest teilweise mit katalytisch aktivem Material beschichtete Metall­ folien auf, welche in einem Mantelrohr angeordnet sind. Für solche Katalysatoren sind zahlreiche Bauformen mit unterschiedlichen Strukturen der Metallfolien bekannt.In the course of the ever stricter requirements for the Exhaust gas cleaning of motor vehicles are numerous embodiments have been developed for catalysts. One type of catalytic converter exhibits metal at least partially coated with catalytically active material foils, which are arranged in a tubular casing. For such Catalysts are numerous designs with different structures the metal foils known.

Obwohl Katalysatoren, bei denen das katalytisch aktive Material auf Metallfolien aufgebracht ist, sehr gute Eigenschaften in Bezug auf die Wärmeleitung und Wärmeverteilung besitzen, kann bei bestimmten An­ wendungsfällen durch die exotherme Reaktion im Katalysator dennoch eine Überhitzung auftreten. Um dies zu vermeiden, ist aus der DE 36 35 993 A1 bereits ein Katalysator bekannt, der so ausgebildet ist, daß er einen zentralen Bereich der vom Abgas durchströmten Querschnittsfläche freiläßt, um eine Überhitzung zu vermeiden. Ein solcher Wabenkörper ist auch aus der EP 0 270 856 A1 bekannt.Although catalysts in which the catalytically active material Metal foils is applied, very good properties in terms of Have heat conduction and heat distribution, can with certain An applications due to the exothermic reaction in the catalyst overheating. To avoid this, DE 36 35 993 A1 a catalyst is already known, which is designed so that it a central area of the cross-sectional area through which the exhaust gas flows  released to avoid overheating. Such is a honeycomb body also known from EP 0 270 856 A1.

Bei diesen bekannten Katalysatoren ist es jedoch immer noch das Ziel, einen möglichst großen Anteil des Abgases zu reinigen und nur einen kleinen Teil im Zentralbereich ungehindert durchzulassen, um in diesem Bereich eine Überhitzung zu vermeiden, wie sie bei einem vollständig den Abgasquerschnitt ausfüllenden Wabenkörper auftreten könnte.With these known catalysts, however, the aim is still to clean as much of the exhaust gas as possible and only one small part in the central area to pass through unhindered Avoid overheating area, as in a complete area honeycomb body filling the exhaust gas cross section could occur.

Es gibt allerdings Anwendungsfälle, bei denen das Abgas von Verbren­ nungsmotoren so große Anteile an Kohlenwasserstoffen enthält, daß auch die bekannten Wabenkörper sich überhitzen würden, wenn sie die Koh­ lenwasserstoffanteile katalytisch umsetzen würden. Insbesondere bestimmte 2-Takt-Motoren älterer Bauart erzeugen Kohlenwasserstoffkonzentrationen von bis zu 4 Volumenprozent im Abgas, die bei vollständiger katalyti­ scher Verbrennung sehr große Wärmemengen freisetzen. Dies könnte zwar mit großvolumigen Katalysatoren beherrscht werden, jedoch steht dafür oft nicht genug Raum zur Verfügung. Trotzdem ist es wünschens­ wert, diesen hohen Schadstoffanteil mit vertretbarem Aufwand zu ver­ ringern, um wenigstens bestimmte Mindestanforderungen bezüglich des Schadstoffausstoßes einhalten zu können.However, there are applications in which the exhaust gas from burning tion motors contains such large amounts of hydrocarbons that also the well-known honeycomb bodies would overheat if the Koh would implement hydrogen sulfide catalytically. In particular, certain Older 2-stroke engines produce hydrocarbon concentrations of up to 4 percent by volume in the exhaust gas, which with complete catalytic release very large amounts of heat. this could can be controlled with large-volume catalysts, but is there is often not enough space for this. Nevertheless, it is desirable worth ver this high level of pollutants with reasonable effort wrestle to at least certain minimum requirements regarding the To be able to comply with pollutant emissions.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Kataly­ sators, der Abgase mit hohen Kohlenwasserstoffkonzentrationen von z. B. 2-4 Volumenprozent zumindest teilweise katalytisch umsetzen kann, ohne dabei überhitzt zu werden. Gleichzeitig soll der Aufbau möglichst einfach und auch in kleinere Fahrzeuge integrierbar sein. The object of the present invention is therefore to create a catalyst sators, the exhaust gases with high hydrocarbon concentrations of z. B. Can convert 2-4 percent by volume at least partially without getting overheated. At the same time, the structure should be as simple as possible and can also be integrated into smaller vehicles.  

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Katalysator gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.A catalyst according to the claim is used to achieve this object 1. Advantageous refinements are specified in the dependent claims.

Untersuchungen haben gezeigt, daß es für eine katalytische Umsetzung eines erheblichen Teils von Kohlenwasserstoffen in einem Abgas aus­ reicht, dieses durch ein Mantelrohr zu leiten, welches in der Nähe seiner Innenoberfläche zumindest teilweise mit katalytisch aktivem Material beschichtete Metallfolien aufweist, wobei der überwiegende Teil der Querschnittsfläche des Mantelrohres frei von solchen Metallfolien ist. Bei einem mit einem katalytisch aktiven Material beschichteten Wabenkörper; der den gesamten Querschnitt eines Mantelrohres ausfüllt, findet ent­ sprechend dem Strömungsprofil die stärkste exotherme Reaktion im Zentralbereich statt, und zwar im allgemeinen in einer axial nur kurzen Zone des Wabenkörpers. Gleichzeitig kann die Wärme aus dem Inneren des Wabenkörpers wegen dessen Wabenstruktur nur schwer nach außen an das Mantelrohr abgeführt werden. Läßt man hingegen den überwie­ genden Teil der Querschnittsfläche des Mantelrohres frei von Metallfolie und ordnet solche Metallfolien mit katalytisch aktivem Material im wesentlichen in der Nähe der Innenoberfläche des Mantelrohres an, so kann zunächst die durch exotherme Reaktionen entstehende Wärme leichter abgeführt werden. Statt in einer axial kurzen Zone findet nun aufgrund von Diffusionsprozessen in der Abgasströmung eine katalytische Reaktion über die ganze Länge der beschichteten Metallfolie statt, so daß auch bei dieser Anordnung ein erheblicher Anteil der Kohlenwasser­ stoffe in unschädliche Komponenten (Kohlendioxyd und Wasser) umge­ setzt werden kann.Studies have shown that it is for catalytic conversion a significant proportion of hydrocarbons in an exhaust gas is enough to pass this through a jacket tube, which is near its Inner surface at least partially with catalytically active material has coated metal foils, the majority of the Cross-sectional area of the jacket tube is free of such metal foils. At a honeycomb body coated with a catalytically active material; that fills the entire cross-section of a jacket pipe, ent speaking the strongest exothermic reaction in the flow profile Central area instead, and generally in an axially short Zone of the honeycomb body. At the same time, the heat from inside of the honeycomb body due to its honeycomb structure is difficult to the outside be led away to the casing pipe. However, if you leave the transfer Part of the cross-sectional area of the jacket tube free of metal foil and arranges such metal foils with catalytically active material in the essentially in the vicinity of the inner surface of the casing tube, so can initially the heat generated by exothermic reactions be more easily dissipated. Instead of taking place in an axially short zone due to diffusion processes in the exhaust gas flow a catalytic one Reaction takes place over the entire length of the coated metal foil, so that even with this arrangement a significant proportion of the hydrocarbon substances converted into harmless components (carbon dioxide and water) can be set.

Für die Einhaltung weniger strenger Abgasvorschriften kann schon eine einzige Lage einer Metallfolie mit katalytisch aktivem Material ausrei­ chen. Zur Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche kann die Metallfolie zumindest in Teilbereichen strukturiert sein, insbesondere in Wellenform.One can already comply with less stringent exhaust gas regulations single layer of a metal foil with catalytically active material is sufficient chen. To increase the catalytically active surface, the  Metal foil can be structured at least in partial areas, in particular in Waveform.

Es ist jedoch auch möglich, eine glatte Metallfolie bündig zum Mantel­ rohr anzuordnen.However, it is also possible to have a smooth metal foil flush with the jacket arrange pipe.

Befestigt werden können Metallfolien untereinander und/oder am Mantel­ rohr durch Löten, wie dies bei metallischen Wabenkörpern an sich be­ kannt ist. Insbesondere genügt es, eine Metallfolie im Stirnbereich des Mantelrohres einzulöten.Metal foils can be attached to each other and / or to the jacket tube by soldering, as is the case with metallic honeycomb bodies per se is known. In particular, it is sufficient to have a metal foil in the front area of the Solder the jacket tube.

Für strengere Abgasvorschriften kann es erforderlich sein, mehrere Lagen von Metallfolien, z. B. 2-6 in der Nähe der Innenoberfläche des Mantel­ rohres anzuordnen, wobei diese so strukturiert sind, daß sie für das Abgas durchlässige Kanäle bilden. Insbesondere können diese Lagen durch spiraliges Aufwickeln von strukturierten Metallfolien, insbesondere glatten und gewellten Folien, gebildet werden.For stricter emissions regulations, it may be necessary to use several layers of metal foils, e.g. B. 2-6 near the inner surface of the jacket to arrange pipe, which are structured so that they for the Form exhaust-gas-permeable channels. In particular, these locations by spirally winding structured metal foils, in particular smooth and corrugated foils are formed.

Die Form und Größe der Strukturen der Metallfolie soll vorzugsweise so sein, daß sie Kanäle einer Querschnittsfläche bilden, wie sie bei Waben­ körpern mit 25-200 cpsi (cells per square inch) auftritt. Dies bedeutet, daß z. B. Amplituden der Wellung von etwa 1,5-6 mm bei typischen Well­ formen auftreten. Die genaue Form der Wellung ist jedoch für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, so daß hier zahlreiche Variationsmöglichkeiten bestehen.The shape and size of the structures of the metal foil should preferably be so be that they form channels of a cross-sectional area, as in honeycombs bodies with 25-200 cpsi (cells per square inch) occurs. This means, that z. B. Corrugation amplitudes of about 1.5-6 mm in typical well shapes occur. The exact shape of the curl is however for that present invention of minor importance, so here there are numerous possible variations.

Zur Verbesserung der Umsetzung des Abgases durch Querströmungen und Verwirbelungen ist es vorteilhaft, die Metallfolie mit Perforations­ löchern zu versehen, die beispielsweise einen Durchmesser von 2-6 mm aufweisen können. To improve the implementation of the exhaust gas through cross flows and swirling it is advantageous to perforate the metal foil holes to provide, for example, a diameter of 2-6 mm can have.  

Das Mantelrohr selbst kann zylindrisch ausgebildet sein oder sich konisch erweitern. Auch ovale Querschnittsformen des Mantelrohres sind möglich.The casing tube itself can be cylindrical or conical expand. Oval cross-sectional shapes of the casing tube are also possible.

Als Material für die Metallfolien kommen die üblichen hochtemperatur­ korrosionsbeständigen Materialien in Betracht, insbesondere Materialien wie der Werkstoff 1.4767 oder Materialien mit ähnlichen Eigenschaften.The usual high temperature comes as the material for the metal foils corrosion-resistant materials, especially materials like material 1.4767 or materials with similar properties.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigenEmbodiments of the invention, but not limited to these is shown in the drawing, namely show

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Katalysa­ tor, Fig. 1 tor a cross-section through an inventive Katalysa,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch diesen Katalysator und Fig. 2 shows a longitudinal section through this catalyst and

Fig. 3 in schematischer Darstellung ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit perforierten Metallfolien. Fig. 3 shows a schematic representation of another embodiment of the invention with perforated metal foils.

In den Fig. 1 und 2 ist nur eine gewellte Metallfolie 2 an der Innenoberfläche 3 eines Mantelrohres 1 angeordnet. Die gewellte Metall­ folie bildet so eine vergrößerte Oberfläche, die mit katalytisch aktivem Material beschichtet werden kann. Dabei kann die Beschichtung nur auf der Innenseite der Metallfolie oder auf beiden Seiten vorgesehen werden. Die bei der katalytischen Reaktion entstehende Wärme kann bei dieser Ausführungsform leicht an das Mantelrohr 1 abgeführt werden. Durch hier nicht dargestellte Perforationslöcher kann die Wirksamkeit der Anordnung erhöht werden, insbesondere mit einer beidseitig katalytisch aktiven Beschichtung der Metallfolie. Die gewellte Metallfolie 2 bildet mit dem Mantelrohr 1 zusammen Kanäle 4 welche jeweils eine bestimm­ te Querschnittsfläche aufweisen. Für vollständig mit solchen Kanälen ausgefüllte Wabenkörper ist die Einheit cpsi (cells per square inch) gebräuchlich, so daß generell auch die Größe einzelner Kanäle auf diese Einheit bezogen werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung sollen Kanäle mit einer Querschnittsfläche gebildet werden, wie sie bei Waben­ körpern mit 25-200 cpsi auftritt. Durch spiraliges Aufwickeln von mehre­ ren abwechselnd geschichteten unterschiedlich strukturierten Metallfolien kann eine größere katalytisch aktive Fläche geschaffen werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß der überwiegende Teil des Querschittes zur Vermeidung von Überhitzungen frei bleibt.In Figs. 1 and 2, only a corrugated metal foil 2 is arranged on the inner surface 3 of the tubular casing 1. The corrugated metal foil thus forms an enlarged surface that can be coated with catalytically active material. The coating can only be provided on the inside of the metal foil or on both sides. The heat generated during the catalytic reaction can easily be dissipated to the casing tube 1 in this embodiment. Perforation holes (not shown here) can increase the effectiveness of the arrangement, in particular with a coating of the metal foil that is catalytically active on both sides. The corrugated metal foil 2 forms with the casing tube 1 together channels 4 which each have a specific cross-sectional area. The unit cpsi (cells per square inch) is used for honeycomb bodies completely filled with such channels, so that the size of individual channels can generally also be related to this unit. According to the present invention, channels are to be formed with a cross-sectional area, as occurs in honeycomb bodies with 25-200 cpsi. A larger catalytically active surface can be created by spirally winding up several alternately layered differently structured metal foils, but care must be taken to ensure that the major part of the cross section remains free to avoid overheating.

Fig. 3 zeigt, daß im einfachsten Fall bereits eine Metallfolie (2) mit Perforationslöchern (5), die an der Innenoberfläche (3) des Mantelrohres (1) angeordnet ist, für eine katalytische Umsetzung ausreichen kann. Fig. 3 shows that in the simplest case, a metal foil ( 2 ) with perforation holes ( 5 ), which is arranged on the inner surface ( 3 ) of the casing tube ( 1 ), can be sufficient for a catalytic reaction.

Die vorliegende Erfindung dient insbesondere zur teilweisen Reduzierung des Kohlenwasserstoffanteils in Abgasen mit sehr hohen Anteilen an Kohlenwasserstoff.The present invention is particularly useful for partial reduction of the hydrocarbon content in exhaust gases with very high proportions Hydrocarbon.

Claims (15)

1. Katalysator für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, insbesondere zum katalytischen Reinigen von Abgas mit großen Anteilen von Kohlenwasserstoffen, aus einem Mantelrohr (1), in welchem zumin­ dest teilweise mit einem katalytisch aktiven Material beschichtete Metallfolien angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien in der Nähe der Innenoberfläche (3) des Man­ telrohres (1) angeordnet sind, wobei der überwiegende Teil der Querschnittsfläche des Mantelrohres (1) frei von Metallfolien mit katalytisch aktivem Material ist.1. Catalyst for vehicles with internal combustion engines, in particular for the catalytic cleaning of exhaust gas with large proportions of hydrocarbons, from a jacket tube ( 1 ) in which at least partially coated with a catalytically active material metal foils are arranged, characterized in that the metal foils in the Near the inner surface ( 3 ) of the man telrohres ( 1 ) are arranged, the major part of the cross-sectional area of the jacket tube ( 1 ) being free of metal foils with catalytically active material. 2. Katalysator nach Anspruch 1, bei welchem an der Innenoberfläche (3) des Mantelrohres (1) mindestens eine Lage einer Metallfolie (2) mit katalytisch aktivem Material als separater Körper über zumindest einen Teil des Innenumfangs vorgesehen ist.2. Catalyst according to claim 1, in which on the inner surface ( 3 ) of the casing tube ( 1 ) at least one layer of a metal foil ( 2 ) with catalytically active material is provided as a separate body over at least part of the inner circumference. 3. Katalysator nach Anspruch 2, bei welchem die Metallfolie (2) zu­ mindest in Teilbereichen strukturiert, insbesondere wellenförmig, ist.3. Catalyst according to claim 2, in which the metal foil ( 2 ) is structured at least in partial areas, in particular in a wave shape. 4. Katalysator nach Anspruch 2, bei welchem die Metallfolie (2) glatt wandbündig ist. 4. Catalyst according to claim 2, wherein the metal foil ( 2 ) is smooth flush with the wall. 5. Katalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welchem die Metallfolie (2) zumindest im Stirnbereich (4) des Mantelrohres (1) eingelötet ist.5. Catalyst according to one of claims 2 to 4, in which the metal foil ( 2 ) is soldered at least in the end region ( 4 ) of the tubular casing ( 1 ). 6. Katalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welchem zwei bis sechs Lagen Metallfolie (2) angeordnet sind, die so strukturiert sind, daß sie für das Abgas durchlässige Kanäle bilden.6. Catalyst according to one of claims 2 to 5, in which two to six layers of metal foil ( 2 ) are arranged, which are structured so that they form passages for the exhaust gas. 7. Katalysator nach Anspruch 6, bei welchem die Lagen der Metallfolie spiralförmig gewickelt sind.7. The catalyst of claim 6, wherein the layers of the metal foil are wound spirally. 8. Katalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei welchem die Größe und Form der Strukturen der Metallfolie (2) so ist, daß sie Kanäle einer Querschnittsfläche bilden, wie sie bei Wabenkörpern mit 25 bis 200 cpsi (cells per squareinch) auftritt.8. Catalyst according to one of claims 3 to 7, wherein the size and shape of the structures of the metal foil ( 2 ) is such that they form channels of a cross-sectional area, as occurs in honeycomb bodies with 25 to 200 cpsi (cells per squareinch). 9. Katalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem die Metallfolie (2) Perforationslöcher (5) aufweist.9. Catalyst according to one of claims 2 to 8, wherein the metal foil ( 2 ) has perforation holes ( 5 ). 10. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Mantelrohr (1) zylindrisch ist.10. Catalyst according to one of claims 1 to 9, in which the jacket tube ( 1 ) is cylindrical. 11. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Mantelrohr (1) in Strömungsrichtung sich konisch erweitert.11. Catalyst according to one of claims 1 to 9, in which the jacket tube ( 1 ) widens conically in the direction of flow. 12. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 11, bei welchem die Querschnittsform des Mantelrohres (1) oval ist.12. Catalyst according to one of claims 1 to 9 or 11, in which the cross-sectional shape of the casing tube ( 1 ) is oval. 13. Katalysator nach Anspruch 9, bei welchem die Perforationslöcher (5) einen Durchmesser im Bereich von 2 mm bis 6 mm aufweisen. 13. The catalyst of claim 9, wherein the perforation holes ( 5 ) have a diameter in the range of 2 mm to 6 mm. 14. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem die Metallfolien aus einem modifizierten hochtemperatur-korrosionsbestän­ digen Material, insbesondere mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie der Werkstoff 1.4767, besteht.14. A catalyst according to any one of claims 1 to 13, in which the Metal foils made from a modified high temperature corrosion resistant material, especially with a similar composition like the material 1.4767. 15. Katalysator nach Anspruch 9, bei welchem die Katalysatorfolie (2) in die Innenoberfläche (3) des Mantelrohres (1) glatt eingelötet ist.15. A catalyst according to claim 9, wherein the catalyst film ( 2 ) in the inner surface ( 3 ) of the casing tube ( 1 ) is soldered smooth.
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